1、 PAGE 60緒 論冷凍枯燥是將含水物質(zhì)，先凍結(jié)成固態(tài)，而后使其中的水分從固態(tài)升華成氣態(tài)，以除去水分而保存物質(zhì)的方法。這種枯燥方法與通常的曬干、烘干、煮干、噴霧枯燥及真空枯燥相比有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，如：它是在低溫下枯燥，不使蛋白質(zhì)、微生物之類產(chǎn)生變性或失去生物活力。這對(duì)于那些熱敏性物質(zhì)，如疫苗、菌類、毒種、血液制品等的枯燥保存特別適用。由于是低溫枯燥，使物質(zhì)中的揮發(fā)性成分和受熱變性的養(yǎng)分成分損失很小，是化學(xué)制品、藥品和食品的優(yōu)質(zhì)枯燥方法。在低溫枯燥過(guò)程中，微生物的生長(zhǎng)和酶的作用幾乎無(wú)法進(jìn)展，能最好地保持物質(zhì)原來(lái)的性狀。枯燥后體積、外形根本不變，物質(zhì)呈海棉狀，無(wú)干縮；復(fù)水時(shí)，與水的接觸面大，能快

2、速?gòu)?fù)原成原來(lái)的性狀。因系真空下枯燥，氧氣極少，使易氧化的物質(zhì)得到了保護(hù)。能除去物質(zhì)中 9599%的水分，制品的保存期長(zhǎng)?？傊?，冷凍枯燥是一種優(yōu)質(zhì)的枯燥方法。但是它需要比較昂貴的專用設(shè)備，枯燥過(guò)程中的耗能較大， 因此加工本錢高，目前主要應(yīng)用在以下一些方面：生物制品、藥品方面：如抗菌素、抗毒素、診斷用品和疫苗等。微生物和藻類方面：如酵母、酵素、原生物、微細(xì)藻類等。生物標(biāo)本、活組織方面：如制作各種動(dòng)植物標(biāo)本，枯燥保存用于動(dòng)物異種移植或同種移植的皮層、角膜、骨骼、主動(dòng)脈、心瓣膜等邊緣組織。制作用于光學(xué)顯微鏡、電子掃描和投射顯微鏡的小組織片。食品的枯燥：如咖啡、茶葉、魚(yú)肉蛋類、海藻、水果、蔬菜、調(diào)料、豆

3、腐、便利食品等。高級(jí)養(yǎng)分品及中草藥方面：如蜂王漿、蜂蜜、花粉、中草藥制劑等。其他：如化工中的催化劑，凍干后可提高催化效率 5-20 倍；將植物葉子、土壤凍干后保存，用以爭(zhēng)辯土壤、肥料、氣候?qū)χ参锷L(zhǎng)的影響及生長(zhǎng)因子的作用；潮濕的木制文物、淹壞的書(shū)籍稿件等用凍干法枯燥，能最大限度的保持原狀等。冷凍枯燥能保存食物很早就為人們所知。古代北歐的海盜利用干寒空氣的自然條件來(lái)枯燥和保存食物， 就是其中一列。但是，將冷凍枯燥作為科學(xué)技術(shù)還是近百年來(lái)的事。1890 年啊特曼Altmann在制作標(biāo)本時(shí)，為了防止標(biāo)本中的物質(zhì)在有機(jī)溶劑中溶解，造成不行逆損失，轉(zhuǎn)變過(guò)去用有機(jī)溶劑脫水的方法，承受冷凍枯燥法凍干各種器官

4、和組織。他的工作確立了生物標(biāo)本系統(tǒng)的凍干程序，這是凍干在制作生物標(biāo)本中的最早應(yīng)用。1909 年謝蓋爾Shackell將凍干引入細(xì)菌學(xué)和血清學(xué)領(lǐng)域。他承受了鹽水預(yù)凍，在真空狀態(tài)下，用硫酸做吸水劑，對(duì)補(bǔ)體、抗毒素、狂犬病毒等進(jìn)展凍干，其設(shè)備雖格外簡(jiǎn)陋，但卻是后世先進(jìn)凍干機(jī)的雛形。1912 年卡瑞爾Carrel首先提出用凍干技術(shù)為外科移植保存組織。1935 年第一臺(tái)商用凍干機(jī)問(wèn)世。1940 年凍干人血漿開(kāi)頭投入市場(chǎng)。其次次世界大戰(zhàn)中，由于需要大量的凍干人血漿和青霉素，因而凍干在醫(yī)藥、血液制品等方面的應(yīng)用得到快速的進(jìn)展。艾爾塞Elser、沸烙斯道夫Flosdorf、格雷夫斯Greaves和他們的同事們

5、，一方面進(jìn)展凍干根底理論的爭(zhēng)辯，一方面進(jìn)展裝置大型化、現(xiàn)代化的改進(jìn)，使凍干技術(shù)從試驗(yàn)室階段向工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品商品化進(jìn)展。戰(zhàn)后，凍干法又快速擴(kuò)展到各種疫苗、藥品等領(lǐng)域。1930 年沸烙斯道夫進(jìn)展了食品凍干的試驗(yàn)，1949 年他在著作中展望了凍干在食品和其他疏松材料方面應(yīng)用的前景。二次世界大戰(zhàn)后，英國(guó)食品部在啊伯丁Aberdeen的試驗(yàn)工廠也進(jìn)展了食品凍干的爭(zhēng)辯。他們?cè)诰C合了當(dāng)時(shí)的一些爭(zhēng)辯成果的根底上，于 1961 年公布了試驗(yàn)成果，證明凍干法用于食品加工是一種能獲得優(yōu)質(zhì)食品的方法。隨后在美、日、英、加等國(guó)相繼建立起凍干食品的工廠，到1965 年全球已有食品凍干工廠 50 多家，后來(lái)隨著越南戰(zhàn)斗的需

6、要，美國(guó)軍需定貨增多，加之凍干工藝的改進(jìn)，生產(chǎn)本錢的降低，在日、美等國(guó)食品凍干的進(jìn)展就更為快速?，F(xiàn)在凍干食品除在宇宙航行、軍隊(duì)、登山、航海、探險(xiǎn)等特別場(chǎng)合受到歡送外，在一般民用食品中也確立了穩(wěn)定的地位。1985 年僅日本就有 25 家公司生產(chǎn)凍干食品， 其總銷售額為 1700 億日元。隨著凍干技術(shù)的應(yīng)用和進(jìn)展，凍干機(jī)理和技術(shù)的爭(zhēng)辯也隨之進(jìn)展起來(lái)。1949 年沸烙斯道夫出版了他的世界上第一本有關(guān)凍干技術(shù)及理論的專著。1951 年和 1958 年先后在英國(guó)倫敦召開(kāi)了第一界和其次界以凍干為主題的專題爭(zhēng)辯會(huì)。后來(lái)國(guó)際制冷學(xué)會(huì)將冷凍枯燥列為 C1 委員會(huì)的學(xué)術(shù)內(nèi)容之一。經(jīng)過(guò)約半個(gè)世紀(jì)的進(jìn)展，凍干設(shè)備和技

7、術(shù)已趨于完善?，F(xiàn)代先進(jìn)的凍干設(shè)備不僅能能滿足各種凍干工藝加工的要求，在操作把握上已成功地承受了電子計(jì)算機(jī)全自動(dòng)把握；在工藝上制造了為改善加熱條件， 縮短凍干周期的循環(huán)壓力法，調(diào)壓升華法和監(jiān)控枯燥完畢的壓力檢查法；在醫(yī)藥品凍干中，可在真空條件下對(duì)小瓶自動(dòng)加塞，對(duì)安瓶的自動(dòng)溶封等。此外冷凍枯燥還應(yīng)用于非水溶液的枯燥。固然凍干技術(shù)還有很多尚待解決的問(wèn)題。如阻礙凍干技術(shù)更為廣泛應(yīng)用的最大障礙是生產(chǎn)本錢高，因此如何縮短凍干周期進(jìn)展能源的綜合利用、強(qiáng)扮裝置的功能，降低裝置的功能，降低設(shè)備造價(jià)都是凍干行業(yè)特別是食品凍干行業(yè)進(jìn)展學(xué)要解決的重要課題。在我國(guó)，解放前只在試驗(yàn)室用簡(jiǎn)易的凍干裝置進(jìn)展保存菌種的試驗(yàn)。1

