CN111365946B - 辅助加热的真空冷冻干燥装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于干燥技术领域，本发明公开了一种辅助加热的真空冷冻干燥装置，包括：制冷装置和真空室，所述的制冷装置与所述的真空室联通；加热架，所述的加热架位于真空室内，用于物料的加热；吸水罩，所述的吸水罩内部填充有吸水材料，所述的吸水罩表面设有吸水孔。本发明的冷冻干燥装置可以大大降低干燥耗能。

Description

辅助加热的真空冷冻干燥装置及方法

技术领域

本发明涉及干燥技术领域，具体涉及辅助加热的真空冷冻干燥装置及方法。

背景技术

本发明对于背景技术的描述属于与本发明相关的相关技术，仅仅是用于说明和便于理解本发明的发明内容，不应理解为申请人明确认为或推定申请人认为是本发明在首次提出申请的申请日的现有技术。

目前冷冻干燥技术在干燥加工的应用进行很多研究和报道，它与烘干、热风干燥法生产的相比，不仅酚类、维生素及热敏性成分等不受破坏，而且素、对羟基苯甲醇及其它风味物质也损失极少，能最大限度地保持鲜品的色、香、味、营养成分、外观及活性物质。

目前单纯的真空冷冻干燥生产存在的技术问题：生产周期长，能量消耗大，制约了冷冻干燥技术的工业化生产。很多情况下，由于生产周期长，在干燥的后期，随着冰晶的厚度增加，制冷效率急剧降低，造成能耗损失。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种辅助加热的真空冷冻干燥装置及方法，采用本发明的冷冻干燥装置可以大大节约能耗。

本发明第一方面的实施例提供了一种辅助加热的真空冷冻干燥装置，包括：

制冷装置和真空室，所述的制冷装置与所述的真空室联通；

加热架，所述的加热架位于真空室内，用于物料的加热；

吸水罩，所述的吸水罩内部填充有吸水材料，所述的吸水罩表面设有吸水孔。

进一步的，所述的吸水罩包括至少两层；

所述的吸水罩各层上均设有矩形通气口；

所述的吸水罩内壁上转动连接有通气口挡板，所述的通气口挡板与所述的吸水罩内壁通过转动轴连接，所述的转动轴方向为第一方向，在所述的吸水罩内壁上与所述的第一方向垂直的方向为第二方向；

在所述的第一方向上，所述的各层通气口的长度方向相同，所述的通气口挡板与所述的通气口长度相同；

在所述的第二方向上，所述的吸水罩上由内到外各层吸水罩的通气口长度依次递减；所述的通气口挡板的长度大于所述的吸水罩内壁上通气口的长度，且所述的通气口挡板可卡挡各层吸水罩上的通气口。

进一步的，所述的通气口挡板材质为弹性材料，在所述的第二方向上，所述的通气口挡板的长度比吸水罩内壁上通气口长度长1-5mm。

进一步的，所述的各层吸水罩之间间隔有气流通道。

进一步的，所述的通气口挡板的自由端设有用于观察的标记物。

进一步的，所述的吸水罩底部设有弹簧，所述的真空室上部设有挤压杆，所述的挤压杆与所述的吸水罩上端抵接，用于挤压所述的吸水罩。

进一步的，所述的吸水材料为氧化钙。

进一步的，所述的加热架的数量为至少两个；所述的加热架为功率可调的加热架。

第二方面，本发明实施例提供了一种辅助加热的真空冷冻干燥方法，采用上述的任一种装置进行冷冻干燥，包括如下步骤：

将待冻干的物料置于真空室内的加热架上；所述的物料为已冻结物料，中心温度小于0℃；

用吸水罩罩住所述的加热架，关闭真空室并将真空室抽真空至100Pa以下；

开启加热架加热。

进一步的，所述的加热架加热采用功率可调的加热架，设定初始功率为P，以每半小时降低10-15％P的速度降低加热功率。

本发明实施例具有如下有益效果：

通过吸收真空冷冻干燥过程中的水汽产生热量后并逐步释放用于上层物料干燥的方法，采用该方法不仅能够有效地降低30％的加热能耗而且更重要的是能够显著减少传统冷冻干燥过程出现的随着冷丼中冰晶的增厚而带来的制冷效率的降低的现象。该方法具有经济效益，值得在产业上推广。

