喷雾干燥技术及其应用

杨 浩，蔡源源，唐 敏，王 玮＊，程 黎

（1.河南大学 药学院，河南 开封 475004；2.河南中医学院 科研处，河南 郑州 450001）

喷雾干燥（Spray drying）是一种已被广泛接受的干燥工艺，距今已经有100年的历史。喷雾干燥一直是一个热门的研究方向。我们将从喷雾干燥的基本知识、特点、在各行业的应用以及发展前景对其进行相应的概述。

1 喷雾干燥技术

喷雾干燥最早是在1865年用于蛋品的处理，这种将液态物料经雾化和干燥后在极短时间内变成固体粉末的过程，在20世纪取得了长足的进展。喷雾干燥技术在我国的发展起步较晚。我国第一台喷雾干燥机是20世纪50年代吉林染料厂从苏联引进的旋转式喷雾干燥机，当时是对染料进行喷雾干燥［1］。如今，我国对喷雾干燥的主要原理已有了更深入地研究。

1.1 喷雾干燥的基本流程

首先，物料经过过滤器由泵输送到喷雾干燥器顶端的雾化器中雾化为雾滴。与此同时，空气进入鼓风机经过过滤器、空气加热器及空气分布器送入到喷雾干燥器的顶端；空气和雾滴在喷雾干燥器顶端接触、混合，进行传热和传质，完成干燥的过程［2］。最终产品由塔底的收集装置进行收集，废气经旋风分离器由出风口排入大气。

喷雾干燥的干燥介质大多数是空气。但是考虑到一些有机溶剂在空气中易燃易爆，改用惰性气体（如氮气等）作为干燥介质，流程也改为闭路循环系统。有机溶剂进行回收处理，惰性气体循环使用。

1.2 喷雾干燥的过程阶段

喷雾干燥的过程可分为三个基本阶段：①料液的雾化。②雾滴和干燥介质接触、混合及流动，即传热和传质。③干燥产品与空气分离［3］。

1.3 喷雾干燥的新生形式

除了传统喷雾干燥形式，近年来还派生一些新型的喷雾干燥形式，包括喷雾冷冻干燥和过热蒸汽喷雾干燥［4－5］。

1.3.1 喷雾冷冻干燥 常规喷雾干燥采用的干燥介质在整个蒸发干燥的过程中会达到一定的温度，但是考虑到一些特殊物料的特性，例如医药及生化产品等，它们都含有大量的生物活性成分，无法承受高温的介质环境，因此，大多数产品的生产会选择真空冷冻干燥。但是冷冻干燥存在着操作时间长、能耗高、需要对产品进行二次处理等诸多不足。近年来，国外研究人员开始把冷冻干燥和喷雾干燥结合起来，进而形成了新的干燥技术，即喷雾冷冻干燥技术。

Sonner等［6］采用了喷雾制冰粉和真空冷冻干燥相结合的方法，研究了两段式喷雾冷冻干燥对蛋白质性能的影响。Leuenberger等［7］也采用喷雾冷冻制粉和流化床干燥结合的办法，研究了这种两段式喷雾冷冻干燥对药品性能的影响。近年来我国也开始了喷雾冷冻干燥技术的研究。中国林业科学研究院林产化学工业研究所在得到国家林业局948项目的支持下，已经开始了喷雾冷冻干燥技术研究的相关工作，相信不久会有所进展。

1.3.2 过热蒸汽喷雾干燥 过热蒸汽喷雾干燥是近年来发展起来的一项新技术，它是指利用过热蒸汽与被干燥物料直接接触而除去水分的一种干燥方式。与传统热风喷雾干燥相比，过热蒸汽喷雾干燥是以水蒸汽为干燥介质，干燥后所排出的废气仍然为蒸汽，可通过冷凝回收的方法将蒸汽的潜热再次加以利用。而且，由于水蒸汽的热容量比空气大一倍，使干燥介质的消耗量明显减小，能显著降低单位热耗。过热蒸汽进行喷雾干燥的优势主要体现在节约能源和减少危险两个方面。与传统的烟道气或者热空气相比，改用过热蒸汽能够有效节能50% ～80%。采用过热蒸汽进行喷雾干燥，因系统中没有氧气，也减少了可能存在的燃烧、爆炸危险［8］。

