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必备知识丨一文把喷雾干燥技术说全乎,你一定要点开看看!

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-05-13  来源:食品研发与生产  浏览次数:719
核心提示:在食品、制药、化工行业中,喷雾干燥作为现代主要干燥技术之一,被广泛地使用在不同性质的产品上。
   在食品、制药、化工行业中,喷雾干燥作为现代主要干燥技术之一,被广泛地使用在不同性质的产品上。通过机械作用,喷雾干燥技术可以将需要干燥的物料分散成细得像雾一样的微粒与热空气接触,瞬间将大部分水分除去,从而使得物料中固体物质干燥成粉末。
 
  01

  喷雾干燥的原理与特点
 
  一、喷雾干燥原理
 
  根据原理不同,喷雾干燥可分为压力喷雾干燥法、离心喷雾干燥法与气流式喷雾干燥法。喷头、干燥器、预热器、气粉分离室、空气滤过器、收集桶、鼓风机等是喷雾干燥的常见组成部分。其工作原理是将待干燥的物料通过雾化器分散成雾样微小液滴,与热空气流进行交换,蒸发掉大量水分,进而得到粉末状或细颗粒状的成品或半成品。
 
  喷雾干燥技术由三个部分组成,第一部分是对料液进行雾化处理,第二部分是使被雾化处理的料液与空气接触,第三部分是使干燥后的粉末与空气分离。
 
 
 
  二、喷雾干燥特点
 
  与其他干燥技术相比,喷雾干燥技术主要有以下几个优点:
 
  ①干燥速度快:料液经雾化器雾化之后体积增大几千倍,细小雾滴与热空气接触过程当中瞬间即可完成90%~95%以上的水分蒸发量,根据不同形式的设备差异,干燥时间可以控制在5~30 s 之内,其干燥过程非常迅速。
 
  ②物料不承受高温、适用于热敏性物料的干燥:在喷雾干燥过程中,物料随与热空气直接接触,但是大部分热量都用来蒸发料液中的水分,物料的温度不会超过高温空气湿球温度,物料不会因为高温空气影响其质量品质,适用于医药等热敏性物料的干燥。
 
  ③应用于从高级合成物到大宗化学品的多种产品的生产。喷雾干燥技术非常适用于料液固含量在0~60%内物料的干燥,通过改变工艺参数,可以以非常高效的方式生产出符合粉末粒度和形状、密度、分散性、多态性和流动特性等精确粉末特性的复杂粉末。
 
  02

  影响喷雾干燥的主要因素
 
  一、进出口温度
 
  喷雾干燥室的温度通常指热风进入塔内的温度。干燥温度是影响喷雾干燥粉末物理化学性质最重要的因素。较高的干燥温度为干燥室提供更多的热量,这增加了干燥速率并降低了喷雾干燥产品的水分。
 
  Kha等指出,喷雾干燥温度从120℃增加到200℃能使干燥粉末中的水从5.29%降低到3.88%。喷雾干燥产品的粒度也取决于干燥器入口温度。干燥温度的升高导致水分蒸发加快,这使得微球更快地形成而没有足够的时间收缩,导致得到的颗粒粒径较大。
 
  Tonon等指出,随着入口干燥温度从138℃升高到202℃,巴西莓粉的粒径从13.38μm增加到20.11μm。类似地,番石榴汁粉末的粒度随着入口温度的增加而显著(p<1%)增加。喷雾干燥粉末的堆积密度随着温度的升高而降低。较大的颗粒可能内部是中空的,或者由于较高的水蒸发速率而具有多孔性或破碎的结构。通常,多孔或碎片颗粒呈现较低的堆积密度。
 
  Chegini等证明,因为水比大多数干燥食品固体的密度更大,所以在较高温度下生产的粉末堆积密度低于在低温下生产的粉末,还观察到具有较小尺寸的粉末颗粒具有较大的堆积密度。
 
