噴霧干燥在嬰幼兒配方粉中應(yīng)用的研究

噴霧干燥被認(rèn)為是最適合除去乳中最后部分水分的工藝，能夠在將濃乳轉(zhuǎn)變成粉末的同時(shí)保留牛乳中的營(yíng)養(yǎng)成分。在嬰幼兒配方粉生產(chǎn)工藝中，傳統(tǒng)的噴霧干燥設(shè)備一般包括濃奶進(jìn)料罐、預(yù)熱器、高壓泵系統(tǒng)、噴霧干燥塔、熱風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)、熱風(fēng)分配器、流化床、旋風(fēng)過濾器、布袋過濾器等。其中，噴霧干燥塔的原理是將濃乳變成許多細(xì)小的液滴，再讓這些液滴與高速的熱空氣接觸。由于這些液滴具有很大的表面積（1L的濃縮液被霧化成1.5×1010個(gè)直徑為50μm的液滴，總表面積能達(dá)到120m2），水分在瞬間蒸發(fā)，液滴隨即變成粉末顆粒。

一、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展及現(xiàn)狀

噴霧干燥在乳品工業(yè)的應(yīng)用可以追溯到18世紀(jì)初，但是直到18世紀(jì)中期才開始大規(guī)模地應(yīng)用于乳制品的干燥。當(dāng)時(shí)在整個(gè)生產(chǎn)過程中需要加入糖、硫酸或堿性物質(zhì)等，所以最終得到的產(chǎn)品并不是純?nèi)橹破贰?872年，噴霧干燥的理論奠基人Samluel Percy（美國(guó)人）進(jìn)行了噴霧干燥技術(shù)的發(fā)明，詳細(xì)論述了噴霧干燥工藝原理，第一次提出了干燥與霧化結(jié)合的設(shè)想，為噴霧干燥領(lǐng)域做出了重要的貢獻(xiàn)。第一個(gè)噴霧干燥的專利是由德國(guó)人Stauff發(fā)明的，其內(nèi)容是利用噴嘴將牛奶噴入到一個(gè)充滿熱空氣的箱室內(nèi)進(jìn)行干燥。

這些先驅(qū)者為現(xiàn)代乳品工業(yè)后期的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，而近代的牛奶加工設(shè)備在融合了各種高新術(shù)后變得更復(fù)雜、更先進(jìn)。在過去的三十年里，噴霧干燥技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)快速的發(fā)展過程，現(xiàn)如今的設(shè)備已經(jīng)能夠根據(jù)客戶需求生產(chǎn)出不同的產(chǎn)品。

二、進(jìn)料罐

經(jīng)過蒸發(fā)器濃縮的濃奶干物質(zhì)含量是48%-52%，溫度在45-55℃左右。物料首先進(jìn)入到進(jìn)料罐中，進(jìn)料罐起到一個(gè)緩沖的作用，通常設(shè)置2個(gè)緩沖罐，輪換使用。由于在45-55℃的溫度下易引起微生物繁殖，因此每個(gè)罐的使用周期一般不超過10小時(shí)。當(dāng)一個(gè)罐在進(jìn)料時(shí)，對(duì)另一個(gè)罐進(jìn)行清洗，每個(gè)罐的容量對(duì)應(yīng)于干燥塔15-30分鐘的生產(chǎn)能力。進(jìn)料罐配有液位指示、攪抖器、CIP噴嘴等，也有個(gè)別企業(yè)將蒸發(fā)器末效的汽液分離器作為進(jìn)料罐使用。

三、噴霧干燥前的預(yù)熱系統(tǒng)

從進(jìn)料罐出來的物料溫度在45-55℃左右，物料在進(jìn)入噴霧干燥塔前要進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度一般在70-80℃之間。將濃奶物料進(jìn)行預(yù)熱主要有三方面的意義：一是將濃奶預(yù)熱至75℃左右，一些不耐熱的微生物將會(huì)被限制生長(zhǎng)繁殖，甚至被殺死。二是濃奶經(jīng)過預(yù)熱后其粘度可以降低，進(jìn)入干燥塔后更容易被干燥，還能提高產(chǎn)品的溶解性。三是從能量的角度考慮，在物料進(jìn)入干燥塔前進(jìn)行加熱，實(shí)際上是提前注入了一定的熱量，從而給干燥塔減少負(fù)擔(dān)，使噴霧干燥塔的產(chǎn)能增加4%以上。

