Lui-kafe.ru

Кафе "Луи"
9 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Распылительная сушка

РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ СУШКА

В химической и других отраслях промышленности мно­гие вещества первоначально получают в виде растворов или суспензий, а затем обезвоживанием выделяют необхо­димый сухой продукт. Если конечный продукт должен быть получен в гранулированном виде, возможна организация процессов по стадиям: обезвоживание и затем гранулиро­вание. В то же время технологически целесообразнее и,
как правило, экономически выгоднее совмещать процессы обезвоживания и гранулирования конечного продукта в одной операции.

Наиболее широко используемым процессом обезвожи­вания является сушка в потоке теплоносителя, обычно на­гретого газа. Для интенсификации процесса сушки необ­ходимо создать максимальную поверхность высушиваемого продукта и обеспечить подвод к нему нужного количества сушильного агента —- газа.

Широко распространенным способом сушки жидкостей является распылительная. Она заключается в дисперги­ровании материала при помощи специальных приспособ­лений (форсунки, диски и т, д.) и высушивании его в пото­ке теплоносителя (дымовые газы, нагретый воздух и пр.). Огромная поверхность диспергированных жидких частиц (суммарная) способствует интенсивному тепло — и массооб — мену их с теплоносителем, благодаря чему они быстро те­ряют влагу и падают вниз в виде сухого продукта. Распыли­тельная сушка пригодна для любых продуктов, которые могут быть поданы в диспергирующее устройство.

Способ обезвоживания распылением обладает рядом преимуществ по сравнению с другими возможными реше­ниями [32]. Благодаря чрезвычайно быстрому протеканию процесса (15—30 с) для сушки любых материалов, в том чис­ле и термочувствительных, можно применять высокотемпе­ратурный сушильный агент, что интенсифицирует процесс. В то же время готовый продукт имеет высокие качествен­ные показатели, сравнимые только с показателями, дости­гаемыми при сушке в глубоком вакууме. Распылительная сушка позволяет получать продукт с заданными физико­механическими характеристиками, такими, как форма час­тиц, конечная влажность и пр. Готовый продукт обладает высокой растворимостью. Применение распылительной сушки радикально преобразует технологию получения сухого продукта из жидкостей, при этом исключаются такие процессы, как фильтрация, центрифугирование, размол и т. п. Сушка распылением осуществляется в широких тем­пературных пределах (60—1200° С), при этом высушивае­мый материал не соприкасается с поверхностями сушилки до момента превращения его в сухой продукт, что исклю­чает коррозию сушильной камеры. Распылительная сушка решает проблему смешения компонентов простым смеше­нием жидкостей. Высокая производительность процесса позволяет создавать установки большой единичной мощ­ности.

К недостаткам распылительной сушки относятся боль­шие габариты установок и сложность оборудования, вы­сокая энергоемкость производства, небольшая объемная масса полученного продукта (порошка), что требует для по­лучения необходимой плотности установки дополнитель­ного оборудования (аппарата для брикетирования и т. п.). Для улучшения технико-экономических показателей (про­изводительности, энергоемкости, себестоимости и т. п.) необходимо интенсифицировать процесс, а с целью улуч­шения качества готового продукта — обеспечить усло­вия получения гранул.

Некоторые физико-химические и кинетические основы процесса сушки. При сушке материала влага из внутрен­них областей тела перемещается к наружным и испаря­ется с его поверхности. Образуется перепад влагосодержа — ния поверхностного слоя и внутренних слоев, что вызывает диффузию влаги к поверхности. Действие механизма пере­мещения влаги из внутренних областей к наружным (кон­центрационной диффузии) осложняется термодиффузией

перемещением влаги от поверхности материала к его ядру, поскольку температура поверхности выше температуры ядра. В капиллярно-пористых телах замечена диффузия скольжения — перенос влаги при испарении ее внутри те­ла направлен противоположно потоку тепла [30]. При рас­пылительной сушке растворов и суспензий испарение происходит во всем объеме капли до образования корки на поверхности ее, а затем продолжается во внутренних областях, причем образовавшийся пар диффундирует сквозь корку в поток теплоносителя.

Среднее влагосодержание и (т) и средняя температура тела 7 изменяются с течением времени. Зная закономернос­ти кинетики процесса сушки, можно рассчитать количество испаренной влаги из материала и расход тепла на сушку. На кинетику сушки значительное влияние оказывают фи­зико-химические свойства самого сохнущего материала, особенно форма связи влаги, определяющие механизм тепловлагопереноса внутри тела. Определение величины локального влагосодержания и и локальной температуры /, т. е. полей влагосодержания и (х, у, z, т) и температуры t (х, у, 2, т), связано с решением системы нелинейных диф­ференциальных уравнений массо — и теплопереноса при

соответствующих граничных условиях, отображающих способ и режим сушки [30].

Гораздо проще определяется изменение с течением вре­мени средних влагосодержания и температуры тела, зави­сящих, в первую очередь, от протекания внешнего тепло — и массообмена.

