摘要
大气压力下通过床面的细颗粒吸附剂冷冻干燥在食品方案的提出对脱水食品产业意味着生产要比传统真空冷冻干燥生产过程消耗更低的成本。这篇文章的目的就是评估在大气压力下在产品在车床的加工过程中传质，传热的协同因素所起到的作用和分析传输效率和可变性操作对冷冻干燥率的影响。实验将把圆筒中的土豆作为实验材料，实验的结果的讨论也会使该技术得到进一步的发展和优化。 关键词：传热，传质，流动床面，冷冻干燥
1介绍
冷冻干燥是通过升华使冷冻食品中的水分移除的一项运用广泛的脱水技术。由于能够预防热损伤，冷冻干燥得到的食品质量要不其他技术的得到的好的多，现实中，在低温下冷冻干燥伊始，食品就保持着必要的冷冻状态，这也使食品中的营养成分保持的非常完好。不仅如此，归功于冷冻干燥技术直接使食品中的水分以蒸汽水晶的形态移除，得到的食品表现出互
联的多孔结构，这使食品的水化能够非常有效。从而，新鲜食品的口感和外观在水化后能够回复得很好。
真空下进行的过程是为了使在脱水状况下水蒸气和温度低于合格产品的渗透度。常规设备主要由在真空室用一系列的托盘来容纳冷冻的脱水产品(Mellor, 1978; Oetjen, 1999).热量和质量转移是同时开始的，热量通过接触或辐射传递到产品中，升华凝结成的水蒸气盘旋的漂浮，然后在里面凝聚在一起，真空泵去除冷冻干燥室内的凝结气体。 这种技术最大的缺点是维修和操作方面的高费用，后面集中于所涉及能源使用的一系列过程：冷冻的新鲜食品和加热的冷冻食品在低温下诱导升华，冷凝水蒸汽和为维持真空的机器能源消耗。此外，真空操作进行主要是间歇的，这样有代表了额外的能源消耗和一些有关真空操作设备所需的能源消耗。
这项技术限制于有限的食品行业而且约束于使用冷冻干燥的高附加值产品，类似于浓缩咖啡和婴儿食品。直到最近，提出在为汤类和美味佳肴准备的蔬菜和水果等高品质材料上使用冷冻干燥技术。
命名法
传统的冷冻干燥技术的限制是在真空条件下过程中热的传导和内部气压的减少(King, 1970; Liapis, 1987).为了提高热传导效率，两种不同的方法被使用：传统方法的修改(Carn & King,1977; Goldblith, Rey, & Rothmayr, 1975; King, 1970;Wolff & Gibert, 1988)和大气压下在布满吸附式材料和流动冷空气的流动床面上的操作(Boeh Ocansey, 1985; Lombrana
& Villaran, 1996; Wolff & Gibert, 1990a). 这一进程的主要优点是简化真空的情况下配适的仪器室和配套设备降低大量能源成本。这个简化过程也产生于从外部到内部传递能量的装置的缺乏，这种吸附材料同时扮演着双重角，吸收升华凝结的水蒸气和提供升华时吸收的热量。此外，流动床面上的操作得出了外部能量传递率，并且已经被Dons_ı Ferrari (1995) 和De Vita所讨论过。在流动床内的颗粒物和沉浸屋的导热系数的量级要大于之间的气体和固体。
除此之外，推荐的大气压操作过程，即通过传导内部的热传递效率增加。被多位作者所讨论，原因在气压下气体热传递系数的增加，主要的缺点是由于冷冻干燥系数的减少而导致过程时间的增加，另一个次要原因是内部气压的增加导致的水蒸气散步的减少。
在这份报告上，对于土豆实验的一系列主要变化以及对热量，质量的传递系数在附有吸附
物的流动床面的传递过程中扮演的角的讨论分析结果被列出。一份关于内部和外部的热量和质量传递系数的简单的评估模型会在初步的分析过程中被当做有用的工具。
2，材料和方法
2.1材料
当地市场买来的新鲜土豆被用作实验，土豆被去皮，切成圆形的样本然后冰冻在-0.18。c。气缸的长度始终为10毫米，而三不同直径的样品（6，8和11毫米）测试，以评估此参的效果脱水率。
2.2实验设立
大气压下的冷冻干燥示意图如图1，冷冻干燥室是一个80ID和450mm高度的作为外壳的不锈钢柱，以及用玻璃纤维隔离。室内的圆柱和内表面之间用低温控制的含量60%的乙醇作冷剂。流动气体为空气。在硅胶固定床除湿然后在一个热交换器中冷却。冷空气和周围空气混合，热压结黄铜分配器使床面的流动物质均匀分布。一个不锈钢的固定床放在分配器上面，提供更多的冷冻气流。吸收剂的流化床位于金属球状的固定床上，表1给出了吸收剂
颗粒的特点。流化列的顶部是一个透明盖，允许连续监测流化条件下的冷冻干燥室。气流和床体的温度用热电偶测量。床体的温度保持在零下10度到零下5度。确保产品的温度总是低于吸附床面上的水蒸气分压的3个点，系统操作相似于密集电路，当冷冻干燥温度达到了测试温度，金属筐中的冷冻物品被放入操作床上。样品在规定的温度取出然后放在105.c温度的炉中干燥称量以确定干固体重量。
3估指热和传质系数
在传热传质同时发生的时候，这种吸附材料的一项主要优点是吸热和放热处于同样的量级。就不需要在释放多余的能量来诱导升华的产生。在内部反应条件下热量从吸附物中转移到产品的表面然后用于升华。升华而成的水由于浓度的增加扩散到外表层然后被床面的吸附材料吸收。
比较其他相关的技术，这种材料的应用可以很大的提高热传导和质传导的系数。关于被干燥的样品的初步分析和运行床面的结果被用来预测实验过程中外表面操作的影响。通过干燥系数估值的传热和传质系数。这样可以表示剩余水分的含量，反应速率（不同温度下和不同压力下的材料）和产品的物理特性。
