第5章 食品真空冷凍干燥技術(shù)

1、第5章 食品真空冷凍干燥技術(shù)5.1真空冷凍干燥基本原理和過程5.2食品真空冷凍干燥設(shè)備5.3食品真空冷凍干燥工藝?yán)洳嘏c制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)第5章 食品真空冷凍干燥技術(shù)n真空冷凍干燥是先將濕物料凍結(jié)到共晶點溫度以下，使水分變成固態(tài)的冰，然后在適當(dāng)?shù)臏囟群驼婵斩认?，使冰升華為水蒸氣，再用真空系統(tǒng)的捕水器（水汽凝結(jié)器）將水蒸氣冷凝，從而獲得干燥制品的技術(shù)。n干燥過程是水的物態(tài)變化和移動的過程。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)冷凍真空干燥冷凍真空干燥 是一種常用的物質(zhì)干燥方法是一種常用的物質(zhì)干燥方法 冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)n5.1.1真空冷凍干燥基本原理n水的平衡相圖n 生產(chǎn)中采用真空冷凍技術(shù)對固

2、體濕物料的干燥，通常是除去物料中的水分。因此，要了解真空冷凍原理，首先須了解水的有關(guān)物性。 冰冰(s) 水水(l) 水蒸氣水蒸氣(g)熔化熔化氣化氣化凝固凝固液化液化升華升華凝華凝華5.1真空冷凍干燥基本原理和過程冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.1.1真空冷凍干燥基本原理n1.水的平衡相圖n物質(zhì)的聚集態(tài)由一定的溫度和壓強條件決定，分子間的相互位置隨這些外部條件的改變而改變。nO點是固液氣三相共存的狀態(tài)點，稱為三相點，其溫度為0.01C,壓強為610Pa。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)水的相圖冰的飽和蒸汽壓變化冰的飽和蒸汽壓變化冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.1.1真空冷凍干燥基本原理n升華曲線是

3、固態(tài)物質(zhì)在溫度低于三相點時溫度的飽和蒸汽壓曲線。冰的溫度不同，對應(yīng)的飽和蒸汽壓也不同，只有在環(huán)境壓強低于對應(yīng)的冰的蒸只有在環(huán)境壓強低于對應(yīng)的冰的蒸汽壓時，才會發(fā)生升華汽壓時，才會發(fā)生升華。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.1.1真空冷凍干燥基本原理n在三相點以下，不存在液相。若將冰面的壓力保持低于610 Pa，且給冰加熱，冰就會不經(jīng)過液相直接變?yōu)闅庀?，這一過程為升華。n升華相變的過程一般為吸熱過程，這一相變熱稱為升華熱。冰的升華熱為2.84KJ/kg，約為融化熱和汽化熱之和。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)真空冷凍干燥就是先將固體濕料冷凍到“三相點”以下，使?jié)窳现械乃肿兂晒虘B(tài)（冰）；然后在真空環(huán)境

4、下加熱，使冰直接升華為水蒸氣逸出；并通過不斷移走水蒸氣，使物料脫水而干燥。即：濕物料濕物料預(yù)凍預(yù)凍升華干燥升華干燥凍干產(chǎn)品凍干產(chǎn)品水分水分( (物料凍結(jié)物料凍結(jié)) )( (除去結(jié)晶水除去結(jié)晶水) )解析干燥解析干燥( (除殘余水分除殘余水分) )真空冷凍干燥流程框圖真空冷凍干燥流程框圖真空冷凍干燥原理真空冷凍干燥原理冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)冷凍真空干燥優(yōu)點1、因物料的干燥是在真空條件下進(jìn)行，系統(tǒng)中高度缺氧，能較好地抑制微生物的生長，使易氧化的物料受到較好的保護(hù)。2、由于物料的干燥是在冷凍下進(jìn)行操作，物料中的水分由冰直接升華為水蒸氣被移出，使得物料中的一些揮發(fā)性成分或營養(yǎng)成分損失很小，比較適

