真空冷冻干燥与设备

真空冷冻干燥一、真空冷冻干燥原理二、真空冷冻干燥的特点三、真空冷冻干燥器四、真空冷冻干燥技术的应用一、真空冷冻干燥原理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。即：pTABCDO水的平衡相图(p－T图)液相区气相区固相区Tf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真空冷冻干燥流程可知，该过程可粗略地分为预冻、升华、解析三个主要步骤，其中升华和解析是在真空条件下进行的。真空冷冻干燥过程⑴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。①预冻最低温度溶液的预冻与水或纯液体的冻结不一样，它不是在某一固定温度下完全凝结成固体。而是在某一温度下，晶体开始析出；随着温度的下降，晶体的数量不断增加，直至全部凝结。这就是说，溶液的冻结是在某一温度范围内（凝程）。当溶液在冷却时，开始析出晶体的温度常称为溶液的冰点；当溶液全部凝结时，此温度称为溶液的凝固点（或熔点）。温度组成ABE二组分简单低共熔相图A(s)－B(l)A(l)－B(s)A(s)－B(s)A(l)－B(l)对于溶液而言，此凝固点就是溶质和溶剂的共熔点。在真空冷冻干燥操作中，物料预冻的最低温度应根据其共熔点来确定。一般物料预冻的最低温度应低于其共熔点的温度。②预冻最优速率在溶液预冻过程中，预冻速率的快慢往往会影响着生物活性以及形成晶体的大小，进而影响后续升华干燥速率及干燥产品的性状。因此，进行真空冷冻干燥操作前，须根据具体的干燥产品测定出预冻的最优速率，控制预冻操作。共熔点③预冻时间预冻时间与预冻速率是相关的，可根据冻干物料种类及冷冻设备情况确定。例如：对细胞悬浮液进行冷冻。若预冻时间缓慢，悬浮液大量的冰生成，会使细胞挤在冰空隙中；空隙中，因冰的形成使溶液浓缩，迫使细胞内水渗透出，造成细胞内细胞质的浓缩，不易结冰。同时，冰的形成还将迫使细胞变小、变形。恰当的预冻时间除了须考虑冻干物料的种类外，还须保证在抽真空前物料已冻实，不至于因抽真空使物料冒出容器。若进行快速预冻，则可形成胞内冰。一般来说，冷冻速度越快，温度越低，胞内冰的形成越多。精子冷冻⑵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，主要除去冻结物料中大部分（约90％）非结晶水。升华干燥阶段的时间长短，主要与下列因素有关。②物料装填厚度物料的装填厚度直接影响着升华干燥速率，物料装填越厚，所需的升华干燥时间越长；反之，物料装填越薄，所需的升华干燥时间越短。①物料种类不同种类的冻结物料，所需的升华干燥时间不同。一般而言，共熔点温度较高的物料易于干燥，所需的升华干燥时间较短；反之，共熔点温度较低的物料难以干燥，所需的升华干燥时间较长。冻干胡萝卜块③热量升华过程是一个吸热过程，升华时提供的热量直接影响着升华干燥速率。在升华干燥过程中，若提供的热量不足，必然会减慢升华速率，延长升华干燥时间；反之，会加快升华速率，缩短升华干燥时间。冰(s)水蒸气(g)升华、吸热凝华、放热冰(s)水蒸气(g)升华凝华水(l)熔化气化注意：若升华时提供的热量如果过多，会导致冰熔化，改变相变化路线，使干燥产品性状受到严重影响。⑶解析干燥升华干燥阶段只除去了冻结物料中约90％的非结晶水，还含有约10％的残余非结晶水。这部分水是未被冻结的，是靠范德华力吸附在物料毛细管壁上或靠氢键粘附在物料的极性基团上。实现。此处应注意，解析干燥的温度不能超过物料的最高允许温度。为了确保干燥产品的安全，可通过实验来确定解析温度。例如：细菌产品的最高干燥温度一般为30℃，血清、抗生素等产品的最高干燥温度一般为40℃。