食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 1 页 ，共 48 页 第九章 食品分离加工 第一节 物理与机械分离-离心、过滤 一、离心分离 (一)离心分离和悬液分离的基本概念 1、定义：离心分离和旋液分离都是利用离心惯性力实现物料中固－液相或 液－液相的分离操作。分离操作的设备称为离心机和旋液分离器。 2、应用：食品工业中应用离心机的场合很多，如制糖工业的砂糖分蜜，淀 粉工业的淀粉和蛋白质分离，啤酒、果汁、饮料的澄清，味精、橘油和酵母分离。 3、离心机的主要部件：快速旋转的转鼓。转鼓垂直或水平安装于轴上。鼓 壁上有的有孔，有的没孔。 4、分类：按照分离过程原理的不同可以分为： ①离心过滤：转鼓周壁开孔，为过滤式转鼓，适合于固相含量较多，颗粒较 粗的悬浮液分离。转鼓内铺设滤布或筛网，旋转时悬浮液被离心力甩向转鼓周壁， 固体颗粒被筛网截留在鼓内形成滤饼，而液体经滤饼和筛网的过滤由鼓壁开孔甩 离鼓壁，从而达到固液分离的目的。 ②离心沉降：转鼓周壁无孔，为沉降式转鼓，适合于固相含量较少，颗粒较 细的悬浮液分离，旋转时，悬浮液在离心力的作用下，相当密度较大的颗粒先向 鼓壁沉降形成沉渣，澄清液由转鼓顶端溢出甩离转鼓，从而达到悬浮液澄清的目 的。 ③离心分离：转鼓周壁无孔，转数最高，旋转时乳浊液在离心力的作用下分 为两层，相对密度大的液体首先沉降紧贴在转鼓的外层，相对密度大的液体则在 里层，在不同的部位分别将其引出转鼓而达到液、液分离的目的，当乳浊液中含 有少量固体颗粒时，则能进行液、液、固三相。 (二) 离心分离理论 离心分离的基本原理是利用悬浮粒子与周围液体间存在的密度差进行的。 设质量 m 的颗粒以半径为 r 绕定轴线作等角速度ω作回转运动，该颗粒受到 以下两种力：①在径向受到离心力： 2 2 F = mr = mr(2n) (n:转数) ②在垂直方向上受重力作用： mg 。 离心力与重力之比用 ' Fr 表示，则： g r mg mr Fr 2 2 ' = = ' Fr 为是离心机内半径 r 处分离能力的衡量尺度，其值越大，则该处的分离 能力越大。 ' Fr 的值随点的位置而改变，如以转鼓的半径 R 代替上述半径 r ，则此比值 可作为衡量离心机分离能力的尺度，称为离心机的分离因数 Fr ：
食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 1 页 ，共 48 页 第九章 食品分离加工 第一节 物理与机械分离-离心、过滤 一、离心分离 (一)离心分离和悬液分离的基本概念 1、定义：离心分离和旋液分离都是利用离心惯性力实现物料中固－液相或 液－液相的分离操作。分离操作的设备称为离心机和旋液分离器。 2、应用：食品工业中应用离心机的场合很多，如制糖工业的砂糖分蜜，淀 粉工业的淀粉和蛋白质分离，啤酒、果汁、饮料的澄清，味精、橘油和酵母分离。 3、离心机的主要部件：快速旋转的转鼓。转鼓垂直或水平安装于轴上。鼓 壁上有的有孔，有的没孔。 4、分类：按照分离过程原理的不同可以分为： ①离心过滤：转鼓周壁开孔，为过滤式转鼓，适合于固相含量较多，颗粒较 粗的悬浮液分离。转鼓内铺设滤布或筛网，旋转时悬浮液被离心力甩向转鼓周壁， 固体颗粒被筛网截留在鼓内形成滤饼，而液体经滤饼和筛网的过滤由鼓壁开孔甩 离鼓壁，从而达到固液分离的目的。 ②离心沉降：转鼓周壁无孔，为沉降式转鼓，适合于固相含量较少，颗粒较 细的悬浮液分离，旋转时，悬浮液在离心力的作用下，相当密度较大的颗粒先向 鼓壁沉降形成沉渣，澄清液由转鼓顶端溢出甩离转鼓，从而达到悬浮液澄清的目 的。 ③离心分离：转鼓周壁无孔，转数最高，旋转时乳浊液在离心力的作用下分 为两层，相对密度大的液体首先沉降紧贴在转鼓的外层，相对密度大的液体则在 里层，在不同的部位分别将其引出转鼓而达到液、液分离的目的，当乳浊液中含 有少量固体颗粒时，则能进行液、液、固三相。 (二) 离心分离理论 离心分离的基本原理是利用悬浮粒子与周围液体间存在的密度差进行的。 设质量 m 的颗粒以半径为 r 绕定轴线作等角速度ω作回转运动，该颗粒受到 以下两种力：①在径向受到离心力： 2 2 F = mr = mr(2n) (n:转数) ②在垂直方向上受重力作用： mg 。 离心力与重力之比用 ' Fr 表示，则： g r mg mr Fr 2 2 ' = = ' Fr 为是离心机内半径 r 处分离能力的衡量尺度，其值越大，则该处的分离 能力越大。 ' Fr 的值随点的位置而改变，如以转鼓的半径 R 代替上述半径 r ，则此比值 可作为衡量离心机分离能力的尺度，称为离心机的分离因数 Fr ：
