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1 真空冷凍干燥技術
真空冷凍干燥就是將含水物料凍結后,置于真空環境下,并供給一定的熱量,使物料中的冰直接升華并排走,從而除去物料的水分,獲得干制品的一種方法。
水的三相變化溫度是與壓力直接有關的,隨著壓力的降低,水的冰點變化不大,而沸點則迅速降低。當壓力低到某一值時,水的沸點與冰點相重合,即達到水的三相平衡點,這時的壓力稱為三相點壓力(P0) ,相應的溫度稱為三相點溫度(T0)。見水的三相圖。
真空冷凍干燥法可較好地消除粉料干燥過程中的團聚現象,這是因為含水物料在結冰時可以使固相顆粒保持其在水中時的均勻狀態,冰升華時,由于沒有水的表面張力作用,固相顆粒之間不會過分靠近,從而避免了團聚的產生。
凍干的固體物質由于微小的冰晶體的升華而呈現多孔結構,并保持原先凍結時的體積,加水后極易溶解而復原,制品在升華過程中溫度保持在較低溫度狀態下(一般低于-250C),因而對于那些不耐熱的物質,諸如酶、激素、核酸、血液和免疫制品等的干燥尤為適宜。干燥的結果能排出95~99%以上的水份,有利于制品的長期保存。制品干燥過程是在真空條件下進行的,故不易氧化。針對部分生化藥物的化學、物理、生物的不穩定性,凍干已被實踐證明是一種非常有效的手段。隨著生化藥物與生物制劑的迅速發展,凍干技術將越來越顯示其重要性與優越性。
2 噴霧干燥技術
噴霧干燥技術是利用不同的噴霧器,將懸浮液或黏滯的液體分散成極細的霧滴,由于霧滴具有很大的比表面積,物料可以同熱空氣發生劇烈的熱質交換,在幾秒至幾十秒內迅速排除物料水分而獲得干燥。成品以粉末狀態沉陷于干燥室底部,連續或間歇地從卸料器排出。它特別適用于不能借結晶方法得到固體產品的生物制品生產中,如酵母、核苷酸,某些抗生素藥物的干燥。
噴霧干燥干燥速度快、時間短,一般為3~3Os,由于料液霧化成20~60μm的霧滴,其表面積相應高達200~5O00m2/m3,物料水分極易汽化而干燥;噴霧干燥通常操作溫度較低。雖然采用較高溫度的熱空氣,但由于霧滴中含有大量水分,其表面溫度不會超過加熱空氣的濕球溫度,一般為5O~60℃,加之物料在干燥器內停留時間短,因此物料最終溫度不會太高,非常適合于熱敏性物料的干燥;噴霧干燥制品具有良好的分散性和溶解性,成品純度高。但噴霧干燥的容積干燥強度小,放干燥室體積大,熱量消耗多,一般蒸發1kg水分約需6000kJ熱量,相當于消耗2.5~3.5kg的蒸汽。
3 微波干燥技術
所謂微波,其實是一種頻率非常高的電磁波,通常是指1000兆赫以上的超高頻率電磁波。它具有直線性、反射性、吸收性和穿透性等特征,可應用于各行各業。
微波爐的微波與廣播、電視的電波相似,它本身不會發熱,只是一種能量,但微波每秒24. 5億次的振蕩頻率能高速振蕩物體內的水分子和脂肪分子,使其相互摩擦碰撞,從而產生熱量。從而實現干燥的目的。
微波干燥加熱速度快,常規加熱如火焰、熱風、電熱、蒸汽等,都是利用熱傳導的原理將熱量從被加熱物外部傳入內部,逐步使物體中心溫度升高,稱之為外部加熱。要使中心部位達到所需的溫度,需要一定的時間,導熱性較差的物體所需的時間就更長。微波加熱是使被加熱物本身成為發熱體,稱之為內部加熱方式,不需要熱傳導的過程,內外同時加熱,因此能在短時間內達到加熱效果。微波干燥加熱均勻,常規加熱,為提高加熱速度,需要升高加熱溫度,容易產生“外焦內生”現象。