5、合一些生化制品或食品的干燥。5.1.1真空冷凍干燥基本原理冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)3、真空冷凍干燥是在較低溫度（低于水的冰點）下進(jìn)行操作，對于許多熱敏性物質(zhì)的干燥特別適用。例如，對蛋白質(zhì)、微生物等物質(zhì)，采用真空冷凍干燥不會發(fā)生變性或失去生物活性。因此在醫(yī)藥上得到廣泛應(yīng)用。冷凍真空干燥優(yōu)點冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)4、物料在真空冷凍操作下干燥，可排出物料中95%-99左右的水分，使得到的干燥產(chǎn)品不易收縮，不易變質(zhì)，能較好地保留物料的構(gòu)造（營養(yǎng)纖維和固狀物），使其加水后能迅速水化，恢復(fù)原來的性狀。因此，采用真空冷凍干燥方法生產(chǎn)的食品更接近新鮮食品的風(fēng)味。冷凍真空干燥優(yōu)點冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制

6、冷技術(shù)凍干蔬菜凍干蔬菜凍干香蕉凍干香蕉冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)冷凍真空干燥應(yīng)用生物制品方面生物制品方面 疫苗、診斷制劑、血清制品等的凍干疫苗、診斷制劑、血清制品等的凍干 醫(yī)藥工業(yè)方面醫(yī)藥工業(yè)方面 抗生素、維生素、酶制劑、血液制品等的凍干抗生素、維生素、酶制劑、血液制品等的凍干 食品和化學(xué)工業(yè)方面食品和化學(xué)工業(yè)方面 速溶咖啡、果汁、催化劑等的凍干速溶咖啡、果汁、催化劑等的凍干 5.1.1真空冷凍干燥基本原理冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.1真空冷凍干燥基本原理和過程n5.1.2真空冷凍干燥基本過程n食品物料真空冷凍干燥主要由以下幾個過程組成：物料的預(yù)處理，物料的預(yù)凍，升華干燥，解吸干燥，封裝

7、和儲存。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.1.2真空冷凍干燥基本過程n1.物料的預(yù)處理n在對食品冷凍干燥之前，必須對其進(jìn)行一些必要的物理、化學(xué)處理，包括清洗、分級、切片、燙漂、殺菌、濃縮等。n對于不同的食品，預(yù)處理內(nèi)容也有所不同，食品冷凍干燥時，一般不加添加劑，在對藥品和細(xì)胞冷凍干燥之前，必須加一些添加劑，以保證凍干產(chǎn)品效果良好，保持藥品的活性和保持細(xì)胞的存活。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.1.2真空冷凍干燥基本過程n2.物料的冷卻固化過程n冷凍干燥的預(yù)備操作，也稱為凍結(jié)或預(yù)凍。物料的冷卻固化過程是將物料充分冷卻，不僅要使物料中的自由水完全結(jié)成冰，還要使物料中其他部分也完全固化，使干燥后產(chǎn)品與

8、干燥前具有相同的形態(tài)，防止真空干燥時起泡，濃縮，收縮和溶質(zhì)移動等不可逆變化產(chǎn)生。n物料的預(yù)凍可以在干燥箱內(nèi)進(jìn)行，也可以先在干燥箱外進(jìn)行，再將已預(yù)凍的物料移入干燥箱內(nèi)。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)2.物料的冷卻固化過程n（1）預(yù)凍溫度n冷卻固化過程的最終溫度應(yīng)當(dāng)是完全固化溫度，它應(yīng)低于物料的共晶溫度，一般預(yù)凍溫度要比共晶點溫度低510C。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)2.物料的冷卻固化過程n（2）預(yù)凍速率n凍結(jié)對冷凍干燥的影響主要是凍結(jié)速率。n物料預(yù)凍時形成冰晶，冰晶升華后留下的空隙是后續(xù)冰晶升華時，水蒸氣的逸出通道。n當(dāng)預(yù)凍速率較慢時，形成大而連續(xù)的六方體，冰晶在物料中形成網(wǎng)狀的骨架結(jié)構(gòu)。冰晶升

