冷冻干燥因其能够最大限度的保留食品的食用品质,而受到消费者的欢迎,但高能耗使许多食品厂商望而却步,只能用于高附加值的产品。国内外对冷冻干燥过程的质能关系、物性变化关系和试验参数的研究,仅是对冷冻干燥过程的解读无法对其过程进行优化控制；近年来研究较多的统计优化模型只适用于相同机型同种物料,适用范围较窄。本课题拟以干切牛肉为原料,将冷冻干燥整个过程以共晶点和熔点为分界点分为三个阶段,研究不同阶段干燥室压强和物料厚度对干燥速率和冻干能耗的影响,并进行优化分析,探索保证干燥速率的同时降低冻干能耗的途径；通过研究试验参数对冷阱、真空泵和加热板功率的影响,建立冻干能耗预测模型,为冷冻干燥的研究工作节约能源和时间；研究升华干燥系数、解析干燥系数和汽化潜热占总供热比例系数同试验参数的关系,建立系数数据库以拓展已建立的高速率动态预测模型的适用性,并进行了验证；能耗和高速率预测模型结合,可实现对冷冻干燥过程中物料温度、含水率和能耗的动态变化情况的预测,为冷冻干燥过程优化控制和节能操作提供理论指导。试验结果如下：(1)冷冻干燥过程中传热传质需求的不同,干燥室压强对物料干燥速率的影响不同。研究表明,干切牛肉在阶段Ⅰ主要是传质控制过程,阶段Ⅲ是传热控制过程,阶段ⅡⅡ是传热传质共同作用过程,但传质作用略大于传热作用,因此在阶段Ⅰ应采用低干燥室压强,阶段Ⅲ采用较高干燥室压强,阶段Ⅱ采用适中干燥室压强可提高干燥速率。(2)通过综合加权评分法优化得出了低能耗高速率的优化操作条件,优化结果同最大干燥速率优化结果相比,在干燥速率仅下降了4.6%的情况下,可节约21%的单位水分能耗,对生产厂家来说,更益于实现利润最大化。(3)对试验参数同冷冻干燥机真空系统和加热系统功率关系的研究表明,冷阱功率受干燥室压强的影响,加热功率受加热温度和干燥室压强的共同作用。据此,建立的冷冻干燥过程能耗预测模型,对冻干所耗能量进行预测,为冷冻干燥的研究工作节约大量能源和时间。(4)升华干燥系数受预冻方式、预冻终温、加热温度、干燥室压强和物料厚度的影响；解析干燥系数和汽化潜热占总供热比例系数受干燥室压强的影响较小可忽略,主要受物料厚度的影响；并建立了加热温度为80℃时,升华干燥系数数据库和解析干燥相关系数数据库,为冷冻干燥过程高速率动态预测模型的应用提供参数源。(5)对原有高速率模型进行了修正,并利用建立的系数数据库查得系数,预测数据开展验证试验,试验结果表明,修正后的模型对不同厚度和压强条件下的物料,干燥过程中料温动态的预测值和实测值误差绝对值小于5℃,对物料含水率的预测值和实测值相对误差较小(<10%),模型拓展后可以用于预测物料厚度6-30mm,干燥室压强10-120Pa的干切牛肉的物料表面温度,冻结层温度和含水率的变化。