食品真空冷凍干燥技術講述課件

1、第5章 食品真空冷凍干燥技術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備5.3食品真空冷凍干燥工藝第5章 食品真空冷凍干燥技術真空冷凍干燥是先將濕物料凍結到共晶點溫度以下，使水分變成固態(tài)的冰，然后在適當?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（水汽凝結器）將水蒸氣冷凝，從而獲得干燥制品的技術。干燥過程是水的物態(tài)變化和移動的過程。冷凍真空干燥 是一種常用的物質干燥方法 5.1.1真空冷凍干燥基本原理水的平衡相圖 生產中采用真空冷凍技術對固體濕物料的干燥，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物性。 冰(s) 水(l) 水蒸氣(g)熔化氣

2、化凝固液化升華凝華5.1真空冷凍干燥基本原理和過程5.1.1真空冷凍干燥基本原理1.水的平衡相圖物質的聚集態(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。O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。水的相圖冰的飽和蒸汽壓變化5.1.1真空冷凍干燥基本原理升華曲線是固態(tài)物質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，對應的飽和蒸汽壓也不同，只有在環(huán)境壓強低于對應的冰的蒸汽壓時，才會發(fā)生升華。5.1.1真空冷凍干燥基本原理在三相點以下，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

3、一過程為升華。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。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：濕物料預凍升華干燥凍干產品水分(物料凍結)(除去結晶水)解析干燥(除殘余水分)真空冷凍干燥流程框圖真空冷凍干燥原理冷凍真空干燥優(yōu)點1、因物料的干燥是在真空條件下進行，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。2、由于物料的干燥是在冷凍下進行操作，物料中的水分由冰直接升華為水蒸

4、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3、真空冷凍干燥是在較低溫度（低于水的冰點）下進行操作，對于許多熱敏性物質的干燥特別適用。例如，對蛋白質、微生物等物質，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)藥上得到廣泛應用。冷凍真空干燥優(yōu)點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，使得到的干燥產品不易收縮，不易變質，能較好地保留物料的構造（營養(yǎng)纖維和固狀物），使其加水后能迅速水化，恢復原來的性狀。因此，采用真空冷凍干燥方法生產的食品更接近新鮮食品的風味。冷凍真空干燥優(yōu)點凍干蔬菜凍干香蕉

5、冷凍真空干燥應用生物制品方面 疫苗、診斷制劑、血清制品等的凍干 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 食品和化學工業(yè)方面 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5.1真空冷凍干燥基本原理和過程5.1.2真空冷凍干燥基本過程食品物料真空冷凍干燥主要由以下幾個過程組成：物料的預處理，物料的預凍，升華干燥，解吸干燥，封裝和儲存。5.1.2真空冷凍干燥基本過程1.物料的預處理在對食品冷凍干燥之前，必須對其進行一些必要的物理、化學處理，包括清洗、分級、切片、燙漂、殺菌、濃縮等。對于不同的食品，預處理內容也有所不同，食品冷凍干燥時，一般不加添加劑，在對藥品和細胞冷

6、凍干燥之前，必須加一些添加劑，以保證凍干產品效果良好，保持藥品的活性和保持細胞的存活。5.1.2真空冷凍干燥基本過程2.物料的冷卻固化過程冷凍干燥的預備操作，也稱為凍結或預凍。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成冰，還要使物料中其他部分也完全固化，使干燥后產品與干燥前具有相同的形態(tài)，防止真空干燥時起泡，濃縮，收縮和溶質移動等不可逆變化產生。物料的預凍可以在干燥箱內進行，也可以先在干燥箱外進行，再將已預凍的物料移入干燥箱內。2.物料的冷卻固化過程（1）預凍溫度冷卻固化過程的最終溫度應當是完全固化溫度，它應低于物料的共晶溫度，一般預凍溫度要比共晶點溫度低510C。2.

