固体食品流态化超高温杀菌技术研究

论文摘要

对杀菌技术的领域性分析发现,低酸性、高水分活度、长架寿固体食品的杀菌缺少一种杀菌品质明显优于传统杀菌釜杀菌技术的先进杀菌技术。这种情况造成了固体食品的热敏性成分利用率低和杀菌加工范围限制,还成为中国传统食品工业化的技术瓶颈。流态化固体食品超高温杀菌技术可能解决这一问题,该技术具有全新的技术原理:在无蒸发条件下流态化加热食品颗粒,达到杀菌条件后,再通过减压蒸发冷却或流态化冷却,实现超高温杀菌过程,并通过小量食品的快速杀菌来实现工业生产所需要的效率,是目前唯一一种最终产品是纯粹固体的主食固体食品超高温杀菌技术原理。通过对流态化固体食品超高温杀菌的流体力学、传热学、品质变化动力学、微生物致死动力学和传质学分析,得到相关传递过程和杀菌核心参数基本控制方程,确定和推导出适用的理论基础和计算公式。在完成气固和液固流态化操作条件及表面换热计算后,通过Matlab6.5和ANSYS8.0软件编程以解析或数值方法求得颗粒内部温度分布和可溶性成分浓度分布,在此基础上进行品质变化动力学、微生物致死动力学和传质学分析计算,获得流态化固体食品超高温杀菌的主要技术特征、特性参数和应用范围。发现流态化固体食品超高温杀菌技术具有较宽的流态化操作范围,气固流态化的主要流型为聚式,而液固流态化的流型为散式,同时液固流态化的形成受到两相密度差的限制;流态化对流加热具有流体颗粒表面换热系数高并且所有颗粒换热均匀一致的优势,其内部热传导受表面换热系数和颗粒直径影响很大,直接影响到杀菌品质,直径越大,杀菌品质越差。采用减压蒸发,直径0.25-1.50cm颗粒在7.74-137.6sec/145℃即可达到目标F值;通过不同表面换热系数对杀菌时间影响关系的数值模拟和非线性数据拟合发现,无因次杀菌时间和Bi数存在双曲函数关系,可以用于参数估计,并揭示了颗粒食品对流加热杀菌的内在规律。对液固流态化过程中的传质估算表明,食品中的可溶性成分的传质损失在可接受的范围内。构想并设计制造了流态化固体食品超高温杀菌原理验证设备,该设备具有液固流态化超高温杀菌、常压及真空减压冷却、流态化冷却等功能。通过Visual Basic6.0编程实现核心杀菌操作的自动控制以及压力/温度/F值/C值的采集计算和实时显示。对首次出现的F值/C值的实时采集计算精度问题进行了解析和数值分析,结果表明,温度测量误差对采集精度产生了决定性的影响,并得到保证采集精度的最大步长。在原理验证设备上采用静态热电偶法采集以油脂为流动相的液固流态化超高温杀菌过程中马铃薯试样颗粒中心温度,通过LDSD法计算出表面换热系数hfp值。测算数值与预测值接近,说明本文有关预测计算方法是合理的。通过建立流态化固体食品超高温杀菌的优化数学模型,由Matlab软件编程计算,得到典型条件下最优杀菌技术参数以及相应杀菌效果。与现有固体食品热杀菌技术,重点与连续式液体颗粒无菌工艺进行比较,流态化固体食品超高温杀菌技术具表面换热系数高、杀菌参数推算和热处理效果评价数学模型较简单、工艺灵活等优点,尤其是彻底解决了颗粒停留时间分布（RTD）问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 现代杀菌技术的发展——固体食品高品质杀菌的探索与困境
• 1.1.1 现代杀菌技术的发展
• 1.1.2 主食固体食品杀菌的意义和特点
• 1.1.3 缺少能够处理长架寿主食固体食品的先进杀菌技术
• 1.1.4 固体食品现代杀菌技术的优势和局限
• 1.1.5 总结
• 1.2 超高温杀菌技术
• 1.2.1 超高温杀菌的定义
• 1.2.2 超高温杀菌高效换热的实现
• 1.2.3 无菌包装系统
• 1.2.4 无菌工艺
• 1.3 液体颗粒无菌工艺发展状况
• 1.3.1 概况
• 1.3.2 现有的液体颗粒食品无菌工艺种类
• 1.3.3 连续式液体颗粒无菌工艺工艺流程、数学模型和研究体系
