初始非饱和多孔介质冷冻干燥传递机理和实验研究

冷冻干燥非常适合于食品、药品和生物制品等热敏性物料的脱水，但是其过程能耗高的问题仍未找到有效的解决途径。考察冷冻干燥过程的能耗份额分配发现，升华干燥能耗占过程总能耗将近一半，因此强化升华干燥速率对提高过程的经济性具有重要的影响和作用。研究证明，冷冻干燥的主要传递阻力来自于水蒸汽在多孔干燥区的迁移，取决于物料冷冻阶段形成的孔道大小。为了缩短冷冻干燥时间，提高能量利用率，本申请者提出：初始非饱和多孔介质冷冻干燥。其要点是：首先将待干液体冷冻成像"冰激凌"一样具有一定初始孔隙率的物料，然后再进行冷冻干燥。这一全新的冷冻干燥技术具有产品质量高，干燥速率快和操作简单的优点。本研究首先从理论上验证初始非饱和多孔介质对冷冻干燥的强化作用，然后再在实验上验证所提创意，最后将模型预测与实验结果相比较以期获得良好的吻合。该基础研究是产品高质量和过程低消耗的完美结合，研究成果将推广到生物制品加工和制药行业上。

为了缩短冷冻干燥时间，提高能量利用率，我们提出了“初始非饱和多孔介质冷冻干燥”的技术思想。其要点是：首先将待干液体冷冻成像“冰激凌”一样具有一定初始孔隙率的物料，然后再进行冷冻干燥。本项目研究旨在从理论上和实验上验证初始非饱和多孔介质对冷冻干燥水溶液过程的强化作用，使模型预测和实验结果良好吻合。采用新的吸附-解吸平衡关系，并考虑了吸湿效应，首先建立了一个全新的非饱和多孔介质冷冻干燥一维热、质耦合传递模型。模拟结果表明：初始非饱和多孔物料确实能够显著减少干燥时间，达到强化冷冻干燥的目的。随初始孔隙率ε0(1-S0)的不断增大，干燥时间逐渐缩短；在物料初始饱和度S0为0.30~0.35时，干燥时间达到最短。对有效质量扩散系数KS和有效导热系数λ+KTΔH分析发现：随着冷冻干燥进行，物料瞬时孔隙率ε0(1-S)不断增大，过程由传质控制逐渐变为传热控制。然后设计、加工和组装了一套实验室规模的多功能冷冻干燥装置。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率的冷冻物料。实验结果表明：初始非饱和物料对冷冻干燥过程确实具有显著的强化作用。初始饱和度S0为0.28的物料干燥时间比常规饱和冷冻物料能够节省36%。初始饱和度越小，干燥时间越短，干燥产品的含水率越低。干燥产品的断面SEM图像显示：常规饱和冷冻物料的固体骨架呈现非晶型的薄片状；而初始非饱和物料的骨架是由棒状的晶体组成，具有连续孔隙空间和固体骨架。最后，推导并数值求解了冷冻干燥二维数学模型。采用了具有普遍化意义的Kelvin方程形式的气体在多孔介质中的吸附平衡关系。模型预测和实验测定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，研究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。“初始非饱和多孔介质冷冻干燥”的创意是产品高质量和过程低消耗的完美结合。本项目研究结果必将对传统的冷冻干燥过程产生极其深远的影响，从而建立一个全新的前所未有的液体物料冷冻干燥方法。