冰箱控氧保鮮的技術(shù)研究及對比分析

業(yè)明坤 陳龍 譚發(fā)剛 鄭防震

美的集團(tuán)中央研究院 廣東佛山 528311

1 引言

近年來，隨著生活水平的提高，消費(fèi)者不再滿足于冰箱的基本功能需求。冰箱作為果蔬貯存的主要場所，與食品安全和健康問題的聯(lián)系越來越緊密。為此，搭載各種新技術(shù)、新功能的冰箱產(chǎn)品層出不窮，但其核心的保鮮功能主要還是通過對溫度和濕度的精確控制來實(shí)現(xiàn)的。然而，果蔬的保鮮效果與所處的氣體環(huán)境也息息相關(guān)，其中，氧氣含量的影響較為顯著。因此，通過減少果蔬盒中氧氣的含量是實(shí)現(xiàn)保鮮的有效方法[1]。本文重點(diǎn)分析了幾類主要的控氧保鮮技術(shù)，并對比了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 冰箱控氧的方法

工業(yè)應(yīng)用中有多種處理氧氣的方法，本文主要結(jié)合冰箱的特定使用場景，針對性地分析研究了幾種主要方法。

2.1 富氧膜排氧法

富氧膜排氧的原理是：當(dāng)空氣通過富氧膜時，由于空氣中的氧氣和氮?dú)庠诟谎跄ぶ芯哂胁煌娜芙舛群蛿U(kuò)散系數(shù)，導(dǎo)致二者的滲透速率不同；在壓差作用下，滲透速率較快的氧氣透過富氧膜，而滲透速率較慢的氮?dú)鈩t滯留在富氧膜的進(jìn)氣側(cè)而被富集[2]。圖1為富氧膜分離空氣的原理圖。

圖1 富氧膜分離空氣原理圖

富氧膜排氧法的冰箱控氧即是通過此方法來對冰箱的保鮮盒富集氮?dú)?，?shí)現(xiàn)果蔬的保鮮。在壓差作用下，果蔬盒中的空氣經(jīng)過富氧膜，滲透速率較快的氧氣優(yōu)先透過富氧膜，從而將氮?dú)飧患焦吆小?/p>

圖2是小型富氧膜排氧法的冰箱控氧系統(tǒng)圖。富氧膜排氧法的冰箱控氧主要由富氧膜、氣泵等組成。工作過程中，氣泵在氧氣排出側(cè)持續(xù)抽氣，將滲透速率較快的氧氣排走，降低果蔬盒中的氧氣濃度；氧氣不斷被排走會造成果蔬盒內(nèi)部的氣壓變小，可通過單向閥向果蔬盒中補(bǔ)充一定量的空氣，實(shí)現(xiàn)壓力平衡。

圖2 小型富氧膜排氧法的冰箱控氧系統(tǒng)

小型富氧膜排氧的冰箱控氧具有結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，通常需要提供較大表面積。富氧透氣量可用以下公式表示：

式中：q表示富氧透氣量（L）；P為氣體滲透系數(shù)（×103cm3/cm2·s·kPa），由使用的膜材料、結(jié)構(gòu)等所確定；A為膜的有效過濾面積（cm2）；t為過濾時間（s）；Δp為壓差（kPa）。

富氧膜一般使用復(fù)合硅橡膠制備而成，在200 kPa的壓差下，最高富氧體積分?jǐn)?shù)僅為28.8%[3]，滲透選擇性差。雖然，高滲透性的富氧膜技術(shù)已取得一定突破，產(chǎn)生的氧氣體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到40%～50%，但富氧膜的價格仍然較貴，還需進(jìn)一步研究以降低成本才能得到廣泛的應(yīng)用[4]。富氧膜裝置結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，運(yùn)行元件及易損件少，運(yùn)行較平穩(wěn)。

2.2 變壓吸附氮?dú)馓畛浞?/h3>

變壓吸附氮?dú)馓畛浞ㄊ菍⒆儔何疆a(chǎn)生的氮?dú)馓畛涞焦吆兄?，從而?shí)現(xiàn)保鮮。

圖3是碳分子篩變壓吸附分離空氣制氮的原理圖。在壓差的作用下，空氣經(jīng)過碳分子篩后，由于氧氣的分子直徑比氮稍小，氧氣以較快速度擴(kuò)散至碳分子篩的微孔內(nèi)并優(yōu)先被其吸附，而氮?dú)鈩t經(jīng)過碳分子篩顆粒后排出[5]。吸附了氧氣的碳分子篩需要減壓解吸，使碳分子篩再生；變壓吸附制氮就是利用兩個吸附塔，交替加壓吸附、減壓解吸，從而持續(xù)產(chǎn)生氮?dú)狻?/p>

