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人参真空冷冻干燥工艺参数试验研究

郭树国  
【摘要】:真空冷冻干燥技术是集真空科学、低温工程、流体技术、控制工程、传热传质和动力工程于一体的综合技术工艺,在食品、药品、生物制品等领域得到了广泛应用。由于真空冷冻干燥过程是在低温和真空条件下进行的传热传质过程,因此干燥过程时间长,能耗大,干燥速率低,生产成本高。本论文在分析真空冷冻干燥机理的基础上,以人参为研究对象,探讨真空冷冻干燥过程中工艺参数对干燥特性的影响,为采用真空冷冻干燥技术对人参进行干燥加工提供指导。 在对已有研究成果进行总结和对真空冷冻干燥特点深入分析的基础上,建立了考虑因素较为全面的新二维真空冷冻干燥模型,使模型的理论计算更接近实际真空冷冻干燥过程,为真空冷冻干燥的机理分析和热控制提供了理论参考。 采用美国产Q200DSC差示扫描量热仪,在升温速率和降温速率为10℃/min的条件下测得常压状态下人参的共晶点温度和共熔点温度分别为-16℃和-0.05℃。利用电阻测定法测量了真空状态下人参共晶点温度为-15℃,与差示扫描量热法测得的共晶点温度吻合。测量结果为真空冷冻干燥过程工艺参数的选择提供了参考依据。 利用FLUENT软件模拟分析了干燥室加热板与物料上表面之间的空间温度场分布,物料离上加热板越近,获得的热能就越多,干燥所需的时间就越少。物料边缘的温度梯度较中心部位大,所以物料的边缘部分获得的能量相对于中心部分来说更多,因此更容易干燥。 利用ANSYS软件模拟分析了人参切片在预冻过程中温度的变化,结果表明温度场模拟数据与试验实测数据基本相符,为准确判断冻结结束时间提供了参考。 研究了平行平板间辐射传热的过程及状态,推导辐射传热过程中有效能和最大有效能热传输效率时的最佳接收温度的计算公式。结果表明在稳态传热时接收板温度最佳值与材料表面性质无关,两平行板间空间的温度场分布不均匀,接收板中心点的温度高于边缘处的温度,温度梯度随两平行板辐射距离的减小而增加。因此,为提高物料受热均匀性,应增加冻干物料与加热板间的距离。 应用ANSYS软件模拟分析了在分段函数加热曲线、抛物线型加热函数、指数型加热函数、有理函数加热曲线四种不同加热方式下人参切片内部各点温度随时间的变化规律,结果表明分段型加热函数使人参切片升温最快。分析结论为加速干燥速率以达到节能目的提供了依据。 应用二次回归通用旋转组合试验建立了人参切片厚度、加热温度和干燥室压强与干燥速率、生产率和面积收缩率之间关系的回归方程,利用非线性优化方法,对三个回归方程分别进行优化求解,得出优化工艺参数。 当人参切片厚度取值为4.8mm、加热板温度取值为50.4℃、干燥室压强取值为48.7Pa时,干燥速率具有最大值1.56h~(-1)。当人参切片厚度取值为3mm、加热板温度取值为60℃、干燥室压强取值为80Pa时,单位面积干燥生产率具有最大值111.7g/h·m~2。当人参切片厚度取值为12mm、加热板温度取值为40℃、干燥室压强取值为40Pa时,切片面积收缩率具有最小值9﹪。 利用BP神经网络理论对真空冷冻干燥过程进行了模拟研究,结果表明,BP神经网络能较精确的模拟真空冷冻干燥过程。采用人参切片干燥正交试验结果对BP神经网络进行训练后,对真空冷冻干燥工艺条件进行了预测和优化,预测值与试验实测值的相对误差较小,表明用BP神经网络理论模拟真空冷冻干燥过程具有较高的准确性。


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