生物工業(yè)下游技術第十章蒸發(fā)與干燥

第一節(jié)前言蒸發(fā)：使含有不揮發(fā)溶質的溶液沸騰汽化并移出蒸汽從而使溶液中溶質濃度提高的過程。當前第1頁\共有52頁\編于星期四\19點目的增加溶質濃度，減少溶液體積，以便進一步分離提純；蒸發(fā)得到的溶劑較為純凈，可以再利用或無污染排放。當前第2頁\共有52頁\編于星期四\19點當前第3頁\共有52頁\編于星期四\19點第二節(jié)蒸發(fā)當前第4頁\共有52頁\編于星期四\19點蒸發(fā)過程：

加熱使溶液沸騰汽化

不斷排除水蒸氣蒸發(fā)系統：

蒸發(fā)器和冷凝器一、蒸發(fā)的基本流程當前第5頁\共有52頁\編于星期四\19點蒸發(fā)器：

加熱室

氣液分離器冷凝器：

換熱器一、蒸發(fā)的基本流程當前第6頁\共有52頁\編于星期四\19點二、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)器溶液側的操作壓力為大氣壓或略高于大氣壓，系統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)器溶液側的操作壓力低于大氣壓，系統中不凝性氣體必須依靠用真空泵抽出。（降低溶液沸點）當前第7頁\共有52頁\編于星期四\19點真空蒸發(fā)的優(yōu)點溶液沸點低，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??；沸點低，有利于處理熱敏性物料，即高溫下易分解和變質的物料；蒸發(fā)器的操作溫度低，系統的熱損失小。當前第8頁\共有52頁\編于星期四\19點真空蒸發(fā)的缺點溶液溫度低，黏度大，沸騰的傳熱系數小，蒸發(fā)器的傳熱系數??；蒸發(fā)器和冷凝器的內壓力低于大氣壓，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。當前第9頁\共有52頁\編于星期四\19點二、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蒸發(fā)器的加熱蒸氣，第二個蒸發(fā)器蒸出的二次蒸汽用作第三個蒸發(fā)器的加熱蒸氣，依此類推。當前第10頁\共有52頁\編于星期四\19點當前第11頁\共有52頁\編于星期四\19點三、蒸發(fā)器及蒸發(fā)系統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。2.膜式蒸發(fā)器的結構與特征當前第12頁\共有52頁\編于星期四\19點升膜蒸發(fā)器加熱室由垂直的長管組成，管長3～15m，直徑2.5～5cm。當前第13頁\共有52頁\編于星期四\19點升膜蒸發(fā)器適用于相對蒸發(fā)量較大、熱敏性及易生泡沫的溶液；不適用于高黏度、有結晶析出或易結垢的溶液和濃溶液。當前第14頁\共有52頁\編于星期四\19點降膜蒸發(fā)器當前第15頁\共有52頁\編于星期四\19點降膜蒸發(fā)器適用于蒸發(fā)量較大濃度、黏度較大的溶液；不適用于有結晶析出或易結垢的溶液。當前第16頁\共有52頁\編于星期四\19點旋轉刮板蒸發(fā)器當前第17頁\共有52頁\編于星期四\19點旋轉刮板蒸發(fā)器適用于處理有結晶析出、易結垢、高黏度的溶液；結構復雜、動力消耗大。當前第18頁\共有52頁\編于星期四\19點蒸發(fā)工藝的確定物料的性質—包括成分組成、黏度變化范圍、熱穩(wěn)定性、發(fā)泡性、腐蝕性、是否易結晶、結垢、是否含有固體懸浮物等；工藝技術要求—包括處理量、蒸發(fā)量、料液進出口的濃度與溫度、安裝現場的面積和高度、設備投資限額、要求連續(xù)或間歇生產等；

取決于物料主成分的損失和蒸發(fā)的能耗當前第19頁\共有52頁\編于星期四\19點蒸發(fā)工藝的確定公用系統的情況—包括可以利用的熱源、蒸汽供應量及壓力、能利用的冷卻水水量、水質和溫度等。

當前第20頁\共有52頁\編于星期四\19點第三節(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。當前第21頁\共有52頁\編于星期四\19點目的產品便于包裝貯存運輸；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的保質期。當前第22頁\共有52頁\編于星期四\19點一、概述當前第23頁\共有52頁\編于星期四\19點（一）干燥的方法

導熱干燥熱能通過傳熱壁面以傳導的方式傳給濕物料，使其中的水分汽化，所產生的蒸汽被干燥的介質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易局部過熱而變質。當前第24頁\共有52頁\編于星期四\19點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，被物料所吸收轉化為熱能，而將水分加熱汽化，達到干燥的目的。紅外輻射干燥比熱傳導干燥生產強度大，設備緊湊，干燥時間短，產品干燥均勻且潔凈。能耗大，適用于干燥表面積大而薄的物料。當前第25頁\共有52頁\編于星期四\19點介電加熱干燥是將需要干燥的物料放在高頻電場中，利用電場的交互作用將濕物料加熱，水分汽化，物料被干燥。傳熱過程將促進物料內部水分的擴散，干燥時間短，干燥產品均勻而潔凈。由于干燥時物料內部溫度高，不適用于熱敏性物料的干燥。當前第26頁\共有52頁\編于星期四\19點對流干燥熱能以對流的方式由熱干燥介質傳給濕物料，使物料中的水分汽化，物料中的水分以氣態(tài)或液態(tài)形式擴散到物料表面，然后汽化的蒸汽從表面擴散到干燥介質主體，再由介質帶走的干燥過程。當前第27頁\共有52頁\編于星期四\19點(二)干燥的基本理論1、干燥原理

