第五章食品分离机械与设备

第五章食品分离机械与设备食品分离：是食品生产过程中，根据混合物组成物质的不同物理、化学等属性，如颗粒大小、相、密度、溶解性、沸点等不同，而将物质分开的一种操作过程。食品加工过程涉及的分离操作包括离心分离、压榨、过滤、提取及膜分离等。各种分离设备的分离原理不同，分离效率和机械化、自动化程度有差异。第一节概述一、典型的食品分离混合物（一）根据连续相的形态分类1、连续相为液体（1）分散相为固体，即固-液系统悬浮液，如果汁、酵母液等；（2）分散相为液体，即液-液系统混合物，如全脂牛奶等乳浊液或悬浮液等。（3）分散相为气相，即液-气系统，泡沫液。2、连续相为气体，即气溶胶（1）分散相为固体，即固-气系统混合物，如烟、尘等；（2）分散相为液体，即液-气系统混合物，如雾等。第一节概述一、典型的食品分离混合物（二）根据相界分类混合物包括均相和非均相两大类。1、均相混合物均相混合物则没有明显的界面。2、非均相混合物非均相混合物是由具有分界界面的两相所组成。第一节概述二、食品分离方法非均相物系有明显的界面，采用机械方法分离。均相混合物则没有明显的界面，须造成一个两相物系，且根据物系中不同组分间某种物性的差异，使其中某个组分或某些组分从一相向另一相转移而分离。常用扩散方法分离。根据物系不同，食品分离方法分为扩散式分离和机械式分离。第一节概述二、食品分离方法1、机械分离分离非均相的混合物如过滤、沉降、离心分离等。2、扩散分离分离均相混合物。包括平衡分离和速率分离。平衡分离如精馏、吸收、萃取、结晶、吸附等，借助分离剂使均相混合物系统变成两相系统，再利用混合物中各组分在处于相平衡的两相中的不等同分配而实现分离。速率分离如微滤、超滤、反渗透、电渗析等，在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，利用各组分扩散速率的差异实现分离。第一节概述扩散分离分离因子分离原理举例蒸发、蒸馏等挥发性挥发度牛奶、白酒结晶挥发性凝固点食盐吸收、萃取等溶解度选择性油脂沉淀重力重力果汁澄清离子交换过滤介质吸附油脂生产机械分离分离因子分离原理举例沉降重力密度差水处理离心离心力密度差油精制、牛乳脱脂旋风分离惯性流动力密度差喷雾干燥过滤过滤介质粒子大小除菌、果汁澄清、颗粒分离压榨机械力压力下液体流动油脂生产第一节概述第二节过滤机械一、过滤概述1、概念利用多孔介质将悬浮液中的固体微粒截留而使液体自由通过，以使固液分离的操作。食品工业在生产饮料、果汁、糖浆、酒类等类产品时，常用过滤方式除去其中的固形物微粒，以提高产品的澄清度，防止制品日后随保存时间延长发生沉淀。过滤是分离悬浮液最普通、最有效的单元操作之一，也可用于气-固体系的分离。与沉降相比，过滤分离更迅速；与蒸发干燥等非机械分离相比，则能耗低得多。第二节过滤机械一、过滤概述2、过滤操作在过滤的操作过程中，一般将被过滤处理的悬浮液称为滤浆。滤浆中被截留下来的固体微粒称为滤渣，而积聚在过滤介质上的滤渣层则被称为滤饼。透过滤饼和过滤介质的液体称为滤液。第二节过滤机械一、过滤概述3、过滤分离过程一般包括过滤、洗涤、干燥、卸料四个阶段。过滤：悬浮液在推动力作用下，克服过滤介质的阻力进行固-液分离；固体颗粒被截留，逐渐形成滤饼，且不断增厚，因此过滤阻力也随之不断增加，致使过滤速度逐渐降低。当过滤速度降低到一定程度后，必须转入下道工序。洗涤：停止过滤后，滤饼的毛细孔中包含有许多滤液，必须用清水或其他液体洗涤，以得到纯净的固粒产品或得到尽量多的滤液。干燥：用压缩空气排挤或真空抽吸把滤饼毛细管中存留的洗涤液排走，得到含湿量较低的滤饼。卸料：把滤饼从过滤介质上卸下，并将过滤介质洗净，以备重新进行过滤。第二节过滤机械一、过滤概述4、过滤介质用于促使滤饼的形成，并为滤饼的支撑物。（1）过滤介质的基本要求具有多孔性，滤液通过时阻力小，孔道大小应该能截留悬浮粒子；具有足够的机械强度；具有适当的表面特性，能加快卸除滤饼速度；具有无毒、耐腐蚀和不易滋生微生物、易于清洗消毒等特点。