生物工業(yè)下游技術(shù)第十章蒸發(fā)與干燥

生物工業(yè)下游技術(shù)第十章蒸發(fā)與干燥第一頁，共五十三頁，2022年，8月28日第一節(jié)前言蒸發(fā)：使含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液沸騰汽化并移出蒸汽從而使溶液中溶質(zhì)濃度提高的過程。第二頁，共五十三頁，2022年，8月28日目的增加溶質(zhì)濃度，減少溶液體積，以便進(jìn)一步分離提純；蒸發(fā)得到的溶劑較為純凈，可以再利用或無污染排放。第三頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四頁，共五十三頁，2022年，8月28日第二節(jié)蒸發(fā)第五頁，共五十三頁，2022年，8月28日蒸發(fā)過程：

加熱使溶液沸騰汽化

不斷排除水蒸氣蒸發(fā)系統(tǒng)：

蒸發(fā)器和冷凝器一、蒸發(fā)的基本流程第六頁，共五十三頁，2022年，8月28日蒸發(fā)器：

加熱室

氣液分離器冷凝器：

換熱器一、蒸發(fā)的基本流程第七頁，共五十三頁，2022年，8月28日二、蒸發(fā)的操作方法

1.常壓蒸發(fā)和減壓蒸發(fā)常壓蒸發(fā)：冷凝器和蒸發(fā)器溶液側(cè)的操作壓力為大氣壓或略高于大氣壓，系統(tǒng)中不凝性氣體依靠本身的壓力從冷凝器中排出。真空蒸發(fā)：冷凝器和蒸發(fā)器溶液側(cè)的操作壓力低于大氣壓，系統(tǒng)中不凝性氣體必須依靠用真空泵抽出。（降低溶液沸點(diǎn)）第八頁，共五十三頁，2022年，8月28日真空蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)溶液沸點(diǎn)低，可以用溫度較低的低壓蒸氣或廢蒸氣作加熱蒸氣；溶液沸點(diǎn)低，采用同樣的加熱蒸氣，蒸發(fā)器傳熱的平均溫度差大，所需的傳熱面小；沸點(diǎn)低，有利于處理熱敏性物料，即高溫下易分解和變質(zhì)的物料；蒸發(fā)器的操作溫度低，系統(tǒng)的熱損失小。第九頁，共五十三頁，2022年，8月28日真空蒸發(fā)的缺點(diǎn)溶液溫度低，黏度大，沸騰的傳熱系數(shù)小，蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)小；蒸發(fā)器和冷凝器的內(nèi)壓力低于大氣壓，完成液和冷凝水需用泵排出；需用真空泵抽出不凝性氣體，以保持一定的真空度，因而需多耗能量。第十頁，共五十三頁，2022年，8月28日二、蒸發(fā)的操作方法

2.單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)單效蒸發(fā)：二級(jí)蒸汽在冷凝器中用水冷卻，冷凝成水而排出，二次蒸氣所含的熱能未能利用。多效蒸發(fā)：第一蒸發(fā)器中蒸出的二次蒸汽用作第二個(gè)蒸發(fā)器的加熱蒸氣，第二個(gè)蒸發(fā)器蒸出的二次蒸汽用作第三個(gè)蒸發(fā)器的加熱蒸氣，依此類推。第十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日第十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日三、蒸發(fā)器及蒸發(fā)系統(tǒng)1.蒸發(fā)器的分類

