生物工程下游技術(shù)

1、第十二章 蒸發(fā)濃縮與干燥技術(shù)第二節(jié) 干燥技術(shù)第六組王珊寧、吳永嫻、何風(fēng)、范培欽、曾衛(wèi)鵬、鄭曉岸一、概述一、概述 干燥的應(yīng)用范圍很廣，所處理的物料種類多，物料的性質(zhì)差異很大。它幾乎是生產(chǎn)所有固態(tài)產(chǎn)品在包裝前的最后一道工序。因此，相應(yīng)的干燥方法、干燥器的種類和類型也比較多。干燥方法的分類按照熱能供給濕物料的方式不同，干燥科分為以下幾類。1.導(dǎo)熱干燥。熱能通過傳熱壁面以傳導(dǎo)的方式傳給濕物料，讓載熱體不與濕物料接觸，使其中的水分汽化，然后，所產(chǎn)生的的蒸汽被干燥介質(zhì)帶走，或用真空泵抽走的干燥過程。2.輻射干燥。熱能以電磁波的形式由輻射器傳至濕物料表面后，被物料所吸收化為熱能，而將水分加熱汽化，達(dá)到目的。

2、3.對流干燥。對流干燥過程中，傳熱和傳質(zhì)同時(shí)發(fā)生。熱能由干燥介質(zhì)的主體，以對流方式傳給固體物料的表面，然后再由物料表面?zhèn)髦凉腆w的內(nèi)部，而水分卻由固體內(nèi)部向固體表面擴(kuò)散，被汽化后由固體表面擴(kuò)散至氣相介質(zhì)的主體。4.介電加熱干燥。介電加熱干燥是將需要干燥的物料置于高頻電場內(nèi)，利用高頻電場的交變作用將濕物料加熱，水分汽化，物料被干燥。干燥的基本概念和原理1.固體物料中的濕分 由于濕物料是干燥對象，而熱空氣僅是干燥條件，因此干燥過程的各種不同特性首先取決于濕物料的性質(zhì)。物料中所含濕分的性質(zhì)，一般按如下方式進(jìn)行分類按照物料和水分子間的結(jié)合方式分類。按物料中水分去除難易程度分為結(jié)合水和非結(jié)合水。根據(jù)干燥法

3、去除水分分類可分為平衡水和自由水2.干燥的基本過程固體物料的干燥包括兩個(gè)基本過程：首先是對固體加熱，以濕分汽化的傳熱過程：然后是汽化后的濕分蒸汽由于其蒸汽分壓較大而擴(kuò)散進(jìn)入氣相的傳質(zhì)過程，而濕分從固體物料內(nèi)經(jīng)擴(kuò)散等作用而源源不斷被輸送到達(dá)固體表面是一個(gè)物料內(nèi)部的傳質(zhì)過程。因此干燥過程的特點(diǎn)是傳熱和傳質(zhì)過程同時(shí)并存，兩者相互影響又相互制約，有時(shí)傳熱可以加速傳質(zhì)過程的進(jìn)行，有時(shí)傳熱又能減緩傳質(zhì)的效率。對于干燥過程中濕分在物料內(nèi)部的傳遞遷移機(jī)制，目前主要有“擴(kuò)散遷移運(yùn)動機(jī)制”和“毛細(xì)管遷移運(yùn)動機(jī)制”兩種理論，但都有較大的局限性。而物料的導(dǎo)熱系數(shù)也隨著物料濕含量的變化而變化，因此目前為止，扔不能用數(shù)學(xué)

4、關(guān)系式來描述干燥速率與相關(guān)因素的關(guān)系。1）干燥速率 干燥速率是干燥時(shí)單位干燥面積、單位時(shí)間內(nèi)氣化的水量，其受以下幾方面因素的影響。物料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和形狀干燥介質(zhì)的溫度和濕度干燥操作條件干燥器的結(jié)構(gòu)形式2）干燥曲線和干燥速率曲線在一般情況下，干燥曲線是隨濕物料與水分結(jié)合情況的不同而不同，圖12-21所示僅為在恒溫干燥條件下物料干燥速率曲線的一種類型，但對于任何一種干燥速率曲線，下列的特征是共同的：均有一段干燥速率R為常數(shù)的BC段，BC段由于干燥速率恒定，故稱之為恒速干燥階段。均有一段干燥速率隨干燥時(shí)間增長，而不斷減小CD段，由于CD段干燥速率下降，故稱之為降速干燥階段。在恒速干燥段結(jié)束，降速干燥

