生物工程第十章 浓缩干燥技术

依靠压缩空气或蒸气通过喷嘴时产 生的高速将液体吸出并被雾化。在
气流雾化 制药工业广泛使用，核苷酸、农用
细菌杀虫剂、蛋白酶等的干燥
利用往复运动的高压泵将物料喷出
雾化方式 压力雾化 分散成液滴。发酵工厂用于酵母粉
的干燥。
离心雾化 利用在水平方向作高速旋转的圆盘给
予溶液以离心力，使其高速甩出，形 成薄膜、细丝或液滴，同时又受到周 围空气的摩擦、阻碍与撕裂等作用形 成细雾。目前酶制剂的大型生产大多 采用此法，还用于酵母粉的干燥。
升-降膜式蒸发器
升-降膜式蒸发器
升降膜蒸发器具有如下的特点：
(1)符合物料的要求，初进入蒸发器，物料浓度 较低，容易达到升膜的要求。物料经初步浓缩， 浓度较大，但溶液在降膜式蒸发中受重力作用还 能沿管壁均匀分布形成膜状。 (2)经升膜蒸发后的汽液混合物，进入降膜蒸发， 有利于降膜的液体均匀分布，同时也加速物料的 湍流和搅动，以进一步提高降膜蒸发的传热系数。 (3)用升膜来控制降膜的进料分配，有利于操作 控制。 (4)将两个浓缩过程串联，可以提高产品的浓缩 比，减低设备高度。
这种设备是利 用旋转的离心 盘所产生的离 心力对溶液的 周边分布作用 而形成薄膜
2. 减压蒸发浓缩
减压浓缩是根据降低液面压力使液体沸点降低 的原理来进行的。有时也称真空浓缩。为加快 其浓缩往往伴随加热使其蒸发更快。适用于一 些不耐热的生化药物和制品。
减压浓缩就是在减压或真空条件下进行的蒸发 过程，真空蒸发时冷凝器和蒸发器溶液侧的操 作压力低于大气压，此时系统中的不凝性气体 必须用真空泵抽出。
② 适用于热敏物质 ③ 生产能力大，投资费用少； ④ 有机的把干燥、粉碎、输送、包装组合成一道工序，
整个过程在密闭条件下进行，减少物料飞扬，防止 杂质污染，既改善了产品质量，又提高了收得率。
缺点 ① 不适于粘厚物料的干燥
② 对晶形磨损厉害
1) 气流干燥的操作原理
将细粉或颗粒状的湿物料用空气、烟道气 或惰性气体将其分散于悬浮气流中，并和 热气流作并流流动。干燥器可以在正压或 负压下工作。如果物料为高温的膏糊状物 料，可以在干燥器底部串联一粉碎机，使 物料边干燥边粉碎，而后再进入气流干燥 管中进行干燥。
第二节 干燥技术
干燥是将固体、半固体或浓缩液中的水分 (或其他溶剂)除去一部分，以获得含水分较 少的固体的过程。干燥往往是生物产品分离 的最后一步。许多生物产品，如酶制剂、单 细胞蛋白、抗生素。氨基酸等均为固体产品。 干燥是制取以固体形式存在、含水量在5～ 12％的生物制品的主要工业方法。
1. 干燥工艺的操作流程
按膜的形成方法薄膜式蒸发浓缩可分为：
① 管式薄膜蒸发器
液膜在管壁加热时形成，按其流动方向可分为： a. 升膜式蒸发器
形成的液膜与蒸发的汽流的方向相同，由下而上的并流上升。 b. 降膜式蒸发器
形成的液膜与蒸发的汽流的方向相同，由上而下的并流下降。 c. 升降膜式蒸发器
将同一蒸发器的加热管分成两程，溶液先以升膜式进行蒸发， 再以降膜式进行蒸发。
Байду номын сангаас
3. 吸收浓缩
吸收浓缩是通过吸收剂直接吸收除去溶液中溶剂 分子使溶液浓缩的方法。吸收剂与溶液不起化学 反应，对生化药物不起吸附作用，容易与溶液分 开。吸收剂除去溶剂后能重复使用。
最常用的吸收剂有聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、 蔗糖、凝胶等。使用聚乙二醇等吸收剂时，先将 含生化药物的溶液装入半透膜的袋内，扎紧袋口， 外加聚乙二醇覆盖，袋内溶剂渗出即被聚乙二醇 迅速吸去，聚乙二醇被溶剂饱和后，可更换新的， 直到浓缩至所需的浓度为止。
蒸发是溶液表面的溶剂分子获得的动能 超过了溶液内溶剂分子间的吸引力而脱 离液面而逸向空间的过程。当溶液受热， 溶剂分子动能增加，蒸发过程加快；液 体表面积越大，蒸发越快。根据此原理， 蒸发浓缩装置常常按照加热、扩大液体 表面积、低压等因素设计。
