食品化学食品的分割处理Word格式.docx

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机械力

压力下液体流动

油脂生产

平衡分离

蒸发

热

蒸汽压差

液体浓缩

蒸馏

芳香回收

结晶

冷却或蒸发

溶解度或熔点

糖精制、冻结产品

干燥

水蒸发

食品脱水

冷冻干燥

冻结/升华

食品干燥

反渗透

压力/膜

膜渗透性

果汁浓缩

超滤

乳清粉生产、牛服浓缩

汽提

非挥发气体（蒸汽）

溶解度差

油脂脱臭

浸提

溶剂

有择溶解度

油提取、蔗糖抽提

吸附

固体吸附剂

吸附势

油脂脱色

离子交换

固体树脂

离子亲和力

乳清脱盐、水软化

1、过滤

（1）重要性和应用

图2:

转鼓真空过滤机

（2）操作原理

就是将物料通过过滤介质，留下一定大小的粒子。

如图3所示.过滤与其他膜分离（超滤和反渗透）的区别在于被子分离粒子的大小,通常,过滤的粒子大小为0.1μm或更大。

含有因固体分散体的液体被压过过滤介质，过滤器保留固体粒子，液体通过。

典型的是，尽管过滤的压力（30-75psi200-500kPa）一般比超滤中使用的压力（50-150psi，350-1000Pa）要稍低，并大大低于反渗透使用的压力（150-1500psi，1-10Mpa），但是将液体压过膜仍然要用轻微的压力。

图3

过滤体系有各种形式和构造,最常用的一种是板框过滤,如图4所示,在过滤器的每一个板面安放过滤布,以便悬浮液能够被泵入到两块过滤板之间的空室中，通过控制对悬浮液施加压力,液体被迫通过过滤器。

滤渣则保持在过滤介质中。

滤渣在过滤器中堆积直至液体不再通过。

此时，过滤器的流动必须反向，使过滤器中所含有的滤渣清除出来。

图4

另一种普通的过滤机是连续旋转过滤机，它能连续操作，能大流量加工。

旋转过滤机有许多种形式，在图5中有两种形式。

在连续转鼓机中，被过滤的悬浮液在转鼓表面形成一层过滤介质，液体组分被吸入内部。

鼓内有真空，增加过滤的速率和效率。

当鼓旋转大约3/4时，干的过滤饼被除去并收集。

在连续旋转带式过滤机中，浆料被装上带顶部，过滤是在带上从开头到末端的移动进行的，使液体通过过滤机并在底部被收集。

一旦达到终点或转折点时，过滤饼被除去和收集。

还有，在许多情况下真空操作可提供足够的推动力使过滤率提高。

旋转带式过滤机经常用在油脂分馏中除去结晶脂类物质。

图5:

连续旋转过滤机

2、压榨

压榨可以定义为从半固体物料中加压

：

典型的种子榨油的加工步骤排出液体。

脱壳种子

↓

轧坯

调理←蒸汽水

螺旋压榨→榨饼

澄清油

（2）操作原理

当种子被置于相当大的压力下，种子的细胞会破裂，则所含的油流出来。

如图7所示。

为了使内部结构破裂，借助于某些压力应用装置，使种子在平板或过滤器中进行压榨。

间歇式压榨从可可豆中榨出可可油使用的压力高达41Mpa（6000psi）。

便可以通过活塞装置或在间隙越来越窄的腔体内盘的旋转施加压力。

图9.7显示了螺旋压榨机的工作原理。

图6：

液压式压滤机

图7

3、离心

图8:

