對噴霧乾燥的過程階段及優缺點進行了分析, 綜述了噴霧乾燥技術的研究進展, 並對噴霧乾燥技術的應用前景進行了分析, 最後給出了噴霧乾燥技術在中藥製藥生產中的應用實例——中藥液一步噴霧乾燥造粒。該項技術將中藥稀藥液直接噴霧乾燥製成幹顆粒, 將中藥加工中藥液的濃縮、多效濃縮、造粒、乾燥四步合為一步, 大大簡化並縮短了中藥提取液到半成品或成品的工藝和時間, 提高了生產效率和產品質量。可
為噴霧乾燥技術的推廣應用以及提高中藥製藥水平提供借鑑與幫助。 關鍵詞 噴霧乾燥 霧化技術 噴霧造粒 中藥製藥 一步造粒
噴霧乾燥是將原料液用霧化器分散成霧滴, 並用熱空氣(或其它氣體) 與霧滴直接接觸的方式而獲得粉粒狀產品的一種乾燥過程。原料液可以是溶液、乳濁液或懸浮液, 也可以是熔融液或膏狀物。乾燥產品可以
根據需要, 製成粉狀、顆粒狀、空心球狀或團粒狀。
噴霧乾燥技術已有一百多年的歷史。自1865 年噴霧乾燥最早用於蛋品處理以來, 這種由液態經霧化和乾燥在極短時間直接變為固體粉末的過程, 已經取得了長足的進步。它使許多有價值但不易保存的物料得以大大延長保質期, 使一些物料便於包裝、使用和運輸, 同時也簡化了一些物料的加工工藝。由於噴霧乾燥具有「瞬時乾燥」、「乾燥產品質量好」、「乾燥過程簡單」等特點, 明顯優於其它乾燥方式, 到20 世紀三四十年代, 該技術已經被廣泛地應用於乳製品、洗滌劑、脫水食品以及化肥、染料、水泥的生產, 目前常見的速溶咖啡、奶粉、方便食品湯料等就是由噴霧乾燥得到的產品[ 1, 2 ]。我國最早將噴霧乾燥用於工業化規模生產的是乳品行業, 之後是洗滌劑和染料行業等, 目前應用已十分廣泛, 遍及了以上所涉及
的所有行業, 尤其在陶瓷和製藥行業噴霧乾燥的應用更為普遍。
對於中藥製藥行業, 噴霧乾燥技術的應用有其獨特的作用, 大大簡化並縮短了中藥提取液到製劑半成品或成品的工藝和時間, 提高了生產效率和產品質量。本文對噴霧乾燥的過程階段及優缺點進行分析, 綜述噴霧乾燥技術的研究進展, 並對噴霧乾燥技術的應用前景進行分析, 最後給出噴霧乾燥技術在中藥製藥生產
中的應用實例——中藥液一步噴霧乾燥造粒。
1 噴霧乾燥的過程階段及優缺點分析
1.1 噴霧乾燥的過程階段
噴霧乾燥可分為三個基本過程階段: 一是料液霧化成霧滴 二是霧滴和乾燥介質接觸、混合及流動, 即進行
乾燥 三是乾燥產品與空氣分離。
1.1.1 噴霧乾燥的第一階段——料液的霧化
料液霧化為霧滴和霧滴與熱空氣的接觸、混合, 是噴霧乾燥獨有的特徵。霧化的目的在於將料液分散成微細的霧滴, 使其具有很大的表面積, 當其與熱空氣接觸時, 霧滴中水分迅速汽化而乾燥成粉末或顆粒狀產品。霧滴的大小及其均勻程度對產品質量和技術經濟指標影響很大, 特別是對熱敏性物料的乾燥尤為重要。如果噴出的霧滴其大小很不均勻, 就會出現大顆粒還沒達到乾燥要求、小顆粒卻已乾燥過度而變質的現象。因此料液霧化所用的霧化器是噴霧乾燥的關鍵部件。目前常用的霧化器有氣流式、壓力式、旋轉
式和聲能霧化器等。
1.1.2 噴霧乾燥的第二階段——霧滴和空氣的接觸
霧滴和空氣的接觸、混合及流動是同時進行的傳熱傳質過程, 即乾燥過程, 此過程在乾燥塔內進行。霧滴和空氣的接觸方式、混合與流動狀態決定於熱風分布器的結構型式、霧化器在塔內的安裝位置及廢氣
排出方式等。
在乾燥塔內, 霧滴- 空氣的流向有並流、逆流及混合流。霧滴與空氣的接觸方式不同, 對乾燥塔內的
溫度分布、霧滴(或顆粒) 的運動軌跡、顆粒在塔內的停留時間及產品性質等均有很大影響。 霧滴的乾燥過程也經歷著恆速和降速階段。研究霧滴的運動及乾燥過程, 主要是確定乾燥時間及乾燥塔的
主要尺寸。
