生物反應工程

生物反應工程第1頁/共70頁干燥的目的和意義干燥：從物體中除去水分的操作。目的：防止變質(zhì)，便于貯存運輸。干燥方法：對流干燥（氣流干燥、噴霧干燥和流化床干燥）、真空干燥、冷凍干燥、微波干燥、紅外干燥等。第2頁/共70頁第一節(jié)固體物料干燥機理及生物工業(yè)產(chǎn)品干燥的特點一、固體物料干燥機理（一）濕物料中的水分1．水分和物料的結合方式①化學結合水分；②吸附水分；③毛細管水分；④溶脹水分。第3頁/共70頁2．平衡水分和自由水分濕物料每單位重量中所含水分的總量稱為總水分，或者濕含量。在一定的干燥條件下，無法將總水分全部除去，總有一部分存在于物料中，這部分不能除去的水分稱為平衡水分?？偹趾推胶馑种罘Q為自由水分，自由水分可以在一定的干燥條件下除去。第4頁/共70頁3、結合水分和非結合水分結合水分指存在于物料內(nèi)部與物料呈吸附狀態(tài)的水分，他和物料間存在一定的結合力，因此較難除去。非結合水分指存在于物料表面或物料中較大空隙中的水分，它與物料間沒有任何作用，只作機械混合，是容易除去的水分。第5頁/共70頁（二）干燥機理濕物料的干燥操作有2個基本過程同時進行：1.傳熱過程，熱量由氣體傳遞給濕物料，使其溫度升高；2.傳質(zhì)過程，物料內(nèi)部的水分向表面擴散，并在表面汽化被氣流帶走。第6頁/共70頁（三）影響干燥速率的因素1．物料的性質(zhì)2．壓力3．干燥介質(zhì)的性質(zhì)和流速4．干燥介質(zhì)與物料的接觸情況

第7頁/共70頁二、生物工業(yè)產(chǎn)品干燥的特點1.快速高效，加熱溫度不宜過高；2.產(chǎn)品與干燥介質(zhì)的接觸時間不能太長；3.干燥產(chǎn)品應保持一定的純度，在干燥過程中不得有雜質(zhì)混入。生物工業(yè)產(chǎn)品干燥通常采用噴霧干燥、氣流干燥、沸騰干燥和冷凍干燥。第8頁/共70頁三、干燥設備的選型原則生物工業(yè)制品的干燥設備類型瞬時快速干燥設備：滾筒干燥設備、噴霧干燥設備、氣流干燥設備、沸騰干燥設備低溫干燥設備：真空干燥設備、冷凍干燥設備第9頁/共70頁選型原則產(chǎn)品的質(zhì)量要求產(chǎn)品的純度物料的特性產(chǎn)量及勞動條件第10頁/共70頁設備類型干燥物料固定床干燥啤酒釀造用綠麥芽臥式沸騰干燥檸檬酸晶體、酵母、抗生素沸騰造粒干燥葡萄糖、味精、酶制劑氣流干燥味精、抗生素、葡萄糖旋風式氣流干燥四環(huán)素類氣流式噴霧干燥蛋白酶、核酸、抗生素壓力式噴霧干燥酵母離心式噴霧干燥酶制劑、酵母噴霧干燥與振動流化干燥酶制劑滾筒干燥酵母、單細胞蛋白真空干燥青霉素鉀鹽、土霉素等冷凍干燥抗腫瘤抗生素、乙肝疫苗生物工業(yè)常用的干燥設備第11頁/共70頁第二節(jié)非絕熱干燥設備干燥過程根據(jù)系統(tǒng)進出口焓的變化通常分為絕熱干燥過程（等焓干燥過程）和非絕熱干燥過程（非等焓干燥過程）。絕熱干燥過程：①在物料進出干燥器期間，不向干燥器補充熱量。②干燥器的熱損失可以忽略不計。③物料進出干燥器時的焓相等。第12頁/共70頁非絕熱干燥過程：①不向干燥器補充熱量，物料進出干燥器的焓差發(fā)生了明顯的改變。②向干燥器補充的熱量比熱損失及物料帶走的熱量之和還要大。③向干燥器中補充的熱量足夠大，能夠使干燥過程在等溫下進行，但進出干燥器物料的焓發(fā)生了明顯的改變。第13頁/共70頁真空干燥設備真空干燥設備一般由密閉干燥室、冷凝器和真空泵3部分組成。常用的真空干燥設備有真空箱式干燥器、帶式真空干燥器、耙式真空干燥器。生物工程中常用于維生素、熱敏性的產(chǎn)品等生產(chǎn)中。第14頁/共70頁第15頁/共70頁帶式真空干燥器第16頁/共70頁耙式真空干燥器第17頁/共70頁第18頁/共70頁真空耙式干燥器

