噴霧干燥技術(shù)及其應(yīng)用

楊 浩，蔡源源，唐 敏，王 瑋＊，程 黎

（1.河南大學(xué) 藥學(xué)院，河南 開封 475004；2.河南中醫(yī)學(xué)院 科研處，河南 鄭州 450001）

噴霧干燥（Spray drying）是一種已被廣泛接受的干燥工藝，距今已經(jīng)有100年的歷史。噴霧干燥一直是一個(gè)熱門的研究方向。我們將從噴霧干燥的基本知識(shí)、特點(diǎn)、在各行業(yè)的應(yīng)用以及發(fā)展前景對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的概述。

1 噴霧干燥技術(shù)

噴霧干燥最早是在1865年用于蛋品的處理，這種將液態(tài)物料經(jīng)霧化和干燥后在極短時(shí)間內(nèi)變成固體粉末的過程，在20世紀(jì)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。噴霧干燥技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展起步較晚。我國(guó)第一臺(tái)噴霧干燥機(jī)是20世紀(jì)50年代吉林染料廠從蘇聯(lián)引進(jìn)的旋轉(zhuǎn)式噴霧干燥機(jī)，當(dāng)時(shí)是對(duì)染料進(jìn)行噴霧干燥［1］。如今，我國(guó)對(duì)噴霧干燥的主要原理已有了更深入地研究。

1.1 噴霧干燥的基本流程

首先，物料經(jīng)過過濾器由泵輸送到噴霧干燥器頂端的霧化器中霧化為霧滴。與此同時(shí)，空氣進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)過過濾器、空氣加熱器及空氣分布器送入到噴霧干燥器的頂端；空氣和霧滴在噴霧干燥器頂端接觸、混合，進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)，完成干燥的過程［2］。最終產(chǎn)品由塔底的收集裝置進(jìn)行收集，廢氣經(jīng)旋風(fēng)分離器由出風(fēng)口排入大氣。

噴霧干燥的干燥介質(zhì)大多數(shù)是空氣。但是考慮到一些有機(jī)溶劑在空氣中易燃易爆，改用惰性氣體（如氮?dú)獾龋┳鳛楦稍锝橘|(zhì)，流程也改為閉路循環(huán)系統(tǒng)。有機(jī)溶劑進(jìn)行回收處理，惰性氣體循環(huán)使用。

1.2 噴霧干燥的過程階段

噴霧干燥的過程可分為三個(gè)基本階段：①料液的霧化。②霧滴和干燥介質(zhì)接觸、混合及流動(dòng)，即傳熱和傳質(zhì)。③干燥產(chǎn)品與空氣分離［3］。

1.3 噴霧干燥的新生形式

除了傳統(tǒng)噴霧干燥形式，近年來還派生一些新型的噴霧干燥形式，包括噴霧冷凍干燥和過熱蒸汽噴霧干燥［4－5］。

1.3.1 噴霧冷凍干燥 常規(guī)噴霧干燥采用的干燥介質(zhì)在整個(gè)蒸發(fā)干燥的過程中會(huì)達(dá)到一定的溫度，但是考慮到一些特殊物料的特性，例如醫(yī)藥及生化產(chǎn)品等，它們都含有大量的生物活性成分，無法承受高溫的介質(zhì)環(huán)境，因此，大多數(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)會(huì)選擇真空冷凍干燥。但是冷凍干燥存在著操作時(shí)間長(zhǎng)、能耗高、需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行二次處理等諸多不足。近年來，國(guó)外研究人員開始把冷凍干燥和噴霧干燥結(jié)合起來，進(jìn)而形成了新的干燥技術(shù)，即噴霧冷凍干燥技術(shù)。

Sonner等［6］采用了噴霧制冰粉和真空冷凍干燥相結(jié)合的方法，研究了兩段式噴霧冷凍干燥對(duì)蛋白質(zhì)性能的影響。Leuenberger等［7］也采用噴霧冷凍制粉和流化床干燥結(jié)合的辦法，研究了這種兩段式噴霧冷凍干燥對(duì)藥品性能的影響。近年來我國(guó)也開始了噴霧冷凍干燥技術(shù)的研究。中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所在得到國(guó)家林業(yè)局948項(xiàng)目的支持下，已經(jīng)開始了噴霧冷凍干燥技術(shù)研究的相關(guān)工作，相信不久會(huì)有所進(jìn)展。

