热熔融流化床包衣过程液固接触凝固结合机理及产品品质控制

Hot melt fluidized bed encapsulation is an advanced coating technology in food industry, food additives are often encapsulated to protect the undesirable influence from the environment or have controlled release. However, particle coating process is still an empirical unit operation and its mechanism is not yet to be established. The theoretical guidance is not available for industrial safe and robust operations. Therefore, aimed to produce hydrophilic and lipophilic encapsulated particles, the project will investigate the contact mechanism of melt liquid droplet and fluidized solid particles by experimentation and mathematical modeling with Population Balance Model (PBM) and Computational Fluid Dynamics (CFD). The mathematical model for encapsulation will be established to represent this process. In terms of spray, fluidization and physical properties of raw materials, the critical regimes and evaluation criterion will be obtained for hot melt fluidized bed encapsulation, to achieve the objectives of stable operation and product quality control.

热熔融流化床包衣是制备微胶囊的一种先进技术。食品行业中，把食品添加剂包衣微胶囊化，使其免受外界不良影响，或利用微胶囊的缓释作用以发挥食品添加剂的效能。但颗粒包衣过程目前仍然是一个“经验化”的单元操作，有关包衣机理方面的研究尚未完全明确，工业化操作缺乏安全可靠的理论指导。本研究以亲脂性和亲水性微胶囊的制备为研究对象，通过颗粒群平衡模型与计算流体力学方法进行数学模拟，并结合具体实验，研究热熔融流化床包衣过程中熔融液滴与流化固体颗粒的结合机理；构建能够准确描述该包衣过程的数学模型；得出基于雾化、流化过程及产品原材料特性的热熔融颗粒包衣临界区域分布及判断准则；实现热熔融流化床包衣操作平稳运行和产品质量可控。

本项目以热熔融液滴与粉体颗粒的碰撞结合成粒过程为研究对象，采用热熔融流化床实验和基于颗粒群平衡模型的模拟相结合的方法，解明热熔融流化床包衣机理，达到微胶囊产品质量可控的目的。项目进行了单个熔融液滴撞击静态粉末床的实验，解决雾化熔融液滴均匀度不佳的问题，得出了成粒的三种机理：隧道机理、平铺机理和火山口机理。建立了应用于热熔融流化床的颗粒群平衡模型，并分别用离散法和动量积分法进行求解，得出聚合速率常数，对颗粒群平衡模型进行了修订。设计制造了热熔融流化床包衣造粒一体化实验设备，研究了壁材和芯材的质量比和雾化压力等过程参数对产品形态的影响，制备出了近球形的微胶囊颗粒，包埋率可达78.2%。采用CFD-DEM耦合的方法建立了热熔融流化床颗粒包衣过程模型，模拟了热熔融流化床中的气液固三相流，运用颗粒群平衡模型代替离散相模型，研究了流场中颗粒的聚并和破碎行为。研究了液滴与颗粒的接触次数、接触应力、重叠长度、雾化器的位置等对包衣过程的影响。用实验和模拟的方法较系统的研究了热熔融流化床包衣过程。