冷冻干燥工艺流程及其应用-

冷冻干燥工艺流程及其应用目录冷冻干燥工艺的原理及特点…………………真空冷冻干燥机组成…………………………冷冻干燥工艺……………………………………食品冷冻干燥技术的运用……………………冻干食品的特点…………………………………我国食品冻干技术面临的问题………………冷冻干燥工艺的应用前景……………………结论…………………………………………………参考文献……………………………………………冷冻干燥工艺流程及其应用1冷冻干燥工艺的原理及特点1.1冷冻干燥工艺原理冷冻干燥就是把含有大量水分的物质，预先进行降温冻结成固体。然后在真空的条件下使水蒸汽直接从固体中升华出来，而物质本身留在冻结的冰架子中，从而使得干燥制品不失原有的固体骨架结构，保持物料原有的形态,且制品复水性极好。然后在适当的温度和真空度下进行冰晶升华干燥，等升华结束后再进行解吸干燥，除去部分结合水，从而获得干燥的产品的技术。冷冻干燥过程可分为制品准备、预冻、一次干燥（升华干燥）、二次干燥（解吸干燥）、和密封保存五个步骤。利用冷冻干燥目的是为了贮存潮湿的物质，通常是含有微生物组织的水溶液，或不含微生物组织的水溶液。产品在冻结之后置于一个低水气压下,这时包含冰的升华,直接由固态在不发生熔化的情况下变成汽态。与其他干燥方式相比避免了化学、物理和酶的变化，从而确保了制品物性在保存时不易改变。实际需要的低水汽压是靠真空的状况下达到的。图1：水的平衡相图1.2冷冻干燥工艺存在的优缺点1.2.1冷冻干燥工艺的优点（1）冷冻干燥的过程中样品的结构不会被破坏,因为固体成分被在其位置上的坚冰支持着,在冰升华时会留下孔隙在干燥的剩余物质里。这样就保留了产品的生物和化学结构及其活性的完整性;（2）蛋白多肽类药物在高温下容易变性,造成干燥后生物活性的降低;冷冻干燥的过程是在低温状态下进行的,工艺过程对组分的破坏程度小,热畸变极其微弱,对不耐热药物特别是蛋白质多肽类药品非常适合[1];（3）冷冻干燥的药剂为液体,定量分装比粉剂或片剂精度高;用无菌水溶液调配且通过除菌过滤、灌装,杂质微粒小、无污染。制品为多孔结构,质地疏松,较脆,复水性能好,重复再溶解迅速完全,便于临床使用;（4）冻结物干燥前后形状及体积不变化;干燥后真空密封或充氮密封,消除了氧化组分的氧化作用。1.2.2冷冻干燥工艺的缺点（1）设备造价高,干燥速率低,能耗高。（2）工艺时间长（典型的干燥过程周期需要20小时左右）。（3）生产成本高，能耗大。（4）生物活性物质采用冻干制剂主要是为了保持活性,但配料选择不合理，工艺操作不合理，冻干设备选择不适当都可能在冻干制剂制备过程中失活,导致产品前功尽弃,这是生产冻干制剂的关键,需进行基础研究和针对特定产品反复试验。（5）溶剂不能随意选择,只限于水或一些冰点较高的有机溶剂,所以很难制备某种特殊的晶型,有时冻干品在复水溶解时会出现浑浊现象,这些均为开发冻干制剂所必须考虑和实验研究的。2真空冷冻干燥机组成冷冻干燥机主要由干燥箱、冷凝器（捕水器）、加热系统、真空系统、制冷系统和电气控制系统六大部件组成。图2：真空冷冻干燥机结构组成2.1干燥箱干燥箱是一种能抽真空和加热的密闭器，物料的升华干燥过程是在干燥室内完成的，物料是放在干燥室内搁板上的不锈钢托盘内的，按每平方托盘面积8～12公斤的比例装料[2]，每一层搁板上都有一个可供测量物料温度的探头，用以监测整个冻干过程中的物料温度，门采用橡胶密封条，门要求制作的十分严密可靠，否者不能达到预期的真空度。2.2冷凝器（捕水器）冷凝器是凝结升华水汽的密闭装置，内部有一个较大面积的金属吸附面，从干燥箱物料中升华出来的水蒸气可凝结吸附在其金属表面上，吸附面的工作温度可达—45℃～—55℃[3]，冷凝器外形是不锈钢或铁制成的圆筒，内部盘有冷凝管，分别与制冷机组相连，组成制冷循环系统，冷凝器与干燥箱连接采用真空蝶阀；采用不锈钢管与真空泵连接组成真空系统，筒内冷凝管上部装有化霜喷水管，它通过真空隔膜阀与水管连接，这是为了保证化霜水等不进入干燥箱和真空管道。