基于干燥过程的植物多孔介质质量传递过程机理与模型

对于具有细胞结构、且细胞内含有大部分水分的植物多孔介质，要真实描述其内部水分的传输过程机理，必须考虑存在于细胞内部的水分跨膜传输过程。目前的大多数研究中，均将其作为一般多孔介质处理，按照孔道内湿分迁移的模式进行模型与模拟研究。但该模式只适宜非生物多孔介质，或具有明显网络管道的动物组织多孔介质，如各种脏器的毛细血管、胆小管、支气管等系统。针对植物组织的细胞结构，本项目尝试建立同时考虑细胞间隙孔道与细胞内湿分传输的"细胞+孔道网络"双尺度干燥模型，提出"生物多孔介质湿分传递的细胞镶嵌结构孔道网络模型"概念，并将其用于"孔道网络+细胞"双尺度模型的构建。研究内容主要包括：植物组织结构二维细胞镶嵌网络构建、双尺度植物组织湿分传递模型的建立与模拟、以及湿分传输过程和传输机理的实验等内容。

本研究按照项目的要求：1）研究了植物组织在干燥过程中微观结构的变化，得到了组织微观结构变化与宏观水分含量的关系式；使用环境扫描电镜对冷冻干燥过后的植物物料的微观结构进行了研究，得知细胞壁网络对干燥过程中水分迁移具有重要影响；研究了水分跨膜阻力，认为在现阶段的研究可忽略除细胞膜之外的其他所有细胞结构。在上述的研究之上提出了薄壁组织干燥的概念模型，该模型由“细胞”（仅由细胞膜组成）镶嵌而成。2）构建了干燥过程中细胞内水分跨膜传输模型。首先论证了重量比较法测量植物细胞水势的可靠性，之后研究了细胞水势与其水分含量的关系，给出了通过宏观手段确定该关系的理论基础，还给出了细胞外孔隙中水势的表达式。然后介绍了非连续介质中非电解质透膜渗透传输模型在描述单个细胞水分跨膜传输上的运用。最后从跨细胞膜传输通量的定义出发推导了干燥过程中平均水分跨膜传输通量与物料水分含量的关系，重新解释了传统薄壁组织等温干燥曲线。3）在概念模型的基础之上采用孔道网络来近似“细胞”外的孔隙空间，加入了细胞水分跨细胞膜传输模型，构成了“细胞+孔道网络”模型；介绍了模型中考虑到的微观现象：水分跨膜传输和孔道中的传质规律；进行了编程模拟并对模拟结果进行了实验验证。由于真实情况的复杂性，当前模型距准确描述植物组织干燥过程还有很远的距离。. 本项目的研究在一定程度上揭示植物薄壁组织的干燥机理，丰富了植物物料干燥理论；提出的“细胞+孔道网络”模型是对孔道网络方法的拓展，是孔道网方法在植物薄壁组织这样的吸湿性多孔介质干燥上应用的有益尝试；“细胞+孔道网络”模型也使得植物组织干燥模拟更加理论化。然而由于建模方法和实验手段所限，我们对物料的结构和传质规律做出了极大简化，使得模型的理论预测结果与实验结果有相当大的偏差，有些模型所需的参数还不能直接测得。因此对植物物料干燥的研究还需要在传质机理实验和模型模拟方法两方面继续深入。