第五节　干燥技术

几百年前，人们就知道用干燥的手段除去微生物赖以生长的水分来保藏各种食物。据马可·波罗游记的记载，蒙古人常将牛乳在阳光下晒干来制作类乳粉产品。

新鲜的牛乳很容易变质，为延长牛乳的保质期，就需要对牛乳进行处理，以达到长期保存的目的。迄今为止，干燥是长期保存牛乳最有效的方法，干燥的优点在于通过使用现代技术，使牛乳干燥后的营养价值与新鲜牛乳几乎完全相同；干燥的不足之处在于干燥过程消耗了大量的能量。事实上，干燥是乳品工业所有的加工方法中能耗最大的一种，这主要是因为牛乳中近90％是水分，而且几乎所有的水分都必须通过加热蒸发的形式而除去。现代膜技术的发展使以机械手段从牛乳中除去部分水分成为可能，这样就可以节省热量，但由于这种方法具有一定的局限性，所以在实际生产中应用很少。2000年以来，尽管能量成本有大幅度上升，但随着乳粉加工工艺和设备的不断改进，生产每吨乳粉所需消耗的能量已经比10年前降低了一半左右。

乳粉在刚开始出现时，并未得到人们广泛的重视，人们重视的仅仅是一些传统的产品，比如干酪、奶油、液态乳等。一些设备制造商和乳品工厂在设备和工艺方面做了大量的改进工作，从此乳粉这种新产品才开始被越来越多的人认可。

乳粉已成为连接牧场主和最终消费者之间产品长链的重要组成部分，同时，乳粉生产的优势也越来越得到全世界的认可。

由于牛乳可以干燥成乳粉，解决了不适合养乳牛地区人们喝乳难的问题，同时，也可以解决部分地区乳源不足的问题。澳大利亚、新西兰或欧洲生产的乳粉运送到远东、中东地区或其他国家后被复原成液态乳或UHT乳，供当地人们饮用。大多数产乳有统一管理的国家都要面临一个共同的问题，那就是牛乳产量具有一定的季节性。在一年当中，有的季节产乳量高，有的季节产乳量低；在产乳高峰季节，就必须将多余的牛乳干燥成乳粉；在产乳低谷时期，就可以将乳粉加水复原成牛乳以弥补乳源的不足。这样，乳制品生产厂家就可以保证其他乳制品，比如干酪等在全年的生产量保持恒定，以满足消费者的需求，同时，也可以使设备和人力都得到充分的利用。

乳粉的工业化生产对发展中国家所面临的下面两个问题的解决起到决定性作用：其一是弥补发展中国家人们蛋白质摄入量的日趋不足，因为乳粉含有丰富的蛋白质，且含有人体必需的八种必需氨基酸，是一种理想的蛋白源；其二是对保护环境有利，比如干酪制造公司有大量的副产品，即乳清需要处理，而干燥则提供了最好的不用环保处理的手段。

一、干燥

1.干燥的定义

在乳品工业中乳的水分含量以湿基为主，必要时换算为干基。食品的平衡含水率是指在一定的温度、湿度及空气中干燥时，与此空气中的水蒸气分压相等时的含水率。在一定的干燥条件下，不可能干燥到平衡含水率（w_o）以下，各种乳粉的平衡含水率的值如表2-15、表2-16所示。

Heldman的研究将牛乳以低（143℉，30min）、中（164℉，24min）、高（185℉，20min）三个温度杀菌，制成全脂乳粉，测定各自的平衡含水率，以高温处理的乳粉平衡含水率最高。

全脂乳粉的温度及湿度的变化与平衡含水率的关系如图2-40所示。

制品的自由含水率是指含水率与干燥条件下的平衡含水率的差，即可由干燥操作法除去的含水率。

由恒速干燥转移到减速干燥时的含水率，其值随着制品的种类、干燥方式、干燥条件而变化，可由实验求得。牛乳的临界含水率如表2-17所示，不同研究者得出不同的结果，脱脂乳的临界含水率可能由于干燥条件的不同由28.6％至35.7％；全脂乳粉临界含水率高达43.4％。冷冻干燥的乳粉的临界含水率值较高。喷雾干燥的临界含水率略比这些值低。三浦氏对脱脂乳液滴进行了干燥实验，其初期含水率大时，流溢的皮膜形成点就是由恒速干燥向减速干燥的转化点，并观察到皮膜形成之后高温（100℃以上），相对湿度大时，粒子也发生膨胀破裂。当粒子直径为2000μm时，表面皮膜的厚度是30～40μm。

2.恒速干燥与减速干燥

（1）恒速干燥

水分由材料表面蒸发能保持一定的表面温度，因此干燥速度R只由空气的条件决定，与材料的特性无关。

一般以对流传热为主，故材料表面温度t_m可视为与湿球温度t_m相等，恒速干燥速度R_c［kg/（h·m²）］如下式：

在此，当干燥器内的热风温度、湿度变化大时，H_m-H、t-t_m的值采用热风的入口、出口的对数平均值。

在恒速干燥期限内，含水率由w₁减至w₂所需的时间θ_c（h）如下式，求至临界含水率的时间，将上式w₂减至w_c即可。

（2）减速干燥期

超过临界含水率，干燥速度开始减小，无论是表面还是内部材料温度均开始上升。这个时期根据材料的特性，干燥速度较复杂，除以下特殊情况外，须根据实验而定。

①减速干燥速度与含水率呈比例时（见图2-41），减速曲线的倾斜S为：

S=R_c/（w-w_e）

在减速干燥期间内，由临界含水率w_c至减去任意含水率w所需时间θ_f如下：

若用自由含水率F表示时，临界自由含水率F_c=w_c-w_e，自由含水率F=w-w_e，故：

②一般情况下（见图2-42），若设定干燥特性曲线将按纵轴、横轴w做的曲线图进行图解积分。

3.喷雾干燥的基础

一般干燥溶液时，若表面积大，干燥温度高，则干燥速度快。如将1cm³的溶液变成100μm或1μm直径的微粒，则各自为原表面积的100倍、1万倍。据此原理，用高压力或离心力进行微粒化，使表面积增大了的液体和热风接触的干燥方法即为喷雾干燥。

