Abstract

Suspension freeze concentration (SFC) can avoid denaturation while concentrating thermal-sensitive aqueous solutions. However, the complex treatment process and high capital cost severely limit its application in large-scale production. In this paper, a compact and integrated unit is devised to overcome these shortcomings and improve the operability of SFC. The unit is in a vertical layout and supports multistage treatment to successively condense the solution. Several innovative designs are made for the key components, including the helical blades in the scraped surface heat exchanger and a dual-use column for recrystallization and washing. The former helps to establish the circulation of solution and impose forces to compress the ice column, while the latter enables seamless switch between different processes. As the whole process of SFC is well known to be time-consuming and labor-intensive, an intelligent controlling system is installed on the unit to realize on-site and/or remote monitoring and adjustment of the treatment. A concentration experiment using apple juice was conducted to verify the design and demonstrate the advantages. The results show that high-quality solutions were obtained with this unit. The recovery yields of the soluble solids and nutrients components are over 98.5% and 80.0%, respectively. Based on the work principles of the freezing and washing process in this design, the mechanism behind the superior recovery yields is analyzed. This study opens up a potential route for scaling up SFC and is expected to stimulate further work to achieve industrial application.

摘要

悬浮液冷冻浓缩 (SFC) 可避免在浓缩热敏水溶液时发生变性。然而，复杂的处理工艺和高昂的资金成本严重限制了其在大规模生产中的应用。在本文中，设计了一种紧凑的集成单元来克服这些缺点并提高 SFC 的可操作性。机组为立式布置，支持多级处理，依次浓缩溶液。对关键部件进行了多项创新设计，包括刮板式换热器中的螺旋叶片和重结晶洗涤两用塔。前者有助于建立溶液循环并对冰柱施加压力，而后者可以实现不同过程之间的无缝切换。众所周知，SFC整个过程费时费力，因此在机组上安装了智能控制系统，实现对处理的现场和/或远程监控和调整。进行了使用苹果汁的浓缩实验以验证设计并展示其优势。结果表明，使用该单元获得了高质量的解决方案。可溶性固形物和营养成分的回收率分别超过98.5%和80.0%。根据本设计中冷冻和洗涤过程的工作原理，分析了其高回收率背后的机理。该研究为扩大 SFC 开辟了一条潜在途径，有望刺激进一步的工作以实现工业应用。机组安装智能控制系统，实现对处理的现场和/或远程监控和调整。进行了使用苹果汁的浓缩实验以验证设计并展示其优势。结果表明，使用该单元获得了高质量的解决方案。可溶性固形物和营养成分的回收率分别超过98.5%和80.0%。根据本设计中冷冻和洗涤过程的工作原理，分析了其高回收率背后的机理。该研究为扩大 SFC 开辟了一条潜在途径，有望刺激进一步的工作以实现工业应用。机组安装智能控制系统，实现对处理的现场和/或远程监控和调整。进行了使用苹果汁的浓缩实验以验证设计并展示其优势。结果表明，使用该单元获得了高质量的解决方案。可溶性固形物和营养成分的回收率分别超过98.5%和80.0%。根据本设计中冷冻和洗涤过程的工作原理，分析了其高回收率背后的机理。该研究为扩大 SFC 开辟了一条潜在途径，有望刺激进一步的工作以实现工业应用。进行了使用苹果汁的浓缩实验以验证设计并展示其优势。结果表明，使用该单元获得了高质量的解决方案。可溶性固形物和营养成分的回收率分别超过98.5%和80.0%。根据本设计中冷冻和洗涤过程的工作原理，分析了其高回收率背后的机理。该研究为扩大 SFC 开辟了一条潜在途径，有望刺激进一步的工作以实现工业应用。进行了使用苹果汁的浓缩实验以验证设计并展示其优势。结果表明，使用该单元获得了高质量的解决方案。可溶性固形物和营养成分的回收率分别超过98.5%和80.0%。根据本设计中冷冻和洗涤过程的工作原理，分析了其高回收率背后的机理。该研究为扩大 SFC 开辟了一条潜在途径，有望刺激进一步的工作以实现工业应用。根据本设计中冷冻和洗涤过程的工作原理，分析了其高回收率背后的机理。该研究为扩大 SFC 开辟了一条潜在途径，有望刺激进一步的工作以实现工业应用。根据本设计中冷冻和洗涤过程的工作原理，分析了其高回收率背后的机理。该研究为扩大 SFC 开辟了一条潜在途径，有望刺激进一步的工作以实现工业应用。