冻干机的起源、发展和原理
冻干机的起源和发展
真空冷冻干燥，英文“FreezeDried”简称“FD”。“FD”技术起始于二十世纪初期，二十世纪 四十年代，首先由俄罗斯的科学家，在实验室进行FD产品的小型试验，获得成功，六十年代美国应用该技术，主要生产冻干食品及农副产品，用于宇航员太空食 品，七十年代，随着工业化进程的加快，日本消化吸收美国的FD科技成果，并对其进行深入研究，使其FD技术及设备得到了突破性发展，从此，FD产品及设备 进入了工业化生产时代，1986年，中国青岛大洋食品集团公司从日本东洋技研株式会社引进了中国首台FD设备，用于食品，农副产品及其它高附加值产品的生 产，实现了中国FD产品零的突破，二十世纪九十年代，中国的一些科研机构，开始关注FD技术并自行研制FD设备。21世纪，
FD设备的选用，首先根据FD设备的用途确定。从FD原理来讲，只要含有水分的原料，在一定压力和温度条件下，均可进行脱水升华。但工业化应用的FD设备因产品加工工艺特性不同，在设备设计上，具有很强针对性。
冻干食品就是将新鲜的蔬菜，肉食，水产品，通过冻干机在真空条件下，将经过速冻后物料的水分由固态冰升华成气，从而使物料脱水干燥。这种冻干食品，不需 冷藏设备，在室温下可长期保存不变质，一加水就好似鲜品。随着食品行业的飞速发展，食品的冷藏处理量日趋增长，但其复杂的分销系统以及病菌易混入等缺点， 使人们需求一种不需冷藏，更易保存且又能长时间保鲜的一种方法，冻干食品迎合了这种需求。目前世界食品工业呈现三大趋势：其一是绿色食品日受欢迎。这是由 于全球环境日益恶化，以及滥用添加剂比较普遍，人们自我保意识增强，因而无污染和无添加剂的绿色食品受到喜爱，其二是方便食品备受欢迎。由于人们的工作 节奏和生活节奏加快，外出旅行频繁，因而快捷方便的食品成为首选，其三是有利于保健的食品更受欢迎。这是由于越来越多的人认识到，可长期存放的腌制，熏制 和罐头等食品或含至癌因素或营养受损，只有冻干食品可以取而代之。冻干食品是绿色的，方便的，也是有利于保健的，正符合食品发展的三大趋势。
目前，国际市场对冻干食品的需求逐年增加。全世界冻干食品产量，在70年代初仅有近20万吨，到90年代却达到了上千万吨。近些年冻干食品的年消费量， 美国是500万吨以上，日本是160万吨以上，法国是150万吨以上，还有许多国家的消费量正迅速逐年递增。这些冻干食品消费大国，每年有相当数量的冻干 食品由其它国家进口。我国的冻干食品产业尚处于发展初期，产量还很低，但却引来了外商向中国市场大量求购。这是由于国外市场对冻干食品供不应求的外因，更 是由于我国冻干食品生产成本极低的内因。外商向中国市场大量求购，是我国发展冻干食品产业的大好机遇。日本每年需花1000亿日元进口冻干食品，日，美， 欧每年约需冻干大蒜粉6000吨。
我国是一个近13亿人口的大国，随着人民生活水平的提高和工作节奏的加快，对冻干食品的消费量 必然迅猛增加。目前，国内市场的冻干食品（有国产的，也有进口的）已经出现，如某些方便面和糕点配料，某些速溶奶粉和咖啡，某些中药和藏药（活性参，鹿血 胶囊，溶栓胶囊，炎疼贴）等，已得到越来越多消费者的认识，接受和青睐。据有关食品期刊报道，我国方便面总产量已达369万吨，占全球产量的40％，居世 界第一位，但人均消费量只有14包，仅为日本的1/3。可以预测，中国市场方便面的销售量还会大幅增加。现在各方便面生产厂家已展开上档次的竞争热潮，远古巨兽大复活上 档次的主要措施是将烘干的配料（小葱，胡萝卜，香菜，牛肉，虾仁等）换成冻干的配料，而且要加大配料量。目前我国冻干食品的总产量尚远远满足不了方便面上 档次的需要。
另外，国外正在兴起用冻干工艺制成的速溶饮料，颗粒蔬菜，速食汤料以及超微粉食品等，它们在我国也会获得很快发展。总之，中国市场正逢冻干食品扩大需求的机遇。
目前国际市场对冻干食品供不应求，而我国不仅有丰富的蔬菜和肉食及水产资源，而且将此类食品资源加工成冻干食品的成本低廉。业内人士分析，开发冻干食品是一项前景看好，利润大，风险小的出口创汇项目。