9、華后，空出的網(wǎng)狀通道空隙大，后續(xù)冰晶升華時，水蒸氣逸出的阻力小，制品干燥快。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)（2）預(yù)凍速率n當(dāng)預(yù)凍速率較快時，形成的樹枝形和不連續(xù)的球狀冰晶升華后其通道小或不連續(xù)，水蒸氣靠擴(kuò)散或滲透方能逸出，因而干燥速度慢。n僅從干燥速率來說，以慢凍為好，但是慢速凍結(jié)對食品原料組織結(jié)構(gòu)破壞較大，影響制品品質(zhì)。n因此應(yīng)確定合適的預(yù)凍速率，既使物料組織造成破壞小，又能形成有利于以后升華傳質(zhì)的冰晶結(jié)構(gòu)。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)2.物料的冷卻固化過程n（3）預(yù)凍時間n物料的凍結(jié)過程是放熱過程，需要一定的時間。達(dá)到規(guī)定的預(yù)凍溫度后，還要保持一定時間。為使產(chǎn)品完全固化，一般在產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的

10、預(yù)凍溫度后，需要保持2h左右的時間，這是個經(jīng)驗值。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.1.2真空冷凍干燥基本過程n3、升華干燥過程（一次干燥）n升華干燥是第一階段干燥，也稱為一次干燥。將凍結(jié)后的產(chǎn)品置于密閉的真空容器中抽真空，再加熱，物料中的冰晶就會升華成水蒸氣逸出而使產(chǎn)品脫水干燥。干燥層從物料外表面向內(nèi)部推進(jìn)，冰晶升華后留下的空隙成為后續(xù)冰晶升華水蒸氣的逸出通道。已干層和凍結(jié)部分的分界面稱為升華界面。當(dāng)全部冰晶升華結(jié)束時，第1階段干燥就完成了，此時約除去全部水分的80%。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)升華干燥冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)3、升華干燥過程（一次干燥）n一般冷凍干燥采取的絕對壓力為0.

11、2kPa左右。升華時所需的熱量由加熱設(shè)備提供，熱量從下擱板通過物料底部傳到物料的升華前沿，也從上擱板以輻射形式傳到物料上部表面，再以熱傳導(dǎo)，經(jīng)已干層傳到升華前沿。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)3、升華干燥過程（一次干燥）n此時應(yīng)控制熱量使供熱僅轉(zhuǎn)變?yōu)樯A熱而又不使物料升溫熔化，凍結(jié)層的溫度應(yīng)低于產(chǎn)品共熔點溫度，干燥層溫度應(yīng)低于崩解溫度或容許的最高溫度（不燒焦或變性）。升華產(chǎn)生的大量水蒸氣在冷阱表面形成凝霜，部分水蒸氣以及不凝氣由真空泵抽走，冷阱又稱低溫冷凝器，用氨、二氧化碳等制冷劑使其保持-40-50C的低溫。n冷阱的低溫使其內(nèi)的水蒸氣壓低于干燥箱中的水蒸氣壓，形成水蒸氣傳遞的推動力推動力。冷藏

12、與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)3、升華干燥過程（一次干燥）n（1）物料凍結(jié)和干燥過程中的含水量變化n物料中的水分可以分為兩類：一類是在低溫下可被凍結(jié)成冰的，自由水，另一類，低溫下不可被凍結(jié)的水分，結(jié)合水。n對于含水量高的物料，其中“自由水”含量占總水分量的90%以上。升華干燥，是在低溫下對物料加熱，使其中被凍結(jié)成冰的“自由水”直接升華成水蒸氣。n圖6.3是某一物料在凍結(jié)和干燥過程中溫度變化和含水量變化的示意圖。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)3、升華干燥過程（一次干燥）n（2）物料凍結(jié)和干燥過程中的溫度分布n在一次干燥過程中，所需要的熱量為冰的升華熱。n要維持升華干燥的順利進(jìn)行，必須滿足兩個基本條件：一

