噴霧干燥在生物質(zhì)資源加工利用中的研究進展

摘 要: 噴霧干燥技術(shù)被廣泛應(yīng)用在許多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中, 本文從工藝、機理、產(chǎn)品的質(zhì)量和節(jié)能等幾個方面對噴霧干燥在生物質(zhì)資源加工利用中的發(fā)展?fàn)顩r進行了概述, 發(fā)現(xiàn)研究過程中尚存在著一些問題, 如由于高進氣溫度使產(chǎn)品質(zhì)量下降; 在干燥室或工藝管中發(fā)生產(chǎn)品粘壁; 系統(tǒng)能效低及生物制品中活性物質(zhì)被破壞等, 亟需在工藝及設(shè)備等方面改進和提高, 因此很有必要對噴霧干燥技術(shù)進行更深入的研究。
噴霧干燥是以單一工序?qū)⑷芤?、乳濁液、懸浮液和漿狀物料加工成粉狀、顆粒狀、空心球或團粒狀干燥產(chǎn)品的一種干燥方法。噴霧干燥技術(shù)的研究始于20世紀初期, 距今已有100 多年的歷史。起初, 這種技術(shù)主要用于脫脂奶粉的制造, 并在食品工業(yè)中應(yīng)用, 隨著噴霧干燥技術(shù)的不斷成熟, 其應(yīng)用范圍也逐漸擴展, 目前這項技術(shù)在國內(nèi)外的許多行業(yè)都已得到了廣泛的應(yīng)用, 例如在食品工業(yè)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] 等的生產(chǎn)中, 另外, 在其它行業(yè)如化學(xué)[ 7- 8] 、醫(yī)藥[ 9- 10] 、造紙[ 11] 、陶瓷[ 12] 、化肥[ 13] 、冶金[ 14] 、洗滌劑[ 15 ] 、環(huán)保[ 16] 、生物質(zhì)活性物質(zhì)[ 17- 19] 等工業(yè)生產(chǎn)中也被采用。自然界中生物質(zhì)資源廣泛, 提取對人類健康有保健作用的有益成分, 制作成各種粉狀或顆粒狀易于保存的產(chǎn)品是當(dāng)前發(fā)展的重要方面。噴霧干燥正是生物質(zhì)資源加工利用工藝的必要組成部分。在林化行業(yè)中, 濃縮單寧液、歧化松香皂膏、木工膠黏劑等均可通過霧化干燥完成。王靜等[ 4] 用噴霧干燥工藝對棗進行加工處理, 不但保存了棗的營養(yǎng)價值, 而且為棗產(chǎn)品的品種多樣化提供了一種途徑。陳宜芳等[ 20] 通過對噴霧干燥后的魚漿蛋白粉營養(yǎng)成分進行分析, 將得到數(shù)據(jù)與魚粉數(shù)據(jù)相比較, 尋找差距點, 對噴霧干燥第5期張彩虹, 等: 噴霧干燥在生物質(zhì)資源加工利用中的研究進展 47工藝進行優(yōu)化。盡管在生物質(zhì)資源加工利用中噴霧干燥技術(shù)無論是從深度上還是從廣度上都得到了巨大的發(fā)展, 但仍然有其不足之處, 如受生物質(zhì)物料的多樣性及各物料差異性、干燥產(chǎn)品不同質(zhì)量要求的影響, 工藝不僅要隨物料變動而且復(fù)雜性也會不同,所以在生物質(zhì)資源加工利用中噴霧干燥工藝研究仍是全球各國科研人員的重要研究內(nèi)容; 又如大部分噴霧干燥裝置的熱效率在30% ~ 70% 之間[ 21] , 所以提高噴霧干燥在生物質(zhì)資源加工利用中的熱利用率也是研究的重要方面。鑒于噴霧干燥技術(shù)的深入研究對生物質(zhì)資源的開發(fā)與利用都具有現(xiàn)實意義, 本文就噴霧干燥技術(shù)在生物質(zhì)資源中的發(fā)展程度進行了分析和綜述, 同時對未來的發(fā)展趨勢作了展望。
