食品冷凍干燥工藝的參數(shù)分析及其強(qiáng)化措施

1、第25卷,總第144期2007年7月,第4期5節(jié)能技術(shù)6E NERGY CONSERVATI ON TECHNOLOGYVol.25,Sum.No.144Jul.2007,No.4食品冷凍干燥工藝的參數(shù)分析及其強(qiáng)化措施王 瑩(哈爾濱商業(yè)大學(xué)土木與制冷工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150028摘 要:針對目前國內(nèi)保健食品凍干工藝的制定和食品凍干設(shè)備設(shè)計的要求,系統(tǒng)分析了食品真空冷凍干燥工藝的原理、系統(tǒng)設(shè)備組成及其主要工藝參數(shù)之間的關(guān)系,對如何強(qiáng)化冷凍干燥工藝過程進(jìn)行了深入探討,并提出了通過工藝方法提高凍干食品加工效率及質(zhì)量的一些具體措施,為凍干食品生產(chǎn)企業(yè)制定食品凍干工藝和設(shè)計食品真空凍干設(shè)備提供了

2、有力的參考依據(jù)。關(guān)鍵詞:冷凍干燥;工藝參數(shù);強(qiáng)化措施中圖分類號:TB657;TB79 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1002-6339(200704-0309-04Parameters Analysis and S trengthening Methods of Vacuum Freeze -drying Technology for FoodsW ANG Ying(College of Civil and Refrigeration Engineering,Harbin Com merce University,Harbin 150028,ChinaAbstract:In view of the

3、 requirements of domestic health food craft and device design at present,the principle,charac teristics and syste m equipment of food vacuum freeze drying craft are analyzed.And the relations among main craft parameters in the process of freeze-drying technology are discussed.It has been discussed i

4、n detail to strengthen this course of freeze-drying craft.And some measures to enhance efficiency and quality of the freeze-drying food are proposed.The conclusions of this paper offer a reference basis for some food manufac -turing enterprises making food freeze-drying craft and designing food vacu

5、um freeze drying equipment.Key words:freeze drying;craft parameter;strengthen method收稿日期 2007-06-06 修訂稿日期 2007-07-18作者簡介:王 瑩(1971,女,工學(xué)博士,副教授。1 引 言真空冷凍干燥技術(shù)在低壓、真空的條件下使物料水分升華,是干燥技術(shù)領(lǐng)域中科技含量高、涉及知識面廣的一種技術(shù),雖然該技術(shù)較其他干燥方法而言設(shè)備復(fù)雜、能耗較大、干燥成本高,但由于其干燥產(chǎn)品具有復(fù)水性能佳、色澤保持好、營養(yǎng)成分損失少、產(chǎn)品重量輕、便于攜帶運(yùn)輸、易于長期保存等優(yōu)點(diǎn),在品質(zhì)上遠(yuǎn)優(yōu)于其它干燥制品,使其成為干

6、燥技術(shù)研究和發(fā)展的前沿。2 真空冷凍干燥原理真空冷凍干燥是將含水物料凍結(jié)后,在真空環(huán)境下加熱,使物料中的水分直接升華除去,從而使物料脫水獲得凍干制品。真空冷凍干燥屬于物理脫水,理解其過程應(yīng)從水的三相平衡圖開始。如圖1所示,AB 、AC 和AD 線分別稱之為升華曲線、溶解曲線和汽化曲線。三線交點(diǎn)A 為固、液、氣三相共存的狀態(tài),稱為三相平衡點(diǎn),其溫度為0.0098e ,壓力為610Pa,箭頭1、2、3分別表示冰升華成水蒸氣、冰融化成水和水氣化成水蒸氣的過程。升華現(xiàn)象是物質(zhì)從固態(tài)不經(jīng)液態(tài)而直接變成氣態(tài)的#309#過程,由該圖可知,當(dāng)壓力低于610Pa 時,不論溫度如何變化,水的液態(tài)都不能存在,這時如

7、果對冰進(jìn)行加熱,固態(tài)冰就能越過液態(tài)直接升華成氣態(tài),真空冷凍干燥技術(shù)就是基于這一原理112 。圖1 純水三相狀態(tài)平衡圖3 真空冷凍干燥設(shè)備組成冷凍干燥設(shè)備按不同的側(cè)重有不同的分類方式122:按操作方式分為間歇式和連續(xù)式冷凍干燥設(shè)備;按在干燥室內(nèi)能否進(jìn)行預(yù)凍分為能預(yù)冷凍和不能預(yù)凍冷凍干燥設(shè)備;按凍干物料的生產(chǎn)數(shù)量分為工業(yè)用和實(shí)驗用冷凍干燥設(shè)備。冷凍干燥設(shè)備如圖2所示,由以下裝置組成 :圖2 冷凍干燥設(shè)備裝置圖1-壓縮機(jī);2-冷凝器;3-熱交換器;4-膨脹閥;5-閥門;6-干燥箱;7-捕水器;8-真空泵(1干燥箱,用于物料的真空冷凍與干燥,可用不銹鋼或普通鋼板制造。(2捕水器,是用來凝結(jié)物料升華時逸