Обычно для инженерных расчетов достаточно знать ос­новные закономерности протекания процесса сушки и при­ближенные соотношения между средним влагосодержани — ем и временем, а также фор­мулы для расчета расхода теп — . л а, т. е. уравнения баланса. «

На основании анализа ре — | зультатов многочисленных эк — Ц спериментов А. В. Лыковым [30] сделан вывод, что весь процесс сушки разделен на два периода (рис. 49): период постоянной скорости, в кото­ром температура материала постоянна (dt/dx=0), и период падающей скорости — тем­пература материала переменна (dt/dx >0). Влагосодержание в момент перехода перво­го периода во второй называют критическим (1Екр).

В работе рассматривается процесс сушки тел, небольших по размерам, что позволяет допускать, что перепады влаго­содержания внутри тела малы.

Стадия, в которой происходит подогрев материала, называется начальной, для нее характерна медленная убыль влагосодержания. Для дисперсных материалов эта стадия незначительна. В дальнейшем влагосодержание материала уменьшается по линейному закону (кривая сушки имеет вид прямой), при этом убыль влагосодержания в единицу времени (скорость сушки) будет постоянной. Поверхность материала в течение этого времени имеет температуру, рав­ную температуре адиабатического насыщения воздуха (температура мокрого термометра).

Ядро материала прогревается медленнее. Его темпера­тура становится равной температуре мокрого термометра позже, чем поверхностные слои. Когда температура ядра и поверхности становится одинаковой, перепад между ними
и температурой воздуха будет постоянной величиной. При неизменном коэффициенте теплообмена интенсивность сушки также будет постоянной — это период постоян­ной скорости, характеризующийся неизменной темпера­турой материала (dt/dx—O). Начиная с некоторой величины влагосодержания U7KP, температура материала повыша­ется, причем рост температуры ядра отстает от роста тем­пературы поверхности, а скорость сушки уменьшается (кривая сушки асимптотически приближается к равновес­ному влагосодержанию). Этот период называют периодом падающей скорости сушки.

Кинетические зависимости процесса. Процесс обезво­живания капель растворов, содержащих нелетучие вещест­ва (соли и т. п.) в растворенном виде, существенно отли­чается от испарения капель чистых жидкостей. По сущест­ву при обезвоживании протекают два процесса: испарение растворителя и сушка твердого остатка. При рассмотре­нии испарения капель чистой жидкости можно принять, что условия протекания процесса по сечению капли одно­родны, но при обезвоживании растворов условия можно считать однородными только в начальный момент (при по­догреве капли). Как только начинается интенсивное испа­рение с поверхности капли, по сечению ее возникает гради­ент концентрации растворенного вещества, диффузия раст­ворителя будет направлена к поверхности капли, а раство­ренного вещества — к ее центру.

В работе [75] установлен и описан математически про­цесс диффузионного массопереноса в капле при испарении ее. При этом принимается, что накопление растворенного вещества в поверхностном слое в единицу времени равно ко­личеству этого вещества, помещающемуся в объеме испа­рившейся жидкости. Использовано также эксперименталь­но установленное соответствие скорости испарения dm/dx капель водных растворов скорости испарения капель чистой воды такого же диаметра. Твердая фаза появляется тогда, когда поверхностная концентрация становится насыщенной.

На практике очень важно знать величину xs— время испарения капли от момента ее образования до начала кри­сталлизации (выделения твердой фазы на поверхности капли). В работе [75] выведено следующее уравнение для определения хs’

(d2Q/AR2) In (ск/с„) мет

Ts Ф2 + 2р 1п (ск/с0) > (

где с0 — начальная концентрация раствора; ск — конеч­ная концентрация раствора; Ф, <3 — расчетные величины, зависящие от свойств раствора и размеров капли.

Обычно уравнения, выведенные для расчета времени по­явления твердой фазы и концентрации растворенного ве­щества у поверхности капли, сложны и неудобны для инже­нерных расчетов, поскольку включают, как и приведенное выше уравнение, величины, характеризующие диффузион­ные свойства растворенных веществ, скорость испарения, за­висимость текущего диаметра капли от времени, которые обычно неизвестны.

Рассмотрим несколько подробнее физику процесса гра­нулирования растворов распылением их в высокотемпе­ратурную газовую среду. Обезвоживание капель сопро­вождается значительным и быстрым изменением их разме­ров, при аналитическом рассмотрении этого процесса не­обходимо учитывать движение границы раздела фаз капля— газовая среда, а также нестационарность процесса, вызван­ную концентрационными и температурными градиентами в капле. Это очень сложный, малоизученный процесс.

В работе [32] описываются различные варианты обра­зования твердой фазы в капле, зависящие от параметров факела распыла, аэродинамики распылительной установ­ки, параметров теплоносителя и свойств распыляемой жид­кости. Твердая фаза может образовываться одновремен­но во всем объеме капли либо вначале в центре капли (или на поверхности) и оттуда распространяется к поверхности (или центру). Решение первого варианта заключается в опре­делении температурных и концентрационных полей в объеме капли — частицы при равномерном распределении источников (стоков) тепла [31].

