喷雾冷冻干燥（Spray Freeze Drying,简称SFD）作为一种新型、先进的粉体颗粒制备技术,通常用来制备高附加值食品和具有热敏性以及生物活性的粉体产品,与其他的干燥方式不同的是,在SFD中由于物料是在低温的环境下进行干燥,这种技术可以很好的保留产品内的营养成分,能够减少温度对产品的影响以及对风味的损失。其工艺流程共分为两个部分,第一部分为雾化冻结过程,首先物料通过喷嘴进行雾化,其次雾化后的物料通过与冷介质充分接触并冻结成冰颗粒。第二部分为冷冻真空干燥过程,冻结后的物料在高真空低温环境下进行干燥,最终获得干燥的粉体。通过SFD制得的粉体具有粒径分布均匀、丰富的孔隙结构、球形度高以及良好的溶解性及复水性等特点。由于可生产出具有以上优点的粉体,已经逐渐应用于越来越多的领域中,如食品、药物、生物等产品的制备。然而,目前的SFD技术还尚未成熟,存在诸多问题。由于在干燥过程中需一直保持高真空及低温,导致物料的传热及传质驱动力有限,影响干燥效率以及干燥时间长,这就造成SFD存在能耗高、成本高等问题。并且在干燥过程中无法实时判断物料干燥状态,过早或过晚结束干燥都会影响物料质量,这严重影响了SFD技术的发展以及应用。所以,优化SFD技术、实时判断物料干燥状态、干燥阶段分界点、干燥结束点、降低能耗、提升干燥速率以及研究SFD过程中干燥动力学影响已然成为重点。本论文为研究在这种SFD过程中制备粉体时,判断干燥阶段分界点和结束点,以及惰性颗粒在各个干燥阶段中的影响,设计并研制了一种可实时判断一次干燥与二次干燥临界点的冻干机设备,并以奶粉为物料,进行引入惰性颗粒的喷雾冷冻干燥（IPSFD）实验,具体步骤为:将奶粉溶解在纯水中,再将物料雾化后喷在液氮内,待液氮挥发后物料冻结,将冻结后的冰颗粒均匀的撒在经过预冷的惰性颗粒表面上,然后在冻干机内进行真空冷冻干燥,最后将惰性颗粒与粉体进行分离,从而制备干燥的奶粉颗粒。以自行设计并研制的实验室冻干机为实验装置,分别进行了常规喷雾冷冻干燥（SFD）实验、惰性颗粒喷雾冷冻干燥（IP-SFD）实验。根据物料的相对湿含量、干燥速率、干燥时间、温度、及微观结构的变化,研究并讨论了添加惰性颗粒的喷雾冷冻干燥干燥动力学。通过实验发现,IP-SFD实验的干燥时间明显比常规的SFD实验短,干燥效率更高,并且同种类型不同尺寸的惰性颗粒尺寸越大干燥时间越短,相对湿含量下降速度及干燥速率有所提升。其中,在一次干燥阶段5 mm不锈钢惰性颗粒SFD的干燥时间可缩短35%,5mm玻璃惰性颗粒可缩短近30%。在二次干燥进行加热时,干燥时间最短的为加入5mm不锈钢惰性颗粒SFD实验,相比SFD可缩短39.5%。而加入玻璃惰性颗粒SFD实验所用干燥时间对比未加惰性颗粒的SFD反而有所延长,这是由于玻璃的导热能力很差,惰性颗粒在物料底部阻隔了热量自下而上的传递,进而影响了干燥速率。在干燥过程中通过物料的温度、质量变化分别探讨并研究了添加惰性颗粒喷雾冷冻干燥实验的干燥动力学,包括物料的干燥时间变化、温度变化、相对湿含量变化以及干燥速率变化。最后通过观察加入不同类型、尺寸的惰性颗粒喷雾冷冻干燥实验所生产的粉体SEM图后发现,在未对SFD加热时添加惰性颗粒对物料的孔隙结构产生的影响较不明显,颗粒表面均具有光滑的壳层结构,略有孔隙通道。而在二次干燥阶段加热后的粉体颗粒外部孔隙结构较为丰富,出现很多可供水蒸气逸出的通道。最终通过对比SFD与5mm不锈钢惰性颗粒SFD粉体后发现,在二次干燥阶段对物料进行加热时,惰性颗粒的添加能够产生表面孔隙结构更为丰富的粉体颗粒。以上实验研究成果将为喷雾冷冻干燥技术的应用发展与规模化生产起到至关重要的作用。