冷冻浓缩过程冰晶生长机制微观研究

应用冷冻浓缩工艺生产浓缩果汁是目前提高果汁品质和营养的重要途径之一，其中控制冷冻浓缩过程冰晶生长及其内容物夹带是关键技术。但目前其冰晶生长机制尚不清楚。本课题以冰晶生长演化过程为研究对象，借鉴金属微观结构研究领域的相场模型，根据动力学和热力学数据，探索冰晶组织的形成规律和控制方法。旨在建立冷冻浓缩过程冰晶生长的微观数学模型，以期分析影响冷冻浓缩冰晶夹带率的理论因素，为改进果汁冷冻浓缩工艺提供理论依据和技术支持。

应用冷冻浓缩工艺生产浓缩果汁是目前提高果汁品质和营养的重要途径之一，其中控制冷冻浓缩过程冰晶生长及其内容物夹带是关键技术，但目前冰晶生长机制尚不清楚成为冷冻浓缩工业化的主要瓶颈。本项目以冷冻浓缩过程冰晶生长演化为研究对象，采用国内外描述相变微观结构的相场模型，根据动力学和热力学数据，建立冰晶生长的微观数学模型，在此基础上从微观上探索冰晶组织的形成规律和控制方法,旨在分析影响冷冻浓缩冰晶夹带率的理论因素，为改进冷冻浓缩工艺提供理论依据和技术支持。本项目开展了冷冻浓缩过程冰晶生长演化微观研究，将果汁视为水和溶质二元系统，建立冷冻浓缩过程冰晶生长的相场方程。微观模拟了冷冻时间、过冷度、初始温度对冰晶生长形貌和溶质分布的影响，为冷冻浓缩技术的推广应用提供理论依据。探索界面厚度及各向异性等参数对结晶过程冰晶生长的影响，优化参数取值，使模拟结果吻合试验结果。本项目还参照凝固学的尖端半径、固相率、枝晶尖端生长速度等定义，计算冰晶尖端半径、固相率、尖端生长速度等冰晶生长及其亚结构的重要参数，用以描述冰晶生长行为。由于水凝固成冰的过程，都会释放潜热，从而改变熔体温度分布，为更准确模拟预测冰晶形貌，在上述基础上，进一步耦合温度场，探索非等温条件下的冰晶演化，并与等温模拟结果进行比较，获得更符合冰晶生长的真实物理过程。