Кіріспе
Сұйықтықты немесе шламды ұнтаққа айналдыру әдісі. Спреймен кептіру – сұйықтықтан немесе шламнан ыстық газбен жылдам кептіру арқылы құрғақ ұнтақ түзу әдісі. Бұл көптеген жылуға сезімтал материалдарды, мысалы, тағамдық өнімдер мен фармацевтикалық препараттарды, немесе өте тұрақты, ұсақ бөлшектің мөлшерін қажет ететін материалдарды кептірудің басым әдісі. Қыздырылған кептіру ортасы ретінде әдетте ауа қолданылады; алайда, егер сұйықтық этанол сияқты тұтанғыш еріткіш болса немесе өнім оттегіге сезімтал болса, азот пайдаланылады. Барлық спрей кептіргіштер сұйықтықты немесе шламды бақыланатын тамшы мөлшерінде шашырату үшін қандай да бір атомизатор немесе шашырату сорғысын қолданады. Ең көп таралғандары – роторлық дискілер және бір ағынды жоғары қысымды айналмалы сорғылар. Атомизатор дөңгелектері бөлшек мөлшерінің кең таралуын қамтамасыз етеді, бірақ екі әдіс те бөлшек мөлшерінің тұрақты таралуын қамтамасыз етеді. Кейбір жағдайларда екі ағынды немесе ультрадыбыстық сорғылар қолданылады. Процесс талаптарына байланысты, тиісті таңдау арқылы 10-ден 500 мкм-ге дейінгі тамшы мөлшеріне қол жеткізуге болады. Ең көп қолданылатындары 100-ден 200 мкм диаметр аралығында. Құрғақ ұнтақ көбінесе еркін ағып тұрады. Спрей кептіргіштердің ең көп таралған түрі – бір эффектілі кептіргіштер. Камераның жоғарғы жағында (суреттегі №4) кептіру ауасының бір ғана көзі бар. Көп жағдайда ауа шашыратылған сұйықтықпен бір бағытта соққыланады (бірге ағын). Ұсақ ұнтақ түзіледі, бірақ оның ағыны нашар болуы және көп шаң пайда болуы мүмкін. Ұнтақтың нашар ағыны мен шаңдануын жою үшін жаңа буын спрей кептіргіштер – көп эффектілі спрей кептіргіштер жасалған. Сұйықтықты бір сатыда кептірудің орнына, кептіру екі сатыда жүзеге асырылады: біріншісі – жоғарғы жағында (бір эффектілі кептіру сияқты), екіншісі – камераның төменгі жағында орналасқан интеграцияланған статикалық төсекпен. Төсек кіші бөлшектердің бірігіп, үйір болуына себеп болатын ылғалды ортаны қамтамасыз етеді, әдетте 100-ден 300 мкм аралығында біртекті бөлшек мөлшерін шығарады. Бұл ұнтақтар бөлшектерінің ірілігіне байланысты еркін ағып тұрады. Бірінші сатыдағы кептіруден алынған ұсақ ұнтақтар камераның жоғарғы жағында (шашыратылған сұйықтықтың айналасында) немесе төменгі жағында, интеграцияланған ағынды төсектің ішінде үздіксіз ағынмен қайта өңделуі мүмкін. Ұнтақты кептіруді сыртқы дірілдегі ағынды төсекте аяқтауға болады. Қыздырылған кептіру газы бірге ағынмен, шашыратылған сұйықтық атомизаторымен бір бағытта немесе кері ағынмен, яғни ыстық ауа атомизатордан келетін ағынға қарсы бағытта жіберілуі мүмкін. Бірге ағынмен бөлшектер жүйеде және бөлшектерді бөлу құрылымында (әдетте циклон) аз уақыт өткізеді. Кері ағынмен бөлшектер жүйеде ұзақ уақыт өткізеді және әдетте ағынды төсек жүйесімен жұптасады. Бірге ағын жүйеге тиімді жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Спрей кептіргіштерге баламалар:
Мұздату кептіргіші: спрей кептіру кезінде бұзылатын өнімдер үшін қымбат партиялық процесс. Құрғақ өнім еркін ағып тұрмайды. Барабанды кептіргіш: төмен құнды өнімдер үшін арзан үздіксіз процесс; еркін ағып тұратын ұнтақтың орнына қабықшалар жасайды. Импульстік жану кептіргіші: спрей кептіргіштен қарағанда жоғары тұтқырлықты және қатты заттарды жүктеуге төтеп бере алатын арзан үздіксіз процесс, кейде еркін ағып тұратын құрғақ сапалы ұнтақ береді.
