浅析当前部分冻干食品企业存在的问题与解决对策

    一、概述：

      自改革开放以来，我国农产品及农副产品的产量节节攀升，已经完成了由一个农产品贫乏到农产品丰富、甚至略有富余的转变过程，全国各地的地方官员也都在为富余的农产品寻找出路。
    在这种背景下，一种被认为是高技术、高附加值的食品加工方式——真空冷冻干燥脱水食品被许多地方选中，全国各地纷纷投资建厂，据食品行业协会统计：截至于1999年底为止，国内共安装了约330台/套食品冻干设备，但是，由于种种原因，许多企业的设备并没有运转起来，形成了典型的“开厂之日，就是关门之时”的怪现象，导致许多投资领域的“豆腐渣工程”，给社会和政府造成了沉重的负担。笔者从事这一领域工作十多年，目睹了许多此类已经发生和正在发生的事例，结合笔者的经验，从技术及技术经济的角度谈谈自已的看法。

    二、医用冻干与食品冻干在经济及技术方面的比较：

 真空冷冻干燥技术zui早应用于微生物学及生化制药的研究，已有50 多年的历史，由于生化制药在社会生活中的重要性，对此也作了详尽的研究，已有成熟的标准机型与设备在运转，但此技术应用于食品加工领域，则仅有20多年的历史，其设备的结构形式远未定型，尚有许多争议的地方，根据笔者的经验，两者zui大的不同之处在于：医用冻干机首先强调的是可靠性，然后才是其它性能；而食品用冻干机首先强调的是节能，其次才是可靠性及其它性能，这是由于两者应用领域不同，要求与目的不一样造成的。
    在生化制药领域，其产品附加值较高，一般3~5㎡的医用冻干机，其每批次产品价值至少在十万元（人民币，下同）左右，高的可达数百万元，因此，它要求不管出现任何情况，保住产品是其首要的选择，而其冻干成本，顶多只有其产值的1%，甚至只有1‰以下，可以说差不多到了忽略不计的地步。从冻干技术角度看，生化药品的共晶点普遍较低，通常都在-18~-25℃之间。因此要求其冷阱工作温度要在-45℃以下，同时，由于它要求产品必须达到全无菌、无热源，冷阱与干燥箱分开放置是其较合理的选择，其次，生化药品往往都有生物学活性要求，为了保证其产品质量，过高的加热温度是不允许的，一般采用接触传热，zui高加热温度通常不超过+35℃，由于采用接触传热，其冻干周期长达30小时左右（或以上），因此，也导致其zui高升华强度小于1Kg/ ㎡^.h，在冷媒选择上，由于医用机功率小，一般选用可简化安全机构的氟利昂或其替代品作制冷剂。
    在食品冻干领域，由于其产品的附加值较低，一般1台100㎡的大型设备，其每批次产品的价值仅有几万元左右，少的只有1~2万元，冻干成本占到总成本的30~50%，这样，节能就成了它首先考虑的对象。可靠性并不是不重要，对它而言，也只有退居第二位了。从冻干技术角度来看，绝大多数冻干食品，其共晶点在-5~-15℃之间，其冷阱工作温度可选择在-25℃以下或更高一些，为了尽快捕集水蒸气，降低能耗，其冷阱可尽量靠近蒸汽源，并非只有外置式一个选择；其次，绝大多数食品都能经受得位60℃ 的相对高温，为了加大传热速率，普遍采用了辐射传热，因此冻干周期较短，一般都在12小时左右，设备利用率大大提高，这也是冻干食品企业所希望的；一些设备设计到8小时以内，笔者以为不必要，一是由于传质过程的滞后性，总有一部分时间是无法利用，这样，真正应用于冻干升华的时间太短，易引起干燥不均匀而影响产量质量。二是由于冻干周期缩短，其zui高升华强度需提高，8小时为2.56Kg/㎡h，过高的升华强度需配备更大功率的制冷机，进一步加大了热负荷的峰谷差，不利于设备的安全运行；在冷媒选择上，大型食品用冻干机往往都选择氨，这是因为氨的制冷系数较大，有利于进一步降低能耗。
    由上面谈到的可以看出，虽然同为冻干设备，但食品冻干机与医用冻干机由于应用领域的不同而存在许多不同之处。

