流化床技术在食品工业中的运用

流化床技术在食品工业中的运用前言流态化技术适用于大规模生产的高效气固、液固或气液固三相操作过程，广泛应用于化工、能源、材料、生化、环保、食品和制药等领域[1]。在实际应用中传统流化床也存在着一些亟待解决的问题：气泡现象使流化不均匀，相间接触效率不高且工程放大较困难；一般只能处理松散的粉状和粒状物料，对于初始湿含量大的物料，须经过预干燥之后才能用普通流化床干燥器进行干燥；动力消耗大等[2]。1食品干燥的发展及制约条件随着环境的变化经济的发展科技的提高以及人们认识的深化，以绿色、方便、保健为特征的新食品工业得到了迅速发展，人们对食品的需求呈现出以下趋势:（1）副食比重继续加大，且趋向更多样；（2）盛行保健食品，强化铁钙锌碘等，或低盐低糖；（3）无污染的绿色食品越来越多的受到人们的重视；（4）侧重感官品质的方便食品成为新宠，要求口感轻柔味道天然浓郁清淡鲜香等。目前市场所售食品除一小部分为新鲜食品外，大部分都是保鲜食品，食品的冷藏处理量日趋增长，使分销系统复杂易污染，从而使干燥食品具有广阔的前景。干燥食品，利用干燥技术加工而成的食品，不需冷藏，更易保存且长时间保鲜，并且有重量轻、食用方便等优点[3]。由于食品物料的特殊性，其干燥方法和干燥条件也与普通物料干燥不同。对于食品物料来说，在干燥过程中不仅需要除去水分，更重要的是在除去水分时能够保证食品的营养元素不被破坏，或者是尽可能少的破坏，同时在食品加工中还需要考虑到加工之后的色泽、口感等一系列的技术指标。普通的流化床难以满足以上严格的技术指标要求，为了解决这些问题出现了各种流化床。2流化床在食品加工中的研究与应用2.1脉动流化床干燥脉动干燥是指按一定的规律交替变化干燥工艺参数的干燥技术；脉动流化床干燥则是改变传统流化床的恒定送风为周期性送风，通过调节气流的脉动频率或脉动气流导通率，使通过孔板的气体流量或流化区发生周期性变化，对物料进行干燥。脉动流化床用于不易流化的物料和有特殊要求的物料。最早被用来干燥粉末状物料，能有效克服沟流、死区和局部过热等传统流化床常见的弊端，因而可用于处理黏性大、易结团和热敏性物料，传热系数可提高15%-30%，干燥时间缩短3-6倍，空气耗量减少20%-30%，电能耗量降低一半[4]。与传统流化床相比具有以下特点：(1)能够用于粒径范围较宽的物料；(2)无论颗粒大小均能实现气固间良好的接触；(3)提高了气-固间以及边界层与床层之间的传质、传热效率；(4)能够使用较高的气速，即使颗粒粒径较小也不会出现偏析现象[5]。实践表明，脉动流化床干燥器能处理直径从小到0.05mm的粉状物料到几个mm的大颗粒、晶体薄片、纤维，如豌豆、黄豆、小块蔬菜、糖、葡萄糖酸钙等[6]。研究认为，脉动流化床不仅能够节约能源，还能够针对热敏性物料提高干燥后的品质，降低干燥过程中营养成分的损失。2.2流化床吸附干燥流化床吸附干燥是流化床中气流干燥作用和吸附剂脱水作用相结合的过程，它把流化床高效的传质传热能力与吸附干燥能在低温下除去物料中水分的优点相结合，具有传热传质效率高、能耗低干燥均匀等特点[7]。利用食品加工中的特点，将两种及多种物料混合，水分达到平衡，这种干燥操作可在低温下进行，食品营养成分得到保护，提高了产品质量[8-10]。不仅可用于悬浮液、颗粒物料及块状物料的干燥，还可用于难流化的大颗粒物料、易结块的膏状物料及一些热敏性物料的干燥。因此，流化床吸附干燥技术作为发展节能型干燥设备的先进技术之一，成为许多学者关注的热点。流化床吸附干燥有以下一些优点[6]：(1)流化床吸附干燥在低温(常温)情况下进行，适用于干燥热敏性物料，能有效避免高温对食品等营养成分的破坏，很好地保持原有制品的品质，复水效果好；(2)流化床吸附干燥能耗低，利用低品位能源，对环境污染小；(3)流化床吸附干燥应用范围广，可用于悬浮液、膏状物料、颗粒物料及块状物料等难流化物料；(4)流化床吸附干燥干燥速率大，干燥效果好；(5)流化床吸附干燥设备结构紧凑，操作运行简便。综上所述，流化床吸附干燥适用于食品干燥，具有能耗低、营养成分保持好、环境污染小及应用范围广、干燥速率大、结构紧凑、便于操作等优点。对吸附流化床干燥的研究认为:流化床吸附干燥能够比较好地满足粮食以及生物性、热敏性物料的干燥，干燥后的物料与普通流化床相比品质更好，干燥效果更均匀、将传统的食品加工工艺与流化床吸附干燥技术进行合理的组合，可制作高品质的食品，最大限度地保持其营养和色香味，这是现代食品加工的必然发展趋势[11]。2.3离心流化床离心流态化是相对于传统重力流态化的一种新型气-固接触技术工作原理是：固体物料随开孔的转鼓以一定的转速旋转，受离心力的作用，物料即均匀地分布在转鼓内壁上，形成环状固定床当气体以一定的速度沿垂直于转鼓轴线方向从转鼓外侧穿入转鼓中时，床层物料受到与离心力方向相反的气体作用力；当气速提高到一定数值时，气体作用力与离心力达到平衡；再略增大气速，床层物料就开始松动；此后再增大气速，床层物料就悬浮在气流中产生流态化现象。该技术可通过调节离心力使颗粒在理想的气速下进行流化操作，具有许多独特的优势[12]：(1)由于重力场强度和流化气速可调，操作弹性较大，其操作范围比传统流化床宽广得多，可将流化速度控制在鼓泡速度之下操作，从而获得良好的流化质量；(2)颗粒在离心力场条件下有效重力增大，因而流化时气固之间的相互作用力大为增强，这不仅使其传质传热速率远高于传统流化床，而且可以节省能源；(3)在离心力场中，颗粒流化时气固之间相互作用力大大增强，有助于限制或减小气泡的生成。