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关于喷雾干燥技术,想要了解的都在这!

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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。
一、喷雾干燥的原理
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、喷雾干燥的特点

1.干燥技术快
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5~30s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。
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5~30s之内,其干燥过程非常迅速。
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。
三、影响喷雾干燥的主要因素

1.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。

2.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。
3.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。

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