8、953 年衛(wèi)生部所屬北京、武漢兩生物制品爭(zhēng)辯所先后安裝了大型凍干設(shè)備，邁開(kāi)了我國(guó)生物制品凍干工業(yè)化的第一步。后來(lái)在其他人用、獸用生物藥品廠、生化藥廠等制藥行業(yè)得到進(jìn)展，目前全國(guó)大約有 200 家左右的工廠和爭(zhēng)辯單位使用凍干機(jī)進(jìn)展生物制品、醫(yī)藥品的生產(chǎn)和爭(zhēng)辯。在食品凍干方面，60 年月后期在北京、上海、大連等地相繼建立了一些試驗(yàn)性凍干設(shè)備，70 年月中起在上海建立了年產(chǎn) 3000 噸的食品凍干車間。但是當(dāng)時(shí)我國(guó)的人民生活水平低，人們有愛(ài)吃穎食品的習(xí)慣， 凍干食品在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)不大；而當(dāng)時(shí)的“閉關(guān)鎖國(guó)”政策，凍干食品也未能打入國(guó)際市場(chǎng)，致使這些工廠相繼停產(chǎn)。現(xiàn)在除北京、福建、廣東、青島等地還在生產(chǎn)俏銷

9、的蘑菇、調(diào)料以外，食品凍干幾乎沒(méi)有進(jìn)展。我國(guó)可用于凍干加工的食品資源特別是土特產(chǎn)格外豐富，如豆制品、蘑菇、苔菜、獼猴桃、椰汁、大蒜、茶葉、蜂蜜等產(chǎn)品在世界上都是知名的。隨著黨對(duì)外開(kāi)放、對(duì)內(nèi)搞活政策方針的貫徹和我國(guó)人民食品構(gòu)造的轉(zhuǎn)變，食品凍干業(yè)在我國(guó)將會(huì)得到快速進(jìn)展。第一章 冷凍枯燥根底第一節(jié) 水和溶液的一些性質(zhì)一、水的狀態(tài)平衡圖物質(zhì)有固、液、汽三態(tài)。物質(zhì)的狀態(tài)與其溫度和壓力有關(guān)。圖1-1 示出水H2O的狀態(tài)平衡圖。圖中OA、OB、OC、三條曲線分別表示冰和水、水和水蒸汽、冰和水蒸汽兩相共存時(shí)其壓力和溫度之間的關(guān)系。分別稱為溶化線、沸騰線、和升華線。此三條線將圖面分成、三個(gè)區(qū)域，分別表示冰溶化成

10、水， 水汽化成水蒸氣和冰升華成水蒸氣的過(guò)程。曲線OB 的頂端有一點(diǎn) K，其溫度為374，稱為臨界點(diǎn)。假設(shè)水蒸氣的溫度高于其臨界點(diǎn)溫度 374時(shí)，無(wú)論怎樣加大壓力，水蒸氣也不能變成水。三曲線的交點(diǎn)O，為固、液、汽三相共存的狀態(tài)，稱為三相點(diǎn)，其溫度為 0.01，壓力為 610Pa。在三相點(diǎn)以下，不存在液相。假設(shè)將冰面的壓力保持低于 610Pa，且給冰加熱，冰就會(huì)不經(jīng)液相直接變成汽相，這一過(guò)程稱為升華。二、溶液及其結(jié)晶過(guò)程溶液一種或幾種物質(zhì)以分子或離子狀態(tài)均勻地分布于另一種物質(zhì)中，所得到的均勻的、穩(wěn)定的液體叫做溶液。構(gòu)成溶液的組分有溶質(zhì)、溶劑之分，習(xí)慣上將占較大比例的組分成為溶劑，占較少比例的組分稱

11、為溶質(zhì)，由水與其他物質(zhì)組成的溶液稱為水溶液一般將水溶液中的水成為溶劑，而不管其在溶液中比例的多少。為了說(shuō)明一種溶液，除了根本參數(shù)例如壓力、溫度外還需指出它的成分或濃度。表示溶液成分的方法很多，最常用的是用質(zhì)量成分表示。對(duì)于二元溶液即兩種組分組成的溶液，如用1、2 分別表示第一組分和其次組分的質(zhì)量成分，用 m1、m2 分別表示相應(yīng)的質(zhì)量，則溶液的溶點(diǎn)、沸點(diǎn)與溶質(zhì)溶劑的溶點(diǎn)、沸點(diǎn)均不一樣，且隨溶液的濃度不同而異。圖 1-2 為氯化鈉水溶液的溫度濃度圖。圖上的任意一點(diǎn)均表示溶液的某一狀態(tài)，例如點(diǎn) A 表示溫度為 t1，濃度為1 的氯化鈉水溶液。線 BE、CE 為飽和溶解度線，該線上的點(diǎn)所表示的溶液的

12、溶解度均處于飽和狀態(tài)，該線上部區(qū)域的點(diǎn)所表示的溶液的溶解度為未飽和狀態(tài)，其下部的為過(guò)飽和狀態(tài)，E 點(diǎn)稱為溶液的共晶點(diǎn)。溶液的結(jié)晶過(guò)程使?fàn)顟B(tài)為 A溫度 t1,濃度1的溶液冷卻，開(kāi)頭時(shí)濃度1 不變，溫度下降，過(guò)程沿 AH 進(jìn)展，冷卻到 H 以后，如溶液中有“種冰”或晶核，則溶液中的一局部水會(huì)結(jié)晶析出，剩下的溶液的濃度則上升、過(guò)程將沿析冰線 BE 進(jìn)展，直到點(diǎn) E，溶液濃度到達(dá)其共晶濃度，溫度降到共晶溫度以下，溶液才全部?jī)鼋Y(jié)。E 點(diǎn)成為溶液的共晶點(diǎn)。同理，假設(shè)使?fàn)顟B(tài)為 A的溶液冷卻，到達(dá) H后先析出鹽，然后沿析鹽線 CE，一邊析出鹽一邊溫度下降，直到共晶點(diǎn) E 才全部?jī)鼋Y(jié)。其過(guò)程線為 AHE。假設(shè)溶

13、液冷卻到平衡狀態(tài)時(shí)，溶液中無(wú)“晶核”存在，則溶液并不會(huì)結(jié)晶，溫度將連續(xù)下降，直到溶液由于外界干擾如植入“種晶”、振動(dòng)等或冷卻到某一所謂核化溫度Th e t，在溶液中產(chǎn)生晶核，這時(shí)其超溶組分才會(huì)結(jié)晶，并快速生長(zhǎng)，同時(shí)放出結(jié)晶熱，使溶液溫度升到平衡狀態(tài)。其濃度也隨超溶組分的析出而變化。其過(guò)程線為 AHGDE 或 AHGDE。三、凍干產(chǎn)品的溶液一般來(lái)說(shuō)，凍干產(chǎn)品的溶液是由主要功能組分如藥用成分、多種添加組分如抗氧化劑、填充劑等等和蒸餾水混合而成的膠體懸浮液。它與一般能互溶的溶液不完全一樣，具有一系列的低共溶點(diǎn)溫度。對(duì)于凍干加工來(lái)說(shuō)，需要確定一個(gè)較高的安全操作溫度，使得在該溫度以上時(shí)，產(chǎn)品中存在未凍結(jié)

14、的液體， 而在該溫度以上時(shí)，產(chǎn)品將全部?jī)鼋Y(jié)，這個(gè)溫度就是凍干產(chǎn)品的共溶點(diǎn)溫度。一些產(chǎn)品的共溶點(diǎn)溫度列于表 1-1。溶液名稱表 1-1一些飽和溶液的共溶溫度摩爾溶解度30時(shí)觀看共溶溫度計(jì)算溫度甲基芬尼定磷酸鹽1.9534.293.97吩妥胺磷酸鹽0.1200.750.88甘露醇1.02.24乳糖0.65.40氯化鈉6.1221.624.0氯化鉀4.9711.112.66溴化鉀5.9312.913.26甘油水46.5二甲亞砜水73其次節(jié)溶液的冷凍枯燥過(guò)程為了有利于枯燥，一般凍干產(chǎn)品溶液配制成含固體物質(zhì) 4%-15%的稀有溶液。這種溶液中的水，大局部是以分子形式存在于溶液中的自由水；少局部是吸取于固

