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冷冻升华干燥原理

1.纯水升华机理
物料中所含水分,有两种存在方式:①游离水,即机械结合水和物化结合水。它主要以吸附和渗透方式存在于物料表面、毛细管、孔隙之中。②结构水,以化学结合形式存在于物品的组织中。冷冻升华干燥主要是升华游离水,而不是结构水。升华游离水,先是将其冻成冰,然后在真空中加热升华。
图一是水的相变图,用来说明物料中水的升华机理。水在不同温度和压力下,可以为气态、液态或固态。
图中OA线为水气分界线,OB为冰一水两相分界线,即为冰的融化线。0℃线为冰气交界线,在此线上冰,气共存,即为冰真接由固相转为气相曲线。通常把这种由固相直接转变为气相的现象叫做升华。
图中0点,为固一液一气三相共存点,称做三相点或共晶点。纯水三相点对应的温度为0℃,此温度下所对应冰面上的饱和蒸气压为Po=598Pa。物料中所含水,均为水溶液,其三相点温度要低于纯水的温度。由图可见,在0点以上(图中虚线以上),冰需转化成水,水再转化为气,其过程是普通的蒸发干燥。只有在三相点压力Po线以下,冰才能由固相直接转变为气相,这就是升华。因而,若要得到冻干食品,其升华温度必须低于三相点温度。否则得到的是蒸发干操食品。
图二为物品水分升华过程示意图。其干燥过程是由周围逐渐向内部干燥,干燥层逐渐增厚,可看成多孔结构。升华热由加热体通过干燥层不断地传给冻结部分,在干操与冻结交界的升华面上,水分子得到加热后,将脱离升华面,沿着毛细孔跑到周围环境中。而环境中的气压必须低于升华面上的饱和蒸气压Po,只有这样才能造成一个水分子向外迁移的动力。这惫味着升华千操必须在真空环境中进行。另外物料是处于冻结状态,需维持温度低于三相点;在真空环境下,此温度易于保持。

变相图升华图
图一:水变相图 图二升华干燥过程
2.食物中的升华速率
由上述可见,真空冷冻升华干燥过程首先是把食物中的水冻结成冰,然后供给升华热,使冰在三相点以下的温度下升华。升华速率的大小,显然与供给的热流量及冰升华潜热有关。
3.干冰层内水燕气迁移速率
厚度很薄的物品,干操层对水蒸气的迁移速率影响不大,升华出来的水气能很快地穿过。若是体积较大的块状物体,特别是厚度较大的肉、鱼或者粘稠胶体,干燥层对水蒸气迁移速率影响较大。干燥层内的水气压力随着厚度的增加呈指数上升。水蒸气迁移速率与干燥层内水蒸气分压有关。
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