生物工业下游技术 第十章蒸发与干燥

1、 蒸发：蒸发：使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并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。移出蒸汽从而使溶液中溶质浓度提高的过程。 增加溶质浓度，减少溶液体积，以便进一增加溶质浓度，减少溶液体积，以便进一 步分离提纯；步分离提纯； 蒸发得到的溶剂较为纯净，可以再利用或蒸发得到的溶剂较为纯净，可以再利用或 无污染排放。无污染排放。 蒸发过程：蒸发过程： 加热使溶液沸腾汽化加热使溶液沸腾汽化 不断排除水蒸气不断排除水蒸气 蒸发系统：蒸发系统： 蒸发器和冷凝器蒸发器和冷凝器 蒸发器蒸发器： 加热室加热室 气液分离器气液分离器 冷凝器冷凝器： 换热器换热器 1.常压蒸发和

2、减压蒸发常压蒸发和减压蒸发 常压蒸发：常压蒸发：冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压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。气体依靠本身的压力从冷凝器中排出。 真空蒸发：真空蒸发：冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压 力低于大气压，系统中不凝性气体必须依靠力低于大气压，系统中不凝性气体必须依靠 用真空泵抽出。（用真空泵抽出。（降低溶液沸点降低溶液沸点） 溶液沸点低，可以用温度较低的溶液沸点低，可以用温度较低的 低压蒸气或废蒸气作加热蒸气；低压蒸气或废蒸气作加热蒸气； 溶液沸点低，采

3、用同样的加热蒸气，蒸发溶液沸点低，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；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；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。蒸发器的操作温度低，系统的热损失小。 溶液温度低，黏度大，沸腾的溶液温度低，黏度大，沸腾的 传热系数小，蒸发器的传热系数小；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；成液和冷凝水需用泵排出； 需用真空泵抽出不凝性气体

4、，以保持一定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。的真空度，因而需多耗能量。 2.单效蒸发和多效蒸发单效蒸发和多效蒸发 单效蒸发：单效蒸发：二级蒸汽在冷凝器中用水冷却，二级蒸汽在冷凝器中用水冷却， 冷凝成水而排出，二次蒸气所含的热能未冷凝成水而排出，二次蒸气所含的热能未 能利用。能利用。 多效蒸发：多效蒸发：第一蒸发器中蒸出的二次蒸汽用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蒸出的二次蒸汽用作第三个蒸发器的加热蒸 气气 ，依此类推。，依此类推。 1.蒸发器的分类蒸

5、发器的分类 膜式膜式和和非膜式蒸发器非膜式蒸发器 膜式蒸发器膜式蒸发器：传热效果好、蒸发速度快、：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。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膜式蒸发器的结构与特征 加热室由垂直的加热室由垂直的 长管组成，管长长管组成，管长 315m，直径，直径 2.5 5cm。 适用于相对蒸发量较大、热敏性及易生泡适用于相对蒸发量较大、热敏性及易生泡 沫的溶液；沫的溶液； 不适用于高黏度、有结晶析出或易结垢的不适用于高黏度、有结晶析出或易结垢的 溶液和浓溶液。溶液和浓溶液。 适用于蒸发量较大浓度、黏度较大的溶液；适用于蒸发量较大浓度、

6、黏度较大的溶液； 不适用于有结晶析出或易结垢的溶液。不适用于有结晶析出或易结垢的溶液。 适用于处理有结晶析出、易结垢、高黏度适用于处理有结晶析出、易结垢、高黏度 的溶液；的溶液； 结构复杂、动力消耗大。结构复杂、动力消耗大。 物料的性质物料的性质包括成分组成、黏度变化范围、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、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；结垢、是否含有固体悬浮物等； 工艺技术要求工艺技术要求包括处理量、蒸发量、料液包括处理量、蒸发量、料液 进出口的浓度与温度、安装现场的面积和高进出口的浓度与温度、安装现场的面积和高 度、设备

