0、前言
真空冷凍干燥脫水技術是一項適用于蔬菜、水果、肉類、水產、藥品的護色、保鮮、保質、保營養成分的高新加工技術，其原理是在真空狀態下，利用升華原理，使預先凍結的物料中的水分不經過冰的融化直接以冰態升華為水蒸氣而除去，從而獲得干燥制品的技術，簡稱凍干技術。用此方法生產的食品叫真空凍干食品。由于真空冷凍干燥是在低溫、高真空狀態下進行，物料中的水分直接從固態升華為氣態，因而可以最大限度地保持被干物料的細胞活性以及被干物料的色、香、味、形和營養成分，而且復水性能好。凍干食品是采用現代脫水技術與工藝加工而成的集方便、保健、純天然為一體的高品質綠色食品，避免了傳統脫水方法帶來的變色、變質、變味、成分流失、無法還原等缺陷。
凍干食品在國際市場上的產量以每年30%的速度遞增，正成為國際貿易的大宗食品。據統計，目前，美國年消費凍干食品500萬噸，日本160萬噸，法國150萬噸，其它國家的消費數量也很可觀。國內在凍千方面的研究起步較晚，近年來一些科研單位對某些產品進行了工藝研究，東北大學成功研究了人參凍干工藝，四川大學研究了牦牛肉的冷凍干燥工藝。此外，上海華裔發展有限公司將一些名菜如宮保雞丁等，用凍干工藝加工，已在國內申請專利。隨著人們對凍干產品需求量的逐年增大，凍干設備也有了較大的發展。
1、真空冷凍干燥設備的原理及組成
真空冷凍干燥設備的工作原理是：先將物料凍結到共晶點溫度以下，使水分變成固態的冰，然后將經過前處理的預凍食品裝入干燥倉內，在低溫真空狀態下，由加熱板導熱或輻射方式供給食品熱能，使食品中的水分直接由冰升華成水蒸氣。不斷升華出的水蒸氣，由真空泵組抽至捕水倉內，在-40～45℃的排管外壁上凝結被捕捉，直至按凍干曲線達到規定的要求而停止供熱和抽真空，完成食品凍干全過程。真空冷凍干燥烘干機（簡稱凍干機）主要由真空冷凍干燥箱（簡稱凍干箱）、真空系統、制冷系統、加熱系統及自動控制系統等幾部分組成。一般間歇式真空冷凍干燥烘干機的結構如圖1所示。
1.1干燥箱
干燥箱是一個真空密閉容器，是冷凍干燥設備的重要組成部件之一，是干燥過程中傳熱和傳質的場所，它的性能直接影響到冷凍干燥設備的性能。如果帶有蒸氣消毒滅菌功能，凍干箱還應是一個低壓內壓容器。干燥室的形狀主要有圓形和矩形兩種，圓形干燥室操作容易、強度高、制作費用低，但其內部空間的利用率低；矩形干燥室的空間利用率高，但制造費用高。
1.2真空系統
真空系統包括真空干燥室、隔離閥、水蒸氣捕集冷凝器、真聯式旋片真空泵、聯接管道以及放氣閥等。系統內空氣水蒸氣的抽除是由真空泵完成的，當真空泵工作時，打開隔離閥，真空干燥室內的空氣及水蒸氣經過水蒸氣捕集冷凝器捕獲水分后進入真空泵，由真空泵排氣口排出系統。為防止經水蒸氣捕集冷凝器后抽除的氣體中含有的極少量的水蒸氣進入泵內，系統內配置了氣鎮閥，冷凍干燥時，打開氣鎮閥。在真空泵的排氣口裝有油霧捕集器，以防止排出氣體中的煙霧污染室內環境。
1.3加熱系統
為了使凍結后制品中的水蒸氣不斷地從冰晶中升華，就必須提供水蒸氣升華所需的足夠熱量，因此要配置加熱系統。加熱系統除加熱板以外，還包括熱媒加熱罐、換熱器、氣動調節閥、循環泵及管路、閥門、液位計、溫度傳感器等。
1.4制冷系統
