微生物工程工藝與設備干燥工藝及其設備

微生物工程工藝與設備干燥工藝及其設備第1頁/共94頁第五章干燥設備第2頁/共94頁第一節(jié)概述一、干燥在發(fā)酵產(chǎn)品中的應用二、干燥的種類1、按壓力分：常壓、真空2、按操作方式分：間歇、連續(xù)3、按干燥物料分：溶液、漿、膏、粒、塊等4、按給熱方式分：傳熱、對流、輻射、高頻加熱、冷凍升華等。5、按干燥介質分：空氣、煙道氣、過熱蒸汽、惰性氣體等。常用的干燥方法：噴霧干燥、熱風干燥、流化床干燥、沸騰干燥、微波干燥、輻射干燥、冷凍干燥等。第3頁/共94頁生物制品通常具有熱敏性，故其干燥設備需有如下特點：必須快速高效，加熱溫度不宜過高產(chǎn)品與加熱介質接觸時間不宜過長；產(chǎn)品應保持一定純度，避免混入其他雜質。生物制品干燥設備最后選擇快速瞬時干燥設備或低溫干燥設備瞬時快速干燥設備低溫干燥設備氣流干燥設備；沸騰干燥設備；滾筒干燥設備；噴霧干燥設備等真空干燥設備；冷凍干燥設備；干燥時間短，氣流溫度高，但被干燥物料溫度不會太高真空低溫，適合高熱敏性物料，但干燥時間較長三、生物產(chǎn)品干燥特點第4頁/共94頁生物工程常用的干燥設備第5頁/共94頁流化床干燥(一)原理及特點1、干燥原理將顆粒物料堆放在分布板上，當氣流由設備的下部通入床層時，隨著氣流速度加達到某種程度，固體顆粒在床層內就會產(chǎn)生沸騰狀態(tài)，這種床層稱為流化床，采用這種方式進行物料的干燥即稱為流化床干燥。一般適用于30m~6mm顆粒狀物料。2、特點：介質和固體顆粒能夠充分混合，強化了兩相間的傳熱和傳質；兩相間的接觸表面積大，熱容量系數(shù)大；氣流速度較低，顆粒的破碎與設備的磨損較?。蝗秉c是操作控制系統(tǒng)比較復雜。第6頁/共94頁(二)干燥流程第7頁/共94頁

第8頁/共94頁干燥設備1、流化床干燥機的分類固定床氣流速度較低時，在床層中固體顆粒雖與介質接觸，但固體顆粒的相對位置不發(fā)生改變，這時固體顆粒的狀態(tài)稱為固定床。

流化床當固定床階段的介質流速達到某一點時，固體顆粒就會產(chǎn)生相互間的位置移動床層的壓力保持不變，固體顆粒在床層中產(chǎn)生不規(guī)則運動，這時的床層狀態(tài)就處于流態(tài)化。第9頁/共94頁(1)按結構形式分：單層流化床干燥機、多層流化床干燥機、臥式多室流化床干燥機、噴動床干燥機、振動床干燥機、脈沖床干燥機等(2)按操作情況分：連續(xù)式和間歇式流化床(3)型式單層流化床干燥機、多層流化床干燥機。單層流化床干燥機：用于較易干燥或要求不嚴格的濕粒狀物料。多層流化床干燥機：立式多層流化床干燥機。熱利用律高，有逆流干燥的特點第10頁/共94頁臥式單層流化床操作時，濕物料由第一室開始逐步向下一室移動，已干燥的物料在最后一室經(jīng)出料口排出。加料口不斷加入被干燥物料，熱空氣通過金屬網(wǎng)板不斷送入熱空氣，每個通道均有閥門控制，送入的熱空氣通過網(wǎng)板上的小孔是固體顆粒懸浮，并激烈地形成均勻的混合狀態(tài)，促進水分蒸發(fā)。第11頁/共94頁