  喷雾干燥粉末的流动性在一定程度上也受干燥温度的影响,随着温度的升高,流动性会降低。溶解度也是粉末产品的重要质量特性,可直接影响喷雾干燥食品的重构行为。随着喷雾干燥温度从120℃升至160℃,粉末的溶解度增加。
 
  二、壁 材
 
  富含糖的物质,如果汁和蔬菜汁,很难在没有包埋剂的情况下直接喷雾干燥,而壁材就是在喷雾干燥过程中包埋活性成分的聚合物,是喷雾干燥中最重要的因素之一。
 
  壁材在喷雾干燥中可以提高玻璃化转变温度和产率,并降低粉末产品的黏性和吸湿性。常见的壁材有阿拉伯树胶、麦芽糊精、明胶、淀粉、果胶、甲基纤维素、藻酸盐和磷酸三钙及其组合等。
 
  壁材的选择主要取决于喷雾干燥的目的和加工材料的物理化学性质。壁材应高度溶于工艺溶剂,具有足够的成膜能力,即使在高浓度下也能产生低黏度溶液。对于喷雾干燥,它们必须具有高分子量和高玻璃化转变温度,以改善最终产品的抗黏性。它们必须能够保护敏感化合物免受热、氧和光等的影响。
 
  喷雾干燥的常用壁材为碳水化合物,主要有:
 
  1)淀粉及其衍生物(淀粉、麦芽糖糊精、糊精和环糊精);
 
  2)树胶(阿拉伯树胶或阿拉伯树胶和刺梧桐胶混合物);
 
  3)纤维素及其衍生物(纤维素、羧甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素等)。
 
  淀粉及其衍生物具有良好的喷雾干燥性能,例如,高分子量和高玻璃化转变温度,在低黏度的冷水中高度可溶,具有抗黏性并且能够产生相对致密的粉末。然而,它们的成膜能力较差,这对于干燥效率尤其是敏感化合物的保存十分不利。
 
  与淀粉相比,树胶具有较好的成膜能力,但玻璃化转变温度相对较低。纤维素及其衍生物具有良好的成膜特性和表面活性,但不易消化。淀粉或淀粉衍生物和树胶的组合可以改善喷雾干燥的性能,但树胶的含量应低于淀粉或淀粉衍生物。
 
  有报道指出,蛋白质,特别是乳清蛋白,具有优异的成膜能力和营养保留能力,经常与淀粉或淀粉衍生物一起使用。
 
  三、进料速度
 
  在喷雾干燥过程中,进料速度是重要影响因素之一。进料速度决定物料在干燥室、分离器和输送机中的停留时间,同时还影响着物料雾化以及液滴的大小。进料速度基本上取决于雾化器的速度,泵速越高,进料速度越快。但是,较高的进料速度会使热量传递变慢,使得液滴难以充分干燥,容易导致粘壁现象。
 
  此外,Tonon等观察到了液滴直接滴落在干燥室内的现象,这是由于在高料液流速下物料雾化不完全,导致产率降低。较高的进料速度导致液滴和热空气之间没有足够的作用时间,增加了喷雾干燥粉末的水分;另外,较短的接触时间会导致传热和传质效率降低,并导致最终产品中的水分含量较高。

  03

  喷雾干燥在食品工业中的应用
 
  一、喷雾干燥在果蔬粉生产中的应用
 
  我国是农业大国,果蔬产业在国内已成为仅次于粮食的支柱产业。果蔬粉因其具有独特的优点,不仅能克服果蔬不耐贮藏、容易腐烂变质等缺点,而且能够满足人们对果蔬多样化、高档化和新鲜化趋势的需求,所以具有广阔的开发前景。
 
  果蔬粉制备技术较多,譬如,喷雾干燥、热风干燥、真空冷冻干燥、微波干燥、变温压差膨化干燥及超微粉碎技术等,但喷雾干燥因其特有的优点,使其在果蔬粉的加工中占据着十分重要的位置。
 