1 在生物質(zhì)資源加工利用中噴霧干燥的機理研究
1. 1 霧化器性能和霧化機理的研究
霧化器是把液體霧化成細小霧滴的核心裝置, 其性能好壞直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。在生產(chǎn)中, 往往會出現(xiàn)大顆粒沒有干透、小顆粒已經(jīng)過干的現(xiàn)象。因此, 霧化器滿足生產(chǎn)工藝要求, 既保證料液的分散度, 又能把粒徑變化控制在Z小限度。母福生等[ 22] 從理論上推導(dǎo)噴霧干燥技術(shù)中霧化器流量、霧化角各自的關(guān)系公式, 基于空氣動力干擾學(xué)說推導(dǎo)出霧化后液滴平均直徑的理論公式, 找出它們內(nèi)在聯(lián)系, 并通過相關(guān)實驗數(shù)據(jù)進行驗證。郝文生等[ 23] 對離心霧化的成因作了詳細的分析, 得出液滴的3種形成方式: 直接分裂成液滴、絲狀割裂成液滴、膜狀分裂成液滴。虞子云[ 24] 通過對二流體外混、二流體內(nèi)混、三流體內(nèi)混和三流體內(nèi)外組合混等4種類型氣流噴嘴在不同的噴嘴幾何尺寸、料液物性、操作條件下的霧化試驗比較和分析, 指出了各種噴嘴的適用場合, 例如, 二流體內(nèi)混式噴嘴能耗Z小,是水及物性接近于水的大多數(shù)低黏度物料霧化的適用噴嘴; 三流體內(nèi)混式噴嘴能耗比二流體內(nèi)混式大, 適合在高黏度物料場合使用。
1. 2 噴霧干燥中氣流與微粒的運動及相對運動
噴霧干燥系統(tǒng)是一個多輸入多輸出的復(fù)雜系統(tǒng), 時間長, 損失較大, 試驗成本較高。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展, 使得模擬噴霧干燥這個復(fù)雜過程成為可能。Langrish 等[ 25] 結(jié)合噴霧干燥的特點,建立了模擬食品在噴霧干燥室內(nèi)氣體-顆粒兩相湍流流動的模型。應(yīng)用計算流體力學(xué)對干燥器內(nèi)食品干燥的氣-粒兩相流運動進行了模擬, 研究了食品噴霧干燥中器壁沉積顆粒的成因, 得出減少器壁沉積率的適宜條件: Z大噴射錐度60b和Z大量的渦流進氣62b。Huang等[ 26] 應(yīng)用計算流體力學(xué)對麥芽糊精在離心霧化器和壓力管霧化器的噴霧干燥性能作了比較研究, 模擬結(jié)果顯示兩種霧化器產(chǎn)生不同的顆粒尺寸分布和霧化樣式, 得到的顆粒軌跡展示了不同的溫度、流量和干燥特性, 為在一種噴霧干燥腔內(nèi)實現(xiàn)多種生物質(zhì)物料噴霧干燥的可行性研究提供了素材。雖然CFD應(yīng)用已日漸廣泛, 但是CFD 的模型驗證需要更多的試驗數(shù)據(jù)支持, 而在生物質(zhì)資源加工利用中噴霧干燥環(huán)境很難取得良好的測試數(shù)據(jù), 使得CFD技術(shù)在生物質(zhì)物料噴霧干燥中的應(yīng)用還有待于進一步提高。
1. 3 霧滴的干燥速率以及產(chǎn)品的形狀
