雨生紅球藻噴霧干燥工藝的建立與放大

費(fèi)忠南，萬(wàn)民熙，樊 飛，白文敏，李元廣,

（1.華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237；2.云南保山澤元藻業(yè)健康科技有限公司，云南保山 678208）

蝦青素具有極強(qiáng)的抗氧化性，被廣泛應(yīng)用于食品、保健品、化妝品行業(yè)，具有廣闊的市場(chǎng)前景[1?3]。因雨生紅球藻在脅迫條件下可積累氧化性最強(qiáng)的左旋蝦青素（含量可達(dá)干重的5%以上），所以雨生紅球藻被認(rèn)為是天然蝦青素的最佳來(lái)源[4?6]。雨生紅球藻在戶外培養(yǎng)結(jié)束時(shí)干重為1~2 g·L?1，通過(guò)沉降、離心等方式，采收后藻泥的含水率為60%~80%，不利于保存。因此需要對(duì)其進(jìn)一步的干燥，獲得藻粉，以便儲(chǔ)存、運(yùn)輸。

噴霧干燥是一個(gè)相對(duì)成熟的干燥方式，在食品和藥品生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用[7?10]。其具體流程如下：首先將料液霧化為液滴；然后將液滴暴露在熱空氣中，在此過(guò)程中液滴中水迅速蒸發(fā)，變?yōu)楣腆w顆粒；最后通過(guò)旋風(fēng)分離，最終得到粉狀的產(chǎn)品[11?12]。噴霧干燥較熱風(fēng)干燥可以保存更多的活性物質(zhì)[13?15]，較真空冷凍干燥更容易放大，且干燥的成本相對(duì)較低[16]。但是，噴霧干燥時(shí)過(guò)高的溫度有可能會(huì)加快色素和蛋白的降解，影響干燥產(chǎn)品的理化指標(biāo)[17?18]。據(jù)袁超等[19]的報(bào)道，蝦青素在有氧條件下降解的溫度為245 ℃左右，已經(jīng)接近噴霧干燥塔的工作溫度。

迄今為止，僅有少量關(guān)于雨生紅球藻噴霧干燥工藝的文獻(xiàn)報(bào)道。Raposo等[20]僅比較了進(jìn)出風(fēng)溫度對(duì)雨生紅球藻粉水分含量的影響；Ahmed等[16]比較了冷凍干燥和噴霧干燥對(duì)于雨生紅球藻粉的影響。他們研究中使用的噴霧干燥塔每小時(shí)僅可獲得數(shù)克藻粉，均是小試規(guī)模，也未報(bào)道藻粉得率的數(shù)據(jù)，對(duì)于雨生紅球藻粉規(guī)?；a(chǎn)參考價(jià)值有限。

噴霧干燥規(guī)模放大后，噴霧干燥塔參數(shù)發(fā)生諸多的改變，相同工藝條件下不同規(guī)模的噴霧干燥塔獲得產(chǎn)品的理化指標(biāo)也存在差異。但影響噴霧干燥產(chǎn)品理化指標(biāo)的關(guān)鍵性參數(shù)在不同產(chǎn)品中并不一致，這一直是噴霧干燥規(guī)模放大過(guò)程中的難點(diǎn)[21?23]。此外，企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)需要考慮工藝的能耗、噴霧干燥的效率、產(chǎn)品得率等。這些數(shù)據(jù)需要在中試或生產(chǎn)規(guī)模下通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，但是由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)以及生產(chǎn)規(guī)模實(shí)驗(yàn)成本高昂的原因，未見(jiàn)雨生紅球藻噴霧干燥中試或生產(chǎn)規(guī)模的研究報(bào)道。

鑒于上述情況，本文通過(guò)中試規(guī)模（理論蒸發(fā)能力25 kg·h?1）雨生紅球藻不同進(jìn)風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度、進(jìn)料總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的噴霧干燥實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行基本的噴霧干燥工藝參數(shù)優(yōu)化；通過(guò)相關(guān)性分析確定影響藻粉理化指標(biāo)的關(guān)鍵性參數(shù)；進(jìn)而根據(jù)噴霧干燥塔放大后關(guān)鍵參數(shù)的變化，預(yù)測(cè)并解決噴霧干燥工藝放大后存在的問(wèn)題，通過(guò)工藝參數(shù)調(diào)整改善放大后藻粉的理化指標(biāo)；最終在生產(chǎn)規(guī)模噴霧干燥塔（理論蒸發(fā)能力250 kg·h?1）中進(jìn)行噴霧干燥工藝的驗(yàn)證與放大，建立具有商業(yè)應(yīng)用價(jià)值的雨生紅球藻粉噴霧干燥生產(chǎn)工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

