Распылительная сушка - Spray drying

Распылительная сушилка лабораторного уровня.
A = раствор или суспензия для сушки, B = входящий газ распыления, 1 = входящий осушающий газ, 2 = нагрев сушильного газа, 3 = распыление раствора или суспензии, 4 = сушильная камера, 5 = участок между сушильной камерой и циклоном , 6 = Циклон, 7 = Осушающий газ отводится, 8 = Емкость для сбора продукта, стрелки означают, что это прямоточная лабораторная распылительная сушилка

Распылительная сушка представляет собой способ получения сухого порошка из жидкости или взвеси путем быстрой сушки горячим газом. Это предпочтительный метод сушки многих термочувствительных материалов, таких как пищевые продукты и фармацевтические препараты. Стабильное распределение частиц по размеру является причиной для распылительной сушки некоторых промышленных продуктов, таких как катализаторы. Воздух - это нагретая сушильная среда; однако, если жидкость является легковоспламеняющимся растворителем, например этиловый спирт или продукт чувствителен к кислороду, тогда азот используется.[1]

Во всех распылительных сушилках используются распылитель или же форсунки для диспергирования жидкости или суспензии в спрей с контролируемым размером капель. Наиболее распространенными из них являются роторные дисковые и одинарные вихревые сопла высокого давления. Колеса распылителя, как известно, обеспечивают более широкое распределение частиц по размеру, но оба метода позволяют обеспечить согласованное распределение частиц по размеру.[2] В качестве альтернативы, для некоторых приложений двухжидкостная или ультразвуковые насадки используются. В зависимости от требований процесса при соответствующем выборе могут быть достигнуты размеры капель от 10 до 500 мкм. Чаще всего применяются в диапазоне диаметров от 100 до 200 мкм. Сухой порошок часто сыпучий.[3]

Самый распространенный вид распылительных сушилок называется однокомпонентным. В верхней части камеры находится единственный источник осушающего воздуха (см. № 4 на схеме). В большинстве случаев воздух выдувается в том же направлении, что и распыляемая жидкость (прямоток). Производится мелкий порошок, но он может иметь плохую текучесть и производить много пыли. Чтобы преодолеть пыль и плохую текучесть порошка, было произведено новое поколение распылительных сушилок, называемых распылительными сушилками с множественным эффектом. Вместо одностадийной сушки жидкости, сушка выполняется в два этапа: первый вверху (как для одного эффекта), а второй - со встроенным статическим слоем в нижней части камеры. Слой создает влажную среду, которая заставляет более мелкие частицы слипаться, производя более однородные частицы, обычно в диапазоне от 100 до 300 мкм. Эти порошки являются сыпучими из-за большего размера частиц.

Мелкодисперсные порошки, образующиеся при сушке на первой стадии, могут быть переработаны в непрерывном потоке либо в верхней части камеры (вокруг распыляемой жидкости), либо в нижней части внутри интегрированной псевдоожиженный слой. Сушка порошка может быть завершена на внешнем вибрирующем псевдоожиженном слое.

Горячий сушильный газ может подаваться прямотоком, в том же направлении, что и распылитель жидкости, или противотоком, когда горячий воздух течет против потока из распылителя. При прямоточном потоке частицы проводят меньше времени в системе и в сепараторе частиц (обычно в циклонном устройстве). При противоточном потоке частицы проводят больше времени в системе и обычно соединяются с системой псевдоожиженного слоя. Параллельный поток обычно позволяет системе работать более эффективно.

Альтернативами распылительным сушилкам являются:[4]

  1. Сублимационная сушилка: более дорогостоящий периодический процесс для продуктов, разлагающихся при распылительной сушке. Сухой продукт не сыпучий.
  2. Барабанная сушилка: менее затратный непрерывный процесс для малоценных продуктов; вместо сыпучей пудры образует хлопья.
  3. Сушилка с импульсным сжиганием: менее дорогостоящий непрерывный процесс, который может обрабатывать более высокие вязкости и загрузку твердых частиц, чем распылительная сушилка, и иногда дает легко текучий порошок качества сублимационной сушки.