13、是升華產(chǎn)生的水蒸氣必須不斷地從升華表面被移走，二是必須不斷地給物料提供升華所需要的熱量。n上述條件如控制不好，會出現(xiàn)軟化，融化，隆起，塌陷等現(xiàn)象。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)（2）物料凍結(jié)和干燥過程中的溫度分布n升華干燥過程實際上是傳熱，傳質(zhì)同時進(jìn)行的過程，只有當(dāng)傳遞給升華界面的熱量等于從升華界面逸出的水蒸氣所需的熱量，升華干燥才能順利進(jìn)行。由于物料中的傳熱，傳質(zhì)過程受到多方面的限制，所以升華干燥是很費時的過程。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)（2）物料凍結(jié)和干燥過程中的溫度分布n溫度分布：n擱板表面溫度為50C，升華界面的溫度為-25C，冰層最高溫度約為-16C，干燥層上表面溫度可能為25C。n

14、圖6.3上半部所示，一次干燥的物料溫度Tw1必須低于物料的最高允許溫度Tmax1，Tmax1為物料的共晶溫度TE。如物料溫度過高，會出現(xiàn)軟化，塌陷等現(xiàn)象。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)升華干燥冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.1.2真空冷凍干燥基本過程n4、解吸干燥過程（二次干燥）n在干燥物質(zhì)的極性基團(tuán)中還吸附一部分水分，這些水分是未被凍結(jié)的。結(jié)合水可以成為某些化合物的溶液，也為微生物的生長和某些化學(xué)反應(yīng)提供條件。n為了保證凍干產(chǎn)品的安全儲藏，還應(yīng)進(jìn)一步干燥。由于結(jié)合水吸附的能量很大，因此必須提供較高的溫度和足夠的熱量，才能實現(xiàn)結(jié)合水的解吸過程。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)4、解吸干燥過程（二次干

15、燥）n二次干燥過程中，所需要的熱量為解吸附熱與蒸發(fā)熱之和。一般簡稱為“解吸熱”。n解吸干燥是在較高溫度下加熱，使物料中被吸附的部分“束縛水”解吸，變成“自由”液態(tài)水，再吸熱蒸發(fā)成水蒸氣。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)4、解吸干燥過程（二次干燥）n一般在解吸干燥階段采用3060C的溫度。n如圖6.3上半部所示，物料的溫度Tw2必須低于物料的最高允許溫度Tmax2，最高允許溫度Tmax2，由物料的性質(zhì)所決定。n蛋白質(zhì)藥物最高允許溫度一般低于40C，果蔬等食品，最高允許溫度可以到6070C。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)4、解吸干燥過程（二次干燥）n凍干后物料中的剩余水分含量過高或過低，都是不利的。剩余

16、含水量過高不利于長期儲存，過低也會損傷物料的活性。二次干燥過程結(jié)束時，物料中的剩余水分含量應(yīng)當(dāng)達(dá)到最終要求含水量RMF，一般應(yīng)低于5%（0.5%4%）,視產(chǎn)品種類和要求而定。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.1.2真空冷凍干燥基本過程n5、封裝和儲存n物料經(jīng)二次干燥后，要進(jìn)行封裝和儲存，在干燥狀態(tài)下，如果不與空氣中的氧合水蒸氣相接觸，凍干食品可以長時間儲存，待需要使用時，再將其復(fù)水。封裝仍須在真空條件或充惰性氣體（氮氣或氬氣）的條件下進(jìn)行。對于瓶裝的物料，可在干燥室內(nèi)用壓瓶塞器直接將橡膠瓶塞壓下，堵住蒸氣通道保證密封，如圖6.7所示。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù) 一般情況下,凍干曲線的選擇是三個

