初始非饱和多孔介质冷冻干燥过程的实验研究

摘要

冷冻干燥是一种温和的干燥过程，在食品、药品和生物制品等热敏性物料的脱水过程中具有不可替代的作用。在所有干燥技术中，冷冻干燥产品的质量最高，但其能耗也最高，这个问题迄今为止仍未找到有效的解决途径。因此降低能耗成为冷冻干燥研究的主要方向。
　　液体物料的常规冷冻干燥是指将液体物料直接冷冻固化，而后进行冷冻干燥的过程。为了克服冷冻干燥过程干燥时间长、能耗效率低的缺陷，本研究首次提出了“初始非饱和多孔介质冷冻干燥”的思想，旨在通过实验验证具有一定初始孔隙的非饱和多孔物料对液体物料冷冻干燥过程的强化作用。在实验准备方面，自行设计、加工并组装了一套实验室规模的多功能冷冻干燥装置。本文采用“液氮制作冰激凌法”将以甘露醇为主要溶质的液体物料制备成具有不同初始孔隙的冷冻物料。在相同操作条件下，将相同质量、相同湿含量的非饱和冷冻物料与常规物料进行冷冻干燥实验，并将结果进行比较。
　　结果表明，初始非饱和物料对冷冻干燥过程确实具有强化作用。实验条件下，非饱和冷冻物料(S0=0.28)的干燥时间比常规冷冻物料(S0=1.00)能够节省36.4％。冷冻物料的初始饱和度越低，干燥时间越短，产品最终含水率越低。两种冷冻物料的冷冻干燥时间均随环境温度的升高而减少。初始非饱和冷冻物料冷冻干燥过程对操作压力的变化略微敏感，干燥时间随操作压力的升高而减少;常规冷冻物料冷冻干燥过程对操作压力的变化不敏感，干燥时间基本不随压力的变化而变化。初始非饱和冷冻物料的冻干机理与常规冷冻物料不同。干燥开始后，初始非饱和冷冻物料中并不存在明显的升华界面，其内部冰晶整体开始升华，大大缩短了第一干燥阶段的时间。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 冷冻干燥概述

1．1．1 冷冻干燥原理

1．1．2 冷冻干燥的基本过程

1．2 冷冻干燥的特点及应用

1．1．1 冷冻干燥的特点

1．1．2 冷冻干燥的应用

1．3 多孔介质

1．4 冷冻干燥的研究进展

1．4．1 冷冻物料预冷冻过程的研究

1．4．2 冷冻干燥过程加热方式的研究

1．4．3 操作压强对冷冻干燥速率影响的研究

1．4．4 强化液体物料冷冻干燥过程的研究

1．5 本课题的研究内容

2 实验装置

2．1 实验装置简介

2．2 真空系统

2．3 控温系统

2．4 冷冻系统

2．5 数据采集系统

2．5．1 虚拟仪器简介

2．5．2 LabVIEW简介

2．5．3 数据采集信号

2．5．4 数据采集编程

2．6 本章小结

3 实验部分

3．1 实验材料与仪器

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验仪器

3．2 实验样品制备

3．2．1 初始非饱和冷冻物料简介

3．2．2 非饱和预冷冻物料制备原理

3．2．3 非饱和预冷冻物料的制备过程

3．2．4 实验样品成型

3．3 实验方法

3．3．1 实验步骤

3．3．2 实验装置测试

3．4 本章小结

4 实验结果与讨论

4．1 非饱和冷冻物料对冷冻干燥过程的影响

4．1．1 两种冷冻物料的冷冻干燥对比实验

4．1．2 两种冷冻物料干燥产品的孔隙结构分析

4．2 初始饱和度对冷冻干燥过程的影响

4．2．1 不同初始饱和度冷冻物料的冷冻干燥

4．2．2 不同初始饱和度冷冻物料的干燥产品分析

4．3 操作条件对冷冻干燥过程的影响

4．3．1 温度对两种冷冻物料冻干过程的影响

4．3．2 压力对两种冷冻物料冻干过程的影响

4．4 初始非饱和冷冻物料冷冻干燥过程机理分析

4．5 本章小结

结论

论文创新点与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