冷冻浓缩与冷冻干燥_PPT幻灯片
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对液态物料，也可用真空喷雾冻结法进行预冻。
冻结技术必须具备的条件
1 应避免物料因冻结而引起破坏和损害； 2 确定低共熔温度以及防止冻结层熔解； 3 控制冻结过程的条件，使生成的纯冰晶的形状、大小、排列适当； 4 冻结体的形态要好。
（2）供热系统 供热系统主要提供冻结制品水分不断升华 所需的热量，其次是间歇性地提供低温凝结器（冷阱）积霜 熔化所需的熔解热。传热方式主要采用传导和辐射两种。工 厂常用喷射混合换热法。
冻干过程
上搁板
Q1
样品瓶
Q3 Q2
干燥层 升华界面 冻结层
下搁板
除自由水（游离水）
除束缚水（结合水）
冻结和干燥过程中物料的温度和含水量变化的示意图
共晶点、共熔点
共晶点是冷冻过程中全部结冰的温度点， 共熔点是升温过程中的开始融化温度点
W1 W2 a1 a2
A
b1
b2
H
B
E
We
共晶点和共熔点的测定方法主要有电阻测定法、热差分析测定法、低 温显微镜直接观察法和数字公式计算法
饱和蒸气压 Pa
10
2477.1
0 2500.8/2835
-10
2836.5
-20
2838.0
-30
2838.7
-40
2838.6
-50
2837.8
-60
2836.3
1228 611.2 259.9 103.3 38.0 12.8
3.9 1.08
一、冷冻干燥的原理
冷冻干燥：使含水物质温度降至冰点以下，再使由水凝 固的冰在较高真空度下直接升华而除去的干燥方法。 冷冻干燥具有如下特点： （1）冷冻干燥在低压低温下进行，可以保留新鲜食品的 色、香、味及维生素C等营养物质，特别适用于热敏性食 品以及易氧化食品的干燥； （2）由于物料中水分存在的空间在水分升华以后基本维 持不变，故干燥后制品不失原有的固体框架结构，保持 原有的形状；
因此，仅从干燥速率来说，以慢冻为好。 但从干燥品质来说，以速冻为好。
（三）冷冻干燥过程
（1）物料的预冻:通过实验确定合适的冻结速度，使物料组织 造成的破坏小，又能形成有利于以后升华传质的冰晶结构。
（2）升华干燥:对物料进行供热,使供热仅转变为升华热而不 使物料升温熔化。 一般冷冻干燥采取的绝对压强为0.2kPa左 右。升华产生的大量水蒸气以及不凝气经冷阱除去大部分水蒸 气后由其后的真空泵抽走。 （3）解吸干燥:在真空下提高物料温度，一般采用30~60℃。 待物料干燥到预期的含水量时，解除真空，取出产品。
冷冻浓缩 一、冷冻浓缩的原理
冷冻浓缩：利用冰与水溶液之间的固液相平衡原理 而实现分离的方法。采用冷冻浓缩时，溶液的浓度 必须低于低共熔浓度。
（一）冷冻浓缩中的相平衡
冷冻浓缩
溶液浓度必须低于低 共熔点
平衡相为冰晶和溶剂
冰点下降：：Ti
RT02 rm
w
稀溶液： Ti RrmT02ln1(w)
T0: 纯溶剂的冰点，K；w：浓度 rm：溶解热，J/kg
利于传热与传质。 漂烫是钝化蔬菜中酶活性的常用方法(表8-3)。通常将其在沸水中
(95~100℃)浸泡数分钟，或用蒸汽熏蒸数分钟均可达到很好效果。水果预 处理可用漂烫或用硫磺熏蒸
切分成型也是预处理工艺中的主要内容，尺寸大小和切分形状应该根据 是否有利于冷冻干燥中的传热与传质，是否符合食用习惯，是否有利于包装 贮运等因素而定
蒸汽喷射加热流程 1—水槽 2—水泵 3—蒸汽 4—蒸汽喷射器 5—加热板 6—真空泵
加热系统
▪供热不足：升华热补充 不上，造成冻干品温度 下降，饱和蒸气压随之 下降，在捕水器温度不 变情况下，水蒸气驱动 压差减小。
▪供热过多：升华界面容 易融化，此外，升华干 燥层可能出现塌陷。
接触加热法
辐射加热法
（3）升华时原来均匀地溶于水中的无机盐就地析出，避 免了因物料内部水分向表面扩散时携带无机盐而造成的表 面硬化现象，制品复水后易恢复原有的性质和形状； （4）升华所需的热可用常温或温度稍高的加热剂提供， 热能利用的经济性好； （5）操作是在高真空和低温下进行，需要有一整套高真 空获得设备和制冷设备，故投资和操作费用都大，生产成 本高。
微波加热法
