冰箱控氧保鮮的技術研究及對比分析

業明坤 陳龍 譚發剛 鄭防震

美的集團中央研究院 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系越來越緊密。為此，搭載各種新技術、新功能的冰箱產品層出不窮，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現的。然而，果蔬的保鮮效果與所處的氣體環境也息息相關，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現保鮮的有效方法[1]。本文重點分析了幾類主要的控氧保鮮技術，并對比了它們各自的優缺點。

2 冰箱控氧的方法

工業應用中有多種處理氧氣的方法，本文主要結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：當空氣通過富氧膜時，由于空氣中的氧氣和氮氣在富氧膜中具有不同的溶解度和擴散系數，導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氣則滯留在富氧膜的進氣側而被富集[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氣，實現果蔬的保鮮。在壓差作用下，果蔬盒中的空氣經過富氧膜，滲透速率較快的氧氣優先透過富氧膜，從而將氮氣富集到果蔬盒。

圖2是小型富氧膜排氧法的冰箱控氧系統圖。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，氣泵在氧氣排出側持續抽氣，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部的氣壓變小，可通過單向閥向果蔬盒中補充一定量的空氣，實現壓力平衡。

圖2 小型富氧膜排氧法的冰箱控氧系統

小型富氧膜排氧的冰箱控氧具有結構簡單的特點，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（×103cm3/cm2·s·kPa），由使用的膜材料、結構等所確定；A為膜的有效過濾面積（cm2）；t為過濾時間（s）；Δp為壓差（kPa）。

富氧膜一般使用復合硅橡膠制備而成，在200 kPa的壓差下，最高富氧體積分數僅為28.8%[3]，滲透選擇性差。雖然，高滲透性的富氧膜技術已取得一定突破，產生的氧氣體積分數可以達到40%～50%，但富氧膜的價格仍然較貴，還需進一步研究以降低成本才能得到廣泛的應用[4]。富氧膜裝置結構簡單，使用壽命長，運行元件及易損件少，運行較平穩。

2.2 變壓吸附氮氣填充法

變壓吸附氮氣填充法是將變壓吸附產生的氮氣填充到果蔬盒中，從而實現保鮮。

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，氧氣以較快速度擴散至碳分子篩的微孔內并優先被其吸附，而氮氣則經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，從而持續產生氮氣。

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，經過兩位三通電磁閥A；當電磁閥A通電時，空氣流向吸附塔A，吸附塔A進行吸附氧氣；氮氣在通過吸附塔A的碳分子顆粒后，經過單向閥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，經過兩位三通閥B排向大氣。當電磁閥A斷電時，將空氣流向吸附塔B，吸附塔B進行吸附氧氣，氮氣則經過吸附塔B的碳分子顆粒后，經過單向閥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，經過兩位三通閥B排向大氣。

圖4 小型變壓吸附氮氣填充法冰箱控氧系統

由于不斷向果蔬盒填充氮氣，造成果蔬盒內部的氣壓變大，可通過單向閥C向果蔬盒中排走一定量的空氣，實現壓力平衡。果蔬盒中的氮氣體積分數可以用以下公式表示：

式中，V0為冰箱果蔬盒的容積（L），設定為20 L；Cn為排氧n分鐘后，果蔬盒內的氮氣體積分數（%）；Cn-1為上一分鐘果蔬盒的氮氣體積分數（%）；V為產氮的流量（L）；C為產氮的氣體積分數（%）。

變壓吸附氮氣填充控氧法具有結構復雜、工藝相對復雜、所需氣壓大等特點，通常需要800 kPa的壓差，制備的氮氣濃度高，可實現填充95%～99%含量的氮氣[6][7]。壓差減小到最低200 kPa時，也可以調節減小產出流量而獲得高濃度的氮氣。小型的變壓吸附氮氣填充法吸附周期長，通常為60～120 s左右。碳分子篩使用壽命長，通常可循環使用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，從而實現保鮮。圖5是沸石分子篩變壓吸附分離空氣生產氧氣的原理圖。在壓差的作用下，空氣經過沸石分子篩后，由于氮氣的極性較大，沸石分子篩能夠選擇性吸附極性較大的氮氣，而氧氣則經過沸石分子篩顆粒后排出[8]。吸附了氮氣的沸石分子篩需要減壓解吸，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，從而持續排走氧氣。該原理主要用于醫用制氧機，而冰箱果蔬盒的排氧則是對該技術的逆向應用，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數。

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，經過兩位三通電磁閥A，當電磁閥A通電時，將空氣流向吸附塔A，吸附塔A進行吸附氮氣，氧氣則經過吸附塔A的沸石分子顆粒后，經過單向閥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，氮氣從中篩釋放出來，經過兩位三通閥B排向果蔬盒。當電磁閥A斷電時，將空氣流向吸附塔B，吸附塔B進行吸附氮氣，氧氣則經過吸附塔B的碳分子顆粒后，經過單向閥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，氮氣從中篩釋放出來，經過兩位三通閥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循環排氧，則可實現低氧。

圖6 小型變壓吸附排氧法冰箱控氧系統

由于果蔬盒不斷排走氧氣，造成果蔬盒內部的氣壓變小，可通過單向閥C將果蔬盒中補充一定量的空氣，實現壓力平衡。果蔬盒中的氧氣體積分數可以用以下公式表示：

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

變壓吸附排氧法，結構與變壓吸附氮氣填充法類似，壓差通常需要150 kPa，最高可排出含氧量93%的氣體[9]，壓差減小到最低40 kPa，也可以調節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氣填充法低，噪聲也相應更小，吸附塔尺寸也會相應小。

沸石分子篩使用壽命長，通常也可循環使用20000 h，變壓吸附排氧法同時具有安全性能好等特點。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，現有技術電磁閥大多能實現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，從而實現保鮮。

圖7為小型真空排氧模塊的冰箱控氧系統圖，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數。

圖7 小型真空排氧法冰箱控氧系統

受到結構強度及密封性的限制，果蔬盒難以創造較高的真空環境，通常采用真空排氧法僅能實現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、真空技術已廣泛運用于工業及其他領域，技術相對成熟，表1是幾種方法的原理對比表。

表1 排氧方法技術原理對比表

小型的冰箱控氧系統，富氧膜排氧法及真空排氧法結構工藝較為簡單，分離選擇滲透性較差；而變壓吸附氮氣填充法及變壓吸附排氧法結構工藝稍為復雜，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缺點比較。

表2 幾種排氧方法的優缺點比較

4 結束語

本文所述四種冰箱控氧方法各有優缺點。目前，大多數富氧膜排氧效率不高，在冰箱的實際應用中，為了避免產生過大噪聲，壓差會設計為更小值，導致果蔬盒中的氧氣濃度下降較為有限；變壓吸附氮氣填充法雖然排氧效率高，但工作壓力高，導致噪聲大、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構強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、排氧效率高等優點。綜上，對于冰箱控氧效率要求較高的控氧系統，變壓吸附排氧法是較為合適的選擇。