牛初乳低溫集成干燥造粒裝置研究

彭巧云，李占勇，徐 慶，耿縣如

(天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300222)

牛初乳低溫集成干燥造粒裝置研究

彭巧云，李占勇，徐 慶，耿縣如

(天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300222)

研制一種集低溫干燥和造粒于一體的集成干燥造粒裝置，并給出干燥器主要工藝參數(shù)的計算方法．該實驗裝置用于溫度低于 60,℃的牛初乳加工，取得了理想的產(chǎn)品．經(jīng)檢測，干燥后牛初乳中的免疫球蛋白的損失率小于冷凍干燥產(chǎn)品，產(chǎn)品粒度均勻、光滑，無需破碎、篩分工序．該裝置的研制為熱敏性物料的干燥提供了新方法．

牛初乳；噴霧；流化；集成干燥；造粒；裝置設(shè)計

Abstract：Drying and granulating integrated device combines low temperature drying techonoly and granulating techonoly.Computation method of the main technical parameters of the dryer were given. This device was used to dry bovine colostrums with the temperature below 60,℃，and the ideal product was achieved. The results of tests show that the loss rate of immune globulin in dried bovine colostrum is less than that of the freeze-dried products. Moreover，the granularity of dried product is uniform and smooth. It dispenses with crushing and screening. This device provides a new method to dry the thermal sensitive material.

Keywords：bovine colostrums；spray；fluidization；integrated drying；granulating；device design

現(xiàn)代乳品工業(yè)認為，牛初乳是健康奶牛分娩后一周內(nèi)所分泌的乳汁的總稱，富含優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)、免疫球蛋白(Ig，主要為 IgG)、生長因子等組分，能增強人體免疫力，促進組織生長，是一種純天然的健康食品，應(yīng)用前景廣闊．由于新鮮牛初乳感官指標(biāo)低，口感較差，成分復(fù)雜，人不能直接食用，故常加工成液態(tài)或固態(tài)產(chǎn)品后再投放市場[1–2]．

現(xiàn)有的牛初乳加工技術(shù)有冷凍干燥技術(shù)，噴霧干燥技術(shù)，膜分離技術(shù)、微膠囊技術(shù)等．制備固態(tài)產(chǎn)品，如牛初乳粉，常用的是冷凍干燥技術(shù)和噴霧干燥技術(shù)．冷凍干燥能夠較好地保存牛初乳的原有品質(zhì)，但制冷系統(tǒng)能耗高，設(shè)備及操作的費用投資大，又是間歇操作，干燥時間長，產(chǎn)量低，產(chǎn)品形狀不理想，速溶性差．噴霧干燥具有生產(chǎn)時間短，產(chǎn)品易成型的優(yōu)點，但傳統(tǒng)的噴霧干燥裝置設(shè)備體積龐大、操作溫度較高，對某些熱敏性物料成分的破壞比較嚴重[3]．故眾多學(xué)者和企業(yè)都在尋求研究一種既能降低生產(chǎn)成本，又可使干燥產(chǎn)品質(zhì)量接近于冷凍干燥產(chǎn)品的新型干燥技術(shù)．

基于以上考慮，本文研制了一種低溫集成干燥裝置，集噴霧、流化、造粒和干燥于一體，可用于溫度低于 60,℃的牛初乳加工，得到了粒度均勻、品質(zhì)高的理想產(chǎn)品．

1 裝置工藝流程

裝置工藝流程如圖 1所示．料液與熱空氣在氣流霧化器中混合，經(jīng)過噴霧口在塔內(nèi)并流下降，完成恒速干燥階段后到達流化氣體分布板，而后經(jīng)過噴動氣體和流化氣體的共同作用，完成降速干燥階段，顆粒的大小由噴動氣體流量控制，達到要求后，對顆粒進行收集[4]．

圖1 集成干燥器工藝流程Fig.1 Integrated dryer process

在此過程中，霧滴的干燥分為兩個階段，第一階段為從霧化器噴霧下降到流化板上形成未完全成形的微細顆粒，第二個階段為在流化板完成最終干燥并形成所需產(chǎn)品顆粒，即在第一個階段完成升速和恒速干燥，第二個階段完成降速干燥．以上流程結(jié)合了噴霧干燥、流化床干燥及噴動床干燥過程，充分利用了氣流霧化的優(yōu)勢．

