食品真空冷冻干燥设备加热过程的温度控制方法

技术领域

本发明涉及真空冷冻干燥设备的控制技术，特别是一种食品真空冷冻干燥设备加热过程的温度控制方法。

背景技术

真空冷冻干燥（简称冻干）是将冻结物料放在保持真空的干燥仓内，通过加热使物料内的水分升华而得到干燥食品的方法。现有食品真空冷冻干燥设备（简称冻干机）一般都采用非接触式双面辐射加热的方法。即物料盘放置于加热板之间，物料盘与加热板不直接接触，加热板内有电加热器或者内部流通导热介质（如水或导热油等），加热板主要通过辐射换热的方式将热量传递给物料。

冻干机在干燥过程中需要控制加热板的加热功率。一方面加热功率越大则水分的升华过程越快。另一方面由于物料表层传热传质条件好，水分升华较快，而里层传热传质条件较差，水分升华也较慢，在干燥过程中必须使已经脱水的已干部分物料的温度不能超过最高允许温度，因此在物料出现已干部分后加热功率不宜过大，以防止表层物料的温度过高。物料的最高允许温度也叫崩解温度，是保证物料内部成分在干燥过程中不受破坏的温度，由物料自身成分特性及质量要求决定。根据上述分析，冻干机加热过程的控制策略应该是在保证物料温度不超过物料最高允许温度的前提下以尽可能大的加热功率进行加热。

控制加热板的加热功率通过控制加热温度来实现，冻干机的加热温度指加热板表面的温度或加热板内流通的导热介质的温度。加热温度越高，单位时间内为物料提供的热量越多，干燥速率越快。

目前，对冻干过程中加热温度的控制主要采取两种方法。第一种方法是手动设定加热温度，并在干燥过程中随时调整加热温度的设定值。第二种方法是事先预设若干段冻干工艺曲线，每段工艺曲线均包括设定温度和运行时长，当程序进入某段曲线时，加热温度按该段设定温度执行，直到在该段的运行时间达到设定运行时长后，程序自动进入下一段曲线运行。

前述第一种方法不能实现过程的自动控制，需要由操作人员对运行过程中的情况进行判断后及时地手动调整设定值。一般在被干燥的物料中预先插入若干只温度传感器探头以测量物料温度，干燥过程开始后操作人员根据物料温度的变化不断调整加热温度的设定值。整个过程需要保证物料温度不超过物料最高允许温度。这种方法操作人员的经验和主观判断起着很重要的作用，随意性较大，且过程中容易造成误操作。这种方法适用于样品实验或产品试制。

前述第二种方法可以实现过程的自动控制，但在预设曲线之前需要预先通过前述第一种方法经过若干次实验来确定工艺曲线的设定值。而且对新的冻干工艺过程，即针对不同的物料品种，或是物料的形状、厚度和装盘量等条件改变时，原来的冻干工艺曲线不能根据物料条件的改变自动进行相应的调整，需要再次通过第一种方法经过若干次实验来确定新的冻干工艺曲线。

现有食品冻干工厂对冻干机加热温度的控制常常将前述两种方法结合，利用一台小型冻干机通过第一种方法进行实验，得到物料的冻干工艺曲线，再在大型冻干机上使用该冻干工艺曲线通过第二种方法进行自动控制。这样可以避免直接用大型冻干机进行实验而可能出现的大量物料的浪费及能源的损耗。但这样不仅增加了实验设备的投资和实验过程，还因小型冻干机和大型冻干机的换热条件（如热源、加热板结构和散热环境等）有差别，利用小型冻干机实验得到的冻干工艺曲线对大型冻干机来说往往并不是最佳的，有可能影响产品品质、增加能源消耗或降低生产效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简便、容易控制、加热过程中无需操作人员判断手控操作、节能、对物料品质没有影响、工作效率高的食品真空冷冻干燥设备加热过程的温度控制方法，克服现有技术的不足。