立式过滤离心机

应用离心机精制油的简单流程

油料↓←NaOH

滞留混合器

↓

离心→皂脚

油↓←水

离心→水

干燥器→真空

精制油

在离心机中利用旋转力来分离不同密度的物料。

在油精制中，用离心机根据密度差来从水相（皂液）中分离出油相。

在典型的离心分离机中，如图9所示，有许多圆盘片，相互重叠，间隔很小（不到1cm）。

盘子的形状像漏斗呈45度角。

圆盘垛以5000-6000r/min旋转产生相当大的离心力，未精制的油进入到圆盘垛的底部，通过圆盘上的一系列洞孔进入圆盘垛中。

密度比油大的水相，被迫到离心机的外部区域，油迁移到离心机的内部，在圆盘垛的中心被收集。

油相和水相两股液流都从离心机的顶部通过各自的路线被除去。

图9

三、食品的扩散平衡分离

1、结晶

食品

晶体结构

物理属性

冰琪琳

冰

光滑

冻结食品

质量和质构

巧克力

油脂

光滑、脆硬、光泽、脂肪颗粒稳定性

人造奶油、黄油

光滑、硬度、呈粒度

方登糖

糖

锅熬糖

脆度

豆形胶质软糖等

糖衣谷物制品

外观（糖霜）

为了形成结晶，液相需要冷却到冻结点（如冰或脂肪的熔化状态）下或者浓缩到溶解度（如蔗糖、盐等溶液）之上。

为了在食品中冻成冰,产品必须冻结到冻结点（熔化点）之下,冻结点是由相对小分子质量溶质（盐、糖等）的浓度决定的。

像盐和单糖这样比较小的分子，对水的冻结点（熔点）有重要的影响。

当食品冻结时，未冻结物质在这些可溶性组分中变得更浓，冻结点下降。

在冻结浓缩过程中，冻结点下降不断进行，直到食品达到玻璃过渡态点。

图10，11

2、蒸馏

蒸馏被广泛用于化学和石油加工工业中分离具有不同挥发性的组分。

（2）操作原理

当一种含有不同蒸汽压组分的物质被加热时，易挥发的组分（低蒸汽压）很容易挥发，能够从不易挥发组分（高蒸汽压）中分离。

在简单的间歇式蒸镏中,液体混合物被加热到煮沸,形成的蒸汽被分离并浓缩而产生一个挥发组分高的产物（蒸馏液），使剩留液体（残液）中的这些挥发组分被排完。

在大部分工业蒸馏操作中，物料进入蒸馏柱，当物料连续流过体系时被加热。

蒸汽上升到柱子顶部并被除去（同时），而残留液体降到瓶底使它们被分离（图12）。

当液体和蒸汽流在蒸馏柱中相互通过时，汽液增加蒸馏柱中的分离，一部分浓缩蒸汽被加到柱子的顶部（回流）；

一部分脚子被汽化（在重沸器中）并被加到柱子的底部，如图12所示。

这样，可加快蒸汽流向柱的上部和液体流向柱的下部。

图12

3、吸收/汽提

通过将一种组分选择性吸收或溶解到液体中来除去蒸汽相中的少量杂质，被称为吸收。

如：

除去空气中的氨或硫化氢。

通过选择性吸收到气流中来除去液相中的杂质称为汽提。

植物油的脱臭。

吸收或汽提的推动力是杂质化合物在液相和气相中的浓度差。

在吸收中，杂质迁移到液相中直至达到平衡，而在汽提中，杂质迁移到气相中达到平衡。

在汽提中，两组分之间的蒸汽压差为选择性去除挥发组分（脂肪酸等）提供了推动力。

在油脂脱臭中，汽提在真空条件（压力小于1kPa或0.15psia）和高温（200-275℃）下进行的,以增加组分之间的蒸汽压差。

图13，14

4、提取

（1）重要性和应用

当固态原料中的一种组分被溶解在液体溶剂中时，这种组分就被提取，这就称作为浸提或固液抽提。

固液提取依据的基本原理是固液之间存在的浓度差，它引起分子从一处扩散到另一处。

如图15所示。

实际上，固体中溶质的扩散不是浸出的惟一机制。

在固液提取过程中，也存在溶质从固体表面洗出、提取物从粒子间微孔中的置换和溶解化反应（或不溶性前体中诱导反应产生可溶性溶质）

图15

浸提可以间歇式加工也可以连续进行。

