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日常生活中,我們要干燥某樣?xùn)|西都是要加熱升溫,這樣才能使物體的水分更快地被蒸發(fā),從而使得物體被干燥,這個過程也叫脫水。
然而在制藥食品等行業(yè)上,有些產(chǎn)品由于高溫會破壞蛋白質(zhì)及微生物,使其成分結(jié)構(gòu)受到破壞或者降低其活性,因此一般不會使用烘干的形式進(jìn)行脫水,而是使用一種叫做凍干的技術(shù)進(jìn)行脫水。所謂凍干,就是在通過降溫將物質(zhì)中水分凍結(jié)為固體,然后在通過降低真空及輕加熱的方式,使得固態(tài)的水冰直接升華為水蒸汽而達(dá)到脫水的目的。相對加熱干燥的脫水方式,凍干有很多優(yōu)點,比如揮發(fā)性損失低、不用添加防腐劑保鮮(微生物的生長和酶的作用極低)、保持物質(zhì)結(jié)構(gòu)、保持物質(zhì)中活性成分、保持物質(zhì)中易氧化的成分等。因此,凍干技術(shù)在制藥、食品、科研等領(lǐng)域應(yīng)用極廣。
要使用凍干,那么就要用到凍干機(jī)了。一般來說凍干機(jī)主要由制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。當(dāng)然,這是主要部分,如果要細(xì)說那就很多了,各部分主要功能如下:
1、制冷系統(tǒng):顧名思義,就是用來給凍干機(jī)降溫的,是凍干機(jī)的核心部件,主要包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥(也叫膨脹閥)、管路、制冷劑等,其原理和空調(diào)、冰箱的制冷原理差不多。一般常用凍干機(jī)最低可降溫到-40℃~-55℃之間。
2、真空系統(tǒng):也是凍干機(jī)的重要組成部分,用于給凍干機(jī)抽真空的。主要由真空泵、羅茨泵、閥門、壓力控制系統(tǒng)、汽水分離器、管路等組成,一般凍干機(jī)極限真空在3pa左右。當(dāng)然,進(jìn)行凍干機(jī)選型的時候,并非極限真空度越低越好,滿足要求即可。另外,除了真空度外,真空速率(抽氣率)及真空泄漏率也是重要的指標(biāo)。
3、加熱系統(tǒng):主要用于升華過程補(bǔ)充熱量。如果升華過程不供給熱量,那么制品只有降低內(nèi)能來補(bǔ)償升華的吸熱。當(dāng)然,溫度控制對于凍干機(jī)是一個很重要的過程,要求控制精度很高,并保證制品溫度要低于其共晶點溫度某個范圍。
4、控制系統(tǒng):如同所有精密設(shè)備一樣,控制系統(tǒng)是整臺設(shè)備的靈魂。凍干機(jī)的一切操作幾乎都是通過控制系統(tǒng)完成,包括凍干機(jī)的自動降溫、抽真空、升溫等過程,控制相關(guān)參數(shù)跟隨理想干曲線的特性變化??刂葡到y(tǒng)一般包括控制器(PLC)、輸入輸出模塊、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、人機(jī)界面(HMI)等。
當(dāng)然,除此以上所述之外,凍干機(jī)還包括柜體、干燥箱、密閉門、電氣、在線清洗(CIP)和消毒系統(tǒng)(SIP)等,這些都是凍干機(jī)不可缺的部分。
凍干機(jī)的工作過程簡述如下:
1、預(yù)凍:在將相關(guān)制品放入凍干機(jī)后的第一個步驟,將制品冷凍到很低的溫度,一般為-30℃以下(比物料的共晶點低5~10℃),目的是將制品中自由水固化。預(yù)凍的速度根據(jù)制品性質(zhì)及需求選擇,冷凍速率會影響冰晶大小,冰晶大小又會影響后續(xù)干燥和干燥后產(chǎn)品溶解度,因此要注意選擇合適的降溫速率。冷凍到要求溫度后,保持一段時間,使制品徹底凍結(jié)
關(guān)鍵參數(shù):冷凍速度、冷凍溫度、冷凍保持時間。
2、升華干燥:這是凍干過程最重要步驟,主要是進(jìn)行抽真空,一般真空度為10~30Pa,使制品升華點降低。同時,在這個過程會給制品加熱,用于提供冰晶升華所需熱量??販匾蠛車?yán)格,必須保證升華溫度不能超過物料的共晶點,同時要低于干燥物料的崩解溫度。
關(guān)鍵參數(shù):真空度、控溫溫度及溫度分布、升華速率。
3、解析干燥(二次干燥):升華干燥完成后,就進(jìn)入解析干燥階段,主要功能是去除制品中游離水,提高脫水率。
4、后處理:實際是凍干過程結(jié)束了,后面的一些卸料出貨過程,至此整個凍干過程也就結(jié)束了。
凍干脫水一般來說都會比加熱干燥效果更好,當(dāng)然,并不是所有物質(zhì)都適合使用凍干干燥的。而且,相對傳統(tǒng)烘干,凍干也有一些缺點,主要包括:
1、除水外,一些易于揮發(fā)的化合物有效成分也會被升華帶走;
2、低溫下,有一些耐低溫的微生物可能沒有被殺死,它們的病原體會殘留產(chǎn)品中;
3、成本高,比傳統(tǒng)烘干成本高好幾倍。
凍干機(jī)價格一般不便宜,因此凍干機(jī)選型的時候有要注意的,確保選擇到合適的設(shè)備。制品價值的高低決定你所選用品牌的大小,一分錢一分貨這個道理大家都懂。在技術(shù)上,應(yīng)該關(guān)注的包括凍干機(jī)的式樣、參數(shù)是否符合需求(真空度、溫度、速率等)、容積大小、加熱方式、取得的認(rèn)證、驗證方面、元部件品牌參數(shù)等。不要貪便宜,最近國產(chǎn)凍干機(jī)興起,買了山寨的凍干機(jī),保證你驗證、使用過程中頭痛不已。當(dāng)然也不要盲目追求大品牌,在滿足要求上,選擇性價比高的。
上面就是對凍干機(jī)知識的一些簡述,希望可以幫到一些想了解這方面知識的新手。當(dāng)然想要精通凍干機(jī)使用、制造,就得下功夫鉆研。世上無難事,只怕有心人!