碟片干化机是一种蒸汽加热盘式干燥机，采用接触干燥原理。
1、介绍：
　　 碟片干化机输入蒸汽，采用接触干燥原理。由于本设备为盘式，在有限空间内有较大的传热表面及稳定的干燥效率，被用于化学品、颜料、肥料、废水处理等行业中干燥含固液体。
　　 该设备经提升及技术改进，可用于食品及医疗行业，该设备采用卫生级材料易于清洁(可直接采用原位清洗，自动清洗加工室及管道系统)。
　　 该设备对脱脂乳和全脂深缩乳的干燥进行了广泛的测试，由于温度和停留时间相互结合，在干燥提取过程中产生非常广泛的粉末特性，并将该设备与喷雾和滚筒干燥粉末进行了比较，因此，该设备可以广泛用于食品及医疗行业。
　　 奶粉是世界上食品和饲料行业交易最广泛的产品，但奶粉的生产最广泛的是喷雾干燥方式或者滚筒干燥方式。喷雾干燥做为一种对流干燥工艺，优点是对产品的干燥温和，并且可以设计成高生产率。然而也有一些具体缺点,对工艺空气的高需求和系统外围设备要求高，并导致大量能量损耗，而循环气体回收相到复杂。
　　 滚筒干燥作为食品工业的一种接触干燥形式仍然很重要，市场上许多滚筒烘干机已经过时，不能满足当前对卫生或易于清洁的设计要求。过程自动化的程度通常不再与现有技术的状态相对应，滚筒干燥设备安装面积大，通过壁厚中空圆筒进行热交换传导受到限制，长刮刀调整困难，磨损严重，对卫生与封闭环境存在困难。
2、功能：
　　 碟片干化机是一款新型的接触干燥方法，充分解决了清洁、卫生和数字控制问题。该设备在旋转的中空圆盘上侧面，通过压力导管将待处理的液体加到表面(图 1)，多余的液体从圆盘排到下面的循环槽中，均匀的液膜在旋转的碟片表面上进行干燥。(待干燥的液体可以未经过处理，也可以通过发酵进行预处理，或者通过蒸发、反渗透、超滤进行浓缩)，与其它干一样液体的预浓缩减少了必要的水蒸发，液体通过碟片表面干燥让溶剂(水份)蒸发，碟片旋转一定角度后获得固体(图 2)，获得的固体物料落入物料收集系统，进行下一道工艺处理。

　　 本设备刮刀较短，易于调整，刀架有阻尼弹簧具有较低的接触压力，以适当的接触力贴合在碟片上，并以可靠的低磨损的状态刮掉干燥物料。通过碟片的蒸汽压力及转速及非接触表面温控系统进行自动智能调节，可恢得最适合的干燥温度及速度。由于多余的液体物料被排到循环料仓，不存在液体物质渗入干燥物料的风险。

　　 被蒸发的液体溶剂通过智能调节排气扇，以相对较低的气流抽吸，该气流通常从碟片机前部的环境中吸入，以高水蒸汽负荷排放。只在在干燥过程中产生多尘物品时，少量干燥固体才会被排气排出，通常情下，干燥物品会产生薄膜状态，这意味着被干燥物基本上是无尘的。(图 4)

　　 根据待处理的产品特性及生产定额，配置不同尺寸的碟片及刮刀。碟片通常由不锈钢制成，为了防止腐蚀或磨蚀性介质，表面可选涂层或硬化来保护表面。刮刀可以使用各种不锈钢、塑料或陶瓷材质。由于本设备的设计接触面材质较薄，内部流导得到科学流体计算，所以有非常好的传热效率，有效集中碟片表面进行热量交换，以达到能效利用，整套设备占地面积相对喷雾干燥与滚筒干燥方式较小，有助于现场安装及灵活移动。
　　 工作室是在没有压力的状况下运行的，整机覆盖了安全透明玻璃板，可以随时监控设备运行状况。前挡风玻璃可自动或手动打开,随时可以进行对设备及刀片进行调整维护工作,通过触摸屏对设备参数进行控制。(图5)

