学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

微波冷冻干燥中试设备及关键技术研究

作　者: 王海鸥
导　师: 屠康; 胡志超
学　校: 南京农业大学
专　业: 食品科学
关键词: 微波冷冻干燥中试设备低压放电干燥均匀性真空冷却
分类号: TS205.7
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
下　载: 48次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

微波冷冻干燥是以微波替代传统加热隔板作为热源的新型冻干技术,与常规冻干技术相比,在提高干燥速率、缩短干燥时间、降低能耗等方面具有较大优势,但由于过程中低压放电、干燥不均匀、工艺优化与过程控制难等技术难题的存在,该技术在大规模工业化应用方面仍面临诸多困难。本论文研制出微波冷冻干燥中试设备,针对微波冻干现有技术难题,选用当前面广量大、具有典型代表性的干燥蔬菜品种胡萝卜、作为试验原料,采用理论分析与试验研究相结合的研究方法,重点开展中试生产规模下的低压放电防控、干燥均匀性调控、真空冷却预处理技术等关键技术研究,综合多项条件和指标,对胡萝卜微波冷冻干燥工艺过程进行系统优化研究,以期为推动微波冷冻干燥技术工业化应用进程提供技术积累。主要研究结果分述如下：1、研制的微波冷冻干燥中试设备干燥仓与捕水仓为筒形仓呈上下连体配置,中间通过屏蔽过流板相隔,可以允许水蒸气自由透过,同时也能防止微波进入捕水仓；微波系统采用小功率多口馈入方式,微波馈入口沿干燥仓周向交错排列,单只磁控管可独立启闭、功率连续可调,微波系统可实现精细化调节；设备测控系统具备光纤实时测温、实时称重、视频监视,能耗跟踪等功能,便于微波冻干干燥特性、干燥工艺优化等研究。2、对研制设备的低压放电特性进行了试验研究和分析,并针对性提出低压放电防控措施。设备最易产生放电的干燥仓压强区域在150Pa附近,物料冻结温度越低、装载量越大,则低压放电临界功率密度越小；研究低压放电特性时,建议明确物料装载量,以微波放电功率为考量指标。微波放电特性随着冻干进程而不断变化,微波放电功率与升华干燥速率几乎同步变化；在冷冻干燥初期和后期,微波放电功率和安全加载功率较小,微波功率加载易受低压放电限制；而在干燥中期,微波放电功率和安全加载功率均明显高于干燥初期和后期,且呈先增后降趋势。在干燥初始和干燥末期测试表明,微波整体开启法、左右开启法对微波放电功率的影响差异不大。基于低压放电特性研究分析结果,提出干燥压强、物料冻结温度、预抽时间控制等工艺条件确定原则,提出冻干过程中“干燥前期小功率、中期高功率、后期小功率”的三段微波功率控制方案。3、对研制设备的干燥均匀性进行了测试和分析,并据此确定了适宜的微波开启方式和干燥均匀性调控方案。在微波整体开启、交替开启两种方式下,不同料层间、同一料盘不同铺料区域均表现出相类似的干燥速度差异：20盘物料呈现中间层干燥速度慢、外层干燥速度快的趋势,同一料盘呈现周边物料干燥速度快、中心部位干燥速度慢的趋势；与整体连续开启方式相比,微波交替间歇开启方式虽能较好地改善料盘之间物料和同一料盘内物料的干燥均匀性,但总体来看,20盘物料存留的干燥速度差异仍影响物料整体的干燥效率和干燥品质,干燥均匀性与干燥成品要求还有一定差距。