生物工业下游技术 第十章 蒸发与干燥.ppt

1、第十章 蒸发与干燥,第一节 前言,蒸发：使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并 移出蒸汽从而使溶液中溶质浓度提高的过程。,目的,增加溶质浓度，减少溶液体积，以便进一步分离提纯； 蒸发得到的溶剂较为纯净，可以再利用或无污染排放。,第二节 蒸 发,蒸发过程： 加热使溶液沸腾汽化 不断排除水蒸气 蒸发系统： 蒸发器和冷凝器,一、蒸发的基本流程,蒸发器： 加热室 气液分离器 冷凝器： 换热器,一、蒸发的基本流程,二、蒸发的操作方法,1.常压蒸发和减压蒸发 常压蒸发：冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压 力为大气压或略高于大气压，系统中不凝性 气体依靠本身的压力从冷凝器中排出。 真空蒸发：冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压

2、 力低于大气压，系统中不凝性气体必须依靠 用真空泵抽出。（降低溶液沸点）,真空蒸发的优点,溶液沸点低，可以用温度较低的 低压蒸气或废蒸气作加热蒸气； 溶液沸点低，采用同样的加热蒸气，蒸发器传热的平均温度差大，所需的传热面小； 沸点低，有利于处理热敏性物料，即高温下易分解和变质的物料； 蒸发器的操作温度低，系统的热损失小。,真空蒸发的缺点,溶液温度低，黏度大，沸腾的 传热系数小，蒸发器的传热系数小； 蒸发器和冷凝器的内压力低于大气压，完成液和冷凝水需用泵排出； 需用真空泵抽出不凝性气体，以保持一定的真空度，因而需多耗能量。,二、蒸发的操作方法,2.单效蒸发和多效蒸发 单效蒸发：二级蒸汽在冷凝器中

3、用水冷却， 冷凝成水而排出，二次蒸气所含的热能未 能利用。 多效蒸发：第一蒸发器中蒸出的二次蒸汽用 作第二个蒸发器的加热蒸气，第二个蒸发器 蒸出的二次蒸汽用作第三个蒸发器的加热蒸 气 ，依此类推。,三、蒸发器及蒸发系统,1.蒸发器的分类 膜式和非膜式蒸发器 膜式蒸发器：传热效果好、蒸发速度快、物料中热敏性成分不易破坏等特点。 2.膜式蒸发器的结构与特征,升膜蒸发器,加热室由垂直的长管组成，管长315m，直径2.5 5cm。,升膜蒸发器,适用于相对蒸发量较大、热敏性及易生泡沫的溶液； 不适用于高黏度、有结晶析出或易结垢的溶液和浓溶液。,降膜蒸发器,降膜蒸发器,适用于蒸发量较大浓度、黏度较大的溶液

4、； 不适用于有结晶析出或易结垢的溶液。,旋转刮板蒸发器,旋转刮板蒸发器,适用于处理有结晶析出、易结垢、高黏度的溶液； 结构复杂、动力消耗大。,蒸发工艺的确定,物料的性质包括成分组成、黏度变化范围、热稳定性、发泡性、腐蚀性、是否易结晶、结垢、是否含有固体悬浮物等； 工艺技术要求包括处理量、蒸发量、料液进出口的浓度与温度、安装现场的面积和高度、设备投资限额、要求连续或间歇生产等；,取决于物料主成分的损失和蒸发的能耗,蒸发工艺的确定,公用系统的情况包括可以利用的热源、蒸汽供应量及压力、能利用的冷却水水量、水质和温度等。,第三节 干燥,利用热能使湿物料中湿分汽化并排除蒸汽，从而得到较干物料的过程。,目

5、 的,产品便于包装贮存运输； 许多生物制品在湿分含量较低的状态下较为稳定，从而使生物制品有较长的保质期。,一、概 述,（一）干燥的方法,导热干燥 热能通过传热壁面以传导的方式传给湿物料，使其中的水分汽化，所产生的蒸汽被干燥的介质带走或用真空泵抽走的干燥操作过程。 该法热能利用较高，但与传热壁接触的物料在干燥时易局部过热而变质。,辐射干燥,热能以电磁波的形式由辐射器发射至湿物料表面后，被物料所吸收转化为热能，而将水分加热汽化，达到干燥的目的。 红外辐射干燥比热传导干燥生产强度大，设备紧凑，干燥时间短，产品干燥均匀且洁净。 能耗大，适用于干燥表面积大而薄的物料。,介电加热干燥,是将需要干燥的物料放

