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    冷凍干燥技術與設備簡介
      

    一.概述

    自然界中有很多食物,包括不再存活或停止生長的動植物和生物。在常溫下這些食物存放一段時間后會腐爛變質,無法食用,造成驚人的浪費。主要是因自然環境中存在著許多雜菌,包括霉菌,各類食物內部普遍含有水分,霉菌在水分的滋養下會快速生長繁殖,從而導致食物腐爛變質。如果將食物中的水分去掉,霉菌就不能繁殖,食物就可以保存下來。人們通常將食物經過煙熏火烤、風吹日曬等方法處理過后再存放,原理就是去掉食物中的水分,使霉菌不再生長繁殖,這樣干制處理過后的食物就可以長時間存放了。

    現今干燥食物仍然是儲存食物的主要方法之一,干燥方法有多種多樣,相應的干燥設備也有各種形式,如烘烤、熱風、噴霧、微波、真空干燥設備等等,市場上各種干燥食品琳瑯滿目,但這些干燥食品還有些瑕疵,如體積縮小、顏色深暗、質地堅硬、很難溶于水、食用時需在水里長時間浸泡、其中的熱敏成分和營養成分變質和流失、口感差等等,仍然無法滿足人們對干燥食品越來越高的品質要求。

    隨著技術進步和生活水平的提高,一種新的干燥技術被發現并應用到食品加工上來,采用這種新的干燥技術所干燥的食品具有外觀、色澤和口感等各方面均與新鮮食物原料相近,熱敏成分和營養成分保留完整,其內部組織呈多孔酥松狀,極易吸水,復水復原快速,方便食用,并可以長期保存等特點,這種新的干燥技術被稱為冷凍干燥技術,簡稱凍干技術,采用凍干技術所干制的食品簡稱為凍干食品。

    凍干技術與普通干燥技術的區別在于,凍干技術是將含水物料中的水預凍結成冰,然后在缺氧的真空環境下直接將冰變成水蒸汽升華分離出去,整個干燥過程是在低溫和真空環境下完成的,沒有高溫氧化現象發生,物料的組織結構因冰架作用保持原狀沒有被改變,其內部熱敏成分和其他成分不會發生變質和流失,其外觀、色澤等各方面性狀也不會發生改變。而普通干燥技術是將含水物料中的水以液態的形式蒸發分離出去的,其過程是在高溫和氧化反應中完成,所留下的干燥物會氧化變色變性,熱敏成分和其他成分會變質流失,干燥物組織縮小變硬、復水復原困難??梢姴捎脙龈杉夹g所干燥加工的凍干食品所具有的很多優點是其他干燥食品所不具備的。凍干技術因其諸多優點非常適合用于加工生產快速、方便、休閑、高營養和應急等即食食品,凍干食品一問世便受到消費者的歡迎,在旅游、休閑、宅經濟、野外作業、應急救災、健康保健、軍事等領域獲得了推廣應用。

    凍干技術最早產生于上世紀初, 科學家發現冰在特殊條件下可以不經過液態水的過程就可以直接汽化消失,這一現象在物理學上稱為水的升華。利用水的升華原理將某些動植物、生物菌種等含水試驗品經過凍結后再升華脫水干制,便可以保存很長時間,效果非常好。這一升華原理被應用到工業生產上來便產生了凍干技術和凍干設備。由于早期工業技術比較原始,凍干設備所應用到的真空、制冷、傳熱、材料和自動控制等技術達到凍干要求比較困難,導致凍干設備性能差,效率低,產量也低,生產一爐產品需幾天時間,且設備造價非常高,僅能生產的少量抗菌素、疫苗、血清及特殊生物藥品等急需產品。到了上世紀60年代,隨著技術進步和工業水平的提高,凍干設備性能有所改進提高,凍干成本有所降低,在歐美、日本等發達國家開始用凍干機生產凍干食品,主要品種包括蘑菇、大蒜、蔬菜、牛肉、海產品、速溶咖啡等等。到80年代中后期,我國也開始用凍干機生產凍干食品,國產用于食品加工的凍干機最早產生于1986年,由遼寧省撫順市活性技術研究所研制完成,主要用于加工東北當地藥材和特產,如活性人參、活性鹿產品、速食山野菜及食用菌等產品,后期逐漸應用到各種食品上來。到90年代初,我國從日本、丹麥引進了大型食品凍干設備,國內一些制造廠商也開始生產制造凍干機,此后,凍干食品逐漸在國內普及開來,國內生產的凍干機逐漸替代了進口凍干機,凍干技術應用在我國有了長足的發展進步。進入二十一世紀以后,由于凍干技術所應用的真空、制冷、傳熱、新材料和自動控制等技術已經達了到很高水平,凍干設備的性能、效率和產量成倍提高,凍干食品的價格也大幅度降了下來,逐漸能夠被消費者所接受。各類凍干食品如蔬菜、水果、飲料、調料、方便快餐食品、小食品、水產、肉禽蛋、食用菌、中藥滋補品等產品在市場上層出不窮,琳瑯滿目。此外各種非食品類凍干產品也陸續出現,如各種凍干花卉、化工催化劑、超微細材料、石墨烯和濃縮液制粉等??梢妰龈杉夹g具有廣闊的應用空間和巨大的發展潛力,未來將迎來更快速的發展。