为了使干燥产品的含水量达到标准，还需对物料进一步干燥，除去此部分水。此时的干燥常称为解析干燥，或第二阶段干燥。OHHO＝CNHHOHH氢键解析干燥阶段一般是通过升高干燥操作温度来二、真空冷冻干燥的特点与通常的晾晒、烘干、喷雾干燥等方法相比较，真空冷冻干燥有其许多突出的特点。1.真空操作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。2.冷冻操作由于物料的干燥是在冷冻下进行操作，物料中的水分由冰直接升华为水蒸气被移出，使得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。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.低温操作4.真空冷冻操作物料在真空冷冻操作下干燥，可排出物料中99％左右的水分，使得到的干燥产品不易收缩，不易变质，能较好地保留物料的构造（营养纤维和固状物），使其加水后能迅速水化，恢复原来的性状。因此，采用真空冷冻干燥方法生产的食品更接近新鲜食品的风味。冻干蔬菜冻干香蕉三、真空冷冻干燥器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。1.ZG系列真空冷冻干燥机该设备主要由干燥箱、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等六大部分组成。该设备在食品工业主要用于果蔬、肉禽、水产、调味品、方便食品及名优特产等干燥；在医药工业方面主要用于血浆、疫苗、酶、抗生素、激素等中西药品的脱水与保存。该设备结构紧凑，占地面积小，操作方便。可用于医药工业、生物化学工业等产品的脱水干燥。2.LGJ台式真空冷冻干燥机该设备采用风冷方式散热，不需水冷却，造型美观，结构紧凑，操作方便。可用于医药、生物化工等产品的脱水干燥。3.FD-2真空冷冻干燥机4.NLG型真空冷冻干燥机该设备的板层温度控制系统是一个双泵系统。冷凝器的冰负荷容量大，可满足工业化生产的大负荷需要。自动控制系统调整功能强，在很多不正常的情况或误操作下，仍可顺利地按照冻干曲线完成冻干工艺过程或保护产品，也可以方便地进行手动控制。该设备可用于食品、医药、生物化工等产品的脱水干燥。5.ZDGS系列真空冷冻干燥设备ZDGS系列真空冷冻干燥设备是由一台或多台冻干机及相应的制冷系统、真空系统、加热系统、电气控制系统、除霜系统、物料运输系统、气动系统组成。该干燥设备动化程度高、能耗低、操作简单、维修方便、物料托盘清洗方便，主要用于各种农副产品的深加工和生化制品的生产。冻干食品播放应用•生物制品方面疫苗、诊断制剂、血清制品等的冻干•医药工业方面•抗生素、维生素、酶制剂、血液制品等的冻干•食品和化学工业方面速溶咖啡、果汁、催化剂等的冻干例：大蒜冷冻干燥工艺•目的：提高产品出口率；大大提高大蒜制品的附加值；使大蒜应用前景更加广阔。操作要点•1原料预处理：选取无病虫害、无严重损伤、饱满的大蒜头，去除蒜衣膜，洗净，切片，厚度控制在7~8mm。为保留大蒜原有风味，切片后不经漂烫直接进入预冻。•2预冻：预冻温度设在-25℃。•3升华干燥：对物料进行升温过程中，始终保持物料温度低于但又接近物料共晶点。操作压力控制在13.3～40Pa。•解析干燥：该阶段虽然产品内不存在冻结冰，但产品内还存在10%左右的水分，在该阶段，可以使板层的温度迅速地上升到该产品的最高允许温度，并维持到冻干结束为止。实验结论•1大蒜共晶点为-18℃。•2冷冻干燥的最佳工艺为：操作压力13.3～40Pa条件下，升华干燥温度控制在-20℃左右，隔板加热温度控制在40℃，冻干时间约为12h左右。•3蒜片厚度为8mm时，设备生产能力达到最大，产品得率为14.7%。产品含水量为2.8%，复水率是86.3%。干燥成品