一种对中药材、食品进行超低温 速冻保鲜和冷冻升华干燥的方法及其装置 技术领域
本发明涉及一种对中药材、食品进行保鲜、干燥的处理方法，更特别的是指一种采用带回冷的空气涡轮膨胀制冷技术，对中药材、食品进行超低温速冻保鲜和冷冻升华干燥的方法及其装置。
背景技术
冷冻干燥技术是将含水物体快速冷冻后，在真空状态下使冰升华令此物体干燥的一种方法。用冷冻干燥技术加工的药品、食品等产品的组织结构不受破坏，营养成份不会流失、变化，也没有任何化学防腐剂的污染，密封后，能在常温下保存一年以上。对于冷冻干燥的食品，在食用前，将该产品浸入水中能保持原有的成份和活性，其组织特性接近于新鲜状态。因此，冷冻干燥技术是目前保鲜技术中最好的一种方法。对于冷冻干燥的中药材，在冷冻干燥后，便于粉碎制成各种粉剂、胶囊等，使原天然成分得到最大限度的保留，提高了中药材的药理。
但由于目前使用的冷冻干燥方法主要是采用液氮速冻和真空干燥，其设备结构复杂、造价高，消耗能源较多，加工时间较长，使得用该方法加工后的中药材、食品价格较高，不利于广泛运用。为了简化设备、降低成本，保留其天然成份，去除其水分，使原天然成分得到最大限度的保留，本发明人提出了一种采用空气涡轮制冷对中药材、食品进行超低温速冻保鲜、冷冻干燥处理的方法及其装置。
发明内容
本发明地目的是采用带回冷的空气涡轮制冷技术，提供一种在超低温环境下对中药材、食品进行速冻，在低温环境下对其升华干燥以使其在细胞膜不被破坏的情况下除去水分达到保鲜的方法及其装置。
一种对中药材、食品进行超低温速冻保鲜和冷冻升华干燥的方法，其
(a)将物品分类、筛选，根据所需速冻保鲜的物品进行分类、筛选；
(b)洗净，表面自然风干；
(c)装入速冻低温干燥箱内；
(d)根据不同物品选择不同的指标数，设定速冻保鲜温度为-80℃～-90℃、时间20～30分钟，设定冷冻干燥温度为-5℃～-6℃、时间8～10小时；
(e)取出，从速冻低温干燥箱中取出物品，经包装，即可再加工、贮存、运输。
所述的超低温速冻保鲜和冷冻升华干燥的方法，其装入速冻低温干燥箱时，可根据速冻保鲜物品的要求将物品切成片状、条状。
所述的超低温速冻保鲜和冷冻升华干燥的方法，其采用带回冷的空气涡轮膨胀制冷的方式，使物品中的水份在细胞膜不破裂的状态下结晶成细小的冰，然后在冷冻状态下，冰晶直接升华干燥，从而保留了其天然的营养成分。
一种对中药材、食品进行超低温速冻保鲜和冷冻升华干燥的装置，包括低温源、低压源、干燥源、速冻低温干燥箱和测量控制装置，其低温源由带回冷的空气涡轮机产生，经20～30分钟左右，速冻低温干燥箱箱内的温度达-80℃～-90℃；低压源由半开式压气机抽气产生；干燥源用吸附式干燥剂干燥空气达-40℃露点温度；速冻低温干燥箱的设计与涡轮机的制冷干燥能力相匹配，其传热传质、保温及密封性能均优化设计，且便于操作；测量控制装置由设在涡轮制冷系统内的微电脑根据温度要求调节涡轮入口空气压力，从而自动控制并调节速冻低温干燥箱箱内的温度、压力；本发明的工艺流程是：来自空压机的压缩空气经过水冷、除油、干燥被处置为干净、干燥的气体，经热交换器进一步降低温度后进入涡轮机膨胀降温，然后引入速冻低温干燥箱中对物品进行速冻保鲜，再经热交换器被与涡轮机同轴的压气机抽吸排空，完成了速冻工作，可在涡轮后引入干燥的压缩空气，通过与经涡轮膨胀后的冷空气掺混形成-5℃左右的大流量低温空气，再将其引入速冻干燥箱对物品实施干燥。
所述的超低温速冻保鲜和冷冻升华干燥的装置，其涡轮机一次性膨胀排气冷冻干燥，经涡轮一次膨胀后的低温干燥空气，既是保持物品处于冷冻状态的制冷剂，又是同步对其进行干燥处理的干燥剂。
所述的超低温速冻保鲜和冷冻升华干燥的装置，其半开式压气机抽气加速排除升华的结晶水份，直接利用涡轮的膨胀功，无需真空干燥。
