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1、第十章 干燥设备,第一节 固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点 第二节 直接干燥设备 第三节 间接干燥设备,第一节 固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点生物工业中，凡是固体产品都需要干燥过程。干燥是利用热能除去固体物料中湿分（水分或其他溶剂）的单元操作。物料经过干燥使湿分降低到规定的范围内，物料不仅易于包装、运输，更重要的是生物产品在干燥情况下更稳定，不易破坏，便于贮存。干燥通常为完成产品生产过程中的最后工序，因此往往与最终产品的质量有密切关系。干燥方法的选择对于保证产品的质量至关重要，生物工业中常用的干燥方法有对流干燥（包括固定床干燥、流化床干燥、气流干燥和喷雾干燥）、冷冻干燥、真空
2、干燥、微波干燥等。,干燥方法：气流干燥 直接干燥（对流干燥） 喷雾干燥沸腾干燥 真空干燥 间接干燥（传导干燥） 冷冻干燥辐射干燥(红外、远红外）,一、 固体物料干燥机理（一）物料中水分的性质 物料中所含水分的性质与物料内部的结构有关，且取决于水分与物料的结合方式。可以根据物料中水分除去的难易程度，将其分为游离水分和结合水分 游离水多存在于生物产品的细胞外及多孔物料的毛细管中。密度、粘度和热容蒸汽压与普通水相同，结合力极弱，易于除去。 物料中游离水含量愈多，干燥速率愈快。,结合水结合水不能随意流动，它有更高的汽化潜热。它与物料的结合力较强，难以除去。 不同的物料，结合水的来源不同，在细胞和细胞质
3、内的液体，由于溶质的溶解使得蒸汽压降低而表现为结合水的性质，或者在毛细管中的液体，由于毛细管作用使得蒸汽压下降而表现为结合水的性质，所有这些因素都可能影响到物料的干燥。 因此，生物产品同其他湿物料一样，在干燥过程中，首先排除的是结合力弱的游离水，其次是结合水。,（二）干燥机理湿物料的干燥操作中。有2个基本过程同时进行： 一是热量由气体传递给湿物料，使其温度升高。 二是物料内部的水分向表面扩散，并在表面汽化被气流带走。 因此，干燥操作属传热传质同时进行的过程，且二者的传递方向相反。 干燥过程中，空气既是载热体，又是载湿体，干燥速率既与传质速率有关，也与传热速率有关。,对于质量传递过程通常由两步构
4、成。 1. 水分由物料内部向表面扩散。引起内部扩散的推动力是物料内部与表面之间存在着湿度梯度。其扩散阻力与物料的内部结构有关、与水分和物料的结合方式有关。2. 水分从物料内部扩散至表面后，便在表面汽化，向气流中传递，水分在物料表面汽化并被气流带走。引起这一过程的推动力是物料表面气膜内的水蒸汽分压与气流主体中水蒸汽分压的差值。造成这种蒸汽分压差的原因： 对于热风干燥来说，是流动气体不断带走汽化的蒸汽。 对于真空干燥来说，则是真空系统抽走汽化的蒸汽。 而表面汽化的阻力则与气体的流动状态有关。,物料在干燥过程中，水分的内部扩散和表面汽化是同时进行的，但二者的传递速率不相等。 对于有些物料，水分在表面
5、的汽化速率小于内部扩散速率，而另一些物料，则水分表面汽化速率大于内部扩散速率。显然，干燥速率受其最慢的一步所控制。 前一种情形称表面汽化控制， 后一种则称为内部扩散控制。,表面汽化控制 干燥速率为表面汽化控制时，强化干燥操作就必须改善外部传递因素。 在常压对流干燥情况下，提高空气温度，降低空气湿度，改善空气与物料之间的流动和接触状态，均有利于提高干燥速率。 在真空干燥条件下，物料表面水分的汽化温度不高于该真空度下水的沸点，这种情况下，提高干燥室的真空度，可降低水分的汽化温度，从而可有效地提高干燥速率。 内部扩散控制 改善内部扩散因素，减小物料颗粒直径，缩短水分在内部的扩散路程，以减小内部扩散阻
