第六章-食品分离机械及设备

第六章食品分离机械与设备主要内容概论过滤分离机械

离心分离机械

旋流分离机械溶液萃取设备膜分离设备超临界流体萃取设备分子蒸馏设备作业概论概论概论一、过滤分离原理与过程

可分离悬浮液；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。

第一节过滤分离机械

1、过滤分离原理过滤是以某种多孔性介质，在外力作用下使连续相流体通过介质的孔道时截留分散相颗粒，从而实现分离的操作。2、过滤操作过程一般包括过滤、洗涤、干燥、卸料四个阶段。a、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；固体颗粒截留，逐渐形成滤饼。当过滤速度降低到—定程度后，转入下道工序。

b．洗涤：停止过滤后，滤饼的毛细孔中包含有许多滤液，必须洗涤，以得到纯净的固粒产品或得到尽量多的滤液。2、过滤操作过程一般包括过滤、洗涤、干燥、卸料四个阶段。c.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。

d．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。3、过滤介质与助滤剂

1）过滤介质作用：促使滤饼的形成，并为滤饼的支撑物。要求：①具有多孔性，孔道大小应该能截留悬浮粒子。②具有足够的机械强度。③具有适当的表面特性，能加快卸除滤饼速度。食品加工中所用的过滤介质除满足上述要求外，还应具有无毒、耐腐蚀和不易滋生微生物、易于清洗消毒等特点。常用的过滤介质种类繁多，按其形状大致分为：(a)粒状介质：如焦炭、石砾、细砂、锯屑、活性碳、玻璃碴、酸性白土等。此类介质用于过滤固相含量极少的悬浮液，例如水的过滤和糖的脱色等。(b)织物状介质：是工业上广泛应用的一类，它包括耐腐蚀的不锈钢丝、铜丝或镍丝等织成的各种形式的金属滤布。也可用天然或人造纤维如：棉、毛、合成纤维等编织成各种形式的非金属滤布。(c)多孔固体介质：如多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料、不锈钢粉末。多做成板状或管状，耐腐蚀性好，孔隙小，强度高，常用于过滤含少量微粒的悬浮液，例如白酒、糖液。2）助滤剂在过滤前预覆在滤布上或添加在滤浆中以提高过滤速度的物质。当过滤的固体颗粒极细或具有很大的压缩性时，过滤介质会很快被堵塞，所形成的滤饼的孔隙度变小，过滤层的渗透性大大降低，以至于过滤操作不能持续。为防止胶状微粒对滤孔的堵塞，常用助滤剂涂在滤布上或按一定比例均匀混合于悬浮液之中，一起进入过滤机过滤，以形成渗透性好、耐压缩的滤饼，保证滤液通畅流通。4、过滤操作中的推动力和阻力

1）推动力推动力：指滤饼和过滤介质组成的过滤层两侧压力差，常以作用在悬浮液上的压力表示。通常工业上过滤中推动力的来源有四种：1）悬浮液本身的液柱压力差，一股不超过50kPa，称为重力过滤；2）在悬俘液表面加压，一般可达0.5MPa，称为加压过滤；3）在过滤介质下方抽真空，通常不超过86kPa真空度，称为真空过滤；4）利用惯性离心作用，称为离心过滤。2）过滤阻力过滤阻力是随着过滤操作过程而变化的。在过滤刚开始时，只有过滤介质的阻力。随着过滤的进行，还有滤饼的阻力。这种阻力将随着滤饼的厚度的逐渐增加而增加，直至成为过滤中的主要阻力。

只有当采用粒状过滤介质，且悬浮液中含固体颗粒少时，滤饼的阻力才可忽略不计。种类：食品工业常用的助滤剂有硅藻土、活性碳、石棉、锯屑等。要求：助滤剂的表面应有吸附胶体的能力；颗粒细小、坚硬、不可压缩；能防止滤孔堵塞。5、过滤分离的应用a．滤饼过滤：以过滤介质上游所形成固体颗粒床层的渗滤作用为主要过滤机理。用于含大量不溶性固体的悬浮液的过滤(即含量大于1％－2％)。b．深层过滤：在过滤介质上游虽形成微薄的滤饼，但只是少量颗粒嵌入介质通道。可用于从液体中除去少量不溶性固体的过滤，如啤酒、果汁、牛奶、色拉油等的过滤。

