第七章-藥物干燥技術(shù)課件

第七章干燥技術(shù)在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中所得到的固態(tài)產(chǎn)品或半成品往往含有過多的水分或有機(jī)溶劑(濕份)，要制得合格的產(chǎn)品需要除去固體物料中多余的濕份。慣用做法：先采用機(jī)械方法把固體所含的絕大部分濕份除去，然后再利用干燥技術(shù)除去無法脫除的濕份，以降低除濕的成本。根據(jù)除濕方法的原理不同可分為（1）機(jī)械法（2）物理化學(xué)法（3）加熱干燥法（4）冷凍干燥法干燥分類：一、概述用加熱的方法使水分或其它溶劑汽化，并將產(chǎn)生的蒸氣排除，藉此來除去固體物料中濕分的操作第一節(jié)熱干燥技術(shù)干燥過程的分類1、按操作壓力分：常壓干燥加壓干燥真空干燥2、按操作方式分：連續(xù)式干燥間歇式干燥3、按給濕物料提供熱能的方式分：①傳導(dǎo)干燥（間接加熱干燥）：將熱能以傳導(dǎo)的方式通過金屬壁面?zhèn)鹘o濕物料。特點(diǎn)：熱能利用率高。②對流干燥：（直接加熱干燥）：將熱能以對流的方式傳給與其直接接觸的濕物料。特點(diǎn)：熱能利用率比傳導(dǎo)干燥低。③輻射干燥：熱能以電磁波的形式由輻射器發(fā)射，射至濕物料表面被其吸收再轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。④介電加熱干燥：將需要干燥的物料置于高頻電場的交變作用使物料加熱而達(dá)到干燥。干燥過程的基本流程新鮮空氣過濾器鼓風(fēng)機(jī)加熱器

排放引風(fēng)機(jī)二次除塵一次除塵干燥器

產(chǎn)品濕料二、熱干燥基本知識（一）物料中水分的類型1.結(jié)合水與非結(jié)合水結(jié)合水存在于濕物料的毛細(xì)管中的水分，由于毛細(xì)現(xiàn)象，干燥過程中較難除去。①化學(xué)結(jié)合水水分與物料的離子型結(jié)合和結(jié)晶型分子結(jié)合（結(jié)晶水），結(jié)晶水的脫除必將引起晶體的崩潰；②物化結(jié)合水包括吸附、滲透和結(jié)構(gòu)水分，其中吸附水分結(jié)合力最強(qiáng)；③機(jī)械結(jié)合水毛細(xì)管水、濕潤水分、孔隙水份其中，結(jié)合水（包括細(xì)胞含水、纖維束含水以及毛細(xì)管水）較難以除去；而非結(jié)合水（物料表面的濕潤水分和孔隙水份）較容易除去2.平衡水分和自由水分平衡水分：當(dāng)一種物料與一定溫度及濕度的空氣接觸時(shí)，物料勢必會(huì)放出或吸收一定量的水分，物料的含水量會(huì)趨于一定值。此時(shí)，物料的含水量稱為該空氣狀態(tài)下的平衡水分。平衡水分代表物料在一定空氣狀態(tài)下的干燥極限，即用熱空氣干燥法，平衡水分是不能去除的。自由水分：在干燥過程中能夠除去的水分。（二）濕物料中含水量的表示方法1.濕度（m）濕度m是指濕物料中水分的質(zhì)量W占濕物料總量G的百分?jǐn)?shù)，又稱水分百分含量。其定義式為：

2.濕含量（X)濕含量M是指水分的質(zhì)量W與絕干物料的質(zhì)量G0之比。三、熱干燥工藝及控制空氣預(yù)熱器干燥器廢氣濕物料干燥產(chǎn)品干燥過程熱空氣流過濕物料表面熱量傳遞到濕物料表面濕物料表面水分汽化并被帶走表面與內(nèi)部出現(xiàn)水分濃度差內(nèi)部水分?jǐn)U散到表面?zhèn)鳠徇^程傳質(zhì)過程傳質(zhì)過程干燥過程推動(dòng)力傳質(zhì)推動(dòng)力：物料表面水分壓P表水

