低能耗冷冻干燥加工工艺研究

本研究项目为山西省科技攻关课题，编号012119。真空冷冻干燥技术因其充分保持被干燥物料的营养成分和活性物质，以及良好的天然色泽、风味和形态，在食品、医药和生物制品等工业中得到了广泛应用。然而，在冷冻干燥过程中，加工装备的真空系统、冷冻系统和加热系统等都在工作，导致能量消耗巨大，能源成本成为最终产品成本中最主要的部分。

因此，实现节能降耗、缩短冻干时间、降低生产成本成为真空冷冻干燥技术当前面临的主要问题，也成为降低冻干产品成本价格的主要途径。为此，结合山西冷冻干燥加工企业生产实际出现的主要问题，我们进行了低能耗冷冻干燥技术加工工艺研究，具有明显的应用背景、目标和意义。

本研究主要包括以下内容：

1. 进行了果蔬物料物性参数与能耗、冻干过程是传热控制还是传质控制的试验研究。在传热传质理论基础上，系统分析了冻干物料各物性参数与过程参数、能耗的关系，并设计了共晶点测试装置。对片状和糊状物料进行共晶点测试及其对二者冻干前期温度的比较，探寻了降低冻干能耗的前处理工序。

2. 针对过程参数对冷冻干燥过程的影响，进行了全面系统的试验研究和分析。得到了物料厚度、冻干室压力、加热板温度等主要过程参数对冷冻干燥过程的影响规律，找出了降低冻干能耗的方法和措施。进行了对冻干过程影响显著的物料厚度、干燥室压强和加热板温度3个过程参数的二次正交回归组合试验和分析。表明影响冻干过程升华干燥能耗的主次因素依次为：冻干物料厚度、加热板温度、干燥室压强，以及冻干时间和冻干能耗与这3个因素按二次规律变化，且变化规律具有明显的一致性。利用降维分析法对影响固态食品真空冻干较大的三个因素（冻干厚度、真空室压强和加热板温度）进行了全面分析。在此基础上，得到了辐射-导热混合加热条件下的优化工艺参数，可指导制定实际生产加工工艺曲线。

3. 对冷冻干燥过程各阶段的能耗进行了详细的分析和试验验证，得出了各阶段能耗的组成和变化规律，提出了降低能耗的一些措施和方法。并对降低冷冻干燥过程能耗的方法和措施进行了分析计算，并在生产实际中验证说明节能方法和措施是可行有效的。

4. 以冷冻干燥实验结果为基础建立BP网络模型，能够把实际过程中无法或难以用数值数学模型准确描述的过程影响因素以及多种操作模式由一个网络模型描述，用于预测实际冻干过程特性。其预测结果为冷冻干燥设备的操作和控制提供了方便的生产参数选择途径。

该项目成果为真空冷冻干燥降低能耗提供了参考途径和方法，在农产品加工领域具有广阔的应用前景。

本研究项目为山西省科技攻关课题，编号012119。真空冷冻干燥技术由于充分保持了被干燥物料的营养成份和活性物质，并很好地保持了原有的天然色泽和风味以及形态，因此在食品，医药和生物制品等工业中得到了广泛的应用，但是，在冷冻干燥过程中，加工装备的真空系统，冷冻系统，加热系统等都在工作，能量消耗很大，能源成本成为冷冻干燥最终产品成本中最主要的部分。因此，实现节能降耗，缩短冻干时间，降低生产成本成为真空冷冻干燥技术当前面临的是主要问题，也成为降低冻干产品成本价格的主要途径。为此结合山西冷冻干燥加工企业生产实际出现的主要问题，进行了低能耗冷冻干燥技术加工工艺研究，有着明显的应用背景、目标和意义。本研究主要包括以下内容：1. 进行了果蔬物料物性参数与能耗、冻干过程是传热控制还是传质控制的试验研究；并在传热传质理论基础上，系统分析了冻干物料各物性参数与过程参数、能耗的关系，设计了共晶点测试装置；对片状和糊状物料进行共晶点测试及其对二者冻干前期温度的比较，探寻了降低冻干能耗的前处理工序。2. 针对过程参数对冷冻干燥过程的影响做了全面系统的试验研究和分析，得到了物料厚度、冻干室压力、加热板温度等主要过程参数对冷冻干燥过程的影响规律，找出了降低冻干能耗的方法和措施。进行了对冻干过程影响显著的物料厚度、干燥室压强和加热板温度3个过程参数的二次正交回归组合试验和分析。表明影响冻干过程升华干燥能耗的主次因素依次为：冻干物料厚度、加热板温度、干燥室压强，以及冻干时间和冻干能耗与这3个因素按二次规律变化，且变化规律具有明显的一致性。利用降维分析法对影响固态食品真空冻干较大的三个因素（冻干厚度、真空室压强和加热板温度）进行了全面分析。在此基础上得到了辐射-导热混合加热条件下的优化工艺参数，可指导制定实际生产加工工艺曲线。3. 对冷冻干燥过程各阶段的能耗进行了详细的分析和试验验证，得出了各阶段能耗的组成和变化规律，提出了降低能耗的一些措施和方法。并对降低冷冻干燥过程能耗的方法和措施进行了分析计算，并在生产实际中验证说明节能方法和措施是可行有效的。4. 以冷冻干燥实验结果为基础建立BP网络模型，能够把实际过程中无法或难以用数值数学模型准确描述的过程影响因素以及多种操作模式由一个网络模型描述，用于预测实际冻干过程特性，其预测结果为冷冻干燥设备的操作和控制提供了方便的生产参数选择途径。该项目成果为真空冷冻干燥降低能耗提供了参考途径和方法，在农产品加工领域具有广阔的应用前景。