    二,冷凍干燥原理

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    通常情況下,水在一個大氣壓(1x105Pa)環境下被加熱到100℃時即開始沸騰蒸發,如環境壓力低于一個大氣壓(如高原地區)時,水不用加熱到100℃也會沸騰蒸發,如環境壓力繼續下降,降到610Pa以下時,水在0℃時就可以沸騰蒸發了。如環境壓力再下降,水就只有冰和汽兩種相態,液態水就不存在了,此時冰受熱后只能變成蒸汽,物料學稱這一現象為“升華”。反之對在壓力低于610Pa環境中的水蒸氣降溫,水蒸汽就會凝聚在低溫物體表面結成冰霜,而不會冷凝成液態水,物理學稱這一現象為“凝華”。

    利用“升華”原理,將物料中的水由冰凍狀態直接變成汽態離開物料就可以達到低溫干燥物料的目的,干燥后的物料會完好地保存原有的各種形態和性狀不變化。凍干設備就是根據升華原理來工作的。

    凍干設備的干燥倉是一個真空容器,將被干燥物料放置在干燥倉內,先通過制冷方式將物料凍結,然后抽真空降低倉內壓力,當壓力低于610Pa后開始對物料提供熱量,物料中的冰就會升華汽化逐漸離開物料,最后變成干燥物料。這些離開物料的水蒸汽利用物理學“凝華”原理被一臺溫度較低的金屬表面或稱冷阱的裝置凝華成冰霜收集起來,干燥結束后再融化放掉,整個冷凍干燥過程就結束了。


    三,冷凍干燥設備的主要結構

    冷凍干燥設備是由干燥倉體、低溫捕集阱和制冷系統、真空系統、加熱系統、控制系統以及冷凍庫、物料運送、冷卻、壓縮空氣、蒸汽等輔助系統構成。

    干燥倉

    干燥倉是用于干燥含水物料的負壓密閉容器,可以承受一個大氣壓的外部壓力,所用材料為不銹鋼或碳鋼,使用碳鋼時倉內壁須襯以不銹鋼材料。干燥倉內部設有中空加熱擱板,擱板內循環以來自加熱器的導熱介質,用以加熱凍結物料。干燥倉通常有兩種形式,一種是沒有凍結功能的干燥倉,物料凍結需要外置的凍結庫配合完成,倉內和庫內設有可供物料車行走的軌道,軌道分為吊軌或地軌兩種形式,可相互對接。另一種是有凍結功能的干燥倉,物料可直接在干燥倉內完成凍結,無需凍結庫配合。經凍結后的物料在干燥倉的加熱擱板上不斷受熱,在真空環境下,物料中的冰便不斷升華變成水蒸氣逸出物料,最后使物料完全干燥。

    冷阱

    冷阱是用于捕集來自干燥倉中物料逸出水蒸氣的低溫捕集裝置,安裝在負壓鋼制密閉容器內部,和干燥倉聯通,可以在干燥倉后部、底部或側面。冷阱中安裝有低溫捕集器,低溫捕集器具有較低的工作溫度和較大的工作表面,依靠冷阱外部的制冷機維持工作。其工作溫度遠低于干燥倉中凍結物料的溫度,借助有較低溫度的低溫捕集表面將來自干燥倉中物料逸出的水蒸氣捕集起來,凍結成冰固定在捕集器表面,待干燥結束后再將捕集器表面上的冰融化掉并排除冷阱外,待下一次干燥。一般冷阱工作溫度在-40℃以下,從干燥開始直到結束一直在不停地工作。