В двух случаях образование твердой фазы может рас­сматриваться как задача о сопряжении двух температур­ных (концентрационных) полей при наличии особого гра­ничного условия на подвижной границе раздела. Такого рода задачи (с фазовыми превращениями на движущейся поверхности раздела фаз) относятся к так называемым за­дачам Стефана.

В последние годы предложено несколько решений за­дач о затвердевании капель с учетом различных условий (упрощений). Известно решение задачи о затвердевании шара с учетом изменения температуры фронта кристалли­зации в предположении, что затвердевание начинается с поверхности шара и далее концентрически распространя­ется вглубь. Выведена формула для расчета времени пол­ного затвердевания шара, решения которой возможны при использовании определенной связи между температурой фронта кристаллизации и линейной скоростью кристалли­зации

Решение задачи при обезвоживании влажных частиц с учетом структурно-механических изменений является еще более сложным, чем рассмотренная выше задача о пе­реносе тепла при затвердевании сферы с учетом превраще­ния фаз на движущейся границе раздела.

Известно, что при гранулировании распылением раст­воров в газовой среде могут формироваться монолитные, полые, сферические или многогранные частицы. Твердая корка, образовавшаяся на поверхности частицы, оказы­вает огромное влияние на интенсивность дальнейшей суш­ки ее и на размеры и характеристики готового продук­та. Авторы работы [75] экспериментально установили, что скорость испарения после образования корки на кап­лях водных растворов неорганических солей уменьшается незначительно по сравнению со скоростью испарения со свободной поверхности капли, что связано с большой по­ристостью корки.

При распылении растворов эмульсий и суспензий, от­личных от растворов неорганических солей (растворов пигментов, молока, экстракта кофе и т. п.), установлено зна­чительное различие в интенсивности обезвоживания капель на стадиях испарения с поверхности капли и сушки после образования корки.

Исследования, проведенные в Институте технической теплофизики АН УССР О. А. Кремневым и А. А. Долин­ским [20; 28], по испарению и сушке единичных капель не­которых растворов высокомолекулярных веществ, к кото­рым относится ряд медицинских препаратов (антибиотики, кровозаменители), показали, что процесс обезвоживания капель растворов при температуре газовой среды выше 100° С существенно отличается по характеру от процесса сушки, протекающего при температуре теплоносителя ни­же 100° С. При этом подтверждена установленная многими исследователями периодичность процесса сушки капель и установлено наличие еще одного периода, протекающего при постоянной температуре, равной температуре кипе­ния раствора в капле.

А. А. Долинским [20] на основании большого количест­ва экспериментов установлено, что распылительная суш­ка водных растворов, содержащих нелетучие твердые ве­щества, при температуре теплоносителя выше температуры кипения соответствующего раствора, включает пять пе­риодов: прогрева капли; испарения капли при температу­ре, близкой к температуре мокрого термометра; образова­ния корки, в котором температура повышается от темпе­ратуры мокрого термометра до температуры кипения; обезвоживания при температуре капли, ррвной темпера­туре кипения раствора; сушки капли (частицы) до равно­весной влажности, когда температура ее приближается к температуре теплоносителя.

В работах [20; 28] описаны существенные особенности при испарении и сушке капель коллоидных растворов, а также намечены пути интенсификации процесса распыли­тельной сушки, результатами которых явилась разработ­ка двухступенчатого метода распылительной сушки вы­соковлажных термочувствительных растворов, который теперь широко применяется в производстве медицинских препаратов, и пр.

Большой интерес представляет создание физической модели процесса, т. е. установление кинетических зависи­мостей для каждой стадии процесса обезвоживания раст­воров с целью интенсификации его и получения данных для расчета установок. Такие исследования проводятся в Институте теплофизики АН УССР. Они показали зна­чительное влияние природы раствора и внутренних процес­сов переноса на интенсивность и температуру испарения капли, характер термограмм обезвоживания и теплообмен с внешней газовой средой, длительность и другие харак­теристики процесса.

Для отдельных стадий процесса распылительной сушки выведены кинетические зависимости [20]. Выше отмеча­лось, что обезвоживание капель растворов в целом явля­ется нестационарным процессом. Интенсивность испарения

влаги с поверхности капли до момента коркообра-

зования не изменяется или несколько увеличивается в том случае, если эффект уменьшения диаметра больше эффекта повышения температуры равновесного испаре­ния. После образования корки интенсивность испарения (сушки) уменьшается, стремясь в пределе к нулю. В тече­
ние периода кипения интенсивность процесса практически постоянна, следовательно, это период постоянной скорости обезвоживания. В работе [20] отмечается ошибочность принимаемого зачастую предположения, что при распыли­тельной сушке внутренние процессы обезвоживания не лимитируют интенсивность внешнего процесса переноса.