雨生紅球藻藻泥 云南保山澤元藻業(yè)健康科技有限公司，總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%~40%；膽固醇酯酶（RS-Sigam C9281-100UN） 西格瑪奧德里奇（上海）貿(mào)易有限公司；所有的檢測(cè)試劑 除液相色譜流動(dòng)相的正己烷和丙酮為色譜純外，其余均為國(guó)產(chǎn)分析純。

SD-25型中試噴霧干燥機(jī) 無(wú)錫市禾明干燥設(shè)備有限公司，進(jìn)風(fēng)流量1000 m3·h?1，理論蒸發(fā)能力25 kg·h?1，采用離心式霧化器，霧化盤(pán)直徑18 mm，轉(zhuǎn)速為300 r·s?1；SD-45型生產(chǎn)規(guī)模噴霧干燥機(jī) 無(wú)錫市前洲干燥機(jī)成套設(shè)備廠，進(jìn)風(fēng)流量10000 m3·h?1，理論蒸發(fā)能力250 kg·h?1，采用離心式霧化器，霧化盤(pán)直徑22 mm，轉(zhuǎn)速為250 r·s?1；Waters 1525高壓液相色譜系統(tǒng)（配有Waters 2487紫外檢測(cè)器） 沃特世科技（上海）有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)中試規(guī)模噴霧干燥的影響 將待干燥的雨生紅球藻藻泥用水稀釋成14.60%總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的料液，使用SD-25型噴霧干燥塔（蒸發(fā)能力25 kg·h?1）進(jìn)行干燥；進(jìn)風(fēng)溫度分別設(shè)定為130、150、160、170、180、200 ℃，進(jìn)風(fēng)流量為1000 m3·h?1，通過(guò)噴塔自帶的PLC自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)料速度，使出風(fēng)溫度維持在60 ℃，噴霧干燥后在旋風(fēng)分離處收集藻粉，測(cè)定蝦青素含量、水分含量、蛋白含量。

1.2.2 出風(fēng)溫度對(duì)中試規(guī)模噴霧干燥的影響 將待干燥的雨生紅球藻藻泥用水稀釋成14.60%總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的料液，使用SD-25型噴霧干燥塔進(jìn)行干燥；設(shè)定進(jìn)風(fēng)溫度為180 ℃，進(jìn)風(fēng)流量為1000 m3·h?1，通過(guò)噴塔自帶的PLC自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)料速度，使得出風(fēng)溫度分別為55、60、65、70、75 ℃，在旋風(fēng)分離處收集藻粉，測(cè)定蝦青素含量、水分含量、蛋白含量。

1.2.3 進(jìn)料總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)中試規(guī)模噴霧干燥的影響 將待干燥的雨生紅球藻藻泥分別用水稀釋成7.01%、9.90%、12.60%、14.60%、16.12%、18.00%、20.03%、21.31%總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的料液，使用SD-25型噴霧干燥塔進(jìn)行干燥；設(shè)定進(jìn)風(fēng)溫度為180 ℃，進(jìn)風(fēng)流量為1000 m3·h?1，通過(guò)噴塔自帶的PLC自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)料速度，使得出風(fēng)溫度為55 ℃，旋風(fēng)分離處收集藻粉，統(tǒng)計(jì)各個(gè)固含量梯度旋風(fēng)分離處收集到的藻粉的重量、通過(guò)電表記錄消耗的電能、消耗的藻泥的重量；據(jù)此計(jì)算單位質(zhì)量藻粉的能耗、藻粉得率、單位時(shí)間生產(chǎn)的藻粉的質(zhì)量（生產(chǎn)效率）。

