文雪英,周家华
(华南农业大学食品学院,广东广州510642)
摘 要:介绍了过热蒸汽干燥的原理,对比分析了过热蒸汽和热风干燥在热利用效率、干燥成品品质及在热敏性食品
中的应用、干燥速率及设备要求方面的优缺点,论文还论述了过热蒸汽干燥模型的建立,介绍了过热蒸汽干燥的理论研究现状。
关键词:过热蒸汽干燥,热风干燥,干燥模型,热效率
＊
Superheatedsteamdryinginfoodindustry
＊
WENXue-ying,ZHOUJia-hua
(CollegeofFoodScience,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China)
Abstract:Theprincipleofsuperheatedsteamdrying(SSD)wasintroducedinthispaper.Thecharacteristicsof
SSD,suchasthethermalefficiency,productquality,applicationsinheat-sensitivefood,dryingrate,equipmentrequirement,energyrecycleofusedgaswereanalyzedbycomparingwithhotairdrying.ThemathematicmodelsanddevelopmenttrendofSSDwerereviewedaswell.Keywords:superheatedsteamdrying(SSD);hotairdrying;dryingmodel;thermalefficiency中图分类号:TS201.1 文献标识码:A 文章编号:1002-0306(2009)10-0370-04 干燥操作或是出于食品贮藏保鲜的需要,或是作为一种加工工艺,在食品工业中广泛应用。干燥技术有三项重要的指标:一是产品质量,二是节能,三是环境影响。热风干燥是最传统的也是目前最普遍的工业干燥方式之一,但热风干燥容易引起成品品质下降;热效率较低、能耗高;同时排出大量的废热空气影响环境。过热蒸汽干燥是一种利用过热蒸汽作为干燥介质对湿物料直接或间接加热,除去物料中部分水分使之达到期望含水率的干燥方式。与热风干燥相比,过热蒸汽最显著的优点是热利用。目前国效率高,节约能源;其次产品品质较好
内外过热蒸汽已广泛应用于木材、纸张、煤炭、污泥等的干燥,在食品工业上的应用发展比较晚,但潜力
[4]
巨大。国际干燥会议主席Mujumdar在第十四届国际干燥学术会议(IDS2004)上指出,食品过热蒸汽干燥是全球干燥技术十大发展趋势之一。本文首先分析过热蒸汽干燥的原理,再对比热风干燥,详细分析了过热蒸汽干燥的优缺点,深入介绍了过热蒸汽干燥理论研究方面的进展。
收稿日期:2008-12-23 ＊通讯联系人
作者简介:文雪英(1985-),女,在读硕士,研究方向:粮食油脂蛋白质
工程。
[2-3]
[1]
1 过热蒸汽干燥的原理
过热蒸汽干燥和热风干燥一样,也是利用其干
燥介质的不饱和性达到干燥的目的。过热蒸汽干燥中只有一种气体成分存在,水分从湿表面移动不是
[5]
通过扩散作用而是通过压力差产生的体积流。假
[6]
定物料水分活度为1,水分蒸发速率可利用Maa提出的水和纯水蒸气系统的水分蒸发公式计算:
0.5
-0.5-0.5
[P-P]式(1)STSVTV
2式(1)中:PPa;TS为物料水分表面压力,kS为物料表面温度,K;PPa;TV为水蒸气压力,kV为水蒸气温度,K;M为摩尔质量,kg/kmol;R为气体常数。
将Clapeyron方程引入式(1)中,得到蒸发速率:
5
MλM0.e-式(2)N=2πRR式(2)中:Pa为大气压力,kPa;T;λb为沸点,K为水蒸气潜热,kJ/kg;δ。T为蒸汽过热度,K
