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一．概述

自然界中有很多食物，包括不再存活或停止生長的動植物和生物。在常溫下這些食物存放一段時間后會腐爛變質(zhì)，無法食用，造成驚人的浪費。主要是因自然環(huán)境中存在著許多雜菌，包括霉菌，各類食物內(nèi)部普遍含有水分，霉菌在水分的滋養(yǎng)下會快速生長繁殖，從而導致食物腐爛變質(zhì)。如果將食物中的水分去掉，霉菌就不能繁殖，食物就可以保存下來。人們通常將食物經(jīng)過煙熏火烤、風吹日曬等方法處理過后再存放，原理就是去掉食物中的水分，使霉菌不再生長繁殖，這樣干制處理過后的食物就可以長時間存放了。

現(xiàn)今干燥食物仍然是儲存食物的主要方法之一，干燥方法有多種多樣，相應的干燥設備也有各種形式，如烘烤、熱風、噴霧、微波、真空干燥設備等等，市場上各種干燥食品琳瑯滿目，但這些干燥食品還有些瑕疵，如體積縮小、顏色深暗、質(zhì)地堅硬、很難溶于水、食用時需在水里長時間浸泡、其中的熱敏成分和營養(yǎng)成分變質(zhì)和流失、口感差等等，仍然無法滿足人們對干燥食品越來越高的品質(zhì)要求。

隨著技術進步和生活水平的提高，一種新的干燥技術被發(fā)現(xiàn)并應用到食品加工上來，采用這種新的干燥技術所干燥的食品具有外觀、色澤和口感等各方面均與新鮮食物原料相近，熱敏成分和營養(yǎng)成分保留完整，其內(nèi)部組織呈多孔酥松狀，極易吸水，復水復原快速，方便食用，并可以長期保存等特點，這種新的干燥技術被稱為冷凍干燥技術，簡稱凍干技術，采用凍干技術所干制的食品簡稱為凍干食品。

凍干技術與普通干燥技術的區(qū)別在于，凍干技術是將含水物料中的水預凍結成冰，然后在缺氧的真空環(huán)境下直接將冰變成水蒸汽升華分離出去，整個干燥過程是在低溫和真空環(huán)境下完成的，沒有高溫氧化現(xiàn)象發(fā)生，物料的組織結構因冰架作用保持原狀沒有被改變，其內(nèi)部熱敏成分和其他成分不會發(fā)生變質(zhì)和流失，其外觀、色澤等各方面性狀也不會發(fā)生改變。而普通干燥技術是將含水物料中的水以液態(tài)的形式蒸發(fā)分離出去的，其過程是在高溫和氧化反應中完成，所留下的干燥物會氧化變色變性，熱敏成分和其他成分會變質(zhì)流失，干燥物組織縮小變硬、復水復原困難。可見采用凍干技術所干燥加工的凍干食品所具有的很多優(yōu)點是其他干燥食品所不具備的。凍干技術因其諸多優(yōu)點非常適合用于加工生產(chǎn)快速、方便、休閑、高營養(yǎng)和應急等即食食品，凍干食品一問世便受到消費者的歡迎，在旅游、休閑、宅經(jīng)濟、野外作業(yè)、應急救災、健康保健、軍事等領域獲得了推廣應用。

