奶粉与乳清粉原料
干燥作为一种食品保藏方法，通过去除水分来抑制酵母菌和霉菌等微生物的繁殖。这是人类最古老的保鲜技艺之一，其渊源可追溯至上古时期。据马可·波罗的亚洲行记载，蒙古人早已掌握日晒法制备奶粉的工艺。如今，在化工、制药、各类加工制造及乳制品等行业中，干燥设备被广泛应用于多种产品的脱水制备。脱水食品种类丰富，涵盖水果、肉类、乳制品（ 如奶粉与乳清粉）以及各类婴儿食品。降低水分含量可通过不同工艺实现 。为达成这一目标，工业界提供了多种干燥设备类型，具体选择需根据最终产品的特性要求而定。
食品干燥
引言
食品干燥主要有两个目的：
- 防止或抑制微生物的生长与活性，从而实现食品保藏
- 减少食品的重量和体积，使运输和储存更为经济
若干燥处理得当，复水后的干制食品在营养品质、色泽、风味和质构上几乎与新鲜食品无异。然而，不当的干燥过程会导致营养和感官品质显著下降，更严重的是，可能引发微生物腐败及潜在的食源性疾病风险。
干燥原理
干燥是一个传质过程，即通过蒸发作用从固体、浆料或液体中去除水或其他溶剂。该过程通常作为产品销售或包装前的最后一道生产工序，涉及使用热量和介质来排出产生的水蒸气。对于食品、谷物和药品等生物基产品，需要去除的溶剂通常为水。
传统上，食品采用热空气干燥法去除水分。最佳的干燥效果需要热、干的流动空气。上述因素相互关联，每个方面都需要恰当平衡。寒冷的流动空气或高温潮湿的空气都不符合要求。空气的干燥程度以湿度来衡量——湿度越低，空气越干燥。湿度通常表示为空气中水蒸气含量与饱和水蒸气含量之比，称为相对湿度（RH）。绝对干燥的空气相对湿度为0%，而饱和水蒸气的空气相对湿度为100%。
在相同温度下，相对湿度较低的空气比相对湿度较高的空气能吸收和保持更多的水分。干燥的原理是将干热空气与液态食品混合，使其吸收食品中的水分。然后，必须用干燥空气替换这部分饱和空气，以便持续从食品中提取水分，直至食品完全干燥。如果使用相对湿度高的潮湿空气（例如在热带气候下），空气会迅速饱和，无法从食品中吸收等量的水分。因此，在潮湿热带地区，干燥过程所需时间比在半干旱热带地区更长。
干燥所用的介质通常是环境空气，经过净化和加热后，提供蒸发食品中水分所需的能量。水分在绝热条件下蒸发，这意味着利用空气的热量将水分转化为可被干燥空气吸收的水蒸气。
空气温度影响湿度——温度升高、湿度降低，使空气能携带更多水蒸气。温度与相对湿度之间的关系可通过焓湿图表示（见图19.1）。
用于描述干燥空气状况的不同术语如下：
- 干球温度：由自由暴露于空气中但隔绝辐射的温度计测得的未饱和空气的温度。
- 湿球温度：由包覆湿纱布的温度计（湿球）在空气流中测得的绝热饱和温度。水分从纱布蒸发时冷却温度计，湿球温度因而反映空气温度与湿度的综合效应。将干球与湿球温度标于焓湿图或莫里尔图，即可确定湿空气的状态。
- 露点：水蒸气开始从空气中凝结析出的温度（即空气达到完全饱和时的温度）。高于此温度时水分保持气态。若露点接近干球温度，则相对湿度高；若露点远低于干球温度，则相对湿度低。
- 绝对湿度：空气中水蒸气的实际含量，以千克水蒸气/千克干空气表示，与温度无关。
- 相对湿度：特定温度下空气含水量与同温度下饱和空气含水量之比，以百分比（0–100%）表示。100%相对湿度意味着空气达到完全饱和状态，此时温度即为露点。
- 干燥风量：指干燥过程中用于从物料中带走水分的空气流量，通常以单位时间内的体积或质量表示，如立方米每小时（m³/h）或千克每小时（kg/h）。
- 热容量：使单位质量空气升高1摄氏度（或开尔文）所需的热能，通常以能量/质量/温度单位表示，如焦耳每千克每摄氏度（J/kg·℃）。
焓湿图的应用
空气焓湿图（莫里尔图或h-x图）是湿空气热力学性质的图形化表示。它通常显示湿球温度、干球温度、干湿比、相对湿度、比容、焓值及露点温度等参数。该图表是从事加热、冷却、（除）加湿及干燥等相关领域的工程师和科学人员的必备工具。工程师能够分析并理解在不同条件下湿空气的特性表现。如今，也可通过专业软件计算空气特性。图19.1展示了一幅简化版焓湿图。
图19.1 焓湿简图
图19.2 干燥特性曲线
干燥速率
食品干燥过程可划分为三个不同阶段：初始阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段。在初始阶段，干燥速率随时间逐渐升高，此时主要蒸发的是物料表面水分及间隙水分。进入恒速干燥阶段后，干燥速率保持稳定，自由水持续蒸发。而在降速干燥阶段，干燥速率则随时间逐步下降。随着干燥的进行，水分必须从食品内部迁移至表面。当水分活度降低时，这一过程变得愈发困难，水分需从食品中心向外部蒸发面进行更长距离的迁移。此时传热速率超过传质速率，物料颗粒开始加速升温。最终当食品无法被进一步脱水时，即达到与干燥空气的平衡状态。所有干燥阶段中，物料含水率均呈指数式下降，同时产品温度持续上升。
在降速干燥阶段，干燥速率主要受食品的化学成分和物理结构控制，此阶段干燥空气的温度同样至关重要——热空气能促进食品内部水分向表面迁移。
在整个蒸发过程中，液滴温度始终介于周围空气温度与其湿球温度之间。液滴的含水量决定其水分活度（Aw），该值与环境空气的相对湿度共同决定了液滴/颗粒在此温度区间的实际温度。随着蒸发进行，水分活度逐渐降低，导致颗粒温度逐步上升并趋近环境空气温度。当与干燥空气达到平衡时，颗粒的水分活度与环境空气相对湿度相匹配，此时颗粒温度等同于环境气温。这种温度变化特性可确保产品在干燥过程中不会过热，从而有效保持其品质。图19.2展示了干燥过程中的各阶段变化曲线。
液滴与颗粒尺寸的重要性
在牛奶喷雾干燥过程中，传热与传质以极高的速率在极短时间内完成。控制干燥速率的主要因素是水分从食品液滴内部迁移至表面的速度。因此，水分迁移路径越短，干燥速率越快。正因如此，在条件允许时，待干燥物料应通过雾化处理形成微小液滴。减小液滴尺寸还能显著增大其表面积与体积之比，从而进一步提升水分从食品中蒸发的速率。
然而，过高的干燥速率可能阻碍水分从液滴中心向表面的迁移，导致所谓的“表面硬化”现象。在喷雾干燥中，表面硬化是指液滴内部尚未完全干燥时，其表面已形成干燥硬壳的现象。这可能导致最终产品出现干燥不彻底、水分分布不均及品质下降等问题。通过使用相对低温的干燥空气，可有效防止表面硬化的发生。
干制食品的储藏与稳定性
为确保干制食品的安全储藏，其最终含水率应满足以下标准：水果与肉类低于20%，蔬菜低于10%，乳制品介于2.5%-5.0%之间。干制食品在储藏期间的稳定性取决于其含水率以及从空气中吸湿的难易程度。在高湿度地区，吸湿风险自然更高。然而，不同食品的吸湿程度存在差异。对于易吸湿的食品，必须采用非渗透性防潮材料进行包装。
低含水率仅是食品稳定性的参考指标而非绝对保证。更关键的是微生物生长所需水分的可利用性，这一特性通过水分活度（Aw）来衡量。水分活度（Aw）用于表征物质（特别是食品或药品）中水分参与化学反应和微生物生长的可利用程度，其定义为物质中水分的蒸汽压与同温度下纯水蒸汽压的比值。水分活度数值范围从0（完全干燥）到1（纯水）。
水分活度在食品中的重要性：
- 安全性：高水分活度的食品需要采用更多保藏手段来抑制微生物生长。
- 保质期：较低的水分活度通常意味着更长的保质期，因为能存活的微生物种类更少。
- 品质：合理控制水分活度有助于保持食品所需的质构、风味和外观。
通过理解不同食品的水分活度特性，生产商可设计更优化的保藏与包装方案，从而保障产品安全与品质。
表19.1列出了部分食品的含水量与水分活度（Aw）及其对应的包装要求。
干燥方法
食品干燥存在多种方法，每种方法在不同应用场景下各有其优势，其中包括但不限于：
- 滚筒干燥
- 冷冻干燥
- 喷雾干燥
- 搁架干燥
- 流化床干燥
- 超临界干燥
- 介电干燥
- 等等
以下将针对常用干燥方法进行说明：
滚筒干燥
图19.3 槽式进料滚筒干燥机原理示意图
滚筒干燥是一种用于液态物料的干燥方法。在此过程中，物料在采用蒸汽加热、高容量、旋转的滚筒上以相对较低的温度进行干燥，最终形成片状干燥产品。浓缩料中的水分受热蒸发，产生的蒸汽被及时排出。干燥后的片状产物经研磨可制成薄片或粉末成品。
根据产能需求，滚筒干燥机的长度通常为1-6米，直径范围为0.6-3米。其干燥效能取决于薄膜厚度、滚筒表面温度、滚筒转速以及进料干物质含量等多重因素。
现代滚筒干燥技术所制得的干制配料能快速复水，并较好地保持其原始风味、色泽与营养价值。然而，加热表面的相对高温可能使牛奶中的蛋白质变性，导致溶解度下降并出现褐变；但另一方面，这种强化热处理也能提高粉体的吸水性能。
滚筒干燥的优势之一在于能够处理高黏度食品，这类物料往往难以通过其他方法有效干燥。该方法还适用于淀粉、早餐谷物以及即食土豆泥等产品，使其具备冷水可溶性。不过，滚筒干燥设备在乳制品加工中并不常用。
冷冻干燥
冷冻干燥又称冻干或升华干燥，是一种常用于保存易变质食品的脱水工艺。该过程首先将物料深度冷冻，随后在真空环境下，通过升华作用去除冰晶（水分），最终获得干燥制品。
待干燥物料需先经超低温冷冻。此冷冻步骤至关重要，因其有助于物料内部形成冰晶。随后，冻结的物料被置于真空室中降压。低压条件使冰晶不经过液态直接升华变为水蒸气。通常通过加热板或加热架向物料提供热能，促使升华持续进行。热能使冰晶间的结合键断裂，从而加速向气态的转化。
冷冻干燥完成后，通常需注入氮气等惰性气体来解除真空状态，再进行包装密封。由于能耗较高，冷冻干燥技术并未广泛应用于奶粉生产。
喷雾干燥
喷雾干燥可将液体或浆料转化为干粉，是一种被广泛应用的工业工艺。该工艺在食品、制药及化工行业具有重要价值。该工艺通过将液体雾化成微细液滴，使其与热风接触实现快速干燥，最终获得干燥粉末。由于物料颗粒受热时间短，喷雾干燥非常适用于对热敏性液态原料进行连续化生产。当终端产品需严格符合特定质量标准时，该技术堪称理想选择，如粒度分布、残留水分含量、堆积密度、流动性、溶解性等物理及功能特性。
喷雾干燥
引言
图19.4 喷雾干燥塔
尽管能耗高且设备、厂房占地大，喷雾干燥仍是通过粉末形式保存高价值营养成分的有效方法。为降低能耗成本，通常先通过膜过滤和/或蒸发对料液进行预浓缩，以提高料液干物质含量；该预处理能耗仅占喷雾干燥总能耗的约10%至12%。若未经预浓缩，所得粉末颗粒过小，含气量高、润湿性差，且保质期短。
