真空冷冻干燥机是针对目前现有的常规真空干燥及烘箱,进行改造升级换代而设计,主要由制冷系统和真空系统两部分组成。
其工作原理在于:
利用真空干燥原理,通过将湿物料冻结到共晶点温度下,使物料中的水分变成固态冰,然后在较高真空环境下;
通过给物料加热,将冰直接升华成水蒸气,再用真空系统中的水汽凝结器将水蒸气冷凝,从而达到物质脱水干燥的目的。
真空冷冻干机的组成
通常由干燥仓、冷凝器(捕水器)、加热系统、真空系统、制冷系统和电气控制系统六大部件组成。
1、干燥仓
集抽真空与加热干燥功能为一体的的密闭容器,物料的升华干燥过程在干燥仓内完成的,物料是放在干燥室内搁板上的不锈钢托盘内的;
每一层搁板上都有一个可供测量物料温度的探头,用以监测整个冻干过程中的物料温度。
2、捕水器(冷井)
是凝结升华水气的密闭装置,通常位于干燥仓后部,内部有一个较大面积的金属吸附面,从干燥仓物料中升华出来的水蒸气可凝结吸附在其金属表面上;
吸附面的工作温度可达-45℃~-65℃,冷凝器外形是不锈钢或铁制成的圆筒,内部盘有冷凝管,分别与制冷机组相连,组成制冷循环系统。
3、加热系统
冻干机加热系统的作用是对干燥仓内物料进行加热,使物料不断的受热升华,从而达到规定的含水率要求。
冻干机加热系统的加热方法主要分为接触式加热与辐射式加热。
在接触式加热中,采用的是循环介质加热法,当加热系统工作时,先对循环液进行加热;
液温通过液箱控制调节仪选定的温度自动控制加热,管道泵开启后,可将循环液送入干燥箱内搁板中,对搁板加热,然后返回液箱进行加热循环。
而在辐射式加热中我们通常采用蒸气加热,当循环介质为硅油时,隔板最高温度可达(+60~+70)℃。
4、真空系统
真空系统由真空泵及罗茨真空泵组成,罗茨泵为增压泵不能单独使用,必须先启用真空泵,使其工作一段时间,当系统中的真空度达到1Kpa以下时,再自动启动罗茨泵。
真空泵结构、罗茨泵结构等见说明书。真空系统的真空表可使用电接点真空表,可根据预先选定的真空度值,自动控制罗茨泵的启动。
5、制冷系统
冻干机制冷系统由制冷压缩机组,R22或R404a制冷剂组成。通常冻干设备的速冻制冷系统和捕水器制冷系统共用一套制冷系统。
当系统工作,接触加热方式中搁板温度可降至-35℃。当制冷系统工作时,冷凝盘管的表面温度可达-35~-65℃;
可根据客户需求采用低温螺杆式或双级活塞式制冷压缩机组,通常双级活塞式压缩机制冷效果更好,制冷温度更低
6、电气控制系统
本设备电气控制系统由PLC、触摸屏、控制柜、控制仪表、调节仪表等自动装置和电路组成。
它的功能是对冻干机进行手动或自动控制,控制设备正常运转。
真空冷冻干机的优点
1、具有干燥速度快,时间缩短3~10倍;
2、能耗低,只有普通干燥机能耗的20%-30%;
3、干燥温度范围宽(-55℃~+70℃均能干燥),能在低温范围内(-20℃~50℃)进行快速干燥;
4、干燥室中真空无氧,干燥质量可与原生态新鲜物料的质量相毗美;
5、它能对有机溶剂进行回收,有利于降低生产成本和环境保护,尤其适合于普通干燥机无法干燥的含有机溶剂的物料。
6、立式开门式结构,可实现物料的原位冻干
7、控制系统以PLC为核心,采用触摸屏作为人机操作界面,实时记录冻干进程中多路温度数据,并可以曲线形式浏览,人机界面清晰、直观。
8、可预置搁板控温曲线,实现升华过程的自动化。
9、主机带有USB接口,可将冻干数据实时上传到计算机并对其实现保存、浏览、打印等功能。
10、可以降低物料被氧化变质的可能性,消灭物料中的细菌,保证品质;同时,物料原本的外形能得到很好的保留
真空冷冻干机的应用范围
1、可用于果蔬、肉禽、水产、调味品、方便食品及名优特产等干燥,
可达到保持食品原有的色、香、味、形、新鲜度不变的目的,且复水性好,成品便于储存和运输,费用降低,保存期延长。
2、在人参、冬虫夏草等营养保健品,采用真空冷冻干燥工艺,更使人们相信该营养品纯真自然。
3、应用于血清、血浆、疫苗、酶、抗生素、激素等中西药品的脱水与保存;,仍保持其生物理特性。
真空冷冻干燥机的发展趋势
随着产业的扩大化和对产能和降低能耗的追求,升华界面温度高,有利于水蒸气扩散,更适用于热敏性物料的干燥。
