氨基酸固體顆粒制劑的低能耗噴霧流化床制備方法

【摘要】對目前氨基酸鹽比如65與70賴氨酸硫酸鹽的噴霧流化床制備方法，從運行能耗成本的影響因素，比如料液干物含量、返料量、有效溫度差、內(nèi)加熱供熱、電耗、蒸汽消耗、霧化能量消耗、固體處理消耗、生產(chǎn)線控制方式進行分析。指出發(fā)展方向是開發(fā)出適應(yīng)高干物含量料液、返料量低、有效溫度差大、內(nèi)加熱供熱優(yōu)良、電和蒸汽及霧化能量消耗低、固體處理優(yōu)化、控制方式先進的流化床技術(shù)。
【關(guān)鍵詞】流化床造粒¹  微觀機理²  設(shè)備原理³  賴氨酸造粒⁴  顆粒形態(tài)⁵  配置⁶  分代技術(shù)⁷  高品質(zhì)⁸
低能耗       
序論
噴霧流化床顆粒制備方法屬于干燥作業(yè)，涉及國民經(jīng)濟的廣泛領(lǐng)域，干燥技術(shù)的節(jié)能與環(huán)保問題十分重要。
生物發(fā)酵產(chǎn)品工廠大部份已轉(zhuǎn)移到了中國、東南亞等發(fā)展中國家，比如我國賴氨酸鹽類的總產(chǎn)量已占世界總產(chǎn)量的75%左右，生物發(fā)酵過程的節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)和資源化利用在國家“十一五”和“十二五”規(guī)劃中均被列為技術(shù)進步的重要領(lǐng)域。
連續(xù)式流化床造粒特別適合L-賴氨酸、蘇氨酸、色氨酸等行業(yè)中的發(fā)酵液、尾液調(diào)配料的噴霧干燥造粒。主要用途：連續(xù)式流化床造粒包衣；晶種可為各種粉末、顆粒；料液可為潤濕劑、濃縮液、各種發(fā)酵液、粘結(jié)劑、懸浮液；形式為粉末造粒、顆粒涂層、顆粒包衣；功能為連續(xù)噴霧流化床造粒、連續(xù)結(jié)晶、包衣、過瘤胃防護等。
噴霧流化床傳統(tǒng)制備方法，存在適應(yīng)料液干物含量偏低、返料量偏大、有效溫度差低、內(nèi)加熱供熱不良、電和蒸汽及霧化能量消耗大、固體處理消耗大、自動控制程度低的各種缺陷。
發(fā)展方向是開發(fā)出適應(yīng)高干物含量料液、返料量低、有效溫度差高、內(nèi)加熱供熱優(yōu)良、電和蒸汽及霧化能量消耗低、固體處理優(yōu)化、控制方式先進的綜合性流化床技術(shù)。
運行成本的影響因素
運行成本：體現(xiàn)在料液干物含量、不合格顆粒返料量、進風(fēng)溫度或有效溫度差、內(nèi)加熱配置、電和蒸汽及霧化能量消耗、固體處理、自動化程度。
1、料液干物含量
經(jīng)計算和大量工程經(jīng)驗驗證，濃縮的方法蒸發(fā)一噸水、約需消耗蒸汽0.3噸，噴霧的方法蒸發(fā)一噸水、約需消耗蒸汽2-3.5噸，內(nèi)加熱流化床約需消耗蒸汽1.35-1.8噸，很簡單得出結(jié)論：
目前干燥發(fā)酵等各種料液中的水份時，濃縮是經(jīng)濟的方法，所以理論合理的方法就是先采用濃縮蒸發(fā)的方式，將原始料液盡可能的蒸發(fā)到高干物含量料液，對于65與70賴氨酸硫酸鹽料液而言可以達到60-65%的干物含量。
流化床造粒設(shè)備經(jīng)計算得知，在生產(chǎn)線蒸發(fā)量不變的前提下，干物濃度增加1%，主機產(chǎn)能會增加4%。，所以一條生產(chǎn)線主機配置不變時、干物含量越大、產(chǎn)量越大，單位能耗越低。
目前市場上大部份賴氨酸鹽廠家因為受現(xiàn)有噴霧流化床技術(shù)限制，料液干物含量正常在48-53%，過高后出現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)粉塵偏大、噴槍掛料、連續(xù)生產(chǎn)時間只有4-10天的現(xiàn)象，從濃縮可以蒸發(fā)到的干物含量看，筆者提出這條技術(shù)路線有很大的提升空間。
2、不合格顆粒返料量
對于生產(chǎn)線而言，不合格顆粒作為固體反復(fù)加工處理、烘干、粉碎、冷卻是產(chǎn)生運行成本重大的一塊，不合格顆粒占造粒床排出半成品量的比例越大，生產(chǎn)線運行成本越高。
