Введение
Метод преобразования жидкости или суспензии в порошок
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.
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 продукты питания и фармацевтические препараты, или материалов, требующих чрезвычайно стабильного размера частиц. В качестве нагретой сушильной среды обычно используется воздух; однако, если жидкость представляет собой легковоспламеняющийся растворитель, например этанол, или продукт чувствителен к кислороду, применяется азот. Все распылительные сушилки используют тот или иной тип распылителя или распылительной форсунки для диспергирования жидкости или суспензии в контролируемый размер капель. Наиболее распространенными являются роторные дисковые и одножидкостные форсунки с высоким давлением и завихрением. Известно, что роторные распылители обеспечивают более широкое распределение размеров частиц, но оба метода позволяют добиться стабильного распределения размеров частиц. В некоторых случаях альтернативно используются двухжидкостные или ультразвуковые форсунки. В зависимости от требований процесса, при соответствующем выборе можно получить капли размером от 10 до 500 мкм. Наиболее распространенные области применения – в диапазоне диаметров от 100 до 200 мкм. Сухой порошок часто обладает хорошей текучестью. Наиболее распространенный тип распылительных сушилок называется одноступенчатой. В верхней части камеры имеется единственный источник сушильного воздуха (см. №4 на схеме). В большинстве случаев воздух подается в том же направлении, что и распыляемая жидкость (котоковое течение). Получается мелкий порошок, но он может иметь плохую текучесть и образовывать много пыли. Для устранения пылеобразования и плохой текучести порошка было разработано новое поколение распылительных сушилок, называемых многоступенчатыми. Вместо сушки жидкости в одной стадии, сушка осуществляется в два этапа: первый – в верхней части (как в одноступенчатой сушилке), а второй – с использованием интегрированного статического слоя в нижней части камеры. Слой создает влажную среду, которая способствует агломерации мелких частиц, обеспечивая более однородный размер частиц, обычно в диапазоне от 100 до 300 мкм. Эти порошки обладают хорошей текучестью благодаря большему размеру частиц. Мелкий порошок, образующийся на первой стадии сушки, может быть возвращен в непрерывном потоке либо в верхней части камеры (вокруг распыляемой жидкости), либо в нижней части, внутрь интегрированного псевдоожиженного слоя. Окончательная сушка порошка может быть проведена на внешней вибрирующей псевдоожиженной установке. Горячий сушильный газ может подаваться как в котоковом направлении (совместно с направлением распыления жидкости), так и в противотоке (когда горячий воздух движется навстречу потоку из распылителя). При котоковом течении частицы проводят меньше времени в системе и в сепараторе частиц (обычно в циклоне). При противоточном течении частицы проводят больше времени в системе и обычно используются в сочетании с псевдоожиженным слоем. Котоковое течение, как правило, позволяет системе работать более эффективно. Альтернативы распылительной сушке:
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.
Лиофильная сушка (сублимационная сушка): более дорогой периодический процесс для продуктов, которые разлагаются при распылительной сушке. Сухой продукт не обладает хорошей текучестью. Барабанная сушка: менее дорогой непрерывный процесс для продуктов с низкой добавленной стоимостью; образует хлопья вместо свободно текущего порошка. Импульсная сушка: менее дорогой непрерывный процесс, способный обрабатывать жидкости с более высокой вязкостью и содержанием твердых веществ, чем распылительная сушка, и иногда позволяет получить порошок качества, близкого к лиофильному, с хорошей текучестью.
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.
История
Техника распылительной сушки была впервые описана в 1860 году, а первый аппарат для распылительной сушки был запатентован Сэмюэлем Перси в 1872 году. Со временем метод распылительной сушки становился все более популярным, изначально главным образом для производства молока в 1920-х годах и во время Второй мировой войны, когда возникла потребность в снижении веса и объема продуктов питания и других материалов. Во второй половине 20-го века коммерциализация распылительных сушилок возросла, как и число областей их применения.
Спрей-сушильник
Спрей-сушилка принимает жидкий поток и разделяет растворённое вещество или суспензию на твёрдый продукт и растворитель в виде пара. Твёрдый продукт обычно собирается в барабан или циклон. Жидкий входной поток распыляется через форсунку в горячий поток газа и испаряется. Твёрдые частицы образуются по мере быстрого удаления влаги из капель. Для достижения минимального размера капель обычно используется форсунка, что максимизирует площадь поверхности, а следовательно, теплообмен и скорость испарения воды. Размер капель может варьироваться от 20 до 180 мкм в зависимости от форсунки.
Микрокапсулирование
Спрей-сушка часто используется в качестве метода инкапсуляции в пищевой и других отраслях промышленности. Вещество, подлежащее инкапсуляции (наполнитель), и амфипатический носитель (обычно модифицированный крахмал) гомогенизируются в виде суспензии в воде (шлам). Затем шлам подается в распылительную сушилку, как правило, в башню, нагретую до температуры выше точки кипения воды. При попадании в башню шлам атомизируется. Частично из-за высокого поверхностного натяжения воды и частично из-за гидрофобных/гидрофильных взаимодействий между амфипатическим носителем, водой и наполнителем, атомизированный шлам образует мицеллы. Небольшой размер капель (в среднем 100 микрометров в диаметре) обеспечивает относительно большую площадь поверхности, которая быстро высыхает. По мере высыхания воды носитель формирует затвердевающую оболочку вокруг наполнителя. Потеря наполнителя обычно зависит от молекулярной массы: более легкие молекулы имеют тенденцию испаряться в больших количествах при температурах обработки. Промышленно потери минимизируются путем распыления в более высокие башни, где больший объем воздуха имеет более низкую среднюю влажность по мере протекания процесса. По принципу осмоса вода, благодаря разнице в фугаситивности в паровой и жидкой фазах, будет выходить из мицелл и переходить в воздух. Таким образом, тот же процент воды может быть удален из частиц при более низких температурах при использовании более высоких башен. Альтернативно, шлам можно распылять в частичный вакуум. Поскольку точка кипения растворителя – это температура, при которой давление паров растворителя равно окружающему давлению, снижение давления в башне приводит к снижению точки кипения растворителя. Применение метода инкапсуляции при распылительной сушке заключается в получении "обезвоженных" порошков веществ, которые не содержат воды для обезвоживания. Например, растворимые смеси для напитков получают путем распылительной сушки различных химических веществ, составляющих напиток. Ранее этот метод использовался для удаления воды из пищевых продуктов, например, при производстве сухого молока. Однако, поскольку молоко не инкапсулировалось, а распылительная сушка вызывает термическую деградацию, обезвоживание молока и аналогичные процессы были заменены другими методами обезвоживания. Порошки обезжиренного молока по-прежнему широко производятся с использованием технологии распылительной сушки, обычно при высокой концентрации твердых веществ для максимальной эффективности сушки. Термическую деградацию продуктов можно предотвратить, используя более низкие рабочие температуры и большие размеры камер для увеличения времени пребывания. Недавние исследования показывают, что распылительная сушка может быть альтернативным методом кристаллизации аморфных порошков в процессе сушки, поскольку влияние температуры на аморфные порошки может быть значительным в зависимости от времени пребывания при сушке.
Применение для сушки спреем
Пищевые продукты: молочный порошок, кофе, чай, яйца, злаки, специи, ароматизаторы, кровь, крахмал и производные крахмала, витамины, ферменты, стевия, нутрицевтики, красители, корма для животных и т.д. Фармацевтические: антибиотики, медицинские ингредиенты, добавки. Промышленные: пигменты для красок, керамические материалы, носители катализаторов, микроводоросли.