15、體物質(zhì)晶格間隙中或以氫鍵方式結(jié)合在一些極性基團(tuán)上的結(jié)合水；至于固定于生物和細(xì)胞中能凍結(jié)、很難除去的結(jié)合水。凍干的目的就是在低溫、真空環(huán)境中除去物質(zhì)中的自由水和一局部吸附于固體晶格間隙中的吸附水。因此冷凍枯燥過(guò)程一般分三步進(jìn)展，即預(yù)凍結(jié)、升華枯燥或稱第一階段枯燥、解析枯燥或稱其次階段枯燥。一、預(yù)凍結(jié)預(yù)凍預(yù)凍就是將溶液中的自由水固化，賜予干后產(chǎn)品與枯燥前有一樣的形態(tài)，防止抽空枯燥時(shí)起泡、濃縮、收縮和溶質(zhì)移動(dòng)等不行逆變化產(chǎn)生，削減因溫度下降引起的物質(zhì)可溶性降低和生命特性的變化。溶液的凍結(jié)過(guò)程如圖 1-3 所示。溶液需過(guò)冷到冰點(diǎn)以下，其內(nèi)產(chǎn)生晶核以后，自由水才開(kāi)頭以純冰的形式結(jié)晶，同時(shí)放出結(jié)晶熱使其溫

16、度上升到冰點(diǎn)，隨著晶體的生長(zhǎng)，溶液濃度增加，當(dāng)濃度到達(dá)共晶濃度， 溫度下降到共晶點(diǎn)以下時(shí)。溶液就全部?jī)鼋Y(jié)。溶液結(jié)晶的晶粒數(shù)量和大小除與溶液本身性質(zhì)有關(guān)外，還與晶核生成速率和晶體生長(zhǎng)速度有關(guān)，而這兩者又都隨冷卻速度和溫度而變化。一般來(lái)說(shuō)，冷卻速度愈快、 過(guò)冷溫度越底，形成的晶核數(shù)量越多，晶體來(lái)不及生長(zhǎng)就被凍結(jié)，此時(shí)所形成的晶體數(shù)量越多，晶粒越細(xì)， 反之晶粒數(shù)量越少晶粒越大。圖 1-4 示出水的結(jié)晶速率很小，但生長(zhǎng)速率卻快速增加。因此假設(shè)讓溶液在接近于 0晶核生長(zhǎng)速率很小，但生長(zhǎng)速率卻快速增加。因此如多讓溶液在接近于 0凍結(jié)，則會(huì)得到粗而大的結(jié)晶，假設(shè)使之在較低溫度下結(jié)晶，則將得到量多粒小的晶體。

17、晶體的外形也與凍結(jié)溫度有關(guān)。在 0四周開(kāi)頭凍結(jié)時(shí)，冰晶呈六角對(duì)稱形，在六個(gè)主軸方向向前生長(zhǎng)，同時(shí)還會(huì)消滅假設(shè)干副軸，全部冰晶將漸漸喪失簡(jiǎn)潔識(shí)別的六角對(duì)稱形式，加之成核數(shù)多，凍結(jié)速度快可能形成一種不規(guī)章的樹(shù)枝型他們有任意數(shù)目的軸向柱壯體軸柱，而不象六方晶型那樣只有六條。最高冷卻速度時(shí)獲得漸消球晶，它是一種初始的或不完全的球型結(jié)晶，通過(guò)重結(jié)晶可以再完成其結(jié)晶過(guò)程。生物液體如血液血漿、肌肉漿液、玻璃體液等結(jié)冰形成的結(jié)晶單元，往往與單一成分的水溶液形成的冰晶類型相像。結(jié)晶類型主要取決于冷卻速度和體液濃度，例如血漿、肌肉漿液等在正常濃度下結(jié)冰時(shí)，在較高零下溫度、慢冷卻速度下形成六方結(jié)晶單元，快速冷卻至低

18、溫時(shí)形成不規(guī)章樹(shù)枝壯晶體。細(xì)胞懸浮液如紅血球、白血球、精子、細(xì)菌等懸浮于蒸餾水、血漿或其他懸浮介質(zhì)中，在高零下溫度緩慢結(jié)冰時(shí)，懸浮液中大量的冰生長(zhǎng)，將細(xì)胞擠在兩冰柱之間的狹窄管道中，管道內(nèi)的懸浮介質(zhì)因水析出結(jié)冰而溶質(zhì)濃縮，細(xì)胞內(nèi)的水通過(guò)細(xì)胞膜滲透出細(xì)胞，又造成細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)的濃縮。與此同時(shí)，胞外冰的生長(zhǎng)，還將迫使細(xì)胞物質(zhì)體積縮小、變形。但此時(shí)細(xì)胞內(nèi)不結(jié)冰。當(dāng)在低溫下快速結(jié)冰時(shí)，則細(xì)胞內(nèi)將形成胞內(nèi)冰，冰的大小、外形和分布與冷卻速度、保護(hù)劑的存在與否、保護(hù)的性質(zhì)以及細(xì)胞內(nèi)的含量有關(guān)， 一般來(lái)說(shuō)，冷卻速度越快、溫度越低，細(xì)胞內(nèi)形成的冰越多。懸浮液中添加象蔗糖之類的非滲透保護(hù)劑， 可以使快速結(jié)冰時(shí)細(xì)胞內(nèi)形

19、成的冰數(shù)目削減。溶液的結(jié)晶形式對(duì)凍干速率有直接影響。結(jié)晶升華后留下的空隙是后續(xù)冰晶升華時(shí)水蒸氣逸出的通道， 大而連續(xù)的六方晶體升華后留下的空隙通道大，水蒸汽逸出的阻力小，因而制品枯燥速度快；反之樹(shù)枝形和不連續(xù)的球狀冰晶通道小或不連續(xù)，水蒸汽靠集中或滲透方能逸出，因而枯燥速度慢。因此僅從枯燥速率來(lái)說(shuō)慢凍為好。凍結(jié)對(duì)細(xì)胞和生命體的破壞作用的機(jī)理，目前爭(zhēng)辯不夠，也無(wú)統(tǒng)一的看法。在為數(shù)眾多的看法中有代表性的看法是：造成細(xì)胞死亡的主要緣由是溶質(zhì)、特別是特別溶質(zhì)如構(gòu)造蛋白的濃縮、細(xì)胞脫水和胞內(nèi)冰的形成。在溶液結(jié)冰過(guò)程中，水析出結(jié)冰，剩下的溶液濃度增加。我們知道，反響物的濃度增大，能促使其化學(xué)反映速度加快。

20、此外，溶質(zhì)的沉淀，還會(huì)引起 PH 值的變化，結(jié)冰時(shí)環(huán)境的變化，可能引起蛋白質(zhì)等生物大分子變性增大。假設(shè)這些變化中的某些成為不行逆的，就會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞的死亡。在高零下溫度慢速冷卻時(shí)，細(xì)胞內(nèi)雖不結(jié)冰，但細(xì)胞外水結(jié)冰后，蒸汽壓降低，造成細(xì)胞內(nèi)外的蒸汽壓差，細(xì)胞內(nèi)的水通過(guò)細(xì)胞膜滲透到胞外，造成細(xì)胞脫水。凍結(jié)的速度越慢，滲透的時(shí)間越長(zhǎng)，其脫水也越厲害。這種狀況發(fā)生在高滲性指水的細(xì)胞中。有人認(rèn)為，胞內(nèi)冰的形成，引起胞內(nèi)溶質(zhì)的濃縮或細(xì)胞膜的裂開(kāi)，是造成細(xì)胞死亡的緣由，這種觀點(diǎn)已為一些試驗(yàn)所證明，但其通用性尚待進(jìn)一步爭(zhēng)辯。然而，對(duì)于很多物質(zhì)來(lái)說(shuō)，胞內(nèi)冰的形成對(duì)細(xì)胞的損害是明顯的。上述機(jī)理均尚不具一般性，在凍干的實(shí)

21、踐中還需依據(jù)具體條件進(jìn)展分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，找出適宜的凍結(jié)速度。此外，凍結(jié)的速率還與凍結(jié)設(shè)備的種類、力量和傳熱介質(zhì)等有關(guān)。據(jù)愛(ài)得華凍干手冊(cè)介紹，對(duì)于 10mm 厚的產(chǎn)品，冷凍到-25的最正確冷凍速度、最正確結(jié)晶構(gòu)造和較快的枯燥時(shí)間是：在凍干機(jī)外部的風(fēng)冷箱式凍結(jié)箱中凍結(jié)為 12 小時(shí)；殼狀凍結(jié)器用酒精作傳熱介質(zhì)時(shí)，假設(shè)用機(jī)械制冷則為 1020 分鐘，假設(shè)用干冰制冷則為 510 分鐘；垂直凍結(jié)器假設(shè)用液體冷卻時(shí)則為 5-10 分鐘，假設(shè)用氣體冷卻時(shí)則為 15-20 分鐘；在凍干機(jī)枯燥箱內(nèi)凍結(jié)用擱板冷凍時(shí)為 1-1.5 小時(shí)二、升華枯燥升華枯燥也稱第一階段枯燥。將凍結(jié)后的產(chǎn)品置于密閉的真空容器中加熱，其