喷雾干燥产品因组成、用途、性质和功能各异，要求喷雾干燥塔具备灵活配置以满足不同需求。通常情况下，喷雾干燥是生产流程的最终环节，其终端产品在市场上用途广泛。与液态产品相比，粉末产品更易搬运、储存和运输，因此喷雾干燥塔在采用该工艺的生产企业中是关键单元操作设备。
喷雾干燥原理
喷雾干燥塔中的粉末生产包含多个阶段：
- 将浓缩料雾化为与热风混合的微细液滴
- 水分蒸发/干燥
- 将粉末从干燥空气中分离
- 对粉末进行后处理以达到所需特性
在喷雾干燥器中，待干燥料液中的水分从大量微小液滴表面蒸发（1升浓缩料可被雾化为1.2×1011个直径50微米的液滴，总表面积达120平方米）。通过雾化器形成的微细液滴雾幕被导入热空气流，料液中水分的快速蒸发会使热风冷却。雾化后，喷雾液滴瞬间冷却至湿球温度，通常约为50℃。温度更低且湿度更高的废气在分离干燥颗粒后，从干燥机排入大气。干燥用空气通常被加热至150-300℃，具体温度取决于待干燥物料。干燥室内形成的粉末在底部连续排出，而更细微的颗粒则通过旋风分离器、袋式过滤器或两者组合的方式从废气中回收。粉末在下游设备中经过进一步处理，以获得最终的水分含量、温度及其他功能特性。产品后处理常采用流化床装置。图19.4为喷雾干燥系统示例。
根据待干燥产品的特性，可采用单级或多级干燥工艺。单级干燥在干燥室内一次达到最终水分。而多级干燥则需在干燥机下游（如流化床）进一步去除水分。
采用喷雾干燥技术的优势包括：
- 高效脱水：通过去除水分，喷雾干燥能显著降低产品的体积与重量，从而大幅节省包装材料与能源消耗。这种节能效果源于喷雾干燥工艺本身的高效性。
- 保存易变质成分：通过将干制物料的水分活度降至细菌、霉菌和酵母无法繁殖的水平，喷雾干燥能有效保藏易变质食品及其他原料，从而延长其保质期。
- 温和热处理：就温度而言，喷雾干燥属于相对温和的加工过程，能最大限度减少对产品中热敏性成分的破坏。
- 可定制热处理方案：干燥前，液态产品可接受特定的热处理，以便实现定制化功能特性并杀灭微生物。
- 功能性提升：喷雾干燥塔的功能不仅限于水分蒸发。通过附聚、干料共混或亲水剂涂层等工艺，产品可获得增强的功能特性与速溶性。
- 应用广泛：众多喷雾干燥产品可用作干混配料或片剂填充剂（如乳糖、淀粉、麦芽糊精），应用范围极为广泛。
玻璃化转变与粘附性
喷雾干燥塔内出现粉末沉积是常见现象，这通常由产品的某些特性（常描述为“粘附性”和“热塑性”）引起。
热塑性指产品在高温下发生塑化的特性。众所周知，粉末含水量升高会增加产品粘附性。粉末含水量与出口温度的关系还受进风温度、总固形物含量及环境湿度等参数影响。提高进风温度或料液浓度可提升干燥机产能，但必须同步提高出口空气温度进行“补偿”，否则会导致粉末含水量升高，并可能引发积粉问题。环境湿度升高也会产生同样影响。然而出口温度只能在有限范围内调节，既要保证产品质量，又要避免颗粒因热塑性而在某一临界温度产生粘附。该现象如图19.5所示。需强调的是，粘附曲线仅取决于产品成分，而出口空气温度-水分关系（即颗粒温度-水分关系）同时受产品特性（成分）和干燥条件（进风温度、总固形物等）影响。
图19.5 喷雾干燥塔中粉末沉积的形成示意图
产品成分、操作条件（温度、湿度）与产品粘附性之间存在强关联性。脱水过程中，影响粘附性的主要组分为糖类、有机酸和脂肪。易引发粘附的主要糖类包括葡萄糖、半乳糖、果糖和蔗糖。乳糖等其它糖类在操作条件不当时也会带来潜在问题，但影响程度较轻。柠檬酸、乳酸等有机酸同样会导致类似问题。
非晶态材料的特性取决于分子运动受限程度。温度下降，分子运动减弱。继续冷却时，材料发生玻璃化转变，形成无分子长程运动的玻璃态，此时材料脆性高且无粘附性。高于玻璃化转变温度时，材料则呈现柔韧、橡胶态并具有粘附性。此临界温度称为玻璃化转变温度（Tg）。
表19.2列出了各种产品的Tg值（仅适用于无水组分）。若颗粒含水量增加，玻璃化转变温度会急剧下降。Tg对喷雾干燥至关重要，因其与产品粘附性密切相关。
产品在干燥机内经历从溶液→糖浆→固体的物态变化。若产品粘度低于临界值，即使含水量很低仍可能保持糖浆状态。根据产品特性、成分及干燥条件，干燥液滴表面可能保持塑性，导致粘壁或颗粒间粘结。因此干燥最终获得的非晶态产品可能是糖浆、粘性粉末或相对流动性好的粉末。实际生产中，临界粘度对应的温度约为Tg以上10-20℃。由此可以推定，喷雾干燥过程中颗粒表面温度不应超过Tg温度10-20℃。但该温度范围受多种因素影响，且因产品而异。
产品进料
待干燥的液态物料可以是溶液、悬浮液、乳液或浆料，其若干特性对喷雾干燥塔的运行性能及最终产品质量至关重要。其中包括：
- 粘度：料液粘度影响喷雾干燥过程中的雾化效果与液滴形成。低粘度料液更易雾化，通常生成更细的颗粒；而高粘度料液可能需要特殊雾化技术或设备才能达到目标粒径及其分布。
- 固形物含量：以干物质百分比表示的料液固形物含量，会影响干燥过程的速率与进程，并影响粉末特性。固形物含量较高可加快干燥速率并提高粉末得率，但也可能影响最终产品的流动性与溶解性。
- 粒径分布：料液的初始粒径分布决定了干燥粉末的颗粒大小与分布范围。控制料液粒径分布有助于获得理想的粉末特性。
- 热敏性：部分料液含有热敏性组分，可能在喷雾干燥过程中降解或变性。了解料液的热敏性有助于选择适宜的工艺参数，以最大限度减少热损伤并保持产品质量。
- 化学成分：料液的化学成分（包括糖类、蛋白质、脂肪及其他化合物）会影响料液在干燥过程中的走势及最终粉末的特性。某些组分可能改变干燥速率及进程、颗粒形态及产品稳定性。
- 添加剂或配料：料液可能含有稳定剂、乳化剂、风味剂、色素或功能性配料等添加剂。这些组分会影响产品稳定性、功能特性及感官属性，必须在喷雾干燥工艺设计与优化中考虑其影响。
在雾化前对料液进行加热是常规做法，可降低粘度，进而优化干燥器性能和最终产品特性。
雾化
雾化料液的核心目的在于提供巨大的表面积，以加速水分蒸发。精细的雾化能增加比表面积，从而提升干燥过程的效率与效果。例如，1升牛奶若呈球状，其表面积约为0.05平方米；但经喷雾干燥塔雾化后，形成液滴的单体表面积在0.05-0.15平方毫米之间，比表面积因此扩大约700倍。液滴尺寸与蒸发时间的对应关系见表19.3。雾化方式的选择取决于产品类型、目标粒径及干制品所需特性，包括质构、颗粒大小、堆积密度、溶解性、润湿性与密度等。
主流雾化系统分为两类：
- 高压雾化
- 转盘雾化
喷嘴式与离心式雾化存在显著功能差异。图19.6展示了固定式喷嘴（使奶雾方向与气流一致）与离心转盘（使奶雾方向垂直于气流）。
图19.6 高压与离心转盘雾化示意图
雾化过程中，喷嘴压力对粒径起着关键作用。压力高达300巴时，可制得密度较高的超细粉末。反之，50至200巴的较低压力则产生粒径较大、细粉含量较低的产品。多柱塞高压泵常用于产生所需压力。
离心式雾化器由一个电机驱动的转盘构成，转盘上设有多个水平通道。物料被引入转盘中心，在离心力作用下高速通过这些通道。根据转盘直径的不同，其转速通常在5000至25000转/分钟之间，边缘线速度可达100至200米/秒。物料流在离开通道时因高速运动而被雾化成微细液滴。
通过调节雾化器转速，可直接控制液滴尺寸，进而影响粉末的最终粒径。通常采用容积泵为此类雾化器供给料液。尽管喷嘴雾化通常产生的颗粒粒径（150至300微米）大于离心雾化（40至150微米），但离心雾化具有操作简便、对产品粘度和流量变化的适应性更强的优点。
干燥
当雾化后的浓缩料与热空气接触时，水分瞬间蒸发，形成粉末颗粒。通过将旋转雾化器或高压喷嘴布置在空气分散器或文丘里管的出口处，雾化物料与干燥空气得以充分接触（初始干燥）。这种紧密接触使雾化微滴中的水分立即蒸发，导致空气温度从约200℃降至70-90℃（具体取决于待干燥产品类型）。对于高碳水化合物产品（如婴幼儿配方奶粉），通常采用更高的出口空气温度。
由于粉末含水量与干燥空气相对湿度存在关联，雾化系统的浓缩料供给量通过监测干燥室的排风温度进行调控。干燥过程中，粉末在干燥室内沉降，较大颗粒因重力作用从底部排出；而更细的粉末颗粒（即细粉）将随干燥空气从出口逸出。这些细粉通过旋风分离器、袋式过滤器或二者组合从干燥空气中分离。
根据产品特性，可采用单级或多级干燥工艺。单级干燥在干燥室内一次达到最终水分。多级干燥则需在流化床中进行后续脱水与冷却。
粉末分离/细粉回收
干燥室及流化床排出的空气经排气管道输送，废气中含有的粉末通过旋风分离器、袋式过滤器或二者组合进行分离。被旋风分离器和/或袋式过滤器捕集下来的粉末沉积在设备底部，沉积的细粉通过其下方的旋转阀送回系统输送管线。根据目标产品所需的功能特性，粉末可被送回流化床或干燥室。
粉末后处理
从干燥室排出的粉末需在流化床系统中进行针对性的二次干燥与冷却。
流化床适用于附聚型与非附聚型产品的单级及多级干燥工艺，能对易受损产品实现温和的二次干燥和/或冷却。无论是静态床还是振动床，其充分混合的特性可确保颗粒实现高效混合，从而使粉末整体温度与水分分布均匀，并与出口产品流量保持一致。这种均质性为采用高风速与湍流创造了条件，使物料在流化床内快速分散，避免在此关键工艺阶段形成结块。物料经充分混合或静态流化床初步处理后，即可进入活塞流动段进行进一步干燥与冷却，从而精确控制最终水分和温度。流化床的振动或摇动作用增强了气体与粉体的接触，从而提升产品混合度与热效率。静态床与振动床所需的干燥及冷却空气由空气处理机组（AHU）提供。
粉末也可在“开放式输送系统”中完成冷却。粉末在管道内输送既定时间后进入旋风分离器，与冷却空气分离，实现输送同时冷却。
附聚
附聚工艺
附聚通常指细小颗粒形成更大颗粒的过程，以便在水中快速复溶。具体的附聚工艺包括压片、造粒、挤压、成球、制粒及烧结。附聚的基本原理是通过湿颗粒与喷雾液滴、或湿颗粒与干颗粒之间的碰撞实现颗粒增大。这些机制的共同点在于颗粒间形成液桥或颗粒表面包裹粘性层。此类附聚操作可在喷雾干燥塔、复湿附聚机及流化床制粒机中完成。
附聚的优势：
- 附聚是制备速溶产品的关键步骤。非附聚粉末通常润湿性差，难以在家用条件下使用。附聚通过改变粉末孔隙结构，加速水分向颗粒内部的渗透。
- 附聚可提高粉末流动性，减少扬尘甚至实现无尘化，使产品在后续加工中更易于处理。
- 附聚也常作为压片前的必要工序。它使产品具备良好流动性，防止多组分混合物在最终产品中出现成分分离。
- 附聚可改变产品外观，使其更具吸引力，从市场营销角度看这可能至关重要。
- 附聚会改变产品的堆积密度。从营销角度而言，此特性亦具重要意义，例如可减小包装容器内的顶隙空间。
图19.7 附聚示意图
Fig. 19.7-1 Agglomeration.
