实验室喷雾干燥机在生物质资源加工利用中的研究进展

摘 要: 喷雾干燥技术被广泛应用在许多工业生产领域中, 本文从工艺、机理、产品的质量和节能等几个方面对喷雾干燥在生物质资源加工利用中的发展状况进行了概述, 发现研究过程中尚存在着一些问题, 如由于高进气温度使产品质量下降; 在干燥室或工艺管中发生产品粘壁; 系统能效低及生物制品中活性物质被破坏等, 亟需在工艺及设备等方面改进和提高, 因此很有必要对喷雾干燥技术进行更深入的研究。

喷雾干燥是以单一工序将溶液、乳浊液、悬浮液和浆状物料加工成粉状、颗粒状、空心球或团粒状干燥产品的一种干燥方法。喷雾干燥技术的研究始于20世纪初期, 距今已有100 多年的历史。起初, 这种技术主要用于脱脂奶粉的制造, 并在食品工业中应用, 随着喷雾干燥技术的不断成熟, 其应用范围也逐渐扩展, 目前这项技术在国内外的许多行业都已得到了广泛的应用, 例如在食品工业中用于奶粉[ 1] 、乳清粉[ 2] 、豆奶粉[ 3] 、蛋粉、果汁粉[ 4- 5] 、速溶咖啡[ 6] 等的生产中, 另外, 在其它行业如化学[ 7- 8] 、[ 9- 10] 、造纸[ 11] 、陶瓷[ 12] 、化肥[ 13] 、冶金[ 14] 、洗涤剂[ 15 ] 、环保[ 16] 、生物质活性物质[ 17- 19] 等工业生产中也被采用。自然界中生物质资源广泛, 提取对人类健康有保健作用的有益成分, 制作成各种粉状或颗粒状易于保存的产品是当前发展的重要方面。喷雾干燥正是生物质资源加工利用工艺的必要组成部分。在林化行业中, 浓缩单宁液、歧化松香皂膏、木工胶黏剂等均可通过雾化干燥完成。王静等[ 4] 用喷雾干燥工艺对枣进行加工处理, 不但保存了枣的营养价值, 而且为枣产品的品种多样化提供了一种途径。陈宜芳等[ 20] 通过对喷雾干燥后的鱼浆蛋白粉营养成分进行分析, 将得到数据与鱼粉数据相比较, 寻找差距点, 对喷雾干燥第5期张彩虹, 等: 喷雾干燥在生物质资源加工利用中的研究进展 47工艺进行优化。尽管在生物质资源加工利用中喷雾干燥技术无论是从深度上还是从广度上都得到了巨大的发展, 但仍然有其不足之处, 如受生物质物料的多样性及各物料差异性、干燥产品不同质量要求的影响, 工艺不仅要随物料变动而且复杂性也会不同,所以在生物质资源加工利用中喷雾干燥工艺研究仍是各国科研人员的重要研究内容; 又如大部分喷雾干燥装置的热效率在30% ~ 70% 之间[ 21] , 所以提高喷雾干燥在生物质资源加工利用中的热利用率也是研究的重要方面。鉴于喷雾干燥技术JT-8000Y的深入研究对生物质资源的开发与利用都具有现实意义, 本文就喷雾干燥技术在生物质资源中的发展程度进行了分析和综述, 同时对未来的发展趋势作了展望。

1 在生物质资源加工利用中喷雾干燥的机理研究

1. 1 雾化器性能和雾化机理的研究

雾化器是把液体雾化成细小雾滴的核心装置, 其性能好坏直接影响产品质量和技术经济指标。在生产中, 往往会出现大颗粒没有干透、小颗粒已经过干的现象。因此, 雾化器必须满足生产工艺要求, 既保证料液的分散度, 又能把粒径变化控制在zui小限度。母福生等[ 22] 从理论上推导喷雾干燥技术中雾化器流量、雾化角各自的关系公式, 基于空气动力干扰学说推导出雾化后液滴平均直径的理论公式, 找出它们内在, 并通过相关实验数据进行验证。郝文生等[ 23] 对离心雾化的成因作了详细的分析, 得出液滴的3种形成方式: 直接分裂成液滴、丝状割裂成液滴、膜状分裂成液滴。虞子云[ 24] 通过对二流体外混、二流体内混、三流体内混和三流体内外组合混等4种类型气流喷嘴在不同的喷嘴几何尺寸、料液物性、操作条件下的雾化试验比较和分析, 指出了各种喷嘴的适用场合, 例如, 二流体内混式喷嘴能耗zui小,是水及物性接近于水的大多数低黏度物料雾化的适用喷嘴; 三流体内混式喷嘴能耗比二流体内混式大, 适合在高黏度物料场合使用。

