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冷凍升華干燥原理

1.純水升華機理
物料中所含水分,有兩種存在方式:①游離水,即機械結合水和物化結合水。它主要以吸附和滲透方式存在于物料表面、毛細管、孔隙之中。②結構水,以化學(xué)結合形式存在于物品的組織中。冷凍升華干燥主要是升華游離水,而不是結構水。升華游離水,先是將其凍成冰,然后在真空中加熱升華。
圖一是水的相變圖,用來(lái)說(shuō)明物料中水的升華機理。水在不同溫度和壓力下,可以為氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)。
圖中OA線(xiàn)為水氣分界線(xiàn),OB為冰一水兩相分界線(xiàn),即為冰的融化線(xiàn)。0℃線(xiàn)為冰氣交界線(xiàn),在此線(xiàn)上冰,氣共存,即為冰真接由固相轉為氣相曲線(xiàn)。通常把這種由固相直接轉變?yōu)闅庀嗟默F象叫做升華。
圖中0點(diǎn),為固一液一氣三相共存點(diǎn),稱(chēng)做三相點(diǎn)或共晶點(diǎn)。純水三相點(diǎn)對應的溫度為0℃,此溫度下所對應冰面上的飽和蒸氣壓為Po=598Pa。物料中所含水,均為水溶液,其三相點(diǎn)溫度要低于純水的溫度。由圖可見(jiàn),在0點(diǎn)以上(圖中虛線(xiàn)以上),冰需轉化成水,水再轉化為氣,其過(guò)程是普通的蒸發(fā)干燥。只有在三相點(diǎn)壓力Po線(xiàn)以下,冰才能由固相直接轉變?yōu)闅庀,這就是升華。因而,若要得到凍干食品,其升華溫度必須低于三相點(diǎn)溫度。否則得到的是蒸發(fā)干操食品。
圖二為物品水分升華過(guò)程示意圖。其干燥過(guò)程是由周?chē)饾u向內部干燥,干燥層逐漸增厚,可看成多孔結構。升華熱由加熱體通過(guò)干燥層不斷地傳給凍結部分,在干操與凍結交界的升華面上,水分子得到加熱后,將脫離升華面,沿著(zhù)毛細孔跑到周?chē)h(huán)境中。而環(huán)境中的氣壓必須低于升華面上的飽和蒸氣壓Po,只有這樣才能造成一個(gè)水分子向外遷移的動(dòng)力。這憊味著(zhù)升華千操必須在真空環(huán)境中進(jìn)行。另外物料是處于凍結狀態(tài),需維持溫度低于三相點(diǎn);在真空環(huán)境下,此溫度易于保持。

變相圖升華圖
圖一:水變相圖 圖二升華干燥過(guò)程
2.食物中的升華速率
由上述可見(jiàn),真空冷凍升華干燥過(guò)程首先是把食物中的水凍結成冰,然后供給升華熱,使冰在三相點(diǎn)以下的溫度下升華。升華速率的大小,顯然與供給的熱流量及冰升華潛熱有關(guān)。
3.干冰層內水燕氣遷移速率
厚度很薄的物品,干操層對水蒸氣的遷移速率影響不大,升華出來(lái)的水氣能很快地穿過(guò)。若是體積較大的塊狀物體,特別是厚度較大的肉、魚(yú)或者粘稠膠體,干燥層對水蒸氣遷移速率影響較大。干燥層內的水氣壓力隨著(zhù)厚度的增加呈指數上升。水蒸氣遷移速率與干燥層內水蒸氣分壓有關(guān)。
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