Fig. 19.7-2 Agglomeration.
干燥室内的附聚
在喷雾干燥过程中，目标本是制备细小颗粒。然而，由细小颗粒组成的粉末难以复溶，需要强力搅拌才能使其完全溶解。较大颗粒则更易分散。通过附聚工艺，可同时实现良好的分散性与完全溶解性。
喷雾干燥的原料通常是高固形物含量的液体。湿的喷雾液滴同样可用于附聚，该工艺称为直通式附聚，可在喷雾干燥塔内完成。附聚的主要目的通常是赋予产品速溶特性。
要生产此类产品，附聚过程必须均匀可控，以确保产品易于分散。
直通式附聚通常发生在雾化区域，此处的喷雾液滴仍处于湿润状态并能够相互聚结。实际操作中，并非所有雾化颗粒都会发生附聚；这些未附聚的颗粒（称为细粉）随出口空气离开干燥器。经旋风分离器和/或袋式过滤器从空气中分离后，细粉被收集并循环回雾化区，与液滴进行附聚。
附聚是以下碰撞作用的结合：
- 湿润喷雾液滴间的碰撞
- 干燥细粉颗粒与湿润喷雾液滴的碰撞
喷雾液滴间的碰撞可通过多股射流的交叉实现，称为喷雾间附聚。在单股射流内部，颗粒间也会发生碰撞，称为喷雾内附聚。将干燥细粉循环至雾化区对附聚过程至关重要，因为在多数情况下，若无细粉循环，形成的附聚颗粒往往过小。因此，成功的直通式附聚工艺是喷雾间附聚与细粉循环的结合。
多数情况下，附聚过程采用多喷嘴设计，使各股射流相互交叉。在交叉或重叠区域，射流与细粉回送系统返回的干燥细颗粒接触。喷雾喷枪可进行内外调节，从而改变干燥轨迹至交叉区域的距离。该干燥轨迹的长度决定了重叠区域内喷雾液滴的湿度，进而控制附聚的程度。喷杆尖端间距越小、细粉回送越集中，附聚程度就越高。图19.7展示了雾化浓缩料与细粉的附聚程度。
流化床附聚
为获得理想孔隙结构，颗粒需先经干燥处理，使毛细管和孔隙中的大部分水分被空气替代。随后对颗粒进行加湿，使其表面快速润胀并封闭毛细管。此过程使颗粒表面产生粘性，从而相互粘附形成附聚团块。如图19.8所示，在流化床中进行复湿附聚是实现速溶化的有效方法。该流化床与干燥室出料口相连，由壳体和底部的孔板构成。温度适宜的空气以足够速度穿过孔板，使粉末悬浮并形成流化层。
图19.8 流化床复湿附聚工艺示意图
壳体由细孔板分隔为下部气室与上部粉室，空气经此吹入使产品流化。流化床安装于弹簧支架上，可通过电机产生振动。振动作用辅助粉末的流化与输送。各段之间及出口处设置的堰板可调控流化粉末层高度，而流化床长度则决定物料停留时间。粉末从喷雾塔转移至第一段，在此接受蒸汽加湿。粉末借助气流与振动的协同作用，被推送着依次通过各个干燥段。不同温度梯度的热风穿过粉床，其温度逐段递减。附聚主要发生在干燥初期阶段，此时加湿后的颗粒相互粘结成团。随后附聚团在穿过各干燥段的过程中，水分蒸发。粉末随后经冷却段达到目标残留水分与温度后离开流化床。经筛分处理分离大颗粒与细粉后，筛分合格的速溶粉末通过柔性输送系统送至灌装工序。流化床排出的含有细粉的空气被送往主排风系统的旋风分离器或袋式过滤器进行细粉分离。
单级干燥
单级与多级喷雾干燥工艺的选择取决于产品特性、生产需求及经济性等多重因素。
在单级喷雾干燥中，从料液到干燥粉末的整个过程仅在干燥室内一步完成。该工艺适用于通过单次干燥即可达到目标含水率的产品。相较于多级系统，单级干燥的设计与操作更为简单，对于中等产量及质量要求不严苛的产品通常更具成本效益。然而，该工艺不适用于对高温敏感的产品（如某些热塑性及吸湿性产品），或需要精确控制水分含量与颗粒特性的产品。图19.9展示了单级喷雾干燥设备的配置。
图19.9 单级干燥系统示意图
1. 进风过滤器
2. 进风机
3. 进风加热器
4. 空气分配器
5. 干燥室
6. 袋式过滤器
7. 排风机
8. 高压泵
9. 空气处理机组
10. 旋风分离器
11. 粉末筛分机
根据产品特性，进风被加热至150-250℃。热空气流经分配器确保以均匀速度进入干燥室，与雾化产品混合。
当雾化产品与吹入干燥室的热风接触时，自由水瞬间蒸发。表面水分迅速蒸发，液滴内部水分也通过毛细作用快速移至表面并蒸发。通过对流换热，热量传入颗粒内部，导致结合水蒸发并扩散至颗粒表面。热风热量持续被水分蒸发消耗，因此产品升温有限，最高仅比室出口空气温度低15–20℃；正常运行时排风75–95℃。液滴水分蒸发导致其重量、体积和直径显著减小。
在理想干燥条件下，重量减少约50%，体积减少约40%。离开雾化器时，直径减小至原始液滴尺寸的75%。图19.10展示了重量、体积与直径的缩减量。
多级干燥
图19.10 理想干燥条件下液滴重量、体积及直径的缩减曲线
市场对提升产品质量（流动性、分散性、更低粉尘含量）、改善产品加工性、提高热效与操作效率以及增强环境可持续性的持续要求，促使工厂对干燥室排出的粉末进行进一步处理。由此推动了两级和三级干燥系统（多级干燥概念）的发展，其流程如图19.11所示。
实现多级干燥的方法是在单级干燥系统后增设一台或多台流化床干燥机。附加的流化床可以是静态/充分混合型，也可为振动/摇动型（塞流型），或二者的组合（常称为三级干燥）。
粉末以较高残留水分离开干燥室，在流化床内于相对较低温度下完成最终干燥并可同期冷却。就能耗而言，该装置优于单级干燥器，并能以显著更低的排风温度运行。通过分离流化床中的细粉，可有效提升粉末品质。
静态床设计用于离开干燥室即可直接流化的产品。振动或摇动床则适用于因粒径分布宽、颗粒细小及形状不规则而较难流化的产品。
流化床干燥器中的两级干燥可确保达到目标残留水分并对粉末进行冷却。集成流化床干燥器中的最终干燥段同样确保实现所需残留水分。该装置可适配喷嘴式与离心式雾化器。
多级干燥虽优势显著，但若工艺参数控制不当，极易引发产品粘壁问题。由于集成式静态床能更好地处理高湿度物料，它是此类情况下的可行解决方案。
单级与多级干燥的选择取决于产品特性、目标水分含量、产能要求及能效考量等因素。单级干燥方案更简洁经济，适用于常规干燥任务；多级干燥控制精细、灵活度高，适合更复杂的干燥场景。多级干燥可广泛应用于各类乳制品，如附聚与非附聚的全脂/脱脂奶粉、乳清浓缩物、乳清蛋白与牛奶蛋白、乳清渗透液、酪蛋白酸盐、婴儿食品等。
图19.11 多级干燥系统示意图
1. 进风过滤器
2. 进风机
3. 进风加热器
4. 空气分配器
5. 干燥室
6. 袋式过滤器
7. 排风机
8. 高压泵
9. 流化床
10. 空气处理机组
11. 细粉输送系统
12. 粉末筛分机
单级与多级干燥能耗对比
单级喷雾干燥将料液雾化至高温干燥室，所有水分在此一步蒸发。该工艺通常能耗较高，因其完全依赖单股热风完成全部水分蒸发，且排气中仍含有大量未被利用的余热。
优点：
- 设计与操作更简单
- 初始投资成本较低
缺点：
- 热能利用效率低，导致运行能耗成本更高
- 产品承受的热应力较大，可能影响品质
多级喷雾干燥包含多个干燥阶段。初始阶段为标准喷雾干燥，后续常连接流化床等附加干燥段。这些附加阶段（如集成或外置流化床）利用低温空气对产品进行深度干燥。
整体能效较高。初始高温干燥后，后续阶段采用低温空气完成干燥过程。
优点：
- 后续干燥阶段采用低温空气并结合热回收，能效更高
- 后段温和的干燥条件有助于保持产品质量
- 能耗降低带来长期运行成本优势
缺点：
- 设计与操作更复杂
- 附加的多级干燥与由此增加的设备导致初始投资成本较高
相较于单级系统，多级系统通过优化干燥段利用效率，可节能约10%。典型二级干燥先通过喷雾干燥使水分含量比最终目标高约4%，再由流化床去除残留水分。多级干燥的排气温度较单级低约15-20℃，有效降低了离开干燥室粉末颗粒的热负荷。同时，多级干燥允许采用更高进风温度，从而提升热效率并改善经济性。具体节能效果因系统设计与运行条件而异，但上述数据可反映能效提升潜力。
需强调的是，单级与多级系统均可应用热回收技术，将排气余热再利用，可使总能耗降低10-15%。
喷雾干燥塔主要设备
喷雾干燥塔的主要组成部分通常包括：
- 干燥室
- 供风系统
- 空气分布系统
- 进料系统
- 雾化系统
- 粉末回收系统
- 细粉回送系统
- 流化床干燥冷却系统
- 卵磷脂系统
- 防火防爆系统
- 原位清洗系统
干燥室
工业界提供了多种干燥室设计。奶粉生产中最常见的为带锥段的圆柱形干燥室。40至50度的锥角有助于粉末在干燥室底部出口顺畅排出。最常使用的干燥室有两种类型：
- 宽体干燥塔
- 高体环风道干燥塔
宽体设计采用顺流进风、逆向排风气流模式：在干燥室内，一股含细粉的相对低温工艺空气形成屏障，隔开中心热风射流与干燥室壁，从而最大限度减少室壁粉末沉积。工艺空气从圆柱体顶部（侧向或顶部出口）排出。空气在圆柱段呈活塞流流动，并在锥段发生流向逆转。因气流反转，粗颗粒受重力作用与空气分离，从干燥塔锥底排出。较细颗粒（细粉）则被气流夹带，从空气出口离开干燥室。如图19.12所示。
图19.12 高体环风道与宽体干燥塔气流模式示意图
高塔环风道设计的特点在于空气从锥段顶部的环风道排出。在此设计中，气流在圆柱段遵循活塞流模式，并在锥段内部实现流向逆转。与宽体设计类似，气流反转使粗颗粒受重力分离后从锥底排出，而细粉被气流夹带从环风道离开干燥室。如图19.12所示。
干燥塔类型的选择取决于待喷雾干燥的产品特性。宽体干燥塔适用于多种产品，而高塔环风道干燥塔通常用于乳清、渗透液及乳清蛋白等低脂或脱脂产品。
干燥室配备自动操作的振锤，可振落可能积聚在室壁的粉末。
