凍干機(jī)的詳細(xì)介紹

凍干機(jī)，全稱真空冷凍干燥機(jī)，是一種將含有大量水分的物料在低溫下凍結(jié)，然后在真空環(huán)境下使冰直接升華成水蒸氣，從而去除水分的干燥設(shè)備。以下是關(guān)于凍干機(jī)的詳細(xì)介紹：

一、結(jié)構(gòu)組成

1.凍干箱

這是凍干機(jī)的核心部分，物料放置其中進(jìn)行冷凍干燥。它是一個能夠密封的容器，內(nèi)部通常有多層擱板，用于放置物料托盤。擱板可以通過導(dǎo)熱介質(zhì)（如硅油）進(jìn)行溫度控制，實現(xiàn)冷凍和加熱功能。凍干箱一般由不銹鋼等耐低溫、耐腐蝕材料制成，以確保在低溫和真空環(huán)境下的穩(wěn)定性和密封性。

2.冷凝器（捕水器）

位于凍干箱和真空泵之間，主要作用是捕捉從凍干箱升華出來的水蒸氣。冷凝器的溫度極低，通常在 - 40℃至 - 80℃之間，水蒸氣遇到冷的冷凝器表面會迅速凝結(jié)成冰，從而實現(xiàn)與干燥空氣的分離。冷凝器的制冷系統(tǒng)通常采用壓縮機(jī)制冷或液氮制冷等方式，其結(jié)構(gòu)設(shè)計要保證有足夠大的冷凝面積，以提高捕水效率。

3.真空泵

用于抽取凍干箱和冷凝器內(nèi)的空氣，創(chuàng)造和維持真空環(huán)境。真空泵的性能直接影響凍干過程的效率和質(zhì)量，常見的真空泵有旋片式真空泵、羅茨真空泵等。在凍干過程中，真空泵需要持續(xù)工作，將系統(tǒng)內(nèi)的壓力降低到一定程度，使得冰能夠在低溫下升華。

4.制冷系統(tǒng)

包括凍干箱擱板制冷和冷凝器制冷兩部分。對于擱板制冷，通過壓縮機(jī)、膨脹閥、蒸發(fā)器等部件組成的制冷循環(huán)，精確控制擱板的溫度，實現(xiàn)物料的冷凍過程。冷凝器制冷則是通過獨立的制冷回路或與擱板制冷共用部分組件，將冷凝器溫度降低到合適的范圍，以保證水蒸氣的有效捕集。

5.加熱系統(tǒng)

主要用于為凍干過程中的升華階段提供熱量。在升華過程中，需要向物料提供足夠的熱量，使冰能夠在真空環(huán)境下升華。加熱方式通常有擱板加熱和輻射加熱等。擱板加熱是通過在擱板內(nèi)部設(shè)置加熱元件（如電加熱絲），將熱量傳遞給物料托盤；輻射加熱則是利用紅外線等輻射源直接向物料提供熱量。

6.控制系統(tǒng)

是凍干機(jī)的大腦，負(fù)責(zé)監(jiān)控和調(diào)節(jié)整個凍干過程的參數(shù)。它可以設(shè)定和控制凍干箱的溫度、冷凝器的溫度、真空泵的工作狀態(tài)、加熱功率等多個參數(shù)。通過傳感器實時采集溫度、壓力等數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的程序和算法進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，確保凍干過程按照設(shè)定的工藝曲線進(jìn)行。

二、工作原理

1.預(yù)凍階段

首先將物料放置在凍干箱的擱板上，啟動制冷系統(tǒng)，使擱板溫度迅速降低。物料中的水分在低溫下逐漸凍結(jié)成冰，這個過程一般要求溫度降到 - 40℃以下。預(yù)凍的速度和最終溫度對物料的結(jié)構(gòu)和凍干效果有很大影響，快速冷凍可以使冰晶細(xì)小，有利于保持物料的原有結(jié)構(gòu)和品質(zhì)。