  二、喷雾干燥技术在速溶茶饮料中的应用
 
  速溶茶饮料是一种能够迅速溶解于水的固体饮料茶,因具有冲饮携带方便、冲水速溶、不留余渣、农药残留少、易于调节浓淡或容易同其他食品调配等许多特点,所以越来越受到人们的青睐。
 
  毕秋芸以灵芝与红茶为原料,采用喷雾干燥技术研究了灵芝红茶固体饮料生产工艺条件,其最佳配方和工艺条件为红茶浸提液添加量为15%、灵芝浸提液添加量为35%、柠檬酸添加量为1%、白砂糖添加量为8%、麦芽糊精添加量为15%;喷雾干燥最佳工艺条件为进风温度为180℃、出风温度为80℃、进料量为25ml/min。
 
 
  三、喷雾干燥在食品添加剂中的应用
 
  由于某些食品添加剂易受环境中光、氧、温度、水分等因素影响及食品添加剂自身存在的异味、臭味、辛辣味等不良气味,严重影响了其在食品中的应用,阻碍了食品工业的发展。
 
  20世纪随着微胶囊技术的诞生,这些问题都迎刃而解,而微胶囊技术的关键就是喷雾干燥。NgLayTze等研究不同的麦芽糊精浓度和喷雾干燥人口温度对火龙果甜菜红素含量的影响,得到的最佳喷雾干燥条件是人入口温度155℃和 20%的麦芽糊精浓度。
 
  四、喷雾干燥在保健食品中的应用
 
  由于鱼油中的多不饱和脂肪酸 (DHA和 EPA)极易氧化,严重阻碍其在保健食品中的应用及市场需求,而鱼油微胶囊化不仅可以有效防止其氧化变质,而且能够掩盖鱼腥味。
 
  五、喷雾干燥技术在其他食品领域的应用
 
  随着喷雾干燥技术研究的深入,以及人们对食品的风味和营养价值的要求不断提高,市场上出现了越来越多的由喷雾干燥法生产的食品,如蛋黄粉、杂粮粉、调味粉等。
 
  由于经济的发展,人民生活的改善,不少地区民众杂粮谷物的摄入量有所减少,而杂粮谷物中富含膳食纤维、矿物质等,这些物质又是机体不可或缺的,所以谷物粉备受消费者的喜爱。
 
  李居男以喷雾干燥技术为主要载体,对山药、黑米、玉米、荞麦、橙子等多种谷物及水果进行了制粉处理,并评价了喷务干燥处理对其中功能活性成分的影响;以各种喷雾干燥粉剂为基料,调配了4种冲调型功能性饮料。此外,喷雾干燥技术也常用于婴儿营养食品的加工中,最常见 的就是婴儿奶粉的加工。
 
  04

  新型喷雾干燥技术的研究进展
 
  随着喷雾干燥过程机理不断的被深入研究和喷雾干燥技术在各行各业中被广泛使用,本文从近几年国内外喷雾干燥研究成果着手,介绍了此领域最新的研究进展。
 
  一、喷雾冷冻干燥技术
 
  自从1964 年Werly 等提出喷雾冷冻干燥技术以来该技术在各个领域内获得了较快的发展,喷雾冷冻干燥是喷雾技术与冷冻技术相结合的一种独特的干燥技术,喷雾冷冻干燥技术首先通过液氮等冷却介质把雾滴冻结成冰颗粒,再通过干燥技术把冻结的冰颗粒脱水干燥成粉体。
 
  喷雾冷冻干燥获得的颗粒形态优于喷雾干燥和冷冻干燥,可以获得尺寸分布良好的雾滴,同时,溶液中的水份在冻干过程中在颗粒内部留下微小孔道,这些微孔结构的形成增加了颗粒的比表面积,大大提高了产品的润湿性和溶解度,由于在低温下进行干燥,特别适用于高热敏性物料的干燥,该技术目前已在食品和医药研发领域获得了广泛的应用。
 
