生物工程设备及操作技术 冷冻干燥设备 冷冻干燥设备.doc

冷冻干燥设备 1）冷冻干燥基本原理及特点 冷冻干燥的基本原理是先将被干燥的物料冷冻至冰点以下，使物料中的水分变成固态的冰，然后在高度真空的冷冻干燥器中，让固态的冰直接升华变成水蒸汽而被除去，以达到干燥的目的。因此，冷冻干燥又称为真空冷冻干燥、冷冻升华干燥，简称冻干。 传统的对流干燥会引起物料皱缩，细胞破坏。在冷冻干燥过程中，固体成分被在其位置上的坚冰支持着，物料的结构不会被破坏，在冰升华时，它会留下孔隙于干燥的剩余物质里，可保留产品的结构及活性。 在生物工业中，通过冷冻干燥可长时期保存生物性材料固有的生物活性与结构。蔬菜和水果等经冷冻干燥后，不但可长时间保藏，而且在与水分接触时能吸水而恢复原有的色香味。这是因为冷冻干燥时物料中的细胞、蛋白质、维生素等未被破坏，井保持了多孔性结构。因此，在生物工业中，利用冷冻干燥可较好地保持物料的品质。 由于冷冻干燥操作在高真空和低温条件下进行，需要配备获得高真空和低温制冷的设备，故投资费用和操作费用很大，且干燥周期长、产量小，因此产品加工成本高。 2）冷冻干燥系统的构成 冷冻干燥设备，简称冻干机。按系统分，由制冷系统、真空系统、加热系统和控制系统四个主要部分组成（依用途不同有的冻干机还有液压系统、清洗系统、消毒系统)。按结构分，由冻干箱或称干燥箱、冷凝器或称水汽凝结器、压缩机、真空泵和阀门、热交换器、电气控制元件等组成。图18.8-1是冷冻干燥设备组成示意。 图18.8-1冷冻干燥设备组成示意 （1）冷冻干燥箱 冷冻干燥箱 (冻干箱)是一个能制冷，加热的高低温箱（箱内的温度可以调节），也是一个能抽成真空的密闭容器。它是冷冻干燥设备的主要部分。将待冻干的物料放在箱内分层的金属板上，进行冷冻，在真空下加温，最终使物料内的水分升华而制成干燥制品。 （2）冷凝系统 冷凝系统主要设备是低温冷凝器。低温冷凝器同样是一个真空密闭容器，在它的内部有一个较大表面积的金属吸附面。在干燥过程中，升华的水蒸汽必须迅速地被除去。冷凝器的作用就是把冻干箱内物料升华出来的水蒸汽冻结吸附在其金属表面上，冷凝成霜后除去。因此，低温冷凝器又称水汽凝结器或冷阱。目前采用的低温冷凝器有列管式、螺旋管式或内有旋转刮刀的夹套式冷凝器。 （3）真空系统 真空系统主要设备是真空泵。真空系统要求没有漏气现象，冻结物料的迅速升华干燥是由真空系统完成的。真空系统的作用一是提供干燥箱内冰升华所需的真空度，二是降低冷阱中的压强，将部分水蒸汽和不凝气体抽走。 （4）制冷系统 制冷系统由制冷压缩机、冻干箱、冷凝器等组成。制冷压缩机的作用是对冻干箱和冷凝器进行制冷，产生和维持它们工作时所需要的低温，它有直接制冷和间接制冷两种方式。 （5）加热系统 加热系统对于不同的冻干机有不同的加热方式。加热方法有传导加热、辐射加热和微波加热等。加热系统的作用是对冻干箱内的物料进行加热，以使物料内的水分不断升华，但不应使冻结物料融化，最终达到规定的残余水分要求。 （6）控制系统 控制系统由各种控制开关、指示调节仪表及一些自动装置等组成，一般自动化程度较高的冻干机则控制系统较为复杂。控制系统的作用是操纵冻干机正常运转，以冻干出合乎要求的制品来。 3）冷冻干燥过程 （1）预冻阶段 在冷冻干燥前，必须对被干燥的湿物料进行预冻结。预冻时，冻结速度对冷冻干燥速率和冷冻干燥制品的品质有不同程度的影响。冻结速度越快，物料内形成的冰晶体越小，升华时，在物料内形成的孔隙也越小，物料内形成的孔隙也越小，因此，干燥的速率就慢。反之，物料内则形成颗粒粗大的冰晶，会破坏物料的细胞组织，从而影响干制品的复水性。 （2）升华干燥阶段 干燥过程分为两个阶段。在物料内的冻结冰消失之前称为第一阶段干燥，也叫升华干燥阶段。此阶段是冷冻干燥的主要过程，有98%～99%的水分在这一阶段被除去。 冻结物料升华干燥是在真空干燥箱内进行的。在升华过程中，物料中冻结水分汽化需要吸收热量，因此，需要给物料加热，以提高冷冻干燥的速率。但所提供的热量应保证冻结物料的温度接近而又低于物料的共熔点，以便使物料中冰晶既不溶解又能以最高速率进行升华。在升华过程中，温度几乎保持不变，干燥速率保持恒定。 （3）解析干燥阶段 解析干燥阶段也称第二阶段干燥。在第一阶段干燥结束后，在干燥物质的毛细管壁和极性基团上还吸附有部分水分，这些水分是未被冻结的，当它们达到一定含量，就为微生物的生长繁殖和某些化学反应提供了条件。该阶段是将物料温度逐渐升高，使水分汽化除去，此阶段水分可以减少到0.5%。在解析干燥阶段可以使产品的温度迅速上升到该产品的最高允许温度，并一直维持到冷冻干燥结束。 4）冷冻干燥设备 （1）间歇式冷冻干燥器 图18.8-2 间歇式冷冻干燥器 1—干燥箱；2—低温冷凝器；3—真空泵；4—制冷压缩机； 5