第5章 食品真空冷冻干燥技术.ppt

1、第5章 食品真空冷冻干燥技术,5.1真空冷冻干燥基本原理和过程 5.2食品真空冷冻干燥设备 5.3食品真空冷冻干燥工艺,第5章 食品真空冷冻干燥技术,真空冷冻干燥是先将湿物料冻结到共晶点温度以下，使水分变成固态的冰，然后在适当的温度和真空度下，使冰升华为水蒸气，再用真空系统的捕水器（水汽凝结器）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的过程。,冷冻真空干燥 是一种常用的物质干燥方法,5.1.1真空冷冻干燥基本原理 水的平衡相图 生产中采用真空冷冻技术对固体湿物料的干燥，通常是除去物料中的水分。因此，要了解真空冷冻原理，首先须了解水的有关物性。,冰(s) 水(l) 水

2、蒸气(g),5.1真空冷冻干燥基本原理和过程,5.1.1真空冷冻干燥基本原理,1.水的平衡相图 物质的聚集态由一定的温度和压强条件决定，分子间的相互位置随这些外部条件的改变而改变。 O点是固液气三相共存的状态点，称为三相点，其温度为0.01C,压强为610Pa。,水的相图,冰的饱和蒸汽压变化,5.1.1真空冷冻干燥基本原理,升华曲线是固态物质在温度低于三相点时温度的饱和蒸汽压曲线。冰的温度不同，对应的饱和蒸汽压也不同，只有在环境压强低于对应的冰的蒸汽压时，才会发生升华。,5.1.1真空冷冻干燥基本原理,在三相点以下，不存在液相。若将冰面的压力保持低于610 Pa，且给冰加热，冰就会不经过液相直

3、接变为气相，这一过程为升华。 升华相变的过程一般为吸热过程，这一相变热称为升华热。冰的升华热为2.84KJ/kg，约为融化热和汽化热之和。,冷冻真空干燥优点 1、因物料的干燥是在真空条件下进行，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、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。,5.1.1真空冷冻干燥基本原理,3、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

4、会发生变性或失去生物活性。因此在医药上得到广泛应用。,冷冻真空干燥优点,4、物料在真空冷冻操作下干燥，可排出物料中95%-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。,冷冻真空干燥优点,冻干蔬菜,冻干香蕉,冷冻真空干燥应用 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,5.1.1真空冷冻干燥基本原理,5.1真空冷冻干燥基本原理和过程,5.1

5、.2真空冷冻干燥基本过程 食品物料真空冷冻干燥主要由以下几个过程组成：物料的预处理，物料的预冻，升华干燥，解吸干燥，封装和储存。,5.1.2真空冷冻干燥基本过程,1.物料的预处理 在对食品冷冻干燥之前，必须对其进行一些必要的物理、化学处理，包括清洗、分级、切片、烫漂、杀菌、浓缩等。 对于不同的食品，预处理内容也有所不同，食品冷冻干燥时，一般不加添加剂，在对药品和细胞冷冻干燥之前，必须加一些添加剂，以保证冻干产品效果良好，保持药品的活性和保持细胞的存活。,5.1.2真空冷冻干燥基本过程,2.物料的冷却固化过程 冷冻干燥的预备操作，也称为冻结或预冻。物料的冷却固化过程是将物料充分冷却，不仅要使物料

6、中的自由水完全结成冰，还要使物料中其他部分也完全固化，使干燥后产品与干燥前具有相同的形态，防止真空干燥时起泡，浓缩，收缩和溶质移动等不可逆变化产生。 物料的预冻可以在干燥箱内进行，也可以先在干燥箱外进行，再将已预冻的物料移入干燥箱内。,2.物料的冷却固化过程,（1）预冻温度 冷却固化过程的最终温度应当是完全固化温度，它应低于物料的共晶温度，一般预冻温度要比共晶点温度低510C。,2.物料的冷却固化过程,（2）预冻速率 冻结对冷冻干燥的影响主要是冻结速率。 物料预冻时形成冰晶，冰晶升华后留下的空隙是后续冰晶升华时，水蒸气的逸出通道。 当预冻速率较慢时，形成大而连续的六方体，冰晶在物料中形成网状的

