冷冻浓缩的结晶是溶剂的结晶，同一般溶质结晶过程一样，被浓缩溶液中的水分也是 利用冷却除去结晶热的方法使水的冰晶体析出。
冷冻浓缩中，要求冰晶有适当大小，这与结晶成本也与随后的分离过程有关。一般来 说，结晶操作成本随晶体大小的增大而增大。然而，结晶操作与分离操作相比，关键在于 后者。分离操作与生产能力紧密相关，分离操作所需费用以及因冰晶夹带所引起的溶质 损失，一般随冰晶大小的减小而大幅度增加。因此需确定一个合理的晶体大小，使结晶与 分离的成本降低，溶质损失减少，此合理的冰晶大小称最优冰晶大小。最优冰晶大小取决 于结晶过程、结晶形式、结晶条件、分离器型式和浓缩液体价值等因素。浓缩液价值愈高， 要求溶质损失愈少，就要求有较大的晶体。
结晶过程可分为两个阶段：晶核的形式和晶体的成长。对于一定的液体食品溶液，若 在结晶过程中晶核形成速率远大于晶体成长速率，则冰晶小而多;若结晶过程中晶核形成 速率远小于晶体成长速率，则冰晶大而少。若晶核形成速率与晶体成长速率彼此相近，则 最后晶体大小参差不一。显然，若能控制此两速率，便可控制晶体大小。
(1) 晶核形成速率 研究发现，在液体食品结晶过程中，冰的晶核形成速率随溶质浓 度的提高而提高，并且与溶液主体过冷度的平方成正比。由于从结晶器中除去热量的不 均匀以及由于悬浮液混合的不完善，在溶液中便出现一些过冷度比主体过冷度大的过冷 点。借助结晶器中的搅拌，过冷度及相对过冷度将降低，随之晶核形成速率也将降低。然 而，冷点处所形成的新晶核在混合过程中并不 始终存在于悬浮液中，这是因为溶液中较小的 晶体比较大的晶体有较低的融化温度。与一定 的主体过冷度相平衡的晶体直径称为临界直 径。图3-71示出预测的晶体临界直径与液体 主体过冷度的关系。在大小晶体混合的悬浮液 中，主体温度将被确定在小晶体的较低融化温 度与大晶体的较高融化温度之间的某值。因为 主体温度高于小晶体的平衡温度，因而小晶体 将融化;相反，因为主体温度低于大晶体的平衡 温度，因而大晶体将成长，这种现象称为熟化效 应。在绝热的晶体悬浮液中，融化晶体的直径 称亚临界直径，而成长晶体的直径称超临界直 径。亚临界直径的融化速率与超临界晶体的成 长速率将随晶体本身大小的差值的增加而增加。这种熟化效应在工业悬浮冻结结晶操作中得到广泛应用。
图3-71 溶液的主体过冷度与晶体临界直径的关系
(2) 晶体成长速率 在连续操作结晶器中，晶体的平均大小主要取决于溶质浓度、晶 体平均停留时间、主体过冷度和悬浮液的湍动程度。从实验观察到的葡萄糖溶液中葡萄 糖浓度对晶体相对成长速率的影响示于图3-72。结晶器中晶体平均停留时间对晶体平 均直径的影响示于图3-73。此图清楚地表明，冷却方法强烈地影响晶体成长速率和晶 体平均直径。结晶器中，在溶质浓度恒定下，停留时间对晶体平均直径的影响比线性关系 小，这是溶液主体过冷度随晶体停留时间延长而降低所致。在溶液过冷度低值范围内，晶 体成长速率正比于溶液主体过冷度。在结晶器除热速率一定的情况下，如果晶体比表面 小的话，就能维持晶体高成长速率所需的溶液高过冷度。在容许的停留时间内，为获得合 理的大晶体，则要求晶体成长速率低。
图3-72 葡萄糖浓度对水晶相对成长速率的影响
图3-73 30%浓度的葡萄糖溶液中，晶体平均 停留时间对晶体平均直径的影响
工业上，冷冻浓缩过程的结晶有两种形式：层状冻结与悬浮冻结。在管式、板式、转鼓 式冷却结晶器中进行的冻结为层状冻结。在带搅拌的结晶器里的悬浮液中进行的为悬浮 冻结。这两种结晶形式在晶体成长上有显著差别。
① 层状冻结： 这种冻结形式又称规则冻结。层状冻结时，先在冷却面上形成结晶 层，之后冻结溶液的新结晶层依次沉积在先前已形成的结晶层上，是一种单向冻结。这样 形成的冰晶成长成针状或棒状，带有垂直于冷却面的不规则断面。
② 悬浮冻结： 这种冻结是在悬浮液搅拌运动或泵送运动中，在液体的各个过冷点形 成的而不是在冷却面上层沉积而成。晶核形成速率与溶液浓度成正比，与溶液主体过冷 度的平方成正比，而晶核成长速率则随溶液浓度增加而降低。悬浮冻结中形成的大小不 一的晶体需经熟化趋于均匀并成长。