Spray drying is a method of forming a dry powder from a liquid or slurry by rapidly drying with a hot gas. This is the preferred method of drying of many thermally sensitive materials such as foods and pharmaceuticals, or materials which may require extremely consistent, fine particle size. Air is the heated drying medium; however, if the liquid is a flammable solvent such as ethanol or the product is oxygen sensitive then nitrogen is used. All spray dryers use some type of atomizer or spray nozzle to disperse the liquid or slurry into a controlled drop size spray. The most common of these are rotary disk and single fluid high pressure swirl nozzles. Atomizer wheels are known to provide broader particle size distribution, but both methods allow for consistent distribution of particle size. Alternatively, for some applications two fluid or ultrasonic nozzles are used. Depending on the process requirements, drop sizes from 10 to 500 μm can be achieved with the appropriate choices. The most common applications are in the 100 to 200 μm diameter range. The dry powder is often free flowing. The most common type of spray dryers are called single effect. There is a single source of drying air at the top of the chamber (see n°4 on the diagram). In most cases the air is blown in the same direction as the sprayed liquid (co current). A fine powder is produced, but it can have poor flow and produce much dust. To overcome the dust and poor flow of the powder, a new generation of spray dryers called multiple effect spray dryers have been produced. Instead of drying the liquid in one stage, drying is done through two steps: the first at the top (as per single effect) and the second with an integrated static bed at the bottom of the chamber. The bed provides a humid environment which causes smaller particles to clump, producing more uniform particle sizes, usually within the range of 100 to 300 μm. These powders are free flowing due to the larger particle size. The fine powders generated by the first stage drying can be recycled in continuous flow either at the top of the chamber (around the sprayed liquid) or at the bottom, inside the integrated fluidized bed. The drying of the powder can be finalized on an external vibrating fluidized bed. The hot drying gas can be passed in as a co current, same direction as sprayed liquid atomizer, or counter current, where the hot air flows against the flow from the atomizer. With co current flow, particles spend less time in the system and the particle separator (typically a cyclone device). With counter current flow, particles spend more time in the system and is usually paired with a fluidized bed system. Co current flow generally allows the system to operate more efficiently. Alternatives to spray dryers are:
Freeze dryer: a more expensive batch process for products that degrade in spray drying. Dry product is not free flowing. Drum dryer: a less expensive continuous process for low value products; creates flakes instead of free flowing powder. Pulse combustion dryer: A less expensive continuous process that can handle higher viscosities and solids loading than a spray dryer, and sometimes yields a freeze dry quality powder that is free flowing.
Тарих
Спреймен кептіру әдісі алғаш рет 1860 жылы сипатталды, ал Сэмюэл Перси 1872 жылы осы әдіс бойынша бірінші құралды патенттеді. Уақыт өте келе, спреймен кептіру әдісінің танымалдылығы артты, бастапқыда 1920 жылдары және Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде сүт өндірісінде кеңінен қолданылды, себебі тағам және басқа материалдардың салмағы мен көлемін азайту қажеттігі туындады. 20-шы ғасырдың екінші жартысында спрей кептіргіштердің коммерциялануы күшейді, сондай-ақ спреймен кептіруге қолданылатын салалардың саны да артты.
Спрей құрғатқышы
Спрей кептіргіші сұйық ағынды қабылдап, ерітіндіні немесе суспензияны қатты зат ретінде, ал еріткішті бу ретінде бөліп шығарады. Қатты зат көбінесе барабан немесе циклонға жиналады. Сұйық ағын форсунка арқылы ыстық бу ағынына шашыратылып, буланыстырылады. Ылғал тамшылардан жылдам кеткенде қатты заттар пайда болады. Тамшыларды мүмкіндігінше кішкентай ету үшін көбінесе форсунка қолданылады, бұл беттік ауданын арттырып, жылу алмасуды және судың булану жылдамдығын жоғарылатады. Тамшылардың мөлшері форсункаға байланысты 20-ден 180 мкм-ға дейін болуы мүмкін.
