一．概述

自然界中有很多食物，包括不再存活或停止生長(cháng)的動(dòng)植物和生物。在常溫下這些食物存放一段時(shí)間后會(huì )腐爛變質(zhì)，無(wú)法食用，造成驚人的浪費。主要是因自然環(huán)境中存在著(zhù)許多雜菌，包括霉菌，各類(lèi)食物內部普遍含有水分，霉菌在水分的滋養下會(huì )快速生長(cháng)繁殖，從而導致食物腐爛變質(zhì)。如果將食物中的水分去掉，霉菌就不能繁殖，食物就可以保存下來(lái)。人們通常將食物經(jīng)過(guò)煙熏火烤、風(fēng)吹日曬等方法處理過(guò)后再存放，原理就是去掉食物中的水分，使霉菌不再生長(cháng)繁殖，這樣干制處理過(guò)后的食物就可以長(cháng)時(shí)間存放了。

現今干燥食物仍然是儲存食物的主要方法之一，干燥方法有多種多樣，相應的干燥設備也有各種形式，如烘烤、熱風(fēng)、噴霧、微波、真空干燥設備等等，市場(chǎng)上各種干燥食品琳瑯滿(mǎn)目，但這些干燥食品還有些瑕疵，如體積縮小、顏色深暗、質(zhì)地堅硬、很難溶于水、食用時(shí)需在水里長(cháng)時(shí)間浸泡、其中的熱敏成分和營(yíng)養成分變質(zhì)和流失、口感差等等，仍然無(wú)法滿(mǎn)足人們對干燥食品越來(lái)越高的品質(zhì)要求。

隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步和生活水平的提高，一種新的干燥技術(shù)被發(fā)現并應用到食品加工上來(lái)，采用這種新的干燥技術(shù)所干燥的食品具有外觀(guān)、色澤和口感等各方面均與新鮮食物原料相近，熱敏成分和營(yíng)養成分保留完整，其內部組織呈多孔酥松狀，極易吸水，復水復原快速，方便食用，并可以長(cháng)期保存等特點(diǎn)，這種新的干燥技術(shù)被稱(chēng)為冷凍干燥技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)凍干技術(shù)，采用凍干技術(shù)所干制的食品簡(jiǎn)稱(chēng)為凍干食品。

凍干技術(shù)與普通干燥技術(shù)的區別在于，凍干技術(shù)是將含水物料中的水預凍結成冰，然后在缺氧的真空環(huán)境下直接將冰變成水蒸汽升華分離出去，整個(gè)干燥過(guò)程是在低溫和真空環(huán)境下完成的，沒(méi)有高溫氧化現象發(fā)生，物料的組織結構因冰架作用保持原狀沒(méi)有被改變，其內部熱敏成分和其他成分不會(huì )發(fā)生變質(zhì)和流失，其外觀(guān)、色澤等各方面性狀也不會(huì )發(fā)生改變。而普通干燥技術(shù)是將含水物料中的水以液態(tài)的形式蒸發(fā)分離出去的，其過(guò)程是在高溫和氧化反應中完成，所留下的干燥物會(huì )氧化變色變性，熱敏成分和其他成分會(huì )變質(zhì)流失，干燥物組織縮小變硬、復水復原困難?？梢?jiàn)采用凍干技術(shù)所干燥加工的凍干食品所具有的很多優(yōu)點(diǎn)是其他干燥食品所不具備的。凍干技術(shù)因其諸多優(yōu)點(diǎn)非常適合用于加工生產(chǎn)快速、方便、休閑、高營(yíng)養和應急等即食食品，凍干食品一問(wèn)世便受到消費者的歡迎，在旅游、休閑、宅經(jīng)濟、野外作業(yè)、應急救災、健康保健、軍事等領(lǐng)域獲得了推廣應用。

