[发明专利]冷冻浓缩喷雾冷冻干燥装置及工艺

说明书

技术领域

本发明属于过程装备技术领域,尤其涉及一种冷冻浓缩喷雾冷冻干燥装置及工艺，该方法主要用于食品、生物制品、医药等高附加值产品的脱水造粒。

技术背景

冷冻浓缩是近年来发展迅速的一种浓缩方式，由于在低温常压下操作，具有可阻止不良化学变化和生物化学变化及风味、香气和营养损失小等优点，并且特别适用于浓缩热敏性液态食品、生物制药、要求保留天然色香味的高档饮品及中药汤剂等。因此，冷冻浓缩这一低能耗、可生产高品质产品的加工技术具有巨大的发展潜力。目前工业生产上采用的冷冻浓缩系统由冰核生成器、结晶器和冰晶分离器组成。被浓缩液首先在冰核生成器中生成含有许多微小冰晶的低温溶液，而后送到结晶器中通过奥斯特瓦尔德（Ostwald）效应长成大冰晶，浓缩液从结晶器底部送出，冰晶表面附着的浓缩液在冰晶分离器中用水冲洗回收，冲洗液再送回进料端。在这种系统中，关键技术是怎样使冰晶在结晶器中长到足够大而有效地分离冰晶和溶质。本专利发明采用与国外研究机构合作的方式共同开发冷冻浓缩喷雾冷冻流化床干燥技术，使用国外专利，专利号：566338（新西兰），本冷冻浓缩技术不同于市场上现有的商业技术，本装置可以在一个容器内完成冷冻浓缩过程，不需要将冷冻产生的冰浆在不同容器之间进行转移，同时试验证明具有更低的能耗。

喷雾冷冻技术是利用雾化装置将浓缩后的溶液雾化成细小的液滴，液滴在低温冷冻介质中被快速冷冻成细小颗粒，由于冷冻时间通常为几十微秒钟，冷冻速度快，易形成小尺寸冰晶，能有效地减小对生物制品的细胞及其他功能结构的破坏，并能快速形成稳定的固态组织，保证原产品的微观孔隙结构，最大限度地保存原有产品的理化特性。

常压冷冻干燥在常压下操作，干燥成的产品质量接近真空冷冻干燥，好于常规热风干燥，具有较高的复水速度，较小的收缩率。真空冷冻干燥技术是将物料在较低温度下冻结成固态，然后在真空下使其中的水分不经液态直接升华成气态，最终使物料脱水的干燥技术，是产品质量要求较高的液态食品、药品和生物制品脱水保存所广泛选用的干燥技术，通常是将被干燥液态物料放入烧瓶、托盘等容器中，放入真空冷冻干燥机的干燥室内进行冷冻，然后在干燥室内通过热传导方式提供在真空条件下水分升华所需的热量，将水分从冷冻的物料中升华分离，水蒸气被捕集到与干燥室连通的真空排气系统的冷凝器表面。由于物料在升华脱水以前先经冻结，形成稳定的固体骨架，所得到的多孔结构的干制品具有很高的空隙率，收缩小，原始形态得以保持，无表面硬化的现象并具有理想的速溶性和快速复水性；真空、低温条件下工作，最大限度地降低了由于氧化所带来的理化指标的降低，比如酶褐变等。

目前，国内尚未有冷冻浓缩喷雾冷冻造粒常压冷冻流化床干燥技术的研究和专利出现。国外虽然有提出将浓缩液冷冻喷雾干燥技术专利，但没有类似的成套系统；如US6862890专利中提到将液体直接喷雾到低温液体中冷冻干燥，没有能量综合利用及组合干燥技术。

发明内容

本发明的目的就是为解决低浓度溶液的干燥造粒工作，提供一种集冷冻浓缩、喷雾冷冻造粒、流化床常压冷冻干燥的冷冻浓缩喷雾冷冻干燥装置及工艺，具有节能高效，产品品质高，干燥时间短等优点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种冷冻浓缩喷雾冷冻干燥装置，它包括料液存储装置，料液存储装置与冷冻浓缩装置连接，冷冻浓缩装置的出料端与喷雾冷冻塔连接，废液端与水冷箱连接；喷雾冷冻塔与流化床连接，流化床与除尘器连接，流化床和除尘器的出料端接成品区；除尘器与送风装置连接；送风装置与冷却装置连接，冷却装置分别与喷雾冷冻塔和换热装置连接，换热装置通过加热装置与流化床连接；在水冷箱、换热装置和冷却装置内设有相互连接的多级热泵系统。

所述多级热泵系统包括三级热泵，其中一级热泵与水冷箱连接；二级热泵与换热装置连接；三级热泵冷却装置连接。

所述料液存储装置与冷冻浓缩装置间通过给料泵I连接；冷冻浓缩装置与喷雾冷冻塔间通过给料泵II连接。

所述喷雾冷冻塔的喷雾冷冻造粒的温度在-40～-60℃。

所述流化床的冷冻干燥温度在溶液共晶点以下2～3℃。

所述换热装置为空气换热器；所述冷却装置为空气冷却器；所述加热装置为电加热器。

一种采用冷冻浓缩喷雾冷冻干燥装置的冷冻干燥工艺，它的步骤为：

步骤1，开启冷冻浓缩装置，料液送入冷冻浓缩装置，在设定时间内完成冷冻浓缩过程，料液被分离成高浓度溶液和废水，高浓度溶液的固形物含量不超过40%；溶液送入喷雾冷冻塔，废水送入水冷箱，水冷箱设有一级热泵；水冷箱作为二级热泵的冷源和一级热泵的热源；