真空冷冻干燥机的冻干速率和干燥能耗

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冻干速率和干燥能耗决定着食品中应用真空冷冻干燥技术的成本问题,通常情况下,物料的干燥速率和能耗有直接关系,干燥速率越快,耗时越短,耗能则越低。高能耗问题仍然是真空冷冻干燥技术在食品中应用的瓶颈问题,目前,通过工艺优化的方法来提高食品干燥速率、降低能耗的方法主要有以下几种。

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1、控制适宜的预冻速度

对食品原料的预冻是冷冻干燥工艺的前提步骤,研究表明,快速预冻和慢速预冻对食品物料所需要的冻干时间有显著影响,快速预冻要比慢速预冻所需要的冻干时间长,这是由于食品进行快速预冻时产生的冰晶小,致密的冰晶对于冰的升华起阻碍作用,而在慢速预冻时,食品中形成的冰晶大,冰晶之间具有较大缝隙,能够促进冰升华,但是冰晶越大对冻干产品品质影响也越大,特别是对一些生物制品进行冻干时,慢速预冻产生的大冰晶会破环细胞结构,如果对终产品要求不高,可以考虑通过慢速预冻来提高冻干速率。

2、调整液态食品的浓度或改变固态食品的形状

液态食品的冻干,需要充分考虑溶液的浓度,如果浓度过高,则不利于水分的升华,如果浓度太低,虽然利于升华,但因含水多,则会耗时耗能造成浪费。朱虹等证明了胶原在浓度为1g/60mL时,胶原膜制备简单且稳定性好;王旭等研究了枣浆的冷冻干燥工艺,结果显示枣浆的浓度在20%时最适宜。应用冻干技术进行液态食品干燥时,要充分衡量能耗与产品质量的关系,探索优化最佳冻干浓度,进而提高冻干速率。

固态食品进行冻干时,切片、粉碎是增大传热面积、提高冻干速率的最佳方法。例如,彭帮柱等将猕猴桃进行切片冻干可以提高冻干速率;柳青等通过优化发现双孢菇切片厚度4mm时,产品形、色、鲜、香等性状良好,冻干时间显著缩短。目前市售的冻干产品如冻干苹果片、冻干草莓片、冻干柠檬片等,都采取了切片的方法。但是如果对固态食品形状要求严格,可以考虑对食品物料进行穿刺处理,通过穿刺孔通透性来增加传质,提高冻干速率。

3、控制食品原料装盘量和厚度

不同型号冻干机冷阱均有最大的捕水能力,如果装盘物料的水分超过了最大捕水量,就会造成产品不能达到一定的干燥程度,导致干燥失败;如果装盘物料过少,虽然会提高冻干速率,但会造成空间浪费,增加了产品成本。因此,在冻干前要根据冷阱的捕水能力,确定放入合适量的食品原料。在冷冻干燥装盘时,控制适当的物料厚度,可降低传热、传质阻力,提高干燥速率;张光杰等确定了真空冷冻干燥生姜粉最佳物料厚度2mm,产品得率、含水量及感官性能较好。在实际生产过程中,如果物料厚度太薄,装盘量就会自然减小,冻干速率提高同时却增加了单位冻干产品的成本,因此,并非物料的厚度越小越好,单位面积装载的食品原料,需要综合考虑原料装盘量对干燥速率和成本,根据冷阱捕水能力、物料性质、加热方式以及干燥效率等而定。

4、设定适当的真空度

维持冷冻干燥时真空度的耗能约占冻干总耗能的26%,真空度越低,有利于能量传递,但却增加了水汽扩散阻力从而耗能。实际冻干过程中,每种食品原料都存在一个最佳的真空度,因此可以使能耗降到最低。郭树国等在研究黄瓜真空冷冻干燥工艺发现真空度为60Pa比在50Pa和70Pa的效果都好,因此在升华干燥阶段要根据冷阱温度优化最佳的真空度;冻干机的真空度受阱温度和真空泵性能决定,在升华干燥阶段,一般冷阱温度越低、真空度越高可促进水汽凝结,提高冻干速率,但高真空度对真空泵有特殊的要求,真空度过高,会增加维持真空能耗;当冻干工艺处于在解析干燥阶段则应逐渐降低干燥室的真空度,来促进传热和传质,达到降低冻干能耗的目的。

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5、控制隔板加热温度

目前,大部分的真空冷冻干燥设备都安装了隔板加热装置,以提高物料升华所需要能量,段江莲等在研究梨枣冻干工艺时发现,搁板温度每提高10℃,冻干时间就会缩短2.0h,可见提高搁板温度,可提高干燥速率。对搁板温度的控制包括控制冻结层和已干层的温度,对于冻结层的温度应首先保证低于共融点前提下越高越好;对于已干层的温度,在不出现因温度升高造成产品塌陷或变性现象的前提下,尽量采用较高的隔板温度,在解析干燥阶段,应密切注意产品温度和隔板温度差别,保持隔板温度高于样品温度5℃左右,同时对于小型冻干机要设法降低控制热量辐射的影响,搁板温度要缓慢升高,但一般不高于70℃,对于一些活性生物制品则应当一直维持更低的隔板温度。

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