_谷物低温真空干燥机理的探讨

2006年10月第21卷第5期

中国粮油学报

Jou r nal o f t h e Chinese C er ea ls and O ilsA ssocia ti o n Vo. l 21, N o . 5

O c. t 2006

谷物低温真空干燥机理的探讨

尹丽妍　于辅超　吴文福　马中苏

(吉林大学生物与农业工程学院, 长春　130025)

摘　要　基于水势理论分析, 建立了谷物低温真空干燥的数学模型。该模型能够同时反映粮食初始水分、平衡水分、干燥温度、介质压力、介质湿度等对干燥过程的影响规律。根据此模型分析了玉米低温真空干燥的机理, 并指出与热风干燥相比较, 低温真空干燥在低温下能有效地提高谷物籽粒相对环境的水势, 从而在

保证谷物品质受损伤小的前提下, 有效提高干燥的效率和降低干燥的能源消耗。同时, 通过对初始水分不同的两组样品的试验, 研究了谷物低温真空干燥过程中水分变化的规律, 谷物低温真空干燥过程包括3个阶段:加速阶段、恒速阶段和降速阶段, 随真空度的提高, 到达安全储藏水分的时间减少, 平衡水分降低。

关键词　低温真空干燥　数学模型　水势　谷物　　采用传统的热风干燥工艺与设备所干燥的物料, 由于被干燥物料内部和表面形成很大的温度梯度, 容易产生品质下降和溶质失散现象, 尤其是食品会散失香气, 玉米会产生裂纹, 稻谷会产生爆腰, 小麦、大豆、花生会产生蛋白质变性, 油菜籽会产生走油。低温真空干燥能够克服热风干燥所产生的溶质失散和品质下降问题, 从环保意义上讲, 可将真空干燥称为“绿色干燥”,具有广泛的发展前景

[1]

律、低温真空干燥过程中的热能提供方式、真空干燥装置的结构形式、低温真空干燥的自动检测和控制方法等。

本文通过理论和实验两个方面对真空干燥谷物过程的机理进行探讨, 建立了数学模型, 为真空干燥技术的推广应用提供一定的借鉴。

。“十

1　谷物低温真空干燥的机理分析

1. 1　谷物低温真空干燥过程中水分子的相变过程

在干燥过程中, 物料内部的水分将汽化, 变成蒸汽进入周围环境的气相中形成湿气体。在低压下水的相变过程与常压下大体相似, 只是低压相变的温度比常温相变的温度低

。

五”期间, 国家科技部设立专项进行了低温真空谷物干燥工艺与设备的研究, 已经在东北地区进行了实验, 实验表明此方法对保持烘干后粮食品质具有很好的效果, 降低了玉米的裂纹率和稻谷的爆腰率, 特别适合于干燥各种农作物种子, 能够保证农作物种子的发芽率和品质, 便于长期贮存、运输和销售, 其投资和运行成本与热风干燥设备大致相当并节能

[2-5]

。

尽管真空干燥技术在食品、化工等行业已经有

大量的应用, 在谷物干燥方面刚刚开始, 从理论、工程设计、生产应用都存在许多问题需要研究, 如谷物低温真空干燥的机理、低温真空干燥过程的传热传质规律、低温真空干燥过程谷物品质变化的动力规

基金项目:农业科技成果转化资金项目(03EFN212200075) 收稿日期:2005-10-10

作者简介:尹丽妍, 女, 1983年出生, 硕士研究生, 农产品加工与

贮藏工程

通讯作者:吴文福, 男, 1965年出生, 教授, 博士生导师, 农业测控

理论与技术, 农产品加工

图1　水分子的相变图

如图1所示为水分子的相变图。图中以压力为纵坐标, 曲线AB 、AC 、AD 把平面分为三个区域, 对应水的三种不同的集聚态。曲线AD 为蒸发(汽化) 曲线, ,

φln ln R H +(p -p 0) a V w e s V w

(3)

