一种低通量电磁吸附乳铁蛋白的高压静电喷雾干燥装置及其应用

本发明涉及一种低通量电磁吸附乳铁蛋白的高压静电喷雾干燥装置及其应用，属于乳品加工与装备制造领域。

背景技术：

1、乳铁蛋白是一种多功能蛋白质，具有抑菌、抗炎、抗氧化等功效。喷雾干燥、真空冷冻干燥是目前制备乳铁蛋白粉的主要手段。然而，喷雾干燥易对热敏成分造成损伤，真空冷冻干燥的干燥时间较长、干燥成本较高，均具有一定的局限性。高压静电喷雾干燥可以产生携带同种电荷的乳铁蛋白纳米颗粒，静电斥力作用下不易团聚，颗粒小，分散性好且可以低温操作，是制备乳铁蛋白粉的可替代选择。但是高压静电喷雾干燥产生的超微粉体难以收集。由于乳铁蛋白对铁的结合能力强，所以添加无机铁是提高乳铁蛋白铁饱和度的常见手段。高压静电喷雾过程中铁离子富集于液滴表面，接触热介质后受热生成铁氧化物，赋予乳铁蛋白粉磁性，进而通过电磁作用吸附收集，该方法在超微乳铁蛋白粉的制备方面展现出优势。

2、目前有以电磁力促进异相切削液在线混合的静电喷雾装置及方法，详见cn202211081187.3，以电磁力促进异相切削液在线混合的静电喷雾装置及方法。该装置能使得油基雾滴和水基雾滴充分混合，并保证喷出后雾化分散效果和实现静电微量润滑效果。但是，该方法并未涉及干燥，且无电磁吸附作用，因此该方法与本专利显著不同。

3、现有技术中存在一种磁电式交流静电超声雾化喷头及工作方法，如cn202111494570.7，一种磁电式交流静电超声雾化喷头及工作方法。该装置通过气体在拉瓦尔管加速将进液管喷入的液体雾化，而后通过充电电极使得雾化液体带上电荷，带电液滴进入磁化谐振腔从而得到带电带磁的液滴。该方法的磁场作用通过磁化谐振腔实现，与本发明所使用的磁性粒子吸附的作用方式显著不同。

4、类似的，现有技术中存在静电喷雾干燥器设备和方法，用于将液体干燥成粉末，如cn201980087593.0，静电喷雾干燥器系统。该方法包括静电喷嘴和包含过滤收集袋的粉末收集器。干燥腔室内壁上的残余粉末通过磁力吸引耦合到壁的刮板去除。该方法的磁力吸附用于刮壁，且料液不作磁性修饰，其磁性吸附的原理及作用方式与本发明显著不同。

5、类似的，存在一种益生菌粉的静电低温喷雾干燥制备方法，如cn201911395581.2，一种益生菌粉的静电低温喷雾干燥制备方法。该方法将菌液热激后用保护壁材进行乳化包埋，静电喷干低温干燥，得到高活力的益生菌粉。该方法不涉及电磁吸附，与本发明中使用的方法显著不同。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述不足之处，提供一种低通量电磁吸附乳铁蛋白的高压静电喷雾干燥装置及其应用，目的是在电磁吸附作用下对乳铁蛋白粉进行定向富集，在相对低温的环境中获取高荷电、低粒径、分散均匀的乳铁蛋白粉。

2、本发明的技术方案，一种低通量电磁吸附乳铁蛋白的高压静电喷雾干燥装置，包括液料供料系统、气压调控系统、静电喷雾干燥系统和电磁吸附系统。

3、所述液料供料系统具体包括液料储罐、液体过滤器、单向阀和料液容器；所述液料储罐通过单向阀连通入料液容器中；所述液料储罐和单向阀之间还设有过滤器；料液容器底部通过管道连接静电喷雾干燥系统，顶部通过管道连接气压调节系统。液料储罐用于储存液料，液料经液体过滤器、单向阀输送至液料容器。