膜式和非膜式蒸發(fā)器

膜式蒸發(fā)器：傳熱效果好、蒸發(fā)速度快、物料中熱敏性成分不易破壞等特點(diǎn)。2.膜式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)與特征第十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日升膜蒸發(fā)器加熱室由垂直的長(zhǎng)管組成，管長(zhǎng)3～15m，直徑2.5～5cm。第十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日升膜蒸發(fā)器適用于相對(duì)蒸發(fā)量較大、熱敏性及易生泡沫的溶液；不適用于高黏度、有結(jié)晶析出或易結(jié)垢的溶液和濃溶液。第十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日降膜蒸發(fā)器第十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日降膜蒸發(fā)器適用于蒸發(fā)量較大濃度、黏度較大的溶液；不適用于有結(jié)晶析出或易結(jié)垢的溶液。第十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日旋轉(zhuǎn)刮板蒸發(fā)器第十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日旋轉(zhuǎn)刮板蒸發(fā)器適用于處理有結(jié)晶析出、易結(jié)垢、高黏度的溶液；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動(dòng)力消耗大。第十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日蒸發(fā)工藝的確定物料的性質(zhì)—包括成分組成、黏度變化范圍、熱穩(wěn)定性、發(fā)泡性、腐蝕性、是否易結(jié)晶、結(jié)垢、是否含有固體懸浮物等；工藝技術(shù)要求—包括處理量、蒸發(fā)量、料液進(jìn)出口的濃度與溫度、安裝現(xiàn)場(chǎng)的面積和高度、設(shè)備投資限額、要求連續(xù)或間歇生產(chǎn)等；

取決于物料主成分的損失和蒸發(fā)的能耗第二十頁，共五十三頁，2022年，8月28日蒸發(fā)工藝的確定公用系統(tǒng)的情況—包括可以利用的熱源、蒸汽供應(yīng)量及壓力、能利用的冷卻水水量、水質(zhì)和溫度等。

第二十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日第三節(jié)干燥利用熱能使?jié)裎锪现袧穹制⑴懦羝?，從而得到較干物料的過程。第二十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日目的產(chǎn)品便于包裝貯存運(yùn)輸；許多生物制品在濕分含量較低的狀態(tài)下較為穩(wěn)定，從而使生物制品有較長(zhǎng)的保質(zhì)期。第二十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日一、概述第二十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日（一）干燥的方法

導(dǎo)熱干燥熱能通過傳熱壁面以傳導(dǎo)的方式傳給濕物料，使其中的水分汽化，所產(chǎn)生的蒸汽被干燥的介質(zhì)帶走或用真空泵抽走的干燥操作過程。該法熱能利用較高，但與傳熱壁接觸的物料在干燥時(shí)易局部過熱而變質(zhì)。第二十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日輻射干燥熱能以電磁波的形式由輻射器發(fā)射至濕物料表面后，被物料所吸收轉(zhuǎn)化為熱能，而將水分加熱汽化，達(dá)到干燥的目的。紅外輻射干燥比熱傳導(dǎo)干燥生產(chǎn)強(qiáng)度大，設(shè)備緊湊，干燥時(shí)間短，產(chǎn)品干燥均勻且潔凈。能耗大，適用于干燥表面積大而薄的物料。第二十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日介電加熱干燥是將需要干燥的物料放在高頻電場(chǎng)中，利用電場(chǎng)的交互作用將濕物料加熱，水分汽化，物料被干燥。傳熱過程將促進(jìn)物料內(nèi)部水分的擴(kuò)散，干燥時(shí)間短，干燥產(chǎn)品均勻而潔凈。由于干燥時(shí)物料內(nèi)部溫度高，不適用于熱敏性物料的干燥。第二十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日對(duì)流干燥熱能以對(duì)流的方式由熱干燥介質(zhì)傳給濕物料，使物料中的水分汽化，物料中的水分以氣態(tài)或液態(tài)形式擴(kuò)散到物料表面，然后汽化的蒸汽從表面擴(kuò)散到干燥介質(zhì)主體，再由介質(zhì)帶走的干燥過程。第二十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日(二)干燥的基本理論1、干燥原理

