王文成 ,陳錦權(quán) ,陳梅英 ,方 婷

(1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與生物工程系,福建漳州 363000;2.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,福建福州 350002)

0 前言

冷凍濃縮是利用冰與水溶液之間固液相平衡原理的一種濃縮方法。目前冷凍濃縮過程的冰晶體結(jié)晶方式有兩種:一種是在管式、板式、轉(zhuǎn)鼓式以及傳送帶式的設(shè)備中進(jìn)行,稱為層式凍結(jié)或漸進(jìn)式凍結(jié)[1];另一種是在冰晶懸浮液中依靠小冰晶融化提供冷量生長大冰晶的,稱為懸浮式凍結(jié)[2]。在工業(yè)上的應(yīng)用過程中,冰晶夾帶損失一直是冷凍濃縮生產(chǎn)技術(shù)存在的一個(gè)大問題[3-5]。通過獲得冷凍濃縮過程中冰晶的增長規(guī)律,可以有效地降低果汁在冷凍濃縮過程中由于冰晶夾帶造成的的損失并提高濃縮速度[6]。

本試驗(yàn)采用了懸浮式結(jié)晶法來進(jìn)行冷凍濃縮。濃縮時(shí)首先將被濃縮物料泵入刮板式熱交換器中,生成部分細(xì)微的冰結(jié)晶后再送入再結(jié)晶罐,由于奧斯特瓦爾德效應(yīng),小冰晶融化、大冰晶成長,然后通過洗凈塔排除冰晶,同時(shí)用部分冰融解液沖洗、回收冰晶表面附著的濃縮液,清洗液回流至進(jìn)料端,濃縮液則循環(huán)至所要求濃度后從結(jié)晶罐底部排出。在優(yōu)化的處理?xiàng)l件下,冷凍濃縮果汁的質(zhì)量與新鮮榨出的果汁幾乎沒有差別。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

(1)原料:西紅柿,可溶性固形物含量4.2°Bx。

(2)實(shí)驗(yàn)儀器:AL807系列溫度控制器(深圳市亞特克電子有限公司);USBDate Acquisition Modules (IOtech,Inc.USA);WAY-2S型數(shù)字阿貝折射儀(上海精密科學(xué)儀器有限公司);制冷壓縮機(jī)組(法國泰康);冷凍濃縮機(jī)組(福建農(nóng)林大學(xué)食品學(xué)院陳錦權(quán)課題組自制)。

1.2 試驗(yàn)方法

(1)工藝流程

(2)試驗(yàn)操作過程

①將果汁過濾后移入冷凍濃縮機(jī)結(jié)晶罐中;同時(shí)開啟制冷機(jī)組對(duì)外圍冷媒(氯化鈣溶液)預(yù)先制冷,直至達(dá)到預(yù)定溫度。

②將溫度控制器探頭插入結(jié)晶罐夾層,控制冷媒溫度;啟動(dòng)循環(huán)泵,將冷媒通入結(jié)晶罐的夾層中循環(huán)流動(dòng)。

③啟動(dòng)變速電機(jī),帶動(dòng)刮刀轉(zhuǎn)動(dòng),保持內(nèi)外壁為 4℃的溫度差,待筒壁上有冰晶析出時(shí)刮刀將冰晶刮下,懸浮于溶液表面成為種冰。

④種冰在生長罐中停留一定時(shí)間后,開啟上層攪拌器,分離溶液中的大小冰晶,使溶液得到濃縮。

⑤試驗(yàn)過程中測定時(shí)間、冰晶可溶性固形物濃度、溶液可溶性固形物濃度,并建立三者之間的關(guān)系,建立冰晶生產(chǎn)動(dòng)力學(xué)模型[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型的采用

文獻(xiàn)[7]認(rèn)為冰晶的生長包括兩個(gè)基本的進(jìn)程:在冰晶的生長過程中,溶質(zhì)被包含在冰晶體中或粘附在冰晶表面,溶質(zhì)在冰晶表面的擴(kuò)散程度是由在冰晶表面附近的固液相界面間的液膜層所決定的。

冰晶生長過程中,溶質(zhì)的擴(kuò)散率可由Fick擴(kuò)散方程式來表達(dá):

式中,A表示晶體表面積;δ表示液膜厚度;α表示擴(kuò)散系數(shù);Cf表示固體表面溶液中的溶質(zhì)濃度;Cj表示溶液中的溶質(zhì)濃度;m表示晶體質(zhì)量;t表示時(shí)間。

在冰晶表面,表面沉積率與溶液的飽和度成正比,因此:

式中,ks表示比例系數(shù)即溶質(zhì)沉積特性;Cs表示溶液飽和濃度。

從式(1)和式(2)中消去Cf可得:

冰晶表面積和冰晶的質(zhì)量之間的關(guān)系可表述為:

在冷凍濃縮進(jìn)程中,式(3)和式(4)可合并表述為:

式中 Cj和 Cs分別為溶液濃度和溶液飽和濃度。在總質(zhì)量相同的同一個(gè)體系中,溶液中存在著平衡:

式(5)可重新整理,代入式(6)可得:

式中(C0-Cs)表示溶質(zhì)在冰晶體上最大的吸附量,因此:

式(7)中的常數(shù)項(xiàng)可合并成為:

將式(8)和式(9)代入式(7)可得:

