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0 前言
真空冷凍干燥脫水技術(shù)是一項適用于蔬菜、水果、肉類、水產(chǎn)、藥品的護(hù)色、保鮮、保質(zhì)、保營養(yǎng)成分的高新加工技術(shù)，其原理是在真空狀態(tài)下，利用升華原理，使預(yù)先凍結(jié)的物料中的水分不經(jīng)過冰的融化直接以冰態(tài)升華為水蒸氣而除去，從而獲得干燥制品的技術(shù)，簡稱凍干技術(shù)。用此方法生產(chǎn)的食品叫真空凍干食品。由于真空冷凍干燥是在低溫、高真空狀態(tài)下進(jìn)行，物料中的水分直接從固態(tài)升華為氣態(tài)，因而可以****限度地保持被干物料的細(xì)胞活性以及被干物料的色、香、味、形和營養(yǎng)成分，而且復(fù)水性能好。凍干食品是采用現(xiàn)代脫水技術(shù)與工藝加工而成的集方便、保健、純天然為一體的高品質(zhì)綠色食品，避免了傳統(tǒng)脫水方法帶來的變色、變質(zhì)、變味、成分流失、無法還原等缺陷。
凍干食品在國際市場上的產(chǎn)量以每年30%的速度遞增，正成為國際貿(mào)易的大宗食品。據(jù)統(tǒng)計，目前，美國年消費(fèi)凍干食品500萬噸，日本160萬噸，法國150萬噸，其它國家的消費(fèi)數(shù)量也很可觀。
國內(nèi)在凍干方面的研究起步較晚，近年來一些科研單位對某些產(chǎn)品進(jìn)行了工藝研究，東北大學(xué)成功研究了人參凍干工藝，四川大學(xué)研究了牦牛肉的冷凍干燥工藝。此外，上海華裔發(fā)展有限公司將一些名菜如宮保雞丁等，用凍干工藝加工，已在國內(nèi)申請專利。隨著人們對凍干產(chǎn)品需求量的逐年增大，凍干設(shè)備也有了較大的發(fā)展。
1 真空冷凍干燥設(shè)備的原理及組成
真空冷凍干燥設(shè)備的工作原理是:先將物料凍結(jié)到共晶點(diǎn)溫度以下，使水分變成固態(tài)的冰，然后將經(jīng)過前處理的預(yù)凍食品裝入干燥倉內(nèi)，在低溫真空狀態(tài)下，由加熱板導(dǎo)熱或輻射方式供給食品熱能，使食品中的水分直接由冰升華成水蒸氣。不斷升華出的水蒸氣，由真空泵組抽至捕水倉內(nèi)，在-40～-45℃的排管外壁上凝結(jié)被捕捉，直至按凍干曲線達(dá)到規(guī)定的要求而停止供熱和抽真空，完成食品凍干全過程。真空冷凍干燥機(jī)(簡稱凍干機(jī))主要由真空冷凍干燥箱(簡稱凍干箱)、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)等幾部分組成。
1.1 干燥箱
干燥箱是一個真空密閉容器，是冷凍干燥設(shè)備的重要組成部件之一，是干燥過程中傳熱和傳質(zhì)的場所，它的性能直接影響到冷凍干燥設(shè)備的性能。
如果帶有蒸氣消毒滅菌功能，凍干箱還應(yīng)是一個低壓內(nèi)壓容器。干燥室的形狀主要有圓形和矩形兩種，圓形干燥室操作容易、強(qiáng)度高、制作費(fèi)用低，但其內(nèi)部空間的利用率低;矩形干燥室的空間利用率高，但制造費(fèi)用高。
1.2 真空系統(tǒng)
真空系統(tǒng)包括真空干燥室、隔離閥、水蒸氣捕集冷凝器、真聯(lián)式旋片真空泵、聯(lián)接管道以及放氣閥等。系統(tǒng)內(nèi)空氣水蒸氣的抽除是由真空泵完成的，當(dāng)真空泵工作時，打開隔離閥，真空干燥室內(nèi)的空氣及水蒸氣經(jīng)過水蒸氣捕集冷凝器捕獲水分后進(jìn)入真空泵，由真空泵排氣口排出系統(tǒng)。為防止經(jīng)水蒸氣捕集冷凝器后抽除的氣體中含有的極少量的水蒸氣進(jìn)入泵內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)配置了氣鎮(zhèn)閥，冷凍干燥時，打開氣鎮(zhèn)閥。在真空泵的排氣口裝有油霧捕集器，以防止排出氣體中的煙霧污染室內(nèi)環(huán)境。