在间歇加工中，溶剂与制备后的固体密切接触，间歇时间由可溶性组分溶出固体的扩散速率来决定。

一批固体被提取后，空出容器、清洗，重新装入固体。

一组间歇提取器如图16所示。

已经设计出几种连续浸提过程，包括螺旋传递提取器和渗滤提取器。

溶剂提取片状油籽的连续渗滤提取器流程见图17。

在这种情况中，薄片物料被充入到分离的漏斗中，并沿提取器运动。

溶剂从每个床的顶部加入并在底部沥干收集。

溶剂的加入方向与薄片物料床的移动是逆向的。

也可以使用移动的传递带沿着提取器的长度而输送固体，溶剂以类似的方式逆流输入。

左图为图16，右图为图17

5、吸附

除去食品中少量成分可以通过选择性吸附到固体表面来完成。

食品加工中的一些应用有糖浆和植物油的脱色、水处理中除去污染物和发酵液的澄清。

吸附是一种表面现象，某些分子根据分子间作用于力可以连结到固体表面，吸附的程度取决于溶质和吸附剂之间的特殊亲和力。

一般来说，被吸附的化合物量取决于所用吸附剂（固体）的质量（或更确切地说是表面积）、被吸附组分的浓度和吸附作用的能量。

当被吸附物质的分子浓度和现有吸附剂面积最高时，吸附一开始就很快发生。

随着被子吸附物质分子浓度的下降和吸附剂被吸附的分子越来越饱和，吸附的速率则下降。

最终，吸附剂被吸附分子饱和，而分离不再可能。

此时，固体必须被处理或再生，并使用新鲜的吸附剂。

通常，每当有可能增中加工的经济性时，吸附剂就再生。

↓油↓漂白土

油罐

真空漂白器

过滤器→用过的黏土

脱色油

图：

植物油连续真空脱色

6、离子交换

（1）重要性和应用

在某些方面，在从食品加工流程中分离组合时，离子交换与吸附技术相当相似。

。

离子交换和吸附之间的主要差异在于被分离组分的性质。

在离子交换中。

像盐这样的离子化合物被分离是基于它们的电荷。

一种离子交换树脂在其表面含有一定的离子组分，它可以与液相中的离子组分交换。

软化水、从精制的糖浆中除去一定的盐类化合物。

以及在酒的澄清中去除酒石酸盐。

离子交换也是一种表面现象，即树脂表面的离子与液相中含有的其他离子进行交换。

这种交换的推动力是由于不同种类离子的吸附能差。

离子交换就是树脂上已经存在的吸附能较弱的一种离子被溶液中有较高吸附能的一种离子所取代。

例如，水的软化通常是离子交换树脂上最初的钠离子与硬水中的钙和镁离子进行交换。

钠盐在高温时不会沉淀，而且也不会形成水垢，这个过程常称为阳离子交换，这是因为只有阳离子（正电荷离子）被交换。

也有阴离子交换剂和混合离子交换剂。

为了使水完全脱盐（除去全部离子），可以用混合床离子交换，也可连续用阳离子和阴离子床。

大多数的家用饮水机仅仅用阳离子交换处理。

图18

7、渗透/电渗析

渗析是让物料能过一个依据分子大小具有选择通透性的膜来除去可溶性溶质。

治疗肾脏病人，就是用渗析从血液中选择性地除去某些组分。

从啤酒中除去酒精、乳清选择性脱盐和从油脂中除去风味化合物。

电渗析是用特殊膜来分离带电离子，这种膜对一定大小并带电荷的粒子有选择性。

阴离子交换膜带有阳离子,而排斥带正电荷的溶质（阳离子）,阳离子交换膜排斥带阴电荷的溶质（阴离子）。

也就是说，阳离子交换膜对阳离子有渗析，但对阴离子则没有，而阴离子交换膜对阴离子有渗析，但对阳离子则没有。

在电渗析池中，如图19，20所示，阴离子膜和阳离子膜以交替方式排列。

在外加电场的影响下，正电荷和负电荷分子以相反方向向相应电荷膜移动。

然而，阳离子不能通过阴离子交换膜。

阴离子不能通过阳离子交换膜。

而且，两种离子都从盐水溶液中除去。

因此，剩余溶液已经清除盐分子。

图19，20

食品分离新技术

一、膜分离技术

1、膜分离的基本概念

