果蔬滲透脫水設備設計

1、果蔬滲透脫水設備設計 摘 要 滲透脫水的脫水具有能耗低，營養(yǎng)成分損失少的特點。由于它可以在較短的時間 內除去水果、蔬菜里的水分而不損壞其組織，使它們仍能保持原有風味、色澤、營養(yǎng) 和品質，而且感觀與新鮮時幾乎一樣，因此是一種頗受看好的加工技術。 生產中滲透脫水設備要解決幾個主要方面的問題：連續(xù)循環(huán)大量的高粘度滲透液， 樣品原料飄浮現象（樣品原料比重小于滲透液的比重） 。工業(yè)生產中需要考慮的幾個問 題：使樣品原料浸泡在滲透液中，對樣品原料的操作要輕柔；原料樣品與滲透液的比 值要盡可能的小。 本次設計的設備主要結構有振蕩槽，原料筐 ，循環(huán)泵，振蕩馬達，空氣壓縮機等。 機械振蕩式滲透脫水設備結構簡單，

2、滲透溶液設計有回流管道，能夠有效調節(jié)滲 透溶液濃度，同時設置氣壓缸的上下運動，振蕩馬達的左右方向的機械振動，加上原 料框下方壓縮空氣管的擾流，和循環(huán)泵的噴淋可以強化滲透脫水過程的進行，進而最 大限度的提升傳質效率。 關鍵詞 ：果蔬，滲透脫水，振蕩設備 design of dewatering equipment for fruits and vegetables abstract dewatering technology has low energy consumption, low loss characteristics of nutrients because it can be re

3、moved in a short period of time fruits and vegetables in water without damage to their organization, so that they can maintain the original flavor, color, nutrition and quality, and sensory and almost the same as when fresh, it is a popular promising processing technology. production of dewatering e

4、quipment to address several major issues: a continuous cycle of infiltration of a large number of high-viscosity liquid, the sample material floating in the phenomenon (the proportion of samples of raw materials is less than the proportion of liquid penetration) industrial production needs to consid

5、er several issues: the samples immersed in osmotic solution of raw materials, the operation of the sample material to be gentle; raw sample and the ratio of permeate to be as small as possible. the main structures of the device are oscillation trough, raw material basket, circulation pump, vibration

6、 motors, and air compressors. mechanical vibration-type dewatering device of simple structure, the design of osmotic solution return pipe, can effectively regulate osmotic concentration, and set the air pressure cylinder moving up and down, left and right motor direction of oscillation of mechanical

7、 vibrations, coupled with the compressed air pipe material interference box below flow, and circulation pump spray can strengthen the process of osmotic dehydration carried out, and then maximize the efficiency of mass transfer enhancement key words: fruits and vegetables，osmotic dehydration，oscilla

8、tion device 目 錄 摘 要 .i abstract .ii 1 緒論 .1 1.1 課題目的及意義 .1 1.2 滲透脫水的基本原理 .2 1.2.1 滲透脫水的幾種相似定義 .3 1.2.2 滲透脫水技術不同于常規(guī)干燥的特點 .3 1.2.3 原料和浸漬液的選擇 .3 2 果蔬滲透脫水開發(fā)國內外研究現狀和前景 .5 2.1 果蔬滲透脫水的現狀.5 2.1.1 滲透溶液的選擇.5 2.1.2 滲透溶液的濃度 .6 2.1.3 溫度選擇 .6 2.1.4 滲透脫水的時間 .6 2.1.5 水果樣品和滲透液的比例 .7 2.1.6 滲透脫水過程中攪拌的選擇 .7 2.1.7 壓力的影響

9、 .7 2.2 滲透脫水的應用前景.7 3 設備設計的總體構思和基礎設備的設計 .9 3.1 工業(yè)上常見的問題 .9 3.2 具體的問題及詳細的指標 .9 3.3 設備設計的的構思 .10 3.3.1 滲透方式的選擇 .10 3.3.2 關于滲透效率的問題 .10 3.3.3 有關浮料的問題 .11 3.3.4 關于滲透液的循環(huán)使用 .11 3.4 滲透脫水設備方案圖 .11 3.4.1 設備結構特征 .12 3.4.2 實際運行情形： .13 3.4.3 具體操作方法 .13 3.4.4 設備的優(yōu)點 .13 3.5 基礎設備的設計 .13 3.5.1 原料筐的設計 .13 3.5.2 振蕩槽

10、的設計 .14 4 主要設備的設計 .15 4.1 振蕩馬達的設計 .15 4.1.1 電機結構和運行原理 .15 4.1.2 電機參數計算及設計 .16 4.1.3 電機樣機參數 .18 4.1.4 振蕩電機的電壓，振蕩頻率，額定轉速，額定功率的選擇 .18 4.2 離心泵的選型設計 .18 4.3 關于氣缸的選型 .19 4.4 空氣壓縮機的選型 .19 4.5 框狀空氣管的設計 .20 4.5.1 框狀空氣管的直徑（內徑）確定 .20 4.5.2 空氣管接頭的選用 .20 5 輔助設備的設計.22 5.1 空氣過濾器的選型.22 5.2 溶液輸出和回流管道的設計.23 5.2.1 溶液輸

11、出和回流管道的作用 .24 5.2.2 溶液輸出和回流管道的直徑確定 .24 5.2.3 溶液輸出和回流管道的管件選用 .24 5.3 消毒機 .25 6 結論與建議 .26 6.1 結論 .26 6.2 建議 .26 致 謝 .27 參考文獻 .28 1 緒論 1.1 課題目的及意義 果蔬滲透脫水是指在一定溫度下，將水果或蔬菜浸入高滲透壓的溶液，即糖溶液 或鹽溶液中，利用細胞膜的半滲透性使物料中水分轉移到溶液中，達到除去部分水分 的一種技術。與傳統(tǒng)的熱風脫水相比，由于水分的轉移而沒有發(fā)生相的變化即無需加 熱，因而滲透脫水的脫水具有能耗低，營養(yǎng)成分損失少的特點。由于它可以在較短的 時間內除去水

