冷冻式干燥机的原理是什么?

实验室冷冻干燥机又称冷冻干燥机。冷冻干燥器就是将含水物质,先冻结成固态,而后使其中的水分从固态升华成气态,以除去水分而保存物质的冷干设备。

冷冻干燥器系由制冷系统、真空系统、加热系统、电器仪表控制系统所组成。主要部件为干燥箱、凝结器、冷冻机组、真空泵、加热/冷却装置等。

冷冻干燥器的工作原理是将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,被送入速冻仓冻结,再送入干燥仓升华脱水,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,制冷系统向冷阱和干燥室提供所需的冷量。 本设备采用高效辐射加热,物料受热均匀;采用高效捕水冷阱,并可实现快速化霜;采用高效真空机组,并可实现油水分离;采用并联集中制冷系统,多路按需供冷,工况稳定,有利节能;采用人工智能控制,控制精度高,操作方便。

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【冷冻干燥原理】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,冷冻干燥的基本原理是在低温低压下传热传质的机理。

【冷冻干燥的优点】冷冻干燥与其他干燥方法比较有许多的优点,主要为:

1、最大限度地保存食品的色、香、味,如蔬菜的天然色素保持不变,各种芳香物质的损失可减少到最低限度;冷冻干燥对保存含蛋白质食品要比普通冷冻保存的好。

2、对热敏性物质特别适合,可以使热敏性的物料干燥后保留热敏成分;能保存食品中的各级营养成分,尤其对维生素C,能保存90%以上。

3、在真空和低温下操作,微生物的生长和酶作用受到抑制。

4、脱水彻底,干制品重量轻,体积小,贮藏时占地面积少,运输方便;各种冷冻干燥的蔬菜经压块,重量减轻显著。由于体积减小,相应地包装费用也少得多。

5、复水快,食用方便。因为被干燥物料含有的水分是在冻结状态下直接蒸发的,故在干燥过程中,水汽不带动可溶性物质移向物料表面,不会在物料表面沉积盐类,即在物料表面不会形成硬质薄皮,亦不存在因中心水分移向物料表面时对细胞或纤维产生的张力,不会使物料干燥后因收缩引起变形,故极易吸水恢复原状。

6、因在真空下操作,氧气极少,因此,一些易氧化的物质(如油脂类)得到保护。

7、冷冻干燥法能排除95%~99%以上的水分,产品能长期保存而不变质。

【冷冻干燥】又称升华干燥。将含水物料冷冻到冰点以下,使水转变为冰,然后在较高真空下将冰转变为蒸气而除去的干燥方法。物料可先在冷冻装置内冷冻,再进行干燥。但也可直接在干燥室内经迅速抽成真空而冷冻。升华生成的水蒸气借冷凝器除去。升华过程中所需的汽化热量,一般用热辐射供给。

冷冻干燥技术是一种特殊的干燥和铅捕集技术。冷冻干燥技术的基本原理是基于水的三相变化。水的三相(H2O)是固态、液态和气态,水的三相可以共存和相互转化。水(H2O)的相平衡图如图1所示。三个相点对应的温度为0.01℃,水蒸汽压为6.105×10-4MPa。在这种条件下,水、冰、水蒸气共存,相互平衡。当蒸汽压力高于6.105×10-4MPa时,冰会融化成水,水蒸发成蒸汽,这就是蒸发过程。当水蒸气压力小于6.105×10-4MPa时,冰受热升华成水蒸气,这就是升华过程。冷冻干燥机的优点:有各种干燥方法,如晒干、煮沸、干燥、喷雾干燥和真空干燥,但普通的干燥方法通常在0℃以上或更高的温度下进行。一般干燥后的产品都存在体积缩小、质地变硬的问题。大部分挥发性成分会流失,一些热敏性物质会变性失活,有些物质甚至会被氧化。因此,干燥后的产品与干燥前有很大的不同。冷冻干燥基本上是在0℃以下进行的,即在产品的冷冻状态下进行。解析干燥时一般不超过60℃。


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