摘 要: 噴霧干燥技術(shù)被廣泛應(yīng)用在許多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中, 本文從工藝、機理、產(chǎn)品的質(zhì)量和節(jié)能等幾個方面對噴霧干燥在生物質(zhì)資源加工利用中的發(fā)展?fàn)顩r進行了概述, 發(fā)現(xiàn)研究過程中尚存在著一些問題, 如由于高進氣溫度使產(chǎn)品質(zhì)量下降; 在干燥室或工藝管中發(fā)生產(chǎn)品粘壁; 系統(tǒng)能效低及生物制品中活性物質(zhì)被破壞等, 亟需在工藝及設(shè)備等方面改進和提高, 因此很有必要對噴霧干燥技術(shù)進行更深入的研究。
噴霧干燥是以單一工序?qū)⑷芤?、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(chǎn)品的一種干燥方法。噴霧干燥技術(shù)的研究始于20世紀(jì)初期, 距今已有100 多年的歷史。起初, 這種技術(shù)主要用于脫脂奶粉的制造, 并在食品工業(yè)中應(yīng)用, 隨著噴霧干燥技術(shù)的不斷成熟, 其應(yīng)用范圍也逐漸擴展, 目前這項技術(shù)在國內(nèi)外的許多行業(yè)都已得到了廣泛的應(yīng)用, 例如在食品工業(yè)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(chǎn)中, 另外, 在其它行業(yè)如化學(xué)[ 7- 8] 、醫(yī)藥[ 9- 10] 、造紙[ 11] 、陶瓷[ 12] 、化肥[ 13] 、冶金[ 14] 、洗滌劑[ 15 ] 、環(huán)保[ 16] 、生物質(zhì)活性物質(zhì)[ 17- 19] 等工業(yè)生產(chǎn)中也被采用。自然界中生物質(zhì)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(chǎn)品是當(dāng)前發(fā)展的重要方面。噴霧干燥正是生物質(zhì)資源加工利用工藝的必要組成部分。在林化行業(yè)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(yǎng)價值, 而且為棗產(chǎn)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fen營養(yǎng)成分進行分析, 將得到數(shù)據(jù)與魚粉數(shù)據(jù)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(zhì)資源加工利用中的研究進展 47工藝進行優(yōu)化。盡管在生物質(zhì)資源加工利用中噴霧干燥技術(shù)無論是從深度上還是從廣度上都得到了巨大的發(fā)展, 但仍然有其不足之處, 如受生物質(zhì)物料的多樣性及各物料差異性、干燥產(chǎn)品不同質(zhì)量要求的影響, 工藝不僅要隨物料變動而且復(fù)雜性也會不同,所以在生物質(zhì)資源加工利用中噴霧干燥工藝研究仍是全qiu各國科研人員的重要研究內(nèi)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(zhì)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(shù)的深入研究對生物質(zhì)資源的開發(fā)與利用都具有現(xiàn)實意義, 本文就噴霧干燥技術(shù)在生物質(zhì)資源中的發(fā)展程度進行了分析和綜述, 同時對未來的發(fā)展趨勢作了展望。
1 在生物質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。在生產(chǎn)中, 往往會出現(xiàn)大顆粒沒有干透、小顆粒已經(jīng)過干的現(xiàn)象。因此, 霧化器滿足生產(chǎn)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(dǎo)噴霧干燥技術(shù)中霧化器流量、霧化角各自的關(guān)系公式, 基于空氣動力干擾學(xué)說推導(dǎo)出霧化后液滴平均直徑的理論公式, 找出它們內(nèi)在聯(lián)系, 并通過相關(guān)實驗數(shù)據(jù)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(nèi)混、三流體內(nèi)混和三流體內(nèi)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(nèi)混式噴嘴能耗Z小,是水及物性接近于水的大多數(shù)低黏度物料霧化的適用噴嘴; 三流體內(nèi)混式噴嘴能耗比二流體內(nèi)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(tǒng)是一個多輸入多輸出的復(fù)雜系統(tǒng), 時間長, 損失較大, 試驗成本較高。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展, 使得模擬噴霧干燥這個復(fù)雜過程成為可能。Langrish 等[ 25] 結(jié)合噴霧干燥的特點,建立了模擬食品在噴霧干燥室內(nèi)氣體-顆粒兩相湍流流動的模型。應(yīng)用計算流體力學(xué)對干燥器內(nèi)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(yīng)用計算流體力學(xué)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(jié)果顯示兩種霧化器產(chǎn)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(nèi)實現(xiàn)多種生物質(zhì)物料噴霧干燥的可行性研究提供了素材。雖然CFD應(yīng)用已日漸廣泛, 但是CFD 的模型驗證需要更多的試驗數(shù)據(jù)支持, 而在生物質(zhì)資源加工利用中噴霧干燥環(huán)境很難取得良好的測試數(shù)據(jù), 使得CFD技術(shù)在生物質(zhì)物料噴霧干燥中的應(yīng)用還有待于進一步提高。
1. 3 霧滴的干燥速率以及產(chǎn)品的形狀
霧滴的干燥速率與霧滴的分布直接有關(guān), 大量生產(chǎn)實踐表明, 生物質(zhì)產(chǎn)品粉體顆粒粒度分布受如下工藝參數(shù)影響: 料液濃度、進料速率、溫度、霧化方式、干燥介質(zhì)流量、氣液接觸方式以及溶劑和溶質(zhì)的性質(zhì)等。噴霧干燥所得的生物質(zhì)產(chǎn)物一般為球形顆粒, 但由于工藝參數(shù)控制不當(dāng)往往會導(dǎo)致顆粒變形, 如空心球、中空的環(huán)形、橢球形或蘋果形。黃立新等[ 7, 27] 通過分析生物質(zhì)物料在整個噴霧干燥階段中的溫度和顆粒狀態(tài)變化, 研究了生物質(zhì)物料的玻璃化轉(zhuǎn)變特性和產(chǎn)品質(zhì)量與干燥工藝參數(shù)的關(guān)系, 從而為提高霧滴的干燥速率和得到合格的產(chǎn)品形狀提供了理論根據(jù)。對于生物質(zhì)物料, 由于產(chǎn)品的天然和生物質(zhì)特性, 使得對于干燥過程的要求更加嚴(yán)格, 不當(dāng)?shù)母稍锕に噷⒅苯咏档彤a(chǎn)品的品質(zhì), 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(zhàn)。
2 在生物質(zhì)資源加工利用中噴霧干燥系統(tǒng)的工藝研究噴霧干燥工藝是一種涉及到傳熱、傳質(zhì)、流體力學(xué)、機械工程、自動化技術(shù)等多學(xué)科的系統(tǒng)工程,在生物質(zhì)資源加工利用中工藝的穩(wěn)定狀態(tài)主要受以下幾個因素影響: 處理的物料不同; 干燥產(chǎn)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(zhì) 化 學(xué) 工 程 第 42卷理變化、化學(xué)變化、傳質(zhì)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(nèi)外眾多科研工作者也正是基于這些差異進行研究, 從而優(yōu)化其工藝, 提高效益, 如在食品行業(yè)中, 黃立新等[ 17] 根據(jù)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(zhuǎn)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(jīng)濟運行的優(yōu)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(yōu)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(zhuǎn)盤式。Chen 等[ 19]根據(jù)類胡蘿卜素粉的穩(wěn)定性對類胡蘿卜素粉的生產(chǎn)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(yī)藥[ 28] 、造紙[ 29] 、飼料[ 20] 等生物質(zhì)資源加工利用行業(yè)都有噴霧干燥工藝及其工藝條件優(yōu)化的大量研究。當(dāng)前在生物質(zhì)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(zhì)資源中提取的有效成分通過噴霧干燥技術(shù)制成微膠囊制劑。這一技術(shù)可防止制劑中有效成分氧化、水解和揮發(fā), 可掩蓋不佳氣味, 還可以提高其穩(wěn)定性和生物利用度以及降低刺激性、毒性及不佳反應(yīng)。微膠囊技術(shù)在中藥fang面的應(yīng)用尤多, 如可起到緩釋作用, 延長藥wu釋放時間, 以減少服藥次數(shù); 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(fā)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(nèi)外許多研究人員從事生物質(zhì)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(shù)制備微膠囊過程中的乳化液配置及相關(guān)噴霧干燥工藝參數(shù)對微膠囊化過程的影響作了詳細的闡述, 認(rèn)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(shù)多元性, 使噴霧干燥制備微膠囊過程工藝相當(dāng)復(fù)雜, 重視壁材、核材、進料速率、濃度、溫度和進、排風(fēng)溫度等各種影響因數(shù)才能獲得良好的微膠囊產(chǎn)品。Berto lin i等[ 18] 通過噴霧干燥技術(shù)用阿拉伯膠包裹單萜, 改變工藝參數(shù)研究其產(chǎn)品穩(wěn)定性。

