噴霧干燥技術(shù)研究現(xiàn)狀及其在中藥制藥中的應(yīng)用
摘要對噴霧干燥的過程階段及優(yōu)缺點進行了分析,綜述了噴霧干燥技術(shù)的研究進展,并對噴霧干燥技術(shù)的應(yīng)用前景進行了分析,
最后給出了噴霧干燥技術(shù)在中藥制藥生產(chǎn)中的應(yīng)用實例——中藥液一步噴霧干燥造粒。該項技術(shù)將中藥稀藥液直接噴霧干燥制成干顆粒,
將中藥加工中藥液的濃縮、多效濃縮、造粒、干燥四步合為一步,大大簡化并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(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。可為噴霧干燥技術(shù)的推廣應(yīng)用以及提高中藥制藥水平提供借鑒與幫助.
噴霧干燥是將原料液用霧化器分散成霧滴,并用熱空氣(或其它氣體)與霧滴直接接觸的方式而獲得粉粒狀產(chǎn)品的一種干燥過程。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。干燥產(chǎn)品可以根據(jù)需要,制成粉狀、顆粒狀、空心球狀或團粒狀。
噴霧干燥技術(shù)已有一百多年的歷史。自1865年噴霧干燥最早用于蛋品處理以來,這種由液態(tài)經(jīng)霧化和干燥在極短時間直接變?yōu)楣腆w粉末的過程,已經(jīng)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(zhì)期,使一些物料便于包裝、使用和運輸,同時也簡化了一些物料的加工工藝。由于噴霧干燥具有“瞬時干燥”、“干燥產(chǎn)品質(zhì)量好”、“干燥過程簡單”等特點,明顯優(yōu)于其它干燥方式,到20世紀(jì)三四十年代,該技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于乳制品、洗滌劑、脫水食品以及化肥、染料、水泥的生產(chǎn),目前常見的速溶咖啡、奶粉、方便食品湯料等就是由噴霧干燥得到的產(chǎn)品。我國最早將噴霧干燥用于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的是乳品行業(yè),之后是洗滌劑和染料行業(yè)等,目前應(yīng)用已十分廣泛,遍及了以上所涉及的所有行業(yè),尤其在陶瓷和制藥行業(yè)噴霧干燥的應(yīng)用更為普遍。
對于中藥制藥行業(yè),噴霧干燥技術(shù)的應(yīng)用有其獨特的作用,大大簡化并縮短了中藥提取液到制劑半成品或成品的工藝和時間,提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。本文對噴霧干燥的過程階段及優(yōu)缺點進行分析,綜述噴霧干燥技術(shù)的研究進展,并對噴霧干燥技術(shù)的應(yīng)用前景進行分析,最后給出噴霧干燥技術(shù)在中藥制藥生產(chǎn)中的應(yīng)用實例——中藥液一步噴霧干燥造粒。
1噴霧干燥的過程階段及優(yōu)缺點分析
1.1噴霧干燥的過程階段
噴霧干燥可分為三個基本過程階段:一是料液霧化成霧滴;二是霧滴和干燥介質(zhì)接觸、混合及流動,即進行干燥;三是干燥產(chǎn)品與空氣分離。
1.1.1噴霧干燥的第一階段——料液的霧化
料液霧化為霧滴和霧滴與熱空氣的接觸、混合,是噴霧干燥獨有的特征。霧化的目的在于將料液分散成微細(xì)的霧滴,使其具有很大的表面積,當(dāng)其與熱空氣接觸時,霧滴中水分迅速汽化而干燥成粉末或顆粒狀產(chǎn)品。霧滴的大小及其均勻程度對產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)影響很大,特別是對熱敏性物料的干燥尤為重要。如果噴出的霧滴其大小很不均勻,就會出現(xiàn)大顆粒還沒達到干燥要求、小顆粒卻已干燥過度而變質(zhì)的現(xiàn)象。因此料液霧化所用的霧化器是噴霧干燥的關(guān)鍵部件。目前常用的霧化器有氣流式、壓力式、旋轉(zhuǎn)式和聲能霧化器等。
1.1.2噴霧干燥的第二階段——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(zhì)過程,即干燥過程,此過程在干燥塔內(nèi)進行。霧滴和空氣的接觸方式、混合與流動狀態(tài)決定于熱風(fēng)分布器的結(jié)構(gòu)型式、霧化器在塔內(nèi)的安裝位置及廢氣排出方式等。在干燥塔內(nèi),霧滴-空氣的流向有并流、逆流及混合流。霧滴與空氣的接觸方式不同,對干燥塔內(nèi)的溫度分布、霧滴(或顆粒)的運動軌跡、顆粒在塔內(nèi)的停留時間及產(chǎn)品性質(zhì)等均有很大影響。
