干 燥 技 术

1. 干 燥 技 术

2. 干燥(Drying)是利用热能除去目标产物的浓缩悬浮液或结晶(沉淀)产品中湿分(水分或有机溶剂)的单元操作，通常是生物产物成品化前的最后下游加工过程。因此，干燥的质量直接影响产品的质量和价值。干燥(Drying)是利用热能除去目标产物的浓缩悬浮液或结晶(沉淀)产品中湿分(水分或有机溶剂)的单元操作，通常是生物产物成品化前的最后下游加工过程。因此，干燥的质量直接影响产品的质量和价值。

3. 由于生物产物具有不同于一般化工产品的特殊性质和用途，在生物产物的干燥过程中必须注意以下两个问题：由于生物产物具有不同于一般化工产品的特殊性质和用途，在生物产物的干燥过程中必须注意以下两个问题： • 生物产物多为热敏性物质，而干燥是涉及热量传递的扩散分离过程，所以在干燥过程中必须严格控制操作温度和操作时间．要根据特定产物的热敏性，采用不使该物质热分解、着色、失活和变性的操作温度，并在最短的时间内完成干燥处理； • 干燥操作必须在洁净的环境中进行，防止干燥过程中以及干燥前后的微生物污染，因此，选用的干燥设备必须满足无菌操作的要求。

4. 干燥速度 • 生物产物中的湿分多为水分，少数为有机溶剂的情况； • 干燥操作通过向湿物料提供热能促使水分蒸发，蒸发的水气由气流带走或真空泵抽出，从而达到物料减湿进而干燥的目的。以有机溶剂为湿分的物料干燥应注意控制操作温度在有机溶剂的燃点以下；

5. 干燥速度 • 干燥是传热和传质的复合过程，传热推动力是温度差,而传质推动力是物料表面的饱和蒸汽压与气流(通常为空气)中水气分压之差； • 根据向湿物料传热的方式不同，干燥可分为传导干燥、对流干燥、辐射干燥和介电加热干燥，或者是两种以上传热方式联合作用的结果。工业上的干燥操作主要为传导干燥和对流干燥。

6. 传导干燥 载热体(如空气、水蒸气、烟道气等)不与湿物料直接接触，而是通过导热介质(如不锈钢)以传导的方式传给湿物料。因此，传导干燥又称间接加热干燥。 干燥速度

7. 干燥速度

8. 根据傅立叶导热定律，如果各层温度分布为线性，拟稳状态下的传热通量q(W/m2)为：根据傅立叶导热定律，如果各层温度分布为线性，拟稳状态下的传热通量q(W/m2)为： 同理，根据滞流底层(有效膜)传质理论，传质(干燥)通量J(kmol/m2•s)为： 显然，若Pi＞P,则水汽被空气带走，物料减湿；若Pi<P，则物料从空气中吸收水分，物料增湿。 干燥速度

9. 对流干燥 对流干燥过程中载热体以对流方式与湿物料颗粒(或液滴)直接接触，向湿物料对流传热，故对流干燥又称直接加热干燥。对流干燥的载热体同时又是载湿体。 干燥速度

10. 干燥速度

11. 对流干燥过程的传质通量和传导干燥一致，而传热通量为：对流干燥过程的传质通量和传导干燥一致，而传热通量为： 因此，对载湿体而言，传热方向与传导干燥相反。 干燥速度

12. 除传导干燥和对流干燥外，还有热能以电磁波的形式向湿物料传递的辐射干燥，利用高频电场的交变作用加热湿物料的介电加热干燥；除传导干燥和对流干燥外，还有热能以电磁波的形式向湿物料传递的辐射干燥，利用高频电场的交变作用加热湿物料的介电加热干燥； • 这两种干燥方法能耗较大，操作费用较高，但具有干燥产品均匀洁净的特点。特别是介电加热干燥，湿物料在高频电场作用下被均匀加热，并且随着加热的进行，物料内部含水量较表面高，介电常数大，吸收的热能多，使物料内部温度比表面高，即温度梯度与水分浓度梯度的方向相同，促进了内部水分向外扩散传质，干燥时间可大大缩短； • 辐射干燥主要用于表面积大而薄的物料，如塑料，布匹、木材和油漆制品等；介电加热干燥主要用于食品工业。 干燥速度

