食品干燥技术装备

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第七章食品干燥

技术装备

p3262GB15091－95食品工业基本术语干燥：drying，从食品或食品原料中除去水分的过程，有自然干燥（晒干、风干）和人工干燥（常压加热干燥、真空加热干燥、红外干燥、微波干燥、冷冻升华干燥等）。脱水：dehydration，用人工方法从食品或食物原料中除去水分的过程。（同义词：人工干燥）3干燥的目的延长贮藏期------经干燥的食品，其水分活性较低，有利于在室温条件下长期保藏，以延长食品的市场供给，平衡产销高峰;用于某些食品加工过程以改善加工品质------如大豆、花生米经过适当干燥脱水，有利于脱壳(去外衣)，便于后加工，提高制品品质；促使尚未完全成熟的原料在干燥过程进一步成熟;便于商品流通------干制食品重量减轻、容积缩小，可以显著地节省包装、储藏和运输费用，并且便于携带和储运;干制食品常常是救急、救灾和战备用的重要物质。4食品干燥过程控制达到一定的水分要求

（入仓前干燥后的粮食所含水分可以保证不生霉变质，此称为粮食安全水分）保持或改善食品品质控制条件和方法以获得最低能耗5第一节食品干燥的基本原理一、食品湿物料与含湿气体湿物料的状态与物理性质含湿气体二、物料与空气之间的湿热平衡吸附与解吸等温线平衡湿度与吸附湿度干燥过程物料水分的变化三、干燥过程的湿热传递食品干燥过程的特性干燥过程湿物料的湿热传递影响湿热传递的主要因素6食品干燥的基本原理湿物料的状态按湿物料的外观状态和物理化学性质则可分为两大类：

a.湿固态食品物料块状物料，如马铃薯、切块胡萝卜等；条状物料，如刀豆、马铃薯条、香肠等；片状物料，如叶菜、肉片、葱蒜头片、饼干等；晶体物料，如葡萄糖、味精、柠檬酸、砂糖等；散粒状物料，如谷物、油料种籽等；粉末状物料，如淀粉、面粉、乳粉、豆乳粉等

b.液态食品物料膏糊状物料，如麦乳精浆料、冰淇淋混料等液体物料，如各种抽提液、悬浮液、乳浊液和胶体溶液等7食品干燥的基本原理食品干燥过程将能量传递给食品(传热过程)

促使食品物料中水分向表面转移并排放到物料周围的外部环境中，完成脱水干制的基本过程(传质过程)

湿热的转移是食品干燥原理的核心问题8影响湿热传递的主要因素(一)食品物料的组成与结构

(1)食品成分在物料中的位置

(2)溶质浓度

(3)结合水的状态

(4)细胞结构

(二)物料的表面积

(三)空气的湿度

(四)空气的温度

(五)空气的流速

(六)大气压力或真空度

(七)物料干燥温度9第二节喷雾干燥技术装备一、喷雾干燥的原理及特性喷雾干燥是利用不同的雾化器将溶液、乳浊液、悬浊液或含有水分的膏糊状物料在热风中喷雾成细小的液滴，在它下落的过程中，水分被蒸发而成为粉末状或颗粒状的产品，在单一工序中同时完成喷雾与干燥两种工艺过程。10（一）喷雾干燥原理在干燥塔的顶部导入热风，同时将料液泵送至塔顶，经过雾化器喷成雾状的液滴，这些液滴群的表面积很大，与高温热风接触后水分迅速蒸发，在极短的时间内便成为干燥产品，从干燥塔底部排出。热风与液滴接触后温度显著降低，湿度增大，作为废气由排风机抽出，废气中夹带的微粉用分离装置回收。11（二）喷雾干燥的特点优点：(1)干燥速度十分迅速；（2）干燥过程中的液滴温度不高，产品质量较好；（3）产品具有良好的分散性、流动性和溶解性；（4）生产过程简化，操作控制方便；（5）防止发生公害，改善生产环境；（6）适宜于连续化大规模生产；（7）容易改变操作条件，控制和调节产品的质量指标；（8）可以满足对产品的各种要求。缺点：（1）设备比较复杂，一次投资大；（2）在生产小粒径的产品时，废气中约夹带有20％左右的微粉，需要选用高效的分离装置，结构比较复杂，费用较贵；（3）设备体积庞大，对生产卫生要求高的产品，设备的清扫工作量大；（4）设备的热效率不高，热消耗大，热效率一般约为30～40％，动力消耗大。12（三）液滴的干燥特性在喷雾干燥过程中，即使初速度很高，但由于液滴很小，其雷诺系数Re一般都很低的，约在10－1～2范围以内。小于50um的液滴，虽以100～150m/s的相对速度运动，其Re也不超过200。当液滴速度很快地衰减到与气流的速度相等时，其Re小于2。雷诺系数是表征流体流动特性的一个重要参数。

