真空冷冻干燥过程中节能措施探讨

真空冷冻干燥技术起源于20世纪初,其理论基础是将含水物料冻结后,置于高真空下,并供给一定的热量,使物料中的水分不经液相直接从固相升华为水汽并排走,从而获得脱水干制品的一种方法。该方法已广泛应用于食品加工,该法特别适用于热敏性和易氧化的物料,能最大限度地保存食品的色、香、味和营养成分及物料原有的固体结构和形状;能避免一般干燥方法所带来的物料表面硬化现象且复水性好,保存期长,便于包装运输。

但真空冷冻干燥干燥速率低,干燥时间长,设备复杂,制造成本高,耗电量大,如冻干每吨小葱耗能1080kW·h[1]。所以产品价格昂贵;这就成为其扩大应用的主要障碍。因此,有必要对真空冷冻干燥本身进行研究改进以节约能源;从而降低成本,扩大其在食品加工方面的应用。

1.冻干能耗的组成部分

真空冷冻干燥的能耗主要由物料冻结、维持系统真空、升华干燥和升华蒸汽凝结这四部分组成。山西农业大学的姚智华[2]采用DD214型单相电度表,用计时的方法,对4种物料进行了测取,得到了各部分的能耗为:物料冻结2843kJ,升华干燥27303kJ,水汽凝结12514kJ,维持真空14220kJ,见图1。由图1可见,物料冻结的能耗只占5%。干燥过程中维持系统真空的能耗与捕集升华蒸气的能耗相当,而升华干燥过程的能耗占到了整个干燥过程能耗将近一半,这一过程的能耗主要以加热耗电为主,干燥过程的能耗占到了总能耗的95%。

2.节能方法的探讨

从工艺上改进

对固体物料进行切块或穿刺处理对形状要求不高的固体物料,必须进行切块、切条、切片或切丝处理;处理后,缩短了热量向物料中心传递和水分从升华接口向外表面转移的距离,增加了物料和加热介质的接触面积以及水分从物料表面向周围空间的散逸面积;可大大加快冷冻干燥速率。而对于冻干后形状要求较高的固体物料,由于不允许切片或切块,物料的平均厚度又较大,可以进行穿刺处理,有助于物料内部的水蒸气向外逸出。

调整液态物料的浓度液态物料如调味品、生物提取液、人参蜂王浆等冻干时,由于这些原料含较多的胶体物质,当浓度较高时,适当降低物料的浓度就有助于提高冻干速率。当然,物料的浓度也不宜太低,否则会因除去的水分太多而增加能量消耗,而且物料浓度太低时,由于已干层不能形成连续的结构,易使已干层发生结构崩塌或灰散的现象,造成水蒸气扩散孔道堵塞,反而会降低冻结速率。

采用反渗透预脱水再真空冻干对液态食品原料,可联合使用半渗透膜反渗透和真空冷冻干燥。在冻干前,先将食品进行反渗透预脱水,然后再进行真空冷冻干燥;该方法得到的冻干产品不仅成本低,而且质量高。该技术适用于果汁、菜汁等的浓缩。

采用真空冻干与热风干燥组合的干燥技术Kruger教授提出,联合使用真空冻干与热风干燥可大幅度降低能耗,他认为先真空冻干再通风干燥这项技术的关键在于真空冻干的多孔干层厚度不使随后在通风干燥中内部融化的汁液溢出表面,堵塞表面多孔结构而增加传质阻力。

先采用普通热干脱水再进行真空干燥该方法经实验验证,AD(热风干燥)+FD(真空冷冻干燥)产品整体质量差,四周类似AD产品,中间类似FD产品,形状丑陋。分析原因:先AD干燥失水时,物料已经发生卷曲、变褐,剩余水分停留在物料中心;而FD干燥有保持物料形状和颜色等特点,所以用FD除去停留在物料中的水分后,其产品中心部分能保持FD进料时的形状和颜色,使得AD+FD成品四周(表层部分)类似AD成品而心部类似FD成品的特点,成品感官质量较差[3]。

