凍干機的起源、發(fā)展和原理

www.help-services.cn 2019-07-30 11:20

　　凍干機的起源和發(fā)展
　　
　　真空冷凍干燥，英文“FreezeDried”簡稱“FD”。“FD”技術起始于二十世紀初期，二十世紀四十年代，首先由俄羅斯的科學家，在實驗室進行FD產(chǎn)品的小型試驗，獲得成功，六十年代美國應用該技術，主要生產(chǎn)凍干食品及農(nóng)副產(chǎn)品，用于宇航員太空食品，七十年代，隨著工業(yè)化進程的加快，日本消化吸收美國的FD科技成果，并對其進行深入研究，使其FD技術及設備得到了突破性發(fā)展，從此，F(xiàn)D產(chǎn)品及設備進入了工業(yè)化生產(chǎn)時代，1986年，中國青島大洋食品集團公司從日本東洋技研株式會社引進了中國首臺FD設備，用于食品，農(nóng)副產(chǎn)品及其它高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)，實現(xiàn)了中國FD產(chǎn)品零的突破，二十世紀九十年代，中國的一些科研機構，開始關注FD技術并自行研制FD設備。21世紀，
　　
　　FD設備的選用，首先根據(jù)FD設備的用途確定。從FD原理來講，只要含有水分的原料，在一定壓力和溫度條件下，均可進行脫水升華。但工業(yè)化應用的FD設備因產(chǎn)品加工工藝特性不同，在設備設計上，具有很強針對性。
　　
　　凍干食品就是將新鮮的蔬菜，肉食，水產(chǎn)品，通過凍干機在真空條件下，將經(jīng)過速凍后物料的水分由固態(tài)冰升華成氣，從而使物料脫水干燥。這種凍干食品，不需冷藏設備，在室溫下可長期保存不變質(zhì)，一加水就好似鮮品。隨著食品行業(yè)的飛速發(fā)展，食品的冷藏處理量日趨增長，但其復雜的分銷系統(tǒng)以及病菌易混入等缺點，使人們需求一種不需冷藏，更易保存且又能長時間保鮮的一種方法，凍干食品迎合了這種需求。目前世界食品工業(yè)呈現(xiàn)三大趨勢：其一是綠色食品日受歡迎。這是由于全球環(huán)境日益惡化，以及濫用添加劑比較普遍，人們自我保意識增強，因而無污染和無添加劑的綠色食品受到喜愛，其二是方便食品備受歡迎。由于人們的工作節(jié)奏和生活節(jié)奏加快，外出旅行頻繁，因而快捷方便的食品成為首選，其三是有利于保健的食品更受歡迎。這是由于越來越多的人認識到，可長期存放的腌制，熏制和罐頭等食品或含至癌因素或營養(yǎng)受損，只有凍干食品可以取而代之。凍干食品是綠色的，方便的，也是有利于保健的，正符合食品發(fā)展的三大趨勢。
　　
　　目前，國際市場對凍干食品的需求逐年增加。全世界凍干食品產(chǎn)量，在70年代初僅有近20萬噸，到90年代卻達到了上千萬噸。近些年凍干食品的年消費量，美國是500萬噸以上，日本是160萬噸以上，法國是150萬噸以上，還有許多國家的消費量正迅速逐年遞增。這些凍干食品消費大國，每年有相當數(shù)量的凍干食品由其它國家進口。我國的凍干食品產(chǎn)業(yè)尚處于發(fā)展初期，產(chǎn)量還很低，但卻引來了外商向中國市場大量求購。這是由于國外市場對凍干食品供不應求的外因，更是由于我國凍干食品生產(chǎn)成本極低的內(nèi)因。外商向中國市場大量求購，是我國發(fā)展凍干食品產(chǎn)業(yè)的大好機遇。日本每年需花1000億日元進口凍干食品，日，美，歐每年約需凍干大蒜粉6000噸。
　　