流体流动时的惯性力Fg和粘性力(内摩擦力)Fm之比称为雷诺系数。用符号Re表示。13（四）对喷雾干燥机的要求14二、喷雾干燥器的分类（一）按生产流程分类1.开放式喷雾干燥系统

p329载热体在这个系统中只使用一次就排入大气中，不再循环使用。适用于废气中湿含量较高，无毒无臭气体。152.封闭循环式喷雾干燥系统p32916载热体在这个系统中组成一个封闭的循环回路，有利于节约载热体、回收有机溶剂、防止大气污染，载热体大多使用惰性气体（如氮、二氧化碳）。173.自惰循环式喷雾干燥系统系统中有一个自制惰性气体的装置。184.半封闭循环式喷雾干燥系统19（二）按喷雾和气体流动方向分类并流、逆流、混流三种1.并流型喷雾干燥器在喷雾干燥室内，液滴与热风呈同方向流动。这类干燥器特点是被干燥物料允许在低温情况下进行干燥。由于热风进入干燥室立即与喷雾液滴接触，室内温度急降，不会使干燥物料受热过度，因此适宜于热敏性物料的干燥。排出产品的温度取决于排风温度。在食品工业中，如牛奶、果汁、鸡蛋液等物料的干燥大多数采用并流型喷雾干燥。20212.逆流式喷雾干燥器在喷雾干燥器内，热风与液滴呈相反方向流动，其特点是高温热风加入干燥器内首先与将要完成干燥的粒子接触，使内部水分含量达到较低的程度，物料在干燥器内悬浮时间长，适于含水量高的物料干燥，设计时应注意气流速度小于成品粉粒悬浮速度，以防粉粒被废气夹带。常用于压力喷雾场合。223.混合流型喷雾干燥器这种装置是气流与雾滴的运动方向成垂直，或气流有一个方向（从上向下），而雾滴有两个方向（即从下向上，然后从上向下）。气流与产品较充分接触，并起扰动，脱水效率较高，耗热量较少，但产品有时与湿的热空气流接触，故干燥不均匀。如果设计不好，往往会造成气流分布不均匀、内壁局部粘粉严重等缺陷。23（三）按雾化方法分类1.压力式喷雾干燥器恒流高压泵+喷嘴242.离心式喷雾干燥器253.气流式喷雾干燥器26三、雾化器的结构及机理喷雾干燥时，雾滴大小和均匀程度对产品质量和技术经济指标影响很大，雾滴平均直径为20－60um，雾滴过大达不到干燥要求，过小则会由于干燥过度而变质，因此使料液雾化所用的雾化器是喷雾干燥设备的关键部件。用于食品工业的雾化器主要有三类：压力式、离心式和气流式。27（一）压力式雾化器1.雾化机理液体从单一孔中经加压后获得雾化，演变过程见图。液滴从管孔中滴下时管滴的液滴质量增加，当能克服其表面张力时，就出现落下现象。当管端流量增大时，形成液柱，液滴落下的周期变长，这种状态称作为平滑流；液柱端部发生径向分速度引起纵向振动，使液柱分裂。液柱长度随着液流速度的增加而变化，当达到一定程度时，由于液柱的纵向振动反而使液柱长度变短，这种液流不安定的状态称为迁移流。2829因此，越靠近轴心，旋转速度越大，其静压力越小，结果在喷嘴中央形成一股压力等于大气压的空心旋流，而液体则形成旋转的环形薄膜，液体静压能在喷嘴处转变为向前运动的液膜的动能，从喷嘴喷出。液膜伸长变薄，最后分裂为小雾滴。这样形成的液雾为空心圆锥形，又称空心锥喷雾。液体的分散度取决于喷嘴结构、溶液流出的速度及压力和溶液的物理性质－－表面张力、粘度、密度等。图7－14为压力式喷嘴操作示意图，图中（1）为压力分布情况，（2）为喷嘴内液体运动情况。302.压力式雾化器的形式与结构压力式雾化器俗称压力喷嘴，在结构上的共同特点是使液体获得旋转运动，即液体获得离心惯性力，然后由喷嘴高速喷出。结构形式较多，以漩涡式和离心式最为常用。3132(3)具有多导管漩涡式压力喷嘴是漩涡式压力喷嘴的改良型，喷嘴上面套入多孔板，使进入漩涡室的液流均匀通过切线导管，从而产生中空锥形均匀雾滴。结构见图7－18所示。3334压力式雾化器的主要优点（1）结构简单，操作时无噪音，制造成本低，维修、更换方便，动力消耗较小；（2）改变了喷嘴的内部结构，容易得到所需要的喷矩形状；（3）大规模生产时可以采用多喷嘴喷雾。采用多喷嘴时，必须注意喷头分布的距离，相临喷嘴距离过近，导致粒度不均。对于力度要求均匀的产品，最好采用单一的大孔径喷嘴。35压力式雾化器的主要缺点36（二）离心雾化器37料液流量与液滴的形成38392.离心式雾化器的形式与结构404142（5）喷嘴内其它形式离心雾化器喷嘴的其他形式有喷枪形（1）、锥形（2）和圆帽形（3）等。433.离心雾化器的特点离心雾化器的优点是液料通道大，不易堵塞；对料液的适应性强，高粘度、高浓度的料液均可；操作弹性大，进液量变化正负25％时，对产品质量无大的影响。缺点是结构复杂、造价高；动力消耗比压力式大；只适于顺流立式喷雾干燥设备。44（三）气流式雾化器452.形式与结构4647484950（四）三种雾化器的比较与选择1.三种雾化器的比较51522.雾化器的选择准则53四、喷雾干燥设备的设计（一）喷雾干燥器的组成及设计原则1.喷雾干燥器的组成喷雾干燥设备的主体是喷雾干燥室，室内装有雾化器，热风分配器以及刮粉、出料装置等。干燥室上开有进、排气口，出料口以及人孔、视灯等。另外，为了消除和减少物料的粘壁现象，设备中设置了粘壁清扫装置。喷雾干燥器的附属设备有空气加热器、分离器、空气过滤器和卸料装置等。54