  为提高阿奇霉素的水溶性和生物利用度,Adeli 等利用喷雾冷冻干燥技术制备了阿奇霉素固体分散体,分析发现,喷雾冷冻干燥技术制备的阿奇霉素的溶出速率高于常规喷雾干燥技术制备的药物的溶出速率,且使用喷雾冷冻干燥法制备的药物的溶出度比常规方法制备药物提高了8.9 倍。
 
  Jae-Young Her 等尝试使用喷雾冷冻干燥法制备获得了存活率高达97.7%的一种益生菌粉,且该益生菌粉具有很大的比表面积。
 
  S.PadmaIshwarya 等对喷雾冷冻干燥技术在可溶性咖啡的理化指标和香气品质进行了评价,结果表明,与使用喷雾干燥与冷冻干燥技术加工的咖啡相比,喷雾冷冻干燥法加工的咖啡保留了特有的低沸芳香化合物的香气品质,具有良好的流动性和速溶性,与同类产品相比具有较大的竞争优势。
 
  二、过热蒸汽喷雾干燥技术
 
  过热蒸汽喷雾干燥技术是利用过热蒸汽温度高于相应压力下对应饱和温度的特点直接把过热蒸汽与物料接触而达到物料干燥目的,与传统热风干燥技术相比,过热蒸汽比热容量高、使用量小且干燥速度快,具有热效率高,干燥品质好,无氧化和爆炸等风险,节能效果显著等特点。
 
  张志辉等采用热空气和过热蒸汽干燥法制备了粉末,结果表明,与热空气喷雾干燥相比,过热蒸汽喷雾干燥法粉末橡胶表面存在许多均匀微孔,相对分子质量保持较好。
 
  V. V.Sidorchuk 等分别采用热空气和过热蒸汽喷雾干燥法制备微球形气溶胶,结果发现,与热空气喷雾干燥相比,过热蒸汽喷雾干燥法可以获得尺寸更均匀的微粒。
 
  Yonggun Park 等对热空气与过热蒸汽相结合干燥的节能效果进行了评价,结果表明,热空气喷雾干燥处理节能效果为46%~51%,而热空气与过热蒸汽相结合干燥的节能效果为77%~82%。
 
  三、纳米喷雾干燥技术
 
  纳米级喷雾干燥技术主要应用于纳米级颗粒药物制备领域,相比于微米级颗粒药物,纳米级药物比表面积大,药物溶出速率和生物利用度高,因此纳米喷雾干燥技术尤其适用于难溶性药物的制备领域。
 
  瑞士Buchi 公司开发研制的B90 型纳米喷雾干燥器可以直接制备粒径在0.3~0.5μm 颗粒药物,纳米级喷雾干燥设备由高频振动雾化器,层流加热器及高压静电收集器等部分构成。
 
  在纳米喷雾干燥器中,液体流经电驱动的振动网状雾化器雾化成细小的液滴,在干燥室中进行干燥以产生固体颗粒,最后由静电干粉收集器分离收集。
 
  传统的喷雾干燥技术一般采用压力式雾化器把液体雾化并与热空气接触干燥后经旋风分离器收集固体颗粒,产率约为30~50%,而纳米级喷雾干燥器采用高压静电收集器收集固体颗粒,产率可达90%以上。
 
  周扬等采用纳米喷雾干燥技术制备了载药量为30%、收率高达89%、吸湿性良好的生地黄低聚糖微粉。
 
  TaoranWan 等采用纳米喷雾干燥技术制备了固体脂质纳米粒和纳米结构脂质载体,并通过创新的纳米喷雾干燥技术将所得的脂质胶体颗粒转化为固体粉末,获得的固体粉体呈聚集状,球形粉体细小、均匀。
 
  05

  喷雾干燥塔常见的问题及改进
 
  故障一:爆炸的预防措施
 
  ①选择正确的干燥塔类型;
 
  ②在干燥塔设计和制造时就安装灭火设备;
 
  ② 和物料接触的设备表面用光滑的材料以防止物料沉积;
 
  ③ 安装好空气过滤器以防止将含尘的废气吸入干燥室的气体加热器中;
 
