过热蒸汽干燥及其在食品干燥中的应用.pdf

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 收稿日期 2007 11 06 基金项目 国家科技支撑计划项目 2007BAD66B04 作者简介 白丽青 1983 女 河南南阳人 硕士研究生 E mail bailiqing2008 163 com 通讯作者 马晓建 1953 男 河南驻马店人 教授 博士生导师 过热蒸汽干燥及其在食品干燥中的应用 白丽青 马晓建 郑州大学 化工学院 郑州 450001 摘 要 过热蒸汽干燥是最近发展起来的新技术 与传统热风干燥相比具有节能 环保 干燥产品质量好等优 点 在国外已经广泛应用于各个行业 国内研究较少 尚处于实验室研究阶段 其用于食品干燥是近20年发展 起来的 尤其是用低压过热蒸汽干燥食品等热敏性物料 避免了过热蒸汽干燥操作温度较高 从而影响产品质量 的问题 具有广阔的发展前景 关键词 过热蒸汽 食品干燥 干燥方式 中图分类号 TS205 9 文献标识码 A文章编号 1003 188X 2008 09 0158 04 0 引言 干燥作为加工过程的一个重要环节 已经广泛地 应用于化工 医药 食品及农副产品等加工行业 干 燥是能耗密度比较大的单元操作 在发达国家大约 10 的燃料用于干燥 并且干燥所耗能的比例占总能 耗的比例逐年增加 因此发展高效 节能 环保的干燥 技术具有较大的经济效益 过热蒸汽干燥指用过热蒸汽直接与被干燥物料 接触而去除水分的干燥方式 与传统的热风干燥相 比 这种干燥以水蒸汽作为干燥介质 干燥机排出的 废气全部是蒸汽 利用冷凝的方法可以回收蒸汽的潜 热再加以利用 因此 其干燥介质的消耗量明显减 少 故单位热耗低 1 国际干燥协会主席Mujumdar 把过热蒸汽干燥称为在未来具有巨大潜力和发展前 景的干燥新技术 1 1 过热蒸汽干燥的基本原理 1 1 过热蒸汽干燥的特性 1 1 1 过热蒸汽干燥的逆转点 研究发现 利用过热蒸汽进行干燥时 存在一个 温度点 在此温度以上时 用过热蒸汽蒸发的速率大 于用干空气蒸发的速率 在此温度以下时 则正好相 反 此温度叫做 逆转点 1 如图1所示 逆转点的 值可以用蒸汽干燥的基本模型进行计算 日本学者桐 荣良三研究逆转点所用的模型如下 Rt Q h Qr r w Qh Nu Tg Tw Qr Qr w Qrg 其中 rw 为表面水潜热 J kg Rt为蒸发速率 Qh为蒸汽对流换热 J m 2 h Qrg为干燥蒸汽辐 射热 J m 2 h Qr w为干燥机壁面辐射热 J m 2 h Qr为总辐射热 J m 2 h Tg为蒸汽温度 Tw为水表面温度 为对流换热系数 J m 2 h k 图1 过热蒸汽干燥蒸发速率与介质温度的关系 Fig 1 The relationship between medium temperature and drying rate of superheated steam 根据保罗豪森的传递方程或兰兹和马歇尔方程 确定的努谢尔特数 利用上述方程进行计算 可以得 出水分蒸发速率的曲线 各曲线将交于一点 该点对 应的温度即为逆转点 桐荣良三的模型已被很多学 者所证实 Taleb通过试验研究证实了逆转点的存 在 还证实过热蒸汽在不同条件下逆转点不是唯一 的 其中影响因素最大的是蒸汽的流态 2 连政国分 析认为 造成逆转温度存在的原因主要是干燥介质不 851 2008年9月 农 机 化 研 究 第9期 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 同的基本热力学特性及其在不同操作条件下不同的 变化规律 低温和高温时两种介质温度与物料表面温 度差以及两种介质对流换热系数随温度升高的改变 情况不一样等 3 1 1 2 过热蒸汽干燥的蒸汽压和平衡水分 过热蒸汽干燥用蒸汽作干燥介质 传质阻力小 无表面结壳现象 物料温度达对应压力下沸点温度 介质和物料的平衡水分较低 Beeby和Potter认为 过热蒸汽干燥 由于只有一种气态成分 干燥机内的 蒸汽压等于总的压力 如果要去除物料中的水分 必 须使周围的蒸汽压小于自由水分的蒸汽压 温度应高 于水分在对应压力下的沸点 1 1 2 过热蒸汽干燥的传热介质 有学者研究表明在过热蒸汽干燥过程中 并不改 变干燥过程的一般特性 1 即一般干燥过程的3个阶 段 一是加热升温期 