本发明的食品真空冷冻干燥设备加热过程的温度控制方法，是利用真空冻干机进行加热干燥，步骤如下：

a、将干燥过程的加热温度进行分段控制，第一段加热温度为100℃～130℃，最后段加热温度为物料最高允许温度，在40℃～70℃之间，段数确定在4～12段之间，中间各段加热温度连续降低；

b、设定各段的物料温度阀值，第一段物料温度阀值为0℃～30℃，最后段物料温度阀值为物料最高允许温度，在40℃～70℃之间，中间各段物料温度阀值连续升高；

c、在每段加温过程中，当物料温度测量值达到所在段的物料温度阀值时所用的时间为该段时长，然后进入下一段加温过程；

d、当最后段物料温度测量值达到物料最高允许温度时维持20～150分钟，结束干燥过程；

e、相同物料按上述的加热温度、分段方式、各段时长进行加温控制即可对该种食品进行真空冷冻干燥。

干燥过程中，在脱水的已干物料出现之前，冻干机的加热温度按设备最大加热能力进行设定；在已干物料出现之后，则开始适当控制物料温度的上升速度，在工作过程中测得已干物料层的温度，并将之与设定的物料温度阀值进行比较，物料温度达到设定物料温度阀值之后，降低加热温度，从而降低物料温度的上升速度。设定的加热温度和物料温度阀值采取分段设定，各段的设定加热温度依次降低，同时各段的设定物料温度阀值则依次升高，最后一段设定加热温度与设定物料温度阀值均等于物料最高允许温度。当所有物料温度和加热温度在误差范围内相等时，再维持一段时间后干燥过程结束。对于已经至少运行过一次冻干过程并得到了成熟加热工艺曲线的情况，则可以不用测量物料温度，各段加热运行时长分别按之前的实际运行时长设定即可。

以下对本发明作进一步的说明，方法如下：

将冻干机加热工艺曲线分为若干段，一般为4～12段，每段包括设定加热温度、设定运行时长和设定物料温度阀值共三个设定值。

各段设定加热温度的数值按顺序依次递减，第一段设定加热温度的数值为使设备达到最大加热能力的加热温度值，数值范围一般为100℃～130℃，最后一段设定加热温度的数值为物料的最高允许温度值，数值范围一般为40℃～70℃。

各段设定物料温度阀值按顺序依次递增，其值大于0℃，且不超过物料的最高允许温度值。

每一段加热工艺曲线运行时，冻干机的加热温度按该段设定加热温度运行，直到在该段的实际运行时间达到该段设定运行时长时，程序判断是否存在有效的物料温度测量值。有效的物料温度测量值是指通过物料温度传感器测量得到的在正常物料温度范围（一般为-30～70℃）之内的温度值，同时其在控制界面上被选择为有效。如果不存在有效的物料温度测量值，则程序自动进入下一段加热工艺曲线运行；如果存在有效的物料温度测量值，则将有效的物料温度测量值之中的最高值和设定物料温度阀值进行比较，如果有效的物料温度测量值的最高值未达到设定物料温度阀值，则加热温度继续以该段设定加热温度运行，直到有效的物料温度测量值的最高值等于或大于该段的设定物料温度值时，该段运行结束，程序进入下一段。

冻干机的加热控制程序按顺序依次运行各段工艺加热曲线，当最后一段工艺加热曲线运行结束后，如果不存在有效的物料温度测量值，则干燥过程结束；如果存在有效的物料温度测量值，则在所有有效的物料温度测量值和加热温度接近或相等后再维持一段设定的维持时间后干燥过程结束，以减少物料温度不均匀性的影响，设定的维持时间一般为20～150分钟。