霧滴的干燥速率與霧滴的分布直接有關(guān), 大量生產(chǎn)實踐表明, 生物質(zhì)產(chǎn)品粉體顆粒粒度分布受如下工藝參數(shù)影響: 料液濃度、進料速率、溫度、霧化方式、干燥介質(zhì)流量、氣液接觸方式以及溶劑和溶質(zhì)的性質(zhì)等。噴霧干燥所得的生物質(zhì)產(chǎn)物一般為球形顆粒, 但由于工藝參數(shù)控制不當(dāng)往往會導(dǎo)致顆粒變形, 如空心球、中空的環(huán)形、橢球形或蘋果形。黃立新等[ 7, 27] 通過分析生物質(zhì)物料在整個噴霧干燥階段中的溫度和顆粒狀態(tài)變化, 研究了生物質(zhì)物料的玻璃化轉(zhuǎn)變特性和產(chǎn)品質(zhì)量與干燥工藝參數(shù)的關(guān)系, 從而為提高霧滴的干燥速率和得到合格的產(chǎn)品形狀提供了理論根據(jù)。對于生物質(zhì)物料, 由于產(chǎn)品的天然和生物質(zhì)特性, 使得對于干燥過程的要求更加嚴格, 不當(dāng)?shù)母稍锕に噷⒅苯咏档彤a(chǎn)品的品質(zhì), 如色、香、味、活性有效成分等, 因此, 對干燥工藝研究不斷提出新的挑戰(zhàn)。
2 在生物質(zhì)資源加工利用中噴霧干燥系統(tǒng)的工藝研究噴霧干燥工藝是一種涉及到傳熱、傳質(zhì)、流體力學(xué)、機械工程、自動化技術(shù)等多學(xué)科的系統(tǒng)工程,在生物質(zhì)資源加工利用中工藝的穩(wěn)定狀態(tài)主要受以下幾個因素影響: 處理的物料不同; 干燥產(chǎn)品的要求不同; 干燥時間的顯著差異; 干燥過程中的物48 生 物 質(zhì) 化 學(xué) 工 程 第 42卷理變化、化學(xué)變化、傳質(zhì)傳熱過程變化不同; 干燥所需熱量輸入方式不同; 控制方式不同等[ 21] 。國內(nèi)外眾多科研工作者也正是基于這些差異進行研究, 從而優(yōu)化其工藝, 提高效益, 如在食品行業(yè)中, 黃立新等[ 17] 根據(jù)溶液固含量的不同對改性食用微晶纖維素溶液進行二流體和高速旋轉(zhuǎn)盤式噴霧干燥試驗, 研究了改性食用微晶纖維素的噴霧干燥特性, 從而獲得了改性食用微晶纖維素經(jīng)濟運行的優(yōu)化噴霧干燥工藝條件: 熱空氣進口溫度160 ~ 170 e , 出干燥塔的空氣溫度85 ~92 e , 料液含固量為12%, 料液溫度為60 e , 霧化方式采用二流體霧化; 獲取細粉的優(yōu)化噴霧干燥工藝條件: 熱空氣進口溫度170 e , 出干燥塔的空氣溫度90 e , 料液含固量2%, 料液溫度60 e , 霧化方式采用高速旋轉(zhuǎn)盤式。Chen 等[ 19]根據(jù)類胡蘿卜素粉的穩(wěn)定性對類胡蘿卜素粉的生產(chǎn)工藝進行了研究, 得出的工藝條件: 進料的固體含量15% , 進氣溫度135~ 145 e , 出氣溫度90~100 e 。另外在醫(yī)藥[ 28] 、造紙[ 29] 、飼料[ 20] 等生物質(zhì)資源加工利用行業(yè)都有噴霧干燥工藝及其工藝條件優(yōu)化的大量研究。當(dāng)前在生物質(zhì)資源加工利用工藝研究中另一個重要方向是微膠囊工藝研究, 就是將從生物質(zhì)資源中提取的有效成分通過噴霧干燥技術(shù)制成微膠囊制劑。