Использовав интегральный метод Гудмена, А. А. До­линской [201 в результате решения уравнений теплопро­водности и диффузии для внешней (газовой) и внутренней (жидкой) сред получил расчетные соотношения, позволяю­щие определить температуру, концентрацию газовой и жидкой сред и продолжительность стадий процесса. При этом скорость испарения капли с учетом релаксации внеш­него температурного поля и движения поверхности раздела фаз представлена как скорость испарения капли чистой жидкости в стационарных условиях, умноженная на фактор нестационарности, зависящий от текущей координаты по­верхности раздела фаз С и координаты фронта изменения температуры.

Читать еще:  Магнитик сердечко своими руками на День влюбленных

Принятая модель диффузионного переноса массы внут­ри испаряющейся капли раствора математически представ­лена в виде зависимости, позволяющей определить прост­ранственно-временное изменение концентрации раствора в капле при 0

Глава 3. Распылительная сушка суспензий (лекция 7)

Распылительная сушка процесс дробления суспензии на капли с последующим их быстрым высыханием и образованием гранул шаровой формы с гладкой поверхностью. При этом в одной установке осуществляется несколько технологических операций: распыление и сушка суспензий, образование и сепарация высушенных гранул. Весь цикл длится доли минуты, а получаемые продукты имеют температуру не выше 5570°С. В России первые опыты по применению распылительной сушки проведены в 1954, 1955 гг.

Распыление это дробление и распределение суспензии в некотором объеме в виде мелких капель, что позволяет получить развитую поверхность распыленного вещества. В результате механического воздействия на суспензию образуются движущиеся тонкие нити или пленки, распадающиеся на отдельные капли. Это происходит за счет кинетической энергии, передаваемой в зависимости от вида распылителя давлением насоса, сжатого воздуха.

Сущность сушки материалов в распыленном состоянии в том, что диспергированная в виде капель масса при своем движении в замкнутом нагретом объеме обезвоживается вследствие разности парциальных давлений паров жидкости на поверхности капель и в окружающей среде, обусловленных температурными воздействиями. Процесс удаления влаги и эффективность тепломассообмена в материале определяется уравнением

m = В (Рп Рс),

где m плотность потока влаги; В коэффициент испарения; Рп и Рс соответственно парциальные давления пара у поверхности материала и в окружающей среде под действием температуры.

По современным представлениям распылительная сушка комплексный процесс, состоящий из переноса тепла и влаги внутри материала, а также обмена энергией и массой между высушиваемым материалом и высушивающей средой. Благодаря большой удельной поверхности диспергированной массы происходит равномерное испарение влаги с поверхности всех капель. Выделение пара из частиц вызывает сильное торможение и снижение скорости полета этих частиц. Хотя начальная температура теплоносителя составляет 350400°С, частицы этой температуры не достигнут, так как, перемещаясь с нагретым воздухом, они одновременно охлаждаются в результате испарения влаги. Шаровая форма гранул сохраняется благодаря поверхностной пленке, поверхностное натяжение которой стягивает глубинные молекулы капель суспензии. Этим методом можно получать гранулы с размерами от нескольких микрометров до 400500 и более.

Принцип работы такой установки виден на рис. 14. Насосом 11 суспензия по трубопроводу 12 подается на форсунку 13 и распыляется в камере 5. Теплоноситель поступает в камеру по воздуховоду 15 от нагревательного устройства 14 (газового или электрического) через закручивающую улитку 1 и затягивается в сушильную камеру вентилятором 6.

Рис. 14. Схема установки для распылительной сушки суспензий

1 – закручивающаяся улитка; 2, 4, 7, 12, 15 – трубопроводы; 3 – фильтр;

5 – сушилка; 6 – вентилятор; 8 – циклон; 9 – выпускная труба; 10 – затвор;

11 – насос; 13 – форсунка; 14 – калорифер; S – характеристический размер сушилки; Нц – высота цилиндрической части; D – диаметр цилиндрической части

Высохшие гранулы ссыпаются по конической части камеры и через шлюзовой затвор 10 выгружаются в специальные сборники. Отработанные газы, пары влаги и мелкие фракции гранул через выпускную трубу 9 поступают в циклон 8, где происходит отделение последних. Очищенные газы вентилятором через трубопроводы 7 и 4 выбрасываются в атмосферу. Для более тщательной очистки отработанные газы пропускаются через мокрые скрубберы или тканевые фильтры 3. Важная роль в этой системе отводится вентилятору 6, который затягивает в камеру теплоноситель, обеспечивает сепарацию высушенных продуктов в нижней части камеры, отделяет мелкие фракции в циклоне и удаляет отработанный теплоноситель из сушиль­ной камеры. Поскольку воздух не нагнетается, а всасывается, то в камере создается разрежение, степень которого контролируется и является одним из параметров технологического процесса.

Распылительная сушка осуществляется в СГУ, которые могут работать по принципу прямотока, когда теплоноситель и распыливаемая суспензия подаются в одном направлении, обычно сверху (см. штриховые линии на рис. 14); и противотока, когда теплоноситель подается сверху, а суспензия снизу. Распыление может производиться механическими, пневматическими, дисковыми (турбинными), ультразвуковыми и другими устройствами. От вида СГУ и распылителя в значительной степени зависят технологические режимы процесса и качественные показатели гранулированных продуктов.