传统的真空冷冻干燥的中需要热源，该方法充分利用了干燥过程中的水汽来制热，可以有效减少甚至免除热源的需求量，达到节能的效果。

传统的真空冷冻干燥过程，依靠真空冷冻室制冷将冻干过程中产生的水蒸气冻结成冰晶，以减轻真空压缩机的负担，但是随着制冷室中冰晶层的增厚，制冷效率将大大降低，造成了制冷机能耗的损失。该方法可以充分吸收了干燥过程中的水汽，有效地减少制冷时中冰晶的生产，保障了制冷机的效率。

通过吸水罩的方法，让热源更为均匀，避免了传统的底板加热架加热过程中单方向的加热方式，冻干的产品的均匀性更好，同时冻干的效率也大大提高。

附图说明

图1为本发明一实施例中辅助加热的真空冷冻干燥装置结构示意图；

图2为本发明另一实施例中吸水罩结构示意图；

图3为本发明另一实施例中辅助加热的真空冷冻干燥装置结构示意图；

图4为本发明另一实施例中通气孔挡板工作过程示意图；

图5为本发明另一实施例中通气孔挡板工作过程示意图；

图6为本发明另一实施例中通气孔挡板工作过程示意图；

图7为本发明另一实施例中辅助加热的真空冷冻干燥装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本申请进行进一步的介绍。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。不同实施例之间可以替换或者合并组合，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例获得其他的实施方式。

结合图1-7,一种辅助加热的真空冷冻干燥装置，包括：

制冷装置(包括冷冻室4和真空压缩机5)和真空室3，所述的制冷装置与所述的真空室3联通；

加热架2，所述的加热架2位于真空室3内，用于物料的加热；

吸水罩1，所述的吸水罩1内部填充有吸水材料，所述的吸水罩1表面设有吸水孔9。

通过吸收真空冷冻干燥过程中的水汽产生热量后并逐步释放用于上层物料干燥的方法，采用该方法不仅能够有效地降低30％的加热能耗而且更重要的是能够显著减少传统冷冻干燥过程出现的随着冷丼中冰晶的增厚而带来的制冷效率的降低的现象。该方法具有经济效益，值得在产业上推广。

传统的真空冷冻干燥的中需要热源，该方法充分利用了干燥过程中的水汽来制热，可以有效减少甚至免除热源的需求量，达到节能的效果。

传统的真空冷冻干燥过程，依靠真空冷冻室制冷将冻干过程中产生的水蒸气冻结成冰晶，以减轻真空压缩机的负担，但是随着制冷室中冰晶层的增厚，制冷效率将大大降低，造成了制冷机能耗的损失。该方法可以充分吸收了干燥过程中的水汽，有效地减少制冷时中冰晶的生产，保障了制冷机的效率。

通过吸水罩的方法，让热源更为均匀，避免了传统的底板加热架加热过程中单方向的加热方式，冻干的产品的均匀性更好，同时冻干的效率也大大提高。

在本发明的一些实施例中，所述的吸水罩1包括至少两层；多层吸水罩可以进行逐级吸收，吸收效果好；

所述的吸水罩1各层上均设有矩形通气口7；

所述的吸水罩1内壁上转动连接有通气口挡板10，所述的通气口挡板10与所述的吸水罩内壁通过转动轴101连接，所述的转动轴方向为第一方向，在所述的吸水罩内壁上与所述的第一方向垂直的方向为第二方向；

在所述的第一方向上，所述的各层通气口7的长度方向相同，所述的通气口挡板与所述的通气口7长度相同；

在所述的第二方向上，所述的吸水罩上由内到外各层吸水罩的通气口7长度依次递减；所述的通气口挡板10的长度大于所述的吸水罩内壁上通气口7的长度，且所述的通气口挡板可卡挡各层吸水罩1上的通气口。

这里要说明的是：采用通气口和通气口挡板配合来调节吸水过程，使逐级吸收可以实现自动调节，待第一层吸水饱和之后可以进行第二层吸水。

在本发明的一些实施例中，所述的通气口挡板10材质为弹性材料，在所述的第二方向上，所述的通气口挡板10的长度比吸水罩内壁上通气口7长度长1-5mm。对于长度，本申请不作具体限定，根据挡板材料不同，吸水材料的吸水能力不同和通气孔大小等因素，可以选用合适的长度差，可以使各层的吸水过程衔接即可。