1.3 加熱系統(tǒng)
為了使凍結(jié)后制品中的水蒸氣不斷地從冰晶中升華，就必須提供水蒸氣升華所需的足夠熱量，因此要配置加熱系統(tǒng)。加熱系統(tǒng)除加熱板以外，還包括熱媒加熱罐、換熱器、氣動調(diào)節(jié)閥、循環(huán)泵及管路、閥門、液位計、溫度傳感器等。
1.4 制冷系統(tǒng)
水蒸氣凝結(jié)器又稱為冷阱，是制冷系統(tǒng)的主要部件。在13.3Pa真空下，質(zhì)量為1g的冰升華可生成100m3的水蒸氣，若這大量的水蒸氣不加以處理而由真空泵抽出，則需要大容量的抽氣機(jī)才能維持所需的真空度。冷阱的作用是將干燥室中的水蒸氣冷凝吸附變成冰，以免進(jìn)入真空泵，一方面可以減少真空泵的工作負(fù)擔(dān)，另一方面能夠保證干燥室具有較低的真空度。
1.5 自動控制系統(tǒng)
自動控制系統(tǒng)是凍干機(jī)的指揮機(jī)構(gòu)，凍干機(jī)的控制包括制冷機(jī)、真空泵的起、停，加熱溫度的控制，物料溫度、冷阱溫度、真空度的測試與控制，自動保護(hù)和報警裝置等。自動控制系統(tǒng)的功能是對凍干機(jī)的各個重要參數(shù)進(jìn)行測量、顯示，根據(jù)預(yù)先的設(shè)置對凍干機(jī)進(jìn)行精確控制，使其運(yùn)行在規(guī)定的狀態(tài)，并可對故障狀態(tài)報警并自動應(yīng)急處理。通過測量和記錄凍干過程的工藝參數(shù)，可以完整地了解整個凍干過程。對這些參數(shù)實(shí)施有效地控制，則可以實(shí)現(xiàn)對整個凍干過程的優(yōu)化。即在保證產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，提高生產(chǎn)效率及減少能量消耗。
2 食品凍干機(jī)的研究現(xiàn)狀
食品凍干機(jī)的突出特點(diǎn)是產(chǎn)量高，脫水量大。
因此，要求真空系統(tǒng)排氣量大，真空度不高。目前除采用大型捕水器和羅茨旋轉(zhuǎn)泵機(jī)組之外，大多采用幾級串聯(lián)的水蒸氣噴射泵，這種泵能直接以氣態(tài)排除水蒸氣，系統(tǒng)中不必設(shè)置捕水器。由于裝料量大，大多采用裝料車。食品凍干機(jī)中，丹麥阿特拉斯的RAY型間歇式和CONRAD型連續(xù)式凍干機(jī)，日本共和真空株式會社的無隔離干燥過程水氣凝結(jié)器除冰再生技術(shù)和TL型液體食品密閉系統(tǒng)管式凍干機(jī)可代表世界食品凍干機(jī)的先進(jìn)技術(shù)。1989年10月17日保加利亞的索非亞成立了低溫生物學(xué)和冷凍干燥技術(shù)研究所(InstituteofCryobiologyandLyophilizatininSofia，簡稱ICL)，主要研究宇航食品、兒童食品、方便食品、保健食品和營養(yǎng)食品。該研究所的科研實(shí)力目前在世界上排名第三位，僅次于美國和俄羅斯。
近年來，國內(nèi)食品凍干機(jī)發(fā)展較快，生產(chǎn)廠家較多，質(zhì)量、性能、規(guī)格型號各不相同。早在解放前，國內(nèi)已開始在實(shí)驗(yàn)室中用簡易凍干裝置來作保存菌種、毒種的試驗(yàn)。20世紀(jì)50年代初期，武漢、北京等生物制品研究所及部分獸藥廠先后進(jìn)口了一批凍干機(jī)。20世紀(jì)60年代北京、天津、南京、上海、大連等地相繼建立了一些實(shí)驗(yàn)性凍干食品生產(chǎn)廠家并先后仿制了一批凍干機(jī)，特點(diǎn)是整體式，擱板溫度不均勻，手動操作，能自動記錄。20世紀(jì)70年代湖北自行設(shè)計了37.4m2的凍干機(jī)，采用單機(jī)雙級壓縮機(jī)，可在箱內(nèi)加蓋瓶塞;在上海建立了年產(chǎn)300t的中等規(guī)模的凍干車間。