食品冻干设备的研究现状和国内今后的研究方向

食品冻干设备的研究现状和国内今后的研究方向1陈振华1，毛志怀1，李克宁21中国农业大学工学院,(100083)2北京航天机电设备有限公司,(100830)E-mail:zhenhua_cau@摘 要：回顾了国内外食品冷冻干燥设备的发展历史，详细介绍了国际冷冻干燥设备各组成部分的研究现状，探讨了国内冷冻干燥设备今后的研究方向。

关键词：冷冻干燥设备；研究现状；研究方向1. 引言世界上第一台用冷冻干燥方法加工食品的工业化生产装置是由丹麦阿特拉斯公司于1955年完成。

在20世纪六、七十年代，食品冷冻干燥设备的发展非常迅速，出现了很多不同结构的设备，经过实践的检验，大部分结构形式由于固有的缺点而退出了市场，最终以丹麦阿特拉斯公司的托盘货架式结构得到了普遍发展。

由于很多制造企业的退出，在欧美，食品冷冻干燥设备的生产，无论是间歇型或是连续型，几乎为阿特拉斯公司所垄断。

日本发展冷冻干燥技术起步较欧美晚，其生产的设备也以本国使用为主。

以后，冷冻干燥技术继续发展，设备的系统和配置有各种型式的改进和完善。

目前以丹麦阿特拉斯和日本真空株式会社的冷冻干燥设备的技术居于领先地位。

中国从上世纪五十年代引进真空冷冻干燥装置,九十年代初才应用于食品行业,真空冷冻干燥装置也从最初的引进、仿制,到目前已实现工业化生产,成了多品种、多规格的系列产品。

近3～5年,我国冻干食品产业发展很快,目前国内可以生产大中型真空冻干机的有:广州、深圳、兰州、烟台、北京、江西、杭州、上海、河南等地;可生产中小型冻干机的有:武汉、天津、沈阳等地。

目前在美国冻干食品年产量达500多万吨, 日本冻干设备总面积超过2万平米。

而我国冻干设备总面积估计只有3000平方米。

鉴于市场前景的吸引，目前已有20余个企业和研究机构从事冷冻干燥设备的研制。

从总体说，由于基础理论的研究不足，加以对国际发展情况了解不深，目前几乎正处于国际上二十世纪七、八十年代的状况。

尽管推出了各种不同的结构型式，但不可避免地会出现很多曲折，以至造成损失。

因此，了解国际上的发展历史和现状，认清冷冻干燥设备的发展趋势是建设和发展我国冷冻干燥产业的重要环节。

2. 真空冷冻干燥设备组成部分的国际研究现状从国际研究现状看，目前冷冻干燥设备的结构一般包括以下组成部分：2.1 干燥箱干燥箱的结构形式，有矩形和圆柱形两种。

从强度考虑，圆柱形优于矩形；从空间利用- 1 -率考虑，则矩形好于圆柱形。

圆柱形干燥箱的特点是箱体受力均匀，当直径比较小时可不采用加强筋，且易清洗，无死角；矩形干燥箱由于受力差，一般采用外加加强筋加固。

正是由于上述原因，目前矩形已逐渐被圆柱形结构所替代。

干燥箱内部有货架式加热板总成。

采用内置式冷阱的设备，则还装有冷阱。

干燥箱材质，基本上为不锈钢和碳钢加涂层两种。

采用不锈钢，更符合卫生要求，使用寿命长，无需维修，但造价相对较高。

2.2 加热系统按热量的提供方式，可分为直接加热和间接加热两类。

直接加热一般采用电加热、微波加热或红外加热器；间接加热这是最常使用的加热方式，它适用载热体先加热载热介质，再将载热介质用泵送入隔板。

加热方式主要有传导、辐射和微波三种形式。

传导加热，传热通过冻结层，温度受到限制，而且限于单向加热，生产效率相对较低，目前，除了特殊食品物料冻干的需要，基本上已很少采用；微波加热，热量产生于物料内部，具有加热速度快、加热选择性强等优点，本来是一种理想的手段，但使用于食品冷冻干燥，在技术上受到以下几方面的限制：1.干燥是在低压条件下进行的，而微波在低压下的应用，存在着辉光放电的风险。

