RU2008585C1

RU2008585C1 - Method and device for freeze drying fluid products

Info

Publication number: RU2008585C1
Authority: RU
Inventors: С.Т. Антипов; С.В. Шахов; С.В. Николаенко
Original assignee: Антипов Сергей Тихонович; Шахов Сергей Васильевич; Николаенко Сергей Владимирович
Priority date: 1990-12-29
Filing date: 1990-12-29
Publication date: 1994-02-28

Abstract

FIELD: freeze drying. SUBSTANCE: desublimator is made in the form of two tubular semicylinders located coaxially to a perforated drum and symmetrically relative to air and non-condensing branch pipes. A cantilever is made hollow and has a spring-loaded valve located at the outlet of the cavity in the perforated drum. EFFECT: improved quality. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к вакуум-сублимационной сушке жидких пищевых продуктов и может быть использовано в химической, фармацевтической, микробиологической промышленности, а также на предприятиях агропромышленного комплекса. The invention relates to vacuum freeze-drying of liquid food products and can be used in the chemical, pharmaceutical, microbiological industry, as well as in agricultural enterprises.

Известен способ сублимационной сушки концентрированных жидких пищевых продуктов путем глазирования тонким слоем чистого водяного льда открытой поверхности замороженного продукта перед нагревом в вакууме [1] . A known method of freeze-drying concentrated liquid food products by glazing with a thin layer of pure water ice on the open surface of the frozen product before heating in vacuum [1].

Недостатком известного способа являются высокие энергозатраты из-за использования длительного замораживания продукта в лотках, а также невысокая интенсивность процесса сушки из-за образования верхнего слоя подсохшего продукта, обладающего низкой эффективной теплопроводностью. The disadvantage of this method is the high energy consumption due to the use of prolonged freezing of the product in the trays, as well as the low intensity of the drying process due to the formation of the upper layer of the dried product with low effective thermal conductivity.

Известен способ сублимационной сушки жидких и пастообразных продуктов путем выдавливания продукта на ленту конвейера в сушилке, содержащей фильерные каналы. После выдавливания продукт обрабатывают с двух сторон струями пара под давлением, не меньшим давления тройной точки [2] . A known method of freeze-drying liquid and pasty products by extruding the product onto a conveyor belt in a dryer containing spunbond channels. After extrusion, the product is treated on both sides with steam jets under pressure not less than the triple point pressure [2].

Недостатком известных способа и сублимационной сушилки является то, что намороженный материал на ленте конвейера имеет стационарное состояние и отсутствует деструкция поверхностного слоя, приводящего к снижению интенсивности процесса сушки. A disadvantage of the known method and freeze dryer is that the frozen material on the conveyor belt has a stationary state and there is no destruction of the surface layer, leading to a decrease in the intensity of the drying process.

Известен способ и установка для сублимационной сушки во вращающихся флаконах, где продукт намораживают на внутренней поверхности вращающегося флакона, а затем производят сублимационную сушку под воздействием тепла инфракрасных нагревателей [3] . A known method and installation for freeze-drying in rotating bottles, where the product is frozen on the inner surface of a rotating bottle, and then freeze-drying is carried out under the influence of heat from infrared heaters [3].

Недостатком указанного способа является низкая интенсивность процесса в связи со значительным сопротивлением высушенного слоя продукта удалению влаги и подводу тепла. The disadvantage of this method is the low intensity of the process due to the significant resistance of the dried product layer to moisture removal and heat supply.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является способ сушки в сушилке непрерывного действия для термочувствительных продуктов, содержащей перфорированный барабан, заключенный в корпус, инфракрасные излучатели с отражателями и размещенный по оси барабана вал [4] . The closest to the invention in technical essence and the achieved effect is a method of drying in a continuous dryer for heat-sensitive products, containing a perforated drum enclosed in a housing, infrared emitters with reflectors and a shaft located along the axis of the drum [4].

