（制冷及低温工程专业论文）真空冷冻干燥技术的设备与工艺.pdf

真空冷冻干燥技术的工艺和设备 摘要 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- - i 3 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5 5 c ，压强为3 9 p a ， 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。 关键词：真空冷冻干燥过程参数工艺冻干设各 p r o c e s s i n ga n de q u i p m e n t o fv a c u u m - f r e e z i n gd r y i n g a b s t r a c t v a c u u m f r e e z i n ga n dd r y i n gt e c h n i q u ei sad e v e l o p e da n dn e wt e c h n i q u e ，b yw h i c h t h em a t e r i a lo fc o n t a i n i n gw a t e ri sf r o z ea tl o w - t e m p e r a t u r es t a t e ，t h e nt h ei c es u b l i m e s a n dt u r n sv a p o rd i r e c t l y , w a t e ri sl o s tw h e nt h ev a p o re x h a u s t ss ot h em a t e r i a ln 蚰sd r y n l i st e c h n i q u es p r i n g su pr a p i d l ya l o n g 、v i t l lt h ed e v e l o p m e n to f r e f r i g e r a t i o n ，v a c u u i t i ， b i o l o g y , e l e c t r o n i c sa n dt h e r e f o r ei tb e l o n g st oam u l t i s u b j e c ts y n t h e t i c a l l yu t i l i z i n g t e c h n o l o g y a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ff r e e z i n ga n dd r y i n gf o o d ，t h e m a n u f a c t u r e r sb e c o m em o r ea n dm o r e a l t h o u g hh o wt op r o d u c ee l i g i b l ep r o d u c t sb y u s i n gt h ef r e e z i n ga n dd r y i n ge q u i f l m e n th a sb e e nf a m i l i a rt ot h et h e m h o wt oa p p l y t h ef r e e z i n ga n dd r y i n gp r i n c i p l ea n dr e s e a r c hp r o d u c t i o n sa b o u tt h et e c h n i c st ot h e p r o d u c t i o np r o c e s si np r a c t i c ef o rc o n t r o l l i n gt h ef r e e z i n ga n dd r y i n ge q u i p m e n t ， o p t i m i z i n gt h et e c h n i c s ，s h o r t e n i n gt h ef r e e z i n ga n dd r y i n gt i m e ，i m p r o v i n gt h e p r o d u c t i v i t ya n dr e d u c i n gt h ec o s ta r en o tv e r yw e l l - - i n f o r m e df o rm a n yd o m e s t i c m a n u f a c t u r e r s b e c a u s et h ep r o d u c to fv a c u u m f r e e z i n ga n dd r y i n gm a yk e e pt h ei n t r i n s t i cc o l o r , s c e n t ，f l a v o t t r , s h a p ea n dt h en u t r i