>熱空氣中的水分壓P空水傳熱推動(dòng)力：熱空氣的溫度t空氣>物料表面的溫度t物表干燥過程分析干燥曲線在一恒定的干燥條件下（保持干燥介質(zhì)的溫度、濕度、流動(dòng)速度不變、干燥介質(zhì)大大過量），進(jìn)行物料的干燥實(shí)驗(yàn)，將所的數(shù)據(jù)作圖，以干燥時(shí)間為橫坐標(biāo)，物料濕含量和物料溫度為縱坐標(biāo)，可得干燥曲線。干燥曲線干燥速率曲線單位時(shí)間內(nèi)，單位干燥面積蒸發(fā)的水分質(zhì)量υ—干燥速率，Kg/h.m2G—絕干物料量，KgA—干燥面積，m2dx/dτ—干燥曲線斜率干燥速率曲線恒速干燥階段濕物料表面為非結(jié)合水所濕潤，物料表面溫度是該空氣狀態(tài)下的濕球溫度；此時(shí)，傳熱推動(dòng)力（溫度差）以及傳質(zhì)推動(dòng)力（飽和蒸汽壓差）是一個(gè)定值；因此，干燥速率也是一個(gè)定值；實(shí)際上，該階段的干燥速率決定于物料表面水分汽化的速率、決定于水蒸氣通過干燥表面擴(kuò)散到氣相主體的速率。因此，又稱為表面汽化控制階段。此時(shí)的干燥速率幾乎等于純水的汽化速度，和物料濕含量、物料類別無關(guān)；影響因子主要有：空氣流速、空氣濕度、空氣溫度等外部條件。降速干燥階段物料濕含量降至臨界點(diǎn)以后，便進(jìn)入降速干燥階段。在降速干燥階段，非結(jié)合水以及被蒸發(fā)，繼續(xù)進(jìn)行干燥，只能蒸發(fā)結(jié)合水。結(jié)合水的蒸氣壓恒低于同溫下純水的飽和蒸汽壓，傳質(zhì)、傳熱推動(dòng)力逐漸減小，干燥速率隨之降低；干燥空氣的剩余能量被用于加熱物料表面，物料表面溫度逐漸升高，局部干燥。在這一階段，干燥速率取決于水分和蒸汽在物料內(nèi)部的擴(kuò)散速度。因此，亦稱為內(nèi)部擴(kuò)散控制階段，與外部條件關(guān)系不大。主要影響因素為物料結(jié)構(gòu)、形狀和大小干燥過程的基本計(jì)算水份蒸發(fā)量濕基含水量（ω）：干基含水量（χ）：水份蒸發(fā)量的計(jì)算W—水份蒸發(fā)量，Kg/hG1—進(jìn)入干燥設(shè)備的濕物料量，Kg/hG2—離開干燥器的產(chǎn)品質(zhì)量，Kg/hW1—濕物料的含水量，（濕基）%W2—干燥后產(chǎn)品含水量，（濕基）%干燥空氣用量L—絕對干燥空氣質(zhì)量流量，kg/hX1—進(jìn)入干燥器的空氣濕度，kg/kgX2—出干燥器的空氣濕度，kg/kg質(zhì)量衡算q—蒸發(fā)1kg水所需熱量，kJ/kg水Q—干燥所需總熱量，kJ/h熱量衡算（一）干燥設(shè)備選擇原則被干燥物料的性質(zhì)：濕物料的物理特性、干物料的物理特性、腐蝕性、毒性、可燃性、粒子大小及磨損性；物料的干燥特性：濕分的類型（結(jié)合水、非結(jié)合水）、初始和最終濕含量、允許的最高干燥溫度、產(chǎn)品的色澤、光澤等；粉塵及溶劑回收安裝的可行性四、熱干燥設(shè)備及操作二、干燥器的選型原則1.物料的熱敏性2.干燥產(chǎn)品的含水量、形狀、強(qiáng)度3.干燥速率曲線、臨界含水量、臨界干燥速率4.物料的粘附性5.物料表面的硬化及收縮現(xiàn)象6.物料的毒性及污染性（二）干燥設(shè)備的分類1.按濕物料在干燥器中得運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分類：（1）相對靜止式干燥器（2）攪動(dòng)式干燥器（3）噴霧式干燥器（1）并流：含水量高的物料與溫度最高而濕度最低的介質(zhì)相接觸，在進(jìn)口端的干燥推動(dòng)力大，在出口端的推動(dòng)力小。適用情況：①干物料不耐高溫而濕物料允許快速干燥；在干燥第一階段，物料溫度始終維持在濕球溫度，到第二階段，物料溫度才逐漸上升，但此時(shí)介質(zhì)溫度已下降，物料不致于過熱。②物料的吸濕性小或最終水分要求不很低；物料在出口處與溫度最低、濕度最高（即相對濕度最大）的介質(zhì)接觸，其平衡水分高。（2）逆流：物料與干燥介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方向相反，干燥推動(dòng)力在干燥器中分布較均勻。適用情況：①濕物料不宜快干而干物料能耐高溫；②物料的吸濕性強(qiáng)或最終含水量要求低；（3）錯(cuò)流：高溫介質(zhì)與物料運(yùn)動(dòng)方向相垂直，如果物料表面都與濕度小、溫度高的介質(zhì)接觸，可獲得較高的推動(dòng)力，但介質(zhì)的用量和熱量的消耗也較大。適用情況：①物料在干燥的始、終都允許快速干燥和高溫；②要求設(shè)備緊湊（過程速度大）而允許較多的介質(zhì)和能耗。