Распылительная сушка

Распылительная сушилка лабораторного масштаба.
А ) Раствор или суспензия для сушки; Б ) Газ для распыления; 1 ) Осушающий газ; 2 ) Нагрев осушающего газа; 3 ) Распыление раствора или суспензии; 4 ) Сушильная камера; 5 ) Часть между сушильной камерой и циклоном; 6 ) Циклон ; 7 ) Отводится осушающий газ; 8 ) Емкость для сбора продукта.
Стрелки указывают, что это прямоточная лабораторная распылительная сушилка.

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 материалы, для которых может потребоваться чрезвычайно постоянный и мелкий размер частиц. В качестве нагретой сушильной среды чаще всего используется воздух; однако азот можно использовать, если жидкость легковоспламеняющаяся (например, этанол ) или если продукт чувствителен к кислороду. ^[2]

того или иного типа Во всех распылительных сушилках используются распылители или распылительные насадки 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] двухжидкостные или ультразвуковые форсунки В качестве альтернативы для некоторых применений используются . 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 ссылка ]}

Мелкие порошки, полученные 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]

Сублимационная сушка : более дорогой периодический процесс для продуктов, которые разлагаются при распылительной сушке. Сухой продукт не является сыпучим.
Барабанная сушилка : менее затратный непрерывный процесс для недорогих продуктов; вместо сыпучего порошка создает хлопья.
Сушилка с импульсным сжиганием: менее дорогой непрерывный процесс, который позволяет обрабатывать материалы с более высокой вязкостью и содержанием твердых частиц, чем распылительная сушилка, и иногда дает сыпучий порошок сублимационного качества.

История

Техника распылительной сушки была впервые описана в 1860 году, когда Сэмюэл Перси запатентовал первый инструмент распылительной сушки в 1872 году. ^{[ нужна ссылка ]} Со временем популярность метода распылительной сушки выросла, сначала в основном для производства молока в 1920-х годах и во время Второй мировой войны, когда возникла необходимость уменьшить вес и объем пищевых продуктов и других материалов. Во второй половине 20-го века коммерциализация распылительных сушилок возросла, как и количество применений распылительной сушки.

Распылительная сушилка

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]

Микроинкапсуляция

Распылительная сушка часто используется в качестве метода герметизации в пищевой и других отраслях промышленности . 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 мере продолжения 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 распылительная сушка вызывает термическое разложение , 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 сейчас 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]

Проектирование формы и размера частиц

Процесс распылительной сушки содержит множество входных параметров, которые могут изменить форму и размер получаемых частиц.

Общие входные параметры:

Концентрация раствора
Поток осушающего газа
Температура на входе
Распыление потока газа
Скорость подачи

Следующие входные параметры определяют ряд путей, по которым частица может прийти 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 — это сильно насыщать раствор и увеличивать или уменьшать начальную 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 другим рядом 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.

Применение распылительной сушки

Продукты питания: сухое молоко, кофе, чай, яйца, хлопья, специи, ароматизаторы, кровь, ^[11] крахмал и его производные, витамины, ферменты, стевия, нутрицевтики, красители, корма для животных и т. д.

Фармацевтика: антибиотики, медицинские ингредиенты, ^[12]^[13] добавки.

Промышленность: красочные пигменты, керамические материалы, носители катализаторов, микроводоросли.

Ссылки

^ Кэмпбелл, Хизер Р.; Альшариф, Фахд М.; Марсак, Патрик Дж.; Лоддер, Роберт А. (2020). «Разработка новой фармацевтической рецептуры D-тагатозы для распылительной сушки». Журнал фармацевтических инноваций : 1–13. дои : 10.1007/s12247-020-09507-4 .
^ А. С. Муджумдар (2007). Справочник по промышленной сушке . ЦРК Пресс. п. 710. ИСБН 978-1-57444-668-5 .
^ «Контрактная распылительная сушилка и услуги распылительной сушки | Elan» .
^ Jump up to: ^а ^б Уолтер Р. Ниссен (2002). Процессы сжигания и сжигания . ЦРК Пресс. п. 588. ИСБН 978-0-8247-0629-6 .
^ Онвулата стр.66
^ Пузеш, Садег; Лу, Кун; Марсак, Патрик Дж. (июль 2018 г.). «Об образовании частиц в процессе распылительной сушки для биофармацевтических применений: исследование новой модели с помощью вычислительной гидродинамики». Международный журнал тепломассообмена . 122 : 863–876. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.02.043 .
^ Аджай Кумар (2009). Биоразделительная инженерия . ИК Интернешнл. п. 179. ИСБН 978-93-8002-608-4 .
^ Онвулата, стр. 389–430.
^ Онвулата стр.268
^ Чиу, Д.; Лэнгриш, TAG (2007). «Кристаллизация аморфных компонентов в порошках, высушенных распылением». Технология сушки . 25 (9): 1427–1435. дои : 10.1080/07373930701536718 .
^ Хёзе В.; Тран Г. (2016) [Последнее обновление: 31 марта 2016 г., 10:31]. «Кровавая еда» . Фидипедия . программа INRA, CIRAD, AFZ и ФАО.
^ Тинг, Джеффри М.; Портер, Уильям В.; Мекка, Джоди М.; Бейтс, Фрэнк С.; Рейнеке, Тереза М. (10 января 2018 г.). «Достижения в области разработки полимеров для улучшения растворимости и доставки лекарств при пероральном приеме». Биоконъюгатная химия . 29 (4): 939–952. doi : 10.1021/acs.bioconjchem.7b00646 . ISSN 1043-1802 . ПМИД 29319295 .
^ Рикарте, Ральм Г.; Ван Зи, Николас Дж.; Ли, Цзян; Джонсон, Линдси М.; Лодж, Тимоти П.; Хиллмайер, Марк А. (05 сентября 2019 г.). «Последние достижения в понимании микро- и наномасштабных явлений аморфных твердых дисперсий». Молекулярная фармацевтика . 16 (10): 4089–4103. doi : 10.1021/acs.molpharmaceut.9b00601 . ISSN 1543-8384 . ПМИД 31487183 .

