薰衣草吸附干燥过程研究及系统概念设计

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薰衣草富含挥发油、香豆素、单宁、类黄酮等成分,其中黄酮类物质因具有天然优异的抗氧化性和抗癌活性,近年来受到国内外学者的广泛关注。新鲜薰衣草花蕙含水率达到60%(湿基),收获后极易萎凋、褐变和腐烂,直接影响薰衣草的药用价值。薰衣草通常采用晒干、热风干燥处理,这两种干燥方法会导致薰衣草药用成分大量流失,使我国薰衣草品质难以保证、缺乏市场竞争力。如何提高薰衣草干燥品质,提高其附加值成为我国薰衣草加工产业亟待解决的问题。  低温吸附干燥技术利用吸附剂(分子筛、硅胶等)除去空气中的水分获得干燥介质流(露点温度可达-10℃以下),可调节气流温度在低温下对物料进行干燥,节能、环保且能有效避免高温对物料有效成分的破坏,可将其用于薰衣草的干燥。本文分别考察了热风干燥、真空干燥、冷冻真空干燥、低温吸附干燥四种方法对薰衣草干燥特性和适宜的干燥工艺;采用ESEM比较了热风干燥和吸附干燥后薰衣草花萼表面形貌;对比了不同干燥方法对薰衣草品质的影响;采用不同数学模型对薰衣草低温吸附干燥工艺进行拟合;优化了实验室现有薰衣草单级吸附干燥系统参数并对两级吸附干燥系统进行了概念设计,提高系统能效。主要研究内容和结果如下:  (1)采用紫外分光光度法和高效液相色谱法测定薰衣草中总黄酮、芹菜素、木犀草素含量。结果表明,总黄酮紫外分光的最大吸收波长为362nm,其含量测定的线性范围0.066~0.138mg/ml;芹菜素和木犀草素的出峰时间分别约为18.718min和11.900min。  (2)考察了薰衣草的热风、真空、冷冻真空干燥特性曲线和适宜工艺。结果表明,三种干燥工艺下,薰衣草的干燥特性曲线均分为恒速干燥阶段和降速干燥阶段;热风干燥薰衣草的适宜干燥温度为80℃,循环风,总黄酮含量1.753%,芹菜素素含量0.631%,木犀草素含量为0.0260%;适宜的真空干燥工艺为真空压力5.07KPa,温度50℃,总黄酮含量1.991%,芹菜素素含量0.720%,木犀草素含量为0.0290%;适宜的冷冻干燥工艺条件为压力0.063KPa,冷冻干燥温度3℃,冷阱温度为-50℃,总黄酮含量2.639%,芹菜素素含量0.897%,木犀草素含量为0.0340%。  (3)薰衣草低温吸附干燥过程研究。考察了干燥介质温度、相对湿度、空速对薰衣草的干燥特性和干燥品质的影响,并设计L9(34)正交实验对吸附干燥工艺进行优化;采用不同模型对薰衣草的低温吸附干燥曲线进行拟合。结果表明,吸附干燥适宜干燥工艺条件为干燥温度30℃,干燥介质相对湿度16%,空速905h-1,薰衣草中总黄酮含量为2.373%,芹菜素含量为1.001%,木犀草素含量为0.022%。Midilli and kucuk模型能更好的模拟最优条件下的干燥动力学,该数学模型为MR=0.979exp(-0.000444t1.50)-0.0000460t,R2为0.998。  (4)以总黄酮、芹菜素和木犀草素含量为指标,比较了热风、真空、冷冻、低温吸附干燥适宜工艺条件下薰衣草的品质和干燥所需时间,采用ESEM对热风干燥和吸附干燥的薰衣草花萼表面形貌进行了表征。结果表明,低温吸附干燥时间最长,热风干燥时间最短;总黄酮含量高低顺序为冷冻干燥>吸附干燥>真空干燥>热风干燥,从微观结构变化上看,相比热风干燥,低温吸附干燥后薰衣草的表面的油脂细胞更充盈,对有效成分含量保留量更高。  (5)在薰衣草单级吸附干燥系统的基础上进行了二级吸附干燥系统的概念设计,并对其流程和部分参数进行了计算。结果表明,单级薰衣草吸附干燥系统硅胶装填量M1为20Kg,装填体积为0.08m3,硅胶再生热负荷为Qa,为1.37×104kJ;两级吸附干燥系统的一级和二级吸附剂分别为5A分子筛和硅胶,5A分子筛装填质量为M1,a为42kg,装填体积为0.06m3,硅胶吸附剂的装填质量为M2,g为18kg,装填体积为0.072m3,两级吸附干燥系统总的再生热负荷为Q总为1.89×105kJ,一级5A分子筛再生气能够直接用于再生二级硅胶,环境温度为30℃时,需要的空气质量为856kg;单级和二级干燥均采用4-72-12NQ10C的离心风机,转速630r/min,流量233m3/h,全压510Pa,电动机Y132S-4,功率5.5kw;二级干燥系统能明显提高能效,有效增加薰衣草处理量。
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