冷冻条件对植物细胞低温保存的影响

为保证食品果蔬冷藏保存的品质,细胞层面的基础研究是必不可少的一部分,细胞内冰的形成（ⅡF）会导致严重的细胞损伤从而导致低温储存中的诸多问题。预冷过程对胞内冰晶的形成具有重要影响,因此拍摄到细胞内冰晶形成过程为优化冷冻保存方案提供必要的支持。在冷冻洋葱表皮细胞时,采用不同的降温速率,并使用低温显微系统配合高速摄像机,可视化细胞内更清晰的ⅡF过程。实验结果表明,冷却速率的增加使得在相同温度下细胞内ⅡF出现的概率降低,但细胞边缘冰晶生长速率增加,使细胞受到的损伤程度变化波动明显。     

成骨细胞玻璃化冷冻保护剂的研究

在超低温冷冻过程中,冷冻保护剂(CPA)抑制胞内冰晶形成和避免溶质效应.然而,在其导入和洗脱过程中,由于渗透压的急剧变化将导致细胞大量死亡.本文以成骨细胞为样本,通过测定冷冻保护剂的玻璃化温度、CPA导入和洗脱时渗透压变化及其对细胞活性的影响,研究冷冻保护剂浓度和不同种类保护剂的联合使用对成骨细胞玻璃化冷冻过程的影响.     

小型动态制冰机工作过程的结晶特性

利用所搭建的小型动态制冰装置制取冰浆,实验探讨了结晶时间、载冷剂温度、添加剂种类与浓度、刮削速度等因素对冰浆动态制备过程的影响,研究中基于热平衡方法测得结晶过程不同时刻的含冰率,对所制取的冰浆进行显微拍照,并基于图像处理获取冰晶尺寸的当量直径。实验结果表明,在动态结晶过程的测试时间内,制冰溶液的降温速率受外界条件影响较小,但添加剂种类与浓度对制冰溶液的相变结晶温度以及过冷度影响较大;制冰溶液的含冰率与冰晶尺寸均随时间的增加而增大,其中载冷剂温度、添加剂种类与浓度对溶液含冰率影响较大,而对冰晶尺寸影响最大的因素是刮削速度与添加剂浓度;当结晶过程进行到30 min时溶液的含冰率均达到25%,冰晶尺寸均能达到0.12 mm左右。     

真空法动态制冰的非等温结晶动力学

以氯化钠水溶液为制冰溶液,采用真空法制备得到冰浆。从理论上论证非等温结晶动力学模型Jeziorny法和Mo法用于描述冰浆结晶行为的可行性。通过实验测定不同结晶时间下的冰浆含冰率,并建立了冰浆生成过程的非等温动力学方程。研究结果表明：Jeziorny法和Mo法可很好地描述冰浆的非等温结晶过程;Jeziorny模型指数n的值在0.473~0.525间,表明不同实验条件下的结晶机理基本一致,冰晶呈片状增厚生长;Jeziorny模型中的结晶动力学参数K_c、t_0.25和Mo模型中的冷却速率函数F（T）的变化规律均表明高冷却速率可促进冰浆的形成,同时氯化钠的添加会在一定程度上抑制冰晶生长。     

真空法动态制冰的非等温结晶动力学

以氯化钠水溶液为制冰溶液,采用真空法制备得到冰浆。从理论上论证非等温结晶动力学模型Jeziorny法和Mo法用于描述冰浆结晶行为的可行性。通过实验测定不同结晶时间下的冰浆含冰率,并建立了冰浆生成过程的非等温动力学方程。研究结果表明:Jeziorny法和Mo法可很好地描述冰浆的非等温结晶过程;Jeziorny模型指数n的值在0.473~0.525间,表明不同实验条件下的结晶机理基本一致,冰晶呈片状增厚生长;Jeziorny模型中的结晶动力学参数K_c、t_(0.25)和Mo模型中的冷却速率函数F(T)的变化规律均表明高冷却速率可促进冰浆的形成,同时氯化钠的添加会在一定程度上抑制冰晶生长。     

海水雾化冷冻脱盐技术研究

首先利用雾化冷冻方法来处理渤海湾海水,使得海水部分冷冻为海冰,更多的盐分被包含在未发生冷冻的海水中而脱离冰体.在海冰形成过程中,由于冰晶形成速度要大于海水脱离冰晶的速度,所以最初形成的冰晶、冰针和冰片会发生合并,合并过程中包裹海水形成了"盐胞",因此海冰具有一定的含盐量.然后依次利用重力法和离心法对雾化冷冻得到的海冰进行深层脱盐.依次通过上述3种方法,能够将海水的盐度从25.5‰降低到2.9‰,脱盐率为88.63%.     

