一种正渗透-膜蒸馏耦合果汁浓缩装置的制作方法

本实用新型涉及食品加工技术领域，尤其涉及果汁浓缩技术，具体为利用膜蒸馏与正渗透耦合处理的果汁浓缩系统。本实用新型主要利用正渗透与膜蒸馏特有的工艺特征，将两级膜分离技术耦合应用于热敏性物料之果汁浓缩领，以提高果汁浓缩品质。

背景技术：

原果汁的含水量很高，通常在80%～85%以上，储存过程容易发生褐变及功能性营养成分的性变。果汁经过浓缩是一种很好的水果贮藏方法，浓缩工艺可以把原果汁的固形物含量从5%～20%提高到60%～75%，这种浓缩汁有相当高的生化稳定性。果汁浓缩后可大大降低包装、运输和贮藏成本，延长货架期，方便销售和消费。果汁浓缩常用的工业化方法有蒸发浓缩和冷冻浓缩。蒸发浓缩工艺其实质是通过加热使果汁中的水分蒸发，从而达到浓缩目的。基于蒸发工艺，果汁的蒸发浓缩会存在以下问题：(1)蒸发浓缩过程的高温加热使果汁中的很多有益成分容易受到破坏，如导致芳香物质的流失等；(2)由于蒸发浓缩过程中,水的蒸发需要消耗大量能量，而水蒸汽的冷却需要消耗大量的水,因此蒸发浓缩实不属于节能环保型工艺。

冷冻浓缩是利用冰与水溶液之间的固-液相平衡原理。将水以固态方式从溶液中去除的一种浓缩方法。冷冻浓缩工艺基本上保留了原汁所含有的大多物质,但在分离冰晶时不可避免地要损失一部分浓缩汁。从保证产品质量的角度而言,冷冻浓缩是目前工业化应用领域一种常用的果汁浓缩技术之一。但是，冷冻浓缩汁的最大浓缩度受到冰晶-浓缩汁混合物的黏度的限制，只能达到40～500Brix；当物料黏度高时难以生成冰晶，难以回收附在冰晶上的可溶性固形物和一些有效成分，且其设备投资和作业成本都较高，生产能力小，这些都限制了它的推广与应用。

随着节能环保意识的日益增强及人们对高品质浓缩果汁需求的提出，上述传统果汁浓缩工艺已渐显劣势。近年来，微滤(Microfiltration, MF)、超滤(Ultrafiltration, UF)、纳滤(Nanofiltration, NF)及反渗透(Reverse Osmosis, RO)等膜分离技术经常被用来对果汁进行澄清及浓缩。与传统的蒸发法相比，此类膜分离技术具有以下优点:果汁在常温下浓缩，不发生相变，有利于果汁中营养成分及风味物质的保留。但这些膜分离过程常会由于浓差极化和膜污染的存在使得最大浓缩只能达到25～30oBrix，从而出现受浓缩倍数限制的情形。这也使此类膜分离技术迟迟未能得以较好应用。

具有低能耗、低环境影响负荷特点的正渗透（Forward Osmosis, FO）、膜蒸馏（Membrane Distillation, MD）等膜分离技术越来越受到关注，且日益成为物料分离领域研究的热点。正渗透(FO)过程依靠膜两侧的渗透压差驱动，使水自发的从渗透压较低（原料液）的一侧进入到渗透压较高（汲取液）的一侧，在这个过程中无需外加压力，能耗较低。正渗透过程在常温常压下进行果汁浓缩，可以保证其品质不会降低，而且膜的污染很少，增加了处理过程中膜的使用寿命，大大降低了处理成本。但是单独使用正渗透技术时存在的浓缩效率会随时间的推移而降低的问题。

膜蒸馏(MD) 是传统蒸馏技术与现代膜分离技术相结合的产物，它是以膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力的膜分离过程。可应用于高浓度热敏性物料的分离。但单独使用也有技术缺陷。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于利用FO-MD耦合技术解决传统蒸发法浓缩果汁存在的高能耗问题及破坏果汁中的有益成分和风味物质问题，并通过耦合技术解决单独使用正渗透技术时存在的浓缩效率会随时间的推移而降低的问题。本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。

