溶质溶解度对液滴干燥动力学与溶质迁移现象的影响研究

发布时间：2020-11-17 17:16

　　 喷雾干燥具有高产量、低成本、易于自动化等优点,在日化、制药、食品等行业中得到广泛应用。文献指出,在喷雾干燥过程中,多组分溶质均匀分布的前驱液经喷雾干燥后有时会出现组分分层现象,形成具有特殊核壳结构的颗粒,这种结构对颗粒的稳定性、复水性、流动性等特性有着重要影响。目前对产生这种现象的解释有一些机理假说,如马格尼流导致组分分离、表面张力不同导致组分分离、溶质扩散速率不同导致组分分离等。根据这些假说,多组分溶质在液滴干燥的过程中存在相对迁移现象,影响迁移行为的因素包括溶质的扩散速率、溶解度、表面活性、疏水性等。为明确多组分液滴中溶质溶解度对液滴干燥动力学与颗粒形成过程的影响,本课题采用高溶解度的蔗糖作为研究对象,探索液滴干燥过程中蔗糖液滴的干燥动力学,对比不同溶解度的溶质在干燥过程中的迁移行为以及在干颗粒中的组分分布,以明确迁移行为对颗粒形成过程的影响。具体研究内容如下:(1)对10 wt.%、30 wt.%、50 wt.%蔗糖溶液进行了单液滴干燥实验,计算蔗糖液滴的收缩动力学与干燥动力学。以收缩趋近于理想收缩的蔗糖作为参照物,建立了差异收缩率模型(Differential Shrinkage Approach,DSA),使用DSA对乳糖、甘露醇与三种固含量的脱脂奶在不同干燥条件下的自由水分蒸发阶段及表壳形成过程进行了分析,发现溶质的溶解度在一定程度上影响液滴收缩动力学,但它不是决定收缩动力学的唯一因素。采用Reaction Engineering Approach(REA)对三种浓度的蔗糖液滴的干燥动力学进行了分析,结果显示在含水量小于1 kg/kg时,不同初始浓度的蔗糖液滴标准活化能曲线能很好地重合在一起,说明蔗糖液滴在干燥后期的干燥行为不受初始浓度的影响,进一步支持了蔗糖的收缩基本符合理想收缩。(2)第二章以具有理想收缩特性的蔗糖作为对照样,研究常见模型药物罗丹明B对具有核壳结构的复合载体颗粒其形貌与颗粒形成过程的影响。实验结果显示,加入蔗糖或罗丹明B不会影响载体颗粒的核壳结构,但加入的罗丹明B主要分布在载体颗粒的壳结构中,当罗丹明B浓度为1.5 mg/m L时,初始表壳从原本不溶于水变为溶于水,而干颗粒的表面形貌从平滑变成褶皱;而加入蔗糖对颗粒表壳形成过程没有明显影响。可见,蔗糖与罗丹明B的不同材料性质,极有可能影响了干燥过程中二者的迁移行为,造成了干颗粒性能的差异。(3)为定量研究溶解度对溶质迁移行为的影响,在本章中采用蔗糖、乳糖、甘露醇配置三种固含量为20 wt.%的双糖体系溶液,每种溶液中两种糖类的比例均为1:1,在单液滴干燥实验后,分别溶出双糖颗粒的表面层、中间层与核心层,使用HPLC对每一层中糖类的浓度进行定量分析。实验结果表明,蔗糖与甘露醇(S/M)所组成的颗粒,在外、中、内三层,二者的浓度比为0.9732、1.1442和0.9929;而乳糖与甘露醇(L/M)颗粒的三层结构中的浓度比为1.2493、1.2414、0.9830;蔗糖与乳糖(S/L)的浓度比为0.9851、0.9895和0.9824;与标准样品中S/M、L/M、S/L的值1.0156、1.0565和0.9725进行对比,发现蔗糖与甘露醇、乳糖与甘露醇两种双糖体系在干燥中发生了溶质的相对迁移,而乳糖和蔗糖混合液滴的相对迁移行为不明显,结合三种物质的溶解度,说明干燥过程中出现的组分分离并不直接取决于溶质的溶解度。(4)课题进一步研究了蔗糖溶液与乳糖溶液所构成的液体弹珠液滴的干燥动力学。实验分别配制10 wt.%的蔗糖与乳糖溶液,将2 u L的液滴转移至铺满聚四氟乙烯(PTFE)粉末的培养皿中,使液滴表面充分被PTFE粉末所包裹,制备成液体弹珠。PTFE选用三种不同的粒径尺寸:1μm、35μm、及前两种混合而成的135μm。实验结果表明,不同PTFE的粒径尺寸不会影响液滴的干燥动力学,蔗糖与乳糖溶液制备的液体弹珠在干燥过程中的质量变化及直径变化与纯液滴的干燥动力学相吻合。
【学位单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ028.67
【部分图文】：