7、物料的冷卻固化過程（2）預凍速率凍結對冷凍干燥的影響主要是凍結速率。物料預凍時形成冰晶，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。當預凍速率較慢時，形成大而連續(xù)的六方體，冰晶在物料中形成網(wǎng)狀的骨架結構。冰晶升華后，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。（2）預凍速率當預凍速率較快時，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)，水蒸氣靠擴散或滲透方能逸出，因而干燥速度慢。僅從干燥速率來說，以慢凍為好，但是慢速凍結對食品原料組織結構破壞較大，影響制品品質。因此應確定合適的預凍速率，既使物料組織造成破壞小，又能形成有利于以后升華傳質的冰晶結構。

8、2.物料的冷卻固化過程（3）預凍時間物料的凍結過程是放熱過程，需要一定的時間。達到規(guī)定的預凍溫度后，還要保持一定時間。為使產品完全固化，一般在產品達到規(guī)定的預凍溫度后，需要保持2h左右的時間，這是個經(jīng)驗值。5.1.2真空冷凍干燥基本過程3、升華干燥過程（一次干燥）升華干燥是第一階段干燥，也稱為一次干燥。將凍結后的產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品脫水干燥。干燥層從物料外表面向內部推進，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。已干層和凍結部分的分界面稱為升華界面。當全部冰晶升華結束時，第1階段干燥就完成了，此時約除去全部水分的80%。升

9、華干燥3、升華干燥過程（一次干燥）一般冷凍干燥采取的絕對壓力為0.2kPa左右。升華時所需的熱量由加熱設備提供，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，經(jīng)已干層傳到升華前沿。3、升華干燥過程（一次干燥）此時應控制熱量使供熱僅轉變?yōu)樯A熱而又不使物料升溫熔化，凍結層的溫度應低于產品共熔點溫度，干燥層溫度應低于崩解溫度或容許的最高溫度（不燒焦或變性）。升華產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。冷阱的低溫使其內的水蒸氣壓低于干燥箱中的水蒸氣壓，

10、形成水蒸氣傳遞的推動力。3、升華干燥過程（一次干燥）（1）物料凍結和干燥過程中的含水量變化物料中的水分可以分為兩類：一類是在低溫下可被凍結成冰的，自由水，另一類，低溫下不可被凍結的水分，結合水。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，使其中被凍結成冰的“自由水”直接升華成水蒸氣。圖6.3是某一物料在凍結和干燥過程中溫度變化和含水量變化的示意圖。3、升華干燥過程（一次干燥）（2）物料凍結和干燥過程中的溫度分布在一次干燥過程中，所需要的熱量為冰的升華熱。要維持升華干燥的順利進行，必須滿足兩個基本條件：一是升華產生的水蒸氣必須不斷地從升華表面被移

11、走，二是必須不斷地給物料提供升華所需要的熱量。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。（2）物料凍結和干燥過程中的溫度分布升華干燥過程實際上是傳熱，傳質同時進行的過程，只有當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行。由于物料中的傳熱，傳質過程受到多方面的限制，所以升華干燥是很費時的過程。（2）物料凍結和干燥過程中的溫度分布溫度分布：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。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

12、TE。如物料溫度過高，會出現(xiàn)軟化，塌陷等現(xiàn)象。升華干燥5.1.2真空冷凍干燥基本過程4、解吸干燥過程（二次干燥）在干燥物質的極性基團中還吸附一部分水分，這些水分是未被凍結的。結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反應提供條件。為了保證凍干產品的安全儲藏，還應進一步干燥。由于結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)結合水的解吸過程。4、解吸干燥過程（二次干燥）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”。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。4、解吸干燥過程

13、（二次干燥）一般在解吸干燥階段采用3060C的溫度。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，由物料的性質所決定。蛋白質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。4、解吸干燥過程（二次干燥）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。二次干燥過程結束時，物料中的剩余水分含量應當達到最終要求含水量RMF，一般應低于5%（0.5%4%）,視產品種類和要求而定。5.1.2真空冷凍干燥基本過程5、封裝和儲存物料經(jīng)二次干燥后，要進行封裝和儲存，在干燥狀態(tài)下

14、，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）的條件下進行。對于瓶裝的物料，可在干燥室內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。 一般情況下,凍干曲線的選擇是三個參數(shù):板層溫度、真空度、產品溫度。 制定凍干曲線工藝制定凍干曲線工藝通常來說,凍干曲線的制定是一個固定模式:制訂凍干曲線應該知道產品的一些數(shù)據(jù)和裝載情況，作為設定溫度，時間和真空的依據(jù)，這些數(shù)據(jù)和情況是：產品的共晶點和崩解點溫度，產品冷凍時是否會形成玻璃態(tài)，如果會形成玻璃態(tài)，產品的回熱溫度是多少，產品的裝載厚度，產品的容器和