2 工藝設(shè)計

2.1 干燥能力

干燥能力根據(jù)式(1)計算

式中：G2為干燥后產(chǎn)品產(chǎn)量，kg/h；G1為濕物料的處理量，kg/h；x1為濕物料的干基濕含量，kg/kg；x2為干燥后產(chǎn)品的干基濕含量，kg/kg．

2.2 水分蒸發(fā)量

水分蒸發(fā)量根據(jù)式(2)計算

式中：Gc為絕干物料質(zhì)量流量，kg/h；x1為進干燥器物料的干基含水量，kg/kg；x2為干燥后產(chǎn)品的干基含水量，kg/kg；y1為進干燥器空氣的相對濕度，%；y2為出干燥器空氣的相對濕度，%；L為絕干空氣流量，kg/h．

2.3 空氣消耗量

空氣消耗量根據(jù)式(3)計算

式中：I1和 I2分別為單位質(zhì)量進干燥器空氣的焓和單位質(zhì)量出干燥器空氣的焓，kJ/kg；I1′和I2′分別為進干燥器物料的焓和出干燥器物料的焓，kJ/kg；QL為干燥器的熱量損失，計算公式為

QL＝k·A·Δt

式中：k為干燥器壁面與環(huán)境間的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A 為干燥器壁面積，m2；Δt 為干燥器壁面與環(huán)境間的溫差，℃．

出干燥器空氣的焓為

式中，t2為空氣出干燥器的溫度，℃．

由式(2)、(3)、(4)聯(lián)合求出 y2、I2、L，進而可以求得干燥所需空氣量和風(fēng)機的風(fēng)量．

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

低溫集成干燥造粒工藝的核心是低溫噴霧干燥裝置，如圖 2所示．利用氣流霧化，待液滴從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轲こ頎睿催_到玻璃化時，液滴落在流化床上，此時遇到低溫低濕的流化氣體，迅速固化．當(dāng)固化顆粒形成時，又被噴動氣體托起向上運動，小顆粒成長變大．在此循環(huán)過程中，達到所需的顆粒度尺寸和最終水分含量．

圖2 低溫噴霧干燥裝置示意圖Fig.2 Schematic of low-temperature spray drying

在噴霧干燥過程中，隨著干燥的進行，物料會發(fā)生從液態(tài)向橡膠態(tài)，再到玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變[5]．對于低溫、黏稠的物料，一般壓力噴霧及離心噴霧都難以操作，而氣流噴霧則利用壓縮空氣達到在噴嘴內(nèi)充分混合的效果，結(jié)構(gòu)簡單，不易粘結(jié)，并能調(diào)節(jié)霧滴的大小．

3.2 霧滴干燥所需時間

霧滴干燥所需時間包括第一階段所需時間1τ和第二階段所需時間2τ．

3.2.1 干燥第一階段的時間計算

第一階段傳熱的平均溫度差為

式中：t1為空氣進入霧化器前的溫度，℃；t2為空氣第一階段結(jié)束前的溫度，℃；t1′為液滴進入霧化器前的溫度，℃；t2′為液滴第一階段結(jié)束前的溫度，℃．

干燥第一階段所需要的時間為

式中：為水的汽化潛熱，kJ/kg；wρ為料液的密度， kg/m3；λ為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/(m·h·℃)；Dav為平均霧滴直徑，μm；Dc為臨界液滴直徑，近似等于顆粒最終直徑，μm．

3.2.2 干燥第二階段的時間計算

該階段對數(shù)平均溫度差

式中：t3為空氣的最終溫度，℃；t3′為顆粒的最終溫度，℃．

該階段所需干燥時間

式中：ρD為產(chǎn)品的密度，kg m3；xc為第一階段末顆粒臨界干基濕含量，kg/kg；x2為產(chǎn)品的干基濕含量，kg/kg．故，霧滴干燥所需總時間τ=τ1+τ2．

3.3 干燥器直徑的計算

在噴嘴孔處的液膜平均速度為uav，其分速度為uxav及uyav，液膜是與軸線成角噴出．因此，uav可以分解為徑向速度uxav及軸向速度uyav．

根據(jù)上式求得的霧滴的初始水平分速度uxav，利用圖解積分法求得霧滴由干燥器中線沿徑向運動的半徑距離Sz，因而干燥器直徑D=2Sz，計算結(jié)果圓整．