1.2.4 噴霧干燥參數(shù)對(duì)藻粉理化指標(biāo)影響 按照1.2.1~1.2.2設(shè)置的工藝條件通過(guò)公式（5）~（9）分別計(jì)算噴霧干燥的各項(xiàng)基本參數(shù)（出風(fēng)溫度、液滴大小、液滴蒸發(fā)速率、液滴干燥所需時(shí)間、質(zhì)量交換的佩克萊數(shù)（Peclet number mass）、熱量交換的佩克萊數(shù)（Peclet number heat）），將獲得的數(shù)據(jù)Z分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)化后，使用Origin 2021進(jìn)行相關(guān)性分析。

1.2.5 出風(fēng)溫度對(duì)生產(chǎn)規(guī)模藻粉水分的影響 將待干燥的雨生紅球藻藻泥用水稀釋成14.60%總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的料液，使用SD-45型噴霧干燥塔（蒸發(fā)能力250 kg·h?1）進(jìn)行干燥；設(shè)定進(jìn)風(fēng)溫度為180 ℃，進(jìn)風(fēng)流量為10000 m3·h?1，通過(guò)噴塔自帶的PLC自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)料速度，使得出風(fēng)溫度分別為60、70、80、85、90 ℃，噴霧干燥后旋風(fēng)分離處收集藻粉，測(cè)定藻粉的水分含量。

1.2.6 噴霧干燥工藝的放大與驗(yàn)證 將待干燥的雨生紅球藻藻泥稀釋成14.60%總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的料液，分別使用SD-25型和SD-45型噴霧干燥塔進(jìn)行干燥。SD-25型噴霧干燥塔設(shè)定進(jìn)風(fēng)溫度為180 ℃，進(jìn)風(fēng)流量為1000 m3·h?1，通過(guò)噴塔自帶的PLC自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)料速度，使得出風(fēng)溫度為55 ℃；SD-45型噴霧干燥塔設(shè)定進(jìn)風(fēng)溫度為180 ℃，進(jìn)風(fēng)流量為10000 m3·h?1，通過(guò)PLC自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)料速度，使得出風(fēng)溫度為82 ℃。在旋風(fēng)分離處收集藻粉，測(cè)定藻粉的蝦青素含量、水分含量、蛋白含量；統(tǒng)計(jì)旋風(fēng)分離處收集到的藻粉的重量、消耗的藻泥的重量；據(jù)此計(jì)算單位質(zhì)量藻粉的能耗、藻粉得率、生產(chǎn)效率。

1.3 指標(biāo)檢測(cè)與計(jì)算方法

1.3.1 蝦青素檢測(cè)方法 雨生紅球藻蝦青素的測(cè)定采用改進(jìn)后的Boussiba法[24]。稱(chēng)取質(zhì)量W的藻粉，置于15 mL離心管，加入4~6粒磁珠和1 mL二甲基亞砜，漩渦振蕩30 s，45 ℃水浴15 min，2683×g離心5 min，取上層提取液置于棕色容量瓶中；沉淀加入1.5 mL丙酮，漩渦振蕩、離心（條件同上），收集提取液至棕色容量瓶；反復(fù)進(jìn)行二甲基椏楓的破壁和丙酮的提取，并收集提取液，直至提取液變得透明、沉淀變白。定容后測(cè)定提取液在474 nm處的吸光度。蝦青素含量按照以下公式計(jì)算：

式中，C為藻粉蝦青素含量，單位為%；OD474為提取液在474 nm波長(zhǎng)的吸光度；V為提取液的體積，單位為mL；W為稱(chēng)取藻粉的質(zhì)量，單位為mg。

反式蝦青素檢測(cè)方法參照Z(yǔ)hang等[25]的方法進(jìn)行。取3 mL上述定容后的提取液，加入2 mL Tris緩沖液（pH7.00）和0.6 mL膽固醇酯酶溶液（3 U·mL?1），36 ℃水浴45 min，加0.5 g無(wú)水硫酸鈉吸水，使用3 mL石油醚萃取蝦青素，轉(zhuǎn)移有色相至棕色瓶，氮?dú)獯蹈墒兔眩尤? mL流動(dòng)性（正己烷:丙酮=82:18）溶解有色物質(zhì)，通過(guò)液相檢測(cè)反式蝦青素比例（液相條件：分析柱Luna 3u Silica （2） 100A，（150 mm×4.6 mm）；柱溫25 ℃；進(jìn)料量為20 μL；以正己烷與丙酮混合液（體積比82:18）為流動(dòng)項(xiàng)，流速1.0 mL·min?1，檢測(cè)波長(zhǎng)474 nm），反式蝦青素的峰面積占比即為反式蝦青素比例。