Распылительная сушилка

Форсунки для распылительной сушки.
Схематическое изображение процесса распылительной сушки.

Распылительная сушилка принимает поток жидкости и разделяет растворенное вещество или суспензию в виде твердого вещества и растворитель на пар. Твердое вещество обычно собирается в барабане или циклоне. Входящий поток жидкости распыляется через сопло в поток горячего пара и испаряется. Образуются твердые частицы, поскольку влага быстро покидает капли. Форсунка обычно используется, чтобы сделать капли как можно меньше, чтобы максимизировать теплопередачу и скорость парообразования. Размер капель может составлять от 20 до 180 мкм в зависимости от сопла.[3]Существует два основных типа форсунок: форсунки для одной жидкости высокого давления (от 50 до 300 бар) и форсунки для двух жидкостей: одна жидкость - это жидкость для сушки, а вторая - сжатый газ (обычно воздух под давлением от 1 до 7 бар).

Распылительные сушилки могут сушить продукт очень быстро по сравнению с другими методами сушки. Они также превращают раствор (или суспензию) в высушенный порошок за одну операцию, что упрощает процесс и увеличивает рентабельность.

В фармацевтическом производстве распылительная сушка используется для получения аморфных твердых частиц путем равномерного диспергирования активных фармацевтических ингредиентов в полимерной матрице. Это состояние переводит активные соединения (лекарство) в более высокое энергетическое состояние, что, в свою очередь, способствует диффузии лекарственных специй в организме пациента.[5].

Микроинкапсуляция

Распылительная сушка часто используется как техника инкапсуляции пищевой и другой промышленностью. Вещество, подлежащее капсулированию (нагрузка) и амфипатический перевозчик (обычно какой-то модифицированный крахмал ) находятся гомогенизированный как приостановка в воде (кашице). Затем суспензия подается в распылительную сушилку, обычно в башню, нагретую до температуры выше точки кипения. воды.

Когда суспензия поступает в башню, она распыляется. Отчасти из-за высокого поверхностное натяжение воды и частично из-за гидрофобный /гидрофильный взаимодействия между амфипатическим носителем, водой и грузом, образует распыленную суспензию мицеллы. Небольшой размер капель (в среднем 100 микрометры в диаметре) приводит к относительно большой площади поверхности, которая быстро сохнет. По мере высыхания воды носитель образует твердую оболочку вокруг груза.[6]

Потеря нагрузки обычно зависит от молекулярной массы. То есть более легкие молекулы имеют тенденцию выкипать в больших количествах при температурах обработки. Потери сводятся к минимуму в промышленных масштабах за счет распыления на более высокие башни. Чем больше объем воздуха, тем ниже средняя влажность в процессе. Посредством осмос В принципе, вода будет поощряться ее разницей в мимолетность в паровой и жидкой фазах покидать мицеллы и попадать в воздух. Следовательно, такой же процент воды может быть высушен из частиц при более низких температурах, если используются более крупные башни. В качестве альтернативы суспензию можно распылять в частичном вакууме. Поскольку точка кипения растворителя - это температура, при которой давление пара растворителя равно давлению окружающей среды, снижение давления в башне приводит к снижению точки кипения растворителя.

Применение техники капсулирования с помощью распылительной сушки заключается в приготовлении «обезвоженных» порошков веществ, не содержащих воды для обезвоживания. Например, мгновенный смеси для напитков представляют собой распылительные сушки различных химикатов, входящих в состав напитка. Когда-то этот метод использовался для удаления воды из пищевых продуктов. Одним из примеров является приготовление обезвоженного молока. Поскольку молоко не было инкапсулировано и распылительная сушка вызывает термическое разложение обезвоживание молока и аналогичные процессы были заменены другими методами обезвоживания. Снимать сухое молоко по-прежнему широко производятся с использованием технологии распылительной сушки, обычно с высокой концентрацией твердых частиц для максимальной эффективности сушки. Термическое разложение продуктов можно преодолеть, используя более низкие рабочие температуры и камеры большего размера для увеличения времени пребывания.[7]

