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冻干原理

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真空冷冻干燥
1 原理
利用冰晶升华的原理，在高度真空的环境下，将已冻结了的食品物料的水分不经过冰的融化直接从冰固体升华为蒸汽，一般的真空干燥物料中的水分是在液态下转化为汽态而将食品干制，故冷冻干燥又称为冷冻升华干燥。
2 冷冻干燥条件
根据水的三相图，曲线OA为汽化曲线，曲线OB为升华曲线，OD为液化曲线，在三条曲线相交的O点上是固、液、汽三相共存的三相点，其温度为0.01℃，压力为610 Pa，要使冰升华就应使温度和压力在BO线之下。在食品内的水必然会溶有溶质而成为水溶液，水溶液冻结时它则成为低共熔混合物。随着溶液浓度的增加，它的冻结点或熔点和它的水蒸汽压也相应下降。为此，食品冷冻干燥的基本条件为：
1) 真空室内的绝对压力＜500 Pa。
2) 冷冻温度＜- 4℃。
3 工艺参数
（1） 食品的冻结
自冻法：利用物料表面水分蒸发时从它本身吸收汽化潜热，促使物料温度下降，直至达到冻结点时物料水分自行冻结，如将真空干燥室迅速抽成真空状态，即压力迅速下降，物料水分就会因水分瞬间大量蒸发而迅速降温冻结。
预冻法：将食品在预冷库冷冻，再装入干燥室的方法。
冻结温度：- 45~ -30℃。
冻结速度：缓慢或者急速冻结。
（2） 冷冻干燥过程
1) 初级干燥（升华干燥）：在冻结后即冰晶体形成后，通过控制冷冻干燥机中的真空度和注意补充热量，冰晶体可快速升华，使食品中形成的全部冰被全部升华完毕。
升华温度：- 35~ -5℃，升华开始后，会吸收潜热使物料温度降到最低冻结点，此时温度应低于瘪塌温度，以产生最大量冰晶体。
水升华量：80 % ~ 90 %。
随着干燥的进行，食品中的冰由表向里逐渐减少，这样就出现了食品的冻结层和干燥层，两者之间的界面被称为升华前沿，即存在一个水分扩散过渡区（见下图）。

在干燥层中由于并升华后水分子外逸留下了原冰晶体大小的孔隙，形成了海绵状多孔性结构，这种结构有利于产品的复水性，但也限制了传热。为了加快升华，采用一些穿透力强的热能如辐射能穿透到冰层面升华界面上，有效加速干燥速率。
2) 二级干燥：当食品中的冰全部升华完毕，升华界面消失时，干燥进入另一个阶段，将剩余的未结冰的处于玻璃态的水分，通过补加热量使之加快运动而克服束缚从而外逸。
温度：＜ 玻璃态温度。
终点：在冷冻干燥过程中水分含量减少到2%。可以通过测定食品内温度或者重量测定。
4 冷冻干燥设备基本结构
1) 制冷机及其冷凝器（冷阱）——在真空度极低条件下保。证冻结物料顺利进行干燥的设施。
2) 圆筒形或箱形的干燥室——在干燥室内放有装载物料的托架，在上下等间距地安装搁板式辐射加热板，控制其稳定为40~150℃。

冻干技术适合应用于高附加值的食品原料、需要保持活性物质、高品质的食品如水果、蔬菜、菇类、肉类、咖啡、花粉等。

附：冷阱工作原理
在干燥过程产生大量的蒸汽，必须不断而迅速的排除。在食品冷冻干燥过程中，利用冷阱除去水蒸汽。一般冷阱安装在干燥仓和真空泵之间，因冷阱表面的温度低于物料升华界面的温度，即物料升华界面的蒸汽压大于冷阱内的蒸汽分压。物料中升华出来的蒸汽，向冷阱方向移动，在通过冷阱时大部分以结霜的方式凝结下来，剩下的一小部分蒸汽和不凝结性气体被其他真空泵抽走。
捕集器的结构形式如下图：

在真空冷冻干燥过程中，冷阱属低温运行状态，随着时间的延长，冷却排管表面的冰层厚度不断增加，而冰晶升华成水蒸汽的热量通过冰层和管壁传递给制冷机的传热热阻也在不断增加，当传热热阻达到一定值时，干燥仓内的温度升高，水蒸汽压力升高，升华界面温度升高，升华干燥收到影响。一般情况下，为了保证冷冻干燥的连续性，提高和强化升华速率，避免干燥收到影响，节省能耗，干燥设备采用连续除霜系统。

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