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胡蘿卜真空干燥特性及動力學

來源:真空技術網(www.sakcw.tw)合肥工業大學機械工程學院 作者:范浩

  探究胡蘿卜真空干燥過程中系統壓力和溫度對胡蘿卜干燥特性的影響。結果表明:在同一系統壓力下,溫度越高,干燥速率越快;在同一干燥溫度下,系統壓力越小,干燥速率越快。通過應用Fick 擴散定律描述胡蘿卜的水分遷移規律,在研究的溫度范圍內其有效水分擴散系數在6.717 ~ 18.594 × 10-10 之間變化。根據Arrhenius 方程得到胡蘿卜厚度為4 和6mm 的活化能分別為31.46 和33.06 kJ /mol。通過非線性回歸方法將MR 與五個薄層干燥模型進行擬合,參照評價指標R2、RMSE 及χ2等,對多個模型進行綜合分析,其中Midilli and Kucuk 模型顯示出更好的擬合效果。

  胡蘿卜具有較高的營養價值,含有多種人體所需的營養成分。隨著社會發展,人們生活物質水平的提高,人們對胡蘿卜更加青睞。胡蘿卜干燥,加工成脫水的蘿卜片,易于保存、食用和深加工,具有良好的市場前景。胡蘿卜有很多干燥方式,但熱風干燥仍是目前最普遍的干燥方式。然而,熱風干燥周期長、干燥品質較差。真空干燥提供了常規大氣干燥的替代方案,它允許在低壓下去除水分。真空使得食物中產生泡沫或膨化結構,擴大了熱量和質量的傳遞體積。因此,通過真空干燥,可以具有更高的干燥速度、更低的干燥溫度及缺氧處理環境。

  近年來,圍繞胡蘿卜的干燥特性進行了諸多相關研究,如種翠娟等[9]進行了胡蘿卜熱風干燥動力學模型研究。但是,還沒有關于胡蘿卜真空干燥的數據可用于干燥工程設計。為了彌補這一塊的缺失,同時提高胡蘿卜真空干燥的品質,優化干燥工藝,有必要探究胡蘿卜真空干燥動力學;通過分析胡蘿卜內部水分的遷移規律,確定物料內部水分的有效擴散系數和活化能。它不僅反映胡蘿卜內部水分遷移規律,也可以指導優化干燥工藝和干燥設備的研制。

  本文將真空干燥技術應用于胡蘿卜干燥,進一步探究胡蘿卜真空干燥特性,分析溫度、系統壓力等參數對干燥特性的影響;利用非線性回歸分析方法,基于評價參數指標,選出描述胡蘿卜真空干燥過程的最優低溫干燥模型;以Fick 定律為依據,確定活化能和水分擴散系數,為開發胡蘿卜真空干燥設備提供理論依據。

  1、實驗實驗材料和方法

  1.1、材料

  胡蘿卜( 購于合肥市農貿市場) ,并在使用前保存在室溫環境中。實驗時,將胡蘿卜去皮切片,切片厚度分別為2、4 和6 mm。胡蘿卜初始含水率為7.93( 以干基計) ,初始含水率通過將胡蘿卜放置在由天津工興實驗室儀器有限公司生產的電熱真空干燥箱中,在70℃下連續干燥24 h 來測定。電熱真空干燥箱為DZF-6020ABF 型,控溫范圍:RT + 10-200℃,真空度≤133 Pa,溫度波度:± 1℃,溫度傳感器測定真空室腔體中間的溫度。質量通過由上海第二天平廠生產的電子天平( 精度0.001 g) 測量。

  1.2、實驗方案

  實驗中將物料放置在電熱真空干燥箱中進行干燥實驗,具體實驗方案如表1 所示。干燥過程中,間隔30 min 將物料迅速取出并稱重,同時記錄下胡蘿卜的質量,然后迅速放回,當物料干基含水率小于0.05,即認為已達到平衡含水率,停止干燥實驗。每組實驗重復三次,最后取其平均值進行研究。

表1 胡蘿卜真空干燥方案

胡蘿卜真空干燥方案

  3、結論

  本文探究了胡蘿卜真空干燥過程中,干燥溫度和系統壓力對干燥特性的影響。并對系統壓力為0.06 MPa 下的實驗數據進行動力學分析,最終選出最優的胡蘿卜真空動力學模型,并計算出Deff和Ea,得到的結論如下:

  (1) 干燥溫度和系統壓力均對胡蘿卜的干燥特性有影響。干燥空氣溫度越高,系統壓力越低,胡蘿卜干燥速率越大。在工業生產中,可以根據實際情況來選擇合適的干燥溫度和系統壓力來優化干燥工藝,從而增大產量、降低能耗。

  (2) 通過對水分比MR 與時間t 之間進行回歸擬合,基于評價參數,即確定系數(R2 ) 、均方根(RMSE) 和卡方(χ2 ) ,綜合分析可得,Midilli and Kucuk模型的擬合效果最好,其R2 均高于0.9992。對工業生產中胡蘿卜干燥具有重要指導意義。

  (3) 通過對lnMR 與t 進行擬合,得到Deff在6.717 ~18.594 × 10 -10 范圍內變化;運用Arrhenius方程,可得活化能為31.46 和33.06 kJ /mol。

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