真空冷冻干燥技术的工艺和设备

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1、真空冷冻干燥技术的工艺和设备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一门高新技术。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

2、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55℃,压强为39Pa,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。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,也是一门实验性很强的技术。真空冷冻干燥是先将湿物料冻结到共晶点温度以下

3、,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1一1)。三相点显示了水的气、液、固三相共存的压力和温度条件。图1一l水的相平衡图当蒸汽压大于三相点压力P。(610.SPa)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;

4、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6lOPa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。.2真空冷冻干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,

5、且处于高真空状态,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、味及营养成分。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

6、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

7、,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:如古旧书画的修补、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2l[。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。1890年Altmamr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.1909年Shackn将冻干引入细菌学和血清血领域3l[。他