1. 2 喷雾干燥（JTONE）中气流与微粒的运动及相对运动

喷雾干燥系统是一个多输入多输出的复杂系统, 时间长, 损失较大, 试验成本较高。随着计算机技术的发展, 使得模拟喷雾干燥这个复杂过程成为可能。Langrish 等[ 25] 结合喷雾干燥的特点,建立了模拟食品在喷雾干燥室内气体-颗粒两相湍流流动的模型。应用计算流体力学对干燥器内食品干燥的气-粒两相流运动进行了模拟, 研究了食品喷雾干燥中器壁沉积颗粒的成因, 得出减少器壁沉积率的适宜条件: zui大喷射锥度60b和zui大量的涡流进气62b。Huang等[ 26] 应用计算流体力学对麦芽糊精在离心雾化器和压力管雾化器的喷雾干燥性能作了比较研究, 模拟结果显示两种雾化器产生非常不同的颗粒尺寸分布和雾化样式, 得到的颗粒轨迹展示了不同的温度、流量和干燥特性, 为在一种喷雾干燥腔内实现多种生物质物料喷雾干燥的可行性研究提供了素材。虽然CFD应用已日渐广泛, 但是CFD 的模型验证需要更多的试验数据支持, 而在生物质资源加工利用中喷雾干燥环境很难取得良好的测试数据, 使得CFD技术在生物质物料喷雾干燥中的应用还有待于进一步提高。

1. 3 雾滴的干燥速率以及产品的形状

雾滴的干燥速率与雾滴的分布直接有关, 大量生产实践表明, 生物质产品粉体颗粒粒度分布受如下工艺参数影响: 料液浓度、进料速率、温度、雾化方式、干燥介质流量、气液接触方式以及溶剂和溶质的性质等。喷雾干燥所得的生物质产物一般为球形颗粒, 但由于工艺参数控制不当往往会导致颗粒变形, 如空心球、中空的环形、椭球形或苹果形。黄立新等[ 7, 27] 通过分析生物质物料在整个喷雾干燥阶段中的温度和颗粒状态变化, 研究了生物质物料的玻璃化转变特性和产品质量与干燥工艺参数的关系, 从而为提高雾滴的干燥速率和得到合格的产品形状提供了理论根据。对于生物质物料, 由于产品的天然和生物质特性, 使得对于干燥过程的要求更加严格, 不当的干燥工艺将直接降低产品的品质, 如色、香、味、活性有效成分等, 因此, 对干燥工艺研究不断提出新的挑战。

2 在生物质资源加工利用中喷雾干燥系统的工艺研究喷雾干燥工艺是一种涉及到传热、传质、流体力学、机械工程、自动化技术等多学科的系统工程,在生物质资源加工利用中工艺的稳定状态主要受以下几个因素影响: 处理的物料不同; 干燥产品的要求不同; 干燥时间的显著差异; 干燥过程中的物48 生 物 质 化 学 工 程 第 42卷理变化、化学变化、传质传热过程变化不同; 干燥所需热量输入方式不同; 控制方式不同等[ 21] 。国内外众多科研工作者也正是基于这些差异进行研究, 从而优化其工艺, 提益, 如在食品行业中, 黄立新等[ 17] 根据溶液固含量的不同对改性食用微晶纤维素溶液进行二流体和高速旋转盘式喷雾干燥试验, 研究了改性食用微晶纤维素的喷雾干燥特性, 从而获得了改性食用微晶纤维素经济运行的优化喷雾干燥工艺条件: 热空气进口温度160 ~ 170 e , 出干燥塔的空气温度85 ~92 e , 料液含固量为12%, 料液温度为60 e , 雾化方式采用二流体雾化; 获取细粉的优化喷雾干燥工艺条件: 热空气进口温度170 e , 出干燥塔的空气温度90 e , 料液含固量2%, 料液温度60 e , 雾化方式采用高速旋转盘式。Chen 等[ 19]根据类胡萝卜素粉的稳定性对类胡萝卜素粉的生产工艺进行了研究, 得出的工艺条件: 进料的固体含量15% , 进气温度135~ 145 e , 出气温度90~100 e 。另外在[ 28] 、造纸[ 29] 、饲料[ 20] 等生物质资源加工利用行业都有喷雾干燥工艺及其工艺条件优化的大量研究。当前在生物质资源加工利用工艺研究中另一个重要方向是微胶囊工艺研究, 就是将从生物质资源中提取的有效成分通过喷雾干燥技术制成微胶囊制剂。这一技术可防止制剂中有效成分氧化、水解和挥发, 可掩盖不良气味, 还可以提高其稳定性和生物利用度以及降低刺激性、毒性及不良反应。微胶囊技术在方面的应用尤多, 如可起到缓释作用, 延长药物释放时间, 以减少服药次数; 还可以制成靶向制剂, 定向作用于患病部位。喷雾干燥制备微胶囊的方法有两种, 即流化床喷雾干燥和液滴喷雾干燥, 其中液滴喷雾干燥是微胶囊制备中常用的方法, 它是直接将囊心物与囊材的混合液通过雾化器分散成雾滴, 在热气流中迅速蒸发干燥形成微胶囊的方法。这种喷雾干燥法zui适于亲油性液体物料的微胶囊化, 芯材的憎水性越强, 包埋效果越好。近几年来国内外许多研究人员从事生物质资源加工利用的微胶囊工艺研究, 如孙厚良[ 30] 对喷雾干燥技术制备微胶囊过程中的乳化液配置及相关喷雾干燥工艺参数对微胶囊化过程的影响作了详细的阐述, 认为壁材的多样性和核材的多样性, 还有乳化液的制备及喷雾干燥过程中的参数多元性, 使喷雾干燥制备微胶囊过程工艺相当复杂, 必须重视壁材、核材、进料速率、浓度、温度和进、排风温度等各种影响因数才能获得良好的微胶囊产品。Berto lin i等[ 18] 通过喷雾干燥技术用阿拉伯胶包裹单萜, 改变工艺参数研究其产品稳定性。

