真空冷冻干燥技术的工艺和设备

真空冷冻干燥技术的工艺和设备真空冷冻干燥技术是将含水物料在低温状态下冻结,然后在真空条件下,使冰直接升华成水蒸气并排掉脱水物料中的水分使物料干燥的一门高新技术。它是随制冷、真空、生物、电子等技术的发展而迅速兴起的一门多学科综合应用技术。随着冻干食品的迅速发展与应用,国内冻干食品的生产厂家也越来越多,如何运用冻干设备生产出合格的产品对生产厂家来讲都已熟知。但如何将冻干机理、冻干工艺的研究成果运用到实际的生产过程中,使整个冻干工艺达到最优值,降低成本,提高生产率,是急待解决的问题。因为真空冷冻干燥产品可以最大限度的保持新鲜物料的原有色、香、味、形和营养成分。本文通过对玫瑰花的真空冷冻干燥实验的分析,对影响真空冻干的过程参数进行了试验研究。试验表明:隔板温度、干燥室真空度是很重要的两个参数;冻结速率对总冻干时间没影响。在试验测试的基础上,讨论了过程参数隔板温度、干燥室真空度的影响,目的在于减少冻干时间和降低能耗。得出最优化参数是:温度为55℃,压强为39Pa,较优工艺参数的验证结果表明优化结果符合实际情况。最后通过对小型的真空冷冻干燥机的设计,探索了食品冻干设备的设计理论。第一章绪论1.1真空冷冻干燥的原理真空冷冻干燥技术是技术含量比较高、涉及知识面比较广的一种技术,也是一门实验性很强的技术。真空冷冻干燥是先将湿物料冻结到共晶点温度以下,使水份变成固态的冰,然后在适当的温度和真空度下,使冰升华为水蒸汽,再用真空系统的捕水器将水蒸气冷凝,从而获得干燥制品的技术。干燥过程是水的物态变化和移动过程。由于这种变化和移动是发生在低温和低压下。因此,真空冷冻干燥的基本原理就是低温低压下传热传质的机理。化学热力学中的相平衡理论是真空冷冻干燥技术原理的基础。在一定的压力和温度下,水的三种形态之间达到一定的相平衡,据此得到水的相图(图1一1)。三相点显示了水的气、液、固三相共存的压力和温度条件。图1一l水的相平衡图当蒸汽压大于三相点压力P。(610.SPa)时,冰首先融化为水然后再由水转化为水蒸气,其过程为蒸发过程;如果低于三相点压力,冰可直接升华为水蒸气,这就是升华干燥的理论基础。当干燥室内的真空度低于6lOPa绝对压力,物料温度低于零度,物料内的冰晶才能直接升华成水蒸气。一般采用预冻结的方法先将含水物品快速低温冻结,然后在高真空的条件下,使物品中的冰晶升华,待冰晶升华后再除去物品中的吸附水,即成为冷冻干燥物品。冷冻干燥物品的残留水量一般在%1一4%左右。.2真空冷冻干燥特点真空冷冻干燥是物质脱水干燥的一种工艺措施,冻干一般分预冻、升华、解析3个主要过程.其中升华和解析是在真空条件下进行的.与其他干燥方法(自然风干、晒干、热风干燥)相比,具有以下特点:1.冷冻干燥在低温下进行,且处于高真空状态,因此对于许多热敏性的物质特别适用,如蛋白质、微生物之类不会发生变性或失去生物活力川。一些易氧化的物质得到了保护,保留了新鲜食品的色、香、味及营养成分。2.由于在冻结的状态下进行干燥,因此体积几乎不变,保持了原来的结构,不会发生浓缩现象。3.干燥后的物质疏松多孔,呈海绵状,加水后溶解迅速而完全,几乎立即恢复原来的性状。4.冻干产品脱水彻底,含水量低(2%一5%),重量轻,贮运方便;5.冻干制品采取真空或充氮气包装和避光保存,可保持5年不变质。由于重量轻,可室温贮运销售,对营销十分有利。与速冻制品相比,免除了运输储存、销售过程中消耗很高的冷藏链。.6在升华过程中溶于水中的可溶性物质就地析出,避免了一般干燥方法中的表面硬化和营养损失的现象。7.冷冻干燥产品价格高,设备投资大,成本高。1.3真空冷冻干燥技术的应用真空冷冻干燥技术用途广泛,涉及到生物工程、医药工程、食品工程、材料工程等领域。干燥产品质量优异,有毒有害物质可以回收。1.医药方面:维生素、抗生素、疫苗、活菌菌苗等。.2食品方面:蔬菜类、肉类、水果类、水产类、方便面类、速溶饮料等。3.