t i o nb yt h eg r e a t e s te x t e n t a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s o f v a c u u m - d r y i n ga n dd r y i n go nr o s e si nt h i sp a p e r ，t h ee f f e c t so f o p e r a t i o no nt h eh e a t a n dm a s st r a n s f e rd u r i n gv a c u u mf r e e z ed r y i n ga r es t u d i e di nt h ee x p e r i m e n t t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tr a d i a n tt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo fd r y i n gc h a m b e ra r et h em o s t t w os i g n i f i c a n tf a c t o r s t h e r ei sh a r d l ya n yr e l a t i o n s h i pb e t w e e nf r e e z i n gr a t ea n g d r y i n gt i m e o nt h eb a s i so ft e s tr e s u l t s ，t h ee f f e c t so fo p e r a t i o np a r a m e t e r ss u c ha sr a d i a n t t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e o f d r y i n g c h a m b e ro nv a c u u mf r e e z e d r y i n g a r e d i s c u s s e d a i m i n ga td e c r e a s i n gd r y i n gt i m ea n dr e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n t h e o p t i m a lr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ：t e m p e r a t u r e5 5 ，p r e s s u r e3 9 p a ，p a r a m e t e r sa r e o p t i m i z e da n do p t i m i z a t i o nr e s u l t sa g r e ew e l lw i t ha c t u a lr e s u l t f i n a l l ya c c o r d i n gt od e s i g no fs m a l ls c a l e dv a c u u m f r e e z i n gd r y i n ge q u i p m e n t ，f r o m w h i c hw ei n v e s t i g a t ed e s i g nt h e o r yo f f o o df r e e z i n gd r y i n ge q u i p m e n t k e y w o r d s ：v a c u u m - f r e e z i n gd r y i n g ， o p e r a t i o np a r a m e t e r s ，p r o c e s s i n g ， f r e e z i n gd r y i n ge q u i p m e n t 插图清单 图卜1 水的相平衡图l 图卜2 物料内部的传热传质8 图2 - 1 冷冻干燥设备系统示意图1 0 图2 2 隔板示意图1 2 图3 - 1l g j 一2 5 型真空冷冻干燥机简图2 6 图3 2 共晶点温度测量装置2 7 图3 3 玫瑰花的冻干曲线i o t oogo 2 8 图3 4 不同压强下玫瑰的干燥曲线2 9 图3 - 5 不同的隔板温度下玫瑰的冻干曲线3 0 图4 1 正交实验r 与各因素的趋势图3 3 图5 1y t 曲线do 3 8 图5 2y _ p 曲线3 8 图5 3 优化的干燥曲线3 9 图5 4y f ( t ，p ) 关系图3 9 图5 - 5 最优回归方程输出的计算值4 0 表格清单 表2 1 常用食品的共熔点1 6 表2 2 冻干物所需温度与采用制冷剂和压缩级数关系1 7 表2 3 受控物质的蒙特利尔协议书1 7 表2 4 冷凝器传熟系数的选择2 0 表4 1 过程参数的因素水平3 l 表4 2 正交表l ，。