通过压力或离心力将液态或浆质态的食品喷成雾状液滴，悬浮在热空气气流中进行脱水干燥的过程。雾化系统干燥室喷雾干燥机55喷雾干燥室分为箱式和塔式两大类，因处理物料不同、受热温度不同、热风进入和出料方式不同结构形式也不同。干燥室按材料不同可分为金属结构和钢筋水泥结构以及内有衬里的砖木结构。厢式干燥室又称为卧式干燥箱，用于水平方向的压力喷雾干燥，少见。塔式干燥室适用于离心、压力、气流喷雾等，其底部有锥形底、平底和斜底三种，对于处理具有吸湿性，具有热塑性的物料，为防止干粉粘壁，应当在塔壁附设冷却措施，或者由塔的圆柱体下部切线方向进入冷空气扫过塔壁或安装旋转空气清扫器。562.喷雾干燥器的设计原则5758喷雾干燥器设计工艺要求数据59辅助设备空气过滤器（用不锈钢等编织成的浸油式滤层，表面喷以轻质定子油、真空泵油等）、空气加热器（蒸汽、燃油、电力、煤气、煤炭等）、风机（进风机、排风机，离心式）、空气压缩机（小型设备驱动离心盘使用）、电动机（大型设备驱动离心盘转动）、细粉分离机（一般使用旋风分离机）、冷却沸腾床、空气减湿器、激振锤（电锤、空气振荡器）。6061第三节滚筒干燥技术装备p353一、滚筒干燥的原理与设备（一）滚筒干燥的原理与特点这种干燥机是将料液分布在转动的、蒸汽加热的滚筒上，与热滚筒表面接触，料液的水分被蒸发，然后被刮刀刮下，经粉碎为产品的干燥设备。由于加热表面温度较高，使料液中的蛋白质结构改变不易溶解，故产品质量较差；但该机结构简单，，每蒸发1Kg水约需1.2~1.5kg蒸汽，比喷雾干燥热耗低，占地面积小，维修、操作方便。626364操作过程需干燥处理的料液由高位槽流入滚筒干燥器受料槽内，干燥滚筒在传动装置驱动下，按规定的转速转动，物料由布膜装置在滚筒壁面形成料膜。筒内连续通入供热介质，加热筒体，由筒壁传热使料膜的湿分汽化，再通过刮刀将达到干燥要求的物料刮下，经螺旋输送器将成品输至储槽内，然后进行包装。蒸发除去的湿分一般为水蒸气，可直接由罩顶排气管放至大气中。操作的全部过程，可连续进行；料槽的受料和成品的包装，可间歇操作。65滚筒干燥

