升華干燥法

升華干燥包含凍結(jié)和升華兩個過程。凍結(jié)的目的是使食品具有合適的形狀與結(jié)構(gòu)，以利于升華過程的進(jìn)行。升華是食品中的水分吸熱升華成水蒸氣，通過冷凝系統(tǒng)而除去的過程。

凍結(jié)方法有自凍法和預(yù)凍法兩種。自凍法是利用食品在真空下閃蒸吸收汽化潛熱，使食品的溫度降到冰點(diǎn)以下而自行凍結(jié)的方法。如能迅速造成高真空度，則水分就會在瞬問大量蒸發(fā)而吸收大量的熱量，使食品很快完成凍結(jié)過程。不過自凍法常出現(xiàn)食品變形或發(fā)泡現(xiàn)象，因此不適合于外觀和形態(tài)要求較高的食品，一般僅用于粉末狀干制品的冷凍。

預(yù)凍法是預(yù)先將食品凍結(jié)成一定形狀的方法。該法可較好地控制食品的形狀及冰晶的狀態(tài)，因此適合大多數(shù)食品的凍結(jié)。

食品凍結(jié)后即在干燥室內(nèi)升華干燥。冰晶升華時要吸收升華熱，因此，干燥室內(nèi)有加熱裝置提供這部分熱量。加熱的方法有板式加熱、紅外線加熱及微波加熱等。

板式加熱法是將預(yù)凍好的食品放在兩塊加熱板之問，進(jìn)行接觸換熱而獲得干燥。為了加強(qiáng)換熱效果，一般都有液壓傳動裝置將加熱板緊緊壓在食品上。加熱板的溫度由內(nèi)部循環(huán)的熱蒸汽或液體介質(zhì)來維持和調(diào)節(jié)，以保證既滿足食品內(nèi)冰晶升華所需熱量，又防止其溫度上升到引起解凍的程度，通常在38～66℃之間。此外，加熱板與食品緊密接觸，雖然可以加快傳熱過程，但冰晶升華后的水蒸氣外逸受到阻礙，這不僅不利于食品的干燥，而且還會造成食品內(nèi)部壓力升高，甚至超過三相點(diǎn)壓力，引起冰晶的熔解。因此，加熱板與食品之間常放置擴(kuò)張性金屬網(wǎng)格板，以保留蒸汽外逸的通路。這樣既可加強(qiáng)傳熱效果；又可加快水蒸氣的除去速度，從而加快升華干燥過程。

在采用板式加熱時，由于冰晶不斷升華而使充滿了水蒸氣和空氣等不凝性氣體的多孔層逐漸增長，將對傳熱和水蒸氣外逸產(chǎn)生越來越大的阻力，使之成為干燥速度的主要限制因素。采用紅外加熱和微波加熱即可克服此種缺陷。這兩種加熱方式常與板式加熱聯(lián)合使用，進(jìn)行升華干燥的中后期干燥，既可克服多孔層間的傳熱阻力，加快升華干燥的速度，又可降低升華干燥的成本。

升華干燥法具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)，主要是：①整個干燥過程處于低溫和基本無氧狀態(tài)，因此，干制品的色、香、味及各種營養(yǎng)素的保存率較高，非常適合熱敏和易氧化的食品干燥；②由于食品在升華之前先被凍結(jié)，形成了穩(wěn)定的骨架，因而干制品能夠保持原有結(jié)構(gòu)及形狀，且能形成多孔狀結(jié)構(gòu)，具有極佳快速復(fù)水性；③由于凍結(jié)對食品中的溶質(zhì)產(chǎn)生固定作用，因此，在冰晶升華后，溶質(zhì)將留在原處，避免了一般干燥方法中因溶質(zhì)遷移而造成的表面硬化現(xiàn)象；④升華干燥制品的最終水分極低，具有極好的儲藏穩(wěn)定性，在有良好包裝的情況下，儲藏期可達(dá)2～3年；⑤升華干燥過程所要求的加熱溫度較低，干燥室通常不必絕熱，熱損耗少。其缺點(diǎn)主要是成本高，干制品極易吸潮和氧化，對包裝有很高的防潮和透氧率的要求。

升華干燥已在肉類、水產(chǎn)品、禽蛋類、速溶咖啡、速溶茶、水果粉、香辛料等食品的干燥中獲得了廣泛的應(yīng)用，在某些特殊食品如軍需食品、登山食品、宇航食品、保健食品、旅游食品及嬰兒食品等中的應(yīng)用潛力也很大。

升華干燥是利用冰晶升華的原理，在高度真空的環(huán)境下，將已凍結(jié)了的食品物料的水分不經(jīng)過冰的融化直接從冰固體升華為蒸汽，從而達(dá)到干燥食品的目的。

根據(jù)水的相平衡關(guān)系，我們知道，在一定的溫度和壓力條件下，水的三種相態(tài)之間可以相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)水的溫度和壓力與其三相點(diǎn)溫度和壓力相等時，水就可以同時表現(xiàn)出三種不同相態(tài)。而在壓力低于三相點(diǎn)壓力時，或在溫度低于三相點(diǎn)溫度時，改變溫度或壓力，就可以使冰直接升華成水蒸氣，這實(shí)際上就是升華干燥的原理。

