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冷冻干燥

时间:2017-12-04 点击次数:1106

概述

冷冻干燥是利用冰晶升华的原理,在高度真空的环境下,将已冻结了的食品物料的水分不经过冰的融化直接从冰固体升华为蒸汽,一般真空干燥物料中的水分是在液态下转化为汽态而将食品干制,故冷冻干燥又称为冷冻升华干燥[1] 

其主要优点是:(1)干燥后的物料保

冷冻干燥设备设备

持原来的化学组成和物理性质(如多孔结构、胶体性质等);(2)热量消耗比其他干燥方法少。缺点是费用较高,不能广泛采用。用于干燥抗生素、蔬菜和水果等。

含水的生物样品,经过冷冻固定,在低温高真空的条件下使样品中的水分由冰直接升华达到干燥的目的,在干燥的过程中不受表面张力的作用,样品不变形。

真空技术是将湿物料或溶液在较低的温度(-10℃~-50℃)下冻结成固态,然后在真空(1.3~13帕)下使其中的水分不经液态直接升华成气态,zui终使物料脱水的干燥技术。中国是原料药生产大国,因此该技术应用前景十分广阔。但是,应当引起注意的是,真空技术在我国推广得非常迅速,相比之下,其基础理论研究相对滞后、薄弱,专业技术人员也不多。并且,与气流干燥、喷雾干燥等其他干燥技术相比,真空设备投资大,能源消耗及药品生产成本较高,从而限制了该技术的进一步发展。因此,切实加强基础理论研究,在确保药品质量的同时,实现节能降耗、降低生产成本,已经成为真空技术领域当前面临的zui主要的问题。

原理

由物理学可知,水有三相,O点为三相共点,OA为冰的融解点。根据压力减小、沸点下降的原理,只要压力在三相点压力之下(图中压力为 646.5Pa以下,温度0℃以下),物料中的水分则可从水不经过液相而直接升华为水汽。根据这个原理,就可以先将食品的湿原料冻结至冰点之下,使原料中的水分变为固态冰,然后在适当的真空环境下,将冰直接转化为蒸汽而除去,再用真空系统中的水汽凝结器将水蒸汽冷凝,从而使物料得到干燥。这种利用真空冷冻获得干燥的方法,是水的物态变化和移动的过程,这个过程发生在低温低压下,因此,的基本原理是在低温低压下传热传质的机理[2] 

不同于普通的加热干燥,物料中的水分基本上在0℃以下的冰冻的固体表面升华而进行干燥,物质本身则剩留在冻结时的冰架子中,因此,干燥后的产品体积不变、疏松多孔。冰在升华时需要热量,必须对物料进行适当加热,并使加热板与物料升华表面形成一定温度梯度,以利于传热的顺利进行。

制品的过程包括冻结、升华和再干燥3个阶段。

冻结

先将欲冻干物料用适宜冷却设备冷却至2℃左右,然后置于冷至约一40℃(13.33Pa)冻干箱内。关闭干燥箱,迅速通入制冷剂(氟里昂、氨),使物料冷冻,并保捧攀邸h或更长时间,以克服溶液的过冷现象,使制品完全冻结,即可进行升华。

升华

制品的升华是在高度真空下进行的,在压力降低过程中,必须保持箱内物品的冰冻状态,以防溢出容器。待箱内压力降至一定程度后,再打开罗茨真空泵(或真空扩散泵),压力降到1.33Pa,一60。C以下时,冰即开始升华,升华的水蒸气在冷凝器内结成冰晶。为保证冰的升华,应开启加热系统,将搁板加热,不断供给冰升华所需的热量。

再干燥

在升华阶段内,冰大量升华,此时制品的温度不宜超过zui低共熔点,以防产品中产生僵块或产品外观上的缺损,在此阶段内搁板温度通常控制在±10℃之间。制品的再干燥阶段所除去的水分为结合水分,此时固体表面的水蒸气压呈不同程度的降低,干燥速度明显下降。在保证产品质量的前提下,在此阶段内应适当提高搁板温度,以利于水分的蒸发,一般是将搁板加热至30~35。C,实际操作应按制品的冻干曲线(事先经多次实验绘制的温度、时间、真空度曲线)进行,直至制品温度与搁板温度重合达到干燥为止。

水的相图水的相图

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