专利名称：可用于食品药品生产的红外真空冷冻干燥设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种千燥设备，尤其是指一种用于食品药品生产的红外真空 冷冻干燥设备。
背景技术：
众所周知，与其它方式干燥相比冷冻干燥具有产品性质稳定、质量 好、有效成分含量高，起效快、生物利用度高的优点。但是，由于冷冻干燥 技术存在生产周期长、能耗高、单产能力小、生产成本高等缺点.从而限制了其广泛应用。为了剖析问题，提高操作水平，縮短生产周期，降低能耗，阿力坎浅谈真空冷冻干燥技术.真空.(J) . 2002， (4): 43 45中给出了传统真空 冷冻干燥的如下所述的升压与降压的两难-"2. 2. 3升华阶段压力在升华过程中，不仅搁板温度需要控制，仓内压力也是需要控制的参 数。冻千仓压力大小影响升华干燥过程的传热传质。压力高，传热效果好， 但不利于水蒸汽的逸出。压力低，传热效果差，有利于水蒸汽的逸出.整个 升华过程就是一个传热传质过程，只有压力适当，才能有一个经济干燥速率。当升华温度恒定，在仓内压力低于一定值时，压力降低升华速度也不再 增加。而且升华压力低时，换热效果差，为提供相同的热量就需要高的搁板 温度。前面我们知道高的搁板温度容易造成物料的融化崩解。通常应把压力 控制在略低于最高升华温度所对应饱和蒸汽压的二分之一的压力值为干燥仓 内控制压力。 一般在30 卯Pa之间。例如物料升华温度为零下2(TC.其 饱和蒸汽压为103.5 Pa，干燥仓内压力应控制在52Pa。"
针对上述的两难，赵兰萍等.在冻结过程与冷冻干燥的关系.低温工程.1999, (4): 105 108中给出提高干燥速率的途径 "4提高干燥速率的途径冷冻干燥节能降耗研究的中心是縮短干燥时间，也就是提高干燥速率。 最佳压力法、循环压力法、压力和加热量综合控制法及降低水汽凝结器温度 是提高速率的常规途径。而将冻结过程考虑在内，也是冷冻干燥节能的途径 之一。通过上文的分析.我们发现在干燥之前.刮除制品表面浓缩层，可 以减小水汽传递阻力；在保证质量的前提下，控制冻结过程中冻结界面的推 进速度和温度梯度，使得冰晶尺寸尽可能大，可以提高干燥速率。由于人们对冻结动态过程的了解还不清楚，想要通过优化冻结过程来提 高干燥速率，就需要对冻结过程作更深入的研究。"《水系统的磁处理》(苏)B.N.克拉辛1988年9月第l版，第83页 "结果表明，磁处理水的蒸发速度比未处理水的蒸发速度高11%"。第84页 "在恒磁场中水变成冰的结晶时间縮短了25 40%"并在该页的图表中可 以看到磁化水比未磁化水的结晶重量大一倍。众所周知，传统冷冻干燥设备的加热方法基本上全都是以热能传递的形 式进行的；先把热能通过加热管一搁板一托盘一物料开口外包装一物料表 面，然后再以传导、对流或辐射的方式把热能慢慢地滲透到物料内部。红外加热采用的是红外能量并且是把它直接辐射到物料上，物料内部分 子吸收红外能量后转化成热能。 相关专利CN200320107364.7有强化水蒸气流动的双面红外辐射的真空冷冻干燥 机，改变了加热方式，进而加快了升华干燥速率，缩短了干燥时间。检索中国专利数据库，我们会发现将红外辐射用于真空冷冻千燥设备的 专利申请仅此一个。然而，将红外辐射用于普通干燥的专利申请确有385 个。本发明的研究者认为，这决不是人们忽视了红外与冷冻干燥的结合，一 定有其技术上不可逾越的原因，并且上述专利的发明者也可能在此问题上也 没有突破。发明内容本发明的目的是通过材料取代方法；打通真空冷冻千燥中热能的红外辐 射的通路，为社会提供一种加热均匀、干燥周期短、能耗低、不损坏食品药 品有效成分、能满足大规模生产要求的可用于食品药品生产的红外真空冷冻 干燥设备。本发明的研究者经研究发现红外辐射用于真空冷冻干燥设备的不可逾越的技术障碍是在现有技术条 件下，搁板涂布红外辐射涂料后将严重地影响冷冻干燥设备的冷冻效果。其 原因在于，在冷冻干燥的预冻过程中，物料及环境中的热能通过传递达到搁 板，使搁板上涂布的红外辐射涂料获得能量而发出红外辐射，由于金属搁板 对红外辐射完全反射，因此搁板上涂布的红外辐射涂料所获得的能量将完全 的被反射回要进行预冻的系统中。换一句话说，在现有技术条件下，红外辐 射的引入虽然有利于冷冻干燥中间环节的升华，但它将严重地影响冷冻干燥 的第一步预冻环节使之无法顺利进行。