0、前言
真空冷冻干燥脱水技术是一项适用于蔬菜、水果、肉类、水产、药品的护色、保鲜、保质、保营养成分的高新加工技术，其原理是在真空状态下，利用升华原理，使预先冻结的物料中的水分不经过冰的融化直接以冰态升华为水蒸气而除去，从而获得干燥制品的技术，简称冻干技术。用此方法生产的食品叫真空冻干食品。由于真空冷冻干燥是在低温、高真空状态下进行，物料中的水分直接从固态升华为气态，因而可以最大限度地保持被干物料的细胞活性以及被干物料的色、香、味、形和营养成分，而且复水性能好。冻干食品是采用现代脱水技术与工艺加工而成的集方便、保健、纯天然为一体的高品质绿色食品，避免了传统脱水方法带来的变色、变质、变味、成分流失、无法还原等缺陷。
冻干食品在国际市场上的产量以每年30%的速度递增，正成为国际贸易的大宗食品。据统计，目前，美国年消费冻干食品500万吨，日本160万吨，法国150万吨，其它国家的消费数量也很可观。国内在冻千方面的研究起步较晚，近年来一些科研单位对某些产品进行了工艺研究，东北大学成功研究了人参冻干工艺，四川大学研究了牦牛肉的冷冻干燥工艺。此外，上海华裔发展有限公司将一些名菜如宫保鸡丁等，用冻干工艺加工，已在国内申请专利。随着人们对冻干产品需求量的逐年增大，冻干设备也有了较大的发展。
1、真空冷冻干燥设备的原理及组成
真空冷冻干燥设备的工作原理是：先将物料冻结到共晶点温度以下，使水分变成固态的冰，然后将经过前处理的预冻食品装入干燥仓内，在低温真空状态下，由加热板导热或辐射方式供给食品热能，使食品中的水分直接由冰升华成水蒸气。不断升华出的水蒸气，由真空泵组抽至捕水仓内，在-40～45℃的排管外壁上凝结被捕捉，直至按冻干曲线达到规定的要求而停止供热和抽真空，完成食品冻干全过程。真空冷冻干燥烘干机（简称冻干机）主要由真空冷冻干燥箱（简称冻干箱）、真空系统、制冷系统、加热系统及自动控制系统等几部分组成。一般间歇式真空冷冻干燥烘干机的结构如图1所示。
1.1干燥箱
干燥箱是一个真空密闭容器，是冷冻干燥设备的重要组成部件之一，是干燥过程中传热和传质的场所，它的性能直接影响到冷冻干燥设备的性能。如果带有蒸气消毒灭菌功能，冻干箱还应是一个低压内压容器。干燥室的形状主要有圆形和矩形两种，圆形干燥室操作容易、强度高、制作费用低，但其内部空间的利用率低；矩形干燥室的空间利用率高，但制造费用高。
1.2真空系统
真空系统包括真空干燥室、隔离阀、水蒸气捕集冷凝器、真联式旋片真空泵、联接管道以及放气阀等。系统内空气水蒸气的抽除是由真空泵完成的，当真空泵工作时，打开隔离阀，真空干燥室内的空气及水蒸气经过水蒸气捕集冷凝器捕获水分后进入真空泵，由真空泵排气口排出系统。为防止经水蒸气捕集冷凝器后抽除的气体中含有的极少量的水蒸气进入泵内，系统内配置了气镇阀，冷冻干燥时，打开气镇阀。在真空泵的排气口装有油雾捕集器，以防止排出气体中的烟雾污染室内环境。
1.3加热系统
为了使冻结后制品中的水蒸气不断地从冰晶中升华，就必须提供水蒸气升华所需的足够热量，因此要配置加热系统。加热系统除加热板以外，还包括热媒加热罐、换热器、气动调节阀、循环泵及管路、阀门、液位计、温度传感器等。
1.4制冷系统
水蒸气凝结器又称为冷阱，是制冷系统的主要部件。在13.3 Pa真空下，质量为lg的冰升华可生成100 m3的水蒸气，若这大量的水蒸气不加以处理而由真空泵抽出，则需要大容量的抽气机才能维持所需的真空度。冷阱的作用是将干燥室中的水蒸气冷凝吸附变成冰，以免进入真空泵，一方面可以减少真空泵的工作负担，另一方面能够保证干燥室具有较低的真空度。
1.5自动控制系统