在微波交替开启控制方案的基础上,通过采用料盘中心部位空缺铺料法、冻干期间料盘2次出仓换位堆垛法,可以较好地改善不同层料盘间、同一料盘内物料因干燥速度差异而引起的干燥不均匀问题,料盘内物料含水率均匀度约为90%,料盘间物料平均含水率均匀度达94.5%,基本满足冻干制品的实际生产要求。4、基于研制的微波冻干设备,提出采用真空冷却预处理的微波冻干加工工艺方法,可以一次完成冻干加工中的冷却、沥水、预干燥、冻结、冻干等5个工序,简化工艺过程,降低设备设施投入成本及生产成本,并开展试验研究。对40kg胡萝卜片物料进行60min真空冷却处理,物料温度呈现4个阶段变化：闪发前降压段、闪发冷却至冰点温度段、冰晶生成段、深层冻结段；处理结束后,胡萝卜片芯部温度接近-30℃,表层温度为-40℃以下,可以满足冷冻干燥对物料冻结温度的要求；真空冷却预处理可脱除物料中29%的初始水分,脱水速率在闪发现象出现后突然增加,达到高峰并维持一段时间后,随后快速下降,并在后期达到平衡,维持极低的脱水速率。过程中可能有冷量损耗和无效失水等现象的存在,导致真空冷却过程中理论脱水量与实测值存在一定的差异。5、真空冷却后无冷库冻结(A组)、真空冷却后再冷库冻结(B组)、无真空冷却处理(C组)三组冻干工艺试验表明：经过真空冷却处理的A、B两组在0～1h干燥区间的微波加载功率可明显高于C组,可明显改善冻干初期的低压放电问题；按照设定的微波功率加载方案,A、B、C三组所用的干燥时间分别为8h、8.5h、10h,由于真空冷却处理的预先脱水和冻干初期低压放电问题改善效果等原因,A、B组比C组分别减少冻干时间2、1.5h；在干燥终点,三组工艺处理的整批物料平均含水率分别约为：A组14%、B组16%、C组22%,A、B、C三组物料含水率实际上均未达到干燥要求,各层料盘整体干燥进度不一致,其中C组整体干燥进度最慢；整个工艺过程中,三组处理的单位脱水量耗电大小依次为A<B<C,即采用A组工艺处理方法的能量利用效率最高,C组最低。A、B、C三组的最顶层料盘冻干物料品质在复水比、颜色等指标上均无显著差异,A、B、C三组物料的维生素C损失率分别为17.6%、19.0%、31.6%,采用真空冷却预处理可以明显减少冻干工艺过程中维生素C的损失。试验证明,采用真空冷却预处理可以完成物料冷却、沥水、预干燥、冻结工序,改善冻干初期的低压放电问题,有效减少冷冻干燥时间,降低过程能耗,并提高维生素C保存率,而其他冻干品质不受显著影响。6、针对胡萝卜片微波冷冻干燥主要工艺环节与技术特点,从胡萝卜切片厚度、批次装料量、过程微波调控工艺、开仓换盘堆垛方案等方面对胡萝卜微波冷冻干燥工艺过程控制进行系统优化研究。综合考虑批次物料干燥程度、冻干生产率、单位能耗以及制品品质等指标,冻干工艺中胡萝卜切片厚度应控制在5mm左右,批次装料量为40kg,即每料盘铺料2kg。以冻干耗时、平均含水率、品质评分作为响应指标,对微波调控工艺进行响应面优化试验研究,微波调控工艺参数组合优化确定为：交替开启时间t1为10min,冷冻干燥中期微波功率Pm为6.5kw,干燥中一后期转化点含水率Rk为40%,产品干燥终点温度Te为60℃。通过在线称重系统测定冻干过程中的整批物料平均含水率Pt,并以此为开仓换盘堆垛操作的判定依据；冻干期间开仓换盘堆垛操作2次,按照制定的换盘堆垛方法,以干燥后物料含水率、含水率均匀度、品质评分作为响应指标,对冻干期间出仓换盘堆垛的物料含水率控制点Pt进行响应面优化试验研究,第一次出仓含水率控制点Pt1、第二次出仓含水率控制点Pt2优化确定为：Pt1(58.9%)、Pt2(30.1%)。