1.3.2 過熱蒸汽噴霧干燥 過熱蒸汽噴霧干燥是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，它是指利用過熱蒸汽與被干燥物料直接接觸而除去水分的一種干燥方式。與傳統(tǒng)熱風(fēng)噴霧干燥相比，過熱蒸汽噴霧干燥是以水蒸汽為干燥介質(zhì)，干燥后所排出的廢氣仍然為蒸汽，可通過冷凝回收的方法將蒸汽的潛熱再次加以利用。而且，由于水蒸汽的熱容量比空氣大一倍，使干燥介質(zhì)的消耗量明顯減小，能顯著降低單位熱耗。過熱蒸汽進(jìn)行噴霧干燥的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在節(jié)約能源和減少危險(xiǎn)兩個(gè)方面。與傳統(tǒng)的煙道氣或者熱空氣相比，改用過熱蒸汽能夠有效節(jié)能50% ～80%。采用過熱蒸汽進(jìn)行噴霧干燥，因系統(tǒng)中沒有氧氣，也減少了可能存在的燃燒、爆炸危險(xiǎn)［8］。

2 噴霧干燥的特點(diǎn)

噴霧干燥技術(shù)的主要特點(diǎn)［9］：①生產(chǎn)過程簡(jiǎn)化、操作控制方便。②干燥產(chǎn)品具有良好的分散性、流動(dòng)性和溶解性。③干燥時(shí)間短，僅需3～10s，十分迅速。④噴霧干燥在密閉的容器中進(jìn)行，能避免干燥過程中造成的粉塵飛揚(yáng)，避免了環(huán)境污染。⑤噴霧干燥可以連續(xù)操作，完全適應(yīng)了工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的要求。

噴霧干燥技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)顯著，但其不足也是不容忽視的。其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在動(dòng)力消耗大，體積傳熱系數(shù)和熱效率均較低，設(shè)備體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作彈性較小，易發(fā)生沾壁現(xiàn)象，一次性投資較大等。

3 噴霧干燥在不同行業(yè)的應(yīng)用

噴霧干燥的最早應(yīng)用是在20世紀(jì)初期用于開發(fā)脫脂牛乳，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)廣泛運(yùn)用到醫(yī)藥、食品、化工、環(huán)保等領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些與原材料顆粒大小密切相關(guān)的諸如生物、精細(xì)陶瓷、化學(xué)工業(yè)、微電子工業(yè)、潤(rùn)滑劑、添加劑等高新尖端技術(shù)行業(yè)對(duì)高性能新型功能材料的需求日益增長(zhǎng)，對(duì)其原料的要求也越來越嚴(yán)格，進(jìn)而促進(jìn)了功能粉體材料制造技術(shù)的迅速發(fā)展［10］。

3.1 噴霧干燥在制藥領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1.1 干燥及制粒［11－13］噴霧干燥物料因其受熱時(shí)間短，干燥迅速，產(chǎn)品具有良好的流動(dòng)性和分散性，在制藥工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，特別是中藥藥液、浸膏的干燥。噴霧干燥可以將中藥稀藥液直接干燥成干顆粒，將中藥加工中藥液的濃縮－多效濃縮－造粒－干燥四步合并一步，大大簡(jiǎn)化縮短了中藥提取液到成品或半成品的工藝和時(shí)間，有效提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。

王志萍等［14］運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)和單因素實(shí)驗(yàn)確定了運(yùn)用噴霧干燥技術(shù)制備祛痹顆粒劑的最佳工藝條件，制備出的祛痹顆粒不僅吸濕率低，而且穩(wěn)定性較傳統(tǒng)方法也有所提高。

3.1.2 制備微囊微球 噴霧干燥制備微囊微球的基本原理是將芯材均勻分散于囊材溶液后，在熱氣流中進(jìn)行噴霧霧化，溶解囊材的溶劑迅速揮發(fā)而得到微囊微球產(chǎn)品。

3.1.2.1 化學(xué)藥物緩控釋制劑［15－16］在化學(xué)藥物中，微囊化技術(shù)主要用以制備緩釋微囊，用以延長(zhǎng)藥物的釋放時(shí)間，避免血藥濃度波動(dòng)，提高藥物的療效，減少毒副作用。目前，化學(xué)藥物中應(yīng)用噴霧干燥法制備微囊微球的藥物類型非常廣泛，有阿霉素、對(duì)乙酰氨基酚、鹽酸氨溴索、阿米妥、阿莫西林、法莫替丁、環(huán)丙沙星等。