Библиография

Чарльз Онвулата (2005). Инкапсулированные и порошкообразные продукты . ЦРК Пресс. п. 268. ИСБН 978-0-8247-5327-6 .

Дальнейшее чтение

Кук, Э.М. и ДюМон, Х.Д. (1991) Практика технологической сушки , McGraw-Hill, Inc., ISBN 0-07-012462-0
Ки, РБ (1992). Сушка сыпучих и сыпучих материалов , 1-е изд., Тейлор и Фрэнсис, ISBN 0-89116-878-8
Оценка пищевой ценности пищевых продуктов, второе издание (1975 г.), Роберт С. Харрис, доктор философии. и Эндель Кармас, доктор философии. (ред.)
Филькова И. и Мужумдар А.С. (2020). Промышленные системы распылительной сушки. В Справочнике по промышленной сушке (стр. 263-307). ЦРК Пресс.
Джафари С.М., Арпагаус К., Серкейра М.А. и Самборска К. (2021). Нанораспылительная сушка пищевых ингредиентов; материалы, обработка и применение . Тенденции в пищевой науке и технологиях , 109 , 632–646.
Климша В., Руфуй Г., Йонаш Ю., Машкова Л., Кашпар О., Жватора П. и Штепанек Ф. (2023). Робот распылительной сушки для высокопроизводительного комбинаторного производства многокомпонентных твердых дисперсий . Порошковые технологии , 428 , 118872.

Внешние ссылки

[Buiceetal-1] Кэмпбелл, Хизер Р.; Альшариф, Фахд М.; Марсак, Патрик Дж.; Лоддер, Роберт А. (2020). «Разработка новой фармацевтической рецептуры D-тагатозы для распылительной сушки». Журнал фармацевтических инноваций : 1–13. дои : 10.1007/s12247-020-09507-4 .

[2] А. С. Муджумдар (2007). Справочник по промышленной сушке . ЦРК Пресс. п. 710. ИСБН 978-1-57444-668-5 .

[3] «Контрактная распылительная сушилка и услуги распылительной сушки | Elan» .

[dia-4] Jump up to: ^а ^б Уолтер Р. Ниссен (2002). Процессы сжигания и сжигания . ЦРК Пресс. п. 588. ИСБН 978-0-8247-0629-6 .

[5] Онвулата стр.66

[6] Пузеш, Садег; Лу, Кун; Марсак, Патрик Дж. (июль 2018 г.). «Об образовании частиц в процессе распылительной сушки для биофармацевтических применений: исследование новой модели с помощью вычислительной гидродинамики». Международный журнал тепломассообмена . 122 : 863–876. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.02.043 .

[7] Аджай Кумар (2009). Биоразделительная инженерия . ИК Интернешнл. п. 179. ИСБН 978-93-8002-608-4 .

[8] Онвулата, стр. 389–430.

[9] Онвулата стр.268

[10] Чиу, Д.; Лэнгриш, TAG (2007). «Кристаллизация аморфных компонентов в порошках, высушенных распылением». Технология сушки . 25 (9): 1427–1435. дои : 10.1080/07373930701536718 .

[11] Хёзе В.; Тран Г. (2016) [Последнее обновление: 31 марта 2016 г., 10:31]. «Кровавая еда» . Фидипедия . программа INRA, CIRAD, AFZ и ФАО.

[12] Тинг, Джеффри М.; Портер, Уильям В.; Мекка, Джоди М.; Бейтс, Фрэнк С.; Рейнеке, Тереза М. (10 января 2018 г.). «Достижения в области разработки полимеров для улучшения растворимости и доставки лекарств при пероральном приеме». Биоконъюгатная химия . 29 (4): 939–952. doi : 10.1021/acs.bioconjchem.7b00646 . ISSN 1043-1802 . ПМИД 29319295 .

[13] Рикарте, Ральм Г.; Ван Зи, Николас Дж.; Ли, Цзян; Джонсон, Линдси М.; Лодж, Тимоти П.; Хиллмайер, Марк А. (05 сентября 2019 г.). «Последние достижения в понимании микро- и наномасштабных явлений аморфных твердых дисперсий». Молекулярная фармацевтика . 16 (10): 4089–4103. doi : 10.1021/acs.molpharmaceut.9b00601 . ISSN 1543-8384 . ПМИД 31487183 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]