12、果、蔬菜里的水分而不損壞其組織，使它們仍能保持原有風味、色澤、 營養(yǎng)和品質，而且感觀與新鮮時幾乎一樣，因此是一種頗受看好的加工技術。 在生產中，滲透脫水可以作為果蔬加工的一種前處理方式，與果蔬干燥、冷凍、 罐藏等方法組合使用。滲透脫水后的產品進一步干燥時使用果蔬的干制品，滲入到組 織內部的糖分可對果蔬制品起到一定的保護作用，從而可以避免或限制使用二氧化硫， 同時增加了產品在貯藏期的色素穩(wěn)定性。 另外，從生產角度來說，經滲透脫水的果蔬 再行干燥時，產品的干燥時間可縮短 1015 ，同時由于體積和重量的減少，使干燥 的有效荷載增加 23 倍，從而大大節(jié)省了能耗。滲透脫水水果用來制作果醬時，可使 產

13、品的感官品質優(yōu)于普通果醬。由于滲透脫水具有諸多好處，將使這一技術作為果蔬 前處理方法而得到廣泛的推廣應用，應用的日益廣泛。 滲透脫水早期的研究主要集中在脫水的可能性、滲透脫水的影響因素、滲透過程 中的物理和化學現象等。近年來，對滲透脫水過程中的物質遷移進行了廣泛深入的研 究，建立了許多動態(tài)模型。目前，滲透脫水技術的研究主要集中在果蔬加工，已報道 的品種主要有：蘋果、菠蘿、香蕉、草莓、芒果、桃、梨、葡萄、杏子、櫻桃、獼猴 桃、土豆、蘑菇、番茄及胡蘿卜等。 水果和蔬菜的人類攝取維生素、礦物質、有機酸、膳食纖維等營養(yǎng)成分和生理活 性成分的主要來源，其在平衡膳食中占有非常重要的地位。在人們日益追求安全

14、、營 養(yǎng)、保健、方便的綠色食品中，脫水果蔬越來越受到人們的青睞，已成為我國出口創(chuàng) 匯的主要產品之一。為了最大限度的保留脫水果蔬的色香味和維生素等熱敏性成分或 生理活性成分，滲透脫水技術聯合其它干燥技術，如熱風、冷凍、微波、遠紅外干燥 技術等。目前，國際國內蔬菜加工的數量和需求不斷上升，加工的方法不斷更新，滲 透脫水可以作為脫水蔬菜、速凍蔬菜、罐藏蔬菜的前處理方法。而通過滲透脫水制得 的中等水分的水果可作為甜點心、酸奶、冰淇淋等的原料，提高果品的利用價值和經 濟效益。 滲透脫水技術應用于水果、蔬菜、肉類、魚類等，可較好地保持果蔬、肉類加工 后的品質，降低加工能耗，因此這一技術受到國際食品界的廣泛

15、關注。食品滲透脫水 技術的應用具有悠久的歷史，如傳統(tǒng)蔬菜、肉類、魚類的鹽腌，水果的蜜制和糖制等。 但直到上世紀 60 年代，人們才開始深入地研究這一技術的機理及其和干燥、冷凍、殺 菌、罐藏等方法的組合應用。研究發(fā)現，滲透脫水技術廣泛適用于水果、蔬菜、肉類、 魚類，可較好地保持果蔬加工后的品質，降低加工能耗。加拿大、法國、英國、德國、 意大利、希臘、比利時、瑞士、荷蘭等國家的 13 個課題組，在 19972000 年對滲 透脫水進行了專門研究，以求為滲透處理的工業(yè)化應用提供理論和技術支持。 過去的幾十年里，國外滲透脫水研究和應用非常活躍；與此同時，這方面的研究 也引起國內科研工作者的關注。滲透脫

16、水作為柵欄技術的一種手段結合其它技術，實 現了對果蔬原料原有品質的保持。例如將滲透脫水的水果產品在低溫下貯存可以最大 限度保存水果的風味、色澤和營養(yǎng)成分。滲透脫水技術結合其它技術的應用可以參 1 照表 1 表 1-1 滲透脫水技術在果蔬加工中的應用 應用舉例 部分脫水（固體原料）配合其它加工手段 巴士滅菌、低溫冷藏、冷凍、進一步干燥脫 水（常壓氣體干燥、真空干燥、冷凍干燥、微波 干燥等） 。 腌制糖漬（浸糖） 、鹽漬（浸鹽） 調整產品配方（目的在于） 獲得更好的感官品質， 改善產品的結構（通過添加鈣離子、酶制劑 來突出產品的結構特點：彈性、咀嚼性等） ， 強化營養(yǎng)（添加一些功能因子） ， 延長

17、保質期（添加生物防腐劑、化學防腐劑） 。 綜合運用上述三種手段開發(fā)保質期更長的微加工果蔬產品 總之，滲透脫水技術在不斷完善自身技術方法和設備的同時，與其它食品加工技 術結合的聯合技術在理論的建立，完善和應用中將向著更深更廣的方向發(fā)展，將作為 果蔬加工的前處理方法而得到廣泛的應用。果蔬滲透脫水與傳統(tǒng)的熱風脫水相比由于 水分的轉移而沒有發(fā)生相的變化即無需加熱因而滲透脫水的脫水具有能耗低營養(yǎng)成分 損失少的特點。由于它可以在較短的時間內除去水果蔬菜里的水分而不損壞其組織使 它們仍能保持原有風味色澤營養(yǎng)和品質而且感觀與新鮮時幾乎一樣,因此是一種頗受看 好的加工技術。滲透脫水作為果蔬加工的一種前處理方式與

18、果蔬真空低溫干燥等方法 組合使 1.2 滲透脫水的基本原理 分子擴散是在相內有濃度差（或濃度梯度）存在的條件下，由于分子的無規(guī)則運 動而導致的物質傳遞現象。果蔬內的水分和浸漬液之間存在濃度差，所以達到脫水的 效果。 1.2.1 滲透脫水的幾種相似定義 （1）滲透脫水是指利用滲透原理對水果和其它原料進行部分去除水分的過程， 在這個過程中通常將被處理的樣品浸入到水分活度（aw）低的含有溶質（滲透劑）的 水溶液（滲透液,通常用糖溶液）中處理一定時間來達到去除產品部分水分的目的。 （2） 果蔬的滲透脫水技術是指果蔬在一定的溫度下，浸入一高滲透壓的溶液中 （糖溶液或鹽溶液） ，去除其中部分水分的一種方法