水蒸氣凝結器又稱為冷阱，是制冷系統的主要部件。在13.3 Pa真空下，質量為lg的冰升華可生成100 m3的水蒸氣，若這大量的水蒸氣不加以處理而由真空泵抽出，則需要大容量的抽氣機才能維持所需的真空度。冷阱的作用是將干燥室中的水蒸氣冷凝吸附變成冰，以免進入真空泵，一方面可以減少真空泵的工作負擔，另一方面能夠保證干燥室具有較低的真空度。
1.5自動控制系統
自動控制系統是凍干機的指揮機構，凍干機的控制包括制冷機、真空泵的起、停，加熱溫度的控制，物料溫度、冷阱溫度、真空度的測試與控制，自動保護和報警裝置等。自動控制系統的功能是對凍干機的各個重要參數進行測量、顯示，根據預先的設置對凍干機進行精確控制，使其運行在規定的狀態，并可對故障狀態報警并自動應急處理。通過測量和記錄凍干過程的工藝參數，可以完整地了解整個凍干過程。對這些參數實施有效地控制，則可以實現對整個凍干過程的優化。即在保證產品品質的前提下，提高生產效率及減少能量消耗。
2、食品凍干機的研究現狀
食品凍干機的突出特點是產量高，脫水量大。因此，要求真空系統排氣量大，真空度不高。目前除采用大型捕水器和羅茨旋轉泵機組之外，大多采用幾級串聯的水蒸氣噴射泵，這種泵能直接以氣態排除水蒸氣，系統中不必設置捕水器。由于裝料量大，大多采用裝料車。食品凍干機中，丹麥阿特拉斯的RAY型間歇式和CONRAD型連續式凍干機，日本共和真空株式會社的無隔離干燥過程水氣凝結器除冰再生技術和TL型液體食品密閉系統管式凍干機可代表世界食品凍干機的先進技術。1989年10月17日保加利亞的索非亞成立了低溫生物學和冷凍干燥技術研究所(Institute of Cryobiology andLyophilizatin in Sofia，簡稱ICL)，主要研究宇航食品、兒童食品、方便食品、保健食品和營養食品。該研究所的科研實力目前在世界上排名第三位，僅次于美國和俄羅斯。
近年來，國內食品凍干機發展較快，生產廠家較多，質量、性能、規格型號各不相同。早在解放前，國內己開始在實驗室中用簡易凍干裝置來作保存菌種、毒種的試驗。20世紀50年代初期，武漢、北京等生物制品研究所及部分獸藥廠先后進口了一批凍干機。20世紀60年代北京、天津、南京、上海、大連等地相繼建立了一些實驗性凍干食品生產廠家并先后仿制了一批凍干機，特點是整體式，擱板溫度不均勻，手動操作，能自動記錄。20世紀70年代湖北自行設計了37.4 m2的凍干機，采用單機雙級壓縮機，可在箱內加蓋瓶塞；在上海建立了年產300 t的中等規模的凍干車間。為加快我國凍干技術的發展，機電部將工業真空冷凍干燥烘干機列入1986年工業技術發展基金項目，由華中理工大學承擔并與浙江真空設備廠協作進行研制[3]，產品于1989年通過部級鑒定，該機結構緊湊、功能齊全、擱板間距可調，采用微機程控。此外，清華大學核能設計研究院引進俄羅斯大型食品真空冷凍干燥設備的先進技術，直接與國家一級企業煙臺冰輪集團合作，共同探索出一條發展我國冷凍干燥事業的新路，優點是：起點高、投資少、見效快。在引進、消化、吸收的同時，對設備的改進提出了切實可行的方案，特別是控制系統設計，從工藝要求出發，在考慮節能的同時，以進一步提高效率為目的，采用現代化的儀表和先進控制手段，對設備的控制系統重新進行了優化設計，從根本上提高了我國大型食品冷凍干燥烘干機的整體設計及控制水平。國產凍干機的性能，見表1。
