1.3 真空冷凍干燥的基本工藝過程

真空冷凍干燥過程主要分為冷凍、升華干燥和解析干燥三個階段。

真空冷凍干燥過程的第一步就是預(yù)凍結(jié)。預(yù)凍結(jié)是將物料中的自由水固化，使干燥后產(chǎn)品與干燥前有相同的形態(tài)，防止抽真空干燥時起泡、濃縮、收縮和溶質(zhì)移動等不可逆變化產(chǎn)生，減少因溫度下降引起的物質(zhì)可溶性降低和生命特性的變化。凍結(jié)過程關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)是凍結(jié)速率、凍結(jié)溫度和凍結(jié)時間，這些參數(shù)不僅影響干燥過程所需時間、能耗，還影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。

升華干燥也稱第一階段干燥。是將凍結(jié)后的產(chǎn)品，通過抽真空使其冰晶直接升華成水蒸氣逸出物料，從而使產(chǎn)品脫水干燥，升華干燥過程中還要不斷加熱，補充水蒸氣所需的升華熱。干燥是從物料外表面開始逐步向內(nèi)推移的，冰晶升華后殘留下的孔隙便成為升華水蒸氣的逸出通道。已干燥層和凍結(jié)部分的分界面稱為升華界面。當(dāng)全部冰晶除去時，第一階段干燥就完成了。

解析干燥也稱第二階段干燥。在第一階段干燥結(jié)束后，在干燥物質(zhì)的毛細(xì)管壁和極性基團(tuán)上還吸附有一部分水分，這些水分是未被凍結(jié)的。當(dāng)它們達(dá)到一定含量，就為微生物的生長繁殖和某些化學(xué)反應(yīng)提供了條件。實驗證明∶即使是單分子層吸附下的低含水量，也可成為某些化合物的溶液，產(chǎn)生與水溶液相同的移動性和反應(yīng)性。為了改善產(chǎn)品的貯存穩(wěn)定性，延長其保存期，需要除去這些水分。這就是解析干燥的目的。由于吸附水的吸附能量高，如果不給它們提供足夠高的能量，它們就不可能從吸附中解析出來。因此這個階段產(chǎn)品的溫度應(yīng)足夠高，只要控制在崩解溫度以下即可。同時，為了使解析出來的水蒸氣有足夠高的推動力逸出產(chǎn)品，必須使產(chǎn)品內(nèi)外形成較大的蒸汽壓差，因此該階段箱內(nèi)必須是高真空。第二階段干燥后，產(chǎn)品內(nèi)殘余水分的含量視產(chǎn)品種類和要求而定。目前終點判斷方法有壓力升高法、溫度趨近法、稱重法等。

1.4 真空冷凍干燥技術(shù)的特點

這里說的冷凍干燥技術(shù)的特點，是和普通干燥、真空干燥相比較而言的。凍干的特點可以用“高、低、貴、慢”四個字來概括。這里“高”是指干燥產(chǎn)品的品質(zhì)高，質(zhì)量好，“低”是指工藝溫度低，“貴”是指工藝運行費用高，“慢”是指工藝運行時間長，處理量小，效率低。

首先分析一下凍干技術(shù)的優(yōu)點，就是品質(zhì)高、溫度低這兩點。其實品質(zhì)高就是源自干燥溫度低。通常說，凍干作業(yè)直接帶來的優(yōu)點有∶

物料中的蛋白質(zhì)等熱敏性物質(zhì)不變性，生物物質(zhì)不會失去生物活性。因此在生物組織、菌種保存、醫(yī)藥生產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

揮發(fā)性成分損失很小。適合一些化學(xué)品，藥品和食品的干燥。

沒有變色變質(zhì)、表面硬化干裂、溶質(zhì)損失等現(xiàn)象，干燥產(chǎn)品質(zhì)量佳、品相好。

凍干作業(yè)溫度低，將物料凍結(jié)成固體帶來的優(yōu)點有∶

干燥產(chǎn)品能保持物料原有形狀，疏松多孔，呈海綿狀，具有良好的復(fù)水性能，適用于食品加工、濕文物修護(hù)、多孔材料制備和人工骨架以及生物標(biāo)本的制作等。

