[发明专利]水溶液的冷冻浓缩

说明书

                          技术领域

本发明提供一种用于各种水溶液，特别是食品、饮料、乳品、医药、营养药物、生物化学及环境保护等工业中水溶液的冷冻浓缩的物理方法。

                          技术背景

水溶液的浓缩在许多工业中是一种常用的技术。蒸发是广泛应用的水溶液浓缩的方法。但是有效的蒸发过程必须在较高温度的沸腾状态下进行，这就导致了溶液中挥发性或热敏性物质的损失或破坏。与将水转变成蒸气的蒸发过程不同，冷冻浓缩方法是在冰点的低温下将水结晶成冰而使水溶液浓缩。水溶液冷冻浓缩的目的可以是获取浓缩液，或纯水，或这两者。水溶液的冷冻浓缩过程由于在低温下进行，因而比蒸发过程具有许多优越性。在较低的温度下，原始物料中所含有的风味、芳香物、营养物等具有重要价值的成分得以保存而不损失，热敏性物质的破坏也可避免。因此用冷冻浓缩技术可获得极高质量的产品。此外，在较低的温度下，待处理溶液或废水中挥发性有害物质的逸出也可防止。基于这些原因，冷冻浓缩技术对于食品、饮料、乳品、医药、营养药物、生物化学以及环境保护等工业颇具吸引力。虽然目前冷冻浓缩脱水的总费用尚比蒸发的高，但是其应用已遍及那些高质量产品更为重要或低温处理非常必要的领域。

理论上，由水转为冰的相变潜热(大约318千焦耳/千克)仅为由水转为蒸气的(大约2257千焦耳/千克)七分之一。这就意味着使用冷冻方法浓缩水溶液存在着节省大量能源的巨大潜力。冷冻浓缩技术在众多工业中的潜在应用以及能源的经济性一直是科学家和工程师追求的目标，他们为此进行了数十年的努力。冷冻浓缩过程通常包括将溶液致冷，使水结晶成冰以及将冰与母液分离等步骤。要使冷冻浓缩技术在工业上可行，水溶液必须高效率地、经济地被致冷，同时，大的、均一的、易于从母液分离的冰晶必需高效率地获得。然而，冰的结晶过程是一个复杂的相变过程。由于其复杂性，冰结晶过程的控制是非常困难的。根据普遍接受的概念，冰的成核速率与过冷度的平方成正比，而成长速率仅与过冷度成正比，为了提高效率必须增大过冷度，但这将使成核速率增高导致生成大量的细小冰晶。反之，若要获得大的、球形的冰晶而采用较小的过冷度(例如小于0.4℃)，结晶效率将会降低(下山田真等，1997，日本食品科学工学会志，44(1)，59-61)。因此，冷冻浓缩的主要困难在于两个相互联系的方面。首先，由于所获得的冰晶尺寸很小，将冰晶与母液分离很困难。其次，获取大冰晶的过程进行很慢且效率低。

自七十年代以来，荷兰的格伦科公司(Grenco Process Technology B.V.，The Netherlands)及其后来并入的尼柔公司(Niro Process Technology.B.V.，The Netherlands)开发了一种冷冻浓缩方法并予以改进。该技术包括一个表面刮削式热交换器用以冷冻水溶液制备细小冰晶、一个利用熟化(ripening)方法的重结晶器以形成大冰晶、以及一个洗涤柱用以从母液中分离及洗涤大冰晶。其熟化结晶(冰晶成长)及溶液浓缩通过多级操作实现，冰晶体由一级转至另一级。据称，多级操作有益于提高效率。这些技术在授予Thijssen等人的美国专利4332140、4332599、4338109号及授予Van Pelt等人的美国专利4459144、4557741号中均有详述。现在，这些技术已在某些领域(啤酒、果汁、废水等)中应用。但是，除了冷却剂/制冷剂的高费用外，该冷冻浓缩方法还有其它的高成本问题限制了其应用。这些问题主要包括：1)为获取足够的冰核，在冷冻器中刮削冰的高能耗；2)为产生大冰晶以利有效的分离，在结晶器中以熟化手段进行的冰晶成长的低速率。表面刮削式热交换器的高设备成本也限制了该冷冻浓缩方法在诸如食品工业等领域中的应用。