[发明专利]干燥工艺和设备

说明书

本发明涉及材料的超声波辅助干燥工艺和设备，特别是，但不限于用于热敏材料的低温干燥。特别地，本发明提供含水材料的脱水设备，包括超声波发射器；直接或间接支撑所述材料的超声波传输平台；保留在所述发射器和所述平台之间的流体，超声波能量通过流体传递；以及将干燥气体引导至所述材料的气流装置。本发明还提供了一种含水材料的脱水方法，包括将材料直接或间接地设置于脱水设备的超声波传输平台上，并且在适合实现所述材料所需脱水程度的条件下，将所述材料暴露在超声波能量和干燥气流中适合实现所述材料的所需脱水程度的时间，所述脱水设备包括超声波发射器；保留在所述发射器和所述平台之间的流体，超声波能量通过流体传递；以及将干燥气体引导至所述材料的气流装置。在另一方面，本发明提供一种材料，所述材料经以上方法或设备脱水。

技术领域

本发明涉及一种用于材料的超声波辅助干燥的工艺和设备，特别是，但不限于用于热敏材料的低温干燥。

背景技术

传统工艺中，食品材料的干燥是一种(在多数情况下)高耗能的作业，该作业通常会给产品的营养特性和功能特性带来显著的变化，主要是由于食品材料暴露于高温环境或长时间的干燥。类似的考虑也适用于其它需要脱水的固体热敏材料，例如精细化学品、药物和其它生物活性剂(例如蛋白质、碳水化合物、肽、核酸、抗体、酶、质粒)、微生物、细菌培养物、农产品、动植物衍生材料等。

出于生产高质量的高热敏性干燥产品的需求，很多干燥技术得以采用。这些干燥系统中就包括利用低于冷冻温度和真空操作压力进行干燥(例如冷冻干燥)。冷冻干燥(也被称作冻干)是一种干燥工艺，其中先将待干燥材料冷冻，然后在减压条件下将冰直接升华(即，直接进行从固体到蒸气的相变)进行干燥。从质量角度来看，冷冻干燥被认为是干燥热敏材料的最佳干燥方法之一。但是，由于所需的设备涉及高资金成本，并且由于高能耗其操作成本也高，因此与其它干燥技术相比，冷冻干燥的成本很高。另外，由于需要分批进行工艺操作，因此与其它干燥技术相比，冷冻干燥的生产能力相对较低(Sabarez，2014；Ratti，2001)。

低于冰点的干燥也可以在大气压下进行，这也被称作常压冷冻干燥(AFD)(Claussen等，2007；Meryman，1959)。这种干燥技术包括向产品中吹入低温和低水蒸气压的空气(作为干燥介质)，以使冷冻材料中的水分在大气压下直接升华。AFD结合了冷冻干燥(高品质)和对流干燥(低成本和连续工艺)的优点，并且由于不需要真空，常压冷冻干燥具有低能耗的优点。因此，该设备相比冷冻干燥更加简单且投资更低，并且由于在大气压下进行作业，因此可以实现连续作业。但是，与真空冷冻干燥相比，在大气压及低温的条件下进行工作导致很低的干燥速率(即，较长的干燥时间)。可以通过超声波(US)的联用，来强化材料在常压下的低温干燥工艺，以克服这些局限性。

多年来，众所周知，由于超声波能量激活的一系列机制，声压波产生的能量能够强化一系列过程，例如热、扩散、机械断裂和化学效应(Gallego-Juarez等，2007)。多项研究表明，超声波的应用在强化食物材料的对流干燥工艺上是高度有效的。但是，超声波对干燥工艺的增强幅度在很大程度上取决于超声波能量传播和传输至待干燥材料的效率。还需要确保超声波辅助干燥在工业级干燥操作中的可适应性。

US专利号6,233,844公开了一种超声波辅助干燥装置，该装置需要将待干燥材料与超声波发射器直接耦合。例如，超声发射板通过电车系统下降并直接与待干燥材料连接。这种方法的缺点是，超声发射板与待干燥材料直接接触，这会使材料可与干燥空气相互作用的表面积最小化，从而导致该技术不适于与常规的空气流动干燥工艺结合使用。

国际专利公开号WO 2013/041750也公开了一种超声波辅助干燥装置和工艺，其中包括一种超声波辐射器，所述超声波辐射器可与待干燥材料直接接触，或通过空气将超声波能量传输至待干燥材料中。当超声波在空气中传播时，能量传输至待干燥材料中的效率很低。当超声波辐射器与待干燥材料直接接触时，很难与常规的空气流动干燥工艺结合使用，而且很难采用分批处理之外的操作。