1.純水升華機(jī)理
物料中所含水分，有兩種存在方式:①游離水，即機(jī)械結(jié)合水和物化結(jié)合水。它主要以吸附和滲透方式存在于物料表面、毛細(xì)管、孔隙之中。②結(jié)構(gòu)水，以化學(xué)結(jié)合形式存在于物品的組織中。冷凍升華干燥主要是升華游離水，而不是結(jié)構(gòu)水。升華游離水，先是將其凍成冰，然后在真空中加熱升華。
圖一是水的相變圖，用來(lái)說(shuō)明物料中水的升華機(jī)理。水在不同溫度和壓力下，可以為氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)。
圖中OA線(xiàn)為水氣分界線(xiàn)，OB為冰一水兩相分界線(xiàn)，即為冰的融化線(xiàn)。0℃線(xiàn)為冰氣交界線(xiàn)，在此線(xiàn)上冰，氣共存，即為冰真接由固相轉(zhuǎn)為氣相曲線(xiàn)。通常把這種由固相直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟默F(xiàn)象叫做升華。
圖中0點(diǎn)，為固一液一氣三相共存點(diǎn)，稱(chēng)做三相點(diǎn)或共晶點(diǎn)。純水三相點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度為0℃，此溫度下所對(duì)應(yīng)冰面上的飽和蒸氣壓為Po=598Pa。物料中所含水，均為水溶液，其三相點(diǎn)溫度要低于純水的溫度。由圖可見(jiàn)，在0點(diǎn)以上(圖中虛線(xiàn)以上)，冰需轉(zhuǎn)化成水，水再轉(zhuǎn)化為氣，其過(guò)程是普通的蒸發(fā)干燥。只有在三相點(diǎn)壓力Po線(xiàn)以下，冰才能由固相直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀�，這就是升華。因而，若要得到凍干食品，其升華溫度必須低于三相點(diǎn)溫度。否則得到的是蒸發(fā)干操食品。
圖二為物品水分升華過(guò)程示意圖。其干燥過(guò)程是由周?chē)饾u向內(nèi)部干燥，干燥層逐漸增厚，可看成多孔結(jié)構(gòu)。升華熱由加熱體通過(guò)干燥層不斷地傳給凍結(jié)部分，在干操與凍結(jié)交界的升華面上，水分子得到加熱后，將脫離升華面，沿著毛細(xì)孔跑到周?chē)h(huán)境中。而環(huán)境中的氣壓必須低于升華面上的飽和蒸氣壓Po，只有這樣才能造成一個(gè)水分子向外遷移的動(dòng)力。這憊味著升華千操必須在真空環(huán)境中進(jìn)行。另外物料是處于凍結(jié)狀態(tài)，需維持溫度低于三相點(diǎn);在真空環(huán)境下，此溫度易于保持。
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