干燥器結構：干燥器外殼、篩板、通風道等

適用產(chǎn)品：在生物工業(yè)中，常用于檸檬酸晶體和活性干酵母等的干燥

特點：對各種物料的適應性較大，但熱效率較低。第12頁/共94頁2、振動流化床干燥第13頁/共94頁干燥機第14頁/共94頁篩選段第15頁/共94頁第16頁/共94頁第17頁/共94頁第18頁/共94頁絕熱干燥設備一、氣流干燥(一)氣流干燥原理及特點1、基本原理它是把潮濕的顆粒狀、塊狀物料送入熱氣流中，物料一邊呈懸浮狀態(tài)與氣流并流輸送，一邊進行干燥。應用：適用于在潮濕狀態(tài)下仍能在氣體中自由流動的顆粒、粉狀或片狀物料的干燥如：谷物、葡萄糖、氨基酸以及其他的生物產(chǎn)品。2、特點：干燥強度大；干燥時間短；適應范圍廣；能夠連續(xù)操作熱能利用程度較低，一般熱利用率僅為30％左右第19頁/共94頁（二）干燥設備1、流程第20頁/共94頁2、加熱管(1)長管(2)脈沖管(3)倒錐式(4)套管式：可降低管長，提高熱效率。3、其他附屬設備粗濾器、加熱器、分離器、加料器、除塵器等(三)干燥計算1、干燥時間2、干燥管長度3、管徑第21頁/共94頁結構簡單、但占廠房高度高、需要氣速高、磨損較強。第22頁/共94頁傳熱傳質效果好，管長縮短，磨損較強，動力消耗大，制造麻煩。第23頁/共94頁縮短了管長，磨損小。第24頁/共94頁１、熱風爐2、錐管3、螺旋加料器4、旋風分離器

5、螺旋卸料器6、旋風除塵器7、引風機8、反吹布袋除塵器第25頁/共94頁第26頁/共94頁測壓噴嘴熱風進口加料口燈孔出料口測溫口人孔窺鏡燈孔沸騰造粒干燥第27頁/共94頁沸騰造粒干燥(1)影響顆粒大小的因素停留時間摩擦作用干燥溫度

(2)適用物料：結晶料母液、濃度高的液態(tài)料干燥。(3)特點設備投資小、熱風溫度低，電能消耗小，空間和高度需求量小但因返料效率低，受熱時間長，不宜于熱敏性物料。第28頁/共94頁第29頁/共94頁第30頁/共94頁二、噴霧干燥(一)噴霧干燥原理將物料霧化成分散的小液滴（微粒），懸浮于熱空氣中，在瞬間完成大部分水分的去除，使物料中的固體物質干燥成粉末。第31頁/共94頁第32頁/共94頁噴霧干燥系統(tǒng)的基本構成第33頁/共94頁第34頁/共94頁特點

速度快、時間短、衛(wèi)生、負壓可避免飛揚；

溫度低、適于熱敏性物料；

產(chǎn)品分散性、溶解性好；

但設備復雜、投資大、需要昂貴的回收設備、耗電耗熱。空氣需要量大。第35頁/共94頁(二)、設備分類1、按微粒化方法分類壓力噴霧利用高壓泵，使料液以5-20MPa的壓力從孔徑為1.5-6mm的噴孔噴出，分散成50-100um的液滴發(fā)酵中應用少離心噴霧利用在水平方向作高速旋轉的圓盤給予料液以離心力,使其高速甩出，形成薄膜、細絲或液滴,同時又受到周圍空氣的摩擦、阻礙與撕裂等作用形成細霧可用于酶制劑、酵母。氣流噴霧依靠壓力為0.25～0.6Mpa的壓縮空氣高速通過噴嘴時，將料液吸入并被霧化。用于制藥。第36頁/共94頁(二)、設備分類2、按塔的形式分：立式、臥式3、按進風和被干燥顆粒的運動方向分：并流型、逆流型、混流型。第37頁/共94頁第38頁/共94頁第39頁/共94頁第40頁/共94頁第41頁/共94頁噴霧干燥的附屬設備加熱器蒸汽加熱器是由多塊蒸汽散熱排管組成，排管用銅管或鋼管制成，管外套以增加傳熱效果的翅片，翅片與管子有良好的接觸。粉塵分離裝置回收夾帶在尾氣中的細干粉末產(chǎn)品提高產(chǎn)品出率同時降低排到大氣中廢氣的粉塵量，減少對環(huán)境的污染。有布袋過濾器、旋風分離器、濕式除塵器，從廢氣中回收粉末，一般采用旋風分離器再經(jīng)過袋濾器二級凈制回收。第42頁/共94頁布袋過濾器濾袋上端緊扎懸掛在橫梁上，下端固定在板上。含塵氣體由花板進入若干濾袋中，粉塵被截留在袋中，經(jīng)凈化的氣體自然外逸。通過振蕩裝置抖下濾袋中粉塵，落入灰斗。第43頁/共94頁