杂质离子对共晶冷冻结晶过程中冰晶结晶特性的影响

以硝酸钾水溶液为研究对象,考察了杂质离子对共晶冷冻结晶过程中冰晶结晶特性的影响。首先,建立并验证了共晶冷冻结晶过程冰点的测定方法,并基于Extend-UNIQUAN模型对硝酸钾体系的冰点进行模拟计算。同时考察了不同种类杂质离子对硝酸钾水溶液冰点、结晶点、以及冷冻介稳区宽度的影响,实验研究结果表明:硝酸钾水溶液中离子杂质浓度越高,冰点、结晶点的温度越低,介稳区宽度越宽;杂质离子浓度相同的硝酸钾水溶液其冰点温度随着杂质离子半径减小而减小,结晶点温度和介稳区宽度与阳离子杂质价态成反比,与阴离子杂质价态成正比。并利用基于经典成核理论所推导的介稳区宽度模型方程对实验数据进行模拟计算,模拟结果与实验值符合较好,计算得到硝酸钾水溶液的冰晶成核级数为1.46。     

冷冻速率对冻干法制备BN多孔陶瓷显微结构的影响

为研究利用冻干法制备氮化硼多孔陶瓷时冻干过程中冷冻速率的影响,以分析纯六方氮化硼(h-BN)为原料,分析纯氧化硼为烧结助剂,去离子水为冷冻溶剂配制浆料,再将分散均匀、稳定的浆料通过冷冻速率分别为1.03、1.77和34.7℃·min~(-1)的三种冷冻干燥方式制备成冻干坯体,最后在1 500℃的氮气气氛下保温3 h热处理后制得BN多孔陶瓷。通过观察冻干试样的显微结构以及检测烧后多孔陶瓷试样的气孔率及体积密度,探讨了冷冻速率对冰晶生长行为以及多孔材料显微结构的影响。结果表明,通过调整浆料冷冻过程中的冷冻速率,可以实现对BN多孔陶瓷材料显微结构的控制。当冷冻速率较小(1.03℃·min~(-1))时,冰晶成核的位置随机分布,得到试样的气孔分布不均匀。随着冷冻速率的增大,试样的孔结构发生变化:当冷冻速率为1.77℃·min~(-1)时,冰晶的成核速率接近冰晶的生长速率,得到分布均匀的直通孔结构,孔径约为50μm;当冷冻速率增加至34.7℃·min~(-1)时,冰晶的成核速率超过冰晶生长速率,从而得到分布均匀的竹节状孔结构,孔径细小,约为10μm。而且材料的热导率随着多孔结构的引入会大大降低。     

氧化石墨烯对VS55冻融过程结晶行为的影响

借助差示扫描量热仪（DSC）和低温显微系统,研究了升降温速率（5、10、25、50和100℃/min）和氧化石墨烯（GO）浓度(0.01、0.1、1和5 mg/ml)对VS55溶液降温过程结晶和升温过程冰晶再生长的影响。结果表明：（1）随着升降温速率的增加,VS55溶液体系在降温过程中的结晶焓H_f以及升温过程中的再结晶焓H_Td都会减小;（2）对浓度为2.1 mol/L的VS55溶液进行降温时,GO浓度越大,其结晶焓H_f越大,且初始冻结温度显著提高;但对4.2 mol/L VS55降温时,其结晶焓H_f会随着GO浓度增加呈现出先减小后增大的特点;8.4 mol/L VS55已完全玻璃化,GO对其没有影响;（3）在升温过程中,GO浓度越高,VS55浓度越低,其溶液体系内冰晶再生长抑制程度越大,如GO浓度为5 mg /ml时,2.1 mol/L VS55溶液添加GO前后再结晶焓的差值ΔH_Td为14.55 J/g,而4.2 mol/L VS55就显著降低到7.95 J/g,接近8.4 mol/L VS55的6.91 J/g。总体来看,GO对VS55溶液降温过程冰晶生长特点的影响主要取决于VS55浓度和GO浓度,但对复温过程反玻璃化或冰晶再生长特点的影响主要取决于VS55浓度、GO浓度以及升降温速率。     