本发明的贡献在于，通过材料取代方法，用导热塑料、导热陶瓷、导热 玻璃制成的替代品，取代传统冷冻干燥设备冷冻仓中的热交换金属内核的方 式，制备一种加热均匀、干燥周期短、能耗低、不损坏食品药品有效成分、 能满足大规模生产要求的可用于食品药品生产的红外真空冷冻干燥设备；并 且在本发明原理的基础上为传统冷冻干燥设备提供技术改造方案。本发明用导热塑料、导热陶瓷、导热玻璃制成的替代品主要包括冷冻仓 中搁板内制冷和加热用的导热管、冷冻仓中承载物料的搁板及托盘。其中，搁板内制冷和加热用的导热管由可产生远红外线的导热塑料、导 热陶瓷、导热玻璃制成；更优选的是导热管由内置有远红外辐射涂料层的导热塑料管、导热陶瓷 管、导热玻璃管制成；或由内层为含有远红外辐射材料的复合导热塑料管、 复合导热陶瓷管、复合导热玻璃管制成；最优选的是导热管由内层为含有远红外辐射材料的，外层为含有吸收红 外并可将其转换成热能的材料的复合导热塑料管、复合导热陶瓷管、复合导 热玻璃管制成。其中，冷冻仓中承载物料的搁板及托盘由可产生近红外线的导热塑料、 导热陶瓷、导热玻璃制成；更优选的是冷冻仓中承载物料的搁板及托盘由朝向物料层置有近红外辐 射涂料层的导热塑料、导热陶瓷、导热玻璃制成；或由朝向物料层为含有近
红外辐射材料的复合导热塑料、复合导热陶瓷、复合导热玻璃制成；最优选的是冷冻仓中承载物料的搁板及托盘由朝向物料层为含有近红外 辐射材料的，背向物料层为含有吸收红外并可将其转换成热能的材料的复合 导热塑料板、复合导热陶瓷板、复合导热玻璃管制板制成。上述改变，打通了冷冻干燥设备能量传递形式的第二通道，可在低压下 或超低压下，由红外辐射向物料内部直接提供能量，使物料内部、外部冰晶 中的水分子同时迅速升华，使进一步大幅度的縮短冷冻干燥的生产周期、降 低能耗、提高产品内在品质成为可能。由于本发明的核心技术完全体现在内置有制冷和加热用导热管的冷冻仓 中承载物料的搁板及托盘上，因此将本发明的内置有制冷和加热用导热管的 冷冻仓中承载物料的搁板及托盘置于传统真空冷冻干燥设备中，即可完成对 传统真空冷冻干燥设备的全新改造。本发明的有益效果是本发明替换掉传统冷冻仓中的用于热交换的金属内核；打通了真空冷冻 干燥中热能的红外辐射的通路，突破了背景技术中"压力高，传热效果好， 但不利于水蒸汽的逸出。压力低，传热效果差，有利于水蒸汽的逸出"的两 难，可在低压下或超低压下，由红外辐射向物料直接提供能量，使物料内 部、外部冰晶中的水分子同时迅速升华。此项改变，使本发明即具有红外对 物料内外同时加热的优点，又保留了传统真空冷冻干燥设备预冻时能够迅速 降温、解吸后期能够保持温度恒定的长处。
具体实施方式
为进一步说明本发明新型红外真空冷冻干燥设备的工作原理，不受此限 制的给出如下
具体实施例方式
在生产过程中，a、在预冻阶段，将物料分层放入红外真空冷冻干燥设备的托盘或搁板上，有序地排满，关闭舱门，开启预冻阀门使低温硅油进入系统，对物料进 行预冻。此时，物料中的热能将经由物料一托盘一搁板一导热管4硅油的路径，通过热传导、远红外辐射两个途径进入零下-55 。C以下的硅油中，被循 环的低温硅油带走。在此过程中，托盘散发出的部分近红外线透过玻璃瓶对预冻的水溶液所
产生的辐射，有使其形成小分子团水的作用，有利于縮短冻结时间、有利于 冻结物形成大结晶，有利于下一步升华的顺利进行。当物料温度下降至零下20 5(TC时，进入下一阶段的操作。b、 升华阶段，启动真空泵，使仓内真空度保持在5 80Pa，将冷冻硅 油换成热硅油并经由硅油一导热管一搁板一托盘一物料的路径，将硅油中的 大量的热能通过热传导、近红外辐射两个途径，进入温度在零下20 50 °C 的物料中，使物料内部、外部冰晶中的水分子同时获得能量而升华。经由硅油一导热管一搁板一托盘一物料路径的热传导可以使升华速度达 到普通真空冷冻干燥的水平；来自冷冻仓中承载物料的搁板、托盘所产生的 近红外热辐射可无损耗地穿透玻璃瓶对物料内外进行同时加热。突破了背景 技术中传统冷冻干燥的"压力高，传热效果好，但不利于水蒸汽的逸出；压 力低，传热效果差，有利于水蒸汽的逸出"的两难。可在低压下或超低压 下，由红外辐射向物料内部直接提供能量，使物料内部、外部冰晶中的水分 子同时迅速升华，从而可以大大縮短升华阶段的耗时，大大降低升华阶段的 耗能。当物料温度趋近于零度时，升华阶段结束。c、 解吸阶段，因物料内不存在结冰，产品温度可迅速上升高达到产品的 最高许可温度。在此过程中，要不断降低硅油的温度或调小硅油的流量，并 在达到产品的最高许可温度时保持一段时间，使结合水和吸附于干燥层中的 水获得足够的能量，从分子吸附中解吸出来，完成食品药品红外真空冷冻干 燥的全过程。上述预冻、升华、解吸等三个阶段性工序的始末，可以通过温度来判 断，也可以通过仓内真空压力或两仓的压差来判断。