1.3.2 水分含量檢測(cè)方法 采用GB 5009.3-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》中的直接干燥法測(cè)定。

1.3.3 蛋白質(zhì)含量檢測(cè)方法 采用GB 5009.5-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》中第一法-凱氏定氮法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.4 能耗的計(jì)算 按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

1.3.5 生產(chǎn)效率的計(jì)算 按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，P為生產(chǎn)效率（單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的藻粉的重量），單位為kg·h?1；m為旋風(fēng)分離器中收集到的藻粉，單位為kg；t為生產(chǎn)耗時(shí)，單位為h。

1.3.6 藻粉得率的計(jì)算 參照Liu等[26]的方法，按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，Y為藻粉的得率，單位為%；m為旋風(fēng)分離器中收集到的藻粉，單位為kg；M為料液中含有的藻的干細(xì)胞重量，通過(guò)總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與消耗料液的重量相乘獲得，單位為kg。

1.3.7 液滴直徑計(jì)算 藻泥霧化后的液滴直徑（Estimated droplet size）決定了噴霧干燥塔內(nèi)液滴的比表面積，影響液滴蒸發(fā)的速度，根據(jù)閻紅等[27]給出的以下公式計(jì)算：

式中，dD為霧化器液滴的直徑，單位為m；K'為實(shí)驗(yàn)常數(shù)，參照閻紅等[27]近似取0.4；r為霧化輪的半徑，單位為m，本研究中試規(guī)模為0.09 m，生產(chǎn)規(guī)模為0.11 m；Mp為單位每個(gè)葉片單位面積質(zhì)量流量kg·m?1·s?1，此處進(jìn)料孔面積為1×10?6·m2；ρL為料液的密度，單位為kg·m?3，通過(guò)比重法獲得，本文料液密度為1035 kg·m?3；Ns為霧化器的轉(zhuǎn)速，單位為r·s?1，本研究中試規(guī)模為300 r·s?1，生產(chǎn)規(guī)模為250 r·s?1；μL為料液的粘度，單位為Pa·s，通過(guò)ueff=u0×（1+2.5φ）求得（u0為水25 ℃的粘度8.949 mPa·s；φ為細(xì)胞體積分?jǐn)?shù)，與藻泥總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同）；g為重力加速度，為9.81 m·s?2；σ為料液表面張力，單位為N·m?1，此處取水25 ℃的表面張力0.07179 N·m?1；n為霧化輪葉片數(shù)，此處為12；h為霧化器高度，此處為0.01 m。

1.3.8 單個(gè)液滴的蒸發(fā)速度（Evaporation rate）計(jì)算根據(jù)Vicente等[28]的公式計(jì)算：

課內(nèi)聯(lián)賽是教學(xué)比賽的升華，是通過(guò)學(xué)生組成小組，按照一定數(shù)量的課時(shí)進(jìn)行的班級(jí)內(nèi)部的對(duì)抗賽。課內(nèi)聯(lián)賽能最大化地體現(xiàn)出學(xué)生在課堂內(nèi)的主體地位，通過(guò)組內(nèi)分工合作加強(qiáng)學(xué)生的合作精神和集體意識(shí)。學(xué)生在課內(nèi)聯(lián)賽擔(dān)任不同角色如教練員、裁判員、統(tǒng)計(jì)員等也能更好促進(jìn)學(xué)生的多元化發(fā)展。

式中，△Hvap為水的蒸發(fā)熱2250 kJ·kg?1；kgas為空氣傳導(dǎo)率，通過(guò)在線焓濕圖計(jì)算器（https://www.buildenvi.com/gongju/psychrometrics）獲得，單位為J·m?1·K?1·s?1；dD為液滴直徑，通過(guò)公式（5）計(jì)算獲得，單位為m；Tout為出風(fēng)溫度，通過(guò)噴霧干燥塔自帶的Pt 100溫度電極測(cè)定，單位為℃；Twb為濕球溫度，通過(guò)在線焓濕圖計(jì)算器獲得，單位為℃。

