冷凍干燥設(shè)備

冷凍干燥設(shè)備21）冷凍干燥基本原理及特點(diǎn)冷凍干燥的基本原理是先將被干燥的物料冷凍至冰點(diǎn)以下，使物料中的水分變成固態(tài)的冰，然后在高度真空的冷凍干燥器中，讓固態(tài)的冰直接升華變成水蒸汽而被除去，以達(dá)到干燥的目的。因此，冷凍干燥又稱為真空冷凍干燥、冷凍升華干燥，簡(jiǎn)稱凍干。傳統(tǒng)的對(duì)流干燥會(huì)引起物料皺縮，細(xì)胞破壞。在冷凍干燥過程中，固體成分被在其位置上的堅(jiān)冰支持著，物料的結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞，在冰升華時(shí)，它會(huì)留下孔隙于干燥的剩余物質(zhì)里，可保留產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及活性。在生物工業(yè)中，通過冷凍干燥可長(zhǎng)時(shí)期保存生物性材料固有的生物活性與結(jié)構(gòu)。蔬菜和水果等經(jīng)冷凍干燥后，不但可長(zhǎng)時(shí)間保藏，而且在與水分接觸時(shí)能吸水而恢復(fù)原有的色香味。這是因?yàn)槔鋬龈稍飼r(shí)物料中的細(xì)胞、蛋白質(zhì)、維生素等未被破壞，井保持了多孔性結(jié)構(gòu)。因此，在生物工業(yè)中，利用冷凍干燥可較好地保持物料的品質(zhì)。由于冷凍干燥操作在高真空和低溫條件下進(jìn)行，需要配備獲得高真空和低溫制冷的設(shè)備，故投資費(fèi)用和操作費(fèi)用很大，且干燥周期長(zhǎng)、產(chǎn)量小，因此產(chǎn)品加工成本高。42）冷凍干燥系統(tǒng)的構(gòu)成冷凍干燥設(shè)備，簡(jiǎn)稱凍干機(jī)。按系統(tǒng)分，由制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四個(gè)主要部分組成（依用途不同有的凍干機(jī)還有液壓系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、消毒系統(tǒng))。按結(jié)構(gòu)分，由凍干箱或稱干燥箱、冷凝器或稱水汽凝結(jié)器、壓縮機(jī)、真空泵和閥門、熱交換器、電氣控制元件等組成。圖18.8-1是冷凍干燥設(shè)備組成示意。圖18.8-1冷凍干燥設(shè)備組成示意（1）冷凍干燥箱冷凍干燥箱(凍干箱)是一個(gè)能制冷，加熱的高低溫箱（箱內(nèi)的溫度可以調(diào)節(jié)），也是一個(gè)能抽成真空的密閉容器。它是冷凍干燥設(shè)備的主要部分。將待凍干的物料放在箱內(nèi)分層的金屬板上，進(jìn)行冷凍，在真空下加溫，最終使物料內(nèi)的水分升華而制成干燥制品。（2）冷凝系統(tǒng)冷凝系統(tǒng)主要設(shè)備是低溫冷凝器。低溫冷凝器同樣是一個(gè)真空密閉容器，在它的內(nèi)部有一個(gè)較大表面積的金屬吸附面。在干燥過程中，升華的水蒸汽必須迅速地被除去。冷凝器的作用就是把凍干箱內(nèi)物料升華出來的水蒸汽凍結(jié)吸附在其金屬表面上，冷凝成霜后除去。因此，低溫冷凝器又稱水汽凝結(jié)器或冷阱。目前采用的低溫冷凝器有列管式、螺旋管式或內(nèi)有旋轉(zhuǎn)刮刀的夾套式冷凝器。（3）真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)主要設(shè)備是真空泵。真空系統(tǒng)要求沒有漏氣現(xiàn)象，凍結(jié)物料的迅速升華干燥是由真空系統(tǒng)完成的。真空系統(tǒng)的作用一是提供干燥箱內(nèi)冰升華所需的真空度，二是降低冷阱中的壓強(qiáng)，將部分水蒸汽和不凝氣體抽走。（4）制冷系統(tǒng)制冷系統(tǒng)由制冷壓縮機(jī)、凍干箱、冷凝器等組成。制冷壓縮機(jī)的作用是對(duì)凍干箱和冷凝器進(jìn)行制冷，產(chǎn)生和維持它們工作時(shí)所需要的低溫，它有直接制冷和間接制冷兩種方式。（5）加熱系統(tǒng)加熱系統(tǒng)對(duì)于不同的凍干機(jī)有不同的加熱方式。