这种方法是将溶液化为10～200μm的微粒，故较其他干燥法（如滚筒式及箱式干燥等）的干燥速度快，仅用10～30s即可完成。当溶液水分多时干燥，即恒速干燥期，液滴的温度与干燥用的空气的湿球温度（如热风180℃时，约45℃）近似（因含有的固体物、组成不同，大致上升10～20℃），该法最适于干燥牛乳等热敏感性物质。它可直接由溶液获得球形的乳粉，省去如滚筒式干燥那样的粉碎过筛工序。

这种方法制造的乳粉粒子内含有少量的空气核，其粒子径、粒子密度等的特性受浓缩乳的物性、喷雾干燥条件的影响。

近年来，喷雾干燥使用瞬间机或流动床造粒装置，造成直径为300～500μm的粒子，在高脂肪乳粉中添加卵磷质等以改善乳粉的分散性、溶解性。在干燥塔内制成这样的粗大粒子，干燥速度急剧下降，干燥效率降低，故普遍采用二次干燥法。

（1）粒度分布

如前所述，干燥粒子与液滴具有大小不同的直径。粒度分布的测定已有多种方法，即显微镜法、筛分法、重力沉降法、透光法、自动识别装置法等，已广泛应用于乳粉粒子直径的测定。图2-43所示为喷雾干燥所生产的各种粉体的粒子径的范围。

表2-18、表2-19所示为乳粉粒子径的实测例与计算例。按粒子径的确定方法，其值颇为悬殊。在喷雾干燥粒子的体积与表面积计算方面以体积径D₃为最合适的平均径。由表2-19计算出的各种平均径如下。

长平均径　

面积长平均径　

体积平均径　

面积平均径　

体积平均径　

体积长平均径　

由以上结果看各平均径有很大变化。总之，按D₃>D₂>D₁的顺序或D_vd>D_v>D_s的顺序平均径变小。

（2）液滴的干燥特性

在喷雾干燥中热和物质同时瞬间移动。此时被干燥料液的物理化学性质、湿度、微粒化的液体径及分布以及空气温度、速度等干燥器的性能及制品质量都受到一定影响。牛乳喷雾时，因含有大量热敏性物质，故温度有一定的上限，不能单考虑干燥器的热效率，随意使用高温空气。微粒化方法不妥，则容易附着干燥塔壁面，产生焦粉。空气温度、料液固体、液滴径等影响乳粉的包装密度，相互之间具有复杂的关系。一般用高温空气，则水分蒸发的速度较快，液滴表面的浓度较内部高，表面易形成壳与皮膜。在这种情况下，受热量大于水分移动量则产生蒸汽；蒸汽被壳阻挡放不出去，液滴内压升高膨胀过度时，即破裂。故高温空气易产生多孔性粒子，粒子密度亦轻。大谷氏等对脱脂乳液滴的干燥速度进行了研究，其结果如图2-44、图2-45所示。

脱脂乳等含大量蛋白质的原料由等速干燥期向减速干燥期过渡时不生成结晶壳，而生成表面皮膜。其皮膜的形成由从液滴表面的水分蒸发速度和滴内水分扩散速度两者的均衡情况决定膜厚、膜表面及内部的构造等。如图2-44、图2-45所示，初期含水率w₀大时，不论空气温度高低，固体皮膜是在等速干燥向减速干燥转化时的转化点开始生成。

随w₀变小，等速减速过渡规律性不明确，w₀达到2左右时，产生减速干燥。w₀较大，高温时（100℃以上），为滴径的2倍，干燥完成后也不变形收缩。图2-46所示为Biswas研究的1470～1900μm全脂乳液滴的干燥特性，据报告，到含水率1.2％时（恒量标准54.5％），干燥为等速干燥。Lambert用冷冻干燥法对全脂乳、脱脂乳的干燥速度的研究结果如图2-47所示。据此干燥速度全脂乳为4.028kg/（m²·h），脱脂乳为3.564kg/（m²·h），可见，全脂乳的干燥速度较快。此结果也适用于喷雾干燥。

Trommelen等将脱脂乳用过热蒸汽干燥空气进行了干燥实验，结果如图2-48所示。可见在150℃空气中较在过热蒸汽中干燥速度快。无论用哪一种气体，脱脂乳液滴在干燥过程中均连续膨胀、破裂，但膨胀的比率以在蒸汽中者为大。

二、干燥系统的物料和热量衡算

1.干燥系统的物料衡算

干燥系统物料衡算可以算出：①从物料中除去水分的数量，即水分蒸发量；②空气消耗量；③干燥产品的流量。

（1）水分蒸发量（W）

围绕图2-49进行水分的衡算，以1s为基准，设干燥器内无物料损失，则：

LH₁+GX₁=LH₂+GX₂　或　W=L（H₂+H₁）=G（X₁+X₂）

式中　W——单位时间内消耗的绝干空气量，kg绝干气/s。

　　 即 　　

式中　l——每蒸发1 kg水分时，消耗的绝干空气量，称为单位空气消耗量，kg绝干气/kg水分。

（2）干燥产品流量（G₂）

围绕图2-49作绝干物料的衡算，得：

式中　w₁——物料进料干燥器时的湿基含水量；

w₂——物料离开干燥器时的湿基含水量。

应指出，干燥产品G₂是相对于湿物料G₁而言的，其中湿基（或干基）含水基较G₁的少，但仍含有一定量的水分，实际是含水分较少的湿物料，一般称G₂为干燥产品，以区别于绝干物料G。

2.干燥系统的热量衡算

通过干燥系统的热量衡算，可以求得：①预热器消耗的热量；②向干燥器补充的热量；③干燥过程消耗的总热量。这些内容可作为计算预热器的传热面积、加热介质用量、干燥器尺寸以及干燥系统热效应等的依据。

