冰箱控氧保鲜的技术研究及对比分析

业明坤 陈龙 谭发刚 郑防震

美的集团中央研究院 广东佛山 528311

1 引言

近年来，随着生活水平的提高，消费者不再满足于冰箱的基本功能需求。冰箱作为果蔬贮存的主要场所，与食品安全和健康问题的联系越来越紧密。为此，搭载各种新技术、新功能的冰箱产品层出不穷，但其核心的保鲜功能主要还是通过对温度和湿度的精确控制来实现的。然而，果蔬的保鲜效果与所处的气体环境也息息相关，其中，氧气含量的影响较为显著。因此，通过减少果蔬盒中氧气的含量是实现保鲜的有效方法[1]。本文重点分析了几类主要的控氧保鲜技术，并对比了它们各自的优缺点。

2 冰箱控氧的方法

工业应用中有多种处理氧气的方法，本文主要结合冰箱的特定使用场景，针对性地分析研究了几种主要方法。

2.1 富氧膜排氧法

富氧膜排氧的原理是：当空气通过富氧膜时，由于空气中的氧气和氮气在富氧膜中具有不同的溶解度和扩散系数，导致二者的渗透速率不同；在压差作用下，渗透速率较快的氧气透过富氧膜，而渗透速率较慢的氮气则滞留在富氧膜的进气侧而被富集[2]。图1为富氧膜分离空气的原理图。

图1 富氧膜分离空气原理图

富氧膜排氧法的冰箱控氧即是通过此方法来对冰箱的保鲜盒富集氮气，实现果蔬的保鲜。在压差作用下，果蔬盒中的空气经过富氧膜，渗透速率较快的氧气优先透过富氧膜，从而将氮气富集到果蔬盒。

图2是小型富氧膜排氧法的冰箱控氧系统图。富氧膜排氧法的冰箱控氧主要由富氧膜、气泵等组成。工作过程中，气泵在氧气排出侧持续抽气，将渗透速率较快的氧气排走，降低果蔬盒中的氧气浓度；氧气不断被排走会造成果蔬盒内部的气压变小，可通过单向阀向果蔬盒中补充一定量的空气，实现压力平衡。

图2 小型富氧膜排氧法的冰箱控氧系统

小型富氧膜排氧的冰箱控氧具有结构简单的特点，通常需要提供较大表面积。富氧透气量可用以下公式表示：

式中：q表示富氧透气量（L）；P为气体渗透系数（×103cm3/cm2·s·kPa），由使用的膜材料、结构等所确定；A为膜的有效过滤面积（cm2）；t为过滤时间（s）；Δp为压差（kPa）。

富氧膜一般使用复合硅橡胶制备而成，在200 kPa的压差下，最高富氧体积分数仅为28.8%[3]，渗透选择性差。虽然，高渗透性的富氧膜技术已取得一定突破，产生的氧气体积分数可以达到40%～50%，但富氧膜的价格仍然较贵，还需进一步研究以降低成本才能得到广泛的应用[4]。富氧膜装置结构简单，使用寿命长，运行元件及易损件少，运行较平稳。

2.2 变压吸附氮气填充法

变压吸附氮气填充法是将变压吸附产生的氮气填充到果蔬盒中，从而实现保鲜。

图3是碳分子筛变压吸附分离空气制氮的原理图。在压差的作用下，空气经过碳分子筛后，由于氧气的分子直径比氮稍小，氧气以较快速度扩散至碳分子筛的微孔内并优先被其吸附，而氮气则经过碳分子筛颗粒后排出[5]。吸附了氧气的碳分子筛需要减压解吸，使碳分子筛再生；变压吸附制氮就是利用两个吸附塔，交替加压吸附、减压解吸，从而持续产生氮气。

图3 碳分子筛变压吸附分离空气的原理图

图4为小型变压吸附制氮模块的冰箱控氧系统图，该模块主要由吸附塔、电磁阀、气泵等组成。具体工作流程如下：冰箱外界的空气通过气泵加压，经过两位三通电磁阀A；当电磁阀A通电时，空气流向吸附塔A，吸附塔A进行吸附氧气；氮气在通过吸附塔A的碳分子颗粒后，经过单向阀A排向储氮罐，最终排向果蔬盒；此时，两位三通阀B断电，吸附塔B的压力降低，氧气从碳分子筛中释放出来，经过两位三通阀B排向大气。当电磁阀A断电时，将空气流向吸附塔B，吸附塔B进行吸附氧气，氮气则经过吸附塔B的碳分子颗粒后，经过单向阀A排向储氮罐，最终排向果蔬盒；此时，两位三通阀B通电，吸附塔A的压力降低，氧气从碳分子筛中释放出来，经过两位三通阀B排向大气。

图4 小型变压吸附氮气填充法冰箱控氧系统

由于不断向果蔬盒填充氮气，造成果蔬盒内部的气压变大，可通过单向阀C向果蔬盒中排走一定量的空气，实现压力平衡。果蔬盒中的氮气体积分数可以用以下公式表示：

式中，V0为冰箱果蔬盒的容积（L），设定为20 L；Cn为排氧n分钟后，果蔬盒内的氮气体积分数（%）；Cn-1为上一分钟果蔬盒的氮气体积分数（%）；V为产氮的流量（L）；C为产氮的气体积分数（%）。

变压吸附氮气填充控氧法具有结构复杂、工艺相对复杂、所需气压大等特点，通常需要800 kPa的压差，制备的氮气浓度高，可实现填充95%～99%含量的氮气[6][7]。压差减小到最低200 kPa时，也可以调节减小产出流量而获得高浓度的氮气。小型的变压吸附氮气填充法吸附周期长，通常为60～120 s左右。碳分子筛使用寿命长，通常可循环使用20000 h。