( 4 3 ) 3 2 表4 3 过程参数的极差分析表3 2 表4 4 冻干花的感官测试结果3 4 表5 1 回归方程模型数据3 6 表5 2 检验比较结果3 6 表5 3 最优回归方程的相对误差3 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 盒蟹王些丕堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：荪江乎签字日期：锌朗上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥王些太堂有关保留、使用学位论文的规定有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金壁 王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 景2 工子 签字日期：- 2 6 年字月r l 日 学位论文作者毕业后去向：3 位1 角 工作单位：、安 象之互壁工犬、乎 通讯地址：、毒佟殳互墅工大、宁 导师繇旃睫 签字日期：2 卯占年万月z 2 日 电话 邮编 致谢 本论文是在导师沈睦教授的悉心指导下完成的。在求学的三年中，沈 老师为我的课题设计花费了大量的时间和精力。他渊博的知识、严谨的治 学态度、忘我的工作精神和平易近人的工作作风都是我学习的楷模。在此， 谨对导师对我在学习上潜心的培养表示衷心的感谢。同时，也感谢师母张 海岩给予生活上的关心。 感谢我的父母和我的爱人在我求学道路上对我帮助和支持。 感谢陈长崎教授和朱武副教授给予我多方面的建议和指导。他们严谨 的治学态度使我受益匪浅。 感谢王云芳和樊文胜老师在实验上给予我的帮助。 在实验和论文写作过程中，还得到了朱仁胜、崔伟、陶贺、谢祖强、 李森等人的帮助，在此一并向他们表示感谢。 最后向所有关心、鼓励和帮助我的老师、同学表示衷心的感谢和崇高 的敬意。 作者：秦红平 2 0 0 6 年8 月1 日 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- 1 7 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 1 ) 。三相点显示了水的气、液、固三相共存的压力和温度条件。 言 邑 - t o 图1 1 水的相平衡图 当蒸汽压大于三相点压力p 。( 6 1 0 5 p a ) 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6 1 0 p a 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。 1 2 真空冷冻千燥特点 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，且处于商真空状态，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、昧及营养成 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1 日书画的修补、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 2 1 。 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。1 8 9 0 年a l t m a n n 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1 9 0 9 年s h a c k l l 将冻干引入细菌学和血清血领域p 】。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、肉和血液等进行冻千，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。 1 9 3 0 年f l o s d o r f 开始了食品冻干试验，1 9 4 0 年英国的f i k i d d 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。 1 9 4 3 年世界上最原始的食品冻干设备出现在丹麦【4 】。2 0 世纪6 0 年代至7 0 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己向自动化、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、罐头及其他热千方法中任何一种方法储 存或加工的制品，营养品类：鳖粉、蜂蜜、蜂王浆、甲鱼、龟类等：水果类： 苹果、香蕉、梨、桃、草莓等；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4 0 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。