固态食品常压吸附流化冷冻干燥与真空冷冻干燥分析比较及探索.pdf

墨 曼 Q Q 璺 ： 皇 垒 曼 CN 1 3 1 2 65 TE 承德 石油 高 等 专 科学 校 学 报 J o u r na l of Che n gde Pe t r o l e u m Co l l e ge 第 3卷第1期 ， 2 0 0 1年 3月 V o1 3。 N o 1。 M a r c h 2 001 固态食品常压吸附流化冷冻干燥与 真 空冷 冻干燥分析 比较及探 索 李 心 刚 J ( 承德石 油高等专科 学校 ， 河北 承德0 6 7 0 0 0 ) 摘 要 ： 介 绍了 常压 吸附 流化 冷冻 干燥 ， 并 与真 空冷 冻干 燥做 了多方 面 比较 。 由于前 者 具有 设备 简单 、 能耗 低 等优 点 ， 可 能成 为一 种新 型冷冻 干燥 技 术而具 有 研究开发 的 价值 。 关键词 ： 冷 冻干 燥 ；流 化吸附 ；节 能分 析 中图 分类 号 ： TU8 3 1 5 文献 标识 码 ： B 文章 编号 ： 1 0 0 8 9 4 4 6 ( 2 0 0 1 ) 0 1 0 0 4 3 0 3 l 前 言 冷 冻干燥是现代 干燥技术 的 一个 重要领 域 ， 具 有其 它干燥方式不 可替代 的地位 ， 可广泛应 用于医 药 、 医疗 、 生物工程 、 食品加工 、 高级 陶瓷的制 备等科学技术领域 。 与其它 干燥方法相 比具有许多优点L 1 ： 1 干燥 是在低于 水的三相点压 力( 6 1 0 5 P a ) 和低温 ( O 以下) 进 行的 ， 故特别适 用于极 为热敏和易 氧化的物料干燥 ， 并可 抑制菌类的繁殖 。干燥后 ， 保 存时间长 。 2 物料预 冻结后 ， 水分和溶质在 冰晶中均匀分布 ， 水分升华时溶质就地析 出 ， 避免 了像 蒸发干燥 那 样 ， 因水分携带 溶质至物 料表面而造 成表面硬化 ， 可保持食品原有的营养及 色、 香 、 味。 3 物 料在预 冻结后 ， 形成稳 定的 固体 骨架 ， 升 华干燥后 ， 物料 固体骨 架基本保持 不变 ， 并呈多孔结 构 ， 具 有 速 溶 性 和 快速 复 水性 。 冷冻干燥除在 医疗 、 制药 行业 有较多的实际应用以外 ， 在食品干燥等方 面的应用还很有 限。这主要 是 由于现在通 用的冷冻干燥机必须 借助真空泵的抽 吸形成 低压 ， 同时需制 冷设备提供 一4 0 “C以下的低 温条件 ， 用作 蒸汽凝结器的冷源 ； 还要 求干燥仓本 体制造精密 ， 保证严 格密封 ， 这就构成 了设 备复杂 、 成 本 高 、 电耗 量大的严重缺 陷。鉴于初投 资和运行 费用均很 高 ， 故产品价格 昂贵 ( 以真空冷冻干燥食 品为 例 2 ， 牛 肉 1 7 O元 千克 、 蒜片 6 8元 千克 、 菠 菜 1 9 0元 千克) ， 成为其扩 大应 用的主要障碍 。 为此 除了就 真空冷 冻干燥本 身进行 研究改进 外 ， 也 需要探索新 的冷冻干燥方法 。七十年代开始 ， 国际上 出现 将吸附 流 化干燥技术应用 于冷 冻干燥 的构想 ， 并进行 了一些理论与实践的研 究 。 2 常压 吸附流化干燥 与真空冷冻干燥原理及特点 当水的状 态处 于三相 点 ( P=6 1 0 P a ， T_-0 0 1 ) 以下时 ， 水的 固 一汽相 变可 由冰直 接升华 为水蒸 汽 ， 冷冻干燥即应用这一现象进行的 。在冷冻干燥过程 中， 预 冻结物料 内形成 以升华界面划分成的冻结 层和干燥层 ， 随 着干燥 的进 行 ， 升 华界 面不 断向冰层 内部移动 ， 直 至完全 消失 ， 物料升华干燥结束 。为了 保证升华界面 上所产生的水蒸 汽能不断 向物料表面 外的环境扩散 ， 环境 的水 蒸汽分压 力须 保持 低于升 华界面上所产生的蒸汽饱和压 力 ， 同时外界还需要不断向升华界 面传输冰升 华所需的热量 。 在真空冷 冻 干燥过程 中 ， 环境水蒸 汽分 压力是利 用真空泵 的抽吸作用 ， 降低总压力来维持 的 ， 升华热则通过 干层 或 冰层的导热 ， 在物料周 围的热辐射或 微波加热等方式来实 现。