冷冻干燥

真空冷冻干燥技术真空冷冻干燥发展历史食品真空冷冻干燥的理论基础真空冷冻干燥工艺与设备真空冷冻干燥技术的应用主要内容真空冷冻干燥的特点真空冷冻干燥真空冷冻干燥又称为升华干燥或冷冻干燥，简称“冻干”（FD），它是将物料冻结到共晶点温度以下，在真空条件下，通过升华除去物料中水分的一种适合热敏物质的干燥方法。1国外冷冻干燥历史1811年1940年1943年1989年应用于医学界英国提出了冷冻干燥食品技术丹麦出现冻干设备索菲亚成立了低温生物性和冷冻干燥技术研究所真空冷冻干燥发展历史一2国内冷冻干燥发展历史50年代中国冻干技术开始起步60年代引进的同时，自行设计制造70年代80年代90年代冻干食品几乎消失冻干食品开始复苏冻干食品得到快速发展食品冷冻干燥理论基础二水的相平衡图1压力/Pa温度/℃SLKO水的平衡相图(p－T图)固相液相气相2.11×107610.50.013740水的临界点冷冻干燥原理2pTSLKO水的平衡相图(p－T图)液相区气相区固相区Tf真空冷冻干燥就是先将固体湿料冷冻到“三相点”以下，使湿料中的水分变成固态（冰）；然后在真空环境下加热，使冰直接升华为水蒸气逸出；并通过不断移走水蒸气，使物料脱水而干燥。湿物料预冻升华干燥冻干产品水分(物料冻结)(除非结晶水)解析干燥(除残余水分)真空冷冻干燥流程框图物料中水分的冻结3冷却速度影响生物细胞破坏表现为两种现象：两种影响效应机械效应溶质效应细胞内部冰晶生长的结果。细胞间液体的浓缩。六角对称冰晶树枝型冰晶冷却速度冷却温度物料浓度冰晶类型冷冻干燥中的传热与传质4进行冷冻干燥的必要条件：提供冰晶升华所需的升华潜热1及时将升华出来的水蒸气除去2理想条件下冷冻干燥中的传热与传质(a)忽略传热(b)接触传热(c)辐射传热冰升华过程的图解表示(a)忽略传热在此理想情况下，根据气体分子撞击率来分析，可推知最大升华速率应正比于冰的蒸汽压pi反比于冰的热力学温度的平方根，故有：)/(maxskgTApKdtdWiiomaxdtdW——最大升华速率，kg/sA——升华面积，m²Ti——冰的热力学温度，KPi——冰的蒸汽压，N/m²Ko——常数，取决于升华物质的相对分子质量对于冰，在SI制中，Ko值为0.0184在理想情况下，维持升华速率需要供给的升华潜热（kJ/s）为：isiosTLApKLdtdWQmaxLs——冰的升华热，kJ/kg(b)接触传热冰块下表面温度维持在Tw＜273K设冰的热导率为λi，冰层厚度为di，则传热速率为：(b)接触传热iwiiiTTAdvTw——冰块的下表面温度，KTi——冰的热力学温度，K辐射传热实际情况下冷冻干燥中传热与传质与一般干燥过程一样，实际上冷冻干燥也是传热和传质同时进行的操作，因而同时存在着传热和传质的阻力。升华速率表示为：osdciRRRppAdtdWRd——食品内部已干层的阻力；Rs——食品与冷阱之间部分的阻力；Ro——表面升华反应阻力；pc——低温冷凝器中水的蒸汽压，Pa；pi——冰的蒸汽压，Pa；从传热方面看，供热应足以满足水分升华所需，故：osdscisRRRLppALdtdWQQQmmmmmQ真空冷冻干燥的特点3三（1）传统干燥会引起材料皱缩,细胞破坏,但在冷冻干燥的过程中样品的结构不会被破坏,且保留了产品的生物和化学结构及其活性的完整性；（2）真空冷冻干燥是在较低温度（低于水的冰点）下进行操作，对于许多热敏性物质的干燥特别适用。例如，对蛋白质、微生物等物质，采用真空冷冻干燥不会发生变性或失去生物活性；（3）物料中的一些挥发性成分或营养成分损失很小，比较适合一些生化制品或食品的干燥。（4）因物料的干燥是在真空、冷冻条件下进行，系统中高度缺氧，能较好地抑制微生物的生长，使易氧化的物料受到较好的保护；YOURTOPICGOESHEREYOURSUBTOPICGOESHERE（5）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，恢复原来的性状。（6）满足宇航、旅游等人员需求。冷冻干燥也存在着缺点:设备造价高;工艺时间长(典型的干燥过程周期需要20h左右);生产成本高;能源消耗大;工艺控制的要求高。冷冻干燥的缺点预处理装盘速冻捕水器温度降至－40℃以下加热真空升华干燥解吸干燥包装食品冻干工艺冷冻干燥工艺及设备4四1、产品的前处理液态、糊状冻干加工成粉末或颗粒状成品。