大豆的微波干燥工艺及装置优化研究

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大豆作为五谷杂粮之一,是营养价值最高的豆类品种,在国内外需求量极大。刚收获的大豆无法安全储藏,干燥成为大豆收获后极为重要的加工环节,自然干燥、热风干燥、冷冻干燥、喷雾干燥等干燥方式都存在较大的局限性,微波干燥作为一种新型干燥方式,其在电磁波作用下在物料内部产生热源,物料内部温度梯度和水分梯度可从内向外进行传递,具有干燥效率高,提高物料品质等优点。本文以大豆为原料,以干燥效率(含水率)变化为基础,同时对大豆内部观察指标水分活度与大豆外部观察指标爆腰率变化情况进行探究,以期在干燥过程中找出可多方面有效提高干燥效率的同时不损害大豆的品质的工艺参数,达到长期储藏的目的。研究可为大豆等农产品的工业化生产提供数据支撑以及后续微波干燥装置优化设计奠定理论基础。主要研究内容和结论如下:(1)大豆微波干燥特性指标及数值模拟在微波干燥理论的基础上,分析微波干燥加热物料原理与干燥特点,证明微波用于干燥大豆等物料存在的优异性;讨论微波干燥物料结果可观察比较的特性指标,后续将以各项指标作为大豆的干燥效率与品质的评判标准;最后依据微波干燥传热传质机理,使用COMSOL软件具体模拟出大豆在微波干燥过程中腔体以及大豆本身电磁场分布规律,得出大豆温度与水分浓度分布情况,为后续对大豆微波干燥实验提供理论依据,同时为农产品干燥效率及内部品质研究奠定理论基础。(2)大豆微波干燥水分活度特性研究以微波干燥理论研究为基础,设计单因素实验,采用不同干燥工艺干燥大豆,得到微波干燥过程中可得到大豆不同干燥效率与水分活度的工艺条件。为了分析不同工艺条件对大豆水分活度(AW)与含水率的影响,构建指数函数、正弦函数与有理数函数三种数学模型用于描述大豆微波干燥过程结果,对干燥过程结果作曲线拟合并进行分析与比较,最终得出可准确模拟出大豆干燥过程干燥效率与水分活度的曲线函数,结果可为后续研究大豆水分活度特性,延长食品储藏时长的工艺条件提供参考。(3)大豆微波干燥缓苏工艺优化以微波干燥理论研究为基础,设计微波干燥单因素实验,得到不同工艺参数对大豆含水率与爆腰率的影响关系,作为后续缓苏实验基础。设计正交实验,在微波真空干燥时设置不同的单次干燥时间,缓苏时长,缓苏次数,测得大豆最终的含水率与爆腰率,作极差分析得出此时最佳干燥条件。同时提出一种改进的粒子群算法,借助多元回归数学模型对实验参数进行粒子寻优,同样得出大豆干燥最佳工艺条件,最终设计实验对两组不同工艺参数进行比较,实验结果证实后者所得结果更佳。研究结果对提高大豆干燥效率和品质具有一定意义并为大豆微波干燥产业化应用及大豆深加工提供理论和数据支持。(4)微波干燥实验装置设计与优化以微波干燥理论与上述实验结果为基础,利用微波干燥与机械设计技术,优化一种大豆微波干燥特性实验装置,实验装置由上料机构、供风机构与微波发生装置、干燥及转动机构组成,对实验装置的具体工作方式与创新点做出详细说明。装置在导料阶段安装振动板减少大豆黏结,控制落料速度;安装定时开关,设置干燥与缓苏区域,减少大豆持续干燥过程产生裂纹;安装排风机实行微波-热风耦合干燥,回收利用微波干燥过程产生的热能,提高能量利用率与干燥效率。
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