凍干技術(shù)最早產(chǎn)生于上世紀初, 科學(xué)家發(fā)現冰在特殊條件下可以不經(jīng)過(guò)液態(tài)水的過(guò)程就可以直接汽化消失，這一現象在物理學(xué)上稱(chēng)為水的升華。利用水的升華原理將某些動(dòng)植物、生物菌種等含水試驗品經(jīng)過(guò)凍結后再升華脫水干制，便可以保存很長(cháng)時(shí)間，效果非常好。這一升華原理被應用到工業(yè)生產(chǎn)上來(lái)便產(chǎn)生了凍干技術(shù)和凍干設備。由于早期工業(yè)技術(shù)比較原始，凍干設備所應用到的真空、制冷、傳熱、材料和自動(dòng)控制等技術(shù)達到凍干要求比較困難，導致凍干設備性能差，效率低，產(chǎn)量也低，生產(chǎn)一爐產(chǎn)品需幾天時(shí)間，且設備造價(jià)非常高，僅能生產(chǎn)的少量抗菌素、疫苗、血清及特殊生物藥品等急需產(chǎn)品。到了上世紀60年代，隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步和工業(yè)水平的提高，凍干設備性能有所改進(jìn)提高，凍干成本有所降低，在歐美、日本等發(fā)達國家開(kāi)始用凍干機生產(chǎn)凍干食品，主要品種包括蘑菇、大蒜、蔬菜、牛肉、海產(chǎn)品、速溶咖啡等等。到80年代中后期，我國也開(kāi)始用凍干機生產(chǎn)凍干食品，國產(chǎn)用于食品加工的凍干機最早產(chǎn)生于1986年，由遼寧省撫順市活性技術(shù)研究所研制完成，主要用于加工東北當地藥材和特產(chǎn)，如活性人參、活性鹿產(chǎn)品、速食山野菜及食用菌等產(chǎn)品，后期逐漸應用到各種食品上來(lái)。到90年代初，我國從日本、丹麥引進(jìn)了大型食品凍干設備，國內一些制造廠(chǎng)商也開(kāi)始生產(chǎn)制造凍干機，此后，凍干食品逐漸在國內普及開(kāi)來(lái)，國內生產(chǎn)的凍干機逐漸替代了進(jìn)口凍干機，凍干技術(shù)應用在我國有了長(cháng)足的發(fā)展進(jìn)步。進(jìn)入二十一世紀以后，由于凍干技術(shù)所應用的真空、制冷、傳熱、新材料和自動(dòng)控制等技術(shù)已經(jīng)達了到很高水平，凍干設備的性能、效率和產(chǎn)量成倍提高，凍干食品的價(jià)格也大幅度降了下來(lái)，逐漸能夠被消費者所接受。各類(lèi)凍干食品如蔬菜、水果、飲料、調料、方便快餐食品、小食品、水產(chǎn)、肉禽蛋、食用菌、中藥滋補品等產(chǎn)品在市場(chǎng)上層出不窮，琳瑯滿(mǎn)目。此外各種非食品類(lèi)凍干產(chǎn)品也陸續出現，如各種凍干花卉、化工催化劑、超微細材料、石墨烯和濃縮液制粉等?？梢?jiàn)凍干技術(shù)具有廣闊的應用空間和巨大的發(fā)展潛力，未來(lái)將迎來(lái)更快速的發(fā)展。

二，冷凍干燥原理

通常情況下，水在一個(gè)大氣壓（1x105Pa）環(huán)境下被加熱到100℃時(shí)即開(kāi)始沸騰蒸發(fā)，如環(huán)境壓力低于一個(gè)大氣壓（如高原地區）時(shí)，水不用加熱到100℃也會(huì )沸騰蒸發(fā)，如環(huán)境壓力繼續下降，降到610Pa以下時(shí)，水在0℃時(shí)就可以沸騰蒸發(fā)了。如環(huán)境壓力再下降，水就只有冰和汽兩種相態(tài)，液態(tài)水就不存在了，此時(shí)冰受熱后只能變成蒸汽，物料學(xué)稱(chēng)這一現象為“升華”。反之對在壓力低于610Pa環(huán)境中的水蒸氣降溫，水蒸汽就會(huì )凝聚在低溫物體表面結成冰霜，而不會(huì )冷凝成液態(tài)水，物理學(xué)稱(chēng)這一現象為“凝華”。

利用“升華”原理，將物料中的水由冰凍狀態(tài)直接變成汽態(tài)離開(kāi)物料就可以達到低溫干燥物料的目的，干燥后的物料會(huì )完好地保存原有的各種形態(tài)和性狀不變化。凍干設備就是根據升華原理來(lái)工作的。

凍干設備的干燥倉是一個(gè)真空容器，將被干燥物料放置在干燥倉內，先通過(guò)制冷方式將物料凍結，然后抽真空降低倉內壓力，當壓力低于610Pa后開(kāi)始對物料提供熱量，物料中的冰就會(huì )升華汽化逐漸離開(kāi)物料，最后變成干燥物料。這些離開(kāi)物料的水蒸汽利用物理學(xué)“凝華”原理被一臺溫度較低的金屬表面或稱(chēng)冷阱的裝置凝華成冰霜收集起來(lái)，干燥結束后再融化放掉，整個(gè)冷凍干燥過(guò)程就結束了。