汽化所需的温度越低, AD 线上水汽共存, 是水汽两

[6]

相的平衡状态, 液相水通过低温加热就会变为气相水

。

式中, R 为普适气体常数, T 为绝对温度, e 为空气中实际水汽压, e s 为空气饱和水汽压, R H 为相对湿度, V w 为水的偏摩尔体积等于18×10m m o l 。

令

M s R H

φln +(p -p 0) (4) T =φa -φin V w r s M 这里, 定义φT 为颗粒物料的水分迁移势。

当φ0, 内部水分向外迁移, 是颗粒物料的干T

当φ0, 内外水分达到平衡, 颗粒物料内部的T =

水分为平衡水分, 平衡水分的计算公式如下

M e =M s R H /rs exp (p 0-p )

(5)

当φ0, 外部水分向内迁移, 是颗粒物料的吸T >湿过程。

因此, 可以认为谷物颗粒内部的水分迁移率(d M /d t ) 取决于水分迁移势φT , 即:

d M

=f (-φT ) d t

-6

3

-1

图2　不同绝对压力下水的汽化温度

图2表明了绝对压力从0MPa 到1个标准大气压0. 1M Pa 下水的汽化温度, 呈对数趋势增加, 1个标准大气压下水的汽化温度为100℃,但在绝对压力为0. 05M Pa 、0. 04MPa 、0. 03M Pa 下, 水的汽化温度变为80. 9℃、75. 4℃、68. 7℃,可见利用真空干燥可以很大程度地减少了热能源的消耗。

1. 2　谷物低温真空干燥过程中水势变化与干燥速率的关系

水势是化学势概念在农业和生物学中的重要应用之一, 1941年我国学者汤佩松和王竹溪共同定义了水势, 20世纪50年代开始在国外被广泛的应用, 70年代以后在国内开始流行。现在这一概念是已在农业和生物学中最广泛的概念之一。

在温度T , 大气压p 0下, 水势为:φl n a w +(p -p 0) +ρgh

V w

(1)

(6)

假设颗粒物料的水分迁移率(d M /dt ) 与水分迁移势φT 线性相关, 则可得颗粒物料水分迁移计算微分公式

=-k φT d t

l n M s R H -p +=-k p 0) V w M r s

令　K =-k V w M e 0=M s R H /rs

式中:M e 0为常压下谷物的平衡水分。则

M e 0=KT ln -k (p -p 0) d t M 由于M e 0=[

1n (1-R H ) 1/n

]

-A (T -273+B )

(11) (10) (7) (8) (9)

式中, φ为水势, V w 为水的偏摩尔体积、a w 和ρ分别为溶液中水的活度和密度。上式表明, 溶液浓度、压力以及高度、温度都会对水势造成影响。第一项被称为渗透势, 第二项为压力势, 第三项为重力势

[7]

。

干燥过程中, 谷物颗粒与周围环境的水分交换是通过颗粒物料表皮进行的, 颗粒物料的表皮具有一定的厚度和微孔, 颗粒物料内部呈多孔态。

对于谷物颗粒物料内部, 其水分子的水势可用下式计算

φln (r s ) in V w M s

(2)

式中:R H 为空气的相对湿度(用小数表示);

T 为绝对温度;

A 、B 、n 为常数, 与物料的品种有关, 对于玉米A =0. 000086541, B =49. 81, n =1. 8634;

M e 0为谷物在常压下的平衡水分(db , 用小数表示)。

式(10) 为谷物在不同气压下干燥脱水的数学模型式中, R 为普适气体常数, T 为绝对温度(假设与环境温度相同), M 为颗粒物料内部的水分(db ), M s 为颗粒物料内部的饱和水分(db ), V w 为水的偏摩尔体积等于18×10m m o l , r s 为颗粒物料内部的水分活度系数。