6、在高频电场中，利用电场的交互作用将湿物料加热，水分汽化，物料被干燥。 传热过程将促进物料内部水分的扩散，干燥时间短，干燥产品均匀而洁净。 由于干燥时物料内部温度高，不适用于热敏性物料的干燥。,对流干燥,热能以对流的方式由热干燥介质传给湿物料，使物料中的水分汽化，物料中的水分以气态或液态形式扩散到物料表面，然后汽化的蒸汽从表面扩散到干燥介质主体，再由介质带走的干燥过程。,(二)干燥的基本理论,1、干燥原理 pwp，进行干燥； pw=p，干燥即行停止； pwp，吸湿。 pw为湿物料表面的水蒸气分压；p为水蒸气分压； tw为物料表面温度； 为物料表面气膜的厚度。,2、湿空气的性质,湿空气是绝干空气和

7、水蒸气的混合物。能用于干燥的湿空气必须是不饱和空气，从而可继续容纳水分。 采用热空气作为干燥介质的目的不仅是为了提供水分气化所需的热量，而且是为了降低空气的相对湿度以提高空气的吸湿能力。 空气性质对物料的干燥影响很大，而且随着干燥过程的进行不断发生变化。,空气的常用性质：,当空气达饱和时， t=tw。 当空气未饱和时， ttw。 空气的湿度越小， t和tw的差值越大。,(1)干球温度与湿球温度,干球温度(dry bulb temperature)是用普通温度计在空气中直接测得的温度，常用t表示。 湿球温度(wet bulb temperature)是在温度计的感温球包以湿纱布放置在空气中，传热

8、和传质达到平衡时所测得的温度，常用tw表示。,空气的常用性质：,空气湿度(humidity，H)系单位质量干空气带有的水蒸气的质量(kg水蒸气/kg干空气)。 H=0.622p/(P-p) 式中，P为湿空气的总压，Pa；p为水蒸气分压；0.622为水分子量18与空气分子量29之比。,(2)湿度和相对湿度,相对湿度 (relative humidity，RH) 是指在一定总压及温度下，湿空气中水蒸气分压p与饱和空气中水蒸气分压ps之比的百分数，常用RH%表示。 RH%= p/ps100% 饱和空气的RH=100%； 未饱和空气的RH100%； 绝空气的RH=0%； 空气的相对湿度直接反映空气中湿

9、度的饱和程度。,空气的常用性质：,(2)湿度和相对湿度,根据物料中所含水分能否干燥来划分平衡水分与自由水分。 平衡水分 (equilibrium water)系指在一定空气条件下，物料表面产生的水蒸气压等于该空气中水蒸气分压，此时物料所含水分为平衡水分，是不能干燥的水分。 平衡水分与物料的种类、空气状态有关，根据干燥要求选择适宜的空气条件。 自由水分(free water)系指物料所含的水分中多于平衡水分的部分，或称游离水分，是能干燥除去的水分。,3、物料中水分的性质,(1)平衡水分与自由水分,根据物料中所含水分的干燥难易程度来划分结合水分与非结合水分。 结合水分 (bound water)系

10、指以物理化学方式结合的水分，数字上等于RH=100%时物料的平衡水分。 由于结合水分与物料结合力强，干燥速度缓慢，如动植物细胞壁内的水分、物料内毛细管中的水分、可溶性固体溶液中的水分等。 非结合水分(nonbound water)系指以机械方式结合的水分，与物料结合力很弱，干燥速度较快。,3、物料中水分的性质,(2)结合水分与非结合水分,干燥速度是单位时间、单位干燥面积上被干物料所能汽分的水分量。即水分量的减少值，其单位kg/(m2s)。,4.干燥速度,5.水分含量的测定方法,(1)测定水分含量时常用干燥失重测定法 保干器干燥法，常用干燥剂为无水氯化钙、 硅胶或五氧化二磷； 常压加热干燥； 减