c．膜过滤：是采用有机膜、多孔陶瓷介质膜和半透膜介质膜等膜材料，从液体中除去少量极细小质点的过滤。如从汽水、果汁中除去少量的微生物的过滤。6、过滤机的分类按过滤推动力可分为：重力(常压)过滤机加压过滤机真空过滤机按过滤介质的性质分：粒状介质过滤机滤布介质过滤机多孔陶瓷介质过滤机半透膜介质过滤机按操作方法可分为：间歇式过滤机连续式过滤机7、过滤机的应用

在食品上的应用有如下几个方面：

a．一般固—液系统的分离：如蔗糖生产中的糖汁和糖渣的分离采用真空转鼓过滤机或板框压滤机。板框压滤机则用于啤酒厂过滤麦芽和发酵后回收酵母等。b．作为澄清设备使用：陶质管滤机和流线式过滤机已广泛应用于澄清液体食品，如啤酒、葡萄酒、醋、果汁、酵母浸出液及油、盐水、糖浆，以除去其中极细微粒或者成胶状或泥状的固体。c．除去微生物：管滤机常用于葡萄酒、啤酒、果汁和酵母浸出液的过滤以降低微生物的数目，故可用于代替或补充以降低微生物数目为目的的热处理操作。二、板框式过滤机板框压滤机是间歇式过滤机中应用最广泛的一种。它利用滤板来支撑过滤介质，滤浆因受压而强制进入滤板之间的空间内，并形成滤饼。滤板和滤框多为正方形。滤板作用是支撑滤布并提供滤液流出的通道。板面制成各种凸凹纹路。板、柜的角部开设的小孔构成供滤浆或洗水流通的孔道。滤板有洗涤板、非洗涤板和盲板三种结构：涤板设有洗水进口；非洗涤板无洗水进口；盲板则不开设任何液流。过滤机组装时，按滤板－滤框－洗涤板－滤框－滤板…交替排列，用过滤布隔开，且板和框均通过支耳架在一对横梁上，利用压紧装置压紧或拉开。框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成容纳滤浆及滤饼的空间。过滤：滤浆由滤浆通路经滤框上方进入滤框空间，固粒被滤布截留，在框内形成滤饼，滤液穿过滤饼和滤布流向两侧的滤板，再经滤板的沟槽流至下方通孔排出。（此时洗涤板起过滤板作用）洗涤：洗涤板下端出口关闭，洗涤液穿过滤布和滤框的全部向过滤板流动，从过滤板下部排出。结束后除去滤饼，进行清理，重新组装。工作原理特点优点：结构简单；造价低；过滤面积大；推动力大。缺点：装卸板框劳动强度大；滤布磨损严重。三、加压滤叶型过滤设备重要过滤元件：滤叶（固定或旋转；垂直或水平）分类：垂直滤槽，垂直滤叶型垂直滤槽，水平滤叶型水平滤槽，垂直滤叶型水平滤槽，水平滤叶型垂直槽垂直滤叶型水平滤叶型结构：由数十片固定在空心轴的水平圆形滤叶组成。滤叶上表面为细金属网（硅藻土支持介质），中间粗金属网，下表面为无孔金属板；中空部分与空心轴内孔相通，构成滤液通道。原理：过滤推动力为压力；滤饼卸料依靠离心力（空心轴和滤叶由电机带动旋转）四、真空过滤机一种连续式真空过滤设备；过滤、一次脱水、洗涤、卸料、滤布再生等操作工序同时在转鼓的不同部位进行。转鼓每转一周，完成一个操作循环。鼓外表面为多孔筛板，转鼓外覆盖滤布；圆筒内部被分隔成若干个扇形小室，小室内有单独孔道与空心轴内的孔道相通；空心轴内的孔道则沿轴向通往转鼓轴颈端面的转动盘（随轴旋转）上。固定盘与转动盘端面紧密配合构成一多位旋转阀，称为分配头。结构分配头的固定盘被径向隔板分成若干个弧形空隙，分别与真空管、滤液管、洗液贮槽及压缩空气管路相通。当转鼓旋转时，借分配头的作用，扇行小室内部获得真空和加压，可控制过滤、洗涤等。区域I为过滤区。扇形格浸于滤浆中，格室内为真空状态。滤液经过滤布进入格室内，然后经分配头的固定盘弧形槽排向滤液槽;区域II为滤液吸干区。扇形格刚离开液面，格室内仍为真空，使滤饼中残留的滤液被吸尽，与过滤区滤液一并排向滤液槽。区域III为洗涤区。洗涤水由喷水管洒于滤饼上，扇形格内为低真空状态，将洗出液吸人，经过固定盘的槽通向洗液槽。区域IV为洗后吸干区。洗涤后的滤饼在此区域内借扇形格室内的减压进行残留洗液的吸干，并与洗涤区的洗出液一并排人洗液槽。区域V为吹松卸料区。此区域内格室与压缩空气相通，将被吸干后的滤饼吹松，同时被伸向过滤表面的刮刀所剥落。区域VI为滤布再生区，在此区域内用压缩空气吹走残留的滤饼。转筒真空过滤机动画离心分离：利用离心力来达到悬浮液及乳浊液中固－液、液－液分离的方法通称离心分离。实现离心分离操作的机械称为离心机。离心机用于淀粉、牛奶、酵母、啤酒、果汁、砂糖、桔油、食用动物油、米糠油等食品加工中，主要用于脱水、浓缩、分离、澄清、净化和固体分级等工艺过程。