7、骨架结构。冰晶升华后，空出的网状通道空隙大，后续冰晶升华时，水蒸气逸出的阻力小，制品干燥快。,（2）预冻速率,当预冻速率较快时，形成的树枝形和不连续的球状冰晶升华后其通道小或不连续，水蒸气靠扩散或渗透方能逸出，因而干燥速度慢。 仅从干燥速率来说，以慢冻为好，但是慢速冻结对食品原料组织结构破坏较大，影响制品品质。 因此应确定合适的预冻速率，既使物料组织造成破坏小，又能形成有利于以后升华传质的冰晶结构。,2.物料的冷却固化过程,（3）预冻时间 物料的冻结过程是放热过程，需要一定的时间。达到规定的预冻温度后，还要保持一定时间。为使产品完全固化，一般在产品达到规定的预冻温度后，需要保持2h左右的时间，

8、这是个经验值。,5.1.2真空冷冻干燥基本过程,3、升华干燥过程（一次干燥） 升华干燥是第一阶段干燥，也称为一次干燥。将冻结后的产品置于密闭的真空容器中抽真空，再加热，物料中的冰晶就会升华成水蒸气逸出而使产品脱水干燥。干燥层从物料外表面向内部推进，冰晶升华后留下的空隙成为后续冰晶升华水蒸气的逸出通道。已干层和冻结部分的分界面称为升华界面。当全部冰晶升华结束时，第1阶段干燥就完成了，此时约除去全部水分的80%。,升华干燥,3、升华干燥过程（一次干燥）,一般冷冻干燥采取的绝对压力为0.2kPa左右。升华时所需的热量由加热设备提供，热量从下搁板通过物料底部传到物料的升华前沿，也从上搁板以辐射形式传到

9、物料上部表面，再以热传导，经已干层传到升华前沿。,3、升华干燥过程（一次干燥）,此时应控制热量使供热仅转变为升华热而又不使物料升温熔化，冻结层的温度应低于产品共熔点温度，干燥层温度应低于崩解温度或容许的最高温度（不烧焦或变性）。升华产生的大量水蒸气在冷阱表面形成凝霜，部分水蒸气以及不凝气由真空泵抽走，冷阱又称低温冷凝器，用氨、二氧化碳等制冷剂使其保持-40-50C的低温。 冷阱的低温使其内的水蒸气压低于干燥箱中的水蒸气压，形成水蒸气传递的推动力。,3、升华干燥过程（一次干燥）,（1）物料冻结和干燥过程中的含水量变化 物料中的水分可以分为两类：一类是在低温下可被冻结成冰的，自由水，另一类，低温下

10、不可被冻结的水分，结合水。 对于含水量高的物料，其中“自由水”含量占总水分量的90%以上。升华干燥，是在低温下对物料加热，使其中被冻结成冰的“自由水”直接升华成水蒸气。 图6.3是某一物料在冻结和干燥过程中温度变化和含水量变化的示意图。,3、升华干燥过程（一次干燥）,（2）物料冻结和干燥过程中的温度分布 在一次干燥过程中，所需要的热量为冰的升华热。 要维持升华干燥的顺利进行，必须满足两个基本条件：一是升华产生的水蒸气必须不断地从升华表面被移走，二是必须不断地给物料提供升华所需要的热量。 上述条件如控制不好，会出现软化，融化，隆起，塌陷等现象。,（2）物料冻结和干燥过程中的温度分布,升华干燥过程

11、实际上是传热，传质同时进行的过程，只有当传递给升华界面的热量等于从升华界面逸出的水蒸气所需的热量，升华干燥才能顺利进行。由于物料中的传热，传质过程受到多方面的限制，所以升华干燥是很费时的过程。,（2）物料冻结和干燥过程中的温度分布,温度分布： 搁板表面温度为50C，升华界面的温度为-25C，冰层最高温度约为-16C，干燥层上表面温度可能为25C。 图6.3上半部所示，一次干燥的物料温度Tw1必须低于物料的最高允许温度Tmax1，Tmax1为物料的共晶温度TE。如物料温度过高，会出现软化，塌陷等现象。,升华干燥,5.1.2真空冷冻干燥基本过程,4、解吸干燥过程（二次干燥） 在干燥物质的极性基团中

