干燥条件对液滴粘性状态的影响评估与预测：基于相对湿度与温度的喷雾干燥团聚调控研究

《Current Research in Food Science》：Evaluating and predicting the stickiness regime of drying droplets across drying conditions

　　

喷雾干燥能够产出高质量粉末的关键原因之一在于其促进颗粒团聚，而这一过程依赖于干燥液滴与/或干燥细颗粒之间的粘性碰撞。遗憾的是，干燥条件对粘性状态（stickiness regime）的影响尚未得到详细研究，这增加了在实际操作中调控团聚的难度。因此，本研究旨在揭示相对湿度（relative humidity, RH）和温度对粘性状态的影响，并预测不同干燥条件下的粘性状态。研究人员采用固着单液滴干燥（sessile single droplet drying, SDD）平台，在不同相对湿度和温度下开展干燥及二元碰撞（binary collision）研究。随后，利用高速成像和高分辨率热成像技术验证了一个预测性扩散模型，并将其用于关联表面特性与粘性状态。相对湿度的增加和温度的降低导致干燥时间延长，从而使锁定点（locking point）出现得更晚。粘性状态随锁定点在较高相对湿度下发生位移，但并未延长。最后，该模型能够成功地将液滴表面特性（Tg/T）与碰撞结果相关联，从而基于锁定点和表面特性预测粘性状态。该方法为确定单液滴的粘性状态提供了一个新的通用框架。

论文解读：干燥条件对液滴粘性状态的影响评估与预测

一、研究背景与问题提出

喷雾干燥是食品和制药工业中广泛使用的粉末制备技术，其产出的高质量粉末得益于颗粒的团聚行为。团聚主要发生在喷雾干燥器的喷嘴区，通过干燥液滴之间或液滴与细粉颗粒之间的粘性碰撞形成多孔大颗粒结构。细粉通常指从流化床或旋风分离器回收的粒径小于100 μm的干燥颗粒，回注至喷雾干燥器内以增强喷嘴区团聚。碰撞结果可划分为三种典型状态：湿液滴与细粉碰撞时颗粒完全并入液滴，称为合并；液滴表面部分干燥后，细粉粘附于液滴表面，称为粘性碰撞；随着干燥进行，液滴表面接近玻璃化转变，碰撞导致颗粒弹开，称为弹跳。团聚过程复杂，其潜在机理尚未被定量阐明。尽管现有计算流体动力学（CFD）模型已考虑传热传质、液滴收缩和碰撞规则，但颗粒表面粘性与团聚之间的机理联系仍未完全理解。

在喷雾干燥器喷嘴区，干燥空气的温度迅速降至100°C以下，相对湿度从接近零升至约10–15%，两者均影响液滴干燥动力学，进而影响粘性状态和团聚行为。以往研究虽已通过固着单液滴干燥（SDD）方法观察到锁定点（液滴不再保持理想球形、开始形成表皮的时刻）与麦芽糊精（maltodextrin, MD）液滴粘性状态的相关性，但将单液滴尺度结论外推至工业规模仍具挑战。玻璃化转变温度（T_g）受水分含量影响显著，聚合物（如麦芽糊精）的流变特性同时依赖水分含量和温度，因此T_g/T比值被认为与粘性行为密切相关。然而，液滴表面特性高度依赖于局部干燥空气条件（温度和相对湿度），此前尚未系统研究这些条件对粘性状态的影响。为此，本研究旨在揭示干燥空气相对湿度和温度对单液滴粘性的影响，并基于颗粒表面条件预测不同干燥条件下的粘性状态。

二、研究内容与结论

研究人员采用固着单液滴干燥平台，以DE 38的麦芽糊精（Glucidex 38）20%（w/w）溶液为模型物料，在80°C恒定温度下分别以0%、5%、10%和15%的相对湿度进行干燥，以及在0%相对湿度下分别以70°C、80°C和90°C的温度进行干燥。通过高速相机记录液滴干燥过程和二元碰撞实验，确定合并、粘性和弹跳三种碰撞状态的发生时间范围。利用红外（IR）热像仪监测液滴温度演变，并将实验结果用于验证一维预测性干燥模型。研究发现，相对湿度从0%增至15%时，锁定点时间从约6.6秒线性延长至11.8秒；干燥温度从70°C升至90°C时，锁定点时间从约9.4秒线性缩短至5.1秒。锁定点处的归一化液滴半径（R_lock/R₀）在不同相对湿度和温度条件下无显著差异（ANOVA检验p值分别为0.417和0.481），表明锁定过程可能主要由液滴表面附近的溶质质量分数梯度决定。二元碰撞实验表明，所有碰撞状态均随相对湿度增加而时间延迟，粘性碰撞主要发生在0.75至1.5倍锁定点时间范围内。模型验证结果显示，预测的液滴体积减少和温度演变与实验数据吻合良好，尤其在恒定干燥阶段。通过模型计算液滴表面溶质质量分数分布发现，不同相对湿度条件下锁定点处的表面质量分数存在重叠，而不同温度条件下的表面质量分数差异显著，提示温度对表皮力学性质的影响需通过T_g/T比值进一步分析。将T_g/T比值与碰撞结果关联后发现，合并主要发生在T_g/T<0.6，粘性碰撞集中于0.55< />_g/T<0.9，弹跳碰撞多发生于T_g/T>0.8。以t_dry/t_lock为无量纲时间轴时，不同干燥条件下的T_g/T曲线基本重合，验证了模型的普适性。该研究提出了一种基于SDD实验和一维模型预测单液滴粘性状态的通用方法，可为喷雾干燥过程中喷嘴区团聚的定向调控提供理论依据。

