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《食品真空冷冻干燥设备》标准修订解析

时间:2017-12-03 点击次数:1579

1 修订背景
食品真空冷冻干燥( 简称冻干) 技术起源于 20
世纪 30 年代的丹麦,后逐步由实验研究转为生产
实践,并在其后的上世纪 80 年代中期到上世纪 90
年代末达到了一个快速发展阶段。美国和日本跟
进迅速,其冻干食品产量的增幅也zui终超越了欧
洲。进入 21 世纪后,冻干食品在美、日及欧洲各国
等工业发达国家已经被广泛接受,普及程度较高,
技术也已日臻完善。
20 世纪中叶,虽然我国从苏联引进了食品冻
干技术,但应用并不理想,且 20 世纪 80 年代中期
才开始仿制国外的隔代产品。一直到新世纪来
临,在国内高校、科研院所及生产厂家的共同努力
下,才探索出了一条消化吸收与自主创新相结合
的道路,并逐步形成了自主设计、自主生产的能
力。我国*食品冻干设备的标准 JB /T 10285—
2001( 以下简称原标准) 在这样的时代背景下应运
而生。
随着时代的进步和我国社会经济的飞速发
展,人们对科学加工食品的认知度提升,也出现了
更多需求,大大推动了食品冻干技术的进一步发
展。我国是一个农业大国,生鲜果蔬资源丰富。
目前,冻干食品的内外需求均呈现出良好的发展
态势,诸多新品种还在不断地被开发。为了尽快
赶超先进、进一步普及冻干食品、推动贸易和经济
发展,让我国的食品冻干技术再上一个新的台阶,
完善相关的标准是当务之急。
2 修订过程及进展
2013 年,合肥通用机械研究院提出了 JB /T
10285—2001 的修订立项申请,同年第四季度获得
工业和信息化部的批准( 工信厅科[2013]217 号
文,计划编号 2013—2252T—JB) 。此技术的归口
单位———全国冷冻空调设备标准化技术委员会迅
速组织合肥通用机电产品检测院有限公司、大连
冷冻机股份有限公司、烟台中孚冷链设备有限公
司等相关单位成立了标准起草工作组,经过近两
年的调查研讨、分析比对以及广泛的征求意见,目
前已完成了对标准的修订,并通过了标委会全体
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委员的审查,步入报批流程。新标准有望于 2016
年年内获得批准发布。
3 修订思路
冻干设备服务于冻干工艺。一种好的冻干工
艺应具备个性化[1],而标准的制定却需要具有普
遍性。考虑到原标准起点低以及目前国内冻干技
术发展仍未充分的实际情况,本次修订的基本思
路是立足原标准范围不扩大,科学合理地完善技
术参数和检测方法,增强标准的可读性和可操作
性。具体包括:
1) 以的 2009 版 GB /T 1. 1《标准化工作
导则》为基准构建规范化的标准语言,彻底解决标
龄的老化问题;
2) 标准构架要与冷冻空调设备专业领域内已
有的产品标准相统一,不但要易于研读,更要能体
现出本专业标准体系的风格;
3) 以技术参数为主线,科学梳理、合理调整,
提升测试方法的可操作性。
因此,修订后的标准仍然只针对间歇式冻干
设备,且不包含冻结库( 也就是预冻装置) 。连续
式、非成套冻干设备,以及根据特殊工艺要求开发
的特殊产品,可参考本标准的检测方法和各参数
的制定原则。
4 技术参数的解析
4. 1 基本参数的确定
从用户的角度来思考,一台冻干设备能否满
足基本的冻干需求首先要看它的冻干能力,也就
是干燥空间和干燥面积有多大、能够在什么样的
工作压力下提供什么样的加热和制冷温度,zui终
达到的干燥效果如何。因此,总干燥面积、干燥仓
容积、干燥仓工作压力、加热板加热温度、冷阱蒸
发温度、单位面积升华水量作为产品zui基本的技
