在试点规模的双阶段干燥设施上进行的数值实验，用于生产高存活率的益生菌粉：鼠李糖乳杆菌GG

《Journal of Food Engineering》：Numerical experimentation on a pilot-scale two-stage drying facility for producing high viability probiotics powder: Lactobacillus rhamnosus GG

　　• 低温喷雾干燥与内部流化床结合。• 干燥过程中益生菌的失活。• 喷雾干燥器和流化床形状的影响。• 高生物活性保持技术。• 两级干燥器处于试验阶段。

引言
益生菌是在适量摄入时对宿主具有健康益处的活微生物（FAO/WHO，2002年），通过维持肠道内细菌的平衡、灭活病原体、增强免疫系统等方式发挥作用（Ermis，2022年；Jiang等人，2020年；Vorl?nder等人，2023年）。为了保持健康，经常摄入含有特定菌株（如鼠李糖乳杆菌GG（LGG）的饮料或粉末）正变得越来越流行。为了延长保质期和方便运输（Fu等人，2018年；Fu和Chen，2011年），益生菌产品通常被制成粉末形式，这可以通过快速去除水分来实现。然而，干燥过程通常涉及高温和快速脱水等恶劣条件，这些都会对包括益生菌在内的微生物造成致命损害，从而降低产品中的活菌数量。为了达到预期的健康效果，最终产品中的活菌数量应在保质期结束时达到10^6至10^7 CFU g^-1或mL^-1（Costa等人，2023年；Misra等人，2022年；Wang和Mutukumira，2022年），这意味着在产品制造后保留更多的活菌是必要的。为了尽可能提高益生菌的存活率，广泛使用了冷冻干燥技术。由于低温，冷冻干燥后的益生菌存活率较高。然而，冷冻干燥是一个能耗高且耗时长的过程（Huang等人，2017b；Mis-Solval等人，2019年），导致成本高昂且生产效率低下，限制了其应用。相比之下，喷雾干燥可以迅速将液体转化为固体粉末，在较短的时间内生产出益生菌粉末，并且比冷冻干燥消耗更少的能量（Kumar等人，2023年；Shishir和Chen，2017年）。因此，它已被广泛应用于食品、制药和化工等行业（Hussain等人，2022年；Jin等人，2023年；Samborska等人，2022年；Woo等人，2008年）。在喷雾干燥过程中，仍存在一些导致益生菌大量失活的不利因素，包括高温、快速脱水和雾化（Broeckx等人，2016年）。为了提高喷雾干燥粉末中的益生菌存活率，采取了多种策略，如使用保护剂（Wang等人，2022年）、培养过程中的预适应（Hao等人，2021年）以及优化干燥条件（Huang等人，2017a）。

关于第三种策略，优化通常涉及温和的干燥条件，具体来说就是使用比传统喷雾干燥更低的温度和更高的空气湿度。这些温和的干燥条件可以有效缓解益生菌在恶劣干燥环境中所受的热应力和脱水应力。这种缓解至关重要，因为益生菌不能长时间承受温度和湿度的快速变化，也无法在传统喷雾干燥过程的湿球阶段结束后保持其细胞结构（尤其是细胞膜）的完整（Fu和Chen，2011年）。然而，温和的干燥条件带来了另一个挑战：最终产品的残余水分含量可能无法达到标准。低干燥温度和高空气湿度会导致干燥速率降低，从而增加颗粒中的残余水分含量，影响产品的长期储存。此外，颗粒的玻璃化转变温度会随着水分含量的增加而降低（Ozmen和Langrish，2002年）。这会增加颗粒的粘性并导致壁沉积，这是喷雾干燥过程中必须避免的关键问题（Xiao和Chen，2014年）。因此，需要谨慎平衡以确保高益生菌存活率和可接受的最终产品残余水分含量，同时最小化壁沉积。

提出了一种多阶段干燥工艺，包括喷雾干燥后接几个流化床干燥阶段，以满足残余水分含量和益生菌存活率的要求。这些多阶段干燥提供了温和的条件，如降低温度的新鲜空气，或者偶尔使用加湿空气进一步降低温度，从而提高益生菌的存活率（Ermis，2022年；Moreira等人，2021年）。此外，它们还允许延长干燥时间，使湿颗粒达到3%至4%的理想最终水分含量。多项实验和模拟研究调查了这种多阶段干燥器，这些干燥器通常由喷雾干燥器与内部或外部流化床结合组成。例如，Huang等人（2017a）实验比较了使用单级喷雾干燥器与三级干燥器（包括喷雾干燥器、带式干燥器和外部流化床）对L. casei BL23粉末和P. freudenreichii ITG20粉末的干燥效果。他们发现，三级干燥器后的L. casei BL23存活率提高了40%，而颗粒的残余水分含量仅略有上升（<1%）。这一改进主要归因于三级系统的入口温度较低。然而，所使用的设备是半工业规模的试验设备，干燥器内部的详细传输过程仍不清楚。