2.初級干燥（升華干燥）階段

當(dāng)物料全部凍結(jié)后，啟動真空泵，將凍干箱和冷凝器內(nèi)的壓力降低到一定程度（通常在 10 - 100Pa 之間），創(chuàng)造真空環(huán)境。同時，通過加熱系統(tǒng)向擱板提供一定的熱量，使物料中的冰在低溫、真空條件下直接升華成水蒸氣。升華產(chǎn)生的水蒸氣在真空泵的作用下被抽到冷凝器中，遇到低溫的冷凝器表面凝結(jié)成冰，從而實現(xiàn)水分的分離。這個階段是凍干過程的關(guān)鍵，需要精確控制溫度、壓力和加熱速度等參數(shù)，以確保升華過程的順利進(jìn)行。

3.次級干燥（解吸干燥）階段

在大部分冰升華后，物料中還殘留有少量的結(jié)合水。此時需要進(jìn)一步提高擱板溫度，一般在 30 - 60℃之間，同時維持較低的壓力，使結(jié)合水從物料中解吸出來。這個階段的干燥速度相對較慢，需要較長的時間，直到物料的含水量達(dá)到預(yù)定的要求，通常在 1% - 5% 左右。

三、特點

1.優(yōu)點

? 保持物料品質(zhì)：由于凍干過程是在低溫、真空條件下進(jìn)行，物料的熱敏性成分不易被破壞，能夠很好地保持物料的原有形狀、顏色、香氣和營養(yǎng)成分等。例如，在食品凍干領(lǐng)域，凍干后的水果、蔬菜能保留其新鮮時的色澤和風(fēng)味，維生素等營養(yǎng)成分損失較小。

? 延長保存期限：凍干后的物料含水量極低，微生物生長和化學(xué)反應(yīng)受到極大抑制，因此可以大大延長物料的保存期限。例如，一些藥品和生物制品經(jīng)過凍干后，在合適的包裝條件下可以保存數(shù)年甚至更長時間。

? 方便運輸和儲存：凍干后的物料體積小、重量輕，而且由于去除了大部分水分，質(zhì)地疏松，便于包裝和運輸。例如，凍干的咖啡粉、奶粉等產(chǎn)品在運輸過程中不易破碎，且占用空間小。

2.缺點

? 設(shè)備成本高：凍干機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等多個部分，設(shè)備的制造和購置成本較高。同時，設(shè)備的運行和維護(hù)也需要專業(yè)的技術(shù)人員和一定的費用。

? 能耗較大：凍干過程需要在低溫、真空環(huán)境下長時間運行，制冷和真空泵的工作都需要消耗大量的電能。特別是在預(yù)凍階段和升華階段，對能源的需求較大，導(dǎo)致凍干的成本相對較高。

? 干燥時間較長：相比其他干燥方法，凍干過程較為復(fù)雜，包括預(yù)凍、升華干燥和解吸干燥等多個階段，尤其是次級干燥階段需要較長的時間，因此整體干燥效率相對較低。

四、應(yīng)用領(lǐng)域

1.食品加工行業(yè)

用于生產(chǎn)凍干水果、蔬菜、肉類、咖啡、湯料等食品。凍干食品具有保持原有風(fēng)味、營養(yǎng)豐富、方便食用等特點，受到消費者的廣泛歡迎。例如，凍干草莓可以作為休閑零食直接食用，也可以用于制作糕點、飲料等食品的原料。

2.制藥行業(yè)

是藥品和生物制品干燥保存的重要設(shè)備。許多注射用藥品、疫苗、酶制劑等需要通過凍干來保持其活性和穩(wěn)定性。例如，流感疫苗在凍干后可以在常溫下運輸和儲存，大大方便了疫苗的分發(fā)和使用。

3.生物工程領(lǐng)域

用于生物樣本（如細(xì)胞、微生物、蛋白質(zhì)等）的干燥保存。凍干后的生物樣本可以在較長時間內(nèi)保持其生物活性，便于學(xué)術(shù)研究和實驗室之間的樣本交流。例如，在基因工程研究中，凍干的基因載體可以方便地進(jìn)行儲存和運輸。

4.化工行業(yè)

用于一些熱敏性化工原料和產(chǎn)品的干燥。例如，某些高性能陶瓷粉末、催化劑等在生產(chǎn)過程中需要去除水分，但又不能承受高溫干燥，凍干機(jī)就可以提供合適的干燥解決方案。