这个时期湿物料吸收热从喂入 温度上升到开始蒸发水分 二是恒速干燥期 恒速干 燥条件下 只要物料表面保持湿润 水分蒸发速度就 不会改变 三是当水分降到不足使表面保持湿润时 进入降速干燥期 但是过热蒸汽干燥在这3个阶段 又有着不同于热风干燥的特性 如图2所示 图2 糖蜜废弃物干燥曲线 Fig 2 The dry curve of gooey castoff 过热蒸汽干燥中干燥发生在介质对应压力下的 沸点温度 因此在加热段涉及到大量的热传递 研究 表明 加热段会产生蒸汽凝结在湿物料的表面 凝结 的数量取决于被干物料的热扩散率 含水量及蒸汽的 过热度 3 恒速干燥段表面温度保持在干燥机操作压力下 的沸点温度 高于热风干燥 故水分扩散系数大 并且 干燥速率不受颗粒表面水分蒸发的影响 主要取决于 介质和物料的温度差和传热系数 Nomura和Hyodo 等人研究表明 在过热蒸汽干燥中恒速段比热风干燥 段要长 其主要原因是在过热蒸汽条件下 水分子更 活跃 2 过热蒸汽干燥的优点 1 可利用蒸汽的潜热 热效率高 节能效果显 著 英国Thomas用盘式过热蒸汽干燥机干燥陶瓷 粉 染料 每吨染料汽耗花费从20英镑降低到2英 镑 节能达90 瑞典的一种过热蒸汽干燥机干燥泥 炭土单位蒸发量的能耗仅为热风干燥的1 6 1 7 2 干后产品品质好 用过热蒸汽干燥的主要原 因是产品的质量得到改善 Davahastin等研究过热蒸 汽干燥胡萝卜块 发现复水性 颜色 维生素保留量优 于真空干燥 李业波等研究表明过热蒸汽撞击干燥 后样品的内部孔隙少于热风撞击干燥 截面也比较平 滑 样品的淀粉糊化度高于热风撞击干燥 5 3 过热蒸汽传热系数大 Potter和Keogh用流化 床干燥机干燥煤炭得出过热蒸汽干燥时传热系数为 200 500W 2 K 而热风搅拌式干燥其传热系数仅 为20 50W 2 K 4 过热蒸汽的比热大 蒸汽用量少 这就可以减 少设备的体积和废气的净化量 5 无爆炸和失火危险 过热蒸汽干燥无空气存 在 没有氧化和燃烧反应 一些通常不能用热风干燥 的食品原料 可以用过热蒸汽干燥 6 过热蒸汽干燥有利于保护环境 过热蒸汽干 燥是在密封条件下进行的 粉尘含量大大降低 用过 热蒸汽干燥可以消除城市垃圾 污泥等的臭味 7 过热蒸汽具有灭菌消毒作用 过热蒸汽干燥 物料的温度是操作条件下水的沸点温度 在干燥有灭 菌要求的食品原料和药品原料同时 能消灭细菌和其 他有毒微生物 3 过热蒸汽干燥的缺点 1 过热蒸汽干燥设备投资大 1 从原理上讲 热风干燥机均可改为过热蒸汽干燥机 然而 过热蒸 汽干燥喂料和卸料不能有空气渗入 喂入和产品收集 系统复杂 设备费和维修费用高 2 过热蒸汽干燥喂料易产生结露现象 1 过热 蒸汽干燥 温度超过100 当喂入大气温度条件下 的物料时 开始会有凝结现象产生 这就意味着干燥 时间要加长 3 过热蒸汽干燥不适合热敏性物料 由于过蒸 汽干燥物料温度超过100 对一些热敏性物料是不 适宜的 6 在真空条件下操作虽会使产品的质量得 到保证 又会提高设备的成本和操作的复杂性 但过 热蒸汽干燥过程中如果废气没有被充分利用 这种干 951 2008年9月 农 机 化 研 究 第9期 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 燥的节能优势是不存在的 1 4 4 过热蒸汽用于食品干燥的优势 在食品 药品等热敏性物料的干燥过程中 为了 保持物料中的有效成分 保证产品的质量 必须采用 较低的干燥温度 通常采用冷冻干燥来干燥此类物 料 但是冷冻干燥时间长 能耗大 经济效益低 因 此急需寻找一种低温 高速 能量利用率高的干燥方 法 过热蒸汽用于食品干燥是近20年来发展起来 的 但是由于温度过高影响热敏性物料的适应性 最 近又提出了用低压过热蒸汽干燥食品 并进行了研 究 用低压过热蒸汽干燥罗勒 又名兰香 叶子 发现 干燥过程不改变物料成分 且物料内芳香成分保留量 在80 以 上 而热风 干燥 只能 保留 初 始含 量 的 60 5 用过热蒸汽和真空干燥胡萝卜块发现 过热 蒸汽干燥产品维生素c的保留量高于真空干燥 其原 因是在过热蒸汽干燥过程中维生素c的氧化较少 6 大量学者对不同的食品如土豆片 面条 大豆 稻谷 蔬菜 虾米 鸡肉 各种水果片等进行了过热蒸汽干燥 的研究 研究表明过热蒸汽干燥食品和热风干燥相 比 除了节能环保等上述优点 