初始非饱和多孔物料微波冷冻干燥的实验研究

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冷冻干燥是将冷冻后的溶液在低温低压的干燥环境下,利用升华/解吸作用除去湿分的过程。与其他干燥过程相比,冷冻干燥温和的操作条件能够有效避免热敏性成分失活,干燥产品质量最佳。但同时也存在着干燥过程时间长,能量消耗大的缺点。冷冻干燥是一个传质传热同时存在并相互影响的过程。因此,提高干燥速率必须从传质和传热两个方面入手。对于干燥过程的传质强化,软冰技术能够将溶液制备成具有一定预制孔隙的非饱和物料。升华的水蒸气从物料内部的迁移有了便捷的通道,传质阻力大大降低;对于传热强化,微波加热能够直接作用于物料内部,降低了传热阻力,能量利用率高。同时,该方法能够降低物料内部的温度梯度,物料受热均匀。本论文分别搭建了共晶点测试系统和多功能微波冷冻干燥系统。实验结果表明,速溶咖啡溶液在冻结过程中,溶液的电阻率随着温度的降低而升高,在-17.5~oC时电阻率达到最大。采用软冰技术制备的非饱和物料可以有效强化冷冻干燥的传质过程。在相同的温度压力下,节约干燥时间14.9%。从产品的电镜图中可以看出,非饱和物料内部的固体基质纤薄,孔隙疏松均匀,有利于提高水蒸气的传质速率。微波加热能够强化冷冻干燥过程。在1W微波功率的条件下,饱和物料干燥时间与无微波条件下相比减少了19.1%;非饱和物料干燥时间与无微波条件下相比减少了12.5%。在干燥温度为35~oC,微波功率为1W条件下,饱和物料发生了崩塌现象。这进一步体现了非饱和物料的优越性。为了进一步强化传热,提高能量的利用率,实验采用碳化硅作为物料底盘吸收微波能量。结果表明,该方法能够大幅度缩短干燥时间。与非饱和物料无微波条件下的实验相比,干燥时间缩短了32.5%;与饱和物料无微波功率条件下相比,干燥时间减少了42.6%。这说明,在采用微波加热强化传热过程的基础上,采用非饱和物料能够进一步强化传质过程,从而实现了传热传质过程的同时强化。
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