13. 湿空气和物料中水分的性质 • 湿空气的性质 地球上的大气是空气和水汽的混合物，因此称为湿空气。湿空气作为载湿体，初始水汽含量决定了其载湿的能力。

14. 湿空气中的水汽含量称为湿度(humidity)，其定义为湿空气中水汽的质量与湿空气中干空气的质量之比，即 Mw和Mg分别为水汽和空气的分子量，nw和ng分别为水汽及空气的摩尔数。 湿空气和物料中水分的性质

15. 若空气中的水汽分压为同温度下的饱和蒸汽压ps，则湿空气呈饱和状态，此时的空气湿度称为饱和湿度，用Hs表示：若空气中的水汽分压为同温度下的饱和蒸汽压ps，则湿空气呈饱和状态，此时的空气湿度称为饱和湿度，用Hs表示： 当空气湿度达到饱和湿度值时，不再有载湿能力。 湿空气和物料中水分的性质

16. 天气预报中常用“湿度”一词，这里指的是水汽分压与总压之比，称为相对湿度(relative humidity)，用百分数的形式表示： 若 =100％，则p=ps，表示空气中的水汽已达饱和，即达到该温度下的最高值。 值越小，距离饱和湿度越远，表示湿空气吸收水汽的能力越强，即载湿能力越大。因此，湿度H表示的是水汽含量的绝对值，不能直接反映空气纳载湿能力,而相对湿度才能直接反映空气的载湿能力, 湿空气和物料中水分的性质

17. 设湿空气的总压为Pt，水气分压为p，则干空气的分压为pt-p。根据分压定律(混合气体各组分的摩尔数比等于分压之比＞，并设空气的相对分子质量为29，则设湿空气的总压为Pt，水气分压为p，则干空气的分压为pt-p。根据分压定律(混合气体各组分的摩尔数比等于分压之比＞，并设空气的相对分子质量为29，则 所以，当总压一定时，湿度是水汽分压的函数。 湿空气和物料中水分的性质

18. 空气的另一重要性质是湿球温度(wet bulb temperature)。在湿空气中用普通温度计测得的温度是湿空气的真实温度，称为干球温度(dry bulb temperature)。若用湿纱布包裹普通酒精温度计的感温球，即制成湿球温度计。 湿空气和物料中水分的性质

19. 湿空气和物料中水分的性质

20. 当湿空气高速度(＞5m/s)通过湿纱布表面时，如果空气的相对湿度小于l00％，由于湿纱布中水分的蒸发需要潜热，使水温下降。水温的下降使湿空气与纱布表面之间产生温差，向湿纱布传热。当温度下降到一定程度，传热速率与水分蒸发所需的传热速率相等时，达到平衡状态，温度不再下降。此时湿球温度计的读数即为湿球温度(Tw)。因此，不饱和湿空气的湿球温度小于干球温度(真实温度)，空气的相对湿度越小，即空气越干燥，湿球温度越低。所以，空气的湿球温度是衡量其湿度的另一尺度，可用于测定空气湿度。当湿空气高速度(＞5m/s)通过湿纱布表面时，如果空气的相对湿度小于l00％，由于湿纱布中水分的蒸发需要潜热，使水温下降。水温的下降使湿空气与纱布表面之间产生温差，向湿纱布传热。当温度下降到一定程度，传热速率与水分蒸发所需的传热速率相等时，达到平衡状态，温度不再下降。此时湿球温度计的读数即为湿球温度(Tw)。因此，不饱和湿空气的湿球温度小于干球温度(真实温度)，空气的相对湿度越小，即空气越干燥，湿球温度越低。所以，空气的湿球温度是衡量其湿度的另一尺度，可用于测定空气湿度。 湿空气和物料中水分的性质