Для процесса распылительной сушки суспензий свойственно явление термического удара, обусловленного температурным градиентом в объемах отдельных гранул. На гранулах образуется упрочненная коркообразная оболочка, затрудняющая выход влаги. Это приводит к неравномерному распределению остаточной влажности в грануле от сухой поверхности до пастообразного состояния в центре. При получении этим методом пластифицированных пресс-порошков в условиях значительного проявления термического удара ухудшается технологичность материала при прессовании изделий: уменьшение механической прочности прессовок; налипание массы порошка на прессующие пуансоны и т. п. Явление термического удара не следует рассматривать обособленно от схемы распыления и подачи теплоносителя в СГУ, так как кинетика сушки от этого меняется. Когда применяются прямоточные установки, термический удар меньше, чем в противоточных. Хотя это явление присуще самому методу распылительной сушки, тем не менее, снижение степени его влияния и улучшение качества высушенных продуктов возможны и являются актуальными вопросами технологии. Существует несколько путей борьбы с этим явлением: увеличение дисперсности распыла; снижение температуры сушки и разности температур на входе и выходе установки. Наиболее эффективно применение специальных добавок ПАВ.

К достоинствам метода распылительной сушки относятся: быстрота процесса обезвоживания (530 с) и образование гранул сферической формы; высокое качество продукции, сравнимое с сушкой в вакууме; возможность регулирования характеристик гранулированных материалов за счет технологических режимов, состава суспензии и введения комплекса ПАВ различного функционального назначения; высокая сыпучесть и стабильность свойств гранулированных порошков; большая производительность при малой трудоемкости, автоматизация процесса; в случае получения гранулированных пластифицированных пресс-порошков у них значительно повышается технологичность.

К недостаткам метода относятся: образование коркообразных оболочек на гранулах, кратеров и пустот в них, что ухудшает процесс прессования изделий; налипание порошков на внутренние поверхности СГУ; трудность сохранения заданного химического состава материалов, содержащих летучие компоненты; повышенные расходы энергоносителей электричества, газа, сжатого воздуха и воды.

Дисперсность капель при распылении суспензии определяет гранулометрический состав высушенных продуктов, а форма факела степень налипания суспензии в сушильной камере. Температурные режимы должны обеспечивать образование гранул с заданной остаточной влажностью. Разность температур входа и выхода используется для подсчета количества испаренной влаги и производительности процесса. Разрежение в камере определяет степень турбулентности и скорость тепловых потоков воздуха, которые, в свою очередь, обусловливают время пребывания гранул в камере сушки.

Использование распылительной сушки при гранулировании дисперсных материалов требует:

– выбора типа СГУ и средств распыления суспензии, обеспечивающих необходимую производительность при заданной гранулометрии продукта и стабильность технологического процесса, не допускающего налипания невысохшей суспензии на внутренние поверхности сушильной камеры;

– определения состава суспензии с добавками органических веществ, от которых зависят реологические и технологические свойства суспензии и характеристики высушенных продуктов;

– подбора технологических режимов приготовления и распылительной сушки суспензий, определяющих свойства и технологичность высушенных материалов;

– корректировку технологических режимов на последующих операциях предварительного обжига, прессования и спекания изделий.

Главное при разработке технологии распылительной сушки для конкретных материалов состоит в правильном выборе типа и размеров камеры СГУ, в противном случае будет иметь место налипание материала внутри сушильной камеры и в большой мере проявится отрицательное явление термического удара при образовании гранул, возникнут серьезные трудности при внедрении новой технологии в производство.

На распылительные сушилки имеется стандарт (ГОСТ 1890680), который нормализует все СГУ и определяет методику выбора и расчета сушильных камер. Однако действие этого стандарта не распространяется на СГУ специального назначения (это в ГОСТ оговорено), к которым следует отнести и оборудование, необходимое в производстве РЭМ.

Согласно нормализованной методике, для СГУ установлен удельный влагосъем в камерах 10 кг/(м 3 ч). В условиях специфичности требований к РЭМ этот показатель нельзя признать удовлетворительным, так как он определенным образом влияет на ход технологического процесса и качество получаемого продукта. Практика показала, что удельный влагосъем должен выбираться 1,53,0 кг/(м 3 ч). Эти значения подтверждаются и разработками по данному виду оборудования ведущих фирм Niro-Аtomiser (Дания) и Dorst (ФРГ). Выбор и расчет СГУ производят по двум методикам по материально-тепловому балансу и геометрическим размерам факела распыла суспензий.

Рациональным и обоснованным является проверка результатов расчетов на специальном макете из полимерной пленки. Учитывая сложность выбора и работы СГУ зарубежные фирмы прикладывают к технической документации таблицы и графики зависимости технологических режимов (температуры, параметров факела распыла) от расхода и давления суспензии, геометрических размеров распыляющих сопел и завихрительных камер. При этом особое внимание обращается на химический состав и свойства обрабатываемых материалов.