还突出表现在干燥时 间短 物料收缩变形小 颜色保持新鲜 多孔 复水性 好和维生素含量高等方面 7 10 5 过热蒸汽干燥食品存在的问题 尽管过热蒸汽用于食品干燥具有明显的优势 但 是干燥过程中物料温度能够达到操作压力下的沸点 温度 可能会损害一些热敏性物料的有效成分 因 此 对一些要求温度很低的食品物料不适合 但是对 于可以承受较高温度的食品来说又能起到较好的杀 菌消毒作用 近来提出的低压过热蒸汽干燥通过调节 不同的操作压力 可以降低干燥温度 从而拓宽了过 热蒸汽干燥的适用范围 同时 还可以结合不同的干 燥方式 如干燥强度很大的撞击流干燥 来减少干燥 时间 从而限制物料的温升 保证产品质量 由于过热蒸汽干燥不能有气体泄漏 喂料和卸料 不能有空气渗入 这就需要有密封的喂料系统和卸料 系统 为了达到节能的目的 还要有相应的废气收集 系统 因此设备复杂 费用高 同时 由于某些物料可 能会引起设备腐蚀和锈蚀 因此对设备材料要求也较 高 设备的复杂性也导致了维修费用的提高 6 过热蒸汽应用于食品干燥的发展趋势 现有的各种过热蒸汽干燥机 如过热蒸汽陶瓷盆 干燥机 过热蒸汽流化床干燥机 带式过热蒸汽干燥 机 管式过热蒸汽干燥机 常压蒸汽干燥机 连续式无 空气干燥机 过热蒸汽输送式干燥机等 经对不同的 物料进行了实验研究 均取得了较好的干燥效果 中 国农业科学院的研究员用过热蒸汽对撞流干燥玉米 饼也取得优于热风对撞流干燥的产品质量 2 这种 干燥方式利用了撞击流干燥瞬间干燥的特点 从而避 免了温度高对物料有效成分的破坏 保证了产品质 量 近来国外学者致力于结合不同的前处理过程如 灭活 冷冻等物理处理过程和把物料在NaCl 甘油 离 子和非离子的表面活性剂中浸渍后再用过热蒸汽干 燥 发现前处理过程可以提高干燥速度 尤其是在温 度较低的干燥状况下对干燥速率影响更大 另有不 少学者把过热蒸汽干燥同其它干燥方法如热泵干燥 等结合起来对物料进行干燥 虽然干燥时间有所延 长 但是取得了比单纯的过热蒸汽干燥更好的产品质 量 过热蒸汽干燥与其它干燥方式结合起来以满足 各种物料不同干燥阶段对操作参数的要求 从而在节 能的同时保证产品质量 研究最多的还是利用低压过 热蒸汽干燥不同的物料 因为这种方法结合了过热蒸 汽和负压甚至真空干燥的优点 避开了常压过热蒸汽 干燥物料温度过高的劣势 扩大了过热蒸汽干燥对热 敏性物料的适应性 7 9 10 7 结束语 20世纪80年代以来 过热蒸汽干燥已经广泛应 用于化工 轻工等行业 在国外也对不同的物料进行 了大量的研究 但是在国内对这方面的研究非常有 限 而过热蒸汽用于食品干燥也是最近20年才引起 重视 并进行研究 过热蒸汽干燥对提高干燥效率 降低干燥能耗 减少环境污染 提高产品质量具有重 要的意义 是一种很有发展前景的干燥新技术 因 此 把过热蒸汽用于食品干燥有着广阔的前景 参考文献 1 潘永康 现代干燥技术 M 北京 化学工业出版社 1998 2 连政国 曹崇文 过热蒸汽干燥的发展现状 J 农业机械 学报 1996 4 136 141 3 连政国 蒋金琳 刘学兵 等 过热蒸汽干燥逆转点的直观 分析 J 农机与食品机械 1999 6 6 8 4 Beeby C Potter O E Steam drying J Drying 85 1985 2 41 58 5 李业波 J Seyed Yagoob i R G M o reira 食品过热蒸 汽撞击干燥的试验研究 J 农业机械学报 1999 6 73 061 2008年9月 农 机 化 研 究 第9期 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 77 6 S Barbieri Elustondo M Urbicain M Retention of aroma compounds in basil dried with low pressure superheated steam J Journal of food engineering 2004 65 1 109 115 7 Devahastin S Suvarnakuta P Soponronnarit S et al A com2 parative study of low pressure superheated steam and vacu2 um drying of a heat