22、冰晶就會(huì)升華成水蒸汽逸出而使產(chǎn)品脫水枯燥，枯燥是從外外表開(kāi)頭逐步向內(nèi)推移的，冰晶升華后殘留下的空隙變成此后升華水蒸氣的逸出通道。已枯燥層和凍結(jié)局部的分界面稱為升華界面。在生物制品枯燥中，升華界面約以每小時(shí)1mm 的速度向下推動(dòng)。當(dāng)全部冰晶除去時(shí)，第一階段枯燥就完成了，此時(shí)約除去全部水分的 90%左右。產(chǎn)品中溫度分布產(chǎn)品中冰的升華是在升華界面處進(jìn)展，升華時(shí)所需的熱量由加熱設(shè)備通過(guò)擱板供給。如圖 1-5 所示。從擱板傳來(lái)的熱量由以下途徑傳至產(chǎn)品的升華界面：1故體的傳導(dǎo)。由玻璃瓶底與擱板接觸部位傳到玻璃瓶底、穿過(guò)瓶底和產(chǎn)品的凍結(jié)局部到達(dá)升華界面；2輻射。上擱板的下外表和下擱板的上外表對(duì)玻璃瓶及產(chǎn)品枯

23、燥層外表輻射，再通過(guò)玻璃瓶及凍結(jié)層或已枯燥的導(dǎo)熱到達(dá)升華界面；3通過(guò)擱板與玻璃瓶外外表間殘存的氣體的對(duì)流。由于傳熱中必需有傳熱溫差，且各段傳熱溫差與其相應(yīng)熱阻成正比，所以產(chǎn)品中形成了圖 1-5 所示的溫度分布。例如：擱板外表溫度為50，到升華界面的溫度可能約為-25冰層最高溫度約為-20，枯燥層上外表溫度可能為+25。物質(zhì)濃度溫度表 1-2 主要藥品的冷凍枯燥溫度崩解臨界溫度司庫(kù)樂(lè)5-50%-25葡萄糖10%3840乳糖10%1819馬尼妥10%24山梨糖醇桔西樂(lè)10%4142多縮葡萄糖低 m. wt.10%2高 m. wt10%3PEG600010%910古力辛10%3-氨基丙酸10%23-

24、A10%13精氨酸10%3335EACA110%15變壓器用 AMCHA25%24GABA110%1820NaC110%2122KC110%1011醋酸10%2627拘掾酸10%50硫胺素硝酸鹽10%5吡哆醇10%4抗壞血酸5%3637抗壞血酸10%3637鈉啊斯考派脫10%3033煙酰胺10%34鈣、潘妥顛10%1819乙酰胺10%25鈉、巴比妥10%4表 13 主要食品的冷凍枯燥溫度食品名稱厚度mm枯燥板溫度壓力Pa枯燥時(shí)間h牛肉煮熟810551.31026金槍魚(yú)生6401.31026牡蠣生1015406.6101.314蟹水煮1020406.6101.38蝦半刨水煮820456.6101

25、.36蛋白生5406.6101.34蛋黃生5406.6101.33全蛋生5406.6101.334白桃8 等分1020456.6101.314罐頭桃1015456.6101.312香蕉切斷5456.6101.36番茄汁5506.6101.345圓辣椒4501.31025圓辣椒早飯4501.31024卷心菜12501.310223洋蔥34501.31025胡蘿卜4501.31025藕4501.31024土豆10551.31025山芋菜23501.31023漿果2501.310234松蘑10456.6101.35醬油3456.6101.33豆油4451.310245綠茶濃茶水4406.6101.3

26、3紅茶濃茶水4406.6101.33咖啡濃4406.6101.33果子凍4406.6101.323升華時(shí)的溫度限制產(chǎn)品升華時(shí)受以下幾種溫度限制：1產(chǎn)品凍結(jié)局部的溫度應(yīng)低于產(chǎn)品共溶點(diǎn)溫度；2產(chǎn)品枯燥局部的溫度必需低于其崩解溫度或容許的最高溫度不燒焦或性變；3最高擱板溫度。所謂崩解溫度是液態(tài)產(chǎn)品已干局部構(gòu)成的“骨架”，當(dāng)溫度上升到肯定數(shù)值時(shí)，其剛度降低，變的有粘性而塌陷，封閉了已干局部的海綿狀微孔，阻擋升華的進(jìn)展，升華速度減慢。由于所需熱量削減，當(dāng)消滅這種狀態(tài)時(shí)，如不快速加熱，降低溫度，產(chǎn)品就會(huì)發(fā)生供熱過(guò)剩溶化報(bào)廢。所以把握產(chǎn)品的崩解溫度是很重要的，一些制品的崩解溫度列于表 1-2。崩解溫度主要由

27、溶液的成分所打算。過(guò)低的崩解溫度會(huì)延長(zhǎng)枯燥時(shí)間，甚至是設(shè)備力量所不能到達(dá)的。這可通過(guò)選擇適宜的添加劑來(lái)提高崩解溫度。在固體食品凍干時(shí)，為了避開(kāi)因擱板溫度過(guò)高而產(chǎn)生變性或燒壞，擱板溫度應(yīng)限制在某一安全值以下。一些食品的擱板安全溫度列于表 1-3。升華速率純冰的升華速率：純冰確實(shí)定升華速率 G?？捎?Knudsen 方程來(lái)表示式中：蒸發(fā)系數(shù)G.=p.(M/2RT)1/2kg/sm2p.冰升華面溫度 T 時(shí)飽和蒸汽壓，kPa; M水蒸汽的分子量，kg/lmol； R氣體常數(shù)，kl/kmolK； T冰確實(shí)定溫度，K。因 p.隨冰的飽和溫度 T 增大而增大，所以升華面溫度越高，其升華量G 也越大。在冷凍

28、枯燥產(chǎn)品時(shí)，假設(shè)傳給升華界面的熱量等于從升華界面逸出的水蒸汽升華時(shí)所需的熱量時(shí)，則升華界面的溫度和壓力均到達(dá)平衡，升華正常進(jìn)展。假設(shè)供給的熱量缺乏，水的升華奪走了制品自身的熱量而使升華界面的溫度降低，假設(shè)逸出的水蒸汽少于升華的水蒸氣，多余的水蒸氣聚攏在升華界面使其壓力增高， 升華溫度提高，最終將導(dǎo)致制品溶化。所以，冷凍枯燥的升華速率一方面取決于供給應(yīng)升華界面熱量的多少；另一方面取決于從升華界面通過(guò)枯燥層逸出水蒸汽的快慢。傳熱量 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將凍干的傳熱傳質(zhì)簡(jiǎn)化成圖 1-6 所示模型。通過(guò)凍層和已枯燥層的傳熱量可用以下公式表示iQ=A TwT/ W(1-5)Q=A T T/W(1-6)dwd式

29、中：A升華面積，m2；i* ，d凍層和干層的導(dǎo)熱系數(shù)，W；Tw， T 凍層底部和干層外外表確實(shí)定溫度，W/mK；wT升華界面確實(shí)定溫度，K；d、 凍層厚度和干層厚度，m。蒸汽傳輸量 升華出來(lái)的水蒸氣通過(guò)已枯燥層和箱內(nèi)空間輸送到水汽分散器。其傳輸速率即升華速率 可用下式表示式中：A升華界面面積；G=A(P-PO)/Rd+RS+k11kg/sP，PO升華界面和水汽分散器的壓力；Rd、RS枯燥層的阻力和枯燥層外表到水汽分散器之間的空間的阻力，Pam2s/kg; k1由升華物質(zhì)的分子量所打算的常數(shù)，kg/ Pam2s。從上述幾個(gè)公式可見(jiàn)，欲提高升華速率，應(yīng)使：凍層底部或干層外表的溫度在允許的最高值以下

