冷凍干燥技術(shù)

1、 南昌大學(xué) 張 彬 2010.4 冷凍干燥冷凍干燥食品的特點(diǎn)食品的特點(diǎn) 冷凍干燥技冷凍干燥技 術(shù)的發(fā)展史術(shù)的發(fā)展史 冷凍干燥冷凍干燥的基本概念的基本概念n1921年前蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明真空冷凍干燥技術(shù)n1943年，丹麥出現(xiàn)了原始的食品冷凍干燥技術(shù)和設(shè)備n1961年英國(guó)食品部公布冷凍干燥是一種能獲得優(yōu)質(zhì)食品的方法n50年代 中國(guó)凍干技術(shù)開(kāi)始起步n90年代 凍干食品得到快速發(fā)展 。n又稱真空冷凍 干燥、冷凍升 華干燥、分子 干燥等n物料凍結(jié)至 冰點(diǎn)以下， 水分變?yōu)楣虘B(tài)冰，在較高的真空下冰升華轉(zhuǎn)化為蒸汽而除去，物料即被干燥?；颈３质称吩械纳?、香、味、形和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)食用或加工前復(fù)水快，可直接食用或烹調(diào)密

2、封后可在常溫下長(zhǎng)期貯藏、運(yùn)輸和銷售重量輕，滿足宇航、旅游等人員需求生產(chǎn)成本偏高冷凍干燥的理論基礎(chǔ)冷凍干燥的理論基礎(chǔ)水的相圖和升華干燥過(guò)程示意圖水的相圖和升華干燥過(guò)程示意圖u水的三相點(diǎn)壓力P=610.5Pa，溫度T=0.0098u不同物料的凍結(jié)點(diǎn)不同u凍結(jié)速度對(duì)凍干食品的質(zhì)量和升華速度有影響u適當(dāng)提高升華溫度、傳熱速度以及減少水蒸汽逸出阻力可提高升華速度n固態(tài)食品原料的預(yù)處理包括選料、清洗、切分、燙漂和裝盤等。n液態(tài)食品原料一般采取真空低溫濃縮或冷凍濃縮的方法進(jìn)行預(yù)處理。n裝料容器一般是玻璃模子瓶、玻璃管子瓶或安瓶，裝量要均勻，蒸發(fā)表面盡量大而厚度盡量薄一些物料預(yù)處理預(yù)處理預(yù)凍抽真空捕水器降溫升

3、華干燥解吸干燥干燥結(jié)束加熱預(yù)處理和可升華水量估計(jì)預(yù)處理和可升華水量估計(jì)1克水體積常溫常壓下1毫升100Pa，-20下1200000毫升RTMmPV 253K KkmolJ8314 18 0.001kg Pa100TRMmP如果真空泵抽出速率為30m3/h，則每小時(shí)可升華25ml水物料預(yù)凍的好壞直接影響物料預(yù)凍的好壞直接影響 冷凍干燥產(chǎn)品的品質(zhì)冷凍干燥產(chǎn)品的品質(zhì)將物料放入與干燥箱板層尺寸相適應(yīng)的金屬盤內(nèi)。 對(duì)瓶裝一般采用脫底盤，有利于熱量的有效傳遞。裝箱之前，先將凍干箱進(jìn)行空箱降溫，然后將產(chǎn)品 放入凍干箱內(nèi)進(jìn)行預(yù)凍；或者將產(chǎn)品放入凍干箱內(nèi)層板上同時(shí)進(jìn)行預(yù)凍物料預(yù)凍預(yù)凍抽真空捕水器降溫升華干燥解吸