对水蒸汽、空气这样的介质而言，在压力为13～600Pa范围内，辉光放电的倾向最大，而食品冷冻干燥设备理想的压力范围正好在13～133Pa之间，这就容易引起冻干食品的“链式反应”，最终导致冷冻干燥的失败，而且微波干燥易使冻干制品产生异味，因此，将微波加热应用到冻干机上，至今仍是一个难题。

2. 能量的利用率低，能耗过大，价格昂贵。

利用1kj能量，用微波加热比用蒸汽作热源，价格贵10～20倍。

3. 微波加热对冷冻干燥来说，过程难于控制，由于水比冰有更高的介电损耗系数，升华温度稍有偏离，一旦局部的冰融化成水，水将比冰更迅速加热，并将热再传给冰，过程进入恶性反应，从而使干燥成品的质量下降，成品率降低。

4.很难做到辐射场的高度均匀，目前的微波发生器加上波导，用于工业化生产的冻干设备，特别是间歇式冻干设备，由于微波的反射、吸收、重叠等因素，在技术上很难形成一个均匀的辐射场，从而导致各部分加热的不均匀，成品的合格率降低。

由于以上几点，在国外至今很少见到有微波加热的工业化生产冻干设备。

国内目前则已有两家以上的企业推出了微波加热冷冻干燥设备，但对以上这些问题并没有实质性的突破，因此，只能说是一种探索和试验。

到目前为止国际食品冷冻干燥的主流设备绝大多数采用双面辐射加热方式，而且基本都采用中空流道薄板式加热板，通过工质加热，差别在于如何提高加热板的辐射率，特别是特定波长的单色辐射率和辐射场的均匀性，各有不同的工艺诀窍。

辐射率高，能量利用率高，辐射场均匀，成品合格率就高，能耗就小，这是衡量设备性能优劣的重要因素。

- 2 -2.3 真空系统食品冷冻干燥设备真空的获得，在其发展历史上经历过两种不同形式。

一种是利用水蒸气喷射泵直接将升华出的大量水蒸汽排至大气;另一种是采用冷阱和机械泵组，升华的大量水蒸汽主要靠设备内部的冷阱捕集，不凝性气体靠机械泵抽出。

前一种形式，在发展初期曾比较普遍地被采用，例如用水蒸汽喷射泵，直接排除水蒸汽。

但随着冷冻干燥工艺的发展，这种结构因不能满足生产工艺的发展而且由于制冷技术的进步已有可能被冷阱和机械泵组合的结构所代替，20世纪70年代后在国外已不再采用蒸汽喷射泵作为食品冻干的排气手段。

主要是由于：1. 冷冻干燥工艺日益向低压发展，过去在133Pa至400Pa间干燥，现在多数物料需在133Pa以下至66Pa，甚至更低范围内干燥，要求其排水能力则向大规模发展。

而蒸汽喷射泵由于其抽气原理的限制，在低压范围排水能力急剧下降，要满足当前冻干工艺的要求，就必须串连庞大的多台、多级喷射泵，无论从设备投资、占地面积、能耗等因素考虑都趋于不合理。

2.蒸汽喷射泵的入口压力是工作蒸汽压力的函数，要控制入口压力的稳定，就必须严格控制工作蒸汽压力的波动，由于控制困难，造成性能不稳定。

3. 蒸汽耗量大、噪声大、运行费用高。

华中科技大学曾对国产2台50m2采用蒸汽喷射泵的冻干设备与机械真空泵对比，其运行成本前者比后者要高出30%，而且干燥箱的工作真空度只能保持在230Pa左右的水平。

目前，国内仍有少数企业在生产采用蒸汽喷射泵的食品冷冻于燥设备，而且都宣传其有某种先进性，但从用户反馈的信息来看，由于以上几个问题都不同程度的存在，效果并不好，说明国际上不再采用这种结构的理由也是有道理的。

当前，国外所有食品冷冻干燥设备真空的获得都采用冷阱加机械泵的组合，差异在于冷阱的结构和机械泵的匹配不尽相同。

2.4 制冷系统冷阱需要冷源，而且由于升华速率变化剧烈，负荷变化也剧烈，特别是在单箱工作条件下更为突出。

目前，国际主流设备均采用双级压缩活塞式机组或带经济器螺杆式机组，制冷系统则采取了不同的结构形式：2.4.1 由载冷剂冷却能适应负荷的剧烈变化和正确控制温度，但结构复杂，在载冷剂和制冷剂的热交换中能量有一定损失，热效率降低。

