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冻干机工作原理

冷冻干燥机原理及优点分析

来源:本站  发布时间:2017-12-15 15:17 点击量:

冷冻干燥也叫升华干燥,将含有水的物体冷冻至冰点以下,接着在真空环境将冰转化成水蒸气排掉。这就是冷冻干燥的简单原理,一般物料可以先放在冷冻装置里面冷冻后再干燥,也可以在干燥市内快速抽成真空冷冻。这个可以根据各个行业需求来灵活求变。

冷冻干燥原理
冷冻干燥原理

冷冻干燥原理讲解:

学过物理的都知道,水有三种形态,O点为三相共点,OA为冰的融解点。压力变小,沸点降低,如果压力在三相点压力以下,物料中的水分可以直接升华成为水汽。因此,我们可以直接将食品冷冻至冰点下,使原料中的水分冷冻成冰,放在真空环境下,把冰转化成蒸汽再排掉,达到物料干燥的目的。

简单来说就是利用真空冷冻使物体干燥,利用水的物态变化和移动,当然,这些过程都发生在低温低压下,所以冷冻干燥一定是在低温低压下传热的。

冷冻干燥过程

一、冻结

将物料放在冷冻设备冻至2度左右,置于冷至约一40℃(13.33Pa)冻干箱内。关闭干燥箱,迅速通入制冷剂(氟里昂、氨),使物料冷冻,并保捧攀邸h或更长时间,以克服溶液的过冷现象,使制品完全冻结,即可进行升华。

二、升华

升华是在高度真空下进行的,在压力降低过程中,须保持箱内物品的冰冻状态,防溢出容器。待箱内压力降至一定程度后,再打开罗茨真空泵(或真空扩散泵),压力降到1.33Pa,一60。C以下时,冰即开始升华,升华的水蒸气在冷凝器内结成冰晶。为保证冰的升华,应开启加热系统,将搁板加热,不断供给冰升华所需的热量。

三、再干燥

在升华阶段内,冰大量升华,此时制品的温度不宜超过最低共熔点,以防产品中产生僵块或产品外观上的缺损,在此阶段内搁板温度通常控制在±10℃之间。制品的再干燥阶段所除去的水分为结合水分,此时固体表面的水蒸气压呈不同程度的降低,干燥速度明显下降。在保证产品质量的前提下,在此阶段内应适当提高搁板温度,以利于水分的蒸发,一般是将搁板加热至30~35。C,实际操作应按制品的冻干曲线(事先经多次实验绘制的温度、时间、真空度曲线)进行,直至制品温度与搁板温度重合达到干燥为止。

冷冻干燥和加热干燥的不同之处

冷冻干燥和一般的干燥有所不同,一般的干燥方法是在0度以上的高温进行,干燥后的产品一般体积缩小、质地变硬,有些物质发生了氧化,一些易挥发的成分大部分会损失掉,有些热敏性的物质,如蛋白质、维生素会发生变性。微生物会失去生物活力,干燥后的物质不易在水中溶解等。因此干燥后的产品与干燥前相比在性状上有很大的差别。

冷冻干燥法不同于以上的干燥方法,产品的干燥基本上在0℃以下的温度进行,即在产品冻结的状态下进行,直到后期,为了进一步降低产品的残余水份含量,才让产品升至0℃以上的温度,但一般不超过40℃。

冷冻干燥的物质在干燥前始终处于低温(冻结状态),同时冰晶均匀分布于物质中,升华过程不会因脱水而发生浓缩现象,避免了由水蒸气产生泡沫、氧化等副作用。干燥物质呈干海绵多孔状,体积基本不变,极易溶于水而恢复原状。在最大程度上防止干燥物质的理化和生物学方面的变性。

冷冻干燥工艺为低温、低压,和其它干燥方法比,保证了食品营养成份,食品营养成份损耗最少,食品色泽、形状、外观变化轻微,海绵状、多孔性结构,干制品复水迅速能基本复原。现在冷冻干燥工艺,已成为生产宇宙食品的一种重要方法。

冷冻干燥机系统构成:

冷冻干燥机系由制冷系统、真空系统、加热系统、电器仪表控制系统所组成。主要部件为干燥箱、凝结器、冷冻机组、真空泵、加热/冷却装置等。它的工作原理是将被干燥的物品先冻结到三相点温度以下,然后在真空条件下使物品中的固态水份(冰)直接升华成水蒸气,从物品中排除,使物品干燥。物料经前处理后,被送入速冻仓冻结,再送入干燥仓升华脱水,之后在后处理车间包装。

真空系统为升华干燥仓建立低气压条件,加热系统向物料提供升华潜热,制冷系统向冷阱和干燥室提供所需的冷量。 本设备采用高效辐射加热,物料受热均匀;采用高效捕水冷阱,并可实现快速化霜;采用高效真空机组,并可实现油水分离;采用并联集中制冷系统,多路按需供冷,工况稳定,有利节能;采用人工智能控制,控制精度高,操作方便。

冷冻干燥的程序步骤:

在冻干之前,把需要冻干的产品分装在合适的容器内,一般是玻瓶或安瓶,装量要均匀,蒸发表面尽量大而厚度尽量薄些;然后放入与冻干箱尺寸相适应的金属盘内。装箱之前,先将冻干箱进行空箱降温,然后将产品放入冻干箱内进行预冻,抽真空之前要根据冷凝器冷冻机的降温速度提前使冷凝器工作,抽真空时冷凝器应达到-40℃左右的温度,待真空度达到一定数值后(通常应达到100uHg以上的真空度),即可对箱内产品进行加热。

一般加热分两步进行,第一步加温不使产品的温度超过共熔点的温度;待产品内水份基本干完后进行第二步加温,这时可迅速地使产品上升的规定的最高温度。在最高温度保持数小时后,即可结束冻干。

整个升华干燥的时间约12-24小时左右,与产品在每瓶内的装量,总装量,玻璃容器的形状、规格,产品的种类,冻干曲线及机器的性能等等有关。

冻干结束后,要放干燥无菌的空气进入干燥箱,然后尽快地进行加塞封口,以防重新吸收空气中的水份。

在冻干过程中,把产品和板层的温度、冷凝器温度和真空度对照时间划成曲线,叫做冻干曲线。一般以温度为纵坐标,时间为横坐标。冻干不同的产品采用不同的冻干曲线。同一产品使用不同的冻干曲线时,产品的质量也不相同,冻干曲线还与冻干机的性能有关。因此不同的产品,不同的冻干机应用不同的冻干曲线。图十四是冻干曲线示意图(其中没有冷凝器的温度曲线和真空度曲线)。

冷冻干燥优点:

  • 一、冷冻干燥在低温下进行,因此对于许多热敏性的物质特别适用。如蛋白质、微生物之类不会发生变性或失去生物活力。因此在医药上得到广泛地应用。
  • 二、在低温下干燥时,物质中的一些挥发性成分损失很小,适合一些化学产品,药品和食品干燥。
  • 三、在冷冻干燥过程中,微生物的生长和酶的作用无法进行,因此能保持原来的性装。
  • 四、由于在冻结的状态下进行干燥,因此体积几乎不变,保持了原来的结构,不会发生浓缩现象。
  • 五、干燥后的物质疏松多孔,呈海绵状,加水后溶解迅速而完全,几乎立即恢复原来的性状。
  • 六、由于干燥在真空下进行,氧气极少,因此一些易氧化的物质得到了保护。
  • 七、干燥能排除95-99%以上的水份,使干燥后产品能长期保存而不致变质。

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