1、引言

　　近幾年來, 真空冷凍干燥技術(shù)發(fā)展非常迅速, 國內(nèi)尤為突出。十年前, 國內(nèi)生產(chǎn)凍干設(shè)備的工廠只有3 家,現(xiàn)在已近30 家。凍干產(chǎn)品由生物制品到藥品,再發(fā)展到出口凍干食品。生產(chǎn)凍干食品的廠家從無到有,目前已有幾十家。凍干理論研究也活躍起來,有十幾所高等院校和科研機關(guān)在研究凍干過程的傳熱傳質(zhì),發(fā)表論文數(shù)十篇,出版了5 本專著[1～5 ] �？梢钥隙ǖ卣f,凍干設(shè)備、工藝和理論研究已經(jīng)取得了可喜的成果,但也存在著不足。

2、凍干設(shè)備的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　醫(yī)藥用凍干機已經(jīng)基本成熟, 國內(nèi)也制定了相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)廠家生產(chǎn)的醫(yī)藥用凍干機,已能代替進口設(shè)備。其壓蓋、清洗、消毒滅菌等功能齊全,產(chǎn)品質(zhì)量和自動化程度較高,只是水分在線測量儀和個別電器元件等尚需進口。食品凍干機發(fā)展較快,生產(chǎn)廠家較多,質(zhì)量、性能、規(guī)格型號各不相同。前幾年多從國外引進,近幾年已經(jīng)基本國產(chǎn)化了。

　　目前,國產(chǎn)食品凍干機還都是非標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。大部分生產(chǎn)廠家走的是仿制道路。有的廠家在采用國外先進技術(shù)的同時, 并且進行了很大的改進。如: 加熱板內(nèi)采用了特殊導(dǎo)流裝置, 使板內(nèi)流體的流量均勻, 保證了加熱的均勻和穩(wěn)定; 捕水器在工作中可實現(xiàn)交替捕水和融冰, 捕水器盤管內(nèi)氨液制冷方式由傳統(tǒng)的氨液相變制冷改為氨液無相變制冷, 使捕水器盤管內(nèi)溫度均勻, 結(jié)霜性能良好。除仿制之外, 國內(nèi)自己的研制能力也在提高, 有的單位已經(jīng)脫離了仿制國外機型, 抽氣系統(tǒng)采用低架式水蒸汽噴射泵抽水蒸氣, 省去了捕水器和制冷系統(tǒng), 使設(shè)備價格有所降低。設(shè)計采用地車式裝卸料, 地車采用萬向膠輪支撐運輸裝卸料盤的料車進出凍干箱。它與我國臺灣產(chǎn)地車運送料盤不同,與丹麥ATLAS 公司等引進的設(shè)備采用上吊車的結(jié)構(gòu)也有區(qū)別, 是兩者優(yōu)點的結(jié)合, 既省去了車間鋪吊軌、影響美觀、進出凍干室需搬道叉的麻煩,又克服了地車送料盤裝卸料時間長、傳導(dǎo)加熱溫度不均勻等缺點。這種設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,制造容易,使用方便。

　　食品凍干機還存在著許多不足, 無論是國產(chǎn)還是引進設(shè)備其共同的缺點是價格貴, 耗能高,收回投資慢。因此,降低成本,減少能耗是食品凍干機今后的主攻方向。除此之外,國產(chǎn)凍干機還存在一些不足之處:

　　(1) 擱板溫度不均勻,造成凍干產(chǎn)品含水率不均勻,產(chǎn)品合格率受影響。造成溫度不均勻的原因各不相同。有的是擱板結(jié)構(gòu)和材料質(zhì)量不好;有的是加熱流體分流或流程有缺欠; 有的是捕水器在干燥箱內(nèi)絕熱不好。

　　(2) 干燥速率低, 干燥箱內(nèi)各點干燥快慢不一致,反映在產(chǎn)品上仍然是合格率受影響。其原因除擱板溫度不均勻外,還與真空系統(tǒng)配置得不合理有關(guān)。主要體現(xiàn)在捕水器配置得不合理;水蒸汽噴射泵性能不穩(wěn)定;抽氣口位置不合理等。

　　(3) 無法判斷干燥何時結(jié)束,這是重要缺欠,因為它可能造成產(chǎn)品含水率高而不合格,也可能造成干燥時間過長而浪費能源。

　　(4) 捕水器效率低。主要體現(xiàn)在捕水器面積大而捕水量小,有部分無效面積,其根本原因是捕水器設(shè)計不合理。

　　(5) 真空度不穩(wěn)定。除操作原因外,可能是真空系統(tǒng)設(shè)計不合理。對于水蒸汽噴射泵而言,可能出現(xiàn)的問題是蒸汽鍋爐壓力不穩(wěn)定。