1.1.3 噴霧乾燥的第三階段——乾燥產品與空氣分離
噴霧乾燥的產品大多採用塔底出料, 部分細粉夾帶在排放的廢氣中, 廢氣在排放前必須將這些細粉收集下來, 以提高產品收率, 降低生產成本。排放的廢氣必須符合環境保護的排放標準, 以防止環境汙染。
1.2 噴霧乾燥的優缺點分析
1.2.1 噴霧乾燥的優點
只要乾燥條件保持恆定, 乾燥產品特性就保持恆定 噴霧乾燥的操作是連續的, 其系統可以是全自動控制操作 噴霧乾燥系統適用於熱敏性和非熱敏性物料的乾燥, 適用於水溶液和有機溶劑物料的乾燥 原料液可以是溶液、泥漿、乳濁液、糊狀物或熔融物, 甚至是濾餅等均可處理 噴霧乾燥操作具有非常大的靈活
性,噴霧能力可達每小時幾千克至200 噸[ 4 ]。
1.2.2 噴霧乾燥的缺點
噴霧乾燥投資費用比較高 噴霧乾燥屬於對流型乾燥, 熱效率比較低(除非利用非常高的乾燥溫度) ,
一般為30%～ 40%。 2 噴霧乾燥技術的研究進展
噴霧乾燥技術的核心是流化技術, 具有從流體到固體瞬時乾燥的突出優勢。其設備一般是由霧化器(噴頭) 、乾燥塔、進出氣及物料收集回收系統等組成。其中使料液霧化所用的霧化器是噴霧乾燥裝置的關鍵
部件。
2.1 霧化器的種類和霧化形式
一般在生產中常用的霧化器有氣流式霧化器、壓力式霧化器和旋轉式霧化器幾種。不同的霧化器可以產生不同的霧化形式, 按照不同的霧化形式可以將噴霧乾燥分為氣流式霧化、壓力式霧化和旋轉式霧化。霧化形式的選擇取決於料液的性質和最終產品所要求的特性。對於液體的霧化機理, 基本上可分為三種類型, 即滴狀分裂、絲狀分裂和膜狀分裂。在噴霧乾燥操作中, 霧化機理與霧化方法、操作條件、流體的物
性等有關。霧化機理可以指導我們進行合理的霧化器的設計和操作。
氣流式霧化 利用壓縮空氣(或水蒸氣) 高速從噴嘴噴出並與另一通道輸送的料液混合,藉助空氣(或水蒸氣) 與料液兩相間相對速度不同產生的摩擦力, 把料液分散成霧滴。根據噴嘴的流體通道數及其布局, 氣流式霧化器又可以分為二流體外混式、二流體內混式、三流體內混式、三流體內外混式以及四流體外混式、
四流體二內一外混式等等[ 3 ]。氣流式霧化器的結構簡單, 處理對象廣泛, 但能耗大。
壓力式霧化 利用壓力泵將料液從噴嘴孔內高壓噴出, 直接將壓力轉化為動能, 使料液與乾燥介質接觸並被分散為霧滴。壓力式霧化器生產能力大, 耗能小 細粉生成少, 能產生小顆粒, 固體物回收率高。 旋轉式霧化 利用高速旋轉的盤或輪產生的離心力將料液甩出, 使之與乾燥介質接觸形成霧滴。旋轉式霧
化器受進料影響(如壓力) 變化小 控制簡單。 三種霧化器的比較見表1[ 3, 4, 5 ]。
三種霧化原理的理論研究, 主要圍繞著噴霧器的關鍵參數與霧化性能而展開, 黃立新等[ 3 ]對此做了綜述報導。這方面的研究將有助於噴霧器性能的改進, 也有利於應用過程中根據噴霧料液及其產品要求對霧化
器進行選擇。
中藥提取液的噴霧乾燥, 基本上是以旋轉式霧化和氣流式霧化形式進行的, 而後者以小型試驗設備多見。從霧化的實現而言, 壓力式霧化需要高壓泵和較大的霧化空間, 氣流式霧化能耗又很高, 這些都限制了它
們的應用。相對而言, 旋轉式霧化器技術要求相對較低, 是最容易實現的。
2.2 噴霧乾燥機理的研究
影響噴霧乾燥效果的因素很多, 除霧化器外, 還有乾燥塔、進出氣及物料收集回收系統以及整個乾燥器系統。國內外許多學者對噴霧乾燥的數學模型進行了研究, 以期給出乾燥塔內氣體流動狀態和各種熱力學參數的分布信息, 這對噴霧乾燥器的設計、優化以及乾燥效果等的提高都具有很重要的意義。吳中華等[ 6 ]應用氣- 粒兩相流理論和計算流體力學(CFD) , 結合噴霧乾燥的特點, 建立了模擬噴霧乾燥塔內氣體- 顆粒兩相湍流流動的CFD 模型, 並對實驗室脈動燃燒噴霧乾燥過程進行了數值模擬。其結果具有詳細、直觀的特點 模擬得到的噴霧乾燥塔內氣相流場和各種熱力學參數的分布信息, 可以為噴霧乾燥器的設計、乾燥過程的優化等提供參考。戴命和等[ 7 ]進行了噴霧乾燥過程的熱力學建模及仿真, 根據質量平衡原理、