干燥腔室内（负）压由压力指示控制器（PIC）通过调节主排风机转速进行控制。为防止干燥室压力过低，设有压力开关。若干燥室内真空度超过设定值，将触发急停程序，主进风机与排风机停止运行。
供风系统
供风系统通常包含以下设备：
- 百叶风口
- 噪声衰减器
- 初效及终效过滤器
- 除湿器
- 预热器
- 主空气加热器
- 供风风机
- 空气分配器
干燥过程所需的环境空气依次经过百叶风口、冬季预热盘管、一组过滤器和消音装置后，被分配至主、辅空气工艺系统。主供风风机将过滤后的空气（用于主干燥）经主空气加热器和空气分配器送入干燥室。
主干燥空气可通过以下加热系统升温：
- 蒸汽加热器
- 间接燃气加热器
- 导热油加热器
- 电加热器
干燥空气根据可用加热介质及产品类型被加热至150-250℃，随后经空气分配器吹入干燥室，确保热风在室内实现最优分布。
若环境湿度较高，干燥空气的含水量可能达到饱和点而无法有效吸收水分，此时需进行除湿处理。通过冰水将空气冷却至露点以下，析出的冷凝水经除雾器分离，再把空气重新加热至目标干燥温度。
更先进的除湿技术是采用硅胶或其他干燥剂进行吸附式除湿。
进料系统
干燥机进料系统通常包含以下组件：
- 进料罐
- 浓缩液供料泵
- 预热系统
- 过滤器
- 高压泵或旋转雾化器
- 含高压阀与喷枪的高压进料管线
来自蒸发器、结晶器或其他储罐的浓缩液汇集于干燥机进料罐，以确保喷雾干燥器获得固形物含量稳定的料液。根据产品类型与温度要求，进料罐可为单罐或双罐配置。对于在某温度区间易滋生微生物的产品，通常采用多罐系统——同一时刻仅使用一个浓缩液罐，另一罐则进行原位清洗或处于待机状态。浓缩液由离心泵或容积泵输送至一台或多台高压泵或旋转雾化器。罐体通常每4至10小时切换使用。
视产品类型，浓缩液可在管式或板式热交换器内由10℃ 预热至80℃，以调节雾化前粘度。预热后料液经过滤，去除异物和杂质。
高压泵为料液提供雾化所需压力，将液体雾化成极细液滴以实现高效干燥。根据产品类型及产能，可配置多只喷嘴。每种产品均有其特定的喷枪载液量，表示为升或千克/小时/喷枪或喷嘴。
高压泵可配备均质阀以形成均匀稳定的料液。均质机核心原理是迫使料液在高压下通过狭窄间隙，高剪切力使颗粒或液滴破碎从而实现均质化。例如，全脂奶粉生产中对料液进行均质，可降低成品游离脂肪含量。
雾化系统
最常用的雾化系统包括：
- 高压喷嘴雾化器
- 转盘雾化器
- 双流体雾化器
图19.13 喷嘴雾化器结构示意图
1. 热风供给
2. 高压喷枪
3. 细粉回送管
4. 干燥室顶
5. 雾化与附聚区
预热后的浓缩液可通过高压喷嘴组、转盘雾化器或双流体喷嘴实现雾化。
压力喷嘴的基本功能是将高压泵提供的压力能转化为动能，形成微细液滴喷雾。高压管线向喷嘴系统供料，该系统由多个高压阀组成，负责将浓缩液输送至位于干燥室空气分配器内的喷杆。
在转盘雾化器中，液体通过转盘旋转产生的离心力持续加速至盘缘。料液从中心进入，在离心力作用下沿盘面展成薄液膜，并在盘缘高速甩出。当液膜抵达边缘时，离心力使其破碎成微细液滴，形成雾化颗粒喷雾。喷雾特性（如液滴尺寸与分布）取决于转盘转速、液体性质（粘度与表面张力）及转盘设计（直径与表面纹理）等因素。
双流体或气动雾化器利用高速压缩空气将料液雾化。该雾化器通常用于小型（中试）干燥设备或其他需将少量料液雾化为细雾的场合，例如将卵磷脂喷涂于特定粉末表面以赋予速溶特性。
粉末回收系统
图19.14 旋风分离器
图19.15 袋式过滤器
粉末回收系统通常由以下设备组成：
- 旋风分离器
- 袋式过滤器
传统上，采用单级或多级（串/并联）旋风分离器将粉末从干燥空气中分离.经旋风分离后，排气中细粉残留仍高达100-200mg/Nm³。增设袋式过滤器后，细粉残留可降至低于10mg/Nm³，满足当地环保要求。
旋风分离器的工作原理是利用离心力从气体或液体流中分离颗粒。含粉尘颗粒的空气混合物通过切向入口高速进入旋风分离器，气流沿内壁螺旋向下运动。当气流沿圆形或螺旋路径旋转下行时，离心力将较重颗粒向外甩至分离器壁面，较轻的气体或液体则集中于分离器中心附近。靠近壁面的颗粒因摩擦力和重力作用失去动量，沿壁面滑落至底部收集室或料斗。净化后的空气（此时基本无颗粒）向中心移动，通过中央涡流探测管向上从顶部出口排出。分离器内形成两个关键涡流：携带含颗粒气体或液体的外下行涡流与携带净化气体或液体的内上行涡流。此双涡流结构是实现分离的关键。
袋式过滤器用于确保产品最大回收率并满足当地粉尘排放要求。废气中的粉末在可原位清洗洗（CIP）的袋式过滤器中被分离。来自干燥室或旋风分离器的含细粉空气从“滤袋层面”径向进入过滤器，内部挡板确保气流均匀分布至各滤袋。在袋式过滤器内部，气流通过由食品级材料（通常是聚酯）制成的多个滤袋。这些滤袋呈圆筒形并按环状排列。
气流穿过滤袋时颗粒物被截留于滤料表面或孔隙中，净化后空气从袋顶经排风口排出。随时间推移，灰尘和颗粒物在滤袋表面积累，形成粉尘层。此粉尘层反而有助于提升对细微颗粒的整体过滤效率。为维持袋式过滤器的效率，需定期清洗滤袋以清除积灰。脉冲喷吹是最常用高效的滤袋清洁方式。向袋内注入短时压缩空气脉冲使其膨胀抖落粉尘层，脱落细粉汇集于过滤室流化底锥经旋转阀排出。经滤袋净化后的空气最终由排风机排入大气。
就婴儿食品及其配料而言，袋式过滤器或旋风分离器底部收集的残留细粉，可以回收到工艺中再利用，或者当作废弃物处理。
设备停机期间，电加热空气处理机组用于周末保温。设备锥段、产品侧与净气侧均设检修门。滤袋可通过净气侧大型检修门快速更换。
目前普遍采用与原位清洗系统相连的可原位清洗（CIP）滤袋。定期清洗可避免残留细粉污染，保障食品适用性，从而提高得率并降低生产成本。基于食品安全考量，婴儿食品及其配料产生的残留细粉通常不予回收——因脉冲清灰可能使滤袋纤维混入产品。
细粉回送系统
细粉回送系统包含以下设备：
- 鼓风机
- 吹通式旋转阀
- 输送管线
- 分流阀
- 空气分配器内的细粉返料管
来自旋风分离器和/或袋式过滤器的粉末经旋转阀排出后，由中压输送系统输送至以下任一目标位置：
- 雾化区，与雾化液滴进行附聚
- 流化床前端，适用于常规非附聚产品
- 流化床末端，用于生产结束时排空系统
为实现良好附聚效果，必须将细粉送入雾化区，确保其与液滴及其他细粉充分接触。空气分配器内部设有带冷却夹套的细粉回送管，可将旋风分离器和/或袋滤器回收的粉末有效导入雾化区。图19.13展示了被高压喷嘴环绕的细粉返料管结构。
流化床干燥与冷却
流化床干燥冷却系统通常包含以下设备：
- 集成式静态床
- 振动/摇动流化床
- 空气处理机组（过滤器、风机、加热器、冷却器、除雾器）
干燥室排出的粉末在流化床装置中进行深度干燥与冷却，具体系统配置取决于产品类型。流化床适用于单级及多级干燥工艺，可对附聚与非附聚产品实现温和的二次干燥与冷却。
集成式静态流化床包含一个安装在干燥室锥底出口下方的圆柱形容器。静态床分为下部气室与上部粉室。两区通过孔板或筛网分隔，经加热或冷却/调温调湿的空气穿过孔板形成上升气流，使颗粒悬浮并分离。
振动/摇动流化床通常为细长卧式容器，同样分为下气室与上粉室。其气流分布原理与静态床相同，两区通过孔板或筛网分隔，经加热或冷却/调温调湿的空气穿过孔板形成上升气流，使颗粒悬浮并分离。
奶粉颗粒在气流中悬浮形成流态化状态，确保每个颗粒被空气均匀包裹，实现均匀干燥与冷却。颗粒流化过程中接触调温调湿空气（加热用于干燥，冷却用于降温），有效去除残留水分并使粉末达到目标温度。处理后的粉末从流化床排出，进入后续工序或包装环节。
为实现预期干燥冷却效果，需使用较大风量。空气高速穿过孔板孔隙以防止粉末泄漏，但板面平均风速（即流化速度）需显著降低，避免粉末被吹入排气系统。
根据产品及流化床类型，流化速度范围为0.2-1.2米/秒。全脂奶粉等高脂/附聚产品通常需要比脱脂奶粉等低脂/非附聚产品更高的流化速度。静态床因粉层堆积量大且无振动辅助，通常需要更高操作流速。
静态床与振动床的干燥及冷却空气由空气处理机组（AHU）提供。干燥段机组包含风机、静态过滤器及用于达到目标温度的蒸汽空气加热器；
冷却/调温段机组配备风机、静态过滤器、空气冷却器与蒸汽加热器。空气冷却器提供低相对湿度的调温调湿空气，防止粉末在冷却过程中吸湿。
卵磷脂系统
卵磷脂添加系统包含以下组件：
- 带搅拌器与加热夹套的卵磷脂储罐
- 伴热卵磷脂循环回路与供料管线
- 伴热压缩空气供应系统
- 配备双流体喷嘴的卵磷脂喷枪
卵磷脂处理是指用润湿剂（通常是溶解于无水乳脂或植物油等油脂中的卵磷脂）对粉末进行包埋的过程。脂肪中卵磷脂浓度最高可达60%，按成品粉末0.2-0.5%的卵磷脂目标量进行添加。在静态或振动/摇动流化床的流化过程中，通过双流体喷嘴将卵磷脂/油脂混合物直接喷涂到流化粉末上。
为确保卵磷脂与粉末有效混合，卵磷脂/油脂混合物温度应保持在50-60℃，而用于雾化该混合物的压缩空气温度需达到同等或更高温度（60-70℃）。卵磷脂处理并冷却后的粉末最终温度不宜过低，以确保达到润湿性等功能要求。
粉末筛分机
粉末经干燥冷却达到最终水分含量和温度后，需通过筛分分离结块、残留附聚团等过大颗粒及异物。筛分机通常为内置筛网的密闭腔体，可通过振动或摇动运动促进物料输送与分离。
防火防爆系统
防火防爆系统通常包含以下组件：
- 灭火系统
- 泄爆板
- 抑爆与隔离系统
- 消防与爆炸控制系统
