为什么出口水分才是关键数字
在乳品喷雾干燥中，残余水分是操作人员在控制室里最能直接调节的粉体性质。Codex 奶粉标准规定全脂、部分脱脂和脱脂奶粉的水分含量上限为 5 % (m/m)，不含乳糖结晶水 [1]；用于核查的参考方法是 ISO 5537 | IDF 26 烘箱法 [2]。商业奶粉的典型值为：全脂奶粉 2.8–3.5 %，脱脂奶粉 3.5–4.0 % [3]。低于目标值时，被除去的水分就是未能售出的产品和浪费的热量；高于目标值时，奶粉会粘结、结块并更快劣变。
粘结、结块与货架期：玻璃化转变
少量的水分超标之所以影响巨大，是因为喷雾干燥奶粉中的乳糖呈无定形态。Roos 和 Karel 在糖模型上表明，水会降低无定形糖的玻璃化转变温度（Tg），经验粘性点略高于 Tg [4]；Jouppila 和 Roos 发现含乳糖奶粉的 Tg 值与纯乳糖接近，并随水分含量升高而降低，且乳糖在超过临界储存湿度时会结晶 [5]。对于脱脂奶粉，Hennigs 等发现 25–95 °C 范围内的粘性边界遵循乳糖的预测玻璃化转变曲线并上移 23.3 K [6]；Ozmen 和 Langrish 测得每 100 g 干粉含 1.65 g 水时 Tg 为 87.7 °C，含 4.52 g/100 g 时为 46.7 °C，与粘性点温度几乎相同 [7]。
同一转变也支配着储存过程。Thomsen 等储存了水分为 4.4 %（水分活度 0.23，Tg 48 °C）的全脂奶粉，观察到乳糖结晶释放出结合水，使水分活度升至 0.46，并伴随表面褐变 [8]。离开干燥塔时水分过高的奶粉会带着较低的 Tg 进入包装袋，其与储存温度之间的裕度决定了奶粉在货架期内是否会结块和褐变 [5][8]。
干燥操作人员实际能调节什么
在两段式装置中，干燥室将奶粉干燥到比最终水分高约 4 % 的程度，其余水分由流化床除去；这使出口空气温度可比单段干燥低 15–20 °C，并节约约 10 % 的能量 [3]。经典控制结构通过调节进入雾化器的浓缩液供给量，将出口空气温度维持在设定值，因为出口温度是奶粉水分最接近的可用替代指标 [3]。进风温度、浓缩液总固形物和环境湿度都会改变给定出口温度下所得的水分，而出口温度只能在产品质量和热塑性粘结所限定的范围内提高 [3]。
控制文献以同样的方式表述这一问题。Petersen 等将喷雾干燥器控制的主要挑战描述为：在满足残余水分规格的同时防止奶粉粘附于干燥室壁 [9]。该团队在一个由工业实测扰动驱动的四段干燥器模型上指出，工业 PI 控制无论扰动如何都保持固定目标，而模型预测控制器会调整工作点，在仿真中经济性能明显更好 [10]；更早的一项仿真估算，经济优化型非线性 MPC 相对 PI 控制的成本改善为 26.7 % [9]。各种方案的杠杆是相同的：水分目标越接近规格而又不越过粘性边界，干燥器的收益就越高 [9][10]。
在线 NIR 水分值从何处进入回路
两种方案都受限于其水分信息的质量：出口温度只是替代指标，而烘箱参考方法描述的是已经离开干燥器的奶粉 [2]。近红外光谱通过水自身的吸收带测量水分，并可安装在粉体物流上。Holroyd 等综述了在奶粉上试用过的在线和线上 NIR 系统，得出结论：傅里叶变换 NIR 系统能够在线可靠地测量水分、脂肪和蛋白质 [11]。在用于药用粉体的流化床干燥器中，Obregón 等将在线 NIR 水分读数作为模型预测控制器的被测变量，以调节风量和进风温度 [12]。有了连续的水分值，就可以根据实测水分而非操作人员经验来微调出口温度设定值，并将目标设定在与粘性边界保持已知裕度的位置 [6][7]。以下三项做法可使这样的回路经得起推敲：
- 在水分已成定值处测量。在两段式装置中，干燥室内的奶粉仍比成品湿约 4 % [3]，因此与控制相关的测量点应位于离开最后一级流化床的奶粉上。
- 以参考方法定标。NIR 模型以工厂自身奶粉的 ISO 5537 | IDF 26 结果为基准 [2]，并遵循 ISO 21543 | IDF 201 [13]；配套文章奶粉分析介绍了这一方面。
- 将粘性边界纳入回路。粘性点曲线同时取决于温度和水分 [6][7]，因此设定值的变更应对照测量点处的粉体温度进行核查，而不仅是对照规格限值 [1]。
USTECH 的做法
ProLine17EC 和 ProLine17ECS 在线 NIR 分析仪安装在溜槽输送机和粉体物流上，测量窗口为蓝宝石，外壳为 IP65 不锈钢；ProChem 将水分值传送至保存干燥器设定值的 PLC 或 SCADA 系统，定标模型则在 caliX 中以工厂自身的 ISO 5537 结果建立 [2]。某台干燥器能在多接近规格的条件下运行，以及 NIR 值如何与出口温度最佳结合，需通过使用您自己的奶粉样品和参考分析的可行性研究来确定。
参考文献
- [1] Codex Alimentarius Commission (2011). Codex Standard for Milk Powders and Cream Powder (CODEX STAN 207-1999; adopted 1999, amendment 2010), Section 3.2 Composition. In: Milk and Milk Products, 2nd ed. FAO/WHO, Rome. fao.org/4/i2085e/i2085e00.pdf
- [2] ISO 5537 | IDF 26:2023. Dried milk and dried milk products — Determination of moisture content (reference method). ISO, Geneva. iso.org/standard/84796.html