　　食品用凍干機的研究方向和發(fā)展趨勢應(yīng)該是:

　　(1) 改進結(jié)構(gòu),優(yōu)化設(shè)計,降低成本,減少能耗。國外有些凍干機不采用不銹鋼制造, 而采用低碳鋼涂覆食品用可烘干樹脂, 涂層厚度為0. 12～0. 20 mm ,在室溫下就會發(fā)出紅外線。擱板表面涂高性能遠紅外發(fā)射材料,增強其輻射能力, 料盤表面處理, 增強其吸熱能力。料盤在兩塊輻射擱板之間有一最佳位置, 而不是取中間位置,因此應(yīng)優(yōu)化設(shè)計。捕水器的結(jié)構(gòu)、尺寸、結(jié)霜特性的優(yōu)化,更有實際意義,因為它的造價目前幾乎相當(dāng)于凍干箱的造價, 運轉(zhuǎn)功耗較大。對于凍干機而言, 加熱系統(tǒng)只是補充升華熱,功率消耗本不應(yīng)太高,但現(xiàn)有設(shè)備并不盡如人意,應(yīng)該通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化,降低能耗。

　　(2) 保證質(zhì)量, 提高性能。有的廠家生產(chǎn)的凍干機從安裝好之后, 一直不能投入正常生產(chǎn); 有的凍干機雖然能生產(chǎn),但能耗太高,生產(chǎn)的產(chǎn)品越多,賠錢越多; 還有的元器件不斷出現(xiàn)故障,影響正常生產(chǎn)。因此,今后生產(chǎn)的凍干機質(zhì)量必須保證,可靠性要好。提高性能是指除加熱速率、抽氣速率、溫度均勻性、真空度穩(wěn)定性之外,增強設(shè)備新的功能。例如增加凍干結(jié)束的判斷功能,最簡單的辦法是稱重法。目前已經(jīng)有人試驗,但都不太成功。原因是沒有離開天平和地秤的模式,致使小設(shè)備安裝困難,大設(shè)備笨重而不穩(wěn)定。應(yīng)該發(fā)展重量傳感器,用很小的一次元件給出重量隨時間的變化。

　　(3) 開發(fā)連續(xù)式凍干設(shè)備, 當(dāng)前生產(chǎn)的凍干機都是間歇式產(chǎn)品, 隨著工業(yè)技

　　術(shù)的發(fā)展,人民生活水平的提高,消費量會增大,因此發(fā)展連續(xù)凍干設(shè)備,增加凍干產(chǎn)品的產(chǎn)量是必然趨勢。

3、凍干工藝的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　目前,研究凍干工藝的人員比研究凍干設(shè)備的人員要多,研究食品凍干工藝的人員比研究醫(yī)藥凍干工藝的人員要多。被研究的凍干食品品種也越來越多。僅就本校已研究過的凍干品種有:

　　(1) 中草藥類:人參、冬蟲夏草、山藥。

　　(2) 水果類:桃、梨、蘋果、香蕉、草莓。

　　(3) 蔬菜類:蔥、菠菜、洋蔥、胡蘿卜。

　　(4) 肉類:牛肉、牛肝、雞肝。

　　(5) 水產(chǎn)類:蝦、海帶、海參、扇貝。

　　(6)其它類:蜂蜜、幼竹鮮汁、紫草紅色素、“勿忘我”鮮花等。

　　本校研究的凍干工藝都沒有進行優(yōu)化研究, 不能算是最佳工藝, 從實驗室走入生產(chǎn)車間還應(yīng)該進一步優(yōu)化, 使其適合于產(chǎn)業(yè)化、快速、節(jié)能的要求。有的單位對幾種食品的凍干工藝研究得比較出色,其中比較有代表性的食品是蘑菇、大蒜粉、蘆筍、速溶咖啡、速溶茶等,并給出了脫水大蒜和脫水洋蔥的技術(shù)要求,這是凍干食品走向成熟的標(biāo)志。

　　西藥、血液制品和生物制品的凍干工藝比較難,工藝成熟與否關(guān)系重大,產(chǎn)品質(zhì)量直接關(guān)系到人的生命安全。所以研究人員比較少,研究成果有一定時間的保密性。西藥凍干的關(guān)鍵問題是避免染菌,一但染菌就會造成重大事故。生物制品則要求更加嚴(yán)格,除避免染菌外還要防止菌種變異,保持活菌活毒的活性。在凍干過程中要加入添加劑和保護劑,這是技術(shù)水平很高的工作, 國內(nèi)外有不同的凍干保護劑, 我國六大生物制品研究所之間也各有妙方。

