摘 要: 噴霧干燥技術被廣泛應用在許多工業生產領域中, 本文從工藝、機理、產品的質量和節能等幾個方面對噴霧干燥在生物質資源加工利用中的發展狀況進行了概述, 發現研究過程中尚存在著一些問題, 如由于高進氣溫度使產品質量下降; 在干燥室或工藝管中發生產品粘壁; 系統能效低及生物制品中活性物質被破壞等, 亟需在工藝及設備等方面改進和提高, 因此很有必要對噴霧干燥技術進行更深入的研究。
噴霧干燥是以單一工序將溶液、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品的一種干燥方法。噴霧干燥技術的研究始于20世紀初期, 距今已有100 多年的歷史。起初, 這種技術主要用于脫脂奶粉的制造, 并在食品工業中應用, 隨著噴霧干燥技術的不斷成熟, 其應用范圍也逐漸擴展, 目前這項技術在國內外的許多行業都已得到了廣泛的應用, 例如在食品工業中用于奶粉[ 1] 、乳清粉[ 2] 、豆奶粉[ 3] 、蛋粉、果汁粉[ 4- 5] 、速溶咖啡[ 6] 等的生產中, 另外, 在其它行業如化學[ 7- 8] 、醫藥[ 9- 10] 、造紙[ 11] 、陶瓷[ 12] 、化肥[ 13] 、冶金[ 14] 、洗滌劑[ 15 ] 、環保[ 16] 、生物質活性物質[ 17- 19] 等工業生產中也被采用。自然界中生物質資源廣泛, 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品是當前發展的重要方面。噴霧干燥正是生物質資源加工利用工藝的必要組成部分。在林化行業中, 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價值, 而且為棗產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成分進行分析, 將得到數據與魚粉數據相比較, 尋找差距點, 對噴霧干燥第5期張彩虹, 等: 噴霧干燥在生物質資源加工利用中的研究進展 47工藝進行優化。盡管在生物質資源加工利用中噴霧干燥技術無論是從深度上還是從廣度上都得到了巨大的發展, 但仍然有其不足之處, 如受生物質物料的多樣性及各物料差異性、干燥產品不同質量要求的影響, 工藝不僅要隨物料變動而且復雜性也會不同,所以在生物質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。鑒于噴霧干燥技術的深入研究對生物質資源的開發與利用都具有現實意義, 本文就噴霧干燥技術在生物質資源中的發展程度進行了分析和綜述, 同時對未來的發展趨勢作了展望。
1 在生物質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品質量和技術經濟指標。在生產中, 往往會出現大顆粒沒有干透、小顆粒已經過干的現象。因此, 霧化器滿足生產工藝要求, 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] 從理論上推導噴霧干燥技術中霧化器流量、霧化角各自的關系公式, 基于空氣動力干擾學說推導出霧化后液滴平均直徑的理論公式, 找出它們內在聯系, 并通過相關實驗數據進行驗證。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、二流體內混、三流體內混和三流體內外組合混等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, 二流體內混式噴嘴能耗Z小,是水及物性接近于水的大多數低黏度物料霧化的適用噴嘴; 三流體內混式噴嘴能耗比二流體內混式大, 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
噴霧干燥系統是一個多輸入多輸出的復雜系統, 時間長, 損失較大, 試驗成本較高。隨著計算機技術的發展, 使得模擬噴霧干燥這個復雜過程成為可能。Langrish 等[ 25] 結合噴霧干燥的特點,建立了模擬食品在噴霧干燥室內氣體-顆粒兩相湍流流動的模型。應用計算流體力學對干燥器內食品干燥的氣-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] 應用計算流體力學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, 模擬結果顯示兩種霧化器產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實現多種生物質物料噴霧干燥的可行性研究提供了素材。雖然CFD應用已日漸廣泛, 但是CFD 的模型驗證需要更多的試驗數據支持, 而在生物質資源加工利用中噴霧干燥環境很難取得良好的測試數據, 使得CFD技術在生物質物料噴霧干燥中的應用還有待于進一步提高。