    制冷系統

    制冷系統由制冷壓縮機和輔助設施、零部件及控制器件組成,為凍結待干燥物料的冷凍庫和冷阱提供冷源。制冷壓縮機將制冷劑壓縮成高壓過熱氣體后經冷卻系統冷卻成高壓液體,然后通過節流控制膨脹閥將高壓液體在蒸發器管道中變成低壓氣體蒸發吸熱實現制冷,往復循環。制冷壓縮機的壓縮方式分活塞式和螺桿式兩種,前者用于較小制冷量場合,后者用于較大制冷量場合。制冷系統的輔助設施及零部件材料有制冷劑冷卻裝置及節流膨脹閥、過濾器、壓力控制器和制冷劑等。制冷劑冷卻裝置分空氣冷卻、水冷卻和蒸發冷卻幾種方式,較小制冷量場合采用空氣冷卻或水冷卻方式,較大制冷量場合采用蒸發冷卻方式;節流膨脹閥有機械式自動調節和電子調節兩種;過濾器用來過濾制冷劑中的雜質和水分;壓力控制器用來保護制冷系統安全,防止因制冷系統壓力過高或過低造成壓縮機損壞;在制冷系統中循環的制冷劑有氟利昂或氨,氟利昂有R22、R404A、R502、R507等多種,前兩種比較常用,R22為普通制冷劑,R404A為無氟環保制冷劑,氨因有氣味和爆燃危險已很少使用。

    真空系統

    真空系統由真空泵機組、真空閥門管道、冷卻裝置及控制器件等組成,為干燥倉和冷阱獲得所需的真空環境提供保障。真空泵是靠機械零部件的相對運動產生容積變化來實現抽吸空氣,機械相對運動的方式有螺桿式、轉子(羅茨)式、滑閥式、旋片式等多種,各種方式抽吸空氣的能力不同,所達到的真空度也不同,只用一種方式難以達到凍干所需真空度要求,通常使用兩種以上不同真空泵組合在一起使用,如羅茨-螺桿機組、羅茨-滑閥機組、羅茨-旋片機組、羅茨-羅茨-水環機組等。真空泵的密封潤滑方式分油封潤滑和水封潤滑兩種,前者密封潤滑效果好,抽吸空氣能力強,但缺點是在凍干過程中潤滑油會混入大量水蒸氣,因潤滑變差易導致真空泵機件損壞,所以需要經常更換潤滑油,增加設備維護和生產成本。后者密封潤滑效果和抽吸空氣能力差,需要多級組合才能達到使用要求,增加一次性投資成本,能耗高,優點是不需要經常維護和更換潤滑油。羅茨-螺桿機組中的螺桿真空泵不需要潤滑,也就不需要更換潤滑油,但該泵造價過高,運行過程升溫過快,其穩定性有待觀察。真空泵在使用過程中會生熱,需要冷卻裝置加以冷卻,一般以冷卻水循環方式為主。真空控制器件可以控制各真空泵啟停順序和真空度值,以滿足使用要求。一般工作真空度在10~100PA范圍內,可以交替變化,真空機組從干燥開始直到結束一直在不停地工作,以維持必要的工作真空度。

    加熱系統

    加熱系統是用于對干燥倉中凍結物料進行加熱的導熱介質加熱控制循環系統,依靠電熱或蒸氣熱對導熱介質進行加熱,再用循環泵將加熱后的導熱介質在干燥倉內擱板中進行循環,以達到對懸置在干燥擱板中間的物料進行加熱的目的,大型凍干機的加熱方式多為輻射式加熱,擱板與物料無接觸,擱板材料為不銹鋼或陽極氧化鋁合金,陽極氧化鋁合金材料輻射熱的能力優于不銹鋼材料,多被采用。導熱介質有水、導熱油、乙二醇混合液或硅油等多種,其中導熱油可獲得高達150℃的加熱溫度,乙二醇混合液或硅油多在干燥倉具有凍結功能的凍干設備中使用。干燥倉具有凍結功能的凍干設備擱板具有冷凍和加熱功能,物料可在擱板上采用接觸方式凍結和加熱。這種設備因能源消耗較高,效率低,操作笨重,無法大規模生產,只適合中小規模生產高價值物料,如藥品、生物制品等。加熱控制系統是對加熱溫度進行控制的智能控制系統,依靠對電熱器通斷電控制或對蒸汽閥門開閉控制來實現對導熱介質的溫度控制。由于待干燥物料多種多樣,干燥過程各不相同,物料加熱過程程序,即物料干燥工藝曲線也不同。通常加熱過程是逐漸升溫-維持恒溫-逐漸降溫的曲線過程,各階段所需時間不同,總干燥時間不同,各階段加熱溫度和最高溫度都不同,因此需要根據具體物料的特點進行具體工藝編程設計,物料干燥工藝曲線是經反復工藝試驗摸索總結出來的,是凍干過程的核心。