1 9 4 4 年， f l o s d o r f 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s a n d l l 和k i n g 的冰界面均匀向后移动模型，简称u r i 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干燥层，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，1 9 6 8 年，d z d y r e 等又提出了 准稳态模型瓯第三种模型是l i f c b i e l d 和l i a p i s 于1 9 7 9 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7 0 年代到8 0 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9 0 年代已有长足的发展。 7 0 年代中期在上海等地建立了食品冻干车间，8 0 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1 8 万元 吨，冻干菠菜1 6 万元吨，冻干大蒜5 万元吨。这些商品的利润率一般都在4 0 左右【6 】。如此高价也仍很抢手，难以满足需求。 1 9 9 5 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9 0 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、冻干理论的研究逐渐受到重视，2 0 0 2 年国内共召开3 次与真空 冷冻干燥有关的学术交流会。2 0 0 2 年1 月8 1 0 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l 篇，综述性文章i 篇。2 0 0 2 年8 月 2 6 日3 0 日在北京召开了i d s l 3 出i n t e r n a t i o n a ld r y i n gs y m p p o s i u m ，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【7 j 。 1 9 9 6 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【s 】。 1 5 真空冷冻干燥的基本过程 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【lo j 。方法是将物料浸入温度为5 一1 0 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 4 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l 一2 小时即可开始抽真空升华。 1 ) 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n i l 毛温，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【l “。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，干燥时问大 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l 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簧的温度( - 1 一1 0 ) 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，血浆和蛋白质标本可以进行缓慢冻结，因为 它们的生物特性不会发生变化。但是对细菌和病毒需要快速冻结，因为这样能 保持它们的生命能力，避免溶质效应的产生。 综上所述，需要选取一个合适的预冻速度，以得到较高的存活率和较好的 物理性状及溶解度，且有利于干燥过程中的升华。不同的物料应通过实验确定 其最佳预冻速度。 2 ) 预冻温度 食品在进入干燥室以前必须低于共晶点温度，共晶点温度必须在预冻前通 过实验测得。测定共晶点的方法有多种，有电阻检测法、差热分析仪扫描法、 低温显微镜直接观察法等。其中电阻检测法方便宜行。测量时一般先把需要冻 干的产品配制成溶液，溶液冻结后离子将固定不能运动，因此电阻率将非常大， 而有少量液体存在时电阻率将显著下降。因此测量产品的电阻率将能确定其共 晶点。在制定实际工艺曲线时，一般预冻温度要比共晶点温度低5 一l o 。 3 ) 预冻时间 根据设备的情况来决定，保证抽真空之前所有产品均已冻实。如果没有冻 实，则抽真空时产品会没有一定的形状；冻干箱的每一板层之间的温差小，则预 冻时间可以相应缩短，一般产品的温度达到预冻最低温度之后卜2 小时即可开始 抽真空升华。 