我国农牧产品一直徘徊在原产或初级加工阶段，技术含量总体偏低。通过开发冻干蔬菜和肉食等食品，将提高我国出口食品的档次，获得较高的附加值。目前，我 国生产的冻干食品主要包括：汤料，虾仁，半成品，保健品及方便面调料等。据专家预测：2010年，仅我国高档方便面辅料一项，约需冻干食品4万吨，加上各 种快餐配料，汤料，饮料等。每年冻干食品的消费将超过10万吨。
冻干机的原理
干燥是保持物质不致腐败变 质的方法之一。干燥的方法许多，如晒干，煮干，烘干，喷雾干燥和真空干燥等。但这些干燥方法都是在0℃以上或更高的温度下进行。干燥所得的产品，一般是体 积缩小，质地变硬，远古巨兽大复活有些物质发生了氧化，一些易挥发的成分大部分会损失掉，有些热敏性的物质，如蛋白质，维生素会发生变性。微生物会失去生物活力，干燥后 的物质不易在水中溶解等。因此干燥后的产品与干燥前相比在性状上有很大的差别。而冷冻干燥法不同于以上的干燥方法，产品的干燥基本上在0℃以下的温度进 行，即在产品冻结的状态下进行，直到后期，为了进一步降低产品的残余水份含量，才让产品升至0℃以上的温度，但一般不超过50℃。
冷冻干燥就是把含有大量水分物质，预先进行降温冻结成固体，然后在真空的条件下使水蒸汽直接升华出来，而物质本身剩留在冻结时的冰架中，因此它干燥后疏 松多孔体积不变。引起产品本身温度的下降而减慢升华速度，为了增加升华速度，缩短干燥时间，必须要对产品进行适当加热。整个干燥是在较低的温度下进行的。
物质在干燥前始终处于低温（冻结状态）,同时冰晶均匀分布于物质中,升华过程不会因脱水而发生浓缩现象,避免了由水蒸气产生泡沫，氧化等副作用。干燥物质呈干海绵多孔状，体积基本不变，极易溶于水而恢复原状。在最大程度上防止干燥物质的理化和生物学方面的变性。
它的工作原理是将被干燥的物品先冻结到三相点温度以下，
然后在真空条件下使物品中的固态水份（冰）直接升华成水蒸气，从物品中排除，使物品干燥。物料经前处理后，先进行速冻，再真空干燥升华脱水，之后在后处 理车间包装。真空系统为升华干燥仓建立低气压条件，加热系统向物料提供升华潜热，制冷系统向捕水器和干燥仓提供所需的冷量。对冻干制品的质量要求是：生物 活性不变，外观色泽均匀，形态饱满，结构牢固，溶解速度快，残余水分低。要获得高质量的制品，对冻干的理论和工艺应有一个比较全面的了解。冻干工艺包括预 冻，升华和再冻干三个分阶段。合理而有效地缩短冻干的周期在工业生产上具有明显的经济价值。
一制品的冻结
溶液速冻时，晶粒保持在显微镜下可见的大小，相反慢冻时，形成的结晶肉眼可见。粗晶在升华留下较大的空隙，可以提高冻干的效率，细晶在升华后留下的间隙 较小，使下层升华受阻，速成冻的成品粒子细腻，外观均匀，比表面积大，多孔结构好，溶解速度快，便成品的引湿性相对也要强些。
药 品在冻干机中预冻在两种方式：一种是制品与干燥箱同时降温，，另一种是待干燥箱搁板降温至-40℃左右，再将制品放入，前者相当于慢冻，后者则介于速冻与 慢冻之间，因而常被采用，以兼顾冻干效率与产品质量。此法的缺点是制品入箱时，空气中的水蒸气将迅速地凝结在搁板上，而在升华初期，若板升温较快，由于大 面积的升华将有可能超越凝结器的正常负荷。此现象在夏季尤为显著。
制品的冻结处于静止状态。经验证明，过冷现象容易发生至使制品温度虽已达到共晶点。但溶质仍不结晶，为了克服过冷现象，制品冻结的温度应低于共晶点以下一个范围，并需保持一段时间，以待制品完全冻结。
二升华的条件与速度
冰在一定温度下的饱和蒸汽压大于环境的水蒸气分压时即可开始升华，比制品温更低的凝结器对水水蒸气的抽吸与捕获作用，则是维持升华所必需的条件。
气体分子在两次连续碰撞之间所走的距离称为平均自由程，它与压力成反比。在常压下，其值很小，升华的水分子很容易与气体碰撞又返回到蒸汽源表面，因而升 华速度很漫。随着压力降低13.3Pa以下，平均自由程增大105倍，使升华速度显著加快，飞离出来的水分子很少改变自己的方面，从而形成了定向的蒸汽 流。