17、參數(shù):板層溫度、真空度、產(chǎn)品溫度板層溫度、真空度、產(chǎn)品溫度。 制定凍干曲線工藝制定凍干曲線工藝?yán)洳嘏c制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)制定凍干曲線工藝制定凍干曲線工藝n通常來說,凍干曲線的制定是一個固定模式:制訂凍干曲線應(yīng)該知道產(chǎn)品的一些數(shù)據(jù)和裝載情況，作為設(shè)定溫度，時間和真空的依據(jù)，這些數(shù)據(jù)和情況是：產(chǎn)品的共晶點和崩解點溫度，產(chǎn)品冷凍時是否會形成玻璃態(tài)，如果會形成玻璃態(tài)，產(chǎn)品的回?zé)釡囟仁嵌嗌伲a(chǎn)品的裝載厚度，產(chǎn)品的容器和裝載方法，產(chǎn)品的濃度，產(chǎn)品的最高許可溫度和干燥后的殘水含量等。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)小知識：玻璃態(tài)n玻璃態(tài)不是物質(zhì)的一個狀態(tài)，是它的結(jié)構(gòu)。 固態(tài)物質(zhì)分為晶體和非晶體，構(gòu)成晶體的原子

18、（或離子或分子）具有一定的空間結(jié)構(gòu)（即晶格），晶體具有一定的晶體形狀，和固定熔點，并不具有各向同性。玻璃態(tài)就是一種非晶體，非晶體是固體中除晶體以外的固體。它沒有固定的形狀和固定熔點，具有各向同性。它們隨著溫度的升高逐漸變軟，最后才熔化。變軟后可加工成各種形狀。 冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)例如： 假設(shè)某一產(chǎn)品的共晶點是-20，崩解點高于共晶點，產(chǎn)品冷凍時會形成玻璃態(tài)，產(chǎn)品的回?zé)釡囟仁?18，產(chǎn)品的裝載厚度是12 毫米，小瓶裝載并直接放置在板層上，產(chǎn)品的濃度是15，產(chǎn)品的最高許可溫度是30，干燥后殘余水分含量要求是2。要制訂凍干工藝曲線？案例案例冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)n為了獲得產(chǎn)品一致的冷

19、凍結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品在5進(jìn)箱，進(jìn)箱完畢后保持1小時，使所有產(chǎn)品從5的同一起點降溫到-40，并在-40并保持1小時，由于產(chǎn)品冷凍時形成玻璃態(tài)，因此需做回?zé)崽幚?，把產(chǎn)品加熱到-18并保持1小時，使產(chǎn)品從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)，然后使產(chǎn)品再次降溫，并在-35保持1小時，預(yù)凍階段結(jié)束。預(yù)凍階段：預(yù)凍階段：冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)n板層溫度控制在10，使產(chǎn)品的溫度維持在-25，比產(chǎn)品的共晶點溫度低5，并在此狀況下維持15 小時，直到產(chǎn)品中的凍結(jié)冰升華完畢為止；凍干箱的真空度控制在產(chǎn)品溫度所對應(yīng)的飽和蒸汽壓的30左右，-25對應(yīng)的飽和蒸汽壓是0.63 毫巴，0.6330=0.189 毫巴。 升華階段：升華階段：冷

20、藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)n把產(chǎn)品溫度加熱到最高許可溫度30并維持到凍干結(jié)束，真空控制在產(chǎn)品溫度達(dá)到最高溫度后停止使用，恢復(fù)高真空，在最高許可溫度和高真空的狀況下保持6 小時，使產(chǎn)品的殘余水分達(dá)到低于2的要求。解吸階段：解吸階段：冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù) 另外，凍干良好的產(chǎn)品應(yīng)有良好的物理形態(tài)，外觀無缺損，表面平整，體積與凍結(jié)時的體積基本相等，顏色均勻一致，內(nèi)部疏松多孔，復(fù)水迅速而完全，殘余水分含量合格，價值高，能長期存放。 如果按照某一凍干曲線凍出的產(chǎn)品全部合格，凍干時間也合適，那么該凍干曲線是成熟的曲線。如果干燥后的產(chǎn)品不理想，某些項目不合格，那么要對凍干曲線作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。凍干曲線凍干

