Выполнила студент гр. Мм-166 Кириченко Т.С. Руководитель Доц. Овсянников В.Ю.

Криоконцентрирование или концентрирование методом вымораживания влаги используется для получения высококачественных жидких концентратов за счет применения температур ниже 0 °С, что перспективно при концентрировании плодовых и овощных соков. Благодаря низким температурам, позволяющим избежать химических и биохимических изменений и минимизировать органолептических свойств соков, нутритивные и органолептические свойства соков, полученные данным методом, оказываются более высокими, чем у соков, концентрированных с помощью традиционного выпаривания.

Перенасыщение растворов Образование ядра Рост кристаллов Гетерогенное Гомогенное Основные этапы кристаллизации

Кристаллизация происходит при наличии достаточной движущей силы, поэтому требуется перенасыщение исходного раствора. Это состояние, когда раствор не находится в равновесии и есть различие в химическом потенциале между фазой раствора и твердой кристаллической фазой. При вымораживании льда, создается раствор, перенасыщенный водой. После того, как первичные ядра кристаллов льда сформировались, перенасыщенность раствора уменьшается. Ледяные кристаллы формируются, пока разница в химическом потенциале не уменьшится до состояния насыщения.

При кристаллическом росте ядра превращаются в кристаллы дополнением молекул из перенасыщенного раствора. Этот процесс состоит из трех этапов: массовая передача диффузией молекул из объема раствора через граничный слой вокруг ядра, объединение молекул в поверхность и одновременная теплопередача от кристалла к объему раствора, теплоты, необходимой для фазового перехода. В зависимости от типа вымораживающей установки и используемого раствора, любой из трех этапов может ограничивать темп роста кристаллов льда.

Процессы, сопутствующие образованию кристаллов льда Истощение Агломерация Созревание

Если кристалл подвергнут воздействию, часть кристалла может сломаться, что называется истощением. Стрессы могут быть вызваны столкновениями с другими твердыми частицами, типа других кристаллов, стен, элементами мешалки и циркуляционными насосами. Кристаллические фрагменты формируют вторичные ядра. Истощение происходит под влиянием нескольких факторов. При разрушении кристаллов с грубой поверхностью появится больше фрагментов, чем при разрушении кристаллов с гладкой поверхностью. В некоторых типах вымораживающих установок истощение служит для уменьшения размера ледяных кристаллов.

Агломерация – процесс, в котором кристаллы сталкиваются и прилипают друг к другу, и, в конечном счете, формируют больший кристалл и общее скопление. Агломерация – побочный эффект, который может произойти в вымораживающих установках в процессе концентрирования и не используется, чтобы управлять размерами ледяных кристаллов. Распределение размера кристаллов, рассеянных в насыщенном растворе, может измениться из-за созревания. Созревание - эффект различия в растворимости между маленькими и большими кристаллами. Меньшие кристаллы имеют тенденцию распадаться, и тогда получающийся раствор основан на больших кристаллах.

Примеси Растворимые ( соли, сахара, гликоли) Нерастворимые Растворимые вещества, называют днепрессантами, так как они понижают температуру кристаллизации раствора. Твердые примеси – это нерастворимые частицы, их называют присадками. Присадки и днепрессанты оказывают различное воздействие на процесс получения льда при вымораживании. Криоконцентрации подвергают, как правило, естественные растворы, соки, экстракты, ферментные препараты и др. При этом концентрация и вид днепрессанта в смеси влияет на теплофизические характеристики процесса вымораживания.

Диаграмма фазовых изменений водного раствора днепрессанта. Исходя из рис. 3 состояние i характеризует начало появления кристаллов льда в смеси. Рис.3 Диаграмма фазовых изменений: a – начало состояние раствора; i – начало замерзания; b – конечное состояние раствора; f – состояние раствора при кристаллизации воды; e – точка эвтектики.

IPF может быть вычислен по формуле: где m льда – масса вымороженного льда, кг; m общ – общая масса вымороженного льда и сконцентрированного продукта, кг. В начальном состоянии a с точкой начала замерзания i, концентрация x i может быть найдена по формуле: где m днепр – масса раствора в состоянии концентрирования, кг.

В конечном состоянии b концентрация x f раствора f выражается: Из приведенных выше уравнений, отношение (1) и концентрации может быть выражено следующим уравнением:

При этом криоскопические характеристики напрямую зависят от комплекса указанных соединений в растворе. Также отмечено, что на понижение криоскопической температуры раствора в большей степени оказывают влияние неорганические соединения в растворе и низшие спирты, а наименьшее полисахариды и растворимые белки. Растворимые примеси Органические (водорастворимые беловые соединения, аминокислоты, высшие спирты, полисахариды) Неорганические (минеральные соли, основания, кислоты)

Повышению эффективности регулирования роста кристаллов льда в растворах и препятствования «налипания» его на теплообменной поверхности способствуют различные присадки – это, в основном, мелкодисперсные твердые частицы клеточной структуры плодов и овощей, которые могут служить центрами кристаллизации в процессе льдообразования. Их применение также позволяет регулировать массовую концентрацию льда в смеси. Однако наличие твердых примесей в растворе, подвергаемом концентрированию вымораживанием влаги способствует увеличению потерь растворимых веществ концентрата, которые захватываются при агломерации кристаллами льда за счет из адсорбции в ламинарном подслое, окружающем частицу присадки.