Микрокапсуляция
Спреймен кептіру көбінесе тамақ және басқа да өнеркәсіптерде инкапсуляция әдісі ретінде қолданылады. Инкапсуляциялануға тиіс зат (жүк) және амфипатиялық тасымалдаушы (әдетте, модификацияланған крахмалдың бір түрі) судағы суспензия ретінде гомогендендіріледі (суспензия). Содан кейін суспензия қайнау температурасынан жоғары температурада қыздырылатын мұнараға, яғни спрей кептіргішке жіберіледі. Мұнараға енген кезде суспензия атомизацияланады. Судың жоғары беттік кернеуінің және амфипатиялық тасымалдаушы, су және жүк арасындағы гидрофобтық/гидрофильді өзара әрекеттесудің нәтижесінде атомизацияланған суспензия мицеллаларды құрайды. Тамшылардың кішкентай мөлшері (диаметрі шамамен 100 микрометр) салыстырмалы түрде үлкен беттік аумақты қамтамасыз етеді, ол тез кептіріледі. Су кепкен кезде тасымалдаушы жүк айналасында қатты қабықша құрайды. Жүктің жоғалуы көбінесе молекулалық салмаққа байланысты болады. Яғни, жеңіл молекулалар өңдеу температурасында үлкен мөлшерде буланып кетеді. Өнеркәсіптік жағдайда жоғалуды жоғары мұнараларға шашырату арқылы азайтуға болады. Үлкен көлемдегі ауа процестің барысында төменгі орташа ылғалдылыққа ие болады. Осмоз принципі бойынша, судың бу және сұйық фазалардағы қашықтығының айырмасы мицеллалардан шығып, ауаға өтуіне ынталандырады. Сондықтан, үлкен мұнаралар қолданылса, бөлшектерден судың бірдей пайызын төмен температурада кептіруге болады. Балама ретінде, суспензия жартылай вакуумға шашыратылуы мүмкін. Еріткіштің қайнау нүктесі – еріткіштің бу қысымының орталық қысымға тең болатын температура болғандықтан, мұнарадағы қысымды төмендету еріткіштің қайнау нүктесін төмендетуге әсер етеді. Спреймен кептіру инкапсуляциялау техникасының қолданылуы – сусыздандыруға суы жоқ заттардың «сусыздалған» ұнтақтарын дайындау болып табылады. Мысалы, жылдам дайындалатын сусын қоспалары – сусынды құрайтын әртүрлі химиялық заттардың спреймен кептірілген өнімдері. Бұл техника бұрын тағамдық өнімдерден суды алу үшін қолданылған. Мысалы, сусыздалған сүтті дайындау. Сүт инкапсуляцияланбаған және спреймен кептіру термиялық деградацияға себеп болғандықтан, сүтті сусыздау және ұқсас процестер басқа сусыздау техникаларымен алмастырылды. Қою сүт ұнтақтары әлі де кеңінен спреймен кептіру технологиясын қолдана отырып, әдетте кептірудің максималды тиімділігі үшін қатты заттардың жоғары концентрациясында өндіріледі. Өнімдердің термиялық деградациясын төмен жұмыс температурасын және ұзақ уақытқа тоқтау үшін үлкен камера өлшемдерін қолдану арқылы жеңуге болады. Жақындағы зерттеулер спреймен кептіру техникаларын кептіру процесінде аморфты ұнтақтарды кристалдаудың баламалы әдісі ретінде қолдануға болатынын көрсетеді, себебі температураның аморфты ұнтақтарға әсері кептіру уақытына байланысты маңызды болуы мүмкін.
Спреймен кептіру
Тамақ: сүт ұнтағы, кофе, шай, жұмыртқа, жартылай дайын тағамдар, дәмдеуіштер, хош иістендіргіштер, қан, крахмал және крахмал туындылары, витаминдер, ферменттер, стевия, нутрицевтикалық заттар, бояғыш заттар, мал азығы және т.б. Фармацевтикалық: антибиотиктер, медициналық ингредиенттер, қоспалар. Өнеркәсіптік: бояу пигменттері, керамикалық материалдар, катализатор тасымалдағыштары, микробалдырлар.