各种标本、活组织方面:干花、动植物标本、移植的皮肤、角膜、骨骼、主动脉等。.4微生物和藻类方面:酵母、酵素、原生动物、微细藻类等。5.材料科学方面:制备粒径为纳米级的金属和陶瓷微粉,制备隔热轻陶瓷,合成超导粉等。.6在考古和古旧书画复原方面:如古旧书画的修补、图书馆的书籍、档案馆的文献复原等。其他:在放射性同位素及废核燃料中的应用,此外冻干还应用于非水溶液的干燥2l[。1.4国内外真空冷冻干燥的发展和应用冻干作为科学技术还是近百年来的事情。1890年Altmamr在制作标本时,为了防止标本中的物质在有机溶剂中溶解造成不可逆损失,改变过去用有机溶剂脱水的方法,而采用冷冻干燥法冻干了多种器官和组织.他的工作确立了生物标本系统的冻干程序,这是冻干在制作生物标本中的最早应用.1909年Shackn将冻干引入细菌学和血清血领域3l[。他采用盐冰预冻,在真空状态下用硫酸作吸水剂,对补体、抗毒素、狂犬病毒、免疫血清、肉和血液等进行冻干,其设备虽十分简陋,但却是后世先进冻干机的雏形.他在研究与开发生物制品、蛋白质的冷冻干燥技术方面开创了一个新纪元。1930年Flosdorf开始了食品冻干试验,1940年英国的Fikidd提出了食品冻干技术。第二次世界大战中,为了保证血液的供给,开发了真空冻干技术。1943年世界上最原始的食品冻干设备出现在丹麦['l。20世纪60年代至70年代,国外对食品冻干研究非常活跃。随后各发达国家将冻干技术广泛应用于医疗药品和食品工业领域。目前,国际上食品真空冷冻干燥已向自动化、工业化发展,规模也越来越大。真空冷冻干燥被认为是生产高品质脱水食品的最好的加工方法。国外冻干食品品种之多,已超过用冷藏、冷冻、罐头及其他热干方法中任何一种方法储存或加工的制品,营养品类:鳌粉、蜂蜜、蜂王浆、甲鱼、龟类等;水果类:苹果、香蕉、梨、桃、草墓等;还有水产类,肉类,饮料类等等。所以冻干食品在民用食品中已确立了稳固的地位。例如,美国销售的快餐食品中40%一5%0是冻干品,欧美销售的速溶咖啡中4%0~7%0是冻干品。日本冻干豆酱早就与喷雾干燥豆酱平分秋色。随着冻干技术的推广,对冻干理论和工艺的研究也逐渐兴旺起来。1944年,Flosdorf出版了世界上第一部有关冷冻干燥技术和理论的专著,而在描述真空冷冻干燥数学模型方面,许多人提出了各种各样的理论。提出最早和应用最广的模型是Sandll和King的冰界面均匀向后移动模型,简称UR工F模型,属于稳态模型。其主要思想是热量通过干燥层和冷冻层传导到升华界面,使升华得以进行。产生的水蒸气通过多孔的千燥层,在真空室内扩散,最后被真空泵抽到捕水器内捕集,随着升华的进行,冰界面向冻结层均匀地退却,在其后产生多孔的干燥层。这种模型描述液态和固态物料的冻干过程是有效的。但是,实际的干燥过程是非稳态的。为了接近于实际情况,1968年,D.2.Dyr。等又提出了准稳态模型[51。第三种模型是Lifehield和Liapis于2979年提出来的,称为解析一升华模型。在该模型中,认为冷冻层的冰升华和干燥层的吸附水解吸是同时进行的。国内的冷冻干燥事业起步较晚,我国冻干工业的发展在五十年代开始,而且由于技术、产品和经营上面的原因,没有得到很好的发展甚至处于停顿的状态。自70年代到80年代后期我国在真空干燥技术和设备方面进行了大量的科学研究工作,到了90年代己有长足的发展。70年代中期在上海等地建立了食品冻干车间,80年代开始,食品冻干技术受到了国际市场的影响,渐渐热起来,青岛第二食品厂率先引进日本的冻干设备,成立大洋公司,生产冻干葱,姜片等产品,主要销往日本.紧接着,宁夏寒利冰食品有限公司引进丹麦阿特斯公司生产的冻干设备,相继生产出冻干蔬菜、水果、肉类及调味品等产品,主要用于出口.我国全部冻干食品的年生产总量虽然逐年增加,但远远满足不了国际市场需求,所以发展前景十分广阔。冻干食品的国际市场售价很高、利润很大。如我国目前出口的冻干大葱卖价约为18万元/吨,冻干菠菜16万元/吨,冻干大蒜5万元/吨。这些商品的利润率一般都在40%左右6I]。