喷雾干燥过程中的产品玻璃化转变初探

喷雾干燥过程中的产品玻璃化转变初探中国林业科学研宄院林产化学工业研宄所黄立新无锡市林洲干燥机厂周瑞君黄立新，副教授，1988年毕业于浙江大学化工机械专业，1991年获得硕士学位，20012005年在新加坡国立大学留学，并于2005年6月获得博士学位。
黄立新博士长期从事化工、医药、环保工程中的提取、浓缩、干燥、制粒、微胶囊化等的工艺及设备研宄与开发，曾主持或主要参与国家攻关项目、原林业部项目及省级项目多项并获奖，同时先后主持或主要参加数十个工业干燥工程项目的研制、设计、开发，例如中药提取物的制粉、硫酸软骨素的浓缩和制粉、肝素钠的干燥、大蒜素的包衣制粉等。近年来，从事喷雾干燥过程的计算流体力学数学模型的建立研宄，取得了一定的成果，同时又开展一些新的干燥技术研宄，例如折射窗干燥、喷雾冷冻干燥、水平喷雾干燥技术等。先后发表论文40余篇，多篇被SCI收录。
喷雾干燥是一种把固液体转变为干粉的常用手段，己在许多工业中运用了很多年，处理过的物料成千上万。过去，人们的研宄主要集中在料液的雾化、热空气的均匀分布、喷雾干燥的设计。喷雾干燥的数学模型和针对某一种物料的成功喷雾干燥等方面，关于物料在整个喷雾干燥过程中的状态变化，对于产品的质量影响几乎未见报道。从喷雾干燥料液的干燥阶段着手，通过分析物料在整个喷雾干燥阶段中的状态变化，研宄了物料的玻璃化转变特性和产品质量与干燥工艺参数的关系，得出了相应的结在喷雾干燥过程中，随着干燥的进行、温度的升高，物料会发生从液态向玻璃态的转变，即玻璃化转变，玻璃化转变时的温度称之为玻璃化转变温度，用表示。当物料温度低于时，物料的分子热运动能量很低，分子链和链段均处于被冻结状态，此时表现出的力学性质和玻璃相似，故称这种状态为玻璃态；当物料温度升高至某一温度，且高于时，链段运动受到激发，此时物料受外力作用时可以发生形态变化，撤除外力又恢复形态，称这种状态为橡胶态，继续升高温度，物料表现出黏性流动状态，故称黏流态，如所示。而实际上喷雾干燥前料液降温升温物料状态变化的玻璃化转变温度很低，例如浓缩后草莓浆的玻璃化转变温度为-42.5C.大多数喷雾干燥的物料在环境温度情况下，其状态为液体。
对于水剂两相混合液，可用下式来计算玻璃化转变温度，因此在喷雾干燥中为了获得高品质的产品，必须使终产品处于玻璃态，而影响玻璃化转变温度的因素主要是水分含量、分子量大小、分子链结构形态等。因为喷雾干燥本身无法选择产品的分子量大小或者分子链的结构形态，实际上喷雾干燥通过调整干燥的工艺参数，能较好控制的只有产品中的残余含水量。
（下转第18页）雾干燥器，喷嘴的结构如所示。刀刃型的喷嘴的两侧边对称，分成气、液回路流道。气、液路流道为适应边缘长度的需要，其间隙为0.10.3mm，以达到微粒化和大量喷雾的目的。四股流体向着喷嘴##处汇集为一点，气路流道中喷射出的高速气体和液路流道中涌出的液体在流动面混合，使液体变薄、延伸，后在##部产生冲击波，形成几微米的液滴。
化学热泵（CHP）是指在一个设计合理的反应器中，通过吸热反应将热能以化学能的形式储存起来；当需供热时，通过放热反应将热能在各种温度下释放出来。化学热泵可以应用于干燥方面，以便充分利用热能。研宄发现，这种化学热泵干燥装置节能，减少污染，但是成本高，结构复杂。表示一种化学热泵干燥系统流程图。在CHP1，由气体燃烧器或者加热器提供热量，促成脱水反应，高温热量0hs（Ths>594C）被贮存在CaO反应器中。反应器中的水蒸气由于压差的缘故被排出反应器，并在冷凝器中冷凝，释放出中间温度的热左右），用于加热干燥介质。另一方面，在CaO反应器（CHP2），发生水合反应，也释放出中间温度的反应0MR（rMR用于加热干燥介质。
化学热泵干燥系统干燥是一种热能消耗大的操作，它一般作为产品生产的终环节，直接影响产品的质量。为了节能（伴随着减少2等温室效应和有害气体的排放）以及生产高品质产品、解决干燥操作过程中出现的问题，需要结合现存的各种有效的干燥技术，借鉴其他产业过程的技术，进行干燥技术的改进和创新。GM（上接第15页）水作为一种增塑剂直接影响到玻璃化转变温度rg，通常随着含水量的增多而降低，反之，当水分降低时增高。在喷雾干燥中，表现为随着干燥的进行，物料不断蒸发脱水，升高直至高于周围的干燥气体，物料也由液态转变为玻璃态，即发生了玻璃化转变，因此，从获得玻璃态的角度，可以从以下几个方面考虑喷雾干燥的工艺参数。
提高料液的含固量，减少含水量，使得雾滴开始时就具有较高的玻璃化转变温度，从而在喷雾干燥时能迅速地形成玻璃体。
提高料液的进料温度，缩短预热段时间，提高蒸发速度，使得雾滴能尽快形成玻璃体。
可能的情况下，产品从干燥塔或气固分离器中排出后用冷风加以处理，一来降低产品的包装温度，二来可以帮助颗粒形成玻璃体。
料液中加入一些添加剂，来提高混合液的玻璃化转变温度，再进行喷雾干燥。
喷雾干燥的终产品必须处于玻璃态。
水作为溶剂极大地影响物料的玻璃化转变温度，良好地控制水分迁移将能获得优质的终产品质量。
对于喷雾干燥本身，从提高料液的含固量、进料液温度、加添加剂等方面加快产品玻璃体的形成，获得良好的喷雾干燥效果，另外增加冷风输送也是一个很好的途径。