30、盡可能高。制品厚度越薄其熱阻和流淌阻力越小，熱量和質(zhì)量傳輸越快，升華速率越高。但每批制品的產(chǎn)量與厚度成正比，而每批加工的關(guān)心工作量又大致相等，因而制品太薄會(huì)造成產(chǎn)品總本錢的提高。由厚到薄之間存在一個(gè)總本錢最低的最正確厚度。一般來(lái)說(shuō)，生物制品的厚度為 1015mm。凍結(jié)層的導(dǎo)熱系數(shù)*i 主要打算于制品的成分；已枯燥層的導(dǎo)熱系數(shù)d 還打算于壓力和氣體的成分， 其變化關(guān)系參見(jiàn)圖 1-7。由圖可見(jiàn)，為了提高凍干層的導(dǎo)熱系數(shù)，箱內(nèi)壓力越高越好。也可視為 PO 越高， 又會(huì)使水蒸氣不易從升華面逸出，造成升華面溫度過(guò)高，凍層溶化和枯燥面崩解。為了兩者兼顧，依據(jù)產(chǎn)品不同一般可將箱內(nèi)壓力把握在 13Pa130P

31、a 之間。蒸氣的排解還取決于Rd、Rs。由試驗(yàn)知，Rd 比 Rs 大 6-10 倍。也就是說(shuō)，穿過(guò)已干多孔層的水蒸氣的流率大體上打算了枯燥速率。而 Rd 主要與干層厚度和晶粒大小有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，粗大而連續(xù)的網(wǎng)狀冰晶， 升華后也形成粗大而連續(xù)的網(wǎng)狀間隙通道，水蒸氣逸出時(shí)流淌阻力較小，升華速率快。細(xì)小而不連續(xù)的空隙之間，水蒸氣是靠滲透穿過(guò)已干的固體膜層的，很難枯燥。三、解析枯燥解析枯燥也稱其次階段枯燥。在第一階段枯燥完畢后，在枯燥物質(zhì)的毛細(xì)血管壁和極性基團(tuán)上還吸附有一局部水分，這些水分是未被凍結(jié)的，當(dāng)他們到達(dá)肯定含量，就為微生物的生長(zhǎng)生殖和某些化學(xué)反響提供了條件。試驗(yàn)證明：即使是單分子層吸附以下的

32、低含水量，也可以成為某些化和物的溶液，產(chǎn)生與水溶液一樣的移動(dòng)性和反響性。因此為了改善產(chǎn)品的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，延長(zhǎng)其保存期，需要除去這些水分。這就是解析枯燥的目的。第一階段是將水以冰晶的形式除去，因此其溫度和壓力都必需把握在產(chǎn)品共溶點(diǎn)以下，才不致使冰晶 溶化。但對(duì)于吸附水，由于其吸附能量高，假設(shè)不給它們供給足夠的能量，假設(shè)不給它們供給足夠的能量， 它們就不行能從吸附中解析出來(lái)。因此，這一階段產(chǎn)品的溫度應(yīng)足夠的高，只要燒毀產(chǎn)品和不造成主品過(guò) 熱淚盈眶而變性就可。同時(shí)，為了使解吸出來(lái)的水蒸氣有足夠的推動(dòng)力逸出產(chǎn)品，必需使產(chǎn)品內(nèi)外形成較 大的蒸汽壓差，因此此階段中箱內(nèi)必需是高真空。其次階段枯燥后，產(chǎn)品內(nèi)剩余

33、水分的含量視產(chǎn)品種類和要求而定。一般在 0.54%之間。第三節(jié) 傳熱學(xué)根底當(dāng)物體之間存在溫度差時(shí)，就有能量的傳遞。這種能量稱之為“熱”。冷凍枯燥過(guò)程中，無(wú)論是凍結(jié)， 還是加熱升華，自始至終伴隨著熱量的傳遞。熱量的傳遞簡(jiǎn)稱傳熱在實(shí)踐中雖是多種多樣，但就其物理本質(zhì)來(lái)說(shuō)可分為三種根本形式，這就是導(dǎo)熱、對(duì)流、和輻射。如圖 1-8 所示：在靜態(tài)介質(zhì)中存在著溫度差時(shí)。不管介質(zhì)是固體還是流體，都會(huì)發(fā)生傳熱，這種傳熱過(guò)程成為導(dǎo)熱；當(dāng)一個(gè)外表和一種運(yùn)動(dòng)流體處于不同溫度時(shí)，它們之間發(fā)生的傳熱稱為對(duì)流；具有肯定溫度的外表都以電磁波的形式放射能量，這種溫度不同而又互不接觸的兩外表間，假設(shè)沒(méi)有傳熱介質(zhì)存在， 它們之間的

34、熱交換就是凈熱輻射。一、導(dǎo)熱導(dǎo)熱可以看作是由于物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)分子、原子間的相互作用，能量較大的質(zhì)點(diǎn)向能量較小的質(zhì)點(diǎn)傳輸能量的過(guò)程。單層平壁導(dǎo)熱如圖 1-9 所示，設(shè)一維平壁其兩側(cè)外表溫度分別為t1，t2，壁厚，則在單位時(shí)間垂直于熱流方向的單位面積上的傳熱量 qx 與兩外表間的溫差成正比，與壁厚成反比。qx 成為通過(guò)平壁的熱流密度。可表示為或qx=-t1t2/= t1t2/=t/RpW/m2qx=-dt/dxW/m21-81-9式中：t在厚度上的溫差或溫壓；R p平壁在上的熱阻，m2K/ W壁的導(dǎo)熱系數(shù)W / mK常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)見(jiàn)表 1-4物質(zhì)物質(zhì)表 1-4 常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)鋁203軟木板0.

35、0410.07銅384水0.59鋼45冰2.34鑄鐵63空氣0.025玻璃0.74聚氨酯泡沫塑料0.0410.046不銹鋼17.5聚苯乙烯泡沫塑料0.0290.046稻殼0.12假設(shè)平壁面積為 A，則總的傳熱兩 Q 為 Q=A qxW1-10多層平壁導(dǎo)熱假定有一個(gè)多層平壁如圖 1-10 所示，在穩(wěn)定導(dǎo)熱時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)各層的導(dǎo)熱量應(yīng)當(dāng)是相等的。即Q12=Q23=Q34=Q 或者 Q=1/1A(t1t2)= 2/2A(t2t3)= 3/3A(t3t3) 解此連等式，消去 t2，t3 得Q=t1t4A/1/1+2 /2 +3 /3=tA/RpiW1-11q=t/RpiW / m2 3.圓筒壁導(dǎo)熱一個(gè)

36、長(zhǎng) l 米的圓筒，其內(nèi)、外半徑為 r1 和 r2直徑為 d1、d2，內(nèi)、外壁溫度為 t1、t2，且 t1 t2。對(duì)于任取半徑 r 厚 dr 的薄壁圓筒來(lái)說(shuō)，可視為一厚 dr，外表積為 2rl 的平壁，于是其傳熱量Q=-2rl(dt/dr)或 -dt=(Qdr/2l r)積分上式可得 t1t2=(Q/2l )ln(r2/r1)Q=( t1t2)/1/2llnr1/r2=t/RW1-12式中：R=1/2llnr1/r2=1/2llnd1/d2稱為圓筒壁的熱阻，單位為K/W。對(duì)于多層例如三層圓筒壁，假設(shè)各層筒壁熱阻分別為Rr1= lnd2/d1/2l，Rr2= lnd3/d2/2l； Rr3= ln

37、d4/d3/2l則其傳熱量 Q=t1t4/ Rr1+ Rr2 +Rr3W1-13凍干機(jī)的換熱管、外包絕熱材料的管道等都是屬于多層圓筒壁。但換熱器中的換熱管因其壁厚很小， 且污垢層很薄，我們通常按多層平壁導(dǎo)熱來(lái)計(jì)算已足夠準(zhǔn)確。二、對(duì)流對(duì)流是指流體各局部發(fā)生相對(duì)位移所引起的熱交換過(guò)程，它既包括流體各局部相對(duì)位移所引起的對(duì)流作用，也包括流體分子間的導(dǎo)熱作用。對(duì)流傳熱是和流體運(yùn)動(dòng)嚴(yán)密地聯(lián)系在一起的，其換熱機(jī)理與流體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)親熱相關(guān)。層流和紊流流體在流道中運(yùn)動(dòng)有兩種不同性質(zhì)的流淌。當(dāng)流速較小，流體成層狀平行于流道流淌時(shí)稱為“層流”；當(dāng)流速增加時(shí)，上訴流淌性質(zhì)遭到破壞，流體的流淌消滅了旋渦，流體分子除按