  ④ 定期清洁空气过滤器,包括冲洗过滤器;
 
  ⑤ 定期检查操作中容易产生沉积物部位的情况;
 
  ⑥ 定期检查各类电器部件和机械部件;
 
  ⑦ 对于离心喷雾,转动部分的部件必须运转自如并经常检查;
 
  ⑧ 加装静电接地装置;
 
  ⑩保持各个干燥器部件的彻底清洁。
 
  另外,针对喷雾干燥塔内的物料燃烧和爆炸现象,还可采取一些措施尽量减少损失,如在干燥室顶部装爆炸放气阀;在干燥室安装若干活门,在压力上升到某个地步时自动打开;在干燥室设计时就考虑到爆炸的可能性而将室壁加厚等。
 
  故障二:主塔内壁粘附湿粉
 
  (1)进料量太大, 不能充分蒸发;
 
  (2)喷雾开始前干燥室加热不足;
 
  (3)开始喷雾时, 下料流量调节过大;
 
  (4)加入的料液不稳定。
 
  修复方法:
 
  适当减少进料量;适当提高热风的进口和出口温度;在开始喷雾时, 流量要小, 逐步加大, 调节到适当时为止;检查管道是否堵塞, 调整物料固形物含量, 保证料液的流动性。
 
  故障三:产品中存在大量杂质
 
  这种现象一般有三种原因。
 
  其一,喷雾干燥机物料中含有杂质,在过滤时没有过滤掉,解决办法是对空气过滤器进行检查,过滤网根据情况进行更换;
 
  其二,物料料液的纯度不高,解决办法是对料液进行抽样检测,把料液中的杂质过滤掉;
 
  其三,设备内存有杂质,解决办法是定期对设备进行全面的清洗,去除杂质。
 
  故障四:水分含量高
 
  一般是排风温度太低。适当减少进料量, 以提高排风温度。
 
  故障五:粉粒太细含固量太低或进料量太小
 
  提高料液的含固量, 加大进料量, 提高进风温度。
 
  故障六:喷头转速低离心喷头部件出了故障
 
  检查喷头内部件。
 
  故障七:蒸发量低
 
  故障原因:
 
  (1) 整个系统的空气量减少;
 
  (2) 热风的进口温度偏低;
 
  (3) 设备有漏风现象, 有冷风进入干燥室。
 
  修复方法:
 
  (1) 检查离心机的转速是否正常;
 
  (2) 检查离心机调节阀位置是否正确;
 
  (3) 检查空气过滤器及空气加热器管道是否堵塞;
 
  (4) 检查电网电压是否正常;
 
  (5) 检查电加热器是否正常工作;
 
  (6) 检查设备各组件连接是否密封。
 
  故障八:喷头振动
 
  故障原因:
 
  (1) 喷头的清洗和保养不当引起的喷盘内附有残留物质或主轴产生弯曲和变形;
 
  (2) 离心盘动平衡不好。
 
  修复方法:
 
  (1) 检查喷雾盘内是否有残存物质, 若有应及时清洗;
 
  (2) 发现主轴有异常, 要进行更换;
 
  (3) 对离心盘的动平衡重新调整或更换。
 
  故障九:跑粉现象严重,产品的回收率低
 
  如果旋风分离器出现问题,或者除尘性能低,就容易发生跑粉现象。针对这种现象,前者解决办法是对旋风分离器进行检查,查看是否有缺口,以及气密性是否完好;后者解决办法是适当增加二级除尘。
 
  故障十:设备运行噪声很大
 
  技术人员表示,一般而言,喷雾干燥机的雾化盘和轴承是产生噪音的主要部位,所以用户如果发现设备噪音大,应对这两个部位进行检查,主要是看雾化盘是否处于平衡状态、轴承工作是否正常以及润滑油的添加是否正确,如果发现有损坏,应立即修理或更换。
 
  来源:食品研发与生产  整理,转载请注明来源。
 
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编辑:fmt1592210117

 
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