真空泵在冻干机中起着抽除永久气体的作用，以维护升华所必需的低压强。1g水蒸气在常压下为1.25L而在13.3Pa时却膨胀为10000升，普通的真空泵在单位时间内抽除如此大量的体积是不可能的。凝结器实际上形成了专门捕集水蒸气的真空泵。
制品与凝结的温度通常为-25℃与-50℃。冰在该温度下的饱和蒸汽压分别为63.3Pa与1.1Pa,因而在升华面与冷凝面之间便产生了一个相当大的 压力差,如果此时系统内的不凝性气体分压可以忽略不计,它将促使制品升华出来的水蒸气,以一定的流速定向地抵达凝结器表面结成冰霜。
冰的升华热约为2822J/克，如果升华过程不供给热量，那末制品只有降低内能来补偿升华热，直至其温度与凝结器温度平衡后，升华也就停止了。为了保持升华与冷凝来的温度差，必须对制品提供足够的热量。
三升华过程
在升温的第一阶段（大量升华阶段），制品温度要低于其共晶点一个范围。因此搁板温要加以控制，若制品已经部分干燥，但温度却超过了其共晶点，此时将发生 制品融化现象，而此时融化的液体，对冰饱和，对溶质却未饱和，因而干燥的溶质将迅速溶解进去，最后浓缩成一薄僵块，外观极为不良，溶解速度很差，若制品的 融化发生在大量升华后期，则由于融化的液体数量较少，因而被干燥的孔性固体所吸收，造成冻干后块状物有所缺损，加水溶解时仍能发现溶解速度较慢。
在大量升华过程，虽然搁板和制品温度有很大悬殊，但由于板温，凝结器温度和真空温度基本不变，因而升华吸热比较稳定，制品温度相对恒定。随着制品自上而 下层层干燥，冰层升华的阻力逐渐增大。制品温度相应也会小幅上升。直至用肉眼已看不到冰晶的存在。此时90%以上的水分已除去。大量升华的过程至此已基本 结束，为了确保整箱制品大量升华完毕，板温仍需保持一个阶段后再进行第二阶段的升温。剩余百分之几的水分称残余水分，它与自由状态的水在物理化学性质上有 所不同，残余水分包括了化学结合之水与物理结合之水，诸如化合的结晶水结晶，蛋白质通过氢键结合的水以及固体表面或毛细管中吸附水等。由于残余水分受到某 种引力的束缚，其饱和蒸汽压则是不同程度的降低，因而干燥速度明显下降。虽然提高制品温度促进残余水分的气化，但若超过某极限温度，生物活性也可能急剧下 降。保证制品安全的最高干燥温度要由实验来确定。通常我们在第二阶段将板温+30℃左右，并保持恒定。在这一阶段初期，由于板温升高，残余水分少又不易气 化，因此制品温度上升较快。但随着制品温度与板温逐渐靠拢，热传导变得更为缓慢，需要耐心等待相当长的一段时间，实践经验表明，残余水分干燥的时间与大量 升华的时间几乎相等有时甚至还会超过。
真空冷冻干燥的程序
真空冷冻干燥的程序是这样的：在冻干之前，把 需要冻干的产品分装在合适的容器内，装量要均匀，蒸发表面尽量大而厚度尽量薄些，然后放入与冻干箱尺寸相适应的金属盘内。将产品放入冻干箱内进行预冻，抽 真空之前要根据捕水器制冷压缩机的降温速度提前使捕水器工作，抽真空时捕水器应达到-40℃左右的温度，待真空度达到一定数值后（通常应达到100Pa以 上的真空度），即可对箱内产品进行加热。一般加热分两步进行，第一步加温不使产品的温度超过共熔点的温度，待产品内水份基本干完后进行第二步加温，这时可 迅速地使产品上升到规定的最高温度。在最高温度保持数小时后，即可结束冻干。
整个升华干燥的时间约12-24小时左右，与产品的形状，规格，产品的种类，冻干曲线及机器的性能等等有关。
冻干结束后，要在出料间进行空气除湿，然后放干燥无菌的空气进入干燥箱，以防重新吸收空气中的水份。
在冻干过程中，把产品和板层的温度，捕水器温度和真空度对照时间划成曲线，叫做冻干曲线。一般以温度和真空度为纵坐标，时间为横坐标。冻干不同的产品采 用不同的冻干曲线。同一产品使用不同的冻干曲线时，产品的质量也不相同，冻干曲线还与冻干机的性能有关。因此不同的产品，不同的冻干机应用不同的冻干曲 线。
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