目前市場上大部份賴氨酸鹽廠家，不合格顆粒占造粒床排出半成品量的比例正常在20-50%之間，理想的發(fā)展結(jié)果就是靠噴霧流化床自身產(chǎn)生晶種，返料量為零，筆者提出這條技術(shù)路線也有很大的提升空間。
3、進出風(fēng)有效溫度差
噴霧流化床造粒方法作為一種干燥設(shè)備，蒸發(fā)水份和加熱物料是需要能量的，而能量提供的二個來源就是熱風(fēng)和內(nèi)加熱。
熱風(fēng)供熱體現(xiàn)在公式Q =L×T，L是熱風(fēng)質(zhì)量、T是進出風(fēng)溫度差，可見有效溫度差越高，同樣熱風(fēng)質(zhì)量供熱越大，有兩種途徑即提高進風(fēng)溫度和降低出風(fēng)溫度。
內(nèi)加熱體現(xiàn)在公式Q ^內(nèi)=α ×A×△T，有效溫度差也是提高供熱量的重要方式，即可以提高加熱管內(nèi)溫度和降低料層溫度，料層溫度可以認為接近出風(fēng)溫度。
目前市場上大部份賴氨酸鹽廠家，進風(fēng)溫度在160-180度之間，出風(fēng)溫度在70-95度之間，不同技術(shù)有效溫度差值達1：1.3之大，內(nèi)加熱管內(nèi)溫度正常在150-155度之間。
料層或出風(fēng)溫度的降低，另外直接的好處就是產(chǎn)品的溫度損失變低，可以趨向為零。
產(chǎn)品的粉塵損失和溫度損失越低，生產(chǎn)線才會更加符合環(huán)保要求。
筆者提出在進風(fēng)溫度無法提高的情況下，降低料層或出風(fēng)溫度才是增加有效溫度差的途徑，這需要開發(fā)出料層溫度特別低也能良好運行的流化床技術(shù)。
4、內(nèi)加熱供熱方式
經(jīng)筆者實際使用分析，使用帶有內(nèi)加熱器形式的流化床之后，效果達到電耗可以降低10-15%，蒸汽消耗可以降低20-40%的范圍之內(nèi)比較合理。
關(guān)于內(nèi)加熱器的使用統(tǒng)計分析：從公式Q ^內(nèi)=α ×A×△T可知，內(nèi)加熱器提供的熱量Q ^內(nèi)受傳熱系數(shù)α 、換熱面積A、溫度差△T三方面影響，在實際生產(chǎn)過程中三個變量是互相影響的，需要綜合考慮，相比較而言，因為增加A的同時也會增加系統(tǒng)風(fēng)阻力、增加風(fēng)機電耗和降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，筆者提出增加傳熱系數(shù)α 和增加溫度差△T比增加換熱面積A更加可行、也更加節(jié)能。
5、電和蒸汽及霧化能量消耗
氣：主要使用于霧化料液能量需要，目前噴霧方式有三種頂噴、側(cè)噴、底噴，對于賴氨酸鹽每生產(chǎn)一噸產(chǎn)品大約耗量在4-10立方0.3MPa壓縮空氣；頂噴可以避免噴槍在料層的霧化及實現(xiàn)噴槍霧化狀態(tài)的可視，霧化能量??；側(cè)噴因為噴槍出口就有大量物料，霧化能量需求大；底噴雖然也可以避免噴槍在料層的霧化，但因必須保證不掛料，霧化能量需求還是大于頂噴；筆者提出霧化能量有一個發(fā)展思路就是采用壓力或離心式進行霧化，以降低霧化能量需求。
蒸汽：對于賴氨酸鹽生產(chǎn)線，目前市場上每生產(chǎn)一噸產(chǎn)品，耗量在0.9-2.2噸蒸汽之間，隨使用技術(shù)不同，差別很大；筆者提出熱風(fēng)和內(nèi)加熱的有效溫度差越大，料液干物含量越高，生產(chǎn)線耗用蒸汽量就越低，蒸汽冷凝水的回收利用也可以降低汽耗5%左右。
電：對于賴氨酸鹽生產(chǎn)線，目前市場上每生產(chǎn)一噸產(chǎn)品，消耗量在130-250度電之間，隨使用技術(shù)不同，差別很大；筆者提出有效溫差的提高，意味著風(fēng)量就更少，同時造粒系統(tǒng)總壓差也要降低，即生產(chǎn)線主要電功率（風(fēng)機）的減小，造粒系統(tǒng)一次成品率的提高、代表著返料量減少、固體處理系統(tǒng)功率就減小。
6、固體處理消耗