加熱方法有傳導(dǎo)加熱、輻射加熱和微波加熱等。加熱系統(tǒng)的作用是對(duì)凍干箱內(nèi)的物料進(jìn)行加熱，以使物料內(nèi)的水分不斷升華，但不應(yīng)使凍結(jié)物料融化，最終達(dá)到規(guī)定的殘余水分要求。（6）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)由各種控制開關(guān)、指示調(diào)節(jié)儀表及一些自動(dòng)裝置等組成，一般自動(dòng)化程度較高的凍干機(jī)則控制系統(tǒng)較為復(fù)雜?？刂葡到y(tǒng)的作用是操縱凍干機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，以凍干出合乎要求的制品來。3）冷凍干燥過程（1）預(yù)凍階段在冷凍干燥前，必須對(duì)被干燥的濕物料進(jìn)行預(yù)凍結(jié)。預(yù)凍時(shí)，凍結(jié)速度對(duì)冷凍干燥速率和冷凍干燥制品的品質(zhì)有不同程度的影響。凍結(jié)速度越快，物料內(nèi)形成的冰晶體越小，升華時(shí)，在物料內(nèi)形成的孔隙也越小，物料內(nèi)形成的孔隙也越小，因此，干燥的速率就慢。反之，物料內(nèi)則形成顆粒粗大的冰晶，會(huì)破壞物料的細(xì)胞組織，從而影響干制品的復(fù)水性。（2）升華干燥階段干燥過程分為兩個(gè)階段。在物料內(nèi)的凍結(jié)冰消失之前稱為第一階段干燥，也叫升華干燥階段。此階段是冷凍干燥的主要過程，有98%～99%的水分在這一階段被除去。凍結(jié)物料升華干燥是在真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行的。在升華過程中，物料中凍結(jié)水分汽化需要吸收熱量，因此，需要給物料加熱，以提高冷凍干燥的速率。但所提供的熱量應(yīng)保證凍結(jié)物料的溫度接近而又低于物料的共熔點(diǎn)，以便使物料中冰晶既不溶解又能以最高速率進(jìn)行升華。在升華過程中，溫度幾乎保持不變，干燥速率保持恒定。（3）解析干燥階段解析干燥階段也稱第二階段干燥。在第一階段干燥結(jié)束后，在干燥物質(zhì)的毛細(xì)管壁和極性基團(tuán)上還吸附有部分水分，這些水分是未被凍結(jié)的，當(dāng)它們達(dá)到一定含量，就為微生物的生長(zhǎng)繁殖和某些化學(xué)反應(yīng)提供了條件。該階段是將物料溫度逐漸升高，使水分汽化除去，此階段水分可以減少到0.5%。在解析干燥階段可以使產(chǎn)品的溫度迅速上升到該產(chǎn)品的最高允許溫度，并一直維持到冷凍干燥結(jié)束。4）冷凍干燥設(shè)備（1）間歇式冷凍干燥器圖18.8-2間歇式冷凍干燥器1—干燥箱；2—低溫冷凝器；3—真空泵；4—制冷壓縮機(jī)；5—冷凝器；6—熱交換器；7—節(jié)流閥；8—膨脹閥干燥箱的形式大多為盤架式，每一料盤中的物料開始加熱后，冰晶升華為蒸汽，并進(jìn)入低溫冷凝器，凝結(jié)成霜，不疑性氣體由真空泵抽出。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是：①適合于多品種、小批量及季節(jié)性強(qiáng)的生物工程制品生產(chǎn)；②便于控制不同階段的加熱溫度和真空度；③單機(jī)操作，便于加工制造和維修。其缺點(diǎn)是：①裝、卸料時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備利用率低；②附屬系統(tǒng)投資費(fèi)用高；③操作費(fèi)用大。（2）連續(xù)式冷凍干燥器連續(xù)式冷凍干燥裝置如圖18.8-3所示，經(jīng)預(yù)凍的顆粒從頂部?jī)蓚€(gè)入口密封門之一輪流地加到頂部的圓形加熱板上，干燥器的中央立軸上裝有帶鏟的攪拌臂，旋轉(zhuǎn)時(shí)，鏟子攪動(dòng)物料，不斷地使物料向加熱板外方移動(dòng)，直至從加熱板邊緣下落至直徑較大的加熱板上。在下一加熱板上，鏟子迫使物料向中心方向移動(dòng)，一直移至加熱板邊緣而落入第三塊板上，此板大小與頂板相同，并從兩個(gè)出口密封門之一