[发明专利]一种正渗透-膜蒸馏耦合果汁浓缩装置及浓缩方法

说明书

本发明公开了一种正渗透‑膜蒸馏耦合果汁浓缩装置及浓缩方法，该装置包括正渗透果汁浓缩循环系统、汲取剂膜蒸馏循环系统和控制箱，两个循环系统通过正渗透膜组件连接。果汁储罐通过果汁循环泵将果汁泵入到正渗透膜组件，果汁通过正渗透浓缩后流回果汁储罐完成果汁浓缩循环，果汁中水分渗透到汲取剂中；汲取剂通过汲取剂循环泵泵入到膜蒸馏装置，经过膜蒸馏浓缩后流回正渗透膜组件，完成汲取剂循环，汲取剂中的水分部分渗入冷凝液中；冷凝液通过冷凝水循环泵泵入到冷凝水箱中，再进入压缩冷凝装置冷却后重新回到膜蒸馏装置，完成冷凝剂循环。本发明利用正渗透技术保留浓缩果汁的营养成分，膜蒸馏处理正渗透中的汲取剂，防止其随时间增加而稀释。

技术领域

本发明涉及食品加工技术领域，尤其涉及果汁浓缩技术，具体为利用膜蒸馏与正渗透耦合处理的果汁浓缩系统及浓缩方法。本发明主要利用正渗透与膜蒸馏特有的工艺特征，将两级膜分离技术耦合应用于热敏性物料之果汁浓缩领，以提高果汁浓缩品质。

背景技术

原果汁的含水量很高，通常在80％～85％以上，储存过程容易发生褐变及功能性营养成分的性变。果汁经过浓缩是一种很好的水果贮藏方法，浓缩工艺可以把原果汁的固形物含量从5％～20％提高到60％～75％，这种浓缩汁有相当高的生化稳定性。果汁浓缩后可大大降低包装、运输和贮藏成本，延长货架期，方便销售和消费。果汁浓缩常用的工业化方法有蒸发浓缩和冷冻浓缩。蒸发浓缩工艺其实质是通过加热使果汁中的水分蒸发，从而达到浓缩目的。基于蒸发工艺，果汁的蒸发浓缩会存在以下问题：(1)蒸发浓缩过程的高温加热使果汁中的很多有益成分容易受到破坏，如导致芳香物质的流失等；(2)由于蒸发浓缩过程中，水的蒸发需要消耗大量能量，而水蒸汽的冷却需要消耗大量的水,因此蒸发浓缩实不属于节能环保型工艺。

冷冻浓缩是利用冰与水溶液之间的固-液相平衡原理。将水以固态方式从溶液中去除的一种浓缩方法。冷冻浓缩工艺基本上保留了原汁所含有的大多物质,但在分离冰晶时不可避免地要损失一部分浓缩汁。从保证产品质量的角度而言,冷冻浓缩是目前工业化应用领域一种常用的果汁浓缩技术之一。但是，冷冻浓缩汁的最大浓缩度受到冰晶-浓缩汁混合物的黏度的限制，只能达到40～500Brix；当物料黏度高时难以生成冰晶，难以回收附在冰晶上的可溶性固形物和一些有效成分，且其设备投资和作业成本都较高，生产能力小，这些都限制了它的推广与应用。

随着节能环保意识的日益增强及人们对高品质浓缩果汁需求的提出，上述传统果汁浓缩工艺已渐显劣势。近年来，微滤(Microfiltration,MF)、超滤(Ultrafiltration,UF)、纳滤(Nanofiltration,NF)及反渗透(ReverseOsmosis,RO)等膜分离技术经常被用来对果汁进行澄清及浓缩。与传统的蒸发法相比，此类膜分离技术具有以下优点:果汁在常温下浓缩，不发生相变，有利于果汁中营养成分及风味物质的保留。但这些膜分离过程常会由于浓差极化和膜污染的存在使得最大浓缩只能达到25～30oBrix，从而出现受浓缩倍数限制的情形。这也使此类膜分离技术迟迟未能得以较好应用。

具有低能耗、低环境影响负荷特点的正渗透(ForwardOsmosis,FO)、膜蒸馏(MembraneDistillation,MD)等膜分离技术越来越受到关注，且日益成为物料分离领域研究的热点。正渗透(FO)过程依靠膜两侧的渗透压差驱动，使水自发的从渗透压较低(原料液)的一侧进入到渗透压较高(汲取液)的一侧，在这个过程中无需外加压力，能耗较低。正渗透过程在常温常压下进行果汁浓缩，可以保证其品质不会降低，而且膜的污染很少，增加了处理过程中膜的使用寿命，大大降低了处理成本。但是单独使用正渗透技术时存在的浓缩效率会随时间的推移而降低的问题。

膜蒸馏(MD)是传统蒸馏技术与现代膜分离技术相结合的产物，它是以膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力的膜分离过程。可应用于高浓度热敏性物料的分离。但单独使用也有技术缺陷。

发明内容