《基於乾燥過程的植物多孔介質質量傳遞過程機理與模型》是依託中國農業大學，由劉相東擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於乾燥過程的植物多孔介質質量傳遞過程機理與模型
- 依託單位：中國農業大學
- 項目負責人：劉相東
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
對於具有細胞結構、且細胞內含有大部分水分的植物多孔介質，要真實描述其內部水分的傳輸過程機理，必須考慮存在於細胞內部的水分跨膜傳輸過程。目前的大多數研究中，均將其作為一般多孔介質處理，按照孔道內濕分遷移的模式進行模型與模擬研究。但該模式只適宜非生物多孔介質，或具有明顯網路管道的動物組織多孔介質，如各種臟器的毛細血管、膽小管、支氣管等系統。針對植物組織的細胞結構，本項目嘗試建立同時考慮細胞間隙孔道與細胞內濕分傳輸的細胞+孔道網路雙尺度乾燥模型，提出生物多孔介質濕分傳遞的細胞鑲嵌結構孔道網路模型概念，並將其用於孔道網路+細胞雙尺度模型的構建。研究內容主要包括：植物組織結構二維細胞鑲嵌網路構建、雙尺度植物組織濕分傳遞模型的建立與模擬、以及濕分傳輸過程和傳輸機理的實驗等內容。
結題摘要
本研究按照項目的要求：（1）研究了植物組織在乾燥過程中微觀結構的變化，得到了組織微觀結構變化與巨觀水分含量的關係式；使用環境掃描電鏡對冷凍乾燥過後的植物物料的微觀結構進行了研究，得知細胞壁網路對乾燥過程中水分遷移具有重要影響；研究了水分跨膜阻力，認為在現階段的研究可忽略除細胞膜之外的其他所有細胞結構。在上述的研究之上提出了薄壁組織乾燥的概念模型，該模型由“細胞”（僅由細胞膜組成）鑲嵌而成。（2）構建了乾燥過程中細胞內水分跨膜傳輸模型。首先論證了重量比較法測量植物細胞水勢的可靠性，之後研究了細胞水勢與其水分含量的關係，給出了通過巨觀手段確定該關係的理論基礎，還給出了細胞外孔隙中水勢的表達式。然後介紹了非連續介質中非電解質透膜滲透傳輸模型在描述單個細胞水分跨膜傳輸上的運用。最後從跨細胞膜傳輸通量的定義出發推導了乾燥過程中平均水分跨膜傳輸通量與物料水分含量的關係，重新解釋了傳統薄壁組織等溫乾燥曲線。（3）在概念模型的基礎之上採用孔道網路來近似“細胞”外的孔隙空間，加入了細胞水分跨細胞膜傳輸模型，構成了“細胞+孔道網路”模型；介紹了模型中考慮到的微觀現象：水分跨膜傳輸和孔道中的傳質規律；進行了編程模擬並對模擬結果進行了實驗驗證。由於真實情況的複雜性，當前模型距準確描述植物組織乾燥過程還有很遠的距離。本項目的研究在一定程度上揭示植物薄壁組織的乾燥機理，豐富了植物物料乾燥理論；提出的“細胞+孔道網路”模型是對孔道網路方法的拓展，是孔道網方法在植物薄壁組織這樣的吸濕性多孔介質乾燥上套用的有益嘗試；“細胞+孔道網路”模型也使得植物組織乾燥模擬更加理論化。然而由於建模方法和實驗手段所限，我們對物料的結構和傳質規律做出了極大簡化，使得模型的理論預測結果與實驗結果有相當大的偏差，有些模型所需的參數還不能直接測得。因此對植物物料乾燥的研究還需要在傳質機理實驗和模型模擬方法兩方面繼續深入。