圖3 碳分子篩變壓吸附分離空氣的原理圖

圖4為小型變壓吸附制氮模塊的冰箱控氧系統(tǒng)圖，該模塊主要由吸附塔、電磁閥、氣泵等組成。具體工作流程如下：冰箱外界的空氣通過氣泵加壓，經(jīng)過兩位三通電磁閥A；當(dāng)電磁閥A通電時，空氣流向吸附塔A，吸附塔A進(jìn)行吸附氧氣；氮?dú)庠谕ㄟ^吸附塔A的碳分子顆粒后，經(jīng)過單向閥A排向儲氮罐，最終排向果蔬盒；此時，兩位三通閥B斷電，吸附塔B的壓力降低，氧氣從碳分子篩中釋放出來，經(jīng)過兩位三通閥B排向大氣。當(dāng)電磁閥A斷電時，將空氣流向吸附塔B，吸附塔B進(jìn)行吸附氧氣，氮?dú)鈩t經(jīng)過吸附塔B的碳分子顆粒后，經(jīng)過單向閥A排向儲氮罐，最終排向果蔬盒；此時，兩位三通閥B通電，吸附塔A的壓力降低，氧氣從碳分子篩中釋放出來，經(jīng)過兩位三通閥B排向大氣。

圖4 小型變壓吸附氮?dú)馓畛浞ū淇匮跸到y(tǒng)

由于不斷向果蔬盒填充氮?dú)?，造成果蔬盒?nèi)部的氣壓變大，可通過單向閥C向果蔬盒中排走一定量的空氣，實(shí)現(xiàn)壓力平衡。果蔬盒中的氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)可以用以下公式表示：

式中，V0為冰箱果蔬盒的容積（L），設(shè)定為20 L；Cn為排氧n分鐘后，果蔬盒內(nèi)的氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)（%）；Cn-1為上一分鐘果蔬盒的氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)（%）；V為產(chǎn)氮的流量（L）；C為產(chǎn)氮的氣體積分?jǐn)?shù)（%）。

變壓吸附氮?dú)馓畛淇匮醴ň哂薪Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝相對復(fù)雜、所需氣壓大等特點(diǎn)，通常需要800 kPa的壓差，制備的氮?dú)鉂舛雀撸蓪?shí)現(xiàn)填充95%～99%含量的氮?dú)鈁6][7]。壓差減小到最低200 kPa時，也可以調(diào)節(jié)減小產(chǎn)出流量而獲得高濃度的氮?dú)狻Ｐ⌒偷淖儔何降獨(dú)馓畛浞ㄎ街芷陂L，通常為60～120 s左右。碳分子篩使用壽命長，通?？裳h(huán)使用20000 h。

2.3 變壓吸附排氧法

變壓吸附排氧法是將果蔬盒的氧氣通過變壓吸附的方法排走，從而實(shí)現(xiàn)保鮮。圖5是沸石分子篩變壓吸附分離空氣生產(chǎn)氧氣的原理圖。在壓差的作用下，空氣經(jīng)過沸石分子篩后，由于氮?dú)獾臉O性較大，沸石分子篩能夠選擇性吸附極性較大的氮?dú)?，而氧氣則經(jīng)過沸石分子篩顆粒后排出[8]。吸附了氮?dú)獾姆惺肿雍Y需要減壓解吸，使沸石分子篩再生；變壓吸附排氧就是利用兩個吸附塔，交替加壓吸附、減壓解吸，從而持續(xù)排走氧氣。該原理主要用于醫(yī)用制氧機(jī)，而冰箱果蔬盒的排氧則是對該技術(shù)的逆向應(yīng)用，是將解吸的氣體返回果蔬盒，從而減少解吸氣體中的氧氣體積分?jǐn)?shù)。

圖5 沸石分子篩變壓吸附分離空氣的原理圖

圖6為小型變壓吸附排氧模塊的冰箱控氧系統(tǒng)圖，該模塊主要由吸附塔、電磁閥、氣泵等組成。具體工作流程如下：冰箱果蔬盒的空氣通過氣泵加壓，經(jīng)過兩位三通電磁閥A，當(dāng)電磁閥A通電時，將空氣流向吸附塔A，吸附塔A進(jìn)行吸附氮?dú)?，氧氣則經(jīng)過吸附塔A的沸石分子顆粒后，經(jīng)過單向閥A排向儲氧罐，最終排向大氣；此時，兩位三通閥B斷電，吸附塔B的壓力降低，氮?dú)鈴闹泻Y釋放出來，經(jīng)過兩位三通閥B排向果蔬盒。當(dāng)電磁閥A斷電時，將空氣流向吸附塔B，吸附塔B進(jìn)行吸附氮?dú)?，氧氣則經(jīng)過吸附塔B的碳分子顆粒后，經(jīng)過單向閥A排向儲氧罐，最終排向大氣；此時，兩位三通閥B通電，吸附塔A的壓力降低，氮?dú)鈴闹泻Y釋放出來，經(jīng)過兩位三通閥B排向果蔬盒。值得注意的是，解吸的氣體氧氣濃度僅僅是部分下降，通過對果蔬盒氣體的反復(fù)循環(huán)排氧，則可實(shí)現(xiàn)低氧。