19、。它是基于天然果蔬細胞壁作為半 透膜，在滲透脫水過程中，主要存在兩個相反過程，果蔬中的水分流入溶液，同時溶 液中的溶質逐漸滲入果蔬，這兩個過程進行的程度取決于半透膜兩邊溶質和水的量2。 1.2.2 滲透脫水技術不同于常規(guī)干燥的特點 與常規(guī)干燥相比，滲透脫水有兩方面的特點： （1）物料在浸泡脫水的同時，也附集了溶質本身； （2）浸泡脫水處理后的產品還不是最終產品（貨架期還不穩(wěn)定） ，仍需要配合其 他的加工手段，如：干燥、冷凍、巴氏滅菌、罐藏或添加防腐劑等才可以最終生產出 貨架期穩(wěn)定的產品。 （3）與傳統(tǒng)的熱風脫水相比，由于水分的轉移而沒有發(fā)生相的變化即無需加熱， 因而滲透脫水具有能耗低，營養(yǎng)成分

20、損失少的特點； （4）由于它可以在較短的時間內除去水果、蔬菜里面的水分而不損壞其組織，使 它們仍能保持原有風味、色澤、營養(yǎng)和品質，而且感官和新鮮時幾乎一樣，因此是一 種頗受看好的食品加工技術。 3 1.2.3 原料和浸漬液的選擇 蘋果是世界四大水果之一，是世界溫帶地區(qū)栽培的最重要的果樹品種和我國北方 主要的水果品種之一，在世界和我國果品市場中占有重要的位置。目前，我國種植的 蘋果種類繁多，產量也很大，特別是近二十年來，我國在蘋果種植方面取得了突飛猛 進的發(fā)展。相關資料顯示，自 2001 年以來，我國的蘋果產量已連續(xù)多年位居世界第一 位，其中 2007 年的產量達到了約 2400 萬噸，占世界蘋

21、果總產量的比重也由 10 年前的 35%上升至目前的 45%左右。我國蘋果產量如此之大，已經大大超過了鮮銷的需求。 因此，發(fā)展蘋果加工行業(yè)已經勢在必行。所以本設備的果蔬代表選擇了蘋果 在選擇滲透液溶質種類和濃度時要考慮以下幾個方面的因素。滲透脫水產品感官 評價結果是選擇滲透劑的首要因素。其次要考慮滲透劑的成本。滲透劑的水溶性也是 要考慮的因素，換句話說就是滲透劑要水溶性高，在使用同樣重量單位的溶質時能夠 達到較高的滲透液濃度。溶質降低滲透液水分活度的能力是另一個考慮因素，水分活 度直接影響滲透脫水的效果。典型的滲透劑有無機鹽、單元醇類和多羥基有機物（蔗 糖、乳糖、麥芽糊精、果葡糖漿） 。蔗糖和

22、食鹽是最常用的兩種滲透劑（滲透液溶質） ， 當然任何與水互溶的溶質或溶劑理論上都可以作為滲透劑，所以用蔗糖最為蘋果的滲 透液溶質水為溶劑。 2 果蔬滲透脫水開發(fā)國內外研究現狀和前景 2.1 果蔬滲透脫水的現狀 用來進行蔬菜脫水的方法有以下幾種: 滲透脫水,熱風干燥，微波干燥，真空干燥， 紅外輻射干燥等。果蔬滲透脫水是指果蔬在一定溫度下，浸入一高滲透壓的溶液中， 除去其中部分水分的一種方法。因植物細胞壁是一種半滲透膜，具有部分選擇性，因 此在滲透脫水時，存在兩個相反的質傳遞過程。植物細胞中的水分透過膜進入溶液， 溶液中的溶質也有一部分滲透到細胞中去，在目前節(jié)能的大背景下，滲透脫水成為了 熱點。熱

23、風干燥需要的時間長，耗能大，生產成本大，而且果蔬品質不好保證，常常 被氧化。微波干燥是目前研究的比較成熟而且應用前景也很廣闊的一種脫水方法，也 可以與其它方式結合進行聯合脫水。真空干燥主要利用水分的沸點是隨著壓力的降低 而減小的原理，可以在較低的溫度下對果蔬進行脫水，有利于保持果蔬的原味。紅外 輻射是，當紅外線頻率和分子結合的振動頻率相一致時，紅外線能量就能轉換為分子 的振動能量，高分子物質溫度就上升.這就是紅外線輻射加熱的機理。 果蔬體積小,脫水效果明顯。果蔬組織結構的嚴實程度、初始不溶性固形物與可溶 性固形物的含量、細胞間距、水溶性果膠和原果膠的比例、酶活性的大小等等都是制 約脫水效果的因

24、素。水果外表皮蠟質含量越低,除水效果越明顯,因此,果蔬滲透脫水前往 往進行皮處理。主要是使用一些化學物質除去果皮中的蠟質層,增加半透膜的脫水作用, 一般使用 c10c18 的脂肪酸乙酯對果皮進行處理。constantine 等人(1984) 研究得出:用 1 %的油酸乙酯來浸泡甜玉米和未成熟的玉米 30s , 然后進行空氣干燥, 其脫水效果大 大提高。punting 等人(1970) 研究發(fā)現處理櫻桃、葡萄、杏子的油酸乙酯的最佳濃度分 別為 1 %、2 %和 2 %5 %。marco riva 報道經油酸乙酯處理的葡萄的脫水效果大大 提高。這些實驗研究表明:水果表皮對水的滲透性是制約滲透脫水效

25、果的因素。加拿 4 大的 l yu 等人(1997) 對櫻桃和藍莓的皮處理進行研究, 選用以下三種方法: a1 蒸汽處 理 30s , b1 在 90 條件下在熱水中浸泡 30s , c1 用 1 %的豆蔻酸乙酯在 30 條件下浸 1min ; 實驗證實, 經以上處理的櫻桃和藍莓再進行滲透脫水時,其脫水效果大增,而且可 縮短隨后進行的空氣干燥時間; 特別是在 13718kpa 壓力下,經過 30s 蒸汽處理的試樣, 其滲透脫水效果最佳。 2.1.1 滲透溶液的選擇 常用的滲透溶液中的溶質為: 蔗糖、葡萄糖、果糖、玉糖漿、麥芽糊精、乳糖、氯 化鈉、檸檬酸鈉。一般說來,溶液用作水果的滲透脫水液,鹽