15、裝載方法，產品的濃度，產品的最高許可溫度和干燥后的殘水含量等。小知識：玻璃態(tài)玻璃態(tài)不是物質的一個狀態(tài)，是它的結構。 固態(tài)物質分為晶體和非晶體，構成晶體的原子（或離子或分子）具有一定的空間結構（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。 例如： 假設某一產品的共晶點是-20，崩解點高于共晶點，產品冷凍時會形成玻璃態(tài)，產品的回熱溫度是-18，產品的裝載厚度是12 毫米，小瓶裝載并直接放置在板層上，產品的濃度是15，產品

16、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？案例為了獲得產品一致的冷凍結構，產品在5進箱，進箱完畢后保持1小時，使所有產品從5的同一起點降溫到-40，并在-40并保持1小時，由于產品冷凍時形成玻璃態(tài)，因此需做回熱處理，把產品加熱到-18并保持1小時，使產品從玻璃態(tài)轉變?yōu)榻Y晶態(tài)，然后使產品再次降溫，并在-35保持1小時，預凍階段結束。預凍階段：板層溫度控制在10，使產品的溫度維持在-25，比產品的共晶點溫度低5，并在此狀況下維持15 小時，直到產品中的凍結冰升華完畢為止；凍干箱的真空度控制在產品溫度所對應的飽和蒸汽壓的30左右，-25對應的飽和蒸汽壓是0.63 毫巴，0

17、.6330=0.189 毫巴。 升華階段：把產品溫度加熱到最高許可溫度30并維持到凍干結束，真空控制在產品溫度達到最高溫度后停止使用，恢復高真空，在最高許可溫度和高真空的狀況下保持6 小時，使產品的殘余水分達到低于2的要求。解吸階段： 另外，凍干良好的產品應有良好的物理形態(tài)，外觀無缺損，表面平整，體積與凍結時的體積基本相等，顏色均勻一致，內部疏松多孔，復水迅速而完全，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。如果干燥后的產品不理想，某些項目不合格，那么要對凍干曲線作適當?shù)恼{整。凍干曲線5.2食品真空冷凍干燥設備完

18、整的真空冷凍干燥設備是是一種集真空、制冷、加熱干燥，控制，在位清洗消毒等功能于一體的復雜裝置。5.2.1真空冷凍干燥系統(tǒng)的主要組成冷凍干燥系統(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，p2801、凍干箱凍干箱是物料進行真空干燥的場所。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)常進行清洗和滅菌。真空冷凍干燥機結構圖新型液氮的真空冷凍干燥機5.2.1真空冷凍干燥系統(tǒng)的主要組成1、凍干箱一般采用高溫蒸汽滅菌，凍干箱箱體采用不銹鋼材，而且箱內全部零件都應具有耐受高溫蒸

19、汽的能力。物料的冷卻固化過程可以在凍干箱內進行，此時下擱板內有載冷劑，通過制冷系統(tǒng)進行降溫，也可以在干燥室外進行，待物料完全固化后，放入干燥室內，再進行真空干燥。凍干箱要求密封良好。5.2.1真空冷凍干燥系統(tǒng)的主要組成2、冷阱是冷凍干燥系統(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。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驅動力。物料中逸出的水蒸氣，遇到冷阱的低溫表面，凝結成液態(tài)水，被排出系統(tǒng)。5.2.1真

20、空冷凍干燥系統(tǒng)的主要組成2、冷阱冷阱是水蒸氣的“冷凝器”。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，則升華的傳質驅動力就越大。但是兩者的溫度差過大也是沒有意義的。5.2.1真空冷凍干燥系統(tǒng)的主要組成2、冷阱物料的升華溫度為-40C，期對應的水蒸氣飽和蒸汽壓為12.9Pa，冷阱的溫度為-60C和-70C時，所對應的水蒸氣飽和蒸汽壓分別為1.08Pa和0.26Pa。5.2.1真空冷凍干燥系統(tǒng)的主要組成3、制冷系統(tǒng)制冷系統(tǒng)的任務是在冷阱處形成低溫條件，有些還在凍干箱內起著制冷冷卻的作用。在蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)，冷阱是制冷系統(tǒng)

21、中制冷工質的蒸發(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)。5.2.1真空冷凍干燥系統(tǒng)的主要組成4、真空系統(tǒng)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，空氣是“非凝性”氣體，它既包括由外界大氣漏入干燥箱的空氣，也包括由物料中逸出的空氣或其他“非凝性”氣體。物料升華出來水蒸氣的比體積，在-40C時高達8376m3/kg，這意味著每升華1g的冰就要產生8.4m3的水蒸氣。這么多的水蒸氣主要是靠冷阱將其凝結成液態(tài)水再被排除系統(tǒng)，但也有些少量的水蒸氣進入真空泵。5.2.1真空冷凍干燥系統(tǒng)的主要組成5、加熱系統(tǒng)對凍干箱中的物料的加熱，一般是通過擱板進行的。下擱板以導熱的方式對物料

