真空冷凍干燥技術及設備的現狀及發(fā)展趨勢

1、引言

　　近幾年來, 真空冷凍干燥技術發(fā)展非常迅速, 國內尤為突出。十年前, 國內生產凍干設備的工廠只有3 家,現在已近30 家。凍干產品由生物制品到藥品,再發(fā)展到出口凍干食品。生產凍干食品的廠家從無到有,目前已有幾十家。凍干理論研究也活躍起來,有十幾所高等院校和科研機關在研究凍干過程的傳熱傳質,發(fā)表論文數十篇,出版了5 本專著[1～5 ] 。可以肯定地說,凍干設備、工藝和理論研究已經取得了可喜的成果,但也存在著不足。

2、凍干設備的現狀及發(fā)展趨勢

　　醫(yī)藥用凍干機已經基本成熟, 國內也制定了相應技術標準。有關廠家生產的醫(yī)藥用凍干機,已能代替進口設備。其壓蓋、清洗、消毒滅菌等功能齊全,產品質量和自動化程度較高,只是水分在線測量儀和個別電器元件等尚需進口。食品凍干機發(fā)展較快,生產廠家較多,質量、性能、規(guī)格型號各不相同。前幾年多從國外引進,近幾年已經基本國產化了。

　　目前,國產食品凍干機還都是非標準化產品。大部分生產廠家走的是仿制道路。有的廠家在采用國外先進技術的同時, 并且進行了很大的改進。如: 加熱板內采用了特殊導流裝置, 使板內流體的流量均勻, 保證了加熱的均勻和穩(wěn)定; 捕水器在工作中可實現交替捕水和融冰, 捕水器盤管內氨液制冷方式由傳統的氨液相變制冷改為氨液無相變制冷, 使捕水器盤管內溫度均勻, 結霜性能良好。除仿制之外, 國內自己的研制能力也在提高, 有的單位已經脫離了仿制國外機型, 抽氣系統采用低架式水蒸汽噴射泵抽水蒸氣, 省去了捕水器和制冷系統, 使設備價格有所降低。設計采用地車式裝卸料, 地車采用萬向膠輪支撐運輸裝卸料盤的料車進出凍干箱。它與我國臺灣產地車運送料盤不同,與丹麥ATLAS 公司等引進的設備采用上吊車的結構也有區(qū)別, 是兩者優(yōu)點的結合, 既省去了車間鋪吊軌、影響美觀、進出凍干室需搬道叉的麻煩,又克服了地車送料盤裝卸料時間長、傳導加熱溫度不均勻等缺點。這種設備結構簡單,制造容易,使用方便。

　　食品凍干機還存在著許多不足, 無論是國產還是引進設備其共同的缺點是價格貴, 耗能高,收回投資慢。因此,降低成本,減少能耗是食品凍干機今后的主攻方向。除此之外,國產凍干機還存在一些不足之處:

　　(1) 擱板溫度不均勻,造成凍干產品含水率不均勻,產品合格率受影響。造成溫度不均勻的原因各不相同。有的是擱板結構和材料質量不好;有的是加熱流體分流或流程有缺欠; 有的是捕水器在干燥箱內絕熱不好。

　　(2) 干燥速率低, 干燥箱內各點干燥快慢不一致,反映在產品上仍然是合格率受影響。其原因除擱板溫度不均勻外,還與真空系統配置得不合理有關。主要體現在捕水器配置得不合理;水蒸汽噴射泵性能不穩(wěn)定;抽氣口位置不合理等。

　　(3) 無法判斷干燥何時結束,這是重要缺欠,因為它可能造成產品含水率高而不合格,也可能造成干燥時間過長而浪費能源。

　　(4) 捕水器效率低。主要體現在捕水器面積大而捕水量小,有部分無效面積,其根本原因是捕水器設計不合理。

　　(5) 真空度不穩(wěn)定。除操作原因外,可能是真空系統設計不合理。對于水蒸汽噴射泵而言,可能出現的問題是蒸汽鍋爐壓力不穩(wěn)定。

　　食品用凍干機的研究方向和發(fā)展趨勢應該是:

　　(1) 改進結構,優(yōu)化設計,降低成本,減少能耗。國外有些凍干機不采用不銹鋼制造, 而采用低碳鋼涂覆食品用可烘干樹脂, 涂層厚度為0. 12～0. 20 mm ,在室溫下就會發(fā)出紅外線。擱板表面涂高性能遠紅外發(fā)射材料,增強其輻射能力, 料盤表面處理, 增強其吸熱能力。料盤在兩塊輻射擱板之間有一最佳位置, 而不是取中間位置,因此應優(yōu)化設計。捕水器的結構、尺寸、結霜特性的優(yōu)化,更有實際意義,因為它的造價目前幾乎相當于凍干箱的造價, 運轉功耗較大。對于凍干機而言, 加熱系統只是補充升華熱,功率消耗本不應太高,但現有設備并不盡如人意,應該通過結構優(yōu)化,降低能耗。

　　(2) 保證質量, 提高性能。有的廠家生產的凍干機從安裝好之后, 一直不能投入正常生產; 有的凍干機雖然能生產,但能耗太高,生產的產品越多,賠錢越多; 還有的元器件不斷出現故障,影響正常生產。因此,今后生產的凍干機質量必須保證,可靠性要好。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,增強設備新的功能。例如增加凍干結束的判斷功能,最簡單的辦法是稱重法。目前已經有人試驗,但都不太成功。原因是沒有離開天平和地秤的模式,致使小設備安裝困難,大設備笨重而不穩(wěn)定。應該發(fā)展重量傳感器,用很小的一次元件給出重量隨時間的變化。

　　(3) 開發(fā)連續(xù)式凍干設備, 當前生產的凍干機都是間歇式產品, 隨著工業(yè)技

　　術的發(fā)展,人民生活水平的提高,消費量會增大,因此發(fā)展連續(xù)凍干設備,增加凍干產品的產量是必然趨勢。

3、凍干工藝的現狀及發(fā)展趨勢

　　目前,研究凍干工藝的人員比研究凍干設備的人員要多,研究食品凍干工藝的人員比研究醫(yī)藥凍干工藝的人員要多。被研究的凍干食品品種也越來越多。僅就本校已研究過的凍干品種有:

　　(1) 中草藥類:人參、冬蟲夏草、山藥。

　　(2) 水果類:桃、梨、蘋果、香蕉、草莓。

　　(3) 蔬菜類:蔥、菠菜、洋蔥、胡蘿卜。

　　(4) 肉類:牛肉、牛肝、雞肝。

　　(5) 水產類:蝦、海帶、海參、扇貝。

　　(6)其它類:蜂蜜、幼竹鮮汁、紫草紅色素、“勿忘我”鮮花等。

　　本校研究的凍干工藝都沒有進行優(yōu)化研究, 不能算是最佳工藝, 從實驗室走入生產車間還應該進一步優(yōu)化, 使其適合于產業(yè)化、快速、節(jié)能的要求。有的單位對幾種食品的凍干工藝研究得比較出色,其中比較有代表性的食品是蘑菇、大蒜粉、蘆筍、速溶咖啡、速溶茶等,并給出了脫水大蒜和脫水洋蔥的技術要求,這是凍干食品走向成熟的標志。

　　西藥、血液制品和生物制品的凍干工藝比較難,工藝成熟與否關系重大,產品質量直接關系到人的生命安全。所以研究人員比較少,研究成果有一定時間的保密性。西藥凍干的關鍵問題是避免染菌,一但染菌就會造成重大事故。生物制品則要求更加嚴格,除避免染菌外還要防止菌種變異,保持活菌活毒的活性。在凍干過程中要加入添加劑和保護劑,這是技術水平很高的工作, 國內外有不同的凍干保護劑, 我國六大生物制品研究所之間也各有妙方。

　　生物體的凍干工藝已經提到了日程上,本校將灰鼠皮膚去毛凍干后在沈陽藥科大學做藥理實驗證明了與新鮮皮膚的藥理作用相同, 復水后在生物顯微鏡下做組織觀察, 與鮮皮細胞組織基本相同。現正在國家自然科學基金的資助下,與中國醫(yī)科大學合作開展家兔角膜的凍干實驗研究。

