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必備知識丨一文把噴霧干燥技術說全乎,你一定要點開看看!

放大字體  縮小字體 發布日期:2021-05-13  來源:食品研發與生產  瀏覽次數:1897
核心提示:在食品、制藥、化工行業中,噴霧干燥作為現代主要干燥技術之一,被廣泛地使用在不同性質的產品上。
   在食品、制藥、化工行業中,噴霧干燥作為現代主要干燥技術之一,被廣泛地使用在不同性質的產品上。通過機械作用,噴霧干燥技術可以將需要干燥的物料分散成細得像霧一樣的微粒與熱空氣接觸,瞬間將大部分水分除去,從而使得物料中固體物質干燥成粉末。
 
  01

  噴霧干燥的原理與特點
 
  一、噴霧干燥原理
 
  根據原理不同,噴霧干燥可分為壓力噴霧干燥法、離心噴霧干燥法與氣流式噴霧干燥法。噴頭、干燥器、預熱器、氣粉分離室、空氣濾過器、收集桶、鼓風機等是噴霧干燥的常見組成部分。其工作原理是將待干燥的物料通過霧化器分散成霧樣微小液滴,與熱空氣流進行交換,蒸發掉大量水分,進而得到粉末狀或細顆粒狀的成品或半成品。
 
  噴霧干燥技術由三個部分組成,第一部分是對料液進行霧化處理,第二部分是使被霧化處理的料液與空氣接觸,第三部分是使干燥后的粉末與空氣分離。
 
 
 
  二、噴霧干燥特點
 
  與其他干燥技術相比,噴霧干燥技術主要有以下幾個優點:
 
  ①干燥速度快:料液經霧化器霧化之后體積增大幾千倍,細小霧滴與熱空氣接觸過程當中瞬間即可完成90%~95%以上的水分蒸發量,根據不同形式的設備差異,干燥時間可以控制在5~30 s 之內,其干燥過程非常迅速。
 
  ②物料不承受高溫、適用于熱敏性物料的干燥:在噴霧干燥過程中,物料隨與熱空氣直接接觸,但是大部分熱量都用來蒸發料液中的水分,物料的溫度不會超過高溫空氣濕球溫度,物料不會因為高溫空氣影響其質量品質,適用于醫藥等熱敏性物料的干燥。
 
  ③應用于從高級合成物到大宗化學品的多種產品的生產。噴霧干燥技術非常適用于料液固含量在0~60%內物料的干燥,通過改變工藝參數,可以以非常高效的方式生產出符合粉末粒度和形狀、密度、分散性、多態性和流動特性等精確粉末特性的復雜粉末。
 
  02

  影響噴霧干燥的主要因素
 
  一、進出口溫度
 
  噴霧干燥室的溫度通常指熱風進入塔內的溫度。干燥溫度是影響噴霧干燥粉末物理化學性質最重要的因素。較高的干燥溫度為干燥室提供更多的熱量,這增加了干燥速率并降低了噴霧干燥產品的水分。
 
  Kha等指出,噴霧干燥溫度從120℃增加到200℃能使干燥粉末中的水從5.29%降低到3.88%。噴霧干燥產品的粒度也取決于干燥器入口溫度。干燥溫度的升高導致水分蒸發加快,這使得微球更快地形成而沒有足夠的時間收縮,導致得到的顆粒粒徑較大。
 
  Tonon等指出,隨著入口干燥溫度從138℃升高到202℃,巴西莓粉的粒徑從13.38μm增加到20.11μm。類似地,番石榴汁粉末的粒度隨著入口溫度的增加而顯著(p<1%)增加。噴霧干燥粉末的堆積密度隨著溫度的升高而降低。較大的顆粒可能內部是中空的,或者由于較高的水蒸發速率而具有多孔性或破碎的結構。通常,多孔或碎片顆粒呈現較低的堆積密度。
 
  Chegini等證明,因為水比大多數干燥食品固體的密度更大,所以在較高溫度下生產的粉末堆積密度低于在低溫下生產的粉末,還觀察到具有較小尺寸的粉末顆粒具有較大的堆積密度。
 
