Концентрирование вымораживанием основано на охлаждении продукта ниже температуры его замерзания. При этом часть воды замерзает и в виде кристаллов льда отделяется от концентрата.
Конечная концентрация сока зависит от конечной температуры замораживания: чем ниже температура, тем выше содержание сухих веществ. Конечная концентрация зависит также от содержания сахара, кислот, коллоидных и других веществ в соке. Теоретически наиболее высокая степень концентрации ограничена эвтектической точкой раствора, при которой невозможно отделить воду в виде льда.
Величина потерь сока является еще одним важным критерием, определяющим оптимальную степень концентрации: чем выше концентрация, тем выше потери сока.
Основным преимуществом способа вымораживания является то, что процесс ведется при низких температурах и продукт претерпевает минимальные изменения. Концентрат после разведения водой дает продукт, по химическому составу и органолептическим свойствам близкий к свежему исходному соку. Энергозатраты при вымораживании меньше, чем при выпаривании, но стоимость оборудования выше.
Сравнительно высокая стоимость способа, невозможность получения продукта высокой концентрации и неизбежные потери сухих веществ задерживают широкое промышленное внедрение этого способа. Обычно вымораживание применяют для концентрирования термолабильных продуктов - цитрусовых и т. п. соков.
Максимальная концентрация определяется физико-химическим составом сока, и прежде всего его вязкостью. В полученных при концентрировании вымораживанием плодово-ягодных и овощных соках содержание растворимых сухих веществ составляет 40-50 %.
Концентрирование вымораживанием состоит из двух основных этапов: кристаллизация и сепарирование. На первом этапе часть находящейся в соке воды под действием низких температур превращается в кристаллы льда, на втором - концентрированный раствор сока и лед, которые имеют разную плотность, разделяются под действием внешнего давления или центробежных сил.
Основными элементами установок для вымораживания являются кристаллизатор, разделительное устройство и холодильная установка. Разделительное устройство, в котором производится отделение кристаллов льда от концентрата, может быть основано на центробежной силе (центрифуги) или на промывании кристаллов.
Для концентрирования вымораживанием жидких продуктов разработано много методов и установок, наиболее распространенным из которых является метод криоконцентрирования, основанный на том явлении, что мелкие кристаллы льда имеют в растворе более низкую температуру плавления, чем крупные. Поэтому при перемешивании мелких и крупных кристаллов в суспензии средняя температура ее будет находиться между более низкой точкой плавления мелких кристаллов и более высокой точкой плавления крупных. Поскольку эта средняя температура выше равновесной температуры мелких кристаллов, последние плавятся. Крупные кристаллы, в свою очередь, увеличиваются в размерах.
Очень мелкие кристаллы, образовавшиеся при охлаждении сока в теплообменнике, постоянно подаются при тщательном перемешивании в суспензию кристаллов в рекристаллизатор, время пребывания кристаллов в котором составляет несколько часов. В установившемся процессе размер кристаллов в рекристаллизаторе составляет 0,2-3,0 мм. На пути в рекристаллизатор мелкие кристаллы в этих условиях оказываются в субкритическом состоянии и плавятся почти мгновенно, когда их перемешивают с суспензией крупных кристаллов.
Теплота кристаллизации растущих крупных кристаллов поглощается энергией плавления мелких кристаллов. Жидкость без кристаллов перемещается из рекристаллизатора в теплообменник. В результате происходит непрерывное образование мелких кристаллов льда в субкритическом состоянии в теплообменнике и непрерывное перемещение их в рекристаллизатор. Таким образом, в рекристаллизаторе происходит непрерывный рост кристаллов льда и формируются чистые почти шарообразные кристаллы.
Полное разделение кристаллов льда и концентрированного сока достигается в промывной колонне, которая представляет собой закрытую систему, что предотвращает потери ароматических веществ. В промывной колонне кристаллы перемещаются в один ее конец, а концентрированная жидкость удаляется из колонны под давлением через фильтр. Кристаллы спрессовываются под давлением в одном конце колонны в плотный слой. В это время кристаллы льда омываются потоками воды, циркулирующей в противоположном направлении. Промытые кристаллы и вода удаляются затем скребковым устройством.
Промывная колонна имеет плоскую промывную поверхность, кристаллы льда и концентрат в ней разделяются на высоте нескольких сантиметров. Потери сухих веществ при разделении незначительны.