我国干燥技术的研究进展及展望

燥的目的 [ 15 ] 。喷雾干燥的优点很多 ,但其热量利用率 比较低 ,而且有些热空气与药品直接接触温度过高 , 而破坏了药品的有效成分 ,此外一些中药在干燥过程 中容易发生粘壁现象 。为此 ,曾亚森和罗宇玲主要研 究了在喷雾干燥过程中容易发生粘壁药品的类型有 半湿的 、低熔点 、干粉表面附着等 ,并且通过试验研究 已经找到解决粘壁的方法有控制热风在干燥塔内的 温度分布 、冷空气吹扫和导入热风等措施 ,也可以通 过改变干燥塔的结构来解决 [ 16 ] 。喷雾干燥的研究主 要是集中在雾化装置结构和整个干燥系统设计以及 模型的建立上 。除了单纯的喷雾干燥技术 ,喷雾干燥 还与其他的干燥技术相结合 ,形成新型的干燥技术 , 如喷雾冷冻干燥技术 。黄立新等人对喷雾冷冻干燥 的机理进行了分析 ,并分析了喷雾冷冻干燥产品的特 性 [ 17 ] 。除了喷雾冷冻干燥技术 ,现阶段新兴发展起来 的还有喷雾干燥与流化床结合起来的干燥技术 。
合的太阳能干燥室 。江西永修县某厂的集热器型太 阳能干燥室总的质量情况较常规蒸汽窑干燥有所提 高 。北京林业大学设计的太阳能与热泵除湿机联合 干燥装置 ,其干燥室内温度和相对湿度变化较平稳 , 同时干燥周期明显比单独使用太阳能干燥的周期短 , 提高了生产效率 。此外 ,太阳能蓄热技术在木材干燥 系统中的应用越来越广 。将太阳能蓄热技术用于太 阳能木材干燥窑 ,可以克服太阳能低密度 、间歇性与 受自然条件制约的缺点 ,如增设辅助热源 ,还可以保 证冬季 、阴雨天以及全年有效地干燥木材 。为此 ,傅 庚福等人对太阳能蓄热技术进行了描述 ,提出了木材 干燥在应用中存在的问题 ,并给出了建议 [2 ] 。
真空冷冻干燥技术是在接近真空状态下将湿的药 品冻结到冰点以下 ,然后在相对较低的温度下使水分 由固态直接升华成气态水蒸汽 ,从而降低药品中含水 量的干燥技术 。冻干技术在国外已经使用了 100a多 , 在中国也已经使用了 30a多 。真空冷冻干燥技术的优 点很多 :如药品中的易挥发的物质在没有高温的条件 下不易散失 ,保证了药剂的成分 ;低压条件使得某些 物质不易发生氧化反应 ;低温条件下热敏性物质不易 变性等 。近年来 ,国内对真空冷冻干燥理论 、工艺和 设备上的研究逐年增多 ,如肖剑琴和张雪菊专门将藏 药制剂二十味肉豆蔻片分别在喷雾干燥和真空冷冻 干燥条件下进行干燥 ,并以干燥后的品质 、水分及挥 发性成分丁香酚含量为指标进行对比 ,结果表明 :干 燥藏药制剂二十味肉豆蔻片 ,真空冷冻干燥比喷雾干 燥更适合 [ 18 ] 。同时 ,冻干过程要求也很严格 ,工艺参 数的不恰当会造成冻干制品的品质下降 。鲍明慧等 人指出影响冻干产品质量的问题主要有物料浓度低 、 物料凝固不彻底 、物料融化和物料焦化等 [ 19 ] 。此外 , 有专家指出 :与其他干燥方法相比 ,设备一次性投资 很大 ,能源消耗很大 ,限制了这种技术的发展 。
热泵除湿干燥是一种干燥介质为湿空气 ,利用后 的湿空气经过除湿机的制冷系统 , 冷却脱湿再加热后 回到干燥室 , 进行空气的闭式循环的干燥方式 。在整 个干燥过程中 ,空气参与的是闭路循环 ,不会向外界 排放废气 ,因此热泵除湿干燥系统是一种节能和环保 的干燥系统 。近年来成功应用于木材干燥的热泵除 湿干燥系统有双热源热泵除湿干燥系统 、高温热泵除 湿干燥系统 、回热型热泵除湿干燥系统 、带旁通风的 热泵除湿干燥系统以及联合除湿干燥系统等 。张壁 光等人研究了太阳能与热泵除湿联合干燥系统 ,指出 将太阳能与热泵除湿两种节能干燥技术结合起来 ,既 发挥了两者的优势 ,又克服了太阳能干燥受气候影响 的弱点 。此 外 , 北 京 林 业 大 学 宁 炜 [ 3 ] 进 行 了 常 规 蒸 汽 —除湿联合干燥木材匹配条件的研究 ,确定了最佳 匹配条件 。同时 ,谢大斌 [ 4 ]对高温除湿 —常规蒸汽联 合干燥木材的优化进行了研究 。