, -6

3

-1

和环境的温度、压力和相对湿度相关。温度越高、环

境压力越低、环境相对湿度越低谷物颗粒内外的水势差越大, 单位时间内从谷物中去除的水分越多。谷物的干燥温度过高会造成谷物内部蛋白质、氨基酸、淀粉等的变性, 造成谷物品质的下降, 降低谷物的食味, 深加工产品得率和品质, 在对谷物品质要求高的场合不宜采用过高温度干燥。因此通过低温真空干燥技术来同时保证谷物品质的同时, 提高谷物干燥的生产率是一个有效的途径。

2　谷物低温真空干燥实验

2. 1　实验设备

ZK -82A 型真空干燥箱, 最高温度200℃,真空度

2XE -2型旋片真空泵。

AB -204E 型电子分析天平, 精度为0. 0001g , 最大称重210g 。

202-3型干燥箱, 最高温度为300℃,控温器灵敏度为±1℃。2. 2　实验材料

选用东北地区生产的马齿形玉米, 选择籽粒饱满、完整、色泽光亮的玉米。2. 3　实验方法

2. 3. 1　依据GB /T 10362-1989玉米水分测定法的具体操作过程, 用电烘箱法测出原玉米的含水量。根据玉米干物质质量不变的原则, 计算配置不同含水量的玉米样品应加的水分, 将配好水分的玉米密封放入冷藏室, 每天翻动3次, 保证玉米籽粒均匀吸水, 放置48h 后, 根据GB /T 10362-1989规程, 当籽粒大于15%采用两次烘干法测玉米的含水量, 备用。2. 3. 2　将高水分玉米置于真空干燥箱内, 用真空泵使干燥箱内达到并维持一定的真空度, 同时加热, 真空干燥箱内的温度由温控仪自动控制, 正式开始后, 每隔20m in 称一次重量, 共干燥5h 。

2. 4　结果与分析

图3、图4为不同含水量在不同绝对压力、相同温度47℃下的干燥曲线, 压力的大小对谷物达到安全水分的时间影响较大, 绝对压力越低, 到达安全水分(14%)的时间越短。在绝对压力为0. 1M Pa 、0. 06MPa 、0. 04M Pa 、0. 03M Pa 下, 玉米到达安全水分的时间分别为3h 、2. 4h 、2. 2h 、1. 6h ; 由公式(10) 推出在以上几个压力下平衡水分分别为11. 7%、10. 8%、10. 3%、9. 8

%。

图5

低温真空干燥速率曲线

图4

初始水分为28. 85%的干燥曲线

图3

初始水分为18. 95%的干燥曲线

从图5中可看出玉米真空干燥速率曲线分为AB 、BC 、CD 三个明显不同阶段, 干燥过程有A 点开

始, 这时玉米内含水率一定, 开始抽真空并开始加热, 干燥速率增加到B 点从而达到最大值。玉米在允许范围内被加热到相应压力下汽化温度而大量汽化, 受物料传热传质特性的限制, 干燥速率达到了最大值, 则进入到BC 段, 为恒速干燥阶段。这时物料温度保持不变, 加入的热量作为汽化潜热和各项热损失, 真空系统不断排出汽化的蒸汽, 保持蒸发表面与空气的压力差, 使干燥持续进行。过程进行到C 点后, 因玉米的含水率减小到了一定程度, 从玉米中蒸发出来的水分减少, 在加热量不变的情况下, 玉米

132率呈下降趋势到平衡水分。

[6]

中国粮油学报

, 为降速阶段, 继续加热, 最终可达

2006年第5期

降速阶段, 且真空度高, 有利于水分在较低的温度下汽化。与热风干燥相比, 谷物低温真空干燥速率大, 且更易达到安全水分。由于干燥是在稀薄的空气中和较低的温度下进行, 在应用于其他物料时, 能有效保证了易氧化或热敏性物料的品质, 可以干燥易燃易爆的危险品, 并能杀死嗜氧性细菌和某些有害微生物, 使产品的储存性得到改善。