升華干燥器采用特種夾套式冷凝器來替代列管式表面冷凝器。在夾套中循環(huán)的是冷凍劑或在低溫下不凍的溶液，此溶液系從冷凍裝置流入冷凝器。這些載冷體使在物料升華中所分出的水蒸汽在冷凝器的表面上冷凝。在冷凝器的圓筒部分內(nèi)裝有旋轉(zhuǎn)刮刀，以清除水蒸汽在冷凝后于器壁上所形成的冰或雪花層。在冷凝器的底部有雪花收集器，此設(shè)備依靠活塞間歇地除去冷凝器中的雪花。

當(dāng)物料于-15℃的溫度下干燥時，所需的真空為0.1—1.0毫米汞杜，依靠回轉(zhuǎn)油泵就可得到此真空度，而當(dāng)物料于-40～-60℃的溫度下干燥時，必須按裝特種擴(kuò)散泵。在許多情硯下使物料在進(jìn)行升華干燥前冰凍。但A.B.雷科夫的實(shí)驗(yàn)指出，物料在升華裝置中進(jìn)行自動冰凍要更合理些。除了它的優(yōu)點(diǎn)外，這種干燥方法與常壓對流干燥或通常的接觸真空干燥比起來有下述缺點(diǎn)：干燥成本較高，設(shè)備的使用很復(fù)雜。

升華常壓升華

在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（1.013×10^5 Pa）下固體的升華。

升華常溫升華

在室溫（25 ℃）下固體的升華。

升華真空升華

又稱減壓升華，由于升華與固體蒸氣壓和外壓的相對大小有關(guān)，降低外壓可以降低升華溫度，在常壓下不能升華或升華很慢的物質(zhì)可以采用真空升華。真空升華還可防止被升華的物質(zhì)因溫度過高而分解或在升華時被氧化。金屬鎂和釤、三氯化鈦、苯甲酸、糖精等都可用此法提純。

升華低溫升華

1976年，J．W．米切爾提出低溫升華技術(shù)，即將溫度和壓力維持在升華物質(zhì)的三相點(diǎn)以下，使它在很低的壓力（幾毫米汞柱）下升華，經(jīng)冷凝后捕集在冷阱中而與雜質(zhì)分離。此法操作簡單，產(chǎn)品純度很高，例如很難用一般方法提純成高純試劑的過氧化氫，用此法提純，一次即可將鈷、鉻、銅、鐵、錳、鎳等雜質(zhì)從1000 ng/mL降至0.4～2 ng/mL。

基于金屬鉬在一定溫度下，能氧化成三氧化鉬并升華而捕集回收的方法，回收率可達(dá)98%。升華作業(yè)在由升華爐、布袋收塵器、排風(fēng)機(jī)等組成的設(shè)備中進(jìn)行?？刹捎秒?、煤氣、廢機(jī)油、焦炭等熱源加熱。由于鉬氧化系放熱反應(yīng)，一旦達(dá)到激烈的923-1073K升華溫度，三氧化鉬升華即可自動進(jìn)行。升華所得到的三氧化鉬按常規(guī)返回使用。本法適用于廢鉬粉、鉬條、鉬片、鉬絲的再生回收，也適用于鉬錸合金、高速鋼磨細(xì)廢料的再生回收。

升華可以用來冷卻物體。例如，運(yùn)送需要冷凍的貨物時，加入干冰。由于升華要吸熱，干冰可以使貨物保持低溫。而且干冰不會使貨物結(jié)霜或受潮。

衛(wèi)生球利用了升華來驅(qū)蟲。衛(wèi)生球含萘，萘是在常溫下就能升華的晶體，升華后的萘蒸氣很容易被蠹和其它害蟲聞到，從而起到驅(qū)蟲的效果。

冷凍干燥法（freeze-drying） 是使物品脫水的一種方法。有些物品在有水分的情況下容易腐敗，所以需要脫水。先冷凍物品，再降低氣壓使冰升華，這就是冷凍干燥法。

有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，升華常被用來提純產(chǎn)物。比如從茶葉中提取咖啡因的實(shí)驗(yàn)中 ，提取物是粘稠的棕色混合物（咖啡因和多種有機(jī)雜質(zhì)的混合物）。要從這種混合物中提純咖啡因，需用升華法：把混合物放進(jìn)陪替式培養(yǎng)皿（Petri dish），用濾紙蓋住培養(yǎng)皿，再把盛有水的燒杯壓在濾紙上（為了使濾紙蓋得嚴(yán)實(shí)，也為了冷卻），之后加熱培養(yǎng)皿，五分鐘后停止加熱，會看到濾紙上出現(xiàn)白色結(jié)晶，即為純凈的咖啡因。這是由于在加熱過程中，咖啡因升華了，之后在溫度較低的濾紙上凝華成為結(jié)晶。雜質(zhì)沒有升華，所以留在了混合物中。合成二茂鐵的實(shí)驗(yàn)中，粗產(chǎn)物以類似的方法加熱從而使二茂鐵升華再凝華 。