电渗透脱水
电渗透脱水是一项通过在两极间安置脱水材料(通常是由细小微粒组成的胶质材料)来除水的技术。带负电的固体微粒向阳极移动,而被电离的水溶液则移向阴极。由于阴极是由多孔渗水材料制成,水便可从系统中顺利流出。如果微粒带正电,则需要将原极性调转。一般来说,极性位置的设置将考虑让水移动的方向沿重力方向,以便能顺利流出系统。电渗透脱水的效果取决于粒子表明的电荷大小,因此,粒子越小越好。此外,电渗透脱水过程不包含相变,冷库工程因此与热脱水相比,它具有更低的能量支出。
Reuss(1808年)首先发现电渗透现象,1982年,电渗透脱水技术在洗煤厂的尾矿池中利用水平电极排列首次进行试验。已有研究表明,电渗透脱水在供水系统处理污水、食品垃圾、海藻和悬浮颗粒等方面都有应用。
电渗透脱水在胶质材料上的成功应用源于固体微粒中电偶层的存在,其中假设(潜能存在于固液分解面。在电场应用上,相对固定电荷表面的水分子速度为Smoluchowski模型:
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式中,为电场能量;为局部电渗透流动速度;为流体黏度系数;(为z电势;£为介电常数。
促进电渗透脱水的方法
与机械作用相结合单独看电渗透脱水,物料中水量的减少开始于干燥床的上部分,但脱水接近尾声时仍有大量的水分残留于床的底层。从另一方面看,此时机械作用仍可继续。既然电渗透脱水和机械作用相互补充,这两个脱水操作联合起来应该能改进电渗透脱水的性能。在排水量方面,联合操作比单独电渗透脱水多出13.7%。在能量消耗方面,联合操作耗能仅是单独电渗透脱水的一半。当压缩过滤装置被同时应用时,电渗透脱水性能在排水量方面又有20%的提高或改善。电渗透脱水装置和真空吸尘过滤器的联合应用导致排水量的100%提高。利用食物检测电渗透脱水性能,可以看出电场和机械作用的联合应用使食物中的固体物质百分含量增大,制造啤酒的麦子在脱水前后,其固形物含量从30%增加到49%;苹果脱水前后,其果渣含量从23%增加到53%;蔬菜脱水前后,其固形物含量从11%增加到67%。
电-水动力干燥
电-水动力干燥起源于高强度的脉冲电场对食品的保存。电场在食品加工中的作用可以追溯到19世纪,当时,电阻加热牛乳是延长牛乳货架期的一种方法。电阻加热牛乳需要提供有高电压的两个电极,与电渗透脱水一样。但是用于电阻加热的电压更高一些。现在,电阻加热前的预处理可提髙食品的质量,减少干燥时间,或者是增加果汁的产量。
电-水动力干燥与静电沉淀剂相类似,后者普遍用来除去动力工厂排放烟气中的微小颗粒。基本上,它由一个点电极和一个蓄电池电极组成。根据特定的产品,这个点电极可以是正电荷也可以是负电荷,蓄电池电极通常是接地的。这电极间的电势差在几千到几万伏间变化。如此大的电场可以使空气电离并且产生大量的电子。电晕放电可加速热和质的传递。使用乳清为原料进行的干燥实验证实,这种点-蓄电池电极的设计产生了很高的不均匀电场强度。
由于电-水动力干燥消耗的能量相对较少而且在产品的颜色保存、化学物理性质等方面的质量也非常好,这项非热脱水技术在食品加工流域具有应用潜能,这项技术已被成功地用于草药的干燥。
生鲜食品射频干燥技术
射频与传统的干燥处理相比有许多优点。这些优点包括:产品中能量吸收均匀,在某些情况下有自动调节湿度的能力,最终产生高质量的产品。然而,射频干燥也有经济上的限制,所以通常是在改善产品质量、增加生产量或紧凑设备的需要时才选择它。选择射频干燥通常与高价值物料的加工有关。当与更多其他的传统干燥方法结合时,潜在应用的范围将大大变宽。
射频干燥基础
在射频系统中,包括大功率的电阀、传输线和用电容器形式的加热电感器。国际上意见一致和认可的射频频带范围被称为国际标准分类法(工业的、科学的和医学的)类型,主要有13.56±0.00678MHz、27.014±0.16272MHz和40.68±0.02034MHz。电磁兼容性(电子磁性的兼容性)规定对这些区域外有放射性物质的设置限制,在许多国家规定已法定化。
射频干燥机及其安全性
为产生和传播射频能量到干燥加热电感器,目前有固定频率和不固定频率两种方法。虽然传统的不固定频率射频设备已经成功地应用了很多年,但是磁兼容性规则的制定和希望改善工艺过程控制的愿望,出现固定在13.56MHz或27.12MHz的500固定频率技术的引入。
固定频率体系的优点是:①频率的晶体控制便于满足电磁兼容性规定;②同轴电缆允许射频发生器设置在适当远离射频加热电感器的场所;③因为它不是调谐体系的一部分,加热电感器可以设计成最佳性能;④通过利用匹配网络使前置的过程控制系统成为可能。
既然人体由介电物质组成,那么在射频频率下它都将吸收能量。射频和微波辐射的能量太低不足以产生直接电离,因此有危害的仅仅是其热效应。在给定电场强度下,由于不同身体部位的介电性质各异,其吸收的能量也差异很大。而测量和解析这类能量是很困难的。
吸收功率是根据特定吸收比率来表示的,即所需的能量密度(W/kg),它要求在物料的不同部分诱发升温。这要求能量密度在4——8W/kg。所设立的安全限制是调整到这个范围的某个小数,有代表性的数据是0.1——0.4W/kg。为了达到可以测量的实际极限,SAR必须集中到等效功率密度[(根据电磁场强度决定):典型的是10W/m2]以适合射频辐射。同时,必须构造射频加热装置,以便任何渗漏低于此值。
在此例中,射频加热用于改善产品的均匀干燥质量。水分的除去及重新分配是烘焙过程的重要部分,因为做不到这一点将导致产品质量下降。在传统的烘箱后(或烘炉后)通过增加射频干燥,增加生产量同时改善产品品质是能够实现的。品质的改善来自消除了越过传送带湿气的不均匀。设备制造商和用户证实:生产率提高30%——50%是可以实现的。适用于这个方法的产品包括脆面包、饼干和其他小甜点。
射频混合干燥的应用
越来越多的射频混合干燥机在食品工业中应用。当介电能量增加合适的百分比时,气温上升是可能实现的。举一个例子,如果干空气温度超过90T,产品将遭受固定的表面退化,但增加大约10%射频能量可让气温升到120T才会导致类似的表层破坏发生。
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