  噴霧干燥粉末的流動性在一定程度上也受干燥溫度的影響,隨著溫度的升高,流動性會降低。溶解度也是粉末產品的重要質量特性,可直接影響噴霧干燥食品的重構行為。隨著噴霧干燥溫度從120℃升至160℃,粉末的溶解度增加。
 
  二、壁 材
 
  富含糖的物質,如果汁和蔬菜汁,很難在沒有包埋劑的情況下直接噴霧干燥,而壁材就是在噴霧干燥過程中包埋活性成分的聚合物,是噴霧干燥中最重要的因素之一。
 
  壁材在噴霧干燥中可以提高玻璃化轉變溫度和產率,并降低粉末產品的黏性和吸濕性。常見的壁材有阿拉伯樹膠、麥芽糊精、明膠、淀粉、果膠、甲基纖維素、藻酸鹽和磷酸三鈣及其組合等。
 
  壁材的選擇主要取決于噴霧干燥的目的和加工材料的物理化學性質。壁材應高度溶于工藝溶劑,具有足夠的成膜能力,即使在高濃度下也能產生低黏度溶液。對于噴霧干燥,它們必須具有高分子量和高玻璃化轉變溫度,以改善最終產品的抗黏性。它們必須能夠保護敏感化合物免受熱、氧和光等的影響。
 
  噴霧干燥的常用壁材為碳水化合物,主要有:
 
  1)淀粉及其衍生物(淀粉、麥芽糖糊精、糊精和環糊精);
 
  2)樹膠(阿拉伯樹膠或阿拉伯樹膠和刺梧桐膠混合物);
 
  3)纖維素及其衍生物(纖維素、羧甲基纖維素和羥丙基甲基纖維素等)。
 
  淀粉及其衍生物具有良好的噴霧干燥性能,例如,高分子量和高玻璃化轉變溫度,在低黏度的冷水中高度可溶,具有抗黏性并且能夠產生相對致密的粉末。然而,它們的成膜能力較差,這對于干燥效率尤其是敏感化合物的保存十分不利。
 
  與淀粉相比,樹膠具有較好的成膜能力,但玻璃化轉變溫度相對較低。纖維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樹膠的組合可以改善噴霧干燥的性能,但樹膠的含量應低于淀粉或淀粉衍生物。
 
  有報道指出,蛋白質,特別是乳清蛋白,具有優異的成膜能力和營養保留能力,經常與淀粉或淀粉衍生物一起使用。
 
  三、進料速度
 
  在噴霧干燥過程中,進料速度是重要影響因素之一。進料速度決定物料在干燥室、分離器和輸送機中的停留時間,同時還影響著物料霧化以及液滴的大小。進料速度基本上取決于霧化器的速度,泵速越高,進料速度越快。但是,較高的進料速度會使熱量傳遞變慢,使得液滴難以充分干燥,容易導致粘壁現象。
 
  此外,Tonon等觀察到了液滴直接滴落在干燥室內的現象,這是由于在高料液流速下物料霧化不完全,導致產率降低。較高的進料速度導致液滴和熱空氣之間沒有足夠的作用時間,增加了噴霧干燥粉末的水分;另外,較短的接觸時間會導致傳熱和傳質效率降低,并導致最終產品中的水分含量較高。

  03

  噴霧干燥在食品工業中的應用
 
  一、噴霧干燥在果蔬粉生產中的應用
 
  我國是農業大國,果蔬產業在國內已成為僅次于糧食的支柱產業。果蔬粉因其具有獨特的優點,不僅能克服果蔬不耐貯藏、容易腐爛變質等缺點,而且能夠滿足人們對果蔬多樣化、高檔化和新鮮化趨勢的需求,所以具有廣闊的開發前景。
 
  果蔬粉制備技術較多,譬如,噴霧干燥、熱風干燥、真空冷凍干燥、微波干燥、變溫壓差膨化干燥及超微粉碎技術等,但噴霧干燥因其特有的優點,使其在果蔬粉的加工中占據著十分重要的位置。
 
