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常州市力度干燥設(shè)備有限公司 2024-08-12 點擊732次
噴霧干燥的一個關(guān)鍵問題是物料顆粒的壁沉積，也就是粘壁。
對壁沉積現(xiàn)象的研究和理解有助于噴霧干燥設(shè)備的選型以及操作條件的控制。
壁面沉積是在實際生產(chǎn)中對噴霧干燥效率影響最大的因素。壁面沉積的狀況將影響噴霧干燥的收率，粉末的性狀，以及生產(chǎn)之后的清潔管理強(qiáng)度。
干燥室器壁材質(zhì)的影響
噴霧干燥機(jī)器壁性質(zhì)在產(chǎn)品粘壁過程中有重要影響。液滴在壁上的粘附與器壁材質(zhì)的性質(zhì)關(guān)系密切。
研究顯示，與不銹鋼相比，尼龍由于表面能較低而顯示出對物料的沉積速率明顯降低。
由于對物料顯示較低的粘性，物料或者不易在尼龍表面產(chǎn)生沉積，或者易被氣流剝離，又或者對顆粒撞擊的響應(yīng)更強(qiáng)而發(fā)生反彈脫離壁面，再或者顆粒長大后更易受重力影響而從沉積表面滑落。
表面能較低的特氟隆表面也是一種值得注意的低粘性表面。
干燥室壁溫的影響
有研究者建議通過降低干燥室壁溫來減少壁沉積通量。這種措施在于期望室壁溫度低于粉末的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。
但是，在實踐中卻發(fā)現(xiàn)，當(dāng)室壁溫度降低時，干燥溫度也隨之降低，這可能導(dǎo)致顆粒水分揮發(fā)減弱。
而顆粒所含水分對物料玻璃化溫度影響很大，有時可能會發(fā)生玻璃化溫度降低的影響超過壁面沉積速率降低的影響的情況，這很有可能導(dǎo)致粘壁更加嚴(yán)重。
因此，壁面降溫的手段并不具有普適性，難以有效避免噴霧干燥粘壁的發(fā)生。
干燥室?guī)缀涡螤罨驀婌F干燥器類型的影響
腔室?guī)缀涡螤罨驀婌F干燥器類型對壁面沉積的形成和程度也有一定影響。腔室?guī)缀涡螤羁芍苯痈淖儦饬髂Ｊ?，從而影響干燥器?nèi)顆粒的行為和流動模式。
一些研究人員嘗試了其他可能的腔室?guī)缀涡螤?，如純圓錐形、燈籠形、沙漏形以及拋物線形。
不僅如此，顆粒在干燥室中的停留時間以及整個干燥室的體積都會影響干燥性能。
Mujumdar 的一項研究結(jié)合了臥式噴霧干燥器來研究壁面沉積現(xiàn)象。他們報告說，即使有流化床，噴霧干燥器底部的沉積物也很明顯。這是由于氣流以低速通過小開口造成的。
另外，大型干燥室可通過將器壁設(shè)置在大多數(shù)顆粒軌跡范圍之外，通過盡可能降低接觸頻率來減少壁面沉積。
研究顯示，旋流會強(qiáng)化物料與壁面的接觸，此時壁面沉積的可能性比無旋流時更大。數(shù)據(jù)表明，無旋流時壁面沉積最少，但蒸發(fā)仍然充足。
物料粘性的影響
一些作者將噴霧干燥器中的粘壁歸因于物料粘性，物料顆粒通過粘附在壁上而產(chǎn)生沉積。這是因為，在高于Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）的溫度下，無定形粉末易處于橡膠化狀態(tài)。
此時，物料顆粒表現(xiàn)得更柔軟，流動性更大，易在適宜表面產(chǎn)生熱塑性鋪展而形成粘附。
因此，在噴霧干燥過程中，無定形物料的表面溫度不應(yīng)超過 Tg 以上 10-20 °C，以避免產(chǎn)品粘性過大。尤其是低聚合度的碳水化合物，小分子糖類物質(zhì)。
