Распылительная сушка — это метод формирования сухого порошка из жидкости или суспензии путем быстрой сушки горячим газом. Это предпочтительный метод сушки многих термочувствительных материалов, таких как продукты питания и фармацевтические препараты , [1] или материалов, которые могут требовать чрезвычайно постоянного, мелкого размера частиц. Воздух чаще всего используется в качестве нагретой сушильной среды; однако, если жидкость является воспламеняющейся (например, этанол ) или если продукт чувствителен к кислороду, можно использовать азот . [2]
Все распылительные сушилки используют какой-либо тип распылителя или распылительной форсунки для распыления жидкости или суспензии в контролируемый размер капель распыления. Наиболее распространенными из них являются вращающийся диск и одножидкостные вихревые форсунки высокого давления. Известно, что распылительные колеса обеспечивают более широкое распределение размеров частиц, но оба метода позволяют обеспечить равномерное распределение размера частиц. [3] В качестве альтернативы для некоторых применений используются двухжидкостные или ультразвуковые форсунки . В зависимости от требований процесса можно достичь размеров капель от 10 до 500 мкм с соответствующим выбором. Наиболее распространенные применения находятся в диапазоне диаметров от 100 до 200 мкм. Сухой порошок часто является свободно текучим. [4]
Наиболее распространенный тип распылительных сушилок называется одноэффектными. В верхней части камеры находится один источник воздуха для сушки (см. № 4 на схеме). В большинстве случаев воздух продувается в том же направлении, что и распыляемая жидкость (прямоток). Получается мелкий порошок, но он может иметь плохую текучесть и производить много пыли. Чтобы преодолеть пыль и плохую текучесть порошка, было создано новое поколение распылительных сушилок, называемых многоэффектными распылительными сушилками. Вместо сушки жидкости в один этап, сушка осуществляется в два этапа: первый в верхней части (как в одноэффектных) и второй с интегрированным статическим слоем в нижней части камеры. Слой обеспечивает влажную среду, которая заставляет более мелкие частицы комковаться, производя более однородные размеры частиц, обычно в диапазоне от 100 до 300 мкм. Эти порошки являются свободно текучими из-за большего размера частиц. [ необходима цитата ]
Тонкие порошки, полученные на первой стадии сушки, могут быть повторно использованы в непрерывном потоке либо в верхней части камеры (вокруг распыляемой жидкости), либо в нижней части, внутри интегрированного псевдоожиженного слоя . Сушка порошка может быть завершена на внешнем вибрационном псевдоожиженном слое.
Горячий сушильный газ может подаваться как прямоточный, в том же направлении, что и распыляемый распылитель жидкости, или как противоточный, где горячий воздух течет против потока из распылителя. При прямоточном потоке частицы проводят меньше времени в системе и сепараторе частиц (обычно циклонном устройстве). При противоточном потоке частицы проводят больше времени в системе и обычно сочетаются с системой псевдоожиженного слоя. Прямоточный поток обычно позволяет системе работать более эффективно.
Альтернативами распылительным сушилкам являются: [5]
Метод распылительной сушки был впервые описан в 1860 году, а первый распылительный сушильный инструмент был запатентован Сэмюэлем Перси в 1872 году. [ необходима цитата ] Со временем метод распылительной сушки стал пользоваться все большей популярностью, сначала в основном для производства молока в 1920-х годах и во время Второй мировой войны, когда возникла необходимость в уменьшении веса и объема продуктов питания и других материалов. Во второй половине 20-го века коммерциализация распылительных сушилок увеличилась, как и количество применений распылительной сушки.
Распылительная сушилка принимает поток жидкости и разделяет растворенное вещество или суспензию в виде твердого вещества и растворитель в виде пара. Твердое вещество обычно собирается в барабане или циклоне. Входной поток жидкости распыляется через сопло в поток горячего пара и испаряется. Твердые частицы образуются, когда влага быстро покидает капли. Сопло обычно используется для того, чтобы сделать капли как можно меньше, максимизируя площадь поверхности, следовательно, теплопередачу и скорость испарения воды. Размеры капель могут варьироваться от 20 до 180 мкм в зависимости от сопла. [4] Существует два основных типа сопел: одножидкостное сопло высокого давления (от 50 до 300 бар) и двухжидкостное сопло: 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 сухой порошок за один шаг, что упрощает процесс и повышает прибыль.