所述的超低温速冻保鲜和冷冻升华干燥的装置，其对物品采用强迫对流式速冻及传热传质方法。
所述的超低温速冻保鲜和冷冻升华干燥的装置，当冷冻升华干燥批量物品时，需加大低温干燥空气的流量，可在涡轮后引入干燥的压缩空气，通过与经涡轮膨胀制冷后的冷空气直接掺混，或通过热交换器交换热量方式以形成-5℃左右的大流量低温空气，再将其引入冷冻箱对物品实施干燥。
本发明采用带回冷的空气涡轮机制冷的方式对物品进行速冻保鲜，其冷冻效果与液氮相近，但冷冻能耗与成本远比液氮低，而采用传统的干冰、氟里昂等制冷方式根本无法实施对物品的深冷速冻保鲜。
本发明采用空气涡轮制冷对物品升华干燥，冷空气既是制冷剂又是干燥剂，在干燥箱内对物品采用强迫对流的方式速冻及升华干燥，比起低温真空干燥方法效率高，效果好，设备简单。例如胡萝卜经此方法速冻干燥后，去除水分100％，干品的类胡萝卜素含量达到鲜品的86％。对西洋参、芦荟100％的水分得到去除，与加热烘干的干燥效果相同，但保鲜效果几乎达到全成分。
本发明所使用的设备结构相对简单，自动化程度高，控制精度高，便于操作，且设备的使用效率高、造价低。
附图说明
图1是本发明装置的工艺流程结构示意图。
图2是不同压力和不同温度条件下空气中的饱和含湿量分析图。
图3是露点与水分含量关系图。
图4是水的三相图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种对中药材、食品进行超低温速冻保鲜和冷冻升华干燥的方法，采用下列顺序进行速冻保鲜和超低温干燥：
(a)将物品分类、筛选，根据所需速冻的物品进行分类、筛选；
(b)洗净，表面自然风干；
(c)装入速冻低温干燥箱内；
(d)根据不同物品设定选择不同的指标数：一般情况下，速冻保鲜温度-80℃～-90℃、时间20～30分钟，低温冷冻干燥温度-5℃～-6℃、时间8～10小时，干燥空气的露点温度-40℃；
(e)取出，从速冻低温干燥箱中取出被速冻物品，经包装即可再加工、贮存、运输。
例：保鲜西洋参
(a)将西洋参分类、筛选；
(b)洗净，表面自然风干；
(c)将西洋参切成片状，片厚度为2毫米左右，并均匀摆放在栅网上，装入速冻低温干燥箱内；
(d)设定速冻保鲜温度-90℃、时间20分钟，低温冷冻干燥温度-5℃、时间8小时，干燥空气的露点温度-40℃；
(e)从速冻低温干燥箱中取出西洋参，经包装用于贮存、再加工。
经此方法速冻保鲜、低温干燥后的西洋参，去除了100％的水分，与加热烘干后干燥效果相同，但保鲜效果达到接近全成分。
例：保鲜芦荟
(a)将芦荟分类、筛选；
(b)洗净，表面自然风干；
(c)将芦荟切成5毫米厚度的片状，均匀摆放在栅网上，装入速冻低温干燥箱内；
(d)设定速冻保鲜温度-80℃、时间20分钟，低温冷冻干燥温度-5℃、时间9小时，干燥空气的露点温度-40℃；
(e)从速冻低温干燥箱中取出芦荟，经包装可用于再加工、贮存、运输。
经此方法速冻保鲜、低温干燥后的芦荟，去除了100％的水分，与加热烘干后干燥效果相同，但保鲜效果达到接近全成分。
本发明是一种对中药材、食品进行超低温速冻保鲜和冷冻升华干燥的装置，有低温源：由带回冷的空气涡轮机产生；低压源：由压气机半开式抽气产生；干燥源：用吸附式干燥剂干燥空气达-40℃露点温度；供放物品的速冻低温干燥箱；测量控制装置：由设在涡轮制冷系统内的微电脑根据温度要求调节涡轮入口空气压力，从而自动控制并调节速冻低温干燥箱箱内的温度、压力。
图1为本发明的装置示意图。图中1、2、3、4、5、6、7均为阀门，来自空压机的压缩空气经过水冷、除油、干燥等工序被处置为干净、干燥的气体。经热交换器进一步降低温度后进入涡轮机膨胀降温，然后引入速冻低温干燥箱中对物品进行速冻保鲜，再经热交换器被与涡轮机同轴的压气机抽吸排空。完成了速冻工作，可在涡轮后引入干燥的压缩空气，通过与经涡轮膨胀后的冷空气掺混形成-5℃左右的大流量低温空气，再将其引入速冻干燥箱对物品实施干燥。