6、力；提高干燥温度，以增加水分扩散的自由能。,（三）恒速干操和降速干燥 干燥操作中。常用干燥速度来描述干燥过程。其定义是单位时间内于单位干燥面积上所能汽化的水分量。数学式为：式中： v-干燥速度，kg（m2s）； m-汽化水分量，kg； m1-湿物料量，kg； t-干燥时间 mc-湿物料中的绝干物料量，kg； A-一干燥面积，m2； -湿物料的湿含量（干基）; kg/kg 干料； t干燥时间，s。,影响干燥速度的因素很多，不同物料在不同干燥条件下的干燥速度必须通过实验测定。通常实验得到物料湿含量与干燥时间t的关系曲线，即-t曲线，再根据干燥速度的定义，转化成干燥速度v与物料湿含量的关系曲线，即v
7、-曲线。或干燥速度v与干燥时间的关系曲线，即v-曲线。 干燥速度曲线的形式随被干燥物料的性质而异。恒定干燥条件下典型的干燥速度曲线如图,物料干燥过程可分为三个阶段：1、预热阶段：该阶段水分蒸发量很少；2、恒速干燥阶段：物料干燥时温度保持恒定，干燥速率也恒定；3、降速干燥阶段：物料表面温度逐渐上升，物料内部温度成梯 度分布，干燥速率随物料含水率的下降而下降；在恒速和降速干燥两个阶段的交界点称为临界点，此点的物料含水率称为临界含水率C。,在降速干燥阶段，空气传递给湿物料的热量，一部分用于水分的汽化，而剩余的热量，则使物料的温度升高，因此，干燥在升温下进行。干燥速度取决与物料本身的结构、性状及大小等
8、特性。其次是干燥温度，所以降速干燥阶段又称内部扩散控制阶段，主要排除接合水分。,二、生物工业产品的干燥特点 生物制品一般为热敏性物质。如果干燥过程温度高或受热时间长因此用于生物工业产品干燥的设备必须是快速高效加热温度不宜过高，产品与干燥介质的接触时间不能太长，且干燥产品应保持一定的纯度。 如：酶制剂，如果干燥条件不当，会使酶活力下降， 一般蛋白酶在4550时失活已非常严重，有些活性酶对稳定更敏感，30 即完全失活。,影响产品的稳定性或受到破坏,酶和蛋白质等生物物质失活的动力学可用下式描述：,积分得：,由阿累尼乌斯公式,P0、p分别为起始时刻及时刻产物的活性 E产物失活时的活化能 Z频率因子 T
9、时刻温度 R气体常数,例：欲干燥一粗制的含高浓度过氧化氢酶的细胞糊状物。实验测得37下干燥10min有63%的酶失活；20 下干燥30min有28%的酶失活。试估算4 时，干燥90min酶的失活率。（p336) 解：由,得,Z=3.521015 min-1 E=9.82104 J/mol,因此， 4 下干燥90min后：,所以： p0/p=0.91,三、干燥设备的选型原则 选型依据：以所处理物料的以下情形为依据化学物理性质生物化学性能生产工艺 如：物料的粘稠性、分散性、热敏性、失活性能等。 就热敏性而言，生物工业制品的干燥设备有以下几种类型:,干燥设备的选型原则 瞬时快速干燥设备：滚筒干燥设备
10、、喷雾干燥设备、气流干燥设备、沸腾干燥设备等。低温干燥设备：真空干燥设备、冷冻干燥设备， 另外还有其他类型的干燥设备。 如红外干燥器、微波干燥器等。大多情况下，由于生物制品具有热敏性的特点，因此，干燥设备最好选择快速瞬时干燥设备或低温干燥设备。,这类设备干燥时间短0.52s，气流温度高，但被干燥的物料温度不超过7080。,其特点是在真空低温下进行，更适用于高热敏性物料的干燥，但干燥时间较长。,l产品的质量要求 许多生物工业制品都要求保持一定的生物活性，避免高温分解和严重失活，因此干燥设备的选型首先应满足产品的质量要求。如高活性且价格昂贵的生物制品（例如乙肝疫苗等）则必须选择真空干燥或冷冻干燥设