三、食品用冻干设备与医用冻干设备的差异：

    医用冻干机无论进口的或国产的，其基本主体结构*一样，区别很小，而食品用冻干机则不同，不同的国家、甚至同一个国家的不同的制造商，其设备基本主体结构差别也很大，光干燥箱型式就有圆形、方形和钟形等等。由于钟形制造困难，且没有很*的优势，目前已很少采用，现在主要有圆形与方形两种，方形制造较困难，制造成本较高，但有效利用了空间，而圆形制造相对较易，制造成本较低，但无法利用的空间多，近年来，由于侧置冷阱的应用，采用圆形干燥箱时可省去一个放置冷阱的容器，总体造价反而比方形低，因而大有*的趋势。在医用冻干设备中，其真空系统无一例外均采用了冷阱+油封式机械真空泵结构，而在食品用冻干设备中，真空系统有水蒸气喷射泵和冷阱+油封式（或水环式）机械真空泵两大类。据国外资料报道：在选用用水蒸气喷射泵时，每脱除1Kg水份约需消耗高压水蒸气8~9Kg及大量的冷却水，其结论认为：在没有廉价蒸汽源（如火力发电厂或化工厂的废蒸汽）的情况下，其能耗水平仍比冷阱+机械真空泵为高，后者每脱除1Kg水份的电耗为0.7~1.1kwh，因此，用水蒸气喷射泵的真空系统实际上已被国外淘汰，在国内，却发现许多报道仍采用此方案，从其公开的数据资料折算，脱除每1Kg水份约消耗13~15Kg水蒸气，甚至更高，达到18Kg，却被作者认为达到“*水平”，笔者不知道这些作者是拿什么时代的“*水平”作比较的。

    在冷阱+机械真空泵的组合中，冷阱的多种配置方式：1、侧置：冷阱放置在辐射板组件的两侧；2、后置：冷阱放置在辐射板组件之后（两者为同一容器）；3、底置：冷阱放置在辐射组件底部；4、外置：冷阱与辐射板组件分别在两个容器内放置，中间有一短而粗的管道联接。

    冷阱的冷源有冷媒直接蒸发制冷与导冷剂制冷两种方式，显然前者要比后者节能，后者的温度要比前者均匀，据笔者自己的亲身体验，均匀的冷阱温度对水蒸汽捕集的效果没有决定性的影响，所以连要求严格的医用机都不选用这一方案，据此笔者判断：这是一种豪华式的设计，除了增加能耗以外，毫无特别的优势可言。
    冷阱的冷媒主要有氨和氟利昂及其代用品两大类，，由于氨作冷媒时其制冷系数（约为1.2~1.4）要比氟利昂及其代用品作冷媒时（约为0.8~1.0）为高，显然在食品用冻干机上应该选用氨作冷媒。
    机械真空泵组主要有两种型式：即罗茨泵+罗茨泵+水环泵组合及罗茨泵+油封泵组合，前者的优点是可以抽除少量水蒸气，但能耗较大，后者对冷阱的效率要求较高，至少需要达到99.95%以上，但能耗省，一般而言，若没有特别的理由或者别有用心，采用前者组合*合理的解释是冷阱设计不过关。
    从各国进口与国产的冻干设备较为一致的是都采用了辐射加热方式，因为此加热方式的传热效率较高，可明显地缩短冻干周期，这也许是各冻干机制造商*认同的地方。
    从以上可以看出，食品冻干机与医用冻干机虽然同是冻干设备，由于应用的场合不同而存在许多差异，若仅从表面上看，两者几乎毫无相似之处，但它们本质上却是相同的，它们都遵从同样的冻干原理，由于具体应用的对象不同而采用了不同的技术手段，这是具体问题具体分析的结果，国内外各设备制造商，由于认识水平上的差异，在食品冻干机上并未形成多少相同或相似的看法，因此存在各种不同的基本主体结构的组合，远未形成国内某些自称是“专家”的人所希望存在的标准组合。对用户而言，非常重要的一点是：在各种不同的基本主体结构组合当中，其造价与能耗水平既不一致，也不构成任何比例关系，所谓的一分钱一分货的观点，用在现有的食品冻干机上是不现实的。这一点，对冻干食品企业选购冻干设备时需特别注意，这也许是造成我国绝大多数冻干食品企业经营差异巨大的根本原因，而且这种差异与企业成立时的投资数额基本无关。下面列出经笔者具体操作并核算过传热与传质平的三种不同类型的基本主体结构组合的冻干机说明之：
     1、日本真空株式会社的DF2000型冻干机
      基本主体结构：方形干燥箱、外置式冷阱、氟利昂作冷媒、间接制冷、辐射加热、罗茨泵+ 罗茨泵+大气喷射泵+水环泵；
       主要参数：搁板有效面积：110m；
      设计zui高升华速率：1.45Kg/㎡h；
       制冷功率：168Kw ；
      真空泵功率：71.2Kw（初期）、41.2Kw（维持）；
       冻干周期：12小时；
       制冷功率与搁板面积之比：168:110=1.53:1。
      2、广州长城工业总厂的SZDG-75型冻干机：
     基本主体结构：圆形干燥箱、后置式冷阱、氨作冷媒、直接制冷、辐射加热、罗茨泵+ 滑阀泵；
     主要参数：搁板有效面积：75m；
      设计zui高升华速率：2Kg/㎡h；
       制冷功率：70Kw ；
      真空泵功率：41Kw（初期）、26Kw（维持）；
      冻干周期：12小时；
       制冷功率与搁板面积之比：70:75=0.93:1。
     3、台商嘉生冷冻食品厂以国产设备为主机自制的冻干机：
      基本主体结构：圆形干燥箱、侧置式冷阱、氨作冷媒、直接制冷、辐射加热、罗茨泵+ 油封式旋片泵；
      主要参数：搁板有效面积：180m²；设计zui高升华速率：2Kg/m²h；
      制冷功率：149Kw ；
      真空泵功率：41Kw（初期）、26Kw（维持）；
       冻干周期：12小时；
      制冷功率与搁板面积之比：149:180=0.83:1。
    笔者估计，日本真空株式会社的设计可能从医用冻干机的设计放大而来（因为其基本主体结构与医用机非常相似），实际上这套设备几乎在所有可以节能的地方均采用了zui高能耗的处理方式，成了名符其实的“电老虎”，而日本真空却打着“*水平”的旗号在中国广泛宣传，而国内许多对这一行认识不深的专家学者也深信其宣传，笔者不禁要问：日本“鬼子”究竟想把中国这一行业引向何方？更令笔者不可思议的是，就是这一台电老虎，厦门某设备制造商竟然还在仿制这套设备！这真是国人的悲哀！
    上述广州长城设备的性能，是笔者技改后的数据，技改前，其冻干周期为25~28小时，原因是冷阱捕集效率太低，只有35~50%，造成其真空泵油乳化很快且非常严重，以致全新的泵油也无法在12小时内完成其*个冻干周期。据笔者从各种渠道获悉，国内有许多类似的情况存在。
    台商在大陆自制的冻干设备，其配套的制冷与真空机组及配件均为国产，只有电器控制部分由日本进口（据笔者所知，现在这些电器在国内也有中外合作或合资企业在生产），但其性能却是笔者所见到过的冻干机中的，这一情况，也正好驳斥了某些祟洋的人的观点：“国内的设计可以，配套的设备不行”，从该厂6台180m²的设备和笔者改造过的多台设备来看，实际情况正好*相反：“国内是设计不行，配套的主机可以”！需要指出的是，台商的这几套设备也不是十全十美的，至少笔者知道它在冷阱设计上存在某些缺陷，捕集效率未达到99.95%以上，其后果是，真空泵油消耗量相对大些。