二、浓缩的目的 1、提高产物的浓度； 2、减少溶液体积； 3、回收溶剂。 三、蒸发浓缩应具备的操作条件 1、持续供能； 2、沸腾蒸发； 3、维持真空条件； 4、足够的换热面积。
一个完整的干燥工艺过程，是由加热系统、 原料供给系统、干燥系统、除尘系统、气流 输送系统和控制系统组成。
固体物料的干燥包括两个基本过程，首先是 物料加热以使湿分气化的传热过程，然后是 气化后的湿分空气由于其蒸汽分压较大而扩 散进入气相的传质过程，而湿分从固体物料 内部借助扩散等的作用被输送到固体表面， 则是一个物料的内部传质过程。
四、蒸发浓缩的方式 1、分批式蒸发浓缩；
料液可一次加入也可持续、缓慢加入蒸 发器，溶剂不断蒸发，达到指定浓度后，浓 缩液一次出料。 特点：操作简单、浓度可控；加热时间长，
不适应热敏性物料。 类型：旋转蒸发仪、煮沸锅
2、连续式蒸发浓缩 物料一次性、连续通过蒸发装置，从蒸
发器出料的就是达到一定浓度的浓缩液，又 叫一次式或单程式蒸发浓度。 特点：物料受热时间短，适用于热敏性物
4. 吹干浓缩法
将蛋白质溶液装入透析袋内，放在电风扇下 吹。此法简单，但速度慢。
5.超滤膜浓缩法
是利用微孔纤维素膜通过高压将水分滤出， 而蛋白质存留于膜上达到浓缩目的。有两种 方法：一种是用醋酸纤维素膜装入高压过滤 器内，在不断搅拌下过滤；另一种是将蛋白 质溶液装入透析袋内置于真空干燥器的通风 口上，负压抽气，而使袋内液体渗出。
第10章 浓缩干燥技术
浓缩是低浓度溶液通过除去溶剂(包括水)变为 高浓度溶液的过程。常在提取后和结晶前进行， 有时也贯彻在整个生化制药过程中。 干燥是从湿的固体生化药物中除去水分和溶剂 而获得相对或绝对干燥制品的工艺过程。通常 包括原料药的干燥和制成的临床制剂的干燥。
第一节 浓缩技术
一、 基本原理
1.料液分配器
2.加热列管
3.蒸汽挡板
4.分离器
5.冷凝水液位计
a.料液进口
b.加热蒸汽进口
c.不凝性气体排除
d
f d.冷凝水出口 e.浓缩液出口
f.二次蒸汽出口
e
降膜蒸发器设备结构图
降膜蒸发器
料液由顶部加入，通过液料分配器均匀地分配到 每根加热管中被加热蒸发，因重力的影响增加了 蒸汽的抽拉作用和液膜的流动速度，所以在同样 条件下降膜蒸发器的液膜比升膜要薄，传热系数 也较大。同时，液体的运动是靠本身的重力和二 次蒸汽运动的拖带力的作用，其下降的速度比较 快，因此成膜的二次蒸汽流速可以较小，对黏度 较高的液体也较易成膜。降膜比升膜具有更多的 优点，是目前越来越广泛采用的一种型式。
② 刮板式薄膜蒸发器
液膜是靠转动的刮板作用在蒸发器内壁形成。
③ 离心薄膜蒸发器
利用旋转的加热面，使进入加热面的溶液在离心力场作用下形成液膜。
升膜式蒸发器
降膜式蒸发器
升膜式蒸发器
它的加热室由一根或数根垂直长管组成。通常 加热管径为25～50mm，管长与管径之比为100～ 150。原料液预热后由蒸发器底部进入加热器管 内，加热蒸汽在管外冷凝。当原料液受热后沸 腾汽化，生成二次蒸汽在管内高速上升，带动 料液沿管内壁成膜状向上流动，并不断地蒸发 汽化，加速流动，气液混合物进入分离器后分 离，浓缩后的完成液由分离器底部放出。
•气流喷雾干燥流程
雾化机理： 浓乳利用在水平方向做高速 旋转的圆盘的离心力作用进行雾化。浓缩 乳在高速旋转的转盘上雾化时，受到两种 力的作用，一种是转盘旋转产生的离心力， 另一种是空气与乳液之间较高的相对速度 产生的摩擦力。
(2)雾滴与空气接触
在干燥室内，雾滴与空气的接触方式有并流式、 逆流式和混流式三种。在并流系统中，最热的干 燥空气与水分最大的雾滴接触，因而水分迅速蒸 发，从雾滴到干燥成品的整个历程中，物料温度 不高，对热敏性物料的干燥有利，所获得的产品 常为非球形的多孔颗粒。
3. 吸收浓缩
使用凝胶时，先选择凝胶粒度，使其大小恰好让 溶剂及低分子物质能够渗入凝胶内，而生化药物 的分子完全排除于凝胶之外。常用的凝胶为： Sephadex G-10、G-15、G-25,Bio-gel P-2、P-4、 P-6。具体操作：将干燥的凝胶直接投入待浓缩 的稀溶液中，凝胶亲水性强，溶剂及小分子被吸 收到凝胶内，大分子的生物药物留在剩余的溶液 中。离心或过滤除去凝胶颗粒，即得到浓缩的生 化药物溶液。