3.4 干燥器高度的計算

(1)第一階段中霧滴的勻速沉降速度為

式中：μa為空氣黏度，Pa·s；ρa為空氣密度，kg/m3．

(2)第一階段霧滴到達等速運動以前在減速階段時所需時間的計算：

由前已知霧滴的軸向初始分速度uyav，利用圖解積分法求出所需時間3τ．

即在τ=0～τ3內(nèi)霧滴向下的減速行程為S．

前面已經(jīng)求出干燥第一階段所需的時間為τ1，扣除減速運動時間τ3，即為等速沉降運動所需時間，前已求得等速沉降速度uf，故等速沉降距離為S′=uf(τ1-τ3)．加上降速沉降距離S，噴霧干燥器的有效高度為S+S′．

若再考慮其他塔內(nèi)裝置，如進料口、出料口、進氣口、排氣口等，所得高度即為實際干燥器高度[6]．

4 實 驗

4.1 實驗條件

為保證牛初乳產(chǎn)品的質(zhì)量，按照我國牛初乳行業(yè)規(guī)范，把牛初乳原料界定為母牛分娩后 3,d內(nèi)所分泌的乳汁[7]，實驗采用按國家一級奶標(biāo)準收購的牛初乳為原料[8]．

采用本文裝置進行實驗，實驗條件如下：用于噴霧的一次進風(fēng)溫度為 160,℃，用于流化和噴動的進風(fēng)溫度為165,℃，物料初始溫度為20,℃．

4.2 結(jié)果與分析

實驗得到干燥產(chǎn)品的粒度范圍為0.1～0.56,mm，其中 0.1～0.3,mm 的小粒徑顆粒占總質(zhì)量的 34.5%，0.3～0.56,mm 的大粒徑顆粒占總質(zhì)量的 65.5%，平均粒度為 0.36,mm，所得牛初乳顆粒粒徑基本在 0.3～0.56,mm，粒度均勻，表面光滑．

牛初乳中主要功能性組分為 Ig，其中主要為IgG，所以 IgG已成為國際公認衡量初乳和初乳粉的主要質(zhì)量指標(biāo)[8]．初乳中 IgG 是一種熱敏成分，當(dāng)受熱溫度超過 60,℃后，易變性失活，因此，以牛初乳為原料進行初乳粉及其他初乳制品生產(chǎn)要注意保持制品中較高的IgG 含量和活性．

經(jīng)檢測，本實驗得到產(chǎn)品的 IgG含量為 35%，而目前市場上冷凍干燥得到的牛初乳粉 IgG含量通常為 20%～25%，采用本裝置的產(chǎn)品的 IgG含量比其高出 10%以上，可見本裝置大大提高了免疫球蛋白的存活率，產(chǎn)品在市場上具有很大的競爭優(yōu)勢．

5 結(jié) 語

本文研制了將低溫干燥和造粒集于一體的低溫集成干燥裝置．將該試驗裝置用于溫度低于 60,℃的牛初乳低溫干燥，實驗所得乳品的粒度均勻、顆粒表面光滑，初乳中主要營養(yǎng)成分——免疫球蛋白損失小于冷凍干燥產(chǎn)品．實驗表明，該工藝流程合理、可行，可應(yīng)用于牛初乳的低溫干燥、造粒．

此外，集成干燥技術(shù)是將兩種以上的干燥技術(shù)與造粒技術(shù)進行最佳組合，能提高熱能(傳質(zhì)、傳熱)效率，減少能量損失，降低裝置成本，可為新型食品與生物制品的干燥技術(shù)裝置的研制提供參考．

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［5］ 黃立新，周瑞君，MUJUMDAR A S. 噴霧干燥過程中產(chǎn)品玻璃化溫度轉(zhuǎn)變和質(zhì)量控制[J]. 林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2007，27(1)：43–46.

［6］ 王忠喜，于才淵，周才君. 噴霧干燥[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

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［8］ 張丹鳳，劉鵬龍，荊文清，等. 牛初乳(粉)生產(chǎn)工藝探討[J]. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2001，38(5)：235–239.

Research on Low-Temperature Drying and Granulating Integrated Device of Bovine Colostrum

PENG Qiao-yun，LI Zhan-yong，XU Qing，GENG Xian-ru
(College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)

TS252.4

A

1672-6510(2011)01-0064-03

2010–07–08；

2010–11–25

彭巧云（1987—），女，江西人，碩士研究生；通信作者：李占勇，教授，zyli@tust.edu.cn.