将液体食品在滚筒表面涂成一层薄膜，干燥时，热量从滚筒的内部传向干燥机周围的空气，由于通过金属滚筒的热量传递和水从薄膜中出来的质量传递通常都非常快，产品在滚筒上滞留的时间在30～60s，干燥发生迅速。间接接触干燥机

干燥产品通常与高温(超过100℃)接触，易发生褐变、焦糖化反应以及蛋白质的降解。适用对象：浆状、泥状、液态，受热影响不大的食品，如麦片、米粉等。662.滚筒干燥器的主要特点6768（二）滚筒干燥器的分类按滚筒数量分为单滚筒、双滚筒、多滚筒；按操作压力，可分为常压和真空操作两类；按滚筒的布膜方式，可分为浸液式、喷溅式、对滚筒间歇调节式、辅辊式、顶槽式及喷雾式等类型。697071727374二、滚筒干燥器的结构设计（一）结构组成和总体设计1.结构组成包括滚筒（含筒体、端盖、端轴及轴承）；布膜装置（料槽、喷溅器、搅拌器、膜厚控制器）；刮料装置（刮刀、支承架、压力调节器）；传动装置（电动机、减速装置和传动件）；进气与排液装置（进气头和管路附件）；设备支架与密封罩；干燥产品输送和最后干燥器。752.总体设计76（二）滚筒组建及其他装置的设计77第四节沸腾干燥技术装备p361一、沸腾干燥原理沸腾也就是流化、流动化，“流化”是指固体颗粒被流体吹起呈悬浮状态，粒子可以相互分离，作上下左右前后运动。沸腾干燥就是指干燥介质使固体颗粒在沸腾状态下进行干燥的过程。7879808182833.聚式流化床中常见的不正常现象沟流：流体在床层中分布不均匀，在床层的局部地方产生了短路。84腾涌：流化床内固体颗粒大小分布不均匀，或流化床的高度与直径比值较大等，床层内的气泡汇合长大，直至气泡直径大到接近于床层内径。85二、流化床干燥器的形式86（1）单层流化床干燥器872.多层流化床干燥器3.穿流板式流化床干燥器4.卧式多室流化床干燥器5.喷动床干燥器6.振动流化床干燥器7.脉冲流化床干燥器88沸腾干燥的特点沸腾干燥一般适用于30um－60mm颗粒状物料或结团现象不严重的场合，常用于气流或喷雾干燥后的物料做进一步的干燥，生产能力变化范围大，物料停留时间可任意调节，尤其对含水要求很低的产品特别合适。优点：1.物料与干燥介质接触面积大，搅拌剧烈，表面更新机会多，热容量大，传热效果好，设备能力高，可实现设备大生产；2.适宜于热敏性物料干燥（干燥速度大，停留时间短）；893.温度分布均匀，对物料表面水分可使用比较高的热风温度；4.便于生产调节（间歇与连续）；5.依产品调节各参数；6.设备简单，投资费用低廉，操作维修简单。缺点：1.对物料颗粒度有一定的限制，一般要求不小于30um，不大于4－6mm，多物料混合干燥，要求密度接近；2.