Недостатком известных способа и сушилки являются высокие энергозатраты вследствие того, что предварительное замораживание продукта вне камеры исключает использование собственного тепла продукта в процессе сушки. A disadvantage of the known method and dryer is the high energy consumption due to the fact that the preliminary freezing of the product outside the chamber eliminates the use of the product's own heat in the drying process.

Целью изобретения является снижение энергозатрат и интенсификация процесса сушки. The aim of the invention is to reduce energy consumption and the intensification of the drying process.

Поставленная цель достигается тем, что по способу сублимационной сушки жидких продуктов, включающему намораживание продукта на внутренней поверхности вращающегося носителя и его сушку под воздействием источников инфракрасного нагрева, продукт перед сушкой воздухом, переохлажденным при прохождении через десублиматор, намораживают на внутренней поверхности вращающегося перфорированного барабана до образования слоем намороженного продукта изолированной полости, которую дозаполняют продуктом, после чего продукт внутри полости замораживают под действием вакуума ниже тройной точки при одновременной сушке инфракрасными нагревателями и деструкции подсохшего слоя, а в сушилке для осуществления способа, содержащей вращающийся перфорированный барабан, установленный на неподвижных консолях, заключенный в корпус с патрубком для отвода воздуха и неконденсирующихся газов, подключенным к вакуум-насосу, инфракрасные нагреватели, цилиндрическую щетку и десублиматор, последний выполнен в виде двух трубчатых полуцилиндров, расположен коаксиально к перфорированному барабану и симметрично по отношению к патрубкам для воздуха и неконденсирующихся газов, размещенным по горизонтальной оси с противоположных сторон корпуса, при этом одна из неподвижных консолей выполнена полой и снабжена подпружиненным обратным клапаном, расположенным на выходе в перфорированный барабан. This goal is achieved by the fact that by the method of freeze-drying liquid products, including freezing the product on the inner surface of the rotating carrier and drying it under the influence of infrared heat sources, the product is frozen on the inner surface of the rotating perforated drum before drying by passing air through the desublimator until it forms a layer of frozen product of an isolated cavity, which is filled with the product, after which the product inside the cavity is frozen live under vacuum below a triple point while drying with infrared heaters and destruction of the dried layer, and in the dryer for the implementation of the method, containing a rotating perforated drum mounted on fixed consoles, enclosed in a housing with a pipe for venting air and non-condensable gases connected to a vacuum pump, infrared heaters, a cylindrical brush and a desublimator, the latter is made in the form of two tubular half-cylinders, located coaxially to the perforated drum and and symmetrically with respect to the nozzles for air and non-condensable gases, placed on a horizontal axis from opposite sides of the housing, while one of the fixed consoles is hollow and equipped with a spring-loaded check valve located at the outlet of the perforated drum.

На фиг. 1,2 и 3 изображены стадии процесса сушки в момент: намораживания слоя продукта на внутренней поверхности перфорированного барабана (фиг. 1), интенсивной сушки при одновременном самозамораживании жидкого продукта и деструкции подсохшего слоя (фиг. 2) и образования сплошного ледяного самозамороженного цилиндра (фиг. 3); на фиг. 4 и 5 - продольный и поперечный разрезы сушилки в момент заполнения изолированной полости жидким продуктом. In FIG. 1,2 and 3 depict the stages of the drying process at the moment: freezing of the product layer on the inner surface of the perforated drum (Fig. 1), intensive drying while freezing the liquid product and destruction of the dried layer (Fig. 2) and the formation of a solid ice-freezing cylinder (Fig. . 3); in FIG. 4 and 5 are longitudinal and transverse sections of the dryer at the time of filling the insulated cavity with a liquid product.

Сублимационная сушилка для осуществления способа состоит из корпуса 1 с патрубками 2 для отвода воздуха и неконденсирующихся газов, подключенными к вакуум-насосу (не показан) посредством электромагнитных клапанов 3, и патрубком 4 для подвода и отвода воздуха, подключенными к вентилятору (не показан) посредством электромагнитных клапанов 3. При этом общие патрубки 5 для воздуха и неконденсирующихся газов расположены по горизонтальной оси с противоположных сторон корпуса 1 сушилки. A freeze dryer for implementing the method consists of a housing 1 with nozzles 2 for venting air and non-condensable gases connected to a vacuum pump (not shown) by solenoid valves 3, and a nozzle 4 for supplying and venting air, connected to a fan (not shown) by solenoid valves 3. In this case, the common nozzles 5 for air and non-condensable gases are located on a horizontal axis from opposite sides of the dryer body 1.

