专利名称：可用于食品药品生产的微波真空冷冻干燥设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种干燥设备，尤其是指一种用于食品药品生产的微波真空 冷冻干燥设备。
背景技术：
众所周知，与其它方式干燥相比冷冻干燥具有产品性质稳定、质量 好、有效成分含量高，起效快、生物利用度高的优点。但是，由于冷冻干燥 技术存在生产周期长、能耗高、单产能力小、生产成本高等缺点.从而限制 了其广泛应用。
为了剖析问题，提高操作水平，缩短生产周期，降低能耗，阿力坎浅 谈真空冷冻干燥技术.真空.〔J) . 2002， (4): 43 45中给出了传统真空
冷冻干燥的如下所述的升压与降压的两难 "2. 2. 3升华阶段压力
在升华过程中，不仅搁板温度需要控制，仓内压力也是需要控制的参 数。冻干仓压力大小影响升华干燥过程的传热传质。压力高，传热效果好， 但不利于水蒸汽的逸出。压力低，传热效果差，有利于水蒸汽的逸出.整个 升华过程就是一个传热传质过程，只有压力适当，才能有一个经济干燥速 率。
当升华温度恒定，在仓内压力低于一定值时，压力降低升华速度也不再 增加。而且升华压力低时，换热效果差，为提供相同的热量就需要高的搁板 温度。前面我们知道高的搁板温度容易造成物料的融化崩解。通常应把压力 控制在略低于最高升华温度所对应饱和蒸汽压的二分之一的压力值为干燥仓 内控制压力。
一般在30 90Pa之间。例如物料升华温度为零下2(TC.其
饱和蒸汽压为103.5 Pa，干燥仓内压力应控制在52Pa。"
针对上述的两难，赵兰萍等.在冻结过程与冷冻干燥的关系.低温工 程.1999, (4): 105 108中给出提高干燥速率的途径 "4提高干燥速率的途径
冷冻干燥节能降耗研究的中心是縮短干燥时间，也就是提高干燥速率。 最佳压力法、循环压力法、压力和加热量综合控制法及降低水汽凝结器温度 是提高速率的常规途径。而将冻结过程考虑在内，也是冷冻干燥节能的途径 之一。通过上文的分析.我们发现在干燥之前.刮除制品表面浓縮层，可 以减小水汽传递阻力；在保证质量的前提下，控制冻结过程中冻结界面的推
进速度和温度梯度，使得冰晶尺寸尽可能大，可以提高干燥速率。
由于人们对冻结动态过程的了解还不清楚，想要通过优化冻结过程来提 高干燥速率，就需要对冻结过程作更深入的研究。"
《水系统的磁处理》(苏)B.N.克拉辛1988年9月第l版，第83页 "结果表明，磁处理水的蒸发速度比未处理水的蒸发速度高11%"。第84页 "在恒磁场中水变成冰的结晶时间縮短了25 40%"并在该页的图表中可 以看到磁化水比未磁化水的结晶重量大一倍。
众所周知，传统冷冻干燥设备的加热方法基本上全都是以热能传递的形 式进行的；先把热能通过加热管一搁板一托盘一物料开口外包装一物料表 面，然后再以传导、对流或辐射的方式把热能慢慢地渗透到物料内部。
微波加热采用的是微波能量并且是把它直接辐射到物料上，物料内部分 子吸收微波能量后转化成热能。
两者相比较可以发现微波加热只仅仅是对物料的加热，所以它不但加热 迅速，内外均匀，而且还具有能量损失少，高效节能的优点。 相关专利
CN03249124.7用于食品生产的微波冷冻干燥设备，如图4所示。本实用 新型采用微波磁控管作为发热源，改变了原有设备的热传递方式，使被干燥 食品能够内外同时受热，食品中心和外表的水分能够同时蒸发，将食品的干 燥周期由传统冷冻干燥设备的20—30小时縮短至4一5个小时，降低了生
产成本，而且不破坏被干燥食品的营养成分。
该专利，可以说是真空冷冻干燥史上的一大突破。
但是到目前为止，尚没有将此类设备申请用于医用冻干粉(针)剂生产
