生物反应工程.ppt

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1、第十一章 干燥设备,干燥的目的和意义,干燥：从物体中除去水分的操作。目的：防止变质，便于贮存运输。干燥方法：对流干燥（气流干燥、喷雾干燥和流化床干燥）、真空干燥、冷冻干燥、微波干燥、红外干燥等。,第一节 固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点,一、固体物料干燥机理（一）湿物料中的水分1水分和物料的结合方式 化学结合水分；吸附水分；毛细管水分；溶胀水分。,2平衡水分和自由水分,湿物料每单位重量中所含水分的总量称为总水分，或者湿含量。在一定的干燥条件下，无法将总水分全部除去，总有一部分存在于物料中，这部分不能除去的水分称为平衡水分。总水分和平衡水分之差称为自由水分，自由水分可以在一定的干燥条件下

2、除去。,3、结合水分和非结合水分,结合水分指存在于物料内部与物料呈吸附状态的水分，他和物料间存在一定的结合力，因此较难除去。非结合水分指存在于物料表面或物料中较大空隙中的水分，它与物料间没有任何作用，只作机械混合，是容易除去的水分。,（二）干燥机理,湿物料的干燥操作有2个基本过程同时进行：1.传热过程，热量由气体传递给湿物料，使其温度升高；2.传质过程，物料内部的水分向表面扩散，并在表面汽化被气流带走。,（三）影响干燥速率的因素,1物料的性质2压力3干燥介质的性质和流速4干燥介质与物料的接触情况,二、生物工业产品干燥的特点,1.快速高效，加热温度不宜过高；2.产品与干燥介质的接触时间不能太长；

3、3.干燥产品应保持一定的纯度，在干燥过程中不得有杂质混入。生物工业产品干燥通常采用喷雾干燥、气流干燥、沸腾干燥和冷冻干燥。,三、干燥设备的选型原则,生物工业制品的干燥设备类型瞬时快速干燥设备：滚筒干燥设备、喷雾干燥设备、气流干燥设备、沸腾干燥设备低温干燥设备：真空干燥设备、冷冻干燥设备,选型原则产品的质量要求产品的纯度物料的特性产量及劳动条件,生物工业常用的干燥设备,第二节 非绝热干燥设备,干燥过程根据系统进出口焓的变化通常分为绝热干燥过程（等焓干燥过程）和非绝热干燥过程（非等焓干燥过程）。绝热干燥过程：在物料进出干燥器期间，不向干燥器补充热量。干燥器的热损失可以忽略不计。物料进出干燥器时的焓

4、相等。,非绝热干燥过程：不向干燥器补充热量，物料进出干燥器的焓差发生了明显的改变。向干燥器补充的热量比热损失及物料带走的热量之和还要大。向干燥器中补充的热量足够大，能够使干燥过程在等温下进行，但进出干燥器物料的焓发生了明显的改变。,真空干燥设备,真空干燥设备一般由密闭干燥室、冷凝器和真空泵3部分组成。常用的真空干燥设备有真空箱式干燥器、带式真空干燥器、耙式真空干燥器。生物工程中常用于维生素、热敏性的产品等生产中。,带式真空干燥器,耙式真空干燥器,真空耙式干燥器,第三节 绝热干燥设备,一、气流干燥原理及设备基本原理：固体湿物料在高温快速流动的热空气作用下，均匀分散成悬浮状态，从而增大了物料与热空

5、气的接触面积，强化了热交换作用，使得物料仅在几秒钟内（1-5秒）达到干燥要求。应用：生物工业中味精、柠檬酸、四环类抗生素等的干燥。,目前使用的气流干燥器形式：长管气流干燥器和旋风气流干燥器等。,图11-4 长管式气流干燥器,1空气过滤器；2预热器；3干燥管；4-加料斗；5螺旋加料器 6旋风分离器；7风机；8锁气器；9产品出口,长管式气流干燥器,图11-5旋风式气流干燥装置,1空气预热器；2加料器；3旋风式干燥器；4旋风除尘器；5贮料斗；6鼓风机；7带式除尘器,旋风式气流干燥装置,旋风式干燥器流程图,气流干燥的特点,1.干燥强度大；2.干燥时间短，对热敏性物料可选较高温介质；3.可把干燥、粉碎、

6、输送、包装等组成一道工序;4.设备结构简单，占地面积小，生产能力小，能连续操作，可实现自动化控制；5.适用性广，可使用于各种粉粒状、碎块状物料；6.对晶形磨损厉害；7.热能利用率低。,二、喷雾干燥原理及设备,原理：用雾化器将溶液、乳浊液、悬浊液（含水量50%以上）喷成微小雾滴分散于热气流中，在液滴下降过程中水份迅速蒸发，从而完成干燥过程。,喷雾干燥塔的构造,圆柱圆锥形；顶部装有空气分配盘，分配盘的型式有旋风扩散式、叶片旋风式，其作用是使空气形成旋流与雾滴接触，提高干燥效果。设备的下部有螺旋排风管，是在回风管的下部外侧焊上螺旋形的导风板，使气流沿螺旋导风板旋转向下，增大了气流阻力，使密度较大的产