Внутри корпуса 1 на двух неподвижных консолях 6 и 7 при помощи подшипников качения 8 установлен перфорированный барабан, состоящий из сетки 9, торцевых крышек 10 и 11. Консоль 6 в выполнена полой и снабжена подпружиненным обратным клапаном 12, расположенным на выходе полости в перфорированный барабан, а торцевая крышка 10 снабжена зубчатой передачей 13 и приводом 14, вынесенным за пределы корпуса 1. Для герметизации ввода вращения в вакуумное пространство корпуса 1 использованы манжетные уплотнения 15. Inside the housing 1, on two fixed consoles 6 and 7, using a rolling bearing 8, a perforated drum is installed, consisting of a mesh 9, end caps 10 and 11. The console 6 is hollow and equipped with a spring-loaded check valve 12 located at the outlet of the cavity into the perforated drum, and the end cover 10 is equipped with a gear 13 and a drive 14, taken outside the housing 1. To seal the input of rotation into the vacuum space of the housing 1, lip seals 15 are used.

Вертикально и коаксиально к перфорированному барабану, а также симметрично по отношению к патрубкам 5 для воздуха и неконденсирующихся газов расположен десублиматор в виде двух трубчатых полуцилиндров 16. В зазоре между десублиматором и перфорированным барабаном имеются источники инфракрасного нагрева 17, снабженные отражателями 18 и обращенные к оси вращения барабана. Со стороны торцевых крышек 10 и 11 барабана расположены дополнительные источники инфракрасного нагрева 19 с отражателями 20. Под нижней частью барабана размещены цилиндрические щетки 21, контактирующие с его поверхностью, и разгрузочное устройство, включающее шнековый транспортер 22 и разгрузочный патрубок 23 с вакуумным затвором 24. Vertical and coaxial to the perforated drum, and also symmetrically with respect to the nozzles 5 for air and non-condensable gases, there is a desublimator in the form of two tubular half cylinders 16. In the gap between the desublimator and the perforated drum there are infrared heating sources 17 equipped with reflectors 18 and facing the axis of rotation drum. On the side of the end caps 10 and 11 of the drum there are additional sources of infrared heating 19 with reflectors 20. Under the bottom of the drum there are cylindrical brushes 21 in contact with its surface, and an unloading device including a screw conveyor 22 and an unloading pipe 23 with a vacuum shutter 24.

Для обеспечения слива воды под каждым трубчатым полуцилиндром 16 десублиматора имеются желоба 25, патрубки 26 и краны 27. To ensure drainage of water, under each tubular half cylinder 16 of the desublimator there are grooves 25, nozzles 26 and taps 27.

Способ сублимационной сушки жидких продуктов осуществляется следующим образом. The method of freeze-drying liquid products is as follows.