26、溶液用作蔬菜的滲透脫水液。 滲透溶質的分子量及其離子行為在很大程度上影響著水分的去除量、固形物的獲得以 及達到平衡時的分含量。feign kayak retaking (1996) 研究豌豆的脫水現象時發(fā)現: 30 %的 檸檬酸鈉溶液和 60 %的蔗糖溶液的水分活度相當, 但檸檬酸鈉的脫水效果比蔗糖要強, 這主要是因為檸檬酸鈉與蔗糖的不同分子量、不同離子行為所致。remy surely 等人 5 (1994) 實驗證實, 滲透過程中, 果蔬吸入溶質的數量與其分子量直接有關, 如果溶質分 子量較小, 果蔬吸入溶質的量隨時間的延長而增加, 如果溶質分子量較大的話,溶質吸入 則不明顯。也有研究者將鹽

27、與糖混合使用, 因為鹽與糖之間有增效作用, 這樣處理效果 良好。la maguey (1992) 在蘑菇的脫水試驗中發(fā)現, 先用高濃度的糖溶液處理, 再用高 濃度的鹽溶液處理, 不但脫水效果好,而且糖溶液可以防止鹽溶液的鹽分滲入蘑菇。 6 也有研究者在滲透溶液中加入一些添加劑,如:抗壞血酸、檸檬酸、山梨醇。m1l 1erba (1994) 的實驗表明:在糖漿中加入山梨醇可減少杏子和桃子脫水后固形物含量的增加,并 可減少水分的過多失去。分別用果糖溶液和果糖溶液添加山梨醇的溶液處理杏子和桃 子, 盡管兩者的可溶性固形物和不溶性固形物含量的比例相同, 但經添加山梨醇的果糖 溶液處理后的杏子和桃子組織

28、結構更柔軟。因此,用含山梨醇的糖溶液處理后的水果更 適宜作零食, 或用于制作糕點、冰淇淋和酸奶,除此之外,山梨醇可防止果蔬褐變,山梨醇 改善水果產品的組織結構的機理還有待進一步研究。 2.1.2 滲透溶液的濃度 一般說來,滲透溶液的濃度越高,果蔬的失水量越大,其產品的總固形物和可溶性固形 物的含量均增加。很多研究均采用 65be左右的糖溶液,5 %15 %的鹽溶液。濃度 過低, 脫水效果不明顯; 但濃度過高, 溶液的粘度增加, 給脫水過程中的攪拌帶來困難。 2.1.3 溫度選擇 滲透擴散過程受溫度變化的影響。溫度在滲透過程中的效果可以用 arrhenius 公式 描述。較高溫度條件下細胞體積通

29、常增大，細胞本身通透性也會增加，樣品內部的綜 合物質傳輸能力相應加快；同時滲透液的粘度也相應降低，樣品外部滲透液中物質交 換速度加快。另外也有報道，升高溫度可以加快滲透過程中的樣品脫水能力但不會改 變可溶性固形物的獲得。盡管如此，在使用溫度的過程中要注意溫度的界限，超過 600的滲透溫度常常會對樣品的細胞膜和植物組織造成破壞。vide 等人在他們的研究 中也指出，超過 500的滲透溫度會造成蘋果塊的風味損失和顏色變暗。在實際操作中 對于溫度的選擇要依據樣品特性、滲透干燥的目的和工藝來確定。 2.1.4 滲透脫水的時間 浸泡時間越長, 果蔬的失水量越多。一般浸泡時間 56h 為宜。如果滲透時間過

30、 長, 則影響著果蔬的感官品質和營養(yǎng)品質。一般說來,不值得用滲透脫水方法使果蔬的 失重達 50 %以上。事實上, 用糖溶液進行水果脫水時,剛開始, 由于滲透壓作用, 水分 很快從水果組織中進入糖溶液, 實驗證明, 水果剛浸沒后的 2h 內水分浸出最快, 而糖 分子由于分子較大, 不容易很快就透過細胞膜, 所以在達到滲透平衡時主要是水分從水 果組織中進入糖溶液。 2.1.5 水果樣品和滲透液的比例 水果樣品和滲透液比例是指單位重量水果所需要的滲透液的單位重量數。過小的 比例會造成樣品滲出水分對滲透液進行稀釋，從而使?jié)B透脫水過程中滲透液濃度波動 比較大。在研究和中試規(guī)模生產中為了避免滲透液濃度波動

31、帶來的干擾影響，常常采 用較大的比例（大于 1：20/30） 。這樣做一方面可以避免因滲出水分的稀釋作用帶來干 擾, 另一方面也可以簡化滲透脫水過程中的物質傳遞模型。從工業(yè)生產的角度講，需要 這一比例盡可能的小，這樣有助于減小廠房的規(guī)模，可以降低滲透液和生產成本, 同時 也便于對滲透液進行管理 2.1.6 滲透脫水過程中攪拌的選擇 滲透脫水的特點是通過滲透液從固體樣品中取出水分；固體樣品一般組織結構比 較脆、比重小，滲透處理時樣品被浸泡在比重大、粘度高的滲透液中。研究表明對高 濃度情況下的滲透脫水，攪拌過程有利于滲透脫水本身。原因在于通過對滲透液的連 續(xù)攪拌，滲透液和樣品表面相交的滲透液層組分

32、可以得到不斷更新，進而保證了維持 滲透脫水進行所必需的樣品和滲透液之間的滲透壓差。對于攪拌速度對滲透脫水的理 論、系統(tǒng)地研究還是非常缺乏的；在生產過程中，選擇攪拌速度能夠保證滲透液內部 溶質濃度均一、溫度均勻即可9。 2.1.7 壓力的影響 x q shi , p frito (1995) 在真空條件下對杏子、草莓、菠蘿等進行脫水效果的試驗, 研究發(fā)現, 在 40 條件下,使用真空脫水可使菠蘿的失水量增加 2413 %、杏子的失水 量增加 2412 %、草莓的失水量增加 1512 %。真空脫水可大大縮短脫水時間,而溶質很 少滲入水果。而且發(fā)現,40 條件下, 真空滲透處理以上三種水果的失水量與