颗粒的聚团倾向和阻止颗粒的扬析，促进聚式流态化向散式化的转变，从而改善颗粒尤其是超细颗粒的流化质量；(4)离心流化床空间布置灵活并能够在重力场外（太空）和晃动条件下操作，其表面积较小、结构紧凑。正因为离心流化床具有上述特点，所以该技术一提出，人们即认识到了它潜在的广阔应用前景，在该技术的应用研究上进行了大量的工作[13]，已经成功用于土豆片、苹果片以及胡萝卜片、铃状椒、甜菜根与速煮米[14-16]等堆积密度比较小的物料的干燥。2.4热泵流化床热泵式流化床干燥装置干燥食品的突出优点是节能和食品干燥质量好。热泵是一种高效加热装置，它通过消耗少量高品位能源(电燃料燃烧、高温蒸汽等)，把大量低温热能变为高温热能(即把热能由低温泵送到高温)，用于生活供暖、提供干燥热风等。热泵式流化床干燥装置的原理是：整个系统通过密封循环风道，将热泵与流化床有机地结合成一个紧凑高效的干燥系统。其基本工作过程为：热泵产生的40-80℃之间的温和干燥空气，在循环风机推动下进入流化床，在流化床干燥过程中，中温干燥空气与待干食品物料进行热湿交换，吸收物料中的水分，排出20-40℃的低温潮湿空气，进入热泵蒸发器，在热泵蒸发器中，低温潮湿空气被冷却至露点温度以下，析出从物料中吸收的水分，变为0℃的冷冻干燥空气，进入热泵冷凝器;在热泵冷凝器中，冷冻干燥空气又被加热为40-80℃的中温干燥空气，通过循环风机提高压力后再进入流化床，开始下一个循环，实现物料的连续干燥[17]。流化床热泵干燥的特点[6]：(1)热效率高，使除去单位水分需要的能耗降低；(2)干燥温度容易控制调节，保证干燥品质；(3)可以进行无菌操作。利用热泵流化床进行干燥胡萝卜的实验表明：采用热泵流化床干燥比普通箱式热泵的干燥时间要短，适合于高含水率果蔬类物料的干燥。热泵流化床组合干燥机在物料含水率较高时能较好地发挥热泵干燥的优势[18]。通过计算和分析，热泵流化床在食品干燥中能够节约能源、提高产品质量。3结束语流态化技术以其突出的优点，越来越多地被应用于各个生产领域脉动流化床、吸附流化床、离心流化床和热泵流化床装置的应用开发和研究，将会成为对食品工业的发展有着重大影响的技术之一。参考文献[1]金涌,祝京旭,汪展文.流态化工程原理[M].北京:清华大学出版社,2001.[2]张引,于才渊.搅拌流化床干燥器传热特性的研究[J].化工装备技术,2002,23(1):5-8.[3]张静，袁惠新.几种食品干燥新技术的进展与应用[J].包装与食品机械,2003,21(1):29-32.[4]宫国清.脉冲式流化床干燥器操作特性的研究[J].南京林业大学学报,1997,21(S1):43-45.[5]王相友曹崇文,等.脉动流态化技术研究现状及在农产物料中干燥应用[J].农业机械学报,1995,26(2):104-109.[6]库德T,牟久大AS.先进干燥技术[M].北京:化学工业出版社,2005.[7]李晓兰.流化床吸附干燥特性研究[D].天津:天津科技大学2008.[8]卢学英,张惠群,刘曼华.多物料混合自动控制系统的设计与研究[J].仪器仪表学报,2003,(4):389391.[9]徐明生,上官新晨.葛粉与其他淀粉物理特性比较研究[J].中国粮油学报,2003,(3):6264.[10]姜绍通,黄静,潘丽军.糯玉米淀粉羧甲基化变性及其在食品中的应用研究[J].食品科学,2003,(10):2325.[11]李晓兰,叶京生,李占勇.接触吸附干燥技术[J].食品与机械,2007,(2):126128.[12]FanLT,ChangCC,YuYS,etal.IncipientFluidizationConditionforaCentrifugalFluidizedBed[J].AIChEJournal,1985,31(6):9991009.[13]黄卫星.离心流化床中气固流态化行为的研究[D].成都:四川大学,2005.[14]LazarME,FarkasDF.Thecentrifugalfluidizedbeds(CFB)2.Dringstudiesonpiece-formfoods[J].FoodScience,1971,36:315319.[15]HanniPF,FarkasDF,BrownGE.Designandoperatingparametersforacontinuouscentrifugalfluidizedbed[J].FoodScience,1976,41:1172-1176.[16]RobertsRL，CarlsonAR,FarkasDF，PREPARATIONofaquick-cookingbrownriceproductusingacentrifugalfluidizedbeddyer[J].FoodScience,1980,45:108011081.[17]陈东,谢继红,赵丽娟.热泵式流化床干燥装置及其应用优势[J].机械设计,2003,(1):3437.[18]张绪坤,毛志怀,李华栋.热泵流化床组合干燥胡萝卜丁的试验[J].农业机械学报,2006,37(3):68-71.