《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：From attenuation to solvent content:
Operando neutron imaging of dynamic microwave freeze-drying
编辑推荐：
微波冷冻干燥是一种新兴的干燥方法，与常规冷冻干燥相比，它缩短了工艺时间，降低了能耗，同时确保了对敏感产品的温和干燥。然而，堆积体内的干燥动力学和均匀性尚不明确。本研究采用原位（operando）中子射线照相成像技术，以麦芽糊精颗粒作为模型物质，对动态混合的颗粒
微波冷冻干燥是一种新兴的干燥方法，与常规冷冻干燥相比，它缩短了工艺时间，降低了能耗，同时确保了对敏感产品的温和干燥。然而，堆积体内的干燥动力学和均匀性尚不明确。本研究采用原位（operando）中子射线照相成像技术，以麦芽糊精颗粒作为模型物质，对动态混合的颗粒堆积体在微波冷冻干燥过程中的水含量进行了定量、时间和空间分辨的测定。研究人员评估了粒径和转速对微波冷冻干燥过程干燥动力学和均匀性的影响。建立了一个阶梯楔形校准，将中子衰减与样品厚度联系起来，并结合外部孔隙率数据，能够定量评估堆积体内的局部水含量。研究人员开发了一种基于人工智能的图像处理算法，用于量化干燥过程中堆积体内像素级的水分含量。
原位测量的干燥动力学总体上相似，在所研究的参数范围内，转速和粒径对干燥动力学影响很小，而转速主要影响干燥均匀性。较高的转速促进了随时间推移更窄的水分分布。外部孔隙率在干燥过程中下降，表明堆积体发生致密化，并且大颗粒观察到的变化比小颗粒更大。颗粒圆度保持较高且变化很小，表明颗粒形态在加工过程中基本得以保留。此外，可以原位量化取决于干燥阶段的堆积体积减少。总体而言，该研究表明，通过中子成像实时研究动态微波干燥过程是可行的。
论文解读文章
1. 研究背景与目的
冷冻干燥是食品和制药工业中保存生物制品（如发酵剂、疫苗）的关键技术。传统上，产品以冷冻溶液形式放置于干燥器中。近年来，喷雾冷冻干燥技术受到关注，它将溶液冷冻成颗粒或小液滴，从而形成冷冻颗粒堆积体进行干燥。相较于溶液冷冻干燥，堆积体的冷冻干燥机理更为复杂，尤其是在传热和传质方面。
在静态堆积体冷冻干燥中，干燥速率受限于加热板与堆积体之间的外部传热以及颗粒内部的传热。随着干燥进行，传热效率会因饱和度降低而急剧恶化。在传质方面，需考虑颗粒内部传质、通过堆积体的外部传质以及从堆积体表面到冷凝器的传质，这增加了过程的复杂性。已有研究表明，静态堆积体冷冻干燥效率极低。
为解决上述问题，研究人员提出了两种强化策略：一是通过动态混合（如旋转滚筒）增强外部传质，打破传质限制；二是利用微波进行体积加热，克服传热阻力。微波可穿透每个颗粒并引发内部加热，无需温度梯度即可传递能量，从而加速干燥过程。同时，混合还能防止微波加热中热点和冷点的出现，提高干燥均匀性。因此，理解动态微波冷冻干燥过程中混合强度、粒径等参数对局部干燥动力学和均匀性的影响，对于设计高效、稳健的冻干工艺至关重要。
本研究旨在填补这一知识空白，利用原位中子成像技术，首次实现对动态混合颗粒堆积体在微波冷冻干燥过程中水含量的实时、定量、高时空分辨率监测，系统探究粒径和转速对干燥动力学、干燥均匀性及堆积体结构演变的影响。
2. 主要技术方法
研究人员采用了以下几种关键技术方法：
- •
原位中子射线照相成像（Operando Neutron Radiographic Imaging）：利用中子对氢元素的高敏感性，实现对干燥过程中堆积体内水含量的非侵入式、实时可视化监测。
- •
阶梯楔形校准法（Step-Wedge Calibration）：通过测量已知厚度下干燥颗粒、冻结颗粒和冻结溶剂的衰减，建立中子衰减与样品厚度及含水量的定量关系。
- •
基于AI的图像处理算法：开发专门算法，实现干燥过程中堆积体像素级水分含量的精确量化。
- •
动态微波冷冻干燥装置：设计并搭建了一套集成了旋转滚筒和微波发生器的专用干燥器，以满足中子成像实验的严苛要求。所有实验均在匈牙利布达佩斯中子中心的RAD成像站完成。
3. 研究结果
3.1 干燥动力学
- •
通过原位测量的干燥动力学曲线显示，在所有实验条件下，整体干燥趋势大致相似。
- •
在所研究的参数范围（粒径：2.2 mm vs 3.6 mm；转速：1.2 rpm vs 2.4 rpm）内，粒径和转速对整体干燥动力学的影响很小。这表明在该特定体系下，微波的体积加热效应可能主导了干燥进程，从而削弱了传统传质或传热限制因素的影响。
3.2 干燥均匀性
- •
转速是影响干燥均匀性的主要因素。研究发现，较高的转速（2.4 rpm）能够促进堆积体内水分的重新分布，使得水分含量随时间的分布更加集中和均匀。
- •
相比之下，粒径对干燥均匀性的影响不明显。这证实了机械混合在均化微波吸收和改善干燥一致性方面的有效性。
3.3 堆积体结构演变
- •
外部孔隙率（Outer Porosity）：在干燥过程中，所有样品的堆积体外孔隙率均呈下降趋势，表明堆积体发生了致密化现象。其中，大颗粒堆积体的孔隙率下降幅度大于小颗粒，这可能与大颗粒在干燥过程中更易发生重排和塌陷有关。
- •
颗粒形态：颗粒的圆度（Circularity）在整个干燥过程中保持较高水平且变化甚微，表明微波冷冻干燥工艺基本保留了原始颗粒的形态，未造成显著的物理损伤或破碎。
- •
堆积体积：研究还成功实现了对干燥不同阶段堆积体体积缩减的原位量化，为理解宏观结构变化提供了数据支持。
4. 讨论与结论
本研究的讨论部分指出，尽管整体干燥动力学相似，但微观层面的水分分布和堆积体结构变化揭示了动态微波冷冻干燥过程的复杂性。转速对均匀性的显著影响强调了工艺设计中混合的重要性。堆积体致密化现象的发现，特别是其与粒径的关联，对未来优化工艺参数、防止产品过度收缩具有重要意义。
研究结论：本研究成功证明了利用中子成像技术实时、原位研究动态微波干燥过程的可行性。通过结合阶梯楔形校准和AI图像处理，研究人员首次实现了对动态混合颗粒堆积体在微波冷冻干燥过程中局部水含量的定量分析。研究结果表明，在所考察的参数范围内，粒径和转速对整体干燥动力学影响不大，但转速是决定干燥均匀性的关键因素。此外，研究还揭示了干燥过程中的堆积体致密化和体积缩减现象，且这些现象与粒径相关。这项研究为理解和优化动态微波冷冻干燥工艺提供了前所未有的微观视角和定量依据，为该技术在制药和食品工业中的应用奠定了坚实的科学基础。
