冷冻升华干燥原理

1.纯水升华机理

物料中所含水分，有两种存在方式:①游离水，即机械结合水和物化结合水。它主要以吸附和渗透方式存在于物料表面、毛细管、孔隙之中。②结构水，以化学结合形式存在于物品的组织中。冷冻升华干燥主要是升华游离水，而不是结构水。升华游离水，先是将其冻成冰，然后在真空中加热升华。

图一是水的相变图，用来说明物料中水的升华机理。水在不同温度和压力下，可以为气态、液态或固态。

图中OA线为水气分界线，OB为冰一水两相分界线，即为冰的融化线。0℃线为冰气交界线，在此线上冰，气共存，即为冰真接由固相转为气相曲线。通常把这种由固相直接转变为气相的现象叫做升华。

图中0点，为固一液一气三相共存点，称做三相点或共晶点。纯水三相点对应的温度为0℃，此温度下所对应冰面上的饱和蒸气压为Po=598Pa。物料中所含水，均为水溶液，其三相点温度要低于纯水的温度。由图可见，在0点以上(图中虚线以上)，冰需转化成水，水再转化为气，其过程是普通的蒸发干燥。只有在三相点压力Po线以下，冰才能由固相直接转变为气相，这就是升华。因而，若要得到冻干食品，其升华温度必须低于三相点温度。否则得到的是蒸发干操食品。

图二为物品水分升华过程示意图。其干燥过程是由周围逐渐向内部干燥，干燥层逐渐增厚，可看成多孔结构。升华热由加热体通过干燥层不断地传给冻结部分，在干操与冻结交界的升华面上，水分子得到加热后，将脱离升华面，沿着毛细孔跑到周围环境中。而环境中的气压必须低于升华面上的饱和蒸气压Po，只有这样才能造成一个水分子向外迁移的动力。这惫味着升华千操必须在真空环境中进行。另外物料是处于冻结状态，需维持温度低于三相点;在真空环境下，此温度易于保持。

2.食物中的升华速率

由上述可见，真空冷冻升华干燥过程首先是把食物中的水冻结成冰，然后供给升华热，使冰在三相点以下的温度下升华。升华速率的大小，显然与供给的热流量及冰升华潜热有关。

3.干冰层内水燕气迁移速率

厚度很薄的物品，干操层对水蒸气的迁移速率影响不大，升华出来的水气能很快地穿过。若是体积较大的块状物体，特别是厚度较大的肉、鱼或者粘稠胶体，干燥层对水蒸气迁移速率影响较大。干燥层内的水气压力随着厚度的增加呈指数上升。水蒸气迁移速率与干燥层内水蒸气分压有关。