8、出的水蒸氣。(3制冷裝置,其用途主要是用來提供冷量,一方面對物料進(jìn)行冷卻;另一方面給捕水器提供冷量。(4真空系統(tǒng),主要目的是確保干燥箱和捕水器的真空度,使得整個系統(tǒng)能正常運(yùn)行。(5控制系統(tǒng),對整個系統(tǒng)的工況進(jìn)行智能自動控制,以確保整個系統(tǒng)順利運(yùn)行。4 真空冷凍干燥的參數(shù)分析132真空冷凍干燥的參數(shù)包括物性參數(shù)和過程參數(shù)。物性參數(shù)主要包括物料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度、共晶溫度、共融溫度、傳遞系數(shù)等;過程參數(shù)主要包括預(yù)凍溫度,預(yù)凍方式、加熱方式、加熱溫度、物料尺寸、冷阱表面溫度、真空度等14,52,其中,調(diào)整過程參數(shù)是凍干工藝設(shè)計的主要手段。(1真空冷凍干燥過程各溫度參數(shù)(主要包括升華物料溫度、擱

9、板溫度、崩解溫度等,對制品的影響最大。升華階段物料溫度應(yīng)低于其共融點(diǎn)溫度,所謂共融點(diǎn)溫度就是指凍結(jié)物料在升溫升華過程中,當(dāng)達(dá)到某一溫度時,固體中開始出現(xiàn)液態(tài)的溫度。產(chǎn)品溫度低于共融點(diǎn)溫度太多,升華速率低,升華時間加長;高于共融點(diǎn)溫度,凍結(jié)物料融化,影響質(zhì)量和干燥過程。干燥過程還存在一個崩解溫度。崩解溫度是指在干燥過程中使已干層產(chǎn)生崩潰現(xiàn)象的溫度。若升華溫度超過該產(chǎn)品的崩解溫度,那么會由于干燥層產(chǎn)品的崩潰,從而堵塞已干層的空隙,影響產(chǎn)品的繼續(xù)升華,因此,升華時加熱的溫度還應(yīng)低于干燥產(chǎn)品的崩解溫度。擱板溫度對凍干制品的質(zhì)量起著重要作用。具體地說就是在升華階段應(yīng)保證擱板溫度低于產(chǎn)品的共融點(diǎn)溫度,從而

10、保證產(chǎn)品溫度低于其共融點(diǎn)溫度;在解析階段,擱板溫度應(yīng)低于最高允許溫度,否則會出現(xiàn)物料中心溫度超過物料的最高溫度,會使物料表面燒焦或變形。(2物料尺寸因素的影響。物料尺寸大將增大升華干燥時傳熱傳質(zhì)的阻力,不利于物料的干燥;物料尺寸越小,物料越容易被凍干。但是物料的尺寸也不是越小越好,尺寸過小時,一次凍結(jié)時間縮短,但一次裝載量也相應(yīng)減小,生產(chǎn)相同產(chǎn)量使得重復(fù)過程增多,這樣不但沒有減少能耗相反使操作費(fèi)用增加。因此應(yīng)根據(jù)具體情況決定物料尺寸的大小,以利于凍干過程能耗及生產(chǎn)成本的降低。(3冷阱表面溫度也是凍干過程的重要參數(shù)之一。物料升華過程產(chǎn)生的水蒸氣在冷阱工作表面凝結(jié),從而保證倉內(nèi)穩(wěn)定的真空度。冷阱表

11、面溫度對應(yīng)著冷阱表面一定的飽和蒸汽壓力,倉內(nèi)壓力同冷阱的飽和蒸汽壓力差決定了水蒸氣從物料內(nèi)部到表面、最后到冷阱表面的擴(kuò)散流動過程,因此冷阱實(shí)質(zhì)#310#是作為吸附水蒸氣的低溫泵工作。通常冷阱表面溫度比升華溫度低510e左右。(4倉內(nèi)真空度的控制。真空度即我們常說的操作壓力,在升華過程中,不僅擱板溫度需要控制,倉內(nèi)壓力也需要控制。凍干倉壓力大小直接影響升華干燥過程的傳熱傳質(zhì):壓力過高,傳熱效果好,但不利于水蒸氣的逸出;反之,壓力低,有利于水蒸氣的逸出,但傳熱效果減弱。由于整個升華過程就是一個傳熱傳質(zhì)過程,只有壓力適當(dāng),才能得到最經(jīng)濟(jì)的干燥速率。此外當(dāng)升華溫度恒定,在倉內(nèi)壓力低于一定值時,即使壓力

