第六节　蒸发与干燥

蒸发和干燥是生物工业中的基本单元操作，它们广泛地应用在化工、石油化工、医药、食品、纺织及农产品等行业中，在国民经济中占有很重要的地位。所谓蒸发即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。其目的增加溶质浓度或通过蒸发得到较为纯净的溶剂。

一、蒸发

根据各种物料的特性和工艺要求，蒸发过程可以采用不同的操作条件和方法，如根据操作压力的不同可分为常压蒸发和减压蒸发；根据所用蒸发器的不同可分为膜式蒸发和非膜式蒸发；根据二次蒸汽是否用来作为另一蒸发器的加热蒸汽可分为单效蒸发和多效蒸发。其中，多效膜式蒸发技术在生物工业领域有着广泛的应用。如在抗生素生产中，薄膜蒸发目前广泛应用于链霉素、卡那霉素、庆大霉素、春雷霉素、新霉素、博来霉素、丝裂霉素、杆菌肽等抗生素料液的浓缩。此蒸发过程中，物料通过膜式蒸发器的加热面后溶液受热沸腾汽化。膜式蒸发器具有传热效果好、蒸发速度快的优点，同时，物料在蒸发器内的停留时间短，物料中的热敏性成分不易破坏，因此薄膜蒸发技术得到很大发展，在产品多为热敏性物质的生物、医药、食品等行业使用普遍。

二、干燥

干燥是利用热能除去目标产物的浓缩悬浮液或结晶产品中湿分的操作，通常是生物产品分离的最后一步。许多生物产品，如谷氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、酶制剂、单细胞蛋白、抗生素等均为固体产品，因此干燥在工业产品的加工过程中非常重要。通过干燥，可以去除某些原料、半成品及成品中的水分或溶剂，以便于加工、使用、贮存和运输，并且许多生物制品在干燥的状态下较为稳定，保质期可明显增长。

1.干燥的工艺过程

一个完整的干燥工艺过程，是由加热系统、原料供给系统、干燥系统、除尘系统、气流输送系统和控制系统组成（图1-15）。

图 1-15　干燥操作的流程

湿物料的干燥包括两步，首先是对物料加热以使湿分汽化的传热过程，然后是汽化后的湿分蒸汽由于其蒸汽分压差较大而扩散进入气相的传质过程，传质和传热过程同时并存。其中第一步的对物料加热通常需要在较高的温度下进行，而在生物物质的干燥过程中，酶、蛋白质等活性物质在高温下易失活、变性，因此在对热敏性物质进行干燥操作时，应选择合适的干燥设备及干燥方法，以避免或较少目的产物的失活与变性。

2.生物工业中常用的干燥方法

生产中较常用的干燥方法由常压干燥、减压干燥、气流干燥、喷雾干燥和冷冻干燥，干燥设备主要有厢式干燥器、气流干燥器、流化床干燥器、真空干燥器及冷冻干燥器等。下面介绍生物工业中常用的几种干燥方法。

（1）气流干燥　气流干燥是把呈泥状、粉粒状或块状的湿物料送入热气流中，湿物料在气流输送过程中水分蒸发，从而得到干燥产品的过程。气流干燥具有干燥强度大、干燥时间短、所用设备简单及处理量大等特点，因而被广泛应用于含非结合水的粉状或颗粒状物料的干燥，如阿司匹林、四环素、胃酶、胃黏膜素、扑热息痛等常用气流干燥的方法进行干燥。

（2）喷雾干燥　喷雾干燥是采用雾化器将溶液、乳浊液、悬浊液或浆液等料液分散成雾滴，在喷雾干燥器内用热干燥介质将雾滴干燥从而获得粉末状或颗粒状产品的过程。采用喷雾干燥由于雾滴群的表面积很大，物料干燥所需时间很短，生产过程简化，操作控制方便，适宜于连续化大规模生产，所得产品具有良好的分散性、流动性和溶解性，并且由于干燥过程中液滴温度不高，所以适用于抗生素、酵母粉和酶制剂等热敏性物料的干燥，其干燥质量基本上能接近于真空下干燥的标准。

（3）冷冻干燥　冷冻干燥是指被干燥液体冷冻成固体，在低温低压条件下利用水的升华性能，使冰直接升华变成蒸汽除去，从而使物料达到干燥目的的一种干燥方法。冷冻干燥要求高度真空及低温，因而适用于受热易分解破坏的药物。干燥后的成品呈海绵状，易于溶解，所以一些生物制品如血浆、抗生素、疫苗以及一些需呈固体而临用前溶解的注射剂多用此法制备。

大多数生化药物对热是比较敏感的，因此在干燥过程中控制干燥温度和干燥时间特别重要。物料停留时间短、温度较低的干燥技术更适用，如气流干燥和喷雾干燥目前在酶制剂工业、氨基酸工业、抗生素工业等生物技术领域应用广泛。而对于某些特殊的生物制品，如血浆及某些酶制剂，只有采用冷冻干燥才能更好地保证产品的质量。