术参数必须在产品的铭牌中加以明确。
其次,由于冻干工艺较为复杂,因此必定还存
在一些额外的工艺性参数,如果这些参数无法满
足,就会导致冻干工艺失效,不能达到预期的冻干
效果,甚至导致物料报废,产生极大的浪费。除基
本技术参数外,标准zui终确定的其他工艺性参数
还包括冷阱表面温差、加热均匀度、抽空时间、解
除真空时间以及漏率。
根据上述思路,修订后的标准重新梳理了冻
干设备的基本参数,如表 1 所示。
表 1 标准修订前后冻干设备的基本参数比对
基本参数 技术要求
修订前 修订后 变化
总干燥面积 A /m2 ≥公称值的 98% ≥标称值的 98% 无变化
干燥仓容积 V /m3 未提及 ≥标称值的 98% 新增,铭牌上明示
干燥仓工作压力/Pa 13 ~ 133 13 ~ 133 无变化
加热板加热温度/℃ 0 ~ 150 30 ~ 120 调整
冷阱蒸发温度 T /℃ - 35 ~ - 55 - 25 ~ - 45 调整
冷阱表面温差 ΔT /℃ ≤8 ≤4 要求变严
加热均匀度 无要求 每层升华水量偏差不超过 ± 8% 新增
抽空时间/min ≤12 ≤12 无变化
解除真空时间/min ≤20 ≤20 无变化
漏率 ILt /( Pa·L /s) V≤20 m3 ≤25 ≤25 无变化
V > 20 m3 ≤25 ≤100 要求放宽
单位面积升华水量 g /kg /( m2
·h) ≥1. 86 × 95% ≥2. 0 要求提升
单位脱水能耗
q /( kW·h /kg)
电加热
蒸汽加热
加热系统 ≤1. 0 × 105%
真空系统 ≤0. 3 × 105%
制冷系统 ≤1. 2 × 105%
电控系统 —
耗电量 ≤1. 22 × 105%
耗汽量 ≤2 kg /kg × 105%
≤2. 5
≤1. 2
≤2 kg /kg
各系统合并考核,
限值要求变严
限值要求变严
4. 2 干燥仓的物理参数
从结构上看,干燥仓应该是整个冻干设备的
主体结构,它不但是一个可以抽成真空的密闭容
器,而且还可看成一个高低温箱,需要冻干的物料
就放置在箱内分层的金属隔板间,在真空下被加
热。可见,干燥仓的大小和能够铺设物料的面积
zui直观地反映了一台冻干设备的处理能力。原标
准中只对干燥面积( 即托盘面积) 做了要求,却未
提干燥仓容积,这显然不合理,更何况漏率的计算
还用到了容积参数。标准修订后将容积要求提升
到与面积要求同等的地位,即不但要在铭牌中明
示,而且不能低于明示值的 98% 。这两个物理性
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参数均通过人工直接测量即可得到。
4. 3 加热系统参数
对于不同的冻干设备,加热系统可能采用不
同的加热型式。从加热端来看,冻干设备分为直
接加热和间接加热。直接加热指热源直接加热加
热板; 间接加热指热源通过中间介质二次加热加
热板。从被加热端来看分接触式加热和非接触式
加热,就是看干燥托盘是否与加热板直接接触。
对于小型冻干设备可能采用直接加热,控制简便,
热转换效率高,但存在电加热管的可靠性问题。
现在大部分冻干设备基本采用间接加热的型式,
可靠性高,易于维护,且具有较好的控制精度和稳
定性。
对于加热参数,需要考虑温度、精度和均匀度
3 个方面。现在zui为常用的加热方式是非接触式
间接加热。对于这种加热型式,由于加热板中的
加热介质一般为水或油,如果水温过高,水蒸气的
饱和压力将大幅提升,从而增加加热板的强度要
求; 而若油温过低,油的运动黏度急剧增大,流动
阻力增加,会导致加热板层间温度不均匀。因此,
标准修订时缩小了加热板的加热温度范围,并增
加了对加热均匀度的考核,即要求每层升华水量