干燥室内的粉末混合物通常具有可燃性，可能因阴燃火源（如火星）引发火灾。通过在干燥室顶部、流化床及袋式过滤器设置灭火喷嘴可实现快速灭火。一氧化碳探测器或光电传感器可用于早期探测阴燃点，远在其引发火灾或爆炸前发出警报。
安装泄压板或爆破片可在爆炸发生时维持室壁低压，避免设备功能遭受长期损毁。管道与过滤器可通过灭火屏障进行保护，该屏障由压力探测器或红外传感器触发。系统配备预充压至50巴的灭火器或抑爆罐，固定安装于关键位置，内部填充惰性粉末（碳酸氢钠）。一旦爆炸，雷管瞬间击破灭火瓶与设备之间的隔板，灭火粉末瞬间喷入设备，通过改变粉气混合比使喷射区域转为不可燃状态，从而阻断爆炸前沿蔓延。
喷嘴与喷雾系统常配备摄像头监控，可早期发现喷雾异常或泄漏等隐患，防止由此引发火灾和爆炸。
喷雾干燥乳制品
奶粉的应用
奶粉用途广泛，主要包括：
- 再制乳及乳制品
- 用于烘焙食品，可增大面包体积、提高保水能力，延长保鲜期。
- 面包及糕点中的蛋类替代品
- 巧克力工业中用于生产牛奶巧克力
- 食品工业及餐饮业中用于制作香肠及各类预制餐食
- 婴儿食品
- 生产冰淇淋
- 动物饲料及犊牛生长促进剂
奶粉是通过蒸发牛奶制成的脱水乳制品。天然牛奶主要包含蛋白质、脂肪、乳糖和矿物质四种成分。通常需按国际标准对牛奶的脂肪和蛋白质含量进行标准化处理：通过添加乳糖或牛奶渗透物来标准化蛋白质；
通过离心分离或添加奶油来调整脂肪含量，以满足最终产品的需求。
奶粉加工目的之一是延长保质期；因水分含量低，奶粉保质期远长于液态奶且无需冷藏。另一目的是减少体积，降低运输成本。奶粉及粉类乳制品主要包括：全脂奶粉、脱脂奶粉、酪乳粉、乳清粉制品、乳清粉、乳蛋白浓缩物、浓缩乳清蛋白及混合粉等。多数出口乳制品符合食品法典委员会标准。
不同用途对奶粉有特定要求。对于直接冲调饮用（再制），需具备速溶性、合适口感及营养价值，需采用喷雾干燥工艺谨慎处理。如用于巧克力生产，乳糖轻度焦糖化有益风味形成，可采用滚筒干燥等强化热处理方式。
奶粉分类如下：
- 乳基：全脂奶粉、脱脂奶粉、乳蛋白粉、酪蛋白/酪蛋白酸盐粉
- 乳清基：甜乳清粉、高脂乳清粉、乳清蛋白粉、乳清渗透液粉
- 营养品类：营养粉、婴幼儿配方粉
全脂奶粉（WMP）
全脂奶粉通常通过去除经巴氏杀菌和均质的全脂牛奶中的水分制得；也可通过将液态/浓缩/脱脂奶粉与液态/固态奶油或液态/浓缩/固态奶混合而成。牛奶脂肪含量标准化后，若经充分搅拌、无空气混入，则无需再次均质。均质工序通常在蒸发与喷雾干燥之间进行。全脂奶粉的脂肪含量（按产品总重计）须在26%至40%之间，蛋白质含量（以非脂固形物为基准）不得低于34%，水分含量（以非脂固形物为基准）不得超过5.0%。
用于生产全脂奶粉的原料奶需在75℃下杀菌15秒，以杀灭多数致病菌并灭活可能导致储存期间变质的酶类。
全脂奶粉可采用滚筒或喷雾干燥等多种设备生产，后者最为常见。出于经济性及功能特性要求，通常采用多级（二级或三级）干燥工艺。全脂奶粉分为常规非附聚型与附聚型两类。
常规全脂奶粉以堆积密度为关键指标，需避免附聚，因此将旋风分离器回收的细粉直接送回流化床。其他影响因素包括浓缩料总固形物（粘度）、雾化方式、干燥温度曲线及粉末水分等。例如，流化床内粉末过湿会促进附聚。从流化床至粉仓的输送过程可帮助打碎附聚体，有利于提高堆积密度。
附聚全脂奶粉则追求优异溶解性（润湿性、分散性等）。通过将旋风分离器或袋式过滤器回收的细粉送回雾化区，使其与湿雾滴聚结形成附聚体。此外，通常在流化床中进行卵磷脂处理以增强润湿性。维生素和矿物质可在蒸发前添加至料液中进行营养强化。从流化床至粉仓的输送必须柔和，以最大限度减少颗粒结构破损，因此常用密相输送系统。
无论常规或速溶型，全脂奶粉通常在宽体喷雾干燥塔中采用多级干燥，进风温度200-220℃，排风温度75-80℃，料液总固形物含量范围为50%-52%。
应用：
- 复原乳
- 酸奶与冰淇淋
- 烘焙与糖果
- 调味食品
- 营养与膳食食品
- 婴幼儿配方产品
零脂奶粉与脱脂奶粉（NFDM/SMP）
零脂奶粉与脱脂奶粉极为相似，均通过去除巴氏杀菌脱脂奶中的水分制得。两者水分含量≤5%，乳脂含量≤1.5%（按重量计）。核心区别在于：脱脂奶粉的非脂固形物（SNF）中的乳蛋白含量需≥34%，而零脂奶粉无蛋白标准要求。脱脂奶中的蛋白质可通过添加乳糖或牛奶渗透液进行标准化。脱脂奶粉生产工艺包括分离、标准化、巴氏杀菌、热处理、蒸发与干燥。零脂奶粉与脱脂奶粉两者均可通过滚筒或喷雾干燥制得（后者最常用）。喷雾干燥零脂奶粉与脱脂奶粉分为常规非附聚型（非速溶）与附聚型（速溶）两种形态。
根据生产过程中的热处理强度，零脂奶粉与脱脂奶粉在食品工业中可分为三类：高热（溶解度最低）、中热和低热（溶解度最高）。该分类基于脱脂乳在蒸发干燥前后所经历的热处理温度/时间组合。热处理会使乳清蛋白变性，变性率随热处理强度提升而增加。变性程度通常通过乳清蛋白氮指数（WPNI，即每克粉末中未变性乳清蛋白氮的毫克数）表示。喷雾干燥脱脂奶粉的详细分类见表19.4。
无论常规或速溶型，脱脂奶粉可在高塔环风道或宽体喷雾干燥塔中采用单级或多级干燥，进风温度200-230℃，排风温度80-85℃，料液总固形物含量介于48%-51%（具体取决于热处理强度）。较高热处理通常因蛋白质变性导致粘度上升，总固形物含量宜适当降低。
常规脱脂奶粉主要应用于烘焙业、再制乳品业以及用于生产充脂奶粉的乳粉业。附聚型脱脂奶粉常用作咖啡伴侣，需具备良好速溶性与流动性。
应用：
- 复原乳
- 酸奶与冰淇淋
- 烘焙与糖果
- 调味食品
- 营养与膳食食品
- 婴幼儿配方产品
脂肪填充奶粉（FFMP）
脂肪填充奶粉中的乳脂通常被植物油或其他油脂替代。其生产过程包括将脱脂浓缩乳与脂肪混合物在远高于脂肪熔点的温度下进行混合。蒸发器出料浓度需预先调低，以确保添加脂肪后喷雾干燥前的最终浓度达到约50%。脂肪混合物通常含有乳化剂、稳定剂以及维生素和矿物质等其他添加剂。
喷雾干燥塔面临的一大挑战是奶粉中的高脂肪含量——脂肪含量越高，产品干燥难度越大。对于脂肪含量高达35%的产品，可直接采用全脂奶粉标准干燥机，无须改动。若脂肪含量超出此水平，则需采取措施防止干燥机内出现粉末沉积。相关措施包括降低进风温度、减小风速、采用特殊设计的粉末输送管线、调整适宜均质压力以及降低雾化压力等。
脂肪填充产品主要用作各类食品工业原料，如烘焙、犊牛饲料混合物以及供人食用的全脂奶替代品。
酪乳粉（BMP）
酪乳是从奶油搅拌制成黄油后剩余的液体（乳浆）。由于天然乳酸菌的存在，传统酪乳具有浓郁微酸的独特风味。传统酪乳脂肪含量较低，因其大部分脂肪已随黄油析出。其成分与脱脂奶相近，但乳脂含量高出约5至10倍，同时保留了牛奶中的部分蛋白质、维生素和矿物质。酪乳可采用与脱脂奶大致相同的喷雾干燥条件进行加工。
酪乳粉主要应用于烘焙（煎饼、华夫饼、饼干）、烹饪、饮料、零食糖果及加工食品等领域。
乳蛋白粉
乳蛋白粉是牛奶蛋白的浓缩形式，广泛应用于各类食品和营养补充剂。乳蛋白粉通过去除大部分水分、乳糖、脂肪和矿物质制得，最终形成高蛋白粉末。
乳蛋白粉种类:
- 酪蛋白（干酪素）
- 酪蛋白酸盐
- 乳蛋白浓缩物与分离物（MPC、MPI）
- 胶束酪蛋白浓缩物与分离物（MCC、MCI）
- 浓缩乳清蛋白与分离乳清蛋白（WPC、WPI）
乳蛋白包括一组酪蛋白（α-、β-、κ-酪蛋白）和乳清蛋白（α-乳白蛋白、β-乳球蛋白以及血清白蛋白）。酪蛋白约占乳蛋白总量的80%，乳清蛋白占比约20%。这两类蛋白具有不同的化学与物理特性：酪蛋白对酸和凝乳酶敏感，可凝固形成凝块；而乳清蛋白具有水溶性，在酪蛋白沉淀后留存于乳清中。酪蛋白消化缓慢，能在数小时内持续释放氨基酸，乳清蛋白则消化迅速，摄入后能快速提升氨基酸水平。
粉状乳蛋白浓缩物（MPC）通常含有70-90%的蛋白质，脂肪与乳糖含量较低（分离物更低），并含钙、钾、磷等维生素和矿物质。
酪蛋白（干酪素）
酪蛋白（干酪素）分为两类：凝乳酶凝酪蛋白（干酪素）与酸凝酪蛋白（干酪素）。凝乳酶凝酪蛋（干酪素）白通过酶促沉淀法制得，而酸凝酪蛋白（干酪素）则通过将脱脂奶酸化至其等电点（pH值4.6-4.7）获得。两种酪蛋白（干酪素）均需经过沉淀、洗涤、浓缩及干燥工序，其凝块通常采用流化床干燥器进行干燥。
应用：
- 再制奶酪及缓释蛋白质补充剂
- 饼干配方
- 运动营养与医疗营养等保健食品
- 腌制肉类与香肠制品
酪蛋白酸盐
酪蛋白酸盐是从酪蛋白（干酪素）衍生的化合物，可分为钙、钠和钾酪蛋白酸盐，其中钙与钠酪蛋白酸盐最为常见。每种类型均具独特特性与用途。
酪蛋白酸盐浓缩液为粘性溶液，其固形物含量据酪蛋白酸盐类型受到不同限制。若溶液粘度过高，雾化时可能出现丝状化（产生细丝），此类粗丝会严重影响喷雾干燥效果。采用特殊设计的双流体（蒸汽）喷嘴进行雾化可避免丝状化。传统上采用高压喷嘴雾化以获得高堆积密度。受粘度限制，喷雾干燥进料的总固形物含量不应超过20-22%。但使用双流体（蒸汽）雾化时，总固形物最高可达25%。然而，是否选用双流体雾化需权衡蒸汽成本与固形物提高所带来的节能效益。
酪蛋白酸盐通常采用带外置流化床、细粉回收、喷嘴雾化及卵磷脂添加功能的宽体干燥塔进行干燥。酪蛋白酸盐耐热性极佳，是卓越的脂肪乳化剂，且营养价值高。为获得4-5%的粉末含水量，多级干燥的进料温度范围为90–130℃，干燥空气进口温度可高达300℃（出口温度90-95℃）。