33、 50 條件 下的常壓滲透脫水效果相當, 可見, 使用真空脫水可使水果在較低的溫度條件下進行脫 水。如果果蔬的孔隙度大的話,真空脫水效果顯著。 7 2.2 滲透脫水的應用前景 滲透脫水可以在較短的時間內除去果蔬的水分而不損壞果蔬的組織結構,經過滲透 脫水的果蔬產品仍具有果蔬應有的風味、色澤、質構、營養(yǎng)品質, 其產品的感官品質相 當不錯,與新鮮果蔬幾乎一樣。滲透脫水可以作為果蔬加工的一種前處理方式, 與果蔬 干燥、冷凍、殺菌、罐藏等方法組合使用。滲透脫水后的產品進一步干燥生產果蔬干 制品,滲入到組織內部的糖分可對果蔬制品起到一定的保護作用, 可以避免或限制使用 二氧化硫, 同時增加了產品在儲藏期

34、間的色素穩(wěn)定性,少量糖分的滲入可使產品比普通 產品更溫和可口。從生產的角度來說,經滲透脫水的果蔬再進行干燥, 產品的干燥時間 可縮短 10 %15 % , 同時由于體積和重量的減少, 使干燥的有效荷載增加了 23 倍, 從而大大節(jié)省了能耗。滲透脫水后的產品用來制作罐頭可使用產品的感官品質優(yōu)于普 通罐頭產品,這一步關鍵是是將水果處理至 2024bricks , 使水果的天然風味物質增 加,在以后的加熱處理時,顏色和質地的穩(wěn)定性提高,并且由于重量和體積的減少,裝罐能 力提高。滲透脫水后的產品進行冷凍干燥使原料體積變小及固形物增加,冷凍干燥的荷 載和加工能力可提高三倍。果蔬的冷凍往往需要消耗大量的能

35、源以冷凍新鮮原料中所 含的大量水分,經滲透脫水后, 果蔬水分含量減少, 冷凍期間能源消耗降低, 同時,由于重 量和體積減少,包裝、運輸及銷售處理等過程中的費用相應減少, 而且, 這樣的冷凍產品 解凍時組織破壞明顯減少。與冷凍前的空氣干燥相比,既節(jié)省了能源,又避免了新鮮原料 因空氣干燥造成的品質下降。滲透脫水后的葡萄若用來榨汁, 由于糖酸比提高, 再經發(fā) 酵制得的葡萄酒的感官品質也得以提高。由于滲透脫水在果蔬的品質保持和能源消耗 方面的優(yōu)勢,它作為果蔬加工的前處理方法得到了國際食品界的廣泛關注,是一些發(fā)達國 家努力探索的一項課題(加拿大、法國、英國、德國、意大利、希臘、比利時、西班牙、 瑞士、荷

36、蘭的十三個課題組正對滲透脫水的應用進行研究,被研究的不光是果蔬,還有魚、 肉等) 。在大規(guī)模工業(yè)應用時,亟待解決的問題還有滲透溶液的在線管理、如何來控制 溶液的濃度、如何來回收溶液、如何來確保滲透溶液的微生物指標的安全性等等。目 前, 快餐業(yè)蓬勃發(fā)展, 漢堡包、三明治、比薩餅的制作需大量的中等水分含量的蔬菜,如:西 紅柿、花菜、蘑菇、胡蘿卜等等,滲透脫水是制備這些脫水蔬菜的優(yōu)選方法。目前, 國 際國內蔬菜加工的數量和需求不斷上升, 加工的方法不斷更新,滲透脫水可以作為脫水 菜、速凍菜、罐藏菜的前處理方法。我國盡管是世界上第一水果生產國,但高產并沒有 高效。我國長期以來重視水果的采前栽培、病蟲害

37、防治, 卻忽視采后處理, 致使水果在 分級、包裝、運輸等過程中腐爛損失嚴重, 每年約有 25 %的產品因變爛而不能利用。 果品加工業(yè)是實現水果采后減損增值的主要途徑之一。通過滲透脫水制得的中等水分 的水果可作為甜點心、酸奶、冰淇淋等的原料, 這樣可以提高果品的延伸效益。隨著應 用性研究的深入,滲透脫水將作為果蔬加工的前處理方法而得到廣泛應用。 9 3 設備設計的總體構思和基礎設備的設計 3.1 工業(yè)上常見的問題 生產中滲透脫水設備要解決幾個主要方面的問題：連續(xù)循環(huán)大量的高粘度滲透液， 樣品原料飄浮現象（樣品原料比重小于滲透液的比重） 。 工業(yè)生產中需要考慮的幾個問題： 使樣品原料浸泡在滲透液中

38、 對樣品原料的操作要輕柔 原料樣品與滲透液的比值要盡可能的小 同時要選擇容易控制的參數來調節(jié)控制滲透脫水工藝，如溫度、滲透液濃度、壓 力、滲透液攪拌速度。盡管滲透脫水技術具有廣闊的應用前景，但在實際生產上這一 技術主要用來生產糖浸的水果，生產過程的控制依靠經驗來實現。工業(yè)生產主要是間 歇式的生產模式。生產中，新鮮的水果切塊首先浸泡在糖溶液中一定時間，滲透液溫 度保持在 30-800c 之間；然后進行風干，待產品最終水分含量達到 15%-20% （重量 比）即風干結束。 滲透脫水技術工業(yè)化的一個主要瓶頸是沒有足夠的資料信息來設計一個合理的、 連續(xù)的滲透脫水設備。在滲透脫水工藝放大過程中，有三個主

39、要問題需要解決：果蔬 樣品與滲透液的有效接觸（果蔬原料的密度低于滲透液的密度，果蔬原料常常漂浮在 滲透液表面上） ，有效利用大量的滲透液，有效地循環(huán)利用滲透液降低生產成本、減少 廢物排放。 3.2 具體的問題及詳細的指標 根據對現有滲透脫水技術的理解和認識，下面一些指標可以用來在設計滲透脫水 工藝、滲透脫水設備時作參考。包括功能需求和控制需求 b 功能 1：固體樣品能夠與滲透液在高濃度下依然保持良好接觸。 具體的控制標準有六個： b11: 在滲透液和樣品之間能夠有相對快速、分布均勻的運動； b12: 不存在對樣品的機械損傷（樣品沒有破損、沒有刮傷） ； b13: 控制滲透脫水的處理時間：在連續(xù)