第二节离心分离机械

悬浮液是由液体和悬浮于其中的固体颗粒组成的系统。固体颗粒是由许多单个颗粒及聚集在一起的颗粒团组成的混合体。乳浊液是由液体和悬浮于其中的一种或数种其他液体所组成的系统，其中至少有一种液体是以液珠的形式，均匀地分散于一个不和它互溶的液体之中。乳浊液的稳定性低，当悬浮液珠达一定的大小时（临界的大小等于0.4～0.5μｍ）,组成它的两相会较快地分层。1．离心力场中颗粒在流体中的运动情况颗粒愈细，则沉降速度愈小，所需的沉降时间愈长。分离因数＝离心力/重力

分离性能的重要指标提高离心机分离因数是提高沉降速度、减少沉降时间的有力措施。2．乳浊液在离心场中的分层和两相的排出情况

在离心机转鼓内乳浊液分离因混合物密度的不同而形成内外两层圆柱面，密度大的在外层。为了从离心机转鼓内分别引出轻、重液体，转鼓内上方设有挡板，挡板上方设置轻、重液引出通道。3．离心机分类

(1)按分离因数的大小可分为常速离心机、高速离心机及超高速离心机。常速离心机：Fr＜3000，主要用于分离颗粒不大的悬浮液和物料的脱水。高速离心机：3000＜Fr＜50000，主要用于分离乳浊液和细粒悬浮液。超高速离心机：Fr＞50000，主要用于分离极不易分离的超微细粒悬浮液和高分子胶体悬浮液。（２）按操作原理的不同可分为过滤离心机、沉降离心机及分离离心机。过滤离心机：转鼓壁上有孔，鼓内壁附以滤布。借离心力实现过滤分离，分离因数不大，适用于易过滤的晶体悬浮液和较大颗粒悬浮液的分离以及物料的脱水。沉降离心机：鼓壁上无孔，借离心力实现沉降分离。分离离心机：鼓壁上无孔，分离因数在3000以上，主要用于乳浊液的分离和悬浮液的增浓或澄清。（３）按操作方式的不同可分为间歇式离心机和连续式离心机。

一、过滤离心机

（一）三足式离心机

特点优点：结构简单；占地小；操作平稳缺点：排渣需要繁重的体力劳动。机械卸料的三足式离心机

过滤离心机二、沉降离心机

在食品工业，这类离心机主要用于回收动植物蛋白，可可、咖啡等滤浆的分离以及鱼油去杂和鱼肉制取等。以卧式螺旋离心机为例：结构：无孔转鼓7，内部有螺旋输送器4。行星差速器9使7和4同向旋转，但有速差。原理：悬浮液从1进—经进料孔5到转鼓—离心力作用固体沉在转鼓内表面—由于速度差，被螺旋送到小端，从12排出—澄清液从大端溢流孔处排出。调节溢流孔位置、机器转速、速差、进料速度可改变沉渣的含湿量和澄清液含固量。三、分离离心机

