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如何降低冻干食品的能耗成本?来看看这些节能研究~

2022-08-06 09:24:39 阅读数:1639 来源:火爆宠品招商网

真空冷冻干燥(又称冷冻干燥)其机理是依据水的三相变化,物料在低温环境下冻结成固态,然后在真空状态下使水分由固态升华为气态,最终使物料脱水,从而获得脱水干制品。冻干技术可有效防止物料理化及生物特性的改变,对生物组织、细胞结构损伤小,能最大限度地保持物料的风味、活性、固体结构、形状等原始特性,可有效保护热敏性食品、生物医药制品有效成分的稳定性。

但真空冷冻干燥技术存在干燥时间长、速率低、能耗大、投资费用高等缺点。相关研究表明,升华干燥过程的能耗占冻干总能耗的48%.因此,缩短冻干时间、提高干燥速率、降低能耗已成为国内外学者研究的热点问题。本文主要总结近年来真空冷冻干燥技术在节能方法上的研究并进行论述。

预处理技术对冻干能耗影响的研究

物料在冻干前进行相应的预处理,可去除部分水分,或形成微孔通道,从而达到降低冻干能耗的目的。研究人员发现,超声波与介质相互作用产生的热效应、空化效应和机械效应能够去除物料部分水分,将超声波与真空冷冻干燥结合,可缩短冻干时间。

段续等采用超声波对香菇进行预处理,实验结果表明,经功率为300 W的超声波处理10 min,香菇的冷冻干燥时间缩短29.4%,且复水性提高29%.超声波预处理不但可以降低冻干能耗,还可以提高物料玻璃化转变温度(Tg),从而提高干制品贮藏稳定性,延长货架期。

除超声波外,物料进行真空冷却处理,也可减少水分,且外表层能够较快形成微孔通道,这是由于物料水分蒸发时,相变吸热首先发生于外表面。因此,外表层水分含量相对较少,在升华干燥过程,降低内部冰晶升华时的阻力,加快升华界面由外向内的推进,升华干燥速度加快。周頉等采用真空冷却技术对苹果片进行冻干预处理,以冻干时间及复水比为指标,结果表明,处理组较常规组苹果片的冻干时间缩短近2 h,复水比增加1.99%,且感官评价良好。

相关研究表明,高压脉冲电场能够实现对果蔬细胞的可逆击穿,使得细胞膜通透性增加,从而提高干燥速率,且物料组织结构不会被损坏。Wu等以苹果为实验材料,冻干时间、干燥速率、单位能耗及单位面积生产率为指标,研究高压脉冲电场预处理对冻干苹果的影响。结果表明:冻干时间缩短22.5%,干燥速率提高27.02%,单位能耗降低20.46%.高压脉冲电场具有温升小、运行成本低、低能耗等优点,能够满足某些食品热敏性需求,作为真空冷冻干燥预处理方法应用前景广阔。

冷冻过程冰晶成核的研究

冷冻过程中冰晶的尺寸、成核温度对后续升华干燥有较大影响,周新丽等发现超声波可在较低过冷度下刺激冰晶成核,获得较大尺寸的冰晶,从而升华阻力下降,干燥时间缩短。国外学者Searles等证明了成核温度与一次干燥速率之间存在很强的相关性,结果表明,冰核温度提升12℃,一次干燥速率提高37%.

目前常采用超声波、高压及冰雾等技术来控制冰晶成核,但是,由于不能直接控制成核温度,它们中的大多数可扩展性或重复性较差。因此,添加成核剂是直接控制冰成核的有效途径。

冻干过程热利用的研究

冻干过程中,在供给物料升华所需热量的同时,大量热量散失到环境中被浪费。然而,物料升华所需的热量远低于冻干机中制冷系统产生的总冷凝热负荷,用压缩机的高温高压排气来加热物料,热量是足够的。

Bando等提出了一种基于自热回收(SHR)技术的冷冻干燥新工艺,通过应用SHR技术循环整个过程中的热量,如图1所示(Pc、Pv、P1、t1、t2和t3分别代表干燥室的压力、压缩蒸汽压力、换热后压力、升华点温度、换热后冷凝温度和换热前蒸汽温度),所有的过程热量都通过SHR技术被回收和循环,不需要进一步的加热,该装置主要由干爆室、压缩机、换热器、排水管组成。物料升华后的蒸汽经压缩机被压缩,压缩后的高温高压蒸汽与物料通过换热器进行换热,蒸汽冷凝得到的冷凝水进入排水管,物料吸热继续升华,产生蒸汽再次被压缩机吸入,循环不断进行。通过实验,得出三种加热温度下冻干总能耗分别降低87%(10℃)79%(30℃)和70%(50℃),因此,基于自热回收技术的冷冻干燥工艺具有巨大节能潜力,是今后真空冷冻干燥发展的一个重要方向。

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真空冷冻联合干燥工艺的研究

将冷冻干燥与其他干燥方法依据各自优点进行组合,可弥补单一冷冻干燥能耗高的缺点。目前研究的冷冻联合干燥主要有热风冷冻联合干燥、微波冷冻联合干燥、红外冷冻联合干燥等。

1.热风-真空冷冻联合干燥

近年来,研究人员对热风冷冻联合干燥进行了大量的研究,结果表明,热风冷冻联合干燥的产品细胞特征与单一冷冻干燥相似,且热风冷冻干燥的总能耗比单一冷冻干燥低。热风冷冻联合干燥技术因其低能耗已被广泛运用到实际生产中,但产品质量较差,如何提高热风冷冻联合干燥产品质量是今后研究的重点。

2.微波-真空冷冻联合干燥

传统冷冻干燥依靠导热或辐射对物料进行加热,加热速度慢;而微波能够直接作用于介质分子转换成热能,具有穿透性,可对介质内外同时加热,无需热传导,加热速度快,从而达到节能目的。近年来,已有很多学者将微波与冷冻干燥结合,用来克服单一真空冷冻干燥耗能大的缺点。微波-真空冷冻联合干燥虽然能提高干燥速率,但存在加热不均匀、易放电现象等缺点,导致产品质量下降。如何使电场分布均匀、避免电晕放电已成为学者们研究的重点。

3.红外-真空冷冻联合干燥

红外干燥具有加热温度稳定,物料受热均匀,干燥速率快等优点。将红外干燥与常规真空冷冻干燥相结合,可有效降低单一真空冷冻干燥能耗。研究发现,红外-真空冷冻联合干燥物料时,红外干燥与真空冷冻干燥的使用顺序对产品质量影响较大。

红外-真空冷冻联合干燥作为一种新型真空冷冻联合干燥技术,目前仍处于研发阶段,其机理研究不够深入。

真空冷冻干燥与其他干燥方法优势互补,进行联合干燥,避免了单一干燥的不利影响,在降低能耗的同时,能够最大程度保留物料的营养物质、活性成分,具有很高的应用价值,应大力推广其在实际生产中的应用。真空冷冻干燥与其他干燥方法同时或分段使用,以及确定最佳转换点,将成为未来真空冷冻联合干燥研究的方向。

总结

1.在冻干预处理方面,针对不同的物料,继续研究开发不同的预处理方法,达到预干燥,从而缩短冻干时间。

2.完善和探索更加有效的控制冰晶成核技术,使后续升华干燥阻力更小,干燥效率更高。

3.改进冻干设备,充分利用制冷系统中冷凝器散发的热量,降低运行成本。

4.深入研究真空冷冻联合干燥机理,确定最佳转换点来优化冻干过程,降低冻干能耗。

编辑:晴晴 关键词:冻干食品,宠物

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