Недавние исследования теперь предполагают, что использование методов распылительной сушки может быть альтернативным методом кристаллизации аморфных порошков во время процесса сушки, поскольку температурное воздействие на аморфные порошки может быть значительным в зависимости от времени пребывания при сушке.[8][9]

Применение сушки распылением

Еда: сухое молоко, кофе, чай, яйца, хлопья, специи, ароматизаторы, кровь,[10] крахмал и производные крахмала, витамины, ферменты, стевия, нутракутики, красители, корм для животных и т. д.

Фармацевтическая: антибиотики, медицинские ингредиенты,[11][12] добавки

Промышленное: пигменты краски, керамические материалы, носители катализатора, микроводоросли

Рекомендации

  1. ^ А.С. Муджумдар (2007). Справочник по промышленной сушке. CRC Press. п. 710. ISBN  978-1-57444-668-5.
  2. ^ "Контрактные услуги распылительной сушки и распылительной сушки | Elan".
  3. ^ а б Вальтер Р. Ниссен (2002). Процессы сжигания и сжигания. CRC Press. п. 588. ISBN  978-0-8247-0629-6.
  4. ^ Онвулата стр.66
  5. ^ Поозеш, Садех; Лу, Кун; Марсак, Патрик Дж. (Июль 2018 г.). «Об образовании частиц в процессе распылительной сушки для био-фармацевтических приложений: исследование новой модели с помощью вычислительной гидродинамики». Международный журнал тепломассообмена. 122: 863–876. Дои:10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2018.02.043.
  6. ^ Аджай Кумар (2009). Биосепарационная инженерия. I. K. International. п. 179. ISBN  978-93-8002-608-4.
  7. ^ Онвулата, стр.389–430
  8. ^ Онвулата стр.268
  9. ^ Chiou, D .; Лэнгриш, Т.А.Г. (2007). «Кристаллизация аморфных компонентов в порошках распылительной сушки». Технология сушки. 25 (9): 1427–1435. Дои:10.1080/07373930701536718.
  10. ^ Heuzé V .; Тран Дж. (2016) [Последнее обновление 31 марта 2016 г., 10:31]. "Кровяная мука". Feedipedia. программа INRA, CIRAD, AFZ и FAO.
  11. ^ Тинг, Джеффри М .; Портер, Уильям У .; Мекка, Джоди М .; Бейтс, Фрэнк С .; Рейнеке, Тереза ​​М. (10.01.2018). «Достижения в дизайне полимеров для повышения растворимости и доставки пероральных лекарств». Биоконъюгат Химия. 29 (4): 939–952. Дои:10.1021 / acs.bioconjchem.7b00646. ISSN  1043-1802. PMID  29319295.
  12. ^ Ricarte, Ralm G .; Ван Зи, Николас Дж .; Ли, Цзян; Джонсон, Линдси М .; Лодж, Тимоти П .; Хиллмайер, Марк А. (05.09.2019). «Последние достижения в понимании микро- и наномасштабных явлений аморфных твердых дисперсий». Молекулярная фармацевтика. 16 (10): 4089–4103. Дои:10.1021 / acs.molpharmaceut.9b00601. ISSN  1543-8384. PMID  31487183.

Библиография

дальнейшее чтение

  • Кей, Р. Б., (1992). Сушка сыпучих и твердых частиц 1-е изд., Тейлор и Фрэнсис, ISBN  0-89116-878-8
  • Пищевая оценка пищевой промышленности второе издание (1975), Роберт С. Харрис, доктор философии. и Эндель Кармас доктор философии. (ред.)
  • Кук, Э.М., и Дюмон, Х.Д. (1991) Практика технологической сушки, McGraw-Hill, Inc., ISBN  0-07-012462-0

внешняя ссылка