38、主流速度方向運(yùn)行外，并在垂直于流淌的方向上產(chǎn)生脈動(dòng)相互參合，這種流淌成為“紊流”。試驗(yàn)證明：層流和紊流可用無(wú)因次數(shù)Re=wmd/y 的大小開(kāi)判別，這個(gè)數(shù)稱為雷假設(shè)數(shù)。式中 wm 為流體的平均流速，d 為定型尺寸對(duì)于圓管為直徑 d，y 為流體的運(yùn)動(dòng)粘度。由試驗(yàn)測(cè)出，水在管內(nèi)流淌時(shí)，Re2200 為層流；Re104 為紊流；2200 Re104 為過(guò)度流。自由對(duì)流和受迫對(duì)流對(duì)流換熱的強(qiáng)度除與流淌性質(zhì)有關(guān)外，還和流淌產(chǎn)生的緣由、流體的物理性質(zhì)及放熱外表的外形大小等親熱相關(guān)。因流體各局部間密度差而引起流體的運(yùn)動(dòng)稱為“強(qiáng)制對(duì)流”。因某種機(jī)械風(fēng)機(jī)、泵的驅(qū)動(dòng)的流淌稱“強(qiáng)制對(duì)流”。強(qiáng)制對(duì)流總是伴隨有自然對(duì)流，

39、其強(qiáng)度也大于自然對(duì)流，所以其放熱強(qiáng)度也大于自然對(duì)流時(shí)的放熱強(qiáng)度。對(duì)流放熱系數(shù)仿照導(dǎo)熱量的計(jì)算公式，對(duì)流放熱的計(jì)算式可寫成：Q= at1t2 W1-14q= at1t2 W/m21-15 式中：t1、t2流體與壁面的溫度；F換熱外表面積； a對(duì)流放熱系數(shù)，W/m2K。引入對(duì)流換熱系數(shù) a 的目的是試圖把全部影響對(duì)流傳熱的因素都包含在這個(gè)單一的量中。由于影響a 的因素太多，很難用某個(gè)統(tǒng)一的理論公式進(jìn)展計(jì)算，現(xiàn)在人們都是依據(jù)計(jì)算對(duì)象的流淌狀態(tài)、性質(zhì)等承受適宜于計(jì)算條件的閱歷公式或半閱歷半理論公式進(jìn)展計(jì)算。這些公式從有關(guān)熱學(xué)的書(shū)籍或手冊(cè)中查得。表 1-5 列出某些條件下 a 的數(shù)值范圍。流體分散蒸汽膜

40、狀冷凝沸騰的水有機(jī)物蒸汽冷凝垂直于管束的空氣強(qiáng)制對(duì)流自然對(duì)流過(guò)熱蒸汽水在管內(nèi)受迫運(yùn)動(dòng)aW/m2K5800930017003500580170017465.89.323585011600表 1-5 對(duì)流放熱系數(shù)的大致范圍三、輻射熱輻射是處于肯定溫度下的物質(zhì)以電磁波輻射能量的形式。不僅固體外表有輻射，液體和氣體以及但凡具有肯定溫度的物質(zhì)都可以輻射能量。這種輻射是由于組成物質(zhì)的原子或分子中電子排列位置的轉(zhuǎn)變?cè)斐傻摹＿@種輻射傳熱不象導(dǎo)熱和對(duì)流那樣需要物質(zhì)作媒介，實(shí)際上在真空中輻射傳熱最為有效。吸取率、反射率、穿透率、確定黑體如圖 1-12 所示，投射到物體上的總能量 Q 可以分成三局部：一局部 QA

41、被物體所吸取，一局部 QR被反射；另一局部 QD 穿透過(guò)物體。于是有Q=QA+QR+QD或 QA/Q+QR/Q+QD/Q=A+R+D=11-16式中：A稱為吸取率，表示物體吸取輻射能的力量；R稱為反射率， D稱為穿透率。假設(shè)某物體的 A=1，R=D=0，則落在其上的輻射能全部都被吸取，這種物體叫確定白體或白體。對(duì)于 D=1，A=R=0 的物體稱為確定透亮或透亮體。在自然界中沒(méi)有確定的黑體、白體、和透亮體。這樣定義只是為了爭(zhēng)辯輻射現(xiàn)象便利而假定的。必需指出，這里所講的黑體、白體和透亮體不是對(duì)可見(jiàn)光線，而是對(duì)熱射線而言的。例如：玻璃對(duì)可見(jiàn)光來(lái)說(shuō)是透亮的，但對(duì)熱射線來(lái)說(shuō)幾乎是不透亮體。又如白色外表只

42、反射可見(jiàn)光線，對(duì)于熱射線白布、黑布一樣能吸取。一個(gè)外表所能放射的最大輻射能流密度是斯蒂芬波爾茲曼定律給出soq=T4 =c T/1004 W/m21-17TS 是外表確實(shí)定溫度K，是斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)=5.67108W/m2K4。它說(shuō)明黑體的輻射力與其確定溫度的四次方成正比。工程上一般材料都遵循斯蒂芬波爾茲曼定律，這種材料稱為“灰體”。對(duì)灰體而言E=cT/1004 W/m21-18將灰體的輻射力 E 與同一溫度確定黑體的輻射力Eo 相比可得物體的另一特征量，稱為黑度或輻射率=E/Eo =c/co式中，c、co 分別為黑體和灰體的輻射系數(shù)E=E o =cT/1004W/m21-19輻射放熱的計(jì)算

43、各種外表之間的輻射換熱是很簡(jiǎn)單的，這里僅介紹幾個(gè)特列。一個(gè)凸面被另一個(gè)面完全包圍時(shí)如圖 1-13。外表外表積 F1、輻射率1、溫度 t1被外表F2、2 、t22完全包圍時(shí)，其兩面間的傳熱量 Q1、Q2 為Q1=-Q2=F1t4t4 W式中：=12/2+F1/F2121稱為平均黑度Q 的符號(hào)：散熱面的為正，吸熱面的為負(fù)。當(dāng) F2時(shí)，=1。在平行平面狀況下如圖 1-14 所示兩平行平面的放熱量12Q1 /F1=- Q2/F2=t4 t4 W/m21-19 平均輻射率=12/2+1211-20在兩個(gè)外表之間插入幾塊擱板的狀況下，如圖 1-15。面、的面積均為 F，輻射率，溫度 t1、t2，插入幾塊熱

44、板F、時(shí)的傳熱量 Qn。四、平均溫差在換熱器計(jì)算時(shí)經(jīng)常遇到對(duì)數(shù)平均溫差的計(jì)算。這里僅列出順流和逆流的兩流體通過(guò)間壁換熱時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差。設(shè)t i=t h i-t c it e=t h e-t c e其中t i t e則=t i -t e/ lnt i/t e K 1-24式中 t h i 、t c i、t h e、t c e 分別表示兩流體在進(jìn)口端、出口端的溫度，其中t h i 、t c i 表示溫差較大一端兩流體的溫度。另有一種平均溫差稱為算術(shù)平均溫差。=1/2t i =t e K 1-25當(dāng)t e /t i0.6 時(shí)，算術(shù)平均溫差與對(duì)數(shù)平均溫差之差小于3%。這時(shí)用算術(shù)平均溫差計(jì)算，其準(zhǔn)確度

45、已足夠。五、換熱器的計(jì)算換熱器是將一種熱流體的熱傳給另一種冷流體的裝置。按其運(yùn)行原理不同，可分為間壁式、儲(chǔ)熱式和混合式。凍干機(jī)中冷凍機(jī)的冷凝器、蒸發(fā)器，枯燥箱的擱板、水汽分散器的凝華盤管都是換熱器，且一般都是間壁式換熱器。換熱器計(jì)算的根本方程為傳熱方程式Q = k F W 1-26熱平衡方程式Q = m k c ht h i t h e=m cC ct c e t c i W 1-27 式中：k傳熱系數(shù) W/m2 k；F傳熱面積 m2 mk、mc分別為兩流體的質(zhì)量流量； kg / s 。ck、cc分別為兩流體的比熱；Js/kgK。對(duì)于如圖 1-17 所示的換熱管，管內(nèi)流體進(jìn)、出口溫度t c i