在 吸附流化冷冻干燥 中( 如 图 1 ) ， 流化床 收稿 日期： 2 0 0 1 0 2 0 2 作 者简 介 ： 李心 刚 ( 1 9 6 5 一 ) ， 男 ， 承 络石 油 高等 专科 学校 热工 系讲 师 ， 主 要从 事热 能工 程 、 空调 制冷 方 面的 教学 与研 究 维普资讯 4 4 承 德石 油高等专科学校学报 第 3卷第 1期 的总压力可保持常压 ， 利用吸附剂 ( 如硅胶 、 胶化淀粉等) 的强 吸湿作用可使物料周 围的蒸汽分压 力保持 低于升华界面上的饱和蒸汽分压 力。同时吸附剂 吸附水分过 程中放 出吸附热则可作为物料 升华 干燥的 热源啪 ， 这样可确保冷结物料 中冰 的升华和湿分 由物料 向干燥介质的传递 。 由于应用 了流态化技术使物 料在与吸附剂的强烈混合 接触中获得了 良好的传热 、 传 质条件 ， 有利于干燥 过程的进行。 3 常压 吸附流化冷 冻干燥 的研 究概况 与 能耗分 析 多年来 ， 一些 国家 的学者对 吸 附冷冻干 燥做了一 些 探 索 ， 从干燥装置 、 干燥动力学 、 传 热传质 机理 、 吸附剂 选 用、 能耗等方面进行了理论与实验研 究。 哪酣 3 1 常压吸附流化冷冻干燥技术的研究进程 1 9 6 9年 ， Ki n g和 Cl a r k将 冻结物料与 吸附剂颗粒分 层置 于 固定床进 行干燥 ， 开创 了冷冻 干燥过 程中捕捉水 汽的新方 法， 由于 物料 与吸 附剂 之 间的传热 传质是借 助 于 流过 固定床 的低温空气 的传输 作用 间接进行 的 ， 所 以 干 燥效 果不好 。1 9 7 6年 ， Gi b e r t 提 出了将冻 结物 料浸没 在低温 的吸附剂流化床 中进行 干燥 的方案 。R J o u l i e为 了探索 吸附流 化冷冻干燥 的基本 规律 和特 性 ， 对 纯物质 密封盖 图 l 吸 附流 化冷 冻干燥 系统示 意图 ( 如萘、 冰等) 与吸附剂的混合流化升华过程进行了实验研究和分析， 总结出其中的一些基本规律。1 9 8 9 年法 国的 E wo l f f 和 H Gi l e r t 等 人在实验 研究的基础上 建成第一套半工业性的常压吸附剂 流化 床冷冻 干燥装置 ， 以土豆片为待干物料进行 了吸附流化冻干的实验研究和理论 分析 ， 并得出产品品质 与真空冷 冻干燥基本一致 ， 较前者节约能量约达 1 3 ， 但冻 干时 间较长( 常压吸附剂 流化床平均 干 燥 速 率 为 0 O 9 k g ( k g h ) ， 而真空 冻干 时为 o 1 5 k g ( k g h ) L 5 的结论 。 3 2 常压 吸附 流化冷冻干燥与真空冷冻干燥的能耗分析比较 E Wo l f f 对常压吸 附剂流化床 冷冻干燥和真空冷冻 干燥的能耗做 了对 比测试分析L 5 。 ( 1 ) 真 空冷 冻干燥 ： 物料 ： 土豆 片 ， 装载量 3 k g m。 搁 板 ， 层厚 3 c m； 干燥时 间： 1 5小时 ； 参数 ： 冷 阱温度 ： 一6 5 ； 冻结温度 ： 一3 O ； 冻干温度 ： 一1 O ； 除霜 温度 ： 3 O ； 从干基 含 水率 为 3 k g k g的 物 料 中去 除 l k g水 的 能 量 消耗 ： 预 冻 制 品 6 2 5 k j ( 制 冷 ) ， 冷 凝 水 汽 2 9 2 o k J ( 制冷) ， 干燥 3 o 8 5 k J ( 加热) ， 除霜 4 9 5 k j ( 加热) ， 真空泵 2 o o k J ( 电能) ； 一 总计 ： 制冷 能耗 3 7 4 5 k J ( 包括真 空泵耗 电) ， 加热能耗 3 5 8 o k j 。 ( 2 ) 常压 吸附流化冷冻干燥 ： 物料 ： 1 1 0 2 c m 的方形土豆 片， 0 3 k g ； 干燥时间 ： 1 5 4 , n ,- l ； 参数 ： 胶化 淀粉再 生温度 6 O ； 床温 一I O C； 冻结温 度 一3 0 “ C； 胶化淀粉量 5 k g ； 经 计算从 干基含水率 为 3 k g k g物料 中去除 l k g水 的能量消耗 ： 预冻制品 6 9 o k J ( 制冷 ) ， 干燥 8 6 o k J ( 制冷 、 维持 床温) ， 吸附剂再生 3 4 4 o k j ( 加热) ， 风机 7 o o k J ( 电能) ； 总计 ： 制冷 能耗 2 2 5 o k J ( 包括风 机电能) ， 加热能耗 3 4 4 o k j 。 两相对 比， 常压法 在加热能耗 节 省 9 ， 制冷 能耗可节 省 3 7 。 从 以上数据可见 ， 同样 的物料因几何尺寸不同其预冻时的耗 能仅略有差别 。