冷凍干燥設(shè)備

冷凍干燥設(shè)備21）冷凍干燥基本原理及特點(diǎn)冷凍干燥的基本原理是先將被干燥的物料冷凍至冰點(diǎn)以下，使物料中的水分變成固態(tài)的冰，然后在高度真空的冷凍干燥器中，讓固態(tài)的冰直接升華變成水蒸汽而被除去，以達(dá)到干燥的目的。因此，冷凍干燥又稱為真空冷凍干燥、冷凍升華干燥，簡稱凍干。傳統(tǒng)的對流干燥會引起物料皺縮，細(xì)胞破壞。在冷凍干燥過程中，固體成分被在其位置上的堅冰支持著，物料的結(jié)構(gòu)不會被破壞，在冰升華時，它會留下孔隙于干燥的剩余物質(zhì)里，可保留產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及活性。在生物工業(yè)中，通過冷凍干燥可長時期保存生物性材料固有的生物活性與結(jié)構(gòu)。蔬菜和水果等經(jīng)冷凍干燥后，不但可長時間保藏，而且在與水分接觸時能吸水而恢復(fù)原有的色香味。這是因為冷凍干燥時物料中的細(xì)胞、蛋白質(zhì)、維生素等未被破壞，井保持了多孔性結(jié)構(gòu)。因此，在生物工業(yè)中，利用冷凍干燥可較好地保持物料的品質(zhì)。由于冷凍干燥操作在高真空和低溫條件下進(jìn)行，需要配備獲得高真空和低溫制冷的設(shè)備，故投資費(fèi)用和操作費(fèi)用很大，且干燥周期長、產(chǎn)量小，因此產(chǎn)品加工成本高。42）冷凍干燥系統(tǒng)的構(gòu)成冷凍干燥設(shè)備，簡稱凍干機(jī)。按系統(tǒng)分，由制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四個主要部分組成（依用途不同有的凍干機(jī)還有液壓系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、消毒系統(tǒng))。按結(jié)構(gòu)分，由凍干箱或稱干燥箱、冷凝器或稱水汽凝結(jié)器、壓縮機(jī)、真空泵和閥門、熱交換器、電氣控制元件等組成。圖18.8-1是冷凍干燥設(shè)備組成示意。圖18.8-1冷凍干燥設(shè)備組成示意（1）冷凍干燥箱冷凍干燥箱(凍干箱)是一個能制冷，加熱的高低溫箱（箱內(nèi)的溫度可以調(diào)節(jié)），也是一個能抽成真空的密閉容器。它是冷凍干燥設(shè)備的主要部分。將待凍干的物料放在箱內(nèi)分層的金屬板上，進(jìn)行冷凍，在真空下加溫，最終使物料內(nèi)的水分升華而制成干燥制品。（2）冷凝系統(tǒng)冷凝系統(tǒng)主要設(shè)備是低溫冷凝器。低溫冷凝器同樣是一個真空密閉容器，在它的內(nèi)部有一個較大表面積的金屬吸附面。在干燥過程中，升華的水蒸汽必須迅速地被除去。冷凝器的作用就是把凍干箱內(nèi)物料升華出來的水蒸汽凍結(jié)吸附在其金屬表面上，冷凝成霜后除去。因此，低溫冷凝器又稱水汽凝結(jié)器或冷阱。目前采用的低溫冷凝器有列管式、螺旋管式或內(nèi)有旋轉(zhuǎn)刮刀的夾套式冷凝器。（3）真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)主要設(shè)備是真空泵。真空系統(tǒng)要求沒有漏氣現(xiàn)象，凍結(jié)物料的迅速升華干燥是由真空系統(tǒng)完成的。真空系統(tǒng)的作用一是提供干燥箱內(nèi)冰升華所需的真空度，二是降低冷阱中的壓強(qiáng)，將部分水蒸汽和不凝氣體抽走。（4）制冷系統(tǒng)制冷系統(tǒng)由制冷壓縮機(jī)、凍干箱、冷凝器等組成。制冷壓縮機(jī)的作用是對凍干箱和冷凝器進(jìn)行制冷，產(chǎn)生和維持它們工作時所需要的低溫，它有直接制冷和間接制冷兩種方式。（5）加熱系統(tǒng)加熱系統(tǒng)對于不同的凍干機(jī)有不同的加熱方式。加熱方法有傳導(dǎo)加熱、輻射加熱和微波加熱等。