一种正渗透-膜蒸馏耦合果汁浓缩装置，包括正渗透果汁浓缩循环系统、汲取剂膜蒸馏循环系统和控制箱，由控制箱控制正渗透果汁浓缩循环系统和汲取剂膜蒸馏循环系统运行；正渗透果汁浓缩循环系统和汲取剂膜蒸馏循环系统通过一个正渗透膜组件连接；正渗透膜组件内部以正渗透膜为界分为果汁区和汲取剂区；

所述果汁区的出液口通过管路连接一个果汁储罐的进液口，果汁区的进液口通过管路连接一个果汁循环泵的出液口，果汁储罐的出液口通过管路连接果汁循环泵的进液口，构成所述正渗透果汁浓缩循环系统；

所述汲取剂区与一个膜蒸馏装置、一个汲取剂循环泵、一个压缩冷凝装置、一个冷凝水箱、一个冷凝水循环泵通过管路连接构成所述汲取剂膜蒸馏循环系统；

所述汲取剂膜蒸馏循环系统包括汲取剂循环系统和冷凝液循环系统，膜蒸馏装置内设置有以疏水微孔膜为界的高温区和冷凝区；

所述高温区的进液口通过管路连接正渗透膜组件的汲取剂区的出液口，高温区的出液口通过管路连接汲取剂循环泵的进液口，汲取剂循环泵的出液口通过管路连接正渗透膜组件的汲取剂区的进液口，组成所述汲取剂循环系统；

所述冷凝区的进液口通过管路连接压缩冷凝装置的出液口，压缩冷凝装置的进液口通过管路连接冷凝水箱的出液口，冷凝水箱的进液口通过管路连接冷凝水循环泵的出液口，冷凝水循环泵的进液口通过管路连接所述冷凝区的出液口，组成所述冷凝液循环系统。

进一步的，所述膜蒸馏装置包括一个水箱和多个疏水微孔膜管件，水箱分为内层的汲取剂储存腔和外层的水腔，内外两层腔体之间不连通，外侧的水腔中设置有加热装置和水温电极，内层的汲取剂储存腔设置有汲取剂出口和汲取剂进口且各通过一个管路连接至水箱外；水箱外壁的前后两面底部各有一个凹槽面直接与汲取剂储存腔相连，两个凹槽面上开有多对对应的通孔用于安装疏水微孔膜管件，疏水微孔膜管件的两端分别与两侧通孔密封连接，疏水微孔膜管件内为所述冷凝区，通入冷凝液，疏水微孔膜管件外部的汲取剂储存腔内为高温区，通入汲取剂，冷凝区与高温区通过疏水微孔膜分隔；疏水微孔膜为PVDF中空纤维膜。

进一步的，汲取剂储存腔设置有4根管路连接至水箱外，其中两根管路分别作为高温区的进液管和出液管，另外两根安装有液位浮球。

进一步的，所述果汁储罐中设置有压力传感器；连接果汁储罐与正渗透膜组件果汁区的连接管路上设置有在线电导率仪和果汁温度电极；连接正渗透膜组件汲取剂区与膜蒸馏装置高温区的管路上设置有汲取剂温度电极；控制箱内设置多块检测仪表分别显示各个温度电极、电导仪、压力传感器数值。

进一步的，果汁浓缩装置还装有高低位液位报警器，在果汁储罐、膜蒸馏装置内装有低液位开关，冷凝水箱内装有高液位开关。

进一步的，所述冷凝水箱连接有一个溢流水箱。

进一步的，正渗透膜组件的正渗透膜以管路形式安装，正渗透膜管路采用多渠道凹槽形。

有益效果：

本实用新型采用“正渗透-膜蒸馏”耦合技术，利用正渗透可以在常温常压下实现果汁的浓缩作用，保证果汁内营养成分不遭到破坏，并且由膜蒸馏装置处理正渗透运行过程中的汲取剂，防止汲取剂随着时间的增加而稀释影响浓缩效果。