目前，國產食品凍干機還都是非標準化產品。大部分生產廠家走的是仿制道路，有些廠家在采用國外先進技術的同時，進行了較大的改進。如：加熱板內采用了特殊導流裝置，使板內流體的流量均勻，保證了加熱的均勻和穩定；捕水器在工作中可實現交替捕水和融冰，捕水器盤管內氨液制冷方式由傳統的氨液相變制冷改為氨液無相變制冷，使捕水器盤管內溫度均勻，結霜性能良好。除仿制之外，國內自己的研制能力也在提高，有些單位已經脫離了仿制國外機型，抽氣系統采用低架式水蒸氣噴射泵抽水蒸氣，省去了捕水器和制冷系統，降低了設備價格。
3、食品凍干機的發展趨勢
無論是國產設備還是引進的凍干設備，其共同的缺點是價格昂貴，耗能高，收回投資慢。降低成本，減少能耗是凍干機今后的主攻方向。因此，食品凍干機的研究方向和發展趨勢有以下4點。
3.1改進結構、優化設計、降低成本、減少能耗
國外有些凍干機不采用不銹鋼制造，而采用低碳鋼涂覆食品用可烘干樹脂，涂層厚度為0. 12~0.20 mm，在室溫下就會發出紅外線。擱板表面涂高性能遠紅外發射材料，增強其輻射能力；料盤表面處理，增強其吸熱能力。捕水器的結構、尺寸、結霜特性的優化更有實際意義，因為目前它的造價相當于凍干箱的造價，運轉功耗較大。對于凍干機而言，加熱系統只是補充升華熱，功率消耗本不應太高，但現有設備不盡人意，應該優化結構，降低能耗。
3.2保證質量，提高性能
有些廠家的凍干機安裝后，一直不能投入正常生產；有些凍干機雖然能生產，但能耗太高，生產的產品越多，賠錢越多：還有些元器件不斷出現故障，影響正常生產。因此，必須保證凍干機質量。提高性能是指除加熱速率、抽氣速率、溫度均勻性、真空度穩定性之外，增強設備新的功能，例如增加凍干結束時的判斷功能，最簡單的辦法是稱重法。目前已有人試驗，但不成功，原因是沒有離開天平和地秤的模式，致使小設備安裝困難，大設備笨重而不穩定。應該發展質量傳感器，用較小的一次元件給出質量隨時間的變化。
3.3開發連續式凍干設備
當前生產的凍干機都是間歇式產品，隨著工業技術的發展，人民生活水平的提高，消費量會增大，因此發展連續式凍干設備，增加凍干產品的產量是必然趨勢。
3.4提高衛生標準
近年來，西方國家在食品生產企業開始推行HACCP系統(Hazard Analysis Critical ControlPoint)，對食品加工設備的消毒殺菌、衛生管理等提出了更加嚴格的要求。以此為契機，日本許多廠家紛紛將原有鍍鋅鋼板的真空干燥室改為不銹鋼真空室，因為在向真空室通蒸氣進行滅菌的過程中，鍍鋅層會與60~80的濕熱蒸氣發生反應生成微粉，污染食品。凍干設備的使用年限一般為20~ 25年，考慮到HACCP系統遲早將進入中國，國內凍干產業廠家應未雨綢繆及早做好準備。
4、結論
目前，國內科技工作者已經成功研制出系列真空冷凍干燥設備，為發展我國真空冷凍干燥技術奠定了良好的基礎。隨著國際市場對凍干食品需求量的不斷增加和我國加入世貿組織以及人民生活水平的逐漸提高，凍干食品在國內將具有美好的發展前景，凍干設備也將會有長足的發展。
