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四环科仪分享果蔬真空冷冻干燥工艺与技术原理

阅读:226          发布时间:2019/8/12

由于冻干食品避免了传统脱水技术方法带来的变色、变味、营养成分损失大、复水性差等缺陷,具有保持原食品形、色、香、味、营养不变、复水性好、重量轻、可常温贮藏等优点。因此,冻干食品在国际市场的价格是热风干燥食品4~6倍,是速冻食品7~8倍。它在登山、航海、探险、野战等特殊场合中具有不可替代的地位,也是宇航员在太空中的主要食品。     

冻干食品在一些发达工业国家已经达到相当高的普及水平,美国、日本冻干食品的比重已达到40%以上。椐有关部门,目前,美国每年消费冻干食品500万t,日本160万t,法国150万t,其他国家也很可观。日本每年约需花1000亿日圆进口冻干食品,香港、新加坡和南韩每年进口冻干食品达500亿日元。日本、美国及欧洲等每年约需冻干大蒜粉6000t,可见冻干食品的国际市场之大。     
   随着我国经济的可持续发展和人民生活水平的不断提高,人们对食品质量的要求越来越高,特别是对高质量的婴幼儿食品和保健食品的需求量急剧增加。另外,我国旅游、探险、航海事业必将有大的发展,同时高档餐饮业的迅速崛起、人们生活节奏的加快,都对方便即食食品的需求量越来越大。因此,发展冻干食品具有广阔的国际、国内市场。         
一、冻干食品生产的基本原理     
  与其它干燥方法一样,要维持升华干燥的不断进行,必须满足两个基本条件,即热量的不断供给和生成蒸汽的不断排除。在开始阶段,如果物料温度相对较高,升华所需要的潜热可取自物料本身的显热。但随着升华的进行,物料温度很快就降到与干燥室蒸汽分压相平衡的温度,此时,若没有外界供热,升华干燥便停止进行。在外界供热的情况下,升华所生成的蒸汽如果不及时排除,蒸汽分压就会升高,物料温度也随之升高,当达到物料的冻结点时,物料中的冰晶就会融化,冷冻干燥也就无法进行了。   
  供给热量的过程是一个传热过程,排除蒸汽的过程是一个传质的过程,因此,升华干燥过程实质上是一个传热、传质同时进行的过程。自然界中所发生的任何过程都有驱动力,升华干燥中的传热驱动力为热源与升华界面之间的温差,而传质驱动力为升华界面与蒸汽捕集器(或冷阱)之间的蒸汽分压差。温差愈大,传热速率愈快;蒸汽分压差愈大,传质(即蒸汽排除)速率愈快。   
  冻干时,既要保持产品的优良品质,又要取得较快的干燥速率。升华所需要的潜热必须由热源通过外界传热过程传送到被干燥物料的表面,然后再通过内部传热过程传送到物料内冰升华的实际发生处。所产生的水蒸气必须通过内部传质过程到达物料的表面,再通过外部传质过程转移到蒸汽捕集器(冷阱)中。任何一个过程或几个过程一起都可能成为干燥过程的“瓶颈”,它取决于冻干设备的设计、操作条件以及被干燥物料的特征。只有同时提高传热、传质效率,增加单位体积冻干物料的表面积,才能取得更快的干燥速率。   
  在冰晶的升华过程中,每升华1g冰晶约需吸收2822.4J的热量,假如没有热量来源,冰晶升华时将会从制品中吸热,亦即通过降低制品的温度来维持升华所必须的热能,当制品的温度降低后,其冰晶饱和蒸汽压亦降低,当降低到与环境中绝对压力相等时,升华亦即停止,因此,冻干过程中,必须给制品施加热能,但是,要在真空环境中传输热能,也不是一件容易的事情,为此,人们设计出下列种种加热方式:     
   ①接触传热方式:这是一种简单的加热方法,在干燥室内设置可加热的多层搁板,上面放置装有被干燥食品的干燥盘。利用干燥盘与搁板接触传导加热。在这种情况下。加热搁板与干燥盘,干燥盘与干燥食品间不能完全良好地接触,因此利用这中方法进行加热时,干燥时间多少较其它方法长些,但其优点是干燥是构造简单,并可充分利用空间。     
  ②复式加热方式:接触传导仅加热食品的一面,而在本法中被干燥的食品两面都与加热板接触,因此传热良好而可缩短干燥时间,所采用的方式将被干燥食品在与加热板接触前,先以金属网状铝板夹住,以打开升华时水蒸汽的通道并减少其阻力,然后用液压加上搁板,使之与网状铝板接触,此法优点是可缩短干燥时间,但为能与上搁板接触,搁板必须是活动的,因此必须使用液压装置,而导致构造复杂,并降低干燥室的利用率,故设备费用高昂,此外,对非平面而不定形被干燥食品,则有不能充分发挥效果的缺点。     
  ③有钉板加热方式:这是上述复式加热方式的变形,此法是利用装有多枚钉子的2片加热板将被干燥食品夹在中间以进行加热,这种方式的加热接触面积扩大到被干燥食品的内部,因而能有效地进行热供给,利用此方式,干燥时间可大幅度缩短,这正是被希望的方式,但相反的是,大量处理被干燥食品时,干燥前与干燥后的操作繁杂,需要人力与时间,另外还涉及卫生的问题,因此在实用规模装置上几乎都不采用。     
  ④辐射加热方式:此种方式是将被加热干燥的食品置于干燥盘或干燥网上,然后插入两片加热板之间,使之不与加热板接触,而由加热板辐射来供给热量,因此加热板可加热到容许温度以上的高温,而被干燥食品的温度则保持在容许温度之内,这样可以缩短干燥时间,且被干燥食品的形状若不是定型时也不会有所防碍。干燥前后的操作也很容易,特别是在大型连续干燥装置中更加有效,已经设计出适当的控制方式,并提高加热板的辐射能转换效率,其干燥时间已缩短至可以与复式加热相匹敌的程度,因此,该加热方式已演变成冻干食品设备的基本形式。     
  ⑤微波加热方式:微波照射能使不同形状的食品内外都得到加热,大大缩短干燥时间(约10%~20%)。此外,干燥室的利用率也较高。尽管微波加热具有明显的优点,但是到目前为止还没有在工业上成功的例子。这是因为产生微波形式的能量是昂贵的,其费用为蒸汽费用的10~20倍。另外,微波加热过程很难控制。如果供热量有余,会导致升华界面有少量冰融化,而水的介电常数比冰的介电常数大得多,水将吸收更多的热量使温度升高而使更多的冰融化,终导致干燥失败。     
  ⑥红外线加热:在干燥室安装红外线发生器产生红外线辐射。但由于其维持费用相当高,故很少应用于冷冻干燥食品方面。     
  综上所述,各种加热方法各有其特点。人们在不断认识冻干过程本质的基础上,探索出了多种加热、辐射的组合,如传导-辐射加热法、传导-微波加热法、辐射-微波加热法等。其目的都是期望能在保证产品质量的前提下,提高干燥速率,降低能耗。     
        