這一技術(shù)可防止制劑中有效成分氧化、水解和揮發(fā), 可掩蓋不良氣味, 還可以提高其穩(wěn)定性和生物利用度以及降低刺激性、毒性及不良反應(yīng)。微膠囊技術(shù)在中藥方面的應(yīng)用尤多, 如可起到緩釋作用, 延長藥物釋放時間, 以減少服藥次數(shù); 還可以制成靶向制劑, 定向作用于患病部位。噴霧干燥制備微膠囊的方法有兩種, 即流化床噴霧干燥和液滴噴霧干燥, 其中液滴噴霧干燥是微膠囊制備中常用的方法, 它是直接將囊心物與囊材的混合液通過霧化器分散成霧滴, 在熱氣流中迅速蒸發(fā)干燥形成微膠囊的方法。這種噴霧干燥法Z適于親油性液體物料的微膠囊化, 芯材的憎水性越強, 包埋效果越好。近幾年來國內(nèi)外許多研究人員從事生物質(zhì)資源加工利用的微膠囊工藝研究, 如孫厚良[ 30] 對噴霧干燥技術(shù)制備微膠囊過程中的乳化液配置及相關(guān)噴霧干燥工藝參數(shù)對微膠囊化過程的影響作了詳細的闡述, 認為壁材的多樣性和核材的多樣性, 還有乳化液的制備及噴霧干燥過程中的參數(shù)多元性, 使噴霧干燥制備微膠囊過程工藝相當(dāng)復(fù)雜, 重視壁材、核材、進料速率、濃度、溫度和進、排風(fēng)溫度等各種影響因數(shù)才能獲得良好的微膠囊產(chǎn)品。Berto lin i等[ 18] 通過噴霧干燥技術(shù)用阿拉伯膠包裹單萜, 改變工藝參數(shù)研究其產(chǎn)品穩(wěn)定性。
3 在生物質(zhì)資源加工利用中噴霧干燥對產(chǎn)品性能影響的研究在生物質(zhì)物料噴霧干燥中評判產(chǎn)品質(zhì)量好壞的指標(biāo)通常包括產(chǎn)品顆粒粒徑分布、殘余含水量、顆粒形態(tài)[ 31- 32] 、堆積密度、色澤、活性物質(zhì)含量[ 31- 32] 、復(fù)溶性和流動性等。在實際生產(chǎn)中, 這些指標(biāo)同時達到要求是相當(dāng)難的, 而用戶也往往只強調(diào)其中的一項或幾項。影響這些生物質(zhì)產(chǎn)品性能的因素大體上可分為設(shè)備和工藝兩大塊。
3. 1 設(shè)備對產(chǎn)品性能的影響
在設(shè)備中Z主要的是霧化器, 霧化器對生物質(zhì)料液的霧化情況直接影響到顆粒粒徑分布, 間接的造成顆粒形態(tài)多樣化、殘余含水量增加、色澤不均一、活性物質(zhì)含量降低、復(fù)溶性和流動性都變差等, 甚至還會造成粘壁, 使生產(chǎn)中斷。霧化器一般可分為離心式霧化器、壓力式霧化器和氣流式霧化器。通常離心式霧化的顆粒偏細, 需要的動力小, 對物料的固含量、黏度等要求不高, 進料速率的波動對液滴大小影響很小[ 33]; 壓力式霧化器產(chǎn)生的霧滴偏粗, 適合順流、逆流和混流型3種干燥方式[ 22- 23] ; 氣流式霧化器產(chǎn)生的顆粒不均勻,且能耗較大[ 22-23 ] 。Langrish 等[ 25] 以食品為原料對霧化器的噴射角度作過研究, 認為Z大為62b,這樣可以使墻壁沉積率趨于減小的方向。虞子云[ 34] 對Sauter直徑(即體積-面積直徑) 進行了J確的計算, 掌握了噴霧液滴分布對改善產(chǎn)品質(zhì)量, 改進噴霧器結(jié)構(gòu)及性能, J確確定干燥塔徑和塔高, 降低能源消耗等將起著重要的作用。
