CN104596206A - 一种一体式辐射真空冻干设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一体式辐射真空冻干设备，同时还涉及相应的方法，属于食品设备技术领域。该设备的真空仓体内部固定垂向侧支架；侧支架延伸出加热搁板，加热搁板与载热剂加热器形成热交换循环系统；两侧加热搁板之间形成吊挂料车容置间隔，吊挂料车包括垂向悬架，垂向悬架延伸出水平料盘，水平料盘位于相邻两水平中空加热搁板之间；真空仓体分布雾化喷头，雾化喷头通过管路接至高压输水系统。本发明实现了低成本的食品冻结，冻结与干燥全部工艺过程在同一设备内一次完成，简化了工艺流程，显著提高了效率，适用于各种食品物料，包括含水较少、质构密实或有蜡质层表皮的食品物料。

Description

一种一体式辐射真空冻干设备及方法

技术领域

本发明涉及一种食品冻干设备，尤其是一种一体式辐射真空冻干设备，同时还涉及相应的方法，属于食品设备技术领域。

背景技术

真空冷冻干燥是国际公认的生产高品质、高附加值脱水食品的加工方法，物料干燥在低温、真空状态下进行，可较好地保留新鲜物料的色、香、味、形及营养成份，无需添加任何防腐剂，且制品易保存和流通，有良好的速溶性和复水性，完全符合当前“绿色、方便、营养、安全”食品发展趋势。

真空冷冻干燥设备（冻干机）是冻干食品加工的核心生产设备，通常有两种结构形式：第一种采用托盘/搁板/接触传热方式：箱内设有多层的金属搁板，物料通过托盘放置在搁板上，以传导的方式对物料进行加热，该配置方式的搁板内也可载有制冷介质起冷冻作用，即物料的预冻和干燥均可在干燥仓中完成，为冻干一体机，但生产效率低、装卸困难，常用于医药冻干领域。第二种采用托盘/辐射加热方式（参见中国专利CN00210510、CN200610054184），物料用托架承载悬空置于上下搁板间，以热辐射的方式对物料加热，搁板的载热剂多用水、蒸汽、矿物油、有机溶剂等，辐射板的温度高，干燥快、效率高，冻干食品工业化生产普遍采用该配置方式的冻干机。但是，托盘/辐射加热型冻干机仅能实现干燥的功能，冻干工艺中所必需的物料预冻作业只能利用另外的冷冻库或速冻流水线来完成，达到冻结要求（冻结温度达到食品物料的共晶点以下）的物料才能装入冻干机内进行冻干作业。辐射型冻干机必需配套有冷库或冷冻生产线，占地面积大，设备投入多，且冻干工艺流程长、加工成本也高。

此外，检索发现中国专利申请CN201010184053公开了一种新冻干工艺，其方法包括清洗、烫漂、预干、冻结、微波冻干、出仓步骤，将沥水和冷却工序合二为一，无需烫漂后的冷却工序、不仅沥水、降温彻底，而且速度快。但工艺中仅通过物料自身失水的真空冷却方法降温效果十分有限，特别是对本身含水较少、质构密实或有蜡质层表皮的食品物料，因其自身水分难以逸出，不能将物料冻结到共晶点以下，冻结不充分，结果会导致物料在冻干过程中皱缩变形，无法保证冻干品质。并且，上述工艺借助现有分离式设备不仅实现起来十分困难，而且会使上述问题更加突出。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提出一种即使食品物料本身含水少、质构密实或有蜡质层表皮也能保证充分冻结、避免冻干皱缩的，并且效率高、成本经济的一体式辐射真空冻干设备，同时给出相应的方法，从而使真空冷冻干燥技术得以更好的推广应用。