可以看出,过热蒸汽流速越大,干燥速度越快;蒸汽温度越高即过热度越大,干燥速度越快;蒸汽压力变小,饱和温度降低,干燥速率变大,且有利于热敏性物质的干燥,但是蒸汽压力并不是越小越好,压力越小,介质密度越低,热容量越小,蒸汽携热能力
[7]
减小。
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370
过热蒸汽和热风干燥一样,也可分为三个阶段。第一阶段为加热升温期,湿物料吸收热量,温度上升至对应压力下的沸点温度;第二阶段,物料继续吸热,但温度保持不变,物料表面保持湿润;这两个阶段均为恒速干燥阶段,干燥速率主要由外部变量如过热度、压力和流速控制;第三阶段,物料温度继续上升,当水分降到不足使表面保持湿润时,进入降速干燥期,内部水分迁移成为主要控制因素
[8]
汽干燥的猪肉颜色较红较暗,但是颜色更加均一。
[13]
再次食品营养物质保留率较热空气干燥高。Aline在干燥土豆片时发现同在130℃、100W/m℃条件下,过热蒸汽干燥下的维生素C保留率从热空气条件下的21.43mg/100g上升到25.48mg/100g,变化显著;
[14]
Somkiat也发现过热蒸汽较热空气干燥的大豆,蛋白质溶解性好,抗营养因子脲酶失活率相对较高,营养更易吸收。
但是过热蒸汽温度较高,不适合一些常压下需要在100℃以下干燥的物料。因为物料迅速达到较高的温度,长时间高温对一些热敏性维生素、蛋白质和酶造成破坏,同时有些物料可能产生熔化和不希
[15]
。这种情况下采用低压望的变色,降低产品品质
过热蒸汽干燥,更能保证产品质量。
。
2 过热蒸汽干燥的特点
2.1 干燥的热效率
过热蒸汽干燥较热空气干燥热效率高。一般干
燥过程中能量消耗主要体现在三个方面:设备热量损失;物料升温耗能和废气带走的能量。不考虑前两个方面,过热蒸汽较热空气干燥废气带走的能量少,且品位高,容易利用。
实际生产中,两种干燥方式都采用了尾气循环技术。假定两种干燥方式都最大限度回流尾气,即排出最少的废气,过热蒸汽干燥器进口可全部采用从出口回流来的尾气,排出的废气为物料蒸发出来的水汽;而空气干燥受到湿度的限制,不可能100%使用回流来的空气,必须补充一定量的新鲜空气,这样废气中除了物料蒸发出来的水汽,还含有大量的
[9]
热空气,这部分热空气带走大量的热量。
考虑到对废气的利用,由于水的汽化潜热比水和空气的显热要大得多,对废气中水分潜热的利用程度决定了对废热的利用大小。热空气干燥的废蒸汽被空气稀释,其汽化潜热要在比热空气温度低很多的条件下才能释放。例如含水15%的废气饱和温度为53℃,要回收蒸汽潜热,需将其降温至40℃或更低,对于大多数工厂来说,这种低温度热能没有利用价值。过热蒸汽干燥废气温度较高,其极限是对应操作压力下的饱和蒸汽,可直接用作传统工艺的热源;也可通过压缩或加热提高蒸汽品位后用于其他工艺;华南农业大学食品学院在方便米饭的研究中,将废气用于米饭的蒸煮,取得了较好的效果。据相关文献报道,在纸张和纺织品中使用过热
[10]
。但是蒸汽干燥仅消耗热风干燥1/4～1/2的能量
目前国内以中小型企业居多,过热蒸汽干燥废气利
用尚不充分,影响了过热蒸汽干燥的对比热效率和经济效益。
[1]
2.3 干燥初始阶段物料水分含量上升
热风干燥中虽然也含很多的水汽,但是由于大量空气的存在,水汽的凝结温度很低,因此在热风干燥中,即使进口物料温度很低,热风中的水分在物料上凝结的现象也很少。很多研究表明,不管是常压还是低压下的过热蒸汽,在干燥初始阶段,高温水蒸气与湿物料接触时,往往有部分水蒸气冷凝,物料湿
[13,16]
。度上升,干燥过程第一阶段时间延长
在干燥室内安装加热系统,提前升高干燥室温
度或预热物料,或采用过热度更大的蒸汽都可减少物料湿度的增加,但这几种方式都很难避免冷凝现象的发生
[3,17]
。
2.4 相对热风干燥的速度逆转点
当温度高于某一温度时,过热蒸汽干燥速度比热风干燥快,低于这个温度时正好相反,常将这个温度称之为“逆转点”温度。这个现象是Wenzel和
[18][19]