2.3 变压吸附排氧法

变压吸附排氧法是将果蔬盒的氧气通过变压吸附的方法排走，从而实现保鲜。图5是沸石分子筛变压吸附分离空气生产氧气的原理图。在压差的作用下，空气经过沸石分子筛后，由于氮气的极性较大，沸石分子筛能够选择性吸附极性较大的氮气，而氧气则经过沸石分子筛颗粒后排出[8]。吸附了氮气的沸石分子筛需要减压解吸，使沸石分子筛再生；变压吸附排氧就是利用两个吸附塔，交替加压吸附、减压解吸，从而持续排走氧气。该原理主要用于医用制氧机，而冰箱果蔬盒的排氧则是对该技术的逆向应用，是将解吸的气体返回果蔬盒，从而减少解吸气体中的氧气体积分数。

图5 沸石分子筛变压吸附分离空气的原理图

图6为小型变压吸附排氧模块的冰箱控氧系统图，该模块主要由吸附塔、电磁阀、气泵等组成。具体工作流程如下：冰箱果蔬盒的空气通过气泵加压，经过两位三通电磁阀A，当电磁阀A通电时，将空气流向吸附塔A，吸附塔A进行吸附氮气，氧气则经过吸附塔A的沸石分子颗粒后，经过单向阀A排向储氧罐，最终排向大气；此时，两位三通阀B断电，吸附塔B的压力降低，氮气从中筛释放出来，经过两位三通阀B排向果蔬盒。当电磁阀A断电时，将空气流向吸附塔B，吸附塔B进行吸附氮气，氧气则经过吸附塔B的碳分子颗粒后，经过单向阀A排向储氧罐，最终排向大气；此时，两位三通阀B通电，吸附塔A的压力降低，氮气从中筛释放出来，经过两位三通阀B排向果蔬盒。值得注意的是，解吸的气体氧气浓度仅仅是部分下降，通过对果蔬盒气体的反复循环排氧，则可实现低氧。

图6 小型变压吸附排氧法冰箱控氧系统

由于果蔬盒不断排走氧气，造成果蔬盒内部的气压变小，可通过单向阀C将果蔬盒中补充一定量的空气，实现压力平衡。果蔬盒中的氧气体积分数可以用以下公式表示：

式中，V0为冰箱果蔬盒的容积（L），为固定设定值20 L；Cn为排氧n分钟后，果蔬盒内的氧气体积分数（%）；Cn-1为上一分钟果蔬盒的氧气体积分数（%）；V为排氧的流量（L）；Cx为排氧气体积分数（%），它是会随着果蔬盒中氧气体积分数的减小而不断减小；20.9%表示补充的空气的氧体积分数。

变压吸附排氧法，结构与变压吸附氮气填充法类似，压差通常需要150 kPa，最高可排出含氧量93%的气体[9]，压差减小到最低40 kPa，也可以调节减小排氧流量而排走高浓度的氧气。由于气压相对变压吸附氮气填充法低，噪声也相应更小，吸附塔尺寸也会相应小。

沸石分子筛使用寿命长，通常也可循环使用20000 h，变压吸附排氧法同时具有安全性能好等特点。另外，小型的变压吸附排氧法吸附周期较短，通常为3～10 s，容易疲劳损坏，现有技术电磁阀大多能实现2000万次疲劳寿命，基本可满足要求。

2.4 真空排氧法

真空排氧法是将果蔬盒的部分空气排走，通过降低压力以减少果蔬盒中氧气的绝对含量，从而实现保鲜。

图7为小型真空排氧模块的冰箱控氧系统图，该模块主要由气泵等组成，果蔬盒中的空气通过气泵直接抽到外部。值得注意的是，这种方法仅仅降低了气体的总量，并不会改变氧气所占体积分数。

图7 小型真空排氧法冰箱控氧系统

受到结构强度及密封性的限制，果蔬盒难以创造较高的真空环境，通常采用真空排氧法仅能实现0.8个大气压（真空度20 kPa），对氧气的减少幅度有限。真空排氧法的寿命取决于气泵寿命，通常无刷直流电机的气泵寿命较长，可满足使用要求。

3 对比分析

普通富氧膜、变压吸附制氮、变压吸附制氧、真空技术已广泛运用于工业及其他领域，技术相对成熟，表1是几种方法的原理对比表。

表1 排氧方法技术原理对比表

小型的冰箱控氧系统，富氧膜排氧法及真空排氧法结构工艺较为简单，分离选择渗透性较差；而变压吸附氮气填充法及变压吸附排氧法结构工艺稍为复杂，排氧效率高，而且前者所需的工作压力更高。表2是几种排氧方法的优缺点比较。

表2 几种排氧方法的优缺点比较

4 结束语

本文所述四种冰箱控氧方法各有优缺点。目前，大多数富氧膜排氧效率不高，在冰箱的实际应用中，为了避免产生过大噪声，压差会设计为更小值，导致果蔬盒中的氧气浓度下降较为有限；变压吸附氮气填充法虽然排氧效率高，但工作压力高，导致噪声大、体积大等问题，需要研究人员通过其他手段来解决；真空排氧法对果蔬盒的结构强度及密封性要求比较高，通常真空度下降也极为有限；变压吸附排氧法具有工作压力小、体积小、排氧效率高等优点。综上，对于冰箱控氧效率要求较高的控氧系统，变压吸附排氧法是较为合适的选择。