103 冷冻浓缩溶质夹带机理及新技术分析

         界面渐进冷冻浓缩的基本过程是冰液界面处料液中形成微冰晶，微冰晶在低温表面上沉积形成冰层。

      冰液界面处料液中形成的微冰晶可以为多种形态，如球形、枝晶状等，微冰晶在低温表面上沉积时，微冰晶之间的空隙内会充有料液，微冰晶被冻成冰层时，空隙中的料液也被冻入其中（且冰液界面处料液中溶质浓度高于主体料液），料液中的溶质也被冻入其中，从而导致冰中形成溶质夹带，这是界面渐进冷冻浓缩溶质夹带的基本原因之一。  

      此外，料液中形成的冰从料液中取出时，料液表面附着的料液也会带走一部分溶质进入冰中，这是冷冻浓缩溶质夹带的另一个原因。

      基于上述冷冻浓缩过程和溶质夹带基本原因，降低溶质夹带的努力方向可有如下几方面：

      ●尽量形成球状微冰晶

      当微冰晶为球状时，微冰晶之间所形成的夹带空隙通常小于其他形状微冰晶。

      ●微冰晶大小有合理分布

      当球状微冰晶尺寸相同时，微冰晶之间所形成的夹带空隙会较大。

     几种等径球的典型空间排列如下图所示。

简单立方堆积

体心立方堆积

六方最密堆积

       三种空间排列的空隙率分别约为48%、32%、26%，而直径不同的微冰晶球排列时，小球会填充入大球形成的空隙中，总体空隙率会显著减小，可降至10%以下。

      ●减小冰液界面处料液的浓度

      料液界面处料液的浓度与主体料液浓度之间的差值称为浓差极化，减小浓差极化可减小进入微冰晶空隙的料液的浓度，从而降低溶质夹带率。

      ●减小冰表面料液附着

     冰表面料液附着厚度主要与料液黏度有关，料液黏度主要与料液特性及浓度有关；冰表面附着导致的溶质夹带率也与附着料液层厚度与冰层厚度之比有关。

      基于上述界面渐进冷冻浓缩过程和溶质夹带原因分析，可进一步开发的降低溶质夹带的新技术有：

      ●料液流速控制

      料液流速较高时，有利于降低溶质夹带，但也会导致过大的料液泵功耗和无效冷损失（无效冷损失主要是指料液传递到冰液界面处的热量）。

      ●冰液界面扰动

        采用超声波、激振、扰动等措施，使冰液界面处料液形成适当扰动，使微冰晶形成球状且紧密排列，且减小界面处料液的浓差极化。

        ●外场辅助

        采用外加电场、磁场等措施，减少溶质在冰液界面处的聚集，且促使冰晶规则化紧密排列。

        ●冰表面料液附着控制

        通过机械擦除、强风吹除、融冰水淋除等清除冰液分离时冰表面的料液附着。

        ●冰晶夹带料液控制

        通过控制过程温度，使微冰晶间夹带料液呈液态或再微融等状态，结合强力空气吹除技术，将微冰晶空隙内的料液清除。

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