王虹等［15］為了提高卡莫司汀的穩(wěn)定性及生物利用度，最大限度降低藥物的毒副作用，以可生物降解聚合物包載化療藥物用噴霧干燥法制備了卡莫司?。廴樗峋忈屛⑶?，進(jìn)行瘤灶定位注射。結(jié)果表明，噴霧干燥法制備時(shí)，用乙酸乙酯作為溶劑的效果最佳，可得到包載率為14%～42%的聚乳酸緩釋微球，所制得的微球?yàn)榍蛐晤w粒，突釋放較小，釋放較為平緩。

3.1.2.2 中藥微囊制劑［17－21］中藥微囊制劑主要應(yīng)用于中藥活性成分的微囊化，用以提高中藥質(zhì)量的穩(wěn)定性、生物利用度以及降低藥物刺激性和毒副作用，如川芎嗪殼聚糖微球、麥冬皂苷腸溶微球、燈盞花素微球、二氫楊梅素微膠囊、黃豆苷元固體脂質(zhì)納米粒、丹參酮前提脂質(zhì)體等。此外也可用于揮發(fā)油的包囊，可防止其揮發(fā)并掩蓋其不良?xì)馕叮缍∠阌?、生姜油、莪術(shù)油、月見草油、陳皮揮發(fā)油、大蒜素等。

3.1.2.3 蛋白、多肽類藥物微球 蛋白、多肽類藥物普遍生物利用度低、穩(wěn)定性差、體內(nèi)生物半衰期短，導(dǎo)致它們?cè)谥委熒鲜艿胶艽笙拗?。通?？梢圆捎眠m當(dāng)?shù)妮d體材料對(duì)這類物質(zhì)進(jìn)行微囊化進(jìn)而提高它們的穩(wěn)定性［22］。

Prieto等［23］應(yīng)用噴霧干燥法對(duì)生長(zhǎng)抑制素類似物伐普肽進(jìn)行了微囊化處理。所得微球粒徑范圍控制在了1～15μm之內(nèi)，包封率可達(dá)到46%，產(chǎn)品具有良好的緩釋功效，血藥濃度可以持續(xù)14d維持在理想的1μg／L。

3.2 噴霧干燥制備微膠囊在食品行業(yè)的應(yīng)用

3.2.1 在食品添加劑中的應(yīng)用［24－27］在食品添加劑中，最早應(yīng)用噴霧干燥技術(shù)的是微膠囊香料。此技術(shù)的應(yīng)用，提高了香料耐光、耐熱、耐氧的能力，提高了各種香料和風(fēng)味物質(zhì)的可加工性，延長(zhǎng)了保存期限，拓寬了香料和風(fēng)味物質(zhì)的使用范圍。例如木瓜蛋白酶作為一種酶制劑，耐熱性差，且易與金屬離子發(fā)生反應(yīng)，易被氧化失活。用β－環(huán)糊精進(jìn)行噴霧干燥制成微膠囊可減輕木瓜的特殊氣味，防止其氧化失活，且能提高其利用率和熱穩(wěn)定性，從而拓寬了它的應(yīng)用范圍。幾乎所有的油脂均可經(jīng)噴霧干燥制成微膠囊，將其轉(zhuǎn)化為固體粉末油脂，進(jìn)而可以方便地用作各種食品添加劑。

3.2.2 在保健食品中的應(yīng)用 蜂膠具有抗菌、抗癌、抗病毒、抗高血壓、促進(jìn)組織再生、增強(qiáng)免疫功能等功效。用麥芽糊精等作為囊材包埋成包埋率高的微膠囊粉末，延長(zhǎng)了蜂膠的保質(zhì)期。天然維生素E是生育酚類化合物的總稱，是油溶性的熱敏性物質(zhì)，難與水溶性物質(zhì)混溶，因此較難均勻地添加于食品、藥品、化妝品等水溶性產(chǎn)品中。然而用水溶性囊材進(jìn)行噴霧干燥制成微膠囊后既能保持天然維生素E的固有特性，又能彌補(bǔ)其易氧化及不易溶于水溶性產(chǎn)品的缺陷［28］。

