介电材料辅助的微波冷冻干燥实验与理论的研究.pdfVIP

155 介电材料辅助的微波冷冻干燥实验和理论研究 王雏1’2‘ 张伟1 陈国华2 (1．大连民族学院生命科学学院大连经济技术开发区辽河西路18号； 2．香港科技大学化学与生物分子工程系香港九龙清水湾) 摘要本文针对介电材料对微波加热冷冻干燥过程的影响进行了实 验和理论研究。实验结果表明，介电材料可以有效地强化微波冷冻干 燥过程。在实验测试条件下，干燥时间与常规冷冻干燥时间相比大大 缩短。理论研究是用有限差分法数值求解一个考虑吸湿效应的带有移 动升华界面的质热传递耦合模型。模拟结果证实了在微波冷冻干燥过 程中使用介电材料的有效性，特别是在待干溶液的固含量很低或者目 体产品的介电损耗因子很小的情况下尤为有效。实验测定和模型预测 的干燥曲线相比较显示了良好的一致性。通过考察冰饱和度和温度的 分布侧形。本文还分析了物料内部的质热传递机理。并讨论了干燥速率 的控制因素。 关键词冷冻干燥微波介电材料水溶液传热传质数学模型 多孔介质 引言 冷冻干燥在干燥技术领域中扮演着必不替代的角色。冷冻干燥被 广泛地应用于工业生产的原因是多方面的，最重要的原因是大多数适用 于冷冻干燥的物料是热敏型的，不能够用高温下操作的技术来进行干 燥。冷冻干燥非常适用于食品、药品和生物制品的脱水加工。在食品工 业中，大量的产品都是被冷冻干燥的，包括奶制品、肉类、蔬菜类和咖啡 等…o在制药工业中，生产流程通常包括萃取、沉淀、分离和纯化，得到 稀的水溶液再通过冷冻干燥把水分除去，留下的干燥产品待包装或者进 ·王维．男，博士，1962年生，教授。 156 一步深加工旧j。冷冻干燥也被用于保存血液、骨骼、皮肤和其他的生物 材料‘31。 冷冻干燥过程最关注的是产品质量和过程成本。众所周知，在目前 的干燥技术中，冷冻干燥的产品质量最高。由于低温操作和产品含水极 低，冷冻干燥具有保护产品防止化学分解、活性损失最小和产品容易覆 水的优点”j。然而冷冻干燥也是一个最耗能的工序。高能耗不仅是因 为湿分的相变，而且也与整个过程的低能效有关∞J。传统的真空冷冻干 燥特点是干燥时间长和过程成本高。冷冻干燥结合微波加热在某种程 度上兼具传统冷冻干燥的技术可靠与产品优质的特点，和微波加热的干 燥速率高与过程低成本的优势∞J。 在冷冻干燥中应用微波加热的研究一开始集中在论证其可行性上。 Ma和Pehre【7 o进行了微波冷冻干燥生牛肉片的实验。Ang等坤。用牛肉 面加热和微波加热冷冻干燥生牛肉的实验结果。他们发现微波加热的 干燥时间要比传统方法短约50％。值得注意的是在这些早期研究中使 用的原料都是自然形成固体物料，微波加热液体物料冷冻脱水的报道很 少。Ben Souda等¨¨介绍了微波冷冻干燥泡沫牛奶的实验，研究发现过 波冷冻干燥甘露醇水溶液实验。两项研究的共同特点是微波加热对冷 冻干燥过程影响不大。对微波冷冻干燥水溶液物料的关注较少可能是 由于人们缺乏对微波加热机理的真正理解。微波加热效应是一个微波 和耗散物质的相互作用过程，结果是部分微波能量以热量的形式耗散于 物质。微波能{妻转换为热量的多少依赖于冷冻物质的介电性质，特别是 介电损耗因子。与水不同，冰的损耗因子为0．003，它很难吸收微波能 量。冻结物料的固体基质起着内热源的作用提供升华所需要的能量。 如果固体的损耗因子很小，微波能量将不能有效的施加于待干的物料 上。众所周知肉干有相对较高的损耗因子，而固体牛奶和甘露醇有非常 小的损耗因子。这就说明了为什么用微波冷冻干燥牛肉的干燥时间会 明显减少。 微波冷冻干燥正赢得国际学术界和工业界的广泛关注。如何在冷 冻干燥操作中引入微波能量同时又保持干燥产品的高质量仍然是一个 挑战。为了利用微波能量又保持真空冷冻干燥的优点，Wang和Chen【6】 157 提出：介电材料辅助的微波冷冻干燥水溶液物料。其要点是首先用具有 较大介电损耗因子的介电材料球或棒与待干溶液一起冷冻，然后冷冻的