冷凍濃縮與冷凍干燥

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1、冷凍濃縮與冷凍干燥一、冷凍濃縮的原理冷凍濃縮冷凍濃縮：利用冰與水溶液之間的固液相平衡原理而實現(xiàn)分離的方法。采用冷凍濃縮時，溶液的濃度必須低于低共熔濃度。（一）冷凍濃縮中的相平衡冰點下降：：稀溶液：T0:純?nèi)軇┑谋c，K；w：濃度rm：溶解熱，J/kg冷凍濃縮溶液濃度必須低于低共熔點平衡相為冰晶和溶劑1—咖啡2—蔗糖3—蘋果汁4—葡萄糖5—果糖流體食品的凍結(jié)曲線（二）冷凍濃縮中的結(jié)晶過程冰晶顆粒大，結(jié)晶操作成本高；分離容易；溶質(zhì)夾帶損失少小，結(jié)晶操作成本低；分離困難；溶質(zhì)夾帶損失大最優(yōu)冰晶尺寸結(jié)晶形式結(jié)晶條件分離器形式濃縮液價值最主要因素在冰晶晶核形成的情況下，也不是所有冷

2、點所發(fā)生的晶核都能保存下來。在一定濃度的溶液中，與晶體成平衡的溫度（稱為平衡溫度）與晶體的大小有關(guān)，只有當(dāng)晶體直徑相當(dāng)大時，才等于溶液的冰點。小晶體的平衡溫度比大晶體低，所以與小晶體成平衡的溶液，其過冷度要大些。在一定的溶液過冷度下，與溶液成平衡的晶體直徑，稱為臨界直徑。一、冷凍干燥的原理冷凍干燥：使含水物質(zhì)溫度降至冰點以下，再使由水凝固的冰在較高真空度下直接升華而除去的干燥方法。冷凍干燥具有如下特點：（1）冷凍干燥在低壓低溫下進行，可以保留新鮮食品的色、香、味及維生素C等營養(yǎng)物質(zhì)，特別適用于熱敏性食品以及易氧化食品的干燥；（2）由于物料中水分存在的空間在水分升華以后基本

3、維持不變，故干燥后制品不失原有的固體框架結(jié)構(gòu)，保持原有的形狀；（3）升華時原來均勻地溶于水中的無機鹽就地析出，避免了因物料內(nèi)部水分向表面擴散時攜帶無機鹽而造成的表面硬化現(xiàn)象，制品復(fù)水后易恢復(fù)原有的性質(zhì)和形狀；（4）升華所需的熱可用常溫或溫度稍高的加熱劑提供，熱能利用的經(jīng)濟性好；（5）操作是在高真空和低溫下進行，需要有一整套高真空獲得設(shè)備和制冷設(shè)備，故投資和操作費用都大，生產(chǎn)成本高。（一）水的相圖技術(shù)裝備示意圖控制系統(tǒng)干燥箱捕水器真空系統(tǒng)制冷系統(tǒng)加熱系統(tǒng)（二）凍結(jié)速率對冷凍干燥的影響冰晶升華后留下的空隙是后續(xù)冰晶升華時水蒸汽的逸出通道，慢凍時形成的大而連續(xù)的六方晶體升華后形

4、成的空隙通道大，水蒸汽逸出的阻力小，因而制品干速度快；反之，速凍時形成的樹枝形和不連續(xù)的球狀冰晶通道小或者不連續(xù)，水蒸汽靠擴散或滲透方能逸出，因而干燥速度慢。因此，僅從干燥速率來說，以慢凍為好。但從干燥品質(zhì)來說，以速凍為好。（2）升華干燥:對物料進行供熱,使供熱僅轉(zhuǎn)變?yōu)樯A熱而不使物料升溫熔化。一般冷凍干燥采取的絕對壓強為0.2kPa左右。升華產(chǎn)生的大量水蒸氣以及不凝氣經(jīng)冷阱除去大部分水蒸氣后由其后的真空泵抽走。（1）物料的預(yù)凍:通過實驗確定合適的凍結(jié)速度，使物料組織造成的破壞小，又能形成有利于以后升華傳質(zhì)的冰晶結(jié)構(gòu)。（三）冷凍干燥過程（3）解吸干燥:在真空下提高物料溫度

5、，一般采用30~60℃。待物料干燥到預(yù)期的含水量時，解除真空，取出產(chǎn)品。1—干燥室2—產(chǎn)品3—熱板4—冷凝器（冷阱）5—真空系統(tǒng)6—制冷劑進7—制冷劑出8—加熱流體進9—加熱流體出（四）冷凍干燥中的傳熱和傳質(zhì)冷凍干燥物中水分分布主要組成清洗消毒二、冷凍干燥裝置（一）冷凍干燥裝置的主要構(gòu)成（1）預(yù)凍系統(tǒng)對固態(tài)物料，應(yīng)用最多的預(yù)凍手段為鼓風(fēng)式和接觸式凍結(jié)法。對液態(tài)物料，也可用真空噴霧凍結(jié)法進行預(yù)凍。凍結(jié)技術(shù)必須具備的條件1應(yīng)避免物料因凍結(jié)而引起破壞和損害；2確定低共熔溫度以及防止凍結(jié)層熔解；3控制凍結(jié)過程的條件，使生成的純冰晶的形狀、大小、排列適當(dāng)；4凍結(jié)體的形態(tài)要好。蒸汽噴

6、射加熱流程1—水槽2—水泵3—蒸汽4—蒸汽噴射器5—加熱板6—真空泵（2）供熱系統(tǒng)供熱系統(tǒng)主要提供凍結(jié)制品水分不斷升華所需的熱量，其次是間歇性地提供低溫凝結(jié)器（冷阱）積霜熔化所需的熔解熱。傳熱方式主要采用傳導(dǎo)和輻射兩種。工廠常用噴射混合換熱法。加熱系統(tǒng)供熱不足：升華熱補充不上，造成凍干品溫度下降，飽和蒸氣壓隨之下降，在捕水器溫度不變情況下，水蒸氣驅(qū)動壓差減小。供熱過多：升華界面容易融化，此外，升華干燥層可能出現(xiàn)塌陷。接觸加熱法輻射加熱法微波加熱法接觸、輻射混合加熱法（3）蒸汽和不凝結(jié)氣體的排除系統(tǒng)多采用低溫冷凝器（冷阱）。物料中升華的水蒸汽在冷阱中大部分結(jié)霜除去后，還有部

7、分的水蒸汽和不凝結(jié)氣體必須通過真空泵抽走。這樣就構(gòu)成了冷阱—真空泵的組合系統(tǒng)。（二）冷凍干燥裝置的型式1．間歇式冷凍干燥裝置1—干燥箱2—冷阱3—真空泵4—制冷壓縮機5—冷凝器6—熱交換器7—冷阱進口閥8—膨脹閥凍干過程除自由水（游離水）除束縛水（結(jié)合水）凍結(jié)和干燥過程中物料的溫度和含水量變化的示意圖共晶點、共熔點共晶點是冷凍過程中全部結(jié)冰的溫度點，共熔點是升溫過程中的開始融化溫度點共晶點和共熔點的測定方法主要有電阻測定法、熱差分析測定法、低溫顯微鏡直接觀察法和數(shù)字公式計算法食品凍干工藝預(yù)處理裝盤速凍捕水器溫度降至－40℃以下