Распылительная сушка — это метод получения сухого порошка из жидкости или суспензии путем быстрой сушки горячим газом. Это предпочтительный метод сушки многих термочувствительных материалов, таких как пищевые продукты и фармацевтические препараты [1] или материалов, для которых может потребоваться чрезвычайно постоянный и мелкий размер частиц. Воздух – нагретая сушильная среда; однако, если жидкость представляет собой легковоспламеняющийся растворитель, такой как этанол , или продукт чувствителен к кислороду, тогда используется азот . [2]
Во всех распылительных сушилках используются распылители или распылительные насадки того или иного типа для распыления жидкости или суспензии в виде капель контролируемого размера. Наиболее распространенными из них являются роторные дисковые и одножидкостные вихревые форсунки высокого давления. Известно, что колеса распылителя обеспечивают более широкое распределение частиц по размерам, но оба метода позволяют обеспечить равномерное распределение частиц по размерам. [3] В качестве альтернативы для некоторых применений используются двухжидкостные или ультразвуковые форсунки . В зависимости от требований процесса при соответствующем выборе можно достичь размера капель от 10 до 500 мкм. Наиболее распространенные области применения находятся в диапазоне диаметров от 100 до 200 мкм. Сухой порошок часто является сыпучим. [4]
Самый распространенный тип распылительных сушилок называется одноэффектным. В верхней части камеры имеется единственный источник осушающего воздуха (см. № 4 на схеме). В большинстве случаев воздух подается в том же направлении, что и распыляемая жидкость (прямоток). Получается мелкий порошок, но он может иметь плохую текучесть и выделять много пыли. Чтобы преодолеть пыль и плохую текучесть порошка, было произведено новое поколение распылительных сушилок, называемых распылительными сушилками многократного действия. Вместо сушки жидкости в один этап сушка осуществляется в два этапа: первый вверху (как при одиночном эффекте) и второй со встроенным статическим слоем внизу камеры. Слой обеспечивает влажную среду, которая заставляет более мелкие частицы слипаться, образуя более однородные размеры частиц, обычно в диапазоне от 100 до 300 мкм. Эти порошки являются сыпучими из-за большего размера частиц. [ нужна цитата ]
Мелкодисперсные порошки, образующиеся в результате первой стадии сушки, могут быть переработаны в непрерывном потоке либо в верхней части камеры (вокруг распыляемой жидкости), либо внизу, внутри встроенного псевдоожиженного слоя . Сушку порошка можно завершить во внешнем вибрирующем псевдоожиженном слое.
Горячий осушающий газ может подаваться прямотоком, в том же направлении, что и распылитель распыляемой жидкости, или противотоком, когда горячий воздух течет против потока из распылителя. При прямоточном потоке частицы проводят меньше времени в системе и сепараторе частиц (обычно в циклонном устройстве). При противоточном потоке частицы проводят больше времени в системе и обычно работают в паре с системой псевдоожиженного слоя. Прямоток обычно позволяет системе работать более эффективно.
Альтернативами распылительным сушилкам являются: [5]
Техника распылительной сушки была впервые описана в 1860 году, когда Сэмюэл Перси запатентовал первый инструмент для распылительной сушки в 1872 году. Со временем популярность метода распылительной сушки росла, сначала в основном для производства молока в 1920-х годах и во время мировой войны . II, когда возникла необходимость уменьшить вес и объем продуктов питания и других материалов. Во второй половине 20-го века коммерциализация распылительных сушилок возросла, как и количество применений распылительной сушки.
Распылительная сушилка принимает поток жидкости и разделяет растворенное вещество или суспензию в виде твердого вещества и растворитель в пар. Твердое вещество обычно собирают в барабане или циклоне. Входной поток жидкости распыляется через сопло в поток горячего пара и испаряется. Твердые вещества образуются, когда влага быстро покидает капли. Сопло обычно используется для того, чтобы капли были как можно меньше, увеличивая площадь поверхности, следовательно, теплообмен и скорость испарения воды. Размер капель может варьироваться от 20 до 180 мкм в зависимости от насадки. [4] Существует два основных типа форсунок: одножидкостная форсунка высокого давления (от 50 до 300 бар) и двухжидкостная форсунка: одна жидкость представляет собой жидкость для сушки, а вторая — сжатый газ (обычно воздух при давлении от 1 до 7 бар). .
Распылительные сушилки позволяют сушить продукт очень быстро по сравнению с другими методами сушки. Они также превращают раствор (или суспензию) в высушенный порошок за один этап, что упрощает процесс и увеличивает размер прибыли.