預(yù)熱系統(tǒng)通常分為直接預(yù)熱和間接預(yù)熱兩種類型，直接預(yù)熱包括直接蒸汽注入預(yù)熱器、溫和型蒸汽注入預(yù)熱器，間接加熱包括板式換熱器、管式換熱器、刮板式預(yù)熱器等。由于物料進(jìn)入干燥塔時(shí)需要將絕大部分水分蒸發(fā)掉，蒸汽注入預(yù)熱會(huì)使水分進(jìn)入到物料中，從而浪費(fèi)能量。另外，蒸汽注入預(yù)熱器中，會(huì)通過噴嘴直接注入濃乳，產(chǎn)生很大的蒸汽泡，因此部分濃乳可能會(huì)因過熱而使蛋白質(zhì)發(fā)生變性。因此在嬰配粉行業(yè)中，進(jìn)入干燥塔前的物料預(yù)熱通常采用間接預(yù)熱。

1.板式換熱器。板式預(yù)熱器的價(jià)格較低，但是由于濃奶需要加熱到70-80℃，固含量為48%-52%，并且需要10小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，這就需要并聯(lián)配置兩臺(tái)板式換熱器，以便于當(dāng)其中一臺(tái)使用時(shí)，另一臺(tái)進(jìn)行清洗。蒸發(fā)器效體中排出的二次蒸汽、冷凝水都可以作為此處的加熱介質(zhì)使用。

2.套管式預(yù)熱器。HIPEX型套管式換熱器是一種簡(jiǎn)單且易于維護(hù)的濃乳預(yù)熱器，在嬰配粉行業(yè)是最常用的。其內(nèi)部為波紋管結(jié)構(gòu)，具有很高的傳熱速度，還可以減少傳熱表面的結(jié)垢。所用加熱介質(zhì)一般為水，加熱單元設(shè)計(jì)為逆流式，其中加熱介質(zhì)處于外圍和中心，而物料在兩部分加熱介質(zhì)中間。這種預(yù)熱器的加熱溫差很?。ā?℃），可以連續(xù)生產(chǎn)20小時(shí)后清洗一次。

四、噴霧干燥原理

物料經(jīng)過預(yù)熱之后，供料系統(tǒng)通常會(huì)配有在線雙聯(lián)過濾器，過濾器孔徑一般為1mm左右，主要是為了過濾掉雜質(zhì)，避免大顆粒進(jìn)入高壓泵。進(jìn)入干燥塔前需要通過高壓均質(zhì)機(jī)提供壓力，要使物料達(dá)到霧化效果，一般霧化壓力需要達(dá)到230-250bar。在生產(chǎn)嬰配粉時(shí)建議進(jìn)行均質(zhì)，以降低最終粉末產(chǎn)品中游離脂肪的含量，最好選用兩級(jí)均質(zhì)機(jī)，其中第一級(jí)均質(zhì)壓力為70-100bar，第二級(jí)均質(zhì)壓力為25-50bar。通常均質(zhì)機(jī)和供料泵組合為一臺(tái)設(shè)備，這樣可以節(jié)約設(shè)備投資。

物料在經(jīng)過高壓泵后，通過高壓供到干燥塔塔頂，通過8根噴槍以霧化的形式進(jìn)入干燥塔。物料在離開霧化器后，液滴的最初速度約為150m/s，大部分的干燥過程就發(fā)生在空氣與液滴摩擦使其速度降低期間，100μm直徑液滴的減速路徑接近1m，而10μm直徑液滴的減速路徑則只有幾厘米。由于濃縮的水分蒸發(fā)所導(dǎo)致的干燥空氣溫度下降也主要發(fā)生在這一時(shí)期，因此顆粒內(nèi)巨大的熱量和物質(zhì)傳遞的完成只持續(xù)了極短時(shí)間，如果不了解或忽視引起質(zhì)量下降的因素，產(chǎn)品質(zhì)量就可能會(huì)得不到保障。

五、霧化裝置

濃乳霧化的目的是形成很大的接觸面積，即蒸發(fā)面積，霧滴體積越小，接觸面積越大，越容易蒸發(fā)，所獲得的干燥效率越高。就干燥而言，理想的情況是所有的霧滴大小一致，這意味著所有霧滴干燥同樣含水量所需的時(shí)間也相同，但是實(shí)際中沒有一種霧化裝置能夠獲得大小完全相同的霧滴。就粉末的堆積密度而言，均勻的霧滴導(dǎo)致粉末的堆積密度小，從而增加了包裝材料的用量。因此，現(xiàn)代霧化裝置既要考慮到干燥效果，也要考慮粉末的堆積密度。