4、所述气压调控系统包括高压气体贮罐、空压机、真空罐和真空泵；所述料液容器分别通过管路连通高压气体贮罐和真空罐；所述高压气体贮罐与空压机连接，真空罐与真空泵连接。

5、所述气压调控系统还包括真空电磁阀、供料阀和调压阀；所述料液容器与高压气体贮罐连通的管路上依次设有供料阀和调压阀；所述料液容器与真空罐连通的管路上依次设有真空电磁阀和调压阀。

6、所述气压调节系统用于控制液料容器中的气压，包括负压真空调节和高压气体流量调节两条路线。负压真空度调节用于控制液料容器中的液料总量。所述液料容器顶端通过管道依次连接真空罐、真空泵。管道上设置真空电磁阀调节真空开关、调压阀调节真空度。负压作用下，液料储罐中的液料进入液料容器。所述液料容器顶端通过管道依次连接高压气体贮罐、空压机。管道上设置供料阀控制开关、调压阀调节气压。气压推动液料容器中的液料进入静电喷雾干燥系统。

7、所述静电喷雾干燥系统包括截止阀、电极板、螺丝、加热器、送风机、金属针头、干燥腔、高压直流电源；所述截止阀的输入端通过管道连接液料容器，所述截止阀的输出端通过管道连接金属针头。所述金属针头穿过电极板并通过螺丝固定。所述电极板通过绝缘保护铜线连接高压直流电源。高电压下，液料经由金属针头被雾化成为带电液滴。干燥腔的环形顶部通过管道依次连接加热器和送风机。底部通过卸料阀连接废气回收系统。在热风作用下，干燥腔内的带电液滴水分蒸发成为荷电颗粒。

8、所述电磁吸附系统包括卸料阀、收集器、收集板、磁铁、冷却板、冷却槽和冷却泵；所述收集器内部设有收集板、磁铁和冷却板；所述收集器顶端通过卸料阀连接干燥腔，干燥物料通过静电感应和磁力吸附到收集板表面；所述收集板底部依次连接磁铁和冷却板；所述冷却板通过管道与冷却槽和冷却泵构成冷却回路。

9、还包括废气回收系统；所述废气回收系统包括气体过滤器、回收器和抽风机。所述气体过滤器输入端通过管道连接收集器，输出端通过管道连接回收器，以除去气体中的杂质。所述抽风机通过管道分别与气体过滤器和抽风机连通，过滤后的热空气通过抽风机排出。

10、还包括控制系统；所述控制系统包括控制柜，控制柜分别连接单向阀、真空电磁阀、供料阀、截止阀、调压阀、加热器、高压直流电源、卸料阀；对各个系统进行工艺参数的设定、检测及各部件的运行控制。

11、进一步地，所述液料储罐、液料容器及连接管道均为硅酸盐玻璃材料。

12、进一步地，所述高压直流电源的电压运行参数设定为20-50kv。

13、进一步地，所述金属针头为不锈钢材质，针头规格25-34g，针管长度为20-40mm。

14、进一步地，所述电极板为铜材质，采用绝缘收缩材料保护，电极板中间加工穿孔，孔径3-5mm。

15、进一步地，所述干燥腔腔体为硅酸盐玻璃材料。腔体高80-100cm，内径30-50cm。

16、进一步地，所述收集器为硅酸盐玻璃材料。长30-50cm，宽30-50cm，高20-40cm。

17、进一步地，所述收集板为铜材质，长30-50cm，宽30-50cm，厚2-5cm,表面覆盖磁性薄膜，表面温度控制在80℃以下。

18、进一步地，所述磁铁为n52型磁铁，通过水冷却系统控制其温度低于80℃。

19、进一步地，所述气体过滤器负载空气滤膜，滤膜过滤孔径为200-1000nm。

20、进一步地，所述回收器为硅酸盐玻璃材料，容器内部填充活性炭。

21、本发明的另一个技术方案，一种低通量电磁吸附乳铁蛋白的高压静电喷雾干燥装置的应用，具体步骤如下：

22、s1、将乳铁蛋白与适量无机铁溶液混合，搅拌反应均匀后转移至液料储罐，调节单向阀、真空电磁阀、调压阀，使液料储罐中的液料经过液体过滤器过滤后，截留大分子颗粒、沉淀等不适宜电喷雾的物质，可溶性小分子进入液料容器。