1.3.9 液滴蒸發(fā)所需的時(shí)間計(jì)算 單個(gè)液滴的蒸發(fā)時(shí)間為根據(jù)熱量守恒計(jì)算的液滴蒸發(fā)所需的時(shí)間，通過(guò)Lisboa等[29]的以下公式計(jì)算：

式中，ρL為料液的密度，通過(guò)比重法獲得，為1035 kg·m?3；ddroplet為是液滴的直徑，單位為m；dparticl為干燥后粉末的直徑，按照液滴直徑的60%計(jì)算。

1.3.10 佩克萊數(shù)計(jì)算 一般認(rèn)為，液滴表面由于水的蒸發(fā)吸熱，局部溫度會(huì)低于環(huán)境的溫度，這種微環(huán)境的低溫會(huì)對(duì)產(chǎn)品有保護(hù)作用。液滴表面熱量與質(zhì)量的擴(kuò)散與對(duì)流速率影響這種保護(hù)的效果。通常使用佩克萊數(shù)（Peclet number，對(duì)流速率與擴(kuò)散速率之比）代表液滴內(nèi)對(duì)流與擴(kuò)散的情況。本文參照Tsapis等[30]的以下公式分別計(jì)算質(zhì)量傳遞和熱量傳遞的佩克萊數(shù)：

式中，Pemass為質(zhì)量傳遞的佩克萊數(shù)，Peheat為熱量傳遞的佩克萊數(shù)；R為液滴半徑，通過(guò)公式（5）計(jì)算，單位為m；D和α是物料在水中的擴(kuò)散系數(shù)，單位為m2·s?1，通過(guò)以下Einstein-Stokes方程估算：式中，KB為波爾曼常數(shù)1.380649×10?23J·K?1；T為絕對(duì)溫度，單位為K；kL為料液的導(dǎo)熱率0.54 W·m K?1；Cp為料液的比熱3930 J·kg?1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 2021軟件進(jìn)行繪圖和擬合。每組實(shí)驗(yàn)測(cè)定3次取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)中試規(guī)模噴霧干燥的影響

進(jìn)風(fēng)溫度為噴霧干燥過(guò)程中，物料接觸的最高溫度，直接影響噴霧干燥產(chǎn)品的理化指標(biāo)。在中試規(guī)模的噴霧干燥塔中，不同進(jìn)風(fēng)溫度下藻粉的蝦青素含量、水分含量、蛋白含量的變化情況如圖1所示。進(jìn)風(fēng)溫度為130~200 ℃時(shí)，藻粉蝦青素含量在2.98%~3.06%之間，反式蝦青素比例在89.27%~91.15%之間，蛋白含量在19.05%~19.78%之間，水分含量在2.71%~3.61%之間。不同進(jìn)風(fēng)溫度下獲得藻粉的蝦青素含量、反式蝦青素比例、蛋白含量、水分含量差異不顯著（P>0.05）。因此，在130~200 ℃范圍內(nèi)進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)雨生紅球藻的理化指標(biāo)沒(méi)有明顯的影響。

圖1 不同進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)藻粉理化指標(biāo)的影響Fig.1 Effects of inlet temperature on physicochemical indexes of algal powder

雨生紅球藻粉的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 30893-2014）規(guī)定優(yōu)級(jí)的雨生紅球藻粉的理化指標(biāo)為：蝦青素含量大于1.5%，蛋白含量大于15%，水分含量小于7%。在進(jìn)風(fēng)溫度130~200 ℃范圍內(nèi)，獲得的藻粉均符合產(chǎn)品的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)出風(fēng)溫度不變時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度的提高有利于加快進(jìn)料的速度，提高藻粉的生產(chǎn)效率。但是，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，進(jìn)風(fēng)溫度200 ℃時(shí)得到的藻粉有輕微的焦糊味。因此，可使用180 ℃作為雨生紅球藻粉噴霧干燥的進(jìn)風(fēng)溫度。