先真空冻干再通风干燥先真空冻干后通风干燥能获得风味较浓的产品。经试验验证,FD+AD联合干燥的样品细胞与完全真空冷冻干燥的样品细胞有相似的特征,除有较少的细胞壁裂开和细胞结构稍有放大外,其余细胞均较清晰完整。从细胞结构状态说明FD+AD联合干燥的样品接近完全真空冷冻干燥的样品,且联合干燥总的能耗比完全冷冻干燥降低了20.79%[3]。

真空度的控制作为冻干的一个重要参数,真空度由冷阱温度决定。对于辐射2传导加热法,在升华干燥阶段,真空度越高即冷阱温度越低越有利于水汽的凝结;可以缩短冻干时间和降低冻干能耗[4],而且可得到高质量的冻干制品,所以在升华干燥阶段,应使真空度高一些;但过高的真空度并不会缩短冻干时间,而且会增加制冷能耗;生产上一般取-40～50℃。而在解析干燥阶段则应降低冻干室的真空度提高压强,即升高冷阱温度,较高的压强可以提高传热和传质,从而缩短冻干时间降低冻干能耗。

加热温度的控制加热温度的控制包括冻结层和已干层的温度控制。控制冻结层温度的原则为:在保证物料不发生融化(在低共熔点以下)的情况下,温度越高越好。对于已干层,要防止脱水多孔层在温度过高时出现崩解或变性,对已干层温度的控制原则是:在不使物料变性或已干层结构崩解的前提下,尽量采用较高的干燥温度,以缩短干燥时间,一般应取在70℃左右[5]。

真空冷冻干燥系统它的主要设备有压缩机、真空泵、加热系统和干燥仓等。压缩车一般配有一台大型压缩机和两台小型压缩机,功率分别为13.2kW和7.5kW(其中一台7.5kW压缩机起备用作用,采用液氨制冷)。真空泵有两台,每台都由旋片式真空泵和罗茨真空泵组装而成,功率为13kW。在冷冻阶段,先开动一台7.5kW的小型压缩机,当物料通过其冰晶最大生成带的时候,所需的冷量很大,这时应增开一台13.2kW的压缩机。在通过冰晶最大生成带以后,所需的制冷量相对较少,应使13.2kW的压缩机停止工作。在冷冻末期,可以偶尔关掉压缩机,只需保温即可。而在干燥阶段初期,应使压缩机和真空泵全负荷运行。当进行到干燥中期时,只需一台7.5kW的压缩机和一台真空泵工作即可。当进行到干燥末期,即冻干结束前的1h左右,可以关掉全部压缩机。经山西农业大学的姚智华进行的实地实验验证(冻干物料为双孢菇),与未采用节能方法的试验进行比较发现,压缩机节约电能77.2kW/h,真空泵节约电能32.5kW/h,相比节能可达9.2%,冻干时间几乎没有差别,冻干成品相当,说明对压缩机和真空泵进行节能操作既能达到节能的目的,又能保证冻干生产率和冻干成品质量[2]。

采用新型冻干技术

常压吸附流化冷冻干燥技术常压吸附冻干技术是在20世纪50年代即由Meryman提出,基本原理是用高性能的干燥剂吸附升华出来的水蒸汽,使冻结后的食品在常压下靠蒸气分压差达到升华干燥目的。与流态化技术结合后,物料在与吸附剂的强烈混合接触中获得了良好的传热、传质条件,从而有利于干燥过程的进行。干燥过程中吸附剂(胶化淀粉)产生的吸附热成为干燥热源,替代了真空冷冻干燥所需的外来热源,且吸附2流化冷冻干燥的制冷能耗远低于真空冷冻干燥,主要是因为改变了水汽捕捉方法;吸附流化冷冻干燥以吸附剂吸收水汽,不需额外制冷,因而可节省大量的制冷电能。

控制冰点真空干燥法控制冰点真空干燥法(Con2trolledLow2TemperatureVacuumDehydration)是1989年由V.AN2ERLKing[15]等根据目前采用的控制冰点食品保存法的原理(ControlledFreezing2PointFoodStorage),提出并试验了控制冰点真空干燥法。它利用冻干与真空干燥的各自优点,在食品温度上严格控制其接近冰点,但不能结冰,这样不但节省了制冷能耗,更避免了食品的热变性问题,也避免了相变过程中对生物细胞的破坏。他们用蛤肉汁作试验材料,得出产品质量接近于冻干,但远优于真空干燥,比真空冻干节能约30%,节约成本约40%[15]。