В технологии РЭМ распылительная сушка прогрессивный технологический процесс. Быстрота превращения капли суспензии в твердую гранулу сохраняет высокую однородность химических составов шихт, полученную на предыдущих операциях мокрого смешения и помола. При сушке суспензий на поддонах в термостатах имеет место расслоение компонентов с разными физико-химическими свойствами. Пресс-порошки, полученные распылительной сушкой, не требуют подсушки, так же, как и прессованные изделия, обладают хорошими технологическими характеристиками, что позволяет увеличить точность и стабильность геометрических размеров, плотность структуры и качество изделий. Износостойкость пресс-оснастки также значительно возрастает. В технологическом процессе сушка распылением может применяться трижды. В технологии сложных композиций отдельные исходные компоненты подлежат обезвоживанию еще до смешения их в шихте, как, например, Аl2О3 в вакуумно-плотной керамике. Оксид подвергается мокрому измельчению с последующей сушкой. В этом случае рационально применять распылительную сушку. Шихты исходных компонентов различных РЭМ, как правило, после смешения и помола подвергают предварительному обжигу. Если материал получить в гранулированном состоянии с хорошей сыпучестью, обжиг можно проводить в динамическом состоянии, например, в печах вращающихся, виброкипящих и т. п. Другими методами трудно получать гранулированную шихту. И, наконец, получение пластифицированных пресс-порошков методом распылительной сушки трудно переоценить. Однако технология сушки распылением, особенно в последнем случае, имеет свои специфические особенности и трудности. Стандартные установки предназначены для сушки и обезвоживания материалов, а в технологии РЭМ СГУ должны обеспечить формирование определенного комплекса технологических характеристик материалов для последующего изготовления изделий с заданными электрическими и геометрическими параметрами.

Специфичность технологии распылительной сушки определяется:

присутствием в составе распыливаемых суспензий связующих, пластифицирующих и смазывающих веществ, большинство которых обладает адгезионными свойствами, интенсифицирует налипание невысохших гранул на внутренние поверхности сушильной камеры. К тому же некоторые вещества при нагреве претерпевают структурные изменения (стеклование, дегидратация, образование конденсационно-кристаллизационных фаз), гранулы прочно схватываются» со стенками и из-за плохой растворимости их трудно отмывать;

высокими вязкостью и плотностью при низкой влажности суспензий (для улучшения технологичности материалов), которые затрудняют процессы факелообразования суспензий при распылении в сушильной камере;

наличием незначительной (0,10,5%) и однородной влажности гранул пресс-порошков, обеспечивающей качественное прессование изделий;

большой номенклатурой изделий РЭМ, обусловливающей разные требования к гранулометрическому составу пресс-порошков и оборудованию.

При получении гранулированного материала с заданными свойствами важными являются вопросы состава суспензий с комплексом различных ПАВ, факелообразование при распылении, скорость сушки, температура, давление, степень разряжения в камере.

В некоторых технологических процессах изготовления РЭМ операции смешения и помола шихты исходных компонентов проводят в среде этилового спирта, так как вода не позволяет достичь нужного эффекта.

Вода при взаимодействии с некоторыми окислами образует гели на поверхности частиц (MgО, ТiO2) или не смачивает материал (сажа, стеараты) ввиду его гидрофобности. Эти обстоятельства препятствуют достижению гомогенности смеси и затрудняют измельчение. Этиловый спирт обладает значительно меньшим (в 23 раза) значениями поверхностного натяжения, сил межмолекулярного взаимодействия, параметра растворимости и значительно технологичнее воды, а также является ПАВ (табл. 3).

Распылительная сушка

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 . Постоянное распределение частиц по размеру является причиной для распылительной сушки некоторых промышленных продуктов, таких как катализаторы. Воздух — это нагретая сушильная среда; однако, если жидкость представляет собой легковоспламеняющийся растворитель, такой как этанол, или продукт чувствителен к кислороду, используется азот . [1]

Во всех распылительных сушилках используются распылители или распылительные насадки того или иного типа для диспергирования жидкости или суспензии в распылитель с контролируемым размером капель. Наиболее распространенными из них являются вращающийся диск и одинарные вихревые форсунки высокого давления. Колеса распылителя, как известно, обеспечивают более широкое распределение частиц по размеру, но оба метода позволяют обеспечить согласованное распределение частиц по размеру. [2] В качестве альтернативы для некоторых применений используются двухжидкостные или ультразвуковые форсунки . В зависимости от требований процесса при соответствующем выборе могут быть достигнуты размеры капель от 10 до 500 мкм. Чаще всего применяется диапазон диаметров от 100 до 200 мкм. Сухой порошок часто сыпучий. [3]

Самый распространенный вид распылительных сушилок называется однокомпонентным. В верхней части камеры находится единственный источник осушающего воздуха (см. № 4 на схеме). В большинстве случаев воздух выдувается в том же направлении, что и распыляемая жидкость (прямоток). Производится мелкий порошок, но он может иметь плохую текучесть и производить много пыли. Чтобы преодолеть пыль и плохую текучесть порошка, было выпущено новое поколение распылительных сушилок, называемых многоэффективными распылительными сушилками. Вместо одностадийной сушки жидкости, сушка выполняется в два этапа: первый вверху (как для одного эффекта), а второй — со встроенным статическим слоем внизу камеры. Слой создает влажную среду, которая заставляет более мелкие частицы слипаться, производя более однородные частицы, обычно в диапазоне от 100 до 300 мкм.Эти порошки являются сыпучими из-за большего размера частиц.