凍干技術最早產(chǎn)生于上世紀初, 科學家發(fā)現(xiàn)冰在特殊條件下可以不經(jīng)過液態(tài)水的過程就可以直接汽化消失，這一現(xiàn)象在物理學上稱為水的升華。利用水的升華原理將某些動植物、生物菌種等含水試驗品經(jīng)過凍結后再升華脫水干制，便可以保存很長時間，效果非常好。這一升華原理被應用到工業(yè)生產(chǎn)上來便產(chǎn)生了凍干技術和凍干設備。由于早期工業(yè)技術比較原始，凍干設備所應用到的真空、制冷、傳熱、材料和自動控制等技術達到凍干要求比較困難，導致凍干設備性能差，效率低，產(chǎn)量也低，生產(chǎn)一爐產(chǎn)品需幾天時間，且設備造價非常高，僅能生產(chǎn)的少量抗菌素、疫苗、血清及特殊生物藥品等急需產(chǎn)品。到了上世紀60年代，隨著技術進步和工業(yè)水平的提高，凍干設備性能有所改進提高，凍干成本有所降低，在歐美、日本等發(fā)達國家開始用凍干機生產(chǎn)凍干食品，主要品種包括蘑菇、大蒜、蔬菜、牛肉、海產(chǎn)品、速溶咖啡等等。到80年代中后期，我國也開始用凍干機生產(chǎn)凍干食品，國產(chǎn)用于食品加工的凍干機最早產(chǎn)生于1986年，由遼寧省撫順市活性技術研究所研制完成，主要用于加工東北當?shù)厮幉暮吞禺a(chǎn)，如活性人參、活性鹿產(chǎn)品、速食山野菜及食用菌等產(chǎn)品，后期逐漸應用到各種食品上來。到90年代初，我國從日本、丹麥引進了大型食品凍干設備，國內(nèi)一些制造廠商也開始生產(chǎn)制造凍干機，此后，凍干食品逐漸在國內(nèi)普及開來，國內(nèi)生產(chǎn)的凍干機逐漸替代了進口凍干機，凍干技術應用在我國有了長足的發(fā)展進步。進入二十一世紀以后，由于凍干技術所應用的真空、制冷、傳熱、新材料和自動控制等技術已經(jīng)達了到很高水平，凍干設備的性能、效率和產(chǎn)量成倍提高，凍干食品的價格也大幅度降了下來，逐漸能夠被消費者所接受。各類凍干食品如蔬菜、水果、飲料、調(diào)料、方便快餐食品、小食品、水產(chǎn)、肉禽蛋、食用菌、中藥滋補品等產(chǎn)品在市場上層出不窮，琳瑯滿目。此外各種非食品類凍干產(chǎn)品也陸續(xù)出現(xiàn)，如各種凍干花卉、化工催化劑、超微細材料、石墨烯和濃縮液制粉等?？梢妰龈杉夹g具有廣闊的應用空間和巨大的發(fā)展?jié)摿Γ磥韺⒂瓉砀焖俚陌l(fā)展。

二，冷凍干燥原理

通常情況下，水在一個大氣壓（1x105Pa）環(huán)境下被加熱到100℃時即開始沸騰蒸發(fā)，如環(huán)境壓力低于一個大氣壓（如高原地區(qū)）時，水不用加熱到100℃也會沸騰蒸發(fā)，如環(huán)境壓力繼續(xù)下降，降到610Pa以下時，水在0℃時就可以沸騰蒸發(fā)了。如環(huán)境壓力再下降，水就只有冰和汽兩種相態(tài)，液態(tài)水就不存在了，此時冰受熱后只能變成蒸汽，物料學稱這一現(xiàn)象為“升華”。反之對在壓力低于610Pa環(huán)境中的水蒸氣降溫，水蒸汽就會凝聚在低溫物體表面結成冰霜，而不會冷凝成液態(tài)水，物理學稱這一現(xiàn)象為“凝華”。

利用“升華”原理，將物料中的水由冰凍狀態(tài)直接變成汽態(tài)離開物料就可以達到低溫干燥物料的目的，干燥后的物料會完好地保存原有的各種形態(tài)和性狀不變化。凍干設備就是根據(jù)升華原理來工作的。

凍干設備的干燥倉是一個真空容器，將被干燥物料放置在干燥倉內(nèi)，先通過制冷方式將物料凍結，然后抽真空降低倉內(nèi)壓力，當壓力低于610Pa后開始對物料提供熱量，物料中的冰就會升華汽化逐漸離開物料，最后變成干燥物料。這些離開物料的水蒸汽利用物理學“凝華”原理被一臺溫度較低的金屬表面或稱冷阱的裝置凝華成冰霜收集起來，干燥結束后再融化放掉，整個冷凍干燥過程就結束了。

三，冷凍干燥設備的主要結構

冷凍干燥設備是由干燥倉體、低溫捕集阱和制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及冷凍庫、物料運送、冷卻、壓縮空氣、蒸汽等輔助系統(tǒng)構成。

