微波冷凍干燥中試設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、微波冷凍干燥是以微波替代傳統(tǒng)加熱隔板作為熱源的新型凍干技術(shù)，與常規(guī)凍干技術(shù)相比，在提高干燥速率、縮短干燥時(shí)間、降低能耗等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，但由于過(guò)程中低壓放電、干燥不均勻、工藝優(yōu)化與過(guò)程控制難等技術(shù)難題的存在，該技術(shù)在大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用方面仍面臨諸多困難。本論文研制出微波冷凍干燥中試設(shè)備，針對(duì)微波凍干現(xiàn)有技術(shù)難題，選用當(dāng)前面廣量大、具有典型代表性的干燥蔬菜品種胡蘿卜作為試驗(yàn)原料，采用理論分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合的研究方法，重點(diǎn)開(kāi)展中試生產(chǎn)規(guī)模

2、下的低壓放電防控、干燥均勻性調(diào)控、真空冷卻預(yù)處理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究，綜合多項(xiàng)條件和指標(biāo)，對(duì)胡蘿卜微波冷凍干燥工藝過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化研究，以期為推動(dòng)微波冷凍干燥技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程提供技術(shù)積累。主要研究結(jié)果分述如下:
　　 1、研制的微波冷凍干燥中試設(shè)備干燥倉(cāng)與捕水倉(cāng)為筒形倉(cāng)呈上下連體配置，中間通過(guò)屏蔽過(guò)流板相隔，可以允許水蒸氣自由透過(guò)，同時(shí)也能防止微波進(jìn)入捕水倉(cāng);微波系統(tǒng)采用小功率多口饋入方式，微波饋入口沿干燥倉(cāng)周向交錯(cuò)排列，單只磁

3、控管可獨(dú)立啟閉、功率連續(xù)可調(diào)，微波系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精細(xì)化調(diào)節(jié);設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)具備光纖實(shí)時(shí)測(cè)溫、實(shí)時(shí)稱重、視頻監(jiān)視，能耗跟蹤等功能，便于微波凍干干燥特性、干燥工藝優(yōu)化等研究。
　　 2、對(duì)研制設(shè)備的低壓放電特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究和分析，并針對(duì)性提出低壓放電防控措施。設(shè)備最易產(chǎn)生放電的干燥倉(cāng)壓強(qiáng)區(qū)域在150Pa附近，物料凍結(jié)溫度越低、裝載量越大，則低壓放電臨界功率密度越小;研究低壓放電特性時(shí)，建議明確物料裝載量，以微波放電功率為考量指標(biāo)。微波放

4、電特性隨著凍干進(jìn)程而不斷變化，微波放電功率與升華干燥速率幾乎同步變化;在冷凍干燥初期和后期，微波放電功率和安全加載功率較小，微波功率加載易受低壓放電限制;而在干燥中期，微波放電功率和安全加載功率均明顯高于干燥初期和后期，且呈先增后降趨勢(shì)。在干燥初始和干燥末期測(cè)試表明，微波整體開(kāi)啟法、左右開(kāi)啟法對(duì)微波放電功率的影響差異不大?；诘蛪悍烹娞匦匝芯糠治鼋Y(jié)果，提出干燥壓強(qiáng)、物料凍結(jié)溫度、預(yù)抽時(shí)間控制等工藝條件確定原則，提出凍干過(guò)程中“干燥前期小

5、功率、中期高功率、后期小功率”的三段微波功率控制方案。
　　 3、對(duì)研制設(shè)備的干燥均勻性進(jìn)行了測(cè)試和分析，并據(jù)此確定了適宜的微波開(kāi)啟方式和干燥均勻性調(diào)控方案。在微波整體開(kāi)啟、交替開(kāi)啟兩種方式下，不同料層間、同一料盤不同鋪料區(qū)域均表現(xiàn)出相類似的干燥速度差異:20盤物料呈現(xiàn)中間層干燥速度慢、外層干燥速度快的趨勢(shì)，同一料盤呈現(xiàn)周邊物料干燥速度快、中心部位干燥速度慢的趨勢(shì);與整體連續(xù)開(kāi)啟方式相比，微波交替間歇開(kāi)啟方式雖能較好地改善料盤之

6、間物料和同一料盤內(nèi)物料的干燥均勻性，但總體來(lái)看，20盤物料存留的干燥速度差異仍影響物料整體的干燥效率和干燥品質(zhì)，干燥均勻性與干燥成品要求還有一定差距。在微波交替開(kāi)啟控制方案的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用料盤中心部位空缺鋪料法、凍干期間料盤2次出倉(cāng)換位堆垛法，可以較好地改善不同層料盤間、同一料盤內(nèi)物料因干燥速度差異而引起的干燥不均勻問(wèn)題，料盤內(nèi)物料含水率均勻度約為90％，料盤間物料平均含水率均勻度達(dá)94.5％，基本滿足凍干制品的實(shí)際生產(chǎn)要求。

