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, или материалов, 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.
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. В качестве альтернативы для некоторых применений используются двухжидкостные или ультразвуковые форсунки. В зависимости от технологических требований 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.
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 произведено новое поколение распылительных сушилок, называемых многоэффектными распылительными сушилками. Вместо сушки жидкости в один этап, сушка выполняется 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.
Тонкие порошки, полученные на первом этапе 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:
История
Метод распылительной сушки был впервые описан в 1860 году, а первый распылительный сушильный инструмент был запатентован Сэмюэлем Перси в 1872 году. Со временем метод распылительной сушки стал пользоваться все большей популярностью, сначала в основном для производства молока в 1920-х годах, а 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
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.
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 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 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 облегчает диффузию лекарственных видов в организме пациента.
Микроинкапсуляция
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.
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 химических веществ, 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.
Недавние исследования показывают, что использование методов распылительной сушки может быть альтернативным методом кристаллизации аморфных порошков в процессе сушки, поскольку температурное воздействие на аморфные порошки может быть значительным в зависимости от времени пребывания в процессе сушки.
Проектирование формы и размера частиц
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.
Применение распылительной сушки
Продукты питания: сухое молоко, кофе, чай, яйца, хлопья, специи, ароматизаторы, кровь, крахмал и производные крахмала, витамины, ферменты, стевия, нутрицевтики, красители, корма для животных и т. д.
Фармацевтика: антибиотики, медицинские ингредиенты, добавки.
Промышленность: пигменты для красок, керамические материалы, носители катализаторов, микроводоросли.