[科普中国]-二级干燥

简介

二级干燥技术之所以得到赞许和推广，主要是由于这种干燥技术从干燥动力学的观点来说，比一次干燥更合理，在第一级干燥设备内主要除去大量表面水，且将物料喷雾成型，而在干燥降速阶段即含水量较低，而所需时间较长，则可在热效率较高，容积传热蒸发系数较大的沸腾床或振动沸腾床内完成。合理使用二次干燥技术后，虽然使喷雾干燥塔基本投资费增加10%左右(增建二次干燥散置)，但总的来说，干燥系统的生产能力将提高25%~30%，热损耗降低15%~20%，以一套日产5吨奶粉的干燥装置为例，在二级干燥的情况下，仅燃料费一年可节约2万元左右。大约一年半时间内可全部回收投资。

当然二次干燥技术在干燥领域来讲亦不是新鲜事，洌如在聚氯乙烯干燥中采嗣气流同沸腾相结合，在染料行业中有薄膜同气流二级干燥装置，对喷雾干燥来讲，目前只有乳品行业中得到发展，在六十年代初期丹麦尼罗公司介绍，在乳品工业中在喷雾干燥塔底部安排振动沸腾干燥器，进行二级干燥，在欧美和大洋洲近年来安装投产了许多套带有二次干燥的喷雾干燥装置。

二级干燥去除尚未冻结的水分，这在蛋白质制剂的干燥方面是特别重要的，因为与传统的低分子质量药品干燥不一样，过度干燥时蛋白质易于失去活性。例如，Hsu等(1992)研究了没有赋形剂的组织纤溶酶原激活物的冷冻干燥制剂中残留水分对复形/重新溶解(不溶性聚集物)浊度和贮藏时生物活性稳定性的影响。这涉及蛋白质水蒸气吸附等温线。干燥至残留水分低于固体单覆盖层水平时的样品，在复形时比含有较高残留水分的样品具有更高的浊度，50℃贮藏时，最干物质比含有较高残留水分的样品浊度增加更快。且干燥残留水分至单覆盖层或多覆盖层时的样品，表现为贮藏时生物活性更快消失。结果表明，并不总是越干燥越好，最适干燥水平应根据物理稳定性与化学稳定性的综合考虑而选择。

工作原理及流程说明二级干燥原理：首先是对干燥过程进一步介剖。对干燥内规律逐渐认识而发展起来的，主要从二个方面来认识一个湿物料固有干燥特性曲线，另一个操作环境状态变化，现分叙如下：

要进行干燥的物料是有各种不同结构，各种不同物理化学、机械性质，以及各种其他性质，湿物料性质在很大程度上取决于物料中所含水分与之结合形式。湿物料干燥速度又将取决于结合形式，一般可将水分与物料结合形式分为：化学结合水、吸附结合水、毛细管结合水、渗透结合水等四种，除了上述水分与物料的结合形式之外，还必须要考虑到处于分散状态的自由结合水。此处也将它看作是被吸收的水分物料。其叶，表面水和由于物料湿润的结果，而充满在粗大毛细管中的水分是按机械方法与物料结合，其结合的牢固程度是最差的，因而也最容易从物料巾将水分除去，吸附水分是被细小毛细管的表面所吸附的水分，或者是由于扩散作用而渗透到物料的细胞内部的水分(称结构水或渗透水分)，此种水分与物料的结合程度较为坚固，与以化学方式结合的水分一样，较难从物料中除去。一般可以通过干燥实验来测定物料干燥特性曲线，通过干燥特性曲线分析来了介水份与物料结合形式。由干燥难易程度，干燥过程分为二个阶段，第一阶段为物料予热期，第二阶段是恒迷干燥阶段，第三阶段是降速干燥阶段。也称物料加热阶段。很显明上述第二阶段为表面汽化控制阶段。此时蒸发水为自由水或表面水，而第三阶段为内部扩散控制阶段，此时蒸发水份为结合水份。从干燥动力学观点来看，对白炭黑造粒干燥将采用二级干燥技术比一级干燥更为合理，它使速度较快的恒速干燥阶段(此时水为表面水、自由水)。在喷雾干燥器内成粒，而使速度慢的降速干燥阶段，此时水为内部水与物料结合比较牢固，因此它可使用流化床进行干燥，另一个是 操作环境关系：湿物料不但能借助汽化的方法，将水分散失到周围的介质中，当在另一个环境条件下，湿物料还能从周围介质中吸收水分，因此进行干燥时必须知道能够释出水分的条件，若令PW为干燥物料的表面上水份的蒸汽压时，下列条件是进行干燥所必须的。