2.2 出風(fēng)溫度對(duì)中試規(guī)模噴霧干燥的影響

出風(fēng)溫度是影響噴霧干燥產(chǎn)品理化指標(biāo)的另一個(gè)因素[31?32]。出風(fēng)溫度對(duì)藻粉蝦青素含量、水分含量、蛋白含量的影響如圖2所示。當(dāng)出風(fēng)溫度為55~75 ℃時(shí)，噴霧干燥獲得藻粉蝦青素含量在2.94%~3.06%之間，反式蝦青素比例在89.40%~90.80%之間，蛋白含量在18.92%~19.61%之間，不同出風(fēng)溫度下藻粉蝦青素含量和蛋白含量沒(méi)有明顯的差異（P>0.05）。而獲得的藻粉水分在2.63%~3.39%之間，差異顯著（P<0.05），隨著出風(fēng)溫度的升高，雨生紅球藻藻粉的水分含量逐漸降低。出風(fēng)溫度55~75 ℃范圍內(nèi)獲得的藻粉都是符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的。出風(fēng)溫度的降低有利于提高噴霧干燥熱量的利用效率。因此，選擇55 ℃作為中試規(guī)模噴霧干燥塔的出風(fēng)溫度進(jìn)行下一步的實(shí)驗(yàn)。

圖2 不同出風(fēng)溫度對(duì)藻粉理化指標(biāo)的影響Fig.2 Effects of outlet temperature on physicochemical indexes of algal powder

2.3 進(jìn)料總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)中試規(guī)模噴霧干燥的影響

對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，能耗、生產(chǎn)效率與藻粉得率是影響其經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo)。進(jìn)料總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)于噴霧干燥能耗、生產(chǎn)效率、藻粉得率的影響如圖3所示。進(jìn)料總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，單位藻粉能耗越低，生產(chǎn)效率越高。當(dāng)進(jìn)料總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)從7.01%增加到20.03%后，噴霧干燥的能耗從圖 3 總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)能耗、生產(chǎn)效率、藻粉得率的影響

Fig.3 Effects of total solid mass fraction on energy consumption, production efficiency and algal powder yield 20.22 kW·h·kg?1減少到7.07 kW·h·kg?1；生產(chǎn)效率從2.65 kg·h?1增加到7.07 kg·h?1。進(jìn)料總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7.01%~14.60%之間時(shí)，藻粉得率變化不明顯，約為95%。但是，當(dāng)進(jìn)料總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于14.60%后，藻粉得率明顯下降。當(dāng)進(jìn)料總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到21.31%后，藻粉得率僅有70.02%。

隨著進(jìn)料總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，料液中的含水率下降，生產(chǎn)同等質(zhì)量的藻粉需要蒸發(fā)的水分減少，干燥所需的熱能減少。在噴霧干燥塔的進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)出風(fēng)溫度不變的條件下，進(jìn)料的總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，單位藻粉的能耗越低，生產(chǎn)的效率越高。而隨著進(jìn)料的總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，塔內(nèi)粉末顆粒增多，單位時(shí)間需要分離的粉末質(zhì)量增加，旋風(fēng)分離不能及時(shí)將藻粉從塔內(nèi)分離出來(lái)[32]。因此，當(dāng)進(jìn)料總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于14.60%后藻粉得率明顯降低。雨生紅球藻是一種高附加值的產(chǎn)品，藻粉價(jià)格昂貴（每公斤500~1000元），藻粉的生產(chǎn)要求盡可能高的藻粉得率。因此，選擇14.60%作為雨生紅球藻噴霧干燥生產(chǎn)的進(jìn)料總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在此條件下，每生產(chǎn)一公斤藻粉需要消耗10.24 kW·h電能，每小時(shí)可生產(chǎn)4.78 kg藻粉，藻粉得率為95.61%。