①pw>p，進(jìn)行干燥；②pw=p，干燥即行停止；③pw<p，吸濕。pw為濕物料表面的水蒸氣分壓；p為水蒸氣分壓；tw為物料表面溫度；δ為物料表面氣膜的厚度。第二十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日2、濕空氣的性質(zhì)濕空氣是絕干空氣和水蒸氣的混合物。能用于干燥的濕空氣必須是不飽和空氣，從而可繼續(xù)容納水分。采用熱空氣作為干燥介質(zhì)的目的不僅是為了提供水分氣化所需的熱量，而且是為了降低空氣的相對(duì)濕度以提高空氣的吸濕能力。空氣性質(zhì)對(duì)物料的干燥影響很大，而且隨著干燥過程的進(jìn)行不斷發(fā)生變化。第三十頁，共五十三頁，2022年，8月28日空氣的常用性質(zhì)：當(dāng)空氣達(dá)飽和時(shí)，t=tw。當(dāng)空氣未飽和時(shí)，t>tw?？諝獾臐穸仍叫?，t和tw的差值越大。(1)干球溫度與濕球溫度

①干球溫度(drybulbtemperature)是用普通溫度計(jì)在空氣中直接測(cè)得的溫度，常用t表示。②濕球溫度(wetbulbtemperature)是在溫度計(jì)的感溫球包以濕紗布放置在空氣中，傳熱和傳質(zhì)達(dá)到平衡時(shí)所測(cè)得的溫度，常用tw表示。第三十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日空氣的常用性質(zhì)：①空氣濕度(humidity，H)系單位質(zhì)量干空氣帶有的水蒸氣的質(zhì)量(kg水蒸氣/kg干空氣)。

H=0.622p/(P-p)式中，P為濕空氣的總壓，Pa；p為水蒸氣分壓；0.622為水分子量18與空氣分子量29之比。(2)濕度和相對(duì)濕度

第三十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日②相對(duì)濕度(relativehumidity，RH)

是指在一定總壓及溫度下，濕空氣中水蒸氣分壓p與飽和空氣中水蒸氣分壓ps之比的百分?jǐn)?shù)，常用RH%表示。

RH%=p/ps×100%

飽和空氣的RH=100%；未飽和空氣的RH<100%；絕空氣的RH=0%；空氣的相對(duì)濕度直接反映空氣中濕度的飽和程度。空氣的常用性質(zhì)：(2)濕度和相對(duì)濕度

第三十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日根據(jù)物料中所含水分能否干燥來劃分平衡水分與自由水分。

①平衡水分

(equilibriumwater)系指在一定空氣條件下，物料表面產(chǎn)生的水蒸氣壓等于該空氣中水蒸氣分壓，此時(shí)物料所含水分為平衡水分，是不能干燥的水分。平衡水分與物料的種類、空氣狀態(tài)有關(guān)，根據(jù)干燥要求選擇適宜的空氣條件。②自由水分(freewater)系指物料所含的水分中多于平衡水分的部分，或稱游離水分，是能干燥除去的水分。3、物料中水分的性質(zhì)(1)平衡水分與自由水分第三十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日

根據(jù)物料中所含水分的干燥難易程度來劃分結(jié)合水分與非結(jié)合水分。①結(jié)合水分

(boundwater)系指以物理化學(xué)方式結(jié)合的水分，數(shù)字上等于RH=100%時(shí)物料的平衡水分。由于結(jié)合水分與物料結(jié)合力強(qiáng)，干燥速度緩慢，如動(dòng)植物細(xì)胞壁內(nèi)的水分、物料內(nèi)毛細(xì)管中的水分、可溶性固體溶液中的水分等。②非結(jié)合水分(nonboundwater)系指以機(jī)械方式結(jié)合的水分，與物料結(jié)合力很弱，干燥速度較快。3、物料中水分的性質(zhì)(2)結(jié)合水分與非結(jié)合水分第三十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日干燥速度是單位時(shí)間、單位干燥面積上被干物料所能汽分的水分量。即水分量的減少值，其單位kg/(m2·s)。4.干燥速度第三十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日5.水分含量的測(cè)定方法(1)測(cè)定水分含量時(shí)常用干燥失重測(cè)定法