用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的方法，统称为膜分离。

2、膜性能

（1）膜的抗氧化和抗水解性能

假如膜在水溶液中的氧化机理与膜材料在空气中的氧化相似，那么溶液中由氧化物质产生的初级自由基（Xo）便能与高分子材料（R—H键）进行如下反应：

R—H+Xo——→Ro+H—X

然后高分子材料的自由基R?

与O2作用进行链转移：

R—H

Ro+O2——>

R—O—Oo——>

Ro+R—O—O—H

反应产物ROOH不稳定，经过一系列反应由醇变成醛，由醛转化为酸、CO2和水等。

膜的水解与氧化是同时发生的，膜的水解，作用与高分子材料的化学结构密切相关，当高分子链中具有易水解的化学基团—CONH—、—COOR—、—CN、——CH2—O—等时，这些基团在酸或碱的作用下会产生水解降解反应，于是膜性能受到破坏。

（2）膜的耐热性和机械强度

膜的耐热性取决于高分子材料的化学结构。

由于水在膜中的渗透使高分子之间的作用力部分地受到削弱，结果使膜的耐热性低于纯高分子材料的耐热性。

为了提高膜的而热性，可能改变高分子的链节结构和聚集态结构，提高分子链的刚性。

膜的机械度是高分子材料力学性质的表现。

膜属于粘弹性体，在外力作用下，膜发生压缩或剪切蠕变，并表现为膜的压密现象，导致膜透过速度的下降。

外力消失后，若再给膜施加相同外力，膜的透过速度也只能暂有所回升，随后很快又出现下降。

这表明膜的蠕变使膜产生几乎不可逆的变形。

因此可以把膜压密系数m值，作为膜发生压缩蠕变的量度。

（3）膜的分离透过特性

a、分离效率

c1-c2

R=———————×

100%

c1

式中c1、c2——分别为原液和透过液中被分离物质的浓度

b、渗透通量

通常以单位时间内通过单位膜面积的透过物量表示，符号为J，其单位为kg/（平方米·

s）。

c、通量衰减系数

因为过程的浓差极化、膜的压密以及膜堵塞等原因，膜的渗透通量将随时间而衰减。

3、分离用膜

（1）纤维素酯系膜

纤维素酯系膜主要是纤维素醋酸酯，又称醋酸纤维素或乙酰纤维素。

醋酸纤维素是纤维素中的—OH基被醋酸酯化成—OOCCH的产物，简写CA。

若有二个和三个—OH基被醋酸酯化，则分别写成CA2，CA3。

醋酸纤维素的取代度和取代的化学基团的种类将对纤维膜的制作、膜性能及应用条件产生影响。

这些影响主要有如下几个方面：

a、对醋酸纤维素溶解性能的影响图

b、对醋酸纤维素膜性能的影响表

c、对膜应用特性的影响

膜的抗压密性取决于高分子材料的刚性。

对醋酸纤维素采用化学交联、辐射接枝或提高取代基支化度可提高大分子链的刚性，改善膜的抗压密性。

（2）聚酰亚胺膜

聚酰亚胺是指含有酰亚胺基团的聚合物，是由二元酸酐和二元胺缩聚而成的。

聚酰亚胺是一种耐热性、耐化学稳定性极佳的高分子材料，所以聚酰亚胺膜有良好的热稳定性特别是耐有机溶剂性。

同时它有较好的透水速度和分离率。

（3）聚砜系膜

有代表性的芳香族聚砜包括：

目前在膜的研制上大体朝以下几方面发展：

a、研制耐氯性、耐高温、高脱盐率、高透水率的低压（<

1.7Mpa）脱盐膜。

以用于海水，苦咸水等脱盐。

b、研制耐高酸碱度、耐高温、抗污染、耐细菌侵蚀、耐有机溶剂的分离膜。

以用于工业溶液和废水处理。

c、研制特种分离膜。

如食品发酵工业上所需的蛋白质分离膜、固定酶用膜等等。

4、膜分离的基本方法及其原理

（1）反渗透图

a、反渗透的基本原理

反渗透是利用反渗透膜选择性的只能透过溶剂（通常是水）的性质，对溶液施加压力以克服溶液的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而从溶液中分离出来的过程。