2 喷雾干燥的特点

喷雾干燥技术的主要特点［9］：①生产过程简化、操作控制方便。②干燥产品具有良好的分散性、流动性和溶解性。③干燥时间短，仅需3～10s，十分迅速。④喷雾干燥在密闭的容器中进行，能避免干燥过程中造成的粉尘飞扬，避免了环境污染。⑤喷雾干燥可以连续操作，完全适应了工业化大规模生产的要求。

喷雾干燥技术的优点显著，但其不足也是不容忽视的。其缺点主要表现在动力消耗大，体积传热系数和热效率均较低，设备体积大，结构复杂，操作弹性较小，易发生沾壁现象，一次性投资较大等。

3 喷雾干燥在不同行业的应用

喷雾干燥的最早应用是在20世纪初期用于开发脱脂牛乳，发展到现在已经广泛运用到医药、食品、化工、环保等领域。随着现代科学技术的发展，一些与原材料颗粒大小密切相关的诸如生物、精细陶瓷、化学工业、微电子工业、润滑剂、添加剂等高新尖端技术行业对高性能新型功能材料的需求日益增长，对其原料的要求也越来越严格，进而促进了功能粉体材料制造技术的迅速发展［10］。

3.1 喷雾干燥在制药领域的应用

3.1.1 干燥及制粒［11－13］喷雾干燥物料因其受热时间短，干燥迅速，产品具有良好的流动性和分散性，在制药工业中应用非常广泛，特别是中药药液、浸膏的干燥。喷雾干燥可以将中药稀药液直接干燥成干颗粒，将中药加工中药液的浓缩－多效浓缩－造粒－干燥四步合并一步，大大简化缩短了中药提取液到成品或半成品的工艺和时间，有效提高了生产效率和产品的质量。

王志萍等［14］运用正交实验和单因素实验确定了运用喷雾干燥技术制备祛痹颗粒剂的最佳工艺条件，制备出的祛痹颗粒不仅吸湿率低，而且稳定性较传统方法也有所提高。

3.1.2 制备微囊微球 喷雾干燥制备微囊微球的基本原理是将芯材均匀分散于囊材溶液后，在热气流中进行喷雾雾化，溶解囊材的溶剂迅速挥发而得到微囊微球产品。

3.1.2.1 化学药物缓控释制剂［15－16］在化学药物中，微囊化技术主要用以制备缓释微囊，用以延长药物的释放时间，避免血药浓度波动，提高药物的疗效，减少毒副作用。目前，化学药物中应用喷雾干燥法制备微囊微球的药物类型非常广泛，有阿霉素、对乙酰氨基酚、盐酸氨溴索、阿米妥、阿莫西林、法莫替丁、环丙沙星等。

王虹等［15］为了提高卡莫司汀的稳定性及生物利用度，最大限度降低药物的毒副作用，以可生物降解聚合物包载化疗药物用喷雾干燥法制备了卡莫司汀－聚乳酸缓释微球，进行瘤灶定位注射。结果表明，喷雾干燥法制备时，用乙酸乙酯作为溶剂的效果最佳，可得到包载率为14%～42%的聚乳酸缓释微球，所制得的微球为球形颗粒，突释放较小，释放较为平缓。

3.1.2.2 中药微囊制剂［17－21］中药微囊制剂主要应用于中药活性成分的微囊化，用以提高中药质量的稳定性、生物利用度以及降低药物刺激性和毒副作用，如川芎嗪壳聚糖微球、麦冬皂苷肠溶微球、灯盏花素微球、二氢杨梅素微胶囊、黄豆苷元固体脂质纳米粒、丹参酮前提脂质体等。此外也可用于挥发油的包囊，可防止其挥发并掩盖其不良气味，如丁香油、生姜油、莪术油、月见草油、陈皮挥发油、大蒜素等。

3.1.2.3 蛋白、多肽类药物微球 蛋白、多肽类药物普遍生物利用度低、稳定性差、体内生物半衰期短，导致它们在治疗上受到很大限制。通常可以采用适当的载体材料对这类物质进行微囊化进而提高它们的稳定性［22］。

Prieto等［23］应用喷雾干燥法对生长抑制素类似物伐普肽进行了微囊化处理。所得微球粒径范围控制在了1～15μm之内，包封率可达到46%，产品具有良好的缓释功效，血药浓度可以持续14d维持在理想的1μg／L。