为了达到以上目的，本发明的一体式辐射真空冻干设备包括水平方向延伸且与制冷机组和真空机组连通的真空仓体，所述真空仓体一端具有仓门、内部宽度方向两侧固定垂向侧支架；两侧的侧支架相对延伸出上下间隔的水平中空加热搁板，所述加热搁板与所述真空仓体外的载热剂加热器连通形成热交换循环系统；两侧加热搁板之间形成吊挂料车容置间隔，所述吊挂料车包括上端通过连接器吊挂在真空仓体顶部悬挂导轨的垂向悬架，所述垂向悬架两侧分别延伸出上下间隔的水平料盘，所述水平料盘位于上下间隔的相邻两水平中空加热搁板之间；所述真空仓体内壁间隔分布有朝向邻近水平料盘的雾化喷头，所述雾化喷头通过管路接至高压输水系统。

本发明相应的冻干方法包括以下步骤：

第一步、物料输入——将待冻干食品物料铺放在各料盘上之后，打开仓门，借助吊挂于悬挂轨道的吊挂料车输入真空料仓，使各料盘位于上下相邻的加热搁板之间，关闭仓门；

第二步、预冻干燥——先后启动制冷机组和真空机组，令真空仓体内的真空度达到食品物料水分汽化压强，使食品物料外表面残留的水分和内表层部分水分在真空条件下迅速汽化，在降温预冻的同时脱水初干；

第三步、雾化冻结——在保持制冷机组和真空机组开启状态下，开启高压输水系统，借助雾化喷头朝食品物料喷洒雾化水滴，使雾化水滴在真空仓体内汽化吸热，使食品物料的冻结温度达到并维持在共晶点以下，对预冻初干的食品物料进行深层的雾化冻结；

第四步、冷冻干燥——关闭高压输水系统，继续保持制冷机组和真空机组处于开启状态，开启加热器，使载热剂在加热搁板内连续循环，对雾化冻结的食品物料辐射加热，完成食品物料水分的升华干燥和解析干燥，达到冻干制品所需含水率要求；

第五步、物料输出——关闭加热器、制冷机组和真空机组，打开仓门，将吊挂料车输出真空料仓。

本发明不仅由于利用水分在真空状态下快速汽化相变且大量吸热的自然物理属性，实现了低成本的食品冻结，而且合理按序进行食品物料的降温预冻初干与雾化冻结衔接，使表冷和深冷有机结合，之后再主要借助热辐射，实现食品物料的升华干燥和解析干燥，不仅全部工艺过程在同一设备内一次完成，简化了工艺流程，显著提高了效率，降低了设备投资和加工成本。尤其是，当真空仓体内压强下降到汽化压强时，不仅使食品物料表面水分快速汽化带走大量的热量，使表层初步冻结，而且同时正好完成了所需的初步脱水干燥，可以减轻后续冷冻干燥的负荷，缩短时间，节省能耗。其后的喷雾冻结由于在真空状态下进行，雾化效果超乎寻常，因此汽化吸热极佳，显著加快了冻结速度，易于保证温度均匀，并且由于借助外加水分雾化冻结，因此适用于各种食品物料，包括诸如马铃薯、小西红柿等本身含水较少、质构密实或有蜡质层表皮的食品物料。

本发明进一步的完善是，所述真空仓体的侧壁和所述垂向悬架分别装有通过软管连通的快插接头，所述垂向悬架两侧间隔分布有与垂向悬架内部输液通道连通的雾化喷头，因此工作时，垂向悬架两侧的喷雾喷头可以与真空仓体内壁的雾化喷头配合雾化，使水分汽化更充分，食品物料的降温更迅速均匀。

本发明更进一步的完善是，所述加热搁板采用经阳极氧化处理的铝型材，或采用表层涂有氧化锰、氧化铜、氧化铁之一作为过渡金属氧化物红外辐射涂料的铝型材，从而提高热辐射率和加热效率；所述搁板内设有均匀分布的供换热介质循环的迂回流道。