12、繼續(xù)降低升華速度也不再提高。升華壓力過低,導(dǎo)致?lián)Q熱效果差,為提供相同的熱量就需要較高的擱板溫度,而較高的擱板溫度容易造成物料的融化崩潰,因此通常應(yīng)把壓力控制在略低于最高升華溫度所對應(yīng)的飽和蒸汽壓力值的1/2162。5真空冷凍干燥過程的強(qiáng)化措施冷凍干燥過程是一個綜合的傳熱和傳質(zhì)過程,凡有利于傳熱傳質(zhì)的條件都能提高干燥速率、強(qiáng)化凍干過程,因此提高產(chǎn)品質(zhì)量、強(qiáng)化凍干過程可在以下幾個方面采取強(qiáng)化措施:5.1選取適當(dāng)?shù)念A(yù)凍方式17,82對于固態(tài)物料,不同的預(yù)凍結(jié)速率對升華干燥過程產(chǎn)生的影響也不同:預(yù)凍結(jié)速率快,在凍結(jié)物料中可形成較小的冰晶顆粒,因而冰晶升華后,物料內(nèi)形成的孔隙尺寸較小,干燥速率低;預(yù)凍結(jié)

13、速率慢,在凍結(jié)物料中形成大顆粒的冰晶,冰晶生長形成了較大尺寸連通孔隙,有利于升華干燥后期水蒸氣的逸出,但也將導(dǎo)致物料內(nèi)溶質(zhì)的重新分布和局部濃縮效應(yīng),此外冰晶的成長還可能造成物料骨架的機(jī)械損傷,引起凍干制品不可逆的質(zhì)量損失。綜合上述兩種情況,通常采用折衷的物料凍結(jié)方式,即半快速凍結(jié)法。5.2干燥層傳熱傳質(zhì)的強(qiáng)化在真空冷凍干燥過程中,不論是熱量傳遞還是水蒸氣的升華都必須通過干燥層,所以提高干燥層的導(dǎo)熱系數(shù)和傳遞系數(shù)對強(qiáng)化冷凍干燥過程極為重要19,102。干燥層的強(qiáng)化方法一般有以下幾種:5.2.1向干燥室加入惰性氣體法已干層空隙內(nèi)氣體的導(dǎo)熱性是決定已干層物料導(dǎo)熱性的主要因素。如果空隙內(nèi)氣體過于稀薄,

14、則氣體壓力過低、導(dǎo)熱性能小、干燥時間延長。氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與氣體壓力及其擴(kuò)散能力有關(guān),稀薄氣體的導(dǎo)熱性隨壓力升高而增大,因此,真空冷凍干燥過程中向干燥箱內(nèi)加入適量的惰性氣體以提高物料已干層內(nèi)氣體的壓力,有利于熱傳導(dǎo)的進(jìn)行,從而使干燥時間減少。5.2.2循環(huán)壓力法1112循環(huán)壓力法是在冷凍干燥過程中周期性地升高或降低干燥室的壓力,以提高干燥速率的方法。在干燥室壓力升高期,物料干燥層的有效導(dǎo)熱系數(shù)和物料外部氣體對流傳熱系數(shù)增加,從而通過干燥層的傳熱量增加,物料升華界面的溫度和水氣分壓也相應(yīng)提高。隨后,壓力突然降低,使升華界面與表面之間形成較大壓力差,導(dǎo)致物料干燥層孔隙內(nèi)的氣體快速逸出。如此交替變化操

15、作壓力,即構(gòu)成了循環(huán)壓力冷凍干燥過程。應(yīng)用循環(huán)壓力法要求冷凍干燥過程必須是傳熱控制過程,若干燥過程是傳質(zhì)控制或操作壓力對物料多孔干燥層的有效導(dǎo)熱系數(shù)影響很小,則循環(huán)壓力法就失去了應(yīng)用價值。同時,此方法雖強(qiáng)化了干燥層傳熱,但必須增加壓力循環(huán)波動調(diào)節(jié)和控制裝置,使干燥設(shè)備系統(tǒng)的復(fù)雜性增加。5.2.3除去已干層法可以想象,在凍結(jié)過程已干層越厚則傳熱傳質(zhì)的阻力就越大,如果能及時的把已干層除去,使得升華層始終在最外面,則可以大大地提高升華干燥的速率,使干燥時間減少許多,因而能減少能耗,從而降低成本。5.3加熱方式的強(qiáng)化真空冷凍干燥過程的傳熱傳質(zhì)是在壓力較低的情況下進(jìn)行的,長期以來一直采用熱傳導(dǎo)的方式對物