食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 2 页 ，共 48 页 2 2 (2 n) g R g R Fr = = 由公式可知：增大转鼓半径和增加转数都有利于提高离心机的分离因数。特 别是转速的提高比转鼓的增大更为有利，但二者的增加都是有限的。 二、离心过滤 离心过滤形成的滤饼是由固体颗粒组成。离心操作都是以滤饼过滤形式进行 的，按照性质分为不可压缩滤饼（不易变形的固体颗粒）和可压缩滤饼（絮凝团 和附聚团的细小颗粒）。 离心过滤循环的设备是过滤式离心机，属于间歇式操作，一般操作循环包括： ①第一次加速(空转鼓加速：将离心机转鼓起动加速到加料所需要的速度。 ②第二次加速(加料、加速到全速)：在加料阶段若待分离物料的体积小于转 鼓容纳物料的体积，应尽可能的加料，以缩短加料时间。当转鼓加速到全速，以 尽快的速度过滤残余母液。 ③全速运转（分离）、洗涤、甩干、减速和卸料等阶段。全速运转是从转鼓 转速达到最高速度开始，一直到料浆液面下降到滤饼层表面为止。这一阶段不能 洗涤否则将是低效洗涤。分离操作开始形成滤饼，直到料浆液面下降到滤饼层表 面。洗涤的目的是用少量的洗涤液以最大限度地置换滤饼中留存的母液，使之完 全过滤，并洗去杂质。 离心甩干是最后的过滤阶段，此时空气渗入滤饼层中，其实质是气相渗入滤 饼层后的液相流动，或是气液两相在颗粒层内的双向流动。目的是尽量降低离心 过滤或洗涤后滤饼中的最终残液量 三、离心沉降 颗粒在离心沉降主要有层流、过渡流和湍流三种流型。在离心机转鼓内进行 颗粒的离心沉降分离时，存在自由沉降与干扰沉降两种过程。 离心力场中的固体沉降规律：固体颗粒沉降方向是沿离心力作用方向，即径 向沉降；沉降速度随着颗粒沉降所造成回转半径的增大而继续增大；离心沉降速 度较重力沉降速度大的多。 四、离心机的设备 应用在食品工业上的离心机种类很多，可根据不同的使用场合与工艺要求加 以合理选用。 (一)分类： 根据分离因数、操作原理或操作方式不同有以下三种分法： 1、分离因素大小分类： ①常速（普通）离心机： Fr 50000，主要适用于分离极不易分离的超微粒细修复
食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 2 页 ，共 48 页 2 2 (2 n) g R g R Fr = = 由公式可知：增大转鼓半径和增加转数都有利于提高离心机的分离因数。特 别是转速的提高比转鼓的增大更为有利，但二者的增加都是有限的。 二、离心过滤 离心过滤形成的滤饼是由固体颗粒组成。离心操作都是以滤饼过滤形式进行 的，按照性质分为不可压缩滤饼（不易变形的固体颗粒）和可压缩滤饼（絮凝团 和附聚团的细小颗粒）。 离心过滤循环的设备是过滤式离心机，属于间歇式操作，一般操作循环包括： ①第一次加速(空转鼓加速：将离心机转鼓起动加速到加料所需要的速度。 ②第二次加速(加料、加速到全速)：在加料阶段若待分离物料的体积小于转 鼓容纳物料的体积，应尽可能的加料，以缩短加料时间。当转鼓加速到全速，以 尽快的速度过滤残余母液。 ③全速运转（分离）、洗涤、甩干、减速和卸料等阶段。全速运转是从转鼓 转速达到最高速度开始，一直到料浆液面下降到滤饼层表面为止。这一阶段不能 洗涤否则将是低效洗涤。分离操作开始形成滤饼，直到料浆液面下降到滤饼层表 面。洗涤的目的是用少量的洗涤液以最大限度地置换滤饼中留存的母液，使之完 全过滤，并洗去杂质。 离心甩干是最后的过滤阶段，此时空气渗入滤饼层中，其实质是气相渗入滤 饼层后的液相流动，或是气液两相在颗粒层内的双向流动。目的是尽量降低离心 过滤或洗涤后滤饼中的最终残液量 三、离心沉降 颗粒在离心沉降主要有层流、过渡流和湍流三种流型。在离心机转鼓内进行 颗粒的离心沉降分离时，存在自由沉降与干扰沉降两种过程。 离心力场中的固体沉降规律：固体颗粒沉降方向是沿离心力作用方向，即径 向沉降；沉降速度随着颗粒沉降所造成回转半径的增大而继续增大；离心沉降速 度较重力沉降速度大的多。 四、离心机的设备 应用在食品工业上的离心机种类很多，可根据不同的使用场合与工艺要求加 以合理选用。 (一)分类： 根据分离因数、操作原理或操作方式不同有以下三种分法： 1、分离因素大小分类： ①常速（普通）离心机： Fr 50000，主要适用于分离极不易分离的超微粒细修复
食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 3 页 ，共 48 页 系统和高分子的胶体悬浮液。 2、按操作原理分类 ①过滤式离心机：离心转鼓周壁有孔，借离心力实现过滤分离的离心机，转速 一般在 1000~1500r/min 范围，分离因数不大。适用于易过滤的晶体和较大颗粒 悬浮液的分离。 ②沉降式离心机： 离心转鼓周壁无孔，借离心力实现沉降分离，适用于固体 含量少， 颗粒较细，不易过滤的悬浮液。 ③分离式离心机： 转速极大，一般在 4000r/min，适用于乳浊液的分离和悬浮 液的增浓或澄清 3、按操作方式分类： ①间歇式离心机：卸料时必须停车或减速，然后采用人工或机械方法卸出物 料。如三足式沉降离心机、刮刀卸料沉降离心机、上悬式沉降离心机等，可根据 需要延长或缩短过滤时间，满足物料终湿度要求。 ②连续式离心机：整个操作均连续化，如螺旋卸料沉降离心机。 （二）离心机设备 1、 沉降式离心机是实现离心沉降分离的专用设备。 本课介绍连续式离心机即螺旋卸料沉降离心机。它具有以下优点：①操作自 动连续；②分离性能好；③适应性强，操作维修费用低，适合现代化大生产的要 求。 在食品工业，这类离心机主要用于回收动、植物蛋白、分离咖啡、茶等滤浆、 鱼油去杂和鱼肉制取。 螺旋卸料沉降离心机：主要由：转鼓、螺旋、变速器、传动装置和过载保护 装置等组成。 动力：由电动机通过三角带传给，沉渣主要靠螺旋与转鼓之间的相对转动进 行卸料。 工作原理：被分离的悬浮液经加料管 1 连续地进入螺旋 4 的加料仓，经加速 后从进料孔 5 进入转鼓。在离心力的作用下，固体颗粒沉降在转鼓壁形成沉渣， 借助于螺旋运动推送到转鼓小端的排渣孔 12，落入机壳中排出，被澄清的分离 液沿螺旋叶片通道经转鼓大端的溢流口 11 溢出转鼓。 