加熱系統(tǒng)的作用是對凍干箱內(nèi)的物料進(jìn)行加熱，以使物料內(nèi)的水分不斷升華，但不應(yīng)使凍結(jié)物料融化，最終達(dá)到規(guī)定的殘余水分要求。（6）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)由各種控制開關(guān)、指示調(diào)節(jié)儀表及一些自動裝置等組成，一般自動化程度較高的凍干機(jī)則控制系統(tǒng)較為復(fù)雜?？刂葡到y(tǒng)的作用是操縱凍干機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，以凍干出合乎要求的制品來。3）冷凍干燥過程（1）預(yù)凍階段在冷凍干燥前，必須對被干燥的濕物料進(jìn)行預(yù)凍結(jié)。預(yù)凍時，凍結(jié)速度對冷凍干燥速率和冷凍干燥制品的品質(zhì)有不同程度的影響。凍結(jié)速度越快，物料內(nèi)形成的冰晶體越小，升華時，在物料內(nèi)形成的孔隙也越小，物料內(nèi)形成的孔隙也越小，因此，干燥的速率就慢。反之，物料內(nèi)則形成顆粒粗大的冰晶，會破壞物料的細(xì)胞組織，從而影響干制品的復(fù)水性。（2）升華干燥階段干燥過程分為兩個階段。在物料內(nèi)的凍結(jié)冰消失之前稱為第一階段干燥，也叫升華干燥階段。此階段是冷凍干燥的主要過程，有98%～99%的水分在這一階段被除去。凍結(jié)物料升華干燥是在真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行的。在升華過程中，物料中凍結(jié)水分汽化需要吸收熱量，因此，需要給物料加熱，以提高冷凍干燥的速率。但所提供的熱量應(yīng)保證凍結(jié)物料的溫度接近而又低于物料的共熔點(diǎn)，以便使物料中冰晶既不溶解又能以最高速率進(jìn)行升華。在升華過程中，溫度幾乎保持不變，干燥速率保持恒定。（3）解析干燥階段解析干燥階段也稱第二階段干燥。在第一階段干燥結(jié)束后，在干燥物質(zhì)的毛細(xì)管壁和極性基團(tuán)上還吸附有部分水分，這些水分是未被凍結(jié)的，當(dāng)它們達(dá)到一定含量，就為微生物的生長繁殖和某些化學(xué)反應(yīng)提供了條件。該階段是將物料溫度逐漸升高，使水分汽化除去，此階段水分可以減少到0.5%。在解析干燥階段可以使產(chǎn)品的溫度迅速上升到該產(chǎn)品的最高允許溫度，并一直維持到冷凍干燥結(jié)束。4）冷凍干燥設(shè)備（1）間歇式冷凍干燥器圖18.8-2間歇式冷凍干燥器1—干燥箱；2—低溫冷凝器；3—真空泵；4—制冷壓縮機(jī)；5—冷凝器；6—熱交換器；7—節(jié)流閥；8—膨脹閥干燥箱的形式大多為盤架式，每一料盤中的物料開始加熱后，冰晶升華為蒸汽，并進(jìn)入低溫冷凝器，凝結(jié)成霜，不疑性氣體由真空泵抽出。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是：①適合于多品種、小批量及季節(jié)性強(qiáng)的生物工程制品生產(chǎn)；②便于控制不同階段的加熱溫度和真空度；③單機(jī)操作，便于加工制造和維修。其缺點(diǎn)是：①裝、卸料時間長，設(shè)備利用率低；②附屬系統(tǒng)投資費(fèi)用高；③操作費(fèi)用大。（2）連續(xù)式冷凍干燥器連續(xù)式冷凍干燥裝置如圖18.8-3所示，經(jīng)預(yù)凍的顆粒從頂部兩個入口密封門之一輪流地加到頂部的圓形加熱板上，干燥器的中央立軸上裝有帶鏟的攪拌臂，旋轉(zhuǎn)時，鏟子攪動物料，不斷地使物料向加熱板外方移動，直至從加熱板邊緣下落至直徑較大的加熱板上。在下一加熱板上，鏟子迫使物料向中心方向移動，一直移至加熱板邊緣而落入第三塊板上，此板大小與頂板相同，并從兩個出口密封門之一