2.4 噴霧干燥參數(shù)對(duì)雨生紅球藻粉理化指標(biāo)的影響

工廠一般使用大型的噴霧干燥塔進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)。為了明確噴霧干燥參數(shù)對(duì)于雨生紅球藻粉理化指標(biāo)的影響，確定噴霧干燥放大的關(guān)鍵參數(shù)，本文對(duì)中試規(guī)模工藝條件下的噴霧干燥參數(shù)與藻粉理化指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖4所示。藻粉的蝦青素含量、反式蝦青素比例、蛋白含量與噴霧干燥基本參數(shù)之間沒(méi)有顯著的相關(guān)性（P>0.05）。藻粉的水分含量與干燥的出風(fēng)溫度、液滴干燥所需時(shí)間、熱量交換的佩克萊數(shù)有顯著相關(guān)性（P<0.05），皮爾遜相關(guān)系數(shù)分別為?0.60、0.56、?0.63。這表明隨著出風(fēng)溫度升高、液滴干燥時(shí)間變少、熱量交換的佩克萊數(shù)變大，噴霧干燥獲得藻粉的水分含量變低。Oliveira等[33]在噴霧干燥山羊奶過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)出風(fēng)溫度和液滴干燥時(shí)間顯著影響（P<0.05）水分含量，其爾遜相關(guān)系數(shù)分別為?0.66、0.65，相關(guān)性略?xún)?yōu)于本文，但是其未發(fā)現(xiàn)熱量交換的佩克萊數(shù)與水分含量的相關(guān)性。因此，噴霧干燥塔放大過(guò)程中需要關(guān)注液滴干燥所需時(shí)間、熱量交換的佩克萊數(shù)的變化。

圖4 噴霧干燥基本參數(shù)與藻粉理化指標(biāo)皮爾遜相關(guān)系數(shù)熱圖Fig.4 Pearson r: Correlation heat map between spray drying fundamental parameters and physicochemical properties of products

2.5 噴霧干燥工藝的放大與驗(yàn)證

從上文可知，噴霧干燥塔放大過(guò)程中需要關(guān)注液滴干燥所需時(shí)間、熱量交換的佩克萊數(shù)的變化。為了將噴霧干燥由中試規(guī)模（SD-25，蒸發(fā)能力25 kg·h?1）放 大 到 生 產(chǎn) 規(guī) 模（SD-45，蒸 發(fā) 能 力250 kg·h?1），通過(guò)公式（7）和公式（9）計(jì)算兩種不同規(guī)模的噴霧干燥塔在不同出風(fēng)溫度下液滴干燥所需時(shí)間與熱量交換的佩克萊數(shù)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同規(guī)模噴霧干燥塔的液滴干燥所需時(shí)間和熱量交換的佩克萊數(shù)Fig.5 Drying time and Peclet number heat in different spray drying towers

從圖中可知，不同規(guī)模的兩種噴霧干燥塔的熱量交換佩克萊數(shù)相同，均隨出風(fēng)溫度的升高而變大。這表明，隨著溫度的升高，熱交換中的對(duì)流增加或擴(kuò)散減弱。液滴干燥所需的時(shí)間隨著出風(fēng)溫度的升高而減少，但是生產(chǎn)規(guī)模的噴霧干燥塔（SD-45）內(nèi)液滴干燥所需時(shí)間明顯比中試規(guī)模的噴霧干燥塔（SD-25）高。液滴干燥時(shí)間與水分呈正相關(guān)（圖4），在相同的工藝條件下，生產(chǎn)規(guī)模的噴霧干燥塔獲得的藻粉水分含量會(huì)比中試規(guī)模的藻粉更高。

隨后，本文在生產(chǎn)規(guī)模的噴霧干燥塔中驗(yàn)證上述推論。生產(chǎn)規(guī)模的噴霧干燥塔在出風(fēng)溫度為70 ℃、進(jìn)風(fēng)溫度180 ℃的工藝條件下，藻粉水分含量為8.14%，遠(yuǎn)超相同條件下中試規(guī)模噴霧干燥獲得藻粉，與預(yù)期結(jié)果一致。謝明等[34]在噴霧干燥小球藻時(shí)，將規(guī)模從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模（蒸發(fā)能力1.8 kg·h?1）放大到中試規(guī)模（蒸發(fā)能力5 kg·h?1），藻粉的水分含量也從4.76%上升到6.70%。由此可見(jiàn)，可以將液滴干燥所需時(shí)間作為噴霧干燥放大的關(guān)鍵參數(shù)。