- [3] Tetra Pak. Dairy Processing Handbook (online edition), chapter “Milk and whey powder”. Tetra Pak Processing Systems AB, Lund. dairyprocessinghandbook.tetrapak.com/chapter/milk-and-whey-powdered-ingredients
- [4] Roos, Y., Karel, M. (1991). Plasticizing effect of water on thermal behavior and crystallization of amorphous food models. Journal of Food Science, 56(1), 38–43. doi:10.1111/j.1365-2621.1991.tb07970.x
- [5] Jouppila, K., Roos, Y.H. (1994). Glass transitions and crystallization in milk powders. Journal of Dairy Science, 77(10), 2907–2915. doi:10.3168/jds.S0022-0302(94)77231-3
- [6] Hennigs, C., Kockel, T.K., Langrish, T.A.G. (2001). New measurements of the sticky behavior of skim milk powder. Drying Technology, 19(3–4), 471–484. doi:10.1081/DRT-100103929
- [7] Ozmen, L., Langrish, T.A.G. (2002). Comparison of glass transition temperature and sticky point temperature for skim milk powder. Drying Technology, 20(6), 1177–1192. doi:10.1081/DRT-120004046
- [8] Thomsen, M.K., Lauridsen, L., Skibsted, L.H., Risbo, J. (2005). Temperature effect on lactose crystallization, Maillard reactions, and lipid oxidation in whole milk powder. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 53(18), 7082–7090. doi:10.1021/jf050862p
- [9] Petersen, L.N., Poulsen, N.K., Niemann, H.H., Utzen, C., Jørgensen, J.B. (2014). Economic optimization of spray dryer operation using nonlinear model predictive control. 53rd IEEE Conference on Decision and Control, 6794–6800. doi:10.1109/CDC.2014.7040456
- [10] Petersen, L.N., Poulsen, N.K., Niemann, H.H., Utzen, C., Jørgensen, J.B. (2017). Comparison of three control strategies for optimization of spray dryer operation. Journal of Process Control, 57, 1–14. doi:10.1016/j.jprocont.2017.05.008
- [11] Holroyd, S.E., Prescott, B., McLean, A. (2013). The use of in- and on-line near infrared spectroscopy for milk powder measurement. Journal of Near Infrared Spectroscopy, 21(5), 441–443. doi:10.1255/jnirs.1073
- [12] Obregón, L., Quiñones, L., Velázquez, C. (2013). Model predictive control of a fluidized bed dryer with an inline NIR as moisture sensor. Control Engineering Practice, 21(4), 509–517. doi:10.1016/j.conengprac.2012.11.002
- [13] ISO 21543 | IDF 201:2020. Milk and milk products — Guidelines for the application of near infrared spectrometry. ISO, Geneva. iso.org/standard/77606.html