7、投资限额、要求连续或间歇生产等；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取决于物料主成分的损失和蒸发的能耗 公用系统的情况公用系统的情况包括可以利用的热源、蒸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、水汽供应量及压力、能利用的冷却水水量、水 质和温度等。质和温度等。 利用热能使湿物料中湿分汽化并排除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。蒸汽，从而得到较干物料的过程。 产品便于包装贮存运输；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下较为

8、稳定，从而使生物制品有较长 的保质期。的保质期。 导热干燥导热干燥 热能通过传热壁面以传导的方式传给湿物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干燥的介质带走或用真空泵抽走的干燥操 作过程。作过程。 该法热能利用较高，但与传热壁接触的物该法热能利用较高，但与传热壁接触的物 料在干燥时易局部过热而变质。料在干燥时易局部过热而变质。 热能以电磁波的形式由辐射器发射至湿物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，而料表面后，被物料所吸收转化为热能，而 将水分加热汽

9、化，达到干燥的目的。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，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，产品干燥均匀且设备紧凑，干燥时间短，产品干燥均匀且 洁净。洁净。 能耗大，适用于干燥表面积大而薄的物料。能耗大，适用于干燥表面积大而薄的物料。 是将需要干燥的物料放在高频电场中，利是将需要干燥的物料放在高频电场中，利 用电场的交互作用将湿物料加热，水分汽用电场的交互作用将湿物料加热，水分汽 化，物料被干燥。化，物料被干燥。 传热过程将促进物料内部水分的扩散，干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。燥时间短，干燥产品均

10、匀而洁净。 由于干燥时物料内部温度高，不适用于热由于干燥时物料内部温度高，不适用于热 敏性物料的干燥。敏性物料的干燥。 热能以对流的方式由热干燥介质传给湿物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，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。再由介质带走的干燥过程。 (二)干燥的基本理论 1 1、干燥原理、干燥原理 pwp，进行干燥；进行干燥； pw=p，干燥即行停止；干燥即行停止； pwtt tw

11、 w。 w 空气的湿度越小，空气的湿度越小， t t和和t tw w的差值越大。的差值越大。 (1)(1)干球温度与湿球温度干球温度与湿球温度 干球温度干球温度(dry bulb temperature)(dry bulb temperature)是用普通温度计是用普通温度计 在空气中直接测得的温度，常用在空气中直接测得的温度，常用t表示。表示。 湿球温度湿球温度(wet bulb temperature)(wet bulb temperature)是在温度计的感是在温度计的感 温球包以湿纱布放置在空气中，传热和传质达到平温球包以湿纱布放置在空气中，传热和传质达到平 衡时所测得的温度，常用衡时

12、所测得的温度，常用tw表示。表示。 空气的常用性质： 空气湿度空气湿度(humidity，H)系单位质量干空气带系单位质量干空气带 有的水蒸气的质量有的水蒸气的质量(kg水蒸气水蒸气/kg干空气干空气)。 H=0.622p/(P-p) w 式中，式中，P为湿空气的总压，为湿空气的总压，Pa；p为水蒸气分为水蒸气分 压；压；0.622为水分子量为水分子量18与空气分子量与空气分子量29之比。之比。 (2)(2)湿度和相对湿度湿度和相对湿度 相对湿度相对湿度 (relative humidity，RH) 是指在一定总是指在一定总 压及温度下，湿空气中水蒸气分压压及温度下，湿空气中水蒸气分压p与饱和

13、空气与饱和空气 中水蒸气分压中水蒸气分压ps之比的百分数，常用之比的百分数，常用RH%表示。表示。 RH%= p/ps100% w 饱和空气的饱和空气的RH=100%； w 未饱和空气的未饱和空气的RH100%； w 绝空气的绝空气的RH=0%； w 空气的相对湿度直接反映空气中湿度的饱和程度。空气的相对湿度直接反映空气中湿度的饱和程度。 空气的常用性质： (2)(2)湿度和相对湿度湿度和相对湿度 w 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。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。 平衡水分平衡水分 (equilibrium water)系指在一定空气条件下，物系指在一