為加快我國凍干技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電部將工業(yè)真空冷凍干燥機(jī)列入1986年工業(yè)技術(shù)發(fā)展基金項目，由華中理工大學(xué)承擔(dān)并與浙江真空設(shè)備廠協(xié)作進(jìn)行研制，產(chǎn)品于1989年通過部級鑒定，該機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全、擱板間距可調(diào)，采用微機(jī)程控。此外，清華大學(xué)核能設(shè)計研究院引進(jìn)俄羅斯大型食品真空冷凍干燥設(shè)備的先進(jìn)技術(shù)，直接與國家一級企業(yè)煙臺冰輪集團(tuán)合作，共同探索出一條發(fā)展我國冷凍干燥事業(yè)的新路，優(yōu)點(diǎn)是:起點(diǎn)高、投資少、見效快。在引進(jìn)、消化、吸收的同時，對設(shè)備的改進(jìn)提出了切實(shí)可行的方案，特別是控制系統(tǒng)設(shè)計，從工藝要求出發(fā)，在考慮節(jié)能的同時，以進(jìn)一步提高效率為目的，采用現(xiàn)代化的儀表和先進(jìn)控制手段，對設(shè)備的控制系統(tǒng)重新進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，從根本上提高了我國大型食品冷凍干燥機(jī)的整體設(shè)計及控制水平。
目前，國產(chǎn)食品凍干機(jī)還都是非標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。
大部分生產(chǎn)廠家走的是仿制道路，有些廠家在采用國外先進(jìn)技術(shù)的同時，進(jìn)行了較大的改進(jìn)。如:
加熱板內(nèi)采用了特殊導(dǎo)流裝置，使板內(nèi)流體的流量均勻，保證了加熱的均勻和穩(wěn)定;捕水器在工作中可實(shí)現(xiàn)交替捕水和融冰，捕水器盤管內(nèi)氨液制冷方式由傳統(tǒng)的氨液相變制冷改為氨液無相變制冷，使捕水器盤管內(nèi)溫度均勻，結(jié)霜性能良好。除仿制之外，國內(nèi)自己的研制能力也在提高，有些單位已經(jīng)脫離了仿制國外機(jī)型，抽氣系統(tǒng)采用低架式水蒸氣噴射泵抽水蒸氣，省去了捕水器和制冷系統(tǒng)，降低了設(shè)備價格。
3 食品凍干機(jī)的發(fā)展趨勢
無論是國產(chǎn)設(shè)備還是引進(jìn)的凍干設(shè)備，其共同的缺點(diǎn)是價格昂貴，耗能高，收回投資慢。降低成本，減少能耗是凍干機(jī)今后的主攻方向。因此，食品凍干機(jī)的研究方向和發(fā)展趨勢有以下4點(diǎn)。
3.1 改進(jìn)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計、降低成本、減少能耗
國外有些凍干機(jī)不采用不銹鋼制造，而采用低碳鋼涂覆食品用可烘干樹脂，涂層厚度為0.12～0.20mm，在室溫下就會發(fā)出紅外線。擱板表面涂高性能遠(yuǎn)紅外發(fā)射材料，增強(qiáng)其輻射能力;料盤表面處理，增強(qiáng)其吸熱能力。捕水器的結(jié)構(gòu)、尺寸、結(jié)霜特性的優(yōu)化更有實(shí)際意義，因?yàn)槟壳八脑靸r相當(dāng)于凍干箱的造價，運(yùn)轉(zhuǎn)功耗較大。對于凍干機(jī)而言，加熱系統(tǒng)只是補(bǔ)充升華熱，功率消耗本不應(yīng)太高，但現(xiàn)有設(shè)備不盡人意，應(yīng)該優(yōu)化結(jié)構(gòu)，降低能耗。
3.2 保證質(zhì)量，提高性能