自动控制系统是冻干机的指挥机构，冻干机的控制包括制冷机、真空泵的起、停，加热温度的控制，物料温度、冷阱温度、真空度的测试与控制，自动保护和报警装置等。自动控制系统的功能是对冻干机的各个重要参数进行测量、显示，根据预先的设置对冻干机进行精确控制，使其运行在规定的状态，并可对故障状态报警并自动应急处理。通过测量和记录冻干过程的工艺参数，可以完整地了解整个冻干过程。对这些参数实施有效地控制，则可以实现对整个冻干过程的优化。即在保证产品品质的前提下，提高生产效率及减少能量消耗。
2、食品冻干机的研究现状
食品冻干机的突出特点是产量高，脱水量大。因此，要求真空系统排气量大，真空度不高。目前除采用大型捕水器和罗茨旋转泵机组之外，大多采用几级串联的水蒸气喷射泵，这种泵能直接以气态排除水蒸气，系统中不必设置捕水器。由于装料量大，大多采用装料车。食品冻干机中，丹麦阿特拉斯的RAY型间歇式和CONRAD型连续式冻干机，日本共和真空株式会社的无隔离干燥过程水气凝结器除冰再生技术和TL型液体食品密闭系统管式冻干机可代表世界食品冻干机的先进技术。1989年10月17日保加利亚的索非亚成立了低温生物学和冷冻干燥技术研究所(Institute of Cryobiology andLyophilizatin in Sofia，简称ICL)，主要研究宇航食品、儿童食品、方便食品、保健食品和营养食品。该研究所的科研实力目前在世界上排名第三位，仅次于美国和俄罗斯。
近年来，国内食品冻干机发展较快，生产厂家较多，质量、性能、规格型号各不相同。早在解放前，国内己开始在实验室中用简易冻干装置来作保存菌种、毒种的试验。20世纪50年代初期，武汉、北京等生物制品研究所及部分兽药厂先后进口了一批冻干机。20世纪60年代北京、天津、南京、上海、大连等地相继建立了一些实验性冻干食品生产厂家并先后仿制了一批冻干机，特点是整体式，搁板温度不均匀，手动操作，能自动记录。20世纪70年代湖北自行设计了37.4 m2的冻干机，采用单机双级压缩机，可在箱内加盖瓶塞；在上海建立了年产300 t的中等规模的冻干车间。为加快我国冻干技术的发展，机电部将工业真空冷冻干燥烘干机列入1986年工业技术发展基金项目，由华中理工大学承担并与浙江真空设备厂协作进行研制[3]，产品于1989年通过部级鉴定，该机结构紧凑、功能齐全、搁板间距可调，采用微机程控。此外，清华大学核能设计研究院引进俄罗斯大型食品真空冷冻干燥设备的先进技术，直接与国家一级企业烟台冰轮集团合作，共同探索出一条发展我国冷冻干燥事业的新路，优点是：起点高、投资少、见效快。在引进、消化、吸收的同时，对设备的改进提出了切实可行的方案，特别是控制系统设计，从工艺要求出发，在考虑节能的同时，以进一步提高效率为目的，采用现代化的仪表和先进控制手段，对设备的控制系统重新进行了优化设计，从根本上提高了我国大型食品冷冻干燥烘干机的整体设计及控制水平。国产冻干机的性能，见表1。
目前，国产食品冻干机还都是非标准化产品。大部分生产厂家走的是仿制道路，有些厂家在采用国外先进技术的同时，进行了较大的改进。如：加热板内采用了特殊导流装置，使板内流体的流量均匀，保证了加热的均匀和稳定；捕水器在工作中可实现交替捕水和融冰，捕水器盘管内氨液制冷方式由传统的氨液相变制冷改为氨液无相变制冷，使捕水器盘管内温度均匀，结霜性能良好。除仿制之外，国内自己的研制能力也在提高，有些单位已经脱离了仿制国外机型，抽气系统采用低架式水蒸气喷射泵抽水蒸气，省去了捕水器和制冷系统，降低了设备价格。
3、食品冻干机的发展趋势
无论是国产设备还是引进的冻干设备，其共同的缺点是价格昂贵，耗能高，收回投资慢。降低成本，减少能耗是冻干机今后的主攻方向。因此，食品冻干机的研究方向和发展趋势有以下4点。
3.1改进结构、优化设计、降低成本、减少能耗