14、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。所含水分为平衡水分，是不能干燥的水分。 w 平衡水分与物料的种类、空气状态有关，根据干燥要求选择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。适宜的空气条件。 自由水分自由水分(free water)(free water)系指物料所含的水分中多于平衡水分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。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)(1)平衡

15、水分与自由水分平衡水分与自由水分 根据物料中所含水分的根据物料中所含水分的干燥难易程度干燥难易程度来划分来划分 结合水分与非结合水分结合水分与非结合水分。 结合水分结合水分 (bound water)系指以物理化学方式结合的水分，系指以物理化学方式结合的水分， 数字上等于数字上等于RH=100%时物料的平衡水分。时物料的平衡水分。 w 由于结合水分与物料结合力强，干燥速度缓慢，如动植物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。液中的水分等。 非结合水分非结合水分(non

16、bound water)系指以机械方式结合的水分，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。与物料结合力很弱，干燥速度较快。 3、物料中水分的性质 (2)(2)结合水分与非结合水分结合水分与非结合水分 w 干燥速度是单位时间、单位干燥面积上被干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，物料所能汽分的水分量。即水分量的减少值， 其单位其单位kg/(mkg/(m2 2s)s)。 (1)(1)测定水分含量时常用测定水分含量时常用干燥失重测定法干燥失重测定法 保干器干燥法，常用干燥剂为无水氯化钙、保干器干燥法，常用干燥剂为无水氯化钙、 硅胶或五氧

17、化二磷；硅胶或五氧化二磷； 常压加热干燥；常压加热干燥； 减压干燥法等。减压干燥法等。 (2)(2)精确测定微量水分含量时，必须采用精确测定微量水分含量时，必须采用费休费休 法或甲苯法。法或甲苯法。 物料的收缩物料的收缩 化学变化化学变化 生化变化生化变化 物料的化学性质，如组成、热敏性、物料物料的化学性质，如组成、热敏性、物料 的毒性、可燃性、氧化性和酸碱性、摩擦的毒性、可燃性、氧化性和酸碱性、摩擦 带电性、吸水性等。带电性、吸水性等。 物料的热性质，如物料含水量、粒度、导物料的热性质，如物料含水量、粒度、导 热系数等。热系数等。 其他性质，如膏糊状物料的黏附性、触变其他性质，如膏糊状物料的

18、黏附性、触变 性等。性等。 干燥强度大干燥强度大 热效率高热效率高 处理量大处理量大 设备简单设备简单 应用范围广应用范围广 干燥速度十分迅速干燥速度十分迅速 干燥过程中液滴的温度不高，产品质干燥过程中液滴的温度不高，产品质 量好量好 产品具有良好的分散性、流动性和溶产品具有良好的分散性、流动性和溶 解性解性 生产过程简化，操作控制方便生产过程简化，操作控制方便 适用于连续化、大规模生产适用于连续化、大规模生产 物料的物理结构和分子结构变化物料的物理结构和分子结构变化 极小；极小； 热敏性物料或酶制剂十分稳定；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后的物料可在短时间内恢

19、复 干燥前的原来状态；干燥前的原来状态； 干燥后的物料水分很低，在常温干燥后的物料水分很低，在常温 下长期保存。下长期保存。 |喷雾干燥技术有哪些特点？喷雾干燥技术有哪些特点？ |冷冻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术产品的生产时应注意哪些问 题？题？ |请分析某一具体生物技术产品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。的蒸发系统，探讨它的优缺点。 指注射剂中存在的一种异物，注射于人体时，可指注射剂中存在的一种异物，注射于人体时，

20、可 产生寒颤、高热甚至休克等不良反应，其主要来产生寒颤、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，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，纳克量即可使人体体温明显上升。细菌滤器，纳克量即可使人体体温明显上升。 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物质和一些化学性发热物质也可能污染注射剂而