其原理如图所示。

b、反渗透的特性参数

在反渗透中，单位时间内通过半透膜的透过液体积（或质量）称为透水速率，以Q或dV/dt表示之；

而单位时间膜面积上通过的透过液体积或质量，称为透水速度，以JW表示之，即

JW=Q/A=1/A·

dV/dt

（2）超滤图

应用孔径为1.0-20.0nm（或更大）的超滤膜来过滤含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程称之为超滤。

与反渗透类似，越滤的推动力也是压差，在溶液侧加压，使溶剂透过膜而得到分离。

与反渗透不同的是，在超滤过程中，小分子溶质将随同溶剂一起透过超滤膜。

在超滤中，其分离的物理因素较物化因素更为重要。

（3）电渗析

图:

电渗析设备

电渗析是在外电场的作用下，利用一种特殊膜（称离子交换膜）对离子具有不同的选择透过性而使溶液中的阴、阳离子与其溶剂分离。

由于溶液的导电是依靠离子迁移来实现的，其导电性取决于溶液中的离子浓度和离子的绝对速度。

离子浓度愈高，离子绝对速度愈大，遇溶液的导电性愈强，即溶液的电阻率愈小。

纯水的主要特征，一是不导电，二是极性较大。

水中有电解质（如盐类离子）存在时，其电阻率就比纯水小，即导电性强。

电渗析正是利用含离子溶液在通电时发生离子迁移这一特点。

左下图为电渗析的简单原理图。

右下图离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄膜。

5、膜分离装置及其流程

（1）分离装置

a、平板式组件

b、管式组件

c、卷式组件

d、中空纤维式组件

（2）膜分离装置的工艺流程

a、超滤和反渗透的基本工艺流程

ⅰ一级流程

ⅱ多级流程

b、电渗析的基本工艺流程

6、膜在食品工业中的典型应用

（1）从乳清中回收蛋白质图

（2）在饮料中的应用图

（3）在豆制品工艺中的应用

（4）在纯水制造工业中的应用图

（5）其它食品工业中的应用

a、淀粉加工

b、制糖工业废水处理图

c、动物血液处理

d、蛋清的浓缩

e、酒和含酒精饮料的精制图

二、液膜分离

1、液态膜及其特征

液态膜，顾名思义是一层很薄的液体。

它能够把两个组成而又互溶的溶液隔开，并通过渗透现象起着分离一种或一类物质的作用。

这层液体可以是水溶液，也可以是有机溶液。

当被隔开的两溶液是亲水相时，液膜应为油型，当被隔开的溶液是亲油相时，液膜应为水型。

2、液膜的分类

液膜

水膜

含增流添加剂的液膜

不含增流添加剂的液膜

油膜

含流动载体的液膜

不含流动载体的液膜

液膜：

乳状液形、单滴形、隔膜形图

3、液膜的分离机理

液膜分离的几种机理如下：

（1）通过液膜进行选择性渗透；

（2）在膜覆盖的小水滴内发生化学反应；

（3）在膜上发生化学反应（膜相反应）

（4）膜相进行萃取（如液膜能萃取废水中分散的或溶解的油类）；

（5）膜相界面上的选择性吸附（如能吸附各种悬浮物等）；

如果按照液膜渗透过程中有无流动载体参与输送来划分，则有两类分离机理：

一类是非流动载体液膜分离；

另一类是含流动载体液膜分离。

a、非流动载体液膜分离机理

当液膜不含有流动载体时，其分离的选择性主要取决于溶质在膜中的溶解度。

溶解度越大，选择性愈好。