五、旋液分离和旋液分离 1、旋液分离器是利用离心力进行分离或分级的。其结构：由圆筒体，圆锥 体、进料口、底流口、和溢流口等组成。 2、工作原理：悬浮液由进料口沿切线进入圆筒体部分，形成旋流，外层为 下降气流，内层为上升气流。下降旋流中的粗颗粒在离心力作用下向器壁方向运 动，并被下降旋流聚集到底流口，形成底流浓浆排出，细粒部分被上升至内旋流 带，经溢流口排出。内旋流中心为负压的气流，有助于提高分离效果。 旋液分离器结构特点：直径小，圆锥部分长。因为固液密度差小于固气密度 差，这样有利于减少旋转半径，增大惯性离心力，提高沉降速度。 旋液分离器的特点：可分离粒度数微米的细微颗粒。可单级操作，也可多级 串联操作。缺点由于存在剪切力, 破坏附聚物，对固液分离不利。 3、旋风分离器（气-固分离） 旋风分离器操作原理：是利用离心沉降原理，从气流中分离出颗粒的设备。 主体的上部为圆筒形，下部为锥形，含尘气体从圆筒的上部以切线方向进入，获
食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 3 页 ，共 48 页 系统和高分子的胶体悬浮液。 2、按操作原理分类 ①过滤式离心机：离心转鼓周壁有孔，借离心力实现过滤分离的离心机，转速 一般在 1000~1500r/min 范围，分离因数不大。适用于易过滤的晶体和较大颗粒 悬浮液的分离。 ②沉降式离心机： 离心转鼓周壁无孔，借离心力实现沉降分离，适用于固体 含量少， 颗粒较细，不易过滤的悬浮液。 ③分离式离心机： 转速极大，一般在 4000r/min，适用于乳浊液的分离和悬浮 液的增浓或澄清 3、按操作方式分类： ①间歇式离心机：卸料时必须停车或减速，然后采用人工或机械方法卸出物 料。如三足式沉降离心机、刮刀卸料沉降离心机、上悬式沉降离心机等，可根据 需要延长或缩短过滤时间，满足物料终湿度要求。 ②连续式离心机：整个操作均连续化，如螺旋卸料沉降离心机。 （二）离心机设备 1、 沉降式离心机是实现离心沉降分离的专用设备。 本课介绍连续式离心机即螺旋卸料沉降离心机。它具有以下优点：①操作自 动连续；②分离性能好；③适应性强，操作维修费用低，适合现代化大生产的要 求。 在食品工业，这类离心机主要用于回收动、植物蛋白、分离咖啡、茶等滤浆、 鱼油去杂和鱼肉制取。 螺旋卸料沉降离心机：主要由：转鼓、螺旋、变速器、传动装置和过载保护 装置等组成。 动力：由电动机通过三角带传给，沉渣主要靠螺旋与转鼓之间的相对转动进 行卸料。 工作原理：被分离的悬浮液经加料管 1 连续地进入螺旋 4 的加料仓，经加速 后从进料孔 5 进入转鼓。在离心力的作用下，固体颗粒沉降在转鼓壁形成沉渣， 借助于螺旋运动推送到转鼓小端的排渣孔 12，落入机壳中排出，被澄清的分离 液沿螺旋叶片通道经转鼓大端的溢流口 11 溢出转鼓。 五、旋液分离和旋液分离 1、旋液分离器是利用离心力进行分离或分级的。其结构：由圆筒体，圆锥 体、进料口、底流口、和溢流口等组成。 2、工作原理：悬浮液由进料口沿切线进入圆筒体部分，形成旋流，外层为 下降气流，内层为上升气流。下降旋流中的粗颗粒在离心力作用下向器壁方向运 动，并被下降旋流聚集到底流口，形成底流浓浆排出，细粒部分被上升至内旋流 带，经溢流口排出。内旋流中心为负压的气流，有助于提高分离效果。 旋液分离器结构特点：直径小，圆锥部分长。因为固液密度差小于固气密度 差，这样有利于减少旋转半径，增大惯性离心力，提高沉降速度。 旋液分离器的特点：可分离粒度数微米的细微颗粒。可单级操作，也可多级 串联操作。缺点由于存在剪切力, 破坏附聚物，对固液分离不利。 3、旋风分离器（气-固分离） 旋风分离器操作原理：是利用离心沉降原理，从气流中分离出颗粒的设备。 主体的上部为圆筒形，下部为锥形，含尘气体从圆筒的上部以切线方向进入，获
食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 4 页 ，共 48 页 得旋转运动，分离出粉尘后，从器的顶部排气管排出，粉尘从锥底排出。 旋风分离器中气流的运动轨迹是先旋转下降，后回转上升。 结构：进气管、中央排气管、圆柱体、圆锥体。 应用：广泛应用于食品行业，主要和干燥塔相连，用于微粉与废风的分离。 第二节 物理与机械分离-结晶 一、结晶的基本概念 (一)、定义 1、结晶：凡是从匀相中形成固体颗粒者，统称为结晶。例如由蒸汽转变为 固体颗粒、液体熔化物的凝固。以及溶液的结晶析出等。本节主要限于最后一种。 结晶是制备纯品的有效方法，由于晶体外观好，易于被消费者喜爱，一般生 产中常以结晶作为最后一步的精制操作。比如在食品配料和添加剂都是通过结晶 获得的。如葡萄糖酸，蔗糖、果酸、柠檬酸、谷氨酸钠等。 2 结晶的过程：结晶是指从均匀相中形成固体颗粒的过程，包括由蒸气转化 变成固体、液体熔化物的凝固和液体溶液结晶的过程。 (1)工业结晶过程有：①从水溶液中结晶以获得固体产品；②从稀溶液中由 水的冻结以浓缩溶质，即冷冻浓缩；③控制结晶操作以获得某些流变学特性。本 章主要讨论从水溶液中结晶出所需产品的结晶过程，因此，结晶属于物理分离手 段。 (2)在食品工业上，重要的结晶过程有如下几种情形：①从水溶液中结晶： 包括两种情况，一是结晶操作作为获得纯净固体的一种物理分离手段。例如制造 葡萄糖；另一种是结晶必须加以控制的场合，如蜂蜜中的糖分，冰淇淋中的乳糖 等。