如此高价也仍很抢手,难以满足需求。1995年以来,我国研究、开发真空冻干技术取得了可喜的进步,工艺技术达到了国外同类设备的先进水平.90年代以后生产的冻干机,绝大部分采用计算机进行自动控制,从冻干机的运行程序设定、执行、修改、冻干过程中温度、真空度、时间、含水量等主要参数的采集均能自动进行。冻干工艺、冻千理论的研究逐渐受到重视,2002年国内共召开3次与真空冷冻干燥有关的学术交流会。2002年1月8一10日在哈尔滨召开了“第八届全国干燥大会”,会议论文集收录了6篇有关真空冷冻干燥的文章,其中基础研究1篇,冻干设备研究3篇,冻干工艺研究1篇,综述性文章1篇。2002年8月26日一30日在北京召开了xDsI3htlnetmation已D叮ingsympposimu,论文集上刊登了与冻干有关的论文9篇,其中基础理论研究2篇,工艺研究7篇v[]。1996年9月在中国科大召开的中国真空学会四届会议上,香港专家邵公田曾大胆地预言,中国的冻干食品将大量走向市场,并且风靡全球8[]。1.5真空冷冻千燥的基本过程真空冷冻干燥过程可分为预处理、预冻、冻干和后处理。1.5.1预处理包括选择、切清洗、漂烫、杀菌、添加反应剂和抗氧化剂等。其目的是清除杂物,使之易升华干燥;清除醇素引起的变质;防止脂肪氧化和酵母引起的化学变质。同时切分尺寸及切口方位影响冻干速率。如在物料的切制成片时,应垂直于食品的纤维方向切断,这有利于干燥时产生的水蒸气逸出和提高部分传热系数,可减少能耗9[]。且物料厚度越小,消耗的能量也随着降低。在下阶段冻结过程中,食品的初始温度直接影响到冻结结束时平均温度,因此在预处理时应对食品进行预冷处理【`01。方法是将物料浸入温度为5℃一10℃的水中快速冷却。不同的食品,有不同的预处理工艺。预处理对冻干制品质量影响很大,需严格按工艺要求操作。1.5.2预冻预冻是将溶液中的自由水固化,使干燥后产品与干燥前有相同的形态,防止抽真空干燥时起泡、浓缩、收缩和溶质移动等不可逆变化产生,减少因温度下降引起的物质可溶性降低和生命特性的变化。一般来说预冻之前应确定三个数据。一是预冻速率,产品不同,其最优冷冻速率也不同,应根据试验来确定。二是预冻的最低温度,应根据该产品的共熔点来决定,预冻的最低温度应低于共熔点温度。三是预冻时间,根据机器的情况来决定,保证抽真空之前所有产品均已冻实。一般产品的温度达到预冻最低温度之后1一2小时即可开始抽真空升华。)l预冻速率预冻的速度影响真空冻干食品的质量与冻干速率。为了获得不同的降温速度,就要采用不同的预冻方法;例如有时需装箱之后才开始冻干箱的降温;有时需要让机器预先降到低温,再将产品装入冻干箱内。由试验中发现,预冻过程中会产生溶质效应和机械效应。溶质效应就是在预冻过程中,水分慢慢冻结而减少,导致溶液中电解质浓度逐渐升高,电解质浓度的增加引起蛋白质的变性,而使细胞死亡;另外电解质浓度的增加会使细胞脱水而死亡111】。溶质效应在某一温度范围最为明显,这个温度范围是在水的冰点和该液体的全部固化温度之间,为了减弱溶质效应,需要以最高的冻结速率越过这个温度范围。机械效应就是预冻速度慢,产生冰晶大而不规则;干燥时对于水蒸气扩散阻力小,有利于升华。但会对细胞组织产生严重的机械损伤,影响成品的弹性和复水性,且复水性差。而快速冷冻产生的冰晶较小,形成的晶核数量越多,孔隙度越小,阻力越大,水蒸气只有靠渗透穿过己干的固体膜层,干燥时间大大延长,不利于升华,但干后复水性好。解决这个问题只需要增大冰晶体的体积。从实验得知,食品温度在一1℃一5℃时,其绝大部分从液相变为固相,被称为最大冰晶生成带。有经验的技术员会在冻结阶段将预先设置的温度(一1℃一10℃)保留一段时间,以促进冰晶的生长l[2}。冷冻干燥食品的香味对消费者来说是判定它质量的一个重要准则,研究认为,具有芳香风味的食品,慢冻过程中冰结晶之间的固体物质部分较大,升华中通过扩散香味损失减少,有利于芳香的保持。对于药品、抗菌素以及血清,血浆和蛋