噴霧干燥在生物質(zhì)資源加工利用中的研究

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(jī)理、產(chǎn)品的質(zhì)量和節(jié)能等幾個(gè)方面對(duì)噴霧干燥在生物質(zhì)資源加工利用中的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了概述, 發(fā)現(xiàn)研究過(guò)程中尚存在著一些問(wèn)題, 如由于高進(jìn)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(jìn)和提高, 因此很有必要對(duì)噴霧干燥技術(shù)進(jìn)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(tuán)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(jì)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(kuò)展, 目前這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)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(duì)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(guò)霧化干燥完成。王靜等[ 4] 用噴霧干燥工藝對(duì)棗進(jìn)行加工處理, 不但保存了棗的營(yíng)養(yǎng)價(jià)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(guò)對(duì)噴霧干燥后的魚漿蛋白粉營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)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(diǎn), 對(duì)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(jìn)展 47工藝進(jìn)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(wú)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(dòng)而且復(fù)雜性也會(huì)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各國(guó)科研人員的重要研究?jī)?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(duì)生物質(zhì)資源的開(kāi)發(fā)與利用都具有現(xiàn)實(shí)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(jìn)行了分析和綜述, 同時(shí)對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)作了展望。
1 在生物質(zhì)資源加工利用中噴霧干燥的機(jī)理研究
1. 1 霧化器性能和霧化機(jī)理的研究
霧化器是把液體霧化成細(xì)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(jì)指標(biāo)。在生產(chǎn)中, 往往會(huì)出現(xiàn)大顆粒沒(méi)有干透、小顆粒已經(jīng)過(guò)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(dòng)力干擾學(xué)說(shuō)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(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。郝文生等[ 23] 對(duì)離心霧化的成因作了詳細(xì)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(guò)對(duì)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(yàn)比較和分析, 指出了各種噴嘴的適用場(chǎng)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(chǎng)合使用。
1. 2 噴霧干燥中氣流與微粒的運(yùn)動(dòng)及相對(duì)運(yùn)動(dòng)
噴霧干燥系統(tǒng)是一個(gè)多輸入多輸出的復(fù)雜系統(tǒng), 時(shí)間長(zhǎng), 損失較大, 試驗(yàn)成本較高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 使得模擬噴霧干燥這個(gè)復(fù)雜過(guò)程成為可能。Langrish 等[ 25] 結(jié)合噴霧干燥的特點(diǎn),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(dòng)的模型。應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)干燥器內(nèi)食品干燥的氣-粒兩相流運(yùn)動(dòng)進(jìn)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(jìn)氣62b。Huang等[ 26] 應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)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(shí)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(yàn)證需要更多的試驗(yàn)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(cè)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(huì)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(guò)分析生物質(zhì)物料在整個(gè)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(duì)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(duì)于干燥過(guò)程的要求更加嚴(yán)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(duì)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(jī)械工程、自動(dòng)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(gè)因素影響: 處理的物料不同; 干燥產(chǎn)品的要求不同; 干燥時(shí)間的顯著差異; 干燥過(guò)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(guò)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(guó)內(nèi)外眾多科研工作者也正是基于這些差異進(jìn)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(duì)改性食用微晶纖維素溶液進(jìn)行二流體和高速旋轉(zhuǎn)盤式噴霧干燥試驗(yàn), 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(jì)運(yùn)行的優(yōu)化噴霧干燥工藝條件: 熱空氣進(jìn)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(xì)粉的優(yōu)化噴霧干燥工藝條件: 熱空氣進(jìn)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(duì)類胡蘿卜素粉的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了研究, 得出的工藝條件: 進(jìn)料的固體含量15% , 進(jìn)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(gè)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(guò)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), 可掩蓋不佳氣味, 還可以提高其穩(wěn)定性和生物利用度以及降低刺激性、毒性及不佳反應(yīng)。微膠囊技術(shù)在中藥fang面的應(yīng)用尤多, 如可起到緩釋作用, 延長(zhǎng)藥wu釋放時(shí)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(guò)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(qiáng), 包埋效果越好。近幾年來(lái)國(guó)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(duì)噴霧干燥技術(shù)制備微膠囊過(guò)程中的乳化液配置及相關(guān)噴霧干燥工藝參數(shù)對(duì)微膠囊化過(guò)程的影響作了詳細(xì)的闡述, 認(rèn)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(guò)程中的參數(shù)多元性, 使噴霧干燥制備微膠囊過(guò)程工藝相當(dāng)復(fù)雜, 重視壁材、核材、進(jìn)料速率、濃度、溫度和進(jìn)、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(guò)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。