CN117753043A - 一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法。本申请所述的降低结晶夹带率的低温浓缩方法在冷冻浓缩结晶相变前阶段，通入小分子气体，形成水合物晶核或小晶体，以充当冷冻浓缩的晶种，可降低冷冻浓缩结晶过冷度，促进冷冻浓缩发生。在冷冻浓缩相变阶段，继续通入气体，增强传热的同时，增加了成核点，促进了结晶发生，形成更多更小的冰晶，有效降低了大冰晶的生成，降低了夹带率。采用本申请实施例的一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法，较单一冷冻浓缩，节省时间10％以上，降低冰晶夹带率10％以上，品质提高15％以上。

Description

一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法

技术领域

本申请涉及生物制药、食品、化学合成等领域的浓缩液态物料技术，特别是涉及一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法。

背景技术

浓缩是生物制药、食品加工、化学合成等领域常用的重要手段，浓缩液作为一种半成品或产品广泛流通，高效、高品质、低成本的浓缩手段一直是浓缩行业的迫切需求。

传统的液态浓缩方式包括膜浓缩、蒸发浓缩和冷冻浓缩。冷冻浓缩是利用冰与水溶液之间的固液相平衡原理，将稀溶液降温，直至溶液中的部分水分冻结成冰，并将冰晶分离的一种浓缩方法，适用于液态食品浓缩、热敏性医药及生物制品的浓缩与分离、废水处理、海水淡化等领域。工业上常采用的是悬浮式冷冻浓缩，通过大量悬浮分散于母液中冰结晶的成长、分离而达到浓缩的方式，其主要包括种晶生成、结晶成长、固液分离、洗晶四个过程，其中冰晶的数量、大小、形状是整个技术的关键。种晶过程中的微小冰晶附着液的预防、冰晶生长过程中的二次成核避免及冰晶生长速度的抑制是是影响其浓缩品质的主要因素，即需获得理想冰晶。无序化成型的大冰晶，夹带率高，易造成溶质损失，营养成分流失，需进行复杂的洗晶步骤，且在洗晶过程中亦会一定程度造成溶质不可逆流失，最终显著影响浓缩汁的品质。

水合物法浓缩是在一定压力与温度下，客体气体水分子与溶液中主体水分子形成类似冰晶的笼形结构物质，固液分离后，获得浓缩液的浓缩方法；水合物的形成包括晶体成核和晶体生长两个阶段，在成核前期，气体分子进入溶液内部，随着气液传质的进行，气体气泡逐渐变小，气体分子进入由主体水分子逐渐形成笼状孔穴结构，发生成核现象，主客体分子之间通过范德华力相互关联，不断聚集，慢慢形成稳定的笼，最终结晶完成。

水合物法浓缩与目前公认相对最佳的冷冻浓缩的效果相似，也存在类似的晶体夹带溶质损失的问题，溶液溶质在晶体形成过程中(形成笼形结构物质)，易被夹带甚至包埋，水合物夹带率将是限制其推广与应用的主要因素之一。但较之冷冻浓缩无需零下低温，耗能低。因此，有效调控水合物晶体的形成速度、形状、尺寸，获得稳定、多且纯的水合物晶体，从而获得高浓缩率、低夹带率的浓缩液，是促进水合物法浓缩液态食品技术推广的重要保证。

因此，上述的浓缩技术都存在一些不足之处，主要表现为：

(1)蒸发浓缩的浓缩效率高，但其对物料中热敏性的功能性、营养性成分破坏严重。

(2)冷冻浓缩具有相对较高的浓缩品质，但其冷冻低温的条件需求使得浓缩能耗高、时间长，夹带率高，且其还需洗晶操作，此外仍需给予杀菌处理，才能长期储存其成品浓缩汁，其应用受到相对程度上的限制。