权利要求
1、一种可用于食品药品生产的红外真空冷冻干燥设备，其特征在于，本发明通过用导热塑料、导热陶瓷、导热玻璃制成的替代品，取代传统冷冻干燥设备冷冻仓的热交换金属内核的方式，制备一种加热均匀、干燥周期短、能耗低、不损坏食品药品有效成分、能满足大规模生产要求的可用于食品药品生产的红外真空冷冻干燥设备；并且在本发明原理的基础上为传统冷冻干燥设备提供技术改造方案。
2、 根据权利要求l所述的可用于食品药品生产的红外真空冷冻干燥设 备，其特征在于，用导热塑料、导热陶瓷、导热玻璃制成的替代品主要包括 冷冻仓中搁板内制冷和加热用的导热管、冷冻仓中承载物料的搁板及托盘。
3、 根据权利要求l、 2所述的可用于食品药品生产的红外真空冷冻干燥设备，其特征在于，搁板内制冷和加热用的导热管，由可产生远红外线的导 热塑料、导热陶瓷、导热玻璃制成。
4、 根据权利要求l、 2所述的可用于食品药品生产的红外真空冷冻千燥 设备，其特征在于，搁板内制冷和加热用的导热管，更优选的是由内置有远 红外辐射涂料层的导热塑料管、导热陶瓷管、导热玻璃管制成；或由内层为 含有远红外辐射材料的复合导热塑料管、复合导热陶瓷管、复合导热玻璃管 制成。
5、 根据权利要求l、 2所述的可用于食品药品生产的红外真空冷冻干燥 设备，其特征在于，搁板内制冷和加热用的导热管，最优选的是由内层为含 有远红外辐射材料的，外层为含有吸收红外并可将其转换成热能的材料的复 合导热塑料管、复合导热陶瓷管、复合导热玻璃管制成。
6、 根据权利要求l、 2所述的可用于食品药品生产的红外真空冷冻干燥 设备，其特征在于，冷冻仓中承载物料的搁板及托盘，由可产生近红外线的 导热塑料、导热陶瓷、导热玻璃制成。
7、 根据权利要求l、 2所述的可用于食品药品生产的红外真空冷冻干燥 设备，其特征在于，冷冻仓中承载物料的搁板及托盘，更优选的是由朝向物 料层置有近红外辐射涂料层的导热塑料、导热陶瓷、导热玻璃制成；或由朝 向物料层为含有近红外辐射材料的复合导热塑料、复合导热陶瓷、复合导热 玻璃制成。
8、 根据权利要求l、 2所述的可用于食品药品生产的红外真空冷冻干燥 设备，其特征在于，冷冻仓中承载物料的搁板及托盘，最优选的是由朝向物 料层为含有近红外辐射材料的，背向物料层为含有吸收红外并可将其转换成 热能的材料的复合导热塑料板、复合导热陶瓷板、复合导热玻璃管制板制 成。
9、 根据权利要求l所述的可用于食品药品生产的红外真空冷冻干燥设 备及其传统冷冻干燥设备技术改造方案，其特征在于，本发明的核心技术完 全体现在内置有制冷和加热用导热管的冷冻仓中承载物料的搁板及托盘上， 因此将本发明的内置有制冷和加热用导热管的冷冻仓中承载物料的搁板及托 盘置于传统真空冷冻干燥设备中，即可完成对传统真空冷冻干燥设备的全新 改造。
10、 根据权利要求l所述的可用于食品药品生产的红外真空冷冻干燥设 备，其特征在于，在生产过程中预冻、升华、解吸三个阶段性工序的始末， 可以通过温度来判断，也可以通过仓内真空压力或两仓的压差来判断。
全文摘要
本发明替换掉传统冷冻仓中的用于热交换的金属内核；打通了真空冷冻干燥中热能的红外辐射的通路，突破了背景技术中“压力高，传热效果好，但不利于水蒸汽的逸出。压力低，传热效果差，有利于水蒸汽的逸出”的两难，可在低压下或超低压下，由红外辐射向物料直接提供能量，使物料内部、外部冰晶中的水分子同时迅速升华。此项改变，使本发明既具有红外对物料内外同时加热的优点，又保留了传统真空冷冻干燥设备预冻时能够迅速降温、解吸后期能够保持温度恒定的长处。
文档编号F26B25/18GK101126595SQ200610010410
公开日2008年2月20日 申请日期2006年8月16日 优先权日2006年8月16日
发明者丛繁滋 申请人:丛繁滋