• 1.4 流态化技术及其在食品工业中的应用
• 1.4.1 流态化技术
• 1.4.2 流态化技术在食品工业的应用
• 1.5 传统食品工业化迫切需要固体食品先进杀菌技术
• 1.6 本论文的主要工作
• 参考文献
• 第二章 基本方法及理论基础
• 2.1 固体食品流态化超高温杀菌技术的基本方法
• 2.1.1 高效换热手段——流体颗粒流态化换热
• 2.1.2 高效冷却手段
• 2.1.3 杀菌流程的形成
• 2.2 研究战略
• 2.2.1 研究的性质和特征
• 2.2.2 研究目的和研究战略
• 2.2.3 本论文的研究内容安排
• 2.3 固体食品流态化超高温杀菌技术的理论基础
• 2.3.1 流体力学基础
• 2.3.2 流化床中液体颗粒传热学基础
• 2.3.3 加热杀菌品质变化动力学基础与超高温杀菌的技术优势
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 食品颗粒特性、流体力学和表面传热分析
• 3.1 食品颗粒及食品传热介质的流体力学性质及热物理性质
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 固体食品颗粒的热物理性质
• 3.1.3 流体传热介质的流体力学和热物理性质
• 3.1.4 蒸汽
• 3.2 流体颗粒流态化计算与分析
• 3.2.1 计算目的和计算条件
• 3.2.2 公式和方法
• 3.2.3 结果与讨论
• 3.3 流体颗粒对流换热计算和分析
• 3.3.1 计算目的和计算条件
• 3.3.2 公式和方法
• 3.3.3 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 颗粒内部热传导 CFD 分析及热处理效果评价
• 4.1 颗粒内部热传导的传热学计算方法
• 4.1.1 解析法及其应用
• 4.1.2 数值计算方法
• 4.2 食品热处理的效果评价方法
• 4.2.1 食品热处理效果评价的目的和意义
• 4.2.2 热处理效果评价的方法
• 4.2.3 本论文热处理效果评价方法的确定
• 4.3 使用ANSYS 和Matlab 联合分析计算颗粒热传导温度分布及杀菌过程
• 4.3.1 计算目的和计算条件
• 4.3.2 计算方法
• 4.3.3 结果与讨论
• 4.4 表面换热系数对传热和杀菌的影响
• 4.4.1 表面换热系数对直径0.5 cm 颗粒的传热和杀菌的影响
• 4.4.2 无因次关系方法研究杀菌时间和hfp 的关系
• 4.5 颗粒形状对传热和杀菌的影响
• 4.5.1 形状对传热的影响
• 4.5.2 不同形状物体在流体颗粒换热杀菌过程中的等效尺寸
• 4.6 颗粒的热物理性质对传热和杀菌的影响
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 第五章 原理验证设备的研制与数据采集精度分析
• 5.1 研制的必要性、目的及国内外研究状况
• 5.1.1 原理验证设备研制的必要性
• 5.1.2 数据采集系统研究的必要性
• 5.1.3 首次出现F 值／C 值计算机实时采集精度研究的必要
• 5.1.4 国内外研究状况
• 5.1.5 设备研制的过程
• 5.2 原理验证设备的研究与制造
• 5.2.1 功能、组成及系统原理
• 5.2.2 关键设计计算
• 5.2.3 主要设备设计选型及安全简述
• 5.2.4 自动控制
• 5.2.5 结果与使用后评价
• 5.3 数据采集系统硬件与原理
• 5.3.1 硬件构成
• 5.3.2 工作原理、理论和公式
• 5.3.3 软件设计
• 5.3.4 结果与使用后评价
• 5.4 F 值/C 值实时采集的误差分析
• 5.4.1 概述
• 5.4.2 数值分析基本方法的建立