White第一次发现的,Schwartze和Brocker得出在不同的实验条件下这个温度大概在433.15～
[20]
533.15K,Yoshida和Hyodo实验表明,逆转点温度在433.15～449.15K。
各项研究表明,两种干燥方式下水分有效扩散速率随温度的相对变化是逆转点温度存在的原因。Somkiat研究表明有效扩散速率随干燥介质温度升高而变大;温度低于120℃时,过热蒸汽干燥有效扩散系数小于热空气,且相差较大;温度增加,两者之
[21]
报道间差异变小,至150℃时二者差异很小。Chu不同比例的热空气和过热蒸汽混合气干燥,在低温
阶段,纯热空气干燥速度较快,过热蒸汽比例大的干燥速度慢,但随温度升高显著增加,至一定温度时纯
[8,22]
过热蒸汽干燥速度变为最大。连政国分析当温度变化相同时,热空气的相对湿度变化小,而过热蒸汽的相对湿度变化大,水分有效扩散速率变化相对大,当介质温度超过一定数值时,两种干燥方式的速度规律呈现质的变化。
逆转点温度可以利用日本学者桐荣良三建立的数学模型来计算,分别求出两种干燥方式的蒸发速率曲线,曲线交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。
[23]
[14]
2.2 干燥成品品质
热风干燥中,常常由于食品内部水分扩散速率不及外部水分扩散速率,表面形成硬壳,内部出现结构不均一的情况,且食品物料与热空气流中的氧气接触,易发生氧化变色,营养损失大。
过热蒸汽干燥可以有效减少这些情况的发生。首先过热蒸汽干燥产品硬壳出现少,物料内部结构均一,这对于后续需要复水的食品很有利。Iyota等对鲜切土豆片进行过热蒸汽与热空气干燥对比研究发现,过热蒸汽干燥的土豆片硬壳层很薄,土豆片截面淀粉糊化充分,空穴分布均匀。其次过热蒸汽干燥中物料氧化反应发生少,利于保存食品原色、减
[12]
少褐变,保持色泽均一。Narong研究表明过热蒸
[11]
2.5 干燥过程的多功能化
371
过热蒸汽干燥含有大量高温水蒸气,可集物料漂烫、蒸煮、杀菌、干燥于一体,改进或简化生产工序,提高生产效率。Chaiyong等进行了过热蒸汽干燥生产方便米饭的研究,通过温度和湿度的控制将蒸煮和干燥操作一同进行,简化了生产工艺。Pronyk研究了不同温度和流速下的过热蒸汽干燥,通过面条成品质地和物理性质的比较,得出了非油炸速食面条的最佳工艺。其也将过热蒸汽干燥用在被污染的小麦上,大大降低了面粉中脱氧瓜萎镰菌
[25][26]
。Nygaard采用300℃的过热蒸汽干燥醇的含量
鱼丸,发现分别在0.33s和小于0.10s的时间内,梭菌
孢子和大肠杆菌数量就可以减少90%,而利用相同温度的热空气达到同样的效果分别需要54min和1.12min。
[24]
[15]
件时的随意性。
[27]
连政国利用数理统计的方法,建立了玉米过热蒸汽薄层干燥回归数学模型,并对模型进行了实
[28]
验验证;Somchart等建立了过热蒸汽干燥速食米饭的数学统计模型,推出了米饭温度和湿度的变化;Chaiyong则考察了干燥过程中床层深度、蒸汽流量及温度与大米胶凝状态、湿度及温度变化的关系。
[30]
Frydman采用计算流体力学方法模拟了过热蒸汽喷雾干燥中物料和干燥介质间动量、热量和质量的传递,考虑了干燥过程中物料的收缩,描述了干燥室内气体温度和速度分布,物料运动轨迹和干燥室的粘壁现象。
总的来说,目前过热蒸汽干燥的模型研究还处于起步阶段,有待进一步完善。
[29]
2.6 干燥设备要求
过热蒸汽的干燥设备大致可分为三个部分:过热蒸汽发生装置、干燥室及蒸汽回收装置。图1是一个典型的过热蒸汽干燥设备原理示意图。过热蒸汽发生器产生过热蒸汽,干燥后得到成品和尾气;部分尾气经加热或经机械压缩除去冷凝液后再减压得到循环蒸汽;另外部分作为废气排出,废气或直接利用,或将热量转移得到可利用热能,或直接排出
[1,3]
4 食品过热蒸汽干燥的前景
食品过热蒸汽干燥较传统的热风干燥节能且干