5、段開始處，曲線均有一明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)C，此點(diǎn)處物料的濕含量稱之為臨界濕含量0， 0濕物料干燥過程的一個(gè)重要參數(shù)。對于某些干燥過程中表現(xiàn)形成外皮的吸濕性物料干燥或在干燥過程中產(chǎn)生體積收縮的物料，其干燥速率曲線具有第二降速率，因此也就是第二臨界點(diǎn)3）干燥過程分析（1）恒速干燥階段。濕物料表面為非結(jié)合水所濕潤，物料表面溫度是該空氣狀態(tài)下的濕球溫度，因此，傳熱推動力（溫度差）以及傳質(zhì)推動力（飽和蒸氣壓差）是一個(gè)定值，因此，干燥速率也是一個(gè)定值。實(shí)際上，該階段的干燥速率取決于物料表面水分汽化的速率以及決定于水蒸氣通過干燥表面擴(kuò)散到氣相主體的速率。因此，又稱為表面汽化控制階段，此時(shí)的干燥速率幾乎等于純水的汽化

6、速率，與物料濕含量、物料類別無關(guān) ，影響因子主要有：空氣流速、空氣濕度、空氣溫度等外部條件。（2）降速干燥階段。物料濕含量降至臨界點(diǎn)以后，便進(jìn)入降速干燥階段。在降速干燥階段，非結(jié)合水已經(jīng)蒸發(fā)，繼續(xù)進(jìn)行干燥，只能蒸發(fā)結(jié)合水，結(jié)合水的蒸汽壓恒低于同溫下純水的飽和蒸汽壓，傳質(zhì)、傳熱推動力逐漸減小，干燥速率隨之降低，干燥空氣的剩余能量被用于加熱物料表面，物料表面溫度逐漸升高，局部干燥。在這一階段，干燥速率取決于水分和蒸汽壓在物料內(nèi)部的擴(kuò)散速率。因此，降速干燥階段亦稱為內(nèi)部擴(kuò)散控制階段，與外部條件關(guān)系不大。主要影響因素為物料結(jié)構(gòu)、形狀和大小?？傊?。如果物料內(nèi)部的水分能有足夠的速率流向表面，及時(shí)補(bǔ)充被干燥

7、的水量，則物料表面依然可以保持濕潤，干燥速率也不變：若內(nèi)部水分流出的速率低于物料表面的汽化速率，則將使物料溫度升高，或部分表面變干，從而進(jìn)入降速干燥階段。隨著物料的不斷干燥，其內(nèi)部水分越來越少，這樣，水分內(nèi)部表面?zhèn)鬟f的速率就越來越慢，干燥速率也就越來越小，表面物料溫度則隨之不斷升高4）干燥和副作用物料的收縮。物料的收縮主要是由于水分子的除去造成的，有些物料在不同方向收縮時(shí)不同的。因此，要注意干燥過程因物料收縮造成的物料體積縮小、形狀變化和表面裂紋?；瘜W(xué)變化。結(jié)晶無機(jī)物在強(qiáng)烈干燥時(shí)會失去它們的結(jié)晶水，熱敏性有機(jī)物在熱空氣中干燥時(shí)，容易發(fā)生某些氧化和熱分解。這些會影響干燥后物料的品質(zhì)和收得率生化變

8、化。在干燥過程中，由于物料濕度的升高和結(jié)合水分的失去，具有生理活性和生化特性的物料都會發(fā)生不同程度的不可逆變化。全部或部分失去生理活性和生化特性，復(fù)水時(shí)不能完全恢復(fù)原來的性質(zhì)。干燥過程中的氧化也是常見的二、干燥設(shè)備及干燥工藝二、干燥設(shè)備及干燥工藝（一）干燥設(shè)備 物料的干燥是由干燥系統(tǒng)來完成。不同干燥系統(tǒng)的設(shè)備組成是不同的，但是其核心設(shè)備是干燥設(shè)備。（二）干燥工藝1.干燥工藝的確定干燥操作分為單批間歇操作和連續(xù)操作，采用哪種操作形式要根據(jù)所處理物料的數(shù)量和性質(zhì)決定。被干燥物料的狀態(tài)和物料化學(xué)性質(zhì)是決定干燥介質(zhì)種類、干燥方法和干燥設(shè)備的重要因素，也是決定干燥工藝的重要因素。根據(jù)物料的不同狀態(tài)，可把