　　我國是一個近13億人口的大國，隨著人民生活水平的提高和工作節(jié)奏的加快，對凍干食品的消費量必然迅猛增加。目前，國內(nèi)市場的凍干食品（有國產(chǎn)的，也有進口的）已經(jīng)出現(xiàn)，如某些方便面和糕點配料，某些速溶奶粉和咖啡，某些中藥和藏藥（活性參，鹿血膠囊，溶栓膠囊，炎疼貼）等，已得到越來越多消費者的認識，接受和青睞。據(jù)有關食品期刊報道，我國方便面總產(chǎn)量已達369萬噸，占全球產(chǎn)量的40％，居世界第一位，但人均消費量只有14包，僅為日本的1/3�？梢灶A測，中國市場方便面的銷售量還會大幅增加�，F(xiàn)在各方便面生產(chǎn)廠家已展開上檔次的競爭熱潮，遠古巨獸大復活上檔次的主要措施是將烘干的配料（小蔥，胡蘿卜，香菜，牛肉，蝦仁等）換成凍干的配料，而且要加大配料量。目前我國凍干食品的總產(chǎn)量尚遠遠滿足不了方便面上檔次的需要。
　　
　　另外，國外正在興起用凍干工藝制成的速溶飲料，顆粒蔬菜，速食湯料以及超微粉食品等，它們在我國也會獲得很快發(fā)展。總之，中國市場正逢凍干食品擴大需求的機遇。
　　
　　目前國際市場對凍干食品供不應求，而我國不僅有豐富的蔬菜和肉食及水產(chǎn)資源，而且將此類食品資源加工成凍干食品的成本低廉。業(yè)內(nèi)人士分析，開發(fā)凍干食品是一項前景看好，利潤大，風險小的出口創(chuàng)匯項目。
　　
　　我國農(nóng)牧產(chǎn)品一直徘徊在原產(chǎn)或初級加工階段，技術含量總體偏低。通過開發(fā)凍干蔬菜和肉食等食品，將提高我國出口食品的檔次，獲得較高的附加值。目前，我國生產(chǎn)的凍干食品主要包括：湯料，蝦仁，半成品，保健品及方便面調(diào)料等。據(jù)專家預測：2010年，僅我國高檔方便面輔料一項，約需凍干食品4萬噸，加上各種快餐配料，湯料，飲料等。每年凍干食品的消費將超過10萬噸。
　　
　　凍干機的原理
　　
　　干燥是保持物質(zhì)不致腐敗變質(zhì)的方法之一。干燥的方法許多，如曬干，煮干，烘干，噴霧干燥和真空干燥等。但這些干燥方法都是在0℃以上或更高的溫度下進行。干燥所得的產(chǎn)品，一般是體積縮小，質(zhì)地變硬，遠古巨獸大復活有些物質(zhì)發(fā)生了氧化，一些易揮發(fā)的成分大部分會損失掉，有些熱敏性的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)，維生素會發(fā)生變性。微生物會失去生物活力，干燥后的物質(zhì)不易在水中溶解等。因此干燥后的產(chǎn)品與干燥前相比在性狀上有很大的差別。而冷凍干燥法不同于以上的干燥方法，產(chǎn)品的干燥基本上在0℃以下的溫度進行，即在產(chǎn)品凍結的狀態(tài)下進行，直到后期，為了進一步降低產(chǎn)品的殘余水份含量，才讓產(chǎn)品升至0℃以上的溫度，但一般不超過50℃。
　　
　　冷凍干燥就是把含有大量水分物質(zhì)，預先進行降溫凍結成固體，然后在真空的條件下使水蒸汽直接升華出來，而物質(zhì)本身剩留在凍結時的冰架中，因此它干燥后疏松多孔體積不變。引起產(chǎn)品本身溫度的下降而減慢升華速度，為了增加升華速度，縮短干燥時間，必須要對產(chǎn)品進行適當加熱。整個干燥是在較低的溫度下進行的。
　　
　　物質(zhì)在干燥前始終處于低溫（凍結狀態(tài)）,同時冰晶均勻分布于物質(zhì)中,升華過程不會因脫水而發(fā)生濃縮現(xiàn)象,避免了由水蒸氣產(chǎn)生泡沫，氧化等副作用。干燥物質(zhì)呈干海綿多孔狀，體積基本不變，極易溶于水而恢復原狀。在最大程度上防止干燥物質(zhì)的理化和生物學方面的變性。