2.4.2 直膨式制冷剂在冷阱中相变换热，结构简单，设备投资少，缺点是对负荷的剧烈变化适应性差，不稳定，增加了操作的难度，冷阱温度不易控制。

- 3 -2.4.3 满液循环式这是一种新型的独特体制，为丹麦阿特拉斯RAY型，日本共和真空新TVS型，国内一些设备如新阳LG系列也采用。

其特点是，制冷剂在冷阱中满液循环，几乎无相变，实际上是以载冷剂的形式工作，离开冷阱，进入特制的分离器剧烈蒸发，气体分离后由压缩机再压缩，其余制冷剂温度降低，再经泵进入循环。

其热效率高，冷阱温度稳定，且较能适应负荷的剧烈变化，但结构特别复杂。

2.5 冷阱（水汽捕集器）从结构上分析，冷阱有外置式和内置式，单式和双式之分。

外置式冷阱是冷阱与加热部分分别设在独立的箱体内，中间以管路和阀门连接；内置式冷阱则冷阱与加热部分同置于一个箱内。

从发展趋势看，外置式冷阱由于水汽通过的流导小，设备的传质阻力小，能耗相应较大，且结构庞大，冷阱与干燥箱连结的管路又不易清洗等不利因素，自上世纪80年代中至90年代初已逐渐为内置式冷阱所替代。

目前，国际主流设备均为内置式，差别是冷阱所居位置不同，有直接置于加热部分下方，两侧或串接于后部之分。

直接置于下方的结构，水汽通路最短，易于热屏蔽和隔离，更符合食品卫生HACCP体系的要求。

单式冷阱一般为水汽捕集终了时再融冰的体制；双式则为两个冷阱交替捕集水汽和融冰，两者交替连续进行(简称CDI系统)，由于冰层较薄即转入融冰，管束表面始终处于较低的温度，捕集效率相对较高、恒定，捕集面积可相对减少、结构紧凑、且不需单独的融冰周期，有利于提高生产效率。

冷阱设计的优劣对冷冻干燥设备的性能起着十分关键的作用。

冷阱是在真空条件下实现水汽凝华的一种冷凝器，它同常压下水汽的冷凝有很大差别。

我国在这个领域的基础研究和实践经验均很不足，国外文献也较少具体报道，自行设计的条件还很不成熟。

国内个别企业，借用常压下冷凝器的设计思路，采用在管束上加翅片的方法来增大捕集面积。

从冷阱工作的机理属于分子吸附理论的角度看，并不是一种好的选择，反而带来负面的影响。

2.6 融冰系统主要为两种不同形式，一种是水直接喷淋和浸没，结构简单，但缺点是融冰占用时间长，影响整体生产效率，而且耗水量大；另一种是负压蒸汽融冰，基本不耗水，而且可以采用双冷阱交替式体制，融冰不占用生产周期。

国内有些设备为了缩短融冰时间，也有采用热氨融冰的方式，由于冷阱结冰的温度比一般蒸发器的霜层低得多，采用热氮，温度变化造成的应力大得多，将降低冷阱的使用寿命，并且如果操作不当，极易使冷阱损坏。

2.7 控制系统由于冷冻干燥过程周期长，对温度、压力控制的准确性要求高，为了确保产品质量的一致性，整个干燥过程均应按设定自动控制。

目前，国内冷冻干燥机的控制系统采用的硬件一般有以下几种:继电器控制，单片机控- 4 -制，可编程控制器及工业计算机控制。

国际主流设备均采用PLC(可编程控制器)和智能温度、压力控制组合的体制，它较一般PC机方案抗干扰能力强，控制精度高和易于操作。

2.8 辅助系统一般包括冻结部分和物料输送系统，大都采用强制风冷式冻结隧道，输送系统则有吊轨式和地面台车式之分。

3. 相对国际冷冻干燥设备结构的研究现状，国内应重视以下研究方向冻干设备必须提高质量，降低成本、能耗，实现标准化。