在分离乳浊液和极细颗粒的悬浮液时，需要很大的离心力。宜采用小直径、高转速的转鼓，即高速离心机。高速离心机分为管式离心机和倒锥式离心机。管式离心机常用于动物油、植物油和鱼油的脱水及果汁、苹果浆及糖浆的澄清。倒锥式离心机广泛用于奶油的分离和牛奶的净化、动植物油精制中的脱水和澄清、淀粉的分离和净化等。（一）管式高速离心机

管式高速离心机具有很高的分离因数（1.5万～6万），转鼓的转速可达8000～5万r/min。为尽量减小转鼓所受的应力，采用较小的鼓径，因而在一定的进料量下，悬浮液沿转鼓轴向运动的速度较大。为此，应增大转鼓的长度，以保证物料在鼓内有足够的沉降时间，于是导致转鼓成为直径小而高度相对很大的管式构形。

设计原理：

如采用转速较低而直径较大的转鼓，就必须将液流分成若干薄层：加长了液流行程从而提高了分离效果避免了分离后再混合（二）倒锥式离心分离机

离心净化机净乳机和离心机的区别

净乳机离心机碟片结构无孔开孔（在脱脂乳和稀奶油分离界面上）出液口一个两个（脱脂乳出口，稀奶油出口）旋液分离器是利用离心力进行湿法分级的设备。食品工业多用于淀粉加工中分离胚芽、纤维及蛋白质，也可用于洗涤淀粉和除砂等。其分级作业的分级粒度为0.003～0.25ｍｍ，浓缩或澄清的分级粒度小于15μｍ。第三节旋液分离机械

结构：旋液分离器由进料管1、溢流管2、圆管3和锥管4等部分组成旋液分离器优点：结构简单紧凑、无传动部分、占地面积小。使用维护方便；物料在机器内停留时间短、生产率高；能在密闭的条件下加工，产品质量高。环境卫生和劳动条件较好；便于连续作业和生产过程的自动控制。旋液分离器缺点：管子内壁易磨损旋液分离器和旋风分离器的比较

相同点：①原理相同：都采用离心分离的方法除去内部杂质。②结构相同：就单个分离器而言，其结构大致相同。不同点：

①用途不同：旋液分离器用于从液体中分离固体杂质，旋风分离器用于从气体中分离固体杂质。②设备体积不同：旋液分离器由于用于液体分离，其密度较大，固单个分离器的体积较小；旋风分离器由于用于气体分离，其密度较小，固分离器的体积较大。③设备组装方式不同：为了提高生产率，旋液分离器一般多个分离器并联使用，而旋风分离器一般单个分离器即可使用。利用两个不相溶的液相中的组分溶解度的不同来达到分离的目的。一、分类料液与溶剂接触和流向：单级与多级萃取设备操作方式：间歇与连续多级萃取设备分离物系构成：液-液与液-固萃取设备第四节溶剂萃取设备

二、液-液萃取设备依接触方式有逐级式与微分式之分1、微分工作原理：互相混溶的两液相在一柱式或塔式容器内分别从顶和底部进入并相向流过萃取设备，目的产物从一相传递到另一相而达到目的分离的目的。特点：没有沉降分离时间，未达到传质平衡。适用：两液相有较大的密度差类型：多层填料萃取塔、多级搅拌萃取塔、转盘萃取塔三、固-液萃取设备操作包括：不溶性的固体中含的溶质在溶剂中溶解的过程和分离残渣与浸取液的过程1、单级间歇式浸出器2、多级逆流式浸出器3、连续式浸出器（1）浸泡式连续式浸出器（2）浸滤式连续式浸出器：垂直移动篮式浸出器、旋转隔室式连续式浸出器、水平移动篮式浸出器、皮带输送式连续浸出器高效动态连续液—液萃取塔转盘式萃取塔

用天然的或人工合成的高分子薄膜或其他具有类似功能的材料，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、提纯和富集的方法，统称为膜分离法。膜分离法用于液体和气体。第五节膜分离机械

