生物工程下游技术省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第十二章 蒸发浓缩与干燥技术第二节 干燥技术第六组王珊宁、吴永娴、何风、范培钦、曾卫鹏、郑晓岸第1页一、概述一、概述 干燥应用范围很广，所处理物料种类多，物料性质差异很大。它几乎是生产全部固态产品在包装前最终一道工序。所以，对应干燥方法、干燥器种类和类型也比较多。第2页干燥方法分类按照热能供给湿物料方式不一样，干燥科分为以下几类。1.导热干燥。热能经过传热壁面以传导方式传给湿物料，让载热体不与湿物料接触，使其中水分汽化，然后，所产生蒸汽被干燥介质带走，或用真空泵抽走干燥过程。2.辐射干燥。热能以电磁波形式由辐射器传至湿物料表面后，被物料所吸收化为热能，而将水分加热汽化，到达目标。第3页3.对流干燥。对流干燥过程中，传热和传质同时发生。热能由干燥介质主体，以对流方式传给固体物料表面，然后再由物料表面传至固体内部，而水分却由固体内部向固体表面扩散，被汽化后由固体表面扩散至气相介质主体。4.介电加热干燥。介电加热干燥是将需要干燥物料置于高频电场内，利用高频电场交变作用将湿物料加热，水分汽化，物料被干燥。第4页干燥基本概念和原理1.固体物料中湿分 因为湿物料是干燥对象，而热空气仅是干燥条件，所以干燥过程各种不一样特征首先取决于湿物料性质。物料中所含湿分性质，普通按以下方式进行分类按照物料和水分子间结合方式分类。按物料中水分去除难易程度分为结合水和非结合水。依据干燥法去除水分分类可分为平衡水和自由水第5页2.干燥基本过程固体物料干燥包含两个基本过程：首先是对固体加热，以湿分汽化传热过程：然后是汽化后湿分蒸汽因为其蒸汽分压较大而扩散进入气相传质过程，而湿分从固体物料内经扩散等作用而源源不停被输送抵达固体表面是一个物料内部传质过程。所以干燥过程特点是传热和传质过程同时并存，二者相互影响又相互制约，有时传热能够加速传质过程进行，有时传热又能减缓传质效率。对于干燥过程中湿分在物料内部传递迁移机制，当前主要有“扩散迁移运动机制”和“毛细管迁移运动机制”两种理论，但都有较大不足。而物料导热系数也伴随物料湿含量改变而改变，所以当前为止，扔不能用数学关系式来描述干燥速率与相关原因关系。第6页1）干燥速率 干燥速率是干燥时单位干燥面积、单位时间内气化水量，其受以下几方面原因影响。物料性质、结构和形状干燥介质温度和湿度干燥操作条件干燥器结构形式第7页2）干燥曲线和干燥速率曲线第8页在普通情况下，干燥曲线是随湿物料与水分结合情况不一样而不一样，图12-21所表示仅为在恒温干燥条件下物料干燥速率曲线一个类型，但对于任何一个干燥速率曲线，以下特征是共同：均有一段干燥速率R为常数BC段，BC段因为干燥速率恒定，故称之为恒速干燥阶段。都有一段干燥速率随干燥时间增加，而不停减小CD段，因为CD段干燥速率下降，故称之为降速干燥阶段。第9页在恒速干燥段结束，降速干燥段开始处，曲线都有一显著转折点C，此点处物料湿含量称之为临界湿含量0，0湿物料干燥过程一个主要参数。对于一些干燥过程中表现形成外皮吸湿性物料干燥或在干燥过程中产生体积收缩物料，其干燥速率曲线含有第二降速率，所以也就是第二临界点第10页3）干燥过程分析（1）恒速干燥阶段。湿物料表面为非结合水所湿润，物料表面温度是该空气状态下湿球温度，所以，传热推进力（温度差）以及传质推进力（饱和蒸气压差）是一个定值，所以，干燥速率也是一个定值。实际上，该阶段干燥速率取决于物料表面水分汽化速率以及决定于水蒸气经过干燥表面扩散到气相主体速率。所以，又称为表面汽化控制阶段，此时干燥速率几乎等于纯水汽化速率，与物料湿含量、物料类别无关，影响因子主要有：空气流速、空气湿度、空气温度等外部条件。第11页（2）降速干燥阶段。物料湿含量降至临界点以后，便进入降速干燥阶段。