接触、辐射混合加热 法
（3）蒸汽和不凝结气体的排除系统 多采用低温冷 凝器（冷阱）。物料中升华的水蒸汽在冷阱中大部 分结霜除去后，还有部分的水蒸汽和不凝结气体必 须通过真空泵抽走。这样就构成了冷阱—真空泵的 组合系统。
（二）冷冻干燥装置的型式 1．间歇式冷冻干燥装置
1—干燥箱 2—冷阱 3—真空泵 4—制冷压缩机 5—冷凝器 6—热交换器 7—冷阱进口阀 8—膨胀阀
（四）冷冻干燥中的传热和传质
1—干燥室 2—产品 3—热板 4—冷凝器（冷阱） 5—真空系统 6—制冷剂进 7—制冷剂出 8—加热流体进 9—加热流体出
冷冻干燥物中水分分布
二、冷冻干燥装置
主要组成
二、主要组成
干燥机
制冷 真空 加热 控制
清洗 消毒
（一）冷冻干燥装置的主要构成 （1）预冻系统
对固态物料，应用最多的预冻手段为鼓风式和接触式冻 结法。
（一）水的相图
技术装备示意图
加热系统
控
捕
真
制
干燥箱
水
空
系
器
系
统
统
制冷系统Biblioteka （二）冻结速率对冷冻干燥的影响
冰晶升华后留下的空隙是后续冰晶升华时水蒸汽的逸出 通道，慢冻时形成的大而连续的六方晶体升华后形成的空隙 通道大，水蒸汽逸出的阻力小，因而制品干速度快；
反之，速冻时形成的树枝形和不连续的球状冰晶通道小 或者不连续，水蒸汽靠扩散或渗透方能逸出，因而干燥速度 慢。
流体食品的冻结曲线
1—咖啡 2—蔗糖 3—苹果汁 4—葡萄糖 5—果糖
溶液主体过冷度与晶体临界直径的关系图
思考：在悬浮冻结中，如果将小晶体悬浮液与大晶体悬浮液混合在一起
冷冻干燥
1Torr（托）＝1mmHg＝133Pa
冬天结冰衣服风干？
真空冷冻干燥 1、增加压差 2、减少阻力
温度 ℃
升华/汽化热 kJ/kg
食品冻干工艺
包装
解吸干燥
预处理
升华干燥
装盘
加热
速冻
捕水器温度降至－40℃以下
真空
预处理
指冻结前对食品进行必要的物理和化学处理。 主要内容有：清洗、分级、切分、漂烫、杀菌、添加抗氧 化等反应制剂、浓缩等。食品材料不同，预处理内容也不 同。
1．果蔬类食品的预处理:漂烫、切分成型 目的是尽量减少其营养成分和色、香、味在加工、贮运中的损失，同时
冻结技术必须具备的条件
1 应避免物料因冻结而引起破坏和损害； 2 确定低共熔温度以及防止冻结层熔解； 3 控制冻结过程的条件，使生成的纯冰晶的形状、大小、排列适当； 4 冻结体的形态要好。
（2）供热系统 供热系统主要提供冻结制品水分不断升华 所需的热量，其次是间歇性地提供低温凝结器（冷阱）积霜 熔化所需的熔解热。传热方式主要采用传导和辐射两种。工 厂常用喷射混合换热法。
冻干过程
上搁板
Q1
样品瓶
Q3 Q2
干燥层 升华界面 冻结层
下搁板
除自由水（游离水）
除束缚水（结合水）
冻结和干燥过程中物料的温度和含水量变化的示意图
共晶点、共熔点
共晶点是冷冻过程中全部结冰的温度点， 共熔点是升温过程中的开始融化温度点
W1 W2 a1 a2
A
b1
b2
H
B
E
We
共晶点和共熔点的测定方法主要有电阻测定法、热差分析测定法、低 温显微镜直接观察法和数字公式计算法
饱和蒸气压 Pa
10
2477.1
0 2500.8/2835
-10
2836.5
-20
2838.0
-30
2838.7
-40
2838.6
-50
2837.8
-60
2836.3
1228 611.2 259.9 103.3 38.0 12.8
3.9 1.08
一、冷冻干燥的原理
冷冻干燥：使含水物质温度降至冰点以下，再使由水凝 固的冰在较高真空度下直接升华而除去的干燥方法。 冷冻干燥具有如下特点： （1）冷冻干燥在低压低温下进行，可以保留新鲜食品的 色、香、味及维生素C等营养物质，特别适用于热敏性食 品以及易氧化食品的干燥； （2）由于物料中水分存在的空间在水分升华以后基本维 持不变，故干燥后制品不失原有的固体框架结构，保持 原有的形状；
因此，仅从干燥速率来说，以慢冻为好。 但从干燥品质来说，以速冻为好。
（三）冷冻干燥过程
（1）物料的预冻:通过实验确定合适的冻结速度，使物料组织 造成的破坏小，又能形成有利于以后升华传质的冰晶结构。