體現(xiàn)在固體處理量、固體處理方式。目前市場上大部份賴氨酸鹽廠家，固體處理總量為成品量的130-200%，固體處理方法均為對輥磨和粉碎機，筆者提出：
固體處理量：只有返料量的降低，固體處理總量才能降低，比較大節(jié)能就是固體處理總量全為成品。
固體處理方法，對輥磨因為得到的為小顆粒，粉碎機得到的顆粒更小，理論上粉碎機的耗能更小。
7、控制方式和系統(tǒng)穩(wěn)定性
目前賴氨酸鹽生產(chǎn)線，離自動控制還差的很遠，即各種互鎖、自診斷、邏輯關(guān)系還有很大的提升空間；系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行時間，隨技術(shù)的不同，在4-60天之間，差別很大，筆者提出：
生產(chǎn)線自動化程度越高，人工干擾越小，產(chǎn)品品質(zhì)越穩(wěn)定，人員需要量變低，人員費用將會降低。
系統(tǒng)穩(wěn)定性越高，連續(xù)生產(chǎn)時間越長，開機及停機的無效損耗量才可以降低。
部份技術(shù)分析
對于類似65與70賴氨酸硫酸鹽、蘇氨酸、色氨酸、谷氨酸等行業(yè)中的發(fā)酵尾液，在造粒方法上，從以上可以看出，各個環(huán)節(jié)均有大量的技術(shù)提升空間，國外已經(jīng)有不少發(fā)明類專利，專利保護性比較強，國內(nèi)廠家都有必要避免侵權(quán)風(fēng)險，這除了要對相應(yīng)公司的專利進行研究，還要依靠研究單位對各種造粒原理和各派學(xué)說的深入研究、各種造粒設(shè)備的認知深度、具有深厚的造粒工程經(jīng)驗可參考。
筆者通過長期研究，對全流態(tài)化、混合噴、連續(xù)的噴漿造粒工藝進行完善，并在此基礎(chǔ)上作出了新的研發(fā)，作出了一系列細節(jié)發(fā)明，經(jīng)歷了筆者前三代技術(shù)總結(jié)發(fā)明之后，定型的大型節(jié)能柔性連續(xù)流化床造粒包衣干燥成套技術(shù)，使用于賴氨酸鹽流化床造粒時，可以達到以下水平：適應(yīng)干物含量60-65% ，不合格顆粒（超出12-20目范圍）返料量10-20%，進出風(fēng)有效溫度差達100度（進170、出70），內(nèi)加熱阻力層在3000Pa時供熱量占總量比例達50%，每生產(chǎn)一噸產(chǎn)品壓縮空氣耗量為5立方0.3MPa壓縮空氣、蒸汽耗量為1噸、電耗量為140度，固體處理中冷卻床全部用于處理成品、采用粉碎機方式處理不合格大顆粒，采用了包含料層溫度自控、進風(fēng)溫度自控、噴槍流量自控、床層料位自控等自控方式、實現(xiàn)半自動化，系統(tǒng)穩(wěn)定性也達到了30天以上。
筆者在深入研究流化床造粒的各種微觀造粒原理、流化原理綜合作用，結(jié)合多項專利申請?zhí)柤夹g(shù)的應(yīng)用。產(chǎn)品對運行成本、運行穩(wěn)定性、產(chǎn)品品質(zhì)綜合性能的提出讓節(jié)能減排、清潔穩(wěn)定操作、食品安全上升到了一個新的層次。
進一步的發(fā)展方向
開發(fā)出適應(yīng)更高干物含量的流化床技術(shù)，比如70%；
降低不合格顆粒處理量，直到為零；
進一步提高有效溫度差，比如進風(fēng)180、出風(fēng)65度；
降低內(nèi)加熱層的阻力、或提高內(nèi)加熱的供熱比例；
直接的效果讓壓縮空氣、蒸汽、電的綜合能耗再降低20%；
讓生產(chǎn)線具備一鍵式自動開停機、各種互鎖、自診斷功能，連續(xù)生產(chǎn)穩(wěn)定性實現(xiàn)季度化檢修，即連續(xù)三個月。
結(jié)束語
在各種發(fā)酵液應(yīng)用流化床造粒包衣設(shè)備迅速發(fā)展的今天，低能耗的噴霧流化床制備方法是一種發(fā)展方向，適應(yīng)高干物含量料液、返料量低、有效溫度差大、內(nèi)加熱供熱優(yōu)良、電和蒸汽及霧化能量消耗低、固體處理優(yōu)化、控制方式先進的流化床技術(shù)。

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