40、滲透脫水設備中，控制樣品在滲透脫水反 應器中的停留時間； b14: 具有盛納不同形狀樣品的能力（整個、塊、片） ； b15: 能夠減低滲透液與樣品的比例（有助于降低生產成本、降低生產設備的尺寸） ； b16: 避免滲透脫水過程中樣品與空氣接觸而造成的氧化反應。 功能 2：能夠容許滲透液的進入和排出。 功能 3：能夠容許原料樣品的投入和成品的取出 功能 4：能夠有效控制滲透脫水過程中的工藝參數。 b41: 樣品和滲透液的溫度； b42: 滲透液的濃度； b43: 樣品和滲透液的外界壓力； b44: 滲透脫水過程中的攪拌狀態(tài)。 功能 5：符合相關的機械、電力操作條件和相應的食品操作規(guī)范能。 功能

41、6：生產制造滲透脫水設備的成本要合理。 在工藝、設備設計過程中，要盡可能地滿足功能要求（f）和控制要求（c） ；對設 備傳送帶即要保證樣品物料在高滲溶液中的浸泡又要保證樣品物料的順利傳輸。好在 目前已有許多成熟的工業(yè)技術可以供滲透脫水技術應用選擇。 3.3 設備設計的的構思 前人根據的設計資料和相關實際問題，確定幾大基本設備，并對相關問題細節(jié)確 定設備的可行性 3.3.1 滲透方式的選擇 按照滲透液與樣品的接觸方式可以對不同滲透脫水進行歸類，大致分為以下幾類： 滲透液在樣品外部：樣品浸泡在滲透液中、滲透液有攪拌（連續(xù)、間歇）或沒 有攪拌，滲透液淋浴樣品等形式 滲透液通過注射方式注入樣品內部。

42、固體滲透劑涂抹在樣品表面上 通過環(huán)境壓力改變來改善物質傳遞效果 通過預處理樣品改變樣品細胞壁通透性實現改善物質傳遞效果 在滲透脫水的同時運用其他手段改善物質傳遞效果 我選取的是上述的第一種脫水方式，即滲透液在樣品外部樣品浸泡在滲透液中滲 透脫水的特點是通過滲透液從固體樣品中取出水分；固體樣品一般組織結構比較脆、 比重小，滲透處理時樣品被浸泡在比重大、粘度高的滲透液中。 3.3.2 關于滲透效率的問題 工業(yè)上大部分采取攪拌的方式來提高效率，滲透液攪拌狀態(tài)對滲透脫水過程中樣品 水分損失和可溶性固形物攪拌有助于高濃度、高粘度滲透液中樣品中的物質擴散。說 明對高濃度情況下的滲透脫水，攪拌過程有利于滲透

43、脫水本身。原因在于通過對滲透 液的連續(xù)攪拌，滲透液和樣品表面相交的滲透液層組分可以得到不斷更新，進而保證 了維持滲透脫水進行所必需的樣品和滲透液之間的滲透壓差。對于攪拌速度對滲透脫 水的理論、系統(tǒng)地研究還是非常缺乏的；在生產過程中，選擇攪拌速度能夠保證滲透 液內部溶質濃度均一、溫度均勻即可。 盡管攪拌有這些好處，但是考慮到攪拌可能會對原料造成損傷，我選擇另一種方式也 就是振蕩來替換這種方式不但可以避免損傷原料，使得蘋果片與糖漿接觸的更充分， 同時解決糖漿濃度不均溫度不均的問題，不但提高了滲透脫水的質量，而且也加快了 速度，節(jié)省了時間，提高了效率，更加具有經濟性。 具體的就是通過一個振蕩馬達或者

44、偏心電動機來完成左右方向的振蕩至于上下方 向的振蕩是通過空氣壓縮機完成的，而原料框的運動考慮到馬達的振蕩和其本身的上 下運動決定用擺動氣缸完成詳見具體設計 3.3.3 有關浮料的問題 關于浮料的問題，在工業(yè)上很常見，也參考了很多解決方案，像把原料筐分層設 置的，或者用圓料桶完全進入浸漬液中的，并緩慢旋轉的滲透等。 我考慮這個問題，為了填料方便，結構簡單，成本低，我通過一個循環(huán)泵的工作 從 振蕩槽底部抽取糖漿，再從振蕩槽的外圍管道開孔通過類似噴淋的把糖漿液噴灑下來， 沖力比較大一點，把浮料打下。這和空氣壓縮機的上下振蕩形成擾流的作用不謀而合， 可以把原料充分的調動起來，避免原料一直漂浮在液面的表

45、面。 3.3.4 關于滲透液的循環(huán)使用 在滲透脫水過程中，蘋果中的水分流向滲透液中，滲透液濃度下降，脫水能力下 降；伴隨著風味物質、色素、各種酸類、蛋白質、果膠類物質滲入滲透液中，滲透液 的化學特性、物理化學特性、感官特性等也隨著滲透脫水過程的進行而逐漸改變。所 以準備用消毒機和溶質添加桶保證糖漿的濃度，質量等從而解決有效利用大量的滲透 液，有效地循環(huán)利用滲透液降低生產成本的問題 3.4 滲透脫水設備方案圖 經過構思確定設備，機械振蕩式滲透脫水設備結構簡單，滲透溶液設計有回流管 道，能夠有效調節(jié)滲透溶液濃度，同時設置氣壓缸的上下運動，振蕩馬達的左右方向 的機械振動，加上原料框下方壓縮空氣管的擾

46、流，以及循環(huán)泵的噴淋作用可以強化滲 透脫水過程的進行，進而最大限度的提升傳質效率。 具體結構見下圖： 1 234 56 7 8 9 10 11 圖 3-1 果蔬滲透脫水設備 1空氣壓縮機 2空氣過濾器 3框狀壓縮空氣管 4網格狀原料框 5振蕩槽 6高度殺菌機 7溶液添加桶 8循環(huán)泵 9噴液管 10豎直布置氣壓缸 11振蕩馬達 （1）該機械振蕩式果蔬滲透脫水設備的組成： （a）該設備包含一個振蕩槽，其振蕩槽四側底端各設有一個支座； （b）槽體右側設計有一個浸漬液輸出管道，其浸漬液輸出管接入高溫殺菌機并經 浸漬液添加桶而由浸漬液回流管道導入振蕩槽內； （c）振蕩槽底面外接有一個連接有空氣壓縮機和空