Читать еще:  Садовая техника: что выбрать для дачи?

Мелкодисперсные порошки, полученные в результате сушки на первой стадии, 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 вибрирующем псевдоожиженном слое.

Горячий сушильный 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 в сепараторе частиц (обычно в циклонном устройстве). При противоточном потоке частицы проводят больше времени в системе и обычно работают в паре с системой псевдоожиженного слоя. Параллельный поток обычно позволяет системе работать более эффективно.

Альтернативы распылительным сушилкам: [4]

  1. Сублимационная сушилка : более дорогостоящий периодический процесс для продуктов, разлагающихся при распылительной сушке. Сухой продукт не сыпучий.
  2. Барабанная сушилка : менее затратный непрерывный процесс для малоценных продуктов; вместо сыпучей пудры образует хлопья.
  3. Сушилка с импульсным сжиганием: менее дорогостоящий непрерывный процесс, который может обрабатывать более высокие вязкости и загрузку твердых частиц, чем распылительная сушилка, и иногда дает легко сыпучий порошок качества сублимационной сушки.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 распылительная сушилка
  • 2 Микроинкапсуляция
  • 3 Применения сушки распылением
  • 4 ссылки
  • 5 Библиография
  • 6 Дальнейшее чтение
  • 7 Внешние ссылки

Распылительная сушилка [ править ]

Распылительная сушилка принимает поток жидкости и разделяет растворенное вещество или суспензию в виде твердого вещества и растворитель на пар. Твердое вещество обычно собирается в барабане или циклоне. Входящий поток жидкости распыляется через сопло в поток горячего пара и испаряется. Твердые частицы образуются, поскольку влага быстро покидает капли. Форсунка обычно используется для того, чтобы капли были как можно меньше, обеспечивая максимальную теплопередачу и скорость испарения воды. Размер капель может составлять от 20 до 180 мкм в зависимости от сопла. [3] Существует два основных типа форсунок: одинарная форсунка высокого давления (от 50 до 300 бар) и двухжидкостная форсунка: одна жидкость — жидкость для сушки, а вторая — сжатый газ (обычно воздух под давлением от 1 до 7 бар). .

Распылительные сушилки могут сушить продукт очень быстро по сравнению с другими методами сушки. Они также превращают раствор (или суспензию) в высушенный порошок за одну операцию, что упрощает процесс и увеличивает рентабельность.

В фармацевтическом производстве распылительная сушка используется для производства аморфных твердых частиц путем равномерного диспергирования активных фармацевтических ингредиентов в полимерной матрице. Это состояние переводит активные соединения (лекарство) в более высокое энергетическое состояние, что, в свою очередь, способствует диффузии лекарственных специй в организме пациента. [5]

Микроинкапсуляция [ править ]

Распылительная сушка часто используется в пищевой и других отраслях промышленности в качестве метода инкапсуляции . Вещество, подлежащее инкапсуляции (нагрузка), и амфипатический носитель (обычно какой-то модифицированный крахмал ) гомогенизируют в виде суспензии в воде (суспензия). Затем суспензия подается в распылительную сушилку, обычно в 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 сохнет. По мере высыхания воды носитель образует твердую оболочку вокруг груза. [6]

Потеря нагрузки обычно зависит от молекулярной массы. То есть более легкие молекулы имеют тенденцию выкипать в больших количествах при температурах обработки. Потери сводятся к минимуму в промышленных масштабах за счет распыления на более высокие башни. Чем больше объем воздуха, тем ниже средняя влажность по мере протекания процесса. По принципу осмоса вода будет поощряться разницей в летучести.в паровой и жидкой фазах покидать мицеллы и попадать в воздух. Следовательно, такой же процент воды может быть высушен из частиц при более низких температурах, если используются колонны большего размера. В качестве альтернативы суспензию можно распылять в частичном вакууме. Поскольку точка кипения растворителя — это температура, при которой давление пара растворителя равно давлению окружающей среды, снижение давления в колонне приводит к снижению точки кипения растворителя.