在本发明的一些实施例中，所述的各层吸水罩1之间间隔有气流通道。在第一层吸水饱和后，挡板卡挡在第二层上，在第一层和第二层吸水罩之间设有气流通道，这样可以避开第一层(已饱和)的阻力，直接由气流通道进入第二层吸水罩进行吸收，以此类推。

在本发明的另一些实施例中，在所述的吸水罩1形成的内部空间内设有压力监测装置，压力监测装置与管理中心信号连接，当监测到内部压力达到预设值的时候就将通气口挡板10弹到下一层吸水罩上，这里通气口挡板10的打开是通过管理中心来控制的，可以理解的是，压力监测装置可以是压力传感器，管理中心可以是计算机、平板电脑或手机，当然，也可以是其他的管理工具。

在本发明的另一些实施例中，在所述的吸水罩1的各层内部设有湿度传感器，湿度传感器与管理中心信号连接，当监测到某层的吸水罩内部湿度达到预设值的时候，管理中心控制通气口挡板10弹到该层的外面一层吸水罩上，从而实现通气口挡板10的自动控制。

在本发明的一些实施例中，所述的通气口挡板的自由端设有用于观察的标记物102。设有标记物可以让工作人员更好地观察吸水过程，从而可以更好滴把握干燥过程和及时更换吸水材料。

在本发明的一些实施例中，所述的吸水罩底部设有弹簧6，所述的真空室上部设有挤压杆8，所述的挤压杆8与所述的吸水罩1上端抵接，用于挤压所述的吸水罩1。在抽真空过程一开始阶段中，吸水罩内的气体可由弹簧处顺利抽出，减轻初期的抽真空的负担，而在抽真空完成后，挤压弹簧，压紧后可以防止水汽跑出而影响吸水罩的吸水效果。

在本发明的一些实施例中，所述的吸水材料为氧化钙。

在本发明的一些实施例中，所述的加热架2的数量为至少两个；所述的加热架2为功率可调的加热架。

本发明实施例提供了一种辅助加热的真空冷冻干燥方法，采用上述的任一种装置进行冷冻干燥，包括如下步骤：

将待冻干的物料置于真空室3内的加热架2上；所述的物料为已冻结物料，中心温度小于0℃；

用吸水罩1罩住所述的加热架2，关闭真空室3并将真空室3抽真空至100Pa以下；

开启加热架加热，功率300～1000w/kg不等，但不仅限于该范围，可根据不同物料不同，甚至不加热。

在本发明的一些实施例中，所述的加热架加热采用功率可调的加热架，设定初始功率为P，以每半小时降低10-15％P的速度降低加热功率。

本发明公开了一种节能的辅助加热的真空冷冻干燥方法，通过吸收真空冷冻干燥过程中的水汽产生热量后并逐步释放用于上层物料干燥的方法，采用该方法不仅能够有效地降低30％的加热能耗而且更重要的是能够显著减少传统冷冻干燥过程出现的随着冷丼中冰晶的增厚而带来的制冷效率的降低的现象。该方法具有经济效益，值得在产业上推广。

其包括如下步骤：

1)将待冻干的物料(中心温度-40～-10℃)置于真空室中；2)在加热架上放置待冻干物料；3)罩上填充罩并锁上；4)开启真空压缩机抽真空至100Pa以下；5)开启加热架加热，功率300～1000w/kg不等，可根据不同物料不同；6)半小时后，以每半小时内功率降低50～200w/kg的速率(或按照初始功率的5～15％的速率)，逐步降低功率；7)加热功率输出到达0w/kg后，可根据具体物料情况，选择继续冻干1-6小时之后出仓，即可得到冻干片。采用本发明的方法生产周期可比原先的缩短，同时降低冻干能耗及成本，而且还充分保持新鲜的有效成分、营养成分、外观色泽不破坏并维持生品原状，与传统的冻干出来的产品并无区别。