干燥倉

干燥倉是用于干燥含水物料的負壓密閉容器，可以承受一個大氣壓的外部壓力，所用材料為不銹鋼或碳鋼，使用碳鋼時倉內(nèi)壁須襯以不銹鋼材料。干燥倉內(nèi)部設有中空加熱擱板，擱板內(nèi)循環(huán)以來自加熱器的導熱介質(zhì)，用以加熱凍結物料。干燥倉通常有兩種形式，一種是沒有凍結功能的干燥倉，物料凍結需要外置的凍結庫配合完成，倉內(nèi)和庫內(nèi)設有可供物料車行走的軌道，軌道分為吊軌或地軌兩種形式，可相互對接。另一種是有凍結功能的干燥倉，物料可直接在干燥倉內(nèi)完成凍結，無需凍結庫配合。經(jīng)凍結后的物料在干燥倉的加熱擱板上不斷受熱，在真空環(huán)境下，物料中的冰便不斷升華變成水蒸氣逸出物料，最后使物料完全干燥。

冷阱

冷阱是用于捕集來自干燥倉中物料逸出水蒸氣的低溫捕集裝置，安裝在負壓鋼制密閉容器內(nèi)部，和干燥倉聯(lián)通，可以在干燥倉后部、底部或側面。冷阱中安裝有低溫捕集器，低溫捕集器具有較低的工作溫度和較大的工作表面，依靠冷阱外部的制冷機維持工作。其工作溫度遠低于干燥倉中凍結物料的溫度，借助有較低溫度的低溫捕集表面將來自干燥倉中物料逸出的水蒸氣捕集起來，凍結成冰固定在捕集器表面，待干燥結束后再將捕集器表面上的冰融化掉并排除冷阱外，待下一次干燥。一般冷阱工作溫度在-40℃以下，從干燥開始直到結束一直在不停地工作。

制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)由制冷壓縮機和輔助設施、零部件及控制器件組成，為凍結待干燥物料的冷凍庫和冷阱提供冷源。制冷壓縮機將制冷劑壓縮成高壓過熱氣體后經(jīng)冷卻系統(tǒng)冷卻成高壓液體，然后通過節(jié)流控制膨脹閥將高壓液體在蒸發(fā)器管道中變成低壓氣體蒸發(fā)吸熱實現(xiàn)制冷，往復循環(huán)。制冷壓縮機的壓縮方式分活塞式和螺桿式兩種，前者用于較小制冷量場合，后者用于較大制冷量場合。制冷系統(tǒng)的輔助設施及零部件材料有制冷劑冷卻裝置及節(jié)流膨脹閥、過濾器、壓力控制器和制冷劑等。制冷劑冷卻裝置分空氣冷卻、水冷卻和蒸發(fā)冷卻幾種方式，較小制冷量場合采用空氣冷卻或水冷卻方式，較大制冷量場合采用蒸發(fā)冷卻方式；節(jié)流膨脹閥有機械式自動調(diào)節(jié)和電子調(diào)節(jié)兩種；過濾器用來過濾制冷劑中的雜質(zhì)和水分；壓力控制器用來保護制冷系統(tǒng)安全，防止因制冷系統(tǒng)壓力過高或過低造成壓縮機損壞；在制冷系統(tǒng)中循環(huán)的制冷劑有氟利昂或氨，氟利昂有R22、R404A、R502、R507等多種，前兩種比較常用，R22為普通制冷劑，R404A為無氟環(huán)保制冷劑，氨因有氣味和爆燃危險已很少使用。