霧滴的干燥過程也經(jīng)歷著恒速和降速階段。研究霧滴的運動及干燥過程,主要是確定干燥時間及干燥塔的主要尺寸。
1.1.3噴霧干燥的第三階段——干燥產(chǎn)品與空氣分離
噴霧干燥的產(chǎn)品大多采用塔底出料,部分細(xì)粉夾帶在排放的廢氣中,廢氣在排放前必須將這些細(xì)粉收集下來,以提高產(chǎn)品收率,降低生產(chǎn)成本。排放的廢氣必須符合環(huán)境保護的排放標(biāo)準(zhǔn),以防止環(huán)境污染。
1.2噴霧干燥的優(yōu)缺點分析
1.2.1噴霧干燥的優(yōu)點
只要干燥條件保持恒定,干燥產(chǎn)品特性就保持恒定;噴霧干燥的操作是連續(xù)的,其系統(tǒng)可以是全自動控制操作;噴霧干燥系統(tǒng)適用于熱敏性和非熱敏性物料的干燥,適用于水溶液和有機溶劑物料的干燥;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;噴霧干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。
1.2.2噴霧干燥的缺點
噴霧干燥投資費用比較高;噴霧干燥屬于對流型干燥,熱效率比較低(除非利用非常高的干燥溫度) ,一般為30%～40%。
2噴霧干燥技術(shù)的研究進展
噴霧干燥技術(shù)的核心是流化技術(shù),具有從流體到固體瞬時干燥的突出優(yōu)勢。其設(shè)備一般是由霧化器(噴頭)、干燥塔、進出氣及物料收集回收系統(tǒng)等組成。其中使料液霧化所用的霧化器是噴霧干燥裝置的關(guān)鍵部件。
2.1霧化器的種類和霧化形式
一般在生產(chǎn)中常用的霧化器有氣流式霧化器、壓力式霧化器和旋轉(zhuǎn)式霧化器幾種。不同的霧化器可以產(chǎn)生不同的霧化形式,按照不同的霧化形式可以將噴霧干燥分為氣流式霧化、壓力式霧化和旋轉(zhuǎn)式霧化。霧化形式的選擇取決于料液的性質(zhì)和最終產(chǎn)品所要求的特性。對于液體的霧化機理,基本上可分為三種類型,即滴狀分裂、絲狀分裂和膜狀分裂。在噴霧干燥操作中,霧化機理與霧化方法、操作條件、流體的物性等有關(guān)。霧化機理可以指導(dǎo)我們進行合理的霧化器的設(shè)計和操作。
氣流式霧化利用壓縮空氣(或水蒸氣)高速從噴嘴噴出并與另一通道輸送的料液混合,借助空氣(或水蒸氣)與料液兩相間相對速度不同產(chǎn)生的摩擦力,把料液分散成霧滴。根據(jù)噴嘴的流體通道數(shù)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(nèi)混式、三流體內(nèi)混式、三流體內(nèi)外混式以及四流體外混式、四流體二內(nèi)一外混式等等。氣流式霧化器的結(jié)構(gòu)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(nèi)高壓噴出,直接將壓力轉(zhuǎn)化為動能,
使料液與干燥介質(zhì)接觸并被分散為霧滴。壓力式霧化器生產(chǎn)能力大,耗能小;細(xì)粉生成少,能產(chǎn)生小顆粒,固體物回收率高。
旋轉(zhuǎn)式霧化利用高速旋轉(zhuǎn)的盤或輪產(chǎn)生的離心力將料液甩出,使之與干燥介質(zhì)接觸形成霧滴。旋轉(zhuǎn)式霧化器受進料影響(如壓力)變化小;控制簡單。
三種霧化原理的理論研究,主要圍繞著噴霧器的關(guān)鍵參數(shù)與霧化性能而展開,黃立新等
對此做了綜述報道。這方面的研究將有助于噴霧器性能的改進,也有利于應(yīng)用過程中根據(jù)噴霧料液及其產(chǎn)品要求對霧化器進行選擇。
中藥提取液的噴霧干燥,基本上是以旋轉(zhuǎn)式霧化和氣流式霧化形式進行的,而后者以小型試驗設(shè)備多見。從霧化的實現(xiàn)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(yīng)用。相對而言,旋轉(zhuǎn)式霧化器技術(shù)要求相對較低,是最容易實現(xiàn)的。
2.2噴霧干燥機理的研究