国外有些冻干机不采用不锈钢制造，而采用低碳钢涂覆食品用可烘干树脂，涂层厚度为0. 12~0.20 mm，在室温下就会发出红外线。搁板表面涂高性能远红外发射材料，增强其辐射能力；料盘表面处理，增强其吸热能力。捕水器的结构、尺寸、结霜特性的优化更有实际意义，因为目前它的造价相当于冻干箱的造价，运转功耗较大。对于冻干机而言，加热系统只是补充升华热，功率消耗本不应太高，但现有设备不尽人意，应该优化结构，降低能耗。
3.2保证质量，提高性能
有些厂家的冻干机安装后，一直不能投入正常生产；有些冻干机虽然能生产，但能耗太高，生产的产品越多，赔钱越多：还有些元器件不断出现故障，影响正常生产。因此，必须保证冻干机质量。提高性能是指除加热速率、抽气速率、温度均匀性、真空度稳定性之外，增强设备新的功能，例如增加冻干结束时的判断功能，最简单的办法是称重法。目前已有人试验，但不成功，原因是没有离开天平和地秤的模式，致使小设备安装困难，大设备笨重而不稳定。应该发展质量传感器，用较小的一次元件给出质量随时间的变化。
3.3开发连续式冻干设备
当前生产的冻干机都是间歇式产品，随着工业技术的发展，人民生活水平的提高，消费量会增大，因此发展连续式冻干设备，增加冻干产品的产量是必然趋势。
3.4提高卫生标准
近年来，西方国家在食品生产企业开始推行HACCP系统(Hazard Analysis Critical ControlPoint)，对食品加工设备的消毒杀菌、卫生管理等提出了更加严格的要求。以此为契机，日本许多厂家纷纷将原有镀锌钢板的真空干燥室改为不锈钢真空室，因为在向真空室通蒸气进行灭菌的过程中，镀锌层会与60~80的湿热蒸气发生反应生成微粉，污染食品。冻干设备的使用年限一般为20~ 25年，考虑到HACCP系统迟早将进入中国，国内冻干产业厂家应未雨绸缪及早做好准备。
4、结论
目前，国内科技工作者已经成功研制出系列真空冷冻干燥设备，为发展我国真空冷冻干燥技术奠定了良好的基础。随着国际市场对冻干食品需求量的不断增加和我国加入世贸组织以及人民生活水平的逐渐提高，冻干食品在国内将具有美好的发展前景，冻干设备也将会有长足的发展。
真空冷冻干燥脱水技术是一项适用于蔬菜、水果、肉类、水产、药品的护色、保鲜、保质、保营养成分的高新加工技术，其原理是在真空状态下，利用升华原理，使预先冻结的物料中的水分不经过冰的融化直接以冰态升华为水蒸气而除去，从而获得干燥制品的技术，简称冻干技术。用此方法生产的食品叫真空冻干食品。由于真空冷冻干燥是在低温、高真空状态下进行，物料中的水分直接从固态升华为气态，因而可以最大限度地保持被干物料的细胞活性以及被干物料的色、香、味、形和营养成分，而且复水性能好。冻干食品是采用现代脱水技术与工艺加工而成的集方便、保健、纯天然为一体的高品质绿色食品，避免了传统脱水方法带来的变色、变质、变味、成分流失、无法还原等缺陷。
冻干食品在国际市场上的产量以每年30%的速度递增，正成为国际贸易的大宗食品。据统计，目前，美国年消费冻干食品500万吨，日本160万吨，法国150万吨，其它国家的消费数量也很可观。国内在冻千方面的研究起步较晚，近年来一些科研单位对某些产品进行了工艺研究，东北大学成功研究了人参冻干工艺，四川大学研究了牦牛肉的冷冻干燥工艺。此外，上海华裔发展有限公司将一些名菜如宫保鸡丁等，用冻干工艺加工，已在国内申请专利。随着人们对冻干产品需求量的逐年增大，冻干设备也有了较大的发展。
1、真空冷冻干燥设备的原理及组成
真空冷冻干燥设备的工作原理是：先将物料冻结到共晶点温度以下，使水分变成固态的冰，然后将经过前处理的预冻食品装入干燥仓内，在低温真空状态下，由加热板导热或辐射方式供给食品热能，使食品中的水分直接由冰升华成水蒸气。不断升华出的水蒸气，由真空泵组抽至捕水仓内，在-40～45℃的排管外壁上凝结被捕捉，直至按冻干曲线达到规定的要求而停止供热和抽真空，完成食品冻干全过程。真空冷冻干燥烘干机（简称冻干机）主要由真空冷冻干燥箱（简称冻干箱）、真空系统、制冷系统、加热系统及自动控制系统等几部分组成。一般间歇式真空冷冻干燥烘干机的结构如图1所示。