(3)水合物浓缩，夹带率高，对物料的杀菌效果有限，出现微生物亚致死现象，需辅助以额外的杀菌处理才能长期贮藏。

发明内容

基于此，本申请提供一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法。该方法通过优化气体引入的时机、数量和分布，将气体水合物浓缩和冷冻浓缩耦合联用，以改善结晶过程，减少溶质夹带，从而提高产品的纯度和营养品质。

本申请提供一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法，包括如下步骤：

S100、将液态物料进行预冷处理，控制浓缩处理器的内腔的温度与所述液态物料的预冷温度一致；

S200、将预冷后的所述液态物料送入所述浓缩处理器的内腔中；

S300、向所述浓缩处理器的内腔中输入小分子气体，同时搅拌所述液态物料，调控浓缩处理器的内腔压力至第一压力；

S400、继续输送预冷后的液态物料至所述浓缩处理器的内腔中，降低所述浓缩处理器的内腔的温度；

S500、继续向所述浓缩处理器的内腔输入小分子气体，调控所述浓缩处理器的内腔压力至第二压力，并增大搅拌速度，其中，所述第二压力低于所述第一压力；

S600、当所述浓缩处理器的内腔中的所述液态物料达到目标浓度时，将其从所述浓缩处理器的内腔排出，并收集所有浓缩母液，取出上层的环状冰晶。

在其中一个实施例中，在步骤S100中，将液态物料进行预冷处理，其温度为0.5-8℃；在步骤S4O0中，降低所述浓缩处理器的内腔的温度至-1～-12℃。

在其中一个实施例中，在步骤S100中，将预冷后的所述液态物料送入所述浓缩处理器的内腔中时，控制所述液态物料的体积占所述浓缩处理器的内腔总体积1/4-2/5；在步骤S4O0中，继续输送预冷后的液态物料至所述浓缩处理器的内腔中，控制所述液态物料的体积占所述浓缩处理器的内腔总体积的1/2-4/5。

在其中一个实施例中，在步骤S300中，通过在所述浓缩处理器的内腔中设置搅拌器来实现搅拌，设置所述搅拌器的搅拌速度为500-1500rpm/min；在步骤S5O0中，在降温过程继续输入小分子气体，增大所述搅拌器的搅拌速度至1500～2500rpm/min。

在其中一个实施例中，在步骤S300中，调控所述浓缩处理器的内腔压力至3-10MPa；在步骤S5O0中，调控所述浓缩处理器的内腔压力至2-5MPa。

在其中一个实施例中，所述小分子气体为以下至少一项：CO2、C2H4、CH4、N2。

与现有技术相比，本申请实施例的一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法具有以下优点及有益效果：

在冷冻浓缩结晶相变前阶段，通入小分子气体，形成水合物晶核或小晶体，以充当冷冻浓缩的晶种，可降低冷冻浓缩结晶过冷度，促进冷冻浓缩发生。

在冷冻浓缩相变阶段，继续通入气体，增强传热的同时，增加了成核点，促进了结晶发生，形成更多更小的冰晶，有效降低了大冰晶的生成，降低了夹带率。

采用本申请实施例的一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法，较单一冷冻浓缩，节省时间10％以上，降低冰晶夹带率10％以上，品质提高15％以上。

附图说明

图1为本申请一实施例中，的一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法的步骤示意图；

图2为本申请一实施例中，实现本申请实施例的一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法所用到的装置的结构示意图。

附图标号说明：

10、浓缩处理器；110、内腔；111、搅拌器；112、压力传感器；113、温度传感器；114、液位传感器；115、浓度传感器；116、摄像头；117、气阀；20、进料罐；30、物料输送泵；40、气体输送泵；50、收集器。

具体实施方式

这里将详细对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中，下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。并且，以下示例性实施例中所描述的实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应该限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