（1）热衡算的基本方程

图2-50　为连续干燥过程的热量衡算示意图。

单位时间内干燥系统消耗的总热量为：

Q=Q_p+Q_D=1.01L（t₂-t₀）+W（2490+1.88t₂）+Gc_m（θ₂-θ₁）+Q_L

分析上式可以看出，向干燥系统输入的热量用于：①加热空气；②加热物料；③蒸发水分；④热损失四个方面。

应指出，上述各式中的湿物料比热c_m可由绝干物料比热c_s及纯水的比热c_w求得，即：

c_m=c_x+Xc_w

（2）干燥系统的热效率

通常将干燥系统的热效率定义为：

蒸发水分所需的热量为：

Q_v=W（2490+1.88t₂）-4.187θ₁W

若忽略湿物料中水分带入系统中的焓，上式简化为：

Q_v≈W（2490+1.88t₂）

可推得：

干燥系统的热效率愈高，表示热利用率愈好。若空气离开干燥器的温度较低而湿度较高，则可提高干燥操作的热效率。但空气湿度增加，使物料与空气间的失去力（即H_w-H）减小。一般来说，对一吸水性物料干燥，空气出口温度应高些，而湿度则应低些，即相对湿度要低些。在实际干燥操作中，空气离开干燥器的温度t₂需比进入干燥器时的绝热饱和温度高20～50℃，这样才能保证在干燥系统后面的设备内不致析出水滴，否则可能使干燥产品返潮，且易造成管路的堵塞和设备的腐蚀。

在干燥操作中，废气（离开干燥器的）中热量的回收利用对提高干燥操作的热效率有实际意义，故生产中常利用废气预热冷空气或冷物料。此外还应注意干燥设备和管路的保温隔热，以减少干燥系统的热损失。

3.空气通过干燥器时的状态变化

对干燥系统进行物料衡算与热量衡算时，必须知道空气离开干燥器时的状态参数，确保这些参数涉及空气在干燥器内所经历的过程性质。在干燥器内，空气与物料间既有热量传递也有质量传递，有时还要向干燥器补充热量，而且又有热量损失于周围环境中，环境比较复杂，故确保干燥器出口处空气状态参数颇为繁琐。一般根据空气在干燥器内焓的变化，将干燥过程分为等焓过程与非等焓过程两大类。

干燥器内焓变化的基本过程为：

（1）等焓干燥过程

等焓干燥过程又称为绝热干燥过程，其条件如下。

①不向干燥器中补充热量，即Q_D=0。

②忽略干燥器向周围散失的热量，即Q_L=0。

③物料进出干燥器的焓相等，即。

此时　　L（I₁-I₀）=L（I₂-I₀）

即　　I₁=I₂

上式说明空气通过干燥器时焓恒定。实际操作中很难实现这种等焓过程，故称其为理想干燥过程，但它能简化干燥的计算，并能在H-I图上迅速确定空气离开干燥器时的状态参数。

如图2-51所示，根据新鲜空气任意两个状态参数，如t₀及H₀，在图上确定状态点A。空气在预热器内被加热到t₁，而湿度没有变化，故从点A沿等H线上升与等温线t₁交于点B，该点为离开预热器（即进入干燥器）的状态点。由于空气在干燥器内按等焓过程变化，即沿过点B的等I线而变，故只要知道空气离开干燥器的任意参数，比如温度t₂，则经过点B的等焓线与等t₂线的交点C即为空气出干燥器的状态点。过点B的等焓线是理想干燥过程的操作线，即空气在干燥器内的状态沿该等焓线而变。

（2）非等焓干燥过程

相对于理想干燥过程而言，非等焓干燥过程又称为实际干燥过程。非等焓干燥过程可能有以下几种情况。

①操作线在过点B等焓线的下方，这种过程的条件如下所述。

a.不向干燥器补热量，即Q_D=0。

b.不能忽略干燥器向周围散失的热量，即Q_L≠0。

c.物料进出干燥器时的焓不相等，即。

L（I₁-I₀）>L（I₂-I₀）

即　　I₁>I₂

上式说明空气离开干燥器的焓I₂小于进干燥器时的焓I₁，这种过程的操作线BC₁应在BC线的下方，如图2-52所示。BC₁线上任意点指示的空气焓值小于同温度下BC线上相应的焓值。

②操作线在过点B的等焓线上方

若向干燥器补充的热量大于损失的热量和加热物料消耗的热量之总和，即：

L（I₁-I₀）<L（I₂-I₀）

即　　I₁<I₂

这种情况与前项的相反，操作线在等I线上方，如图2-52中的BC₂线所示。

③操作线为过点B的等温线

若向干燥器补充的热量足够多，恰使干燥过程在等温下进行，即空气在干燥过程中维持恒定的温度t₁，这种过程的操作线为过点B的等温线，如图2-52中BC₃线所示。

非等焓干燥过程中空气离开干燥器时的状态点可用计算法或图解法确定。

三、干燥时间的计算

按空气状态参数的变化情况，可将干燥过程分为：恒定干燥操作和非恒定（或变动）干燥操作两大类。若用大量空气对少量物料进行间歇干燥，并维持空气速度以及与物料接触方式不变，因空气是大量的，且物料中汽化出的水分很少，故干燥过程中可以认为空气湿度与温度均不变，这种操作称为恒定状态下的干燥操作，简称恒定干燥。在连续操作的干燥设备内，很难维持恒定干燥，沿干燥器的长度或高度空气的温度逐渐下降而湿度逐渐增高，这种操作称为变动状态下的干燥操作，简称变动干燥。

