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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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