噴霧干燥是系統(tǒng)化技術(shù)應(yīng)用于物料干燥的一種方法。于干燥室中將稀料經(jīng)霧化后，在與熱空氣的接觸中，水分迅速汽化，即得到干燥產(chǎn)品。該法能直接使溶液、乳濁液干燥成粉狀或顆粒狀制品，可省去蒸發(fā)、粉碎等工序。
優(yōu)點1.干燥過程非常迅速。
2.可直接干燥成粉末。
3.易改變干燥條件，調(diào)整產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
4由于瞬間蒸發(fā)，設(shè)備材料選擇要求不嚴(yán)格。
5.干燥室有一定負壓，保證了生產(chǎn)中的衛(wèi)生條件，避免粉塵在車間內(nèi)飛揚，提高產(chǎn)品純度。
6.生產(chǎn)效率高，操作人員少。
7.生產(chǎn)能力大，產(chǎn)品質(zhì)量高。每小時噴霧量可達幾百噸，是干燥器處理量較大者之一。
8.噴霧干燥機調(diào)節(jié)方便，可以在較大范圍內(nèi)改變操作條件以控制產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)，如粒度分布、濕含量、 生物活性、溶解性、色、香、味等。
缺點1.設(shè)備較復(fù)雜，占地面積大，一次投資大。
2.霧化器，粉末回收裝置價格較高。
3.需要空氣量多，增加鼓風(fēng)機的電能消耗與回收裝置的容量。
4.熱效率不高，熱消耗大。

