蒸发器在食品工业中的应用
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1MVR与其他蒸发工艺的对比
目前用于食品工业的蒸发工艺主要有三种形式（如图2所示）：传统蒸发工艺、热力蒸汽再压缩（Ther⁃moVaporRecompression，TVR）、机械蒸汽再压缩（MechanicalVaporRecompression，MVR）。传统蒸发工艺[5]：包括单效蒸发和多效蒸发。其中，单效是指二次蒸汽直接冷凝，不再利用其冷凝热的蒸发浓缩过程；多效是指将二次蒸汽引到下一浓缩器作为加热蒸汽，再利用其冷凝热的蒸发浓缩过程。主要由主体蒸发器、冷凝器及抽真空装置等组成（以降膜式蒸发器为例）。TVR蒸发工艺[6]：是在传统蒸发工艺基础上，对二次蒸汽进行部分利用，其中核心部件是蒸汽喷射泵。简单的说，蒸汽喷射泵的作用是利用高品位蒸汽引射低压蒸汽，使低压蒸汽的品质得到提升，得以重新利用，从而达到节能的目的。其节能率可达到35%左右。表1列出了上述3种蒸发器的性能对比结果。由表1可以看出，MVR蒸发器节能优势较为明显。
在全世界范围内，最初食品工业中机械蒸汽再压缩几乎只用于乳品工业，经数年发展，其应用逐渐扩展到谷类加工、蔬菜加工、果汁、酿酒、淀粉、制糖、添加剂、发酵工业等领域。1978年MVR蒸发器开始用于乳品工业，代替传统及TVR蒸发设备生产全脂乳粉、脱脂乳粉、婴儿配方粉等产品。至1990年世界乳业已有近100台多效MVR蒸发器在运行[9]。图3为德国GEA公司机械蒸汽再压缩手册中的一套带环绕式分离器，下游配备后浓缩器，用于生产乳制品和乳清制品的MVR、TVR联用的一效降膜蒸发系统。但对电汽价比较高的国家和地区并不合适，且成套设备的初期投资较高，我国乳业至今尚无应用MVR技术的蒸发器[8]。1971年，日本加藤化学株式会社一工厂以玉米为原料，采用MVR板壳式蒸发器蒸发浓缩糖浆。长期生产运行证明，在生产能力相同的情况下新装置能耗只相当于原来四效蒸发装置的1/10左右[10]。1982年，美国Dale[11]等用离心、传统蒸发、MVR蒸发和反渗透四种方式，分别组成五套系统（其中，系统一，只用三效传统蒸发；系统二，先离心，再用三效传统蒸发；系统三，用三效MVR蒸发；系统四，先离心，再用三效MVR蒸发；系统五，离心后用反渗透，再用三效MVR蒸发）来浓缩番茄，生产番茄酱等产品。最后得出结论：离心对浓缩结果影响不大，而MVR与传统蒸发相比经济性有很大提高，而加入反渗透预处理的MVR蒸发相比只用MVR蒸发的经济性提高也很显著。
1985年，Dietrich[12]介绍了MVR蒸发器在糖果厂的应用，阐述了MVR降膜蒸发器、传统蒸发器和压缩机操控方式，以及计算机技术运用到蒸发系统中的操控方式，当时国外应用MVR蒸发器的较为广泛。2001年，Grattieri[13]等阐述了MVR蒸发器广泛应用于意大利食品工业，包括乳品中乳清浓缩、牛奶浓缩等，果蔬汁生产中番茄汁、甜菜汁、葡萄汁的浓缩等，以及淀粉的生产等。并对帕尔马的一个用于浓缩番茄汁的单效MVR示范蒸发器，与传统的三效蒸发器进行了成本的对比，发现MVR蒸发器的能源消耗小的将近三分之一。最终得出结论，MVR蒸发器不但节能而且更加经济，希望更多食品企业能够使用。2012年，Sorour[14]等分析了橙汁浓缩过程中使用MVR以及TVR两种不同工艺的蒸汽消耗量、电能消耗、压缩机成本以及蒸发器成本各项的费用，并进行了对比，得出的结论为：选用TVR设备总体成本最低。由于此文介绍的工厂位于埃及，蒸汽价格很低（15埃及镑/t，人民币约为13元/t），而电价相对较高（0.3埃及镑/吨，人民币约为0.26元/度），因此电汽价比很高，MVR并不适用，反而没有TVR节省成本。
MVR技术在国外许多行业都有涉及，如食品和饮料工业（牛奶、乳清、糖溶液的蒸发，各类果汁的浓缩）、化学工业、制盐工业（盐溶液的蒸发）、环保技术（废水的浓缩）等，并逐步替代传统浓缩蒸发设备。相比国内，1989年四川自贡张家坝化工厂首次引进MVR装置，运行四年后由于各种原因而淘汰[19]；1990年，金世琳[20]系统介绍了国内外各种类型的乳品MVR蒸发器，鼓励在我国乳品企业应用低Δt涡输风机的单效MVR蒸发器；90年代恽世昌[21]对MVR蒸发器的优点进行了说明，并肯定了在电力较便宜时对TVR蒸发器进行改造的可行性；20世纪后国内关于MVR蒸发器的研究明显增多，并在制药等行业中有实际应用，其中国内乳品行业的第一套MVR蒸发浓缩设备于2013年在陕西进行施工安装，对于未来国内乳制品加工的浓缩工艺发展有着重要的指导意义。
目前国外MVR技术在食品中的应用已很成熟，其核心设备压缩机的研究与制造一直被德国Piller等公司垄断，并被世界所公认。而国内此类压缩机用户较少，生产商也不重视，国内很多食品设备的核心技术也难已自主应用。因此无论是对自主技术的研究，还是对国外技术的借鉴都是我们的当务之急。将MVR技术应用于食品工业，符合我国工业低能耗化和环保化生产的发展趋势，在国内还有很大的发展空间。
作者：赵媛媛赵磊钱方李增鑫牟光庆单位：大连工业大学食品学院北京中轻机乳品设备有限责任公司