由于真空冷凍干燥是在低溫和真空狀態(tài)下進(jìn)行的，物料中的水分直接從固態(tài)升華為氣態(tài)，因此最大限度地保持了被干燥物料的細(xì)胞活性和被干燥物料的色、香、味、形及營(yíng)養(yǎng)成分，復(fù)水性能好。真空冷凍干燥技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種熱敏性物質(zhì)的干燥和儲(chǔ)存，如生物制品和藥物的生產(chǎn)、食品的冷凍干燥和脫水、人體組織和器官的儲(chǔ)存、超導(dǎo)材料粉末的制備等。隨著人們對(duì)凍干產(chǎn)品需求的增加，凍干設(shè)備也有了很大的發(fā)展。真空冷凍干燥設(shè)備的原理真空冷凍干燥設(shè)備的工作原理是:首先將物料冷凍到共晶點(diǎn)溫度以下， 使物料中的水分變成固體冰，然后將預(yù)處理后的預(yù)凍物料放入干燥箱中。在低溫真空狀態(tài)下，熱能由加熱板的熱傳導(dǎo)或輻射提供，使物料中的水直接從冰升華成水蒸氣。不斷升華的水蒸氣被真空泵組抽入捕水倉(cāng)，在-40℃ ~-45℃的排氣管外壁上冷凝捕集，直至按照凍干曲線(xiàn)的規(guī)定要求停止加熱和抽真空，物料凍干全過(guò)程完成。真空冷凍干燥機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)凍干機(jī))主要由真空冷凍干燥機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)凍干機(jī))、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。
211干燥箱
干燥箱是真空密封容器，是凍干設(shè)備的重要組成部分之一，是干燥過(guò)程中傳熱傳質(zhì)的場(chǎng)所。其性能直接影響凍干設(shè)備的性能。如果有蒸汽滅菌功能，凍干箱也應(yīng)該是低壓內(nèi)壓容器。干燥室主要有兩種形狀:圓形和矩形。圓形干燥室具有操作簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、制造成本低的優(yōu)點(diǎn)，但其內(nèi)部空間利用率低。矩形干燥室空間利用率高，但制造成本高。
212真空系統(tǒng)
真空系統(tǒng)包括真空干燥室、隔離閥、水蒸氣捕獲冷凝器、真正連接的旋片真空泵、連接管道、放氣閥等。系統(tǒng)中空氣蒸汽的抽取由真空泵完成。真空泵工作時(shí)，隔離閥打開(kāi)，真空干燥室內(nèi)的空氣和水蒸氣通過(guò)水蒸氣捕獲冷凝器捕獲水分后進(jìn)入真空泵，通過(guò)真空泵的排氣口排出系統(tǒng)。為了防止水汽捕集冷凝器抽出的氣體中有少量水汽進(jìn)入泵內(nèi)，系統(tǒng)配有氣體鎮(zhèn)流閥。冷凍干燥時(shí)，打開(kāi)壓載閥。真空泵的排氣口裝有油霧捕集器，防止廢氣中的煙霧污染室內(nèi)環(huán)境。
213加熱系統(tǒng)
為了使凍品中的水蒸氣不斷從冰晶中升華出來(lái)，為水蒸氣的升華提供足夠的熱量，于是就有了加熱系統(tǒng)。除加熱板外，加熱系統(tǒng)還包括熱媒加熱罐、換熱器、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、循環(huán)泵及管道、閥門(mén)、液位計(jì)、溫度傳感器等。
214制冷系統(tǒng)
水蒸氣冷凝器，又稱(chēng)冷阱，是制冷系統(tǒng)的主要部件。在1313Pa的真空下，質(zhì)量為1g的冰可以升華產(chǎn)生100m3的水蒸氣。如果這種大量的水蒸氣不經(jīng)處理就用真空泵抽出來(lái)，就需要大容量的抽氣器來(lái)維持所需的真空度。冷阱的作用是將干燥室內(nèi)的水蒸氣冷凝吸附成冰，以免進(jìn)入真空泵。一方面可以減少真空泵的工作量，另一方面可以保證干燥室具有較低的真空度。
215自動(dòng)控制系統(tǒng)