1、冻干面积 冻干机型号中的数字代表该型号冻干机的冻干面积,例如,LGJ-18型冻干机的冻干面积为0.18㎡。用户应根据自己的需要,通过计算来确定需用多大冻干面积的冻干机。例如每批需冻干1.8公斤(升)液体量的产品,用物料盘装载物料,每盘装载10㎜厚,则可计算得冻干板层的负荷面积: A(面积,㎡)=V(体积,m?)/H(高度,m)=0.0018m?/0.01m=0.18㎡ 即需选用板层负荷面积为0.18㎡的冻干机。 2、冷阱温度 冷阱是冷冻干燥过程捕获水分的装置,理论上讲,冷阱温度越低,冷阱的捕水能力越强,但冷阱温度低,对制冷要求高,机器成本及运转费用高。实验系列冷冻干燥机的冷阱温度主要有-60℃左右、-80℃等。冷阱温度为-60℃左右的冻干机适用于大部分产品的冻干,冷阱温度为-80℃的冻干适用于一些特殊产品的冻干。冷阱温度对捕水能力的影响实验表明冷阱温度从-35℃下降到-55℃,捕水能力有提升明显,冷阱温度低于-55℃,冷阱的捕水能力提升不明显。因此,在没有特殊需求的情况下,选用冷阱温度-60℃左右是理想的选择。华豫兄弟冻干机中LGJ-10、LGJ-12、LGJ-18型冷冻干燥机的冷阱温度≤-56℃,也可以定做成冷阱温度≤-80℃,并且采用混合工质制冷技术,在同样制冷机组的情况下,制冷温度低、制冷量大、工作稳定性高、故障率低。华豫兄弟的冷冻干燥机的冷阱温度都可定制成≤-80℃,特别适用于医药和特殊产品的冻干。 3、降温速率 降温速率体现制冷系统的制冷能力,在空载情况下,冷阱温度应在1小时内达到指标规定的最低温度。例如,冷阱温度≤-60℃的冻干机,机器从打开制冷开始计时,冷阱温度达到-60℃的时间应不大于1小时。 4、极限真空度 极限真空度体现冻干机的泄漏情况及真空泵的抽气效率。冻干箱的真空度,过去的观点认为真空度是越高越好,现在的观点认为真空度应在一个合理的范围之内。真空度太高了,不利于传热,干燥速度反而下降,但无论如何冻干箱的空载极限真空度应达到15Pa以上。 5、抽真空时间 冻干箱空载的抽空速度,应在半小时之内从大气压抽到15Pa。 6、板层温度均匀性及平整度 板层温度的均匀性和平整度,对产品质量的均一性有很大的影响,温度均匀性和平整度越好,则冻干产品质量的均一性也越好。冻干机搁板温度控制有加热器型和中间流体型(硅油加热),采用中间流体控制板层的冻干机搁板温度均匀性和平整度好,这种冻干机板层为空心夹层结构,板层的制冷和加热均通过中间流体在板层内部的流体通道循环来实现,因此板层温度均匀一致。华豫兄弟冻干机中LGJ-20F/30F/50F/100F型冷冻干燥机就采用搁板中间流体的技术。钟罩型冻干机的搁板温度控制基本上都是采用加热器,板层温度一致性稍差。但总体而言,医药用冻干机板层温差应控制在±1.5℃,板内温差为±l℃,食品冻干机可适当放宽。 7、控制系统 冻干机的控制系统类型及功能各异,对于实验系列的冻干机,主要应用于物料的冻干工艺摸索和少量试生产。因此,控制系统应可实时显示冻干过程参数并自动记录;设定、修改及有效地执行冻干工艺程序;具备通讯接口,便于数据采集、保存。
作为冻干机设备重要的组成部分,冷凝器肩负着排水蒸气系统的功能。在选购冻干机设备的过程中,用户应该根据自身具体的情况选择合适的冷凝器形式。
一般来说,冻干机的冷凝器形式分为外置式和内置式二种。外置式冷凝器与冻干箱是二个互相独立的部分,它们之间通过一个带有隔离阀的大口径通道相连,这种结构的优点是冻干箱和冷凝器相距较远,二者的温度不会互相影响,进箱和出箱时冻干箱和冷凝器可以关闭阀门而互相隔离,冻干箱进行预冻和出箱,冷凝器进行化霜均可单独进行,不会互相影响,节省了整个生产周期的时间。缺点是投资成本高些,占地面积大些。
内置式的冷凝器把吸附升华水蒸气的盘管或金属放置在冻干箱内,冻干箱和冷凝器合为一体,其优点是升华通道很近,水蒸汽流动阻力小,制造成本低,占地面积小。缺点是由于冷凝的制冷表面与放产品的板层之间距离较小,在温度上互相有些影响,冻干结束出箱时冷凝器仍需继续制冷,否则冷凝器表面的冰会溶化,冻干箱内不断滴水,影响产品残余水份的含量,冷凝器化霜时,冻干箱不能进行预冻,影响下一批进箱时间,延长了整个生产周期。
因为优缺点各有不同,用户在选择冻干机时,对冷凝器的性能还需要有所关注。作为国产冻干机厂商的代表,北京博医康旗下Pilot系列冻干机,不仅采用了先进的风冷却系统,还配备了国际知名品牌的配件,确保了冷凝器的精确、稳定、安全、可靠,大大提升了整个冻干机设备的性能和可靠性。