（2）常用过滤介质①粒状介质：焦炭、石砾、细砂、木炭、碎石等。常用于过滤固相含量极少的悬浮液，如水的过滤和糖的脱色等。第二节过滤机械一、过滤概述4、过滤介质②滤布介质：包括耐腐蚀的不锈钢丝、铜丝或镍丝等金属滤布，也可用棉、毛、麻等天然纤维或人造纤维或合成材料的非金属滤布。常用于淀粉糖浆、酱油、糖液的过滤，是食品工业中用得最广的过滤介质。③多孔固体介质（一般能够再生）：包括多孔陶瓷、多孔塑料、多孔玻璃等，做成板状或管状，耐腐蚀性好、孔隙小、强度高。常用于过滤含有少量微粒的悬浮液，例如白酒、糖液。④半透膜：是一种只给某种分子或离子扩散进出的薄膜，对不同粒子的通过具有选择性，如细胞膜、膀胱膜、羊皮纸以及高分子材料半透膜等。反渗透制备纯净水。第二节过滤机械一、过滤概述5、过滤推动力和阻力（1）推动力指滤饼和过滤介质组成的过滤层两侧的压力差⊿p，常以作用在悬浮液上的压力表示。来源于重力（悬浮液本身的液柱压力，一般不超过50kPa）；加压（在悬浮液表面加压，一般可达0.5MPa）；真空（在过滤介质下方抽真空，通常不超过86kPa真空度）；离心力（利用惯性离心作用）。（2）阻力过滤开始：过滤介质的阻力；过程中：过滤介质的阻力+滤饼的阻力。第二节过滤机械一、过滤概述6、过滤机分类（1）按过滤推动力分重力（常压）过滤机；加压过滤机；真空过滤机；（2）按过滤介质性质分粒状介质过滤机；滤布介质过滤机；多孔陶瓷介质过滤机；透膜介质过滤机。（3）按操作方法分间歇式过滤机-四个操作工序在不同时间内的同一部位上依次进行，结构简单，但生产能力较低、劳动强度较大；连续式过滤机-四个操作工序在同一时间内的不同部位上进行，生产能力较高、劳动强度较小，但结构复杂。第二节过滤机械二、板框过滤机应用最广泛的一种间歇式过滤机。由滤板（带凹凸纹路）和滤框交替排列于机架来支撑过滤介质（滤布），滤浆在加压推动力下进入板框，穿过滤布形成滤液，留下成为滤饼。第二节过滤机械二、板框过滤机1、滤板和滤框包括过滤板、过滤框和洗涤板。滤板上凹凸纹路提供滤液流出通道，滤框支撑滤布。1.料液通道；2.滤液出口；3.滤液或洗液出口；4.洗液通道一点：过滤板；二点：过滤框；三点：洗涤板板框的组合方式服从1—2—3—2——1—2—3之规律，形成供滤液、洗涤水或滤浆流动的通道。滤浆从板框角上的小孔进入板框内空间，滤液穿过滤布，进入滤（洗涤）板上，滤饼则留在框内。板上有沟槽，滤液沿沟槽流到左下角，从供滤液排出的小孔中排出。第二节过滤机械二、板框过滤机2、工作原理分为过滤和洗涤两个流程。（1）过滤滤浆由滤框上方通孔进入滤框空间，固体颗粒被滤布截留，在框内形成滤饼，滤液则穿过滤饼和滤布而流向两侧的滤板，然后沿滤板的沟槽向下流动，经滤板下方的旋塞排出。第二节过滤机械二、板框过滤机2、工作原理待框内充满滤饼，即停止过滤，进行洗涤。（2）洗涤先关闭洗涤板下方的旋塞，洗液从洗板左上角的通道（位于框内）进入，依次穿过滤布、滤饼、滤布，到达非洗涤板，从其下角的旋塞排出。第二节过滤机械二、板框过滤机3、板框尺寸及设备特点压滤机的板框尺寸范围为100mm×100mm-1550mm×1800mm,滤框的厚度为30mm-200mm，操作压力范围在0.1MPa-1MPa之间，通常采用0.7MPa。压滤机的过滤速率和滤饼的湿含量，由物料的性质、滤框的有效厚度和操作压力所决定。设备特点：过滤面积大、占地小、构造简单、制造方便、过滤推动力大、对物料适应性好，但装拆劳动强度大、间歇操作、滤布消耗量大。第二节过滤机械三、真空转鼓过滤机一种连续操作过滤机设备。1、结构主体是一转动水平圆筒，表面有一层金属网，网上覆盖滤布，筒的下部浸入滤浆中。圆筒沿径向分隔成若干扇形格，每格都有单独的孔道通至分配头上。第二节过滤机械三、真空转鼓过滤机（1）转鼓转鼓是可转动的水平圆筒,直径0.3-4.5m，长3-6m。圆筒外表面由多孔板或特殊的排水构件组成，上面覆滤布。圆筒内部被分隔成若干个扇形格室，每个格室有吸管与空心轴内的孔道相通，而空心轴内的孔道则沿轴向通往位于轴端并随轴旋转的转动盘上。