真空冷凍干燥脫水技術是一項適用于蔬菜、水果、肉類、水產、藥品的護色、保鮮、保質、保營養成分的高新加工技術，其原理是在真空狀態下，利用升華原理，使預先凍結的物料中的水分不經過冰的融化直接以冰態升華為水蒸氣而除去，從而獲得干燥制品的技術，簡稱凍干技術。用此方法生產的食品叫真空凍干食品。由于真空冷凍干燥是在低溫、高真空狀態下進行，物料中的水分直接從固態升華為氣態，因而可以最大限度地保持被干物料的細胞活性以及被干物料的色、香、味、形和營養成分，而且復水性能好。凍干食品是采用現代脫水技術與工藝加工而成的集方便、保健、純天然為一體的高品質綠色食品，避免了傳統脫水方法帶來的變色、變質、變味、成分流失、無法還原等缺陷。
凍干食品在國際市場上的產量以每年30%的速度遞增，正成為國際貿易的大宗食品。據統計，目前，美國年消費凍干食品500萬噸，日本160萬噸，法國150萬噸，其它國家的消費數量也很可觀。國內在凍千方面的研究起步較晚，近年來一些科研單位對某些產品進行了工藝研究，東北大學成功研究了人參凍干工藝，四川大學研究了牦牛肉的冷凍干燥工藝。此外，上海華裔發展有限公司將一些名菜如宮保雞丁等，用凍干工藝加工，已在國內申請專利。隨著人們對凍干產品需求量的逐年增大，凍干設備也有了較大的發展。
1、真空冷凍干燥設備的原理及組成
真空冷凍干燥設備的工作原理是：先將物料凍結到共晶點溫度以下，使水分變成固態的冰，然后將經過前處理的預凍食品裝入干燥倉內，在低溫真空狀態下，由加熱板導熱或輻射方式供給食品熱能，使食品中的水分直接由冰升華成水蒸氣。不斷升華出的水蒸氣，由真空泵組抽至捕水倉內，在-40～45℃的排管外壁上凝結被捕捉，直至按凍干曲線達到規定的要求而停止供熱和抽真空，完成食品凍干全過程。真空冷凍干燥烘干機（簡稱凍干機）主要由真空冷凍干燥箱（簡稱凍干箱）、真空系統、制冷系統、加熱系統及自動控制系統等幾部分組成。一般間歇式真空冷凍干燥烘干機的結構如圖1所示。
1.1干燥箱
干燥箱是一個真空密閉容器，是冷凍干燥設備的重要組成部件之一，是干燥過程中傳熱和傳質的場所，它的性能直接影響到冷凍干燥設備的性能。如果帶有蒸氣消毒滅菌功能，凍干箱還應是一個低壓內壓容器。干燥室的形狀主要有圓形和矩形兩種，圓形干燥室操作容易、強度高、制作費用低，但其內部空間的利用率低；矩形干燥室的空間利用率高，但制造費用高。
1.2真空系統
真空系統包括真空干燥室、隔離閥、水蒸氣捕集冷凝器、真聯式旋片真空泵、聯接管道以及放氣閥等。系統內空氣水蒸氣的抽除是由真空泵完成的，當真空泵工作時，打開隔離閥，真空干燥室內的空氣及水蒸氣經過水蒸氣捕集冷凝器捕獲水分后進入真空泵，由真空泵排氣口排出系統。為防止經水蒸氣捕集冷凝器后抽除的氣體中含有的極少量的水蒸氣進入泵內，系統內配置了氣鎮閥，冷凍干燥時，打開氣鎮閥。在真空泵的排氣口裝有油霧捕集器，以防止排出氣體中的煙霧污染室內環境。
1.3加熱系統
為了使凍結后制品中的水蒸氣不斷地從冰晶中升華，就必須提供水蒸氣升華所需的足夠熱量，因此要配置加熱系統。加熱系統除加熱板以外，還包括熱媒加熱罐、換熱器、氣動調節閥、循環泵及管路、閥門、液位計、溫度傳感器等。
1.4制冷系統
