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食品真空冷冻干燥机的研究现状和发展趋势

2019-01-17

干燥脱水技术是一项适用于蔬菜、水 果、肉类、水产、药品的护色、保鲜、保质、保营养成分 的高新加工技术 ,其原理是在真空状态下 ,利用升华 原理 ,使预先冻结的物料中的水分不经过冰的融化 直接以冰态升华为水蒸气而除去 ,从而获得干燥制 品的技术 ,简称冻干技术。用此方法生产的食品叫 真空冻干食品。由于真空冷冻干燥是在低温、高真 空状态下进行 ,物料中的水分直接从固态升华为气 态 ,因而可以有效地保持被干物料的细胞活性 以及被干物料的色、香、味、形和营养成分 ,而且复水 性能好。冻干食品是采用现代脱水技术与工艺加工 而成的集方便、保健、为一体的高品质绿色食品 ,避免了传统脱水方法带来的变色、变质、变味、成 分流失、无法还原等缺陷。 
冻干食品在国际市场上的产量以每年 30 %的 速度递增 ,正成为国际贸易的大宗食品。据统计 ,目 前 ,美国年消费冻干食品 500 万吨 ,日本 160 万吨 , 法国 150 万吨 ,其它国家的消费数量也很可观[1 ] 。 国内在冻干方面的研究起步较晚 ,近年来一些科研 单位对某些产品进行了工艺研究 ,东北大学成功研 究了人参冻干工艺 ,四川大学研究了牦牛肉的冷冻 干燥工艺。此外 ,上海华裔发展有限公司将一些名 菜如宫保鸡丁等 ,用冻干工艺加工 ,已在国内申请。随着人们对冻干产品需求量的逐年增大 ,冻干 设备也有了较大的发展。
1  真空冷冻干燥设备的原理及组成 真空冷冻干燥设备的工作原理是 :先将物料冻 结到共晶点温度以下 ,使水分变成固态的冰 ,然后将 经过前处理的预冻食品装入干燥仓内 ,在低温真空 状态下 ,由加热板导热或辐射方式供给食品热能 ,使 食品中的水分直接由冰升华成水蒸气。不断升华出 的水蒸气 ,由真空泵组抽至捕水仓内 ,在 - 40~ - 45 ℃的排管外壁上凝结被捕捉 ,直至按冻干曲线 达到规定的要求而停止供热和抽真空 ,完成食品冻 干全过程。真空冷冻干燥机(简称冻干机) 主要由真 空冷冻干燥箱(简称冻干箱) 、真空系统、制冷系统、 加热系统及自动控制系统等几部分组成。
1. 1  干燥箱 干燥箱是一个真空密闭容器 ,是冷冻干燥设备 的重要组成部件之一 ,是干燥过程中传热和传质的 场所 ,它的性能直接影响到冷冻干燥设备的性能。 如果带有蒸气消毒灭菌功能 ,冻干箱还应是一个低 压内压容器。干燥室的形状主要有圆形和矩形两 种 ,圆形干燥室操作容易、强度高、制作费用低 ,但其 内部空间的利用率低 ;矩形干燥室的空间利用率高 , 但制造费用高。 
1. 2  真空系统 真空系统包括真空干燥室、隔离阀、水蒸气捕集 冷凝器、真联式旋片真空泵、联接管道以及放气阀 等。系统内空气水蒸气的抽除是由真空泵完成的当真空泵工作时 ,打开隔离阀 ,真空干燥室内的空气 及水蒸气经过水蒸气捕集冷凝器捕获水分后进入真 空泵 ,由真空泵排气口排出系统。为防止经水蒸气 捕集冷凝器后抽除的气体中含有的极少量的水蒸气 进入泵内 ,系统内配置了气镇阀 ,冷冻干燥时 ,打开 气镇阀。在真空泵的排气口装有油雾捕集器 ,以防 止排出气体中的烟雾污染室内环境。 
1. 3  加热系统 为了使冻结后制品中的水蒸气不断地从冰晶中 升华 ,就必须提供水蒸气升华所需的足够热量 ,因此 要配置加热系统。加热系统除加热板以外 ,还包括 热媒加热罐、换热器、气动调节阀、循环泵及管路、阀 门、液位计、温度传感器等。 