4、凍干理論的研究現狀及發(fā)展趨勢

　　真空冷凍干燥技術的理論研究可概括為低壓低溫傳熱傳質的理論研究,非穩(wěn)態(tài)流場的理論研究和熱物性參數與其測量方法研究三大部分。其中低壓低溫傳熱傳質的理論研究進行得比較早,效果比較明顯,目前公認的凍干模型可歸納成三種:一種是1976 年Sandall 等提出的冰界面均勻后移的穩(wěn)態(tài)模型(URIF) ; 另一種是1968 年Dryer [6 ]等提出的準穩(wěn)態(tài)模型; 第三種是1979 年Litchield 等提出的吸附- 升華模型。這幾種模型都可以描述凍干過程,但又都存在著不足,描述傳熱過程比較準確,描述傳質過程誤差較大。主要問題是在傳質過程中要發(fā)生固- 汽相變,水蒸氣在多孔的通道中傳遞,通道長度要隨時間不同而變化,是非穩(wěn)態(tài)過程。多孔通道的結構尺寸還與預凍速度、被凍干物料的物質結構等有關。從近幾年的研究報道中還沒有見到有新的突破。凍干過程傳熱傳質的理論研究重點是研究發(fā)生在被凍干物料內部的過程。非穩(wěn)態(tài)流場的理論研究,重點是研究物料之外、凍干機之內的低壓低溫空間環(huán)境。描述該空間環(huán)境的參數有溫度、壓力、濕度等,這些參數形成的溫度場、壓力場、濕度分布等都是隨時間變化的非穩(wěn)態(tài)流場,這些非穩(wěn)態(tài)流場的模擬方法至今還是個難題。凍干機捕水器中的非穩(wěn)態(tài)流場中又增加了一個汽- 固相變的問題,使研究更加復雜化。因此,近幾年雖然有人研究并發(fā)表了論文,但都沒有形成有效的理論,仍然是值得深入研究的課題之一。無論是傳熱傳質理論研究還是非穩(wěn)態(tài)流場理論研究,都需要一些熱物性參數,例如被凍干物料的密度、導熱系數、傳質系數、水分含量等。由于被凍干物料是各種各樣的,無法查找這些數據,需要自己測量。測量時采用什么方法、什么儀表、什么原理等都是研究的課題。還有一類熱物性參數測量更是比較困難,這就是在低溫低壓下濕空氣和霜層的特性參數。例如,在真空條件下霜層的密度、厚度、導熱系數等都隨時間、溫度、壓力而變化,研究工作相當困難,進展緩慢。

5、結束語

　　從上述分析可見,凍干技術發(fā)展很快,存在問題也不少。邁向21 世紀的凍干技術,除了在設備、工藝和理論方面開展更新、更好、更深入地研究之外,還有待于開拓市場。目前凍干產品銷售情況不景氣, 除國際市場受東南亞經濟危機的影響外, 也受凍干產品質量和品種的制約。國內市場受凍干產品的價格限制,也受新鮮果蔬生產和保鮮技術的沖擊。開拓市場的方向應該是上品種、重質量、降價格、面向國外。凍干技術還需開發(fā)新的應用領域,生命科學、材料科學等都是凍干技術的交叉學科,是很有發(fā)展前途的領域,應該作為開發(fā)應用新領域的首選范圍。

參考文獻

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　　[ 2 ] 徐成海. 真空低溫技術與設備[M] . 北京:冶金工業(yè)出版社,1995.

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　　[ 4 ] 高福成. 凍干食品[M] . 北京:中國輕工業(yè)出版社,1998 ,5.

　　[ 5 ] 余善鳴,白杰,馬國慶. 果蔬保鮮與冷凍干燥技術[M] . 哈爾濱:黑龍江科學技術出版社,1999.

　　[ 6 ] DYRE D E ,SUNDERLAND J E. Heat and mass t ransfer mechanisms in sublimation deh ydration[J ] . Journal of Heat Transfer ,1968 ,12 :379.