水蒸氣凝結器又稱為冷阱，是制冷系統的主要部件。在13.3 Pa真空下，質量為lg的冰升華可生成100 m3的水蒸氣，若這大量的水蒸氣不加以處理而由真空泵抽出，則需要大容量的抽氣機才能維持所需的真空度。冷阱的作用是將干燥室中的水蒸氣冷凝吸附變成冰，以免進入真空泵，一方面可以減少真空泵的工作負擔，另一方面能夠保證干燥室具有較低的真空度。
1.5自動控制系統
自動控制系統是凍干機的指揮機構，凍干機的控制包括制冷機、真空泵的起、停，加熱溫度的控制，物料溫度、冷阱溫度、真空度的測試與控制，自動保護和報警裝置等。自動控制系統的功能是對凍干機的各個重要參數進行測量、顯示，根據預先的設置對凍干機進行精確控制，使其運行在規定的狀態，并可對故障狀態報警并自動應急處理。通過測量和記錄凍干過程的工藝參數，可以完整地了解整個凍干過程。對這些參數實施有效地控制，則可以實現對整個凍干過程的優化。即在保證產品品質的前提下，提高生產效率及減少能量消耗。
2、食品凍干機的研究現狀
食品凍干機的突出特點是產量高，脫水量大。因此，要求真空系統排氣量大，真空度不高。目前除采用大型捕水器和羅茨旋轉泵機組之外，大多采用幾級串聯的水蒸氣噴射泵，這種泵能直接以氣態排除水蒸氣，系統中不必設置捕水器。由于裝料量大，大多采用裝料車。食品凍干機中，丹麥阿特拉斯的RAY型間歇式和CONRAD型連續式凍干機，日本共和真空株式會社的無隔離干燥過程水氣凝結器除冰再生技術和TL型液體食品密閉系統管式凍干機可代表世界食品凍干機的先進技術。1989年10月17日保加利亞的索非亞成立了低溫生物學和冷凍干燥技術研究所(Institute of Cryobiology andLyophilizatin in Sofia，簡稱ICL)，主要研究宇航食品、兒童食品、方便食品、保健食品和營養食品。該研究所的科研實力目前在世界上排名第三位，僅次于美國和俄羅斯。
近年來，國內食品凍干機發展較快，生產廠家較多，質量、性能、規格型號各不相同。早在解放前，國內己開始在實驗室中用簡易凍干裝置來作保存菌種、毒種的試驗。20世紀50年代初期，武漢、北京等生物制品研究所及部分獸藥廠先后進口了一批凍干機。20世紀60年代北京、天津、南京、上海、大連等地相繼建立了一些實驗性凍干食品生產廠家并先后仿制了一批凍干機，特點是整體式，擱板溫度不均勻，手動操作，能自動記錄。20世紀70年代湖北自行設計了37.4 m2的凍干機，采用單機雙級壓縮機，可在箱內加蓋瓶塞；在上海建立了年產300 t的中等規模的凍干車間。為加快我國凍干技術的發展，機電部將工業真空冷凍干燥烘干機列入1986年工業技術發展基金項目，由華中理工大學承擔并與浙江真空設備廠協作進行研制[3]，產品于1989年通過部級鑒定，該機結構緊湊、功能齊全、擱板間距可調，采用微機程控。此外，清華大學核能設計研究院引進俄羅斯大型食品真空冷凍干燥設備的先進技術，直接與國家一級企業煙臺冰輪集團合作，共同探索出一條發展我國冷凍干燥事業的新路，優點是：起點高、投資少、見效快。在引進、消化、吸收的同時，對設備的改進提出了切實可行的方案，特別是控制系統設計，從工藝要求出發，在考慮節能的同時，以進一步提高效率為目的，采用現代化的儀表和先進控制手段，對設備的控制系統重新進行了優化設計，從根本上提高了我國大型食品冷凍干燥烘干機的整體設計及控制水平。國產凍干機的性能，見表1。