整套装置可采用自动化运行，无需手动切换，并设有高低液位报警装置，防止出现意外事故。

下面结合附图及具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

附图说明

图1为本实用新型果汁浓缩装置整体结构示意图；

图2为为本实用新型果汁浓缩装置原理图；

图3为本实用新型膜蒸馏装置结构示意图；

图4为正渗透膜组件组件1结构示意图；

图5为正渗透膜组件组件2结构示意图。

附图标记：

1.果汁储罐；2.压力传感器；3.果汁循环泵；4.在线电导率仪；5.果汁温度电极；6.正渗透膜组件；7.汲取剂温度电极；8.加热装置；9.水温电极；10.膜蒸馏装置；11.汲取剂循环泵；12.冷凝水循环泵；13.压缩冷凝装置；14.冷凝水箱；15.溢流水箱。10-1. 汲取剂储存腔；10-2.水腔；10-3.凹槽面；10-4. 疏水微孔膜管件。

具体实施方式

如图1、2所示，一种正渗透-膜蒸馏耦合果汁浓缩装置，包括正渗透果汁浓缩循环系统、汲取剂膜蒸馏循环系统和控制箱，由控制箱控制正渗透果汁浓缩循环系统和汲取剂膜蒸馏循环系统运行；正渗透果汁浓缩循环系统和汲取剂膜蒸馏循环系统通过一个正渗透膜组件6连接；正渗透膜组件6内部以正渗透膜为界分为果汁区和汲取剂区；

所述果汁区的出液口通过管路连接一个果汁储罐1的进液口，果汁区的进液口通过管路连接一个果汁循环泵3的出液口，果汁储罐1的出液口通过管路连接果汁循环泵3的进液口，构成所述正渗透果汁浓缩循环系统；

所述汲取剂区与一个膜蒸馏装置10、一个汲取剂循环泵11、一个压缩冷凝装置13、一个冷凝水箱14、一个冷凝水循环泵12通过管路连接构成所述汲取剂膜蒸馏循环系统；

所述汲取剂膜蒸馏循环系统包括汲取剂循环系统和冷凝液循环系统，膜蒸馏装置10内设置有以疏水微孔膜为界的高温区和冷凝区；

所述高温区的进液口通过管路连接正渗透膜组件6的汲取剂区的出液口，高温区的出液口通过管路连接汲取剂循环泵11的进液口，汲取剂循环泵11的出液口通过管路连接正渗透膜组件6的汲取剂区的进液口，组成所述汲取剂循环系统；

所述冷凝区的进液口通过管路连接压缩冷凝装置13的出液口，压缩冷凝装置13的进液口通过管路连接冷凝水箱14的出液口，冷凝水箱14的进液口通过管路连接冷凝水循环泵12的出液口，冷凝水循环泵12的进液口通过管路连接所述冷凝区的出液口，组成所述冷凝液循环系统。

如图3所示，膜蒸馏装置10包括一个水箱和多个疏水微孔膜管件10-4，水箱分为内层的汲取剂储存腔10-1和外层的水腔10-2，内外两层腔体之间不连通，外侧的水腔10-2中设置有加热装置8和水温电极9，内层的汲取剂储存腔10-1设置有汲取剂出口和汲取剂进口且各通过一个管路连接至水箱外；水箱外壁的前后两面底部各有一个凹槽面10-3直接与汲取剂储存腔10-1相连，两个凹槽面10-3上开有多对对应的通孔（本实施例为各6个4分螺纹孔）用于安装疏水微孔膜管件10-4，疏水微孔膜管件10-4的两端分别与两侧通孔密封连接，疏水微孔膜管件10-4内为所述冷凝区，通入冷凝液，疏水微孔膜管件10-4外部的汲取剂储存腔内为高温区，通入汲取剂，冷凝区与高温区通过疏水微孔膜分隔；疏水微孔膜为PVDF中空纤维膜。

汲取剂储存腔10-1设置有4根管路连接至水箱外，其中两根管路分别作为高温区的进液管和出液管，另外两根安装有液位浮球。

果汁储罐1中设置有压力传感器2；连接果汁储罐1与正渗透膜组件6果汁区的连接管路上设置有在线电导率仪4和果汁温度电极5；连接正渗透膜组件6汲取剂区与膜蒸馏装置10高温区的管路上设置有汲取剂温度电极7；控制箱内设置多块检测仪表分别显示各个温度电极、电导仪、压力传感器数值。