在降速干燥阶段，非结合水已经蒸发，继续进行干燥，只能蒸发结合水，结合水蒸汽压恒低于同温下纯水饱和蒸汽压，传质、传热推进力逐步减小，干燥速率随之降低，干燥空气剩下能量被用于加热物料表面，物料表面温度逐步升高，局部干燥。在这一阶段，干燥速率取决于水分和蒸汽压在物料内部扩散速率。所以，降速干燥阶段亦称为内部扩散控制阶段，与外部条件关系不大。主要影响原因为物料结构、形状和大小。第12页总之。假如物料内部水分能有足够速率流向表面，及时补充被干燥水量，则物料表面依然能够保持湿润，干燥速率也不变：若内部水分流出速率低于物料表面汽化速率，则将使物料温度升高，或部分表面变干，从而进入降速干燥阶段。伴随物料不停干燥，其内部水分越来越少，这么，水分内部表面传递速率就越来越慢，干燥速率也就越来越小，表面物料温度则随之不停升高第13页4）干燥和副作用物料收缩。物料收缩主要是因为水分子除去造成，有些物料在不一样方向收缩时不一样。所以，要注意干燥过程因物料收缩造成物料体积缩小、形状改变和表面裂纹。化学改变。结晶无机物在强烈干燥时会失去它们结晶水，热敏性有机物在热空气中干燥时，轻易发生一些氧化和热分解。这些会影响干燥后物料品质和收得率生化改变。在干燥过程中，因为物料湿度升高和结合水分失去，含有生理活性和生化特征物料都会发生不一样程度不可逆改变。全部或部分失去生理活性和生化特征，复水时不能完全恢复原来性质。干燥过程中氧化也是常见第14页二、干燥设备及干燥工艺二、干燥设备及干燥工艺（一）干燥设备 物料干燥是由干燥系统来完成。不一样干燥系统设备组成是不一样，不过其关键设备是干燥设备。第15页（二）干燥工艺1.干燥工艺确实定干燥操作分为单批间歇操作和连续操作，采取哪种操作形式要依据所处理物料数量和性质决定。被干燥物料状态和物料化学性质是决定干燥介质种类、干燥方法和干燥设备主要原因，也是决定干燥工艺主要原因。依据物料不一样状态，可把物料分为：溶液及泥浆状物料、冻结物料、膏糊状物料、粉粒状物料、块状物料、棒状物料、短纤维状物料、不规则形状物料、连续薄片状物料、零件及设备涂层等。第16页决定干燥工艺需要了解被干燥物料理化性质主要有以下几方面。物料化学性质，如组成、热敏性（软化点、点熔或成份解点）、物料毒性、可燃性、氧化性和酸碱性、摩擦带电性、吸水性等。物料热性质，如物料含水性、假密度、真密度、比热容、导热系数及粒度和粒度分布。对于原料液还应知道，原液浓度、黏度及表面张力等。其它性质，如膏糊状物料粘附性、触变性（即膏糊状物料在震动场或在搅动条件下，物料可从塑性状态过渡到含有一定流动性性质），这些性质在设计干燥器及加料时能够加以利用。第17页在充分了解被干燥物料性质基础上，还应综合所选干燥器类型，深入了解在干燥过程中物料及干燥介质改变情况。对于在干燥过程中有热敏性物料，还应找到物料变质最小最适宜温度，总之，干燥过程是一个影响原因非常多过程，在决定干燥设备和干燥工艺时，应充分注意这些原因对物料品质和收得率影响。当然，干燥过程经济效益也是必须考虑，方便干燥系统能在最为经济合理条件下运行。第18页2.干燥设备选型工业上被干燥物料种类及其繁多，物料特征千差万别，这就对应地决定了干燥设备类型多样性。因为干燥装置组成单元、供热方法、干燥器内空气与物料运动状态差异等决定着干燥设备结构复杂性，所以，到当前为止，干燥器还没有统一分类方法。干燥设备选择是非常困难而复杂问题，它成为确定干燥工艺一个主要步骤。干燥设备选型是否恰当合理，是所确定干燥工艺成功关键。这是因为被干燥物料特征、供热方法和物料干燥介质系统流体动力学等必须全部考虑。因为被干燥物料种类繁多，要求各异，所以只能选取最正确干燥方法和干燥设备类型。干燥设备选型所要考虑原因与决定干燥工艺基本相同。第19页 在选择干燥设备类型时必须遵照以下标准被干燥物料性质：湿、干物料物理特征、腐蚀性、毒性、可燃性、粒子大小及磨损性。