全文目录

目录  4-8
表格索引  8-10
图形索引  10-15
摘要  15-18
ABSTRACT  18-23
第一章文献综述  23-37
  1.1 真空冷冻干燥技术概况  23-29
    1.1.1 冷冻干燥基本原理与工作过程  23-24
    1.1.2 冷冻干燥技术特点  24
    1.1.3 冷冻干燥技术在食品加工领域的应用与研究  24-26
    1.1.4 冷冻干燥设备的系统构成  26-27
    1.1.5 冷冻干燥的能耗构成  27
    1.1.6 冷冻干燥的传热传质过程  27-29
  1.2 微波冷冻干燥技术研究进展  29-33
    1.2.1 微波冷冻干燥产生的技术背景  29-30
    1.2.2 实验研究  30-31
    1.2.3 理论研究  31-32
    1.2.4 存在的技术问题  32-33
    1.2.5 设备研发与应用  33
  1.3 我国果蔬制品脱水加工的现状  33-34
  1.4 立项背景及意义  34-36
  1.5 本论文的主要研究内容  36-37
第二章微波冷冻干燥中试设备的研制  37-49
  2.1 微波冻干中试设备系统组成  37-40
    2.1.1 试验设备设计要求  37-38
    2.1.2 设备系统构成  38-39
    2.1.3 各系统功率配置分析研究  39-40
  2.2 设备主机的总体结构设计  40-41
  2.3 关键部件  41-47
    2.3.1 微波系统及分布  41-42
    2.3.2 物料承载装置  42-43
    2.3.3 在线称重装置  43-44
    2.3.4 在线测温系统  44-46
    2.3.5 各个系统的能耗记录及视频监测  46-47
  2.4 本章小结  47-49
第三章微波冷冻干燥低压放电特性研究  49-63
  3.1 微波冻干低压放电危害及影响因素分析  49-51
    3.1.1 微波真空状态下的气体放电  49-50
    3.1.2 微波冻干低压放电的危害  50
    3.1.3 微波冻干低压放电的影响因素  50-51
  3.2 试验方法  51-53
    3.2.1 微波冻干前物料处理  51
    3.2.2 不同物料温度和压强下微波放电功率密度的测定  51-52
    3.2.3 不同物料装载量下微波放电功率密度的测定  52
    3.2.4 冷冻干燥进程中低压放电工况的测定  52
    3.2.5 微波施加方式对低压放电的影响  52-53
  3.3 试验结果与分析  53-60
    3.3.1 物料温度和干燥仓压强对微波放电功率密度的影响  53-54
    3.3.2 物料装载量对微波放电功率密度的影响  54-55
    3.3.3 微波放电功率在冷冻干燥进程中的变化  55-58
    3.3.4 不同微波施加方式下的微波放电功率  58-60
  3.4 冷冻干燥过程中低压放电的防控  60
  3.5 本章小结  60-63
第四章微波冷冻干燥均匀性试验研究  63-75
  4.1 微波冷冻干燥不均匀性原因分析  63-64
  4.2 两种微波开启方式下的微波冷冻干燥均匀性试验  64-72
    4.2.1 试验方法  64-65
    4.2.2 不同料盘间干燥均匀性测定  65
    4.2.3 同一料盘干燥均匀性测定  65-66
    4.2.4 物料温度测定  66
    4.2.5 试验结果与分析  66-72
  4.3 选择性铺料与料盘换位对干燥均匀性的改善试验  72-74
  4.4 本章小结  74-75
第五章真空冷却预处理技术在微波冻干中的应用研究  75-95
  5.1 真空冷却预处理微波冻干加工工艺方法提出  75-76
    5.1.1 微波冻干加工工艺有待简化  75
    5.1.2 真空冷却技术的原理及特点  75-76
    5.1.3 基于微波冻干设备的真空冷却预处理技术  76
  5.2 真空冷却预处理工艺试验  76-83
    5.2.1 试验方法  76-78
    5.2.2 试验结果与分析  78-83
  5.3 不同预处理工艺对微波冻干过程的影响试验  83-92
    5.3.1 试验方法  83-85
    5.3.2 试验结果与分析  85-92
  5.4 本章小结  92-95
第六章胡萝卜片微波冷冻干燥工艺过程优化研究  95-117
  6.1 胡萝卜片微波冷冻干燥工艺环节与技术要点  95-96
  6.2 胡萝卜切片厚度与装料量的确定  96-100
  6.3 升华干燥和解吸干燥过程的工艺优化  100-115
    6.3.1 冷冻干燥全过程中低压放电工况测定  100-101
    6.3.2 冻干过程中微波系统的调控因素  101-102
    6.3.3 冻干过程微波调控工艺的响应曲面优化研究  102-110
    6.3.4 开仓换盘堆垛方案优化  110-115
  6.4 优化工艺参数组合的试验验证  115-116
  6.5 本章小结  116-117
参考文献  117-125
全文结论  125-127
创新说明  127-128
后续研究工作展望  128-129
致谢  129-130
攻读博士学位期间发表的论文  130-131
附图  131

微波冷冻干燥中试设备及关键技术研究

内容摘要

全文目录

相似论文