第19頁/共70頁第三節(jié)絕熱干燥設備一、氣流干燥原理及設備基本原理：固體濕物料在高溫快速流動的熱空氣作用下，均勻分散成懸浮狀態(tài)，從而增大了物料與熱空氣的接觸面積，強化了熱交換作用，使得物料僅在幾秒鐘內(nèi)（1-5秒）達到干燥要求。應用：

生物工業(yè)中味精、檸檬酸、四環(huán)類抗生素等的干燥。第20頁/共70頁目前使用的氣流干燥器形式：長管氣流干燥器和旋風氣流干燥器等。第21頁/共70頁圖11-4長管式氣流干燥器

1—空氣過濾器；2—預熱器；3—干燥管；4---加料斗；5—螺旋加料器6—旋風分離器；7—風機；8—鎖氣器；9—產(chǎn)品出口長管式氣流干燥器第22頁/共70頁圖11-5旋風式氣流干燥裝置1—空氣預熱器；2—加料器；3—旋風式干燥器；4—旋風除塵器；5—貯料斗；6—鼓風機；7—帶式除塵器

旋風式氣流干燥裝置第23頁/共70頁旋風式氣流干燥管旋風式干燥器流程圖第24頁/共70頁第25頁/共70頁氣流干燥的特點1.干燥強度大；2.干燥時間短，對熱敏性物料可選較高溫介質(zhì)；3.可把干燥、粉碎、輸送、包裝等組成一道工序;4.設備結構簡單，占地面積小，生產(chǎn)能力小，能連續(xù)操作，可實現(xiàn)自動化控制；5.適用性廣，可使用于各種粉粒狀、碎塊狀物料；6.對晶形磨損厲害；7.熱能利用率低。第26頁/共70頁二、噴霧干燥原理及設備原理：用霧化器將溶液、乳濁液、懸濁液（含水量50%以上）噴成微小霧滴分散于熱氣流中，在液滴下降過程中水份迅速蒸發(fā)，從而完成干燥過程。第27頁/共70頁噴霧干燥塔的構造圓柱圓錐形；頂部裝有空氣分配盤，分配盤的型式有旋風擴散式、葉片旋風式，其作用是使空氣形成旋流與霧滴接觸，提高干燥效果。設備的下部有螺旋排風管，是在回風管的下部外側焊上螺旋形的導風板，使氣流沿螺旋導風板旋轉(zhuǎn)向下，增大了氣流阻力，使密度較大的產(chǎn)品向下沉降，密度較小的粉末狀產(chǎn)品隨廢氣沿回風管導入袋濾器，螺旋排風管的作用是使氣固兩相分離。第28頁/共70頁第29頁/共70頁霧化器的類型和性能第30頁/共70頁1、離心噴霧干燥原理：利用在水平方向做高速旋轉(zhuǎn)的圓盤，給濃料以離心力，將其成薄膜狀甩出，受到空氣的撕扯，變成細絲、霧狀液滴噴入干燥室，與熱空氣直接接觸，其表面水分迅速蒸發(fā)，在很短的時間內(nèi)完成干燥。第31頁/共70頁離心霧化器的類型a碟式b葉板式第32頁/共70頁優(yōu)點：①液料通道大，不易堵塞；②對液料的適應性強。高粘度、高濃度的液料均可；③操作彈性大，進液量變化±25％時，對產(chǎn)品質(zhì)量無大影響。缺點：①結構復雜、造價高；②動力消耗比壓力式大；③只適于順流立式噴霧干燥設備。

離心霧化器的特點第33頁/共70頁原理：主要是采用高壓泵，以70～200大氣壓的壓力，將濃縮后的濃料通過霧化器(噴槍)噴成霧狀小液滴噴人干燥室，與熱空氣直接接觸，其表面水分迅速蒸發(fā)，在很短的時間內(nèi)完成干燥。2、壓力式噴霧第34頁/共70頁壓力霧化器第35頁/共70頁壓力霧化器的特點優(yōu)點：①結構簡單、制造成本低、維修、更換方便；②動力消耗較?。秉c：①噴嘴易堵塞、磨損；②操作彈性小，產(chǎn)量調(diào)節(jié)范圍窄。第36頁/共70頁3、氣流式噴霧

