فرآیند خشک کردن انجمادی تغییر مواد آب و فرآیند انتقال آن است. محصولات بیولوژیکی حاوی مقدار زیادی آب ابتدا به صورت جامد منجمد می شوند و سپس یخ جامد مستقیماً در حالت خلاء به بخار آب تبدیل می شود و بخار آب در کندانسور به یخ زدگی متراکم می شود. پس از خشک شدن، یخ زدگی ذوب شده و تخلیه می شود. محصول خشک شده انجمادی مورد نظر در جعبه خشک کن انجمادی به دست آمد.
فرآیند خشک کردن انجمادی دارای دو فرآیند گرمازا و دو فرآیند جذب است: محصولات بیولوژیکی مایع گرما منتشر می کنند و به محصولات بیولوژیکی جامد تبدیل می شوند و محصولات بیولوژیکی جامد گرما را جذب کرده و به بخار آب در خلاء تبدیل می شوند. بخار آب گرما را در کندانسور آزاد می کند و به یخ زدگی تبدیل می شود و پس از خشک شدن انجمادی، یخ زدگی گرما را جذب کرده و به آب موجود در کندانسور ذوب می شود.
در طول کل فرآیند خشک کردن انجمادی، پدیده انتقال گرما و جرم انجام می شود. انتقال حرارت در طول فرآیند خشک کردن انجمادی رخ می دهد. مرحله پیش انجماد: مرحله اول و دوم خشک کردن و مرحله یخ زدایی همگی انتقال حرارت را انجام می دهند. انتقال جرم فقط در مرحله خشک کردن انجام می شود و بخار آب تولید شده در محصولات جعبه خشک شده یخ زده به یخ در کندانسور متراکم می شود. در واقع، این فرآیند انتقال جرم نیز هست. فقط پس از انتقال جرم، محصول را می توان خشک کرد. در مرحله خشک کردن، انتقال حرارت برای ترویج انتقال جرم است و بهبود انتقال حرارت نیز می تواند انتقال جرم را بهبود بخشد.
اگر در طی فرآیند تصعید محصول گرما تامین نشود، دمای محصول به دلیل جذب گرمای خود در اثر تصعید کاهش مییابد و سرعت تصعید به تدریج کاهش مییابد تا دمای محصول با دمای سطح برابر شود. کندانسور و خشک شدن متوقف می شود. تعداد مولکولهای بخار آب به سطح کندانسور برابر است با تعداد مولکولهای بخار آب که از سطح کندانسور به محصول منجمد بازگردانده میشوند و فشار بخار آب بین جعبه خشککن انجمادی و کندانسور برابر با صفر است و به یک عدد میرسد. حالت تعادل
اگر گرمای خارجی به محصول منجمد اضافه شود، این حالت تعادل از بین می رود، دمای محصول یخ زده بالاتر از دمای سطح کندانسور خواهد بود و اختلاف فشار بخار آب بین جعبه خشک کن انجمادی ایجاد می شود. و کندانسور جریانی از بخار آب از جعبه خشک کن انجمادی به کندانسور تشکیل می شود. از آنجایی که بخار آب میعان در سطح کندانسور یخبندان است، بخار آب در کندانسور به طور مداوم جذب می شود و فشار بخار در کندانسور پایین نگه داشته می شود. و بخار آبی که در جعبه خشک کن انجمادی جریان می یابد به طور مداوم جذب می شود، بخار آبی که در محصول وجود دارد دوباره پر می شود و فشار بخار آب بالا در جعبه خشک کردن انجمادی حفظ می شود. روند مداوم این فرآیند باعث خشک نگه داشتن محصول می شود.
تصعید از سطح محصول شروع می شود و پس از مدتی خشک شدن، لایه ای از محصول خشک شده بر روی محصول منجمد تشکیل می شود و رابطی بین محصول خشک شده و محصول منجمد ایجاد می کند. با پیشرفت خشک کردن، رابط به طور مداوم کاهش می یابد تا زمانی که تصعید کامل شود و رابط ناپدید شود. هنگامی که رابط ایجاد می شود، مولکول های آب باید از این لایه محصول خشک شده عبور کنند تا وارد فضا شوند. پس از اینکه مولکول آب از سطح مشترک خارج شد، وارد یک بازه مشخص از محصول خشک شده می شود. بسیاری از این شکاف ها ممکن است در آینده قبل از ورود به فضا از شکاف های موجود در محصول عبور کنند. همچنین امکان بازگشت به محصول منجمد با کمی پیچ و تاب وجود دارد و فواصل درون محصول خشک شده گاهی مانند یک هزارتو است.