第二节过滤机械三、真空转鼓过滤机（2）分配头转动盘与固定盘紧密配合，构成一个特殊的旋转阀，称为分配头。固定盘分成若干个弧形空隙，分别与减压管、洗液贮槽及压缩空气管路相通。转动盘固定盘第二节过滤机械三、真空转鼓过滤机2、工作原理圆筒转动时，凭借分配头的作用使这些孔道依次分别与真空管及压缩空气管相通，因此回转一周每个扇格表面可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等工作。第二节过滤机械三、真空转鼓过滤机3、工作过程①过滤Ⅰ当转动盘上的某几个小孔与固定盘上的凹槽2相对时，这几个小孔对应的连通管及相应的转筒表面与滤液真空管相连，滤液便可经连通管和转动盘上的小孔被吸入真空系统；同时滤饼沉积于滤布的外表面上。②吸干Ⅱ扇形格刚离开液面，滤液被真空抽吸。③洗涤Ⅲ转动盘转到与凹槽3相对时，转筒上方喷洒的洗水洗涤，洗液被真空抽吸。第二节过滤机械三、真空转鼓过滤机④洗后吸干Ⅳ洗涤液真空吸干。⑤吹松卸料Ⅴ当这些小孔凹槽4相对时，这几个小孔对应的连通管及相应的转筒表面与压缩空气吹气相连，压缩空气经连通管从内向外吹向滤饼。随着转筒的转动，这些小孔对应表面上的滤饼又与刮刀相遇，被刮下。⑥滤布再生Ⅵ压缩空气吹走残留的滤饼。每当小孔与固定盘两凹槽之间的空白位置（与外界不相通的部分）相遇时，则转筒表面与之相对应的段停止工作，以便从一个操作区转向另一操作区，不致使两区相互串通。第二节过滤机械三、真空转鼓过滤机4、设备特点优点：机械化程度高；滤布损耗小；操作自动，对处理量大而容易过滤的料浆特别适宜。缺点：用真空吸液，过滤推动力不大，悬浮液中温度不能高；设备加工制造复杂；真空度受到热液体或挥发性液体的蒸气压的限制；转筒体积庞大而过滤面积相形之下嫌小。第三节压榨设备一、压榨原理1、定义是通过机械压缩力将液相从液固两相混合物中分离出来的一种单元操作。在压榨过程中，将物料置于两个表面（平面、圆柱面或螺旋面）之间，使物料占用空间缩小的工作面相对运动，对物料施加压力使液体释出，释出的液体再通过物料内部空隙流向自由表面。压榨的目的与过滤相同，都是为了将固液相混合物分离。但压榨分离用于不易用泵输送的物料或滤饼中液体需去除得更彻底、甚至机械脱水干燥（较热处理法更经济），过滤分离用于固液混合物流动性好、易于泵送的混合物。压榨用于从可可豆、花生、棕榈仁、大豆、菜子等种子或果仁中榨取油脂，甘蔗中榨取糖汁，苹果和柑橘等榨取果汁。第三节压榨设备一、压榨原理2、压榨设备分类压榨过程包括加料、压榨、卸渣等工序。按操作方式分为间歇式和连续式压榨机。（1）间歇式压榨机加料、卸料等均是间歇进行的，主要为液压压榨机，有箱式、板式、缸式、筐式和笼式等。具有结构简单、安装费用低、操作压力易控制、能满足压榨过程中压力由小到大逐渐增加的工艺要求等优点，适用于小规模生产或传统产品的生产过程。（2）连续式压榨机连续完成加料、压榨、卸渣工序，主要有螺旋式、辊式和带式，连续压榨机可适用于不同生产规模的需要。第三节压榨设备二、液压压榨机液压压榨机是通过液压移动使物料空间缩小，物料受压均匀、汁液易于流出、装卸料操作方便。1、板式压榨机四根直立钢柱做成坚固的压榨支架，上有顶板、下有底板，中间夹有10-16块压榨板。当液压活塞加压向上移动时压榨板间的物料受到压缩，压榨初期的压力较低，通常仅约几个兆帕。当被榨取物料的体积逐渐缩小时，压力增加很快，可达到初期压力的5-10倍。压榨后的残渣形成了组织紧密而又坚实的榨饼。压榨板可以改为压榨箱、压榨框、压榨笼以及压榨缸或压榨杯等。第三节压榨设备二、液压压榨机2、布赫（bucher）压榨机又称卧篮式压榨机，最初是瑞士布赫公司用来生产苹果汁的专用设备。最大加工能力8-10t/h苹果原料，出汁率82％-84%，设备功率24.7kW，活塞行程1480mm。目前，布赫榨汁机已发展成为可适合多品种果蔬榨汁的通用型筐式榨汁机，可用于仁果类(苹果、梨)、核果类(樱桃、桃杏李)、浆果类(葡萄