三、关键技术方法

本研究采用的关键技术方法包括：固着单液滴干燥（SDD）平台，用于在受控相对湿度和温度条件下进行液滴干燥及二元碰撞实验，碰撞颗粒选用70–110 μm玻璃珠以模拟麦芽糊精细粉；高速成像系统记录液滴形态演变和碰撞结果，锁定点通过目视判断液滴偏离球形的时刻确定；高分辨率红外（IR）热像仪（Optris PI 640）监测液滴温度演变；基于MATLAB的图像分析程序用于计算液滴体积减少和归一化半径；高斯核密度估计（KDE）方法用于平滑碰撞结果的概率分布；一维预测性干燥模型基于传热传质理论，采用有限体积法将液滴离散为40个同心球壳，在拉格朗日参考系中求解耦合的质量和能量平衡方程，模型中玻璃化转变温度通过Couchman-Karasz模型和Flory-Fox关系计算，相对湿度通过Antoine方程确定。

四、研究结果

4.1 不同相对湿度和温度下麦芽糊精单液滴的干燥

单液滴干燥实验表明，锁定点时间随相对湿度增加呈线性延长（80°C下从0% RH的约6.6秒增至15% RH的约11.8秒），随干燥温度升高呈线性缩短（0% RH下从70°C的约9.4秒降至90°C的约5.1秒）。锁定点处的归一化液滴半径（R_lock/R₀）在不同干燥条件下均值相近，单因素方差分析（ANOVA）显示相对湿度（F(3,12)=1.022, p=0.417）和温度（F(2,10)=0.788, p=0.481）均无显著影响，表明锁定过程可能由液滴表面附近的临界溶质质量分数决定。

4.2 通过二元碰撞确定粘性状态

二元碰撞实验显示，合并、粘性和弹跳三种碰撞状态随相对湿度增加而依次延迟。粘性碰撞主要发生在0.75至1.5倍锁定点时间范围内，与以往不同配方和碰撞颗粒的研究结果一致，表明锁定点对粘性状态具有核心指示作用。

4.3 单液滴建模与验证

模型预测的液滴体积随时间减少与实验数据在锁定点前吻合良好。预测的液滴温度与实验测量值呈定性一致趋势：恒定干燥阶段温度因蒸发冷却而保持较低，且随相对湿度增加而升高（湿球温度分别为0%、5%、10%和15% RH下的28、33、39和44°C）；进入降速干燥阶段后，表皮形成导致温度上升至接近空气温度。模型对恒定干燥阶段及其持续时间的预测较为准确，但干燥后期对传导传热的估计略高。

4.4 液滴特性与粘性行为的模型分析

模型计算表明，不同相对湿度条件下锁定点处的表面溶质质量分数存在重叠，而不同温度条件下差异显著，提示温度对表皮力学性质的影响需结合T_g/T分析。将T_g/T比值与碰撞结果关联后发现：合并主要发生在T_g/T<0.6；粘性碰撞集中于0.55< />_g/T<0.9，其中0.6–0.8区间粘性碰撞数量最多；弹跳碰撞多发生于T_g/T>0.8。以t_dry/t_lock为无量纲时间轴时，不同相对湿度和温度条件下的T_g/T曲线基本重合，仅在70°C时略有偏差，可能因锁定点低估所致。

五、讨论与结论

研究人员提出了一种基于SDD实验和一维模型预测单液滴粘性状态的通用方法：通过实验确定锁定点，利用模型计算液滴表面T_g/T比值随干燥时间的变化，结合碰撞实验结果确定粘性状态范围（0.75< />_dry/t_lock<1.5）。该方法适用于不同配方和干燥条件，但存在一定局限性：对于玻璃化转变温度难以测定的配方（如球状蛋白）可能受限；液滴尺寸影响表皮厚度进而影响T_g/T计算；在更高干燥温度下，锁定点的准确测定因时间过短而变得困难；高固含量进料同样增加测定难度。研究结论指出，水分含量和温度共同决定液滴表皮的力学性质，T_g/T比值可作为预测粘性状态的关键参数。将干燥时间以t_lock归一化后，不同条件下的T_g/T曲线收敛为单一曲线，粘性状态可确定为0.75< />_dry/t_lock<1.5。该方法为喷雾干燥过程中喷嘴区团聚的定向调控提供了理论工具，有助于进一步提升喷雾干燥粉末质量。