Suszenie rozpyłowe
Suszarka rozpyłowa w skali laboratoryjnej. A ) Roztwór lub zawiesina do suszenia; B ) Wlot gazu atomizującego; 1 ) Wlot gazu suszącego; 2 ) Ogrzewanie gazu suszącego; 3 ) Rozpylanie roztworu lub zawiesiny; 4 ) Komora suszenia; 5 ) Część między komorą suszenia a cyklonem; 6 ) Cyklon ; 7 ) Odprowadza się gaz suszący; 8 ) Naczynie do zbierania produktu. Strzałki wskazują, że jest to współbieżna laboratoryjna suszarka rozpyłowa.
Suszenie rozpyłowe to metoda formowania suchego proszku z cieczy lub zawiesiny przez szybkie suszenie gorącym gazem. Jest to preferowana metoda suszenia wielu wrażliwych na ciepło materiałów, takich jak żywność i farmaceutyki , lub materiałów, które mogą wymagać bardzo stałej wielkości cząstek. Powietrze jest ogrzewanym środkiem suszącym; jeśli jednak płyn jest łatwopalnym rozpuszczalnikiem, takim jak etanol lub produkt jest wrażliwy na tlen, wówczas stosuje się azot .
Wszystkie suszarki rozpyłowe wykorzystują jakiś rodzaj rozpylacza lub dyszy rozpylającej do rozproszenia cieczy lub zawiesiny w rozpylaczu o kontrolowanej wielkości kropli. Najpopularniejsze z nich to obrotowe dysze wirowe i jednopłynowe wysokociśnieniowe dysze wirowe. Wiadomo, że koła rozpylacza zapewniają szerszy rozkład wielkości cząstek, ale obie metody pozwalają na spójny rozkład wielkości cząstek. , dysze dwupłynowe lub ultradźwiękowe są używane. W zależności od wymagań procesu, przy odpowiednim doborze można uzyskać krople o wielkości od 10 do 500 μm. Najczęstsze zastosowania znajdują się w zakresie średnic od 100 do 200 μm. Suchy proszek jest często sypki.
Najpopularniejszy typ suszarek rozpyłowych to suszarki jednoefektowe. W górnej części komory znajduje się pojedyncze źródło powietrza suszącego (patrz nr 4 na schemacie). W większości przypadków powietrze jest nadmuchiwane w tym samym kierunku co rozpylana ciecz (współprąd). Wytwarzany jest drobny proszek, ale może on mieć słabą sypkość i wytwarzać dużo pyłu. Aby przezwyciężyć kurz i słaby przepływ proszku, wyprodukowano nową generację suszarek rozpyłowych, zwanych suszarkami rozpyłowymi z wieloma efektami. Zamiast suszenia cieczy w jednym etapie, suszenie odbywa się w dwóch krokach: pierwszy na górze (jako pojedynczy efekt) i drugi ze zintegrowanym łożem statycznym na dnie komory. Złoże zapewnia wilgotne środowisko, które powoduje zlepianie się mniejszych cząstek, tworząc bardziej jednorodne rozmiary cząstek, zwykle w zakresie od 100 do 300 μm. Te proszki są sypkie ze względu na większy rozmiar cząstek.
Drobne proszki powstałe w pierwszym etapie suszenia mogą być zawracane w ciągłym przepływie na górze komory (wokół rozpylanej cieczy) lub na dole, wewnątrz zintegrowanego złoża fluidalnego . Suszenie proszku można zakończyć na zewnętrznym wibrującym złożu fluidalnym.
Gorący gaz suszący może być wprowadzany jako współprąd, w tym samym kierunku co rozpylany rozpylacz cieczy, lub w przeciwprądzie, gdzie gorące powietrze przepływa w kierunku przeciwnym do przepływu z rozpylacza. Przy przepływie współprądowym cząsteczki spędzają mniej czasu w systemie i separatorze cząstek (zwykle w urządzeniu cyklonowym). Przy przepływie przeciwprądowym cząsteczki spędzają więcej czasu w systemie i zwykle jest on połączony z systemem ze złożem fluidalnym. Przepływ współprądowy generalnie umożliwia wydajniejsze działanie systemu.
Alternatywą dla suszarek rozpyłowych są:
- Liofilizator : droższy proces wsadowy dla produktów, które rozkładają się podczas suszenia rozpyłowego. Suchy produkt nie jest sypki.
- Suszarka bębnowa : tańszy proces ciągły dla produktów o niskiej wartości; tworzy płatki zamiast sypkiego proszku.
- Suszarka pulsacyjna: Tańszy proces ciągły, który może obsługiwać większe lepkości i ładunki ciał stałych niż suszarka rozpyłowa, a czasami daje liofilizowany proszek o jakości sypkiej.
Suszarka rozpyłowa
Suszarka rozpyłowa pobiera strumień cieczy i rozdziela substancję rozpuszczoną lub zawiesinę w postaci ciała stałego i rozpuszczalnika na parę. Ciało stałe jest zwykle zbierane w bębnie lub cyklonie. Strumień wejściowy cieczy jest rozpylany przez dyszę do strumienia gorącej pary i odparowywany. Ciała stałe tworzą się, gdy wilgoć szybko opuszcza kropelki. Zwykle stosuje się dyszę, aby krople były jak najmniejsze, maksymalizując wymianę ciepła i szybkość parowania wody. Wielkość kropel może wynosić od 20 do 180 μm w zależności od dyszy. Istnieją dwa główne typy dysz: wysokociśnieniowa dysza z pojedynczą cieczą (od 50 do 300 barów) i dysza z dwiema cieczami: jedna ciecz to ciecz do wyschnięcia, a druga to sprężony gaz (zwykle powietrze o ciśnieniu od 1 do 7 barów).
