溶液冷冻浓缩中冰晶与母液的分离与提纯

本项目以热敏性水溶液（如生化制品、原奶乳液、果汁等）为研究对象，以溶液的冷冻浓缩为主线，以冰晶与浓缩母液的分离和提纯所涉及的科学问题为核心，把冷冻浓缩及其分离提纯过程作为涉及传热学、结晶与成核动力学、以及多孔介质流体力学等多学科交叉问题来加以研究。综合运用结晶动力学，热力学，传热学和多孔介质流体力学的原理和方法，特别针对用于分离提纯冰晶的'结晶洗涤柱'的多孔介质现象，如粘性指进效应（viscous fingering）和隧道效应（channeling），揭示其分离提纯冰晶的机理、以及导致粘性指进和隧道效应的判据。进而揭示冷冻浓缩所必须把握的各个关键环节如制冰（成核）、熟化（结晶）、洗涤（分离提纯）之间的内在联系及其规律。为发展新一代冷冻浓缩技术奠定理论和实验基础。

本课题以热敏性水溶液（如生化制品、原奶乳液、果汁等）为研究对象，将水溶液冷却至冰点以下，令水分以结晶状态 ——“冰”的形式析出。在项目实施过程中以溶液的冷冻浓缩为主线，以冰晶与浓缩母液的分离和提纯所涉及的科学问题为核心，把冷冻浓缩及其分离提纯过程作为涉及传热学、结晶与成核动力学、以及多孔介质流体力学等多学科交叉问题来加以研究。综合运用结晶动力学，热力学，传热学和多孔介质流体力学的原理和方法，特别针对用于分离提纯冰晶的'结晶洗涤柱'的多孔介质现象，如粘性指进效应（viscous fingering）和隧道效应（channeling），揭示其分离提纯冰晶的机理、以及导致粘性指进和隧道效应的判据。进而揭示冷冻浓缩所必须把握的各个关键环节如制冰（成核）、熟化（结晶）、洗涤（分离提纯）之间的内在联系及其规律。由于水的结晶(结冰)潜热只有汽化潜热的约1/7：即在0摄氏度时水的结冰潜热是334.11kJ/kg，在70摄氏度时水的汽化潜热是2415.78 kJ/kg ，因此与蒸发浓缩相比，冷冻浓缩有很大的节能潜力。本课题在2012年建立和改进了一套每小时除水20kg的冷冻浓缩实验装置。经测试，该中试规模的实验设备每小时脱水20公斤（kg/h）能耗只有传统多效蒸发的约二分之一。由于是在冰点以下浓缩物料，可以推测维生素、活性蛋白（酶）及芬芳风味物质将全都得以保留。本项目为主任基金，时间跨度为一年。在研期间所取得的成果如下：.发表论文： Frank G.F. Qin, Xiaoping Yang, Zhan Ding, Yuanzhi Zuo, Youyan Shao, Runhua Jiang, Xiaoxi Yang.Thermocline stability criterions in single-tanks of molten salt thermal energy storage Applied Energy. 2012 .97: 816–821（SCI，EI双检）.申报及获得专利：1.洗涤和分离晶体的方法和设备 ZL201010511882.x； 2.一种交替制冷的流态化冰浆发生系统 ZL201010618438.8； 3.一种用碟式双面刮面换热器制取流态化冰浆的方法和装置 ZL 201010618955.5