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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(jié)合水和物化結(jié)合水。它主要以吸附和滲透方式存在于物料表面、毛細(xì)管、孔隙之中。②結(jié)構(gòu)水，以化學(xué)結(jié)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(jié)構(gòu)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，用來說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線為水氣分界線，OB為冰一水兩相分界線，即為冰的融化線。0℃線為冰氣交界線，在此線上冰，氣共存，即為冰真接由固相轉(zhuǎn)為氣相曲線。通常把這種由固相直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟默F(xiàn)象叫做升華。

圖中0點，為固一液一氣三相共存點，稱做三相點或共晶點。純水三相點對應(yīng)的溫度為0℃，此溫度下所對應(yīng)冰面上的飽和蒸氣壓為Po=598Pa。物料中所含水，均為水溶液，其三相點溫度要低于純水的溫度。由圖可見，在0點以上(圖中虛線以上)，冰需轉(zhuǎn)化成水，水再轉(zhuǎn)化為氣，其過程是普通的蒸發(fā)干燥。只有在三相點壓力Po線以下，冰才能由固相直接轉(zhuǎn)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程示意圖。其干燥過程是由周圍逐漸向內(nèi)部干燥，干燥層逐漸增厚，可看成多孔結(jié)構(gòu)。升華熱由加熱體通過干燥層不斷地傳給凍結(jié)部分，在干操與凍結(jié)交界的升華面上，水分子得到加熱后，將脫離升華面，沿著毛細(xì)孔跑到周圍環(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水分子向外遷移的動力。這憊味著升華千操必須在真空環(huán)境中進行。另外物料是處于凍結(jié)狀態(tài)，需維持溫度低于三相點;在真空環(huán)境下，此溫度易于保持。

2.食物中的升華速率

由上述可見，真空冷凍升華干燥過程首先是把食物中的水凍結(jié)成冰，然后供給升華熱，使冰在三相點以下的溫度下升華。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(nèi)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，升華出來的水氣能很快地穿過。若是體積較大的塊狀物體，特別是厚度較大的肉、魚或者粘稠膠體，干燥層對水蒸氣遷移速率影響較大。干燥層內(nèi)的水氣壓力隨著厚度的增加呈指數(shù)上升。水蒸氣遷移速率與干燥層內(nèi)水蒸氣分壓有關(guān)。