食品真空冷凍干燥機(jī)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

干燥脫水技術(shù)是一項(xiàng)適用于蔬菜、水 果、肉類(lèi)、水產(chǎn)、藥品的護(hù)色、保鮮、保質(zhì)、保營(yíng)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(guò)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(jiǎn)稱(chēng)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) ,因而可以有效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(yíng)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、為一體的高品質(zhì)綠色食品 ,避免了傳統(tǒng)脫水方法帶來(lái)的變色、變質(zhì)、變味、成 分流失、無(wú)法還原等缺陷。 
凍干食品在市場(chǎng)上的產(chǎn)量以每年 30 %的 速度遞增 ,正成為貿(mào)易的大宗食品。據(jù)統(tǒng)計(jì) ,目 前 ,美國(guó)年消費(fèi)凍干食品 500 萬(wàn)噸 ,日本 160 萬(wàn)噸 , 法國(guó) 150 萬(wàn)噸 ,其它國(guó)家的消費(fèi)數(shù)量也很可觀[1 ] 。 國(guó)內(nèi)在凍干方面的研究起步較晚 ,近年來(lái)一些科研 單位對(duì)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(guó)內(nèi)申請(qǐng)。隨著人們對(duì)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(guò)前處理的預(yù)凍食品裝入干燥倉(cāng)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(cāng)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(guò)程。真空冷凍干燥機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)凍干機(jī)) 主要由真 空冷凍干燥箱(簡(jiǎn)稱(chēng)凍干箱) 、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、 加熱系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)等幾部分組成。
1. 1 　干燥箱 干燥箱是一個(gè)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(guò)程中傳熱和傳質(zhì)的 場(chǎng)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(gè)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(shí) ,打開(kāi)隔離閥 ,真空干燥室內(nèi)的空氣 及水蒸氣經(jīng)過(guò)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(shí) ,打開(kāi) 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(dòng)調(diào)節(jié)閥、循環(huán)泵及管路、閥 門(mén)、液位計(jì)、溫度傳感器等。 
1. 4 　制冷系統(tǒng) 水蒸氣凝結(jié)器又稱(chēng)為冷阱 ,是制冷系統(tǒng)的主要 部件。在 13. 3 Pa 真空下 ,質(zhì)量為 1 g 的冰升華可生 成 100 m3 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(dòng)控制系統(tǒng) 自動(dòng)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(cè)試與控制 ,自動(dòng)保 護(hù)和報(bào)警裝置等。自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能是對(duì)凍干機(jī) 的各個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、顯示 ,根據(jù)預(yù)先的設(shè)置對(duì) 凍干機(jī)進(jìn)行控制 ,使其運(yùn)行在規(guī)定的狀態(tài) ,并可 對(duì)故障狀態(tài)報(bào)警并自動(dòng)應(yīng)急處理。通過(guò)測(cè)量和記錄 凍干過(guò)程的工藝參數(shù) ,可以完整地了解整個(gè)凍干過(guò) 程。對(duì)這些參數(shù)實(shí)施有效地控制 ,則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整 個(gè)凍干過(guò)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(jí)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(chē)。食品凍干機(jī)中 ,丹麥阿*的 RA Y型間歇式和 CONRAD 型連續(xù)式凍干機(jī) ,日本共和真空株式會(huì)社的無(wú)隔離干燥過(guò)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 ( Institute of Cryobiology and Lyophilizatin in Sofia ,簡(jiǎn)稱(chēng) ICL) ,主要研究宇航食 品、兒童食品、方便食品、保健食品和營(yíng)養(yǎng)食品。該 研究所的科研實(shí)力目前在世界上*三位 ,僅次 于美國(guó)和俄羅斯[2 ] 。 
近年來(lái) ,國(guó)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(hào)各不相同。早在解放前 ,國(guó) 內(nèi)已開(kāi)始在實(shí)驗(yàn)室中用簡(jiǎn)易凍干裝置來(lái)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?xún)龈墒称飞a(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(dòng)操作 ,能自動(dòng)記錄。20 世紀(jì) 70 年代湖北自行設(shè)計(jì)了 37. 4 m2 的凍干機(jī) ,采用單機(jī)雙級(jí)壓縮機(jī) , 可在箱內(nèi)加蓋瓶塞 ;在上海建立了年產(chǎn) 300 t 的中 等規(guī)模的凍干車(chē)間。為加快我國(guó)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(xiàng)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[3 ] ,產(chǎn)品于 1989 年通過(guò)部級(jí) 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(jì)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*企業(yè)煙臺(tái)冰輪集團(tuán)合作 ,共同探索出一 條發(fā)展我國(guó)冷凍干燥事業(yè)的新路 ,優(yōu)點(diǎn)是 :起點(diǎn)高、 投資少、見(jiàn)效快。在引進(jìn)、消化、吸收的同時(shí) ,對(duì)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(jì) ,從工藝要求出發(fā) ,在考慮節(jié)能的同時(shí) ,以進(jìn)一步 提率為目的 ,采用現(xiàn)代化的儀表和先進(jìn)控制手 段 ,對(duì)設(shè)備的控制系統(tǒng)重新進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì) ,從根本 上提高了我國(guó)大型食品冷凍干燥機(jī)的整體設(shè)計(jì)及控 制水平[4 ]
　　目前 ,國(guó)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 *技術(shù)的同時(shí) ,進(jìn)行了較大的改進(jìn)[6 ] 。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(pán)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(wú)相變制冷 ,使捕 水器盤(pán)管內(nèi)溫度均勻 ,結(jié)霜性能良好。除仿制之外 , 國(guó)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(guó)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(jià)格。 3 　食品凍干機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 無(wú)論是國(guó)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(jià)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(shì)有以下 4 點(diǎn)。 
3. 1 　改進(jìn)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低成本、減少能耗 國(guó)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(shù)脂 ,涂層厚度為 0. 12～ 0. 20 mm ,在室溫下就會(huì)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(pán)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(jià)相當(dāng) 于凍干箱的造價(jià) ,運(yùn)轉(zhuǎn)功耗較大。對(duì)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(qián)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(shí)的判斷功能 ,簡(jiǎn)單的辦法是稱(chēng)重法。目前已 有人試驗(yàn) ,但不成功 ,原因是沒(méi)有離開(kāi)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(shí)間的變化。 
3. 3 　開(kāi)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(huì)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(shì)。 
3. 4 　提高衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) 近年來(lái) ,西方國(guó)家在食品生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)始推行 HACCP 系 統(tǒng) ( Hazard Analysis Critical Control Point) ,對(duì)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(guò)程中 ,鍍鋅 層會(huì)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(guó) ,國(guó)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(guó)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 ,杭州聚同F(xiàn)D系列的產(chǎn)品研制為發(fā)展我國(guó)真空冷凍干燥技術(shù)奠 定了良好的基礎(chǔ)。隨著市場(chǎng)對(duì)凍干食品需求量 的不斷增加和我國(guó)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(guó)內(nèi)將具有美好的發(fā)展前 景 ,凍干設(shè)備也將會(huì)有長(zhǎng)足的發(fā)展。