    四、国内冻干食品行业的设备现状：

笔者认为，*的食品冻干设备，有二个必要的条件，一是冻干周期不能超过12小时（处理对象为常见大批量的品种如胡萝卜、磨菇等）；二是冷阱制冷功率之比（笔者称之为能耗标尺）必须在0.8:1左右；如能同时达到上述两个条件，则每脱除1Kg水份的能耗约在1Kwh左右，目前，笔者尚未见到这样的由国内设备制造商制造出来的冻干机，在进口设备中，有许多也没达到这一标准。
    遗憾的是，国内部分冻干食品企业，却仍在选用早已在上淘汰的水蒸汽喷射泵作真空系统的冻干机，其失败的原因是：1g水蒸汽地常温常压下，其体积约为125升，而在升华状态下却膨胀到10000升，以100m²的冻干设备为例。在zui高升华时，每小时的升华量达200Kg，亦即2×10⁵g。其体积高达2×10⁹升。显然，要在1小时内抽去如此庞大体积的气体，一般的真空泵是不可能的。在这种情况下，只有两个办法：一是减少装载量，使实际升华高峰远小2Kg/m²h；二是保持设计装载量，任其升华，让压力上升，转变成为真空干燥而不是真空冷冻干燥。实际情况的确如此，前者正如某冻干食品企业的厂长向别人诉说的那样：每天有百十号人忙活，煤烧了几十吨，却只能生产出一小棒葱，叫人看了真想哭！后者生产出来的产品含水量不合格，表面皱缩，产品质地柔软，可压缩而不碎，内行人都不可能认为是冻干产品，更别提出口创汇了，而一些人却依然强行当成冻干食品在国内销售，其后果就象前几年的果蔬脆片一样，砸了自家市场。而真正的冻干食品：含水量≤5%、外观完整、不收缩、产品质地特脆，略压即碎。对于这一类冻干设备，即使实施改造，困难也挺大，因为至少要增加冷阱、冷源、机械真空泵组等，这实际上在制造半台多的冻干机，再加上原有干燥箱是否适用等原因，经济上是否合算还很难说。
    也曾有人想把冷阱与水蒸汽喷射泵组合起来使用，如某研究所设计制造的卖给西北某地的冻干机，笔者得悉之后向该用户指出：这是不可能成功的，因为冷阱捕集水蒸气及水蒸汽喷射泵抽除作用时对汽的流速度要求不同，并且正好相反，是一对不可调和的矛盾。原设计单位不信，继续按他们自己的思路进行调试及改造，几经折腾之后，原设计单位只好放弃了冷阱，变成了一台“汽老虎”，冻干周期虽然被压缩到了12~14小时左右，可每小时蒸发量2吨的锅炉却再也不敢停下来了。
    而对于国产冷阱+机械真空泵的设备，笔者实在不敢恭为，一些设计者连zui基本的传热平衡及传质平衡都会计算错误，致使这些设备在设计之时就存在重大的缺陷，安装好后连合格的冻干产品都生产不出来。笔者曾经遇到过这样的一个场面：一位姓林的中国台湾冻干食品商人到一家新建成的、刚试生产的冻干食品企业考察，当他看到如此低劣的产品质量时，禁不住愤怒地面对这套设备的设计者、某设备制造厂的总工程师说：“如果日本人要是干出一件这样的事情，应该去切腹，以示谢罪！”更多的，是存在这样或者那样的问题，有些甚至几经改造，仍未能解决问题，有些采用了更高能耗的技术手段，终于能生产出合格产品了，但这种做法笔者不敢苟同，因为这样做导致生产成本比售价还高，笔者倒觉得，这不是在挽救一个企业，而是在毁灭整个行业！