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等分别进行了研究 。结果表明 ,从总体来看采用微波 气流组合干燥对菊花干燥更好 [ 21 ] 。崔政伟采用微波 真空干燥大蒜片 ,结果表明 :微波真空干燥所得的大 蒜片质量与冷冻干燥产品的质量接近 ,但成本比冷冻 干燥低得多 [ 22 ] 。显然 ,微波与其他干燥方法相结合 , 干燥的效果更佳 ,如干燥时间上可以缩短很多等 ,但 也存在微波升温时不均匀和微波干燥室内测温技术 还不够完善等问题 ,这些都是将来研究的主要方向 。
从目前木材干燥的研究进展可以看出 ,主要的研 究方向有木材不同干燥方法的合理选择 、木材干燥过 程的传热 传质 研究 、木材 干燥 数学 模型 的建 立的研 究 、木材干燥的新技术与新工艺的研究 、木材干燥室 结构的优化设计的研究以及木材干燥过程的检测等 的研究 。这些干燥理论的建立为进一步深入研究木 材的干燥提供参考 。今后 ,干燥技术中的绿色干燥以 及组合干燥技术的比例将会呈现增长趋势 。 1. 2 干燥技术在医药行业中的应用及发展趋势
近年来 ,有关太阳能干燥技术的研究越来越多 。 太阳能干燥室一般可分为温室型和集热器型两大类 , 此外还有两者结合的半温室型 、整体式及各种能源联
收稿日期 : 2009 - 02 - 27 作者简介 : 王 超 ( 1984 - ) ,女 ,天津人 ,在读硕士研究生 , ( E - mail)
wangchaoheqiu @ sina. com。 通讯作者 : 谭鹤群 ( 1968 - ) ,男 ,湖南隆回人 ,副教授 ,博士 。
药品的种类大致有西药原料药 、制剂药品 、中药 制品和生物制剂等 。药品的干燥方式也很多 ,其中干 燥箱是最古老又最简单的干燥方法 。此外 ,还有气流 干燥 、喷雾干燥 、流化床干燥 、旋转闪蒸干燥 、真空干 燥和冷冻干燥以及两种干燥方式相结合的干燥 。
喷雾干燥是一种直接干燥 ,通过雾化的方式形成 雾滴 ,并且与热气体介展 ; 发展趋势
中图分类号 : S226. 6 文献标识码 : A
文章编号 : 1003 - 188X (2009 ) 12 - 0221 - 04
0 引言
干燥作为加工过程中的一个重要环节 ,广泛应用 于各个行业 ,而且其范围逐年扩大 。干燥是能耗比较 大的单元操作 ,因此高效 、节能和环保的干燥技术是 今后的发展方向 。干燥技术的种类很多 ,对应干燥设 备的类型也很繁多 ,从传统的热风干燥到微波干燥、 红外干燥 ,再到近年来才广泛使用的真空冷冻干燥与 太阳能干燥等 ,都不同程度地应用于各行业中 。
微波干燥是一种以药材中的水作电介质 ,在交变 电磁场的作用下使药材中的水分子不断地做高速频 繁的运动 ,水分子之间由于摩擦而生热 ,使药材从内 到外同时加热的干燥技术 。近年来 ,微波干燥技术用 于药材领域越来越多 ,对微波干燥技术的研究也越来 越多 。例如 ,王珂等人对微波干燥在香菊胶囊生产中 的可行性进行了研究 [ 20 ] 。同时 ,张晓辛也对菊花微波 干燥 、气流干燥以及微波气流干燥的方法 、工艺 、效果
1 我国干燥技术的研究进展
1. 1 干燥技术在木材行业中的应用及研究进展 当前 ,木 材干 燥工 业形成 了以 常规 蒸汽 干燥为
主 ,常规炉气与热水干燥 、热泵除湿干燥 、真空干燥干 燥 、微波干燥 、高频干燥和太阳能干燥等多种干燥方 法同时发展的比较完整的产业体系 。
常规干燥是一种以常压湿空气作为干燥介质 、以 热水和蒸汽等作为热源间接加热空气 、干燥介质温度 在 100℃以下的干燥方法 。常规干燥在木材干燥中是 一种比较传统的方法 ,易出现干燥缺陷 ,如木材在干 燥过程中出现的开裂 、变形以及在干燥结束后出现的 最终含水率不均匀等问题 [ 1 ] 。前者是由于干燥过程 中工艺参数的不适当以及待干木材的装堆不合理造 成的 ; 后者则是由于木材本身 、木材干燥基准工艺条 件以及干燥设备等方面的问题造成的 。
我国干燥技术的研究进展及展望
王 超 , 谭鹤群
(华中农业大学 工程技术学院 , 武汉 43 007 0 )