7、　　 4、基于研制的微波凍干設(shè)備，提出采用真空冷卻預(yù)處理的微波凍干加工工藝方法，可以一次完成凍干加工中的冷卻、瀝水、預(yù)干燥、凍結(jié)、凍干等5個(gè)工序，簡(jiǎn)化工藝過(guò)程，降低設(shè)備設(shè)施投入成本及生產(chǎn)成本，并開(kāi)展試驗(yàn)研究。對(duì)40kg胡蘿卜片物料進(jìn)行60min真空冷卻處理，物料溫度呈現(xiàn)4個(gè)階段變化:閃發(fā)前降壓段、閃發(fā)冷卻至冰點(diǎn)溫度段、冰晶生成段、深層凍結(jié)段;處理結(jié)束后，胡蘿卜片芯部溫度接近-30℃，表層溫度為-40℃以下，可以滿足冷凍干燥對(duì)物料凍結(jié)溫

8、度的要求;真空冷卻預(yù)處理可脫除物料中29％的初始水分，脫水速率在閃發(fā)現(xiàn)象出現(xiàn)后突然增加，達(dá)到高峰并維持一段時(shí)間后，隨后快速下降，并在后期達(dá)到平衡，維持極低的脫水速率。過(guò)程中可能有冷量損耗和無(wú)效失水等現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致真空冷卻過(guò)程中理論脫水量與實(shí)測(cè)值存在一定的差異。
　　 5、真空冷卻后無(wú)冷庫(kù)凍結(jié)（A組）、真空冷卻后再冷庫(kù)凍結(jié)（B組）、無(wú)真空冷卻處理（C組）三組凍干工藝試驗(yàn)表明:經(jīng)過(guò)真空冷卻處理的A、B兩組在0～1h干燥區(qū)間的微波加

9、載功率可明顯高于C組，可明顯改善凍干初期的低壓放電問(wèn)題;按照設(shè)定的微波功率加載方案，A、B、C三組所用的干燥時(shí)間分別為8h、8.5h、10h，由于真空冷卻處理的預(yù)先脫水和凍干初期低壓放電問(wèn)題改善效果等原因，A、B組比C組分別減少凍干時(shí)間2、1.5h;在干燥終點(diǎn)，三組工藝處理的整批物料平均含水率分別約為:A組14％、B組16％、C組22％，A、B、C三組物料含水率實(shí)際上均未達(dá)到干燥要求，各層料盤整體干燥進(jìn)度不一致，其中C組整體干燥進(jìn)度最慢

10、;整個(gè)工藝過(guò)程中，三組處理的單位脫水量耗電大小依次為A＜B＜C，即采用A組工藝處理方法的能量利用效率最高，C組最低。A、B、C三組的最頂層料盤凍干物料品質(zhì)在復(fù)水比、顏色等指標(biāo)上均無(wú)顯著差異，A、B、C三組物料的維生素C損失率分別為17.6％、19.0％、31.6％，采用真空冷卻預(yù)處理可以明顯減少凍干工藝過(guò)程中維生素C的損失。試驗(yàn)證明，采用真空冷卻預(yù)處理可以完成物料冷卻、瀝水、預(yù)干燥、凍結(jié)工序，改善凍干初期的低壓放電問(wèn)題，有效減少冷凍干燥

11、時(shí)間，降低過(guò)程能耗，并提高維生素C保存率，而其他凍干品質(zhì)不受顯著影響。
　　 6、針對(duì)胡蘿卜片微波冷凍干燥主要工藝環(huán)節(jié)與技術(shù)特點(diǎn)，從胡蘿卜切片厚度、批次裝料量、過(guò)程微波調(diào)控工藝、開(kāi)倉(cāng)換盤堆垛方案等方面對(duì)胡蘿卜微波冷凍干燥工藝過(guò)程控制進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化研究。綜合考慮批次物料干燥程度、凍干生產(chǎn)率、單位能耗以及制品品質(zhì)等指標(biāo)，凍干工藝中胡蘿卜切片厚度應(yīng)控制在5mm左右，批次裝料量為40kg，即每料盤鋪料2kg。以凍干耗時(shí)、平均含水率、品質(zhì)評(píng)

12、分作為響應(yīng)指標(biāo)，對(duì)微波調(diào)控工藝進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)研究，微波調(diào)控工藝參數(shù)組合優(yōu)化確定為:交替開(kāi)啟時(shí)間ti為10min，冷凍干燥中期微波功率P(。)為6.5kw，干燥中一后期轉(zhuǎn)化點(diǎn)含水率Rk為40％，產(chǎn)品干燥終點(diǎn)溫度Te為60℃。通過(guò)在線稱重系統(tǒng)測(cè)定凍干過(guò)程中的整批物料平均含水率Pt，并以此為開(kāi)倉(cāng)換盤堆垛操作的判定依據(jù);凍干期間開(kāi)倉(cāng)換盤堆垛操作2次，按照制定的換盤堆垛方法，以干燥后物料含水率、含水率均勻度、品質(zhì)評(píng)分作為響應(yīng)指標(biāo)，對(duì)凍干期間出