基于数值仿真技术的发芽糙米混合机理的研究开题报告

全文总字数：5092字

1. 研究目的与意义

发芽糙米是将糙米在一定温度、水分、湿度、氧气等环境条件下发芽至一定芽长，得到的由幼芽和带糠层的胚乳组成的糙米制品。相比糙米和精白米，发芽糙米的口感和营养价值得到了很大的改善，具有多种生理活性功能，可以降血压、抗衰老、提高脑活力、促进生长激素分泌和乙醇代谢等。

传统浸泡法工艺需要入水浸泡发芽，但是在浸泡过程中由于糙米急剧吸水会导致爆腰率的增加，从而影响发芽糙米的食用品质，同时也会由于大量水溶性营养物质的流失，造成发芽糙米的营养品质降低。因此目前提出了一种按照糙米生理需求进行持续变量加湿的非浸泡法工艺,加水浸泡的同时通过搅拌器搅拌使糙米加湿均匀，最终使糙米吸湿水至萌发含水率后发芽。

发芽糙米的产业化始于日本。我国对于发芽糙米的产业化研究起步于2001年。并于2003年对发芽糙米产业化项目进行评审。目前在国内虽然已经开展了糙米发芽的生产工艺研究并开发了专用生产设备和产品，但发芽糙米产品在我国市场上的销售还很有限。另外，这些已经开发出的发芽糙米生产设备，还存在着:1)价格高、生产效率比较低2)自动化程度不高等不足。这些不足之处，也是影响发芽糙米的工业化生产和市场推广的一个重要原因。因此，研制一种结构简单，成本低而且生产效率高的发芽糙米的工业化生产设备，在我国具有广阔的市场前景。这样不仅可以减少国家营养资源的浪费，又能够在我国巨大的市场需求中创造新的物质财富，还能提高我国人民的物质生活质量，其社会和经济意义十分显著。

2. 国内外研究现状分析

日本最早实现了发芽糙米的产业化，我国对于发芽糙米的产业化研究相对较晚，起步于2001 年。目前在国内虽然已经开展了糙米发芽的研究并开发了专用生产设备和产品，但在我国市场上发芽糙米产品销售极为有限。目前国内研制开发的发芽糙米生产设备主要为隔层培养箱式和滚筒式发芽糙米加工设备。前者结构复杂、价格昂贵、生产效率低，远不能满足我国巨大的市场需求；后者结构复杂、易堵塞、排水困难。研制一种结构简单、价格低廉且生产效率高的糙米发芽的工业化生产设备将具有广阔的市场前景。日本作为开发发芽糙米最早的国家，有关发芽糙米的专利有20件，其发芽糙米生产技术已经基本成熟，目前的研发热点是对发芽工艺和发芽器的不断改进。

目前，国内已有多家单位进行了糙米发芽工艺条件的试验研究，也有少数企业尝试过发芽糙米的工业化生产加工。中国农业机械化科学研究院机电技术应用研究所和北京华通康源科技有限公司联合开发的发芽糙米产业化项目己通过专家鉴定，已建成一条0.5-1 t/d规模的发芽糙米生产线，并掌握了生物处理工艺等核心技术，它是一种分层浸泡与发芽设备。2007年由南京农业大学顾振新担任总技术顾问的日产3t的发芽糙米生产线在湖南麻阳正式投产。此外还有一些单位或个人申请了相关专利。2005年杨春华等人设计并开发了多功能隧道式2009年张琳设计并开发了轨道式糙米发芽装置，包含有发芽室、钝化室、酶介室、清洗室、支架和轨道，轨道设置有两条相对的直线轨并两端设置为密封，在轨道的两条直线轨上按从一端开始顺序设置有发芽室、钝化室、酶介室和清洗室，在发芽室、钝化室、酶介室和清洗室内设置有多条相对的轨道，支架设置为u型并设置为与轨道滑动联接，支架上设置有多层糙米发芽托板;这样提高了糙米日处理产量，保证各工序的环境不同要求。2011年南昌大学设计并开发了发芽床式的糙米发芽设备。2012年益阳市东源食品有限公司开发了自动化一体糙米发芽装置，它包括箱体、加热恒温装置、喷雾恒湿装置、杀菌消毒装置和发芽容器，还包括控制器;通过控制器对箱体内的温度、湿度进行有效控制，并且利用自动化控制在一个箱体中完成糙米发芽的全部过程，加工成本低，制作工艺简单，适用于批量生产，且质量控制效果好，营养成分高。2012年南京理儒机械科技有限公司发明了基于生物发芽工艺技术的生产设备，它包括发芽罐和与发芽罐相适配的温水罐，在发芽罐内设置发芽罐温度传感器和发芽罐内的液位计，温水罐内设加热管、温水罐内的液位计和温水罐温度传感器，可通过电气自动对谷物籽粒发芽过程中的换水、灭菌、温度等参数进行控制，以保证发芽的胁迫环境，保证发芽过后功能性营养成分的大幅度提升和提高发芽率和生产效率，可对糙米、黄豆、黑米、黑豆、燕麦、青棵，苦荞等多种谷物籽粒进行发芽生产。