三，冷凍干燥設備的主要結構

冷凍干燥設備是由干燥倉體、低溫捕集阱和制冷系統、真空系統、加熱系統、控制系統以及冷凍庫、物料運送、冷卻、壓縮空氣、蒸汽等輔助系統構成。

干燥倉

干燥倉是用于干燥含水物料的負壓密閉容器，可以承受一個(gè)大氣壓的外部壓力，所用材料為不銹鋼或碳鋼，使用碳鋼時(shí)倉內壁須襯以不銹鋼材料。干燥倉內部設有中空加熱擱板，擱板內循環(huán)以來(lái)自加熱器的導熱介質(zhì)，用以加熱凍結物料。干燥倉通常有兩種形式，一種是沒(méi)有凍結功能的干燥倉，物料凍結需要外置的凍結庫配合完成，倉內和庫內設有可供物料車(chē)行走的軌道，軌道分為吊軌或地軌兩種形式，可相互對接。另一種是有凍結功能的干燥倉，物料可直接在干燥倉內完成凍結，無(wú)需凍結庫配合。經(jīng)凍結后的物料在干燥倉的加熱擱板上不斷受熱，在真空環(huán)境下，物料中的冰便不斷升華變成水蒸氣逸出物料，最后使物料完全干燥。

冷阱

冷阱是用于捕集來(lái)自干燥倉中物料逸出水蒸氣的低溫捕集裝置，安裝在負壓鋼制密閉容器內部，和干燥倉聯(lián)通，可以在干燥倉后部、底部或側面。冷阱中安裝有低溫捕集器，低溫捕集器具有較低的工作溫度和較大的工作表面，依靠冷阱外部的制冷機維持工作。其工作溫度遠低于干燥倉中凍結物料的溫度，借助有較低溫度的低溫捕集表面將來(lái)自干燥倉中物料逸出的水蒸氣捕集起來(lái)，凍結成冰固定在捕集器表面，待干燥結束后再將捕集器表面上的冰融化掉并排除冷阱外，待下一次干燥。一般冷阱工作溫度在-40℃以下，從干燥開(kāi)始直到結束一直在不停地工作。

制冷系統

制冷系統由制冷壓縮機和輔助設施、零部件及控制器件組成，為凍結待干燥物料的冷凍庫和冷阱提供冷源。制冷壓縮機將制冷劑壓縮成高壓過(guò)熱氣體后經(jīng)冷卻系統冷卻成高壓液體，然后通過(guò)節流控制膨脹閥將高壓液體在蒸發(fā)器管道中變成低壓氣體蒸發(fā)吸熱實(shí)現制冷，往復循環(huán)。制冷壓縮機的壓縮方式分活塞式和螺桿式兩種，前者用于較小制冷量場(chǎng)合，后者用于較大制冷量場(chǎng)合。制冷系統的輔助設施及零部件材料有制冷劑冷卻裝置及節流膨脹閥、過(guò)濾器、壓力控制器和制冷劑等。制冷劑冷卻裝置分空氣冷卻、水冷卻和蒸發(fā)冷卻幾種方式，較小制冷量場(chǎng)合采用空氣冷卻或水冷卻方式，較大制冷量場(chǎng)合采用蒸發(fā)冷卻方式；節流膨脹閥有機械式自動(dòng)調節和電子調節兩種；過(guò)濾器用來(lái)過(guò)濾制冷劑中的雜質(zhì)和水分；壓力控制器用來(lái)保護制冷系統安全，防止因制冷系統壓力過(guò)高或過(guò)低造成壓縮機損壞；在制冷系統中循環(huán)的制冷劑有氟利昂或氨，氟利昂有R22、R404A、R502、R507等多種，前兩種比較常用，R22為普通制冷劑，R404A為無(wú)氟環(huán)保制冷劑，氨因有氣味和爆燃危險已很少使用。