1.恒定干燥条件下干燥时间的计算

在某些干燥设备内，若用大量空气干燥少量湿物料，空气的湿度可认为不变，而温度取干燥器进出口的平均值，这种情况与恒定干燥操作颇为近似。

（1）恒速阶段

恒速阶段的干燥时间可直接从图中查得，但难以找到这种曲线，所以常采用计算法。

式中　τ₁——恒速阶段的干燥时间，s；

U_c——临界干燥速率，kg/（m²·s）；

X₁——物料的初始含水量，kg/kg绝干料；

X_c——物料的临界含水量，即恒速终了时的含水量，kg/kg绝干料；

——单位干燥面积上的绝干物料质量，kg绝干料/m²。

当缺乏U_c的数值时，可应用于临界点处，从而算出U_c，即：

式中　t——恒定干燥条件下空气的平均温度，℃；

t_w——初始状态空气的湿球温度，℃。

　其他符号与前同。

对流传热系数α随物料与介质的接触方式而有以下几种经验公式可供使用。

①空气平行流过静止物料层的表面：

α=0.0204（L'）^0.8

式中　α——对流传热系数，W/（m²·℃）；

L'——湿空气的质量速度，kg/（m²·h）。

应用条件为L'=2450～29300kg/（m²·h）、空气的平均温度为45～150℃。

②空气垂直流过静止物料层表面：

α=1.17（L'）^0.37

应用条件为L'=3900～19500kg/（m²·h）。

③气体与运动着的颗粒间的传热：

式中　d_p——颗粒的平均直径，m；

u₀——颗粒的沉降速度，m/s；

λ_Q——空气的热导率，W/（m·℃）；

υ_Q——空气的运动黏度，m²/s。

由对流传热系数算出的干燥速率或时间，都是近似值。但通过α的计算式可以分析影响干燥速率的诸多因素。例如当空气的流速越高、温度越高、湿度越低都能促使干燥速率加快，但温度过高、湿度越低，可能会因干燥速率太快而引起物料变形、开裂或表面硬化。此外，若空气速度太大，还会产生气体挟带现象。所以，应视具体情况选用适宜的操作条件。

（2）降速阶段

降速阶段干燥时间的计算式将公式改为：

降速阶段开始时：τ=0　X=X₀

干燥终了时：τ=τ₂　X=X₂

式中　τ₂——降速阶段的干燥时间，s；

X₂——降速阶段终了时物料的含水量，kg/kg绝干料；

U——降速阶段的瞬时干燥速率，kg/（m²·s）。

若U与X呈非线性关系，则应采用图解积分法计算积分项。

若U与X呈线性关系，这时任一瞬间的干燥速率与相应的物料含水量间的关系为：

式中　k_x——降速阶段干燥速率线的斜率，kg绝干料/（m²·s）。

积分上式，得：

又　　U_c=k_x（X_c-X*）

　　 得： 　　

若缺乏平衡含水量X*的数据，可假设降速阶段速率线为通过原点的直线，如图2-53中的虚线所示，此时X*=0，故：

U_c=k_xX_c

　　 则： 　　

2.变动干燥条件下干燥时间的计算

在变动干燥条件下操作时，空气状态参数沿干燥器的长度或高度而变。设操作时湿空气状态参数沿等焓线而变，在逆流干燥器中，空气或湿物料的温度分布情况见图2-54。

物料进入干燥器先被预热，当温度提高到空气初始状态的湿球温度t_w后，即转入干燥第一阶段，若干燥操作是等焓过程，则物料表面温度一直维持为空气初始状态的湿球温度，空气状态参数沿等I线而变，到达临界点后即转入干燥第二阶段。第一阶段中干燥速率由物料表面水分汽化速率控制，汽化出的为非结合水。到达临界点时，物料的含水量降至X_c，相应的空气温度为t_c，湿度为H_c，由于空气状态参数沿干燥器的长度或高度而变，故第一阶段的干燥速率不恒定，这个阶段为干燥过程的主要阶段。干燥第二阶段中，干燥速率由水分在物料内部的迁移速率控制，到达干燥器出口处，物料温度上升到θ₂、含水量下降到X₂。

（1）干燥第一阶段的干燥时间

在多数干燥过程中，预热段的时间很短，计算时可并入第一阶段内。

式中　G——绝干物料流量，kg绝干料/s。

积分上式的边界条件为：

开始时　　　　　　τ=0　X=X₁

第一阶段终了时　　τ=τ₁　X=X_c

用图解积分法求上式中的积分项。

若干燥第一阶段为绝热过程，则为定值，且当空气流速恒定时，传质系数k_H也为恒定值，故上式可以积分。先将式中湿物料的干基含水量X以相应的空气湿度H替换。对微分长度或高度的逆流干燥器列水分的衡算，得：

GdX=LdH

将以物料含水量X表示的边界条件改为相应的空气湿度H，即：

　　 或 　　

（2）干燥第二阶段的干燥时间

将边界条件X₁及X_c改为物料在干燥第二阶段的含水量X_c及X₂，即可求第二阶段的干燥时间：

用图解积分法求积分项。

若第二阶段的干燥速率线为直线，则：

　　 或 　　

将上式应用于临界点处：

在干燥器的物料出口处与干燥第二阶段中任意截面间进行水分的衡算，得：

将式中边界条件X换以相应的H，得：

积分上式并整理得第二阶段的干燥时间计算式：

应指出，对某些干燥器有时采用经验方法计算干燥时间。

四、喷雾干燥技术

1.概述

喷雾干燥的颗粒一般是粗糙的球形，直径为5～100μm，当加工条件恶劣时，颗粒直径的变化会超过这一范围，颗粒的平均直径（体积与表面积的比值）d_vs为20～60μm，直径的分布范围比较大，对标准偏差为0.4～0.7。由于喷雾干燥过程中空气进入液滴，在干燥时气泡膨胀，所以乳粉颗粒中会有很多孔隙，乳粉在刚生产出来的时候，其孔隙内的空气压力比外界压力低，但是经过一段时间，孔隙会逐渐被空气充满（全脂乳粉需要数天，脱脂乳粉需要几个星期）。在大多数乳粉中，空隙的体积为50～400cm³/kg。喷嘴式干燥生产的乳粉的空隙体积比转盘式的要小，空隙体积通常随着喷雾浓缩乳浓缩指数的增大而减小。在大多数乳粉中，孔隙在乳粉颗粒的内部，但是如果干燥时出风温度很高，乳粉颗粒产生裂缝。

乳粉的密度有许多重要的应用。真实密度ρt是乳粉中干物质的密度；全脂乳粉的真实密度是1300kg/m³，脱脂乳粉是1480kg/m³，乳清粉的真实密度是1560kg/m³。乳粉颗粒的密度ρ_p将孔隙也计算在内，V代表体积，计算公式如下：