第44頁/共94頁(四)干燥塔結構

1、塔體材料：內壁、保溫層、外壁尺寸：離心式h1/d=0.5~1，h2=d壓力式h1/d=4~5，h2=d

h1=8~30m

氣流式h1/d=2.4~3

其他構件：壓力表、人孔視鏡、梯子、加強角鋼等第45頁/共94頁(1)、壓力噴霧霧化器利用高壓泵，使料液以5-20MPa的壓力從孔徑為1.5-6mm的噴孔噴出，分散成50-100um的液滴。液滴在干燥室內與熱氣流接觸而獲得干燥

霧化器第46頁/共94頁壓力霧化器的特點優(yōu)點

①結構簡單、制造成本低、維修、更換方便；②動力消耗較?。秉c：①噴嘴易堵塞、磨損；②操作彈性小，產(chǎn)量調節(jié)范圍窄。第47頁/共94頁(3)離心噴霧離心盤離心噴霧干燥原理：物料靠高速旋轉的圓盤上的離心力使其高速甩出，形成薄膜、細絲或液滴，同時，物料又受到周圍空氣的摩擦、阻礙和撕裂作用，隨圓盤旋轉而產(chǎn)生的切向速度與離心力作用而產(chǎn)生的徑向速度，最后以合速度在圓盤上運動，其運動軌跡為螺旋形，液體沿此螺旋線從圓盤上拋出，分散成微小的液滴，以平均速度沿圓盤切線方向運動，同時，液滴有受到重力作用而下降，由于噴出的微粒大小不同，所以他們飛行的距離也不同。因此，在不同的距離落下的微粒形成以轉軸中心對稱的圓柱體。第48頁/共94頁噴盤利用在水平方向作高速旋轉的圓盤給予料液離心力，使其高速甩出，形成薄膜、細絲或液滴，同時又受到周圍空氣的摩擦、阻礙與撕裂等作用形成細霧進而干燥。目前，酶制劑多用此法干燥生物工業(yè)的主要噴盤形式為噴槍形、錐形和圓帽形等離心轉盤轉速可超過7000r/min第49頁/共94頁離心盤第50頁/共94頁機械式離心霧化器氣動式離心霧化器第51頁/共94頁混合式離心盤第52頁/共94頁離心噴霧干燥流程第53頁/共94頁優(yōu)點：①液料通道大，不易堵塞；②對液料的適應性強。高粘度、高濃度的液料均可；③操作彈性大，進液量變化±25％時，對產(chǎn)品質量無大影響。缺點：①結構復雜、造價高；②動力消耗比壓力式大；③只適于順流立式噴霧干燥設備。

離心霧化器的特點第54頁/共94頁中心管為料液通道，環(huán)隙為氣體通道，當氣、液兩相在端面處接觸時，由于氣體從環(huán)隙噴出的速度高達200-340m/s。液體流出速度一般低于2m/s，因此在二流體之間存在著很大的相對速度，從而產(chǎn)生很大的摩擦力，使料液霧化。氣流噴霧器可分為內混式和外混式兩種基本形式3）氣流霧化器第55頁/共94頁雙流：穩(wěn)定可靠，不適合高黏度料。