真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)由真空泵機組、真空閥門管道、冷卻裝置及控制器件等組成，為干燥倉和冷阱獲得所需的真空環(huán)境提供保障。真空泵是靠機械零部件的相對運動產(chǎn)生容積變化來實現(xiàn)抽吸空氣，機械相對運動的方式有螺桿式、轉(zhuǎn)子（羅茨）式、滑閥式、旋片式等多種，各種方式抽吸空氣的能力不同，所達到的真空度也不同，只用一種方式難以達到凍干所需真空度要求，通常使用兩種以上不同真空泵組合在一起使用，如羅茨-螺桿機組、羅茨-滑閥機組、羅茨-旋片機組、羅茨-羅茨-水環(huán)機組等。真空泵的密封潤滑方式分油封潤滑和水封潤滑兩種，前者密封潤滑效果好，抽吸空氣能力強，但缺點是在凍干過程中潤滑油會混入大量水蒸氣，因潤滑變差易導致真空泵機件損壞，所以需要經(jīng)常更換潤滑油，增加設備維護和生產(chǎn)成本。后者密封潤滑效果和抽吸空氣能力差，需要多級組合才能達到使用要求，增加一次性投資成本，能耗高，優(yōu)點是不需要經(jīng)常維護和更換潤滑油。羅茨-螺桿機組中的螺桿真空泵不需要潤滑，也就不需要更換潤滑油，但該泵造價過高，運行過程升溫過快，其穩(wěn)定性有待觀察。真空泵在使用過程中會生熱，需要冷卻裝置加以冷卻，一般以冷卻水循環(huán)方式為主。真空控制器件可以控制各真空泵啟停順序和真空度值，以滿足使用要求。一般工作真空度在10~100PA范圍內(nèi)，可以交替變化，真空機組從干燥開始直到結束一直在不停地工作，以維持必要的工作真空度。

加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)是用于對干燥倉中凍結物料進行加熱的導熱介質(zhì)加熱控制循環(huán)系統(tǒng)，依靠電熱或蒸氣熱對導熱介質(zhì)進行加熱，再用循環(huán)泵將加熱后的導熱介質(zhì)在干燥倉內(nèi)擱板中進行循環(huán)，以達到對懸置在干燥擱板中間的物料進行加熱的目的，大型凍干機的加熱方式多為輻射式加熱，擱板與物料無接觸，擱板材料為不銹鋼或陽極氧化鋁合金，陽極氧化鋁合金材料輻射熱的能力優(yōu)于不銹鋼材料，多被采用。導熱介質(zhì)有水、導熱油、乙二醇混合液或硅油等多種，其中導熱油可獲得高達150℃的加熱溫度，乙二醇混合液或硅油多在干燥倉具有凍結功能的凍干設備中使用。干燥倉具有凍結功能的凍干設備擱板具有冷凍和加熱功能，物料可在擱板上采用接觸方式凍結和加熱。這種設備因能源消耗較高，效率低，操作笨重，無法大規(guī)模生產(chǎn)，只適合中小規(guī)模生產(chǎn)高價值物料，如藥品、生物制品等。加熱控制系統(tǒng)是對加熱溫度進行控制的智能控制系統(tǒng)，依靠對電熱器通斷電控制或?qū)φ羝y門開閉控制來實現(xiàn)對導熱介質(zhì)的溫度控制。由于待干燥物料多種多樣，干燥過程各不相同，物料加熱過程程序，即物料干燥工藝曲線也不同。通常加熱過程是逐漸升溫-維持恒溫-逐漸降溫的曲線過程，各階段所需時間不同，總干燥時間不同，各階段加熱溫度和最高溫度都不同，因此需要根據(jù)具體物料的特點進行具體工藝編程設計，物料干燥工藝曲線是經(jīng)反復工藝試驗摸索總結出來的，是凍干過程的核心。

控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是對構成凍干機的各個系統(tǒng)進行集中控制的智能控制系統(tǒng)，由各種繼電器、接觸器、過載保護器、溫度和壓力傳感器、電磁控制器、信號變送器、儀表、通斷開關等電器元件及PLC編程控制器、模擬轉(zhuǎn)換器、擴展模塊、觸摸屏等組成，可以對壓縮機、真空泵、電加熱器、調(diào)控閥門等各種機電設備的啟停和運行狀況進行控制和檢測，可以對超限超常狀況進行報警提示和控制，可以根據(jù)預編的工藝曲線程序?qū)χ评錅囟?、真空度和加熱溫度進行智能調(diào)節(jié)控制，以適應各種物料干燥工藝要求，實現(xiàn)最佳干燥過程控制，生產(chǎn)出最佳凍干產(chǎn)品。

速凍庫

速凍庫用來對待干燥物料進行預凍結，一般采用隧道式結構，尺寸和干燥倉相匹配，庫內(nèi)設有可供物料車行走的軌道，可和干燥倉或其他車間內(nèi)軌道對接，軌道可設為吊軌或地軌兩種形式。速凍庫內(nèi)部設有強制冷風設備可對庫內(nèi)物料快速降溫凍結，凍結時間和溫度根據(jù)不同物料特點確定，一般凍結時間在3~8小時，凍結溫度在-18℃-40℃之間。