廂式干燥設(shè)備由一個(gè)或多個(gè)小格（室）組成；干燥媒介的流動(dòng)方式：自然對流、強(qiáng)制平行流動(dòng)、強(qiáng)制穿流流動(dòng)；使用范圍：適用于粒狀、晶狀和片狀產(chǎn)品優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，但能耗大，熱效低，現(xiàn)已逐漸被淘汰。氣流干燥設(shè)備干燥介質(zhì)為熱干空氣使用范圍：含非結(jié)合水的粉末或顆粒物料的干燥；優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，傳熱系數(shù)大，干燥速度快噴霧干燥設(shè)備采用霧化器，將料液分散成細(xì)小霧滴，在噴霧干燥器內(nèi)直接進(jìn)行干燥，并采用旋風(fēng)分離器對干燥后的物料進(jìn)行回收；優(yōu)點(diǎn)：傳熱表面積大，干燥時(shí)間短，適用于抗生素、酵母粉、酶制劑等熱敏性物質(zhì)的干燥；并可將蒸發(fā)、結(jié)晶、過濾、粉碎等過程集成于一次完成。缺點(diǎn)是熱效低、能耗大、設(shè)備體積過大流化床干燥設(shè)備在流化床中加入濕的顆粒狀物料，在流化床下部通入熱空氣，在一定流速下形成激烈的固體流態(tài)化狀態(tài)。因此，又稱沸騰床，是一種有效的干燥裝置。使用范圍：由于物料在干燥器中停留時(shí)間過長，不適宜干燥一些熱敏性物質(zhì)，使用于干燥葡萄糖、味精、檸檬酸等穩(wěn)定物料的干燥。第二節(jié)冷凍干燥技術(shù)使被干燥的液體在極低的溫度下，冷凍成固體；然后，在低溫、低壓下利用水的升華性能，使冰升華汽化而除去，以達(dá)到干燥的目的；冷凍干燥法適用于絕大多數(shù)生物產(chǎn)品的干燥和濃縮，可以最大限度地保證生物產(chǎn)品的活性。冷凍干燥基本知識物質(zhì)有固、液、汽三態(tài)。物質(zhì)的狀態(tài)與其溫度和壓力有關(guān)。圖1-1示出水（H2O）的狀態(tài)平衡圖。圖中OA、OB、OC、三條曲線分別表示冰和水、水和水蒸汽、冰和水蒸汽兩相共存時(shí)其壓力和溫度之間的關(guān)系。分別稱為溶化線、沸騰線、和升華線。此三條線將圖面分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)區(qū)域，分別表示冰溶化成水，水汽化成水蒸氣和冰升華成水蒸氣的過程。曲線OB的頂端有一點(diǎn)K，其溫度為374℃，稱為臨界點(diǎn)。若水蒸氣的溫度高于其臨界點(diǎn)溫度374℃時(shí)，無論怎樣加大壓力，水蒸氣也不能變成水。三曲線的交點(diǎn)O，為固、液、汽三相共存的狀態(tài)，稱為三相點(diǎn)，其溫度為0.01℃，壓力為610Pa。在三相點(diǎn)以下，不存在液相。若將冰面的壓力保持低于610Pa，且給冰加熱，冰就會(huì)不經(jīng)液相直接變成汽相，這一過程稱為升華。三、冷凍干燥基本過程一、預(yù)凍結(jié)（預(yù)凍）預(yù)凍就是將溶液中的自由水固化，賦予干后產(chǎn)品與干燥前有相同的形態(tài)，防止抽空干燥時(shí)起泡、濃縮、收縮和溶質(zhì)移動(dòng)等不可逆變化產(chǎn)生，減少因溫度下降引起的物質(zhì)可溶性降低和生命特性的變化。溶液的凍結(jié)過程如圖1-3所示。溶液需過冷到冰點(diǎn)以下，其內(nèi)產(chǎn)生晶核以后，自由水才開始以純冰的形式結(jié)晶，同時(shí)放出結(jié)晶熱使其溫度上升到冰點(diǎn)，隨著晶體的生長，溶液濃度增加，當(dāng)濃度達(dá)到共晶濃度，溫度下降到共晶點(diǎn)以下時(shí)。溶液就全部凍結(jié)。溶液結(jié)晶的晶粒數(shù)量和大小除與溶液本身性質(zhì)有關(guān)外，還與晶核生成速率和晶體生長速度有關(guān)，而這兩者又都隨冷卻速度和溫度而變化。一般來說，冷卻速度愈快、過冷溫度越底，形成的晶核數(shù)量越多，晶體來不及生長就被凍結(jié)，此時(shí)所形成的晶體數(shù)量越多，晶粒越細(xì)，反之晶粒數(shù)量越少晶粒越大。圖1-4示出水的結(jié)晶速率很小，但生長速率卻迅速增加。因此如果讓溶液在接近于0℃晶核生長速率很小，但生長速率卻迅速增加。因此如多讓溶液在接近于0℃凍結(jié)，則會(huì)得到粗而大的結(jié)晶，若使之在較低溫度下結(jié)晶，則將得到量多粒小的晶體。二、升華干燥升華干燥也稱第一階段干燥。將凍結(jié)后的產(chǎn)品置于密閉的真空容器中加熱，其冰晶就會(huì)升華成水蒸汽逸出而使產(chǎn)品脫水干燥，干燥是從外表面開始逐步向內(nèi)推移的，冰晶升華后殘留下的空隙變成爾后升華水蒸氣的逸出通道。已干燥層和凍結(jié)部分的分界面稱為升華界面。在生物制品干燥中，升華界面約以每小時(shí)1mm的速度向下推進(jìn)。當(dāng)全部冰晶除去時(shí)，第一階段干燥就完成了，此時(shí)約除去全部水分的90%左右。