3.1热传导
在准稳态条件下举行的假设，在圆柱坐标系中的热平衡方程可以写成如下形式：
冷冻干燥过程中进一步传递的热量被用于冰的升华，下面的方程：
方程2代入方程3，方程变为
通过（）得出一条直线，通过这条线的截距和斜率能够的到热转化率的值，在图2中选定一个操作条件作为式子，根据这种方法，不同样品的传递率能够在式子二中被计算和数据。这些数据能够证明冷冻干燥过程中热传导系数要比传统的冷冻干燥技术有更高的量级。实
验得出得结果也用来比较Dons_ı et al.在过去不完全实验的基础上所做出的预测。描述流动机床和浸入项目中的热传导现象。
式中的数字常量6在下面的固定值9和下面多个的活动值10
空格3中的传热值是三个式子的平均数用来比较模型的估计值，一个在实验和计算中十分切合的值被得出，这证明实验的有效性和在温度范围以外以前的实验也用过。
3.2质量变化
在准稳态条件下进行的假设,圆柱体坐标中质量平衡可如下表示
质量流出和脱水的比例关系可如下表示
从比例作为得到的点，图4.质量传输系数可以从这条直线的斜率和截距得出。
表格3中包含不同反应条件下和不同样品所得出的质量传递系数的值，随着样品试验尺寸和温度的增加是能够测算出传热和传质的系数的，这与原来的文献中所得到得值是一致的，在相同的条件下。(Dons_ı & Ferrari, 1995; Dons_ı et al., 1998; Prins, Casteleijn, Draijer, & Van Swaaij, 1985).
这个部分是非常重要的即传热传质系数在这种干燥冷冻技术中要比传统的在真空条件下的冷冻干燥技术工程中的要高出不少。(Boeh Ocansey, 1988).流化床的这一特点使其变为一项前景十足的应用技术方法。
然而，外部对传热和传质的阻力只在初期起到作用，事实上，在大气条件下冷冻干燥，操作过程中压力的增加使反应温度增加，但同时，它又使有效的扩散减少。(Liapis, Pikal, & Bruttini, 1996). 因此，内部质量过程的限制阶段代表 转移而传统真空条件下的冷冻干燥中代表的是热的转移。
4，操作变化的影响
土豆试验中由于气压变化而变化的冷冻干燥系数变化带来的影响调查的结果
• 冷冻温度
• 真空床流动床温度
• 样品尺寸
• 流化速度
• 吸附材料种类
• 吸附材料的尺寸
• 产品/吸附物的比
• 重生温度
估算冷冻温度对样品的影响，在液氮中样品被冻结在不同的温度下-10, -20, -50 _C, 图5演示，脱水率随冻结温度上升中。冰冻的大小与冻结的程度有关，在低的冻结程度减少。这
是普遍现象的核心。在冷冻干燥的多孔层干固的形式和毛孔的大小直接关系到冰晶的大小，冰晶越大，孔的直径越大。水蒸气越易扩散则干燥层中样品的气孔越小，而且这被发现与过程时间的减少有关。越高程度的冷冻会损伤产品多孔的结构而造成营养成分的损失同时也会影响产品水化后恢复的程度。这表明，这个变量应慎重选择根据食品的性质和参考干燥产品的质量优化。
从fig6可以很清楚地看出床面温度对土豆实验干燥冷冻系数的强烈影响，在其中不同操作下所得到的数据都已标出。从中看出越高的流化温度越高的反应速度。但是床面的温度不能够随意增加，因为必须避免产品在此温度下融化，床面温度增加，则水蒸气的压力便会减小。结果是，传质过程中的力量，就是在不同温度下的吸附材料的pi和pe会增加，然后冷冻干燥系数也会增加。从实验数据来看，床面温度的增加不会影响到热传导的过程。事实上，在所有的实验中，床面和样品的温度不会差异于0.6度。
流化温度对于脱水指数并没有什么重要影响在图7中展示，这个结论确定了传质内部的扩散才是传质过程的限制，而表面的传质只在内部的过程中起到作用。
吸附材料的特性也从实验中获得出来。实验用图标中标出的不同特性的材料分别进行。
用不同材料得出的圆柱中土豆的脱水指数已经展示在图8中。最高冷冻干燥率在沸石床检测和干产品质量得到也是非常好。虽然如此，材料的效率并不是唯一的选择标准，其他的标准例如与食品的兼容性也是选择条件。为了满足这一要求，玉米粉，麸皮，膨润土和淀粉也被使用。通过观察玉米粉是最有效的吸附材料，但是由于它外表的坚硬和锐利，力的摩擦会引起食物的损伤。麸皮和膨润土能够获得良好的结果。后者的材料被广泛使用在食品工业中的酒过滤，果汁澄清和油脱。有几个应用技术报告了利用膨润土作为食品水分吸附剂的效果。(Barbanti,D_Orazio, & Versari, 1997).
很多问题在淀粉实验中被发现，这种材料的平均直径是20微米，在流化过程中，淀粉的形成过程的不平衡造成在流动床渠道上凝结。这种现象随着时间更为明显，这是因为床含水量的增加，从而形成粘性颗粒。
图9中展示吸附材料的尺寸也会影响冷冻干燥的系数，能够看出越小的尺寸越高的冷冻干燥系数。考虑粒子的数量与产品接触的过程中，这可以解释。随粒径的增加。因此，每单位体积的床吸附率增加。图9是指用不同大小的麸获得的数据，但与其他吸附剂获得类似的结果。
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