11、压干燥法等。 (2)精确测定微量水分含量时，必须采用费休 法或甲苯法。,6.干燥的副作用,物料的收缩 化学变化 生化变化,（三）干燥工艺的确定,物料的化学性质，如组成、热敏性、物料的毒性、可燃性、氧化性和酸碱性、摩擦带电性、吸水性等。 物料的热性质，如物料含水量、粒度、导热系数等。 其他性质，如膏糊状物料的黏附性、触变性等。,（四）生物工业常用的干燥技术,气流干燥技术,干燥强度大 热效率高 处理量大 设备简单 应用范围广,喷雾干燥技术,干燥速度十分迅速 干燥过程中液滴的温度不高，产品质量好 产品具有良好的分散性、流动性和溶解性 生产过程简化，操作控制方便 适用于连续化、大规模生产,冷冻干燥技术

12、,物料的物理结构和分子结构变化极小； 热敏性物料或酶制剂十分稳定； 干燥后的物料可在短时间内恢复干燥前的原来状态； 干燥后的物料水分很低，在常温下长期保存。,学习要求,喷雾干燥技术有哪些特点？ 冷冻干燥技术有哪些特点？ 蒸发和干燥技术都是比较传统的工业技术，它们用于生物技术产品的生产时应注意哪些问题？ 请分析某一具体生物技术产品的蒸发系统，探讨它的优缺点。,热原,指注射剂中存在的一种异物，注射于人体时，可产生寒颤、高热甚至休克等不良反应，其主要来源为革兰氏阴性菌产生的细菌内毒素。不同菌产生的细菌内毒素化学结构及生物特性并不相同，绝大多数属类脂多糖，可溶于水，耐热，能通过细菌滤器，纳克量即可使人

13、体体温明显上升。 此外，其他微生物产生的热物质、白细胞性致热物质和一些化学性发热物质也可能污染注射剂而产生热原反应，因此热原是这些发热物质的总称。,热原检查法,本法系将一定剂量的供试品，静脉注入家兔体内，在规定时间内，观察家兔体温升高的情况，以判定供试品中所含热原的限度是否符合规定。,供试用的家兔应健康无伤，体重1.73.0kg，雌兔应无孕。预测体温前7日即应用同一饲料饲养,在此期间内，体重应不减轻，精神、食欲、排泄等不得有异常现象。 未经使用于热原检查的家兔；或供试品判定为符合规定,但组内升温达0.6的家兔；或3周内未曾使用的家兔，均应在检查供试品前37日内预测体温，进行挑选。,供试用家兔,

14、挑选试验的条件与检查供试品时相同，仅不注射药液，每隔30分钟测量体温1次，共测8次,8次体温均在38.039.6的范围内,且最高与最低体温的差不超过0.4的家兔，方可供热原检查用。 用于热原检查后的家兔，如供试品判定为符合规定,至少应休息2日方可供第2次检查用。如供试品判定为不符合规定，则组内全部家兔不再使用。每一家兔的使用次数，用于一般药品的检查，不应超过10次。,试验前的准备,在作热原检查前12日，供试用家兔应尽可能处于同一温度的环境中，实验室和饲养室的温度相差不得大于5，实验室的温度应在1728,在试验全部过程中，应注意室温变化不得大于3，避免噪音干扰。,试验前的准备,家兔在试验前至少1

15、小时开始停止给食并置于适宜的装置中,直至试验完毕。家兔体温应使用精密度为0.1的肛温计，或其他同样精确的测温装置。 肛温计插入肛门的深度和时间各兔应相同，深度一般约6cm，时间不得少于1分半钟，每隔30分钟测量体温1次，一般测量2次，两次体温之差不得超过0.2,以此两次体温的平均值作为该兔的正常体温。当日使用的家兔，正常体温应在38.039.6的范围内，且各兔间正常体温之差不得超过1。,试验前的准备,试验用的注射器、针头及一切和供试品溶液接触的器皿,应置烘箱中用250加热30分钟或用180加热2小时，也可用其他适宜的方法除去热原。,检查法,取适用的家兔3只,测定其正常体温后15分钟以内，自耳静脉缓缓注入规定剂量并温热至约38的供试品溶液，然后每隔30分钟按前法测量其体温1次,共测6次,以6次体温中最高的一次减去正常体温，即为该兔体温的升高温度（）。 如3只家兔中有1只体温升高0.6或0.6以上,或3只家兔体温升高均低于0.6,但体温升高的总和达1.4或1.4以上，应另取