一种节能的辅助加热的真空冷冻干燥方法，包括如下步骤：

1)将待冻干的物料置于真空室中；其物料应事先冻结，中心温度在-40～-10℃范围，但不仅限于该范围，理论上包括0℃以下的任何温度均可。

2)在加热架上放置待冻干物料；加热架可以是连续功率可调可加热的，但不仅限于连续功率可调可加热的，功率不可调节、不可加热的亦可。

3)罩上填充罩并锁上；罩子上下表面可以设计成网状的，或者孔状的，(如图2所示)可以透气，罩子里面有吸水材料，吸水材料为氧化钙，但不仅限于氧化钙，任何吸收水分可以放热的物质均可。如铁粉、氯化钠混合物等。为了便于使用，可将吸水材料装在带孔的网袋中，每次使用直接套入新的，冻干结束后，取出旧的即可。使用后的吸水材料袋可通过烘干达到重复使用的目的。所以罩子表面孔径应根据具体吸水材料性质及有无包装在网袋而定。罩子可以制成各种形状，如半球状、立方体均可。亦可以在此原理进行必要的衍生，如置于每层加热架的之上，将冻干物罩于其中。亦可以紧贴于加热板之下，对加热进行必要的补充。

4)开启真空压缩机抽真空至100Pa以下；为了让其更为节能，提高冷冻干燥过程中的抽真空的效率，可将如上的设计进行进一步优化，如图3，⑧所示，在罩子上增加一个螺旋挤压杆，罩子下方垫上轻质弹簧，或者类似具有方便空气流通的，可压缩的效果的物件亦可，在抽真空的前旋开开螺旋挤压杆，方便抽真空，待到真空度满足要求后，旋紧螺旋挤压杆，使得真空罩密闭。该设计不限于此，也可以通过的设置闭合开关的物件达到可以便于前期抽真空的操作，缓解抽真空阻力。。

5)开启加热架加热，功率300～1000w/kg不等，但不仅限于该范围，可根据不同物料不同，甚至不加热。

6)半小时后，以每半小时内功率降低50～200w/kg的速率(或按照初始功率的10～15％的速率)，逐步降低功率，但不仅限于该速率范围；随着干燥时间的增加，吸水材料层吸水亦逐渐增多，为了提高干燥的效率及减轻真空泵的负担，可在填充层中设置通气口7，进行逐层吸收(图4)。图4表示在罩子中每隔一段距离可以设置一段通气孔，在通气孔的底部有一端固定的活动板，该活动板材质为薄层碳纤维材料或其他具有较强的韧性的材料制成，活动端宽出罩边1-5毫米。当冻干开始时，如图5(a)所示，由于挡板的作用，物料生成的水蒸气将从罩的下表面的孔中经过，并被绝大部分充分吸收，很小部分由抽真空抽到冷冻室9中，凝结成冰，极小部分抽到外界。当下表面水分逐步饱和后，水分传递速度减慢，活动板受到真空泵的分压加大，薄层碳纤维容易变弯曲，并卡到第二层的填充层板上(第二层填充层通气口径应比底层窄，活动端宽出罩边1-4毫米)，如图5(b)所示。此时水蒸气便于从第二层通过并吸收后剩余小部分抽出。同样，

当冻干持续进行时，当底层逐渐饱和后，活动板受到真空泵的分压加大，薄层碳纤维再次变弯曲，并卡到填充层顶层的板上(顶层填充层通气口径应比中间层窄，活动端宽出罩边1-2毫米)，如图6(a)所示。同样地当物料充分吸收后水汽后，挡板将充分打开，如图6(b)所示。该通气孔的另外一个好处就是，可以便于清楚冻干的阶段以及填充层物料的干燥情况，在活动板的末端标记红色，当所有的或者大部分的红色出现在通气孔的顶端时，通过填充层的吸水量与物料的失水量的比例关系，生产者就可以以此判断出物料的干燥情况。