1 5 3 冻千 冻干是工艺要求最复杂的一道工序，要严格按一定的工艺要求( 即冻干曲 线) 进行。冻干曲线是指冻干物料温度和冻干箱内压力随时间变化的曲线。不 同的物料、不同的品种、不同的冻干设备，都有不同的冻干曲线，一般都是由 实验确定，再用来指导冻干生产。 冻干一般分为升华干燥和解吸干燥。 升华干燥也称为第一阶段干燥，将冻结后的产品置于密闭的真空容器中加 热，当全部冰晶除去时，第一阶段干燥就完成了，此时约除去全部水分的9 0 。 干燥是从外表面开始，逐步向内推移的，冰晶升华后残留下的空隙变成其 后升华水蒸气的逸出通道。 在产品冻干的第一阶段，除了要保持冻结产品的温度不能超过共晶点以外， 产品干燥部分的温度也必须低于其干燥层表面容许的最高温度( 不烧焦或变性) ， 还要保持已干燥的产品温度不能超过崩解温度。当温度上升到共晶点温度以上 时，产品就会发生熔化或产生发泡现象，致使冻干失败，这时的温度叫崩解温 度，崩解温度主要由溶液的成分所决定。过低的崩解温度会延长干燥时间，而 且可能是设备能力所不能达到的，可以通过选择合适的添加剂来提高崩解温度。 解吸干燥也称为第二阶段干燥。旦产品内的冰升华完毕。产品的干燥就 进入了第二阶段。在第一阶段干燥后，在干燥物质的毛细管壁和极性基团上还吸 附有一部分水分，这些水分是未被冻结的当它们达到一定含量时，就为微生物 的生长繁殖和某些反应提供了条件。为了使产品达到合格的残余水份含量，改 善产品的储存稳定性，延长保存期，必须对产品进一步干燥。在解吸干燥阶段， 可以使产品的温度迅速地上升到该产品的最高允许温度，并在该温度下一直维 持到冻干结束为止。同时，为了使解析出来的水蒸气有足够的推动力逸出产品， 必须使产品内外形成较大的蒸汽压差，因此在此阶段中箱内必须高真空。 第二阶段干燥后，产品内残余水分的含量视产品种类和要求面定。一般在 o 4 5 一4 之间。 食品在真空冷冻干燥过程中需吸收一定的热量，这个过程实际上是传热、 传质的过程。显然，如何将热量更为有效地传给物料，将影响干燥速率。真空 冷冻干燥的传热方式主要是传导和辐射，其传热效率低。近年也有采用循环压 力法，其基本原理是降低真空度以增加强制对流的效能。 1 ) 冻干室压强对冻干速率的影响 在冻干过程中，增大压强有利于传热但不利于传质，降低压力有利于传质 但不利于传热。如果冷冻干燥是传热控制过程，则干燥速率随着干燥室压力升 高而提高。如果冷冻干燥是传质控制过程，则干燥速率随着干燥室压力降低而 提高。解决此矛盾的一个方法是采用压力循环过程，即在冻干过程中采用时高 时低的压力，在高压阶段增强传热，加速升华：在低压阶段加速水汽扩散，并 按一定循环速率循环交替，可以设想在一定的压力范围内，可能达到比恒定压 力下更高的冻干速率。 实验表明，在较底的压力范围内提高工作压力可以加速冻干，而在同样的 压力范围内采用循环压力可更有效地提高冻干速率。循环压力的波幅对冻干速 率有明显的影响，而对周期的影响不大。 冻干箱的合适压强一般认为是在0 1 o 3 毫巴之间，在这个压强范围内， 既利于热量的传递又利于升华的进行。超过0 。3 毫巴时，产品可能熔化，此时 应发出真空报警信号，切断对产品的加热，甚至启动冷冻机对冻干箱进行降温， 以保护产品不致发生熔化。 2 ) 加热方式对冻干速率的影响 目前冻干机上常见的加热方式有传导加热、辐射加热和微波加热 a 传导加热 传导加热的主要是以接触式传热为主，利用载热体通过加热板来实现，热 源有电加热、蒸汽加热等。接触式传热如卜2 ( a ) 所示，传热和传质的方向相 同，随着升华表面不断向内退缩，己干层就愈来愈厚，冻结层愈来愈薄，因而传 质的阻力越来越大，而传热的阻力愈来愈小。接触式传热效率较高，但易造成 物料受热过度，影响产品质量，若控制得当，可避免其缺陷。 b 辐射加热 辐射加热是热量由热辐射板通过辐射传至物料干燥层表面，再通过导热和 气体对流的方式由于燥层表面到达升华界面。辐射式换热如图卜2 ( b ) 所示， 辐射式传热和传质的方向是相反的，内部的冻结层温度决定于传热和传质的平 衡。一般辐射加热的特点是：随着干燥过程中升华表面向内退缩，已干层的厚 度愈来愈厚，传热和传质的阻力同时增加。辐射式换热可克服接触式传热的缺 点，易保障产品的质量，但所需时间较长，效率低。 c 微波加热 微波加热适合热敏材料的冻干过程，如图卜2 ( c ) 所示：由于其传热基本 不受干燥层的影响，热能可以直接到达物料的升华面，因而物料表面和升华面 之间的温差很小，可使冷冻层维持并接近物料允许的最高温度，因而对干燥过 程是最有利的，可大大缩短干燥时间，提高干燥速率【1 。对大厚度物料，冻干 宜采用微波加热，而小厚度物料冻干，宜采用表面加热，即接触式传热和辐射 换热；至于厚度的分界点，则视不同物料性质决定【h 】；微波干燥具有加热均匀、 干燥时间短等特点，很有发展潜力。但在1 3 3 p a 一6 6 6 6 p a 的干燥室压力下， 微波加热容易引起辉光放电现象。