力学影响有限。对比而言，50 wt.%脱脂牛奶的收缩动力学有所不同，发现在较度的干燥条件下，液滴收缩的程度要小于低温干燥时的收缩程度[25]。目前已经报道了许多模型来描述液滴在干燥过程中的收缩行为，包括理想收型[21]、线性收缩模型[25, 27]和经验多项式收缩模型[26]。迄今为止还没有任何数学能够清楚地描绘固体组分在液滴收缩过程中的作用。Chew 采用液滴表面收缩速液滴中固形物扩散速率的比值—Peclet 数（Pe）来描述脱脂牛奶干燥速率对脱脂液滴收缩的影响[28]，可依据 Pe 值衡量液滴的收缩动力学偏离理想收缩的程度[2若 Pe <1，则液滴干燥速率缓慢，足以使溶质均匀的分布在整个颗粒，最终干燥粒是一个致密的结构。如果 Pe>1,说明溶剂的蒸发速率大于溶质向液滴中心扩散率，导致溶质在颗粒表面富集，在高温干燥过程中形成“薄壳”或者一层表皮，影响颗粒的继续收缩。一些情况下“薄壳”形成后，颗粒的体积随着干燥的进行改变，导致液滴干燥后形成中空的颗粒。但 Pe 值的计算相对复杂，对固形物材收缩特性不能提供全面的信息。

图 2.1 不同干燥条件下蔗糖液滴在干燥过程中的 a.直径曲线;b.质量曲线;c.温度曲线Fig.2.1 Drying history obtained during the drying of sucrose droplet with initiconcentrations of 10 wt.%, 30 wt.% and 50 wt.% at drying temperatures of 70 C, 90 Cand 110 C. a. Diameter profile; b. Mass profile; c. Temperature profile.

图 2.2 不同浓度蔗糖溶液在 70 C，90 C，110 C 干燥条件下的温度速率曲线（a,b）、干燥速率曲线（c）和蒸发通量曲线（d）。Fig.2.2 Comparison of heating rate (a, b), overall drying rate (c) and evaporation rate(d) ofsucrose droplets dried at 70 C, 90 C and 110 C with initial concentrations of 10 wt.%, 30wt.% and 50 wt.% respectively.
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 褚福强;吴晓敏;陈永根;;竖直表面液滴运动的数值模拟[J];工程热物理学报;2017年01期

2 褚福强;吴晓敏;朱毅;;超疏水表面上多液滴合并触发液滴弹跳现象的理论分析[J];工程热物理学报;2017年02期

3 李栋;张文娣;赵孝保;王鑫;钱晨露;;超疏水冷表面上液滴冻结的可视化观测[J];南京工业大学学报(自然科学版);2016年06期

4 季璨;王乃华;崔峥;程林;;过热液滴闪蒸过程数学模型的建立与应用[J];工程热物理学报;2017年04期

5 何成明;张鹏;;气体介质中双元液滴的碰撞动力学[J];中国科学:物理学 力学 天文学;2017年07期

6 廖斌;朱雨建;杨基明;;冲击作用下液滴在环境液体中的演变过程及主导因素[J];中国科学:物理学 力学 天文学;2017年09期

7 李大树;仇性启;于磊;郑志伟;;液滴碰撞水平壁面实验研究[J];实验技术与管理;2015年04期

8 陈卫锋;候俊香;;液-液层流射流型雾化的射流脉动与液滴形成特性[J];农机导购;2016年08期

9 朱云;;呼吸实验装置中的“液滴移动”问题[J];中学生数理化(学习研究);2017年03期

10 杨宁;;科学家研发出防喷溅材料[J];科学大观园;2017年02期

相关博士学位论文 前10条

1 元武智;随机分布粗糙结构超疏水表面上液滴动态行为的LB模拟研究[D];华南理工大学;2018年

2 常家庆;压电式微量液滴分配的机理与实验研究[D];哈尔滨工业大学;2017年

3 李大树;液滴撞壁动力学及传热机制研究[D];中国石油大学(华东);2015年

4 杨威;液滴破碎动力学特性的研究[D];天津大学;2017年

5 穆恺;液驱流动聚焦中界面失稳及耦合研究[D];中国科学技术大学;2018年

6 徐明俊;单液滴与着火液体相互作用动力学特性研究[D];中国科学技术大学;2018年

7 朱曦;振动平板上液滴棘齿运动的理论与数值研究[D];中国科学技术大学;2018年

8 雷蕾;纳米液滴在复杂结构界面成核与生长实验及应用研究[D];中国矿业大学;2018年

9 马伟;融合多源图谱信息的农药液滴探测方法及蒸发研究[D];中国农业大学;2018年

10 金仁瀚;气流中单液滴破碎过程及子液滴分布特性研究[D];南京航空航天大学;2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 张文娣;表面特性对冷表面上液滴冻结过程的影响研究[D];南京师范大学;2018年

2 刘骁;液滴撞击超疏水冷表面的行为特征及抑冰机制研究[D];南京师范大学;2018年

3 孙艳东;四光纤探针技术对脉冲筛板萃取柱分散相液滴行为研究[D];哈尔滨工程大学;2018年

4 谢亚星;枸杞植保过程中液滴撞击叶片的仿真分析[D];宁夏大学;2018年

5 杨树俊;均一粒径液滴喷雾干燥塔数值模拟研究[D];苏州大学;2018年

6 薛成宝;液滴碰撞湿壁面问题的SPH直接数值计算研究：液滴的能量耗散分析[D];杭州电子科技大学;2018年

7 孙韫;液滴碰撞壁面问题的SPH直接数值计算研究：液滴与壁面的传热分析[D];杭州电子科技大学;2018年

8 秦缘;液滴碰撞微小固体壁面动态特性研究[D];杭州电子科技大学;2018年

9 李璞君;特殊浸润性表面对液滴定向输运的影响[D];哈尔滨工业大学;2018年

10 伍罕;基于表面张力限制的高通量液滴阵列制备新方法研究[D];上海大学;2018年

本文编号：2887742