PW>PV (1)

式中PV为空气中的水蒸汽分压，由式(1)可知，压力PW越大，干燥就越易进行。另外从干燥速率来看，将可用下试来表示：

dw/dτ=Kα*A*(PW-PV) (2)

式中Kα—干燥速率常数

A—为干燥介质与空气接触表面积

PW-PV —干燥推动力

其中Kα及A当干燥物料及干燥型式确定后均为常数，因此它主要取决于PW-PV，其PW值大小与物料的温度和干燥湿度有关，与物料水分之结合形式有关，物料的湿度越大，干燥的温度越高，PW值越大，反之则PW越小，对PV值来讲，它主要取决于空气中温度、湿含量，当空气中温度越高，湿含量越小，PV值越小。反之则PV值越大。因此对一些随着物料一起移动干燥设备，如气流干燥，喷雾干燥(顺流型)等装置，在干燥开始时候，PW-PV的数值来得大，所以干燥前阶段来讲干燥速率就快，但随着干燥进程进行，PW-PV的数据将大幅度下降，使干燥速率相应减慢．所以在干燥器中，对气流干燥及喷雾干燥来讲，它的容积给热系数，热利用率相应来讲是比较低，因此，在人们思想中，对I喷雾干燥设备总是认为它既庞大又耗能，而二级干燥技术开发就是为解决这一问题，它使进入降速干燥阶段的物料，进入一个流化干燥器内进行。此时送入的新鲜空气湿度较低，温发较高，使得PW-PV值增加，从而提高干燥速度1。

二级干燥的限速对于初级干燥时的传热与传质，了解冷冻干燥的二级干燥期的限速过程是有益的。可能的因素是：①玻璃基质到固体表面的扩散；②固体表面的蒸发；③通过固体多孔床的水蒸气传递。尽管蛋白质制剂没有用于这些研究中，但Pikal等(1990)研究了二级干燥动力学与温度和压力关系。甘露醇与两种无定型物质，拉氧头孢二钠和聚乙烯吡咯烷酮，作为研究的模型晶体。据报道，在二级于燥的最初几小时，残留水分迅速下降，然后相对缓慢，达到一个稳定水平，此时它超过了从解吸等温线计算出的固体平衡水分含量和冷冻室中的水蒸气分压。该稳定水平是一个温度敏感性的，较高的二级干燥温度导致稳定水平的明显下降。二级干燥速率随干燥固体的比表面积而增加，二级干燥时期其二级干燥速率与冷冻室压力无关。同时也发现二级干燥速率不依赖于干燥产品层的深度。二级干燥速率不依赖于冷冻室压力和干燥产品层深度表明，限速步骤不是通过固体多孑L床的水蒸气传递。因此，限速步骤是水通过固体的扩散或固体表面的蒸发。

残留水分对二级干燥的影响当残留水分中小的变化对产品关键品质，如稳定性，有显著影响时，药瓶间和冻干块中的残留水分分布可能与平均残留水分(量)一样重要，瓶与瓶之间的变化可通过生产认证中大量抽样确定，理想的是画出残留水分在冷冻干燥器中位置分布图。“边缘效应”可能是显著的，在瓶架边缘的药瓶干燥快且比大多数中间的药瓶中低残留水分低，这是由于传热是从侧边、门和冷冻室后边横向热迁移所致。Pikal和Shah(1997)研究了药瓶内的水分分布。理论分析预测，靠近冻干块顶部的残留水分低于底部的残留水分，特别是装量大时。实验数据表明，块的顶部比块的底部干燥，且块的外部，即最靠近瓶壁处，都是最干燥的。

残留水分在冷冻干燥蛋白质稳定性和二级干燥过程中的更好控制，是具有显著实用性的课题，需要进行更多研究2。