12、还吸附一部分水分，这些水分是未被冻结的。结合水可以成为某些化合物的溶液，也为微生物的生长和某些化学反应提供条件。 为了保证冻干产品的安全储藏，还应进一步干燥。由于结合水吸附的能量很大，因此必须提供较高的温度和足够的热量，才能实现结合水的解吸过程。,4、解吸干燥过程（二次干燥）,二次干燥过程中，所需要的热量为解吸附热与蒸发热之和。一般简称为“解吸热”。 解吸干燥是在较高温度下加热，使物料中被吸附的部分“束缚水”解吸，变成“自由”液态水，再吸热蒸发成水蒸气。,4、解吸干燥过程（二次干燥）,一般在解吸干燥阶段采用3060C的温度。 如图6.3上半部所示，物料的温度Tw2必须低于物料的最高允许温度Tm

13、ax2，最高允许温度Tmax2，由物料的性质所决定。 蛋白质药物最高允许温度一般低于40C，果蔬等食品，最高允许温度可以到6070C。,4、解吸干燥过程（二次干燥）,冻干后物料中的剩余水分含量过高或过低，都是不利的。剩余含水量过高不利于长期储存，过低也会损伤物料的活性。二次干燥过程结束时，物料中的剩余水分含量应当达到最终要求含水量RMF，一般应低于5%（0.5%4%）,视产品种类和要求而定。,5.1.2真空冷冻干燥基本过程,5、封装和储存 物料经二次干燥后，要进行封装和储存，在干燥状态下，如果不与空气中的氧合水蒸气相接触，冻干食品可以长时间储存，待需要使用时，再将其复水。封装仍须在真空条件或充

14、惰性气体（氮气或氩气）的条件下进行。对于瓶装的物料，可在干燥室内用压瓶塞器直接将橡胶瓶塞压下，堵住蒸气通道保证密封，如图6.7所示。,一般情况下,冻干曲线的选择是三个参数:板层温度、真空度、产品温度。,制定冻干曲线工艺,制定冻干曲线工艺,通常来说,冻干曲线的制定是一个固定模式:制订冻干曲线应该知道产品的一些数据和装载情况，作为设定温度，时间和真空的依据，这些数据和情况是：产品的共晶点和崩解点温度，产品冷冻时是否会形成玻璃态，如果会形成玻璃态，产品的回热温度是多少，产品的装载厚度，产品的容器和装载方法，产品的浓度，产品的最高许可温度和干燥后的残水含量等。,小知识：玻璃态,玻璃态不是物质的一个状态

15、，是它的结构。 固态物质分为晶体和非晶体，构成晶体的原子（或离子或分子）具有一定的空间结构（即晶格），晶体具有一定的晶体形状，和固定熔点，并不具有各向同性。玻璃态就是一种非晶体，非晶体是固体中除晶体以外的固体。它没有固定的形状和固定熔点，具有各向同性。它们随着温度的升高逐渐变软，最后才熔化。变软后可加工成各种形状。,例如： 假设某一产品的共晶点是-20，崩解点高于共晶点，产品冷冻时会形成玻璃态，产品的回热温度是-18，产品的装载厚度是12 毫米，小瓶装载并直接放置在板层上，产品的浓度是15，产品的最高许可温度是30，干燥后残余水分含量要求是2。要制订冻干工艺曲线？,案例,为了获得产品一致的冷冻

16、结构，产品在5进箱，进箱完毕后保持1小时，使所有产品从5的同一起点降温到-40，并在-40并保持1小时，由于产品冷冻时形成玻璃态，因此需做回热处理，把产品加热到-18并保持1小时，使产品从玻璃态转变为结晶态，然后使产品再次降温，并在-35保持1小时，预冻阶段结束。,预冻阶段：,板层温度控制在10，使产品的温度维持在-25，比产品的共晶点温度低5，并在此状况下维持15 小时，直到产品中的冻结冰升华完毕为止；冻干箱的真空度控制在产品温度所对应的饱和蒸汽压的30左右，-25对应的饱和蒸汽压是0.63 毫巴，0.6330=0.189 毫巴。,升华阶段：,把产品温度加热到最高许可温度30并维持到冻干结束

17、，真空控制在产品温度达到最高温度后停止使用，恢复高真空，在最高许可温度和高真空的状况下保持6 小时，使产品的残余水分达到低于2的要求。,解吸阶段：,另外，冻干良好的产品应有良好的物理形态，外观无缺损，表面平整，体积与冻结时的体积基本相等，颜色均匀一致，内部疏松多孔，复水迅速而完全，残余水分含量合格，价值高，能长期存放。 如果按照某一冻干曲线冻出的产品全部合格，冻干时间也合适，那么该冻干曲线是成熟的曲线。如果干燥后的产品不理想，某些项目不合格，那么要对冻干曲线作适当的调整。,冻干曲线,5.2食品真空冷冻干燥设备,完整的真空冷冻干燥设备是是一种集真空、制冷、加热干燥，控制，在位清洗消毒等功能于一体