  二、噴霧干燥技術在速溶茶飲料中的應用
 
  速溶茶飲料是一種能夠迅速溶解于水的固體飲料茶,因具有沖飲攜帶方便、沖水速溶、不留余渣、農藥殘留少、易于調節濃淡或容易同其他食品調配等許多特點,所以越來越受到人們的青睞。
 
  畢秋蕓以靈芝與紅茶為原料,采用噴霧干燥技術研究了靈芝紅茶固體飲料生產工藝條件,其最佳配方和工藝條件為紅茶浸提液添加量為15%、靈芝浸提液添加量為35%、檸檬酸添加量為1%、白砂糖添加量為8%、麥芽糊精添加量為15%;噴霧干燥最佳工藝條件為進風溫度為180℃、出風溫度為80℃、進料量為25ml/min。
 
 
  三、噴霧干燥在食品添加劑中的應用
 
  由于某些食品添加劑易受環境中光、氧、溫度、水分等因素影響及食品添加劑自身存在的異味、臭味、辛辣味等不良氣味,嚴重影響了其在食品中的應用,阻礙了食品工業的發展。
 
  20世紀隨著微膠囊技術的誕生,這些問題都迎刃而解,而微膠囊技術的關鍵就是噴霧干燥。NgLayTze等研究不同的麥芽糊精濃度和噴霧干燥人口溫度對火龍果甜菜紅素含量的影響,得到的最佳噴霧干燥條件是人入口溫度155℃和 20%的麥芽糊精濃度。
 
  四、噴霧干燥在保健食品中的應用
 
  由于魚油中的多不飽和脂肪酸 (DHA和 EPA)極易氧化,嚴重阻礙其在保健食品中的應用及市場需求,而魚油微膠囊化不僅可以有效防止其氧化變質,而且能夠掩蓋魚腥味。
 
  五、噴霧干燥技術在其他食品領域的應用
 
  隨著噴霧干燥技術研究的深入,以及人們對食品的風味和營養價值的要求不斷提高,市場上出現了越來越多的由噴霧干燥法生產的食品,如蛋黃粉、雜糧粉、調味粉等。
 
  由于經濟的發展,人民生活的改善,不少地區民眾雜糧谷物的攝入量有所減少,而雜糧谷物中富含膳食纖維、礦物質等,這些物質又是機體不可或缺的,所以谷物粉備受消費者的喜愛。
 
  李居男以噴霧干燥技術為主要載體,對山藥、黑米、玉米、蕎麥、橙子等多種谷物及水果進行了制粉處理,并評價了噴務干燥處理對其中功能活性成分的影響;以各種噴霧干燥粉劑為基料,調配了4種沖調型功能性飲料。此外,噴霧干燥技術也常用于嬰兒營養食品的加工中,最常見 的就是嬰兒奶粉的加工。
 
  04

  新型噴霧干燥技術的研究進展
 
  隨著噴霧干燥過程機理不斷的被深入研究和噴霧干燥技術在各行各業中被廣泛使用,本文從近幾年國內外噴霧干燥研究成果著手,介紹了此領域最新的研究進展。
 
  一、噴霧冷凍干燥技術
 
  自從1964 年Werly 等提出噴霧冷凍干燥技術以來該技術在各個領域內獲得了較快的發展,噴霧冷凍干燥是噴霧技術與冷凍技術相結合的一種獨特的干燥技術,噴霧冷凍干燥技術首先通過液氮等冷卻介質把霧滴凍結成冰顆粒,再通過干燥技術把凍結的冰顆粒脫水干燥成粉體。
 
  噴霧冷凍干燥獲得的顆粒形態優于噴霧干燥和冷凍干燥,可以獲得尺寸分布良好的霧滴,同時,溶液中的水份在凍干過程中在顆粒內部留下微小孔道,這些微孔結構的形成增加了顆粒的比表面積,大大提高了產品的潤濕性和溶解度,由于在低溫下進行干燥,特別適用于高熱敏性物料的干燥,該技術目前已在食品和醫藥研發領域獲得了廣泛的應用。
 