的先例，其原因可能有三1、 该专利，之所以到目前为止只申请用于食品工业，是因为该专利在 设计上有较严重的加热不均匀的缺陷。其设计的加热方式与普通微波炉一 样，所以可以断言它完全继承了微波炉加热不均匀的不足。2、 该专利，没有明确给出真空仓内冷冻器的具体位置。其原因在于， 通常制冷管都是金属管，若依传统冷冻干燥设备将制冷金属管置于搁板内， 金属管对微波的反射将会使微波分布明显不均，而影响产品的总体干燥效 果。3、 该专利，在生产全过程中，以不可调的高能量的微波形式加热物 料。因此，在低能耗的解吸阶段大有操作不慎使产品过热或焦糊的可能。发明内容本发明的目的是提供一种加热均匀、干燥周期短、能耗低、不损坏食品 药品有效成分、能满足大规模生产要求的可用于食品药品生产的微波真空冷 冻干燥设备。本发明的另一个目的是在本发明原理的基础上，为传统冷冻干燥设备提 供技术改造方案。为确实可行的达到本发明的目的，本发明在下述五方面有所突破 1、本发明突破传统微波加热不均匀的现状本发明证实，现有微波加热不均匀的根本原因在于，将微波的进入位置 设置在衬有金属壁的上方，和/或两侧；在大生产的多层微波真空冷冻干燥 设备中应以两侧为主。当两侧微波磁控管新射线发出后，在经过被加热物料 的过程中，微波射线的能量是处于衰减的状态。再加上炉内金属壁对微波的 完全反射，每次反射到周边物料上的射线都相当于未衰减的新射线，只是能 量可能小一些。中间的物料一开始接收到的就是通过周边物料衰减后的射 线，炉内金属四壁对微波的完全反射所产生的"新射线"，也要经过周边物 料吸收衰减后，才能抵达中心物料所在处。致使周边物料温度高，中心物料 温度低，这种结果的产生是必然的。此受热不均的结果直接用于挽救人们生 命药品的干燥上确实值得商榷。本发明的第一项贡献是，将主微波加热源设置在没有金属壁的物料中 心。更具体地说，设置在两排托盘7中间的内置微波磁控管支撑体的吊车主
体8上、或两排托盘7中间的内置微波磁控管支撑体的中隔ll上；由于微
波辐射真空冷冻干燥设备的内置微波磁控管支撑体的吊车主体8、搁板6、 物料托盘7或内置微波磁控管支撑体的中隔ll均由不吸收微波辐射能量的 耐微波的塑料、玻璃、陶瓷材料所制成。所以从四壁对微波的完全反射所产 生的"新射线"，指向中心时是一路递减，经过中心时一路通过，不会如上 由于完全反射而产生的"新射线"所产生的高高叠加、低低重合，从而克服 了现有微波加热方式的不足，使被加热物料的受热趋于均匀。真空冷冻干燥 设备仓体的顶面、两侧完全可以不设置微波加热源，或只设置少量弱强度的 微波加热源用于补足热量的局部不均。
2、 本发明用替换的方式解决了制冷系统金属对微波的反射所产生的微
波分布明显不均的难题
目前的难题，传统真空冷冻干燥设备将制冷金属管和加热金属管置于不 锈钢金属搁板内，是最节省能源的方案，也是冷冻干燥设备能够做到迅速降 温的前提条件。然而，微波最怕金属所形成的全反射，它将使某局部区域几 乎得不到微波辐射，而另外某部分区域得到的微波辐射过强。
本发明的第二项贡献是，替换掉传统冷冻仓的金属内核；搁板6内的制 冷管、辅加热管，搁板6，托盘7由不吸收微波辐射能量的耐微波的导热塑 料、导热玻璃、导热陶瓷制成，其中搁板6内的制冷管与辅加热管是置于搁
板6内的同一根管；内置微波磁控管支撑体的吊车主体8、内置微波磁控管
支撑体的中隔ll、微波磁控管支撑体3、与微波磁控管4相连的制冷管由不 吸收微波辐射能量的耐微波的塑料、玻璃、陶瓷材料所制成。此项改变，打 通了真空冷冻干燥中热能的微波辐射的通路，突破了背景技术中"压力高， 传热效果好，但不利于水蒸汽的逸出。压力低，传热效果差，有利于水蒸汽 的逸出"的两难，可在低压下或超低压下，由微波辐射向物料直接提供能 量，使物料内外部冰晶中的水分子同时迅速升华。此项改变，使本发明即具 有微波对物料内外同时加热的优点，又保留了原有真空冷冻干燥设备预冻时 能够迅速降温、解吸后期能够保持温度恒定的长处。