3.2.3 在果蔬粉加工中的應(yīng)用［29－31］在水果和蔬菜中，番茄是較為頻繁的被利用噴霧干燥法加工成粉的。番茄內(nèi)最主要的類胡蘿卜素就是番茄紅素（Lycopene），它是人體血清中存在的最主要的類胡蘿卜素，是一種不飽和碳?xì)浠衔?。它通過捕捉過氧化自由基和單線態(tài)氧發(fā)揮抗氧化作用。但是，番茄紅素的穩(wěn)定性極差，易發(fā)生氧化降解和順反異構(gòu)化。滕潔等［31］以蔗糖和明膠為壁材研究了番茄紅素微膠囊化工藝技術(shù)，將番茄紅素密封在囊膜內(nèi)，提高了番茄紅素對(duì)光和氧的穩(wěn)定性，從而起到了保護(hù)作用，既可減少損失，也有利于產(chǎn)品的包裝和運(yùn)輸。

3.3 噴霧干燥在超微納米粉體中的應(yīng)用

D.W.Lee等用噴霧干燥技術(shù)成功地制備了粒度約為20nm的無定形Cu2Al2O3納米復(fù)合粉體。Dong Gon Park在噴霧干燥法中引入靜電噴霧技術(shù)，在噴嘴處施加電壓，使噴出的鈦醇鹽霧滴在靜電的作用下分散成納米級(jí)霧滴，經(jīng)氬氣流干燥獲得粒度小且分布窄的無定形納米TiO2粉體，熱處理后得到了銳鈦型TiO2粉體，熱處理過程沒有引起粉體粒度的改變。Won Hyuk Suh等將原有的噴霧設(shè)備用普通家用加濕器的高頻超聲發(fā)生器代替，改變噴霧頻率，獲得了不同頻率下不同粒度分布、疏松多孔的磁性納米粉體。

3.4 噴霧干燥在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

噴霧干燥可用于土壤石油污染的修復(fù)［32］。該技術(shù)具有成本低、操作簡(jiǎn)單、處理效果好、不破壞土壤環(huán)境、無二次污染的優(yōu)點(diǎn)［33］。

此外，噴霧干燥還可用于煙氣脫硫。旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法煙氣脫硫是美國(guó)JOY公司和丹麥NIRO公司聯(lián)合研制出的新工藝。在20世紀(jì)70年代中末期發(fā)展起來，與傳統(tǒng)濕法脫硫相比，該項(xiàng)工藝具有操作簡(jiǎn)便、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)方便、運(yùn)行費(fèi)用低、投資少、經(jīng)濟(jì)效益好、干燥后的廢渣易于處理、不會(huì)腐蝕、可克服二次污染、有較高的脫硫效率等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了推廣應(yīng)用。實(shí)踐證明，噴霧干燥煙氣脫硫技術(shù)已經(jīng)成熟，適用于燃煤電廠鍋爐煙氣的脫硫［34］。

另外，噴霧干燥技術(shù)在味精廢水綜合處理和造紙黑液處理中也有應(yīng)用［35］。

4 噴霧干燥的發(fā)展前景

噴霧干燥技術(shù)歷經(jīng)了100多年的發(fā)展，進(jìn)行了大量的理論研究，現(xiàn)已基本成熟。但仍有一些問題亟待解決。噴霧干燥的新型霧化器仍需進(jìn)行研究開發(fā)；噴霧干燥的設(shè)計(jì)需根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)繼續(xù)完善設(shè)計(jì)理論，提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性；噴霧干燥的熱效率較低，技術(shù)開發(fā)人員需研究開發(fā)如何提高熱效率，促進(jìn)節(jié)能，為環(huán)保做一些貢獻(xiàn)。今后應(yīng)該將計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)運(yùn)用于噴霧干燥的數(shù)學(xué)模擬，提供更多目前實(shí)驗(yàn)無法檢測(cè)到的數(shù)據(jù)和結(jié)果。無論是學(xué)術(shù)界或是企業(yè)界，對(duì)噴霧干燥的研究、開發(fā)和完善依然有很長(zhǎng)的路要走。隨著對(duì)噴霧干燥技術(shù)以及設(shè)備的深入研究與開發(fā)，噴霧干燥技術(shù)將擁有更為廣闊的應(yīng)用前景。

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