9、物料分為：溶液及泥漿狀物料、凍結(jié)物料、膏糊狀物料、粉粒狀物料、塊狀物料、棒狀物料、短纖維狀物料、不規(guī)則形狀的物料、連續(xù)的薄片狀物料、零件及設(shè)備涂層等。決定干燥工藝需要了解的被干燥物料的理化性質(zhì)主要有以下幾方面。物料的化學(xué)性質(zhì)，如組成、熱敏性（軟化點(diǎn)、點(diǎn)熔或成分解點(diǎn)）、物料的毒性、可燃性、氧化性和酸堿性、摩擦帶電性、吸水性等。物料的熱性質(zhì)，如物料含水性、假密度、真密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)及粒度和粒度分布。對于原料液還應(yīng)知道，原液的濃度、黏度及表面張力等。其他性質(zhì)，如膏糊狀物料的粘附性、觸變性（即膏糊狀物料在震動場或在攪動條件下，物料可從塑性狀態(tài)過渡到具有一定流動性的性質(zhì)），這些性質(zhì)在設(shè)計(jì)干燥器及加

10、料時(shí)可以加以利用。在充分了解被干燥物料性質(zhì)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)綜合所選干燥器的類型，進(jìn)一步了解在干燥過程中物料及干燥介質(zhì)的變化情況。對于在干燥過程中有熱敏性的物料，還應(yīng)找到物料變質(zhì)最小的最適宜溫度，總之，干燥過程是一個(gè)影響因素非常多的過程，在決定干燥設(shè)備和干燥工藝時(shí)，應(yīng)充分注意這些因素對物料品質(zhì)和收得率的影響。當(dāng)然，干燥過程的經(jīng)濟(jì)效益也是必須考慮的，以便干燥系統(tǒng)能在最為經(jīng)濟(jì)合理的條件下運(yùn)行。2.干燥設(shè)備的選型工業(yè)上被干燥物料的種類及其繁多，物料特性千差萬別，這就相應(yīng)地決定了干燥設(shè)備類型的多樣性。由于干燥裝置組成單元、供熱方法、干燥器內(nèi)空氣與物料的運(yùn)動狀態(tài)的差別等決定著干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此，到目

11、前為止，干燥器還沒有統(tǒng)一的分類方法。干燥設(shè)備的選擇是非常困難而復(fù)雜的問題，它成為確定干燥工藝的一個(gè)重要步驟。干燥設(shè)備選型是否恰當(dāng)合理，是所確定的干燥工藝成功的關(guān)鍵。這是因?yàn)楸桓稍镂锪系奶卣?、供熱的方法和物料干燥介質(zhì)系統(tǒng)的流體動力學(xué)等必須全部考慮。由于被干燥物料種類繁多，要求各異，所以只能選用最佳的干燥方法和干燥設(shè)備類型。干燥設(shè)備選型所要考慮的因素與決定干燥工藝基本相同。 在選擇干燥設(shè)備類型時(shí)必須遵循以下原則被干燥物料的性質(zhì)：濕、干物料的物理特性、腐蝕性、毒性、可燃性、粒子大小及磨損性。物料的干燥特性：濕分的類型（結(jié)合水、非結(jié)合水）、初始和最終濕含量、允許的最高干燥溫度、產(chǎn)品的色澤、光澤等。粉塵

12、及溶劑回收。安裝上的可行性。干燥上應(yīng)用的干燥設(shè)備很多，特定的原料和產(chǎn)品性質(zhì)決定了適用的干燥設(shè)備類型。生物物質(zhì)干燥的主要特點(diǎn)是熱敏性和黏稠性。這對干燥過程及設(shè)備具有一定的特殊要求（三）生物工業(yè)常用的干燥技術(shù)1.氣流干燥技術(shù)氣流干燥技術(shù)是利用熱氣流將物料在流態(tài)狀態(tài)下進(jìn)行干燥的過程。它把呈泥狀、粉粒狀或塊狀等的濕物料送入熱氣流中，與之并流，從而得到分散成粒狀的干燥產(chǎn)品。氣流干燥是對流干燥的一種。在氣流干燥中，除一般使用干燥介質(zhì)為不飽和熱空氣外，在高溫干燥時(shí)可以采用煙道氣。為避免物料被污染或氧化，也可采用過熱水蒸汽。對含有機(jī)溶劑的物料干燥，也可采用氮或溶劑的過熱蒸汽作干燥介質(zhì)。氣流干燥基本流程濕物料自