氧化石墨烯对VS55冻融过程结晶行为的影响

借助差示扫描量热仪(DSC)和低温显微系统,研究了升降温速率(5、10、25、50和100℃/min)和氧化石墨烯(GO)浓度(0.01、0.1、1和5 mg/ml)对VS55溶液降温过程结晶和升温过程冰晶再生长的影响。结果表明:(1)随着升降温速率的增加,VS55溶液体系在降温过程中的结晶焓Hf以及升温过程中的再结晶焓HTd都会减小;(2)对浓度为2.1 mol/L的VS55溶液进行降温时,GO浓度越大,其结晶焓Hf越大,且初始冻结温度显著提高;但对4.2 mol/L VS55降温时,其结晶焓Hf会随着GO浓度增加呈现出先减小后增大的特点;8.4 mol/L VS55已完全玻璃化,GO对其没有影响;(3)在升温过程中,GO浓度越高,VS55浓度越低,其溶液体系内冰晶再生长抑制程度越大,如GO浓度为5 mg/ml时,2.1 mol/L VS55溶液添加GO前后再结晶焓的差值ΔHTd为14.55 J/g,而4.2 mol/L VS55就显著降低到7.95 J/g,接近8.4 mol/L VS55的6.91 J/g。总体来看,GO对VS55溶液降温过程冰晶生长特点的影响主要取决于VS55浓度和GO浓度,但对复温过程反玻璃化或冰晶再生长特点的影响主要取决于VS55浓度、GO浓度以及升降温速率。     

Effect of Ultrasonically Induced Nucleation on the Drying Kinetics and Physical Properties of Freeze-Dried Strawberry

Power ultrasound has proved to be very useful in controlling crystallization processes since sonication can enhance both the nucleation rate and crystal growth rate by producing fresh and/or more nucleation sites. Therefore, in this study, power ultrasound was applied to control the freezing step of freeze-dried strawberry. The results showed that when power ultrasound was applied at different temperatures, it increased the nucleation temperature and shortened the characteristic freezing time. The application of power ultrasound in the freezing step increased the drying time in subsequently freeze-dried strawberry samples. This longer drying time was found to be due to increased resistance to moisture diffusion due to the formation of a network of small pores caused by sublimation of small ice crystals induced by the power ultrasound. Scanning electron microscopic images revealed that the freeze-dried sample frozen by ultrasound-assisted freezing (UAFD) had finer cellular structure compared to those frozen in other freezing conditions. UAFD samples had better textural hardness, while the rehydration capacity was lower compared to those of NRFD and NIFD samples.     

Effect of air voids on salt scaling and internal freezing

By combining calorimetric measurements with dilatometry, it has been possible to calculate the contributions of thermal expansion, pore pressure, and crystallization pressure of ice to the strain observed in a mortar during freezing/thawing cycles. Air-entrained mortars contract upon freezing, while non-air-entrained mortars expand. The expansion of the latter is attributed primarily to hydraulic pressure, owing to the rapid growth of ice, which nucleates at low temperatures in laboratory samples. Poromechanical calculations account quantitatively for the contraction of samples with air entrainment, assuming that ice crystals form in the air voids. As originally proposed by Powers and Helmuth, those crystals create suction in the pore liquid that offsets the crystallization pressure of ice in the mesopores of the paste, resulting in a net contraction. Ice in the matrix also contributes significantly to the increase in the thermal expansion coefficient of the mortar.The magnitude of the contraction in air-entrained mortar is shown to account for a reduction of salt scaling damage. According to the glue-spall theory, the damage results from cracking of the ice on the surface of concrete, when the thermal expansion mismatch stress exceeds the strength of the ice. The contraction of the mortar caused by air entrainment offsets the thermal expansion mismatch sufficiently to prevent cracking.Based on observations of the nucleation temperature of ice in laboratory samples of various sizes, it is estimated that there is one site capable of nucleating ice at − 1 °C in a cube of mortar roughly 34 cm on an edge (or, one per square meter in a slab 3 cm thick). This suggests that ice nucleates in the field at high temperatures, compared to what is typically seen in the laboratory, and propagates slowly through the pores as the temperature drops. This mode of growth may lead to fatigue damage over many cycles, owing to local stresses from crystallization pressure, where the contribution of hydraulic pressure is insignificant.     