应用：
- 钠/钙酪蛋白酸盐用作食品及肉制品的保水剂、乳化剂、发泡剂和填充剂
- 干谷物、婴幼儿食品、低卡食品及与糖尿病人食品的蛋白质来源
- 咖啡伴侣和配料
- 用于肉制品，通过锁水保脂改善质构
更多酪蛋白酸盐信息参见第16章。
乳蛋白浓缩物与分离物（MPC & MPI）
乳蛋白浓缩物（MPC）通过将蛋白质与其他乳成分分离制得。先离心脱脂得到脱脂奶，再经超滤制成低乳糖脱脂浓缩液。超滤按分子大小分离组分；乳糖、矿物质和水透过膜，较大的酪蛋白和乳清蛋白被截留。该截留液（又称超滤保留液）经膜过滤（超滤/纳滤）或降膜蒸发进一步浓缩，随后经喷雾干燥成MPC粉。视产品要求可施加不同热处理。因MPC含热敏乳清蛋白，热稳定性低于酪蛋白，需审慎选择热处理。MPC主要根据蛋白质含量进行分级。例如，MPC70表示该粉末乳蛋白含量≥70%。蛋白质含量>90%的MPC即为乳蛋白分离物（MPI）。
更多关于过滤的信息，请参见第7.4章。
MPC浓缩物的最大总固形物含量取决于蛋白质水平及浓缩物在干燥器中雾化时的温度。蛋白质含量越高，粘度越大，总固形物含量须控制得越低。作为参考，根据上游工艺和所需产品质量的不同，不同MPC的总固形物含量范围从MPC40的35-40%到MPC90（MPI）的18-24%不等。
MPC通常在宽体喷雾干燥器中进行多级干燥，入口温度为200-220℃，排风温度为75-80℃。大多数MPC作为配料使用，无需附聚，但亦可选择附聚方案。
应用：
- 奶酪生产：可提高蛋白含量，提供得率、改善质构
- 酸奶及冰淇淋：可改善质构、口感与营养构成
- 运动营养：蛋白奶昔、能量棒
- 代餐：持续供能、维持肌肉
- 面包、糕点、无麸质产品
- 方便食品：汤、酱
- 婴幼儿配方产品
胶束酪蛋白浓缩物与分离物（MCC & MCI）
除了通过超滤生产MPC外，超滤保留液再经微滤（MF）将胶束酪蛋白从乳清蛋白及其他乳成分中分离。微滤膜的孔径足够小，仅能够截留酪蛋白微胶束，而让乳清蛋白、乳糖、矿物质等较小分子通过。微滤后，采用超滤或纳滤进一步浓缩酪蛋白微胶束，并脱除乳糖和可溶性矿物质。与MPC类似，胶束酪蛋白浓缩物（MCC）根据其蛋白质含量进行分级。蛋白质含量>90%的MCC即为胶束酪蛋白分离物（MCI）。MCC干燥条件与MPC相近。MCC和MCI通常在宽体喷雾干燥塔上进行多级干燥。
更多关于过滤的信息，请参见第7.4章。
微滤的渗透液含有高质量的乳清蛋白，可通过超滤和纳滤进一步纯化和浓缩，然后喷雾干燥成WPI粉末，或以液体形式作为其他产品的成分使用。与干酪乳清WPI相比，牛奶WPI具有显著优势。经微滤处理的牛奶WPI仅含原生乳清蛋白，不含脂肪，微生物数量低，且无奶酪凝块细颗粒及其他奶酪加工残留物。MCC的特性在于缓慢的消化速率、天然的微胶束结构、高蛋白含量与丰富的必需氨基酸。
应用：
- 运动营养：缓释蛋白
- 代餐：奶昔、能量棒
- 医疗营养：持续供应蛋白
- 蛋白补充剂：促进肌肉生长
- 功能性食品
- 奶酪生产
牛奶及乳清衍生物
乳清配料的历史相对较短。仅仅一代人以前，干酪生产过程中产生的乳清还被视为废料。如今，它已被认为是干酪制造中有价值的副产品。乳清在工厂中被精炼成有益的配料，广泛应用于食品、饮料和动物饲料中。技术进步和研发投资使乳清行业得以将产品线从基础商品扩展到各种高价值产品，包括浓缩乳清蛋白与分离乳清蛋白和进一步细分组分。该行业持续创新，同时专注于为这些增值配料寻找新用途和新市场。
乳清能够改善食品质构、增强风味与色泽、发挥乳化稳定作用，并可提高干混产品的流动性与分散性、延长保质期，其具备的一系列特性均有助提升食品整体品质。
有关乳清加工的更多信息，请参阅第18章。
甜乳清粉（SWP）
甜乳清粉由新鲜乳清经巴氏杀菌后不添加任何防腐剂直接干燥制成，其原料乳清来源于硬质干酪、切达干酪、马苏里拉奶酪和瑞士干酪等奶酪的生产过程。甜乳清粉的生产工艺分为两种：一是将蒸发浓缩后的乳清浓缩液直接干燥，二是对乳清浓缩液进行预结晶后再干燥，后者是乳清粉生产中最常用的工艺。两种方法均采用单级干燥。
生产未经预结晶的标准甜乳清粉时，工艺条件控制为：总固形物含量约40-45%，干燥空气温度160-180℃，出口空气温度约90-95℃。而对于预结晶乳清粉，总固形物含量约为60%的浓缩液在进风温度180-200℃、排风温度90-95℃的条件下进行干燥。
预结晶乳清浓缩液应具备的平均晶体尺寸为30-50微米，应将大于100微米的晶体数量控制在最低限度，结晶度至少达到70%，最佳为80%。然而，此类粉末在接触潮湿空气时仍易发生结块和吸湿现象。
要获得不结块、不吸湿的产品，需采用配备结晶带的干燥器对预结晶物料进行干燥，以确保充分的后续结晶。该类干燥器的进风温度约为160℃，排风温度为55-65℃。粉末离开干燥室时的含水量为9-12%，随后进入结晶带。乳清在结晶带上具有明确的停留时间，确保大部分残留的非晶态乳糖转化为不结块的α-乳糖一水合物结晶。从结晶罐输送至干燥器的进料总固形物含量范围为58-62%。
应用：
- 乳制品：提供8-9%盐/灰分的经济型乳固体来源
- 烘焙食品：增强高温烹饪和烘焙过程中的着色效果
- 零食：用于巧克力、糖果和甜点
- 冰淇淋：添加风味与改善质构
- 汤类和酱料：用作增稠剂，赋予醇厚口感
- 调味品：用于增强风味
- 宠物食品：作为营养成分配入
- 饲料产品：用于动物饲料配方中
脱盐乳清粉（demin WP）
脱盐乳清粉是通过去除乳清中大部分矿物质而制成的产品，其原料乳清是干酪或酪蛋白（干酪素）生产过程中的副产品。产品名称中的数字代表矿物质的脱除率，例如D30表示脱盐率为30%，D90表示脱盐率为90%。常用的矿物质脱除方法包括：
- 纳滤：该工艺采用半渗透膜选择性脱除矿物质，同时保留分子较大的乳清蛋白和乳糖。
- 电渗析：利用电场驱动矿物离子穿过选择性离子交换膜，实现与乳清的有效分离。
- 离子交换：使乳清通过离子交换树脂，选择性去除阳离子（如钙、镁）和阴离子（如氯、磷酸根）。
与甜乳清类似，脱盐乳清需经蒸发器浓缩、结晶罐预结晶，最后通过宽体或高塔型干燥器进行喷雾干燥，以获得半结块或完全不结块的产品。脱盐乳清的干燥条件与甜乳清相近。但由于缺少可作为自发结晶晶核的矿物质，其预结晶工序的操作条件和晶种添加要求可能有所不同。
酸乳清粉（AWP）
酸乳清产生于酸凝干酪制作过程中的凝乳环节，是希腊酸奶、农家干酪和奶油干酪生产中的副产品。当食品级酸（如乳酸或柠檬酸）加入加热的牛奶后，牛奶会发生凝乳，将乳固体（凝块）与液态乳清分离开来。酸乳清的pH值不高于5.1，含水量约93%，蛋白质含量约0.8%，碳水化合物含量约5.1%。
然而，酸乳清的干燥过程面临诸多挑战。与甜乳清相比，酸乳清中特定矿物质和酸类（如钙、磷和乳酸）含量较高，可能导致成品带有较明显的咸味，因此并不适用于某些食品。此外，较高的矿物质含量也会影响乳清粉在食品配方中的功能性。酸乳清的pH值（约4.6）低于甜乳清，可能影响其稳定性和风味。酸乳清的特性使其干燥过程更为复杂。由于酸含量高，喷雾干燥塔易发生结垢和堵塞，导致维护成本上升和潜在的生产中断。为处理酸乳清，建议将其与甜乳清按一定比例混合，以减轻干燥过程中乳清粉的粘附现象。
与甜乳清类似，酸乳清可在预结晶或非预结晶条件下干燥，但为获得相对不易结块的产品，强烈建议采用预结晶工艺。酸乳清可在宽体或高塔型干燥机中单级干燥，进风温度相对较低（约160℃），排风温度为90-95℃。该干燥过程对环境条件变化非常敏感，尤其在湿度较高的地区，因此需对进风空气进行除湿处理，以保持稳定的进风条件。
应用：
- 作为奶牛饲料源
- 与粪肥共同发酵
- 添加至粪肥储存设施中
脂肪填充乳清粉（FFWP）
脂肪填充乳清粉是以乳清为原料，通过添加植物油或动物脂肪以提高其脂肪含量而制成的产品。该产品常用作牲畜饲料的配料，脂肪含量在30%至60%之间。混合物料中的脂肪含量越高，对喷雾干燥设备的运行挑战越大，因其容易在干燥室、输送管道和旋风分离器中产生粉末沉积。为降低结垢风险，可采取的措施包括：对进料进行充分均质、降低干燥机内整体风速、采用单级干燥工艺、保持较低的进风温度、使用静态冷却床以及冷却输送等。对于脂肪含量超过40%的产品，建议将旋风分离器更换为可进行CIP清洗的袋式过滤器。若乳清脂肪含量超过50%，则推荐采用其他干燥方法。随着脂肪含量的增加，进料总固形物含量可高达60%。脂肪填充乳清通常采用宽体喷雾干燥塔进行多级干燥，进风温度约为180℃，排风温度控制在90-95℃。
应用：
- 乳制品：巧克力、冰淇淋、酸奶乳饮、咖啡及茶用奶精
- 烘焙与糖果：饼干、奶油夹心、糖果
- 食品浓缩料与干混料：在各种干性食品配方中作为优良的脂肪载体，有助于改善质构、增强风味并提高稳定性
浓缩乳清蛋白与分离乳清蛋白（WPC & WPI）
浓缩乳清蛋白与分离乳清蛋白的生产包含多个阶段，旨在从干酪生产的副产品——乳清中提取并纯化蛋白质。如前所述，分离乳清蛋白亦可采用超滤结合微滤技术从脱脂乳中提取，从而获得更高级别的乳清蛋白粉。
经净化、分离与巴氏杀菌（75℃，持续15秒）处理后，干酪乳清需进行超滤，以分离乳清蛋白与水分、乳糖及矿物质。此阶段获得的WPC仍含有干酪生产残留的脂肪。可采用渗滤技术进一步纯化蛋白浓缩物，通过洗涤去除多余乳糖与矿物质。具体操作中向保留液添加水分，使混合液再次通过超滤膜。经超滤获得的蛋白浓缩液（超滤保留液）需通过纳滤或蒸发进一步浓缩以降低含水量。
