真空冷凍干燥的基本原理

一、凍干的歷史

  在冷凍干燥技術(shù)的早期發(fā)展中,有三件事具有里程碑的意義:

(1)美國(guó)賓州大學(xué)的E.W.Flosdorf和S.Mudd,在1933年用玻璃器皿系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)血清的冷凍干燥。

(2)1928年,A.Fleming發(fā)現(xiàn)了青霉素;1938年,牛津大學(xué)的E.B.Chain 實(shí)現(xiàn)了青霉素的冷凍干燥,并和L.H.W.Florey 一起,使凍干的青霉素在第二次世界大戰(zhàn)期間的臨床醫(yī)學(xué)上得到了重要的應(yīng)用。他們?nèi)擞?945年獲生理學(xué)-醫(yī)學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)。

(3)為解決巴西咖啡過(guò)剩的問(wèn)題,雀巢公司于1938年發(fā)明了咖啡的冷凍干燥。

  這三件事推動(dòng)了當(dāng)時(shí)微生物和食品冷凍于燥的發(fā)展。但是那時(shí)的凍干系統(tǒng)是由玻璃器皿組成的,冷源是干冰(固態(tài)CO2)。自1930年起,以氟利昂為制冷工質(zhì)的機(jī)械式制冷裝置的興起,為冷凍干燥技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了條件。1940~1960年是冷凍技術(shù)發(fā)展較快的時(shí)期,主要應(yīng)用于微生物和咖啡等冷凍干燥。

  到20世紀(jì)90年代,由于生物藥品的出現(xiàn)和發(fā)展,對(duì)冷凍于燥技術(shù)提出了許多新的近乎“苛刻”的要求,迫使其向“精致”的深入的方向發(fā)展。同時(shí),80年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的“溶液玻璃化理論”和“食品聚合物科學(xué)”等也為冷凍于燥技術(shù)的發(fā)展提供了一些理論基礎(chǔ)。

二、凍干的基本原理

  由物理學(xué)可知，水有三相，O點(diǎn)為三相共點(diǎn)，OA為冰的融解點(diǎn)。根據(jù)壓力減小、沸點(diǎn)下降的原理，只要壓力在三相點(diǎn)壓力之下（圖中壓力為 646.5Pa以下，溫度0℃以下），物料中的水分則可從水不經(jīng)過(guò)液相而直接升華為水汽。根據(jù)這個(gè)原理，就可以先將食品的濕原料凍結(jié)至冰點(diǎn)之下，使原料中的水分變?yōu)楣虘B(tài)冰，然后在適當(dāng)?shù)恼婵窄h(huán)境下，將冰直接轉(zhuǎn)化為蒸汽而除去，再用真空系統(tǒng)中的水汽凝結(jié)器將水蒸汽冷凝，從而使物料得到干燥。這種利用真空冷凍獲得干燥的方法，是水的物態(tài)變化和移動(dòng)的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程發(fā)生在低溫低壓下，因此，冷凍干燥的基本原理是在低溫低壓下傳熱傳質(zhì)的機(jī)理。

冷凍干燥不同于普通的加熱干燥，物料中的水分基本上在0℃以下的冰凍的固體表面升華而進(jìn)行干燥，物質(zhì)本身則剩留在凍結(jié)時(shí)的冰架子中，因此，干燥后的產(chǎn)品體積不變、疏松多孔。冰在升華時(shí)需要熱量，必須對(duì)物料進(jìn)行適當(dāng)加熱，并使加熱板與物料升華表面形成一定溫度梯度，以利于傳熱的順利進(jìn)行。

制品的冷凍干燥過(guò)程包括凍結(jié)、升華干燥和解析干燥3個(gè)階段。

（1）凍結(jié)

先將欲凍干物料用適宜冷卻設(shè)備冷卻至2℃左右，然后置于冷至約一40℃(13．33Pa)凍干箱內(nèi)。關(guān)閉干燥箱，迅速通入制冷劑(氟里昂、氨)，使物料冷凍，并保捧攀邸h或更長(zhǎng)時(shí)間，以克服溶液的過(guò)冷現(xiàn)象，使制品凍結(jié)，即可進(jìn)行升華。

（2）升華干燥、也稱(chēng)一次干燥

制品的升華是在高度真空下進(jìn)行的，在壓力降低過(guò)程中，必須保持箱內(nèi)物品的冰凍狀態(tài)，以防溢出容器。待箱內(nèi)壓力降至一定程度后，再打開(kāi)羅茨真空泵(或真空擴(kuò)散泵)，壓力降到1．33Pa，一60。C以下時(shí)，冰即開(kāi)始升華，升華的水蒸氣在冷凝器內(nèi)結(jié)成冰晶。為保證冰的升華，應(yīng)開(kāi)啟加熱系統(tǒng)，將擱板加熱，不斷供給冰升華所需的熱量。

（3）解析干燥、也稱(chēng)二次干燥

在升華階段內(nèi)，冰大量升華，此時(shí)制品的溫度不宜超過(guò)共熔點(diǎn)，以防產(chǎn)品中產(chǎn)生僵塊或產(chǎn)品外觀上的缺損，在此階段內(nèi)擱板溫度通常控制在±10℃之間。制品的解析干燥階段所除去的水分為結(jié)合水分，此時(shí)固體表面的水蒸氣壓呈不同程度的降低，干燥速度明顯下降。在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，在此階段內(nèi)應(yīng)適當(dāng)提高擱板溫度，以利于水分的蒸發(fā)，一般是將擱板加熱至30～35。C，實(shí)際操作應(yīng)按制品的凍干曲線(xiàn)(事先經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)繪制的溫度、時(shí)間、真空度曲線(xiàn))進(jìn)行，直至制品溫度與擱板溫度重合達(dá)到干燥為止。