圖6 小型變壓吸附排氧法冰箱控氧系統(tǒng)

由于果蔬盒不斷排走氧氣，造成果蔬盒內(nèi)部的氣壓變小，可通過單向閥C將果蔬盒中補(bǔ)充一定量的空氣，實(shí)現(xiàn)壓力平衡。果蔬盒中的氧氣體積分?jǐn)?shù)可以用以下公式表示：

式中，V0為冰箱果蔬盒的容積（L），為固定設(shè)定值20 L；Cn為排氧n分鐘后，果蔬盒內(nèi)的氧氣體積分?jǐn)?shù)（%）；Cn-1為上一分鐘果蔬盒的氧氣體積分?jǐn)?shù)（%）；V為排氧的流量（L）；Cx為排氧氣體積分?jǐn)?shù)（%），它是會隨著果蔬盒中氧氣體積分?jǐn)?shù)的減小而不斷減??；20.9%表示補(bǔ)充的空氣的氧體積分?jǐn)?shù)。

變壓吸附排氧法，結(jié)構(gòu)與變壓吸附氮?dú)馓畛浞愃?，壓差通常需?50 kPa，最高可排出含氧量93%的氣體[9]，壓差減小到最低40 kPa，也可以調(diào)節(jié)減小排氧流量而排走高濃度的氧氣。由于氣壓相對變壓吸附氮?dú)馓畛浞ǖ?，噪聲也相?yīng)更小，吸附塔尺寸也會相應(yīng)小。

沸石分子篩使用壽命長，通常也可循環(huán)使用20000 h，變壓吸附排氧法同時具有安全性能好等特點(diǎn)。另外，小型的變壓吸附排氧法吸附周期較短，通常為3～10 s，容易疲勞損壞，現(xiàn)有技術(shù)電磁閥大多能實(shí)現(xiàn)2000萬次疲勞壽命，基本可滿足要求。

2.4 真空排氧法

真空排氧法是將果蔬盒的部分空氣排走，通過降低壓力以減少果蔬盒中氧氣的絕對含量，從而實(shí)現(xiàn)保鮮。

圖7為小型真空排氧模塊的冰箱控氧系統(tǒng)圖，該模塊主要由氣泵等組成，果蔬盒中的空氣通過氣泵直接抽到外部。值得注意的是，這種方法僅僅降低了氣體的總量，并不會改變氧氣所占體積分?jǐn)?shù)。

圖7 小型真空排氧法冰箱控氧系統(tǒng)

受到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及密封性的限制，果蔬盒難以創(chuàng)造較高的真空環(huán)境，通常采用真空排氧法僅能實(shí)現(xiàn)0.8個大氣壓（真空度20 kPa），對氧氣的減少幅度有限。真空排氧法的壽命取決于氣泵壽命，通常無刷直流電機(jī)的氣泵壽命較長，可滿足使用要求。

3 對比分析

普通富氧膜、變壓吸附制氮、變壓吸附制氧、真空技術(shù)已廣泛運(yùn)用于工業(yè)及其他領(lǐng)域，技術(shù)相對成熟，表1是幾種方法的原理對比表。

表1 排氧方法技術(shù)原理對比表

小型的冰箱控氧系統(tǒng)，富氧膜排氧法及真空排氧法結(jié)構(gòu)工藝較為簡單，分離選擇滲透性較差；而變壓吸附氮?dú)馓畛浞白儔何脚叛醴ńY(jié)構(gòu)工藝稍為復(fù)雜，排氧效率高，而且前者所需的工作壓力更高。表2是幾種排氧方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較。

表2 幾種排氧方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

4 結(jié)束語

本文所述四種冰箱控氧方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。目前，大多數(shù)富氧膜排氧效率不高，在冰箱的實(shí)際應(yīng)用中，為了避免產(chǎn)生過大噪聲，壓差會設(shè)計為更小值，導(dǎo)致果蔬盒中的氧氣濃度下降較為有限；變壓吸附氮?dú)馓畛浞m然排氧效率高，但工作壓力高，導(dǎo)致噪聲大、體積大等問題，需要研究人員通過其他手段來解決；真空排氧法對果蔬盒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及密封性要求比較高，通常真空度下降也極為有限；變壓吸附排氧法具有工作壓力小、體積小、排氧效率高等優(yōu)點(diǎn)。綜上，對于冰箱控氧效率要求較高的控氧系統(tǒng)，變壓吸附排氧法是較為合適的選擇。