В фармацевтическом производстве распылительная сушка используется для производства аморфных твердых дисперсий путем равномерного диспергирования активных фармацевтических ингредиентов в полимерной матрице. Это состояние переведет активные соединения (лекарство) в более высокое энергетическое состояние, что в свою очередь способствует диффузии видов лекарств в организме пациента. [6]
Распылительная сушка часто используется в качестве метода инкапсуляции в пищевой и других отраслях промышленности. Инкапсулируемое вещество (загрузка) и амфипатический носитель (обычно какой-либо модифицированный крахмал ) гомогенизируются в виде суспензии в воде (суспензии). Затем суспензия подается в распылительную сушилку, обычно башню, нагретую до температур выше точки кипения воды .
Когда пульпа попадает в башню, она распыляется. Частично из-за высокого поверхностного натяжения воды и частично из-за гидрофобных / гидрофильных взаимодействий между амфипатическим носителем, водой и нагрузкой, распыленная пульпа 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 нагрузки. [7]
Потеря нагрузки обычно является функцией молекулярного веса. То есть, более легкие молекулы имеют тенденцию к выкипанию в больших количествах при температурах обработки. Потери минимизируются в промышленности путем распыления в более высокие башни. Больший объем воздуха имеет более низкую среднюю влажность по мере протекания процесса. По принципу осмоса вода будет побуждаться своей разницей в летучести в паровой и жидкой фазах покидать мицеллы и поступать в воздух. Следовательно, тот же процент воды может быть высушен из частиц при более низких температурах, если используются более крупные башни. В качестве альтернативы, суспензию можно распылять в частичный вакуум. Поскольку точка кипения растворителя - это температура, при которой давление паров растворителя равно давлению окружающей среды, снижение давления в башне имеет эффект снижения точки кипения растворителя.
Применение техники распылительной сушки и инкапсуляции заключается в приготовлении «дегидратированных» порошков веществ, не имеющих воды для дегидратации. Например, растворимые смеси для напитков представляют собой распылительную сушку различных химикатов, входящих в состав напитка. Когда-то эта техника использовалась для удаления воды из пищевых продуктов. Одним из примеров является приготовление дегидратированного молока. Поскольку молоко не инкапсулировалось, а распылительная сушка вызывает термическую деградацию , дегидратация молока и аналогичные процессы были заменены другими методами дегидратации. Сухое обезжиренное молоко по-прежнему широко производится с использованием технологии распылительной сушки, как правило, при высокой концентрации твердых веществ для максимальной эффективности сушки. Термическую деградацию продуктов можно преодолеть, используя более низкие рабочие температуры и большие размеры камер для увеличения времени пребывания. [8]
Недавние исследования показывают, что использование методов распылительной сушки может быть альтернативным методом кристаллизации аморфных порошков в процессе сушки, поскольку температурные эффекты на аморфные порошки могут быть значительными в зависимости от времени пребывания в процессе сушки. [9] [10]
Процесс распылительной сушки включает в себя ряд входных параметров, которые могут изменять форму и размер получаемых частиц.
Общие входные параметры:
Из следующих входных параметров следует ряд путей, по которым частица может двигаться к своей полученной форме и размеру. Определенные параметры, такие как поток распыляющего газа, скорость подачи и концентрация раствора, сильно влияют на размер получаемых частиц, тогда как температура на входе играет важную роль в форме частицы в конце. Размер частиц имеет большую корреляцию с исходным размером капли раствора из распылителя, поэтому наилучший способ контролировать размер частиц может быть сделан путем сильного насыщения раствора и увеличения или уменьшения исходной капли. После того, как исходная капля попадает в сушильную камеру, капля может продолжать образовывать корку, или частица не будет сформирована. От образования корки температура процесса сушки и продолжительность частицы в процессе сушки могут привести частицу к сухой оболочке или деформированной частице. Сухая оболочка может перейти в твердую частицу или разрушенную частицу. Образование корки также может отказаться от сухой оболочки или деформированной частицы, если условия сушки не являются правильными и претерпевают внутреннее зарождение пузырьков с другим рядом путей.
Текущее понимание условий сушки различается в зависимости от различных конфигураций распылительной сушки и состава раствора, но проводятся дополнительные исследования для определения того, что движет каждым путем формирования формы частиц, поскольку будущие приложения в фармацевтической и промышленной областях требуют лучшего контроля над конкретными формами и размерами частиц их продуктов.
Продукты питания: сухое молоко, кофе, чай, яйца, хлопья, специи, ароматизаторы, кровь, [11] крахмал и производные крахмала, витамины, ферменты, стевия, нутрицевтики, красители, корма для животных и т. д.
Фармацевтика: антибиотики, медицинские ингредиенты, [12] [13] добавки.
Промышленность: пигменты для красок, керамические материалы, носители катализаторов, микроводоросли.