微波加熱時,物體各部位通常都能均勻滲透電磁波,產生熱量,因此加熱均勻性大大改善。微波干燥節能高效,在微波加熱中,微波能只能被加熱物體吸收而生熱,加熱室內的空氣與相應的容器都不會發熱,所以熱效率極高,生產環境也明顯改善。微波干燥易于控制,微波加熱的熱慣性極小。宜實現加熱過程的自動化控制。微波加熱低溫殺菌,無污染微波能自身不會對食品污染,微波能在較低的溫度下殺死細菌,這就提供了一種能夠較多保持食品營養成份的加熱殺菌方法。微波干燥具有選擇性,微波對不同性質的物料有不同的作用,這一點對干燥作業有利。因為水分子對微波的吸收最好,所以含水量高的部位,吸收微波功率高于含水量較低的部位。烘干木材、紙張等產品時,利用這一特點可以做到均勻加熱或均勻干燥。 微波干燥安全無害, 在微波加熱、干燥中,無廢水、廢氣、廢物產生,也無輻射遺留物存在,是一種安全無害的高新技術。
必須注意的是有些物質當溫度愈高、對微波吸收性愈好,可造成惡性循環,引發局部溫度急劇上升,造成過干,甚至炭化,對這類物質進行微波加熱時,必須制定合理的加熱工藝。
4 真空干燥技術
減壓狀態下的蒸發實驗在十七世紀就已經開始了,到十九世紀中葉真空技術已在石化領域廣為應用。后來隨著真空技術及干燥技術的發展,在干燥領域中真空技術的應用越來越廣泛。
所謂真空,并不是完全沒有空氣,而是指系統的氣態分子數量較少。真空干燥是在真空條件下加熱物料,使其水分內部擴散,內部蒸發,表面蒸發,從而進行低溫低壓干燥的工藝。
由克勞修斯-克拉佩龍方程式:
當溫差不大時,可認為相變熱為常數,可將上式積分得:
由上式可以看出,體系的蒸汽壓越低,對應得溫度越低。
真空干燥裝置一般體積較小,因為在真空狀態下,外壓急劇減小,溶劑的沸點大大降低,蒸發速度明顯提高,蒸發面積可縮小,整個裝置緊湊。真空干燥溫度低,可干燥熱敏性物料。 而且在真空狀態下,可以滅菌。
真空干燥一般耗能高,水汽化所需的熱量是隨汽化溫度的降低而增加。因此在真空蒸發中,蒸發相同重量的水分所消耗的熱量要比常壓下消耗的多。系統真空度越高,熱傳導系數低,因此在真空干燥過程中能耗也顯著增加。真空干燥裝置成本較高,一般系統的真空度越高,對系統的密封要求越高,真空設備的投資越大。
5 超臨界流體干燥
超臨界干燥技術是近年來發展起來的化工新技術,它是在高于干燥介質臨界溫度和臨界壓力下進行的干燥,此時溶劑處于非液非氣,即流體狀態。在溶劑去除過程中,不存在表面張力和毛細管作用力,可以有效避免物料凝膠骨架在干燥過程中的收縮和碎裂,從而保持物料凝膠原有的結構與狀態,從而有效避免了初級納米粒子的團聚和凝聚。
超臨界流體干燥制備出微粉一般粒度分布較窄,且完全純凈,結構上沒有缺陷,同時清潔的界面消除了雜質聚集引起的不良作用,有利于改善粒子的光、熱、電和磁等性能,可廣泛用于陶瓷、通訊、電子、激光技術等領域。
超臨界流體干燥升溫時,必須保持系統溫度均勻,以保證凝膠中分散相完全轉化為流體。凝膠中的液體達到臨界狀態需要一個穩定過程,以使各部分都達到臨界條件,因此系統必須在超臨界狀態下保持一定時間(大約30分鐘)。干燥結束后,必須在保持臨界溫度不變的條件下緩慢地釋放出流體,使體系點沿著臨界等溫線變化,以防止臨界流體逆轉為液體。在溶劑交換和超臨界干燥過程往往會有易燃的乙醇溶劑的蒸氣釋放出來,因此要注意安全問題。在放氣完畢,須通保護氣——氮氣保護。這些都是超臨界干燥過程中,必須注意的。
超臨界流體干燥成本較高,條件苛刻,而且存在一定的安全隱患。這些很大程度上限制了該技術的推廣使用。