3、 将红外线传感器技术用于微波真空冷冻干燥设备
众所周知，真空冷冻干燥通常分成三个阶段预冻阶段、升华阶段、解 吸阶段。每个阶段所要求的压力、温度和时间不同，把各阶段的压力温度时 间关系曲线连成一体，就是冻干曲线。冻干曲线因品种的不同、冻干机的不
同、处理条件的不同而不同。预冻阶段,物料温度从接近零度迅速降低到零下20 50度，此阶段为通过能量转换快速冻结阶段；升华阶段，温度由零 下20 50度逐步升到零度，此阶段为高能量加热迅速升华阶段；解吸阶段,因物料内不存在结冰，产品温度可迅速上升到最高许可温度，并在该温度下 保持一段时间，使结合水和吸附于干燥层中的水获得足够的能量，从分子吸 附中解吸出来，此阶段为低能量恒温阶段。本发明的第三项贡献是，本发明将红外线传感器技术引入真空冷冻干燥设备，特别是将红外线传感器技术引入微波真空冷冻干燥设备；红外传感器 5在冷冻干燥的预冻阶段、升华阶段、解吸阶段的生产全过程中，对物料表 面的温度进行实时感测，并由微电脑的预定程序通过电压对能量的合理供给 进行实时调整、控制。4、 解吸阶段中，微波加热、搁板6硅油加热相结合 CN03249124.7用于食品生产的微波冷冻干燥设备，在生产全过程中，以不可调的高能量的微波形式加热物料。因此，对于解吸阶段后期低能量恒温 阶段，大有操作不慎使产品过热或焦糊的可能。本发明的第四项贡献是，在生产过程解吸阶段前期，热源的提供由微波 加热完成。解吸阶段的后期热源的提供由传统的搁板6内硅油加热方式完 成。搁板硅油加热为产品的千燥品质作最后保障，使本发明决不会产生微波 过热影响产品品质的现象。在上述四项改进中，将主微波加热源设置在没有金属壁的物料中心；用 不吸收微波辐射能量的耐微波的导热塑料、导热玻璃、导热陶瓷制品替代传 统真空冷冻干燥设备中制冷的金属管、加热的金属管、不锈钢金属搁板6及 不锈钢金属托盘7;将红外线传感器技术引入微波真空冷冻干燥设备；解吸 阶段中，微波加热、搁板6硅油加热相结合。可以单独使用，使其成为真空 冷冻干燥设备的核心技术，更优选的是联合使用，使微波能量的使用做到科 学、有力而准确。5、 作为核心技术的上述四项改进，还可以用于传统真空冷冻干燥设备 的技术改造-本发明可以像普通冷冻干燥箱一样设计成如图2所示的两边支撑的搁板 式，如图1所示的一边支撑的吊车式等多种样式；本发明的第五项贡献是，本发明可以将上述四项核心技术完全设计在可
移动的内置微波磁控管支撑体的吊车主体8上，将此吊车推入传统真空冷冻 干燥设备中，即可完成对原有真空冷冻干燥设备的全新改造。 本发明的有益效果是
本发明替换掉传统冷冻仓的金属内核；打通了真空冷冻干燥中热能的微 波辐射的通路，突破了背景技术中"压力高，传热效果好，但不利于水蒸汽 的逸出。压力低，传热效果差，有利于水蒸汽的逸出"的两难，可在低压下 或超低压下，由微波辐射向物料直接提供能量，使物料内外部冰晶中的水分 子同时迅速升华。此项改变，使本发明即具有微波对物料内外同时加热的优 点，又保留了原有真空冷冻干燥设备预冻时能够迅速降温、解吸后期能够保 持温度恒定的长处。
本发明将主微波加热源设置在没有金属壁的物料中心，克服了现有微波 加热方式的不足，使被加热物料的受热趋于均匀。
本发明将红外线传感器技术引入微波真空冷冻干燥设备，使微波能量的 使用做到科学、有力、安全而准确。
图1为本发明吊车式内部结构示意图。
