实验室喷雾干燥仪

喷雾干燥是在工业中应用广泛的制粉技术之一，在食品、药剂、日化、材料等行业中都有广泛应用。实验室喷雾干燥仪使用时各种材料首先配制成液相的进料液，经雾化器雾化形成数以亿计的小液滴，与喷雾塔中的热空气混合后，液体部分蒸发而固形物部分形成颗粒产品。有趣的是，即使是*相同的进料液，在不同喷雾干燥条件下，可以得到性质差异很大的粉体，进一步分析其中的颗粒，有时会发现，颗粒的大小、形貌、甚至是表面化学组成都各不相同，说明液滴在干燥过程中经历了不同的颗粒形成过程。然而，在大型喷雾塔中，每小时产粉量可高达吨计，监测其中液滴转化为颗粒的过程非常具挑战性，为此，科学家们从一颗液滴入手，研究单一液滴在类似喷雾干燥的条件下表现出来的干燥历程与颗粒形成过程，这一类实验通称为单液滴干燥与测量实验，或者SDD实验（取Single Droplet Drying的缩写）。

乳品材料液滴在干燥中经历的颗粒形成过程，由玻璃纤维悬挂式单液滴干燥技术摄制（图片来源：《益生菌在喷雾干燥过程中的活性变化与保护策略》，作者傅楠，陈晓东，发表于《化工进展》，2018，37，1633-1645）。

依据实验中支撑小液滴的方法不同，单液滴干燥技术可分为多种类型，可以让液滴自由下落、通过超声波驻场来悬空支撑液滴、或者把液滴固定在某种固体表面，目前在学界中应用广泛的是玻璃纤维悬挂式单液滴干燥技术，它是一种固着式单液滴干燥技术，将小液滴附着在特制玻璃丝的末端，在热空气中进行对流干燥，它的强大之处在于：

（1）可以准确测量液滴干燥动力学，包括液滴重量变化、温度变化与直径变化；

（2）可以监测伴随水分蒸发进行的液滴变化、固形物沉淀过程，直观展示不同材      料的颗粒形成过程；

（3）可以在不同的干燥中间阶段对半干液滴进行分析测试，比如取样分析液滴中的生物活性物质，或者附加一滴溶质液滴，监测半干颗粒的复水特性，从而理解颗粒形成过程中颗粒特性的演化过程。

采用玻璃纤维悬挂式单液滴干燥技术测定得到的液滴干燥动力学，干燥条件为：初始固含量为10 wt%、初始大小分别为2 μL的乳糖液滴，在70、90与110 °C气流中干燥，气流流速为0.75 m/s，湿度为0.0001 kg/kg（图片来源：《Reaction Engineering Approach (REA) to model the drying kinetics of droplets with different initial sizes - experiments and analyses》。

全脂牛奶液滴在干燥中间阶段形成的初始表壳，以及不同干燥条件下初始表壳浸润性的差别，左边的表壳无法被附加的水滴浸润，而右边的表壳则可以很好的被水滴浸润。

由于性能强大，玻璃纤维悬挂式单液滴干燥技术在喷雾干燥研究与颗粒形成机理研究中倍受青睐，由单液滴干燥实验测定得到的液滴干燥动力学，已用于建立喷雾干燥数学模型，利用CFD或其他软件进行全塔仿真；用于模拟液滴的干燥行为，预测颗粒形成过程与干燥终点；用于计算液滴干燥中伴随的其他复杂物理、化学或生物过程，比如结晶过程或生物活性物质的活性变化。而它也是现有的多种单液滴干燥实验中，可以在干燥中间阶段对初始表壳形成与颗粒性能演化进行分析表征的技术，一直应用于研究揭示复杂颗粒的形成机理。