二、冻干食品的生产设备         
  冻干食品生产主要的设备为食品用真空冷冻干燥机组,该机组的性能,能耗和操作自动化程度的高低决定了冻干食品生产企业的技术水平的高低,食品用冻干机分间歇式和连续式。连续式机组在国内企业尚属少见。间歇式冻干机由干燥箱体、加热系统、真空系统、制冷系统、控制系统等5部分组成。     
  ⑴干燥箱体:有圆筒形及方形两种主要的形式,各有优点,圆筒形制造容易,但无法利用的空间多;方形则相反,空间利用率高,但制造较困难。     
  ⑵加热系统:大多数采用辐射传热,辐射板由阳极电镀铝制成,导热介质有导热油,饱和水、二次蒸汽,有机溶剂如丙二醇、甘油等,热源均系用高压水蒸汽。     
  ⑶真空系统:采用机械真空泵,有罗茨泵+油封泵及罗茨泵+罗茨泵+大气喷射+水环泵两种,两者主要区别是前者不能抽水蒸汽,因此对冷阱效率要求较高,优点是能耗小,后者则正好相反,能抽吸少量水蒸汽,缺点是能耗较大。     
  ⑷制冷系统:由制冷机组与冷却排管构成,作水蒸汽捕集器(亦称冷阱)依其与辐射板组件的相对位置,有如下几种形式:①底置式:放置在辐射板组件的底部;②侧置式:放置在辐射板组件的两侧;③后置式:放置在辐射板组件的后面;④另置式:放置在辐射板组件不在同一容器内,另外一个容器放置,两容器之间有一个短而粗的管件连接。     
  ⑸控制系统:有手动控制及自动控制两大类,自动控制又分仪表自动控制与PLC可编程序控制两类。以PLC可编程序控制先进,现在已有专用的冻干程序控制仪问世,是在PLC基础上按冻干要求而设计的,能自动完成冻干过程中复杂的控制操作,并且有贮存数据的功能。             
三、简易冻干食品生产线的配置     
  ⑴前处理设备有:     
  ①多用切片机:1台,生产能力200~500kg/h,国产的即可,如有条件,可购买台湾、日本、美国产的切片机,以美国厄舍公司的先进。     
  ②冷却槽:杀青后的冷却槽可用清洗槽代替,简易生产线通常因自来水冷却沥水可选用振荡沥水机,如有条件,选用离心机。     
 ③速冻库:速冻库的配置与冻干机的处理能力相适应,以日班生产配料,满足2~3班冻干为宜。冷源单独或半单独设置(低压循环部分独立)以防止在速冻库热负荷较大时,影响到正在冻干过程中的冷阱温度。     
  ⑵冻干车间:冻干车间是冻干食品生产的关键工序,它的设置同时要考虑到产品质量受影响的程度,一般速冻库与冻干箱门之间的距离越短越好,并且此通道专用,仅作为物流通道,而不兼作人流通道,冻干箱门端与冻干机其它部分及设备隔开,以减少环境对半成品的污染。     
   ⑶卸料与包装间:卸料与包装间应密闭,地面至少要用水磨石加打蜡,墙体要用白瓷砖贴至1.5m高,以上部分要刷白色防水涂料,此车间须装设空调除湿设备,空调制冷可与冷库系统合用,除湿设备宜选用转轮式除湿机,以利降低除湿成本,车间无窗户,门尽可能密闭,采用无尘净化室专用的密封门,并要有换气、消毒、灭菌等设施。     
  包装时一般要有不锈钢工作台,抽真空充氮封口机,抽真空设备宜选用水环式真空泵,抽速约20L/s,充氮气源为工业用氮气,经减压过滤充入即可。     
        
四、现代化流水生产线配置     
  现代化流水生产线与简易生产线相比,仅在前处理增加