4、干燥干燥結(jié)束加熱預(yù)處理抽真空前要根據(jù)冷凝器制冷機(jī)的降溫速度提前使冷凝抽真空前要根據(jù)冷凝器制冷機(jī)的降溫速度提前使冷凝器工作，抽真空時(shí)冷凝器至少應(yīng)達(dá)到器工作，抽真空時(shí)冷凝器至少應(yīng)達(dá)到40的溫度。的溫度。物料預(yù)凍抽真空捕水器降溫捕水器降溫升華干燥解吸干燥干燥結(jié)束加熱預(yù)處理低溫下水的升華熱和飽和蒸氣壓低溫下水的升華熱和飽和蒸氣壓 待真空度達(dá)到一定數(shù)值后（通常為待真空度達(dá)到一定數(shù)值后（通常為13Pa26Pa），），或者有的凍干工藝要求達(dá)到所要求的真空度后繼續(xù)抽真或者有的凍干工藝要求達(dá)到所要求的真空度后繼續(xù)抽真空空12h以上；即可對(duì)箱內(nèi)產(chǎn)品進(jìn)行加熱。以上；即可對(duì)箱內(nèi)產(chǎn)品進(jìn)行加熱。物料預(yù)凍抽真空抽真空捕水器

5、降溫升華干燥解吸干燥干燥結(jié)束加熱預(yù)處理 真空度與系統(tǒng)性能真空度與系統(tǒng)性能u真空度過(guò)高，雖然降低全壓，但對(duì)傳熱不利。u真空泵抽出系統(tǒng)滲入的不凝性氣體u捕水器抽出水蒸氣u開(kāi)始階段真空泵負(fù)荷大CLASSIFICATIONPRESS RANGELOW VACUUM760 Torr 1 Torr100kPa 100PaMID VACUUM1 Torr 10-3 Torr100Pa 0.1PaHIGH VACUUM10-3 Torr 10-7 Torr0.1Pa 10PaEXTRA HIGH VACUUM10-7 Torr 10-10 Torr10Pa 104PaEXTREMELY HIGH VACUUM

6、10-10 Torr (Less)104Pa (Less)真空范圍真空范圍 加熱介質(zhì)n接觸加熱法：介質(zhì)424，循環(huán)液由水4份、乙醇2份，乙二醇4份配置成循環(huán)不凍液，其凝固點(diǎn)為-120，在使用時(shí)液溫最高不超過(guò)60。n輻射加熱法：采用蒸氣加熱，最高溫度為120 物料預(yù)凍捕水器降溫升華干燥解吸干燥干燥結(jié)束加熱加熱預(yù)處理抽真空對(duì)干燥箱內(nèi)的物料加熱，常用方法有微波加熱、輻對(duì)干燥箱內(nèi)的物料加熱，常用方法有微波加熱、輻射加熱和接觸加熱射加熱和接觸加熱干燥箱的溫度比捕水器冷表面的溫度要高（一般高干燥箱的溫度比捕水器冷表面的溫度要高（一般高10），此溫差形成的壓力差是水汽凝結(jié)的推動(dòng)力），此溫差形成的壓力差是水汽

7、凝結(jié)的推動(dòng)力物料預(yù)凍捕水器降溫升華干燥升華干燥解吸干燥干燥結(jié)束加熱預(yù)處理抽真空n溫度不超過(guò)共熔點(diǎn)（共晶點(diǎn)）的溫度溫度不超過(guò)共熔點(diǎn)（共晶點(diǎn)）的溫度n由于熱量不斷被升華熱帶走由于熱量不斷被升華熱帶走, 要及時(shí)供給升華熱要及時(shí)供給升華熱能能, 來(lái)維持升華溫度不變。來(lái)維持升華溫度不變。供熱不足或過(guò)多供熱不足或過(guò)多供熱不足：升華熱補(bǔ)充不上，造成凍干品溫度下降，飽和蒸氣壓隨之下降，在捕水器溫度不變情況下，水蒸氣驅(qū)動(dòng)壓差減小。供熱過(guò)多：升華界面容易融化（玻璃化？），此外，升華干燥層可能出現(xiàn)塌陷。物料預(yù)凍捕水器降溫升華干燥解吸干燥解吸干燥干燥結(jié)束加熱預(yù)處理抽真空 待產(chǎn)品內(nèi)水分基本干完后進(jìn)行第二步加溫，這時(shí)可待