21. 湿空气和物料中水分的性质 • 物料中的水分 水分以各种不同的形式存在于固体物料中。例如，以吸附的形式存在于物料粗糙表面的吸附水分、多孔性物料孔隙中所含的毛细管水分、以及渗于物料细胞内的溶胀水分等。

22. 湿空气和物料中水分的性质 • 表面吸附水分 表面吸附水分与相同湿度下纯水的饱和蒸汽压相同，表面吸附水分属于非结合水；

23. 湿空气和物料中水分的性质 2. 非结合水 若水能润湿物料表面，在物料孔隙中呈凹形液面，则蒸汽压下降，较主体水的蒸汽压低。但是，如果孔隙较大，蒸汽压下降的程度很小，水分容易受毛细管引力移动到物料表面。因此，较大孔隙中的水分和吸附水分一样，与相同温度下的纯水的饱和蒸汽压相同，容易蒸发，称为非结合水(unbound water)。

24. 如将湿物料与温度和湿度一定的空气相接触，物料将根据其初始含水量(kg水／kg绝干物料)的多少，排出或吸附水分，直至物料表面所产生的水蒸汽压与空气中的水汽分压相等。此时物料中的水分与空气达到平衡状态，物料中的含水量不再改变。如将湿物料与温度和湿度一定的空气相接触，物料将根据其初始含水量(kg水／kg绝干物料)的多少，排出或吸附水分，直至物料表面所产生的水蒸汽压与空气中的水汽分压相等。此时物料中的水分与空气达到平衡状态，物料中的含水量不再改变。 湿空气和物料中水分的性质

25. 物料和与其相接触的空气达到相平衡状态时的含水量称为该物料的平衡含水量，又称平衡水分。显然，一定温度下物料的平衡含水量和与其相接触的空气湿度有关：空气湿度越高，平衡含水量越大。如果物料的初始含水量高于平衡含水量，则与湿空气达到平衡状态时所失去的水分称为自由水分。物料和与其相接触的空气达到相平衡状态时的含水量称为该物料的平衡含水量，又称平衡水分。显然，一定温度下物料的平衡含水量和与其相接触的空气湿度有关：空气湿度越高，平衡含水量越大。如果物料的初始含水量高于平衡含水量，则与湿空气达到平衡状态时所失去的水分称为自由水分。 湿空气和物料中水分的性质

26. 由于结合木的蒸汽压低于相同温度下纯水的饱和蒸汽压，所以，如果湿空气的相对湿度为 ＝100％，即水气分压等于相同温度下纯水的饱和蒸汽压时，结合水就不能蒸发。温度一定时结合水分是物料的性质所决定的，而平衡水分与其所接触的湿空气的状态(相对湿度)有关。吸水性物料(如烟叶)的结合水分较高，不易干燥；而非吸水性物料(如黄沙)的结合水分较低，易于干燥。 湿空气和物料中水分的性质

27. 3. 结合水 如果孔隙很小，孔隙中水的蒸汽压下降明显；另外，细胞内的溶胀水分中因含有可溶性溶质，根据溶液依数性原理，蒸汽压下降。所以，存在于很小毛细管中的水分和胞内水分的蒸汽压较相同温度下纯水的饱和蒸汽压低，较难蒸发，称为结合水(bound water)。结合水比非结合水较难干燥除去。 湿空气和物料中水分的性质

28. 干燥过程 • 盘架传导干燥： 对干燥过程做以下假设： • 与盘架接触的物料表面温度恒定，为T0； • 物料厚度为L，干燥从与空气接触的外表面开始，当物料的某一层干燥完全后(即含水量达到平衡水分时)，其下一层的物料才开始干燥，即干燥层逐渐向内推移，直至全部干燥完全为止 ； • 干燥层与湿料层界面处(即干燥前沿)温度恒定，为TZ； • 通过盘架的传热量全部用于水分的蒸发； • 水汽透过于操层的速度很快，即过程为传热速度控制。