②稀溶液中水的冻结：这种情形主要用以浓缩溶质，称为冷冻浓缩。③控制 结晶操作使制品获得一些流变学特性，例如：人造奶油中脂肪的结晶控制等。 二、结晶的基本原理 (一)、晶体的基本概念 1、晶体：是质点（分子、原子或离子）在空间有规则地排列的固体物质。有规 则的排列即为质点按照空间点阵结构的数学方式排列。 2、晶胞：组成空间点阵结构的基本单位成为晶胞。 晶体为化学均一的固体，具有规则的形状，其结构是以各原子、离子和分子 等质点，在空间晶格上的对称排列的特征。如果结晶时没有其他晶体或别的物质 干扰，作为质点在空间晶格上排列的结果。晶体就具有明显晶角和平滑晶面的外 形。 虽然同一物质的不同晶体。其晶面、晶边相差很大，但由于对应晶体所构成 的晶面角对同一物质都是一样的，这是该物质一种特征。 3、晶体的特点：晶体由于有这些周期性的结构规律，因而呈现晶体的许多特点。 如自限性、均匀性、各向异性 (向量性)、对称性、最小内能和最大稳定性等。 (1)自限性：在适当的生长环境中，晶体将会形成本身特有的外部形状； (2)均匀性：在晶体内部的不同部位，因其晶格相同，因此从宏观看，一块 晶体的各个部分的性质相同； (3)各向异性：同一晶格中，在不同方向上，质点排列间距一般是不同的。 因此，从微观看，在晶体的不同方向具有不同的性质。如导热性、介电常数、折 光率、线热膨胀率等，在晶体不同方向上常是不同的。最明显的是，在晶体不同
食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 4 页 ，共 48 页 得旋转运动，分离出粉尘后，从器的顶部排气管排出，粉尘从锥底排出。 旋风分离器中气流的运动轨迹是先旋转下降，后回转上升。 结构：进气管、中央排气管、圆柱体、圆锥体。 应用：广泛应用于食品行业，主要和干燥塔相连，用于微粉与废风的分离。 第二节 物理与机械分离-结晶 一、结晶的基本概念 (一)、定义 1、结晶：凡是从匀相中形成固体颗粒者，统称为结晶。例如由蒸汽转变为 固体颗粒、液体熔化物的凝固。以及溶液的结晶析出等。本节主要限于最后一种。 结晶是制备纯品的有效方法，由于晶体外观好，易于被消费者喜爱，一般生 产中常以结晶作为最后一步的精制操作。比如在食品配料和添加剂都是通过结晶 获得的。如葡萄糖酸，蔗糖、果酸、柠檬酸、谷氨酸钠等。 2 结晶的过程：结晶是指从均匀相中形成固体颗粒的过程，包括由蒸气转化 变成固体、液体熔化物的凝固和液体溶液结晶的过程。 (1)工业结晶过程有：①从水溶液中结晶以获得固体产品；②从稀溶液中由 水的冻结以浓缩溶质，即冷冻浓缩；③控制结晶操作以获得某些流变学特性。本 章主要讨论从水溶液中结晶出所需产品的结晶过程，因此，结晶属于物理分离手 段。 (2)在食品工业上，重要的结晶过程有如下几种情形：①从水溶液中结晶： 包括两种情况，一是结晶操作作为获得纯净固体的一种物理分离手段。例如制造 葡萄糖；另一种是结晶必须加以控制的场合，如蜂蜜中的糖分，冰淇淋中的乳糖 等。②稀溶液中水的冻结：这种情形主要用以浓缩溶质，称为冷冻浓缩。③控制 结晶操作使制品获得一些流变学特性，例如：人造奶油中脂肪的结晶控制等。 二、结晶的基本原理 (一)、晶体的基本概念 1、晶体：是质点（分子、原子或离子）在空间有规则地排列的固体物质。有规 则的排列即为质点按照空间点阵结构的数学方式排列。 2、晶胞：组成空间点阵结构的基本单位成为晶胞。 晶体为化学均一的固体，具有规则的形状，其结构是以各原子、离子和分子 等质点，在空间晶格上的对称排列的特征。如果结晶时没有其他晶体或别的物质 干扰，作为质点在空间晶格上排列的结果。晶体就具有明显晶角和平滑晶面的外 形。 虽然同一物质的不同晶体。其晶面、晶边相差很大，但由于对应晶体所构成 的晶面角对同一物质都是一样的，这是该物质一种特征。 3、晶体的特点：晶体由于有这些周期性的结构规律，因而呈现晶体的许多特点。 如自限性、均匀性、各向异性 (向量性)、对称性、最小内能和最大稳定性等。 (1)自限性：在适当的生长环境中，晶体将会形成本身特有的外部形状； (2)均匀性：在晶体内部的不同部位，因其晶格相同，因此从宏观看，一块 晶体的各个部分的性质相同； (3)各向异性：同一晶格中，在不同方向上，质点排列间距一般是不同的。 因此，从微观看，在晶体的不同方向具有不同的性质。如导热性、介电常数、折 光率、线热膨胀率等，在晶体不同方向上常是不同的。最明显的是，在晶体不同
食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 5 页 ，共 48 页 方向上的线生长速度是不同的，否则所有的晶体都将长成球形； (4)对称性：晶体上的面、棱、角作有规则的重复出现称为对称性。晶体都 或多或少地具有对称性。晶体对称性在结晶学上对结晶的分类鉴别和特性的研究 很有用； (5)最小热力学能(内能)和最大稳定性：晶体结晶时放出热量，所以内部贮存 的能量比在液态或气态时都小。由于晶体热力学能最小，晶体质点只能在晶格的 一定位置上振动，其振动平均位置不变，所以晶体是处于一种最稳定状态； (6)具有一定的熔点：将晶体加热，温度随时间延长而上升，但达到某一温 度时就停止上升，晶体开始熔化，当晶体完全熔化后，温度又继续上升。这一温 度称为晶体的熔点。在加热熔融非晶体物质时，温度是逐渐上升的，没有明显的 熔点。 