本发明又进一步的完善是，所述制冷机组的热交换管路位于两端分别连通真空仓体和真空机组的捕水器内，所述捕水器的底部经真空隔膜阀接具有泄压阀和放水阀的集水箱。在冻干过程中，水蒸汽凝成水或凝结成霜是必然的，借助以上主要由捕水器、集水器构成的冷凝水收集系统，在预冻初干阶段和雾化冻结阶段，只要打开真空隔膜阀、关闭泄压阀和放水阀，由于闪发的大量水蒸汽来不及抽走或在冷凝管上结霜凝结，或在捕水器内形成冷凝水流到集水箱，在雾化冻结结束后，可关闭真空隔膜阀、打开泄压阀和放水阀，将冷凝水排出。

本发明再进一步的完善是，进料或出料时，所述悬挂轨道通过可平移活动轨道与外部输送轨道连接，这样可以方便地组成流水线。

本发明还进一步的完善是，所述真空机组由并联的至少两个水环泵和串联的至少两个罗茨泵构成，并联水环泵作为串联罗茨泵的前级泵。这样，并联水环泵作为串联罗茨泵的前级泵，不仅可使真空机组抽量高，而且可及时抽出真空仓体内的水蒸汽和其他气体，保持水分低温下汽化所需的真空度。

附图说明

    下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一个优选实施例的结构示意图。

图2为图1的真空仓体截面结构示意图。

图3为图1实施例中吊挂料车的雾化喷头结构示意图。

图4为图1实施例中加热搁板管路连接结构示意图。

图5为图4的A向示图。

图6为图1实施例中吊挂料车输送转移结构示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的一体式辐射真空冻干成套设备如图1、图2所示，包括水平方向延伸且与制冷机组5和真空机组连通的圆筒状真空仓体1，该真空仓体1一端具有可开启的仓门1-1，内部宽度方向两侧固定与底支架1-6固连的垂向侧支架1-2，两侧的侧支架1-2相对延伸出上下间隔的水平中空加热搁板1-3。其具体结构如图4和图5所示，加热搁板1-3采用表层涂有氧化锰（或氧化铜、氧化铁）作为过渡金属氧化物红外辐射涂料的铝型材，内部设有均匀分布的供换热介质循环的迂回流道，通过热交换介质输送管路P的进口IN和出口OUT与真空仓体1外的载热剂加热器2连通形成热交换循环系统。

两侧加热搁板1-3之间形成吊挂料车4的容置间隔。吊挂料车4包括上端通过连接器4-1吊挂在真空仓体1顶部悬挂导轨1-4的垂向悬架4-2，该垂向悬架4-2两侧分别延伸出上下间隔的水平料盘4-3，各水平料盘4-3分别位于上下间隔的相邻两水平中空加热搁板1-3之间。真空仓体1内壁周向间隔分布有朝向邻近水平料盘1-3的雾化喷头1-5，并且垂向悬架4-2的两侧间隔分布有与垂向悬架4-2内部输液通道4-6连通的雾化喷头1-5。各雾化喷头1-5通过管路接至高压泵3-1、流量调节阀3-2、无菌水箱3-3构成的高压输水系统。如图3所示，真空仓体1的底侧壁和垂向悬架4-2分别装有通过软管4-5连通的快插接头4-4。从而使垂向悬架4-2两侧的喷雾喷头1-5也接至高压输水系统，可以与真空仓体1内壁的雾化喷头同时配合雾化。

图1中，制冷机组5的迂回冷凝盘管构成的热交换管路位于两端分别连通真空仓体1和真空机组的捕水器5-2内，该捕水器5-2的底部经真空隔膜阀5-6接具有泄压阀5-3和放水阀5-5的集水箱5-4。因此可以在冻干过程中，借助冷凝水收集系统，及时将在捕水器内形成冷凝水流到集水箱，并在雾化冻结结束后，将冷凝水排出。此外，本实施例的真空机组由并联的两个水环泵5-1和串联的两个罗茨泵5-7构成，并联水环泵5-1作为串联罗茨泵5-7的前级泵，使真空机组抽量高，保持水分低温下汽化所需的真空度。