    下面是笔者从近年的一些公开资料中抄录下来的食品用冻干机制造商及性能等资料：
        1、俄罗斯产KECB—1000型冻干机系统：
       由4台CB17—40/40型标准冻干机构成，每台主要技术参数为：
       干箱尺寸：2930（L）×2200（W）×2900（H）mm；
       托盘面积：40m²  ；           
       冷阱捕水能力：800Kg/批、-45⁰C ；
       冷却水耗量：16m³/h。

    2、中国台湾信旺实业有限公司制造的100 m² 冻干机主要参数：
       干箱尺寸：Ф2100×6425mm、容积21 m³ ；
       冷阱：Ф1776×4298 mm；  容积21 m³ ；
       真空系统：主泵：罗茨泵、抽速2000 m³/h；
       极限真空度：7×10^-2 Pa；
       辅泵：滑阀泵2台、每台抽速3000l/mim、外加水环泵。
    3、宁夏永康实业有限公司生产的ZLG系列：

   4、广东食品保鲜工程开发中心的SZDG系列：

5、沈阳制冷技术研究所的DG系列：

6、兰州制造的ZDG系列：

     五、高能耗冻干食品企业的出路：

       冻干食品的的价格竞争主要取决于两个方面：一是冻干设备的能耗；二是冻干设备的折旧，劳动力和原料成本相对的来说还比较少波动，而且同一时间内同行业在这两个成本方面相差很小，针对国内大多数的冻干食品企业而言，其能耗都是过高的；冻干设备的折旧，主要取决于冻干设备的价格，一般而言，进口设备的价格约为国产设备的5_~10倍，其折旧也就比国产设备高出5_~10倍，如果进口的是类似于日本真空的设备（笔者称之为“双高”），这就抵消了我国劳动力与原材料价格低廉的优势。在选用国产设备时，其高能耗与长周期却形成了另一种形式的“双高”，同样抵消了我国在这一行业的优势，这是形成我国冻干产品成本居高不下，在市场上占有率小的主要原因。笔者认为：类似有这样问题的冻干食品企业的*出路是进行技术改造，此类企业不管是被谁收购了、兼并都好，除非新业主不想让这企业恢复生产，而是把它们当废铁卖了，否则，新业主也要面对这个问题。只有通过技术改造，使其能耗与冻干周期都降下来，达到或接近每脱除1Kg水份耗电1Kw^.h（度）的目标,这才能真正使企业活起来。
    下面列出广州长城SZDG-75型经笔者改造前后生产冻干大蒜（粉或粒）的成本比较：

  从上面的比较中以看出,技改前后的成本相差是巨大的，由此也证明了笔者在本文中的观点是正确的。

                                                                     H、W、D

                                                                2000、10、12修改

主要参考资料：

   （1）、《食品工业制冷技术》  孙时中等译者  轻工业出版社   1987

   （2）、《食品干燥》  邱建人    中国台湾复文书局      1984

    （3）、《冰冻干燥法》  张志纯译   中国台湾徐氏基金会出版    1987