1. 4  制冷系统 水蒸气凝结器又称为冷阱 ,是制冷系统的主要 部件。在 13. 3 Pa 真空下 ,质量为 1 g 的冰升华可生 成 100 m3 的水蒸气 ,若这大量的水蒸气不加以处理 而由真空泵抽出 ,则需要大容量的抽气机才能维持 所需的真空度。冷阱的作用是将干燥室中的水蒸气 冷凝吸附变成冰 ,以免进入真空泵 ,一方面可以减少 真空泵的工作负担 ,另一方面能够保证干燥室具有 较低的真空度。 
1. 5  自动控制系统 自动控制系统是冻干机的指挥机构 ,冻干机的 控制包括制冷机、真空泵的起、停 ,加热温度的控制 , 物料温度、冷阱温度、真空度的测试与控制 ,自动保 护和报警装置等。自动控制系统的功能是对冻干机 的各个重要参数进行测量、显示 ,根据预先的设置对 冻干机进行控制 ,使其运行在规定的状态 ,并可 对故障状态报警并自动应急处理。通过测量和记录 冻干过程的工艺参数 ,可以完整地了解整个冻干过 程。对这些参数实施有效地控制 ,则可以实现对整 个冻干过程的优化。即在保证产品品质的前提下 , 提高生产效率及减少能量消耗。 2  食品冻干机的研究现状 食品冻干机的突出特点是产量高 ,脱水量大。 因此 ,要求真空系统排气量大 ,真空度不高。目前除 采用大型捕水器和罗茨旋转泵机组之外 ,大多采用 几级串联的水蒸气喷射泵 ,这种泵能直接以气态排 除水蒸气 ,系统中不必设置捕水器。由于装料量大 , 大多采用装料车。食品冻干机中 ,丹麦阿特拉斯的 RA Y型间歇式和 CONRAD 型连续式冻干机 ,日本共和真空株式会社的无隔离干燥过程水气凝结器除 冰再生技术和 TL 型液体食品密闭系统管式冻干机 可代表世界食品冻干机的先进技术。1989 年 10 月 17 日保加利亚的索非亚成立了低温生物学和冷冻 干燥 技 术 研 究 所 ( Institute of Cryobiology and Lyophilizatin in Sofia ,简称 ICL) ,主要研究宇航食 品、儿童食品、方便食品、保健食品和营养食品。该 研究所的科研实力目前在世界上排名第三位 ,仅次 于美国和俄罗斯[2 ] 。 
近年来 ,国内食品冻干机发展较快 ,生产厂家较 多 ,质量、性能、规格型号各不相同。早在解放前 ,国 内已开始在实验室中用简易冻干装置来作保存菌 种、毒种的试验。20 世纪 50 年代初期 ,武汉、北京 等生物制品研究所及部分兽药厂先后进口了一批冻 干机。20 世纪 60 年代北京、天津、南京、上海、大连 等地相继建立了一些实验性冻干食品生产厂家并先 后仿制了一批冻干机 ,特点是整体式 ,搁板温度不均 匀 ,手动操作 ,能自动记录。20 世纪 70 年代湖北自行设计了 37. 4 m2 的冻干机 ,采用单机双级压缩机 , 可在箱内加盖瓶塞 ;在上海建立了年产 300 t 的中 等规模的冻干车间。为加快我国冻干技术的发展 , 机电部将工业真空冷冻干燥机列入 1986 年工业技 术发展基金项目 ,由华中理工大学承担并与浙江真 空设备厂协作进行研制[3 ] ,产品于 1989 年通过部级 鉴定 ,该机结构紧凑、功能齐全、搁板间距可调 ,采用 微机程控。此外 ,清华大学核能设计研究院引进俄 罗斯大型食品真空冷冻干燥设备的先进技术 ,直接 与国家一级企业烟台冰轮集团合作 ,共同探索出一 条发展我国冷冻干燥事业的新路 ,优点是 :起点高、 投资少、见效快。在引进、消化、吸收的同时 ,对设备 的改进提出了切实可行的方案 ,特别是控制系统设 计 ,从工艺要求出发 ,在考虑节能的同时 ,以进一步 提率为目的 ,采用现代化的仪表和先进控制手 段 ,对设备的控制系统重新进行了优化设计 ,从根本 上提高了我国大型食品冷冻干燥机的整体设计及控 制水平[4 ]