7)加热功率输出到达0w/kg后，可根据具体物料情况，选择继续冻干1-6小时之后出仓，即可得到冻干片。

实施例1

一种节能的辅助加热的真空冷冻干燥方法，包括如下步骤：

1)将香蕉片事先冻结，中心温度在-40℃，后置于真空室中；

2)在加热架上放置待冻干物料；

3)罩上填充罩并锁上；罩子里面有吸水材料，吸水材料为氧化钙。

4)开启真空压缩机抽真空至100Pa以下；

5)开启加热架加热，功率500w/kg。

6)半小时后，以每半小时内功率降低50w/kg的速率，逐步降低功率；

7)5小时候后，停止加热，继续冻干3小时之后出仓，即可得到冻干片。

实施例2

一种节能的辅助加热的真空冷冻干燥方法，包括如下步骤：

1)将酸奶冻先冻结，中心温度在-40～-30℃范围，后置于真空室中。

2)在加热架上放置待冻干物料；加热架可以是连续功率可调可加热的，但不仅限于连续功率可调可加热的，功率不可调节、不可加热的亦可。

3)每层加热架上罩上填充罩并锁上(如图2所示)；罩子里面有吸水材料，吸水材料为氧化钙。罩子可以制成各种形状，如半球状、立方体均可。

4)开启真空压缩机抽真空至100Pa以下；

5)开启加热架加热，功率1000w/kg，但不仅限于该范围，可根据不同物料不同，甚至不加热。

6)半小时后，以每半小时内功率降低70w/kg的速率，逐步降低功率，但不仅限于该速率范围；

7)加热功率输出到达8小时后，停止加热，选择继续冻干3小时之后出仓，即可得到冻干片。

实施例3

一种节能的辅助加热的真空冷冻干燥方法，包括如下步骤：

1)将速溶汤采用缓慢冻结的方式，即先迅速降温至0℃，之后在溶液冻结冰点附近缓慢降温，也可以采用波动降温，缓慢降温和波动降温的目的是让溶液冻结后生成较大的冰晶，冰晶的颗粒越大，后期干燥传热阻力越小，便于提高后续干燥速率。但冻结直至中心温度在-40～-30℃范围，后置于真空室中。

2)在加热架上放置待冻干物料；加热架可以是连续功率可调可加热的，但不仅限于连续功率可调可加热的，功率不可调节、不可加热的亦可。

3)每层加热架上罩上填充罩并锁上(如图2所示)；罩子里面有吸水材料，吸水材料为铁粉和氯化钠混合物。罩子可以制成各种形状，如半球状、立方体均可。

4)开启真空压缩机抽真空至100Pa以下；

5)开启加热架加热，功率1000w/kg，但不仅限于该范围，可根据不同物料不同，甚至不加热。

6)半小时后，以每半小时内功率降低50w/kg的速率，逐步降低功率，但不仅限于该速率范围；

7)加热功率输出到达10小时后，停止加热，选择继续冻干4小时之后出仓，即可得到冻干片。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上介绍仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种辅助加热的真空冷冻干燥装置，其特征在于，包括：

制冷装置和真空室，所述的制冷装置与所述的真空室联通；

加热架，所述的加热架位于真空室内，用于物料的加热；

吸水罩，所述的吸水罩内部填充有吸水材料，所述的吸水罩表面设有吸水孔；所述的吸水罩包括至少两层；

所述的吸水罩各层上均设有矩形通气口；

所述的吸水罩内壁上转动连接有通气口挡板，所述的通气口挡板与所述的吸水罩内壁通过转动轴连接，所述的转动轴方向为第一方向，在所述的吸水罩内壁上与所述的第一方向垂直的方向为第二方向；

在所述的第一方向上，所述的各层通气口的长度方向相同，所述的通气口挡板与所述的通气口长度相同；

在所述的第二方向上，所述的吸水罩上由内到外各层吸水罩的通气口长度依次递减；所述的通气口挡板的长度大于所述的吸水罩内壁上通气口的长度，且所述的通气口挡板可卡挡各层吸水罩上的通气口；

所述的通气口挡板材质为弹性材料，在所述的第二方向上，所述的通气口挡板的长度比吸水罩内壁上通气口长度长1-5mm；

所述的各层吸水罩之间间隔有气流通道；

所述的通气口挡板的自由端设有用于观察的标记物。

2.根据权利要求1所述的辅助加热的真空冷冻干燥装置，其特征在于，所述的吸水罩底部设有弹簧，所述的真空室上部设有挤压杆，所述的挤压杆与所述的吸水罩上端抵接，用于挤压所述的吸水罩。

3.根据权利要求1所述的辅助加热的真空冷冻干燥装置，其特征在于，所述的吸水材料为氧化钙。

4.根据权利要求1所述的辅助加热的真空冷冻干燥装置，其特征在于，所述的加热架的数量为至少两个；所述的加热架为功率可调的加热架。

5.一种辅助加热的真空冷冻干燥方法，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的装置进行冷冻干燥，包括如下步骤：

将待冻干的物料置于真空室内的加热架上；所述的物料为已冻结物料，中心温度小于0℃；

用吸水罩罩住所述的加热架，关闭真空室并将真空室抽真空至100Pa以下；开启加热架加热。

6.根据权利要求5所述的辅助加热的真空冷冻干燥方法，其特征在于，所述的加热架加热采用功率可调的加热架，设定初始功率为P，以每半小时降低10-15%P的速度降低加热功率。

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