7、品向下沉降，密度较小的粉末状产品随废气沿回风管导入袋滤器，螺旋排风管的作用是使气固两相分离。,雾化器的类型和性能,1、离心喷雾干燥,原理：利用在水平方向做高速旋转的圆盘，给浓料以离心力，将其成薄膜状甩出，受到空气的撕扯，变成细丝、雾状液滴喷入干燥室，与热空气直接接触，其表面水分迅速蒸发，在很短的时间内完成干燥。,离心雾化器的类型,a 碟式 b 叶板式,优点：液料通道大，不易堵塞；对液料的适应性强。高粘度、高浓度的 液料均可；操作弹性大，进液量变化25时，对 产品质量无大影响。缺点：结构复杂、造价高；动力消耗比压力式大；只适于顺流立式喷雾干燥设备。,离心雾化器的特点,原理：主要是采用高压泵，以7

8、0200大气压的压力，将浓缩后的浓料通过雾化器(喷枪)喷成雾状小液滴喷人干燥室，与热空气直接接触，其表面水分迅速蒸发，在很短的时间内完成干燥。,2、压力式喷雾,压力雾化器,压力雾化器的特点,优点：结构简单、制造成本低、维修、更换 方便；动力消耗较小缺点：喷嘴易堵塞、磨损；操作弹性小，产量调节范围窄。,3、气流式喷雾,雾化原理：利用高速气流对液膜的摩擦分裂作用，把液 体雾化。高速气流可用压缩空气或蒸汽。特 点：动力消耗大，适用粘度范围大，结构简单。,喷雾干燥特点 1.干燥速率快、时间短；2.干燥温度低；3.制品具有良好的分散性和溶解性，成品纯度高。应用 特别适用于不能借结晶方法得到固体产品的生物

9、制品生产中，如酵母、核苷酸和某些抗生素药物的干燥。,三、流化床干燥原理及设备,原理：利用流态化技术，即利用热空气流使置于筛板上的颗粒状湿物料呈沸腾状态的干燥过程。特点:1.传热传质速率高；2.干燥温度均匀，控制容易；3.结构简单，可连续化、自动化生产。,1单层圆筒式沸腾床干燥器,单室干燥原理：干燥箱内平放有一块多孔金属网板，下方有热空气通道，不断送入热空气，在一定流速下使板上的物料处于沸腾状态而干燥。结构简单，操作方便，生产能力大，应用广泛。适宜易干燥或干燥强度要求不严格的粒状物料。,2多层沸腾床干燥器,热空气由底部鼓入，物料由上部加入上层沸腾床，首先在上层形成沸腾状态，然后经过上下层之间的溢

10、流管进入下层。热空气则由底部向上依次通过各层在顶部排出。物料在干燥器内停留时间均匀，热效率高，产品质量较稳定。适合于降速干燥段较长或者产品含水量较低的物料。,3卧式多室沸腾床干燥器,在多孔板上按一定间距设置隔板，构成多个干燥室，隔板间距可以调节。物料从加料口先进入最前一室，借助于多孔板的位差，依次由隔板与多孔板间隙中顺序移动，最后从末室的出料口卸出。空气加热后，统一或通过支管分别进入各干燥室，与物料接触进行干燥。夹带粉末的废气经旋风分离器，分离出的物料重回人干燥室，净化废气由顶部排出。,单层卧式多室流化床干燥器,设有间距可调隔板，延长干燥时间，使物料均匀干燥。生产能力大。使用灵活。可对不同干燥

11、室，通入不同风量和风温，最后一室的物料还可用冷风进行冷却。物料过湿易在前一、二干燥室产生结块。适合难干燥和热敏感性物料的干燥。,4流化床干燥器使用条件,干燥物料的粒度最好介于 3060微米之间，粒度太小容易被气流带走，太大不易被流化。若几种物料混合干燥，则要求物料的密度接近。含水量过高且易粘结成团的物料一般不适用。对产品外观要求严格的物料一般不适用。,第四节 冷冻干燥及其他干燥设备,一、冷冻干燥原理及设备原理：将湿物料（或溶液）在较低温度下（-10-50）冻结成固态，然后在高度真空下，将其中固态水分直接升华为气态而除去的干燥过程。,冷冻干燥设备大致由四部分组成，即，冷冻部分、真空部分、水汽去除