这种现象容易引起冻干食品的“链式反应” 最终导致冷冻干燥的失败，而且微波加热易使冻干制品产生异味i l 。 微波加热费用较高，过程较难控制，目前处于发展阶段，在工业大批量干 燥中应用较少“。 实际冻干过程究竟采用哪种供热方式，需要对各种工况进行具体分析。 弱溺扇点 图卜2 物料内部的传热传质 1 5 4 后处理 经冻干的制品不仅含水量低，且其呈多孑l 状，组织表面比原来扩大1 0 0 1 5 0 倍【1 8 】，因而吸湿性强，易受氧化影响。为了便于保存，后处理不容忽视，后处 理的主要内容是包装。 包装材料一般选不透水、隔氧、遮光的真空镀铝薄膜及p e t 铝薄p p 复合 材料。包装形式可采用真空包装或真空充气包装( 充氮或二氧化碳) 食品中的微生物会导致包装后食品的变质和败坏，必须采取各种有效的灭 菌和消毒方法，对包装材料和食品杀菌。对冻干食品来说，常用的方法有紫外 线杀菌和辐射杀菌。 值得一提的是在包装过程中，随着技术的发展，微波也应用于食品包装上。 食品包装纸在生产、传输和保存过程中，极易受到病原微生物的污染，常 规的化学或物理消毒方法都会损及纸的品质，尤其是化学消毒方法，甚至会因 其臭味而降低纸的使用价值。有的考虑其安全问题，用紫外线灯进行灭菌，效 果也不理想，所以很难处理。微波消毒比常规加热消毒所需温度低，杀菌从表 面到内部均能实现。 在保证产品质量的同时提高干燥速率，降低成品的价格，对冻干产品的发 展具有重大意义。因此必须多方面努力，寻求先进可行的操作过程，对于一种 新的物料，在制定合适的操作方案时，最好在实验设备上测定主要因素对冻干 过程的影响，以供实际操作时参考。 随着我国种植业、养殖业的发展，人们生活水平的提高，国际市场对真空 冷冻干燥食品需求量的不断增加，食品的加工贮藏工业越来越被人们重视：冷 冻干燥作为新技术必将得到进一步飞速发展，成为很有发展潜力的技术领域。 1 6 本文解决的问题 真空冷冻干燥是一种优质的干燥方法，但其干燥周期长、干燥设备较昂贵、 能耗也较大，因而干燥成本较高，这是制约该方法更为广泛应用的瓶颈。因此， 如何提高升华速率，缩短干燥周期，一直是真空冷冻干燥研究的重点课题之一。 一般来说影响真空冷冻干燥速率的因素很多，例如：制品原料的品种、成 分、浓度、装量：固体原料切分的形状、尺寸、纤维方向；冻结的速率，冰晶 的大小、形状；供热的温度，压力等等。 本文研究目的就是如何降低能耗和缩短冻干周期，从而降低真空冷冻干燥 物品的成本。本文从设备分析和工艺研究两个方面着手，首先对真空冷冻干燥 设备进行分析；接着在l g j 一2 5 型真空冷冻干燥机上进行正交实验并得出相关 数据；然后用回归分析的方法对实验数据进行相关处理，得出最优回归方程； 根据最优回归方程分析各工艺参数对干燥时间的影响，并对得到的较优工艺参 数进行实验验证。得到的结论可以为设计高效率的冻干设备和制订最佳的冻干 过程控制方案提供参考。 第二章小型真空冷冻干燥机的方案设计 真空冷冻干燥装嚣主要由制冷系统、加热系统、真空系统和控制系统等组 成。它主要有两种类型：一种是冻干合一型，一种是冻于分离型。前者是将冻 干装置置于干燥仓内，干燥过程在干燥仓内一次完成，这种形式减少了冻结食 品的运输，但干燥仓内应合理设计干燥搁板、加热板、制冷装置的关系，且对 干燥仓需要保温；后者是食品冻结与干燥过程分开进行，将冻结好的食品放入 干燥仓内进行干燥，干燥仓内不含制冷装置，可简化干燥仓的结构。本文设计 的是冻干合一型。设计的主要部分是真空系统、加热系统和制冷系统。组成结 构如图2 一l 所示： i 2 9 一冷凝器；2 2 7 一压缩机；3 9 ，2 6 3 1 一放水阀；4 3 3 进水阔；5 一加热器；6 一水箱； 7 水温控制器；8 水泵；1 0 一观察窗：“一冻干箱；1 2 一真空规管：1 3 一加热循环管i1 4 一制冷循环 管； 1 5 一中i 0 0 蝶阀；1 6 ，3 4 一节流阍：1 7 永捕集器；1 8 - - 隔膜孀：1 9 一化霜喷水管；2 0 一中5 0 蝶阈： 2 l 一波纹管；2 2 一中3 0 蝶阀；2 3 一罗茨泵；2 4 一放气阀；2 5 一旋片泵 图2 一i 冷冻干燥设备系统示意图 2 1 冻干葙 冻干箱是冻干机的核心部件。冻千箱是一个能够制冷到6 0 。c 左右，能够加 热n + 7 0 1 2 左右的高低温箱，也是一个能抽成真空的密闭容器。它是冻干机的主 要部分，需要冻干的产品就放在箱内分层的金属板层上，对产品进行冷冻，并 在真空下加温，使产品内的水份升华而干燥。 医药用冻干机的物料冷冻和干燥都在冻干箱内完成；食品用冻干机的物料 预冻合格后也在冻干箱内完成真空干燥。所以，冻干箱内需要有加热和制冷的 隔板，需要有热或冷流体的导入，有电极引入部件，有观察窗等部件。因设计 中医药冻干机设计要求非常严格，因此本设计中设计只简单考虑食品冻干机。 冻干箱的箱体是严格要求密封的外压容器，如果带有消毒灭菌功能的冻干 机，箱体还必须能承受内压。箱体有圆筒形和长方形两种。 本设计为实验型的冻干机，选用方形箱体。 