1. 3 霧滴的干燥速率以及產品的形狀
霧滴的干燥速率與霧滴的分布直接有關, 大量生產實踐表明, 生物質產品粉體顆粒粒度分布受如下工藝參數影響: 料液濃度、進料速率、溫度、霧化方式、干燥介質流量、氣液接觸方式以及溶劑和溶質的性質等。噴霧干燥所得的生物質產物一般為球形顆粒, 但由于工藝參數控制不當往往會導致顆粒變形, 如空心球、中空的環形、橢球形或蘋果形。黃立新等[ 7, 27] 通過分析生物質物料在整個噴霧干燥階段中的溫度和顆粒狀態變化, 研究了生物質物料的玻璃化轉變特性和產品質量與干燥工藝參數的關系, 從而為提高霧滴的干燥速率和得到合格的產品形狀提供了理論根據。對于生物質物料, 由于產品的天然和生物質特性, 使得對于干燥過程的要求更加嚴格, 不當的干燥工藝將直接降低產品的品質, 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。
2 在生物質資源加工利用中噴霧干燥系統的工藝研究噴霧干燥工藝是一種涉及到傳熱、傳質、流體力學、機械工程、自動化技術等多學科的系統工程,在生物質資源加工利用中工藝的穩定狀態主要受以下幾個因素影響: 處理的物料不同; 干燥產品的要求不同; 干燥時間的顯著差異; 干燥過程中的物48 生 物 質 化 學 工 程 第 42卷理變化、化學變化、傳質傳熱過程變化不同; 干燥所需熱量輸入方式不同; 控制方式不同等[ 21] 。國內外眾多科研工作者也正是基于這些差異進行研究, 從而優化其工藝, 提高效益, 如在食品行業中, 黃立新等[ 17] 根據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濟運行的優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盤式。Chen 等[ 19]根據類胡蘿卜素粉的穩定性對類胡蘿卜素粉的生產工藝進行了研究, 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 。另外在醫藥[ 28] 、造紙[ 29] 、飼料[ 20] 等生物質資源加工利用行業都有噴霧干燥工藝及其工藝條件優化的大量研究。當前在生物質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, 就是將從生物質資源中提取的有效成分通過噴霧干燥技術制成微膠囊制劑。這一技術可防止制劑中有效成分氧化、水解和揮發, 可掩蓋不良氣味, 還可以提高其穩定性和生物利用度以及降低刺激性、毒性及不良反應。微膠囊技術在中藥方面的應用尤多, 如可起到緩釋作用, 延長藥物釋放時間, 以減少服藥次數; 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。近幾年來國內外許多研究人員從事生物質資源加工利用的微膠囊工藝研究, 如孫厚良[ 30] 對噴霧干燥技術制備微膠囊過程中的乳化液配置及相關噴霧干燥工藝參數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多元性, 使噴霧干燥制備微膠囊過程工藝相當復雜, 重視壁材、核材、進料速率、濃度、溫度和進、排風溫度等各種影響因數才能獲得良好的微膠囊產品。Berto lin i等[ 18] 通過噴霧干燥技術用阿拉伯膠包裹單萜, 改變工藝參數研究其產品穩定性。
3 在生物質資源加工利用中噴霧干燥對產品性能影響的研究在生物質物料噴霧干燥中評判產品質量好壞的指標通常包括產品顆粒粒徑分布、殘余含水量、顆粒形態[ 31- 32] 、堆積密度、色澤、活性物質含量[ 31- 32] 、復溶性和流動性等。在實際生產中, 這些指標同時達到要求是相當難的, 而用戶也往往只強調其中的一項或幾項。影響這些生物質產品性能的因素大體上可分為設備和工藝兩大塊。
3. 1 設備對產品性能的影響
在設備中Z主要的是霧化器, 霧化器對生物質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多樣化、殘余含水量增加、色澤不均一、活性物質含量降低、復溶性和流動性都變差等, 甚至還會造成粘壁, 使生產中斷。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品質量, 改進噴霧器結構及性能, 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 工藝對產品性能的影響