①保干器干燥法，常用干燥劑為無水氯化鈣、硅膠或五氧化二磷；②常壓加熱干燥；③減壓干燥法等。(2)精確測(cè)定微量水分含量時(shí)，必須采用費(fèi)休法或甲苯法。第三十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日6.干燥的副作用物料的收縮化學(xué)變化生化變化第三十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日第三十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日（三）干燥工藝的確定物料的化學(xué)性質(zhì)，如組成、熱敏性、物料的毒性、可燃性、氧化性和酸堿性、摩擦帶電性、吸水性等。物料的熱性質(zhì)，如物料含水量、粒度、導(dǎo)熱系數(shù)等。其他性質(zhì)，如膏糊狀物料的黏附性、觸變性等。第四十頁，共五十三頁，2022年，8月28日（四）生物工業(yè)常用的干燥技術(shù)第四十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日氣流干燥技術(shù)干燥強(qiáng)度大熱效率高處理量大設(shè)備簡(jiǎn)單應(yīng)用范圍廣第四十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日噴霧干燥技術(shù)干燥速度十分迅速干燥過程中液滴的溫度不高，產(chǎn)品質(zhì)量好產(chǎn)品具有良好的分散性、流動(dòng)性和溶解性生產(chǎn)過程簡(jiǎn)化，操作控制方便適用于連續(xù)化、大規(guī)模生產(chǎn)第四十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日冷凍干燥技術(shù)物料的物理結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)變化極小；熱敏性物料或酶制劑十分穩(wěn)定；干燥后的物料可在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)干燥前的原來狀態(tài)；干燥后的物料水分很低，在常溫下長(zhǎng)期保存。第四十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日學(xué)習(xí)要求噴霧干燥技術(shù)有哪些特點(diǎn)？冷凍干燥技術(shù)有哪些特點(diǎn)？蒸發(fā)和干燥技術(shù)都是比較傳統(tǒng)的工業(yè)技術(shù)，它們用于生物技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)應(yīng)注意哪些問題？請(qǐng)分析某一具體生物技術(shù)產(chǎn)品的蒸發(fā)系統(tǒng)，探討它的優(yōu)缺點(diǎn)。第四十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日熱原指注射劑中存在的一種異物，注射于人體時(shí)，可產(chǎn)生寒顫、高熱甚至休克等不良反應(yīng)，其主要來源為革蘭氏陰性菌產(chǎn)生的細(xì)菌內(nèi)毒素。不同菌產(chǎn)生的細(xì)菌內(nèi)毒素化學(xué)結(jié)構(gòu)及生物特性并不相同，絕大多數(shù)屬類脂多糖，可溶于水，耐熱，能通過細(xì)菌濾器，納克量即可使人體體溫明顯上升。此外，其他微生物產(chǎn)生的熱物質(zhì)、白細(xì)胞性致熱物質(zhì)和一些化學(xué)性發(fā)熱物質(zhì)也可能污染注射劑而產(chǎn)生熱原反應(yīng)，因此熱原是這些發(fā)熱物質(zhì)的總稱。第四十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日熱原檢查法本法系將一定劑量的供試品，靜脈注入家兔體內(nèi)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，觀察家兔體溫升高的情況，以判定供試品中所含熱原的限度是否符合規(guī)定。

第四十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日供試用的家兔應(yīng)健康無傷，體重1.7～3.0kg，雌兔應(yīng)無孕。預(yù)測(cè)體溫前7日即應(yīng)用同一飼料飼養(yǎng),在此期間內(nèi)，體重應(yīng)不減輕，精神、食欲、排泄等不得有異常現(xiàn)象。未經(jīng)使用于熱原檢查的家兔；或供試品判定為符合規(guī)定,但組內(nèi)升溫達(dá)0.6℃的家兔；或3周內(nèi)未曾使用的家兔，均應(yīng)在檢查供試品前3～7日內(nèi)預(yù)測(cè)體溫，進(jìn)行挑選。供試用家兔第五十頁，共五十三頁，2022年，8月28日挑選試驗(yàn)的條件與檢查供試品時(shí)相同，僅不注射藥液，每隔30分鐘測(cè)量體溫