这是因为只有被分离的溶质比其他的溶质运动得更快时才可能产生选择性。

也就是说，混合物中的一种溶质的渗透速度要高。

渗透速度是扩散系数和分配系数的乘积。

所以一种溶质的较高渗透速度，可能是由于其较大的扩散系数，或是因其较高的溶解度，也许二者兼具所致。

由于大多数溶质在一定膜溶剂中的扩散系数都是接近相等的，所以分配系数的差别就成为设计非流动载体液膜。

b、含流动载体液膜分离机理

使用含流动载体的液膜时，其选择性分离主要取决于所添加的流动载体。

流动载体负责指定溶质或离子的选择性迁移，所以提高膜选择性的关键在于找到适合的流动载体。

流动载体除提高选择性之外，还能增大溶质通量。

这种机理实质上是流动载体在膜内两个界面之间来回穿梭地传递被迁移的物质。

通过流动载体和被迁移物质之间的选择性可逆反应，极大提高了渗透溶质在液膜中的有效溶解度，增大了膜内浓度梯度，提高了输送效果。

这种机理叫做载体中介输送，又称为Ⅱ型促进迁移。

其传递过程如图所示。

∙ 

给流动载体供化学能的方式有两种：

一种是反向迁移，即被迁移的溶质和供能的溶质两者相反，如图1，此时流动载体是带电的离子性化合物；

另一种是同向迁移，即被迁移的溶质和供能的溶质两者流向相同，如图所示，此时，流动体是不带电的中性化合物。

4、液膜分离的数学描述

（1）非流动载体液膜迁移过程的数学描述

（2）含流动载体液膜迁移过程的数字描述

5、液膜体系——液膜和它包裹的内相

（1）液膜：

a、流动载体

流动载体

带电载体

正电性载体

选择性载体

非选择性载体

负电性载体

中性载体

流动性载体除要求选择性好、通量大外，还应具备液膜分离工艺所需的下面两个基本条件：

ⅰi、溶解性

ⅱii、络合性

b、膜溶剂

在选择膜溶剂时，应考虑如下要求：

∙∙ 

ⅰ溶解性

ⅱ挥发性

ⅲ毒性

ⅳ相对密度

ⅴ水解性

ⅵ固态化问题

ⅶ粘度

c、表面活性剂

选择活性剂的条件：

ⅰI、不破坏使用流动载体所得到的选择性

ⅱII、要选择适当的表面活性剂种类。

一般来说，对于从水溶液中去除离子，使用非离子性表面活性剂有助于液膜的稳定性。

ⅲIII、表面活性剂必须既在邻接内、外两相溶液中具有低溶解度，又能优先促进所需要的溶解物种穿过液膜进行渗透。

ⅳIV、必须控制表面活性剂的浓度和用量，因为它们对液膜的厚度、强度、选择性和乳状液膜珠滴的直径等有直接影响。

（2）液膜包裹的内相体系

选择内相的条件是：

a、可以根据它和进料混合物中所有组分的混溶性、或根据它和较易穿膜渗透的化合物的选择混合溶性来择用。

b、内相反应试剂必须能够把已渗入内相的溶解性物质转变为一非渗透的形式，从而捕集该溶解化合物，并维持该化合物在内相中的低浓度。

同时反应试剂本身也必须收集在内相中而不会渗出。

c、膜相（即流动载体、膜溶剂和表面活性剂组成的均一相）与内相的质量比要适当，反应剂的种类及浓度应合适。

（3）进料溶液（外相）性质对液膜体系的影响

如果进料是水溶液，则液膜应采用油型，反之，相反。

如果进料液是高盐分体系，那么会因盐效应增大表面张力，以致液膜成膜不易，这时对表面活性剂的要求就更严格。

如果进料是离性物质的水溶液，那么当用液膜进行处理时，要求所分离的离子至少能稍溶于乳状液膜的内相。

（4）液膜造型

（5）影响液膜稳定性和分离效果的