果汁浓缩装置还装有高低位液位报警器，在果汁储罐1、膜蒸馏装置10内装有低液位开关，冷凝水箱14内装有高液位开关。

冷凝水箱14连接有一个溢流水箱15。

正渗透膜组件6的正渗透膜以管路形式安装，正渗透膜管路采用多渠道凹槽形。所述正渗透膜组件由组件1、组件2及正渗透膜组成，组件1和组件2通过螺栓连接起来，组件1和组件2的连接面分别设置弯折成多个渠道的、连续的、且相互对应的凹槽（即多渠道凹槽形），组件1和组件2之间设置正渗透膜，组件1及组件2中的凹槽中分别设置果汁和汲取剂，即正渗透膜两侧的凹槽分别为果汁区和汲取剂区。

正渗透膜只为一层厚2mm的薄膜，不能直接应用到分离装置上，如图4、图5所示，正渗透膜组件共分为两块，膜组件采用有机玻璃进行加工，均长120mm、宽95mm、厚20mm，组件1在距边20mm处按图4开一深4mm凹槽，凹槽内走水，凹槽上下两个边缘打通到模块外，模块外粘接一个宝塔形接头，用于连接物料系统，组件2首先在距边10mm处凹进去1mm，然后在距边20mm处凹进去4mm，在两块凹槽中间按照图2贴满厚2mm,宽8mm密封硅胶垫，密封硅胶垫应凸出模块1mm，4mm凹槽内走水，凹槽上下边缘处打通到模块外，模块外粘接一个宝塔形接头，用于连接汲取剂系统。正渗透膜贴于组件2距边10mm凹槽内，紧密贴合在硅胶垫上，两块膜组件利用螺丝固定住锁紧，确保不漏水，两块膜组件加一片正渗透膜组成一套正渗透膜组件。

本实施设备整体结构具体安装方式为：

主要利用正渗透膜可在常温常压下实现果汁中的水分向汲取剂侧移动的特点，以正渗透膜作为浓缩部件，将其安装在正渗透膜组件6内，以实现固定、密封及交换作用。正渗透膜组件内部管路采用多渠道凹槽型，可使汲取剂与果汁在膜组件内尽量多的接触，凹槽两面安装有密封垫防止泄露。待浓缩的果汁主要储存于果汁储罐1内，果汁储罐1内装有压力传感器2，可通过果汁储罐内液体对底部压力的变化，来监测显示其实时液位值。果汁可通过果汁循环泵3打入正渗透膜组件6的前端下口，交换完成后由前端上口处流出膜组件，流出口装有在线电导率仪4以及果汁温度电极5，来监控果汁在浓缩过程中的实时状态，最后流回物料罐内，实现一个循环。

正渗透膜组件6的后端管路凹槽供汲取剂来流入流出，汲取剂主要储存于膜蒸馏装置10中间水箱内，膜蒸馏装置分为里外两层，里层主要储存汲取剂，外层为自来水，可通过加热装置8本实施例为电热棒来进行加热以及水温电极9实现温度监控，通过可控硅PID控制进行恒温操作，里层水箱上下各有一根管路伸出到水箱外壁处，下管路为流出管路，通过汲取剂循环泵11将汲取剂抽出打入正渗透膜组件6后端下口，再由后端上口处流出，流出口安装有汲取剂温度电极7，监测流出温度，最后流回膜蒸馏装置内10。

膜蒸馏装置10主要通过PVDF中空纤维膜的作用，通过膜两侧的温差来实现汲取剂溶液中水分向冷凝水方向的转移，冷凝水储存于冷凝水箱14内，在使用前将整个冷凝系统灌满水，以溢流水箱15中有水流出为准，在打开冷凝循水环泵12将冷凝水开始循环，首先通过压缩冷凝装置13，在此处通过压缩机进行制冷，使冷凝水温度下降，而后打入膜蒸馏装置10的前端膜丝处，再由后端膜丝流出，最终回到冷凝水箱14内，周而复始，实现汲取剂的浓缩。

本实施例膜蒸馏装置：

膜蒸馏装置在本实用新型中是对正渗透运行中所必须的汲取剂的补充，之前单独利用正渗透进行果汁浓缩时发现，随着运行时间的增加，汲取剂内所含水分就会缓慢升高，而水分升高后，浓度就会下降，对果汁浓缩的效率将会降低，所以通过膜蒸馏装置，将汲取剂作为膜蒸馏的物料，在通过膜蒸馏的中高温加热以及冷凝水在PVDF中空纤维膜处实现热交换，来实现水分的转移，最终实现果汁浓缩可稳定运行。

