喷雾冷冻微通道干燥器的制作方法

本发明属于干燥设备领域，特别是一种喷雾冷冻微通道干燥器。

背景技术：

目前，对于高附加值的食品、药品的制备，为了不破坏其中的活性成分，得到比表面积高、多孔性好、性能稳定的产品，主要采用喷雾冷冻干燥(Spray-Freeze Drying，SFD)的制备方法。该技术是将液体物料雾化，通过与冷的介质(如液氮、冷气流、过冷板等)接触后产生冻结的颗粒，进一步脱水干燥成粉体的过程。该技术具有以下优点：(1)低温过程适合热敏性物料的制备；(2)雾化过程和冷冻过程可以产生可控尺寸的球形粒子；(3)快速冻结的过程使结晶度、相分离度达到最小化；(4)分散的细小冰颗粒可以使干燥更快速、更均匀，节能。

干燥是喷雾冷冻干燥技术的最要环节。真空冷冻干燥是最常用的冷冻干燥方法，收集后的冻结粉粒置于冷冻干燥机的托盘上或瓶子中进行干燥。冷冻干燥产品的质量很高,如专利CN201335597Y，但通常在很低的温度下进行，低温状态下传热传质驱动力降低，并且粉粒体传热传质能力差，以及在干燥过程中产生多孔干燥层，阻碍了内部水分向外的迁移，因此干燥速率低，干燥时间加长(通常需要1天或几天的时间)。专利CN101191693A提出了常压喷雾冷冻流化床干燥过程，液滴雾化后在-60℃的冷室快速冻结，然后收集到流化床进行干燥。与普通真空冷冻干燥相比，干燥时间大幅缩短，对于直径300-450um的冻结粉粒，干燥时间为5h左右。虽然常压过程易于操作，但需要处理大量的气体，增大了冷凝器的负荷。

可是，对于粒度较小(<50um)的粉体，在流化过程中由于气体夹带直接排出流化床中，造成产品损失，需要增加额外的设备或装置进行捕集，如US005525367A和US005417153A采用顶吹气流，防止流化气体将小尺寸粉体携带出；US4608764则在流化床内增加粉体捕集器来收集小粒径的产品，随后再进行二次干燥。

随着喷雾冷冻干燥技术应用于吸入式药物和纳米流体喷雾，需要对雾化的微米(或纳米级)的颗粒直接进行干燥，所以需要开发一种能直接干燥小尺寸微粉体的喷雾冷冻干燥技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种喷雾冷冻微通道干燥器，其更加适用于微米(或纳米)级粉体的干燥，有效防止小粒径粉体夹带排出，也解决了粉体分散不好的缺点。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种喷雾冷冻微通道干燥器，其特征在于：由雾化系统、冷冻系统、微通道系统及动力系统构成，雾化系统包括雾化器；冷冻系统包括冷冻室，雾化器设置于冷冻室顶部，在冷冻室顶部还设置有制冷气体入口；微通道系统包括热交换室、颗粒分布器、微通道干燥器，热交换室安装在冷冻室下部，颗粒分布器安装在热交换室顶部，微通道干燥器均匀连接分布在颗粒分布器下部；动力系统包括收集器、调节阀及真空泵，收集器安装于热交换室下部并与微通道干燥器的出口连通，收集器连接真空泵。

而且，所述的雾化系统的雾化器为压力式雾化器或气流式雾化器。

而且，所述微通道干燥系统的颗粒分布器上所制的与微通道干燥器顶端部连通的开口为圆锥型开口。

而且，所述的微通道干燥器由一组微通道干燥单元构成，该微通道干燥单元均由亲水性膜和外筒壁构成同心圆柱套筒，夹层内充满干燥剂颗粒。

而且，所述的微通道干燥器单元可由多个干燥器单元串联构成。

而且，所述的热交换室采用热空气加热，在热交换室上制有热气体入口、惰性气体出口及冷凝水出口。

而且，所述的微通道干燥单元筒壁外面设置电加热丝。

本发明的优点和积极效果是：

1.本发明的喷雾冷冻微通道干燥器，由雾化系统、冷冻系统、微通道系统、及动力系统构成，耦合了雾化、冷冻、干燥操作过程，使上述过程在同一设备内完成，可将被干燥的料液食品、药品等一步干燥成粉体成品，无需二次加工。

2.本发明的喷雾冷冻微通道干燥器，采用低温快速喷雾冷冻，能减小对生物制品细胞及其他功能结构的破坏，以低温低湿的空气作为冷冻介质，减少了对低温液滴的依赖，操作安全，又最大程度保存了原有产品的生化、物理特性。

3.本发明的喷雾冷冻微通道干燥器的使用可以使喷雾冷冻颗粒的干燥延伸到微米级(或纳米级)，喷雾冷冻后的颗粒由颗粒分布器进行分散分布后进入干燥器，降落过程中经过内圆筒时颗粒中的水分经亲水性膜吸收到干燥剂中，颗粒运动过程中的水分逐渐减少，出干燥器时达到要求的湿含量。