霧化原理：利用高速氣流對液膜的摩擦分裂作用，把液體霧化。高速氣流可用壓縮空氣或蒸汽。特點：動力消耗大，適用粘度范圍大，結構簡單。第37頁/共70頁第38頁/共70頁噴霧干燥特點

1.干燥速率快、時間短；

2.干燥溫度低；

3.制品具有良好的分散性和溶解性，成品純度高。應用特別適用于不能借結晶方法得到固體產(chǎn)品的生物制品生產(chǎn)中，如酵母、核苷酸和某些抗生素藥物的干燥。第39頁/共70頁三、流化床干燥原理及設備原理：利用流態(tài)化技術，即利用熱空氣流使置于篩板上的顆粒狀濕物料呈沸騰狀態(tài)的干燥過程。特點:1.傳熱傳質(zhì)速率高；2.干燥溫度均勻，控制容易；3.結構簡單，可連續(xù)化、自動化生產(chǎn)。第40頁/共70頁1．單層圓筒式沸騰床干燥器單室干燥原理：干燥箱內(nèi)平放有一塊多孔金屬網(wǎng)板，下方有熱空氣通道，不斷送入熱空氣，在一定流速下使板上的物料處于沸騰狀態(tài)而干燥。結構簡單，操作方便，生產(chǎn)能力大，應用廣泛。適宜易干燥或干燥強度要求不嚴格的粒狀物料。第41頁/共70頁2．多層沸騰床干燥器熱空氣由底部鼓入，物料由上部加入上層沸騰床，首先在上層形成沸騰狀態(tài)，然后經(jīng)過上下層之間的溢流管進入下層。熱空氣則由底部向上依次通過各層在頂部排出。物料在干燥器內(nèi)停留時間均勻，熱效率高，產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定。適合于降速干燥段較長或者產(chǎn)品含水量較低的物料。第42頁/共70頁3．臥式多室沸騰床干燥器在多孔板上按一定間距設置隔板，構成多個干燥室，隔板間距可以調(diào)節(jié)。物料從加料口先進入最前一室，借助于多孔板的位差，依次由隔板與多孔板間隙中順序移動，最后從末室的出料口卸出?？諝饧訜岷?，統(tǒng)一或通過支管分別進入各干燥室，與物料接觸進行干燥。夾帶粉末的廢氣經(jīng)旋風分離器，分離出的物料重回人干燥室，凈化廢氣由頂部排出。第43頁/共70頁單層臥式多室流化床干燥器第44頁/共70頁設有間距可調(diào)隔板，延長干燥時間，使物料均勻干燥。生產(chǎn)能力大。使用靈活?？蓪Σ煌稍锸遥ㄈ氩煌L量和風溫，最后一室的物料還可用冷風進行冷卻。物料過濕易在前一、二干燥室產(chǎn)生結塊。適合難干燥和熱敏感性物料的干燥。第45頁/共70頁第46頁/共70頁4．流化床干燥器使用條件①干燥物料的粒度最好介于30～60微米之間，粒度太小容易被氣流帶走，太大不易被流化。②若幾種物料混合干燥，則要求物料的密度接近。③含水量過高且易粘結成團的物料一般不適用。④對產(chǎn)品外觀要求嚴格的物料一般不適用。第47頁/共70頁第四節(jié)冷凍干燥及其他干燥設備一、冷凍干燥原理及設備原理：將濕物料（或溶液）在較低溫度下（-10～-50℃）凍結成固態(tài)，然后在高度真空下，將其中固態(tài)水分直接升華為氣態(tài)而除去的干燥過程。冷凍干燥設備大致由四部分組成，即，冷凍部分、真空部分、水汽去除部分和加熱部分。第48頁/共70頁1、冷凍部分制冷劑一般是氨、氟利昂、二氧化碳等，在制冷溫度下是汽態(tài)的，經(jīng)壓縮機（3）壓縮為液態(tài)，溫度升高，進入冷凝器（4），在這里與環(huán)境交換熱量，溫度降低，經(jīng)膨脹閥（1）后，壓力急速下降進入蒸發(fā)器（2）。