Suszarki rozpyłowe mogą bardzo szybko wysuszyć produkt w porównaniu z innymi metodami suszenia. Zamieniają również roztwór (lub zawiesinę) w suszony proszek w jednym kroku, co upraszcza proces i poprawia marże zysku.
W produkcji farmaceutycznej suszenie rozpyłowe stosuje się do wytwarzania amorficznych stałych dyspersji poprzez równomierne zdyspergowanie aktywnych składników farmaceutycznych w matrycy polimerowej. Stan ten wprowadzi związki aktywne (lek) w wyższy stan energetyczny, co z kolei ułatwi dyfuzję przypraw leczniczych w organizmie pacjenta.
Mikrokapsułkowanie
Suszenie rozpyłowe jest często stosowane jako technika kapsułkowania w przemyśle spożywczym i innych gałęziach przemysłu. Substancja, która ma być kapsułkowana (ładunek) i amfipatyczny (zwykle jakiś rodzaj skrobi modyfikowanej ) są homogenizowane jako zawiesina w wodzie (zawiesina). Zawiesina jest następnie podawana do suszarki rozpyłowej, zwykle wieży ogrzewanej do temperatur powyżej temperatury wrzenia wody .
Gdy zawiesina wchodzi do wieży, jest rozpylana. Częściowo z powodu wysokiego napięcia powierzchniowego wody, a częściowo z powodu hydrofobowych / hydrofilowych oddziaływań między amfipatycznym nośnikiem, wodą i ładunkiem, zatomizowana zawiesina tworzy micele . Niewielki rozmiar kropel (średnio 100 mikrometrów średnicy) skutkuje stosunkowo dużą powierzchnią, która szybko wysycha. Gdy woda wysycha, nośnik tworzy twardą powłokę wokół ładunku.
Utrata obciążenia jest zwykle funkcją masy cząsteczkowej. Oznacza to, że lżejsze cząsteczki mają tendencję do wrzenia w większych ilościach w temperaturach przetwarzania. Straty są minimalizowane w przemyśle przez rozpylanie na wyższe wieże. Większa objętość powietrza ma niższą średnią wilgotność w miarę postępu procesu. Zgodnie z osmozy woda będzie stymulowana różnicą w lotności w fazie gazowej i ciekłej opuszczają micele i przedostają się do powietrza. Dlatego ten sam procent wody można wysuszyć z cząstek w niższych temperaturach, jeśli stosuje się większe wieże. Alternatywnie zawiesinę można rozpylać w częściowej próżni. Ponieważ temperatura wrzenia rozpuszczalnika to temperatura, w której prężność par rozpuszczalnika jest równa ciśnieniu otoczenia, obniżenie ciśnienia w wieży powoduje obniżenie temperatury wrzenia rozpuszczalnika.
Zastosowanie techniki enkapsulacji w suszeniu rozpyłowym polega na przygotowaniu „odwodnionych” proszków substancji, które nie posiadają wody do odwodnienia. Na przykład mieszanki napojów instant to suszone rozpyłowo różne chemikalia, z których składa się napój. Technika ta była kiedyś używana do usuwania wody z produktów spożywczych. Jednym z przykładów jest przygotowywanie odwodnionego mleka. Ponieważ mleko nie było kapsułkowane, a suszenie rozpyłowe powoduje degradację termiczną , odwadnianie mleka i podobne procesy zostały zastąpione innymi technikami odwadniania. Odtłuszczone mleko w proszku są nadal szeroko produkowane przy użyciu technologii suszenia rozpyłowego, zwykle przy wysokim stężeniu substancji stałych w celu uzyskania maksymalnej wydajności suszenia. Degradację termiczną produktów można przezwyciężyć, stosując niższe temperatury robocze i większe rozmiary komór w celu wydłużenia czasu przebywania.
Ostatnie badania sugerują obecnie, że zastosowanie technik suszenia rozpyłowego może być alternatywną metodą krystalizacji amorficznych proszków podczas procesu suszenia, ponieważ wpływ temperatury na amorficzne proszki może być znaczny w zależności od czasu przebywania w suszeniu.
Aplikacje do suszenia rozpyłowego
Żywność: mleko w proszku, kawa, herbata, jaja, płatki zbożowe, przyprawy, aromaty, krew, skrobia i pochodne skrobi, witaminy, enzymy, stewia, odżywki, barwniki, pasza dla zwierząt itp.
Farmacja: antybiotyki, składniki medyczne, dodatki
Przemysłowe: pigmenty do farb, materiały ceramiczne, nośniki katalizatorów, mikroalgi
Bibliografia
- Charles Onwulata (2005). Żywność kapsułkowana i sproszkowana . Prasa CRC. P. 268. ISBN 978-0-8247-5327-6 .
Dalsza lektura
- Keey, RB, (1992). Suszenie materiałów sypkich i rozdrobnionych , wyd. 1, Taylor & Francis, ISBN 0-89116-878-8
- Ocena żywieniowa przetwórstwa spożywczego, wydanie drugie (1975), Robert S. Harris, Ph.D. i dr Endel Karmas. (red.)
- Cook, EM i DuMont, HD (1991) Process Drying Practice , McGraw-Hill, Inc., ISBN 0-07-012462-0