三、解析干燥解析干燥也稱第二階段干燥。在第一階段干燥結(jié)束后，在干燥物質(zhì)的毛細(xì)血管壁和極性基團(tuán)上還吸附有一部分水分，這些水分是未被凍結(jié)的，當(dāng)他們達(dá)到一定含量，就為微生物的生長繁殖和某些化學(xué)反應(yīng)提供了條件。實(shí)驗(yàn)證明：即使是單分子層吸附以下的低含水量，也可以成為某些化和物的溶液，產(chǎn)生與水溶液相同的移動(dòng)性和反應(yīng)性。因此為了改善產(chǎn)品的儲存穩(wěn)定性，延長其保存期，需要除去這些水分。這就是解析干燥的目的。(2)冷阱(coldtrap或condenser)冷凍干燥機(jī)中的冷阱既是制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器。應(yīng)該保持足夠低的溫度，以保證升華出來的水蒸氣有足夠的擴(kuò)散動(dòng)力，同時(shí)避免水蒸氣進(jìn)入真空泵。表面溫度在－40℃~－50℃之間冷阱應(yīng)該有足夠的捕水面積。冷阱表面結(jié)霜厚度4~6mm為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)冷阱結(jié)構(gòu)有螺旋盤管式和平板式。

2．真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)應(yīng)保證能在一定的時(shí)間內(nèi)抽除水蒸氣和干空氣，維持干燥箱內(nèi)食品水分升華和解吸（吸附水，毛細(xì)管中水）所需的真空度。因此，真空系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)應(yīng)該是，a)具有水蒸氣抽除能力；b)干燥箱空載極限真空度足