摘 要 : 干燥技术在化工 、医 药 、粮 食 、食 品 、矿 业 和 木 材 等 行 业 中 应 用 非 常 广 泛 。为 此 , 通 过 对 干 燥 技 术 在 木
材 、医药和食品等 3 个行业中的应用及研究进展的分析 ,指出了干燥技术在这些领域中的研究方向及发展趋势 。
除此之外 ,对药材干燥过程中机理模型的建立研 究也很多 。如汤兵勇和贾继明进行了中药粉针剂喷 雾干燥过程及机理模型的研究 ,并建立了其喷雾干燥 过程模型 。张薇等人针对片状中药材淮山药的微波 干燥进行了研究 ,并且根据微波辐射干燥的热传递原 理以及质量扩散原理 ,建立了微波辐射干燥片状中药 材淮山药的数学模型 [ 23 ] 。谢国山等人对真空冷冻干 燥过程进行了模拟研究 ,建立冷冻干燥模型 ,并得出 冷冻干燥过程时间的公式 ,在实际应用中可以很好的 预测冻干时间 。
从目前药品干燥方法及其理论的研究进展可以得 出 ,今后主要的研究和发展方向为基本参数的研究 , 包括物性参数和过程参数 。此项研究内容涉及物性 参数数据的测定与测定方法以及各因素对物性参数 的影响情况 。此外 ,过程机理的研究和模型的建立也 是今后发展的方向 。过程优化控制的研究是建立在 数学模型基础之上的 , 干燥方法上采取单一干燥方 式 。除此之外 ,两种干燥技术甚至多种干燥技术相结 合的干燥技术在今后还有很大的研究空间 ,如真空冷 冻干燥 、喷雾冷冻干燥和微波冷冻干燥等 。在保证干 燥品质的同时 ,降低能源也是今后的研究重点 。 1. 3 干燥技术在食品行业中的应用及发展趋势
真空干燥是利用水在低压下沸点低的原理 ,使木 材在干燥过程中形成急剧的蒸汽压力梯度和含水率 梯度 ,促使木材快速干燥的一种方法 。木材真空干燥 技术早在 20 世纪末本世纪初就取得了发明专利 ,但
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喷雾干燥的优点很多但其热量利用率究了在喷雾干燥过程中容易发生粘壁药品的类型有半湿的低熔点干粉表面附着等并且通过试验研究已经找到解决粘壁的方法有控制热风在干燥塔内的温度分布冷空气吹扫和导入热风等措施也可以通过改变干燥塔的结构来解决16
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是到近 20 年才真正得到发展 。其中 , 庄寿增等人 [ 5 ] 研制出来一种带有热能回收装置的木材真空干燥系 统 ,并且分析了对流加热连续真空干燥新工艺 ,结果 表明这 项技 术有 显著 的节 能效 果 。此 外 , 于 洪 志 等 人 [ 6 ]针对 ZKY - 01 型箱式木材真空干燥机进行了试 验研究 ,结果表明 :与常规干燥相比 , ZKY - 01 型箱式 木材真空干燥机干燥速度有很大提高 ,干燥质量也比 较好 。木材在干燥过程中存在着外界的干扰 ,其干燥 过程是一个复杂的强耦合与非线性动力系统 ,建立理 想的木材干燥模型很困难 。伊松林等人建立了木材 浮压干燥热质传递的数学模型 [ 7 ] 。同时 ,张冬妍等人 建立了木材干燥过程的动态递归神经网络模型 [8]。 胡昆仑等人也建立了木材干燥过程的时延神经网络 模型 [ 9 ] 。东北林业大学范宇等人 [ 10 ] 针对木材干燥过 程的非线性与强藕合的特点 ,分析了两种基于机器学 习的非线性系统建模方法 —神经网络和支持向量机 建立木材干燥模型的可行性 ,并给出了基于神经网络 和支持向量机的木材干燥模型 。其中 ,神经网络存在 诸如易陷入局部极小值 、全局搜索能力弱以及训练速 度慢等问题 。北京林业大学胡传坤和高建民探索了 木材干燥过程中应力与应变的检测方法 [ 11 ] 。范宇等 人 [12 ]针对干燥过程中木材含水率在线检测存在的问 题 ,提出采用基于 SVM 的软测量方法 ,通过仿真实验 , 模型预测准确 。胡进波等人对木材的干燥特性进行 了研究 ,为研究制定木材干燥工艺提供了一套较完整 的方案 [ 13 ] 。李贤军根据微波真空干燥过程中木材内 部水分和热量的迁移机理 ,建立了木材微波真空干燥 的数学模型 ,并进行了验证 [ 14 ] 。