12、部分和加热部分。,1、冷冻部分,制冷剂一般是氨、氟利昂、二氧化碳等，在制冷温度下是汽态的，经压缩机（3）压缩为液态，温度升高，进入冷凝器（4），在这里与环境交换热量，温度降低，经膨胀阀（1）后，压力急速下降进入蒸发器（2）。,在蒸发器（2）内，由于压力下降，制冷剂迅速汽化，吸收大量热量，将冷冻室内温度降低，然后进入压缩机（3）进行下一个循环。,2、真空部分压力：冻结物料饱和蒸汽压的1/121/14，一般情况下，干燥箱内的绝对压力约为131.3Pa。3、水汽去除部分冷凝器：列管式、螺旋管式或加套式换热器。冷却介质：低温空气或乙二醇。4、加热部分和干燥室夹层加热板加热、辐射加热及微波加热。,图 1

13、1-13 冷冻干燥系统,1干燥器；2冷冻器；3前置真空泵；4后置真空泵；5加热装置；6，7冷冻压缩机；8制冷剂贮罐,冷冻干燥的优点：干燥温度低，特别适合于高热敏性物料的干燥；冷干后产品疏松、易溶，含水量低，易长期保存。冷干后物料的天然组织和结构不会被破坏，适合菌种的保藏。缺点：设备投资大，动力消耗高。干燥时间较长。,微波一般是指波长在1mm1m范围(频率为300300000MHz)的电磁波。也称做超高频。微波的传统应用是将微波作为一种传递信息的媒介，应用于雷达、通讯、测量等方面。近年来，除了传统的微波应用继续发展外，微波作为一种能技术也迅速发展，将微波能广泛用于对物体进行加热和干燥。目前915

14、MHz和2450MHz 2个频率已广泛地为微波加热所采用。,二、微波干燥原理及设备,原理：当待干燥的湿物料置于高频电场时，由于湿物料中水分子具有极性，则分子沿着外电场方向取向排列，随着外电场高频率变换方向，则水分子会迅速转动或快速摆动。又由于分子原有的热运动和相邻分子间的相互作用，使分子随着外电场变化而摆动的规则运动受到干扰和阻碍，从而引起分子间的摩擦而产生热量，使其温度升高。,图 11-14 微波加热干燥系统,微波干燥设备,图 11-15 微波箱干燥器结构示意图,1门；2观察窗；3排湿孔；4搅拌电机；5波导（传输线）；6腔体；7搅拌叶；8反射板,一般干燥过程：食品首先外部受热干燥，然后向内部

15、传递。而热量传递与水分扩散传递的方向相反。结果：热量向内层传递愈来愈慢，水分向外层传递也愈来愈慢。微波加热过程：内部加热。物品的最内层首先干燥，最内层水分蒸发迁移至次内层、外层。结果：水分由内层向外层的迁移速度很快，即干燥速度比一般的干燥速度快很多特别是在物料的后续干燥阶段。,特 点,(1)加热速度快 微波加热是内部加热，不靠热传导的作用，因此可以令物体内部温度迅速提高，所需加热时间短。一般只需常规方法的110一1l00的时间就可完成整个加热过程。(2)加热均匀性好 微波加热是内部加热，容易达到均匀加热的目的，避免了表面硬化及不均匀等现象的发生。(3)加热易于瞬时控制 微波加热的热惯性小，可以

16、立即发热和升温，易于控制，有利于配制自动化流水线。,(4)选择性吸收 微波吸收与物质的介电系数有关，水的介电系数高，这有利于水分的蒸发。干物质吸收的微波能少，温度低，不过热，而且加热时间又短，因此能够保持食品的色、香、味等。(5)加热效率高 由于加热作用始自加工物料本身，基本上不辐射散热，所以热效率高，热效率可达到80。,三、红外干燥原理及设备,红外线也是一种电磁波，它的波长介于可见光和微波之间，为0.771000微米。在红外波长段内，一般把0.773.0微米称作近红外区，3.030.00微米称为中红外区，30.001000微米称作远红外区。,原理：构成物质的基本质点是电子、原子或分子，这些质

17、点即使处于基态都在不停地运动着振动或转动。这些运动都有自己的固有频率。当遇到具有某个频率的红外线辐射时，如果红外线的频率与基本质点的固有频率相等，则会发生与振动学中共振运动相似的情况，质点会吸收红外线并使运动进一步激化，转换成分子热运动温度升高。,图11-16 各种远红外辐射器,图A 管式远红外辐射器 图B 灯式辐射器 图C 碳化硅板远红外辐射器1远红外辐射层；2绝热填料层；3碳化硅板或石英砂板；4电阻线；5石棉板；6外壳；7安装孔,(1)热辐射率高(2)热损失小(3)容易进行操作控制(4)加热速度快，传热效率高(5)有一定的穿透能力(6)产品质量好,2、特点,第五节 干燥辅助设备,一、空气加热器二、定量加料器1旋转加料器2螺旋加料器三、粉末捕集装置,图11-18粉末捕集装置,1电器配线；2电磁阀；3吹管喷嘴；4定时器；5吹气口；6滤袋；7测压计；8星形出料阀,图 11-17 两种形式的定量加料器,A 旋转加料器 B 螺旋加料器,