В фармацевтическом производстве для производства аморфных твердых дисперсий применяется распылительная сушка путем равномерного диспергирования активных фармацевтических ингредиентов в полимерной матрице. Это состояние переводит активные соединения (лекарство) в более высокий энергетический уровень, что, в свою очередь, облегчает диффузию видов лекарства в организме пациента. [6]
Распылительная сушка часто используется в пищевой и других отраслях промышленности в качестве метода герметизации . Вещество, подлежащее инкапсулированию (загрузка), и амфипатический носитель (обычно разновидность модифицированного крахмала ) гомогенизируются в виде суспензии в воде (суспензия). Затем суспензию подают в распылительную сушилку, обычно башню, нагретую до температуры выше точки кипения воды .
Когда суспензия поступает в башню, она распыляется. Частично из-за высокого поверхностного натяжения воды и частично из-за гидрофобных / гидрофильных взаимодействий между амфипатическим носителем, водой и загрузкой распыленная суспензия образует мицеллы . Небольшой размер капель (в среднем 100 микрометров в диаметре) приводит к относительно большой площади поверхности, которая быстро высыхает. По мере высыхания воды носитель образует затвердевшую оболочку вокруг груза. [7]
Потеря нагрузки обычно является функцией молекулярной массы. То есть более легкие молекулы имеют тенденцию испаряться в больших количествах при температурах обработки. Потери сводятся к минимуму в промышленном масштабе за счет распыления на более высокие башни. Больший объем воздуха имеет более низкую среднюю влажность по ходу процесса. По принципу осмоса вода будет стимулироваться разницей летучести в паровой и жидкой фазах, чтобы покинуть мицеллы и попасть в воздух. Следовательно, тот же процент воды можно высушить из частиц при более низких температурах, если использовать башни большего размера. Альтернативно, суспензию можно распылять в частичном вакууме. Поскольку точка кипения растворителя представляет собой температуру, при которой давление паров растворителя равно давлению окружающей среды, снижение давления в колонне приводит к снижению температуры кипения растворителя.
Применение метода капсулирования распылительной сушкой заключается в приготовлении «обезвоженных» порошков веществ, в которых нет воды для дегидратации. Например, смеси для растворимых напитков представляют собой распылительную сушку различных химикатов, входящих в состав напитка. Этот метод когда-то использовался для удаления воды из пищевых продуктов. Одним из примеров является приготовление обезвоженного молока. Поскольку молоко не инкапсулировалось и поскольку распылительная сушка вызывает термическую деградацию , обезвоживание молока и подобные процессы были заменены другими методами обезвоживания. Сухое обезжиренное молоко по-прежнему широко производится с использованием технологии распылительной сушки, обычно с высокой концентрацией сухих веществ для максимальной эффективности сушки. Термическую деградацию продуктов можно преодолеть, используя более низкие рабочие температуры и камеры большего размера для увеличения времени пребывания. [8]
Недавние исследования теперь показывают, 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. [9] [10]
Процесс распылительной сушки содержит множество входных параметров, которые могут изменить форму и размер получаемых частиц.
Общие входные параметры:
Следующие входные параметры определяют ряд путей, по которым частица может двигаться к заданной форме и размеру. Определенные параметры, такие как расход распыляемого газа, скорость подачи и концентрация раствора, сильно влияют на размер получаемых частиц, тогда как температура на входе играет значительную роль в форме частиц в конце. Размер частиц сильно коррелирует с исходным размером капли раствора из распылителя, поэтому лучший способ контролировать размер частиц — сильно насыщать раствор и увеличивать или уменьшать первоначальную каплю. Как только первоначальная капля попадает в сушильную камеру, капля может продолжать образовывать корку, или частицы не будут образовываться. С учетом образования корки температура процесса сушки и продолжительность процесса сушки могут привести частицу к сухой оболочке или деформированной частице. Сухая оболочка может превратиться в твердую частицу или расколовшуюся частицу. При образовании корки также может не возникнуть сухая оболочка или деформированные частицы, если условия сушки неправильны, и происходит зарождение внутренних пузырьков по другому ряду путей.
Текущее понимание условий сушки варьируется в зависимости от различных конфигураций распылительной сушки и содержания раствора, но завершаются дополнительные исследования по определению того, что движет каждой формой частиц, поскольку будущие применения в фармацевтических и промышленных областях требуют лучшего контроля над конкретными формами и размерами частиц. своей продукции.
Продукты питания: сухое молоко, кофе, чай, яйца, крупы, специи, ароматизаторы, кровь, [11] крахмал и его производные, витамины, ферменты, стевия, нутрицевтики, красители, корм для животных и т. д.
Фармацевтика: антибиотики, медицинские ингредиенты, [12] [13] добавки.
Промышленность: красочные пигменты, керамические материалы, носители катализаторов, микроводоросли.