参　考　文　献

[1]　申保庆, 赵祥涛, 何翔. 低温真空干燥技术与设备的发

展前景与适用范围. 粮食储藏, 2004(4):32-33[2]　丁贤玉. 玉米低温真空干燥的分析. 粮食储藏, 2004

(4):22-23

[3]　国家粮食储备局郑州科学研究设计院玉米低温真空干

燥技术研究开发课题组. 玉米低温真空干燥新技术研究与开发初探. 干燥技术与设备, 2005, 3(1):24-26[4]　文怀兴, 张得翱. 食品真空干燥技术与设备. 农机与食

品机械, 1999(3):18-21

[5]　王相友, 孙正和. 减压脱水一种脱水方法. 农业机械学

报, 1999, 23(4):30-34

[6]　徐成海, 张世伟, 关奎之. 真空干燥. 北京:化学工业出

版社, 2004

[7]　习岗, 李伟昌. 现代农业和生物学中的物理学. 北京:科

学技术出版社, 2002

3　结论

3. 1　采用水势理论分析了谷物低温真空干燥的机理, 建立了在不同真空条件下干燥脱水的数学模型:

M e 0=KT ln -k (p -p 0) d t M

从该模型中可以看出谷物低温真空干燥的速率与介质温度、介质压力、谷物平衡水分、干燥时间等有关, 与现有干燥模型比较, 可以反映介质压力对干燥过程的影响。3. 2　试验表明, 在相同的热介质温度条件下, 随介质绝对压力的减小, 谷物的干燥过程被加速, 到达安全水分的时间减少, 谷物的平衡水分降低。从玉米低温真空干燥曲线中看出, 在温度为47℃,绝对压力为0. 1M Pa 、0. 06MPa 、0. 04MPa 、0. 03M Pa 下玉米到达安全水分的时间分别为3h 、2. 4h 、2. 2h 、1. 6h ; 玉米的平衡水分分别为11. 7%、10. 8%、10. 3%、9. 8%。采用低温真空干燥可以在相对较低的温度下对谷物进行干燥, 有效的减缓谷物品质的下降, 改善谷物的食味色泽等品质, 提高深加工产品的得率, 同时, 可以缩短干燥时间, 提高干燥效率。

3. 3　试验证明, 谷物低温真空干燥过程与热风干燥过程相似也分为三个阶段, 即加速阶段、恒速阶段和

Explori ng t heM echanis m of Lo w -te mperat ure

Vacuu m D ryi ng for CerealG rai n

Y in Liyan

Y u Fuchao

W uW enf u

M a Zhongsu

(Co llege o f B i o log ical and Agricultural Eng i n ee ring , Jilin Unive rsit y , Changchun 　130025)

Abst ract 　Based on the theoretical analyse s ofw a t e r poten tial , a m at h e m aticalm ode l of lo w -te mperature vacu -um dr y ing w as developed . I n t h e m ode l , t h e infl u ences of i n itia lm o ist u re , ba lance m o ist u re , dr y ing te m pe r a t u re , m edi u m pressur e , and m edium hum i d ity w ere consi d ered . A ccording to t h e m ode l , the m echanis m of grain lo w -te mperature vacuum dr y ing w as explored. Co m pared w ith ho t air fl o w dry i n g , l o w -te mperature vacuum dr y ing can r a ise the w ate r po ten tia l of g rai n to env ironm ent , i m prove dr y i n g rate and decrease ene r gy consum ption w ith less qual -it y da m age o f g rain . Based on an expe ri m entw it h t w o diffe r ent initia lm o ist u re g r oups , charac teristic of the m oist u r e change w as studied. G rain lo w -t e m pe ratur e vacuum dr y i n g prog r ess incl u des thr ee pe riods :accelerative period , constant rate pe riod and decreasing rate pe riod . The resu lts sho w that t h e ti m e to r each the safe storage m oistur e is shortened and balance m oisture of grain is decr eased w ith i n creasi n g vacuu m degree .

K ey w ords 　l o w -te m perature vacuu m drying , m a t h e m aticalm odel , w ater poten tial , ce r ea l grain