　　碟片通过严格的力学焊接密封技术，将蒸汽加热到3.5Bar压力，可以产生 4.5Bar的绝对真空(相当于 148°C饱和蒸汽温度)，因此实现了用低压蒸汽进行能量交换的干燥工艺，降低生产成本。

3、应用领域

　　 碟片干化机可用于几乎所有工业领域的各种液体产品，以接触式高能效的模式解决了许多常规干燥问题，设备动行稳定操作智能。近年来在化学工业，颜料生产、废水处，陶瓷工业及饲料工业得到认可与应用，具需求可提供蒸发量 4T/H 的机型。

　　 本设备通过了欧洲CE合格标准和安全法规，可据 ANSI 标准供应至美国。本设备首次在法国的法兰克福亮相(图6)，外观设计新颖，具备科技感。为满足客户要求，工作中各工序以可控及可视化功能进行。对温度相对敏感的食品工业产品，本设备可以按 0.4-1Bar绝对真空范围内，通过蒸汽加热精密控制碟片表面温度<100°C。

　　 本设备生产交付条件为整机，设计外观紧凑，具备体积优势可以方便托运及安装至客户现场。

4、实验数据（浓缩乳及焦糖化试验）

　　与喷雾干燥相比，通过接触干燥可以使热能输入更加可变和密集，因此可以实现奶粉的定向芳构化。此外与喷雾干燥不同，乳脂没有被困在球形颗粒中，而是由于片状结构而以游离脂肪的形式存在，接触式奶粉的结构具有积极影响，例如对巧克力的外观特性并确保在海螺过程中减少能量需求。

　　使用碟片干化机对脱脂奶和全脂浓缩乳进行了广泛的干燥试验。在这些实验中，研究了碟片温度、停留时间和待干燥的浓缩乳的预浓度对粉末性能的影响。评估了不同工艺参数对食品工业相关粉末性能的影响，如残留水分、堆积密度、溶解度和颜色。

　　干燥产品的HMF含量和颜色变化可以得出关于干燥过程中经过的残留物的强度，焦糖化反应。还测定了所生产的全脂牛奶样品的沪离脂肪含量、总脂肪含量和污垢模式。使用乳清浓缩物研究了干燥对粉末中细菌负荷的影响。

4.1、用复原脱脂奶进行的试验(热成像)

　　干燥过程中干燥碟片上的均匀热量分布对于干燥产品中均匀的残余水分至关重要。此外，记录热分布可以得出关于干燥过程中热负荷的结论。在校准排放系数后，在不同的加热蒸汽压力和碟片速度下拍摄热图像，以表示干燥碟片的热分布。例如:36%脱脂浓缩乳干燥过程中的热量分布如(图7)。

　　在位置 1(图7左上角)，将产品涂抹在约 25°C的燥碟片上，很明显在施加液体之后的区域中出现最低温度。通过加热液体和随后的水蒸发，碟片在旋加液体后的区域中被最强的冷却，在旋转过程中(逆时针)产品温度升最高，干燥材料失去水分。在游离水蒸发后，产品加热至所需允许的产品温度，该温度与所需产品水分有关。碟片的表面温度略低于所用加热蒸汽的饱和蒸汽温度。干燥前沿清晰可见，最初在边缘形成的距离比碟片内部区域中稍远。直到干燥材料被刀具去除，产品在水分半径范围内保持平衡。在碟片直径较大(C900-1300mm)的工业工厂中，这种效果会逐渐消失。由于产品在加热碟片上停留时间短，直到刮掉产品不会达到峰值，只要产品仍然潮湿，水分的蒸发就会导致产品冷却，从而限制在允许固体温度(图7左上角位置2)。

　　从图7中的热图像可以看出，产品温度随着加热蒸汽压力的增加而增加。还可以看出碟片速度对温度曲线的影响，碟片的转速越低，碟片上的材料越早干燥，表面的旋转过程中加热得越早。该图示清楚的表明,可以通过选择加热蒸汽压力和碟片速度来精确调整产品的热应力,使该设备可以温和的干燥产品，并在高热输入的情况下实现更高的产品温度。

4.2、干燥过程中的最高产品温度分布(图8)