8、產(chǎn)品內(nèi)水分基本干完后進(jìn)行第二步加溫，這時(shí)可迅速地使產(chǎn)品上升的規(guī)定的最高許可溫度。在最高許可迅速地使產(chǎn)品上升的規(guī)定的最高許可溫度。在最高許可溫度保持溫度保持2h以上后，即可結(jié)束凍干以上后，即可結(jié)束凍干解析干燥時(shí)間n殘余水分要求低的制品，降低捕水器溫度。n提高供熱量，加速解吸。n適當(dāng)提高干燥箱的壓力，改善供熱條件。物料預(yù)凍捕水器降溫升華干燥解吸干燥干燥結(jié)束干燥結(jié)束加熱預(yù)處理抽真空 凍干終點(diǎn)判斷凍干終點(diǎn)判斷凍干品溫度內(nèi)外一致（升華干燥結(jié)束）捕水器溫度下降（升華干燥結(jié)束）干燥箱壓力下降解吸干燥結(jié)束（試驗(yàn)確定）1 321、Freezone 12Plus 冷凍凍干機(jī)2、 GZL3BY真空冷凍干燥機(jī)3、日處

9、理60噸連續(xù)式凍干機(jī)冷凍干燥設(shè)備冷凍干燥設(shè)備冷凍干燥設(shè)備示意圖冷凍干燥設(shè)備示意圖 型式型式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 間歇式間歇式半連續(xù)式半連續(xù)式連續(xù)式連續(xù)式凍干設(shè)備的主要部分凍干設(shè)備的主要部分干燥箱干燥箱 工業(yè)用干燥箱能夠制冷到55左右，也能夠加熱至+80左右，是能抽成真空的密閉容器。需要凍干的產(chǎn)品即放在箱內(nèi)分層的擱板上，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行冷凍，并在真空下加溫，使產(chǎn)品內(nèi)的水分升華而干燥。凍干設(shè)備的主要部分凍干設(shè)備的主要部分水汽凝結(jié)器（捕水器）水汽凝結(jié)器（捕水器）捕水器是凍干系統(tǒng)中能耗最大的部件升華階段負(fù)荷大，解析階段負(fù)荷小捕水器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高系統(tǒng)性能（如樣品處理量）的關(guān)鍵之一真空阻力小，結(jié)霜量大且均勻，易

10、融霜是設(shè)計(jì)目標(biāo)凍干設(shè)備的主要部分凍干設(shè)備的主要部分 制冷系統(tǒng)制冷系統(tǒng) 對(duì)干燥箱中擱板的要求：平整、光滑、傳熱均勻，冷卻速度一般要求為0.11.5/min，加熱速率0.11.5/min。 制冷機(jī)的功用是對(duì)凍干箱和冷凝器進(jìn)行制冷，它有直接制冷和間接制冷二種方式。凍干設(shè)備的主要部分凍干設(shè)備的主要部分 加熱系統(tǒng)加熱系統(tǒng)2131、輻射加熱2、 傳導(dǎo)加熱3、微波加熱，縮短干燥 周期85，但成本高凍干設(shè)備的主要部分凍干設(shè)備的主要部分真空泵（真空泵（1）效率低，一般在30%左右真空度低，極限壓強(qiáng)20004000Pa10時(shí)飽和蒸氣壓為1227Pa20時(shí)飽和蒸氣壓為2337Pa30時(shí)飽和蒸氣壓為4241Pa水環(huán)式真空泵水環(huán)式真空泵凍干設(shè)備的主要部分凍干設(shè)備的主要部分真空泵（真空泵（2）滑片式真空泵滑片式真空泵該泵的工作抽氣速率為30m3/h 羅茨泵羅茨泵是非變?nèi)菔秸婵毡?，若要求中、高真空度，需與前級(jí)泵組合。羅茨泵與滑片羅茨泵與滑片泵性能比較泵性能比較不同組合泵不同組合泵性能比較性能比較