图2为本发明搁板式内部结构示意图。 图3为本发明微波磁控管4分布示意图。 图4为CN03249124.7专利内部结构示意图。
具体实施例方式
为进一步说明本发明新型微波真空冷冻干燥设备的结构及工作原理，不 受此限制的给出如下
具体实施例方式
1、结构，下面结合附图，对本发明作进一步详细描述。 如图l、图2、图3所示，可用于食品药品生产的微波真空冷冻干燥设 备，包括仓体l、冷阱2、微波磁控管支撑体3、微波磁控管4、红外传感器 5、搁板6、物料托盘7、内置微波磁控管支撑体的吊车主体8、导轨9、滑 轨10、内置微波磁控管支撑体的中隔ll。仓体l为长方体真空容器，尺寸 为长X宽X高二4 X3 X3米，以适应大规模工业生产。仓门l的前面安装 有同仓体截面同样大小的平移式仓门，以便进、出吊车。
由于本发明的主加热源为微波磁控管4，主制冷源及辅加热源又必须设 置在搁板6内，所以，搁板6、搁板6内管路和物料托盘7均由不吸收微波 辐射能量的耐微波的导热塑料、导热玻璃、导热陶瓷材料所制成；内置微波 磁控管支撑体的吊车主体8、内置微波磁控管支撑体的中隔ll、微波磁控管 支撑体3、与微波磁控管4相连的制冷管由不吸收微波辐射能量的耐微波的 塑料、玻璃、陶瓷材料所制成。2、工作原理，在生产过程中制冷阶段，制冷交换介质硅油通过由不吸收微波辐射能量的耐微波导热 塑料材料所制成的主硅油管分别进入每一个搁板6内层的不吸收微波辐射能 量的耐微波的导热塑料、导热玻璃、导热陶瓷管中，通过搁板6和物料托盘 7与物料进行热量交换，使预干燥物料迅速降温至零下20 50 °C 。升华阶段，启动真空泵，使仓内真空度保持在5 80Pa，启动主加热源 即微波磁控管4，对物料进行高能量加热，促使物料中的冰迅速升华；在此 过程中，与微波磁控管4相连的制冷管中的硅油对微波磁控管4进行冷却， 使之维持长时间正常工作；红外传感器5对物料表面的温度进行实时感测， 并依据所测得的结果，微电脑的预定程序通过电压对微波加热力度实时调 整、控制；当物料温度趋近于零度时，升华阶段结束。解吸阶段，此时红外传感器5通过微电脑的预定程序将微波加热力度进 一步调小，因物料内不存在结冰，产品温度可迅速上升差10 2(TC达到产 品的最高许可温度，此时红外传感器5通过微电脑的预定程序关闭微波加 热；同时启动搁板6内层不吸收微波辐射能量的耐微波的导热塑料、导热玻 璃、导热陶瓷管中由硅油通过搁板6和物料托盘7对物料完成制热保温程 序。并在该温度下保持一段时间，使结合水和吸附于干燥层中的水获得足够 的能量，从分子吸附中解吸出来，此阶段为低能量恒温阶段。本发明微波真空冷冻干燥制备医用冻干粉(针)剂的方法中预冻、升 华、解吸等三个阶段性工序的始末，可以通过温度、仓内真空压力或两仓的 真空压力差来判断，手动调压力及能量供给；更优选的是红外传感器对物料 表面的温度进行实时感测，并依据所测得的结果，微电脑的预定程序通过电 压对微波加热力度、仓内压力实时调整、控制。由具体实施方式
可见本发明制冷阶段保留了传统冷冻干燥迅速降温的优点；
升华阶段继承了微波加热的优点，被干燥物料能够内外同时受热迅速 升华，并且物料始终保持零度以下温度；
解吸阶段微波加热、搁板6内硅油加热相结合，最后由与传统冷冻千 燥一样的搁板6内硅油加热为产品的干燥品质保驾护航。因此，决不会产生 微波过热影响产品品质的现象。
在生产的全过程中， 一个或多个红外传感器5实时监控产品温度，并实 时智能化的调整加热模式，使微波能量的使用做到科学、有力而准确。
权利要求