在低于 Tg 的溫度下，物料的無定形部分處于玻璃態(tài)，分子運(yùn)動受到明顯限制，物料更多體現(xiàn)結(jié)晶形態(tài)，剛性較高。此時，物料與器壁的碰撞更偏向剛性碰撞，碰撞接觸面積較小，回彈較強(qiáng)而不易產(chǎn)生熱塑性粘附。
Ozmen 和 Langrish觀察到，當(dāng)壁沉積溫度低于Tg 時，壁沉積較少。
當(dāng)進(jìn)料流速增加時，會形成較大的液滴，蒸發(fā)速率相應(yīng)降低。由于干燥室內(nèi)引入了較多的水，室壁以及物料的粘性都有所提高，導(dǎo)致壁沉積通量增加。
而后，正如Ozmen和Langrish觀察到的，已經(jīng)沉積的顆粒將表現(xiàn)出對濕潤顆粒更大的粘附速率。
Chegini和Ghobadian報告稱，在恒定的空氣入口溫度下，增加進(jìn)料流速會增加壁面沉積。當(dāng)更多的物料在干燥室內(nèi)霧化時，顆粒的停留時間縮短，干燥時間減少，從而產(chǎn)生更濕潤的顆粒。
此時，顆粒的黏度更高，在提高室壁沉積通量的同時，也提高了顆粒之間的粘附速度，進(jìn)而使壁沉積加大加快導(dǎo)致干燥收率下降。
干燥助劑的影響
Keshani 等人的研究報告稱，添加劑作為干燥助劑在減少沉積通量方面的作用非常明顯。
富含糖的物料中需要添加玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較高的干燥助劑以減少壁沉積。此類物質(zhì)一般更類似纖維素，剛性較高且有較多的親水基團(tuán)，對小分子糖類有適當(dāng)?shù)奈侥芰?，而且被水飽和后，此類物質(zhì)的 Tg 降低并不明顯。
干燥助劑的加入可以調(diào)整物料顆粒對壁面的撞擊模式，使碰撞更多地偏向剛性碰撞而減少粘性碰撞，從而有助于降低沉積通量。
干燥助劑也可以降低顆粒之間的粘性碰撞頻率，這對于降低潤濕顆粒之間的相互粘附很有幫助。
Adhikari 等人的研究利用表面活性蛋白質(zhì)，如乳清分離蛋白和酪蛋白酸鈉來降低富糖食品的粘性。
他們發(fā)現(xiàn)，在沒有低分子表面活性劑的情況下，蛋白質(zhì)會提高粉末回收率。此時，蛋白質(zhì)會在表面聚集形成玻璃狀薄膜，可有效提高蔗糖液滴的表面 Tg，而降低蔗糖液滴的表面粘性。
這類似于在顆粒表面做了尼龍涂層。尼龍在化學(xué)本質(zhì)上與蛋白質(zhì)有相似之處，都是通過酰胺鍵形成的高分子。
然而，在有低分子表面活性劑時，產(chǎn)品收率會大幅下降。這是因為低分子表面活性劑會影響蛋白質(zhì)的表面遷移，阻礙蛋白質(zhì)在表面聚集形成不粘膜。
Kieviet 指出，物料顆粒對壁面和其它顆粒的粘附，以及物料顆粒從壁面和其它顆粒的滑落是兩個重要的因素。尤其重要的是顆粒從噴霧干燥機(jī)的錐形壁上滑落所用的時間。
例如，乳糖和蛋白質(zhì)在顆粒表面的存在一方面可能使顆粒表面由于玻璃化轉(zhuǎn)變點較高而變得更硬剛性更強(qiáng)；另一方面，乳糖和蛋白質(zhì)的存在也可能使顆粒表面更具親水性，因而更易與器壁或其它顆粒產(chǎn)生吸附。
然而，Keshani 等人的研究報告稱，表面上存在高比例的蛋白質(zhì)會導(dǎo)致噴霧干燥器錐體處的粘附率顯著降低。這表明，顆粒的剛性，也就是較高的 Tg 意味著顆粒將從錐體處更快地滑落。
盡管乳清蛋白表面可能含有更高比例的脂肪，但蛋白質(zhì)在增加顆粒表面的疏水性方面表現(xiàn)更突出。全脂牛奶顆粒觀察到的類似趨勢比乳清蛋白顆粒更明顯。
另外，濕潤顆粒對器壁的粘附與顆粒對顆粒的吸附有所不同。濕潤顆粒在器壁上的粘附更多地取決于干燥器壁的特性。而顆粒對顆粒的粘附與顆粒之間的凝聚力有關(guān)。這意味在發(fā)生壁沉積時，各層的粘附率可能會有差異。