　　除了热成像外，还研究了干燥过程中的最高和短期产品温度，这些对于热敏产品尤其重要，但对于有针对性的热敏产品也是如此，可以在刮刀之前用红外高温记录最高温度。

　　结果表明加热蒸汽压力和碟片速度对产品的最高温度有很大的影响。由于碟片的壁厚较低，表面温度刚好低于加热蒸汽压力。最高产品温度随着压力的降低以及碟片速度的增加而降低，因此产品与热干燥碟片之间的接触时间减少，而牛奶的预浓缩对最高温度几乎没有影响。在更高的速度下，由于更强的预浓缩物更高的粘度导致层厚进一步增加，从而导致不完全干燥，这表现为产品温度的降低。总之可以说，通过结合温度和停留时间，可以在碟片中重复调节对产品的热效应。这允许产生目标温度影响的产品特性，这为食品行业开发具有个性化特征的粉末，从而影响最终产品(各种巧克力、牛奶饮料、酸奶等)的生产技术开辟了有趣的机会。

4.3、脱脂浓缩的残留水分(图 9)

　　粉末产品中的残留水分是一个非常重要的标准，根据粉末的应用，它在非常窄的范围内指定，也是影响粉末易腐性和储存稳定性的一个重要因素。特别是当用于诸如巧克力的亲油系统时需要非常低的残留水分，因为奶粉是水的主要来源，这会以一种不理想的方式增加粘度和必要的海螺时间。如果奶粉用于水性系统，水含量的作用相当小。通常为了保持良好的储存稳定性，产品的水分需要在 1.5-5% 的范围内。能过红外水分平衡测定用碟片干燥的奶粉残留水分。为了测定水分将约 5.0g 生产的干乳产品大致粉碎并分布在铝制托盘上。干燥在102°C的设定温度下进行。

　　图中标记为蓝色的区域显示了市售奶粉生产中所需的残留水分范围(1.5-5%)。除了碟片生产的产品外，图中还显示了市场上交易的奶粉的参考样品，可以确定蒸汽压力、碟片速度和浓缩的固体含量对生产的干品残余水份的影响。总之显示用碟片生的样品达到市售比较样品的范围的三个图。此外，根据加热蒸汽压力和碟片速度的设置，可以选择性的降低或超过残余水分。图表显示，在所有浓度水平和加热蒸汽压力下碟片速度的增加和停留时间的减少会导致残余水分的增加。加热蒸汽压力的增加也会导致残余水分的减少，所制造的产品期望干燥度可以重复的调节。

4.4、堆积密度(图 10)

　　除了残留水分外，堆积密度是另一个对粉末后续可以加工性有大影响的重要参数。当混合巧克力基质或奶粉水溶液时，高堆积密度从根本上讲在技术上是有利的，在较高的堆积密度下，存在较小的颗粒，这些颗粒在其他基质中更快、更均匀的分布和溶解，由于在这种情况下运输体积较低，因此运输也需要尽可能高的堆积密度。

蓝色标记区域再次显示市场标准比较产品的区域。参考样品表明，由于均匀的颗粒形状和颗粒尺寸分布，喷雾干燥的粉末比辊干燥的粉末具有更高的堆积密度，对于卷干的参考样品，全脂奶粉的堆积密度比脱脂奶粉低得多。结果表明，碟片速度对堆积密度有一定的影响，另一方面，预浓缩和蒸汽压力对体积密度没有影响。因此、与竟争技术相比，碟片干燥具有优势,对于所显示的所有蒸汽压力,体积密度可以在速度的帮助下进行非常可变的调整，通过选择适当的速度设置，可以实现喷雾和滚筒干燥粉末的典型堆积密度，也可以实现略高的堆积密度。

4.5、溶解度(图 11)

　　根据粉末的进一步加工和预期用途，溶解度是另一个重要的产品特征。如果粉末在进步加工过程中溶解在水中，则良好的溶解度可确保完全再水合。在奶粉用于脂肪乳液的应用中，如巧克力产品，溶解度是次要的。