真空系統

真空系統由真空泵機組、真空閥門(mén)管道、冷卻裝置及控制器件等組成，為干燥倉和冷阱獲得所需的真空環(huán)境提供保障。真空泵是靠機械零部件的相對運動(dòng)產(chǎn)生容積變化來(lái)實(shí)現抽吸空氣，機械相對運動(dòng)的方式有螺桿式、轉子（羅茨）式、滑閥式、旋片式等多種，各種方式抽吸空氣的能力不同，所達到的真空度也不同，只用一種方式難以達到凍干所需真空度要求，通常使用兩種以上不同真空泵組合在一起使用，如羅茨-螺桿機組、羅茨-滑閥機組、羅茨-旋片機組、羅茨-羅茨-水環(huán)機組等。真空泵的密封潤滑方式分油封潤滑和水封潤滑兩種，前者密封潤滑效果好，抽吸空氣能力強，但缺點(diǎn)是在凍干過(guò)程中潤滑油會(huì )混入大量水蒸氣，因潤滑變差易導致真空泵機件損壞，所以需要經(jīng)常更換潤滑油，增加設備維護和生產(chǎn)成本。后者密封潤滑效果和抽吸空氣能力差，需要多級組合才能達到使用要求，增加一次性投資成本，能耗高，優(yōu)點(diǎn)是不需要經(jīng)常維護和更換潤滑油。羅茨-螺桿機組中的螺桿真空泵不需要潤滑，也就不需要更換潤滑油，但該泵造價(jià)過(guò)高，運行過(guò)程升溫過(guò)快，其穩定性有待觀(guān)察。真空泵在使用過(guò)程中會(huì )生熱，需要冷卻裝置加以冷卻，一般以冷卻水循環(huán)方式為主。真空控制器件可以控制各真空泵啟停順序和真空度值，以滿(mǎn)足使用要求。一般工作真空度在10~100PA范圍內，可以交替變化，真空機組從干燥開(kāi)始直到結束一直在不停地工作，以維持必要的工作真空度。

加熱系統

加熱系統是用于對干燥倉中凍結物料進(jìn)行加熱的導熱介質(zhì)加熱控制循環(huán)系統，依靠電熱或蒸氣熱對導熱介質(zhì)進(jìn)行加熱，再用循環(huán)泵將加熱后的導熱介質(zhì)在干燥倉內擱板中進(jìn)行循環(huán)，以達到對懸置在干燥擱板中間的物料進(jìn)行加熱的目的，大型凍干機的加熱方式多為輻射式加熱，擱板與物料無(wú)接觸，擱板材料為不銹鋼或陽(yáng)極氧化鋁合金，陽(yáng)極氧化鋁合金材料輻射熱的能力優(yōu)于不銹鋼材料，多被采用。導熱介質(zhì)有水、導熱油、乙二醇混合液或硅油等多種，其中導熱油可獲得高達150℃的加熱溫度，乙二醇混合液或硅油多在干燥倉具有凍結功能的凍干設備中使用。干燥倉具有凍結功能的凍干設備擱板具有冷凍和加熱功能，物料可在擱板上采用接觸方式凍結和加熱。這種設備因能源消耗較高，效率低，操作笨重，無(wú)法大規模生產(chǎn)，只適合中小規模生產(chǎn)高價(jià)值物料，如藥品、生物制品等。加熱控制系統是對加熱溫度進(jìn)行控制的智能控制系統，依靠對電熱器通斷電控制或對蒸汽閥門(mén)開(kāi)閉控制來(lái)實(shí)現對導熱介質(zhì)的溫度控制。由于待干燥物料多種多樣，干燥過(guò)程各不相同，物料加熱過(guò)程程序，即物料干燥工藝曲線(xiàn)也不同。通常加熱過(guò)程是逐漸升溫-維持恒溫-逐漸降溫的曲線(xiàn)過(guò)程，各階段所需時(shí)間不同，總干燥時(shí)間不同，各階段加熱溫度和最高溫度都不同，因此需要根據具體物料的特點(diǎn)進(jìn)行具體工藝編程設計，物料干燥工藝曲線(xiàn)是經(jīng)反復工藝試驗摸索總結出來(lái)的，是凍干過(guò)程的核心。

控制系統

控制系統是對構成凍干機的各個(gè)系統進(jìn)行集中控制的智能控制系統，由各種繼電器、接觸器、過(guò)載保護器、溫度和壓力傳感器、電磁控制器、信號變送器、儀表、通斷開(kāi)關(guān)等電器元件及PLC編程控制器、模擬轉換器、擴展模塊、觸摸屏等組成，可以對壓縮機、真空泵、電加熱器、調控閥門(mén)等各種機電設備的啟停和運行狀況進(jìn)行控制和檢測，可以對超限超常狀況進(jìn)行報警提示和控制，可以根據預編的工藝曲線(xiàn)程序對制冷溫度、真空度和加熱溫度進(jìn)行智能調節控制，以適應各種物料干燥工藝要求，實(shí)現最佳干燥過(guò)程控制，生產(chǎn)出最佳凍干產(chǎn)品。