پس از خروج مولکول های آب از سطح محصول، مسیر حرکت آن همچنان پرپیچ و خم است. ممکن است با دیواره بطری شیشه ای برخورد کند، ممکن است با دیواره صفحه فلزی یخ خشک کن برخورد کند و اغلب بین مولکول های آب با یکدیگر برخورد کند و سپس وارد کندانسور شود. هنگامی که مولکولهای آب با سطح خنککننده کندانسور برخورد میکنند، زیرا دمای سطح بسیار پایین است، سطح دمای پایین انرژی مولکولهای آب را جذب میکند، بنابراین مولکولهای آب انرژی جنبشی خود را از دست میدهند، به طوری که هیچ انرژی برای رسیدن به آن ندارند. سطح خنک کننده کندانسور را ترک کنید. بنابراین مولکول های آب "اسیر" می شوند. پس از به دام افتادن بسیاری از مولکول های آب، لایه ای از یخ بر روی سطح کندانسور تشکیل می شود که باعث کاهش فشار بخار آب در سیستم می شود. کاری کنید که بخار آب جعبه خشک کن انجمادی به طور مداوم به سمت کندانسور جریان یابد. با افزایش زمان، حرارت دادن مداوم محصول در جعبه خشک کن انجمادی و کار طولانی مدت کندانسور، محصول به تدریج خشک می شود.
سرعت خشک شدن با اختلاف فشار بخار آب بین جعبه خشک کن انجمادی و کندانسور متناسب است و با مقاومت در برابر جریان بخار آب نسبت معکوس دارد. هر چه اختلاف فشار بخار آب بیشتر باشد، مقاومت در برابر جریان کمتر و سرعت خشک شدن سریعتر است. اختلاف فشار بخار آب به اختلاف دمای بین دمای موثر کندانسور و دمای محصول بستگی دارد. بنابراین لازم است تا حد امکان دمای موثر کندانسور کاهش یافته و دمای محصول به حداکثر برسد.
***مقاومت جریان بخار آب از جنبه های زیر ناشی می شود:
مقاومت داخل محصول، مقاومت مولکول های آب از طریق لایه ای از محصول که خشک شده است. اندازه این مقاومت به ساختار لایه خشک کن و نوع، ترکیب، غلظت، عامل محافظ و ... محصول مربوط می شود.
مقاومت ظرف، مقاومت ظرف عمدتاً از دهانه بطری می آید، زیرا بخش دهانه بطری کوچک است، ممکن است مواردی در دهانه بطری وجود داشته باشد. به عنوان مثال: درپوش های لاستیکی با شیار، گاز و غیره، هر چه سطح مقطع دهانه بطری بزرگتر باشد، مقاومت کمتری دارد.
مقاومت خود دستگاه عمدتاً مقاومت خط لوله بین جعبه خشک کن انجمادی و کندانسور است. هنگامی که خط لوله ضخیم، کوتاه و مستقیم باشد، مقاومت کوچک است. علاوه بر این، مقاومت به ساختار و هندسه جعبه خشک کن انجمادی نیز مرتبط است.
افزایش دمای محصول در جعبه خشک کن انجمادی می تواند فشار بخار آب را در جعبه خشک کن انجمادی افزایش دهد، جریان بخار آب را به کندانسور تسریع کند، انتقال جرم را تسریع کند و سرعت خشک شدن را افزایش دهد. با این حال، محدودیتی برای افزایش دمای محصول وجود دارد و دمای محصول نمی تواند از دمای یوتکتیک بیشتر شود.
دمای کندانسور را کاهش دهید. همچنین فشار بخار آب در کندانسور را کاهش می دهد و جریان بخار آب را از جعبه خشک کن انجمادی به کندانسور تسریع می کند. همچنین می تواند سرعت انتقال جرم و افزایش سرعت خشک شدن را افزایش دهد. اما کاهش بیشتر دمای کندانسور هزینه های سرمایه گذاری و عملیاتی را افزایش می دهد.
کاهش مقاومت جریان بخار آب نیز می تواند سرعت انتقال جرم را افزایش داده و سرعت خشک شدن را افزایش دهد. کاهش ضخامت بسته بندی محصول؛ بطری و درپوش را بطور منطقی طراحی کنید تا مقاومت دهانه بطری را کاهش دهید. خشک کن انجمادی را به طور منطقی طراحی کنید تا مقاومت خط لوله دستگاه را کاهش دهد. غلظت و عامل محافظ مناسب را انتخاب کنید تا ساختار محصول خشک شده شل و کثیف شود، مقاومت لایه خشک کن را کاهش دهید. روش بهینه پیش انجماد را آزمایش کنید، در نتیجه ساختار کریستالی یخی ایجاد می شود که برای تصعید و غیره مناسب است. این روش ها می توانند انتقال جرم را افزایش داده و سرعت خشک شدن را افزایش دهند.