  為提高阿奇霉素的水溶性和生物利用度,Adeli 等利用噴霧冷凍干燥技術制備了阿奇霉素固體分散體,分析發現,噴霧冷凍干燥技術制備的阿奇霉素的溶出速率高于常規噴霧干燥技術制備的藥物的溶出速率,且使用噴霧冷凍干燥法制備的藥物的溶出度比常規方法制備藥物提高了8.9 倍。
 
  Jae-Young Her 等嘗試使用噴霧冷凍干燥法制備獲得了存活率高達97.7%的一種益生菌粉,且該益生菌粉具有很大的比表面積。
 
  S.PadmaIshwarya 等對噴霧冷凍干燥技術在可溶性咖啡的理化指標和香氣品質進行了評價,結果表明,與使用噴霧干燥與冷凍干燥技術加工的咖啡相比,噴霧冷凍干燥法加工的咖啡保留了特有的低沸芳香化合物的香氣品質,具有良好的流動性和速溶性,與同類產品相比具有較大的競爭優勢。
 
  二、過熱蒸汽噴霧干燥技術
 
  過熱蒸汽噴霧干燥技術是利用過熱蒸汽溫度高于相應壓力下對應飽和溫度的特點直接把過熱蒸汽與物料接觸而達到物料干燥目的,與傳統熱風干燥技術相比,過熱蒸汽比熱容量高、使用量小且干燥速度快,具有熱效率高,干燥品質好,無氧化和爆炸等風險,節能效果顯著等特點。
 
  張志輝等采用熱空氣和過熱蒸汽干燥法制備了粉末,結果表明,與熱空氣噴霧干燥相比,過熱蒸汽噴霧干燥法粉末橡膠表面存在許多均勻微孔,相對分子質量保持較好。
 
  V. V.Sidorchuk 等分別采用熱空氣和過熱蒸汽噴霧干燥法制備微球形氣溶膠,結果發現,與熱空氣噴霧干燥相比,過熱蒸汽噴霧干燥法可以獲得尺寸更均勻的微粒。
 
  Yonggun Park 等對熱空氣與過熱蒸汽相結合干燥的節能效果進行了評價,結果表明,熱空氣噴霧干燥處理節能效果為46%~51%,而熱空氣與過熱蒸汽相結合干燥的節能效果為77%~82%。
 
  三、納米噴霧干燥技術
 
  納米級噴霧干燥技術主要應用于納米級顆粒藥物制備領域,相比于微米級顆粒藥物,納米級藥物比表面積大,藥物溶出速率和生物利用度高,因此納米噴霧干燥技術尤其適用于難溶性藥物的制備領域。
 
  瑞士Buchi 公司開發研制的B90 型納米噴霧干燥器可以直接制備粒徑在0.3~0.5μm 顆粒藥物,納米級噴霧干燥設備由高頻振動霧化器,層流加熱器及高壓靜電收集器等部分構成。
 
  在納米噴霧干燥器中,液體流經電驅動的振動網狀霧化器霧化成細小的液滴,在干燥室中進行干燥以產生固體顆粒,最后由靜電干粉收集器分離收集。
 
  傳統的噴霧干燥技術一般采用壓力式霧化器把液體霧化并與熱空氣接觸干燥后經旋風分離器收集固體顆粒,產率約為30~50%,而納米級噴霧干燥器采用高壓靜電收集器收集固體顆粒,產率可達90%以上。
 
  周揚等采用納米噴霧干燥技術制備了載藥量為30%、收率高達89%、吸濕性良好的生地黃低聚糖微粉。
 
  TaoranWan 等采用納米噴霧干燥技術制備了固體脂質納米粒和納米結構脂質載體,并通過創新的納米噴霧干燥技術將所得的脂質膠體顆粒轉化為固體粉末,獲得的固體粉體呈聚集狀,球形粉體細小、均勻。
 
  05

  噴霧干燥塔常見的問題及改進
 
  故障一:爆炸的預防措施
 
  ①選擇正確的干燥塔類型;
 
  ②在干燥塔設計和制造時就安裝滅火設備;
 
  ② 和物料接觸的設備表面用光滑的材料以防止物料沉積;
 
  ③ 安裝好空氣過濾器以防止將含塵的廢氣吸入干燥室的氣體加熱器中;
 