13、螺旋加料器進(jìn)入干燥管，空氣由鼓風(fēng)機(jī)鼓入，經(jīng)加熱器加熱后與物料匯合，在干燥管內(nèi)達(dá)到干燥目的。干燥后的物料在旋風(fēng)除塵器和袋式除塵器得到回收，廢氣經(jīng)抽風(fēng)機(jī)由排氣管排出。氣流干燥特點(diǎn)：（1）干燥強(qiáng)度大。（2）干燥時(shí)間短。（3）熱效率高。（4）處理量大。（5）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單。（6）應(yīng)用范圍廣。 由于氣流速率較高。粒子有一定的磨損和粉碎，因此對于要求有一定形狀的顆粒的產(chǎn)品不宜采用。對于易于沾壁的、非常黏稠的物料及需要干燥至臨界濕含量以下的物料也不宜采用。在干燥時(shí)要產(chǎn)生毒氣的物料，以及所需的風(fēng)量比較大的情況下也不宜采用氣流干燥。2.噴霧干燥技術(shù)1）噴霧干燥的原理 將溶液、乳濁液、懸濁液或漿料在熱風(fēng)中噴霧成細(xì)小

14、的液滴，在它下落過程中，水分被蒸發(fā)而成為粉末狀或顆粒的產(chǎn)品，稱為噴霧干燥。 物料干燥分等速階段和減速階段兩個(gè)部分進(jìn)行。等速階段水分蒸發(fā)是在液滴表面發(fā)生，蒸發(fā)速率由蒸汽通過周圍氣膜的擴(kuò)散速率控制，主要的推動力是周圍熱風(fēng)和液滴的溫度差，溫度差越大，蒸發(fā)越快，水分通過顆粒的擴(kuò)散速率大于蒸發(fā)速率，當(dāng)擴(kuò)散速率降低而不能再維持顆粒表面的飽和時(shí)，蒸發(fā)速率開始減慢，干燥進(jìn)入減速階段。此時(shí)，顆粒溫度開始上升、干燥結(jié)束時(shí)，物料的溫度接近于周圍空氣溫度。噴霧干燥流程 在干燥塔頂部導(dǎo)入熱風(fēng)，同時(shí)將料液泵送至塔頂，經(jīng)過霧化器噴成霧狀液滴。這些液滴群的變面積很大，與高溫?zé)犸L(fēng)接觸后水分迅速蒸發(fā)，在極短時(shí)間內(nèi)便成為干燥產(chǎn)品，

15、從干燥塔底部排出。熱風(fēng)與液滴接觸后溫度顯著降低，濕度增大，作為廢氣由排風(fēng)機(jī)抽出。廢氣中夾帶的微粉用分離裝置回收2）噴霧干燥的特點(diǎn)（1）干燥速率快。（2）干燥過程中液滴的溫度不高，產(chǎn)品質(zhì)量較好。（3）產(chǎn)品具有良好的分散性、流動性和溶解性，產(chǎn)品純度高。（4）生產(chǎn)過程簡化，操作控制方便。（5）適宜于連續(xù)化大規(guī)模生產(chǎn)，干燥產(chǎn)品經(jīng)連續(xù)排料，在后處理上可結(jié)合冷卻器和風(fēng)力輸送，連續(xù)生產(chǎn)。噴霧干燥的主要缺點(diǎn)（1）當(dāng)熱風(fēng)溫度低于150時(shí)，熱容量系數(shù)低h=23120J/(m3，蒸發(fā)強(qiáng)度小，干燥塔的體積比較龐大，熱量消耗多，一般蒸發(fā)1kg水分約需6000kJ熱量，相當(dāng)于消耗2.53.5kg的蒸汽。（2）廢氣中回收微