相对于平均每层升华水量的偏差不超过 ± 8% 。
此外,原标准在定义名义工况时,加热板的加
热参数选定的是加热功率,而不是加热温度,很多
人不能理解。加热的效果体现在zui终的单位面积
升华水量上,也就是要对单位面积上的投入和产
出进行比较,而且此投入应该为zui原始的一次投
入,也就是应该包含中间介质或中间环节的转换
损失,这样检测得到的结果才有意义,才能真正表
征整套加热系统的工作效率。如果直接规定加热
末端加热板的温度,这个检测结果就会差异很小,
失去了比较的意义。综上,名义工况中选定加热
系统的输入功率更合适,功率单位中的每平米指
的是干燥面积,如果是蒸汽加热,应该根据蒸汽温
度、压力等参数和标准规定的输入功率来反推所
需的控制参数量值。
4. 4 制冷系统参数
制冷系统用以维持干燥仓和冷阱所需要的低
温环境,并能使冷阱表面的蒸发温度达到预期的
工艺条件。从理论上讲,冷阱所能达到的蒸发温
度越低,其加工物料的品种就越多,冷阱表面温度
分布越均匀,结霜也就越密实,水蒸气的凝华效果
就越好。因此,标准对冷阱的蒸发温度和表面温
差做出了限定。
根据实际的生产加工情况,大部分冻干物料
的共熔 点 都 在 - 25 ℃ 以 上,冷阱蒸发温度在
- 40 ℃时即可满足要求。如果过度地追求低蒸发
温度,不但会提升制冷机组的装机容量,而且低蒸
发温度下制冷机组的制冷量也会大打折扣,能效
比低,无端增加了整个制冷系统的能耗。标准修
订后,将冷阱蒸发温度的范围整体提升了 10 ℃,并
不是要求降低了,而是更加科学合理了。此外,只
要冷阱结构设计合理,供液稳定,冷阱表面zui大温
差不会过大,标准适当提升了该温差限值的要求,
且取消了空载、常压下无意义的测试。
4. 5 真空系统参数
压力参数是一个重要的冻干工艺参数,需要
通过干燥仓较好的气密性以及配置合适的真空系
统来实现。真空系统通常包括真空泵、阀门、管道
以及相关的控制器件等,用以控制整个干燥箱( 含
冷阱) 内的压力。不但要能达到且维持预期的真
空度( 工作压力) ,而且压力还要在规定的时间内
达到或解除。标准给出的抽空时间和解除真空时
间应该理解为zui低门槛,当特殊的冻干物料提出
特殊的工艺要求时,应当适时的调整系统的配置,
以满足更加苛刻的要求。反过来,在满足冻干工
艺的前提下,不追求过短的抽空时间,可以降低系
统的配置,从而达到降低能耗的效果。此外,维持
真空机组除了要抽除外界环境渗漏到干燥仓中的
不凝性气体外,还要抽除干燥仓内的物料在干燥
过程中产生的不凝性气体以及未被冷阱完全凝结
的少量水蒸气。因此在实际冻干过程中,不凝性
气体压力是一个动态参数,不能被直接检测。标
准规定的漏率只能是一个静态漏率,就是只考查
在空载极限工作压力下( 从 13 Pa 开始) ,所有真空
泵都不工作时,干燥仓的泄漏情况。
可以通过空载时的真空系统试验一次性检测
抽空时间、解除真空时间和漏率 3 个参数。标准修
订后做了如下调整:
1) 抽空时间: 小型冻干设备因物料少,热容
小,在进仓后的抽空过程中物料升温会较快,因此
要格外注意抽真空系统配置的余量。检测过程
中,只要在实际使用时参与抽真空的机组都应开
启( 原标准中是不开启维持真空机组的) ; 且对于
冷阱外置式冻干设备应该带冷阱一起抽空。
第 3 期 马金平 等: 《食品真空冷冻干燥设备》标准修订解析 · 79 ·
2) 解除真空时间: 试验的初始工作压力明确
为名义工况下的工作压力,也就是从( 40 ± 5) Pa
时开始计时。另外,对于冷阱外置式机组,试验时
应打开干燥仓与冷阱之间的真空阀门。
3) 漏率: 根据 JB/T 10285—2001
[2]中的式( 1) ,
对于一个 70 m3 容积的干燥仓,在漏率25 Pa·L/s