干燥过程中吸附剂 ( 胶 化淀粉 ) 产生的 吸附热成为干燥热源 ， 替代了真空冷冻干燥所需的外来热源 ， 虽然吸附剂的再 生需耗 热 ， 但不需融霜耗热 ， 故 加热能耗 仍较节 省。吸附流化冷 冻干燥的制 冷能耗 远低 于真空冷冻干燥 ， 主要是因 为改 变了捕 捉水汽的方法 。吸附流化冷冻干燥 以吸附剂 吸收水汽 ， 不需额外制冷 ， 而真空冷冻干燥却需 要在很低的温度下 ， 把水汽凝 结下 来 ， 因而要耗费大量的制冷 电能 。 维普资讯 李心 刚 ：固态食品常压吸附流化冷冻干燥与真 空冷冻干燥分析 比较及探索 4 5 具 体 见表 1 。 表 1 两 种冷 冻干 燥方式 的对 比 常压 吸附 流化 冷冻干 燥 真空 冷冻干 燥 水 汽捕捉 方式 吸附剂颗 粒 吸附 水汽捕 捉器 能 量损 耗 低 于真 空冷 冻干燥 较高 系统设 备 简 单 复杂 、 精 密 干 燥时 间 多 于真 空冷 冻干燥 一般为 6 8小时 加 热方式 吸附热 其它外置 热源 应 用 处 于研 究阶段 工 业应用 ， 但 范围不 广 3 3 常压吸附流化冷冻干燥存在的问题 常压吸附流化冷冻干燥技术达到实际推广应用 尚有一定距离， 其可行性虽 已得到证实 ， 但仍存在许 多有待进一步研究和加 以解决的问题 。 一 方面 ， 在 吸附流化冷冻干燥理论的研究上 ， 还 需要融合 吸附理论 、 流 态化理论对 吸附流 化冷 冻干 燥的传 热传质 机理与干燥动力学进行深入研究 ； 对床温 、 吸附剂性质 、 物料性质 、 流化程度等 因素对 干燥 过 程的影响还 需更多地实验摸索 ， 以期对生产型装置 的设计和运行提供依据 。 另一方 面 ， 常压法干燥时间较长 ， 如何提高干燥速率 ， 干燥过程中流化床温的控制 ， 物料与吸附剂的 分 离等 ， 也是一些需要进一步解决的问题 。 4 结 论 通 过 上述 分 析 我 们 可得 出 ： 1 真空不是冷冻干燥必不可少的条件 ， 一定条件下冷冻干燥可 以在常压下进行 。 2 常压吸附剂流化床冷冻干燥和真 空冷冻干燥 相 比， 有其 自身的特点和长处 。 3 为建立 工业 型的吸附流化 冷冻 干燥装置 ， 还需对其传热传质机理和干燥动力学进 行更深入 的研 究 ， 以便提供 必要的设计参数和指导运行 。 参 考 文献 ： 1 徐成海 真空冷冻干燥技术发展前景探讨 真空科学与技术， 1 9 9 0 ( 8 ) ， P 2 7 5 2 徐成海 关奎之 张世伟 食品真空冷冻干燥技术的现状及发展前景 9 6干燥学术研讨会 论文集， P 5 6 3 叶振华 吸着分离过程基础 北京 ： 化学工业出版社， 1 9 9 0 4 童景 山 流态化干燥工艺与设备 北京： 科学 出版社， 1 9 8 9 5 E Wo l f f ， H Gi b e r t At mo s p h e r i c f r e e z e d r y i n g p a r t I a n d p a r t I D r y i n g T e c h n o l o g y ， 8 ( 2 ) ， p p 3 8 5 4 2 8 ， 1 9 9 0 Ana l y s i s a n d Co mpa r i s o n a nd Ex p l o r a t i o n o f At m o s p he r i c Ab s o r b e nt Fl u i d i z e d Fr e e z e Dr y i ng a nd Va c u u m Fr e e z e Dr y i n g o f S o l i d f o o d LI Xi n g a n g Abs t r a c t ： I n t h i s p a p e r t h e a t mo s p he r i c a bs o r b e nt f l ui di z e d f r e e z e dr y i ng i s c o mpa r e d wi t h va c uu m f r e e z e dr y i ng i n m a ny wa y s I n vi e w of t he a d v an t a g e s s uc h a s s i m p l e e qu i pme n t a nd l e s s e ne r gy， t he f