  ④ 定期清潔空氣過濾器,包括沖洗過濾器;
 
  ⑤ 定期檢查操作中容易產生沉積物部位的情況;
 
  ⑥ 定期檢查各類電器部件和機械部件;
 
  ⑦ 對于離心噴霧,轉動部分的部件必須運轉自如并經常檢查;
 
  ⑧ 加裝靜電接地裝置;
 
  ⑩保持各個干燥器部件的徹底清潔。
 
  另外,針對噴霧干燥塔內的物料燃燒和爆炸現象,還可采取一些措施盡量減少損失,如在干燥室頂部裝爆炸放氣閥;在干燥室安裝若干活門,在壓力上升到某個地步時自動打開;在干燥室設計時就考慮到爆炸的可能性而將室壁加厚等。
 
  故障二:主塔內壁粘附濕粉
 
  (1)進料量太大, 不能充分蒸發;
 
  (2)噴霧開始前干燥室加熱不足;
 
  (3)開始噴霧時, 下料流量調節過大;
 
  (4)加入的料液不穩定。
 
  修復方法:
 
  適當減少進料量;適當提高熱風的進口和出口溫度;在開始噴霧時, 流量要小, 逐步加大, 調節到適當時為止;檢查管道是否堵塞, 調整物料固形物含量, 保證料液的流動性。
 
  故障三:產品中存在大量雜質
 
  這種現象一般有三種原因。
 
  其一,噴霧干燥機物料中含有雜質,在過濾時沒有過濾掉,解決辦法是對空氣過濾器進行檢查,過濾網根據情況進行更換;
 
  其二,物料料液的純度不高,解決辦法是對料液進行抽樣檢測,把料液中的雜質過濾掉;
 
  其三,設備內存有雜質,解決辦法是定期對設備進行全面的清洗,去除雜質。
 
  故障四:水分含量高
 
  一般是排風溫度太低。適當減少進料量, 以提高排風溫度。
 
  故障五:粉粒太細含固量太低或進料量太小
 
  提高料液的含固量, 加大進料量, 提高進風溫度。
 
  故障六:噴頭轉速低離心噴頭部件出了故障
 
  檢查噴頭內部件。
 
  故障七:蒸發量低
 
  故障原因:
 
  (1) 整個系統的空氣量減少;
 
  (2) 熱風的進口溫度偏低;
 
  (3) 設備有漏風現象, 有冷風進入干燥室。
 
  修復方法:
 
  (1) 檢查離心機的轉速是否正常;
 
  (2) 檢查離心機調節閥位置是否正確;
 
  (3) 檢查空氣過濾器及空氣加熱器管道是否堵塞;
 
  (4) 檢查電網電壓是否正常;
 
  (5) 檢查電加熱器是否正常工作;
 
  (6) 檢查設備各組件連接是否密封。
 
  故障八:噴頭振動
 
  故障原因:
 
  (1) 噴頭的清洗和保養不當引起的噴盤內附有殘留物質或主軸產生彎曲和變形;
 
  (2) 離心盤動平衡不好。
 
  修復方法:
 
  (1) 檢查噴霧盤內是否有殘存物質, 若有應及時清洗;
 
  (2) 發現主軸有異常, 要進行更換;
 
  (3) 對離心盤的動平衡重新調整或更換。
 
  故障九:跑粉現象嚴重,產品的回收率低
 
  如果旋風分離器出現問題,或者除塵性能低,就容易發生跑粉現象。針對這種現象,前者解決辦法是對旋風分離器進行檢查,查看是否有缺口,以及氣密性是否完好;后者解決辦法是適當增加二級除塵。
 
  故障十:設備運行噪聲很大
 
  技術人員表示,一般而言,噴霧干燥機的霧化盤和軸承是產生噪音的主要部位,所以用戶如果發現設備噪音大,應對這兩個部位進行檢查,主要是看霧化盤是否處于平衡狀態、軸承工作是否正常以及潤滑油的添加是否正確,如果發現有損壞,應立即修理或更換。
 
  來源:食品研發與生產  整理,轉載請注明來源。
 
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編輯:fmt1592210117

 
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