针对背景技术中所提到的技术问题，本申请实施例提供一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法，该方法通过优化气体引入的时机、数量和分布，将气体水合物浓缩和冷冻浓缩耦合联用，以改善结晶过程，减少溶质夹带，以最大程度降低结晶夹带率，保证浓缩率和浓缩品质,从而提高产品的纯度和营养品质。

以下，对本发明实施例的一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法进行更具体的描述，但不应以此为限。

本申请实施例提供了一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法，所述方法可以应用于生物制药、食品、化学合成等领域，但不限于此。

如图1所示，图1是本申请根据一示例性实施例示出的一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法的流程图，本申请实施例提供的一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法包括如下的步骤：

S100，将液态物料进行预冷处理，控制浓缩处理器的内腔的温度与所述液态物料的预冷温度一致；

S200，将预冷后的所述液态物料送入所述浓缩处理器的内腔中；

S300，向所述浓缩处理器的内腔中输入小分子气体，同时搅拌所述液态物料，调控浓缩处理器的内腔压力至第一压力；

S400，继续输送预冷后的液态物料至所述浓缩处理器的内腔中，降低所述浓缩处理器的内腔的温度；

S500，继续向所述浓缩处理器的内腔输入小分子气体，调控所述浓缩处理器的内腔压力至第二压力，并增大搅拌速度，其中，所述第二压力低于所述第一压力；

S600，当所述浓缩处理器的内腔中的所述液态物料达到目标浓度时，将其从所述浓缩处理器的内腔排出，并收集所有浓缩母液，取出上层的环状冰晶。

其中，本申请所述的液态物料可以是在生物制药、食品加工、化学合成等领域中所产生的中间物质或最终物质，上述步骤中的各项具体温度、压力、搅拌速度等参数，可以根据不同的液态物料而具体设置。

在优选的例子中，在步骤S100中，将液态物料进行预冷处理，其温度为0.5-8℃。在步骤S100中，将预冷后的液态物料送入所述浓缩处理器的内腔中时，控制液态物料的体积占浓缩处理器的内腔总体积1/4-2/5。在步骤S300中，小分子气体是用于与水分子发生反应，形成水合物晶体，充当冰晶的晶种。优选的，本申请的小分子气体可以是CO2、C2H4、CH4、N2等，也可以是其他能够形成水合物的小分子量气体。在步骤S300中，优选的，通过在浓缩处理器的内腔中设置搅拌器来实现搅拌，设置转速为500-1500rpm/min，调控浓缩处理器的内腔压力至3-10MPa，也就是说第一压力的范围是3-10MPa。在步骤S400中，可以通过监测浓缩处理器的内腔中的液态物料的实时相变曲线和温度曲线以及在线摄像头观察，监控到液态物料发生相变形成小晶种，从而继续输送预冷后的液态物料至浓缩处理器的内腔中,其中，可以在浓缩处理器的内腔中设置温度传感器来监测温度曲线，设置压力传感器监测压力，以及通过温度和压力变化判断得到实时相变曲线。

在步骤S4O0中，优选的，控制液态物料的体积占内腔总体积的1/2-4/5，降低浓缩处理器的内腔的温度至-1～-12℃。

在步骤S5O0中，在降温过程继续输入小分子气体，调控浓缩处理器的内腔压力至2-5MPa，增大搅拌器的搅拌速度至1500～2500rpm/min。在步骤S6O0中，可以在浓缩处理器的内腔中设置浓度传感器，来实时监测液态物料的浓度。

与现有技术相比，本申请实施例的一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法具有以下优点及有益效果：

(1)在冷冻浓缩结晶相变前阶段，通入小分子气体，形成水合物晶核或小晶体，以充当冷冻浓缩的晶种，可降低冷冻浓缩结晶过冷度，促进冷冻浓缩发生。

(2)在冷冻浓缩相变阶段，继续通入气体，增强传热的同时，增加了成核点，促进了结晶发生，形成更多更小的冰晶，有效降低了大冰晶的生成，降低了夹带率。

采用本申请实施例的一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法，较单一冷冻浓缩，节省时间10％以上，降低冰晶夹带率10％以上，品质提高15％以上。