目前，國產食品凍干機還都是非標準化產品。大部分生產廠家走的是仿制道路，有些廠家在采用國外先進技術的同時，進行了較大的改進。如：加熱板內采用了特殊導流裝置，使板內流體的流量均勻，保證了加熱的均勻和穩定；捕水器在工作中可實現交替捕水和融冰，捕水器盤管內氨液制冷方式由傳統的氨液相變制冷改為氨液無相變制冷，使捕水器盤管內溫度均勻，結霜性能良好。除仿制之外，國內自己的研制能力也在提高，有些單位已經脫離了仿制國外機型，抽氣系統采用低架式水蒸氣噴射泵抽水蒸氣，省去了捕水器和制冷系統，降低了設備價格。
3、食品凍干機的發展趨勢
無論是國產設備還是引進的凍干設備，其共同的缺點是價格昂貴，耗能高，收回投資慢。降低成本，減少能耗是凍干機今后的主攻方向。因此，食品凍干機的研究方向和發展趨勢有以下4點。
3.1改進結構、優化設計、降低成本、減少能耗
國外有些凍干機不采用不銹鋼制造，而采用低碳鋼涂覆食品用可烘干樹脂，涂層厚度為0. 12~0.20 mm，在室溫下就會發出紅外線。擱板表面涂高性能遠紅外發射材料，增強其輻射能力；料盤表面處理，增強其吸熱能力。捕水器的結構、尺寸、結霜特性的優化更有實際意義，因為目前它的造價相當于凍干箱的造價，運轉功耗較大。對于凍干機而言，加熱系統只是補充升華熱，功率消耗本不應太高，但現有設備不盡人意，應該優化結構，降低能耗。
3.2保證質量，提高性能
有些廠家的凍干機安裝后，一直不能投入正常生產；有些凍干機雖然能生產，但能耗太高，生產的產品越多，賠錢越多：還有些元器件不斷出現故障，影響正常生產。因此，必須保證凍干機質量。提高性能是指除加熱速率、抽氣速率、溫度均勻性、真空度穩定性之外，增強設備新的功能，例如增加凍干結束時的判斷功能，最簡單的辦法是稱重法。目前已有人試驗，但不成功，原因是沒有離開天平和地秤的模式，致使小設備安裝困難，大設備笨重而不穩定。應該發展質量傳感器，用較小的一次元件給出質量隨時間的變化。
3.3開發連續式凍干設備
當前生產的凍干機都是間歇式產品，隨著工業技術的發展，人民生活水平的提高，消費量會增大，因此發展連續式凍干設備，增加凍干產品的產量是必然趨勢。
3.4提高衛生標準
近年來，西方國家在食品生產企業開始推行HACCP系統(Hazard Analysis Critical ControlPoint)，對食品加工設備的消毒殺菌、衛生管理等提出了更加嚴格的要求。以此為契機，日本許多廠家紛紛將原有鍍鋅鋼板的真空干燥室改為不銹鋼真空室，因為在向真空室通蒸氣進行滅菌的過程中，鍍鋅層會與60~80的濕熱蒸氣發生反應生成微粉，污染食品。凍干設備的使用年限一般為20~ 25年，考慮到HACCP系統遲早將進入中國，國內凍干產業廠家應未雨綢繆及早做好準備。
4、結論
目前，國內科技工作者已經成功研制出系列真空冷凍干燥設備，為發展我國真空冷凍干燥技術奠定了良好的基礎。隨著國際市場對凍干食品需求量的不斷增加和我國加入世貿組織以及人民生活水平的逐漸提高，凍干食品在國內將具有美好的發展前景，凍干設備也將會有長足的發展。