ρ_p=ρ_t/（1+Vρ_t）

脱脂乳粉颗粒的密度通常为900～1350kg/m³。体密度ρb是乳粉的密度，它将乳粉颗粒之间的空气也计算在内；它的倒数被称做包装体积，体密度的计算公式如下：

ρ_b=ρ_p（1-ε）=ρ_t（1-ε）/（1+Vρ_t）

在这里ε是空隙度，通常ε=0.45～0.75，乳粉越黏它的空隙度越高。全脂乳粉要比脱脂乳粉黏，因此孔隙度也高。当乳粉在容器中进行颤动和拍打时，乳粉的空隙度会降低，对于全脂乳粉，经过拍打它的空隙度可以从0.70降到0.45；对于脱脂乳粉可以从0.55降到0.40。因此，乳粉的体密度与乳粉的处理方式有关；通常需要乳粉被拍实后的体密度。总之，乳粉的体密度变化范围比较大，为300～800kg/m³。

乳糖和其他分子质量小的物质构成了乳粉颗粒的骨架，脂肪球、酪蛋白胶束和乳清蛋白镶嵌在这个骨架上。由于乳糖的浓缩时间过长，比较大的乳糖结晶无法产生，因此，乳糖仍然以无定形状态存在。如果乳粉吸收水分，且水分活度大于0.4，乳糖结晶就会发生。发生乳糖结晶后乳粉颗粒就会黏在一起，形成乳粉的结块，这样乳粉最后就会形成一个坚硬的粉块。由于蒸发以及喷雾干燥前的处理，乳粉中的脂肪球发生了变化。脂肪球破碎，脂肪球表面的一部分被酪蛋白胶束和乳清蛋白覆盖，在干燥过程中，一些脂肪球聚集在一起。在全脂乳粉中，可以用有机溶剂抽提的方法估算出游离脂肪的含量，乳粉颗粒表面脂肪的量很少，仅仅代表了所抽提出来的脂肪的一部分；另外一部分抽提出的脂肪是同乳粉颗粒表面相接触或者是在脂肪球裂缝和空隙中的脂肪，因此，游离脂肪的含量比脂肪的状态更能体现出乳粉颗粒的结构。

喷雾干燥过程中，由于加工时间很短，蛋白质的变性很少。在干燥过程中，乳粉的温度通常不会高于70℃，因此，乳粉经过喷雾干燥后，乳清蛋白依然保持着良好的溶解性，酶的活性也没有丧失，但是大多数耐热性细菌也存活了下来（喷雾干燥本身通常可以杀死一部分细菌，但是这与喷雾干燥的类型有关）。对于一些大的乳粉颗粒，它们在干燥器中停留的时间比较长，所受的热处理程度也比较高，这一现象在出风温度比较高时更加明显。有些加工条件会使乳粉颗粒中的乳清蛋白变性。

乳粉在水中溶解后，会有一些小颗粒不能溶解，通常用溶解指数（而实质上是不溶物的含量）来描述。溶解指数是将乳粉溶解在水中，然后离心，除去上清液，再测定沉淀的体积的方法来确定的。除了一些小的乳粉颗粒会沉淀下来，另外一些乳粉颗粒由于含脂量比较高会浮在水面上。这些上浮的乳粉颗粒主要是由聚集起来的脂肪球和交联的蛋白质组成的。造成乳粉不溶解的原因与浓缩乳老化胶凝的原因是相同的，如果乳粉在较高的水分活度下（水分活度为0.5）或者较高的温度下（50℃），有相当一部分蛋白质会失去溶解性，如果贮藏的条件合适，乳粉可以保存长达几年。

由于在喷雾干燥过程中牛乳中有一些挥发性的风味损失，因此，乳粉复原后可能会有一些蒸煮味道和其他异味，但这一点在大多数乳制品中并无大的影响。乳粉经过长期贮存后会产生陈腐味和脂肪氧化味。陈腐味是由于美拉德反应产生的。美拉德反应的速率随着水分活度和温度的升高而急剧升高，脂肪的自动氧化在脱脂乳粉中并不是很重要，但是在全脂乳粉中是一个很严重的问题。脂肪氧化味产生的速率随着水分活度的降低而上升，因此，必须保持适当的水分含量将美拉德反应和脂肪自动氧化同时控制在可以接受的范围内，通常主要强调控制脂肪自动氧化，在干燥前对乳粉进行强度较高的热处理，可以在较长的保质期内避免脂肪氧化味的产生。

在乳粉的包装中充氮气，除掉氧气，可以减缓氧化变质。但是由于乳粉颗粒孔隙中的氧气非常难以除去；为了除去这一部分氧气需要两次充氮，最好在第一次充氮以后，放置几天使乳粉颗粒中的氧气排出，然后再第二次充氮气。

2.喷雾干燥的特点

（1）优点

①干燥速度快，物料受热时间短。浓缩乳经雾化后，分散成无数直径为10～100μm的微细液滴，比表面积大大增加，与干热空气接触后，水分蒸发速度很快，整个干燥过程仅需要10～30s，牛乳营养成分的破坏程度较小，乳粉的溶解度高，冲调性好。

②整个干燥过程中，乳粉颗粒表面的温度较低，不会超过干燥介质的湿球温度（50～60℃），从而可以减少牛乳中一些热敏性物质的损失，且产品具有良好的理化性质。

③工艺参数可以方便地调节，产品质量容易得到控制，同时也可以生产有特殊要求的产品。

④整个干燥过程都是在密闭的状态下进行的，产品不易受到外来物的污染，从而最大限度地保证了产品的质量。

⑤操作简单，机械化、自动化程度高，劳动强度低，生产能力大。

（2）缺点

①占地面积和空间大，一般需要多层建筑，一次性投资大。

②热效率低，只有35％～50％，所以热量消耗大，一般蒸发1kg水分需要3～4kg饱和蒸汽。

③喷雾干燥塔内壁或多或少都会粘有乳粉，时间一长会严重影响其溶解性能，而且清除困难；另外，粉尘回收装置比较复杂，设备清扫劳动强度大。

3.喷雾干燥的分类

按照浓缩乳雾化方式的不同，喷雾干燥可以分为以下两类。

（1）压力式喷雾干燥

在压力式喷雾干燥中，浓缩乳的雾化是通过一台高压泵和一个安装在干燥塔内部的喷嘴来完成的。其雾化的原理是当浓缩乳在高压泵的作用下通过一狭小的喷嘴后，瞬间得以雾化成无数微细的小液滴。