三流：適合高黏度料。動力消耗大，適用粘度范圍大，結構簡單。第56頁/共94頁空氣分配盤氣流噴霧是依靠壓力為0.25-0.6MPa的壓縮空氣高速通過噴嘴時，將料液吸入并被霧化。噴嘴孔徑為1-4mm，能夠處理懸浮液和黏性較大的料液，如核苷酸、蛋白質的噴霧干燥D：H=1：2.4-3D：h=1；1.3-1.6螺旋排風管是在回風管下部外側焊上螺旋形導風板，使氣流沿螺旋導風板旋轉向下其作用是使空氣形成旋流與霧滴接觸，提高干燥效率。由30個葉片均勻焊接于分配盤頂?shù)闹苓?，并與水平方向成30度角，風排出方向依旋風方向而定。第57頁/共94頁熱風分配器熱風盤的作用是使進塔后的熱風分配均避免造成塔內局部黏壁熱風是由主風道、分流口、風向調節(jié)板進入。調節(jié)板向下傾斜角度是可調的。離心噴霧式熱風分配器第58頁/共94頁第59頁/共94頁蝸殼式：用于離心噴霧第60頁/共94頁(五)、附屬設備1、空氣加熱器燃油熱風爐、蒸汽加熱器第61頁/共94頁2、空氣過濾器5、其它：篩分裝置、3、粉塵分離器冷卻裝置4、出料裝置

塔底振蕩出料

螺旋出料器

渦旋氣封閥

旋風分離器第62頁/共94頁(六)、噴霧干燥設備設計與計算1、噴霧干燥室設計（1）熱風進風位置和熱風分配室a、壓力式：均風板形式、錐形氣流調節(jié)裝置b、離心噴霧干燥熱風分配盤（2）干燥室尺寸及噴嘴位置的確定a、干燥室截面積的確定b、噴嘴位置的確定c、噴嘴個數(shù)的確定（3）干燥室結構2、過濾器、空氣加熱器、進風機和排風機的選擇第63頁/共94頁微波干燥微波一般是指波長在1mm～1m范圍(頻率為300～300000MHz)的電磁波。也稱做超高頻。微波的傳統(tǒng)應用是將微波作為一種傳遞信息的媒介，應用于雷達、通訊、測量等方面。近年來，除了傳統(tǒng)的微波應用繼續(xù)發(fā)展外，微波作為一種能技術也迅速發(fā)展，將微波能廣泛用于對物體進行加熱和干燥。第64頁/共94頁原理

被加熱的介質由許多極性分子（偶極分子）組成。當介質處于直流電場作用之下時，偶極分子就重新進行排列。若電場迅速交替也改變方向，則偶極子亦隨之作迅速的擺動。由于分子的熱運動和相鄰分子間的相互作用，偶極子隨外電場方向改變而作的規(guī)則擺動便受到干擾和阻礙，即產(chǎn)生了類似摩擦的作用，使分子獲得能量，并以熱的形式表現(xiàn)出來，表現(xiàn)為介質溫度的升高。第65頁/共94頁