sensitive material J Drying technolo2 gy 2004 22 8 1845 1867 8 Suvarnakuta P Devahastin S Mujumdar AS Drying kinetics and beta carotene degradation in carrot undergoing different drying process J Journal of food science 2005 70 8 S520 S526 9 Chatchai Nimmol Sakamon Devahastin Thanit Swasdisevi et al Drying and heat transfer behavior of banana undergoing combined low pressure superheated steam and far infrared radiation drying J Applied Thermal Engineering 2007 27 14 15 2483 2494 10 Namsanguan Y TiaW Devahastin S et al Drying kinet2 ics and quality of shrimp undergoing different two stage dr2 ying processes J Drying Technology 2004 22 4 759 778 Superheated Steam Drying and the Study of its Applications i n Food Drying BA ILi qing MA Xiao jian College of Chemical Engineering Zhengzhou University Zhengzhou 450001 China Abstract Superheated steam drying is a new technology developed recently compared with conventional hot air drying it has some advantages such as energy consume saving environment protected the quality of products superior and so on itwaswidely used in many industries overseas but the study in country is very few only in experimental stage and its utility in food industry has been developed for 20 years especially dryied with low pressure superheated which avoid the disadvantages of products qulities dried use atmospheric pressure or higher itwill be widely developed in the future Ar the same time the combination of superheated steam drying Key words superheated steam food drying dryingmethods 上接第157页 Abstract I D 1003 188X 2008 09 0156 EA Study on Modeling of AgriculturalDecision Support System Based on U ML PENG Ying qiong 1a ZHANG Yong hong 2 YIN Qing 1b HUANG Da xing 3 1 a Department of Software b Office of International Exchange JiangxiAgriculturalUniversity Nanchang 330045 Chi2 na 2 Depart ment of Computer Nanchang Institu