物料干燥特征：湿分类型（结合水、非结合水）、初始和最终湿含量、允许最高干燥温度、产品色泽、光泽等。粉尘及溶剂回收。安装上可行性。干燥上应用干燥设备很多，特定原料和产品性质决定了适用干燥设备类型。生物物质干燥主要特点是热敏性和黏稠性。这对干燥过程及设备含有一定特殊要求第20页（三）生物工业惯用干燥技术1.气流干燥技术气流干燥技术是利用热气流将物料在流态状态下进行干燥过程。它把呈泥状、粉粒状或块状等湿物料送入热气流中，与之并流，从而得到分散成粒状干燥产品。气流干燥是对流干燥一个。在气流干燥中，除普通使用干燥介质为不饱和热空气外，在高温干燥时能够采取烟道气。为防止物料被污染或氧化，也可采取过热水蒸汽。对含有机溶剂物料干燥，也可采取氮或溶剂过热蒸汽作干燥介质。第21页气流干燥基本流程湿物料自螺旋加料器进入干燥管，空气由鼓风机鼓入，经加热器加热后与物料汇合，在干燥管内到达干燥目标。干燥后物料在旋风除尘器和袋式除尘器得到回收，废气经抽风机由排气管排出。第22页气流干燥特点：（1）干燥强度大。（2）干燥时间短。（3）热效率高。（4）处理量大。（5）设备结构简单。（6）应用范围广。因为气流速率较高。粒子有一定磨损和粉碎，所以对于要求有一定形状颗粒产品不宜采取。对于易于沾壁、非常黏稠物料及需要干燥至临界湿含量以下物料也不宜采取。在干燥时要产生毒气物料，以及所需风量比较大情况下也不宜采取气流干燥。第23页2.喷雾干燥技术1）喷雾干燥原理 将溶液、乳浊液、悬浊液或浆料在热风中喷雾成细小液滴，在它下落过程中，水分被蒸发而成为粉末状或颗粒产品，称为喷雾干燥。物料干燥分等速阶段和减速阶段两个部分进行。等速阶段水分蒸发是在液滴表面发生，蒸发速率由蒸汽经过周围气膜扩散速率控制，主要推进力是周围热风和液滴温度差，温度差越大，蒸发越快，水分经过颗粒扩散速率大于蒸发速率，当扩散速率降低而不能再维持颗粒表面饱和时，蒸发速率开始减慢，干燥进入减速阶段。此时，颗粒温度开始上升、干燥结束时，物料温度靠近于周围空气温度。第24页喷雾干燥流程 在干燥塔顶部导入热风，同时将料液泵送至塔顶，经过雾化器喷成雾状液滴。这些液滴群变面积很大，与高温热风接触后水分快速蒸发，在极短时间内便成为干燥产品，从干燥塔底部排出。热风与液滴接触后温度显著降低，湿度增大，作为废气由排风机抽出。废气中夹带微粉用分离装置回收第25页2）喷雾干燥特点（1）干燥速率快。（2）干燥过程中液滴温度不高，产品质量很好。（3）产品含有良好分散性、流动性和溶解性，产品纯度高。（4）生产过程简化，操作控制方便。（5）适宜于连续化大规模生产，干燥产品经连续排料，在后处理上可结合冷却器和风力输送，连续生产。第26页喷雾干燥主要缺点（1）当热风温度低于150时，热容量系数低h=23120J/(m3，蒸发强度小，干燥塔体积比较庞大，热量消耗多，普通蒸发1kg水分约需6000kJ热量，相当于消耗2.53.5kg蒸汽。（2）废气中回收微粒分离装置要求较高。在生产径小产品时，废气中夹带有20%左右微粒，需要选取高效分离装置，结构比较复杂，费用较贵。而对于有毒气、臭气物料。则必须采取封闭循环生产流程，将毒气、臭气焚烧，以预防大气污染，改进生产环境。第27页3.冷冻干燥技术冷冻干燥基本原理使被干燥液体在极低温度下，冷冻成固体；然后，在低温、低压下利用水生华性能，使冰升华汽化而除去，以到达干燥目标；冷冻干燥法适合用于绝大多数生物产品干燥和浓缩，能够最大程度地确保生物产品活性。第28页冷冻干燥工艺过程（1）预冷 即将待处理样品完全冻结。在这个过程中，样品称为冰晶和分散溶质。为了提升干燥速率，应尽可能提升制品升华表面积，以提升冻干速度。第29页（2）升华干燥 又称一级干燥或一次干燥。制品冻结温度通常为-50-25。为了保持升华表面与冰凝器之间温差，冻干过程中必须对制品提供足够能量，但不能使制品温度超出制品本身共熔点温度。