如：咖啡、蛋黄、蛋白、果汁、天然色素、香料、肉汁、汤类、红茶、豆酱、小球藻等。小块固体将原料作整形调整和防变质处理，使之成为适合于冻干和保存的原料。将原料切成均匀的薄片、小方块或小段灭酶添加亚硫酸盐、维生素c等2、共熔点及其测量方法溶液并不是在某一固定温度时凝结，而是在某一温度范围内凝结，当冷却时开始析出晶体的温度称为溶液的冰点。冰点、凝固点、熔点、共熔点溶液全部凝结的温度叫做溶液的凝固点。熔点，即融化的开始点。共熔点，溶质和溶剂共同熔化的点。不同原料的共熔点不同，原料的共熔点依其组成成分而异。因此，必须准确测定每种原料的共熔点后，才有可能按此共熔点进行冻干。共熔点测定是根据导电溶液的电阻与温度相关，当温度降低时，电阻增大，当降到共熔点时，电阻即出现突然增大现象，此时的温度即是该溶液物质的共熔点。共熔点测定示意图3、产品的预冻预冻是指干燥前须将物料进行在低温下冻结，使物料固定，为升华干燥做准备。或者说，预冻是真空冷冻干燥操作的准备阶段。在实际操作中，预冻阶段的最低温度、预冻速率和预冻时间是重要的工艺条件。预冻方法箱内预冻法箱外预冻法离心式预冻法4、升华干燥升华干燥是使冻结物料中的冰升华为水蒸气，使物料脱水。升华阶段称为第一阶段干燥。主冻干的真空度冻干箱的合适压强一般认为是10-30Pa之间，在这个压强范围内，既利用与热量的传递又利于升华的进行。冷凝器始终要低于﹣40℃以下的低温。主冻干的温度在产品的第一阶段干燥时，除了要保持冻结产品的温度不能超过共熔点以外，还要保持已干燥的产品温度不能超过崩解温度。某些已干燥的产品当温度达到某一数值时会失去刚性，发生类似崩溃的现象，失去了疏松多孔的性质，使干燥产品有些发黏，相对密度增加，颜色加深。冷凝器温度冻干箱压强产品温度板层温度升华时提供的热量直接影响着升华干燥速率。物料的装填厚度直接影响着升华干燥速率影响升华干燥阶段的时间长短的因素：不同种类的冻结物料，所需的升华干燥时间不同。物料种类Ⅰ物料装填厚度Ⅱ热量Ⅲ5、解析干燥一旦产品内冰升华完毕，产品的干燥便进入了第二阶段。在该阶段虽然产品内不存在冻结冰，但还存在10%左右的水分，为了使产品达到合格的残余水分含量，必须对产品进行进一步的干燥。此时的干燥常称为解析干燥，或第二阶段干燥。升高温度到产品允许的最高温度恢复高真空影响干燥过程的因素：产品内部的阻力：水分子通过已经干燥的产品层的阻力。容器的阻力：容器的阻力主要来自瓶口，瓶口大，则阻力小。机器本身的阻力：主要是冻干箱与冷凝器之间管道的阻力。另外，阻力还与冻干箱的结构和几何形状有关。产品的温度：提高冻干箱内产品的温度，能增加冻干箱内水蒸气压力，加速水蒸气流向冷凝器，加快质的传递增加干燥速率。6、冻干的后处理通入无菌空气密闭保存充氮气后密封保存抽真空密封保存7、冻干设备真空冷冻干燥器常称为冻干机，其种类繁多。由系统功能来看，冻干机主要由制冷系统、真空系统、加热系统和控制系统等四个部分组成。从设备结构来看，冻干机主要由干燥室、冷凝器（冷阱）、真空泵、阀门、电气控制元件等部件组成。干燥箱冻干机内部搁板冷凝器列管式冷凝器蛇管式冷凝器效率低，一般在30%左右真空度低，极限压强2000~4000Pa水环真空泵水蒸气喷射泵罗茨泵冷冻干燥的传热方式主要采用传导和辐射两种。传导方式加热的系统主要是利用载热体通过加热板来实现。常用的热源有电流、煤气、石油、天然气和煤等，载体有水、水蒸气、矿物油、乙二醇等。传导加热间歇式冷冻干燥设备：（1）适用于多品种、中小批量的药品和食品生产，特别是适合季节性强的食品生产；（2）单机操作，如一台设备发生故障，不会影响其他设备的正常运行；（3）便于设备的加工制造和维修保养；（4）便于控制物料干燥时不同阶段对加热温度和真空度的要求。其缺点是：（1）由于装料、卸料和启动等预备性操作，使设备的利用率较低，能量浪费大；（2）对于较大产量的生产要求，往往需要多台单机，且各单机均需配以整套的附属系统。连续式冷冻干燥设备：摆脱了单批次加料出料形式原料的冻干在一个全部封闭的加工系统内预冻，保温，升华干燥独立执行缺点是：设备庞大、复杂，难于加工制造，尤其是装、卸料口的真空密封问题，需要较高的加工工艺。真空冷冻干燥技术的应用五冻干食品冻干药品冻干样本