时,相当于 47 min 内干燥仓的压力升高不允许超过
1 Pa。然而,容积越大的冻干设备越难以达到要求,
而且势必会因加大维持真空机组的能力而提升了整
个机组的能耗。大型冻干设备和小型设备的干燥
仓容积有的相差数十倍,采用同一漏率限值也明
显是不合理的。徐言生等人研究了漏率与加热隔
板面积之间的关系,并给出了参考限值[3]。标准
修订时,考虑到是*次修订,技术参数不宜一次
性调整过大,因此选择了一个较为折中的做法,也
就是分段考核,对于干燥仓容积大于 20 m3 的冻干
设备,漏率的限值放大了 4 倍。
4. 6 干燥能力与能耗指标
冻干设备干燥能力与能耗的考核都是在统一
的名义工况下,依据干燥面积加入等比的负载,再
将冻干过程中的升华水量及能耗平摊到每平方米
的干燥面积上。测试中,冷阱的蒸发温度应稳定
在 - 40 ℃左右以维持名义工况下的工作压力,应
注意试验的截止时间须把握恰当,时间短了运行
不稳定,时间长了冰中的传感器可能漏出冰层,造
成测温不准。
根据热源的不同,原标准对能耗指标的规定
是有差异的。在标准修定的过程中曾有人提出对
于总干燥面积较大的冻干设备应该限制使用能耗
过高的电加热方式。但是,考虑到某些情况下使
用什么样的热源是由现场的实际情况决定的,往
往不容选择,因此修订后的标准仍保留了原差异
化考核的模式。
但是,假设有两台冻干设备,除了加热方式不
同外,其余均完全一样,则根据原标准中的描述,
蒸汽加热式冻干设备的单位脱水耗电量限值为
1. 22 kW·h /kg,这里包含了真空系统、制冷系统
和控制系统,但对应到电加热式冻干设备,真空系
统和制冷系统的单位脱水耗电量限值之和却为
1. 5 kW·h /kg( 这里不含控制系统都已经超出了
1. 22 kW·h /kg) ,这显然是不合理的。原因是当
初两种加热方式分别照搬了丹麦和俄罗斯的考核
指标。
其次,标准对于加热、制冷、真空、电控四大系
统并未给出明确的定义和范围,如果遇到一些复
杂的系统,某些设备或装置可能存在划分的争议。
尤其是随着使用需求的提升和冻干工艺的不断完
善,系统在控制方面会引入更多的辅助设备以应
对更高的控制精度要求等。因此,电加热式冻干
设备分系统考核能耗也存在一定的问题,不利于
设备技术水平的进一步拓展。
综上,标准对单位脱水能耗进行了调整,不再
分系统考核,且合并后的限值中包含了电控系统
能耗,较原标准实则是提升了要求,但给设计人员
提供了一定的平衡和拓展空间,同时也利于检测
人员的实际操作。
5 结束语
本次标准的修订是时隔 15 年后对我国食品冻
干设备技术发展的重新梳理,较为全面、客观、系
统地归纳了产品发展现状,提升了产品技术要求,
完善了检测细节,为全面促成我国食品冻干设备
走出国 门、向 中 国 制 造、中国创新转型奠定了
基础。
食品冻干技术是一门交叉学科,涉及多领域
多专业,其发展必然有一个渐进的过程。冻干设
备的进步仰赖于冻干工艺要求的提升,而冻干工
艺水平的提升又仰赖于人类对科学饮食的追求。
未来食品冻干设备的发展将主要体现在对整个冻
干过程、严格、精细的控制上,这也是标准再
次修订时应该加强的方向。
参 考 文 献
[1] 肖宏伟,黄传伟,冯雁峰,等. 真空冷冻干燥技术的研
究现状和发 展[J]. 医 疗 卫 生 装 备,2010,31 ( 07 ) :
30-32.
[2] JB/T 10285—2001. 食品真空冷冻干燥设备( 含编制
说明) [S].
[3] 徐言生,杨泽亮,王如林,等. 关于《食品真空冷冻干
燥 设 备》标 准 的 探 讨[J]. 食 品 科 技,2007 ( 01 ) :
126-128

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