如图2所示，图2为实现本申请实施例的一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法所用到的装置，其包括传统技术中的浓缩处理器10、进料罐20、物料输送泵30、气体输送泵40和收集器50，浓缩处理器10具有内腔110，浓缩处理器可以调节其内腔的温度和压力。内腔110中设置有搅拌器111、压力传感器112、温度传感器113、液位传感器114、浓度传感器115、摄像头116，浓缩处理器10上还设置有连通其内腔110与外部的排气管道，排气管道上设置有气阀117。上述分别用于检测内腔110中液态物料的压力、温度、液位和浓度。并通过温度和压力变化，得到实时的相变曲线。

具体的，液态物料可以是在冷库中进行预冷，进料罐20用于中转存储预冷处理后的液态物料，物料输送泵30用于将进料罐20中的液态物料输送至内腔110中，气体输送泵40用于输入小分子气体至内腔110中，收集器50用于收集内腔110排出的所有浓缩母液，并取出上层的环状冰晶。在优选的例子中，可以通过设置冷凝循环***，对进料罐20和浓缩处理器的内腔进行循环制冷，以确保两者的温度与预冷后的液态物料的温度一致。

在一些实施例中，还包括控制器。其可以是单片机、PLC、电脑等，通过控制器来控制上述设备的操作。

以下通过几个具体的实施例对本申请实施例的一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法进行详细说明。本申请实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

将成熟度8-9成柠檬去皮榨汁后得到固形物含量8obrix的柠檬原汁，置于冷库预冷至5℃。打开冷凝循环***进行冷却，使得进料罐、浓缩处理器的内腔的温度与柠檬原汁预冷的温度一致。取预冷的柠檬原汁2.5L从进料罐泵入浓缩处理器的内腔中，此时柠檬原汁料液体积占内腔体积的1/4，通入CO2，打开搅拌装置，搅拌速度设置为500rpm/min，待压力达到3MPa后，关闭气阀；经监测发生相变后，打开气阀放气，继续加入预冷柠檬原汁2.5L，降低浓缩处理器内腔的温度为-1℃，继续输入CO2气体，至浓缩处理器的压力达到2MPa后，关闭气阀，增大搅拌速度至1500rpm/min，当监测到内腔的浓缩汁浓度达到26obrix，从下端出料口排出浓缩汁，从上端取出环状冰晶。所获得的冰晶，其夹带率为1.5％，较单一冷冻浓缩降低10％，无需洗晶步骤，浓缩相变时间缩短了10％，浓缩汁中维生素C等影响成分别较单独冷冻浓缩、气体水合物浓缩提升了5％、10％或以上。

实施例2

将成熟度8-9成的菠萝去皮榨汁后得到固形物含量11obrix的，置于冷库预冷至3℃。打开冷凝循环***进行冷却，使得进料罐、浓缩处理器的内腔的温度与菠萝原汁预冷的温度一致。取预冷菠萝原汁4L从进料罐泵入浓缩处理器的内腔中，此时菠萝原汁料液体积占内腔体积的2/5，通入CO2，打开搅拌装置，搅拌速度设置为1000rpm/min，待压力达到4MPa后，关闭气阀；监测到发生相变后，打开气阀放气，继续加入预冷菠萝原汁4L，降低浓缩处理器内腔的温度为-4℃，继续输入CO2气体，至浓缩处理器的内腔的压力达到3MPa后，关闭气阀，增大搅拌速度至2000rpm/min，当浓缩处理器的内腔的浓缩汁浓度达到33obrix，从下端出料口排出浓缩汁，从上端取出环状冰晶。所获得的冰晶，其夹带率为2.5％，较单一冷冻浓缩降低15％，无需洗晶步骤，浓缩相变时间缩短了12％，浓缩汁中蛋白质等影响成分别较单独冷冻浓缩、气体水合物浓缩提升了8％、12％或以上。