  目前 ,国产食品冻干机还都是非标准化产品。 大部分生产厂家走的是仿制道路 ,有些厂家在采用 国外先进技术的同时 ,进行了较大的改进[6 ] 。如 : 加热板内采用了特殊导流装置 ,使板内流体的流量 均匀 ,保证了加热的均匀和稳定 ;捕水器在工作中可 实现交替捕水和融冰 ,捕水器盘管内氨液制冷方式 由传统的氨液相变制冷改为氨液无相变制冷 ,使捕 水器盘管内温度均匀 ,结霜性能良好。除仿制之外 , 国内自己的研制能力也在提高 ,有些单位已经脱离 了仿制国外机型 ,抽气系统采用低架式水蒸气喷射 泵抽水蒸气 ,省去了捕水器和制冷系统 ,降低了设备 价格。 3  食品冻干机的发展趋势 无论是国产设备还是引进的冻干设备 ,其共同 的缺点是价格昂贵 ,耗能高 ,收回投资慢。降低成本 ,减少能耗是冻干机今后的主攻方向。因此 ,食品 冻干机的研究方向和发展趋势有以下 4 点。 
3. 1  改进结构、优化设计、降低成本、减少能耗 国外有些冻干机不采用不锈钢制造 ,而采用低 碳钢涂覆食品用可烘干树脂 ,涂层厚度为 0. 12~ 0. 20 mm ,在室温下就会发出红外线。搁板表面涂 高性能远红外发射材料 ,增强其辐射能力 ;料盘表面 处理 ,增强其吸热能力。捕水器的结构、尺寸、结霜 特性的优化更有实际意义 ,因为目前它的造价相当 于冻干箱的造价 ,运转功耗较大。对于冻干机而言 , 加热系统只是补充升华热 ,功率消耗本不应太高 ,但 现有设备不尽人意 ,应该优化结构 ,降低能耗。 
3. 2  保证质量 ,提高性能 有些厂家的冻干机安装后 ,一直不能投入正常 生产 ;有些冻干机虽然能生产 ,但能耗太高 ,生产的 产品越多 ,赔钱越多 ;还有些元器件不断出现故障 , 影响正常生产。因此 ,必须保证冻干机质量。提高性能是指除加热速率、抽气速率、温度均匀性、真空 度稳定性之外 ,增强设备新的功能 ,例如增加冻干结 束时的判断功能 ,简单的办法是称重法。目前已 有人试验 ,但不成功 ,原因是没有离开天平和地秤的 模式 ,致使小设备安装困难 ,大设备笨重而不稳定。 应该发展质量传感器 ,用较小的一次元件给出质量 随时间的变化。 
3. 3  开发连续式冻干设备 当前生产的冻干机都是间歇式产品 ,随着工业 技术的发展 ,人民生活水平的提高 ,消费量会增大 , 因此发展连续式冻干设备 ,增加冻干产品的产量是 必然趋势。 
3. 4  提高卫生标准 近年来 ,西方国家在食品生产企业开始推行 HACCP 系 统 ( Hazard Analysis Critical Control Point) ,对食品加工设备的消毒杀菌、卫生管理等提 出了更加严格的要求。以此为契机 ,日本许多厂家 纷纷将原有镀锌钢板的真空干燥室改为不锈钢真空 室 ,因为在向真空室通蒸气进行灭菌的过程中 ,镀锌 层会与 60~80 ℃的湿热蒸气发生反应生成微粉 ,污 染食品。冻干设备的使用年限一般为 20~25 年 ,考 虑到 HACCP 系统迟早将进入中国 ,国内冻干产业 厂家应未雨绸缪及早做好准备。
4  结 论 目前 ,国内科技工作者已经成功研制出系列真空冷冻干燥设备 ,杭州聚同FD系列的产品研制为发展我国真空冷冻干燥技术奠 定了良好的基础。随着国际市场对冻干食品需求量 的不断增加和我国加入世贸组织以及人民生活水平 的逐渐提高 ,冻干食品在国内将具有美好的发展前 景 ,冻干设备也将会有长足的发展。

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