①pw>p，進行干燥；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。當前第28頁\共有52頁\編于星期四\19點2、濕空氣的性質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濕度以提高空氣的吸濕能力?？諝庑再|對物料的干燥影響很大，而且隨著干燥過程的進行不斷發(fā)生變化。當前第29頁\共有52頁\編于星期四\19點空氣的常用性質：當空氣達飽和時，t=tw。當空氣未飽和時，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)是用普通溫度計在空氣中直接測得的溫度，常用t表示。②濕球溫度(wetbulbtemperature)是在溫度計的感溫球包以濕紗布放置在空氣中，傳熱和傳質達到平衡時所測得的溫度，常用tw表示。當前第30頁\共有52頁\編于星期四\19點空氣的常用性質：①空氣濕度(humidity，H)系單位質量干空氣帶有的水蒸氣的質量(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)濕度和相對濕度

當前第31頁\共有52頁\編于星期四\19點②相對濕度(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之比的百分數，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%；空氣的相對濕度直接反映空氣中濕度的飽和程度。空氣的常用性質：(2)濕度和相對濕度

當前第32頁\共有52頁\編于星期四\19點根據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，物料表面產生的水蒸氣壓等于該空氣中水蒸氣分壓，此時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，根據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(1)平衡水分與自由水分當前第33頁\共有52頁\編于星期四\19點

根據物料中所含水分的干燥難易程度來劃分結合水分與非結合水分。①結合水分

(boundwater)系指以物理化學方式結合的水分，數字上等于RH=100%時物料的平衡水分。由于結合水分與物料結合力強，干燥速度緩慢，如動植物細胞壁內的水分、物料內毛細管中的水分、可溶性固體溶液中的水分等。②非結合水分(nonboundwater)系指以機械方式結合的水分，與物料結合力很弱，干燥速度較快。3、物料中水分的性質(2)結合水分與非結合水分當前第34頁\共有52頁\編于星期四\19點干燥速度是單位時間、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.干燥速度當前第35頁\共有52頁\編于星期四\19點5.水分含量的測定方法(1)測定水分含量時常用干燥失重測定法

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)精確測定微量水分含量時，必須采用費休法或甲苯法。當前第36頁\共有52頁\編于星期四\19點6.干燥的副作用物料的收縮化學變化生化變化當前第37頁\共有52頁\編于星期四\19點當前第38頁\共有52頁\編于星期四\19點（三）干燥工藝的確定物料的化學性質，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，如物料含水量、粒度、導熱系數等。其他性質，如膏糊狀物料的黏附性、觸變性等。當前第39頁\共有52頁\編于星期四\19點（四）生物工業(yè)常用的干燥技術當前第40頁\共有52頁\編于星期四\19點氣流干燥技術干燥強度大熱效率高處理量大設備簡單應用范圍廣當前第41頁\共有52頁\編于星期四\19點當前第42頁\共有52頁\編于星期四\19點噴霧干燥技術干燥速度十分迅速干燥過程中液滴的溫度不高，產品質量好產品具有良好的分散性、流動性和溶解性生產過程簡化，操作控制方便適用于連續(xù)化、大規(guī)模生產當前第43頁\共有52頁\編于星期四\19點當前第44頁\共有52頁\編于星期四\19點冷凍干燥技術物料的物理結構和分子結構變化極?。粺崦粜晕锪匣蛎钢苿┦址€(wěn)定；干燥后的物料可在短時間內恢復干燥前的原來狀態(tài)；干燥后的物料水分很低，在常溫下長期保存。當前第45頁\共有52頁\編于星期四\19點學習要求噴霧干燥技術有哪些特點？冷凍干燥技術有哪些特點？蒸發(fā)和干燥技術都是比較傳統的工業(yè)技術，它們用于生物技術產品的生產時應注意哪些問題？請分析某一具體生物技術產品的蒸發(fā)系統，探討它的優(yōu)缺點。當前第46頁\共有52頁\編于星期四\19點熱原指注射劑中存在的一種異物，注射于人體時，可產生寒顫、高熱甚至休克等不良反應，其主要來源為革蘭氏陰性菌產生的細菌內毒素。不同菌產生的細菌內毒素化學結構及生物特性并不相同，絕大多數屬類脂多糖，可溶于水，耐熱，能通過細菌濾器，納克量即可使人體體溫明顯上升。此外，其他微生物產生的熱物質、白細胞性致熱物質和一些化學性發(fā)熱物質也可能污染注射劑而產生熱原反應，因此熱原是這些發(fā)熱物質的總稱。當前第47頁\共有52頁\編于星期四\19點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，在規(guī)定時間內，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。

當前第48頁\共有52頁\編于星期四\19點供試用的家兔應健康無傷，體重1.7～3.0kg，雌兔應無孕。預測體溫前7日即應用同一飼料飼養(yǎng),在此期間內，體重應不減輕，精神、食欲、排泄等不得有異常現象。未經使用于熱原檢查的家兔；或供試品判定為符合規(guī)定,但組內升溫達0.6℃的家兔；或3周內未曾使用的家兔，均應在檢查供試品前3～7日內預測體溫，進行挑選。供試用家兔當前第49頁\共有52頁\編于星期四\19點挑選試驗的條件與檢查供試品時相同，僅不注射藥液，每隔30分鐘測量體溫1次，