4、蔗糖晶体中杂质存在于分布 ①胶体：带负电荷的胶体物质，能被稍带正电荷的蔗糖晶体所吸引，使蔗糖色度 值深。 ②晶内水：晶体大，含水量高，晶体小，晶体内含水量迅速小将 0.03%。 ③无机盐：Ca2+、Fe3+和亚硫酸根离子容易被蔗糖结晶体吸附入晶体之内。 (二)液-固系统的相平衡 结晶操作涉及液-固系统的相平衡。在一定的温度下，溶质在溶剂中的溶解 是有限度的，即其溶解度在一定温度下是一定的。 1、溶解度：是指在一定温度下，100g 溶剂所能溶解的溶质的最大限度(克 数)，它与溶质的化学性质和溶剂的性质有关，还与压力及物质颗粒的大小有关。 纯蔗糖溶液的溶解度为： 0 1 H H = 饱和糖液中水的重量 饱和糖液中蔗糖重量 蔗糖溶解度＝ 食品工业中结晶操作多为水溶液中的结晶，故下面以蔗糖水溶液为例说明液 -固系统的相平衡和有关结晶过程的实质。 2、蔗糖-水系统相平衡 如图 10-3 所示，纵坐标表示物质(蔗糖和水混合物)的温度，横坐标表示糖液 的质量分数，则此坐标平面内任一点即表示此物系的一种状态。 图中曲线 A 正是冰和溶液的平衡线，称为冰点曲线。曲线 BE 是固体溶质和 溶液的平衡线，称为溶解度曲线。BE 线上的点所表示的是溶解饱和状态，即 BE
食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 5 页 ，共 48 页 方向上的线生长速度是不同的，否则所有的晶体都将长成球形； (4)对称性：晶体上的面、棱、角作有规则的重复出现称为对称性。晶体都 或多或少地具有对称性。晶体对称性在结晶学上对结晶的分类鉴别和特性的研究 很有用； (5)最小热力学能(内能)和最大稳定性：晶体结晶时放出热量，所以内部贮存 的能量比在液态或气态时都小。由于晶体热力学能最小，晶体质点只能在晶格的 一定位置上振动，其振动平均位置不变，所以晶体是处于一种最稳定状态； (6)具有一定的熔点：将晶体加热，温度随时间延长而上升，但达到某一温 度时就停止上升，晶体开始熔化，当晶体完全熔化后，温度又继续上升。这一温 度称为晶体的熔点。在加热熔融非晶体物质时，温度是逐渐上升的，没有明显的 熔点。 4、蔗糖晶体中杂质存在于分布 ①胶体：带负电荷的胶体物质，能被稍带正电荷的蔗糖晶体所吸引，使蔗糖色度 值深。 ②晶内水：晶体大，含水量高，晶体小，晶体内含水量迅速小将 0.03%。 ③无机盐：Ca2+、Fe3+和亚硫酸根离子容易被蔗糖结晶体吸附入晶体之内。 (二)液-固系统的相平衡 结晶操作涉及液-固系统的相平衡。在一定的温度下，溶质在溶剂中的溶解 是有限度的，即其溶解度在一定温度下是一定的。 1、溶解度：是指在一定温度下，100g 溶剂所能溶解的溶质的最大限度(克 数)，它与溶质的化学性质和溶剂的性质有关，还与压力及物质颗粒的大小有关。 纯蔗糖溶液的溶解度为： 0 1 H H = 饱和糖液中水的重量 饱和糖液中蔗糖重量 蔗糖溶解度＝ 食品工业中结晶操作多为水溶液中的结晶，故下面以蔗糖水溶液为例说明液 -固系统的相平衡和有关结晶过程的实质。 2、蔗糖-水系统相平衡 如图 10-3 所示，纵坐标表示物质(蔗糖和水混合物)的温度，横坐标表示糖液 的质量分数，则此坐标平面内任一点即表示此物系的一种状态。 图中曲线 A 正是冰和溶液的平衡线，称为冰点曲线。曲线 BE 是固体溶质和 溶液的平衡线，称为溶解度曲线。BE 线上的点所表示的是溶解饱和状态，即 BE
食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 6 页 ，共 48 页 线上的点所对应的物系为饱和溶液。 E 点表示冰、固体溶质和溶液成平衡时的状态，称为最低共熔点。 曲线 AE 和 BE 的上方区域为溶液区域，曲线 AE 的下方为冰和溶液两相共存的 区域，而 BE 下方则为蔗糖和溶液两相共存的区域。 由图 10-3 可见，水溶液的冰点随着固体溶质的浓度增大而降低，而溶质的溶解 度随温度的增加而增大。冰、固体溶质和溶液三者的平衡温度只有一个，该温度 是冰和固体溶质共同熔化的温度，因而称为最低共熔点。最低共熔点时的浓度， 称为最低共熔浓度。 ①当溶液的浓度低于最低共熔浓度时，在状态点 1(浓度为 1 x ，温度为 1 )的 蔗糖水溶液，当温度降至 ' 1 时，溶液中的水开始结冰，即溶液中开始出现冰晶， ' 1 为该溶液的冰点。 ②如果温度继续下降至 '' 1 ，则原溶液将分成两部分：⑴以点 2 状态代表的 冰晶；⑵以状态点 3 代表的溶液，其浓度大于原溶液的浓度。此时，建立了以点 2 代表的固相（冰晶） 和以点 3 所代表的液相（溶液）的新的平衡。 温度继续下降，点 3 所代表的溶液的浓度继续增大，即溶液的浓度继续增大。 这就是冷冻浓缩的操作原理。 当溶液温度继续下降至最低共熔温度时，与冰晶成平衡的溶液为最低共熔点 E 所代表的溶液，所以以最低共熔浓度的状态点出发，通过冷却操作只能实现溶 液的浓缩而不能得到蔗糖结晶。 ③如果从浓度高于最低共熔浓度的状态点 2 开始冷却，则冷却至 ' 2 稳定时， 就开始有蔗糖晶体出现，随着温度进一步降低，体系便形成⑴为蔗糖晶体；⑵浓 度下降的溶液相的两相平衡体系，此时，温度下降越大，溶液的浓度下降也越 大，结晶出的蔗糖就越多。这就是冷却结晶的操作原理。 (三)过饱和溶液与过饱和系数 1、过饱和溶液：理论上，在任意温度下，溶液的浓度超过饱和浓度， 就有 溶质析出，但实际上，把不饱和溶液用冷却或浓缩的方法使其略呈过饱和状态， 一般并无结晶析出而成为过饱和溶液，只有达到某种程度的过饱和状态，才有晶 体析出。 2、不纯蔗糖溶液中蔗糖的溶解度用饱和系数 ' 表示： 0 ' 1 H H ＝ 纯糖溶液溶解量 不纯糖液溶解的量 = 3、过饱和系数：过饱和程度的大小用过饱和系数来表示，符号： 。 H1 H = = 同温度下溶质相应饱和溶解量 过饱和溶液中单位溶剂所溶解的溶质的量 ①当 >1，表示溶液为过饱和溶液；其中