　　
　　它的工作原理是將被干燥的物品先凍結到三相點溫度以下，
　　
　　然后在真空條件下使物品中的固態(tài)水份（冰）直接升華成水蒸氣，從物品中排除，使物品干燥。物料經(jīng)前處理后，先進行速凍，再真空干燥升華脫水，之后在后處理車間包裝。真空系統(tǒng)為升華干燥倉建立低氣壓條件，加熱系統(tǒng)向物料提供升華潛熱，制冷系統(tǒng)向捕水器和干燥倉提供所需的冷量。對凍干制品的質(zhì)量要求是：生物活性不變，外觀色澤均勻，形態(tài)飽滿，結構牢固，溶解速度快，殘余水分低。要獲得高質(zhì)量的制品，對凍干的理論和工藝應有一個比較全面的了解。凍干工藝包括預凍，升華和再凍干三個分階段。合理而有效地縮短凍干的周期在工業(yè)生產(chǎn)上具有明顯的經(jīng)濟價值。
　　
　　一制品的凍結
　　
　　溶液速凍時，晶粒保持在顯微鏡下可見的大小，相反慢凍時，形成的結晶肉眼可見。粗晶在升華留下較大的空隙，可以提高凍干的效率，細晶在升華后留下的間隙較小，使下層升華受阻，速成凍的成品粒子細膩，外觀均勻，比表面積大，多孔結構好，溶解速度快，便成品的引濕性相對也要強些。
　　
　　藥品在凍干機中預凍在兩種方式：一種是制品與干燥箱同時降溫，，另一種是待干燥箱擱板降溫至-40℃左右，再將制品放入，前者相當于慢凍，后者則介于速凍與慢凍之間，因而常被采用，以兼顧凍干效率與產(chǎn)品質(zhì)量。此法的缺點是制品入箱時，空氣中的水蒸氣將迅速地凝結在擱板上，而在升華初期，若板升溫較快，由于大面積的升華將有可能超越凝結器的正常負荷。此現(xiàn)象在夏季尤為顯著。
　　
　　制品的凍結處于靜止狀態(tài)。經(jīng)驗證明，過冷現(xiàn)象容易發(fā)生至使制品溫度雖已達到共晶點。但溶質(zhì)仍不結晶，為了克服過冷現(xiàn)象，制品凍結的溫度應低于共晶點以下一個范圍，并需保持一段時間，以待制品完全凍結。
　　
　　二升華的條件與速度
　　
　　冰在一定溫度下的飽和蒸汽壓大于環(huán)境的水蒸氣分壓時即可開始升華，比制品溫更低的凝結器對水水蒸氣的抽吸與捕獲作用，則是維持升華所必需的條件。
　　
　　氣體分子在兩次連續(xù)碰撞之間所走的距離稱為平均自由程，它與壓力成反比。在常壓下，其值很小，升華的水分子很容易與氣體碰撞又返回到蒸汽源表面，因而升華速度很漫。隨著壓力降低13.3Pa以下，平均自由程增大105倍，使升華速度顯著加快，飛離出來的水分子很少改變自己的方面，從而形成了定向的蒸汽流。
　　
　　真空泵在凍干機中起著抽除永久氣體的作用，以維護升華所必需的低壓強。1g水蒸氣在常壓下為1.25L而在13.3Pa時卻膨脹為10000升，普通的真空泵在單位時間內(nèi)抽除如此大量的體積是不可能的。凝結器實際上形成了專門捕集水蒸氣的真空泵。
　　
　　制品與凝結的溫度通常為-25℃與-50℃。冰在該溫度下的飽和蒸汽壓分別為63.3Pa與1.1Pa,因而在升華面與冷凝面之間便產(chǎn)生了一個相當大的壓力差,如果此時系統(tǒng)內(nèi)的不凝性氣體分壓可以忽略不計,它將促使制品升華出來的水蒸氣,以一定的流速定向地抵達凝結器表面結成冰霜。
　　
　　冰的升華熱約為2822J/克，如果升華過程不供給熱量，那末制品只有降低內(nèi)能來補償升華熱，直至其溫度與凝結器溫度平衡后，升華也就停止了。為了保持升華與冷凝來的溫度差，必須對制品提供足夠的熱量。