4.本发明的喷雾冷冻微通道干燥器，其亲水性膜的使用是典型的物理分离过程，产品能有效保持其原有的风味不受污染，同时保证粒子不与干燥剂直接接触，也无需增加其它捕集装置，产品损失最小。

5.本发明的喷雾冷冻微通道干燥器，在干燥过程中颗粒靠自身重力和真空系统降落，气流方向和颗粒运动方向相同，也不易飞逸出装置，管式微通道干燥器的使用可与热蒸汽和电加热丝进行热交换，热质传递效果好。

6.本发明结构简单、设计科学合理，采用创新的喷雾冷冻与微通道干燥相结合，可实现雾化、冷冻、干燥全过程，无需对颗粒进行转移即可进行冷冻干燥过程，实现了操作的一体化和自动化，整个操作流程简单易行，过程操作性整体增强，而且系统为密闭操作，连续运行，产量高，对环境无污染；同时具有设备制造成本低，易于推广应用的优点。

附图说明

图1为本发明的喷雾冷冻微通道干燥器的结构示意图；

图2为本发明微通道干燥器的局部放大图；

图3为本发明微通道干燥器(电加热)的局部放大图；

图4为图2的A部放大图。

具体实施方式

下面结合附图、通过具体实施例对本发明作进一步详述。以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种喷雾冷冻微通道干燥器，其由雾化系统、冷冻系统、微通道系统及动力系统构成。

雾化系统包括雾化器1，雾化器可为压力式雾化器或气流式雾化器。通过选择或者调整雾化器产生粒径为微米级或者纳米级的液滴，雾化方式采用顶喷方式。

冷冻系统包括冷冻室3，雾化器设置于冷冻室顶部，在冷冻室顶部还设置有制冷气体入口2，通过制冷气体入口通入低温制冷气体，控制冷冻室内的温度，雾化液滴通过与冷气体的接触进行冻结。

微通道系统包括热交换室12、颗粒分布器5、微通道干燥器6，热交换室安装在冷冻室下部，颗粒分布器安装在热交换室顶部，在热交换室内均匀分布安装有位于颗粒分布器下部的微通道干燥器。颗粒分布器上所制的与微通道干燥器顶端部连通的开口为圆锥型开口18，保证喷雾冻结的颗粒完全进入微通道干燥器中。

微通道干燥器由一组微通道干燥单元构成，该微通道干燥单元均由亲水性膜16和外筒壁17构成同心圆柱套筒，在亲水性膜和外筒壁构成之间的夹层内充满干燥剂15。干燥剂为硅胶或活性碳。干燥剂内混有指示剂晶体，可进行循环利用。微通道干燥器单元可由多个干燥单元串联构成，采用螺纹19连接。冻结的颗粒由颗粒分布器进行分布后进入干燥器，经过内圆筒时颗粒中的水分经亲水性膜吸收到干燥剂中，颗粒运动过程中水分逐渐减少，出干燥器时达到要求的湿含量。微通道干燥器的内径是冻结颗粒直径的十倍左右，干燥器与干燥器间的连接可采用螺纹连接，保证颗粒在干燥器中停留足够的时间。

热交换室采用蒸汽换热，在热交换室上制有热气体入口8、惰性气体出口9及冷凝水出口10。热交换室内安装有位于热气体入口与惰性气体出口之间位置的水平气体折流板7。热交换室内也可以采用电加热，通过在微通道干燥单元外表面设置电加热丝20的方式实现。

动力系统包括收集器11、调节阀13及真空泵14，收集器安装于热交换室下部并与微通道干燥器的出口连通，收集器连接真空泵，在其管路上安装调节阀。动力系统也可进行反吹清洗干燥器。

本喷雾冷冻微通道干燥器的使用方法为：

第一步，由低温制冷气体入口通入低温冷气体，在冷冻室内进行制冷，到达颗粒冻结所需温度。

第二步，开启雾化器，将待干燥料液经过雾化器雾化后喷入冷冻室，在冷冻室中进行冻结下落。

第三步，下落的冻结颗粒4由颗粒分布器进入微通道干燥器，微通道干燥器由亲水性膜和外筒壁组成的同心圆柱体，圆柱体内充满硅胶等干燥剂。经过内圆筒时颗粒中的水分经亲水性膜吸收到干燥剂中。

第四步，同时开启热交换系统，热交换系统为干燥器提供换热热源用以颗粒的水分蒸发，热蒸汽由入口进入，经过折流板的导流与微通道干燥器进行热传递，惰性气体由惰性气体排出口排出，冷凝水由冷凝液出口排出。

第五步，颗粒靠自身重力和真空系统降落，气流方向和颗粒运动方向相同，运动过程中的水分逐渐减少，出干燥器时达到要求的湿含量。

第六步，开启真空泵实现干燥产品的收集，为干燥器中的颗粒运动提供动力，真空度由调节阀控制。待产品收集完毕后，进行反吹清洗干燥器。

本喷雾冷冻微通道干燥器采用喷雾冷冻方法，和微通道干燥器进行冻结、干燥、收集，实现装置一体化，结构简单、操作方便。系统为密闭操作，可在常压、负压下连续运行，也适用于其他不同尺寸大小的热敏性物质的喷雾冷冻干燥。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。