（一）冷冻浓缩的基本原理
1.冷冻浓缩的固液相平衡
冷冻浓缩是利用冰和水溶液之间的固相液相平衡原理进行浓缩的一种方法。冷冻浓缩将稀溶液中作为溶剂的水冻结并分离出冰晶，从而使溶液浓缩。冷冻浓缩涉及液固系统的相平衡，但它与常规的冷却结晶操作有所不同。
以盐水溶液为例，对于简单的二元系统（仅有一种溶剂和一种溶质），溶液在不同温度与浓度有对应的相平衡关系。若盐水浓度较低，随着溶液温度下降，盐水溶液浓度保持不变。当温度降到一个值时（即为冰点），溶液中如有种冰或晶核存在时，盐水中一部分水开始结冰析出，剩下的盐水浓度升高。当温度进一步下降，水就不断结冰析出，盐水浓度也越来越高。当温度降到一定值时，盐水在此温度下全部结冰，此时盐水浓度为低共熔浓度，对应的温度为低共熔温度。在此过程中盐水是不断浓缩的，此即是冷冻浓缩的原理所在。而若盐水的浓度高于低共熔浓度，溶液呈过饱和状态，此时降温的结果表现为溶质晶体析出，盐水浓度下降，这是冷却结晶的原理。
2.冷冻浓缩过程中的溶质夹带和溶质脱除
由于冷冻浓缩过程中的水分冻结和溶质浓缩是一个方向相反的传质过程，即水分从溶液主体迁移到冰晶表面析出，而溶质则从冰晶表面附近向溶液主体扩散。实际上，在冷冻浓缩过程中析出的冰结晶不可能达到纯水的状态，总是有或多或少的溶质混杂其中，这种现象称为溶质夹带。
溶质夹带有内部夹带和表面附着两种。内部夹带与冷冻浓缩过程中溶质在主体溶液中的迁移速率和迁移时间有关，在缓慢冻结时，冰晶周围增浓溶液中的溶质有足够的时间向主体溶液扩散，溶质夹带就少，速冻则相反。只有保持在极缓慢冻结的条件下，才有可能发生溶质脱除（水分冻结时，排斥溶质，保持冰晶纯净的现象）作用。搅拌可以加速溶质向主体溶液扩散，从而减少溶质夹带；另外溶液主体的传质阻力（如黏度）小时，溶质夹带也少。表面附着量与冰晶的比表面积成正比（即与冰晶体的体积成反比）。溶质夹带不可避免地会造成溶质的损失。
3.浓缩终点
理论上，冷冻浓缩过程可持续进行至低共熔点，但实际上，多数液体食品没有明显的低共熔点，而且在此点远未到达之前，浓缩液的黏度已经很高，其体积与冰晶相比甚小，此时就不可能很好地将冰晶与浓缩液分开。因此，冷冻浓缩的浓度在实践上是有限度的。
（二）冷冻浓缩的特点
由于冷冻浓缩过程不涉及加热，所以这种方法适用于热敏性食品物料的浓缩，可避免芳香物质因加热造成的挥发损失。冷冻浓缩制品的品质比蒸发浓缩和反渗透浓缩法高，目前主要用于原果汁、高档饮品、生物制品、药品、调味品等的浓缩。
冷冻浓缩的主要缺点是：浓缩过程中微生物和酶的活性得不到抑制，制品还需进行热处理或冷冻保藏；冷冻浓缩的溶质浓度有一定限制，且取决于冰晶与浓缩液的分离程度。一般来说，溶液黏度愈高，分离就会愈困难；有溶质损失；成本高。(www.xing528.com)
（三）应用于食品工业的冷冻浓缩系统
对于不同的原料，冷冻浓缩系统及操作条件也不相同，一般可分为两类：一是单级冷冻浓缩；二是多级冷冻浓缩。后者在制品品质及回收率方面优于前者。
1.单级冷冻浓缩装置系统
图2-29为采用洗涤塔分离方式的单级冷冻浓缩装置系统示意图。它主要由刮板式结晶器、混合罐、洗涤塔、融冰装置、贮罐、泵等组成，用于果汁、咖啡等的浓缩。操作时，料液由泵7进入旋转刮板式结晶器，冷却至冰晶出现并达到要求后进入带搅拌器的混合罐2，在混合罐中，冰晶可继续成长，然后大部分浓缩液作为成品从成品罐6中排除，部分与来自贮罐5的料液混合后再进入结晶器1进行再循环，混合的目的是使进入结晶器的料液浓度均匀一致。从混合罐2中出来的冰晶（夹带部分浓缩液），经洗涤塔3洗涤，洗下来的一定浓度的洗液进入贮罐5，与原料混合后再进入结晶器，如此循环。洗涤塔的洗涤水是利用融冰装置（通常在洗涤塔顶部）将冰晶融化后再使用，多余的水排走。采用单级冷冻浓缩装置可以将浓度为8～14°Bx的原果汁浓缩成40～60°Bx的浓缩果汁，其产品质量非常高。
图2-29 单级冷冻浓缩装置系统示意图
1—旋转刮板式结晶器 2—混合罐 3—洗涤塔4—融冰装置 5—贮罐 6—成品罐 7—泵
2.多级冷冻浓缩装置
所谓多级冷冻浓缩是指将上一级浓缩得到的浓缩液作为下一级浓缩的原料液进行再次浓缩的一种冷冻浓缩装置。图2-30所示为咖啡二级冷冻浓缩装置流程。咖啡料液（浓度为260g/L）由管6进入贮料罐1，被泵送至一级结晶器8，然后冰晶和一次浓缩液的混合液进入一级分离机9离心分离，浓缩液（浓度＜300g/L）由管进入贮罐7，再由泵12送入二级结晶器2，经二级结晶后的冰晶和浓缩液的混合液进入二级分离机3离心分离，浓缩液（浓度＞370g/L）作为产品从管排出。为了减少冰晶夹带浓缩液的损失，离心分离机3、9内的冰晶需洗涤，若采用融冰水（沿管进入）洗涤，洗涤下来的稀咖啡液分别进入料槽1，所以贮料罐1中的料液浓度实际上低于最初进料浓度（＜240g/L）。为了控制冰晶量，结晶器8中的进料浓度需维持一定值（高于来自管15的料液浓度），这可利用浓缩液的分支管16，用阀13控制流量进行调节，也可以通过管17和泵10来调节。但通过管17与管16的调节应该是平衡控制的，以使结晶器8中的冰晶含量质量分数在20%～30%。实践表明，当冰晶质量分数占26%～30%时，分离后的咖啡损失质量分数小于1%。
图2-30 二级冷冻浓缩装置流程示意图
1、7—贮料罐 2、8—结晶器 3、9—分离机4、10、11、12—泵 5、13—调节阀 6—进料管 14—融冰水进入管 15、17—管路16—浓缩液分支管
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