47、氣過濾器的框狀空氣管，該框 狀空氣管并于下方設置有兩個透孔； （d）空氣管上面設置有一略為傾斜且斷面成“u”的網格狀原料框，且在原料框 的左側設置有一開啟門，用于對滲透好的果蔬進行卸料動作，原料框右側設置有兩個 抽送隔板，以控制滲透脫水過程中的浮料問題； （e）在原料框的內側上端設置有與氣壓缸活塞桿相連接，左側外端連接一個振蕩 馬達。 3.4.1 設備結構特征 振蕩部分包括振蕩槽，其振蕩槽四側低端各設有一腳架，上端外側有一個原料輸 出道，另外槽體側緣接設有一浸漬液輸出管，其浸漬液輸出管接入高溫殺菌機并經浸 漬液添加桶而由浸漬液回流管導入振蕩槽內，振蕩槽內底面接一空氣壓縮機及空氣濾 清機的框狀空

48、氣管，該框狀空氣管并于下方設有復數透孔，框狀空氣管上方則是網狀 原料筐，該原料筐呈網格狀，且原料筐其右側邊設有一個啟門，而在上端兩側則與氣 壓缸軸臂相連接，左外側頂端接設一個振蕩馬達，連接在振蕩槽外側有一個循環(huán)泵其 從下方抽取蔗糖漿液，然后經由上放管道噴入原料槽內。藉由以上構件，原料筐和氣 壓缸上、下運動，振蕩馬達左、右振蕩，下方空氣管透孔沖出空氣，上方有噴淋漿液。 而使原料筐內的浸漬物得到一良好浸漬效果。 3.4.2 實際運行情形： 原料筐 4 上端連接氣缸 10 伸長時把原料筐下方到振蕩槽 5 內，原料筐外振蕩馬達 11 啟動，使原料筐產生左右振蕩。經空氣壓縮機 1 壓縮的空氣，經過空氣管

49、 3 的透管 冒出。浸漬后糖度不足，可將浸漬液由浸漬液輸出管導出，并經高度殺菌機殺菌 6 及 浸漬液添加桶 7 補足浸漬液糖度，再重新又浸漬液回流管流回振蕩槽內。循環(huán)泵 8 一 直在工作從原料筐下來是開始，到填料時結束，如此循環(huán)。在整個浸漬過程完畢后， 氣缸通過軸臂拉起整個原料筐上升至高于振蕩槽槽面，并打開原料筐開啟門，此時振 蕩馬達仍不斷震蕩，使原料順由原料筐傾斜滑落與輸出道而送出。 3.4.3 具體操作方法 在振蕩槽內放入 400kg 的蔗糖漿液糖度為 25 及處理好的原料即蘋果片然后進行振 蕩動作，該振蕩動作系列每隔 20 分鐘馬達振蕩 1 分鐘左右，另外壓縮機以 2kg/的壓力 每隔

50、10 分鐘空氣經過透孔噴出，持續(xù) 5 分鐘，如此配合大約 25 小時該過程結束， 對于蘋果需要 2 小時即可。 3.4.4 設備的優(yōu)點 本設備的優(yōu)點：浸漬原料速度較快，若以一般傳統(tǒng)浸漬方法，原料需 612 小 時，用此種方法可以節(jié)省 35 小時。原料在浸漬中較穩(wěn)定，浸漬均衡，一般浸漬槽 在浸漬之后糖度含量不均衡。不需要人工操作。不需人力攪動原料，所以浸漬后 原料破壞少，而且衛(wèi)生條件佳在浸漬過程中有上下左右方向的振蕩以及吹入空氣， 原料不會酸敗及發(fā)酵。 3.5 基礎設備的設計 對于果蔬滲透脫水設備來說，其最基礎的設備就是裝原料的容器和裝浸漬液的容 器在這里稱之為原料筐和振蕩槽。 3.5.1 原料

51、筐的設計 根據原料與浸漬液體重量的最佳比例為 1：10 所以原料筐內的蘋果為 40kg 由于 原料是切成片狀的，體積可知設定其長寬高的比例為 6:3:2 可得其尺寸為長為 1.34m 寬為 0.67 高為 0.45m 其材料選為奧氏體不銹鋼，取其壁厚為 5mm 與馬達連接處為 10mm 的鋼板 其連 接方式是焊接在原料筐上的 3.5.2 振蕩槽的設計 選取材料為奧氏體不銹鋼，初步定溶液是 400kg 蔗糖糖漿 取其長寬高的比是 6：3:2 根據容積計算可得根據容器尺寸。長為 1.48 m 寬為 0.86m 高為 0.5m。 材料為奧氏體不銹鋼導熱性能差，熱導率低，且具有極好的塑性和韌性，可以進

52、 行各種鍛造壓延和拉拔加工。所以取原料筐的壁厚定為 10mm 地角支座的設計兩個鋼板焊接在一起屬于直角焊接，其傾斜角度為 25 度具體尺寸 如圖 3-2 圖 3-2 地角支座 4 主要設備的設計 4.1 振蕩馬達的設計 參考原理方案設計中，機械振蕩式果蔬滲透脫水設備的工藝動作原理，這里需要 一個進行短行程往復直線運動的振蕩馬達。馬達即電動機，振蕩馬達即是振蕩電機。 在需要往復直線運動的場合中，如空氣壓縮機、泵、振動器和人工心臟等，常規(guī)做法 是采用旋轉電機，通過曲柄等機械機構將電機的旋轉運動轉換為直線運動。在轉換過 程中，部分能量消耗在曲柄機械結構中降低了系統(tǒng)效率，此外，可靠性和無油化的實 現都

53、不如直接采用直線振蕩電機10。參考夏永明等撰寫的文摘雙定子直線振蕩電機 的設計 ，這里采用類似的設計方法。為了實現快速、短行程直線往復運動的高效性和 高可靠性，提出一種具有具有兩個定子鐵芯的雙定子直線振蕩電機結構，雙定子直線 振蕩電機由單相電源驅動，機械振動頻率和電源頻率相同，鐵芯疊裝方式與常規(guī)旋轉 電機疊裝方式相同。 直線振蕩電機分橫向磁通式和非橫向磁通式。非橫向磁通式直線振蕩電機主磁路 平行于運動方向，硅鋼片順著運動方向排列，當電機為圓管狀結構時，硅鋼片疊裝困 難；橫向磁通式直線振蕩電機磁路垂直于運動方向，硅鋼片的切割、疊裝和普通旋轉 電機相同，加工方便，成本較低。直線振蕩電機振動部分可分

