■ 提偉鋼 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院生物與環(huán)境工程系

乳制品干燥最廣泛應(yīng)用的技術(shù)是噴霧干燥。在不考慮能耗高的前提下，噴霧干燥是最常用的方法，因?yàn)檫@一過程減少了對(duì)粉末產(chǎn)品的熱效應(yīng)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上超過95%的奶粉是用噴霧干燥方法制造的，由于不進(jìn)行強(qiáng)烈的熱處理，并且允許產(chǎn)品在常溫條件下貯存，因此噴霧干燥可以有效保持制品的生物活性。

噴霧干燥方法有如下優(yōu)點(diǎn)：第一，如果能控制干燥條件保持不變，通過干燥塔的粉末性質(zhì)就不變；第二，干燥過程是連續(xù)的和易于操作的，可以進(jìn)行自動(dòng)化操作；第三，干燥的范圍廣，特別是用于熱敏感性物料的脫水。本文綜述了國內(nèi)外牛奶噴霧干燥技術(shù)最新研究進(jìn)展，就奶粉噴霧干燥常見問題，如粘壁和奶粉速溶問題以及噴霧干燥過程的模擬等方面進(jìn)行介紹，旨在為解決奶粉生產(chǎn)中的問題提供有價(jià)值的參考。

1 噴霧干燥原理

噴霧干燥是把含有固體成分的液體分散成小液滴，以較溫和的方式除去液滴中的水分。濃縮乳被霧化成均勻的液滴（50～100 μm），在干燥塔頂進(jìn)行壓力或離心噴霧。這些液滴落入干燥塔，在熱的無菌空氣中順流干燥，液滴中的水分含量下降。在干燥初期階段，因?yàn)樗畯囊旱伪砻嬲舭l(fā)，液滴不斷收縮。在干燥初級(jí)階段快結(jié)束時(shí)，液滴失去水分變成顆粒狀，顆粒表面形成很薄的固體外層。在干燥的第2階段，固體外層變厚，水分蒸發(fā)擴(kuò)散的阻力增大。因此，干燥速率下降，噴霧干燥塔去除水分的效率降低。水分含量在7%以下時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇其它的干燥設(shè)備，從而提高熱轉(zhuǎn)換和水分蒸發(fā)的效率，使能量消耗最小，避免顆粒溫度的過度升高，提高奶粉的速溶性。

在乳制品加工過程中常用的二段干燥法，包括噴霧干燥和在其后的振動(dòng)流化床干燥，振動(dòng)流化床包括1～2個(gè)具有一定傾斜角度的帶孔振動(dòng)箱。在三段干燥中，除了振動(dòng)流化床系統(tǒng)之外，在噴霧干燥塔底插入靜態(tài)流化床作為干燥塔附聚器。

在振動(dòng)流化床系統(tǒng)中，粉末的水分含量從6%～7%降低到3%～4%。熱空氣溫度為80～120℃，逐步充滿流化床，控制熱流量，使其與水分蒸發(fā)所需的熱流量相近。在顆粒移動(dòng)和干燥過程中，顆粒的溫度在下降。在這個(gè)系統(tǒng)的末端，從周圍環(huán)境中補(bǔ)充空氣用于降低顆粒的溫度。在這個(gè)系統(tǒng)中，干燥和冷卻操作相對(duì)容易，因?yàn)轭w粒在流化床中停留的時(shí)間比在干燥塔中停留的時(shí)間長。另外，出口空氣把沒有附聚的細(xì)粒帶到旋風(fēng)分離器或者布袋過濾器中。在那里，細(xì)粒與空氣分離并回收到噴霧干燥塔中。這樣就提高了粉末的附聚，降低了粉塵污染[2]。

2 噴霧干燥技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 降低奶粉粘壁問題

噴霧干燥塔壁上顆粒的粘壁是一個(gè)重要的問題，其可影響奶粉的品質(zhì)甚至?xí)斐苫馂?zāi)或爆炸，還會(huì)給設(shè)備清洗帶來困難[3，4]。為了研究和降低奶粉粘壁現(xiàn)象，通常會(huì)采用粘點(diǎn)試驗(yàn)的方法[5]。很多研究者利用此方法來控制噴霧干燥塔的粘壁現(xiàn)象。

對(duì)于噴霧干燥粘性物質(zhì)來說，在選擇噴霧干燥條件時(shí)，粘點(diǎn)曲線是一個(gè)半定量的概念。它表明在粘點(diǎn)曲線以下，沒有顯著的粘壁現(xiàn)象。因此，關(guān)于物料的等溫吸附和粘點(diǎn)溫度的信息就允許我們開發(fā)一系列的加工操作條件，其目的是最大程度地減少粘壁，同時(shí)干燥塔出料口達(dá)到要求的平衡條件。例如，提高進(jìn)料口處氣體溫度可以提高出料口的溫度，同時(shí)可以提高出料口處顆粒的溫度。然而，提高溫度可能會(huì)降低出料口處的水分含量。隨著水分含量的下降，粘點(diǎn)溫度會(huì)上升。因此，根據(jù)等溫吸附曲線，提高進(jìn)料口的氣體溫度可能會(huì)把干燥塔出料口的條件從粘性區(qū)域轉(zhuǎn)移到非粘性區(qū)域。