3 在生物质资源加工利用中喷雾干燥对产品性能影响的研究在生物质物料喷雾干燥中评判产品质量好坏的指标通常包括产品颗粒粒径分布、残余含水量、颗粒形态[ 31- 32] 、堆积密度、色泽、活性物质含量[ 31- 32] 、复溶性和流动性等。在实际生产中, 这些指标同时达到要求是相当难的, 而用户也往往只强调其中的一项或几项。影响这些生物质产品性能的因素大体上可分为设备和工艺两大块。

3. 1 设备对产品性能的影响

在设备中zui主要的是雾化器, 雾化器对生物质料液的雾化情况直接影响到颗粒粒径分布, 间接的造成颗粒形态多样化、残余含水量增加、色泽不均一、活性物质含量降低、复溶性和流动性都变差等, 甚至还会造成粘壁, 使生产中断。雾化器一般可分为离心式雾化器、压力式雾化器和气流式雾化器。通常离心式雾化的颗粒偏细, 需要的动力小, 对物料的固含量、黏度等要求不高, 进料速率的波动对液滴大小影响很小[ 33]; 压力式雾化器产生的雾滴偏粗, 适合顺流、逆流和混流型3种干燥方式[ 22- 23] ; 气流式雾化器产生的颗粒不均匀,且能耗较大[ 22-23 ] 。Langrish 等[ 25] 以食品为原料对雾化器的喷射角度作过研究, 认为zui大为62b,这样可以使墙壁沉积率趋于减小的方向。虞子云[ 34] 对Sauter直径(即体积-面积直径) 进行了的计算, 掌握了喷雾液滴分布对改善产品质量, 改进喷雾器结构及性能, 确定干燥塔径和塔高, 降低能源消耗等将起着重要的作用。

3. 2 工艺对产品性能的影响

工艺中影响产品性能的因素包括辅料的选择、配比、混合液的进料、出料、过滤, 还有进出口气体温度、流量等。Anandharamakrishnan 等[ 2] 在乳清蛋白的喷雾干燥中, 对B-乳球蛋白和A-乳白蛋白的溶解性损失情况作了研究, 显示两种蛋白的可溶性受低温( 60~ 80 e )出口气体的温度影响不大, 但是会受高温( 100~ 120 e )出口气体的温度影响, 并且B-乳球蛋白的可溶性降低情况第5期张彩虹, 等: 喷雾干燥在生物质资源加工利用中的研究进展 49比A-乳白蛋白要严重。在较高的出口气体温度下增加料液浓度也会造成可溶性显著的降低。Cunha等[ 35] 研究了在喷雾流化床干燥中操作条件(如操作温度、进料速率、喷雾、环形气体速率等)对芒果酱质量的影响, 实验证明高的生产温度提供了的干燥性能和产品质量。综上所述, 国内外的研究者大多对某种生物质物料进行了试验研究, 并没能找到一种普遍性的规律或者趋势, 而产品的zui终质量是干燥的目的, 因此, 在品种丰富的生物质资源加工利用中很有必要进一步研究喷雾干燥技术, 特别对含有活性物质的生物质资源干燥过程的规律进行研究。