21、 产生热原反应，因此热原是这些发热物质的总称。产生热原反应，因此热原是这些发热物质的总称。 本法系将一定剂量的供试品，静脉注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。所含热原的限度是否符合规定。 供试用的家兔应健康无伤，体重供试用的家兔应健康无伤，体重1.71.73.0kg3.0kg， 雌兔应无孕。预测体温前雌兔应无孕。预测体温前7 7日即应用同一饲日即应用同一饲 料饲养料饲养, ,在此期间内，体重应不减轻，精神、在此期间内，体重应不减轻，精神

22、、 食欲、排泄等不得有异常现象。食欲、排泄等不得有异常现象。 未经使用于热原检查的家兔；或供试品判定未经使用于热原检查的家兔；或供试品判定 为符合规定为符合规定, ,但组内升温达但组内升温达0.60.6的家兔；或的家兔；或 3 3周内未曾使用的家兔，均应在检查供试品周内未曾使用的家兔，均应在检查供试品 前前3 37 7日内预测体温，进行挑选。日内预测体温，进行挑选。 供试用家兔供试用家兔 挑选试验的条件与检查供试品时相同，仅挑选试验的条件与检查供试品时相同，仅 不注射药液，每隔不注射药液，每隔3030分钟测量体温分钟测量体温1 1次，共次，共 测测8 8次次,8,8次体温均在次体温均在38.0

23、38.039.639.6的范围内的范围内, , 且最高与最低体温的差不超过且最高与最低体温的差不超过0.40.4的家兔，的家兔， 方可供热原检查用。方可供热原检查用。 用于热原检查后的家兔，如供试品判定为用于热原检查后的家兔，如供试品判定为 符合规定符合规定, ,至少应休息至少应休息2 2日方可供第日方可供第2 2次检查次检查 用。如供试品判定为不符合规定，则组内用。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，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，不应超过用于一般药品的检查，不应超过1010次。次。 试验前的准备试验前的准备 在作热原检查前在作

24、热原检查前1 12 2日，供试用家兔应尽日，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养室的温度相差不得大于55，实验室的温，实验室的温 度应在度应在171728,28,在试验全部过程中，应注在试验全部过程中，应注 意室温变化不得大于意室温变化不得大于33，避免噪音干扰。，避免噪音干扰。 试验前的准备试验前的准备 家兔在试验前至少家兔在试验前至少1 1小时开始停止给食并置于适小时开始停止给食并置于适 宜的装置中宜的装置中, ,直至试验完毕。家兔体温应使用精直至试验完毕。家兔体温应使用精 密度为密度为0.10.1的肛温计，或其

25、他同样精确的测的肛温计，或其他同样精确的测 温装置。温装置。 肛温计插入肛门的深度和时间各兔应相同，深度肛温计插入肛门的深度和时间各兔应相同，深度 一般约一般约6cm6cm，时间不得少于，时间不得少于1 1分半钟，每隔分半钟，每隔3030分钟分钟 测量体温测量体温1 1次，一般测量次，一般测量2 2次，两次体温之差不得次，两次体温之差不得 超过超过0.2,0.2,以此两次体温的平均值作为该兔的正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，正常体温应在常体温。当日使用的家兔，正常体温应在38.038.0 39.639.6的范围内，且各兔间正常体温之差不得超的范围内，且各兔间正常体温之差不得超 过过11。 试验前的准备试验前的准备 试验用的注射器、针头及一切和供试品溶试验用的注射器、针头及一切和供试品溶 液接触的器皿液接触的器皿, ,应置烘箱中用应置烘箱中用250250加热加热3030 分钟或用分钟或用180180加热加热2 2小时，也可用其他适小时，也可用其他适 宜的方法除去热原。宜的方法除去热原。 检查法检查法 取适用的家兔取