速凍庫

速凍庫用來(lái)對待干燥物料進(jìn)行預凍結，一般采用隧道式結構，尺寸和干燥倉相匹配，庫內設有可供物料車(chē)行走的軌道，可和干燥倉或其他車(chē)間內軌道對接，軌道可設為吊軌或地軌兩種形式。速凍庫內部設有強制冷風(fēng)設備可對庫內物料快速降溫凍結，凍結時(shí)間和溫度根據不同物料特點(diǎn)確定，一般凍結時(shí)間在3~8小時(shí)，凍結溫度在-18℃-40℃之間。

干燥倉具有凍結功能的凍干設備無(wú)需速凍庫。

物料運送系統

干燥倉沒(méi)有凍結功能的凍干設備需用物料運送系統運送物料，采用物料車(chē)形式將物料運送到干燥倉、速凍庫和各車(chē)間，將物料擺放在料盤(pán)中，然后放置在物料車(chē)料盤(pán)架上，可以節省人工擺放裝卸物料時(shí)間，提高工作效率，縮短干燥周期。物料車(chē)上設有軌道滑輪，可攜帶物料車(chē)和物料在干燥倉、速凍庫和各車(chē)間內的軌道上行走和停留。

冷卻系統

冷卻系統用于冷卻制冷壓縮機和真空泵在運行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，使制冷壓縮機和真空泵在允許溫度范圍內正常運行，防止過(guò)熱損壞。冷卻系統通常采用強制空氣冷卻和循環(huán)水噴淋冷卻兩種方式，大型凍干機則采用循環(huán)水蒸發(fā)冷卻方式。

壓縮空氣系統

壓縮空氣系統用于干燥機所配置的閥門(mén)、倉門(mén)、鎖緊機構、物料車(chē)運送機構等各動(dòng)力機構提供動(dòng)力源。

蒸汽系統

蒸汽系統在使用蒸汽作為加熱源時(shí)通過(guò)蒸氣為干燥擱板中的導熱介質(zhì)提供熱量。產(chǎn)生蒸汽的燃料通常為煤炭、天然氣、燃油、生物質(zhì)燃料或其他燃料，所產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)調節閥控制所需工藝溫度。

四， 冷凍干燥技術(shù)現狀和未來(lái)展望

冷凍干燥技術(shù)在我國食品行業(yè)中的應用起步較晚，初期主要凍干產(chǎn)品為水果類(lèi)、蔬菜類(lèi)、方便食品類(lèi)和肉類(lèi)水產(chǎn)類(lèi)等，近期凍干休閑食品、凍干湯料飲品、凍干早餐食品等甚至寵物食品紛紛涌現，應用范圍在逐年擴大，凍干技術(shù)也日趨成熟。

冷凍干燥技術(shù)雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些不足，凍干機長(cháng)期以來(lái)一直是采用間歇式作業(yè)，每干燥一爐都需經(jīng)過(guò)出爐、融霜、凍結、裝爐等過(guò)程，每爐干燥周期需20小時(shí)甚至更長(cháng)時(shí)間，且過(guò)程必須有人工參與，無(wú)法實(shí)現自動(dòng)化連續化生產(chǎn)作業(yè)，凍干成本是普通干燥的數倍，凍干產(chǎn)品價(jià)格昂貴，導致凍干技術(shù)在食品加工行業(yè)大規模普及應用和發(fā)展受到制約。因此降低成本仍是凍干技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。目前一些廠(chǎng)家正在努力探索，研發(fā)新型凍干機，未來(lái)將會(huì )有更新型的高效節能凍干機出現。

一種可實(shí)現無(wú)人操控的連續式凍干機正在由撫順市黎明低溫干燥設備有限公司開(kāi)發(fā)研制，目前正處在中試和產(chǎn)品定型階段。該機采用連續自動(dòng)進(jìn)出料方式，整個(gè)干燥生產(chǎn)過(guò)程無(wú)需人工參與，無(wú)人化作業(yè)，可全年不停機生產(chǎn)，工作效率大幅度提高，能源消耗和生產(chǎn)成本僅為普通凍干設備的三分之一。該機的問(wèn)世將徹底解決冷凍干燥機耗能大效率低下的問(wèn)題，凍干產(chǎn)品價(jià)格將大幅度下降，凍干技術(shù)應用范圍將進(jìn)一步擴大。

隨著(zhù)我國工業(yè)化的快速發(fā)展，高效節能無(wú)人化是未來(lái)工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，落后的靠人工值守的傳統生產(chǎn)模式將逐漸被取代，未來(lái)凍干技術(shù)也將向高效節能和智能化無(wú)人化方向發(fā)展，連續式凍干機將成為凍干行業(yè)的主要機型，冷凍干燥技術(shù)將向更寬更廣的范圍加速發(fā)展。