2.3加热系统冷冻干燥机加热系统的作用是对干燥箱内物料进行加热，以便使物料不断的得到升华热，使物品达到规定的含水率要求，冻干机加热系统有不同的加热方法，在接触式加热中，采用的是循环介质加热法。循环加热系统由管道泵、循环介质箱、加热器、进出管路、液温控制器等组成循环液可由水4份、乙醇2份，乙二醇4份配置成循环不冻液，其凝固点为-120℃，在使用时液温最高不超过60℃，现大部分冻干设备已经采用硅油作为循环液[4]。当加热系统工作时，先对循环液进行加热，液温通过液箱控制调节仪选定的温度自动控制加热，管道泵开启后，可将循环液送人干燥箱内搁板中，对搁板加热，然后返回液箱进行加热循环。而在辐射或加热中我们采用蒸汽加热最高温度为120℃，由蒸汽电磁阀自动控制温度。2.4真空系统真空系统有旋片真空泵或水环泵和罗茨真空泵组成，罗茨泵为增压泵不能单独使用，必须首先启动旋片泵或水环泵，使其工作一段时闻，当系统中的真空度达到1Kpa以下时，再自动启动罗茨泵[5]。该真空系统的真空表可使用电接点真空表，可根据预先选定的真空度值。自动控制罗茨泵的启动。干燥箱与冷凝器之间真空管道中，装有真空蝶阀，可根据使用要求随时开、关。真空泵管路上，装有电磁放气截止阔，当真空泵停止工作时可自动关闭真空管路，同时将空气放人泵内，避免真空泵油因负压作用回放至真空管路中。真空泵的连接管路之间装有波纹软管，防止运转时的振动。2.5制冷系统冻干机制冷系统由制冷压缩机组(包括：水冷冷凝器，油分离器、高压管路、干燥过滤器、膨胀阀、蒸发器、低压管路组成)，采用氟利昂机组和R22[6]制冷剂或氟制冷机组，制冷机组组成使冻干品速冻用的制冷系统和捕水器制冷系统。当系统工作时，接触加热方式中搁板温度可降至一35℃。当制冷系统工作时，冷凝盘管的表面温度可达一35℃一55℃，根据客户需要采用单级或双级制冷压缩机组，制冷效果好。2.6电气控制系统冷冻干燥机的电气控制系统由电脑显示记录仪、控制台、控制仪表、调节仪表等自动装置和电路组成。它的功能是对冷冻干燥机进行手动或自动控制，控制设备正常运转。控制台是温度、真空度巡检仪的记录控制仪表及各机组开关的集中集团，控制台的仪表板装有温度，真空度巡检仪，干燥箱和真空泵的真空计，温度指示调节仪，液温控制调节仪，计时钟等。按钮板上装有各机组的开关等。冻干机还设有连锁保护装置，如①静箱制冷时加热管不能工作。②真空表不到设定值，罗茨泵不能启动。③冷却水未提供，制冷机组不启动。④真空泵、电磁阀带放气截止阀与真空泵电源表连在一起，同时工作。⑤搁板加热恒温，由温度指示调节仪控制。3冷冻干燥工艺↑湿物料—→—→—→↓冻干食品3.1预冻预冻是为了固定产品,以便产品在高真空条件下干燥,并使成品具有与干燥前相同的形状。预冻至关重要,众多产品的成型问题、质量问题都是预冻条件控制不当造成的。预冻与温度、时间、真空度(实际操作中,一般预冻时不考虑真空度)都有密不可分的关系。3.2升华干燥升华干燥是冷冻干燥的主要过程,其目的是将物料中的冰通过升华而逸出。升华有2个基本条件:一是保证冰不溶化;二是冰周围的水蒸汽必须低于物料冻结点的饱和蒸汽压。因此要求在升华干燥时一方面要将形成的水蒸气抽走,使干燥箱内压力低于要求的饱和蒸汽压,另一方面要连续不断地提供维持升华所需的热量,加快干燥速度。这便需要对压力和隔板温度进行优化控制,以保证升华干燥能快速、低耗的完成。影响此过程的因素主要为温度和压强。预冻（物料冻结）升华干燥（除非结晶水）解析干燥（除残余水分）水分3.3解吸干燥物料中所有的冰晶升华干燥后,物料内留下许多空穴,但物料的基质内还留有残余的未冻结水分质量分数在10%左右,解析干燥就是要把残余的未冻结水分降低,使其质量分数达到2%左右,最终得到干燥物料。该阶段的最高温度视产品性质及成品要求的含水量而定。为使含水量符合要求,可适当提高温度(但以不破坏产品的生物活性为宜),一般控制为25~30℃[7]。