在蒸發(fā)器（2）內(nèi)，由于壓力下降，制冷劑迅速汽化，吸收大量熱量，將冷凍室內(nèi)溫度降低，然后進入壓縮機（3）進行下一個循環(huán)。第49頁/共70頁2、真空部分壓力：凍結物料飽和蒸汽壓的1/12~1/14，一般情況下，干燥箱內(nèi)的絕對壓力約為13~1.3Pa。3、水汽去除部分冷凝器：列管式、螺旋管式或加套式換熱器。冷卻介質(zhì)：低溫空氣或乙二醇。4、加熱部分和干燥室夾層加熱板加熱、輻射加熱及微波加熱。第50頁/共70頁圖11-13冷凍干燥系統(tǒng)

1—干燥器；2—冷凍器；3—前置真空泵；4—后置真空泵；5—加熱裝置；6，7—冷凍壓縮機；8—制冷劑貯罐第51頁/共70頁第52頁/共70頁冷凍干燥的優(yōu)點：①干燥溫度低，特別適合于高熱敏性物料的干燥；②冷干后產(chǎn)品疏松、易溶，含水量低，易長期保存。③冷干后物料的天然組織和結構不會被破壞，適合菌種的保藏。缺點：①設備投資大，動力消耗高。②干燥時間較長。第53頁/共70頁微波一般是指波長在1mm～1m范圍(頻率為300～300000MHz)的電磁波。也稱做超高頻。微波的傳統(tǒng)應用是將微波作為一種傳遞信息的媒介，應用于雷達、通訊、測量等方面。近年來，除了傳統(tǒng)的微波應用繼續(xù)發(fā)展外，微波作為一種能技術也迅速發(fā)展，將微波能廣泛用于對物體進行加熱和干燥。目前915MHz和2450MHz2個頻率已廣泛地為微波加熱所采用。二、微波干燥原理及設備第54頁/共70頁原理：當待干燥的濕物料置于高頻電場時，由于濕物料中水分子具有極性，則分子沿著外電場方向取向排列，隨著外電場高頻率變換方向，則水分子會迅速轉(zhuǎn)動或快速擺動。又由于分子原有的熱運動和相鄰分子間的相互作用，使分子隨著外電場變化而擺動的規(guī)則運動受到干擾和阻礙，從而引起分子間的摩擦而產(chǎn)生熱量，使其溫度升高。第55頁/共70頁圖11-14微波加熱干燥系統(tǒng)

第56頁/共70頁微波干燥設備第57頁/共70頁圖11-15微波箱干燥器結構示意圖1．門；2．觀察窗；3．排濕孔；4．攪拌電機；5．波導（傳輸線）；6．腔體；7．攪拌葉；8．反射板第58頁/共70頁第59頁/共70頁一般干燥過程：食品首先外部受熱干燥，然后向內(nèi)部傳遞。而熱量傳遞與水分擴散傳遞的方向相反。結果：熱量向內(nèi)層傳遞愈來愈慢，水分向外層傳遞也愈來愈慢。微波加熱過程：內(nèi)部加熱。物品的最內(nèi)層首先干燥，最內(nèi)層水分蒸發(fā)遷移至次內(nèi)層、外層。結果：水分由內(nèi)層向外層的遷移速度很快，即干燥速度比一般的干燥速度快很多．特別是在物料的后續(xù)干燥階段。第60頁/共70頁特點(1)加熱速度快微波加熱是內(nèi)部加熱，不靠熱傳導的作用，因此可以令物體內(nèi)部溫度迅速提高，所需加熱時間短。一般只需常規(guī)方法的1／10一1／l00的時間就可完成整個加熱過程。(2)加熱均勻性好微波加熱是內(nèi)部加熱，容易達到均勻加熱的目的，避免了表面硬化及不均勻等現(xiàn)象的發(fā)生。(3)加熱易于瞬時控制微波加熱的熱慣性小，可以立即發(fā)熱和升溫，易于控制，有利于配制自動化流水線。第61頁/共70頁(4)選擇性吸收

微波吸收與物質(zhì)的介電系數(shù)有關，水的介電系數(shù)高，這有利于水分的蒸發(fā)。干物質(zhì)吸收的微波能少，溫度低，不過熱，而且加熱時間又短，因此能夠保持食品的色、香、味等。

(5)加熱效率高由于加熱作用始自加工物料本身，基本上不輻射散熱，所以熱效率高，熱效率可達到80％。第62頁/共70頁三、紅外干燥原理及設備紅外線也是一種電磁波，它的波長介于可見光和微波之間，為0.77～1000微米。在紅外波長段內(nèi)，一般把0.77～3.0微米稱作