燥成品品质好,虽然食品过热蒸汽干燥研究尚处于起步阶段,大多限于实验研究,研究对象种类有限,热量实际回收还有待改进,理论研究也有待深入,工业应用不够广泛,但随着国际能源的日益紧缺以及人们对食品品质的日益提高,基于过热蒸汽干燥的诸多优点,将其与其它干燥形式和干燥参数有效结合,将高品位的废热综合有效利用,食品过热蒸汽干燥尤其是低压过热蒸汽干燥必将得到越来越广泛的应用。
。
参考文献
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图1 过热蒸汽设备原理简图
过热蒸汽干燥器与热风干燥器的最大区别就在于多了一个蒸汽发生装置,实际生产中干燥室的形
式并无太大区别。主要有卧式、流化床式、转鼓式、喷雾式及对流碰撞式
[27-30]
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19
,可采用常压或低压过热
蒸汽。
过热蒸汽干燥设备的密闭性和绝热性能要求较高,尤其是在非常压的干燥系统中对喂料和排料系统的要求更高,绝热性能不好,干燥系统内部温度降低,过热蒸汽发生冷凝,干燥速率和干燥能力降低。同时过热蒸汽是高温条件下的水蒸气,若食品中存在不良气体,可能对设备形成一定损害,如干燥硫磺熏制过的食品,产生的SO2易与高温水蒸气反应生O成H2S3,腐蚀设备。这样对设备材质的抗腐蚀和抗锈蚀性要求提高,设备费和维修费相应提高
[1]
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。
3 食品过热蒸汽干燥的数学模型
现有的过热蒸汽干燥的数学模型可以分为两种:一种是利用数理统计方法,建立热量、质量和能
量传递的回归模型,一种是利用相流理论和计算流体力学(CFD)方法,模拟干燥室内相流动和温度、湿度变化。研究过热蒸汽的干燥模型,不仅可以分析传递机理,模拟干燥过程中热和质的变化,也可以优化干燥操作条件,以避免在确定设备尺寸和过程条
(下转第375页)
372
产品质量、成本、价格等方面的竞争将越来越显现,需要全行业向管理深度和广度进军。粉的上游产品,马铃薯全粉加工是对薯条加工的综合利用或废物利用,进而产生一个更加科学合理的产业“组合拳”,这种模式值得我们借鉴与学习。
在市场开拓方面,我们应当在产品用途的扩展和国际市场的开拓方面进行推进。目前,不少企业开发方便薯泥取得市场认可,还有不少企业在非油炸马铃薯休闲食品方面下了功夫。其实,配用马铃薯全粉的方便食品很多,需要抓大不放小,认真开发。国际市场是发展潜力较大的一个方面,虽然当前全球同陷经济困境,但人们基本的生活消费不会减少,我国的马铃薯全粉价廉物美,深受欢迎。
6.4 投资制约
今后投资规模的控制十分重要。目前,我国市场上马铃薯雪花全粉的价格普遍在8000～9000元/t,大大高于淀粉价格。较大的利润空间引发人们对马铃薯全粉的投资欲望,甚至选择投资价格昂贵的进口设备。但随着市场越来越成熟,我们应当理性地选择投资方式和规模,防止因投资过大而导致经营亏损。实践表明,国产设备同样能达到国外同类产品的技术水平,具有较高的性价比,可以大大缩短投资回收周期,提高投资回收率,应为大多数用户首选方式。
8 结论
我国马铃薯全粉加工业发展迅速,马铃薯全粉的应用前景广泛,国产马铃薯全粉加工设备技术成熟。依靠技术创新和市场开发,中国马铃薯全粉加工业一定能走出一条多快多省的发展之路。
7 对马铃薯全粉行业发展的浅见
技术进步和市场开拓是我国马铃薯全粉行业发展的两大支柱。
在技术进步方面,一是要从全球薯类产业发展的大趋势出发,抓好适合高品质马铃薯全粉生产需要的马铃薯薯种改良,种植管理技术提高以及加工技术革新,二是要从节水、节电、节气等节能技术和环保技术下手,着力加强企业管理和产业链延伸管理,真正打造出多快好省发展马铃薯全粉加工产业的模式。目前,国际上将马铃薯薯条作为马铃薯全(上接第372页)
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