1.1干燥箱
干燥箱是一个真空密闭容器，是冷冻干燥设备的重要组成部件之一，是干燥过程中传热和传质的场所，它的性能直接影响到冷冻干燥设备的性能。如果带有蒸气消毒灭菌功能，冻干箱还应是一个低压内压容器。干燥室的形状主要有圆形和矩形两种，圆形干燥室操作容易、强度高、制作费用低，但其内部空间的利用率低；矩形干燥室的空间利用率高，但制造费用高。
1.2真空系统
真空系统包括真空干燥室、隔离阀、水蒸气捕集冷凝器、真联式旋片真空泵、联接管道以及放气阀等。系统内空气水蒸气的抽除是由真空泵完成的，当真空泵工作时，打开隔离阀，真空干燥室内的空气及水蒸气经过水蒸气捕集冷凝器捕获水分后进入真空泵，由真空泵排气口排出系统。为防止经水蒸气捕集冷凝器后抽除的气体中含有的极少量的水蒸气进入泵内，系统内配置了气镇阀，冷冻干燥时，打开气镇阀。在真空泵的排气口装有油雾捕集器，以防止排出气体中的烟雾污染室内环境。
1.3加热系统
为了使冻结后制品中的水蒸气不断地从冰晶中升华，就必须提供水蒸气升华所需的足够热量，因此要配置加热系统。加热系统除加热板以外，还包括热媒加热罐、换热器、气动调节阀、循环泵及管路、阀门、液位计、温度传感器等。
1.4制冷系统
水蒸气凝结器又称为冷阱，是制冷系统的主要部件。在13.3 Pa真空下，质量为lg的冰升华可生成100 m3的水蒸气，若这大量的水蒸气不加以处理而由真空泵抽出，则需要大容量的抽气机才能维持所需的真空度。冷阱的作用是将干燥室中的水蒸气冷凝吸附变成冰，以免进入真空泵，一方面可以减少真空泵的工作负担，另一方面能够保证干燥室具有较低的真空度。
1.5自动控制系统
自动控制系统是冻干机的指挥机构，冻干机的控制包括制冷机、真空泵的起、停，加热温度的控制，物料温度、冷阱温度、真空度的测试与控制，自动保护和报警装置等。自动控制系统的功能是对冻干机的各个重要参数进行测量、显示，根据预先的设置对冻干机进行精确控制，使其运行在规定的状态，并可对故障状态报警并自动应急处理。通过测量和记录冻干过程的工艺参数，可以完整地了解整个冻干过程。对这些参数实施有效地控制，则可以实现对整个冻干过程的优化。即在保证产品品质的前提下，提高生产效率及减少能量消耗。
2、食品冻干机的研究现状
食品冻干机的突出特点是产量高，脱水量大。因此，要求真空系统排气量大，真空度不高。目前除采用大型捕水器和罗茨旋转泵机组之外，大多采用几级串联的水蒸气喷射泵，这种泵能直接以气态排除水蒸气，系统中不必设置捕水器。由于装料量大，大多采用装料车。食品冻干机中，丹麦阿特拉斯的RAY型间歇式和CONRAD型连续式冻干机，日本共和真空株式会社的无隔离干燥过程水气凝结器除冰再生技术和TL型液体食品密闭系统管式冻干机可代表世界食品冻干机的先进技术。1989年10月17日保加利亚的索非亚成立了低温生物学和冷冻干燥技术研究所(Institute of Cryobiology andLyophilizatin in Sofia，简称ICL)，主要研究宇航食品、儿童食品、方便食品、保健食品和营养食品。该研究所的科研实力目前在世界上排名第三位，仅次于美国和俄罗斯。
近年来，国内食品冻干机发展较快，生产厂家较多，质量、性能、规格型号各不相同。早在解放前，国内己开始在实验室中用简易冻干装置来作保存菌种、毒种的试验。20世纪50年代初期，武汉、北京等生物制品研究所及部分兽药厂先后进口了一批冻干机。20世纪60年代北京、天津、南京、上海、大连等地相继建立了一些实验性冻干食品生产厂家并先后仿制了一批冻干机，特点是整体式，搁板温度不均匀，手动操作，能自动记录。20世纪70年代湖北自行设计了37.4 m2的冻干机，采用单机双级压缩机，可在箱内加盖瓶塞；在上海建立了年产300 t的中等规模的冻干车间。