再干燥阶段的压强需适当调高,这样利于制品传热,加快升温速度。当制品温度完全达到导热媒设定的温度时再恢复高真空,此时压力控制的关键是恢复高真空的时间,这样可加快升华速度,缩短干燥时间。4食品冷冻干燥技术的运用4.1在特殊食品用途中的加工在航天、航海、军队、登山、探险等野外作业所用的食品中已广泛使用真空冷冻干燥技术。4.2在嗜好及香味、调味食品中的应用咖啡、茶以及各种香、调味料满足人们的嗜好及对香味、滋味的感官要求。由于有效成份的不稳定性，使用传统的干燥方法难以满足这一点。真空冷冻干燥低温、高真空度的加工方式使其在该领域很快找到了用武之地，并且产品深受大众的喜爱，生产规模不断扩大，在同类产品中的比例不断提高。4.3在保健食品和方便食品中的应用真空冷冻干燥制品能良好地保存加工原料的营养保健成份以及色、香、味、形。这一优良性能在方便快餐食品中体现尤为出色，表现出了强劲的发展势头，如日本的方便食品中约有50％是冷冻干燥食品。图3冻干食品5.冻干食品的特点冻干食品虽然发展历史只有五十多年，但发展速度很快、应用领域也越来越广。就产品质量而言，冻干食品优于热风干燥、喷雾干燥、真空干燥等传统脱水食品。就运输和贮存费用而言，冻干食品优于速冻食品和罐藏食品。由于冻干食品容易复水，且最大限度的保留了新鲜食品的色、香、味。因此许多冻干食品是高质量的速食方便食品。由于冻干食品最大限度的保留了食品原料的营养成分和生理活性成分。因此，许多功能性食品或其基料采用冻干食品。冻干食品的高附加值可以弥补其生产成本高的缺点。对于价格昂贵的食品原料更是如此由于真空冷冻干燥在低温低压下进行，而且水分不经过液态直接升华，真空冷冻干燥产品可确保食品中蛋白质、维生素等各种营养成份，特别是那些易挥发的热敏性成份不损失，因而能最大限度地保持原有的营养成份，有效地防止干燥过程中的氧化、营养成份的转化和状态变化。冷冻干燥制品成海绵状、无干缩、复水性极好、食用方便、含水分极少，相应包装后可在常温下长时间保存和运输。因此赋予其产品许多特殊的性能：1.脱水比较彻底，有利于长时间贮存。2.物料干燥过程在冻结状态下完成，与其它干燥方法相比，其产品相对于新鲜物料的收缩率要小得多，较好地保存了其原料的组织结构和外观形态。3.不存在表面硬化问题，且内部呈多孔的海绵状，因而具有优异的复水性。这一性能在即食方便食品中体现出了非常明显的优势。4.由于干燥过程在很低的温度下进行，而且基本隔绝了空气，有效地抑制了热敏物质的生物的、化学的或物理的变化。充分保存了原料中的营养成份和活性物质，较好地保持了原料的天然色泽和气味。5.减少了产品的含水量，降低了重量，便于运输6我国食品冻干技术面临的问题冻干的食品若作为普通消费食品仍存在成本高的问题，尤其是在我国食品市场上很难见到冻干食品。目前，我国冻干食品主要还是作为特殊用途的食品。若使冻干食品被大家广泛的接受，必须从两个方面考虑：一是消费者方面考虑，针对不同的冻干产品，什么样的价位大家能够接受；另一个从冻干食品生产厂家考虑，必须使其技术不断完善，生产成本不断降低，使冻干食品在市场有竞争力。技术的完善须从两个方面考虑：一是改善冻干设备及工艺，使其能耗降低，生产率增加；二是选择合适的冻干原料，使其具有高附加值。目前我国食品冻干很不完善，具体表现在：（1）冻干设备方面目前我国生产的真空冻干机绝大部分仍是仿制七、八十年代国外产品,其作业方式为间歇式。间歇式操作需停机装卸料、破空、冷却、二次加热、制冷、抽真空等环节，所以能耗增加，生产效率降低。国外食品冻干搁板面积均为几百平方米,有的逾千平方米,作业方式有连续式和间歇式而国内生产的冻干机搁板面积大多数在百平方米以下,因此,许多单位不得不并用几台设备进行生产,造成冻干食品成本增加。(2)冻干工艺方面目前对冻干工艺的研究多集中在小型冻干实验机上冻干某些具体物料的样品,而多数研究又都集中在工艺参数对冻干速率影响上,将其作为多变量因素进行研究,而这些研究工作脱离了食品冻干工艺过程的特点,对冻干工艺参数及其