为了深入了解并促进多阶段干燥的工业应用，一些研究人员对带有内部流化床的工业级喷雾干燥器进行了数值研究。Jin和Chen（2009）使用欧拉-拉格朗日方法（即计算流体动力学-离散相模型（CFD-DPM）研究了一种每小时可干燥10吨粉末的工业短型喷雾干燥器，该干燥器配备了底部流化床。数值结果显示，流化床出口处的颗粒残余水分含量约为4-5%，与传统喷雾干燥器相当。这表明即使在大规模工业应用中，多阶段干燥器也能确保最终水分含量符合要求。然而，他们模型中的内部流化床被简化为流化气体的速度边界条件，因此没有考虑颗粒轨迹、颗粒级干燥和颗粒生物活性。同样，Gabites等人（2010）建立了一个带有内部流化床的工业奶粉喷雾干燥器的三维模型。他们仅使用CFD定性研究了气流模式；完全忽略了颗粒运动、干燥动力学和生物活性。Afshar等人（2019）开发了一个使用CFD-DPM的数值框架，以估计工业多阶段系统喷雾干燥器腔室的合适出口边界条件。他们确定了-225 Pa到-169 Pa的最佳底部出口压力范围，以确保大颗粒通过底部出口离开腔室后进入流化床进行进一步干燥。然而，他们模型中完全忽略了底部出口下方的内部流化床。

此外，还有几项研究开发了基于控制的模型来优化多阶段干燥器（Miklos等人，2021年、2019年、2018年）。Petersen等人（2017）利用第一原理模型预测和优化了每小时可干燥42.5公斤粉末的工业四阶段干燥过程（喷雾干燥与流化床干燥相结合）。他们的实验需要43小时来获取必要的建模数据。结果显示，颗粒出口处残余水分含量的归一化均方根误差（NSE）范围为41%至49%，表明对水分含量的预测准确性较差。相比之下，喷雾干燥阶段空气温度和湿度的NSE在81%至90%之间，表明在预测干燥空气参数方面表现更好。关键的是，上述报告中没有一项研究在单个颗粒层面探讨了内部或外部流化床内的干燥过程。此外，它们也没有讨论多阶段干燥系统中益生菌粉末的具体干燥行为，以及试验规模设备中温和干燥条件引起的壁沉积问题。理解整个过程的颗粒层面至关重要。喷雾干燥是一个时间很短的过程（仅几秒），虽然非常高效，但不可能让颗粒在干燥介质中停留更长时间。这一限制突显了引入内部或外部流化床的必要性。尽管如此，在工业规模上实验研究这些复杂的耦合效应仍然非常具有挑战性，这表明需要更全面的数值建模。此外，本研究中使用的两级干燥器的容量为每小时4.25公斤干燥粉末，而大多数现有相关研究的容量通常低于1公斤/小时（Broeckx等人，2020年、2017年；Fu等人，2024年；Jin等人，2023年；Su等人，2019年）。这种更大的容量有助于在试验规模上更深入地了解干燥过程。

两级干燥器的性能受其几何设计和操作条件的共同影响。先前的研究表明，流化床的几何形状可以强烈影响颗粒的流化和气体-固体接触。例如，Chen等人（2024）实验比较了Geldart B组颗粒的方形、圆柱形和锥形流化床，并报告了几何形状对最小流化速度和气体-固体接触效率的影响。同样，Chu和Yu（2014）表明修改流化床几何形状可以改善垂直气体-颗粒流系统中的气体-固体接触。然而，干燥腔室几何形状和颗粒出口位置对内部流化两级喷雾干燥器中的耦合干燥、颗粒传输和沉积行为的影响尚未得到充分理解。因此，本研究旨在阐明干燥器和操作条件对LGG粉末生产的耦合效应，该干燥器采用了一个结合内部流化床的试验规模两级喷雾干燥器（容量为4.25公斤/小时）。采用欧拉-拉格朗日CFD-DPM（计算流体动力学-离散相模型）框架来解析气流场并追踪颗粒级别的干燥、热变和失活历史。结合干燥动力学和LGG失活动力学来预测干燥过程中颗粒水分含量和益生菌存活率的变化。

具体而言，本研究探讨了几何参数和操作条件如何通过影响颗粒传输、停留时间、干燥历史和壁沉积来调节最终产品质量。评估了包括流化床腔室配置和颗粒出口位置在内的几何效应，以明确它们对流动结构和颗粒轨迹的影响。系统研究了操作参数（包括入口空气温度、湿度、气流速率、旋流强度和旋转盘转速）的作用，以确定它们在控制水分去除、LGG存活率和沉积行为中的作用。结果为LGG粉末的两级干燥系统的设计和优化提供了机械见解，并为将这一数值框架扩展到其他热敏生物产品提供了基础。

模型验证
喷雾干燥模型通常使用入口液滴尺寸分布数据进行验证。然而，这些分布的微小变化可能会显著影响颗粒干燥历史和出口性质，从而引入额外的模型性能不确定性。为了最小化这种不确定性，本研究中的CFD-DPM模型使用单分散液滴的喷雾干燥实验进行了验证。

结论
本研究使用结合喷雾干燥器和内部流化床干燥器的试验规模两级干燥器，对含有鼠李糖乳杆菌GG（作为模型益生菌）的粉末干燥过程进行了研究。虽然这种两级方法在其他干燥应用中很常见，但其用于益生菌粉末的应用尚未普及。本研究通过数值方法研究了一个试验规模的两级干燥器，该干燥器由短型喷雾干燥器（腔室直径：2.027米）组成。邵张：写作 – 审稿与编辑；写作 – 原稿创作；调查；形式分析；数据管理
伦理声明：作者声明本研究不涉及人类或动物实验对象。
利益冲突声明：作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文报告的研究结果。
数据可用性声明：数据可根据请求提供。
利益冲突声明：作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文报告的研究结果。
邵张 | 肖杰 | 黄梦伟 | 陈晓东