自動(dòng)控制系統(tǒng)是凍干機(jī)的指揮機(jī)構(gòu)。凍干機(jī)的控制包括制冷機(jī)和真空泵的啟動(dòng)和停止，加熱溫度的控制，物料溫度、冷阱溫度和真空度的檢測(cè)和控制，自動(dòng)保護(hù)和報(bào)警裝置等。自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能是測(cè)量和顯示凍干機(jī)的重要參數(shù)。根據(jù)預(yù)設(shè)的設(shè)置，J-控制凍干機(jī)使其運(yùn)行在規(guī)定的狀態(tài)，可以報(bào)警故障狀態(tài)，自動(dòng)處理緊急情況。通過(guò)測(cè)量和記錄凍干過(guò)程的工藝參數(shù)，可以全面了解整個(gè)凍干過(guò)程；通過(guò)有效控制這些參數(shù)，可以?xún)?yōu)化整個(gè)冷凍干燥過(guò)程，也就是說(shuō)， 在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，可以提高生產(chǎn)效率，降低能耗。
3凍干機(jī)的研究現(xiàn)狀
凍干機(jī)的突出特點(diǎn)是產(chǎn)量高，脫水量大。因此，要求真空系統(tǒng)具有大的位移和低的真空度。目前除大型捕水器和羅茨旋轉(zhuǎn)泵機(jī)組外，多級(jí)水汽噴射泵串聯(lián)使用，可直接去除氣態(tài)水汽，系統(tǒng)無(wú)需設(shè)置捕水器。在食品凍干機(jī)中，丹麥Atlas公司的RAY型間歇式凍干機(jī)和CONRAD型連續(xù)式凍干機(jī)，日本共和真空株式會(huì)社的無(wú)隔離干燥過(guò)程水蒸氣冷凝器除冰再生技術(shù)和TL型液體食品封閉系統(tǒng)管式凍干機(jī)代表了世界食品凍干機(jī)的技術(shù)水平。1989年10月17日，保加利亞索非亞成立了低溫生物學(xué)與凍干技術(shù)研究所(ICL)，主要研究航天食品、兒童食品、 方便食品、保健食品和營(yíng)養(yǎng)食品。目前該研究所排名世界第三，僅次于美國(guó)和俄羅斯[1]。
早在解放前，中國(guó)就開(kāi)始利用簡(jiǎn)易的凍干裝置在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行菌種和病毒的保存實(shí)驗(yàn)。50年代初，武漢、北京的生物制品研究所和一些工廠(chǎng)先后進(jìn)口了一批凍干機(jī)。20世紀(jì)60年代，北京、天津、南京、上海、大連等地相繼建立了一些實(shí)驗(yàn)性的凍干食品生產(chǎn)工廠(chǎng)，并陸續(xù)購(gòu)置了一批凍干機(jī)，其特點(diǎn)是整體式、架溫不均、手動(dòng)操作、自動(dòng)記錄。為了加快我國(guó)冷凍干燥技術(shù)的發(fā)展，1986年，機(jī)電部將工業(yè)真空凍干機(jī)列入工業(yè)技術(shù)發(fā)展項(xiàng)目。 由華中科技大學(xué)承擔(dān)，與浙江真空設(shè)備公司合作研制[2]，并于1989年通過(guò)部級(jí)鑒定。該機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，功能齊全，擱板間距可調(diào)。它是由微型計(jì)算機(jī)編程的。此外，清華大學(xué)核能設(shè)計(jì)研究院引進(jìn)俄羅斯大型食品真空冷凍干燥設(shè)備技術(shù)，與一流企業(yè)煙臺(tái)冰輪集團(tuán)直接合作，共同開(kāi)發(fā)探索出一條發(fā)展我國(guó)冷凍干燥產(chǎn)業(yè)的新路，提高了我國(guó)大型食品凍干機(jī)的整體設(shè)計(jì)和控制水平[3]。國(guó)產(chǎn)凍干機(jī)的性能見(jiàn)表1 [4]。
目前國(guó)內(nèi)食品凍干機(jī)廠(chǎng)家大多走的是這條路。有些廠(chǎng)家在采用國(guó)外技術(shù)的同時(shí)，也有了很大的改進(jìn)。比如加熱板采用了特殊的導(dǎo)流裝置，使板內(nèi)流體流動(dòng)均勻，保證了加熱的均勻性和穩(wěn)定性；集水器在運(yùn)行中可以交替集水和融冰，集水器盤(pán)管中氨水的制冷方式由傳統(tǒng)的氨水相變制冷變?yōu)榘彼嘧冎评?，集水器盤(pán)管內(nèi)溫度均勻，結(jié)霜性能好。另外，國(guó)內(nèi)的研究能力也在提高，已經(jīng)有部分單位脫離了國(guó)外的模式。抽氣系統(tǒng)使用低框架蒸汽噴射泵來(lái)抽取蒸汽， 省去了捕水器和制冷系統(tǒng)，降低了設(shè)備價(jià)格。