采用循环压强法强化传热和传质Mellor.J.DandD.F.Greenfield[17]通过理论分析和实验研究,发现采用周期性地提高和降低干燥室压强的操作力比传统稳定室压的操作方式可减少干燥时间。高压期,干燥层导热系数大,传热速率快,传入物料的热量比传质所需的热量多,结果使物料的温度升高而积蓄热量;低压期,干燥层导热系数小而传热系数大,此时传给物料的温度不足以供给冰的升华,高压期积蓄的热量就释放出来,从而使物料温度降低。这个过程的高低压转换都是在物料温度与当时的实际室压还未达到热力学平衡时进行的,其结果是高室压时的传热在高导热系数与高温差下完成;低室压时的传质在高传质系数与高蒸气压差下实现,这样就使热质的传递分别得到了极大的强化。由于循环压强法在操作复杂程度、设备投资方面远比最佳恒压法大,另外压强周期性的循环还会增加附加操作功耗,循环压强法只有在冻干速率比最佳恒压法有较大的优势时才有采用的价值。

从设备方面改进

在真空干燥箱内加装搅拌装置在真空干燥箱内加搅拌装置,如风机,可通过风机叶片的搅动促进气体分子的运动,增加气体分子的碰撞机会,从而提高气体分子的传热速率,同时还可以增加蒸汽分子向外扩散的速率,加速物料的干燥。

改变物料托盘的结构和导热性以利于传热和传质

物料托盘的改进有3个方面:一是托盘材料的导热性;二是料盘与物料的接触传热面;三是料盘内物料与外部的通气问题。选择导热性好的材料、将物料托盘由平板式改为网状托盘可有效地强化冷冻干燥过程。

改变捕水器的捕水方式一种新的捕水方法是将经过机械制冷的低温介质如甘油和水的混合物通过冷阱后喷

成雾状,利用雾滴的巨大表面积与水蒸气接触,使水蒸气几乎在瞬间发生冻结,提高冷阱的捕水能力,经分离冰晶并制冷后的低温介质可继续循环使用,这样就可克服传统的冷阱结霜过厚造成的影响。

采用微波冷冻干燥微波冷冻干燥具有如下优势:

①干燥快速,生产效率高;

②干燥质量高,并有杀菌作用;

③能量利用率高;

④复水性好。采用微波加热,可使升华干燥时间大大缩短,经实验对2.54cm的汉堡包冻干,所需时间仅为搁板加热冻干的1/9。尽管微波加热法具有这样明显的优点,但到目前为止还没有工业成功应用的例子[19]。

这是因为:

①产生微波形式能量的费用为蒸汽费用的10～20倍;

②微波加热有辉光放电趋势,辉光放电会引起干燥室内气体离子化,导致食物的有害变化和加热有效功率损失;

③微波加热干燥过程很难控制,如果所需供热量有剩余,升华接口温度将上升,导致接口有少量冰融化,而水的介电常数比冰的介电常数大很多,水将吸收更多的热量使升华接口温度上升,导致更多的冰融化,产生链式反应而导致干燥失败。

运用变频调速技术变频调速指利用变频器是将频率固定(通常为工频50Hz)的交流电(三相的或单相的)变换成频率连续可调的三相交流电源,进而调节电机的速度,以达到需要的工作模式。在真空冷冻干燥系统中,包括制冷系统、真空系统、加热系统、干燥系统、水冷系统等,每一个系统都可以用变频器控制。针对不同的工作环节,传感器回馈给变频器不同的参数值,与预置的给定值相比较来调整电机的转速,达到系统需要的控制要求,使控制的质量更高,从而节约能源,降低冻干成本。

3.展望

真空冷冻干燥的节能潜力还相当巨大,有待食品行业的探索者们不断的努力寻找有效的节能措施,相信经过广大食品科学研究者的不懈努力,冻干食品的成本必将大幅度下降,产品价格也会降到人们能够承受的范围,冻干食品作为方便食品的一员也将逐步走进寻常百姓的日常生活中。