    控制系統

    控制系統是對構成凍干機的各個系統進行集中控制的智能控制系統,由各種繼電器、接觸器、過載保護器、溫度和壓力傳感器、電磁控制器、信號變送器、儀表、通斷開關等電器元件及PLC編程控制器、模擬轉換器、擴展模塊、觸摸屏等組成,可以對壓縮機、真空泵、電加熱器、調控閥門等各種機電設備的啟停和運行狀況進行控制和檢測,可以對超限超常狀況進行報警提示和控制,可以根據預編的工藝曲線程序對制冷溫度、真空度和加熱溫度進行智能調節控制,以適應各種物料干燥工藝要求,實現最佳干燥過程控制,生產出最佳凍干產品。

    速凍庫

    速凍庫用來對待干燥物料進行預凍結,一般采用隧道式結構,尺寸和干燥倉相匹配,庫內設有可供物料車行走的軌道,可和干燥倉或其他車間內軌道對接,軌道可設為吊軌或地軌兩種形式。速凍庫內部設有強制冷風設備可對庫內物料快速降溫凍結,凍結時間和溫度根據不同物料特點確定,一般凍結時間在3~8小時,凍結溫度在-18℃-40℃之間。

    干燥倉具有凍結功能的凍干設備無需速凍庫。

    物料運送系統

    干燥倉沒有凍結功能的凍干設備需用物料運送系統運送物料,采用物料車形式將物料運送到干燥倉、速凍庫和各車間,將物料擺放在料盤中,然后放置在物料車料盤架上,可以節省人工擺放裝卸物料時間,提高工作效率,縮短干燥周期。物料車上設有軌道滑輪,可攜帶物料車和物料在干燥倉、速凍庫和各車間內的軌道上行走和停留。

    冷卻系統

    冷卻系統用于冷卻制冷壓縮機和真空泵在運行過程中產生的熱量,使制冷壓縮機和真空泵在允許溫度范圍內正常運行,防止過熱損壞。冷卻系統通常采用強制空氣冷卻和循環水噴淋冷卻兩種方式,大型凍干機則采用循環水蒸發冷卻方式。

    壓縮空氣系統

    壓縮空氣系統用于干燥機所配置的閥門、倉門、鎖緊機構、物料車運送機構等各動力機構提供動力源。

    蒸汽系統

    蒸汽系統在使用蒸汽作為加熱源時通過蒸氣為干燥擱板中的導熱介質提供熱量。產生蒸汽的燃料通常為煤炭、天然氣、燃油、生物質燃料或其他燃料,所產生的蒸汽通過調節閥控制所需工藝溫度。


    四, 冷凍干燥技術現狀和未來展望

    冷凍干燥技術在我國食品行業中的應用起步較晚,初期主要凍干產品為水果類、蔬菜類、方便食品類和肉類水產類等,近期凍干休閑食品、凍干湯料飲品、凍干早餐食品等甚至寵物食品紛紛涌現,應用范圍在逐年擴大,凍干技術也日趨成熟。

    冷凍干燥技術雖然有諸多優點,但也存在一些不足,凍干機長期以來一直是采用間歇式作業,每干燥一爐都需經過出爐、融霜、凍結、裝爐等過程,每爐干燥周期需20小時甚至更長時間,且過程必須有人工參與,無法實現自動化連續化生產作業,凍干成本是普通干燥的數倍,凍干產品價格昂貴,導致凍干技術在食品加工行業大規模普及應用和發展受到制約。因此降低成本仍是凍干技術發展的關鍵。目前一些廠家正在努力探索,研發新型凍干機,未來將會有更新型的高效節能凍干機出現。

    一種可實現無人操控的連續式凍干機正在由撫順市黎明低溫干燥設備有限公司開發研制,目前正處在中試和產品定型階段。該機采用連續自動進出料方式,整個干燥生產過程無需人工參與,無人化作業,可全年不停機生產,工作效率大幅度提高,能源消耗和生產成本僅為普通凍干設備的三分之一。該機的問世將徹底解決冷凍干燥機耗能大效率低下的問題,凍干產品價格將大幅度下降,凍干技術應用范圍將進一步擴大。

    隨著我國工業化的快速發展,高效節能無人化是未來工業發展的必然趨勢,落后的靠人工值守的傳統生產模式將逐漸被取代,未來凍干技術也將向高效節能和智能化無人化方向發展,連續式凍干機將成為凍干行業的主要機型,冷凍干燥技術將向更寬更廣的范圍加速發展。

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