54、為線圈、永磁體和鐵芯。 線圈振動結構接線處易折斷，不宜應用于高速場合；永磁體振動結構中永磁體支架需 要采用非導磁導電材料，機械強度和抗振性能要求高，機械加工困難、成本較高；鐵 芯振動結構無需永磁體支架，具有加工、安裝簡便、結構簡單、機械可靠性高，成本 低等特點。 參考夏永明等發(fā)表的文摘新型雙定子動磁式振蕩電機可知：一些直線振蕩電 機結構可以由相應的直線電機轉化而來。按振動部分材料的不同，直線振蕩電機又可 分成動圈式、動磁式、動鐵式及動磁鐵式。其中，動磁式是目前開發(fā)的熱點。從民用 角度來講，直線振蕩電機應具備以下三個特點：高效、節(jié)能；單相，振動頻率為 50hz，直接使用交流市電，不采用或采用低成

55、本控制器；無傳感器。振蕩馬達的作 用是產生左右方向的機械振動，這里利用中小型電機實現機械振蕩。 直線電動機可看作是旋轉電動機的變形形式，能夠將電能轉變?yōu)橥鶑椭本€運動的 機械運動，與旋轉電機相比，直線電機省去了把旋轉運動轉化為直線運動的傳動裝置， 但由于直線電機氣隙較大，且初級鐵心兩端開斷，故電機的功率因數和效率較低11 。 參考夏永明等撰寫的文摘雙定子直線振蕩電機的設計 ，這里采用類似的直線電 機設計方法，即綜合力特性較好的常規(guī)動磁式直線振蕩電機和存在永磁體磁阻力的動 鐵式橫向磁通直線振蕩電機的優(yōu)點，設計一種新的直線振蕩電機結構，該結構的主要 特點是：采用反向磁通電機工作原理，鐵芯疊壓簡單；磁

56、阻力近似為零，具有良好的 力特性；零件少。組裝方便，成本低。 4.1.1 電機結構和運行原理 振蕩電機包含兩個由硅鋼片沿軸向疊壓而成的同心定子鐵芯，兩個定子鐵芯之間 有一段間隔，用以容納定子繞組線圈，定子鐵芯通過壓板與基座固定，定子每個齒上 的線圈相互串聯，當通電時，線圈繞組在定子齒上產生 n-s 交替磁極。動子鐵芯與直 線軸固定，電機兩端的直線軸承用以維持氣隙恒定，當工作時，動子鐵芯在彈簧和電 磁力的作用下與直線軸一起往復運動。 1-彈簧；2-繞組；3-永磁體支架；4-內定子鐵心；5-活塞腔；6-永磁體；7-外定子；8-活塞； 9-端板10-吸收腔；11-排氣腔；12-外定子鐵心 圖 4-1

57、 雙定子動磁式直線壓縮機軸向剖面 1-外定子鐵心；2-繞組；3-內定子鐵心；4-永磁鐵 圖 4-2 雙定子動磁式直線式壓縮機橫向剖面圖 4.1.2 電機參數計算及設計 （1）推力、反電勢計算 永磁體產生的磁力線從 n 級出發(fā)，經過氣隙，定子齒、軛部、臨近的定子齒、氣 隙、臨近的永磁體，最后通過動子鐵芯進入 s 級形成閉合回路。 永磁體軸向位置改變不影響永磁體的磁路，查閱資料可知氣隙磁密的計算公式為： （4- 01 (1 () mr g gmrg a b b appr 1） 式中，am 為永磁磁極的截面面積，ag 為磁力線穿過截面的面積，pm0 為氣隙磁 導，pr1 為漏磁導，br 為永磁體剩磁

58、，rg 為氣隙磁阻。 電機電磁推力 （4- pm e i f x 2） 其中 i 為繞組電流，為永磁體與線圈交聯的磁鏈，x 為動子位移； pm （2）共振頻率確定 該振蕩電機和彈簧受迫振動系統(tǒng)系統(tǒng)等效，當推力頻率與系統(tǒng)的機械共振頻率相 等時，系統(tǒng)的振幅最大、耗能最小。機械共振頻率與彈簧彈性系數 k 及動子質量 m 0 有關： （4- 0 k m 3） 通過對電機回路的電壓進行分析，可以得到頻率與電感、電容之間的關系： （4- / 0 1 lc 4） 其中為外加電壓角頻率，l 為繞組自感，c 為串聯電容值，實際系統(tǒng)應同時滿 / 0 足式（4-3）和式（4-4） 。 （3）彈簧參數計算 動子質量確

59、定后，由式（4-3）可以確定彈簧彈性系數使電機工作在共振頻率上。 當動子靜止時，兩彈簧處于壓縮狀態(tài)，動子處于兩定子中間處，具有啟動推力；當動 子振動時，彈簧一側壓縮程度加大，另一側壓縮程度減小，在最大振幅處，壓縮程度 加大的彈簧應小于彈簧最大壓縮位移，壓縮程度較小的彈簧仍應處于壓縮狀態(tài)，防止 彈簧松動。 （4）永磁體尺寸 輸出力與永磁體圓周方向的長度有關，與永磁體的軸向長度無關。試驗結果表明， 當永磁體軸向長度大于單個定子厚度與定子間隔之和，小于兩倍的定子厚度與定子間 隔之和時，電機在最大行程附近不會出現較大的永磁體磁阻力，整個行程內的輸出力 較為平滑。 （5）定子尺寸確定 定子疊厚，定子間隔

60、及永磁體軸向長度共同決定最大動子振幅 s w g w pm w (4-5) max () 2 gpm s ww aw 4.1.3 電機樣機參數 雙定子直線振蕩電機的樣機參數包括電機氣隙 g，即永磁體圓周方向長度，p 為電 機級數，a 為振蕩振幅，br為永磁體剩磁，以下是該電機的參數列表： 表 4-1 雙定子直線振蕩電機樣機參數 g/mmlc/mmpa/mmbr/t 1606151.12 4.1.4 振蕩電機的電壓，振蕩頻率，額定轉速，額定功率的選擇 電動機的形式包括結構形式和防護形式，結構形式按電機安裝位置的不同分為臥 式和立式兩種，這里選擇立式安裝。防護形式采用封閉式，其適用于塵土多、特別潮