Посредством привода 14 и зубчатой передачи 13 приводится во вращение перфорированный барабан. Через патрубок 4 и электромагнитный клапан 3 в корпус 1 сублимационной сушилки нагнетается вентилятором воздух, который удаляется через патрубок 4 и электромагнитный клапан 3, расположенные с противоположной стороны корпуса 1. Одновременно через полую консоль внутрь перфорированного барабана подается жидкий продукт, который за счет сил поверхностного натяжения удерживается на внутренней поверхности перфорированного барабана. Проходя между трубками десублиматора, воздух охлаждается и при взаимодействии с жидким пpодуктом намораживают его на внутренней поверхности перфорированного барабана (фиг. 1). Намораживание продукта производят до момента образования изолированной полости. При таком замораживании воздухом скорость замерзания зависит от размера перфориpованного барабана, температуры воздуха и скорости его циркуляции. Так как размеры и толщина слоя продукта задаются, то скорость замерзания тем выше, чем ниже температура воздуха. Снижения температуры воздуха в установке добиваются увеличением кратности циркуляции, т. е. путем вторичного использования удаляемого из сушилки воздуха. С другой стороны, снижение температуры воздушного потока имеет предел, обусловленный техническими возможностями десублиматора, выступающего в роли холодильного устройства. By means of a drive 14 and a gear 13, a perforated drum is driven into rotation. Air is pumped through the nozzle 4 and the solenoid valve 3 into the housing 1 of the freeze dryer, which is removed through the nozzle 4 and the solenoid valve 3 located on the opposite side of the housing 1. At the same time, a liquid product is supplied through the hollow console through the perforated drum, which is due to surface tension forces held on the inner surface of the perforated drum. Passing between the tubes of the desublimator, the air is cooled and, when interacting with the liquid product, it is frozen on the inner surface of the perforated drum (Fig. 1). Product freezing is performed until an isolated cavity is formed. With such air freezing, the freezing rate depends on the size of the perforated drum, the air temperature and its circulation speed. Since the dimensions and thickness of the product layer are set, the freezing rate is higher, the lower the air temperature. Reducing the air temperature in the installation is achieved by increasing the multiplicity of circulation, i.e., by recycling the air removed from the dryer. On the other hand, the decrease in air flow temperature has a limit due to the technical capabilities of the desublimator, acting as a refrigeration device.

Ускорить процесс замерзания можно и путем увеличения скорости циркуляции воздушного потока. Это влечет за собой рост коэффициента теплопередачи между продуктом и хладагентом. You can speed up the freezing process by increasing the speed of circulation of the air flow. This entails an increase in the heat transfer coefficient between the product and the refrigerant.

Образовавшуюся герметичную полость через полую консоль 6 заполняют жидким продуктом (фиг. 4 и 5). Одновременно внутри корпуса 1 сушилки создают остаточное давление ниже тройной точки. После установки рабочего вакуума в корпусе 1 сушилки подключают источники инфракрасного нагрева 17 и 19, под действием тепла которых (при вращающемся перфорированном барабане) происходит сублимация влаги и образование высушенного слоя продукта, который посредством цилиндрических щеток 21 удаляется с замороженного продукта и, проходя через перфорацию барабана, поступает в шнековый транспортер 22. The resulting sealed cavity through the hollow console 6 is filled with a liquid product (Fig. 4 and 5). At the same time, a residual pressure below the triple point is created inside the dryer body 1. After installing a working vacuum in the dryer body 1, infrared heating sources 17 and 19 are connected, under the action of heat of which (when the perforated drum rotates), moisture is sublimated and a dried product layer is formed, which is removed from the frozen product by means of cylindrical brushes 21 and passing through the drum perforation enters the screw conveyor 22.

По мере удаления высушенного продукта цилиндрическими щетками 21 происходит образование зазора между замороженным продуктом и внутренней поверхностью перфорированного барабана. В результате образования такого зазора имеет место "проседание" ледяного цилиндра, полость которого заполнена жидким продуктом, благодаря этому ледяной цилиндр получает возможность перекатываться по внутренней поверхности перфорированного барабана, что позволяет удалять высушенный слой продукта не только цилиндрическими щетками 21, но и истиранием о перфорацию барабана. Одновременно под действием вакуума происходит самозамораживание жидкого продукта, находящегося в полости ледяного цилиндра (фиг. 2). Процесс замораживания продолжается до момента образования сплошного ледяного однородного цилиндра (фиг. 3). После полного истирания ледяного цилиндра цикл сушки повторяется. As the dried product is removed by the cylindrical brushes 21, a gap is formed between the frozen product and the inner surface of the perforated drum. As a result of the formation of such a gap, there is a "subsidence" of the ice cylinder, the cavity of which is filled with a liquid product, due to which the ice cylinder is able to roll on the inner surface of the perforated drum, which allows you to remove the dried layer of the product not only with cylindrical brushes 21, but also with abrasion about the perforation of the drum . At the same time, under the action of vacuum, the liquid product self-freezes in the cavity of the ice cylinder (Fig. 2). The freezing process continues until the formation of a continuous ice homogeneous cylinder (Fig. 3). After complete abrasion of the ice cylinder, the drying cycle is repeated.