一般干燥

過程：被加熱物首先外部受熱干燥，然后向內部傳遞。而熱量傳遞與水分擴散傳遞的方向相反。

結果：熱量向內層傳遞愈來愈慢，水分向外層傳遞也愈來愈慢。

微波加熱

過程：內部加熱。物品的最內層首先干燥，最內層水分蒸發(fā)遷移至次內層、外層。

結果：水分由內層向外層的遷移速度很快，即干燥速度比一般的干燥速度快很多．特別是在物料的后續(xù)干燥階段。第66頁/共94頁

優(yōu)點干燥速度快，干燥時間短；料層加熱均勻，制品品質高；加熱易于瞬時控制選擇性吸收加熱效率高：熱效率可達到80％。第67頁/共94頁微波干燥機1、組成和型式組成：直流電源、微波發(fā)生器、波導管、微波干燥器及冷卻系統(tǒng)。冷卻方式：風冷或水冷。型式：（1）微波爐第68頁/共94頁（1）微波爐微波能在箱壁上的損失極少，沒有被物料吸收掉的能量，透過料層達到壁面以后，仍被反射回去，使微波能全部用于物料的干燥。（2）行波場波導干燥器（3）輻射型微波干燥器（4）慢波型微波干燥器特點：在短時間內能施加大的微波功率，因此適合干燥表面積較大、熱容量較小的薄片物料，因為這類材料本身不易加熱，且散熱又快，故必須在短時間內施加很大的微波功率，以提高干燥效率。第69頁/共94頁二、冷凍干燥設備1、概述2、干燥原理：

物料首先凍結，然后在水的三相點溫度和壓力以下，使產(chǎn)品中的水分直接由固態(tài)（冰）轉變成氣態(tài)（水蒸氣）即升華，從而是產(chǎn)品中的水分去除的干燥方法。冷凍干燥是將濕物料（或溶液）在較低溫度下（-10~-50℃）凍結成固態(tài)，然后在高度真空（130～0.1Pa）下，將其中固態(tài)水分直接升華為氣態(tài)而除去的干燥過程。冷凍干燥方法：連續(xù)式、間歇式。第70頁/共94頁第71頁/共94頁3、冷凍干燥特點：（1）能夠最大限度地保存產(chǎn)品的成分；（2）由于水分就地析出，使產(chǎn)品保持原有的固體骨架；（3）重量輕，脫水徹底(一般低于2%～5%)；復水性好；（4）真空下操作，易氧化物質得到保護。（5）但時間長，能耗大。第72頁/共94頁冷凍干燥設備系統(tǒng)組成冷凍干燥設備結構：冷凍系統(tǒng)、水氣去除裝置、加熱系統(tǒng)，真空系統(tǒng)。按結構分：干燥室、蒸汽冷凝器（冷阱）、冷凍機、真空泵、控制元件、儀表第73頁/共94頁預冷凍和干燥均在一個箱內完成待干燥的物料放入干燥室1內，開動預冷用冷凍機10對物料進行冷凍隨之開啟冷凝器2和真空裝置5、6、7，實現(xiàn)升華干燥操作加熱器8以作冷凝器內化霜之用第一階段升華干燥結束后，開啟油加熱循環(huán)泵1l對干燥室加熱升溫，使之汽化排除剩余的水分。