对于逆流系统，在塔顶喷出的雾滴与塔低上来的 较湿空气接触，水分蒸发速度比并流慢，适用于 耐受高温、含水量低的非热敏性物料处理。
在混流系统中，干燥室底的喷雾嘴向上喷雾，热 空气从室顶进入，性能兼二者之间。
(3)雾滴干燥阶段 恒速干燥和降速
干燥两个阶段。干燥过程室传热和传质同 时进行的过程。
(4)干燥产品与空气分离 干燥的粉
直接干燥 加热方式 间接干燥
常压干燥 气流干燥
介电加热干燥
种类 减压干燥 喷雾干燥
冷却干燥
真空干燥
箱式干燥器 干燥设备 气流干燥器
真空干燥器
喷雾干燥器
冷却干燥器
箱式干燥器
1.气流干燥
利用热空气与粉状或颗粒状湿物料在流动过程中 充分接触，气体与固体物料之间进行传热与传质， 从而使湿物料达到干燥的目的。 优点 ① 干燥时间短
2. 减压蒸发浓缩
减压或真空蒸发有如下优点： ①由于减压，沸点降低，加大了传热温度差，
使蒸发器的传热推动力增加； ②适用于热敏性溶液和不高温的溶液； ③可利用二次蒸汽作为加热热源； ④加热器的热损失减少。 缺点：溶液沸点降低粘度增大，对传热过程不
利；需要真空装置，并增加了能量的消耗。
2)气流干燥的工艺过程
2. 喷雾干燥
利用不同的喷雾器，将悬浮液和粘滞的液体喷 成雾状，形成具有较大表面积的分散微粒同热 空气发生强烈的热交换，迅速排除本身的水分， 在几秒至几十秒内获得干燥。成品以粉末状态 沉降于干燥室底部，连续或间断从卸料器排出。
优点
①直接干燥溶液状态的物料，特别是粘稠液； ②可控制成品含湿量； ③可以得到空心球状产品； ④时间短，在常压下能干燥热敏物质； ⑤规模效益，规模越大成本越低效益越高。
缺点
①堆积比重小，体积庞大，占地大； ②粒度小，收集贮存要求高； ③热容量大，设备庞大，占地大； ④雾化时对物料的浓度、粘度一定要求。
喷雾干燥器
喷雾干燥的工艺过程
喷雾干燥过程可分为四个阶段：料液雾化；雾滴 与空气接触；雾滴干燥；干燥产品与空气分离。
(1)料液雾化 目的在于将料液分散成微细的雾 滴，雾滴的平均直径为20～60µ m，因此具有很 大的表面积。当其与热空气接触时，雾滴就迅速 气化而干燥为粉末或颗粒产品。雾化器是喷雾干 燥的关键部位。目前常用的雾化器有气流式喷嘴、 压力式喷嘴和离心式喷嘴。
1.马达 2.进料管 3.加热蒸汽管 4.排料口 5.冷凝水排出孔 6.刮板 7.分配盘 8.除沫器 9.二次蒸汽排出口
刮板式薄膜蒸发器
刮板式薄膜蒸发器
刮板式薄膜蒸发器是通过旋转的刮板使液料形 成液膜的蒸发设备。液料从进料管以稳定的流 量进入随轴旋转的分配盘中，在离心力的作用 下，通过盘壁小孔被抛向器壁，受重力作用沿 器壁下流，同时被旋转的刮板刮成 薄膜，薄膜 溶液在加热区受热，蒸发浓缩，同时受重力作 用下流，瞬间另一块刮板将浓缩液料翻动下推， 并更新薄膜，这样物料不断形成新液膜蒸发浓 缩，直到液料离开加热室流到蒸发器底部，完 成浓缩过程。
物料干燥速率
物料的干燥速率是指干燥时单位干燥面积，单位 时间内气化的水量，其影响因素包括：
(1) 物料的性质、结构和形状 (2) 干燥介质的温度和湿度 (3) 干燥操作条件 干燥介质与物料的接触方式，
干燥介质与物料的相对运动方向和流动状况 (4) 干燥器的结构形式
2.3 常用的干燥方法
末或颗粒落在干燥室的锥体四壁并滑落到 锥底，通过星形阀之类的排灰阀排出，少 量的细粉则随空气进入旋风分离器进一步 分离。然后将成品输送到另一处混合后储 入成品库或直径包装。
料，处理量大，设备利用率高，但浓 度不可控。
3、循环式蒸发浓缩 在连续式蒸发装置中，使一部分浓缩液
返回蒸发器，而使蒸发器内料液浓度增加的 一种操作方法。 特点：部分浓缩液回流，既增加了进料液的
浓度，也保证了加热管中液体的流 量。
五、常用的浓缩方法 1.薄膜蒸发浓缩
薄膜蒸发浓缩即液体形成薄膜后蒸发，变成 浓溶液。成膜的液体有很大的气化面积，热 传导快，均匀，可避免药物受热时间过长。