超声辅助冷冻对湿面筋蛋白中冰晶粒度分布及总水含量的影响

超声辅助食品冷冻过程是一种新的技术。本文通过对湿面筋蛋白中冰晶粒度分布及总水含量的检测,探讨超声改善冷冻食品品质的微观作用机制,为超声冷冻新技术在食品化工中的应用奠定化学工程学基础。测定了有无超声环境下冷冻的湿面筋蛋白经过不同冷冻贮藏时间后总水含量, 结果显示：随着冷冻贮藏时间的延长,超声环境下冷冻的湿面筋蛋白中总水含量比传统环境下高。用扫描电镜和压汞仪间接观察和分析了冷冻的湿面筋蛋白中冰晶的形状和粒度分布。研究表明,适宜的功率超声辅助下,冷冻过程能在湿面筋蛋白内部形成细小且分布均匀的冰晶体,减少面筋蛋白网络结构的破坏,从而改善冷冻食品的品质。     

粒数衡算与多相流耦合求解刮削制冰的晶粒特性

在考虑晶粒成核、生长、聚并和破碎的情况下,采用分组法求解粒数衡算方程,通过耦合粒数衡算与多相流方程,建立了多尺度的结晶模型,模拟了表面刮削式制冰装置内水的动态结晶过程,获得不同温度、刮削速度、制冰时间等外界条件下晶粒数密度分布、云图等信息,分析了外界宏观条件对水的动态结晶过程的影响。结果表明：由于碰撞引起的晶粒聚并和破碎使得晶粒的尺寸分布更为集中和均匀;在过冷温差（流体局部温度与水的相变温度差值）不大于20℃,刮削速度不大于10 r·s^-1范围内,降低壁面温度、增加刮削速度可以加速水的结晶与生长。     

Influence of solute type and concentration on ice scaling in fluidized bed ice crystallizers

During crystallization of ice from aqueous solutions, ice crystals exhibit a marked tendency to adhere to the cooled heat exchanger wall resulting in the formation of an insulating ice layer, often referred to as ice scaling. A promising method to avoid ice scaling is the application of a solid-liquid fluidized bed heat exchanger in which fluidized steel particles remove the ice crystals from the walls. This paper presents experiments with a single-tube fluidized bed heat exchanger in which ice crystals were produced from aqueous solutions of various solutes with varying concentrations. The experiments reveal that ice scaling is only prevented when a certain temperature difference between wall and solution is not exceeded. This transition temperature difference appears to increase approximately linearly with the solute concentration and is higher in aqueous solutions with low diffusion coefficients. The observed phenomena are explained by the hypothesis that ice scaling is only prevented when the mass transfer controlled growth rate of ice crystals on the wall does not exceed the scale removal rate induced by the fluidized steel particles. In conclusion, a model based on these physical phenomena is proposed to predict ice scaling in fluidized bed heat exchangers.     

喷雾冷冻法单个液滴冻结过程模拟

喷雾冷冻液滴的冻结过程决定着干燥产品的微结构。本文以单个雾化液滴为研究对象,利用数值模拟的方法研究了液滴大小、气体流速和环境温度3个参数对其冻结过程的影响。结果发现,液滴越大冻结时所需的形核时间和完全固化时间越长,而且冻结过程随着气体流速的增大和环境温度的降低而缩短。通过方差分析发现,液滴大小较气体流速和环境温度对液滴完全固化时间的影响有较显著差异。液滴冷冻过程中,其质量损失率随着液滴大小的增大而略有减小,随着气体流速的增加及环境温度的降低而减小,其中环境温度对液滴质量损失率的影响最大。     

乙醇溶液液滴降压闪蒸特性

基于液滴低压闪蒸理论,设计了一套悬垂液滴的真空闪蒸可视化实验装置,研究了质量分数为0、5%、10%、20%的乙醇溶液液滴的降压闪蒸特性,记录了液滴的成核结晶过程。液滴在降压条件下会经历液态蒸发、伴随气泡生长的蒸发、稳态蒸发结冰、伴随气泡生长的结冰、外部结冰内部气泡逸出最终爆裂5种形态。研究表明乙醇溶液的浓度越高,液滴的凝固点越低,液滴结晶所需时间越长;同时还发现一定浓度的乙醇溶液可以提高液滴结晶时的闪蒸室压力,降低了对系统真空度的要求。