3.2 喷雾干燥制备微胶囊在食品行业的应用

3.2.1 在食品添加剂中的应用［24－27］在食品添加剂中，最早应用喷雾干燥技术的是微胶囊香料。此技术的应用，提高了香料耐光、耐热、耐氧的能力，提高了各种香料和风味物质的可加工性，延长了保存期限，拓宽了香料和风味物质的使用范围。例如木瓜蛋白酶作为一种酶制剂，耐热性差，且易与金属离子发生反应，易被氧化失活。用β－环糊精进行喷雾干燥制成微胶囊可减轻木瓜的特殊气味，防止其氧化失活，且能提高其利用率和热稳定性，从而拓宽了它的应用范围。几乎所有的油脂均可经喷雾干燥制成微胶囊，将其转化为固体粉末油脂，进而可以方便地用作各种食品添加剂。

3.2.2 在保健食品中的应用 蜂胶具有抗菌、抗癌、抗病毒、抗高血压、促进组织再生、增强免疫功能等功效。用麦芽糊精等作为囊材包埋成包埋率高的微胶囊粉末，延长了蜂胶的保质期。天然维生素E是生育酚类化合物的总称，是油溶性的热敏性物质，难与水溶性物质混溶，因此较难均匀地添加于食品、药品、化妆品等水溶性产品中。然而用水溶性囊材进行喷雾干燥制成微胶囊后既能保持天然维生素E的固有特性，又能弥补其易氧化及不易溶于水溶性产品的缺陷［28］。

3.2.3 在果蔬粉加工中的应用［29－31］在水果和蔬菜中，番茄是较为频繁的被利用喷雾干燥法加工成粉的。番茄内最主要的类胡萝卜素就是番茄红素（Lycopene），它是人体血清中存在的最主要的类胡萝卜素，是一种不饱和碳氢化合物。它通过捕捉过氧化自由基和单线态氧发挥抗氧化作用。但是，番茄红素的稳定性极差，易发生氧化降解和顺反异构化。滕洁等［31］以蔗糖和明胶为壁材研究了番茄红素微胶囊化工艺技术，将番茄红素密封在囊膜内，提高了番茄红素对光和氧的稳定性，从而起到了保护作用，既可减少损失，也有利于产品的包装和运输。

3.3 喷雾干燥在超微纳米粉体中的应用

D.W.Lee等用喷雾干燥技术成功地制备了粒度约为20nm的无定形Cu2Al2O3纳米复合粉体。Dong Gon Park在喷雾干燥法中引入静电喷雾技术，在喷嘴处施加电压，使喷出的钛醇盐雾滴在静电的作用下分散成纳米级雾滴，经氩气流干燥获得粒度小且分布窄的无定形纳米TiO2粉体，热处理后得到了锐钛型TiO2粉体，热处理过程没有引起粉体粒度的改变。Won Hyuk Suh等将原有的喷雾设备用普通家用加湿器的高频超声发生器代替，改变喷雾频率，获得了不同频率下不同粒度分布、疏松多孔的磁性纳米粉体。

3.4 喷雾干燥在其他领域的应用

喷雾干燥可用于土壤石油污染的修复［32］。该技术具有成本低、操作简单、处理效果好、不破坏土壤环境、无二次污染的优点［33］。

此外，喷雾干燥还可用于烟气脱硫。旋转喷雾干燥法烟气脱硫是美国JOY公司和丹麦NIRO公司联合研制出的新工艺。在20世纪70年代中末期发展起来，与传统湿法脱硫相比，该项工艺具有操作简便、系统简单、运行维护方便、运行费用低、投资少、经济效益好、干燥后的废渣易于处理、不会腐蚀、可克服二次污染、有较高的脱硫效率等优点，因此得到了推广应用。实践证明，喷雾干燥烟气脱硫技术已经成熟，适用于燃煤电厂锅炉烟气的脱硫［34］。

另外，喷雾干燥技术在味精废水综合处理和造纸黑液处理中也有应用［35］。

4 喷雾干燥的发展前景

喷雾干燥技术历经了100多年的发展，进行了大量的理论研究，现已基本成熟。但仍有一些问题亟待解决。喷雾干燥的新型雾化器仍需进行研究开发；喷雾干燥的设计需根据以往的经验教训继续完善设计理论，提高设计的准确性；喷雾干燥的热效率较低，技术开发人员需研究开发如何提高热效率，促进节能，为环保做一些贡献。今后应该将计算机软件技术运用于喷雾干燥的数学模拟，提供更多目前实验无法检测到的数据和结果。无论是学术界或是企业界，对喷雾干燥的研究、开发和完善依然有很长的路要走。随着对喷雾干燥技术以及设备的深入研究与开发，喷雾干燥技术将拥有更为广阔的应用前景。

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