我国对发芽糙米的研究开发仍处于实验室理论水平，侧重于发芽糙米的营养成份等基础研究，而对与工艺配套使用的专用加工设备的研究较少，不利于该产品的生产规模化和工厂化。目前国内研制开发的发芽糙米生产设备与传统浸泡法工艺配合使用，该工艺需要糙米在水中浸泡发芽，由于在浸泡过程中糙米急剧吸水会导致爆腰率的增加，从而影响发芽糙米的食用品质，同时会有大量水溶性营养物质的流失，造成发芽糙米营养品质降低，并且浸泡过程中容易滋生微生物，造成大量污水排放不利于节能减排等。依据稻种在土壤中自然吸湿萌发的生长规律，提出一种按照糙米生理需求进行持续变量加湿的非浸泡法工艺，与传统浸泡法相比，该工艺下的发芽糙米得率较高，爆腰率低，γ-氨基丁酸含量显著增加，其营养品质与食用品质都得到提高，同时减少了污水排放，实现了节能减排。但是这种持续变量加湿工艺只是处在实验研究阶段，与其配套使用的发芽糙米生产设备国内外未见研究报道。研制非浸泡法发芽糙米机可以促进高品质发芽糙米的工业化生产，满足市场需求，具有十分重要的理论和实践意义。目前国内研制开发的发芽糙米生产设备主要为滚筒式和隔层培养箱式。滚筒式发芽糙米生产设备结构复杂，易堵塞，排水比较困难。隔层培养箱式发芽糙米生产设备，造价昂贵，结构比较复杂，生产效率低下，不能满足我国巨大的市场需求。杨春华等人设计并开发了多功能隧道式糙米发芽装置，糙米被平铺在隧道内的输送网上，在隧道内往复运动，该装置不损伤糙米胚芽。龚丽等人将糙米用带孔的筐分装好，并放入浸泡池的方式进行发芽。该浸泡池结构简单实用，造价较低。王珩等人采用滚筒式发芽糙米加工设备对糙米进行发芽，该设备价格低廉，实用性能高。

参考文献：

3. 研究的基本内容与计划

为了设计出混合性能良好的发芽糙米机，本课题旨在通过现代三维仿真技术，应用离散元软件 edem 模拟糙米颗粒在发芽糙米机内的混合过程，探究发芽糙米机内混合机理，寻找最优混合工艺参数。在以上研究基础上改进设计发芽糙米机。确定主要内容为利用离散元法研究发芽糙米的混合过程，主要研究了不同转速、填充率下 罐体内等粒径,同属性的椭球颗粒的混合过程，得到了不同转速下分离指数与搅拌叶片旋转圈数的数学关系，不同填充率下搅拌叶片旋转圈数对混合度的影响，并分析了转速、填充率对能耗的影响规律。计划先用proe软件将二维图纸转化为三维图形研究，然后通过edem模拟软件先对一组标准参数进行计算，得到结果后改变参数中的转速，其他参数不变进行第二次计算，得到第二组结果同第一组结果进行比较，计算标准差得到最优的转速参数，通过这组参数来设计出更完善的发芽糙米机，借此研究发芽糙米的混合机理。

具体进度计划：

1．2周时间进行对所研究课题的调研及文献查阅，完成相关的文献综述以及开题报告；

2．4周时间学习并熟练应用pro/e软件，并且利用该软件对所研究的发芽糙米样机进行建模，完成数字化模型；

4. 研究创新点

1、基于离散元法得到了发芽糙米机的最优工艺参数，降低试验成本，缩短设计时间。由于发芽糙米是固体颗粒所以使用离散元法可以得到物理实验很难获得的参数信息，可以直观观察到混合过程中颗粒体系的每一个颗粒的运动轨迹、位置坐标、速度和受力等信息。

2、明晰了发芽糙米机内颗粒混合机理，为发芽糙米机改进以及操作控制提供理论依据。 发芽糙米机实质上就是搅拌机，所以研究好颗粒的混合就可以更好地改进发芽糙米机的性能。