但在前期的实验中发现，膜蒸馏装置的效率一直难以提高，之前一直采用的是在管道内安装PVDF膜丝，安装膜丝少，且物料的加热升温需要单独在另一个储罐内进行，将升好温的物料在传送到膜丝内，这段过程就会有一定的温度损耗，最终导致膜蒸馏装置的整体效率不高，针对这种情况，在本实用新型中，特别设计了一款新型膜蒸馏装置，来解决上述问题，如图3所示，将物料的加热以及和膜丝的接触交换都在一个水箱内完成，减少了物料在管路传送中的热损失，且利用水箱的结构特点，可比之前增加数倍以上的膜面积。

新型膜蒸馏装置外观结构为一个水箱，分为内外两层，内层装待蒸发物质汲取剂，外层放加热介质一般情况下为水，内层水箱一共有4根管路于水箱外壁相连，其中两根管路作为循环的进出水口，另两根可安装液位浮球，通过浮球的上下变化，来监测水箱内液位高度。水箱外壁的前后两面底部，各有一凹槽面，直接与内层水箱相连，两侧凹槽面各开有6个4分内螺纹孔，用于安装PVDF膜丝用，膜丝先通过环氧树脂胶与固化剂混合后的溶液粘粘固定在PVC管路上，在将PVC管路两端安装好4分外螺纹，最后将膜丝与膜蒸馏装置相连接。外层水箱除装有水，还安装有两根电热棒及一根温度电极，由温度电极来监测外层水箱温度，由电热棒来实现加热功能，温度的实时值可在PID控制器上显示，并与设定值相比较，将偏差进行PID运算，结果转换为0-10V的直流电压值传送给可控硅，可控硅内部建立了0-10V与0-220V的线性关系，可通过输入直流电压值调节输出交流电压值，控制电热棒的输出功率，最终实现恒温控制。

正渗透果汁浓缩循环系统的工作为：果汁储罐1通过果汁循环泵3将果汁泵入到正渗透膜组件6的果汁区，果汁通过正渗透浓缩后流回果汁储罐1完成果汁浓缩循环，果汁中的水分部分渗透到汲取剂中；

汲取剂膜蒸馏循环系统的工作为：汲取剂通过汲取剂循环泵11泵入到膜蒸馏装置10的高温区，经过膜蒸馏浓缩后流回正渗透膜组件6的汲取剂区，完成汲取剂循环，汲取剂中的水分部分渗入冷凝液中，冷凝液的温度升高；冷凝液通过冷凝水循环泵12泵入到冷凝水箱14中，再进入压缩冷凝装置13冷却后重新回到膜蒸馏装置10的冷凝区，完成冷凝剂循环。

果汁储罐1中设置有压力传感器2；连接果汁储罐1与正渗透膜组件6果汁区的管路上设置有在线电导率仪4和果汁温度电极5；连接正渗透膜组件6汲取剂区与膜蒸馏装置10高温区的管路上设置有汲取剂温度电极7；控制箱内设置多块检测仪表显示各个温度电极、电导仪、压力传感器数值；控制箱可以为手动运行模式或自动运行模式：在手动模式下，可通过按钮来实现各设备的启动停止；在自动模式下，系统按照工艺流程自动运行，通过各个循环泵实现相应的溶液循环，并开启加热及制冷装置。

压缩冷凝装置13通过PID控制回路实现制冷的恒温控制；膜蒸馏装置10的高温区通过加热装置和温度电极实现温度监控，通过可控硅PID控制进行恒温操作。

控制箱内设置多块检测仪表，分别为：汲取剂液位表（对应液位浮球）、果汁储罐液位仪表（对应压力传感器2）、果汁回流在线电导率仪表（对应在线电导率仪4）、果汁回流温度仪表（对应果汁温度电极5）、膜蒸馏装置外侧水腔温度仪表（对应水温电极9）、膜蒸馏汲取剂回流温度仪表（对应汲取剂温度电极7）；控制箱可以为手动运行模式或自动运行模式：在手动模式下，可通过按钮来实现各设备的启动停止；在自动模式下，系统按照工艺流程自动运行，通过各个循环泵实现相应的溶液循环，并开启加热及制冷装置。