3. 2 工藝對產(chǎn)品性能的影響
工藝中影響產(chǎn)品性能的因素包括輔料的選擇、配比、混合液的進料、出料、過濾, 還有進出口氣體溫度、流量等。Anandharamakrishnan 等[ 2] 在乳清蛋白的噴霧干燥中, 對B-乳球蛋白和A-乳白蛋白的溶解性損失情況作了研究, 顯示兩種蛋白的可溶性受低溫( 60~ 80 e )出口氣體的溫度影響不大, 但是會受高溫( 100~ 120 e )出口氣體的溫度影響, 并且B-乳球蛋白的可溶性降低情況第5期張彩虹, 等: 噴霧干燥在生物質(zhì)資源加工利用中的研究進展 49比A-乳白蛋白要嚴重。在較高的出口氣體溫度下增加料液濃度也會造成可溶性顯著的降低。Cunha等[ 35] 研究了在噴霧流化床干燥中操作條件(如操作溫度、進料速率、噴霧、環(huán)形氣體速率等)對芒果醬質(zhì)量的影響, 實驗證明高的生產(chǎn)溫度提供了較好的干燥性能和產(chǎn)品質(zhì)量。綜上所述, 國內(nèi)外的研究者大多對某種生物質(zhì)物料進行了試驗研究, 并沒能找到一種普遍性的規(guī)律或者趨勢, 而產(chǎn)品的Z終質(zhì)量是干燥的目的, 因此, 在品種豐富的生物質(zhì)資源加工利用中很有必要進一步研究噴霧干燥技術(shù), 對含有活性物質(zhì)的生物質(zhì)資源干燥過程的規(guī)律進行研究。
4 在生物質(zhì)資源加工利用中對噴霧
干燥存在節(jié)能和粘壁問題的研究隨著全球化能源的緊張、能源價格的暴漲, 節(jié)能降耗已成為各國的研究主題。在生物質(zhì)資源加工利用中噴霧干燥技術(shù)本身就是高能耗的單元操作, 降低能源消耗, 提高熱利用率是各國科研人員的共同目標(biāo)。黃立新等[ 33, 36] 通過對噴霧干燥裝置進行經(jīng)濟分析和節(jié)能技術(shù)深入研究, 得出了影響噴霧干燥能耗的主要因素和相應(yīng)的結(jié)果, 并提出了針對性的解決噴霧干燥能耗高的方法: 1)從調(diào)整噴霧干燥操作參數(shù)達到節(jié)能效果, 可以采取提高干燥的進口溫度、降低出口溫度、適當(dāng)提高料液原始含量及溫度、降低進口環(huán)境空氣的相對濕度; 2)從噴霧干燥工藝流程調(diào)整達到節(jié)能目的,可以采用噴霧干燥后排出空氣廢熱回收, 例如換熱回收、濃縮料液等, 也可以采取把部分干燥后排出空氣返回干燥空氣進口段或直接采用組合干燥; 3)從噴霧干燥設(shè)備本身考慮, 加強設(shè)備保溫、隔熱, 減少不必要的散熱; 4)對于不同的生物質(zhì)物料, 采取上述組合運用。Z終, 使噴霧干燥在生物質(zhì)資源加工利用中達到理想的節(jié)能效果。蕭琦等[ 37] 論述了以線形燃燒器為核心的直燃式熱風(fēng)裝置在噴霧干燥塔上的應(yīng)用情況, 并著重對線形燃燒器直燃式熱風(fēng)裝置、蒸汽鍋爐熱風(fēng)裝置和電加熱熱風(fēng)裝置的能耗作了對比。數(shù)據(jù)分析表明,線形燃燒器直燃式熱風(fēng)裝置與傳統(tǒng)的帶有換熱器的熱風(fēng)裝置相比, 在節(jié)能方面具有yi定的性。在生物質(zhì)資源噴霧干燥中, 由于生物質(zhì)物料具有含糖量高、熱敏性等特點, 使粘壁問題成為生物質(zhì)資源加工利用的一大障礙。