（2）离心式喷雾干燥

在离心式喷雾干燥中，浓缩乳的雾化是通过一个高速旋转的转盘来完成的。其雾化的原理是，当浓缩乳在泵的作用下进入高速旋转的转盘（一般转速都在10000r/min以上）中央时，由于受到很大的离心力作用而以高速被甩向四周，从而达到雾化的目的。

不管是哪一种喷雾干燥类型，在其干燥的过程中都要用到热空气。空气的加热方式有三种，即蒸汽加热、油加热和电加热。其中电加热方式一般在中试设备中才有应用，国内厂家普遍采用的是蒸汽加热方式，而油加热方式由于热效率高，常用于需要高温的场合，在国外应用较多。喷雾干燥设备的热效率可按下列公式计算：

式中　T_i——进风温度，℃；

T₀——排风温度，℃；

T——室温，℃。

按照雾化后的物料与干燥介质的相对运动方向不同，喷雾干燥可以分为以下三种。

①顺流（并流）喷雾干燥法。这种干燥法的微粒运动方向与干燥介质的气流方向一致，它又可以分为水平顺流干燥及垂直下降顺流干燥两种形式。干燥过程中，湿度较大的物料与温度较高而湿度较低的干燥介质在进口端接触，此处干燥的推动力大；而在出口端则为湿度较小的物料与湿度大而温度较低的干燥介质相接触，因而推动力小，所以顺流干燥的推动力沿着物料的移动方向逐渐减弱。物料在湿度较大时能快速干燥而不会发生龟裂或焦化现象，确保了产品的质量。故此法特别适用于热敏性物料的干燥，在乳粉生产上绝大多数均采用此法。

②逆流干燥法。逆流干燥法中，微粒的运动方向与干燥介质气流的方向相反，在进口端湿度较大的物料与湿度大而温度低的干燥介质接触，而在出口端则湿度较低的物料与湿度低而温度极高的干燥介质接触，在干燥过程中干燥推动力相差不大，分布较为均匀。故这种干燥法适用于物料在湿度较大、不允许快速干燥、物料表面不允许产生龟裂的场合，适用于耐高温物料的干燥，同时可以获得湿度较低的产品，在乳粉生产上一般不采用此法。

③混流干燥法。这种干燥方法物料微粒的运动方向与干燥介质的气流方向并非严格遵循上述两法的原则，微粒的运动方向与干燥介质气流方向呈不规则的状况。

4.喷雾干燥的工艺条件

喷雾干燥的工艺条件因喷雾干燥的方法、设备和乳粉品种的不同而异。

（1）压力喷雾干燥时的工艺条件

压力喷雾干燥法生产乳粉时，将工艺条件通常控制在表2-20所列出的范围内。

（2）离心喷雾干燥时的工艺条件

离心喷雾干燥工艺条件如表2-21所示。

5.喷雾干燥过程

喷雾干燥过程可以分为两个阶段：第一阶段是将预处理过的牛乳浓缩至乳固体含量为45％～55％；第二阶段将浓缩乳泵入干燥塔中进行干燥。该阶段又可分为三个连续过程。

①将浓缩乳分散成非常微细的雾状液滴。

②微细的雾状液滴与热空气流接触，在此过程中牛乳中的水分大量迅速地蒸发。

③将乳粉颗粒与热空气分开。

干燥过程需要大量的热量，热量的来源是干热的空气（进风）。进风温度随产品的不同而异，但大多都在180～200℃，排风温度一般在80～90℃。进风温度与排风温度之间温差的产生主要是由于浓缩乳中水分蒸发需要吸热的缘故。干热空气可以与浓缩乳同向进入干燥塔（即顺流关系），也可以与浓缩乳反向进入干燥塔（即逆流关系），其中以顺流关系最为常见，因为这种情况下水分含量最高的液滴与温度最高的热空气接触，使整个干燥过程又快又温和。

进入干燥室的浓缩乳经雾化后，其表面积迅速增加（1L浓缩乳可以被雾化成约150亿个微小液滴，总表面积可达100m²左右），这样就十分有利于蒸发过程的进行。离开喷嘴或转盘的微小液滴速度约150 m/s，与以20～30 m/s速度进入干燥室的干热空气直接、充分地接触。直径在1～10μm的微小液滴由于自身重力及热风的推动力作用在干燥室内不断下降，在下降过程中，大量水分得以蒸发，微小液滴水分含量降至10％～12％，同时进风温度也从180℃左右降低至100℃左右。此时微小液滴的外层已经干燥，但是内部的水分尚未蒸发出来，内部水分逐渐扩散到干燥的外表面，再进一步蒸发掉。水分蒸发后，在内部相应部位留下许多孔隙。具体干燥过程见图2-55。

在干燥室内，整个干燥过程大约有25s，由于微小液滴中水分不断蒸发，所以它们的温度一直低于周围热空气的温度，也就是说，乳粉的温度不会超过75℃。当采用二段干燥法时，温度会更低。

牛乳加工成乳粉后，85％～90％的水分是在蒸发器中蒸发除掉的，剩下的10％～15％是在干燥设备中蒸发除掉的。

干燥塔的底部都呈圆锥形，排风出口一般都设在此处，排风时约30％的乳粉颗粒会被夹带在排风空气中，所以必须进行回收操作。实际生产时，排风是以较高的速度以正切方向进入旋风分离器中的，乳粉颗粒由于受到高速离心力作用而不断旋转下移至旋风分离器底部，通过旋转阀门排出，空气则从旋风分离器上部排出。由于旋风分离器自身的弱点，总会有0.5％左右的乳粉夹带在排风中，为了达到进一步回收的目的，就需要将排风再通过布袋过滤器，这样几乎所有的乳粉都能被回收，沉降于干燥室底部及回收所得到的乳粉连续地从设备中卸出，然后进行包装。整个喷雾干燥流程如图2-56所示。