　　
　　三升華過程
　　
　　在升溫的第一階段（大量升華階段），制品溫度要低于其共晶點一個范圍。因此擱板溫要加以控制，若制品已經(jīng)部分干燥，但溫度卻超過了其共晶點，此時將發(fā)生制品融化現(xiàn)象，而此時融化的液體，對冰飽和，對溶質(zhì)卻未飽和，因而干燥的溶質(zhì)將迅速溶解進去，最后濃縮成一薄僵塊，外觀極為不良，溶解速度很差，若制品的融化發(fā)生在大量升華后期，則由于融化的液體數(shù)量較少，因而被干燥的孔性固體所吸收，造成凍干后塊狀物有所缺損，加水溶解時仍能發(fā)現(xiàn)溶解速度較慢。
　　
　　在大量升華過程，雖然擱板和制品溫度有很大懸殊，但由于板溫，凝結器溫度和真空溫度基本不變，因而升華吸熱比較穩(wěn)定，制品溫度相對恒定。隨著制品自上而下層層干燥，冰層升華的阻力逐漸增大。制品溫度相應也會小幅上升。直至用肉眼已看不到冰晶的存在。此時90%以上的水分已除去。大量升華的過程至此已基本結束，為了確保整箱制品大量升華完畢，板溫仍需保持一個階段后再進行第二階段的升溫。剩余百分之幾的水分稱殘余水分，它與自由狀態(tài)的水在物理化學性質(zhì)上有所不同，殘余水分包括了化學結合之水與物理結合之水，諸如化合的結晶水結晶，蛋白質(zhì)通過氫鍵結合的水以及固體表面或毛細管中吸附水等。由于殘余水分受到某種引力的束縛，其飽和蒸汽壓則是不同程度的降低，因而干燥速度明顯下降。雖然提高制品溫度促進殘余水分的氣化，但若超過某極限溫度，生物活性也可能急劇下降。保證制品安全的最高干燥溫度要由實驗來確定。通常我們在第二階段將板溫+30℃左右，并保持恒定。在這一階段初期，由于板溫升高，殘余水分少又不易氣化，因此制品溫度上升較快。但隨著制品溫度與板溫逐漸靠攏，熱傳導變得更為緩慢，需要耐心等待相當長的一段時間，實踐經(jīng)驗表明，殘余水分干燥的時間與大量升華的時間幾乎相等有時甚至還會超過。
　　
　　真空冷凍干燥的程序
　　
　　真空冷凍干燥的程序是這樣的：在凍干之前，把需要凍干的產(chǎn)品分裝在合適的容器內(nèi)，裝量要均勻，蒸發(fā)表面盡量大而厚度盡量薄些，然后放入與凍干箱尺寸相適應的金屬盤內(nèi)。將產(chǎn)品放入凍干箱內(nèi)進行預凍，抽真空之前要根據(jù)捕水器制冷壓縮機的降溫速度提前使捕水器工作，抽真空時捕水器應達到-40℃左右的溫度，待真空度達到一定數(shù)值后（通常應達到100Pa以上的真空度），即可對箱內(nèi)產(chǎn)品進行加熱。一般加熱分兩步進行，第一步加溫不使產(chǎn)品的溫度超過共熔點的溫度，待產(chǎn)品內(nèi)水份基本干完后進行第二步加溫，這時可迅速地使產(chǎn)品上升到規(guī)定的最高溫度。在最高溫度保持數(shù)小時后，即可結束凍干。
　　
　　整個升華干燥的時間約12-24小時左右，與產(chǎn)品的形狀，規(guī)格，產(chǎn)品的種類，凍干曲線及機器的性能等等有關。
　　
　　凍干結束后，要在出料間進行空氣除濕，然后放干燥無菌的空氣進入干燥箱，以防重新吸收空氣中的水份。
　　
　　在凍干過程中，把產(chǎn)品和板層的溫度，捕水器溫度和真空度對照時間劃成曲線，叫做凍干曲線。一般以溫度和真空度為縱坐標，時間為橫坐標。凍干不同的產(chǎn)品采用不同的凍干曲線。同一產(chǎn)品使用不同的凍干曲線時，產(chǎn)品的質(zhì)量也不相同，凍干曲線還與凍干機的性能有關。因此不同的產(chǎn)品，不同的凍干機應用不同的凍干曲線。