工藝中影響產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、環形氣體速率等)對芒果醬質量的影響, 實驗證明高的生產溫度提供了較好的干燥性能和產品質量。綜上所述, 國內外的研究者大多對某種生物質物料進行了試驗研究, 并沒能找到一種普遍性的規律或者趨勢, 而產品的Z終質量是干燥的目的, 因此, 在品種豐富的生物質資源加工利用中很有必要進一步研究噴霧干燥技術, 對含有活性物質的生物質資源干燥過程的規律進行研究。
4 在生物質資源加工利用中對噴霧
干燥存在節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, 節能降耗已成為各國的研究主題。在生物質資源加工利用中噴霧干燥技術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。黃立新等[ 33, 36] 通過對噴霧干燥裝置進行經濟分析和節能技術深入研究, 得出了影響噴霧干燥能耗的主要因素和相應的結果, 并提出了針對性的解決噴霧干燥能耗高的方法: 1)從調整噴霧干燥操作參數達到節能效果, 可以采取提高干燥的進口溫度、降低出口溫度、適當提高料液原始含量及溫度、降低進口環境空氣的相對濕度; 2)從噴霧干燥工藝流程調整達到節能目的,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)從噴霧干燥設備本身考慮, 加強設備保溫、隔熱, 減少不必要的散熱; 4)對于不同的生物質物料, 采取上述組合運用。Z終, 使噴霧干燥在生物質資源加工利用中達到理想的節能效果。蕭琦等[ 37] 論述了以線形燃燒器為核心的直燃式熱風裝置在噴霧干燥塔上的應用情況, 并著重對線形燃燒器直燃式熱風裝置、蒸汽鍋爐熱風裝置和電加熱熱風裝置的能耗作了對比。數據分析表明,線形燃燒器直燃式熱風裝置與傳統的帶有換熱器的熱風裝置相比, 在節能方面具有yi定的性。在生物質資源噴霧干燥中, 由于生物質物料具有含糖量高、熱敏性等特點, 使粘壁問題成為生物質資源加工利用的一大障礙。粘壁除了會降低產品質量外, 也會使生產中斷, 同時又會造成能源浪費, 這一直成為生物質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構與工藝調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化溫度有關。
5 展望
雖然噴霧干燥技術在生物質資源加工利用中從表面上看已趨成熟, 但在工業應用時常常會碰到問題, 主要原因是研究物料品種的局限性、生物質物料物性的差異性和復雜性等。對于物料品種的局限性而言, 大多數研究都發生在化工產品中,對于生物質資源活性物的干燥, 高附加值產品的干燥研究較少, 因此噴霧干燥技術在生物質資源加工利用中仍然有廣闊的研究和發展空間, 而且有幾個方面更值得研究: 1)企業界和科研人員通過噴霧干燥得到的生物質產品質量方面仍需要深入研究, 使由天然生物質資源得到的產品要更多保留其內部原有的生物質活性[ 40] , 同時還要有好的溶解性, 儲存時有效成分不會變質, 也不會揮發, 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的工藝參數對生物質產品各個性能的影響, 尋找出各個工藝參數與影響性能的對應關系, 以便得到較好生物質產品。3)生物質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資源加工利用中噴霧干燥技術的范圍需要進一步擴大, 開發出更多的生物質干燥產品以適應市場的特殊需求。4 )在生物質資源加工利用中將噴霧干燥技術與冷凍干燥技術相比較, 探討低溫或亞低溫噴霧干燥技術[ 41] , 尋找處理熱敏性生物質物料的優化工藝,改變用冷凍干燥熱敏性生物質物料的歷史。或與其它干燥技術相結合[ 42 ] , 在保證生物質產品質量的基礎上Z大限度的節能降耗。50 生 物 質 化 學 工 程 第 42卷
另外, 在人與自然和諧發展, 共創和諧社會的今天, 在生物質資源加工利用中/綠色0干燥技術[ 21] 也是噴霧干燥技術研究的一大方向。