30. 如要干燥进行完全，所需的干燥时间td为： L——物料的厚度； ——水的汽化潜热； ——湿物料的有效导热系数； ——湿物料的体积含水量。

31. 干燥过程 • 对流干燥 对流干燥过程中物料颗粒或液滴与温度一定的热空气对流接触，当物料温度上升到与热空气相对应的湿球温度后，热空气向物料的传热量与物料中水分汽化所需的潜热相等，物料温度不再上升，水分以恒速汽化。当物料的含水量降至一定量以后，物料表面的吸附水分及较大孔隙中的水分汽化殆尽，细孔内的扩散成为干燥速率控制步骤，干燥速率降低，物料温度上升，直至达到物料的平衡水分为止。

33. 干燥设备及其应用 • 工业用干燥设备种类很多，特别是生物产物的于操，依产物的性质、存在形式(溶液或团体)和含水量采用各种不同的干燥方式和干燥设备； • 由于生物产物多为热敏性物质，干燥操作多在低压(真空)、低温下进行。

34. 盘架干燥器 • 盘架干燥器(tray dryer)是外壁绝热的厢形干燥设备，故又称为厢式干燥器(chamber dryer)。湿物料置于盘架之上，用热水或低压蒸汽加热盘架．向物料传热。用真空泵保持厢内处于低压状态，可使物料在较低温度下快速干燥； • 低压(真空)盘架干燥器可用于抗生素、氨基酸和酶等生物产物的干燥，使用时应注意根据产物的性质，在适当的压力和温度下操作，保护产品的生物活性。 • 盘架干操多为间歇操作，劳动强度大，处理量小。

35. 盘架干燥器

36. 冷冻干燥器 • 冷冻干燥器(freeze dryer)是一种厢式干燥设备； • 操作时将湿物料冷冻至冰点以下，干燥器内处于高度真空状态，水分由固态冰升华变为水汽而除去； • 冷冻干燥主要用于热敏性非常强的生物物质，如蛋白质类生理活性物质、抗生素、果蔬等。干扰素、白细胞介素和促红细胞生成素等基因工程药物主要用真空冷冻干燥。

37. 冷冻干燥器

38. 传送带式干燥器 • 传送带式干燥器(belt dryer)也是一种热传导式干燥设备，可在常压或真空下操作。 • 传送带式干燥器可连续化操作，设备密闭性好,不易受微生物污染； • 可用于氨基酸、维生素、抗生素、糖和酶类的干燥。

39. 传送带式干燥器

40. 转筒干燥器 • 转筒干燥器(tumble dryer)是一种热空气与物料颗粒直接接触的对流干燥设备； • 转筒与水平面略呈倾斜角度，原料从转筒较高的一端加入，随转筒的转动向较低的一端运行； • 适合于热敏性产物的干燥，如果产物的耐热性较高，可采用逆流通气操作。

41. 转筒干燥器

42. 气流干燥器 • 气流干燥器主要由预热器，细长的干燥管和旋风分离器构成； • 气流干燥器的干燥物料颗粒一般为50－300μm，既能保证干燥速度快、时间短，又能使产品的旋风分离回收比较容易； • 气流干燥器处理量大，干燥速度快，可用于淀粉、葡萄糖，氨基酸和抗生素等物质的干燥。

43. 气流干燥器

44. 流化床干燥器 • 流化床干燥又称沸腾干燥，热气流速度介于物料颗粒的临界流化速度和带出速度(终端速度)之间，物料颗粒在干燥器内呈流化状态； • 工业上多采用多层流化床干燥器，有利于提高热效率和降低干燥产品含水量； • 流化床干燥器的史理量大，可用于氨基酸和抗生素的干燥。

45. 流化床干燥器

46. 喷雾干燥器 • 喷雾干燥器(spray dryer)适用于溶液或悬浮液的干燥； • 干燥比表面积大，干燥速度快，一般干燥时间在l0秒以下； • 适用于热敏性物料的干燥。淀粉酶、果胶酶、抗生素、氨基酸、血浆和酵母等生物产物可利用喷雾干燥法干燥。

47. 喷雾干燥器