五、其他干燥技术

1.滚筒干燥

滚筒干燥是第一种用于干燥牛乳的方法。1902年，美国人John A.Just发明了滚筒干燥器，并在美国首次使用。有资料显示，美国使用的是鼓形的圆筒干燥设备。后来英国伦敦的James Hatmaker购买了Just的专利，并对干燥器作了改进。改进后的滚筒干燥器被称为Just-Hatmaker干燥器，在世界范围内得到了广泛的应用。这些国家也将滚筒器称为Hat-maker干燥器。

滚筒干燥器的工作原理是牛乳在滚筒的光滑表面上形成一层薄薄的膜，筒不断地旋转，通过蒸汽在金属筒外加热，牛乳在筒壁上蒸发干燥成乳粉。乳粉附着在滚筒壁上，滚筒内有一固定的刀片不停地从壁上把乳粉刮下来。滚筒式干燥器的滚筒可以是单个的，也可以是两个的。牛乳先经过浓缩然后再干燥，浓缩到什么程度由干燥器的滚筒数决定。用单个滚筒干燥的牛乳浓缩程度高于用两个滚筒干燥的浓缩程度。干燥的乳薄片被粉碎，得到的乳粉是实心的、平坦的、不规则的薄片。因为乳粉颗粒是实心的，所以颗粒间没有空气存在，抑制了可能出现的氧化反应，保证了产品良好的品质。滚筒干燥和喷雾干燥得到的产品颗粒如图2-57所示。

1930年，Cow&Gate公司在英国位于Dorset的Sherborne安装了第一台Just-Hamaker滚筒干燥器。滚筒式干燥器的应用是如此的成功以至于公司一年后在Somerset和Dorset又安装了两台多滚筒的干燥器，用于生产全脂乳粉和低脂乳粉。新产品作为一种“无菌”的说法毫不夸张，这正是滚筒加工的典型特征，因为加工过程中牛乳在高温下蒸发浓缩直到干燥，热处理过程可以保证成品中的微生物数量在允许范围内。正是由于这个原因，许多年来滚筒干燥成为婴儿配方粉的标准加工工序。

然而强度过大的热处理会导致蛋白质的变性。滚筒干燥的乳粉溶解性差，用其制成的再制乳有蒸煮味。正是这些因素致使滚筒干燥生产的乳粉不能用于复原液态乳。但是这种乳粉适用于巧克力生产，可以帮助巧克力产生优良的风味。即使后来制造商提供喷雾干燥乳粉给巧克力生产商时，也是用一种类似于滚筒干燥乳粉风味的特制乳粉。

洒式双滚筒干燥的结构如图2-58所示。

滚筒干燥器的维护成本比较高。需要经常性地清洁滚筒的表面，以确保每次使用时筒表面都是洁净光滑的，将产品从筒壁上刮下的小刀也需要经常性地维护，以保证刀的锋利性。滚筒干燥器工作效率低，因此，乳制品生产商不可能用滚筒加工处理大量牛乳。在今天看来还有另外一个不利因素就是滚筒干燥器易受到污染。在干燥器的上方安装了一个罩子，是用来收集和排出干燥乳粉时产生的水汽的，在排出水汽时不可避免地会夹带相当大量的细小乳粉薄片，如果从滚筒干燥器中排出的气体不经过湿附器（a wet scrubber）处理就会形成对大气的污染。

直到第一次世界大战时，喷雾干燥才真正地开始在乳品制造业中得到应用。第一次世界大战与第二次世界大战期间，滚筒干燥与喷雾干燥平行地发展，直到第二次世界大战后喷雾干燥才逐步取代了滚筒干燥。因为滚筒干燥的特点已经不适应消费的需要，喷雾干燥法具有产品品质优良、生产率高、预浓缩程度高、设备的操作简单及维护成本低等特点。

欧盟国家的乳粉制造商的乳粉出口最低价格得到这一干预系统的保证，但这个价格仅适用于喷雾干燥乳粉。由于滚筒干燥乳粉不受保护，从而进一步刺激乳粉制造商使用喷雾干燥的工艺。

2.乳粉的二、三级干燥

图2-59是带有流化床的二段干燥结构示意图。水分含量为5％～6％的乳粉自干燥室中卸出后，进入振动流化床中继续进行干燥，然后冷却。流化床由带网孔的不锈钢板组成，热空气自网孔的下方通入，将乳粉悬浮起来，从而增大了热空气与乳粉的接触面积，为乳粉中水分的蒸发创造了有利的条件。

流化床的第一段为干燥段，100～120℃的干热空气自干燥段的底部通入，将乳粉干燥至所需的水分含量，然后乳粉进入流化床第二段，被10～15℃左右的冷空气冷却。流化床内乳粉的厚度一般为100～200mm，由于乳粉在流化床内的滞留时间相当长（10～20min），所以就可以采用较低温度的空气来达到干燥乳粉的目的。废气自流化床的上方排出后，进入旋风分离器，将废气中夹带的细粉回收。

自主干燥室中卸出的乳粉之所以水分含量较低，是因为其排风温度较低。较低的排风温度可以提高干燥的热效率，并改善产品的质量，尤其在溶解度、容积密度和自由脂肪含量方面。主干燥塔也安装有粉尘回收装置和热回收装置。排风中的热量传递给液体，液体经进一步加热后作为空气加热器的热源对空气进行加热。

三段干燥法可以进一步提高热效率，整个乳粉的干燥分为三个阶段完成，见图2-60。第一段干燥在干燥塔内进行；第二段干燥在内置式流化床中进行，该流化床安装在主干燥塔圆锥形底部，且不可振动；第三段干燥在外置式流化床中进行，该流化床安装在主干燥塔外部，可以振动。