　　使用 Bassler 的方法来分析奶粉的溶解度，在测量中，将粉末用回火水溶解并离心，去除突起注入加火并离心，“不溶性指数”是粉末在水中溶解度的一个参数，以离心后的沉积物体积(单位:毫升)表示。为了可比性，仅查了100X<X<300X 的颗粒级分。

　　参考样品显示出喷雾干燥粉末比滚筒干燥奶粉具有更好的溶解性趋势。用碟片干燥的粉末样品的溶解度可以更多地分类在滚筒干燥奶粉的范围内。然而与滚筒干燥的参考粉末相比，通过提高速度，特别是在低蒸汽压力下，可以显著提高溶解度。

4.6、颜色测量(图 12)

　　就发生的热应力和焦糖化反应以及对其强度的评估而言，对所制造的粉末的颜色的测量尤其令人感兴趣。在实践中，奶粉的颜色在颜色代表显著特性的应用中发挥作用，例如，当用于白色速溶饮料或白巧克力时，或当用于晒黑的产品如冰淇淋或巧克力时。

　　使用：Lab 颜色计和用于粉末样品的相应颜色测量装置进行颜色测量。例如，此处显示了不同脱脂奶浓缩的L值，取决于速度。这里也研究了 100μm<XY<300μm的颗粒。

　　研究表明，碟片速度对所制备粉末的亮度有影响，而预浓缩的影响较小。在高碟片速度下，即短的干燥时间下，结果表明所得产品仅比原材料略暗，考虑到干燥的产品由于从最初的喷雾干燥粉末生产复原乳浓缩物而暴露于多次热点，差异非常小。在高速下除了原材料外，碟片干燥产品与参考样品之间没有差异。尤其是在低速时，粉末发生更强的褐变。因此，粉末的亮度可以特别的受到速度的影响，由于奶粉的颜色变化很大程度上是由美拉德反应的产物引起的，这证明碟片干燥可以实现奶粉的有针对性的褐变和焦糖化。除了颜色变化外5-轻甲基糠醛(HMF) 的总含量也是反映奶粉热应激的重要化学标志。此外，HMF 是牛奶蛋白和糖在干燥过程中高级调味和焦糖化的良好标志。总HMF 含量使用 HPLC-DAD 方法测定，根据 Tritscher 进行了轻微修改。由于样品容量有限，仅检查在 2bar(绝对压力)和每分1-3转下干燥TS的脱脂乳组合物的样品。(由于HMF可能致癌性在联邦的风险评估内)

　　喷雾干燥的参考样品具有非常低的HMF量，其低于滚筒干燥的粉末的总含量，这证实了喷雾干燥的倾向于在比滚筒干燥更小的热应力下进行。碟片干燥的样品 HMF 含量显示出对速度的强烈依懒性。在低速下，因此在较长的干燥时间下，显示出高HMF含量，这表明碟片干燥技术提供了高和非常高热的可能性。

　　以对粉末的施加影响，从而在粉末中产生特定的香气。碟片干燥提供了通过提高速度从而缩短干燥时间来非常温和地干燥的可能性，在每分钊两转以上，可以检测到 HMF 含量与其他滚筒干燥粉末的差异。在保持 5%的残留水分的同时，速度可以增加到高达每分钟5转，不幸的是由于分析能力有限，这些样品无法进行检测。根据速度相关的温度分布(图13)，可以假设 HMF 浓度将随着速度的增加而进一步降低，在速度的帮助下，即可以生产温和的干燥奶粉，也可以生产焦糖奶粉，这为专业制造商提供了产品个性化的广泛可能性。

4.7 复原全脂牛奶试验

4.7.1 污垢图案(图14)

　　在评估粉末质量时，污垢图案是另一个决定性的特性。奶粉或由其制成的产品中的燃烧颗粒会被消费者拒绝，尤其是在轻终端产品中，因此应避免或减少到最低限度。

　　用ADPI焦粒法进行污垢图案测定，其中将样品粉末溶解、清洁和过滤，滤纸上的污垢图像根据参考样本为A-D类，原料是一种重构的36%全脂浓缩乳。

　　污垢模式的结果表明，污垢的程度往往随着加热蒸汽压力的升高及碟片速度的降低而增加，在低蒸汽压力和高速下干燥时可获得理想的结果，作为一搬规则，至少规定了喷雾干燥粉末的 B 类和接触干燥粉末的C类。总体而言，所有样品都位于接触式干燥的良好区域，这主要是由于碟片食品上有非常有效的刮刀，可以可靠地将干燥的产品从干燥机碟片中去除。