4 在生物质资源加工利用中对喷雾

干燥存在节能和粘壁问题的研究随着化能源的紧张、能源价格的暴涨, 节能降耗已成为各国的研究主题。在生物质资源加工利用中喷雾干燥技术本身就是高能耗的单元操作, 降低能源消耗, 提高热利用率是各国科研人员的共同目标。黄立新等[ 33, 36] 通过对喷雾干燥装置进行经济分析和节能技术深入研究, 得出了影响喷雾干燥能耗的主要因素和相应的结果, 并提出了针对性的解决喷雾干燥能耗高的方法: 1)从调整喷雾干燥操作参数达到节能效果, 可以采取提高干燥的进口温度、降低出口温度、适当提高料液原始含量及温度、降低进口环境空气的相对湿度; 2)从喷雾干燥工艺流程调整达到节能目的,可以采用喷雾干燥后排出空气废热回收, 例如换热回收、浓缩料液等, 也可以采取把部分干燥后排出空气返回干燥空气进口段或直接采用组合干燥; 3)从喷雾干燥设备本身考虑, 加强设备保温、隔热, 减少不必要的散热; 4)对于不同的生物质物料, 采取上述组合运用。zui终, 使喷雾干燥在生物质资源加工利用中达到理想的节能效果。萧琦等[ 37] 论述了以线形燃烧器为核心的直燃式热风装置在喷雾干燥塔上的应用情况, 并着重对线形燃烧器直燃式热风装置、蒸汽锅炉热风装置和电加热热风装置的能耗作了对比。数据分析表明,线形燃烧器直燃式热风装置与传统的带有换热器的热风装置相比, 在节能方面具有一定的*性。在生物质资源喷雾干燥中, 由于生物质物料具有含糖量高、热敏性等特点, 使粘壁问题成为生物质资源加工利用的一大障碍。粘壁除了会降低产品质量外, 也会使生产中断, 同时又会造成能源浪费, 这一直成为生物质喷雾干燥中难以解决的一个问题。曾亚森等[ 38] 针对提取物干燥中的粘壁现象, 分析了粘壁的主要类型及其影响因素, 并介绍了集中解决粘壁的方法, 并由实验说明了干燥塔的结构与工艺调整对解决提取液喷雾干燥粘壁问题的有效性。Langrish等[ 39] 在一个带有二流体喷雾器, 高1. 5m 的中型喷雾干燥试验中, 对脱脂乳和麦芽糊精的粘壁情况作了比较, 在相同工艺条件: 雾化器气体压力200KPa, 进气温度230 e , 进料速率1. 6 L /h, 分别对脱脂乳和麦芽糊精进行喷雾干燥。结果显示麦芽糊精粘壁情况较脱脂乳轻, 可能与麦芽糊精有较高的玻璃转化温度有关。

5 展望

虽然喷雾干燥技术在生物质资源加工利用中从表面上看已趋成熟, 但在工业应用时常常会碰到问题, 主要原因是研究物料品种的局限性、生物质物料物性的差异性和复杂性等。对于物料品种的局限性而言, 大多数研究都发生在化工产品中,对于生物质资源活性物的干燥, 高附加值产品的干燥研究较少, 因此喷雾干燥技术在生物质资源加工利用中仍然有广阔的研究和发展空间, 而且有几个方面更值得研究: 1)企业界和科研人员通过喷雾干燥得到的生物质产品质量方面仍需要深入研究, 使由天然生物质资源得到的产品要更多保留其内部原有的生物质活性[ 40] , 同时还要有好的溶解性, 储存时有效成分不会变质, 也不会挥发, 储存期受时间长短和存储条件的限制较小等。2)深入研究喷雾干燥技术的工艺参数对生物质产品各个性能的影响, 寻找出各个工艺参数与影响性能的对应关系, 以便得到生物质产品。3)生物质喷雾干燥工艺操作不具有通用性, 干燥物料的局限性使得在生物质资源加工利用中喷雾干燥技术的范围需要进一步扩大, 开发出更多的生物质干燥产品以适应市场的特殊需求。4 )在生物质资源加工利用中将喷雾干燥技术与冷冻干燥技术相比较, 探讨低温或亚低温喷雾干燥技术[ 41] , 寻找处理热敏性生物质物料的优化工艺,改变用冷冻干燥热敏性生物质物料的历史。或与其它干燥技术相结合[ 42 ] , 在保证生物质产品质量的基础上zui大限度的节能降耗。50 生 物 质 化 学 工 程 第 42卷

另外, 在人与自然和谐发展, 共创和谐社会的今天, 在生物质资源加工利用中/绿色0干燥技术[ 21] 也是喷雾干燥技术研究的一大方向。

参考资料;杭州聚同电子有限公司