46、、t c e，管外流體進(jìn)出口溫度為 t h i、t h e，管壁厚、導(dǎo)熱系數(shù)，管外流體與管壁的放熱系數(shù)為 ak，管內(nèi)流體與管壁放熱系數(shù)為 ai，管內(nèi)、外污垢層熱阻分別為 ri 和 ro，則管內(nèi)外流體間的傳熱系數(shù)假設(shè)按管外外表積為計(jì)算基準(zhǔn)時(shí)k = 1 / 1/ak+ro+/+r I + 1 / a id 2 / d 1 W/m2K 1-28第四章 冷凍枯燥設(shè)備第一節(jié) 概述含水物質(zhì)的冷凍枯燥是在真空冷凍枯燥設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的，依據(jù)所凍干的物質(zhì)、要求、用途等不同，相應(yīng)的凍干設(shè)備也不同。按所凍干的物質(zhì)不同，一般可分為凍干生物制品或藥品的凍干設(shè)備和凍干食品的凍干設(shè)備，按運(yùn)行方式不同可分為間歇式和連續(xù)式凍干設(shè)備

47、，按凍干物質(zhì)的容量不同可分為工業(yè)用和試驗(yàn)用凍干設(shè)備； 按箱體內(nèi)能否進(jìn)展預(yù)動(dòng)可分為能預(yù)動(dòng)和不能預(yù)動(dòng)的凍干設(shè)備等等。凍干設(shè)備的構(gòu)造形式是多種多樣的，但無(wú)論何種凍干設(shè)備均由枯燥箱，水汽分散器這兩部件有時(shí)也結(jié)合成一體、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、把握系統(tǒng)等所組成。連續(xù)性是凍干機(jī)如圖 4-1 所示，這種凍干設(shè)備主要用于食品的凍干，從進(jìn)料到出料可以連續(xù)進(jìn)展。需凍干的食品先在冷凍室凍結(jié)，然后在裝料室裝盤，且將其裝入吊裝運(yùn)輸器，送入裝料隔離室，開(kāi)啟閘閥進(jìn)入凍干通道，使食品在連續(xù)地向前移動(dòng)的過(guò)程中，不斷地析出水汽而枯燥，最終經(jīng)出口隔離室進(jìn)入卸料室卸料并包裝，運(yùn)輸器經(jīng)清洗后再送回進(jìn)口處裝料。間歇式凍干設(shè)備如圖

48、4-2 所示，這種凍干設(shè)備需周期性地冷卻和加熱擱板，從節(jié)能的角度它不如連續(xù)式。這種凍干設(shè)備設(shè)有枯燥箱 1，箱內(nèi)有擱板，它是用來(lái)擱置被凍干的制品，當(dāng)制品在箱內(nèi)預(yù)凍時(shí)，則該擱板既能冷卻又能加熱，為了使板層的溫度均勻，可以利用中間介質(zhì)既作冷媒有作熱媒；也可以用制冷劑直接冷卻，加熱承受間接形式。當(dāng)制品不在箱內(nèi)預(yù)凍時(shí)，則擱板只起加熱作用。目前大多數(shù)的枯燥箱都帶有預(yù)凍結(jié)功能，使制品在其中能凍結(jié)至共融點(diǎn)以下的溫度，然后在真空下使擱板加熱升溫，供給水汽升華所必需的熱量。水汽分散器 2 是用來(lái)分散制品中升華的水汽，它與枯燥箱用管道連接，一般中間裝有真空閥門，水汽分散器的溫度要求在-40以下，制冷系統(tǒng)一般為兩級(jí)壓

49、縮制冷循環(huán)或復(fù)疊式制冷循環(huán)。真空系統(tǒng) 3 是為了保持枯燥箱和水汽分散器內(nèi)所必要的真空度和抽除從連接收道和閥門等處泄露入系統(tǒng)中的空氣和不凝性氣體，依據(jù)凍干機(jī)的要求，一般承受兩級(jí)抽空。除了上述組成以外，現(xiàn)代的凍干設(shè)備，對(duì)于枯燥箱還要求有清洗消毒裝置，自動(dòng)加塞裝置以及必要的自動(dòng)把握系統(tǒng)。清洗消毒裝置為了保證箱內(nèi)的清潔和消毒滅菌，在箱內(nèi)裝有清潔液的噴淋噴嘴，通過(guò)泵升壓使清潔液噴向箱內(nèi)各局部進(jìn)展清洗，清洗完畢將清洗液從箱體內(nèi)放出。消毒有蒸汽消毒和化學(xué)藥品消毒兩種方法。蒸汽消毒是在箱內(nèi)通以 121以上的高溫蒸汽并維持肯定時(shí)間例如 121時(shí)為 30 分鐘進(jìn)展殺菌。承受這種消毒方式，要求枯燥箱和水汽分散器的強(qiáng)

50、度高，視鏡、箱門等均能承受內(nèi)壓，枯燥箱外壁最好設(shè)有冷卻盤管，以便消毒后能快速降到室溫。假設(shè)用化學(xué)藥品消毒，則對(duì)枯燥箱構(gòu)造無(wú)特別要求，現(xiàn)代藥品凍干機(jī)，多具有在凍干箱內(nèi)自動(dòng)加塞的功能，以免制品枯燥后箱外封裝時(shí)空氣中的水分、細(xì)菌污染制品，所謂自動(dòng)加塞是在制品裝箱前用半加塞機(jī)將一種帶凹槽的瓶塞放在每個(gè)瓶子的瓶口上，升華時(shí)水汽從凹槽中逸出瓶外，枯燥完畢后，則用液壓或其他動(dòng)力推動(dòng)擱板或擱板報(bào)上的加塞板，將瓶塞壓入瓶口。制品出箱后，再進(jìn)展壓鋁帽或封蠟。把握系統(tǒng)依據(jù)要求可分為手動(dòng)操作，儀表顯示，半自動(dòng)挖制；全自動(dòng)把握和微處理機(jī)把握四類。目前國(guó)內(nèi)大局部承受繼電式的半自動(dòng)把握，按制品的不同凍干工藝設(shè)定溫度和時(shí)間來(lái)

51、把握整個(gè)工藝過(guò)程。利用計(jì)算機(jī)的把握也已在有些凍干設(shè)備上使用，但還不格外普遍。凍干設(shè)備的布置依據(jù)容量的大小有幾種方式，主要是針對(duì)箱體與水汽分散器的相對(duì)位置來(lái)分，對(duì)于小型試驗(yàn)用凍干機(jī)，水汽分散器放在箱體的下面，稱為下置式；對(duì)于中大型工業(yè)用凍干機(jī)有箱側(cè)連接式； 和箱后連接式。為了便于布置，對(duì)于箱后連接的一般箱體的抽空管口在側(cè)壁的正中偏上。以前還有從箱頂開(kāi)抽空管口，但由于管道彎頭多，阻力大，現(xiàn)在很少承受。另外，依據(jù)水汽分散器的放置位置，可以是臣式布置和立式布置兩種，這些布置各有其優(yōu)缺點(diǎn)。至于其他系統(tǒng)的布置可依據(jù)狀況而定，這里不多贅述。其次節(jié) 枯燥箱枯燥箱是凍干機(jī)中重要部件之一，它的性能好壞，直接影響到

52、整個(gè)凍干機(jī)的性能，它是一個(gè)密閉容器， 在其中內(nèi)部主要有擱置制品的擱板，擱板的溫度依據(jù)要求而定。一、對(duì)箱體與擱板的要求一箱體箱體要有足夠的強(qiáng)度，防止抽真空時(shí)變形；箱體的泄漏應(yīng)滿足真空密封的要求；箱體壁面內(nèi)部直角處有肯定的圓弧半徑，低面應(yīng)有肯定的坡度，坡向清洗排出口，以利于清洗液的排出，箱內(nèi)應(yīng)避開(kāi)死角，以防清洗和消毒不凈而發(fā)生的污染；假設(shè)用液壓裝置在箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加塞時(shí)，擱板應(yīng)能上下移動(dòng)，移動(dòng)時(shí)不得傾斜以致卡死；箱內(nèi)零部件布置盡量削減升華水汽流向水汽分散器的流淌阻力。二擱板要有肯定的冷卻和加熱速度，冷卻速率一般要求為 0.1-1.5/min，加熱速率為 0.1-1.2/min；要求平坦、光化、傳熱性

53、能好，以削減傳熱熱阻和傳熱溫差；擱板各局部的溫度應(yīng)均勻全都，這樣才可能使制品在凍結(jié)和升華時(shí)的溫度均勻全都。擱板要有肯定的強(qiáng)度，以便承受加塞力而不致于產(chǎn)生擱板彎曲。二、枯燥箱和擱板的構(gòu)造形式枯燥箱的外形有圓柱形和矩形兩種，如圖 4-6 和圖 4-7 所示。從強(qiáng)度考慮、圓柱形優(yōu)于矩形，但空間利用率而言，則剛好相反，從目前各國(guó)生產(chǎn)的凍干機(jī)狀況看，用于工業(yè)生產(chǎn)的多數(shù)承受矩形構(gòu)造。矩形構(gòu)造由于受力差，箱壁一般承受外加加強(qiáng)筋加固、箱板的材料視對(duì)凍干制品的要求而定，對(duì)于醫(yī)用凍干機(jī)，必需承受優(yōu)質(zhì)不銹鋼，耐腐蝕性好，含碳量少。加強(qiáng)筋一般用碳素鋼的矩形鋼，槽鋼或工字鋼等，視箱體的大小而定。圓柱形筒壁由于受力好，一