干燥过程结束时，控制程序向操作人员发出相应的提示，在结束加热温度自动控制程序之前，冻干机的加热温度一直维持在最后一段的设定加热温度运行。

在使用上述加热温度的控制方法时，如果针对的是新的冻干工艺过程，需要在被干燥物料被冻结之前，在物料水分升华较快的的表层和升华较慢的里层至少各插入一只温度传感器探头。如果所加工物料已经至少运行过一次冻干过程，且物料的形状、厚度和装盘量等条件基本不变，则在冻干过程中不需要在物料内插入温度传感器探头。冻干工艺曲线的每段设定运行时长设定为已经运行过的加热过程中的该段实际运行时长。

本发明提供的冻干机加热温度的控制方法满足了在保证物料温度不超过物料最高允许温度的前提下以尽可能大的加热功率进行加热的要求，并避免了现有冻干机在得到新的冻干工艺曲线时需要经过手动设定加热温度进行多次实验的过程，使得冻干机加热过程控制的自动化程度更高、更易于操作，减少了人力资源成本。对于大型冻干机而言，通过本发明方法得到的加热工艺参数与通过小型冻干机实验得到的加热工艺参数相比，更符合食品工艺要求和实际运行工况，有利于节省能源的消耗和提高设备的工作效率。

具体实施方式

本发明的食品真空冷冻干燥设备加热过程的温度控制方法，是利用真空冻干机进行加热干燥，步骤如下：

a、将干燥过程的加热温度进行分段控制，第一段加热温度为100℃～130℃，最后段加热温度为40℃～70℃，段数确定在4～12段之间，中间各段加热温度连续降低；

b、设定各段的物料温度阀值，第一段物料温度阀值为0℃，最后段物料温度阀值为40℃～70℃，中间各段物料温度阀值连续升高；

c、在每段加温过程中，当物料温度测量值达到所在段的物料温度阀值时所用的时间为该段时长，然后进入下一段加温过程；

d、当最后段物料温度测量值达到40℃～70℃时维持20～150分钟，结束干燥过程；

e、相同物料按上述的加热温度、分段方式、各段时长进行加温控制即可对该种食品进行真空冷冻干燥。

以苹果的冻干加热过程的温度控制为例，进一步说明本发明，苹果经过清洗、杀菌、去皮、去核、切片等前处理过程后，均匀铺入冻干机托盘中，单位托盘面积的装载量为10kg/m²。在其中一只托盘表层和底层的苹果片内分别插入两只带插拨式接头的针状温度传感器探头。将物料盘放入冻结库内降温，然后将冻结好的物料盘送入干燥仓内，待干燥仓内的真空度达到工作真空度要求后，使冻干机的加热板升温，开始加热过程。

将加热过程的冻干工艺曲线分为10段，各段的设定参数包括设定加热温度、设定运行时长和设定物料温度阀值，如表1所示，该苹果片的最高允许温度为50℃。

表1　加热参数设定（新工艺）

加热程序从第1段开始运行，加热温度按该段设定加热温度(120℃)运行，直到在该段的运行时间达到设定运行时长(100min)后，将四个温度传感器测出的物料温度测量值的最高值与设定物料温度阀值（10℃）进行比较，如前者大于或等于后者，则加热程序进入第2段；如前者小于后者，则加热温度继续按该段设定加热温度(120℃)执行，直到四个物料温度测量值的最高值达到设定物料温度阀值（10℃）后，程序进入第2段。

以此类推，加热程序按各段序号依次运行，直到最后一段（第10段）运行完毕。

在所有的物料温度测量值和设定加热温度（50℃）在测量误差范围内相等后，再维持40分钟，干燥过程结束，控制程序向冻干机操作人员发出干燥过程结束的提示，在操作人员结束控制程序之前，冻干机的设定加热温度维持不变。

程序自动记录上述控制方法运行过程中各段的实际运行时长，得到该种苹果的冻干加热工艺参数，如表2所示。

表2　加热参数设定（成熟工艺）

后续该种苹果的冻干过程不需要在物料内插入温度传感器，加热过程按表2的参数进行温度控制即可，因为不存在有效的物料温度测量值，设定物料温度阀值对加热过程的控制没有影响。