不适合湿含量高而结团的场合；3.不适合易结块物料；4.对单级连续式沸腾干燥器而有，物料停留时间可能不够。90第五节冷冻干燥技术装备一、冷冻干燥的原理及特点（一）冷冻干燥原理将湿物料或溶液在较低的温度下（－10～－50℃）冻结成固态，然后在高真空度下将其中水分不经液态直接升华成气态而脱水的干燥过程。O：三相点OA：升华曲线OB：熔解曲线OC：汽化曲线OABC91集真空、冷冻、升华、干燥四个单元操作于一体。固态的水在低于其饱和蒸汽压的真空状态下，水分被升华，一般在冷冻干燥时，所采用的真空度约为相对应的温度下的饱和蒸汽压的1/2～1/4，如－40℃时干燥，采用的真空度应为2.67~6.67Pa。物料冻结的方法：预冻法（在深冻室预先冻结的方法）、自冻法（也叫蒸发冻结，是利用高真空度时水分汽化吸热而将物料自行冻结）。92冻干的过程可以分为两个阶段，第一阶段，在低于熔点的温度下，将水分从冻结的物料内升华，大约有98～99％的水分在此过程中除去；在第二阶段，将物料温度逐渐升到或略高于室温（此时，物料中的水分很低，物料的外形基本不会发生变化），经过此阶段，水分可以减少到低于0.5%。冷冻干燥与其他干燥方法相比，对产品的破坏可达最低程度，同时，冻干后的产品具有疏松、易溶等优点，适合于热敏性发酵制品的干燥。冻干的缺点包括：设备投资高、动力消耗大，干燥时间长等。93（二）冷冻干燥的特点（与常规干燥方法相比）94（三）食品冷冻干燥的应用宇航、军队、登山、航海、探险、民用等领域。在食品、生物制药、医药等方面应用日益广泛。在食品工业中，常用于肉类、水产、果蔬、禽蛋、酶、维生素、方便食品、咖啡、茶、调味品等的干燥。95二、冷冻干燥设备的设计冷冻干燥的设备主要由4个主要部分组成，即冷冻部分、真空部分、水汽去除部分、加热部分。此外，还有作为辅助部分的供热系统以及控制装置。（一）冷冻部分装置作用：1.用作被干燥物料的冻结，使之在冷冻的状态下完成单元操作；2.给水汽冷凝的低温冷凝器（冷阱）提供冷量，使干燥室内抽出的水蒸气在低温冷凝器中冷却而结霜。96常用的制冷方式三种：蒸汽压缩式制冷、蒸汽喷射式制冷、吸收式制冷。蒸汽压缩式制冷：液态的制冷剂经过膨胀阀后，由于压强急速下降而蒸发成为气体，在此同时吸收热量，使蒸发器周围空间的温度降低；蒸发后的制冷剂气体被压缩机压缩，使之压强升高和产生热量；被压缩后的制冷剂气体经冷却后又重新变为液态制冷剂，在此过程中释放出的热量由冷凝器中的水或空气带走，这样制冷剂就在系统中完成一个冷冻循环。克拉伯龙方程：PV=RT,R=8.31J/mol