21、曲線冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.2食品真空冷凍干燥設(shè)備n完整的真空冷凍干燥設(shè)備是是一種集真空、制冷、加熱干燥，控制，在位清洗消毒等功能于一體的復(fù)雜裝置。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.2.1真空冷凍干燥系統(tǒng)的主要組成n冷凍干燥系統(tǒng)主要由干燥室，冷阱、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。圖6.11，p280n1、凍干箱n凍干箱是物料進(jìn)行真空干燥的場所。物料瓶置于下擱板上，物料瓶的上方可以有上擱板。物料的加熱，利用上下擱板進(jìn)行。在藥劑的凍干過程中，要求凍干箱與真空系統(tǒng)都無菌的。因此就必須考慮經(jīng)常進(jìn)行清洗和滅菌。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)真空冷凍干燥機(jī)結(jié)構(gòu)

22、圖冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)新型液氮的真空冷凍干燥機(jī)冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.2.1真空冷凍干燥系統(tǒng)的主要組成n1、凍干箱n一般采用高溫蒸汽滅菌，凍干箱箱體采用不銹鋼材，而且箱內(nèi)全部零件都應(yīng)具有耐受高溫蒸汽的能力。n物料的冷卻固化過程可以在凍干箱內(nèi)進(jìn)行，此時下擱板內(nèi)有載冷劑，通過制冷系統(tǒng)進(jìn)行降溫，也可以在干燥室外進(jìn)行，待物料完全固化后，放入干燥室內(nèi)，再進(jìn)行真空干燥。n凍干箱要求密封良好。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.2.1真空冷凍干燥系統(tǒng)的主要組成n2、冷阱n是冷凍干燥系統(tǒng)中十分重要的部件，冷阱可放在干燥室外，也可以放在干燥室內(nèi)。n冷阱的作用是在真空系統(tǒng)中提供一個低溫低壓環(huán)境，冷阱溫

23、度要比物料升華界面的溫度低得多，如低20C或更低。冷阱表面的飽和蒸汽壓力就會比物料升華界面的飽和蒸汽壓力低，這兩者之間的水蒸氣壓力差，就是物料中升華水蒸氣逸出的傳質(zhì)驅(qū)動力。物料中逸出的水蒸氣，遇到冷阱的低溫表面，凝結(jié)成液態(tài)水，被排出系統(tǒng)。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.2.1真空冷凍干燥系統(tǒng)的主要組成n2、冷阱n冷阱是水蒸氣的“冷凝器”。n對一般升華干燥，如物料的升華溫度為-40-10C，冷阱的溫度可以是-70-30C。物料升華溫度與冷阱溫度之間的差值越大，則升華的傳質(zhì)驅(qū)動力就越大。但是兩者的溫度差過大也是沒有意義的。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.2.1真空冷凍干燥系統(tǒng)的主要組成n2、冷阱n

24、物料的升華溫度為-40C，期對應(yīng)的水蒸氣飽和蒸汽壓為12.9Pa，冷阱的溫度為-60C和-70C時，所對應(yīng)的水蒸氣飽和蒸汽壓分別為1.08Pa和0.26Pa。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.2.1真空冷凍干燥系統(tǒng)的主要組成n3、制冷系統(tǒng)n制冷系統(tǒng)的任務(wù)是在冷阱處形成低溫條件，有些還在凍干箱內(nèi)起著制冷冷卻的作用。n在蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)，冷阱是制冷系統(tǒng)中制冷工質(zhì)的蒸發(fā)器。如果要求冷阱的溫度很低，則要采用雙級壓縮制冷循環(huán)。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.2.1真空冷凍干燥系統(tǒng)的主要組成n4、真空系統(tǒng)n主要功能是抽走“非凝性”氣體。在冷凍干燥系統(tǒng)的溫度范圍內(nèi)，空氣是“非凝性”氣體，它既包括由外界大氣漏