18、的复杂装置。,5.2.1真空冷冻干燥系统的主要组成,冷冻干燥系统主要由干燥室，冷阱、制冷系统、真空系统、加热系统和控制系统等组成。图6.11，p280 1、冻干箱 冻干箱是物料进行真空干燥的场所。物料瓶置于下搁板上，物料瓶的上方可以有上搁板。物料的加热，利用上下搁板进行。在药剂的冻干过程中，要求冻干箱与真空系统都无菌的。因此就必须考虑经常进行清洗和灭菌。,真空冷冻干燥机结构图,新型液氮的真空冷冻干燥机,5.2.1真空冷冻干燥系统的主要组成,1、冻干箱 一般采用高温蒸汽灭菌，冻干箱箱体采用不锈钢材，而且箱内全部零件都应具有耐受高温蒸汽的能力。 物料的冷却固化过程可以在冻干箱内进行，此时下搁板内有

19、载冷剂，通过制冷系统进行降温，也可以在干燥室外进行，待物料完全固化后，放入干燥室内，再进行真空干燥。 冻干箱要求密封良好。,5.2.1真空冷冻干燥系统的主要组成,2、冷阱 是冷冻干燥系统中十分重要的部件，冷阱可放在干燥室外，也可以放在干燥室内。 冷阱的作用是在真空系统中提供一个低温低压环境，冷阱温度要比物料升华界面的温度低得多，如低20C或更低。冷阱表面的饱和蒸汽压力就会比物料升华界面的饱和蒸汽压力低，这两者之间的水蒸气压力差，就是物料中升华水蒸气逸出的传质驱动力。物料中逸出的水蒸气，遇到冷阱的低温表面，凝结成液态水，被排出系统。,5.2.1真空冷冻干燥系统的主要组成,2、冷阱 冷阱是水蒸气的

20、“冷凝器”。 对一般升华干燥，如物料的升华温度为-40-10C，冷阱的温度可以是-70-30C。物料升华温度与冷阱温度之间的差值越大，则升华的传质驱动力就越大。但是两者的温度差过大也是没有意义的。,5.2.1真空冷冻干燥系统的主要组成,2、冷阱 物料的升华温度为-40C，期对应的水蒸气饱和蒸汽压为12.9Pa，冷阱的温度为-60C和-70C时，所对应的水蒸气饱和蒸汽压分别为1.08Pa和0.26Pa。,5.2.1真空冷冻干燥系统的主要组成,3、制冷系统 制冷系统的任务是在冷阱处形成低温条件，有些还在冻干箱内起着制冷冷却的作用。 在蒸气压缩式制冷系统，冷阱是制冷系统中制冷工质的蒸发器。如果要求冷

21、阱的温度很低，则要采用双级压缩制冷循环。,5.2.1真空冷冻干燥系统的主要组成,4、真空系统 主要功能是抽走“非凝性”气体。在冷冻干燥系统的温度范围内，空气是“非凝性”气体，它既包括由外界大气漏入干燥箱的空气，也包括由物料中逸出的空气或其他“非凝性”气体。 物料升华出来水蒸气的比体积，在-40C时高达8376m3/kg，这意味着每升华1g的冰就要产生8.4m3的水蒸气。这么多的水蒸气主要是靠冷阱将其凝结成液态水再被排除系统，但也有些少量的水蒸气进入真空泵。,5.2.1真空冷冻干燥系统的主要组成,5、加热系统 对冻干箱中的物料的加热，一般是通过搁板进行的。 下搁板以导热的方式对物料瓶进行加热，上

22、搁板是以辐射的方式对物料进行加热，搁板中可以装置电加热器，也可以装载热剂，搁板的温度由温控系统控制。,5.2.2真空冷冻干燥设备的分类,冷冻干燥设备主要从4个方面进行分类： 按照干燥设备的用途分： 医药干燥机、食品干燥机 按照设备运行方式： 间歇式干燥机、连续式干燥机 按照加工容量分： 工业用干燥机、实验用干燥机 按加热方式： 接触导热式、辐射传热式。,5.2.2真空冷冻干燥设备的分类,医药用真空冷冻干燥机 它的冻干容量不是按容积进行计算，而是按搁板的冻干面积进行计算。医药用的冻干机搁板温度要求1C内波动，冻干箱的降温速度应在空载时，1.2h内达到最低温度，冷阱温度应在1h之内达到最低温度。加