L Ozmen等人研究了脫脂奶粉玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度和粘點(diǎn)溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用試驗(yàn)證明了粘點(diǎn)曲線和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度曲線之間的正向?qū)?yīng)關(guān)系，得出可以用DSC（差式量熱掃描儀）測定玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度曲線來模擬和研究顆粒掛壁現(xiàn)象。該方法具有試驗(yàn)樣品用量少，簡便快速的優(yōu)點(diǎn)[4]。

2.2 提高奶粉的速溶性

在水中復(fù)原奶粉的過程包括4個(gè)同時(shí)進(jìn)行的作用：奶粉浸沒在水中（打破水的界面張力，浸沒到液體中）；把水吸收到它的表面上，促進(jìn)水滲透到它的微孔中；粉末分散并混合到水中，形成均一的懸濁液；最后，在水中保持穩(wěn)定的懸浮。這些作用與顆粒的大小、密度、殘留水分和脂肪含量緊密相關(guān)[6]。因此，奶粉的品質(zhì)可以通過操作加工參數(shù)之間的關(guān)系來加以定量，這些參數(shù)可以最好的描述這些性質(zhì)。

一段干燥方法生產(chǎn)的奶粉過程耗能大，得到的是細(xì)小、不凝結(jié)的顆粒（粒徑30～50 μm），這樣的顆粒很難在水中分散。干燥塔連接振動(dòng)流化床組成二段干燥設(shè)備。凝結(jié)的顆粒在干燥室出口處保存，然后在振動(dòng)流化床中在較溫和的條件下干燥和冷卻，未凝結(jié)的顆粒回收到噴霧干燥室，這樣可以控制奶粉的顆粒分布，提高奶粉的速溶性，生產(chǎn)的奶粉顆粒達(dá)到令人滿意的范圍。另外，二段干燥可以降低能量消耗和成本，對(duì)工業(yè)上生產(chǎn)速溶奶粉來說是更可取的方法。這種方法的改進(jìn)是三段干燥方法，靜態(tài)流化床插入錐形塔的底座，從而更好地控制顆粒的凝結(jié)和干燥。在干燥和冷卻之后，奶粉必須包裝在合適的容器中并貯藏。

為了使生產(chǎn)的奶粉快速復(fù)水、速溶，離開噴霧干燥室（未進(jìn)流化床之前）的顆粒凝聚物應(yīng)呈現(xiàn)下列特性：①干基含水量：全脂奶粉5.3%～6.4%，脫脂奶粉6.4%～7.5%；②表觀密度，450～550 kg/m3；③奶粉顆粒大小分布范圍廣，離差大，顆粒直徑為40～600 μm；④顆粒之間的粘度要在合適的范圍內(nèi)，在流化床系統(tǒng)中要保證顆粒在一個(gè)比較窄的顆粒大小分布范圍內(nèi)產(chǎn)生足夠高的粘度，形成或者重排形成凝聚物，同時(shí)，顆粒粘度又要足夠低，保證其在干燥塔內(nèi)粘壁最少[7]。

干燥室出來的粉末必須在振動(dòng)流化床系統(tǒng)中干燥，使殘留的水分含量適合于保存（全脂奶粉水分含量要達(dá)到2.6%～3.1%，脫脂奶粉水分含量達(dá)到3.7%～4.2%）。應(yīng)用流化床可以減少能耗，促進(jìn)奶粉凝結(jié)，減少奶粉品質(zhì)的下降?？蛇x用Hausner比值（輕敲密度/松密度）定量描述內(nèi)聚力的強(qiáng)度。根據(jù)Hahne和 Passos的研究，對(duì)于用振動(dòng)流化床系統(tǒng)干燥全脂奶粉，推薦的Hausner比值約等于1.4[8]。

M A A Cruz等用實(shí)驗(yàn)型噴霧干燥塔生產(chǎn)高質(zhì)量的速溶全脂奶粉，采用的條件是：較低的進(jìn)料量和進(jìn)口溫度（1.4 kg/h，160℃），較高的噴霧轉(zhuǎn)速（50 000 rpm）；得到的奶粉參數(shù)為：水分含量4.0%，Hausner比值1.6，表觀密度531 kg/m3[9]。