食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 6 页 ，共 48 页 线上的点所对应的物系为饱和溶液。 E 点表示冰、固体溶质和溶液成平衡时的状态，称为最低共熔点。 曲线 AE 和 BE 的上方区域为溶液区域，曲线 AE 的下方为冰和溶液两相共存的 区域，而 BE 下方则为蔗糖和溶液两相共存的区域。 由图 10-3 可见，水溶液的冰点随着固体溶质的浓度增大而降低，而溶质的溶解 度随温度的增加而增大。冰、固体溶质和溶液三者的平衡温度只有一个，该温度 是冰和固体溶质共同熔化的温度，因而称为最低共熔点。最低共熔点时的浓度， 称为最低共熔浓度。 ①当溶液的浓度低于最低共熔浓度时，在状态点 1(浓度为 1 x ，温度为 1 )的 蔗糖水溶液，当温度降至 ' 1 时，溶液中的水开始结冰，即溶液中开始出现冰晶， ' 1 为该溶液的冰点。 ②如果温度继续下降至 '' 1 ，则原溶液将分成两部分：⑴以点 2 状态代表的 冰晶；⑵以状态点 3 代表的溶液，其浓度大于原溶液的浓度。此时，建立了以点 2 代表的固相（冰晶） 和以点 3 所代表的液相（溶液）的新的平衡。 温度继续下降，点 3 所代表的溶液的浓度继续增大，即溶液的浓度继续增大。 这就是冷冻浓缩的操作原理。 当溶液温度继续下降至最低共熔温度时，与冰晶成平衡的溶液为最低共熔点 E 所代表的溶液，所以以最低共熔浓度的状态点出发，通过冷却操作只能实现溶 液的浓缩而不能得到蔗糖结晶。 ③如果从浓度高于最低共熔浓度的状态点 2 开始冷却，则冷却至 ' 2 稳定时， 就开始有蔗糖晶体出现，随着温度进一步降低，体系便形成⑴为蔗糖晶体；⑵浓 度下降的溶液相的两相平衡体系，此时，温度下降越大，溶液的浓度下降也越 大，结晶出的蔗糖就越多。这就是冷却结晶的操作原理。 (三)过饱和溶液与过饱和系数 1、过饱和溶液：理论上，在任意温度下，溶液的浓度超过饱和浓度， 就有 溶质析出，但实际上，把不饱和溶液用冷却或浓缩的方法使其略呈过饱和状态， 一般并无结晶析出而成为过饱和溶液，只有达到某种程度的过饱和状态，才有晶 体析出。 2、不纯蔗糖溶液中蔗糖的溶解度用饱和系数 ' 表示： 0 ' 1 H H ＝ 纯糖溶液溶解量 不纯糖液溶解的量 = 3、过饱和系数：过饱和程度的大小用过饱和系数来表示，符号： 。 H1 H = = 同温度下溶质相应饱和溶解量 过饱和溶液中单位溶剂所溶解的溶质的量 ①当 >1，表示溶液为过饱和溶液；其中
食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 7 页 ，共 48 页 =1.0~1.2 属于介稳区，可使已有的晶体长大，并且有新的晶核形成。 加晶种、养晶核加一些助晶操作可控制在此介稳区域，又称育晶区； =1.2~1.3 属于中间区，不仅已有的晶体长大，同时也能有新的晶核 形成。刺激起晶常控制在此范围，同时在该区域也常产生伪晶。 >1.3 能自然起晶，晶核大量产生 ②当 =1，表示溶液为饱和溶液； ③当 1 (四)晶核的形成 当可结晶溶质分子，在过饱和溶液中，分子的运动范围逐渐缩小，分子间的 吸引力大于排斥力，蔗糖便逐渐吸引，形成蔗糖分子的堆积点，缓缓形成晶核的 质点，并通过固晶使它继续长大，其大小达到具有晶体特性时，便称为晶核，它 在介稳区具有单独存在和继续长大的能力，这个晶核形成过程叫简称成核，也叫 起晶。 1、成核过程：在不含晶体的溶液中，由于溶质分子的热运动，即存在聚集 的可能，也存在着分散的可能，提高溶液的过饱和度或施予外界的作用，都能促 进溶质分子的聚集。晶核的形成是分子作有秩序地组合，按下列方式不断增长
食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 7 页 ，共 48 页 =1.0~1.2 属于介稳区，可使已有的晶体长大，并且有新的晶核形成。 加晶种、养晶核加一些助晶操作可控制在此介稳区域，又称育晶区； =1.2~1.3 属于中间区，不仅已有的晶体长大，同时也能有新的晶核 形成。刺激起晶常控制在此范围，同时在该区域也常产生伪晶。 >1.3 能自然起晶，晶核大量产生 ②当 =1，表示溶液为饱和溶液； ③当 1 (四)晶核的形成 当可结晶溶质分子，在过饱和溶液中，分子的运动范围逐渐缩小，分子间的 吸引力大于排斥力，蔗糖便逐渐吸引，形成蔗糖分子的堆积点，缓缓形成晶核的 质点，并通过固晶使它继续长大，其大小达到具有晶体特性时，便称为晶核，它 在介稳区具有单独存在和继续长大的能力，这个晶核形成过程叫简称成核，也叫 起晶。 1、成核过程：在不含晶体的溶液中，由于溶质分子的热运动，即存在聚集 的可能，也存在着分散的可能，提高溶液的过饱和度或施予外界的作用，都能促 进溶质分子的聚集。晶核的形成是分子作有秩序地组合，按下列方式不断增长