实施例3

将成熟度8-9成荔枝去壳打浆榨汁后得到固形物含量14obrix的荔枝原汁，置于冷库预冷至0.5℃。打开冷凝循环***进行冷却，使得进料罐、浓缩处理器的内腔的温度与荔枝原汁预冷的温度一致。取预冷荔枝原汁3L从进料罐泵入浓缩处理器的内腔中，此时料液体检占内腔体积的3/10，通入CO2，打开搅拌装置，搅拌速度设置为1500rpm/min，待压力达到6MPa后，关闭气阀；处理20min后，打开气阀放气，后继续加入预冷果汁4L，降低浓缩处理器的内腔的温度为-6℃，继续输入CO2气体，至浓缩处理器的内腔的压力达到4MPa后，关闭气阀，增大搅拌速度至2500rpm/min，当浓缩处理器的内腔的浓缩汁浓度达到35obrix，从下端出料口排出浓缩汁，从上端取出环状冰晶。所获得的冰晶，其夹带率为2％，较单一冷冻浓缩降低14％，无需洗晶步骤，浓缩相变时间缩短了14％，浓缩汁中蛋白质等影响成分别较单独冷冻浓缩、气体水合物浓缩提升了7％、13％或以上。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种降低结晶夹带率的低温浓缩方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100、将液态物料进行预冷处理，控制浓缩处理器的内腔的温度与所述液态物料的预冷温度一致；

S200、将预冷后的所述液态物料送入所述浓缩处理器的内腔中；

S300、向所述浓缩处理器的内腔中输入小分子气体，同时搅拌所述液态物料，调控浓缩处理器的内腔压力至第一压力；

S400、继续输送预冷后的液态物料至所述浓缩处理器的内腔中，降低所述浓缩处理器的内腔的温度；

S500、继续向所述浓缩处理器的内腔输入小分子气体，调控所述浓缩处理器的内腔压力至第二压力，并增大搅拌速度，其中，所述第二压力低于所述第一压力；

S600、当所述浓缩处理器的内腔中的所述液态物料达到目标浓度时，将其从所述浓缩处理器的内腔排出，并收集所有浓缩母液，取出上层的环状冰晶。

2.根据权利要求1所述的降低结晶夹带率的低温浓缩方法，其特征在于：

在步骤S100中，将液态物料进行预冷处理，其温度为0.5-8℃；在步骤S4O0中，降低所述浓缩处理器的内腔的温度至-1～-12℃。

3.根据权利要求2所述的降低结晶夹带率的低温浓缩方法，其特征在于：

在步骤S100中，将预冷后的所述液态物料送入所述浓缩处理器的内腔中时，控制所述液态物料的体积占所述浓缩处理器的内腔总体积1/4-2/5；在步骤S4O0中，继续输送预冷后的液态物料至所述浓缩处理器的内腔中，控制所述液态物料的体积占所述浓缩处理器的内腔总体积的1/2-4/5。

4.根据权利要求3所述的降低结晶夹带率的低温浓缩方法，其特征在于：

在步骤S300中，通过在所述浓缩处理器的内腔中设置搅拌器来实现搅拌，设置所述搅拌器的搅拌速度为500-1500rpm/min；在步骤S5O0中，在降温过程继续输入小分子气体，增大所述搅拌器的搅拌速度至1500～2500rpm/min。

5.根据权利要求4所述的降低结晶夹带率的低温浓缩方法，其特征在于：

在步骤S300中，调控所述浓缩处理器的内腔压力至3-10MPa；在步骤S5O0中，调控所述浓缩处理器的内腔压力至2-5MPa。

6.根据权利要求1所述的降低结晶夹带率的低温浓缩方法，其特征在于：

所述小分子气体为以下至少一项：CO2、C2H4、CH4、N2。