在干燥過程中加熱程度會(huì)影響奶粉的溶解性。奶粉工業(yè)廣泛采用的二段干燥法已經(jīng)考慮了在中等水分含量條件下牛奶蛋白的敏感性。如果二段干燥的出口溫度和干燥室的溫度低，會(huì)導(dǎo)致顆粒的溫度降低。從干燥室出來的產(chǎn)品水分含量在6%～8%，再進(jìn)行第二步干燥，在干燥狀態(tài)下的蛋白質(zhì)要比中等水分含量狀態(tài)穩(wěn)定性高得多。因此，在第二段干燥過程中選用較高的溫度使最終產(chǎn)品的水分含量盡快達(dá)到3%～4%，可以提高產(chǎn)品的溶解性能，減少負(fù)面影響。在牛奶的2 種蛋白質(zhì)中，乳清蛋白在干燥中溶解性所受影響不大，蛋白質(zhì)溶解問題主要來自于酪蛋白。酪蛋白以交聯(lián)或者膠束形式存在，與奶粉中殘留的水分以氫鍵相連接，在溶于水的過程中需要發(fā)生重排。乳糖和礦物質(zhì)對(duì)蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性也有很重要的作用。在干燥脫水過程中，糖類對(duì)蛋白質(zhì)能起到有效的穩(wěn)定作用[10]。

2.3 噴霧干燥過程的模型建立與模擬

噴霧干燥在很大程度上把液體變成粉末，可以干燥熱敏感的物料。然而，設(shè)計(jì)全尺寸噴霧干燥塔實(shí)驗(yàn)難度很大并且結(jié)果不可靠，不只因?yàn)楦稍锼?，還在于測定和描述干燥塔內(nèi)空氣流量、熱量和質(zhì)量的傳遞機(jī)制很復(fù)雜。近年來，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）已經(jīng)用于描述干燥塔內(nèi)的氣體和固體的流動(dòng)。目前，需要進(jìn)行更多的研究，因?yàn)橛?jì)算流體動(dòng)力學(xué)是模擬噴霧干燥操作的很有發(fā)展前途的工具。

V S Birchal等介紹了一項(xiàng)針對(duì)噴霧干燥器的模擬研究，用全脂牛奶懸濁液作為干燥懸濁液。用2 種方法對(duì)這個(gè)過程進(jìn)行總體描述。第1 種方法包括一個(gè)總體平衡的模型，在這個(gè)模型中，液滴和顆粒構(gòu)成分散相，在干燥塔內(nèi)按停留時(shí)間間隔依次分布，空氣連續(xù)通入并且是混合均勻的一相，考慮到各相之間的相互作用，質(zhì)量和熱量達(dá)到平衡。該方法分析了描述顆粒膨脹和干燥機(jī)制、顆粒和熱空氣之間質(zhì)量和熱量傳遞的基本模型方程。第2 種方法需要用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）解決三維模型。連續(xù)流動(dòng)的空氣相遵循平均時(shí)間Navier-Stokes方程和RNG渦流模型，而顆粒的方程在拉格朗日模型中建立，用隨機(jī)的方法預(yù)測顆粒的軌道。研究采用實(shí)驗(yàn)性噴霧干燥塔進(jìn)行試驗(yàn)，為2 種方法提供數(shù)據(jù)。通過對(duì)2 種結(jié)果的比較，對(duì)噴霧干燥操作有了更好的了解。第1 種方法建立在簡化的模型基礎(chǔ)上，適用于對(duì)噴霧干燥過程進(jìn)行總體把握，然而它不能進(jìn)行微觀精確的控制；第2 種方法應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)可以做到，可以解決設(shè)計(jì)上的問題，提高奶粉的品質(zhì)。當(dāng)然，第2 種方法也要和第1 種方法相結(jié)合，進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整校正[11]。

Ireneusz Zbicin，ski等用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)噴霧干燥過程進(jìn)行模擬，構(gòu)建的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)連續(xù)相參數(shù)進(jìn)行了準(zhǔn)確的測定，但對(duì)分散相的測定產(chǎn)生了較小的誤差，可能來自霧化初始參數(shù)的誤差。在實(shí)驗(yàn)室和在實(shí)驗(yàn)工廠得到的干燥曲線形狀一致，這樣就可以在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模測定臨界含水率。把試驗(yàn)初始霧化參數(shù)和實(shí)際噴霧干燥動(dòng)力學(xué)引入到計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)中，可以最精確地模擬實(shí)際噴霧干燥過程[12]。

3 結(jié)語

噴霧干燥技術(shù)日趨成，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。但是理論仍然落后于實(shí)踐，人們的認(rèn)識(shí)與其內(nèi)在實(shí)質(zhì)仍有距離[13]。在進(jìn)行噴霧干燥模擬研究時(shí)，對(duì)于霧滴的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、非球形顆粒及干燥過程中顆粒形狀變化時(shí)的模擬精度等微觀領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)還有待于提高。如果能用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型把噴霧干燥的過程模擬出來，直觀地反映參數(shù)的變化對(duì)噴霧效果的影響，將極大地方便噴霧干燥技術(shù)的提高和推廣?！?/p>

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