食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 8 页 ，共 48 页 A+ A A2 A2 + A A3 . An−1 + A An 设 A 为可结晶分子，A2、A3.An-1、An 为可结晶分子的组合体。分子个数不 断进行可逆性的组合，直至达到分子结合成平衡的饱和状态为止，即： nA = An 2、溶液生成晶核质点的临界浓度：根据质量作用定律，在平衡状态时，平 衡常数为： n crit c c K = 或 n ccrit = Kc 式中： crit c - 溶液生成晶核质点的临界浓度 c - 溶液相浓度。通常用 s c c 来表示即过饱和系数 （c 为过饱和 浓度，cs 为同温度下饱和浓度） n - 分子数 K -平衡常数 平衡常数用当量平衡常数自由能表示，即： exp( ) RT E K s = − 式中 Es - 当量自由能 R - 气体常数 T - 热力学温度 生成晶核质点所包括的自由能，必须被看成属于结晶相的标准自由能。在此 情况下，它只能是晶核质点的表面自由能，其值等于晶核质点的表面积 S 与它的 表面张力 的乘积。 所以，临界浓度方程式可写成： ( ) exp( ) ( ) exp( ) RT s c c RT E c c c n s n s s crit = − = − 晶核生成速度 v 决定于临界浓度 crit c 和溶液达到临界浓度时单位时间内晶 核质点发生的概率 g ，即 ( ) exp( ) RT E c c v gc g n s s = ctit = • − g 值一般与母液的粘度 成反比，即 g 1 ，粘度愈大，晶核生成速度愈小
食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 8 页 ，共 48 页 A+ A A2 A2 + A A3 . An−1 + A An 设 A 为可结晶分子，A2、A3.An-1、An 为可结晶分子的组合体。分子个数不 断进行可逆性的组合，直至达到分子结合成平衡的饱和状态为止，即： nA = An 2、溶液生成晶核质点的临界浓度：根据质量作用定律，在平衡状态时，平 衡常数为： n crit c c K = 或 n ccrit = Kc 式中： crit c - 溶液生成晶核质点的临界浓度 c - 溶液相浓度。通常用 s c c 来表示即过饱和系数 （c 为过饱和 浓度，cs 为同温度下饱和浓度） n - 分子数 K -平衡常数 平衡常数用当量平衡常数自由能表示，即： exp( ) RT E K s = − 式中 Es - 当量自由能 R - 气体常数 T - 热力学温度 生成晶核质点所包括的自由能，必须被看成属于结晶相的标准自由能。在此 情况下，它只能是晶核质点的表面自由能，其值等于晶核质点的表面积 S 与它的 表面张力 的乘积。 所以，临界浓度方程式可写成： ( ) exp( ) ( ) exp( ) RT s c c RT E c c c n s n s s crit = − = − 晶核生成速度 v 决定于临界浓度 crit c 和溶液达到临界浓度时单位时间内晶 核质点发生的概率 g ，即 ( ) exp( ) RT E c c v gc g n s s = ctit = • − g 值一般与母液的粘度 成反比，即 g 1 ，粘度愈大，晶核生成速度愈小
食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 9 页 ，共 48 页 4、临界半径：如果把晶核质点看成球形，则 2 4 crit s = r 。 crit r 为晶核质点的临界半径。只有晶核质点半径 r> crit r 时，才能稳定存在下 去，否则就会重新溶解。 根据吉布斯―汤姆森 (Gibbs 一 Thomson)方程式： ln s dRTrcrit m c c 2 = (10-4) 即： s crit c c dRT m r ln 2 = (10-5) r≥rcrit，晶核才能稳定存在，并进一步长大。 将式 (10-5)代入球表面积公式，得： 2 2 2 2 2 2 (ln ) 16 s c c d R T m S = (10-6) 式中，m 代表一个分子的质量，d 代表它的密度，故 m/d 表示一个分子体积。 临界晶核中的分子数目可用下式表示： m r d n crit 3 4 3 = (10-7) 根据吉布斯-汤姆森方程式亦可以写成： ( s c c ) n = exp( dr RT n m crit 2 1 ) = exp 3 3 2 2 3 3 (ln ) 32 2 s c c R T d m 将上式代入速度公式，则得结晶速度为： v = g • 3 3 2 2 3 3 (ln ) 32 exp 2 s c c R T d m • − • 2 2 2 2 2 2 (ln ) 16 exp s c c d R T m RT =g • exp − 3 3 2 2 3 3 (ln ) 16 2 s c c R T d m (10-9) s c c 就是我们前面介绍的过饱和系数 根据上式可制得如图10-6所表示的晶