2.2 仿真結(jié)果分析

(1)冰晶生長動(dòng)力學(xué)模型

試驗(yàn)初始的西紅柿果汁m0=5.433 kg,初始西紅柿汁濃度C0=4.2°Bx,保持冷媒與濃縮液的溫度差為 4℃進(jìn)行濃縮,一段時(shí)間后隨著冰晶體不斷增加,濃度不斷提高,到了一定程度,冰晶體質(zhì)量不再增長,此冰晶體質(zhì)量成為最大冰晶生成量。該數(shù)值可從試驗(yàn)獲得,在本試驗(yàn)中,其值為mI,max=2.292 6 kg。

試驗(yàn)過程中,西紅柿汁在經(jīng)過過冷狀態(tài)后瞬間產(chǎn)生冰核,此時(shí)計(jì)為初值是t=0,并可通過過冷度、比熱容、潛熱的關(guān)系計(jì)算出mI,0=0.108 kg,并代入方程=βmI(1-)k,采用龍格-庫塔法計(jì)算在不同時(shí)間內(nèi)冰晶質(zhì)量變化的模型值進(jìn)行求解,求得一級(jí)冷凍濃縮系數(shù)β=0.84/h,k=1.53。如圖1、圖2所示。

同理,通過試驗(yàn)分別可以擬合出西紅柿汁四級(jí)濃縮的冰晶生長動(dòng)力性模型為:

(2)四級(jí)濃縮階段的濃縮生長曲線比較

為了進(jìn)一步描述西紅柿汁濃縮的過程,果汁濃度增長曲線可將四級(jí)的冰晶生產(chǎn)動(dòng)力學(xué)方程=βmI(1與Cj=聯(lián)立求解,其結(jié)果如圖3所示。從圖3可看出:試驗(yàn)值和模擬值所描述的曲線圖基本上一致。

圖3 四級(jí)西紅柿汁濃縮、冰晶體濃度測定值和計(jì)算值的比較

3 結(jié)論

冷凍濃縮的成功與否關(guān)鍵是體現(xiàn)在對(duì)冰晶可溶性固形物夾帶含量的控制上[10]。從濃縮曲線(見圖1、圖2)可以看出:西紅柿汁在一級(jí)濃縮過程中,與理論曲線幾乎完全重合,這說明一方面由于在生長的過程中,溶液的濃度較低,可溶性固形物在濃縮的過程中可以較容易地排出;另一方面在該濃度下采用溫差為 4℃的制冷溫度差是較為合理的。另外,模型表明每一級(jí)的濃縮曲線均經(jīng)歷了緩慢濃縮,加速濃縮,緩慢濃縮的階段。理論上分析這是由于濃縮初期,溶液經(jīng)過過冷度后突然釋放的冰晶很細(xì)、很少,限制了冰晶生長的速度,也使得濃縮的速度變得比較慢,到了濃縮中期后,隨著溶液中冰晶的增多增大,冰晶總表面積增大,濃縮的進(jìn)度就大大加快,此后到了濃縮后期,由于體系中積累了大量的冰晶,果汁流動(dòng)性變差,果汁與冰晶的相對(duì)運(yùn)動(dòng)減小,質(zhì)量傳遞受阻,濃縮速度趨于平緩,繼續(xù)濃縮的結(jié)果是冰晶夾帶的大量出現(xiàn)。針對(duì)圖1、圖2所反映的這一趨勢(shì)可以指導(dǎo)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn):一是在生產(chǎn)初期要增大初始冰晶的生成數(shù)量,這樣可以很好地加快濃縮的速度(加大初始冰晶的數(shù)量可以有兩種方法:一種方式是通過人為地投放冰晶,作為“種冰”以縮短冰晶成核時(shí)間;另一種方式是加大溶液結(jié)冰前的過冷度,以使初始時(shí)冰晶產(chǎn)生較多。比較以上兩種方法,前者從技術(shù)上講較為簡單易操作,但會(huì)加大后期冰晶分離的負(fù)擔(dān),而后者則在技術(shù)上要求較高)。二是在生產(chǎn)的后期可以根據(jù)濃縮過程曲線適時(shí)地結(jié)束濃縮,因?yàn)榇藭r(shí)體系中聚集了大量的冰晶,冰晶增長受到抑制,冰晶增長速率趨零,強(qiáng)行加大濃縮進(jìn)度的結(jié)果會(huì)是冰晶夾帶急劇升高,這會(huì)對(duì)生產(chǎn)帶來很大的損失,此時(shí)可以考慮冰晶分離,進(jìn)入下一級(jí)濃縮,這既可以減少能耗的損失也可以減少原料的損耗,在工業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用是很有必要的。

此外得到的動(dòng)力學(xué)模型表明:隨著濃縮級(jí)數(shù)的增加,濃縮速度將逐漸放緩,這可以從β和 k逐漸減低的數(shù)據(jù)很直觀地反應(yīng)出來。通過圖3比較四級(jí)濃縮進(jìn)程也可以看出:在一、二級(jí)濃縮的過程中,西紅柿汁濃縮進(jìn)度與擬合的曲線基本上接近重合;而在三、四級(jí)的濃縮過程中,二者均在濃縮的中后期出現(xiàn)部分偏離的現(xiàn)象。因此,在指導(dǎo)實(shí)踐生產(chǎn)的過程中,可以考慮在中后期的濃縮過程中,除了加大攪拌力度使溶質(zhì)擴(kuò)散均勻之外,還應(yīng)該適當(dāng)?shù)臏p少溫度差,放緩濃縮進(jìn)度以保證夾帶的損失減少。

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