凍干技術,即真空冷凍干燥技術,其工作原理主要基于水在不同壓力和溫度條件下的相變特性,具體過程如下:
預凍結階段
目的:將物料中的自由水固化成冰,為后續的升華干燥做準備。
原理:把含有水分的物料(如食品、藥品等)放入低溫環境中,使溫度快速降低到物料的共晶點以下。共晶點是指物料中水分和其他溶質共同凍結的溫度。例如,對于純水來說,其冰點是0℃,但對于含有鹽分、糖分等溶質的食品物料,共晶點會低于0℃。在預凍結過程中,隨著溫度的下降,物料中的水分逐漸形成冰晶,這種冰晶結構有利于后期的升華干燥。
初級干燥(升華干燥)階段
目的:使物料中的冰直接升華成水蒸氣,去除大部分水分。
原理:將預凍結好的物料放入真空環境中,通常真空度要達到10 - 30Pa左右。在低氣壓下,冰的升華溫度降低。同時,通過加熱系統對物料進行適當的加熱,一般加熱溫度控制在物料的共熔點以下10 - 20℃左右。這樣,冰就會直接從固態升華為氣態的水蒸氣。因為是在真空環境下,水蒸氣能夠迅速地被抽出干燥室,從而實現物料的干燥。例如,當對凍干草莓進行升華干燥時,草莓中的冰在真空和適當加熱的條件下,直接變成水蒸氣被去除,而草莓的固體成分則保留下來。
解析干燥(解吸干燥)階段
目的:去除物料中剩余的結合水,進一步降低物料的含水量。
原理:在初級干燥階段后,物料中還含有少量的結合水。此時,適當提高加熱溫度,破壞物料對水的吸附力,使結合水能夠解析出來。這個溫度提升幅度要根據物料的性質來確定,不能過高,以免影響物料的品質。例如,對于一些生物制品,過高的溫度可能會導致蛋白質變性等問題。在解析干燥階段,繼續維持真空環境,使解析出來的水蒸氣能夠被抽出,直到物料的含水量達到規定要求(一般小于5%)。
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