几种生物材料冻干过程传热传质特性的研究

【摘要】： 生物材料微尺度超常传热传质特性的研究是当前工程热物理领域传热传质学科研究的前沿课题之一。真空冷冻干燥(简称冻干)过程是低温低压两个特殊物理条件下的热质耦合传递过程。控制好生物材料冻干过程中的热质传递,可以使其生命特征和营养成分保持不变。本文以实验为依据,选择有独特传热传质特性的冻干过程为研究环境,选用具有植物特性单列细胞组成的螺旋藻、具有动物特性且组织结构复杂的海参和具有生物活性的纳豆激酶三种有高级营养保健功能的生物材料为主要研究对象,在以往研究宏观工艺参数对冻干过程传热传质影响的基础上,从微尺度出发,研究生物材料冻干过程传热传质特性,不仅可以为研究生物细胞超常传热传质理论打下基础,而且可以为生命科学、航天、医学和医疗事业的发展提供一些理论依据。 生物材料的热物性参数是研究生物材料冻干过程热质传递本质规律和计算的重要数据。因此,本研究首先测量了三种物料的热物性参数,螺旋藻共晶点温度为-16℃,共熔点温度为-1.5℃,凝固潜热260J/g,熔化潜热-268J/g；纳豆激酶共晶点温度为-23℃,共熔点温度为-15℃,鲜海参肉共晶点温度为-35℃,海参打浆液共晶点温度为-25℃,海参浓缩液共晶点温度为-30℃。根据螺旋藻已干层的显微照片利用计算机图像处理软件得到了螺旋藻已干层分形多孔介质的分形维数和谱维数分别为1.722和1.384,从而建立起了联系生物材料冻干过程中其微观静态结构和动态传热传质特性的一个中间桥梁。 预冻是冻干的前提,由于抽真空自冻结可以节能,降低冻干成本,有利于保证产品的质量,因此,本文重点研究了抽真空自冻结,通过大量实验得出了不同物料抽真空自冻结的条件和抽真空自冻结过程中传热传质的特性。抽真空自冻结过程是传质引起传热的一种高效自冻结过程,不同于搁板和冰箱冻结,传质是原动力,影响冻结速率和冻结温度的因素主要是物料本身的性质、尺寸和真空室压力。抽真空自冻结的优点在于不需要冷源,冻结速率快,冻结后生物材料细胞的体积收缩小,冻结过程同时又是除去物料中一部分水的过程,有利于进一步干燥。 不同生物材料由于其显微组织结构不同,冻干过程的传热传质特性不同。纳豆激酶微观组织结构简单,没有完整的细胞结构,物料结构单一均匀,容易通过控制宏观参数控制冻干过程物料内部的热质传递,冻干后的活力为152.2U(10mg/ml)。 螺旋藻由不分支的单列细胞组成,由于细胞膜的存在,物料内部的热质传递比较复杂,无法通过宏观参数控制物料内部的热质传递,在冻干过程中要保证细胞结构完整性和活性需加保护剂,平衡冷冻和干燥过程细胞内外液之间的热质传递。当采用稀培养液或10%牛奶为保护剂时,冻干后螺旋藻细胞收缩小,完整性好,几乎与新鲜螺旋藻一样,有利于保存其细胞活性。 海参由于细胞组织结构复杂,在冻干过程中很难控制内部细胞间的热质传递,冻干后的收缩率一般都较大。整个海参的冻干当采用辐射加热时,可增加换热面积和水蒸气的逸出通道,有利于冻干过程热质传递,提高冻干效率。要保存海参细胞的活性,即使是加保护剂也很困难,因为海参不同部位的细胞所需的保护剂可能都不同,另外,考虑到其实际应用价值是其营养价值,因此,本文主要研究了冻干过程对海参营养成分的影响。冻干海参浓缩液可回收煮参过程流失的水溶性营养成分。将海参打浆后冻干,不仅完整的保留了海参的营养成分,且可做成粒径几微米到几百纳米的超细粉末,便于各种人群食用消化吸收,还可控制装料厚度,以便控制冻干过程的热质传递,提高冻干效率。 本文在考虑细胞和冰界面之间的耦合传热传质、膜的传输特性和凝固界面的移动过程的情况下,建立了螺旋藻细胞冷冻过程冰界面与细胞之间热质传递的微尺度模型,借助Matlab软件计算了螺旋藻细胞被冰界面包围过程中细胞内外的温度场和浓度场,研究了螺旋藻细胞被冰界面包围过程中细胞体积的收缩情况及影响因素。螺旋藻当以5℃/min冷却速率冷冻时,不在-25℃左右停留,以10℃/min冷却速率冷冻时,不在-45℃左右停留,细胞体积收缩率较小,对细胞结构造成的损伤较小,有利于保持螺旋藻细胞的活性。 不同生物材料的冻干过程,都包括低温低压下已干层多孔介质中的热质传递过程。实际的多孔介质一般具有分形的特点,因此可将分形理论应用到研究生物材料冻干过程传热传质特性的研究中来,用分形理论解释生物材料冻干过程热质传递的复杂性,在宏观参数相同的情况下,不同的生物材料,其微观组织结构一般都不一样,冻干时形成的已干层的空隙分形维数和谱维数就不同,从而扩散特性不同,热质传递特性不同。本文建立了生物材料冻干过程热质传递的分形模型,并以螺旋藻为例,模拟了螺旋藻的冻干过程,计算结果直观可靠,物理意义明确,且与实验结果相一致,证明了分形理论模型是合理的。