对于生物制品来说，理想升华干燥压力控制在2040Pa。此时90%以上水分已被除去。第30页（3）解吸附干燥 又称二级干燥或二次干燥。此过程是为了出去以吸附方式存在残留水分。残留水分包含化学结合水与物理结合水。对于生物制品，其水分含量低于或靠近2%很好，标准上不超出3%。此阶段压强在1030Pa较适当。第31页2)冷冻干燥设备普通特点（1）因物料处于冷冻状态下干燥，水分以冰状态直接升华成水蒸气，故物料物理结构和分子结构改变极小。（2）因为物料在低温真空条件下进行干燥操作，故热敏感物料，也能在不丧失其酶活力或生物式样原来性质条件下长久保留，故干燥产品十分稳定。（3）因为干燥后物料在被除去水分后，其原组织多孔性能不变，故若添加水或汤，即可短时间内基本上完成恢复干燥前原来状态。（4）因干燥后物料残余水分很低，故若防湿包装优良，可在常温条件下长久保留。第32页3)冷冻干燥设备冷冻干燥设备形式按处理物料不一样而分类为:（1）医药品用冷冻干燥设备（2）食品用冷冻干燥设备第33页三、干燥应用及节能三、干燥应用及节能（一）干燥过程节能物料干燥时能耗很大单元操作。所以，降低干燥能耗对降低产品成本有主要意义。降低干燥过程消耗，应考虑干燥过程各个方面及各个步骤，在确保产品收得率和质量前提下，从总体上到达最正确节能效果。第34页相关干燥节能技术方法应用高效节能干燥装置，改进保温，预防热风泄漏、预防物料过分干燥以提升温度物料干燥速率和节能效果。扩大干燥介质种类。应用干燥基础理论，如湿分在物体内部迁移机制，以改进相关干燥过程。在干燥前尽可能降低物料湿含量。第35页干燥过程中废气带走热量占总热量支出百分比很大，若能降低这一热量输出，则能大大提升干燥过程热效率。在确保物料质量前提下，尽可能采取高干燥。其它办法。比如，改进保温，预防热风泄漏，预防物料过分干燥，采取部分废气循环和対废热气进行回收，以及采取热泵干燥设备等。第36页（二）干燥技术应用因为生物技术产品多是热敏性物料，一些产品还含有生物活性，所以，在干燥过程中控制干燥温度和干燥时间尤其主要。物料停留时间短、温度较低干燥技术在生物技术中尤其适用，所以气流干燥和喷雾干燥当前在生物技术领域得到广泛应用。而对于一些特殊生物制品，只有采取冷冻干燥才能确保制品品质，如一些酶制剂。第37页蒸发浓缩与干燥技术经典案例第三节第38页啤酒生产中采取减压蒸发新式柔和煮沸系统德国某企业开发出新式柔和煮沸系统，与传统煮沸系统相比，该系统既能显著节能又能确保8%总蒸发量，同时还兼顾传统煮沸在不一样温度下物质转化要求。该系统分为热保温和煮沸两个步骤。第39页第40页该系统比传统煮沸系统优势在于：糖化收得率得到确保，尤其是洗槽水指标到达要求有效地驱除二甲基硫保护了对泡沫有利中分子蛋白质有较低热负荷，煮沸需要第一能源节约量超出50%第41页乳粉喷雾干燥原理：将浓缩乳借用压力或离心方法，经过喷雾干燥器将牛乳分散为雾状乳滴（直径为1015m），大大增加了其表面积，同时送入热风与雾滴接触，浓乳中水分在0.010.04S瞬间内蒸发完成，雾滴被干燥成球形颗粒落入干燥室底部，水蒸气被热风带走，从干燥室排风口排出。第42页第43页奶粉喷雾干燥工艺流程空气过滤鼓风加热（130180可达200）浓缩乳储存(4550）高压泵（压力喷雾）、乳泵（离心喷雾）（10200m）喷雾干燥（1/1001/20S，60）出粉冷却筛粉储粉气粉分离排风第44页乳粉分为两个阶段干燥1阶段将预处理过牛乳浓缩至乳固体含量40%左右2阶段将浓缩乳泵入干燥塔中进行干燥：将浓缩乳雾化成液滴液滴与热空气流接触，牛乳中水分快速干燥 将乳粉颗粒与热空气分开第45页本章小结蒸发过程特点：溶液沸点升高，物料工艺特征，能量利用与回收生物工业惯用干燥方法：对流干燥（固定床干燥、流化床干燥、气流干燥、喷雾干燥）、冷冻干燥、真空干燥、微波干燥第46页谢谢第47页