1、一种可用于食品药品生产的微波真空冷冻干燥设备，其特征在于，由主加热源、辅加热源、制冷源、红外传感器5通过微电脑共同协同工作，用于提供一种加热均匀、干燥周期短、能耗低、不损坏食品药品有效成分、能满足大规模生产要求的可用于食品药品生产的微波真空冷冻干燥设备；并且在本发明原理的基础上为传统冷冻干燥设备提供技术改造方案。
2、 根据权利要求l所述的可用于食品药品生产的微波真空冷冻干燥设 备，其特征在于，将主微波加热源设置在没有金属壁的物料中心，更具体地 说，设置在两排托盘7中间的内置微波磁控管支撑体的吊车主体8上，或设 置在两排托盘7中间的内置微波磁控管支撑体的中隔11上。
3、 根据权利要求l、 2所述的可用于食品药品生产的微波真空冷冻干燥 设备，其特征在于，真空冷冻干燥设备仓体的顶面、两侧完全可以不设置微 波加热源，或只设置少量弱强度的微波加热源用于补足热量的局部不均。
4、 根据权利要求l、 2所述的可用于食品药品生产的微波真空冷冻干燥 设备，其特征在于，搁板6内的制冷管、辅加热管，搁板6，托盘7由不吸 收微波辐射能量的耐微波的导热塑料、导热玻璃、导热陶瓷制成；内置微波 磁控管支撑体的吊车主体8、内置微波磁控管支撑体的中隔ll、微波磁控管 支撑体3、与微波磁控管4相连的制冷管由不吸收微波辐射能量的耐微波的 塑料、玻璃、陶瓷材料所制成。
5、 根据权利要求l所述的可用于食品药品生产的微波真空冷冻干燥设 备，其特征在于，本发明将红外线传感器技术引入真空冷冻千燥设备，特别 是将红外线传感器技术引入微波真空冷冻干燥设备。
6、 根据权利要求l、 5所述的可用于食品药品生产的微波真空冷冻干燥 设备，其特征在于，在冷冻干燥的预冻阶段、升华阶段、解吸阶段的生产全 过程中，可以通过温度、仓内真空压力或两仓的真空压力差来判断，手动调 压力及能量供给；更优选的是红外传感器对物料表面的温度进行实时感测， 并依据所测得的结果，微电脑的预定程序通过电压对微波加热力度、仓内压 力实时调整、控制。
7、 根据权利要求l所述的可用于食品药品生产的微波真空冷冻干燥设 备，其特征在于，在生产过程的解吸阶段中，热源的提供由微波加热与搁板 6内硅油加热共同完成。
8、 根据权利要求l、 7所述的可用于食品药品生产的微波真空冷冻干燥 设备，其特征在于，解吸阶段的后期热源的提供由搁板6内硅油加热方式完 成。
9、 根据权利要求l所述的可用于食品药品生产的微波真空冷冻干燥设 备，其特征在于，权利要求2、 4、 5、 7可以单独使用，使其成为真空冷冻 干燥设备的核心技术，更优选的是联合使用。
10、 根据权利要求l所述的可用于食品药品生产的微波真空冷冻干燥设 备，其特征在于，本发明可以将上述四项核心技术完全设计在可移动的吊车 上，将此吊车推入传统真空冷冻干燥设备中，即可完成对原有真空冷冻干燥 设备的全新改造。
全文摘要
本发明替换掉传统冷冻仓的金属内核；打通了真空冷冻干燥中热能的微波辐射的通路，可在低压下或超低压下，由微波辐射向物料直接提供能量，使物料内外部冰晶中的水分子同时迅速升华；此项改变，使本发明既具有微波对物料内外同时加热的优点，又保留了原有真空冷冻干燥设备预冻时能够迅速降温、解吸后期能够保持温度恒定的长处；本发明将主微波加热源设置在没有金属壁的物料中心，克服了现有微波加热方式的不足，使被加热物料的受热趋于均匀；本发明解吸阶段中，将微波加热、搁板硅油加热相结合，以搁板硅油加热为产品的干燥品质作最后保障，使本发明决不会产生微波过热影响产品品质的现象；本发明将红外线传感器技术引入微波真空冷冻干燥设备，使微波能量的使用做到科学、有力而准确。
文档编号F26B3/30GK101126596SQ20061001041
公开日2008年2月20日 申请日期2006年8月16日 优先权日2006年8月16日
发明者丛繁滋 申请人:丛繁滋