4.7.2 游离脂肪含量

　　游离脂肪含量对粉末在巧克力制品中的应用起着重要作用。高游离脂肪含量提高了粉末的感官特性，并减少了海螺过程中的能量消耗。随着市场上的大趋势越来截止趋向于高质量的巧克力产品，游离脂肪含量也变得越来越重要。

　　根据 DIN12602通过在Soxhlet 装置中用酥取并随后蒸留溶剂来测定游离脂肪含量总脂肪含量采用 Rose Gottlieb 法测定。研究了由于物质含量为 36%的喷雾干燥粉末重构的全脂浓缩乳，其用碟片在4Bar(绝对)的加热蒸汽压力下干燥。

　　全脂奶粉中的总脂肪含量相对于干物质约为 26%，而游离脂肪含量在 59.7%至 93.3%之间，游离脂肪含量显示出对速度的强烈依赖性。设定的速度越高，游离脂肪含量就越低，这为各种终端产品提供了一个非常有趣的个性化选择，尤其是巧克力行业。

4.7.3乳清浓缩试验

干燥对细菌负荷的影响

　　粉末中的细菌负荷与水分或湿气结合在一起，粉末中的水活性对产品的储存稳定性和保质期有很大影响，此外根据应用，例如在婴儿食品或香肠产品中使用时，高的初始细菌负荷是有问题的，因此，通过干燥步骤尽可能多地减少细菌负荷是非常希望的。

　　为了测定细菌计数的减少，在干燥之前检查具有约 10%TS 作为液体产物的乳清浓缩物，以及在用碟片干燥之后检查粉末。在 3Bar(绝对压力)和每分钟2转速下干燥。

　　在 2.3*10KBE 的情况下，干燥前的细菌总数特别高。干燥后，所有研究的发芽率都显著降低。细菌总数约为6对数级至2*10KBE 降低，可导致人类严重胃肠道疾病的大肠杆菌数量在干燥前的 SB 2*1KBE 中尤其高。在这里也可以实现大约7个对数水平的可靠减少。结合低残留水分含量，即使在高起始菌数下也可以预期生产的粉末微生物稳定性。由于实现的值在很大程度上取决于产品组份，它们不能容易地转移到其它产品或其它大规模生产条件，但能显示出良好的趋势。

5.总结项目前景

　　碟片干化设备这项技术已完全可以用于食品行业，在保持已验证的功能原理的同时该设备经过精心进一步研发升级，严格遵守了当前 EHEDG 食品行业设计标准。

　　碟片干化设备满足食品行业现代化、安全且易于清洁的干燥系统所有要求。与霍亨海姆大学食品加工工程与粉末技术研究所、新勃兰登大学和几个工业合作伙伴合作，进行了广泛的脱脂和全脂浓缩干燥系列测试，在这些试验过程中研究了碟片温度、速度等影响因素，干燥时间以及待干燥的浓缩乳的预浓度对所获得的粉末性质进行检查评估，测定了上述工程工艺参数对食品工业相关粉末性能的影响，比如残余水分、堆积密度、溶解度及颜色。HMF含量和干燥产品中的颜色变化可以分别得出美拉德及其强度的结论。焦糖化反应对 HMF含量的调查证实，根据工艺参数的设置碟片干燥设备可以用于温和干燥，也可以实现奶粉的有针对性的焦糖化，还测定了全脂奶粉样品的游离脂肪含量和污垢形态，乳清浓缩的干燥用于研究干燥过程中细菌计数的减少。研究结果，碟片干化设备适合于乳制品的干燥，乳制品行业通常规定的特性可以重复调整，此外可实现粉末性能超出了传统工艺可实现的性能，这为生产商提供了广泛的粉末及最终产品的个性化选择,对牛奶干燥的研究是碟片干化在食品工业中的多种应用的可能性一个例子。