膜的种类按膜的来源：天然膜和合成膜；按膜的材料：树脂膜、陶瓷膜及金属膜；按膜化学组成：纤维素酯类膜、非纤维素酯类膜；按膜断面的物理形态或结构：对称膜、不对称膜(指膜的断面不对称)、复合膜(通常是用两种不同的膜材料，分别制成表面性层和多孔支撑层)，按膜的形状：平板膜、管式膜和中空纤维膜等。目前硝酸纤维素膜和聚酰胺膜应用较为广泛。陶瓷膜和金属膜以其持有的性能和强度，在果蔬汁加工方面成为主导部件。膜分离有四个显著特点①风味和香味成分不易失散；②易保持食品某些功效，如蛋白的泡沫稳定等。③不存在相变过程，节约能量。④工艺适应性强，处理规模可大可小，操作维护方便，易于实现自动化控制。膜分离技术主要包括渗透、反渗透、超滤、透析、电渗析、液膜技术、气体渗透和渗透蒸发等方法。一、膜分离的方法与原理

（一）反渗透原理利用反渗透膜选择性透过溶剂（水）的性质，对溶液施加压力克服溶液的渗透压，使溶剂通过膜从溶液中分离出来。（二）超过滤原理超过滤(ultrafiltration，UF)

超过滤膜在透过溶剂的同时，透过小分子溶质，截留大分子溶质。截留的粒径范围是1－20nm，相当于分子量为300至300000的各种蛋白质分子，也可截留相应粒径的胶体微粒。被分离的溶液借助外界压力的作用，以一定的流速沿具有一定孔径的超过滤膜面上流动，让溶液中的无机离子、小分子物质透过膜，截留高分子物质、胶体、蛋白质、微生物，从而实现分离和浓缩目的。－－－－－－－－－－－－－－压力原液超滤膜透过液超过滤用途①澄清除去悬浮的微小颗粒（处理果汁、葡萄酒、醋）②成分调整（牛奶、淀粉、酵母、葡萄糖、氨基酸等）③浓缩（乳液、全蛋产品、胶体等）④分子溶液的脱盐⑤污染控制（油脂、漂白污水、色料废液等过滤）(三）电渗析原理使用具有选择性透过性能的离子交换膜，在直流电场作用下，溶液中的离子选择性透过进行定向迁移。电渗析装置是由许多阳膜和阴膜相间安置，并在膜间放置隔板，组合成膜组，在膜组两侧安装电极。A阴离子膜（允许阴离子通过）C阳离子膜（允许阳离子通过）用途

(1)溶液脱盐：从料液中迁出等当量的阴、阳离子，从而降低了溶液的盐分。对于海水或原水分别称为海水纯化或原水纯化；对于含无机盐的有机物水溶液，则称为溶液脱盐。(2)溶液的浓缩：料液是盐类溶液，浓集其中的阴、阳离子，制成浓度较高的溶液。产品是浓缩液。(3)溶液的脱酸或脱碱：通过离子的迁容，将碱性溶液中的金属阳离子换成氢离子，或将酸性溶液中的阴离子换成氢氧根离子，结合成水，就起了对溶液脱碱或脱酸的作用。(4)盐溶液的水解：将盐溶液中的阳离子和阴离子分别迁出，各配上氢氧根离子和氢离子就生成了相应的碱和酸。（一）平板式膜组件二、膜分离组件特点：面积大，不易堵塞，对原液初处理要求低，压力损失小，流速大。（二）管式膜组件结构：膜粘在支撑管的内壁或外壁。外管为多孔金属管，中间为多层纤维布，内层为管状超滤或反渗透膜原理：原液在压力作用下在管内流动，产品由管内透过管膜向外迁移。（三）毛细管式膜组件由许多毛细管组成，纤维平行排列，两端均与—块端板粘合。毛细管由纺丝法制得，无支撑部件。进料液从毛细管的中心通过，透过液从毛细管壁渗出。与管式膜组件相比，毛细管式膜组件拥有高填充密度。（四）中空纤维膜组件结构与毛细管式膜组件相类似，膜管没有支撑材料，靠本身的强度承受工作压力。将几万根中空纤维集束的开口端粘接，装填在管状壳体内。超临界流体萃取(SCFE)是近30多年来出现的一种新型的萃取分离技术特性：低能耗、无污染、无残留和适