食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 9 页 ，共 48 页 4、临界半径：如果把晶核质点看成球形，则 2 4 crit s = r 。 crit r 为晶核质点的临界半径。只有晶核质点半径 r> crit r 时，才能稳定存在下 去，否则就会重新溶解。 根据吉布斯―汤姆森 (Gibbs 一 Thomson)方程式： ln s dRTrcrit m c c 2 = (10-4) 即： s crit c c dRT m r ln 2 = (10-5) r≥rcrit，晶核才能稳定存在，并进一步长大。 将式 (10-5)代入球表面积公式，得： 2 2 2 2 2 2 (ln ) 16 s c c d R T m S = (10-6) 式中，m 代表一个分子的质量，d 代表它的密度，故 m/d 表示一个分子体积。 临界晶核中的分子数目可用下式表示： m r d n crit 3 4 3 = (10-7) 根据吉布斯-汤姆森方程式亦可以写成： ( s c c ) n = exp( dr RT n m crit 2 1 ) = exp 3 3 2 2 3 3 (ln ) 32 2 s c c R T d m 将上式代入速度公式，则得结晶速度为： v = g • 3 3 2 2 3 3 (ln ) 32 exp 2 s c c R T d m • − • 2 2 2 2 2 2 (ln ) 16 exp s c c d R T m RT =g • exp − 3 3 2 2 3 3 (ln ) 16 2 s c c R T d m (10-9) s c c 就是我们前面介绍的过饱和系数 根据上式可制得如图10-6所表示的晶
食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 10 页 ，共 48 页 核形成速度与过饱和系数的关系。即随着溶液过饱和系数逐渐增大，晶核临界半 径随之变小(由临界半径表达式可知)，形成稳定晶核的机会逐渐增加，及至溶液 浓度到达某一过饱和度，晶核便会自发形成，并随过饱和系数的进一步增大，成 核速度将逐渐加快。 由量变引起相变而析出晶核质点的推动力是过饱和浓度与平衡溶解度(即饱 和浓度)之差(△c)，后者随着温度而变化。为了达到起晶的目的，一般采用 3 种 方法来调节过饱和浓度和平衡溶解度：①蒸发浓缩；②绝热蒸发(闪蒸)；③冷却。 各种方法与浓缩溶液的关系如图 10-7 所示。 由图 10-7 可以找出溶液起晶最大浓度差与温度关系，如下： △c最大 =( dt dc )△ t最大 (10-10) 式中 dt dc 一一平衡溶解度曲线的斜率 t最大 一一达到过饱和度的温差最大值 c最大 一一达到过饱和度的浓度差最大值 由图 10-7 可以找出溶液起晶最大浓度差与温度关系，如下： △c最大 =( dt dc )△ t最大 (10-10) 式中： dt dc 一一平衡溶解度曲线的斜率 t最大 一一达到过饱和度的温差最大值 c最大 一一达到过饱和度的浓度差最大 5、成核速度与影响成核的因素 根据阿伦尼乌斯方程式，成核速度为： G RT N Ae− max / = 其中 = 2 3 2 max 16 / 3 ln s c c G m RTd 式中 N - 成核速度。即单位体积溶液，在单位时间内晶核数目的增多 A - 系数 对于饱和溶液， = 1 s c c ， ln = 0 s c c ，成核需要的能量为无穷大，成核速度 为零。所以饱和溶液中，不能自动成核。 下面对影响成核速度的因素进行讨论。 (1)溶液过饱和度的影响：在一定的温度下 = 2 3 2 max 16 / 3 ln s c c G m RTd 可用图 10-9 中的实线表示。图中的实线
食品技术原理课程讲稿－第九章食品分离加工 第 10 页 ，共 48 页 核形成速度与过饱和系数的关系。即随着溶液过饱和系数逐渐增大，晶核临界半 径随之变小(由临界半径表达式可知)，形成稳定晶核的机会逐渐增加，及至溶液 浓度到达某一过饱和度，晶核便会自发形成，并随过饱和系数的进一步增大，成 核速度将逐渐加快。 由量变引起相变而析出晶核质点的推动力是过饱和浓度与平衡溶解度(即饱 和浓度)之差(△c)，后者随着温度而变化。为了达到起晶的目的，一般采用 3 种 方法来调节过饱和浓度和平衡溶解度：①蒸发浓缩；②绝热蒸发(闪蒸)；③冷却。 各种方法与浓缩溶液的关系如图 10-7 所示。 由图 10-7 可以找出溶液起晶最大浓度差与温度关系，如下： △c最大 =( dt dc )△ t最大 (10-10) 式中 dt dc 一一平衡溶解度曲线的斜率 t最大 一一达到过饱和度的温差最大值 c最大 一一达到过饱和度的浓度差最大值 由图 10-7 可以找出溶液起晶最大浓度差与温度关系，如下： △c最大 =( dt dc )△ t最大 (10-10) 式中： dt dc 一一平衡溶解度曲线的斜率 t最大 一一达到过饱和度的温差最大值 c最大 一一达到过饱和度的浓度差最大 5、成核速度与影响成核的因素 根据阿伦尼乌斯方程式，成核速度为： G RT N Ae− max / = 其中 = 2 3 2 max 16 / 3 ln s c c G m RTd 式中 N - 成核速度。即单位体积溶液，在单位时间内晶核数目的增多 A - 系数 对于饱和溶液， = 1 s c c ， ln = 0 s c c ，成核需要的能量为无穷大，成核速度 为零。所以饱和溶液中，不能自动成核。 下面对影响成核速度的因素进行讨论。 (1)溶液过饱和度的影响：在一定的温度下 = 2 3 2 max 16 / 3 ln s c c G m RTd 可用图 10-9 中的实线表示。图中的实线