熱風(fēng)分配和霧化是噴霧干燥器成功應(yīng)用的關(guān)鍵因素，而霧化與噴霧干燥的很多優(yōu)點(diǎn)直接相關(guān)，比如顆粒干燥時(shí)間很短，顆粒在熱風(fēng)中停留時(shí)間短，顆粒溫度低，能夠?qū)⒁簯B(tài)物料轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂虚L(zhǎng)時(shí)間存貯穩(wěn)定性的粉末，有利于包裝和運(yùn)輸。

六、粉分離系統(tǒng)

在干燥塔排出的尾氣中含有少量的粉（10%- 30%），一方面是基于經(jīng)濟(jì)性原因，造成干物質(zhì)損失；另一方面是基于環(huán)境問題，避免造成環(huán)境污染，必須將尾氣中的粉末分離出來。這部分的粉通常為細(xì)粉，其粒徑很小。在乳粉工業(yè)中應(yīng)用最多的分離器包括旋風(fēng)分離器、布袋式過濾器、濕式洗滌器、可就地清洗（CIP）布袋式過濾器。

1.旋風(fēng)分離器。旋風(fēng)分離器具有許多顯著優(yōu)點(diǎn)，如果結(jié)構(gòu)得當(dāng)，其效率很高。由于沒有轉(zhuǎn)動(dòng)件且易于維護(hù)，相對(duì)于全焊接結(jié)構(gòu)，它還易于清理。旋風(fēng)分離器的工作原理是旋渦效應(yīng)，每個(gè)粉粒均受到離心力的作用，由旋風(fēng)器的軸線向著內(nèi)壁移動(dòng)。由此，其徑向運(yùn)動(dòng)是方向相反的兩個(gè)力共同作用的結(jié)果。其中，離心力使粉粒向旋風(fēng)器內(nèi)壁方向移動(dòng)，而氣流的吸力使粉粒移向軸線，因離心力較大，從而將粉粒分離出來。

2.可就地清先（CIP）布袋式過濾器。SANICIPTM可就地清洗布袋式過濾器屬于壓縮空氣反吹型，采用不銹鋼結(jié)構(gòu)。該過濾器機(jī)殼呈圓柱形，設(shè)有蝸殼形進(jìn)風(fēng)口，頂部為潔凈空氣區(qū)，錐底部配流化態(tài)排粉口。在生產(chǎn)過程中，通過布置在各布袋上方的反向氣流噴嘴（專利產(chǎn)品），利用壓縮空氣吹入各個(gè)布袋，將粘在每個(gè)布袋外側(cè)的粉末攔落。同時(shí)，噴射形成的氣流也會(huì)將清潔空氣區(qū)的空氣抽出送進(jìn)布袋內(nèi)，因而節(jié)省了壓縮空氣用量，高效且衛(wèi)生。

七、流化床后干燥、冷卻

為了提高干燥效率，一般將干燥過程分為兩個(gè)或更多的干燥段。第一段為在干燥中將液滴變成粉末顆粒，蒸發(fā)主要的水分。第二段為粉末在重力作用下降落到塔底的內(nèi)置靜態(tài)流化床篩板上，篩板下面的熱風(fēng)通過篩板孔吹掃分布板表面，因而顆粒在分布板上一直保持著運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；在靜態(tài)流化床出口處有一個(gè)擋板，擋板高度約20-30cm，粉顆粒在靜態(tài)流化床內(nèi)存留一段時(shí)間后通過擋板頂部，進(jìn)行到第三段。第三段為振動(dòng)流化床，粉顆粒在此過程可以冷卻和干燥，振動(dòng)流化床技術(shù)已被證明非常適用，由于顆粒在流化床中的停留時(shí)間很長(zhǎng)，顆粒中心處的水分能夠到達(dá)發(fā)生蒸發(fā)的表面。

在流化床中，干燥空氣通過一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)的孔板即BUBBLE PLATETM分布板，進(jìn)入到粉末中。BUBBLE PLATETM分布板的特點(diǎn)是：空氣向下朝向板面；孔數(shù)少，孔徑大；制造工藝獨(dú)特，避免了裂縫的產(chǎn)生；具有非常好的產(chǎn)品排空效果。

作者簡(jiǎn)介：張修軍（1986-），男，碩士研究生，飛鶴（甘南）乳品有限公司，研究方向：乳制品工藝。