粘壁除了會降低產(chǎn)品質(zhì)量外, 也會使生產(chǎn)中斷, 同時又會造成能源浪費, 這一直成為生物質(zhì)噴霧干燥中難以解決的一個問題。曾亞森等[ 38] 針對中藥提取物干燥中的粘壁現(xiàn)象, 分析了粘壁的主要類型及其影響因素, 并介紹了集中解決粘壁的方法, 并由實驗說明了中藥干燥塔的結(jié)構(gòu)與工藝調(diào)整對解決中藥提取液噴霧干燥粘壁問題的有效性。Langrish等[ 39] 在一個帶有二流體噴霧器, 高1. 5m 的中型噴霧干燥試驗中, 對脫脂乳和麥芽糊精的粘壁情況作了比較, 在相同工藝條件: 霧化器氣體壓力200KPa, 進氣溫度230 e , 進料速率1. 6 L /h, 分別對脫脂乳和麥芽糊精進行噴霧干燥。結(jié)果顯示麥芽糊精粘壁情況較脫脂乳輕, 可能與麥芽糊精有較高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度有關(guān)。
5 展望
雖然噴霧干燥技術(shù)在生物質(zhì)資源加工利用中從表面上看已趨成熟, 但在工業(yè)應(yīng)用時常常會碰到問題, 主要原因是研究物料品種的局限性、生物質(zhì)物料物性的差異性和復(fù)雜性等。對于物料品種的局限性而言, 大多數(shù)研究都發(fā)生在化工產(chǎn)品中,對于生物質(zhì)資源活性物的干燥, 高附加值產(chǎn)品的干燥研究較少, 因此噴霧干燥技術(shù)在生物質(zhì)資源加工利用中仍然有廣闊的研究和發(fā)展空間, 而且有幾個方面更值得研究: 1)企業(yè)界和科研人員通過噴霧干燥得到的生物質(zhì)產(chǎn)品質(zhì)量方面仍需要深入研究, 使由天然生物質(zhì)資源得到的產(chǎn)品要更多保留其內(nèi)部原有的生物質(zhì)活性[ 40] , 同時還要有好的溶解性, 儲存時有效成分不會變質(zhì), 也不會揮發(fā), 儲存期受時間長短和存儲條件的限制較小等。2)深入研究噴霧干燥技術(shù)的工藝參數(shù)對生物質(zhì)產(chǎn)品各個性能的影響, 尋找出各個工藝參數(shù)與影響性能的對應(yīng)關(guān)系, 以便得到較好生物質(zhì)產(chǎn)品。3)生物質(zhì)噴霧干燥工藝操作不具有通用性, 干燥物料的局限性使得在生物質(zhì)資源加工利用中噴霧干燥技術(shù)的范圍需要進一步擴大, 開發(fā)出更多的生物質(zhì)干燥產(chǎn)品以適應(yīng)市場的特殊需求。4 )在生物質(zhì)資源加工利用中將噴霧干燥技術(shù)與冷凍干燥技術(shù)相比較, 探討低溫或亞低溫噴霧干燥技術(shù)[ 41] , 尋找處理熱敏性生物質(zhì)物料的優(yōu)化工藝,改變用冷凍干燥熱敏性生物質(zhì)物料的歷史?；蚺c其它干燥技術(shù)相結(jié)合[ 42 ] , 在保證生物質(zhì)產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上Z大限度的節(jié)能降耗。50 生 物 質(zhì) 化 學(xué) 工 程 第 42卷
另外, 在人與自然和諧發(fā)展, 共創(chuàng)和諧社會的今天, 在生物質(zhì)資源加工利用中/綠色0干燥技術(shù)[ 21] 也是噴霧干燥技術(shù)研究的一大方向。