为加快我国冻干技术的发展，机电部将工业真空冷冻干燥烘干机列入1986年工业技术发展基金项目，由华中理工大学承担并与浙江真空设备厂协作进行研制[3]，产品于1989年通过部级鉴定，该机结构紧凑、功能齐全、搁板间距可调，采用微机程控。此外，清华大学核能设计研究院引进俄罗斯大型食品真空冷冻干燥设备的先进技术，直接与国家一级企业烟台冰轮集团合作，共同探索出一条发展我国冷冻干燥事业的新路，优点是：起点高、投资少、见效快。在引进、消化、吸收的同时，对设备的改进提出了切实可行的方案，特别是控制系统设计，从工艺要求出发，在考虑节能的同时，以进一步提高效率为目的，采用现代化的仪表和先进控制手段，对设备的控制系统重新进行了优化设计，从根本上提高了我国大型食品冷冻干燥烘干机的整体设计及控制水平。国产冻干机的性能，见表1。
目前，国产食品冻干机还都是非标准化产品。大部分生产厂家走的是仿制道路，有些厂家在采用国外先进技术的同时，进行了较大的改进。如：加热板内采用了特殊导流装置，使板内流体的流量均匀，保证了加热的均匀和稳定；捕水器在工作中可实现交替捕水和融冰，捕水器盘管内氨液制冷方式由传统的氨液相变制冷改为氨液无相变制冷，使捕水器盘管内温度均匀，结霜性能良好。除仿制之外，国内自己的研制能力也在提高，有些单位已经脱离了仿制国外机型，抽气系统采用低架式水蒸气喷射泵抽水蒸气，省去了捕水器和制冷系统，降低了设备价格。
3、食品冻干机的发展趋势
无论是国产设备还是引进的冻干设备，其共同的缺点是价格昂贵，耗能高，收回投资慢。降低成本，减少能耗是冻干机今后的主攻方向。因此，食品冻干机的研究方向和发展趋势有以下4点。
3.1改进结构、优化设计、降低成本、减少能耗
国外有些冻干机不采用不锈钢制造，而采用低碳钢涂覆食品用可烘干树脂，涂层厚度为0. 12~0.20 mm，在室温下就会发出红外线。搁板表面涂高性能远红外发射材料，增强其辐射能力；料盘表面处理，增强其吸热能力。捕水器的结构、尺寸、结霜特性的优化更有实际意义，因为目前它的造价相当于冻干箱的造价，运转功耗较大。对于冻干机而言，加热系统只是补充升华热，功率消耗本不应太高，但现有设备不尽人意，应该优化结构，降低能耗。
3.2保证质量，提高性能
有些厂家的冻干机安装后，一直不能投入正常生产；有些冻干机虽然能生产，但能耗太高，生产的产品越多，赔钱越多：还有些元器件不断出现故障，影响正常生产。因此，必须保证冻干机质量。提高性能是指除加热速率、抽气速率、温度均匀性、真空度稳定性之外，增强设备新的功能，例如增加冻干结束时的判断功能，最简单的办法是称重法。目前已有人试验，但不成功，原因是没有离开天平和地秤的模式，致使小设备安装困难，大设备笨重而不稳定。应该发展质量传感器，用较小的一次元件给出质量随时间的变化。
3.3开发连续式冻干设备
当前生产的冻干机都是间歇式产品，随着工业技术的发展，人民生活水平的提高，消费量会增大，因此发展连续式冻干设备，增加冻干产品的产量是必然趋势。
3.4提高卫生标准
近年来，西方国家在食品生产企业开始推行HACCP系统(Hazard Analysis Critical ControlPoint)，对食品加工设备的消毒杀菌、卫生管理等提出了更加严格的要求。以此为契机，日本许多厂家纷纷将原有镀锌钢板的真空干燥室改为不锈钢真空室，因为在向真空室通蒸气进行灭菌的过程中，镀锌层会与60~80的湿热蒸气发生反应生成微粉，污染食品。冻干设备的使用年限一般为20~ 25年，考虑到HACCP系统迟早将进入中国，国内冻干产业厂家应未雨绸缪及早做好准备。
4、结论
目前，国内科技工作者已经成功研制出系列真空冷冻干燥设备，为发展我国真空冷冻干燥技术奠定了良好的基础。随着国际市场对冻干食品需求量的不断增加和我国加入世贸组织以及人民生活水平的逐渐提高，冻干食品在国内将具有美好的发展前景，冻干设备也将会有长足的发展。