23、s2、关闭负压真空路线，开启高压气体推动路线，调节供料阀、调压阀使高压气体储罐中的气体进入液料容器，高压气体推动液料依次进入截止阀、金属针头，调节高压直流电源，对电极板施加电压，料液在气压推动和电场作用下从金属针头喷射，形成带电雾滴；同时，通过加热器加热送风机中的空气，进入干燥腔中。

24、带电雾滴中的水分蒸发，静电斥力增强，导致带电雾滴发生“库伦爆炸”形成更加细小的雾滴，雾滴中的铁离子被推向雾滴表面，在极高的比表面积下与热风接触，氧化为铁氧化物，干燥后的乳铁蛋白粉末因此携带磁性。

25、s3、打开卸料阀使之联通收集器，干燥物料吸附于收集板上，收集板下的磁铁通过水冷却系统冷却板、冷却槽、冷却泵控制其表面温度。干燥中产生的废气经过滤器除去大分子物质，回收器吸附小分子物质及有害气体。洁净空气通过抽风机排出。

26、进一步地，无机铁溶液的溶质为氯化铁或硫酸铁,溶剂为去离子水。

27、进一步地，液体过滤器通过0.1μm微孔滤膜，气体过滤器加载200-1000nm微孔滤膜。

28、进一步地，真空泵、调节阀联合调节液料容器的真空度，真空度调节为50-80kpa。

29、进一步地，高压气体贮罐输送氮气、氩气等惰性气体；输送气体压力调节范围0-1.2mpa。

30、进一步地，金属针头的喷雾速率为0-300ml/h。

31、进一步地，高压直流电源的电压设定参数为20-50kv。

32、进一步地，磁铁为n52型磁铁，通过水冷却系统控制其温度低于80℃。

33、进一步地，磁铁的水冷却系统使用去离子水。

34、进一步地，回收器装载活性炭吸附废气。

35、本发明的有益效果：

36、本发明能够收集超微乳铁蛋白粉：传统的喷雾干燥受限于旋风分离器的分离限制，通常仅能收集到微米级别的乳铁蛋白粉，本方法可以有效收集纳米乳铁蛋白粉，提高其溶解性、生物利用度。

37、本发明能够提高乳铁蛋白的铁饱和度：乳铁蛋白具有结合无机铁的能力，部分预处理添加的无机铁被乳铁蛋白结合，高铁饱和度的乳铁蛋白结构更加稳定，补铁效果显著。

38、本发明能够在相对较的低的温度下操作：进风温度130℃，出风温度70℃即可完成乳铁蛋白干燥；可以避免传统喷雾干燥对乳铁蛋白的热损伤，保留乳铁蛋白的生理活性，进而提高乳铁蛋白粉的补铁、抗氧化等生理活性。

39、本发明能够营造无菌环境：高压静电喷雾对料液中的细菌有显著的杀灭效果，金属针头尖端放电产生的电离基团抑制环境中的细菌传播，热空气遏制热敏性细菌的繁殖，干燥腔和收集器的设计均有利于生产无菌乳铁蛋白粉。

40、本发明能够提高产品均匀性：大颗粒物质层层截留，具有电磁特性的小分子物质进入收集系统，无电磁特性的小分子物质被回收器收集。因此，每一批次的乳铁蛋白粉均有相似的荷电特性和粒径尺寸，进而提高产品的均匀性。