干燥倉具有凍結功能的凍干設備無需速凍庫。

物料運送系統(tǒng)

干燥倉沒有凍結功能的凍干設備需用物料運送系統(tǒng)運送物料，采用物料車形式將物料運送到干燥倉、速凍庫和各車間，將物料擺放在料盤中，然后放置在物料車料盤架上，可以節(jié)省人工擺放裝卸物料時間，提高工作效率，縮短干燥周期。物料車上設有軌道滑輪，可攜帶物料車和物料在干燥倉、速凍庫和各車間內(nèi)的軌道上行走和停留。

冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)用于冷卻制冷壓縮機和真空泵在運行過程中產(chǎn)生的熱量，使制冷壓縮機和真空泵在允許溫度范圍內(nèi)正常運行，防止過熱損壞。冷卻系統(tǒng)通常采用強制空氣冷卻和循環(huán)水噴淋冷卻兩種方式，大型凍干機則采用循環(huán)水蒸發(fā)冷卻方式。

壓縮空氣系統(tǒng)

壓縮空氣系統(tǒng)用于干燥機所配置的閥門、倉門、鎖緊機構、物料車運送機構等各動力機構提供動力源。

蒸汽系統(tǒng)

蒸汽系統(tǒng)在使用蒸汽作為加熱源時通過蒸氣為干燥擱板中的導熱介質(zhì)提供熱量。產(chǎn)生蒸汽的燃料通常為煤炭、天然氣、燃油、生物質(zhì)燃料或其他燃料，所產(chǎn)生的蒸汽通過調(diào)節(jié)閥控制所需工藝溫度。

四， 冷凍干燥技術現(xiàn)狀和未來展望

冷凍干燥技術在我國食品行業(yè)中的應用起步較晚，初期主要凍干產(chǎn)品為水果類、蔬菜類、方便食品類和肉類水產(chǎn)類等，近期凍干休閑食品、凍干湯料飲品、凍干早餐食品等甚至寵物食品紛紛涌現(xiàn)，應用范圍在逐年擴大，凍干技術也日趨成熟。

冷凍干燥技術雖然有諸多優(yōu)點，但也存在一些不足，凍干機長期以來一直是采用間歇式作業(yè)，每干燥一爐都需經(jīng)過出爐、融霜、凍結、裝爐等過程，每爐干燥周期需20小時甚至更長時間，且過程必須有人工參與，無法實現(xiàn)自動化連續(xù)化生產(chǎn)作業(yè)，凍干成本是普通干燥的數(shù)倍，凍干產(chǎn)品價格昂貴，導致凍干技術在食品加工行業(yè)大規(guī)模普及應用和發(fā)展受到制約。因此降低成本仍是凍干技術發(fā)展的關鍵。目前一些廠家正在努力探索，研發(fā)新型凍干機，未來將會有更新型的高效節(jié)能凍干機出現(xiàn)。

一種可實現(xiàn)無人操控的連續(xù)式凍干機正在由撫順市黎明低溫干燥設備有限公司開發(fā)研制，目前正處在中試和產(chǎn)品定型階段。該機采用連續(xù)自動進出料方式，整個干燥生產(chǎn)過程無需人工參與，無人化作業(yè)，可全年不停機生產(chǎn)，工作效率大幅度提高，能源消耗和生產(chǎn)成本僅為普通凍干設備的三分之一。該機的問世將徹底解決冷凍干燥機耗能大效率低下的問題，凍干產(chǎn)品價格將大幅度下降，凍干技術應用范圍將進一步擴大。

隨著我國工業(yè)化的快速發(fā)展，高效節(jié)能無人化是未來工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，落后的靠人工值守的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式將逐漸被取代，未來凍干技術也將向高效節(jié)能和智能化無人化方向發(fā)展，連續(xù)式凍干機將成為凍干行業(yè)的主要機型，冷凍干燥技術將向更寬更廣的范圍加速發(fā)展。