有些廠家的凍干機(jī)安裝后，一直不能投入正常生產(chǎn);有些凍干機(jī)雖然能生產(chǎn)，但能耗太高，生產(chǎn)的產(chǎn)品越多，賠錢越多;還有些元器件不斷出現(xiàn)故障，影響正常生產(chǎn)。因此，必須保證凍干機(jī)質(zhì)量。提高性能是指除加熱速率、抽氣速率、溫度均勻性、真空度穩(wěn)定性之外，增強(qiáng)設(shè)備新的功能，例如增加凍干結(jié)束時的判斷功能，最簡單的辦法是稱重法。目前已有人試驗(yàn)，但不成功，原因是沒有離開天平和地秤的模式，致使小設(shè)備安裝困難，大設(shè)備笨重而不穩(wěn)定。
應(yīng)該發(fā)展質(zhì)量傳感器，用較小的一次元件給出質(zhì)量隨時間的變化。
3.3 開發(fā)連續(xù)式凍干設(shè)備
當(dāng)前生產(chǎn)的凍干機(jī)都是間歇式產(chǎn)品，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人民生活水平的提高，消費(fèi)量會增大，因此發(fā)展連續(xù)式凍干設(shè)備，增加凍干產(chǎn)品的產(chǎn)量是必然趨勢。
3.4 提高衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)
近年來，西方國家在食品生產(chǎn)企業(yè)開始推行HACCP系統(tǒng)(HazardAnalysisCriticalControlPoint)，對食品加工設(shè)備的消毒殺菌、衛(wèi)生管理等提出了更加嚴(yán)格的要求。以此為契機(jī)，日本許多廠家紛紛將原有鍍鋅鋼板的真空干燥室改為不銹鋼真空室，因?yàn)樵谙蛘婵帐彝ㄕ魵膺M(jìn)行滅菌的過程中，鍍鋅層會與60～80℃的濕熱蒸氣發(fā)生反應(yīng)生成微粉，污染食品。凍干設(shè)備的使用年限一般為20～25年，考慮到HACCP系統(tǒng)遲早將進(jìn)入中國，國內(nèi)凍干產(chǎn)業(yè)廠家應(yīng)未雨綢繆及早做好準(zhǔn)備。
4 結(jié)論
目前，國內(nèi)科技工作者已經(jīng)成功研制出系列真空冷凍干燥設(shè)備，為發(fā)展我國真空冷凍干燥技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。隨著國際市場對凍干食品需求量的不斷增加和我國加入世貿(mào)組織以及人民生活水平的逐漸提高，凍干食品在國內(nèi)將具有美好的發(fā)展前景，凍干設(shè)備也將會有長足的發(fā)展。（謝國山，王立業(yè)） 利用冷凍干燥設(shè)備的冷凍干燥是指通過升華從凍結(jié)的生物產(chǎn)品中去掉水份或其他溶劑的過程。升華指的是溶劑，比如水，像干冰一樣，不經(jīng)過液態(tài)，從固態(tài)直接變?yōu)闅鈶B(tài)的過程。冷凍干燥得到的產(chǎn)物稱作凍干物（lyophilizer），該過程稱任凍干（lyophilization）。
為什么要選擇冷凍 作為熱動力機(jī)械的熱風(fēng)爐于20世紀(jì)70年代末開始在我國出現(xiàn)并在90年代末逐漸得到了廣泛的應(yīng)用，他在許多行業(yè)已成為電熱源和傳統(tǒng)蒸汽動力熱源的換代產(chǎn)品。
通過長時間的生產(chǎn)實(shí)踐，人們已經(jīng) 冷凍干燥（以下簡稱凍干）就是將含水物質(zhì)，先凍結(jié)成固態(tài)，而后使其中的水分從固態(tài)升華成氣態(tài)，以除去水分而保存物質(zhì)的方法。冷凍干燥設(shè)備主要由真空干燥倉和捕水器兩大部分組成，并配以真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、除霜系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，制藥用
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