25、入干燥箱的空氣，也包括由物料中逸出的空氣或其他“非凝性”氣體。n物料升華出來水蒸氣的比體積，在-40C時高達(dá)8376m3/kg，這意味著每升華1g的冰就要產(chǎn)生8.4m3的水蒸氣。這么多的水蒸氣主要是靠冷阱將其凝結(jié)成液態(tài)水再被排除系統(tǒng)，但也有些少量的水蒸氣進(jìn)入真空泵。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.2.1真空冷凍干燥系統(tǒng)的主要組成n5、加熱系統(tǒng)n對凍干箱中的物料的加熱，一般是通過擱板進(jìn)行的。n下擱板以導(dǎo)熱的方式對物料瓶進(jìn)行加熱，上擱板是以輻射的方式對物料進(jìn)行加熱，擱板中可以裝置電加熱器，也可以裝載熱劑，擱板的溫度由溫控系統(tǒng)控制。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.2.2真空冷凍干燥設(shè)備的分類n冷凍干

26、燥設(shè)備主要從4個方面進(jìn)行分類：n按照干燥設(shè)備的用途分：n醫(yī)藥干燥機(jī)、食品干燥機(jī)n按照設(shè)備運行方式：n間歇式干燥機(jī)、連續(xù)式干燥機(jī)n按照加工容量分：n工業(yè)用干燥機(jī)、實驗用干燥機(jī)n按加熱方式：n接觸導(dǎo)熱式、輻射傳熱式。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.2.2真空冷凍干燥設(shè)備的分類n醫(yī)藥用真空冷凍干燥機(jī)n它的凍干容量不是按容積進(jìn)行計算，而是按擱板的凍干面積進(jìn)行計算。醫(yī)藥用的凍干機(jī)擱板溫度要求1C內(nèi)波動，凍干箱的降溫速度應(yīng)在空載時，1.2h內(nèi)達(dá)到最低溫度，冷阱溫度應(yīng)在1h之內(nèi)達(dá)到最低溫度。加工側(cè)重的是加工衛(wèi)生要求和品質(zhì)。n食品加工用真空冷凍干燥機(jī)n功能比醫(yī)藥真空冷凍干燥機(jī)少，用戶側(cè)重的除衛(wèi)生品質(zhì)外，還須注

27、重加工能耗和生產(chǎn)率。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.2.2真空冷凍干燥設(shè)備的分類n間歇式冷凍干燥機(jī)一般是小容量干燥機(jī)。圖6.13，圖6.14.n樣品在干燥過程靜止，單機(jī)操作簡單方便，但一次只能干燥一批樣品，只適合小批量生產(chǎn)的樣品，生產(chǎn)率不高。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.2.2真空冷凍干燥設(shè)備的分類n間歇式冷凍干燥機(jī)n接觸式導(dǎo)熱真空冷凍干燥機(jī)的工作原理：將樣品或托盤置于隔板上，擱板中有電加熱絲，在通電后產(chǎn)生熱量，熱量經(jīng)過擱板將熱量傳導(dǎo)至樣品中，樣品受熱干燥。n輻射傳熱的工作原理：將樣品置于兩塊加熱板之間，托盤或樣品均不直接與擱板接觸，熱量主要通過輻射的方式傳至樣品內(nèi)。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷

28、技術(shù)5.2.2真空冷凍干燥設(shè)備的分類n連續(xù)式冷凍干燥機(jī)機(jī)型龐大，設(shè)備復(fù)雜，但生產(chǎn)量大，適合于品種單一，產(chǎn)量大，原料充足的產(chǎn)品生產(chǎn)，樣品在干燥過程中需要進(jìn)行移動。比較常見的連續(xù)式冷凍干燥機(jī)有水平隧道式。圖6.15冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.2.3真空干燥設(shè)備的性能指標(biāo)n干燥箱空載時的最低壓力：醫(yī)藥2.3Pa，食品5.15Pa。n干燥箱空載降溫速率：擱板溫度從常溫降至-40C的時間不大于2hn冷阱捕捉水蒸氣能力：應(yīng)不小于10kg/m3.n冷阱的降溫速率：從常溫降至-40C的時間不大于1h。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.2.3真空干燥設(shè)備的性能指標(biāo)n干燥箱空載抽空時間：醫(yī)藥，從大氣壓抽至10P

29、a的時間不應(yīng)大于0.5h，食品用凍干機(jī)時間不大于0.75h。n真空冷凍干燥箱空載時的漏氣率：醫(yī)用凍干機(jī)從10Pa開始觀測，觀測0.5h，其靜態(tài)漏氣率不大于0.025Pa m3/s冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.3食品真空冷凍干燥工藝n真空冷凍設(shè)備可以干燥的食品多種多樣，可以是固態(tài)，也可以是液態(tài)，可以是肉類，也可以是果蔬類。n不同的樣品，由于成分，形狀，濃度，含水率，共晶點，崩解溫度等特性不同，凍干的工藝將有所不同。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.3食品真空冷凍干燥工藝n1、預(yù)處理n篩選、洗凈、整形、燙漂、滾揉冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.3食品真空冷凍干燥工藝n2、預(yù)凍n食品的預(yù)凍是干燥前重

30、要的一步。n一般生產(chǎn)型固態(tài)食品凍干機(jī)是無預(yù)凍功能的，在低溫冷庫（或凍結(jié)隧道）中用吹風(fēng)強制冷卻凍結(jié)。一方面冷庫的造價不到凍干機(jī)的1/10，這樣凍干機(jī)只進(jìn)行制品的干燥，可以充分發(fā)揮凍干機(jī)的生產(chǎn)能力。另一方面，現(xiàn)代固態(tài)食品凍干機(jī)的制品是懸掛于兩輻射加熱板之間的，若在干燥箱內(nèi)預(yù)凍，就需在箱內(nèi)增加制冷系統(tǒng)和冷風(fēng)機(jī)，這是不合算的。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.3食品真空冷凍干燥工藝n預(yù)凍冷庫一般溫度為-30-40C。盤裝制品用吊籠懸掛于吊軌上，用冷風(fēng)機(jī)強制冷卻。冷庫的吊軌可直通干燥箱內(nèi)，這樣做事非常必要的，否則就不能再很短時間內(nèi)裝完整批制品，裝料時間過長，就會造成被凍結(jié)的制品融化。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制

31、冷技術(shù)5.3食品真空冷凍干燥工藝n3、干燥n食品在冷凍干燥過程中，可以分為升華干燥階段和解析階段。升華干燥過程中，物料的冰晶在低壓下，直接升華為水蒸氣，水蒸氣在壓差的作用下，流向冷阱，在冷阱中冷凝成液體水，排出凍干機(jī)外。在這一階段，物料吸收擱板的熱量主要用于升華所需的潛熱，因此，物料在升華凍干過程中，溫度上升較慢。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.3食品真空冷凍干燥工藝n3、干燥n判斷升華干燥結(jié)束的方法可以根據(jù)去掉水分含量（通過在線稱重得到），也可以根據(jù)凍干曲線的拐點得到。n升華干燥結(jié)束后，物料進(jìn)入解析干燥階段。冷藏與制冷技術(shù)冷藏與制冷技術(shù)5.3食品真空冷凍干燥工藝n3、干燥n物料中大部分水分已經(jīng)去掉，物料從擱板所得到熱量只有少部分用于物料中的水分蒸發(fā)或冰晶升華，大部分熱量用于物料的顯熱即發(fā)生溫升。當(dāng)物料中心溫度升到一定程度后，就保持不變，或在極小