Для облегчения работы десублиматора рекомендуется производить его периодическую регенерацию, а воду при этом удалять посредством желоба 25, патрубков 26 и кранов 27. To facilitate the operation of the desublimator, it is recommended that it be periodically regenerated, and at the same time, water should be removed through the groove 25, nozzles 26 and taps 27.

Преимущества данных способа сублимационной сушки жидких продуктов и сушилки для его осуществления по сравнению с прототипом следующие:
1. Создание слоя намороженного продукта на внутренней поверхности перфорированного барабана, образующего ледяной цилиндр с полостью, заполненной жидким продуктом, позволяет до минимума сократить время, затрачиваемое на предварительное замораживание, и благодаря этому существенно снизить удельные энергозатраты на процесс сушки.The advantages of these methods of freeze-drying liquid products and dryers for its implementation in comparison with the prototype are as follows:
1. The creation of a layer of frozen product on the inner surface of a perforated drum forming an ice cylinder with a cavity filled with a liquid product allows minimizing the time required for preliminary freezing, and thereby significantly reduce the specific energy consumption for the drying process.

2. Применение в процессе сушки самозамораживания продукта увеличивает интенсивность процесса за счет использования собственного тепла продукта. 2. The use in the drying process of self-freezing of the product increases the intensity of the process through the use of its own heat of the product.

3. Равномерный подвод тепловой энергии к перекатывающемуся по внутренней поверхности перфорированного барабана ледяному цилиндру улучшает качество сушки и готового продукта. 3. A uniform supply of thermal energy to the ice cylinder rolling along the inner surface of the perforated drum improves the quality of drying and the finished product.

4. Использование десублиматора в качестве холодильного устройства делает установку компактной и снижает энергозатраты при получении сухого продукта. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1374009, кл. F 26 В 5/06, опублик. 1989. 4. The use of a desublimator as a refrigeration device makes the installation compact and reduces energy consumption when receiving a dry product. (56) 1. USSR author's certificate N 1374009, cl. F 26 B 5/06, published. 1989.

2. Авторское свидетельство СССР N 909497, кл. F 26 B 5/06, опублик. 1983. 2. USSR author's certificate N 909497, cl. F 26 B 5/06, published. 1983.

3. Шумский К. П. Вакуумные аппараты и приборы химического машиностроения. М. : Машиностроение, 1974, с. 192-194, рис. 99, 104. 3. Shumsky KP. Vacuum apparatuses and devices of chemical engineering. M.: Mechanical Engineering, 1974, p. 192-194, fig. 99, 104.

4. Авторское свидетельство СССР N 1339370, кл. F 26 B 5/06, 1988. 4. Copyright certificate of the USSR N 1339370, cl. F 26 B 5/06, 1988.

Claims

1. The method of freeze-drying liquid products, including freezing and subsequent drying under the influence of infrared heaters, characterized in that, in order to reduce energy consumption and intensify the drying process, freezing is carried out on the inner surface of a rotating perforated drum with the formation of an isolated cavity with a layer of frozen product, which then completely replenish the product, then at the same time as drying with infrared heaters, freezing by vacuum below the triple point.

2. A dryer for freeze-drying liquid products, containing a rotary perforated drum mounted on stationary consoles, enclosed in a housing with the formation of an annular cavity, equipped with nozzles for venting air and non-condensable gases connected to a vacuum pump, infrared heaters, a cylindrical brush and a desublimator, characterized the fact that, in order to reduce energy consumption and intensify the drying process, the desublimator is made in the form of two tubular half-cylinders installed in the annular cavity oaksialno perforated drum pipes and symmetrically with respect to air and non-condensable gases, placed along the horizontal axis from opposite sides of the body, with one of the fixed console is hollow and is provided with a spring-loaded valve disposed at the outlet in the perforated drum.