本发明的特点：
1、不同于传统的液氮速冻及低温真空干燥，采用带回冷的空气涡轮制冷，一次性膨胀排气冷冻干燥方式。经涡轮一次膨胀后低温干燥空气，既是保持物品处于冷冻状态的制冷剂，又是同步对其进行干燥处理的干燥剂。
2、对物品采用强迫对流式速冻及传热传质方法。半开式压气机抽气加速排除升华的结晶水，在需冷冻干燥的物品周围形成了一个低温、低压及干燥的气流快速流动环境。
3、本发明的冷冻干燥效果好，能量利用合理，能耗低；设备紧凑，自动化程度高，易于操作。
下面将对中药材、食品冷冻升华干燥的机理进行分析。
一、对中药材、食品低温干燥的措施
图2为不同压力和不同温度条件下空气中的饱和含湿量分析图。
当温度t为某一数值时，压力p越高，每公斤空气水分量d越小。
当压力p为某一数值时，温度t越高，每公斤空气水分量d越高。
当温度t越低，压力p越低时，因t越低，d越小，而p越低，d却越高，所以要考虑压力p和温度t的综合影响。我们希望d值高，则要使t值高，p值低。即要使空气中的饱和含湿量d高，允许水分量在每公斤空气中的含量高，则要采用高温真空的办法使每公斤空气饱和水分量高，这样可以从被干燥的物体中允许蒸发到空气中的水分大，使物体更容易干燥。
但对于药材，为了保鲜，不能采用高温方法，必须低温。本来干燥的最好办法是：①高温，②抽真空(低压)。但对于中药材干燥，现在只能采取：①低温(保鲜)，②低压。
因此，针对中药材特殊点可采取的措施为：制造一股低温、低压且空气本身干燥度很高(如露点温度达-40℃)的空气。这种环境满足：①低温(中药材保鲜)，②低压(干燥)，③干燥(空气本身相对湿度低)。
为获得上述条件，拟采取的手段为：①低温→空气涡轮膨胀制冷；②低压→压气机抽气；③干燥→用吸附式干燥剂干燥空气达-40℃露点温度；④高效干燥冷冻室设计。
再请参见图4水的三相图。
OA-水与水蒸汽相平衡时的压力和温度；
OB-冰与水蒸汽相平衡时的压力和温度；
OC-水与冰相平衡时的压力和温度；
0点-冰、水与水蒸汽三相平衡时的压力和温度。
纯净水的三相点温度是0.0098℃，压力是4.579mmHg。
中药材的超低温速冻保鲜低温干燥，就是在速冻保鲜后，在低温下(-5℃上下)干燥，即让中药材中的水分在速冻成冰后，直接由固态升华成水蒸气，使其干燥。这样在中药材内部的细胞之间没有发生通过细胞膜的水移动，而是直接由冰升华为水蒸气干燥，达到即保鲜又除水的目的。
二、对设备除湿能力的粗略估计
当我们选取干燥器达到露点温度为-40℃时，其允许吸收湿水蒸汽的能力为：
t＝-5℃时，每公斤饱和湿空气的含湿量为：d-5＝2.598g/kg；
t＝-40℃时，每公斤饱和湿空气的含湿量为：(-40℃露点湿度)d-40＝0.1102g/kg干空气。
则露点温度为-40℃的干空气在-5℃时，每公斤干空气能吸收2.4878克的水份。
例如采用的制冷装置流量为：6m3/min(标准状况)即7.32kg/min，按其干燥度达到-40℃时的露点温度，则可允许吸收水分为：18.2107g/min，1小时能除水1092.64g/hour。也就是露点湿度为-40℃的干冷空气，若在-5℃条件下干燥药材，则在1小时之内最大除水能力约为1公斤。这不包括中药材的水分蒸发到干空气中去的时间，这只是低温干燥空气在自然对流情况下的吸湿能力。
需指出的是本发明在将低温干燥空气引入冷冻干燥箱对物品进行干燥时，采用强迫对流的传热传质方式，相对于自然对流，这将大幅度地提高对物品的干燥速度。
三、对中药材采用超低温速冻保鲜、低温干燥方法所涉及的因素：
速冻温度、速冻时间、低温干燥温度、低温干燥时间、干燥空气的露点温度、干燥空气的压力、干燥空气流量、被干燥中药材的分类、被干燥中药材的数量、被干燥中药材的比表面积。