22、瓶進行加熱，上擱板是以輻射的方式對物料進行加熱，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。5.2.2真空冷凍干燥設備的分類冷凍干燥設備主要從4個方面進行分類：按照干燥設備的用途分：醫(yī)藥干燥機、食品干燥機按照設備運行方式：間歇式干燥機、連續(xù)式干燥機按照加工容量分：工業(yè)用干燥機、實驗用干燥機按加熱方式：接觸導熱式、輻射傳熱式。5.2.2真空冷凍干燥設備的分類醫(yī)藥用真空冷凍干燥機它的凍干容量不是按容積進行計算，而是按擱板的凍干面積進行計算。醫(yī)藥用的凍干機擱板溫度要求1C內波動，凍干箱的降溫速度應在空載時，1.2h內達到最低溫度，冷阱溫度應在1h之內達到最低溫度。加工側重的是加

23、工衛(wèi)生要求和品質。食品加工用真空冷凍干燥機功能比醫(yī)藥真空冷凍干燥機少，用戶側重的除衛(wèi)生品質外，還須注重加工能耗和生產率。5.2.2真空冷凍干燥設備的分類間歇式冷凍干燥機一般是小容量干燥機。圖6.13，圖6.14.樣品在干燥過程靜止，單機操作簡單方便，但一次只能干燥一批樣品，只適合小批量生產的樣品，生產率不高。5.2.2真空冷凍干燥設備的分類間歇式冷凍干燥機接觸式導熱真空冷凍干燥機的工作原理：將樣品或托盤置于隔板上，擱板中有電加熱絲，在通電后產生熱量，熱量經(jīng)過擱板將熱量傳導至樣品中，樣品受熱干燥。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

24、至樣品內。5.2.2真空冷凍干燥設備的分類連續(xù)式冷凍干燥機機型龐大，設備復雜，但生產量大，適合于品種單一，產量大，原料充足的產品生產，樣品在干燥過程中需要進行移動。比較常見的連續(xù)式冷凍干燥機有水平隧道式。圖6.155.2.3真空干燥設備的性能指標干燥箱空載時的最低壓力：醫(yī)藥2.3Pa，食品5.15Pa。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2h冷阱捕捉水蒸氣能力：應不小于10kg/m3.冷阱的降溫速率：從常溫降至-40C的時間不大于1h。5.2.3真空干燥設備的性能指標干燥箱空載抽空時間：醫(yī)藥，從大氣壓抽至10Pa的時間不應大于0.5h，食品用凍干機時間不大于0.75h。真

25、空冷凍干燥箱空載時的漏氣率：醫(yī)用凍干機從10Pa開始觀測，觀測0.5h，其靜態(tài)漏氣率不大于0.025Pa m3/s5.3食品真空冷凍干燥工藝真空冷凍設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。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。5.3食品真空冷凍干燥工藝1、預處理篩選、洗凈、整形、燙漂、滾揉5.3食品真空冷凍干燥工藝2、預凍食品的預凍是干燥前重要的一步。一般生產型固態(tài)食品凍干機是無預凍功能的，在低溫冷庫（或凍結隧道）中用吹風強制冷卻凍結。一方面冷庫的造價不到凍干機的1/10，這樣凍干機只進行制品的干燥

26、，可以充分發(fā)揮凍干機的生產能力。另一方面，現(xiàn)代固態(tài)食品凍干機的制品是懸掛于兩輻射加熱板之間的，若在干燥箱內預凍，就需在箱內增加制冷系統(tǒng)和冷風機，這是不合算的。5.3食品真空冷凍干燥工藝預凍冷庫一般溫度為-30-40C。盤裝制品用吊籠懸掛于吊軌上，用冷風機強制冷卻。冷庫的吊軌可直通干燥箱內，這樣做事非常必要的，否則就不能再很短時間內裝完整批制品，裝料時間過長，就會造成被凍結的制品融化。5.3食品真空冷凍干燥工藝3、干燥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。5.3食品真空冷凍干燥工藝3、干燥判斷升華干燥結束的方法可以根據(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。升華干燥結束后，物料進入解析干燥階段。5.3食品真空冷凍干燥工藝3、干燥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