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物料保鲜、保存的魔法:冻干机的工作原理是什么

分类:冻干QA

    

作者:小四儿

    

发布时间:2024-04-17

内容导读:在全球食品、医药、生物制品等行业中,热敏感、生物活性高、营养丰富的物料怎么处理,才能保持原料的内在品质、延长保质期、确保产品复水性良好?目前这个问题已经制约了产业升级,让企业市场竞争力大大降低。以江苏某家生物制药企业为例,2024年,它们通过引进先进的冻干机设备和技术改造,其冻干生产线的能耗降低了约25%,年均节约能源成本数十万元,且显著提高了生产效率。目前,根据行业报告显示,冻干机的工艺完全符合行业对高品质、高附加值产品日益增长的需求。
 
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一、冻干机的工作原理


1. 冻干机的预冻过程


预冻是冻干工艺的第一步,其目的是将待干燥的物料迅速降至冰点以下,使其内部的水分完全冻结成固态冰晶,有助于后续升华过程中水分的有效释放,同时最大限度地保留物料原有的微观结构和生化特性。四环冻干机采用进口压缩机单机混合制冷技术,制冷迅速,冷阱温度低,捕水能力强,让预冻过程更顺利。
 


2. 冻干机的升华过程


预冻后的物料转移至升华干燥室,这里已形成一个高度真空的环境。在真空系统的作用下,室内压力远低于水的饱和蒸汽压,使得固态冰可以直接从固态转变为气态,即发生升华现象。加热系统提供适宜的热量,以保证物料表面的冰晶持续升华,而无需熔化成液态。四环冻干机可选配共晶点测试功能,以更好地优化升华工艺。
 

3. 冻干机的解吸过程


解吸(也称解析干燥或二次干燥)发生在升华干燥接近尾声时,此时物料中仍可能存在部分吸附于固体骨架或微孔内的结合水。这部分水分子与固体表面的亲和力较强,不易自发升华。为了进一步降低残留水分含量,提高干燥效率和产品稳定性,冻干机的加热系统会适当提高温度,促使这些强结合水分子脱离吸附位点,进入自由状态并最终完成升华。解吸阶段需严格控制升温速率和最终温度,以防止物料过热或发生化学反应。四环冻干机采用自动控制系统,可以实现对解吸过程的精确控制,可设定不同阶段的参数。


二、冻干机的主要设备与组件


以四环冻干机为例,其核心设备与组件主要包括:
 

1. 四环冻干机的冷冻系统


冷冻系统是预冻过程的关键,通常包含高效制冷压缩机、冷凝器、膨胀阀和盘管式冷冻板或冷冻液循环系统。制冷剂在系统中循环,通过吸收物料热量使其迅速降温冻结。四环冻干机的冷冻板设计合理,确保物料均匀受冷,避免局部过冷或冻结不彻底的现象。
 

2. 四环冻干机的升华系统


升华系统由真空泵组、真空管道、干燥室、冷凝器及相关的阀门、传感器等组成。真空泵组负责抽取干燥室内的空气,创建并维持所需的真空度。冷凝器(通常配备制冷功能)用于捕捉升华过程中产生的水蒸气,防止其返回干燥室影响升华效率。传感器实时监测真空度、冷凝器温度等关键参数,确保升华过程在理想条件下进行。
 

3. 四环冻干机的解吸系统


解吸系统的主体为加热装置,包括电热元件、热媒循环系统或辐射加热板等。它们能在升华后期提供可控的升温,促使残余水分解吸。此外,解吸阶段可能需要更精细的温度与真空度控制策略,如采用程序控温技术,确保物料在安全温度范围内完成干燥,同时避免过度干燥导致的品质损失。


三、冻干机操作流程与注意事项


  1. 四环冻干机物料准备

选择合适物料:确保物料适合冻干处理,对其含水量、热敏感性、粘度、堆密度等特性进行评估。
预处理:根据物料特性进行必要的预处理,如匀浆、分装、添加保护剂等,以
优化冻干效果和复水性能
装载:将预处理后的物料均匀放置于冻干托盘或瓶中,保证良好的传热与升华气流通道。

 

2. 四环冻干机操作步骤


预冻:启动冷冻系统,设定预冻温度和时间,监控物料温度,确保充分冻结。
抽真空与升华:关闭预冻系统,开启真空泵组,逐渐降低干燥室压力至升华所需真空度。
启动加热系统,控制物料温度在升华温度范围内,持续监控真空度、冷凝器温度和物料温度,直至大部分冰晶升华完毕。
解吸:进入解吸阶段,按照预定程序逐步提高加热温度,同时保持合适的真空度,直至达到目标残余水分含量或达到设定的干燥终点条件。
停机与封存:关闭加热与真空系统,缓慢充入干燥惰性气体(如氮气)平衡压力,取出干燥物料,密封包装,存放在阴凉干燥处。

 

3. 冻干过程中的监控与调整


实时监测:借助冻干机自带的监控系统,密切关注真空度、冷凝器温度、物料温度、加热功率等参数变化,确保整个冻干过程在设定范围内运行。
异常情况处理:遇到压力波动、温度异常、冷凝器结霜严重等情况,应及时调整真空泵工作模式、加热功率或进行周期性除霜,确保冻干过程顺利进行。
终点判断:根据经验或采用在线水分检测技术,准确判断
干燥终点,避免过度干燥或干燥不足。必要时进行中间取样,通过复水试验验证冻干效果。


四环冻干机等专业设备凭借其精密的
预冻、升华、解吸系统,以及严谨的操作流程与监控措施,为生物制品、医药、食品、材料等多个领域的物料提供了高质量的冻干解决方案。冻干技术不仅极大地延长了物料的保质期,还保留了其原始结构、营养成分和生物活性,堪称物料保鲜与保存的现代“魔法”。

 
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