54、般當(dāng)長(zhǎng)徑比較小時(shí)可不承受加強(qiáng)筋，而底部和箱門依據(jù)外形不同需實(shí)行一些措施，以免受力時(shí)變形。工業(yè)用凍干機(jī)擱板一般做成一樣的規(guī)格指同一臺(tái)凍干箱體，按制冷與加熱的形式不同可分為四種類型。直接制冷，直接加熱對(duì)于這種形式的擱板，一般承受鋁合金材料，內(nèi)埋鋼管或銅管，制冷劑在管內(nèi)直接蒸發(fā)，為了使擱板溫度均勻，制冷劑蒸發(fā)管也可以用逆流式。加熱可用電熱絲，直接對(duì)擱板加熱，可防在擱板底部，其原理如圖 4-8 所示。這種擱板的優(yōu)點(diǎn)是溫度均勻，但加熱時(shí)熱惰性大。此外，也有承受微波或紅外加熱制品的報(bào)導(dǎo)。直接制冷，間接加熱直接制冷即制冷劑在擱板內(nèi)直接蒸發(fā)，間接加熱即利用各種加熱源在外部先將載熱介質(zhì)加熱，再用泵送入擱板內(nèi)。在

55、擱板中制冷管與加熱管相間布置，如圖 4-9 所示：共有四根管子，其中兩根做制冷用，另外兩根作為加熱用，相互為逆向流淌，適合與凍干機(jī)中用的載熱介質(zhì)有硅油以及乙醇、已二醇和水的混合物等。加熱介質(zhì)的熱惰性相對(duì)于前一種擱板要小些。間接制冷，直接加熱制冷劑在蒸發(fā)器中冷卻中間介質(zhì)，然后將被冷卻的介質(zhì)用泵送入擱板，加熱卻同第一種擱板形式，這種擱板目前較少承受。間接制冷，間接加熱這種制冷和加熱形式的擱板目前使用的較普遍，被冷卻和加熱的中間介質(zhì)都是同一種工質(zhì)，中間介質(zhì)的冷卻和加熱都在箱外進(jìn)展，然后用泵將中間介質(zhì)送入擱板，這種擱板可以用不銹鋼板焊接成中空的帶有多流道的中空板，如圖 4-10 所示。由于這種擱板與流

56、體的接觸面積大，板內(nèi)流體流量大，進(jìn)出口溫差小， 因此溫度均勻，但由于承受中間介質(zhì)，與直接制冷相比，在一樣的冷量下機(jī)器的尺寸要大一些，功耗也要增加。三、枯燥箱設(shè)計(jì)枯燥箱設(shè)計(jì)計(jì)算包括以下內(nèi)容：一擱板面積擱板面積大小依據(jù)所凍干的物質(zhì)容積的大小來(lái)確定，對(duì)于生物制品的凍干，一般都是瓶裝制品，可按瓶子的直徑進(jìn)展計(jì)算，一塊擱板的面積還應(yīng)與擱板的層數(shù)和箱體的體積相適應(yīng)，使之設(shè)計(jì)的箱體既美觀又大方，又要受力均勻，因此必需綜合考慮。假設(shè)瓶子的直徑為 Dmm，總瓶數(shù)為 N，每塊擱板的瓶數(shù)為 N，每排瓶數(shù)為 Nw，每列瓶數(shù)為 N，則 W=Nw+0.5D+2030mmL=0.87(N+0.5)D+(2030)mm(4-

57、1)W 與 L 的尺寸如圖 4-11 所示。擱板面積f=WL mm2 擱板數(shù)n=N/N擱板尺寸也可以事先確定，反過(guò)來(lái)再計(jì)算每箱的裝量。二箱體內(nèi)容積箱體內(nèi)容積除了考慮擱板的尺寸外，還應(yīng)考慮到擱板之間的凈高，擱板離箱壁之間的距離和內(nèi)部其它一些部件如液壓板、連接軟管等的一些布置以及有良好的水蒸氣流淌通道。擱板之間的凈高可依據(jù)不同的要求而定，一般為 80120mm，用于凍干人血漿的凍干機(jī)，凈高應(yīng)不小于 240mm，至于四周所留的空間視具體狀況而定，所確定的容積最好是接近正方形，這樣箱體各側(cè)面的受力較均勻。三箱體的強(qiáng)度計(jì)算在水汽升華階段，箱內(nèi)為真空，因此箱體為一受外壓的容器，箱體的強(qiáng)度應(yīng)引起足夠的重視，

58、這里僅介紹矩形箱體的強(qiáng)度計(jì)算，為了節(jié)約材料，一般均承受較薄的鋼板再在外部焊接加強(qiáng)筋，如圖 4-12 所示。最小壁厚箱壁可按矩形平板計(jì)算，周邊固定，受外力為 0.9810 2 kPa，則實(shí)際壁厚 s 為：s=so+ c mso=0.72B p/彎 m上式：so箱壁的計(jì)算壁厚；B對(duì)于無(wú)加強(qiáng)筋的矩形平板為窄邊的寬度，對(duì)于有加強(qiáng)筋的平板，為被加強(qiáng)筋分割的小矩形平板的窄邊寬度。如圖 4-12a中的 l，b中的 b，c中的 l 和b 中較小者；彎為材料彎曲時(shí)的許用應(yīng)力，一般取簡(jiǎn)潔拉伸壓縮許用應(yīng)力；p為確定壓力，可取為 0.9810 2 kPa。當(dāng)需進(jìn)展水壓試驗(yàn)時(shí)，則矩形板的應(yīng)力為：=0.5B2P 水/(s

59、c)20.9。式中：。材料的屈服極限，Pac板的裕度，mp 水水壓試驗(yàn)壓力，可取 1.96102 kPa。用蒸汽消毒的凍干機(jī)需進(jìn)展內(nèi)壓試驗(yàn)，其試驗(yàn)壓力應(yīng)為工作壓力的 1.5 倍。一般凍干機(jī)不進(jìn)展水壓試驗(yàn)。加強(qiáng)筋計(jì)算加強(qiáng)筋的計(jì)算，做如下假定，加強(qiáng)筋上所承受的載荷是被它所分割的小平面載荷的一半，并以均勻載荷作用在加強(qiáng)筋上，則抗彎截面模量為：對(duì)于a圖：wp=B2 l p / 2k彎m34-6對(duì)于b圖：wp =L2 b p / 2k彎m34-6對(duì)于a圖：wp1 =B2 l p / 4k彎m34-6對(duì)于b圖：wp2 =L2 b p / 4k彎m34-6式中： wp加強(qiáng)筋的截面模量：p設(shè)計(jì)壓力，當(dāng)進(jìn)展水壓

60、試驗(yàn)時(shí)，p 為 1.96102kPa，當(dāng)不進(jìn)展水壓試驗(yàn)時(shí)，p 為 0.98102kPa；k系數(shù)，與筋兩端的固定方式有關(guān)，假設(shè)為剛性固定如法蘭連接或筋與筋相連時(shí)k=12，假設(shè)為非剛性連接，則 k=8。求的截面模量后，可按有關(guān)手冊(cè)來(lái)確定加強(qiáng)筋的斷面幾何尺寸。對(duì)于型鋼，可直接查有關(guān)手冊(cè)中該鋼的截面模量，所用型鋼的截面模量必需等于或大于計(jì)算值。除了強(qiáng)度計(jì)算以外，還要進(jìn)展箱壁的撓度計(jì)算，所計(jì)算得的撓度應(yīng)小于允許值。假設(shè)所計(jì)算的強(qiáng)度已足夠，而撓度超過(guò)允許值，則必需使撓度在合理的范圍內(nèi)來(lái)配置加強(qiáng)筋，否則箱體會(huì)產(chǎn)生變形。四箱體熱負(fù)荷及制冷機(jī)的選配在凍干過(guò)程中，枯燥箱只有降溫存保溫兩階段需要供冷。降溫階段就是將