影響噴霧干燥效果的因素很多,除霧化器外,還有干燥塔、進出氣及物料收集回收系統(tǒng)以及整個干燥器系統(tǒng)。國內(nèi)外許多學(xué)者對噴霧干燥的數(shù)學(xué)模型進行了研究,以期給出干燥塔內(nèi)氣體流動狀態(tài)和各種熱力學(xué)參數(shù)的分布信息,這對噴霧干燥器的設(shè)計、優(yōu)化以及干燥效果等的提高都具有很重要的意義。吳中華等應(yīng)用氣-粒兩相流理論和計算流體力學(xué)(CFD) ,結(jié)合噴霧干燥的特點,建立了模擬噴霧干燥塔內(nèi)氣體-顆粒兩相湍流流動的CFD模型,并對實驗室脈動燃燒噴霧干燥過程進行了數(shù)值模擬。其結(jié)果具有詳細(xì)、直觀的特點;模擬得到的噴霧干燥塔內(nèi)氣相流場和各種熱力學(xué)參數(shù)的分布信息,可以為噴霧干燥器的設(shè)計、干燥過程的優(yōu)化等提供參考。戴命和等進行了噴霧干燥過程的熱力學(xué)建模及仿真,根據(jù)質(zhì)量平衡原理、熱平衡原理和牛頓定律推導(dǎo)了逆流噴霧干燥過程的一維雙向靜態(tài)熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型;它包括了物料溫度方程、熱風(fēng)溫度方程、顆粒速度方程、熱風(fēng)濕含量方程、物料含水率方程,用MA TLAB仿真后,得到了增大空氣量比提高空氣溫度更具技術(shù)經(jīng)濟性的結(jié)論。
2.3噴霧工藝優(yōu)化的研究
在噴霧干燥的實驗研究方面,康智勇研究了壓力式噴霧干燥塔噴嘴孔徑對粉料的影響,認(rèn)為大孔徑更適于噴霧顆粒的分布向大顆粒集中。王曉蘭等在工廠大生產(chǎn)的條件下研究了影響噴霧干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(guān)系,得出其影響系數(shù)由大至小分別為噴霧器孔徑、壓力、粘度、含水率等。楊志生等在對農(nóng)藥水分散性顆粒噴霧干燥過程的研究中,分析了干燥進氣溫度、進料量對干燥產(chǎn)品的懸浮率、粒子密度、粒子形狀等的影響。
噴霧干燥在越來越廣泛的應(yīng)用中,已經(jīng)不僅限于傳統(tǒng)的干燥模式,劉相東等進行了脈動氣流的噴霧干燥研究。利用脈動燃燒產(chǎn)生的高頻脈動氣流對N aCl溶液進行了噴霧干燥試驗,結(jié)果表明:
高溫、高頻振蕩氣流下的噴霧干燥比傳統(tǒng)噴霧干燥的蒸發(fā)速率提高了2.5倍。
2.4噴霧干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢
噴霧干燥技術(shù)應(yīng)用廣泛,其優(yōu)勢明顯,但其理論仍然落后于實踐,突出表現(xiàn)在干燥理論的實踐指導(dǎo)性差。干燥動力學(xué)、非球形顆粒的干燥模擬、噴霧干燥等領(lǐng)域有待進行更深入的研究。噴霧干燥熱效率低,因此,噴霧干燥的節(jié)能降耗問題就比較突出;亞高溫噴霧干燥(進風(fēng)溫度60～150℃)、常溫噴霧干燥(進風(fēng)溫度60℃以下)、降低能耗與多級干燥等都將是今后的研究重點。另外,噴霧干燥技術(shù)與具體的應(yīng)用領(lǐng)域結(jié)合還將用于噴霧冷卻造型、噴霧反應(yīng)、噴霧吸收、噴霧涂層和噴霧造粒等領(lǐng)域。筆者認(rèn)為,在今后還應(yīng)注意加強下述幾方面的研究與開發(fā)。
(1)采用組合干燥。當(dāng)噴霧干燥本身不能完成干燥任務(wù)時,首先要想到組合干燥。如噴霧干燥加流化床(干燥及冷卻)、噴霧干燥加帶式干燥等。
(2)霧化器的改進。當(dāng)某種物料霧化很困難時,可改進原有霧化器的結(jié)構(gòu),以適應(yīng)新物料的霧化要求。例如,對旋轉(zhuǎn)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(shù)的研究與開發(fā)。此項技術(shù)正處于研究與開發(fā)階段,它可以制造出微米及亞微米級粒子,制造機能性粒子,制造薄膜和噴涂等,預(yù)測其將來有廣闊的發(fā)展前景。
(4)開發(fā)和完善在線測量系統(tǒng)。使系統(tǒng)操作自動化,確保產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。
(5)開發(fā)過熱蒸汽的噴霧干燥系統(tǒng)。這是一個閉路循環(huán)系統(tǒng),可以節(jié)省能量,省去氮氣循環(huán)的操作。
(6)利用計算流體力學(xué)(CFD)的方法,解決噴霧干燥器的設(shè)計問題。將來可以利用一些可靠的實驗數(shù)據(jù)(包括流動圖形) ,利用CFD的方法,比較準(zhǔn)確地算出干燥器尺寸及熱風(fēng)分布方式,代替目前的半理論、半經(jīng)驗的方法(目前的方法誤差太大)。
(7)開發(fā)專用噴霧干燥機,以適應(yīng)特殊物料的需要。如軟化點低的中藥、番茄粉、特殊食品等。專用干燥機應(yīng)達到這樣的水平——不用做實驗,按物料性質(zhì)直接選型購置。
(8)控制環(huán)境污染。在設(shè)計時就必須考慮到系統(tǒng)的噪聲、粉塵、排放的氣體、濕法除塵的液體等對環(huán)境不構(gòu)成污染。
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