16、粒的分離裝置要求較高。在生產(chǎn)徑小的產(chǎn)品時(shí)，廢氣中夾帶有20%左右的微粒，需要選用高效的分離裝置，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，費(fèi)用較貴。而對于有毒氣、臭氣物料。則必須采用封閉循環(huán)的生產(chǎn)流程，將毒氣、臭氣焚燒，以防止大氣污染，改善生產(chǎn)環(huán)境。3.冷凍干燥技術(shù)冷凍干燥的基本原理使被干燥的液體在極低的溫度下，冷凍成固體；然后，在低溫、低壓下利用水的生華性能，使冰升華汽化而除去，以達(dá)到干燥的目的；冷凍干燥法適用于絕大多數(shù)生物產(chǎn)品的干燥和濃縮，可以最大限度地保證生物產(chǎn)品的活性。冷凍干燥的工藝過程（1）預(yù)冷 即將待處理樣品完全凍結(jié)。在這個(gè)過程中，樣品稱為冰晶和分散的溶質(zhì)。為了提高干燥速率，應(yīng)盡可能提高制品升華的表面積，以提

17、高凍干的速度。（2）升華干燥 又稱一級干燥或一次干燥。制品凍結(jié)溫度通常為-50-25。為了保持升華表面與冰凝器之間的溫差，凍干過程中必須對制品提供足夠的能量，但不能使制品的溫度超過制品自身的共熔點(diǎn)溫度。對于生物制品來說，理想的升華干燥壓力控制在2040Pa。此時(shí)90%以上水分已被除去。（3）解吸附干燥 又稱二級干燥或二次干燥。此過程是為了出去以吸附方式存在的殘留水分。殘留水分包括化學(xué)結(jié)合水與物理結(jié)合水。對于生物制品，其水分含量低于或接近2%較好，原則上不超過3%。此階段壓強(qiáng)在1030Pa較合適。2)冷凍干燥設(shè)備的一般特點(diǎn)（1）因物料處于冷凍狀態(tài)下干燥，水分以冰的狀態(tài)直接升華成水蒸氣，故物料的物

18、理結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)變化極小。（2）由于物料在低溫真空條件下進(jìn)行干燥操作，故熱敏感的物料，也能在不喪失其酶活力或生物式樣原來性質(zhì)的條件下長期保存，故干燥產(chǎn)品十分穩(wěn)定。（3）因?yàn)楦稍锖蟮奈锪显诒怀ニ趾?，其原組織的多孔性能不變，故若添加水或湯，即可短時(shí)間內(nèi)基本上完成恢復(fù)干燥前的原來狀態(tài)。（4）因干燥后物料的殘存水分很低，故若防濕包裝優(yōu)良，可在常溫條件下長期保存。3)冷凍干燥設(shè)備冷凍干燥設(shè)備的形式按處理的物料不同而分類為:（1）醫(yī)藥品用冷凍干燥設(shè)備（2）食品用冷凍干燥設(shè)備三、干燥的應(yīng)用及節(jié)能三、干燥的應(yīng)用及節(jié)能（一）干燥過程的節(jié)能物料的干燥時(shí)能耗很大的單元操作。因此，降低干燥的能耗對降低產(chǎn)品的成本有

19、重要的意義。降低干燥過程的消耗，應(yīng)考慮干燥過程的各個(gè)方面及各個(gè)環(huán)節(jié)，在保證產(chǎn)品收得率和質(zhì)量的前提下，從總體上達(dá)到最佳的節(jié)能效果。有關(guān)干燥節(jié)能的技術(shù)方法應(yīng)用高效節(jié)能的干燥裝置，改善保溫，防止熱風(fēng)泄漏、防止物料過度干燥以提高溫度物料的干燥速率和節(jié)能效果。擴(kuò)大干燥介質(zhì)的種類。應(yīng)用干燥基礎(chǔ)理論，如濕分在物體內(nèi)部遷移機(jī)制，以改進(jìn)有關(guān)干燥過程。在干燥前盡量降低物料的濕含量。干燥過程中廢氣帶走的熱量占總熱量支出的比例很大，若能降低這一熱量的輸出，則能大大提高干燥過程的熱效率。在保證物料質(zhì)量的前提下，盡量采用高干燥。其他的措施。例如，改善保溫，防止熱風(fēng)泄漏，防止物料的過度干燥，采用部分廢氣循環(huán)和対廢熱氣進(jìn)行回收，以及采用熱泵干燥設(shè)備等。（二）干燥技術(shù)的應(yīng)用由于生物技術(shù)產(chǎn)品多是熱敏性物料，某些產(chǎn)品還具有生物活性，因此，在干燥過程中控制干燥溫度和干燥時(shí)間特別重要。物料停留時(shí)間短、溫度較低的干燥技術(shù)在生物技術(shù)中特別適用，因此氣流干燥和噴霧干燥目前在生物技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而對于某些特殊的生物制品，只有采用冷