干燥產(chǎn)品能保持物料原有成分的均勻分布，粉體產(chǎn)品顆粒細(xì)小，比表面積大，化學(xué)活性強(qiáng)，適于制備粉體材料、電極材料等。

以上我們說的是凍干技術(shù)的優(yōu)點，下面分析凍干技術(shù)的缺點，就是“貴”和“慢”的問題。真空冷凍干燥的成本高是和其他干燥方式相比較而言，不僅比普通熱風(fēng)干燥、太陽能干等使用低成本熱源的干燥形式“貴”，就是和常規(guī)的真空干燥相比也是更“貴”。以處理單脫水量來計算，凍干法是所有干燥技術(shù)中Z“貴”Z“慢”的。同時冷凍干燥的設(shè)備制造或采購的成本也高。“慢”是指工藝運行時間長，處理量小，效率低。凍干技術(shù)成本高、速度慢有這樣幾方面原因∶

首先是升華干燥階段的能耗高，普通干燥（包括真空干燥）只需提供濕相成分的液—汽相變潛熱，比如由水變?yōu)樗魵獾钠瘽摕幔s2500kJ/kg），而凍干過程卻需要提供濕相分的固-汽相變潛熱，就是由冰變成水蒸氣的升華熱（高于2800kJ/kg），這實際上包括了由冰變水的融化熱和由水變水蒸氣的汽化熱。這一過程還包括物料固相成分的升溫顯熱，其量值取決于固相成分的熱特性和凍結(jié)溫度。

同時，在真空條件下，把那么多的熱量輸送到物料的升華界面成本也是很高的。真空環(huán)境本身有絕熱作用，在真空中的傳熱形式就非常受限。而更為困難的是要在小溫差下傳遞熱量，因為我們必須保證物料的凍結(jié)層部分不融化，已干層部分不過熱，所以我們需要謹(jǐn)慎地控制供熱過程，這樣，“慢”就成了Z明顯的特征。

我們這么說，還是在“傳熱控制”條件下的結(jié)論，也就是我們認(rèn)為整個升華過程中物料水分排出非常及時，不受水分在已干層中的傳質(zhì)過程約束。反之，如果物料的凍干是“傳質(zhì)過程”控制，就是升華出來的水蒸氣在物料已干層中的輸運很困難，那么我們還不敢盡力地供熱，要防止物料中升華出來的水蒸氣因為積存而重新凝結(jié)成液態(tài)水，導(dǎo)致已干層物料發(fā)生崩塌。所以凍干的升華過程普遍很慢。

與升華過程相對應(yīng)的另一方面是凍結(jié)過程的能耗，這包括兩個環(huán)節(jié)，首先是把常溫物料凍結(jié)至濕相成分的共晶點溫度以下，其次是把從物料中抽出的水蒸氣凝結(jié)在冷凝器盤管上。前者的有用能耗包括濕相成分的降溫顯熱、凝結(jié)相變潛熱和固相成分的降溫顯熱；后者的有用能耗則只有水蒸氣的凝華潛熱。這兩個過程也需要較多的能耗。需要強(qiáng)調(diào)的是，制冷機(jī)組供應(yīng)同樣量值的冷量要比供熱效率更低，尤其是冷凝器盤管，是整個系統(tǒng)的Z低溫度點，溫度越低，制冷系數(shù)越小，能耗越高。凍干方法的這些缺點，決定了它早期主要用于不得不用、附加值高和有獨特、效果的物料干燥上。一般而言，如果采用其他干燥方法能夠滿足產(chǎn)品的性能要求，就不必采用凍干工藝了。冷凍干燥技術(shù)要想持續(xù)發(fā)展，需要盡力解決“慢”和“貴”的問題。

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