• 5.4.3 数值分析基本方法的应用
• 5.4.4 结果
• 5.4.5 讨论
• 5.4.6 结论
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 表面换热系数的实验验证及杀菌温度-时间的优化
• 6.1 表面换热系数实验验证
• 6.1.1 目的和方法
• 6.1.2 马铃薯的热物理性质
• 6.1.3 温度采集实验
• 6.1.4 采用 Matlab 通过实验数据计算hfp
• 6.1.5 结果与讨论
• 6.2 固体食品流态化超高温杀菌工艺优化
• 6.2.1 杀菌工艺优化的原理和方法简要回顾
• 6.2.2 固体食品流态化超高温杀菌优化方法
• 6.2.3 优化计算目的和计算条件
• 6.2.4 结果与讨论
• 6.2.5 讨论
• 6.3 本章小结
• 参考文献
• 第七章 与现有加热杀菌工艺的比较
• 7.1 比较的目的、对象和方法
• 7.1.1 比较的目的
• 7.1.2 比较对象
• 7.1.3 比较方法
• 7.2 与杀菌釜杀菌技术的比较
• 7.2.1 传热特征尺寸分析
• 7.2.2 传热学正规状况分析
• 7.2.3 杀菌釜杀菌的最优杀菌效果
• 7.2.4 小野含气调理杀菌锅杀菌效果
• 7.2.5 比较结论
• 7.3 液体颗粒无菌工艺及其技术限制
• 7.3.1 液体颗粒无菌工艺热处理效果评价计算的倒推
• 7.3.2 液体颗粒无菌工艺中的总体传热——Tf 的计算
• 7.3.3 hfp 的测量与计算方法
• 7.3.4 液体颗粒无菌工艺中的停留时间分布（RTD）
• 7.3.5 连续式液体颗粒无菌工艺的主要技术限制
• 7.4 固体食品流态化超高温杀菌技术与连续式液体颗粒无菌工艺的比较
• 7.4.1 流体颗粒运动分析比较
• 7.4.2 传热学分析比较
• 7.4.3 杀菌效果的比较分析
• 7.5 本章小结
• 参考文献
• 第八章 减压蒸发冷却、组份传质损失分析
• 8.1 减压蒸发冷却、水分损失热力学计算与冷却方法选择
• 8.1.1 减压蒸发冷却问题的描述
• 8.1.2 与真空冷却技术的比较
• 8.1.3 减压蒸发冷却热质传递控制方程
• 8.1.4 减压蒸发冷却的分析研究方法
• 8.1.5 水分损失的热力学计算方法
• 8.1.6 减压蒸发冷却效果初步实验研究
• 8.1.7 冷却方法选择
• 8.2 组份传质损失
• 8.2.1 问题的提出与描述
• 8.2.2 适用机理及控制方程
• 8.2.3 食品成分传质损失估算
• 8.3 本章小结
• 参考文献
• 第九章 总结与前瞻
• 9.1 固体食品流态化超高温杀菌技术评价
• 9.1.1 技术优势
• 9.1.2 技术局限
• 9.1.3 气固流态化与液固流态化的比较
• 9.2 固体食品流态化超高温杀菌技术的应用
• 9.2.1 可能的应用范围
• 9.2.2 液固固体食品流态化超高温杀菌技术用于加工传统中式菜肴
• 9.2.3 可能产生的效益
• 9.3 技术缺陷的克服与技术发展方向
• 9.3.1 技术缺陷的克服
• 9.3.2 下一步工作的建议
• 9.4 技术可行性结论
• 9.5 本章小结
• 参考文献
• 主要结论
• 创新点
• 攻读博士学位期间发表论文
• 致谢
• 附录
• 1. 关键程序代码及程序流程
• 1.1 球体传热计算ANSYS 命令流
• 1.2 体积平均C 值计算程序Matlab 软件代码
• 1.3 球体传热与杀菌总结与分析 Matlab 软件代码
• 1.4 真空蒸发计算 Matlab 软件代码
• 1.5 优化计算程序流程
• 1.6 传质分析 Matlab 软件代码
• 2. 原理验证设备图纸及标准操作程序
• 3. 附表
• 4. 试验数据
• 4.1 圆柱形马铃薯试样流态化加热温度变化
• 4.2 减压蒸发实验