第74頁/共94頁第75頁/共94頁冷凍系統(tǒng)冷凍干燥中，冷凍及水氣的冷凝都離不開冷凍過程。常用的制冷方式有蒸汽壓縮式制冷、蒸汽噴射式制冷、吸收式制冷3種方式其中最常用的是蒸汽壓縮式制冷第76頁/共94頁蒸汽壓縮式制冷實質上是一種逆向卡諾循環(huán),整個過程分為壓縮、冷凝、膨脹和蒸發(fā)4個階段。壓縮:冷凍劑氣體被壓縮機壓縮，使之壓力增大，溫度升高冷凝:被壓縮后的冷凍劑氣體經(jīng)冷凝器后又重新變?yōu)橐簯B(tài)冷凍劑，在此過程中釋出的熱量，由冷凝器中的水或空氣帶走。膨脹:液態(tài)的冷凍劑經(jīng)過膨脹閥后，壓力急劇下降蒸發(fā):進入蒸發(fā)器后急劇吸熱汽化，使蒸發(fā)器周圍空間的溫度降低蒸發(fā)后的冷凍劑氣體被壓縮機壓縮，這樣，冷凍劑便在系統(tǒng)中完成一個循環(huán)過程。第77頁/共94頁第78頁/共94頁干燥過濾器干燥過濾器的作用濾去制冷系統(tǒng)中的雜物，如金屬屑、各類氧化物和灰塵等，以防止雜物堵塞毛細管或損壞壓縮機吸收制冷系統(tǒng)中的殘留水份，防止產(chǎn)生冰堵，減少水份對制冷系統(tǒng)的腐蝕作用。干燥過濾器的結構銅管制成的殼體兩端設置過濾網(wǎng)（一般采用80目至120目的金屬網(wǎng)），中間裝入干燥劑而組成。干燥劑:無水氯化鈣、硅膠和分子篩等球狀分子篩或特制的分子篩柱。它對制冷系統(tǒng)中的水份有強烈地吸附作用第79頁/共94頁膨脹閥膨脹閥又稱節(jié)流閥，高壓制冷劑通過膨脹間節(jié)流而降壓，使制冷劑由冷凝壓力降低到所要求的蒸發(fā)壓力，制冷劑汽化吸熱，使其本身的溫度降低到需要的低溫，再送入蒸發(fā)器常用的手動膨脹閥有針形閥（公稱直徑較小）和V形缺口閥（公稱直徑較大）兩種熱力膨脹閥是一種能自動調節(jié)液體流量的節(jié)流膨脹閥，它是利用蒸發(fā)器出口處蒸汽的過熱度來調節(jié)制冷劑的流量第80頁/共94頁制冷劑制冷劑是制冷系統(tǒng)中借以吸取被冷卻介質（或載冷劑）熱量的介質沸點要低，在蒸發(fā)器內的蒸發(fā)壓力應大于外界大氣壓；冷凝壓力不超過1.2～1.5MPa；單位體積產(chǎn)冷量應盡可能大；密度和粘度應盡可能小；導熱和散熱系數(shù)高；蒸發(fā)比容小，蒸發(fā)潛熱大。制冷劑能與水互溶，對金屬無腐蝕作用，化學性能穩(wěn)定，高溫下不分解無毒性、無窒息性及刺激作用，且易于取得，價格低廉。第81頁/共94頁制冷劑常用的制冷劑有氨、氟利昂、二氧化碳等。若蒸發(fā)溫度高于-40℃，可用單級制冷壓縮機，以F-22為冷凍劑。若要達到更低溫度應采用雙級制冷壓縮機系統(tǒng)。雙級系統(tǒng)以氨為冷凍劑時，最低蒸發(fā)溫度可達-50℃，以F-22為冷凍劑時，則可達-70℃。為確保人類生存的地球環(huán)境不再惡化，氟利昂將要被新型的環(huán)保制冷劑所取代第82頁/共94頁制冷劑名稱氨F-11F-12二氧化碳化學分子式NH3CClCCl2CO2沸騰溫度/℃-33.323.6-29.8-78.5凝固溫度/℃-77.7-111.1-158.2臨界溫度/℃132.4198111.531臨界壓力（絕對）/MPa11.434.384.017.39-15℃時蒸發(fā)壓力（絕對）/MPa0.2360.0210.1832.29-15℃蒸發(fā)，30℃冷凝的壓縮比pk/p04.946.194.0753.14-15℃時汽化熱/（kJ/kg）1312.4191.8161.6260.7制冷系數(shù)4.875.234.72.56使用溫度范圍/℃10~-6010~010~-600~-60常用的幾種制冷劑的性能表第83頁/共94頁壓縮機的選擇當制冷溫度較低時，則壓縮機應在高壓縮比（壓縮機出口壓力pl與進口壓力p2的比值）條件下工作。此時若采用單級壓縮制冷，則壓縮終了時氣體的溫度很高，會引起運行上的困難，這種情況下，可采用雙級壓縮制冷。一般當壓縮比p1／p2＞8時，采用雙級壓縮較為經(jīng)濟合理。第84頁/共94頁雙級制冷壓縮機系統(tǒng)第85頁/共94頁載冷劑采用間接冷卻方法進行制冷所用的低溫介質稱為載冷劑冰點低熱容量大對設備的腐蝕性小，且價格低廉。載冷劑在制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器中被冷卻，然后被泵送至冷卻設備內。吸收熱量后返回蒸發(fā)器中第8