LIMS符合 ISO 9000、ISO/IEC 17025 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，是為實驗、檢測等業(yè)務(wù)板塊提供流程化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化操作管理系統(tǒng)，集中管理人員、儀器、試劑、文件、標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境、客戶、服務(wù)、質(zhì)量、數(shù)據(jù)等，以建立全面的以實驗室為核心進行全方位管理。

LIMS實驗室管理系統(tǒng)是為實驗、檢測等業(yè)務(wù)板塊提供流程化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化操作管理系統(tǒng)，通過特定的技術(shù)模塊對影響檢測數(shù)據(jù)和質(zhì)量的關(guān)鍵因素進行嚴(yán)格管理和控制，并優(yōu)化檢測業(yè)務(wù)流程，使之符合實驗室標(biāo)準(zhǔn)化管理規(guī)范要求，可實時了解實驗室分析檢測任務(wù)完成狀況，跟蹤記錄工作痕跡，確保每個工作步驟按照標(biāo)準(zhǔn)流程進行，提高設(shè)備利用率，控制和降低實驗成本，完善實驗室質(zhì)量管理體系，實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的標(biāo)準(zhǔn)化和自動化，全面提高實驗室的現(xiàn)代化管理水平。

LIMS系統(tǒng)能實現(xiàn)從樣品委托書確認(rèn)到分析結(jié)束的全過程監(jiān)控，在實驗室分析過程中，通過計算機技術(shù)手段輔助檢驗檢測過程中進行質(zhì)量控制或質(zhì)量管理。在LIMS中實現(xiàn)相關(guān)質(zhì)量控制的自動計算、自動判定、結(jié)果審核與批準(zhǔn)，系統(tǒng)能及時進行預(yù)警、對指定項目質(zhì)量控制進行預(yù)測分析，輔助決策管理。

為提高實驗記錄效率，LIMS系統(tǒng)采用多樣化的數(shù)據(jù)采集方式，確保數(shù)據(jù)采集過程質(zhì)量和可追溯性管理。目前可通過自動采集，直接將儀器輸出的結(jié)果數(shù)據(jù)、測試譜圖等結(jié)果和原始記錄導(dǎo)入到LIMS中，減少實驗結(jié)果的流轉(zhuǎn)步驟，減輕測試人員工作量，并減少可能出現(xiàn)的差錯，從而提高樣本分析的準(zhǔn)確性。

為提高樣品處理和業(yè)務(wù)的效率，從而促進業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)化、提升管理水平，青軟青之專注于實驗室相關(guān)的管理系統(tǒng)軟件開發(fā)，其自主研發(fā)的實驗室管理系統(tǒng)LIMS是一套完整的檢驗綜合管理和產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控體系，實現(xiàn)從質(zhì)檢任務(wù)下達、樣品編碼、樣品登錄、樣品流轉(zhuǎn)、設(shè)備出入庫使用、檢測結(jié)果錄入、分析數(shù)據(jù)審核及樣品留存等全過程的跟蹤、樣品標(biāo)簽打印、檢驗報告自動生成、傳輸、審核與發(fā)放、自動判等、樣品審核、不合格樣品處理的跟蹤、分析數(shù)據(jù)的全過程管理。