生产WPI时，超滤保留液需经过微滤分离残留脂肪与蛋白质，随后将蛋白质（微滤渗透液）通过超滤与纳滤进行深度纯化与浓缩，直至达到最大可实现的固形物含量。微滤副产物（微滤保留液）即为脂肪含量15-20%的WPC，亦称乳清蛋白磷脂浓缩物（WPPC），该产物亦可进行喷雾干燥。
WPC主要根据蛋白质含量进行分级。例如，WPC85表示该粉末乳蛋白含量≥85%。蛋白质含量超过90%的WPC即为WPI，其乳糖含量低于1%，脂肪含量低于1.5%。
WPC与WPI可实现的最大固形物含量取决于蛋白质含量；蛋白质含量越高，粘度越大，总固形物含量须控制得越低。作为参考，根据不同上游工艺及产品质量要求，各类WPC的浓缩液固形物含量范围为：WPC35约45%，WPC80约36%。
WPC与WPI可在宽体或高塔环风道喷雾干燥塔中进行单级或多级干燥，进风温度200-240℃，排风温度75-85℃，干燥塔类型有时需根据客户要求确定。部分生产商主张高塔环风道干燥塔对产品热负荷更低。鉴于其热敏特性，WPC与WPI浓缩液通常在约10℃低温下进行喷雾干燥。虽可对其实施巴氏杀菌，但建议在较低固形物含量下进行，以防热敏性乳清蛋白变性。根据应用需求，WPC粉末可加工为速溶型（附聚+卵磷脂处理）或常规非附聚型。
生产WPI时，可选择在同一干燥塔中干燥WPPC（微滤副产物）。这就要求喷雾干燥塔的产能与规模经专门设计，以确保足够的原位清洗与产品切换时间。此生产模式的主要挑战在于防止产品交叉污染，特别是WPI的污染防控。
应用：
- WPC用途广泛，常用于各类食品、运动营养品和营养保健品。它是性价比极高的蛋白质来源，可提升食品的营养价值和改善质构。
- WPI则适用于需高蛋白纯度且乳糖极低的场景，如乳糖不耐受人群、高性能运动营养及特殊医疗营养。由于其低致敏性，也常用于澄清饮料和低过敏原婴幼儿配方奶粉。
乳清蛋白组分（α-乳白蛋白、β-乳球蛋白、乳铁蛋白等）
乳清蛋白包含多种关键蛋白组分，各具独特特性与功能。这些组分的生产过程涉及多个步骤，需从乳清中分离并浓缩不同蛋白质成分，同时确保其纯度与功能性。这不仅提升了乳清蛋白的营养与功能特性，还使其可广泛应用于各类营养与治疗型产品。表19.8列出了乳清中的主要蛋白组分。
乳清蛋白组分关键工艺流程概览：
- 净化与分离：去除干酪细颗粒与乳清奶油。
- 超滤与微滤：通过去除乳糖和矿物质（超滤）及分离脂肪（微滤）实现浓缩乳清蛋白。
- 离子交换色谱：依据电荷差异分离蛋白质。让乳清蛋白流经装有带电树脂的层析柱，特定蛋白被选择性吸附，通过改变溶液pH值或离子强度可逐一洗脱目标蛋白。
- 酶解工艺：利用特定酶将蛋白质分解为肽段。此举可提升蛋白质消化率与生物利用度，还可用于制备具特定功能特性的蛋白水解物。
更多离子交换技术信息请参见第18章。
应用：
- 运动营养：富含支链氨基酸等必需氨基酸，促进肌肉修复与生长。
- 医疗营养：用于特定饮食需求人群的配方食品，如苯丙酮尿症患者需富含GMP的乳清，免疫功能受损者需富含免疫球蛋白和乳铁蛋白的乳清。
- 功能性食品：添加到食品中提升营养价值、改善质构并提供健康益处。
- 婴幼儿配方奶粉：通过模拟母乳蛋白组成（特别是α-乳白蛋白）支持婴幼儿生长发育。
乳清渗透物粉（WPP）
乳清渗透物是生产乳清蛋白浓缩物及分离物过程中产生的副产品，其主要成分为乳糖与盐类，也可能含有少量单糖（如葡萄糖、半乳糖）及有机酸（如乳酸、柠檬酸）。由于这些成分的玻璃化转变温度较低，已知会对浓缩物的结晶性及干燥性能产生不利影响。若工艺选择不当，可能导致乳清渗透物粉更易结块和/或吸湿。乳清渗透物的成分主要取决于干酪类型。例如，半硬质奶酪产生的乳清渗透物所含糖分与酸类物质较少，而马苏里拉奶酪产生的乳清渗透物通常含有更多酸类物质与单糖。采用纳滤技术对乳清渗透物进行预处理，可降低其中糖分
与酸类物质含量，从而改善干燥性能，但纳滤工艺会产生需要处理的渗透液废水。
乳清渗透物可采用与无结块乳清粉相似的干燥技术进行干燥。为获得不结块、不吸湿的产品，需在干燥前于结晶罐中进行预结晶处理。经预结晶的物料可在宽体或高塔式干燥塔中进行单级或多级干燥。要获得不结块、不吸湿的产品，需采用配备结晶带的干燥器对预结晶物料进行干燥，以确保充分的后续结晶。若产品允许轻微结块，可采用投资成本较低的单级干燥。
单级干燥的典型操作参数为：进风温度170-180℃，排风温度90-95℃。预结晶渗透液的总固形物含量不应高于58-60%，以保证较低粘度及高效干燥。此条件下所得乳清渗透物可能部分结块，但若包装密封得当，可长期保持不结块状态。建议开袋后快速使用以降低结块风险。
配备结晶带的干燥器的进风温度约为160℃，排风温度为55-65℃。粉末离开干燥室时含水量为9-12%，随后进入结晶带。乳清在结晶带上具有明确的停留时间，确保大部分残留的非晶态乳糖转化为不结块的α-乳糖一水合物结晶。从结晶罐输送至干燥器的进料总固形物含量范围为62-66%。
应用：
- 烘焙食品与披萨饼底：乳清渗透物粉可作为其他乳固体的直接替代品用于烘焙制品，有助于促进表皮褐变并提升风味。
- 糖果产品：为糖果制品提供温和甜味与怡人乳香。
- 生物发酵：用于发酵过程以产生能量。
- 动物饲料：无需高纯度乳糖，适用于动物饲料领域。
- 食品添加剂：作为溶解迅速的游离型填充剂使用。
- 其他应用：乳清渗透物粉作为成本效益显著的乳固体来源，在多个行业具有广泛应用潜力。还可用于巧克力、酱料及调味品中，增添甜美乳香。
乳糖粉（乳糖）
乳糖粉是乳糖的精制形态，这是一种来源于牛奶的双糖。根据奶源不同，乳糖约占乳固体总量的40-55%。溶液中的乳糖以α-乳糖和β-乳糖的固定比例存在，其溶解度相对较低，在95℃以下时α-乳糖溶解度低于β-乳糖。乳糖在常温下以α-乳糖—水合物形式结晶，结晶水占干固体重量的5%。乳糖是众多营养配方的重要成分，也是（药用）片剂中常用的填充剂。
其生产原料包括干酪乳清、酪蛋白（干酪素）乳清及乳清渗透物。生产工艺流程为：先通过纳滤与脱钙工艺对乳清渗透物进行脱盐脱钙，随后经蒸发器浓缩至65%浓度并结晶形成大晶体，再经卧螺离心机浓缩与筛分离心后，最终通过流化床干燥获得纯度约99.7%的结晶乳糖。若需更高纯度，需额外工序去除残留矿物质与有机酸，还可使用活性炭吸附导致乳糖泛黄的核黄素。
乳糖干燥冷却流化床分为多个区段：输送至干燥段的乳糖浆液总固形物含量约90%，干燥区进风温度150℃，过程中乳糖粉体温度升至约110℃以确保游离水完全去除；冷却区则将粉末冷却至约25℃。最终结晶乳糖粉约含5%结合水。
应用：
- 食品工业：烘焙、糖果、零食、冷冻甜点、甜味剂、肉制品、汤品酱汁、啤酒生产、营养保健品。
- 药品与营养补充剂：片剂与胶囊、干粉吸入剂。
- 婴幼儿营养：贯穿婴幼儿各成长阶段的基础糖源。
- 乳糖衍生物：作为生产GOS（低聚半乳糖）、乳果糖和HMO（母乳低聚糖）的底物。
- 巧克力工业：赋予巧克力柔和口感与粘结口感，改善结晶特性。
婴儿食品
婴儿食品及其他营养配方的主要成分为蛋白质、碳水化合物与脂肪，通过添加必需矿物质、微量元素及维生素来满足全面营养需求。特定配方奶粉的生产工艺属于制造商的专有技术。
婴儿奶粉供应商致力于模拟母乳成分，确保婴儿获得健康成长所需的营养素。其典型配料构成如下：
宏量成分（大料）：
- 蛋白质：母乳含乳清蛋白与酪蛋白。婴儿奶粉通过提高乳清蛋白比例以接近早期母乳。
- 脂肪：母乳含DHA、ARA等必需脂肪酸，这些成分对大脑与视力发育至关重要。婴儿配方奶粉通过添加此类脂肪接近母乳成分。
- 碳水化合物：乳糖作为母乳主要碳水化合物，提供能量并促进钙吸收，是大多数婴儿配方奶粉的核心碳水来源。
微量成分（小料）：
- 维生素：强化维生素A、D、E、K、C及B族，保障婴幼儿免疫功能、骨骼健康与整体发育。
- 矿物质：添加钙、磷、镁、铁、锌、碘等必需矿物质，支撑骨骼发育、氧转运及代谢过程。
生物活性成分：
- 核苷酸：增强免疫功能、支持肠道发育。
- 益生菌和益生元：通过有益菌群（益生菌）及其营养素（益生元）促进肠道微生态健康。
- 母乳低聚糖（HMO）：这些存在于母乳中的复杂碳水化合物有助于肠道健康和免疫功能。一些高端配方奶粉现已添加合成的母乳低聚糖。
所有营养配方均以高碳水化合物为特征，含量通常为55-70%。乳糖、蔗糖、葡萄糖浆等碳水化合物是喷雾干燥过程中导致粘结的主要成分。鉴于几乎所有营养配方都具有粘附性，故采用单级喷雾干燥。这意味着在喷雾干燥塔中将产品水分一次降至“较低”水平，通常介于2.5%至3.5%之间。
由于婴儿粉配方组成差异大，必须针对具体配方谨慎选择干燥机型及操作条件。某些婴幼儿配方含低聚半乳糖、低聚果糖，或经水解处理，在干燥过程中增加了产品的粘性。因此需根据具体需求定制干燥策略。
婴儿粉按年龄段分为不同阶段，每个阶段具有独特的成分配比。0-6个月第一阶段产品专为刚开始接触固体食物的婴儿设计，要求易于消化，并提供健康成长和发育所需的关键营养素。一般而言，婴幼儿配方粉体通常含糖更高、蛋白质含量较低。这给干燥过程中带来了挑战。针对每种配方，需建立粘性/干燥曲线以确定干燥机操作参数。
婴儿配方粉的喷雾干燥过程对气候条件异常敏感，为减少其影响，制造商通常会对环境空气进行除湿处理。此措施有助于确保干燥效率、品质一致性并延长干燥机运行时间。