（2）升华干燥:对物料进行供热,使供热仅转变为升华热而不 使物料升温熔化。 一般冷冻干燥采取的绝对压强为0.2kPa左 右。升华产生的大量水蒸气以及不凝气经冷阱除去大部分水蒸 气后由其后的真空泵抽走。 （3）解吸干燥:在真空下提高物料温度，一般采用30~60℃。 待物料干燥到预期的含水量时，解除真空，取出产品。
冷冻浓缩 一、冷冻浓缩的原理
冷冻浓缩：利用冰与水溶液之间的固液相平衡原理 而实现分离的方法。采用冷冻浓缩时，溶液的浓度 必须低于低共熔浓度。
（一）冷冻浓缩中的相平衡
冷冻浓缩
溶液浓度必须低于低 共熔点
平衡相为冰晶和溶剂
冰点下降：：Ti
RT02 rm
w
稀溶液： Ti RrmT02ln1(w)
T0: 纯溶剂的冰点，K；w：浓度 rm：溶解热，J/kg
利于传热与传质。 漂烫是钝化蔬菜中酶活性的常用方法(表8-3)。通常将其在沸水中
(95~100℃)浸泡数分钟，或用蒸汽熏蒸数分钟均可达到很好效果。水果预 处理可用漂烫或用硫磺熏蒸
切分成型也是预处理工艺中的主要内容，尺寸大小和切分形状应该根据 是否有利于冷冻干燥中的传热与传质，是否符合食用习惯，是否有利于包装 贮运等因素而定
蒸汽喷射加热流程 1—水槽 2—水泵 3—蒸汽 4—蒸汽喷射器 5—加热板 6—真空泵
加热系统
▪供热不足：升华热补充 不上，造成冻干品温度 下降，饱和蒸气压随之 下降，在捕水器温度不 变情况下，水蒸气驱动 压差减小。
▪供热过多：升华界面容 易融化，此外，升华干 燥层可能出现塌陷。
接触加热法
辐射加热法
（3）升华时原来均匀地溶于水中的无机盐就地析出，避 免了因物料内部水分向表面扩散时携带无机盐而造成的表 面硬化现象，制品复水后易恢复原有的性质和形状； （4）升华所需的热可用常温或温度稍高的加热剂提供， 热能利用的经济性好； （5）操作是在高真空和低温下进行，需要有一整套高真 空获得设备和制冷设备，故投资和操作费用都大，生产成 本高。
微波加热法
接触、辐射混合加热 法
（3）蒸汽和不凝结气体的排除系统 多采用低温冷 凝器（冷阱）。物料中升华的水蒸汽在冷阱中大部 分结霜除去后，还有部分的水蒸汽和不凝结气体必 须通过真空泵抽走。这样就构成了冷阱—真空泵的 组合系统。
（二）冷冻干燥装置的型式 1．间歇式冷冻干燥装置
1—干燥箱 2—冷阱 3—真空泵 4—制冷压缩机 5—冷凝器 6—热交换器 7—冷阱进口阀 8—膨胀阀
（四）冷冻干燥中的传热和传质
1—干燥室 2—产品 3—热板 4—冷凝器（冷阱） 5—真空系统 6—制冷剂进 7—制冷剂出 8—加热流体进 9—加热流体出
冷冻干燥物中水分分布
二、冷冻干燥装置
主要组成
二、主要组成
干燥机
制冷 真空 加热 控制
清洗 消毒
（一）冷冻干燥装置的主要构成 （1）预冻系统
对固态物料，应用最多的预冻手段为鼓风式和接触式冻 结法。
（一）水的相图
技术装备示意图
加热系统
控
捕
真
制
干燥箱
水
空
系
器
系
统
统
制冷系统Biblioteka （二）冻结速率对冷冻干燥的影响
冰晶升华后留下的空隙是后续冰晶升华时水蒸汽的逸出 通道，慢冻时形成的大而连续的六方晶体升华后形成的空隙 通道大，水蒸汽逸出的阻力小，因而制品干速度快；
反之，速冻时形成的树枝形和不连续的球状冰晶通道小 或者不连续，水蒸汽靠扩散或渗透方能逸出，因而干燥速度 慢。
流体食品的冻结曲线
1—咖啡 2—蔗糖 3—苹果汁 4—葡萄糖 5—果糖
溶液主体过冷度与晶体临界直径的关系图
思考：在悬浮冻结中，如果将小晶体悬浮液与大晶体悬浮液混合在一起
冷冻干燥
1Torr（托）＝1mmHg＝133Pa
冬天结冰衣服风干？
真空冷冻干燥 1、增加压差 2、减少阻力
温度 ℃
升华/汽化热 kJ/kg
食品冻干工艺
包装
解吸干燥
预处理
升华干燥
装盘
加热
速冻
捕水器温度降至－40℃以下
真空
预处理
指冻结前对食品进行必要的物理和化学处理。 主要内容有：清洗、分级、切分、漂烫、杀菌、添加抗氧 化等反应制剂、浓缩等。食品材料不同，预处理内容也不 同。
1．果蔬类食品的预处理:漂烫、切分成型 目的是尽量减少其营养成分和色、香、味在加工、贮运中的损失，同时