97若蒸发温度高于－40℃，可用单级制冷压缩机，并以F－22为制冷剂。若要达到更低的温度，则应采用双级制冷压缩机系统，此时，若以氨为制冷剂最低蒸发温度可达－50℃，以F-22为制冷剂时，则可达－70℃。98在小型冷冻干燥系统中，可以用干冰及乙醇的混合物（干冰的冰点为－78℃）来预冻物料或作为水汽去除用的冷阱中的冷源。在冷冻系统中，一般都要通过载冷剂（冷媒）来作为传热介质，常用的载冷剂有空气、氯化钙溶液（冰点为－55℃）、乙醇（冰点为－112℃）。该冷冻机负荷变化大，冷冻干燥初期，需要制冷量较大，随着水分的不断升华，需要量逐渐减少。99（二）真空部分装置冷冻干燥时干燥箱中的压强应该是冻结物料饱和蒸汽压的1/2~1/4，一般情况下干燥箱中的绝对压强约为1.33~13.3Pa。质量好的机械泵可达到的最高真空极限约为1.33×10-3Pa，国产的2X型滑片式真空泵的极限真空度可达到6.67×10-3Pa，可满足真空冷冻的要求。在整个升华干燥中，主要是真空系统工作，真空装置有两个作用，一是为干燥室提供一定的真空度，二是为低温冷凝器降低压力，将部分水蒸气和不凝结气体抽出。100由冷冻干燥箱、冷凝器、真空阀门和管道以及真空泵、真空仪表构成冷冻干燥设备的真空系统，要求密封性能好，真空泵采用旋片式或润滑式油封机械泵；真空测量仪表可采用旋转式水银压缩真空计或电阻和热耦真空计。101（三）水汽去除部分装置在干燥过程中，升华的水分必须不断而迅速地排除，若直接以真空泵吸收，则在高真空度下，蒸汽的体积很大，真空泵的负担太重。采用低温冷凝器把干燥室内物料升华的水蒸气凝缩，变成霜后再将其除去，低温冷凝器内的温度必须保持低于被干燥物料温度，使物料冻结层表面的蒸汽压大于低温冷凝器内的蒸汽分压。一般低温冷凝器内的温度应保持在-40－-45℃左右，冷凝器内的低温通常依靠氨或氟利昂冻结机实现。102103（四）加热部分（干燥室部分）装置加热的目的是为了提供升华过程中的升华热（蒸发热＋溶解热）。加热的方法有借夹层加热板的传导加热、热辐射面的辐射加热及微波加热等3种，传导加热的加热剂一般为热水或油类，其温度应不使冻结物料溶化，在干燥后期，允许用较高温度的加热剂。干燥室一般为箱式，也有钟罩式的，干燥室的门及视镜要求制作的十分严密可靠，否则不能达到预期真空度。如干燥室兼作预冻室时，夹层搁板中还应有制冷剂的蒸发管路和载冷剂的导管。104（五）供热系统105加热量过大，将会使食品的温度升高，引起食品解冻，加热量过小，会使升华的速度减慢。为供给升华潜热促进干燥而装设的加热器，有直接加热和间接加热两种。多采用搁板上直接装电阻丝通电加热，或设置循环热水、高沸点热介质加热或蒸汽管道加热，或采用辐射方法加热，如红外、微波等加热方式。所使用的载热体有水蒸气、水、矿物油、三氯乙烯、乙二醇等。106（六）控制装置控制装置包括各种开关，安全装置，自动监控元件和仪表等组成控制系统，有效地控制加热温度、真空度以及自动记录仪等，以保证产品质量，提高效率。107三、真空冷冻干燥设备与应用（一）间歇式冷冻干燥机108109（二）连续式冷冻干燥机110111干燥室水冲霜系统水汽冷凝器制冷系统真空系统托盘加热搁板112113四、箱式升华干燥设备的操作过程（1）预冻抽真空如果先抽真空，由于物料内部含有大量水分，在压力降低的情况下，溶解在水中的气体很快溢出形成气泡跑掉，呈“沸腾”状态，水分蒸发成蒸汽而吸收汽化潜热使物料结冰，冰再汽化，则产品发泡，内部形成较多的气孔。升华干燥的预冻温度一般到－30℃左右，一般此预冻温度低于物料的共熔点5℃左右（共熔点使物料冻结成固体的温度），如温度达不到要求则冻结不彻底，影响产品质量。预冻的时间约为2小时左右，从低于共熔点温度算起，预冻速度控制在物料每分钟下降1－4℃，过高或过低对产品或生产不利，预冻速度由实验决定。114（2）升华过程预冻后抽真空，此时温度不会发生变化，其过程中排除冻结水分，是一个恒速过程，由于由冰直接汽化时需要吸收热量，因此，此时可以开始给予加热，保持温度在接近而又低于共熔点温度。若不给予热量，物料本身温度下降，影响干燥速度，延长时间，产品水分不合格，如加热太多或过量，则物料本