此外，本实施例如图6所示，进料或出料时，开启仓门1-1之后，悬挂轨道1-4通过可平移的活动轨道1-4“与外部输送轨道1-4’连接，从而可以组成流水线，便于实现批量生产。

本实施例的设备运行时，相应的冻干过程包括以下主要步骤：

第一步、物料输入——将待冻干食品物料铺放在各料盘上之后，打开仓门，借助吊挂于悬挂轨道的吊挂料车输入真空料仓，使各料盘位于上下相邻的加热搁板之间，关闭仓门；

第二步、预冻干燥——启动制冷机组，使捕水器中的热交换管路（冷凝盘管）温度降至－40℃以下，然后再开启真空机组，将真空仓体内的真空度达到食品物料水分汽化压强，使食品物料外表面残留的水分和内表层部分水分在真空条件下迅速汽化，在降温预冻的同时脱水初干；

第三步、雾化冻结——在保持制冷机组和真空机组开启状态下，开启高压输水系统，借助雾化喷头朝食品物料喷洒雾化水滴，使雾化水滴在真空仓体内汽化吸热，对预冻初干的食品物料进行深层的雾化冻结，使食品物料的冻结温度达到并维持在共晶点以下，且在预冻干燥阶段和雾化冻结阶段，打开冷凝水收集系统中的真空隔膜阀、关闭泄压阀和放水阀，将捕水器内形成的冷凝水收集到集水箱；

第四步、冷冻干燥——关闭高压输水系统和冷凝水收集系统中的真空隔膜阀，继续保持制冷机组和真空机组开启状态，开启加热器，使载热剂在加热搁板内连续循环，对雾化冻结的食品物料辐射加热，完成食品物料水分的升华干燥和解析干燥，达到冻干制品所需含水率要求；

第五步、物料输出——关闭加热器、制冷机组和真空机组，打开仓门，将吊挂料车输出真空料仓。

简言之，上述过程也可以表述为：经过前端清洗、切分、烫漂等加工处理的食品物料直接装入料盘，随料车进入冻干仓内，料盘悬空穿插在加热搁板之间，密闭仓门，开启制冷机组和真空机组。当冻干仓内压强持续下降，达到食品物料温度所对应的汽化压强时，由于食品物料前端加工处理在物料表面残留的外来水分以及食品物料自身表层含有的水分遇到真空条件会快速汽化，从食品物料上带走大量的热量将食品物料表层初步冻结。这是一个真空条件下的食品物料自发脱水降温预冻的过程，食品物料表面和表层水分会汽化脱除，表层达到初步冻结的状态，同时此过程也是一个脱水干燥的过程，可以减轻后续冷冻干燥的负荷，降低冻干所需时间，节省能耗。

表层冻结后，食品物料无法依靠自身水分汽化使内层进一步降温，难以达到食品物料冻结的终温要求。初步真空冻结持续约30min后，开启高压泵和流量调节阀，以一定的流量向冻干仓内雾化喷入无菌水，喷入的大量雾化水滴会迅速汽化吸热带走热量，对经过预冻结的食品物料进行深层冻结，而且冷冻速度非常快、且冻结温度均匀。由于采用了外加水分雾化冻结处理的措施，本实施例可以适用于任何物料，包括那些本身含水较少、质构密实或有蜡质层表皮的食品物料，如：马铃薯、小西红柿等。

在本实施例的设备中，通过食品物料中的残留水、自身水以及外加喷雾水的真空冻结处理，使达到冻结要求后，再开启加热器，使硅油等载热剂在加热搁板内连续循环，对食品物料进行辐射加热，完成冷冻干燥工艺中后续的升华干燥和解析干燥，使产品达到最终含水率要求。