　　生物體的凍干工藝已經(jīng)提到了日程上,本校將灰鼠皮膚去毛凍干后在沈陽藥科大學(xué)做藥理實驗證明了與新鮮皮膚的藥理作用相同, 復(fù)水后在生物顯微鏡下做組織觀察, 與鮮皮細胞組織基本相同。現(xiàn)正在國家自然科學(xué)基金的資助下,與中國醫(yī)科大學(xué)合作開展家兔角膜的凍干實驗研究。

4、凍干理論的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　真空冷凍干燥技術(shù)的理論研究可概括為低壓低溫傳熱傳質(zhì)的理論研究,非穩(wěn)態(tài)流場的理論研究和熱物性參數(shù)與其測量方法研究三大部分。其中低壓低溫傳熱傳質(zhì)的理論研究進行得比較早,效果比較明顯,目前公認的凍干模型可歸納成三種:一種是1976 年Sandall 等提出的冰界面均勻后移的穩(wěn)態(tài)模型(URIF) ; 另一種是1968 年Dryer [6 ]等提出的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型; 第三種是1979 年Litchield 等提出的吸附- 升華模型。這幾種模型都可以描述凍干過程,但又都存在著不足,描述傳熱過程比較準(zhǔn)確,描述傳質(zhì)過程誤差較大。主要問題是在傳質(zhì)過程中要發(fā)生固- 汽相變,水蒸氣在多孔的通道中傳遞,通道長度要隨時間不同而變化,是非穩(wěn)態(tài)過程。多孔通道的結(jié)構(gòu)尺寸還與預(yù)凍速度、被凍干物料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)等有關(guān)。從近幾年的研究報道中還沒有見到有新的突破。凍干過程傳熱傳質(zhì)的理論研究重點是研究發(fā)生在被凍干物料內(nèi)部的過程。非穩(wěn)態(tài)流場的理論研究,重點是研究物料之外、凍干機之內(nèi)的低壓低溫空間環(huán)境。描述該空間環(huán)境的參數(shù)有溫度、壓力、濕度等,這些參數(shù)形成的溫度場、壓力場、濕度分布等都是隨時間變化的非穩(wěn)態(tài)流場,這些非穩(wěn)態(tài)流場的模擬方法至今還是個難題。凍干機捕水器中的非穩(wěn)態(tài)流場中又增加了一個汽- 固相變的問題,使研究更加復(fù)雜化。因此,近幾年雖然有人研究并發(fā)表了論文,但都沒有形成有效的理論,仍然是值得深入研究的課題之一。無論是傳熱傳質(zhì)理論研究還是非穩(wěn)態(tài)流場理論研究,都需要一些熱物性參數(shù),例如被凍干物料的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)、水分含量等。由于被凍干物料是各種各樣的,無法查找這些數(shù)據(jù),需要自己測量。測量時采用什么方法、什么儀表、什么原理等都是研究的課題。還有一類熱物性參數(shù)測量更是比較困難,這就是在低溫低壓下濕空氣和霜層的特性參數(shù)。例如,在真空條件下霜層的密度、厚度、導(dǎo)熱系數(shù)等都隨時間、溫度、壓力而變化,研究工作相當(dāng)困難,進展緩慢。

5、結(jié)束語

　　從上述分析可見,凍干技術(shù)發(fā)展很快,存在問題也不少。邁向21 世紀(jì)的凍干技術(shù),除了在設(shè)備、工藝和理論方面開展更新、更好、更深入地研究之外,還有待于開拓市場。目前凍干產(chǎn)品銷售情況不景氣, 除國際市場受東南亞經(jīng)濟危機的影響外, 也受凍干產(chǎn)品質(zhì)量和品種的制約。國內(nèi)市場受凍干產(chǎn)品的價格限制,也受新鮮果蔬生產(chǎn)和保鮮技術(shù)的沖擊。開拓市場的方向應(yīng)該是上品種、重質(zhì)量、降價格、面向國外。凍干技術(shù)還需開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域,生命科學(xué)、材料科學(xué)等都是凍干技術(shù)的交叉學(xué)科,是很有發(fā)展前途的領(lǐng)域,應(yīng)該作為開發(fā)應(yīng)用新領(lǐng)域的首選范圍。

參考文獻

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