2 1 1 箱体壁厚的计算 方形壳体壁厚可按矩形平板计算，板周边固定，极限真空要求0 1 p a ，受 外压为0 1 m p a 。 s = s+ c 0 式中，s 0 _ 一箱体计算壁厚，i b m 。 c 一壁厚附加量，m i l l 。 i s 。= 0 2 2 4 b 盯1 2 式中，b 一矩形板的窄边长度，m l n | b 】，材料弯曲时的许用应力，一般取简单拉伸压缩许用应力，m p a 。 s 。= o 2 2 4 3 5 0 1 4 5 ”= 6 5 m m c = c+ c + c l23 式中c 钢板的最大负公差附加量，一般情况下取c ，= o 5 m m ； c 2 _ 一腐蚀裕度，在冻干机设计中，一般取c 2 = i m m ； c 3 _ 封头冲压时的拉伸减薄量，一般取计算值的1 0 ，且不大于4 m m ， 不经冲压的箱体取g = 0 。 c = c+ c+ c= o 5 + l + 0 = 1 5 r a m l23 所以，壁厚s = s+ c = 6 5 + 1 5 = 8 m m u 2 1 2 箱体的加工要求 因为本冻干机为食品冻干机，箱体用不锈钢i c r l 8 n i 9 t i 制造，内表面需要 作防锈处理，可喷涂不锈钢，要求喷涂对采用无毒材料，严防有害物质造成食 品污染。且食品用的隔板一般要氧化处理。 2 1 3 搁板的结构 在冻千箱内要设计搁板。医药用冻干机的搁板上放置被冻干物料，搁板既 是冷冻器又是加热器：有些食品用冻干机的搁板上放置被冻干物料，大部分食 品冻干机上不放置物料，而只是用作辅助加热的加热器。无论哪种冻干机，都 要求搁板表面加工平整，温度分布均匀，结构设计的合理，便于加工制造。 冻干机搁板结构要根据降温和加热方式而定，通常有四种形式：直冷直热 式，间冷间热式，直冷间热式和间冷直热式1 9 】。直冷就是将搁板作为直冷系统 中的蒸发器，制冷工质通过节流膨胀，直接进入搁板中蒸发制冷：直热就是将 加热器直接放入搁板中加热。直冷直热式的优点是冷、热效率高，结构简单， 对于小型制冷机可用。直冷直热式的缺点是降温和加热不均匀，不易调控，特 别是加热不均匀危险较大，可能产生局部过热使冻干产品变质，故直热式最好 不采用。问冷是将制冷系统的蒸发器放在冻干箱的外面，制冷剂与冷媒( 载冷 剂) 在蒸发器中进行热交换，再将冷媒用循环泵通入搁板中；间热是在冻干箱 外将热媒加热，再用循环泵将热媒打入搁板循环。目前采用间冷间热式的冻干 机比较多。冷、热媒可以用一种介质，搁板比较简单；也可用不同介质，需要 两套介质流动管路，搁板结构复杂。 现在的搁板多用1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢材料制造，采用特殊空心夹板，强度高、 密封性好。板层在长期热胀冷缩的工作条件下，不变形，不渗漏。搁板表面要 求平整、光滑，符合g m p ( 医药制造管理和品质管理规则) 要求，表面平整度 i m m m ，板层厚度2 0 m m 。最上一块搁板为温度补偿板，确保箱内的空间都处在 相同的温度条件下。 搁板示意如2 2 图如下： i 一制冷循环管；2 一加热循环管；3 一循环管固定板。 图2 2 隔板示意图 隔板组由n + l 块隔板组成，其中n 块隔板是装载制品用的，称为有效隔板， 最上一层隔板不装制品。 2 1 4 箱体加热负荷的确定 在升华阶段，需要为产品中的冰提供升华热。一般间接加热所用的热源 为电热、蒸汽，压缩机排气或其他热源，目前以电热最为普遍。加热量的大 小主要取决于升华速率、箱体内部部件的质量和载热介质的质量。可按下式 计算m 1 ： q ；碰牟) ，f ；3 6 0 0 ( c w ) a g - 1 2 式中l 一水汽的升华热( k i k g ) 为2 8 2 3k j k g f 。一产品表面面积之和( m 2 ) ；对于散装产品f 。取隔板有效面积 对于瓶装产品，约为隔板有效面积的7 0 。 ( 掣) 。一产品中水汽的平均升华速率，一般取为l k g m z h ； 口f k 一考虑其他因素的修正系数，取为4 5 则q h _ 4 5 0 2 5 x 1 2 8 2 3 3 6 0 0 = 0 8 8 k w 2 1 5 冻干箱的绝热 为减少冻干箱的冷热损失，冻干箱外需要设计绝热结构。冻干箱壁外应 有保温层和防潮层，最外侧是外包皮。保温层厚度通过热量计算确定。保温层 材料通常用聚氨酯泡沫塑料，现场发泡。 2 2 真空系统 2 2 1 主泵选择的依据 l 、依据空载时真空室需要达到的极限真空度和干燥物料时所要求的工作压力 选择主泵的类型。 2 、依据工艺生产中被干燥物料所放出的气体、真空室内构件的放气量及系统 的总漏气率选择主泵的大小。 3 、主泵( 罗茨泵) 的性质：主泵需要配前级泵。 配前级泵的几点规定： 前级泵应保证始终及时排除主泵所排出的气体流量； 前级泵在主泵( 罗茨泵) 出口处造成的压强应低于主泵的最大排气压 强： 兼作预抽泵的前级泵要满足预抽时间及预抽真空度的要求。 罗茨泵由于转子与转子、转子与定子间的间隙较大