23、工侧重的是加工卫生要求和品质。 食品加工用真空冷冻干燥机 功能比医药真空冷冻干燥机少，用户侧重的除卫生品质外，还须注重加工能耗和生产率。,5.2.2真空冷冻干燥设备的分类,间歇式冷冻干燥机一般是小容量干燥机。图6.13，图6.14. 样品在干燥过程静止，单机操作简单方便，但一次只能干燥一批样品，只适合小批量生产的样品，生产率不高。,5.2.2真空冷冻干燥设备的分类,间歇式冷冻干燥机 接触式导热真空冷冻干燥机的工作原理：将样品或托盘置于隔板上，搁板中有电加热丝，在通电后产生热量，热量经过搁板将热量传导至样品中，样品受热干燥。 辐射传热的工作原理：将样品置于两块加热板之间，托盘或样品均不直接与搁板

24、接触，热量主要通过辐射的方式传至样品内。,5.2.2真空冷冻干燥设备的分类,连续式冷冻干燥机机型庞大，设备复杂，但生产量大，适合于品种单一，产量大，原料充足的产品生产，样品在干燥过程中需要进行移动。比较常见的连续式冷冻干燥机有水平隧道式。图6.15,5.2.3真空干燥设备的性能指标,干燥箱空载时的最低压力：医药2.3Pa，食品5.15Pa。 干燥箱空载降温速率：搁板温度从常温降至-40C的时间不大于2h 冷阱捕捉水蒸气能力：应不小于10kg/m3. 冷阱的降温速率：从常温降至-40C的时间不大于1h。,5.2.3真空干燥设备的性能指标,干燥箱空载抽空时间：医药，从大气压抽至10Pa的时间不应大

25、于0.5h，食品用冻干机时间不大于0.75h。 真空冷冻干燥箱空载时的漏气率：医用冻干机从10Pa开始观测，观测0.5h，其静态漏气率不大于0.025Pa m3/s,5.3食品真空冷冻干燥工艺,真空冷冻设备可以干燥的食品多种多样，可以是固态，也可以是液态，可以是肉类，也可以是果蔬类。 不同的样品，由于成分，形状，浓度，含水率，共晶点，崩解温度等特性不同，冻干的工艺将有所不同。,5.3食品真空冷冻干燥工艺,1、预处理 筛选、洗净、整形、烫漂、滚揉,5.3食品真空冷冻干燥工艺,2、预冻 食品的预冻是干燥前重要的一步。 一般生产型固态食品冻干机是无预冻功能的，在低温冷库（或冻结隧道）中用吹风强制冷却

26、冻结。一方面冷库的造价不到冻干机的1/10，这样冻干机只进行制品的干燥，可以充分发挥冻干机的生产能力。另一方面，现代固态食品冻干机的制品是悬挂于两辐射加热板之间的，若在干燥箱内预冻，就需在箱内增加制冷系统和冷风机，这是不合算的。,5.3食品真空冷冻干燥工艺,预冻冷库一般温度为-30-40C。盘装制品用吊笼悬挂于吊轨上，用冷风机强制冷却。冷库的吊轨可直通干燥箱内，这样做事非常必要的，否则就不能再很短时间内装完整批制品，装料时间过长，就会造成被冻结的制品融化。,5.3食品真空冷冻干燥工艺,3、干燥 食品在冷冻干燥过程中，可以分为升华干燥阶段和解析阶段。升华干燥过程中，物料的冰晶在低压下，直接升华为水蒸气，水蒸气在压差的作用下，流向冷阱，在冷阱中冷凝成液体水，排出冻干机外。在这一阶段，物料吸收搁板的热量主要用于升华所需的潜热，因此，物料在升华冻干过程中，温度上升较慢。,5.3食品真空冷冻干燥工艺,3、干燥 判断升华干燥结束的方法可以根据去掉水分含量（通过在线称重得到），也可以根据冻干曲线的拐点得到。 升华干燥结束后，物料进入解析干燥阶段。,5.3食品真空冷冻干燥工艺,3、干燥 物料中大部分水分已经去掉，物料从搁板所得到热量只有少部分用于物料中的水分蒸发或冰晶升华，大部分热量用于物料的显热即发生温升。当物料中心温度升到