基于热力学与预测模型的肉类冻干工艺优化研究：能量效率提升与质量保持的关键技术

这篇研究通过热力学分析和预测统计方法，创新性地评估了肉类真空冷冻干燥（VFD）工艺的40种场景（24小时和30小时各20组）。结果表明24小时干燥周期的能量效率（38.7-43.1%）显著优于30小时（36.9-41.1%），验证了缩短干燥时间可节约能源而不影响效果。研究结合质量平衡方程（如minput/tFD）和韦伯分布（Weibull）模型，为工业级肉类冻干提供了优化方案。

　　

1 引言

冷冻干燥（FD）作为保存高品质肉类的关键技术，通过低温（-35°C）和真空（10 Pa）环境实现水分升华。传统干燥占全球能耗20-30%，而FD虽能保持食品色泽和营养，却面临能耗高、周期长（24-30小时）的挑战。研究通过40组工业场景（500-1000kg批量），首次将热力学定律与预测模型结合，量化了能量输入（P_input）、蒸发能耗（E_evaporation）等参数，填补了肉类冻干系统性分析的空白。

2 材料与方法

土耳其Aksaray工厂提供的去骨牛肉样本，在两种干燥时长下进行测试。质量平衡采用三组数学模型：

• 抛物线方程：m?_MC=a+bt_n+ct_n²

• 对数方程：m?_MC=a-b×ln(t_n+c)

  冷却水流量（15.3 kg/h）和潜热值（2257 kJ/kg）作为关键输入参数。能量效率η通过净能量（E_net）与总输入（P_input+E_water）比值计算，数据经Minitab 21.4.2进行韦伯概率分布（95%置信度）验证。

3 结果与讨论

质量平衡：24小时组的质量输入（0.00579-0.01157 kg/s）与输出（0.00145-0.00289 kg/s）呈线性相关（R²=0.9905），30小时组因时间延长效率降低5-7%。能量分析显示24小时组的净能量（64.60-107.67 kW）对应更高效率，证实热损失随操作时间累积。韦伯分布分析中，正态模型（p>0.897）比韦伯模型（p>0.250）更适配数据，表明质量参数符合常规分布。

4 结论

24小时冻干周期可实现最佳能效（峰值43.1%），较30小时节省6.2%能耗。研究建立的预测框架（含质量平衡方程和概率模型）为工业冻干提供了可量化的优化路径，未来可扩展至其他食品领域。热力学参数如饱和冰焓值（-1.475 kJ/kg）和潜热的精确计算，为系统设计提供了理论基石。