灭菌那点事(7)
四、灭菌过程的物理学基础知识
食用菌技术使用的湿热灭菌, 最重要的过程,就是热量的传输,在封闭或者相对封闭的条件下,热量传输不仅要考虑速度,也要考虑均匀度,基本上蒸汽除了压力差带来的动量之外,灭菌锅内部的气体流动遵循重力规律,同时,也要遵循流体力学规律。而热量的传输,则是热力学的问题,这些问题关乎的是灭菌锅设计、食用菌配料与灭菌效果预评估、灭菌参数设定和物料的堆垒等具体的细节,并非只是灭菌锅厂家才需要掌握的东西,因为我们实际上还要根据这些来选择采购灭菌锅——我不要会下蛋,难道还不要学会选购鸡蛋?
1、热力传导三个方式:
热量的传导,第一个方式是通过固体物质的接触进行的,叫传导,这个传导和物质本身的性质、密实度、以及接触面积有关系,它的原理是分子的共振,通常的规律是金属比非金属导热好,每个物质都有其特定的热传导系数,所以,物料本身的配方决定了它的基本热传导系数,这个不能改变。热传导系数也叫导热系数,在关于保温材料性能方面,还有一个相反的参数,叫绝热系数。
第二个方式是对流,在食用菌灭菌过程里,这是促使热量均匀的主要方式,对流两个字的核心是流动,之所以叫对流,是因为流动导致空间压强的改变,要有平衡,即有上升就有下降,有正向就有反向。对流的发生于外界动量无关,而是因为热力导致的流体密度变化,产生压差。对流方式只发生于流体物质,因为流动本身又消耗动能,所以流动的压差越大,效果越好,压差的大小与高差呈正比例关系。
热量传导的第三个方式是辐射,这是不依赖物质的一种波形式,所以它是直线的,能够被物质遮挡。同时,辐射具有发散性,所以与距离有关系。
综上所述,在食用菌灭菌过程里,物料的升温,依靠的主要方式是传导,而锅体内部的热量分布,则主要依靠对流实现平衡,辐射在这种时候的作用很小。所有热量传导的基础是温度差,热量总是由高温向低温方向传输。
2、剩余空间
从成本角度讲,大家都会希望灭菌锅单位容积容量越大越好?但从效果角度看,如果单位容积容量大了,内部气流流动就更为困难了。这实际上相当于热蒸气的对流受到更大的抑制,而热量源是水蒸气并非被灭菌的物料,因此总体影响热传导。
如果能够控制蒸汽的流向,那么动态的保持这个流动,热量分布的均匀度就可靠了,所以气体流动的重要性就体现在这里。
根据这个原则,采购灭菌锅时,就要注意它的空间设计,过于紧凑是不好的,这个参数应该是在兼顾容量和对流的情况下设定,所以,圆锅方车,是食用菌灭菌锅最佳的空间使用模式。而且无论是立式圆筒还是卧式圆筒都一样,当然,大型食用菌灭菌锅基本上是卧式圆筒的形式,小型的则多是立式的。因为立式只能单开,但立式的采用内外筒模式,是最理想的内部气体对流结构,所以小型的一体化的灭菌锅就自然选择立式圆筒形式了。
另一方面,制造上的直角是容易实现的,但流体是不可能按照直角来流动的,流体流动的动力来自压差,其趋向是直线的,如果存在力学干扰,就会成为弧形的,因此,在角部的气体流动就非常不容易,所以物料尽量不要放置到这种死角里去,否则,灭菌效果就有疑问,如果以角部为基准操作,则中心部位就可能过头了。这也是前面我们说圆锅好于方锅的原理,同时,留些剩余空间以保证气体的流动畅顺,也是保证灭菌效果和均匀性的必要。
(待续)