噴霧干燥從中試規(guī)模放大到生產(chǎn)規(guī)模后，由于不同噴霧干燥塔液滴干燥所需時(shí)間的差異，相同工藝條件下藻粉水分含量差異明顯。而出風(fēng)溫度可以顯著影響（P<0.05）液滴干燥所需時(shí)間、熱量交換的佩克萊數(shù)，因此可通過(guò)調(diào)整出風(fēng)溫度調(diào)控液滴干燥所需時(shí)間、熱量交換的佩克萊數(shù)，進(jìn)而調(diào)整藻粉的水分。若將生產(chǎn)規(guī)模的噴霧干燥塔液滴干燥所需時(shí)間降低到4 s（與中試規(guī)模出風(fēng)溫度55 ℃時(shí)相近），需將出風(fēng)溫度提高到90 ℃。出風(fēng)溫度60~90 ℃范圍內(nèi)，生產(chǎn)規(guī)模出風(fēng)溫度對(duì)藻粉水分含量的影響如圖6所示。

圖6 生產(chǎn)規(guī)模噴霧干燥塔中出風(fēng)溫度對(duì)藻粉水分含量的影響Fig.6 Effect of outlet temperature on water content in production scale

為了更準(zhǔn)確地描述生產(chǎn)規(guī)模噴霧干燥塔出風(fēng)溫度與藻粉水分含量之間的關(guān)系，對(duì)出風(fēng)溫度和水分進(jìn)行擬合?？紤]到出風(fēng)溫度與水分含量之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)僅有?0.60（圖4），線性相關(guān)度不佳，故選擇二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合。擬合后的R2大于0.999，二次多項(xiàng)式可以較為準(zhǔn)確地描述出風(fēng)溫度與水分含量之間的關(guān)系。根據(jù)擬合后的公式，若藻粉的水分含量達(dá)到小于4%的企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，需要控制出風(fēng)溫度大于82 ℃。最終，生產(chǎn)規(guī)模的噴霧干燥工藝條件為進(jìn)風(fēng)溫度180 ℃、出風(fēng)溫度82 ℃、進(jìn)料總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)14.60%。

為了驗(yàn)證雨生紅球藻噴霧干燥工藝在生產(chǎn)規(guī)模噴霧干燥塔中的效果。使用不同規(guī)模的噴霧干燥塔干燥相同的雨生紅球藻泥，并將不同規(guī)模干燥獲得藻粉以及原始藻泥的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。生產(chǎn)規(guī)模和中試規(guī)模獲得的藻粉的蝦青素含量與蛋白含量相近，沒(méi)有顯著差異（P>0.05），水分含量也都在控制的目標(biāo)范圍之內(nèi)，生產(chǎn)效率從中試規(guī)模噴霧干燥塔的4.78 kg·h?1提高至37.04 kg·h?1，提高了6.75倍，單臺(tái)噴霧干燥塔每天可生產(chǎn)888.96 kg雨生紅球藻粉。在大型噴霧干燥塔中的藻粉得率已經(jīng)達(dá)到98.57%，已經(jīng)達(dá)到商業(yè)化生產(chǎn)的要求。因此，雨生紅球藻的干燥工藝在大型噴霧干燥塔中放大成功。

表1 噴霧干燥工藝的放大Table 1 Scale-up of spray drying process

3 結(jié)論

在中試規(guī)模的雨生紅球藻噴霧干燥過(guò)程中，進(jìn)出風(fēng)溫度對(duì)蝦青素含量和蛋白含量沒(méi)有顯著的影響（P>0.05），進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)于水分含量無(wú)明顯影響（P>0.05），但出風(fēng)溫度顯著影響（P<0.05）藻粉的水分含量；適合雨生紅球藻中試規(guī)模噴霧干燥的工藝條件為進(jìn)風(fēng)溫度180 ℃、出風(fēng)溫度55 ℃、進(jìn)料總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)14.60%；雨生紅球藻粉的理化指標(biāo)受到噴霧干燥塔的兩個(gè)噴霧干燥參數(shù)（液滴干燥所需時(shí)間和熱量的佩克萊數(shù)）的顯著（P<0.05）影響，其中液滴干燥所需時(shí)間可以作為雨生紅球藻噴霧干燥放大過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)；據(jù)此，在生產(chǎn)規(guī)模的噴霧干燥塔中將出風(fēng)溫度提高到82 ℃，獲得了與中試規(guī)模理化指標(biāo)相近的藻粉。本文最終實(shí)現(xiàn)噴霧干燥工藝的放大，達(dá)到日產(chǎn)888.96 kg雨生紅球藻粉的規(guī)模，實(shí)現(xiàn)了雨生紅球藻泥商業(yè)化生產(chǎn)雨生紅球藻粉。