熱平衡原理和牛頓定律推導了逆流噴霧乾燥過程的一維雙向靜態熱力學數學模型 它包括了物料溫度方程、熱風溫度方程、顆粒速度方程、熱風溼含量方程、物料含水率方程, 用MA TLA 仿真後, 得到了增大空氣
量比提高空氣溫度更具技術經濟性的結論。
2.3 噴霧工藝優化的研究
在噴霧乾燥的實驗研究方面, 康智勇[ 8 ]研究了壓力式噴霧乾燥塔噴嘴孔徑對粉料的影響, 認為大孔徑更適於噴霧顆粒的分布向大顆粒集中。王曉蘭等[ 9 ]在工廠大生產的條件下研究了影響噴霧乾燥粉粒粒度分布的因素, 分析了陶瓷坯料泥漿粘度、含水率、噴霧壓力、噴霧器孔徑與粉粒粒度分布之間的關係, 得出其影響係數由大至小分別為噴霧器孔徑、壓力、粘度、含水率等。楊志生等[ 10 ]在對農藥水分散性顆粒噴霧乾燥過程的研究中, 分析了乾燥進氣溫度、進料量對乾燥產品的懸浮率、粒子密度、粒子形狀等的
影響。
噴霧乾燥在越來越廣泛的應用中, 已經不僅限於傳統的乾燥模式, 劉相東等[ 11 ]進行了脈動氣流的噴霧乾燥研究。利用脈動燃燒產生的高頻脈動氣流對 aCl 溶液進行了噴霧乾燥試驗, 結果表明: 高溫、高頻振
蕩氣流下的噴霧乾燥比傳統噴霧乾燥的蒸發速率提高了2.5倍。
2.4 噴霧乾燥技術的發展趨勢
噴霧乾燥技術應用廣泛, 其優勢明顯, 但其理論仍然落後於實踐, 突出表現在乾燥理論的實踐指導性差。乾燥動力學、非球形顆粒的乾燥模擬、噴霧乾燥等領域有待進行更深入的研究[ 3 ]。噴霧乾燥熱效率低, 因此, 噴霧乾燥的節能降耗問題就比較突出[ 1 ] 亞高溫噴霧乾燥(進風溫度60～ 150 ℃) 、常溫噴霧乾燥(進風溫度60℃以下) 、降低能耗與多級乾燥等都將是今後的研究重點。另外, 噴霧乾燥技術與具
體的應用領域結合還將用於噴霧冷卻造型、噴霧反應、噴霧吸收、噴霧塗層和噴霧造粒等領域。
筆者認為, 在今後還應注意加強下述幾方面的研究與開發。
(1) 採用組合乾燥。當噴霧乾燥本身不能完成乾燥任務時, 首先要想到組合乾燥。如噴霧乾燥加流化
床(乾燥及冷卻)、噴霧乾燥加帶式乾燥等。
(2) 霧化器的改進。當某種物料霧化很困難時, 可改進原有霧化器的結構, 以適應新物料的霧化要求。例
如, 對旋轉霧化器已做了多種改進, 能夠霧化粘性大的物料及噴霧造粒等。
(3) 靜電霧化技術的研究與開發。此項技術正處於研究與開發階段, 它可以製造出微米及亞微米級粒
子, 製造機能性粒子, 製造薄膜和噴塗等, 預測其將來有廣闊的發展前景。 (4) 開發和完善在線測量系統。使系統操作自動化, 確保產品的質量和產量。
(5) 開發過熱蒸汽的噴霧乾燥系統。這是一個閉路循環系統, 可以節省能量, 省去氮氣循環的操作。 (6) 利用計算流體力學(CFD) 的方法, 解決噴霧乾燥器的設計問題。將來可以利用一些可靠的實驗數據(包括流動圖形) , 利用CFD 的方法, 比較準確地算出乾燥器尺寸及熱風分布方式, 代替目前的半理論、半經
驗的方法(目前的方法誤差太大)。
(7) 開發專用噴霧乾燥機, 以適應特殊物料的需要。如軟化點低的中藥、番茄粉、特殊食品等。專用
乾燥機應達到這樣的水平——不用做實驗, 按物料性質直接選型購置。
(8) 控制環境汙染。在設計時就必須考慮到系統的噪聲、粉塵、排放的氣體、溼法除塵的液體等對環
境不構成汙染。