11、备。2产品的纯度 生物产品大都要求有一定的纯度，且无杂质或杂菌污染，则干燥设备应能在无菌和密闭的条件下操作，且应具有灭菌设施，以保证产品的微生物指标和纯度要求。3.物料的特性 对于不同的物料特性，如颗粒状、滤饼状、浆状、水分的性质等应选择不同的干燥设备。例如颗粒状物料的干燥可考虑选择沸腾干燥或者气流干燥，结晶状则应选择固定床干燥，浆状可选择滚筒干燥或喷雾干燥等。4产量及劳动条件 如浆状物料的干燥，产量大且料浆均匀时，可选择喷雾干燥设备，粘稠较难雾化时可采用离心喷雾或气流喷雾干燥设备，产量小时可用滚筒干燥设备。另外，应考虑劳动强度小，连续化、自动化程度高，投资费用小，便于维修、操作等。,滚筒干燥
12、器drum dryer 它是一种以热传导方式使物料 加热、水分气化的连续干燥设备。 滚筒是一个外表面经过加工的金属 空心圆筒，转速一般为410r/min。 加热蒸汽从空心轴通入并在筒内冷 凝，冷凝水由虹吸管排除。滚筒部 分侵入被干燥的料浆中，当滚筒缓慢旋转时，物料呈薄膜状附着在它的外面而被加热，水被气化，散于周围空气中。滚筒转动一周，附着在外壁的干料呈片状由刮刀刮下。滚筒直径一般为0.51.5m，长为14m。由于传导加热，无干燥介质带走的热损失，因而热利用率高，一般在70%以上。加热蒸汽至物料层的总传热系数约为630840kJ/(m2h.)。滚筒干燥器的型式很多：按滚筒数量分为单滚筒、双滚筒、
13、多滚筒；按布料方式，可分为浸液式、喷洒式；按操作压力，又可分为常压和真空操作两类。,第二节 直接干燥(绝热干燥）p345 一、气流干燥设备： （抗生素、氨基酸等） 气流干燥：利用热气流，使物料成悬浮状态进行干燥的过程。适用于潮湿分散状态颗粒物料的干燥。 特点： （1）干燥强度大：气体流速1020m/s k=420013000kJ/m2 （2）干燥时间短：物料在管内停留15s，热敏性物料适宜。如：140 干燥赤霉素，130 干燥四环素。 （3）适用性广：粒径范围0.110mm，含湿量30% 40% （4）设备简单，连续操作。 另外：气流干燥对物料有一定的磨损，不适合对晶形有一定要求的物料。,气流
14、干燥器的形式：长管长度1020m短管长度4m左右旋风气流干燥器等,(一）长管式气流干燥（味精） 1.流程 物料 空气 过滤 加热 鼓风机 长管 分离器 气体 布袋除尘器 湿式除尘器粗味精 固体物料 分级筛 产品粉末,2.主要设备： 空气过滤器：过滤介质为铁丝网，或油 浸铁丝网。 空气加热器：螺旋翅片式或列管式，蒸 汽压力0.20.3Mpa，空气温度加热到8090 干燥长管：垂直圆形长管或脉冲式干燥管 脉冲管：收缩段颗粒加速，之后减速，反复，强化热传递。,（二）旋风式气流干燥器（抗生素） 结构：圆筒形、中央排气管筒身可附有蒸汽夹套、保温层 操作：带有物料的气流在上部以切线方向进入，呈螺旋状向下到
15、底部后再折向中央排气管从上排出。 中央排气管气速 20m/s左右 环管气速 3 m/s左右 D1/D 2.77 特点：旋风式气流干燥器没有长管式那样的长管，因此不需要高层的厂房，操作也较简便。,湿物料之前在风管中加入，进入时50 %水分已除去,二、喷雾干燥原理及设备（酵母、核苷酸、抗生素、酶制剂等） 喷雾干燥：利用不同的喷雾器，与高压热空气之间发生热量和质量传递，将悬浮液或黏滞的液体喷成雾状而进行的干燥过程。可干燥含水量达50%的物料。气流喷雾干燥 喷雾干燥 离心喷雾干燥压力喷雾干燥 （一）气流喷雾干燥,1.气流喷雾干燥流程：,由于喷头处有螺旋线，因此形成高速度旋转的圆锥状空气涡流。,2.气流喷雾干燥塔 构造：圆筒形、圆锥底D：H=1：2.43D：H锥=1.31.6干燥室内由1mm厚的不锈钢里衬焊接而成外部有保温层。喷嘴孔 14mm 工作原理：压缩空气以0.250.6Mpa的压力高速通过喷嘴时，将料液（含水50%以上的溶液、悬浮液、浆状液等）吸入一并喷出成雾滴分散于热气流中，使水分迅速蒸发而成为粉粒状制品的干燥过程。,