在干燥室圆锥体部分的底部中央安装有一个垂直的通道，废气就从这个通道排出，而乳粉则从圆锥体底部的四周卸出。传统的排风口是一个水平的通道，其缺陷是通道内积粉清除困难，且通道外易造成积粉现象，而且水平排风通道不利于干热空气以涡流的形式进入干燥室圆锥体中，这是因为管道阻碍了空气的涡流运动。将水平排风通道改为垂直排风通道后，排风就很容易产生涡流现象，从而有利于将干燥室内壁上的积粉吹落下来。比如在干燥塔的圆柱体和圆锥体部分分界处的壁上安装大量的垂直狭缝，排风通过狭缝以切线方向引入。起清扫作用的空气温度比干燥室内的空气温度略低一些，高速涡流的空气流使水分含量较高的乳粉不易在干燥室圆锥体部分沉积，同时也减少了夹带在排风中的细粉的数量，减轻了旋风分离器的工作负荷。由于采用空气涡流法可以清除干燥室内壁上的积粉，加上干燥室的圆锥体部分又十分陡直，所以就可以减少外置式空气锤的数量。

如果干燥室下面的高度不足以安装一台外置式流化床，那么就可以用气动系统来代替。于是许多一段法干燥塔就可以改装成二段法或三段法干燥塔。二段法和三段法干燥雾化时可以采用离心转盘雾化器，也可以采用压力喷嘴雾化器。表2-22列出了在进风温度为215℃时，一段法、二段法和三段法生产乳粉时蒸发1kg水分所需要消耗的热量（这些数值为在不进行热量回收时的数值）；如果进行热量回收，那么所消耗的热量可以减少20％左右，这样三段法在进行热量回收时所消耗的热量，仅仅是一段法在不进行热量回收时所消耗热量的一半左右。

三段干燥法的优点在于：耗能低、占地空间少、产品质量高。三段干燥法所需要的进风量在三种干燥法中也是最少的，所以也可以降低布袋过滤器的成本。

3.苗条型干燥

苗条型（Tall-Form）干燥塔与一般干燥塔的区别在于其雾化器是由一个或多个垂直的喷嘴组成的，垂直的喷嘴要求干燥塔具有很高的高度和较小的直径，一般其高度是直径的五倍左右。苗条型干燥塔的雾化不能采用离心转盘的方法。设备示意图见图2-61。

进入苗条型干燥塔的干热空气会产生涡流运动，从而使干热空气与产品之间呈真正的混流关系。这样的优点在于物料在塔中的滞留时间较短，对产品的质量有利，但是如果采用一段法进行生产，由于排风温度较高，所以将在一定程度上对产品的质量产生一定的影响。如果安装外置式流化床，则可以降低排风温度，从而对提高产品的质量有利。

4.pillsbury干燥

美国明尼苏达大学（Minnesota University）和pillsbury公司，共同开发了一种新型干燥器，称为Filtermat干燥器，其结构和原理如图2-62所示。

干燥室由具有多个顶部压力喷嘴的矩形箱体组成。由于干燥室的高度对于最终产品的水分含量即干燥程度不充分，故将产品送入孔状传送带进一步干燥。干燥空气通过粉层，含较高水分的粉体被进一步干燥和冷却。

和流化床比较，Filtermat干燥器中空气是相对方向运动的，这导致在传送带的终端粉体破碎而堆积更加缜密。在传送带上产品的破碎对于获得粉体是必要的。传送带在第二次输送产品前需进行清洁处理，通常采用刷子清扫或水洗的方法。

带状干燥器最早用于番茄、水果和蔬菜等食品的干燥，但也用于高脂高糖特殊乳制品的加工。由于传送带体积的限制，故不适用于大规模的乳粉生产，这种类型的干燥器不能采用旋转型喷雾器作为雾化器。

5.喷雾床干燥

喷雾床干燥用于生产有特殊要求的乳粉。喷雾床干燥可以设计成二段干燥或三段干燥，见图2-63。在任意一种干燥方法中，乳粉都以较高的水分含量进入内置式流化床，或者直接干燥至所需的水分含量，或者再进入外置式流化床，继续进行干燥和冷却。在喷雾床干燥中，雾化时既可以通过喷嘴，也可以通过离心转盘得以实现。

喷雾床干燥与一般喷雾干燥的不同之处在于其排风口在干燥室的上方。排风沿干燥塔的内壁吹动，从而可以避免乳粉粘壁的现象发生。细粉被流化床干燥空气所带动，产生向上的运动，与自上而下的雾化液滴直接接触，产生附聚，但仍有少部分细粉会被夹带在排风中，这部分细粉在进入粉尘回收装置后就可以得到回收，回收后或者被送回内置式流化床，或者被送回雾化区进行附聚。为了更好地产生附聚作用，可以在内置式流化床上方额外安装一个喷嘴，以进行雾化或增湿。

除了采用管式压缩机外，也可采用特殊设计的高压高功率的风扇，同压缩机相比，排风扇的结构要相对简单并且成本也低。利用排风扇进行操作的蒸发器也可以生产出良好的产品。风扇操作方式的蒸发器使机械蒸汽压缩得以应用得更为广泛，这种风扇要求在真空度为0.1×10⁵Pa的操作环境下运转，风扇转速可以通过一个具有频率转换器的交流电机来控制。

由于在分离机中会有一些残留物，因此再压缩系统必须在换班时进行清洗。通常压缩机清洗比较麻烦，排风扇可以通过排风系统内部的水喷射装置进行清洗，因此，排风扇也可以通过蒸发器的CIP系统进行清洗。排风扇的操作可以通过一个控制面板来进行，这个控制面板同一个测量物料温度和设备振动的传感器相连；风扇应该配置隔声设备或装在一个能够消声的房间内，并且应该与压缩机的管道相连，防止振动被传导到车间的其他部分，同时也要考虑到管路的热膨胀。这种设备需要一个推进器作为备用部件，但并不常用。

通常风扇的进口温度与出口温度相差大约5℃，因此，需要通过两个风扇的串联来获得更高的温度差。风扇式蒸发器中的温度差通常为4℃，这样可以保证管路在长时间连续操作过程中不发生结垢。