16、料進(jìn)行加熱,傳熱效果欠佳。如果采用微波或輻射加熱的方式可以克服傳統(tǒng)加熱方式的局限性,大大提高傳熱速率、減少干燥時間。但應(yīng)用微波加熱和輻射加熱的方法也存在一定的缺點(diǎn),一方面,加熱量不好控制,易造成物料溫度過高,超過共融點(diǎn)或崩解溫度,使得物料產(chǎn)生融化現(xiàn)象或干燥層的崩潰,從而影響凍干的進(jìn)行;另一方面,在用微波或輻射加熱的過程中還會產(chǎn)生輝光放電等不良的現(xiàn)象。目前通常認(rèn)為,在解析階段如果能采用微波加熱或紅外線加熱方法,可以大大縮短干燥時間。5.4溫度控制的強(qiáng)化真空冷凍干燥過程各溫度參數(shù)的控制主要是控制凍結(jié)層和已干層溫度。對于凍結(jié)層溫度的控制原則是在保證凍結(jié)層不發(fā)生融化的情況下,溫度越高越好;對于已干層,

17、溫度在不高于崩潰溫度的條件下盡量提高,以便提高升華速率,特別是在升華干燥的#311#最后階段,即解析干燥階段更是如此。因為在解析階段要除去的是物料中的結(jié)合水,需要的能量密度相對前階段較大。但此時應(yīng)注意溫度不能無限制的提高,如果高于物料的崩潰溫度,會使物料因溫度太高而發(fā)生崩潰,從而使物料干燥層的空隙被堵,干燥速率反而降低。5.5捕水方式的強(qiáng)化在一般使用的間壁式冷卻的低溫冷凝方法中,水蒸氣凝結(jié)后所放出的熱量是通過金屬壁和霜層傳向冷卻劑的,因此傳熱阻力除了金屬壁阻力之外還有霜層阻力,而且霜層阻力隨時間的延長而增大1122。為了減少傳熱阻力不得不經(jīng)常停車除霜,影響冷凍干燥的進(jìn)行。如果選用混合式冷凝器代

18、替普通的冷凝器就可以減少傳熱阻力,提高干燥速率。6結(jié)論綜合以上對真空冷凍干燥過程參數(shù)的分析,和對強(qiáng)化干燥措施的探討,得出以下結(jié)論:(1目前國內(nèi)對真空冷凍干燥工藝的研究還處于初級階段,未形成一套權(quán)威的理論來指導(dǎo)實(shí)踐,因此真空冷凍干燥技術(shù)還存在著很大的發(fā)展空間。(2冷凍干燥物料的多樣性和干燥過程的復(fù)雜性決定了冷凍干燥工藝過程強(qiáng)化措施的多變性,必須根據(jù)被干燥介質(zhì)的特性來選擇不同的強(qiáng)化干燥方法,或者需要對幾種強(qiáng)化方法進(jìn)行不同的組合和改進(jìn)。(3近年來,由于人們生活水平的提高,對加工食品的品質(zhì)要求也不斷提高。凍干產(chǎn)品由于具有復(fù)水性能佳、色澤保持好、營養(yǎng)成分損失少、產(chǎn)品重量輕、便于攜帶運(yùn)輸、易于長期保存、服用方便等諸多優(yōu)點(diǎn),凍干技術(shù)在今后必將得到快速發(fā)展,成為食品加工的主要方式之一,對我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和提高產(chǎn)品創(chuàng)匯有重要意義。參考文獻(xiàn)112王玉文,張玉敏,余善鳴.食品冷凍理論及應(yīng)用1M2.哈爾濱:黑龍江科技出版社.122華澤釗,李云飛,劉寶林.食品冷凍冷藏原理與設(shè)備1M2.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.132余善鳴,白杰.果蔬保鮮與冷凍干燥技術(shù)1M2.哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社.142余華明.冷庫及冷藏技術(shù)1M2.北京:人民郵電出版社.152梁肖勇.食品冷凍干燥及發(fā)展1J2.食品工業(yè)科技.162Dennis R.Heldman Richard.W.Hartel.食品加工原理1M2.北京