为满足这些要求，最合适的方案是配置了集成静态床或外置充分混合及冷却流化床、旋风分离器与兼容原位清洗袋式过滤器的宽体喷雾干燥塔。旋风分离器收集的细粉通过气力输送系统输送至雾化区进行附聚。对于极高热塑性产品，为降低堵塞风险，可采用开放式输送冷却系统实现细粉的收集、输送与冷却。
婴儿配方粉的干燥工艺参数为：进风温度160-190℃，排风温度85-95℃。浓缩液进料温度为75-80℃，并需经过两级均质处理，压力分别为100-120巴和20-40巴。
奶粉包装
奶粉包装需经过多道关键工序，以确保产品品质、安全性与保质期。其核心目的在于保护粉末免受水分、氧气、光照及污染物影响。常见包装规格为25公斤袋装及1000公斤吨袋。
关键考量因素：
- 防潮阻隔：防止水分渗入导致结块与变质
- 隔氧保护：减缓氧化酸败，保持风味与营养价值
- 避光设计：避免光敏性维生素与蛋白质降解
包装形式
袋装
- 多层复合袋：通常采用牛皮纸外层，内衬聚乙烯或铝箔层，兼具防潮与隔氧功能
- 塑料包装袋：采用高密度聚乙烯或低密度聚乙烯材质，适用于小规格分装
- 自封袋：配备密封拉链的柔性塑料或层压袋，消费端友好
罐装
- 金属罐：内壁覆盖防护涂层防止金属迁移，提供卓越的光线、湿气与氧气阻隔效果
- 复合罐：由纸质基材与塑料/铝箔复合层构成，在实现同等防护的同时减轻包装重量
箱装
- 纤维板箱：大容量外包装箱，内置塑料衬袋实现防潮保护
- 纸箱：采用铝塑复合内衬的多层结构，主要应用于零售规格包装
大宗/散装包装
- 吨袋：采用聚丙烯编织结构的大型柔性散装容器（FIBC），适用于工业级批量储运
- 桶装：金属或塑料桶形容器，常用于工业应用的大容量包装
粉体特性
奶粉的目标特性需通过生产工艺中多个关键环节的协同控制来实现。原料乳（如牛奶、山羊奶、绵羊奶等）的品质与组成是决定成品特性的基础要素，其脂肪、蛋白质及乳糖含量等关键指标尤为重要。鉴于这些指标易受季节与日常波动影响，必须对其实施持续监测，以便及时识别变异并调整相应工艺参数。从本质上讲，奶粉特性可分为三大类：化学特性、物理特性及功能特性。表19.10列举了部分典型特性指标。在实际生产中，水分含量、焦粒、堆积密度与流动性通常是奶粉生产的管控重点。
水分含量
水分含量是奶粉生产的关键参数，直接影响产品保质期、品质及复水性能。水分含量特指奶粉中水分的重量百分比。维持较低的水分含量对于抑制微生物繁殖、延长奶粉保质期至关重要。
奶粉水分含量的全球标准主要由各食品安全与质量机构制定，其中以国际食品法典委员会与欧盟所定标准最具影响力。从品质角度来看，最终水分含量与终产品质量是否达标密切相关。从经济角度来看，应将奶粉的最终水分含量精确控制在高限附近。在大型喷雾干燥系统中，水分含量每偏离0.1%，都意味着巨大的年度成本差异。在两级或三级干燥过程中，物料离开每一个中间工序时的“中间水分含量”同样至关重要。这一参数深刻影响产品的溶解度系数、堆积密度、颗粒密度、附聚效果（即粒径分布）及整体干燥经济效益。
焦粒
奶粉中的焦粒是指在加工或干燥阶段因过热而产生的深色或碳化颗粒。这些焦粒会损害奶粉的品质与外观。从安全角度考量，乳固体因过热或烧焦可能引发化学与微生物变化（如美拉德反应），这也是焦粒带来的潜在风险。
焦粒的检测方法为：取25克脱脂奶粉或32.5克全脂奶粉，溶于250毫升水中，过滤后通过ADPI（美国乳品协会）标准比色板进行比对判定。
堆积密度
堆积密度是奶粉的关键参数，直接影响其输送、加工、包装及终端应用。堆积密度因奶粉种类、生产工艺及粒径而异，通常以单位体积内的质量，比如，以g/cm³、kg/m³或g/100ml为单位。奶粉的堆积密度普遍介于0.30-0.80g/cm³之间。
检测时，将100克粉末松散装入250ml玻璃量筒，通过振实仪自动上下振动量筒，分别记录100次、200次、600次以及1250次振实后的粉末体积即可测得。
堆积密度是综合性参数，受颗粒密度、封闭空气、颗粒形态等多重因素影响，而这些因素最终取决于干燥设备类型与干燥工艺条件。
流动性
流动性指奶粉在输送、加工及包装等各种情况下自由、顺畅流动的能力。奶粉流动性是影响其工业化应用与消费者使用体验的重要特性。其关键影响因素包括粒径分布、颗粒形状、水分含量、堆积密度及封闭空气等。
与其他粉末材料一样，乳粉的流动性可以通过多种方法进行测量和测试，评估其在不同条件下的行为。常用技术包括安息角、流动性指数、剪切池测试及粉末流变分析。
喷雾干燥的能源经济性
在喷雾干燥工艺中，热能对于获得符合商业干燥标准且满足功能要求的产品至关重要。实践证实，喷雾干燥是最适宜的加工方法，但也是公认的高能耗工艺——大量热量以湿热废气的形式排放至大气。然而，可采取现有技术有效降低能耗成本。
主要措施包括：
- 最大限度降低喷雾干燥前原料料液的水分含量
- 最大化干燥空气的温降幅度，即提高进风最高温度与排风最低温度之差
- 采用多级干燥工艺
- 利用废气余热预热进风
- 回收其他单元操作的富余热量
- 通过保温隔热减少辐射与对流热损失
- 实现料液在干燥空气中的高效雾化与分散
水分含量
降低能耗最有效的途径，是在喷雾干燥前通过机械分离和/或蒸发等预处理技术，最大限度降低浓缩料液的水分含量。机械分离工艺（如过滤）的能效远高于热处理工艺。当无法采用机械分离时，应考虑蒸发处理，因其能效显著优于喷雾干燥。已知降膜蒸发器的能效可达喷雾干燥塔的十倍至三十倍以上。在降膜蒸发器中，水分去除的限制因素通常在于浓缩料的粘度。
干燥空气温度分布
在降膜蒸发器中，水分蒸发的潜热可在后续低压低温阶段重复利用。喷雾干燥废气中的水蒸气难以回收，仅能在部分预热应用中利用，热回收潜力有限。因此，应尽量减少用于传热和携带蒸汽的干燥空气量。若干燥机排出大量空气，则意味着等量热能的损失。提高进风温度可减少所需空气量，从而提升干燥机效率。然而，产品自身存在温度限制，使进、排风温度均受约束；通常进出口温度范围由产品成分及其热塑性行为决定。表19.11展示了两种产品在不同干燥条件下的能效对比。
多级干燥
采用两级或三级干燥工艺时，粉末可以较高含湿量离开干燥室，从而降低排风温度。此举通过扩大进出风温差提升能效，进而提高系统热效率。此外，多级干燥可采用更高的进风温度，进一步提升能效。表19.11展示了单级与多级干燥产品的热效率对比。
热能回收
喷雾干燥塔中的热能回收，是指从干燥机排出的高温气体中回收热量的过程，其目的在于提升能效并降低运行成本。热回收流程通常如下：
- 高温气体回收：喷雾干燥塔排出的高温废气仍含有大量热能。这些热量可被捕获并再利用，而非直接排入大气。
- 热交换器：通常采用热交换器将废气中的热量传递给另一种介质（如进风或进水）。回收的热量能提高进入介质的温度，从而降低达到目标干燥条件所需的总能耗。
- 能效提升：热能回收可全面提高喷雾干燥过程的能效，进而降低能耗与运行成本。
- 设计考量：工程师需重点考虑热交换器的选型（如板式、管式热交换器）及与现有喷雾干燥系统的集成方案。在保障食品安全的前提下，需根据运行条件与卫生要求优化设计，以实现热回收效率最大化。需注意，废气热回收存在热交换器因潮湿环境滋生细菌，进而产生结垢的风险。
- 环境影响：能效提升同时意味着能耗相关的温室气体排放与环境影响将显著降低。
总之，热回收是优化喷雾干燥工艺的关键环节，对实现经济可行与环境可持续性发展具有重要意义。
整个生产流程中存在多处节能潜力：例如，蒸发器产生的热冷凝水可在喷雾干燥预热器中冷却；热交换器可利用燃气或燃油加热器产生的高温烟气预热干燥机进气。
热回收系统通常安装在袋式过滤器之后，以最大限度减少热交换器表面积垢。然而，经袋滤后的废气仍含微量粉尘，可能附着于热交换器表面，因此热回收器须具备原位清洗功能。
在气—液回收系统中，液体被安装在排风管道内的热交换器加热，经泵送循环至进风管道的预热器，将其携带的热量用于预热干燥进风。
热回收的经济性取决于废气余热的多少，这通常由所干燥的产品类型决定。高热塑性产品需在较高的排风温度下干燥。例如婴儿食品的排风温度为90-95℃，其高品质余热使得热回收投资具备经济可行性，可回收高达20%的干燥机能耗。
可持续性
喷雾干燥的可持续性是指在干燥全过程中实施相关实践与技术，以最大限度降低环境影响、节约资源并提升能效。其核心要素包括：
- 能效提升：能源高效利用是喷雾干燥的关键。这包括采用热回收系统等技术，通过回收废气余热预热进风或进水。优化保温措施与气流管理同样有助于提升能效。
- 资源保护：必须最大限度减少用水量与废弃物产生。采用闭路循环水系统及废弃物最小化策略等技术，可有效减少环境足迹。
- 原料利用：通过优化粉末回收率、减少产品损耗等高效利用原料的方式，可减少物料浪费并提升整体工艺效率。
- 减排控制：严格控制干燥过程中的排放物与污染物至关重要。这涉及使用高效空气过滤系统，并采用能减少挥发性有机物及其他有害排放的技术。
- 可再生能源：将太阳能和风能等可再生能源电力纳入喷雾干燥系统，可降低对化石燃料的依赖并减少温室气体排放，从而进一步提升可持续性。
- 创新研发：持续研发改进干燥技术，旨在提升效率、降低能耗，并探索对环境更友好的替代材料与工艺。因此，电空气加热系统与热泵技术的应用正日益普及。
通过将上述可持续理念融入喷雾干燥流程，可为企业创造环境与经济的双赢局面：在降低运营成本、增强市场竞争力的同时，积极响应全球可持续发展的要求。