试验证明，本实施例的预冻和冻干一体式的辐射型真空冻干设备及加工方法可以在托盘/辐射加热方式的冻干设备中实现冻干加工工艺中的物料预冻、预干燥、冷冻干燥等过程，省去了辐射型冻干机的必需配套设备冷库或冷冻生产线，缩短简化冻干工艺流程，降低设备成本和加工成本，而且加工方法不受物料品种限制，具有广适性。

Claims (7)

1.一种一体式辐射真空冻干设备，包括水平方向延伸且与制冷机组和真空机组连通的真空仓体，所述真空仓体一端具有仓门、内部宽度方向两侧固定垂向侧支架；其特征在于：两侧的侧支架相对延伸出上下间隔的水平中空加热搁板，所述加热搁板与所述真空仓体外的载热剂加热器连通形成热交换循环系统；两侧加热搁板之间形成吊挂料车容置间隔，所述吊挂料车包括上端通过连接器吊挂在真空仓体顶部悬挂导轨的垂向悬架，所述垂向悬架两侧分别延伸出上下间隔的水平料盘，所述水平料盘位于上下间隔的相邻两水平中空加热搁板之间；所述真空仓体内壁间隔分布有朝向邻近水平料盘的雾化喷头，所述雾化喷头通过管路接至高压输水系统。

2.根据权利要求1所述的一体式辐射真空冻干设备，其特征在于：所述真空仓体的侧壁和所述垂向悬架分别装有通过软管连通的快插接头，所述垂向悬架两侧间隔分布有与垂向悬架内部输液通道连通的雾化喷头。

3.根据权利要求2所述的一体式辐射真空冻干设备，其特征在于：所述加热搁板采用经阳极氧化处理的铝型材，或采用表层涂有氧化锰、氧化铜、氧化铁之一作为过渡金属氧化物红外辐射涂料的铝型材；所述搁板内设有均匀分布的供换热介质循环的迂回流道。

4.根据权利要求3所述的一体式辐射真空冻干设备，其特征在于：所述制冷机组的热交换管路位于两端分别连通真空仓体和真空机组的捕水器内，所述捕水器的底部经真空隔膜阀接具有泄压阀和放水阀的集水箱。

5.根据权利要求4所述的一体式辐射真空冻干设备，其特征在于：进料或出料时，所述悬挂轨道通过可平移活动轨道与外部输送轨道连接。

6.根据权利要求5所述的一体式辐射真空冻干设备，其特征在于：所述真空机组由并联的至少两个水环泵和串联的至少两个罗茨泵构成，并联水环泵作为串联罗茨泵的前级泵。

7.采用权利要求1至6任一所述一体式辐射真空冻干设备实现的冻干方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步、物料输入——将待冻干食品物料铺放在各料盘上之后，打开仓门，借助吊挂于悬挂轨道的吊挂料车输入真空料仓，使各料盘位于上下相邻的加热搁板之间，关闭仓门；

第二步、预冻干燥——先后启动制冷机组和真空机组，令真空仓体内的真空度达到食品物料水分汽化压强，使食品物料外表面残留的水分和内表层部分水分在真空条件下迅速汽化，在降温预冻的同时脱水初干；

第三步、雾化冻结——在保持制冷机组和真空机组开启状态下，开启高压输水系统，借助雾化喷头朝食品物料喷洒雾化水滴，使雾化水滴在真空仓体内汽化吸热，使食品物料的冻结温度达到并维持在共晶点以下，对预冻初干的食品物料进行深层的雾化冻结；

第四步、冷冻干燥——关闭高压输水系统，继续保持制冷机组和真空机组处于开启状态，开启加热器，使载热剂在加热搁板内连续循环，对雾化冻结的食品物料辐射加热，完成食品物料水分的升华干燥和解析干燥，达到冻干制品所需含水率要求；

第五步、物料输出——关闭加热器、制冷机组和真空机组，打开仓门，将吊挂料车输出真空料仓。