Применение метода инкапсулирования с помощью распылительной сушки заключается в приготовлении «обезвоженных» порошков веществ, не содержащих воды для обезвоживания. Например, растворимые смеси для напитков представляют собой сушки распылением различных химикатов, входящих в состав напитка. Когда-то этот метод использовался для удаления воды из пищевых продуктов. Одним из примеров является приготовление обезвоженного молока. Поскольку молоко не инкапсулировалось и сушка распылением вызывает термическое разложение , обезвоживание молока и аналогичные процессы были заменены другими методами обезвоживания. Сухое обезжиренное молокодо сих пор широко производятся с использованием технологии распылительной сушки, как правило, с высокой концентрацией твердых частиц для максимальной эффективности сушки. Термическое разложение продуктов можно преодолеть, используя более низкие рабочие температуры и камеры большего размера для увеличения времени пребывания. [7]

Недавние исследования предполагают, что использование технологий 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. [8] [9]

Применение сушки распылением [ править ]

Пища: сухое молоко, кофе, чай, яйца, злаки, специи, ароматизаторы, кровь, [10] крахмал и производные крахмала, витамины, ферменты, стевия, нутракутики, красители, корм для животных и т. Д.

Фармацевтика: антибиотики, медицинские ингредиенты, [11] [12] добавки.

Промышленность: пигменты для красок, керамические материалы, носители для катализаторов, микроводоросли.

Распылительные сушилки

Сушка — процесс удаления из материала любой жидкости, в результате чего в нём увеличивается содержание сухой части. Повышение производительности сушильных установок. Установка конвективной сушки смешанного типа с вертикальной цилиндрической камерой.

РубрикаПроизводство и технологии
Видкурсовая работа
Языкрусский
Дата добавления06.10.2017
Размер файла797,8 K
  • посмотреть текст работы
  • скачать работу можно здесь
  • полная информация о работе
  • весь список подобных работ

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Содержание

1. Состояние вопроса

2. Технические описания и расчеты

2.1 Описание принципа работы технологической схемы

2.2 Гидравлический расчёт продуктовой линии и подбор нагнетательного оборудования

Список использованной литературы

Введение

Процессы сушки широко применяются в промышленности и сельском хозяйстве. Объектами сушки могут быть разнообразные материалы на различных стадиях их переработки (сырьё, полуфабрикаты, готовые изделия).

Сушкой называется процесс удаления из материала любой жидкости, в результате чего в нём увеличивается относительное содержание сухой части. На практике при сушке влажных материалов, в том числе пищевых продуктов, удаляют главным образом воду, поэтому под сушкой понимают процесс обезвоживания материалов. Т.о., хотя понятие сушка является более общим, однако практически термин «сушка» и «обезвоживание» являются идентичными.

Материалы сушатся с различной целью: для уменьшения массы (это удешевляет их транспортировку), увеличения прочности (керамические изделия, древесина), повышения теплоты сгорания (топливо), повышения стойкости при хранении и для консервирования (зерно, пищевые продукты, биопрепараты).

Большинство пищевых продуктов являются влажными телами, содержащими значительное количество воды. Вода входит в состав растительных и животных тканей, и являются необходимой составной частью пищи человека. Однако избыток воды снижает питательную ценность пищевых продуктов, значительно удорожает их транспортировку и может вызвать порчу продуктов вследствие жизнедеятельности различных микроорганизмов в водной среде. Поэтому большинство пищевых продуктов подвергают сушке, в процессе которой их влажность значительно снижается.

Сушка — это сложный технологический (физико-химический) процесс, который должен обеспечить не только сохранение качественных показателей материала, но в ряде случаев и улучшение этих показателей.

Процесс тепловой сушки пищевых продуктов заключается в переводе влаги, находящейся в них, в парообразное состояние и удаление образующегося пара во внешнюю, окружающую продукты, среду.

Существуют различные методы сушки материалов. Можно выделить 2 основных принципа:

1. удаление влаги из материала без изменения её агрегатного состояния в виде жидкости,

2. удаление влаги из материала с изменением её агрегатного состояния, т.е. при фазовом преобразовании жидкости в пар.

Повышение производительности сушильных установок может быть достигнуто как экстенсивным методом, т.е. путём увеличения габаритов сушильной камеры, сокращением простоев и т.п., так и более эффективными интенсивными методами, путём повышения скорости сушки и соответствующего сокращения продолжительности процесса. Повышение концентрации сухого вещества, в очень сложных системах путём выпаривания при многократном использовании тепла в многокорпусной выпарной установке является так же более экономичным, чем процесс сушки испарением. Одним из распространенных способов конвективной сушки жидких продуктов является сушка их в распыленном (тонкодиспергированном) состоянии, или, как обычно говорят, сушка распылением (распылительная сушка). Этот способ широко применяется для сушки истинных и коллоидных растворов, суспензий, эмульсий, пульп и «подвижных» паст в химической, пищевой, биологической, фармацевтической и других отраслях промышленности и, в частности, для сушки молока и молочных продуктов, яиц, фруктовых соков, кормовых дрожжей, витаминов, крови и кровезаменителей, мыла, синтетических моющих средств, томатных продуктов, кофе, крупяных отваров и т. п.

При сушке распылением материал диспергируется на частицы (капли) весьма малых размеров (10-100 мкм), что значительно увеличивает поверхность контакта их с сушильным агентом (поверхность испарения) и соответственно повышает интенсивность сушки. При этом способе продолжительность сушки и время пребывания материала в сушильной зоне аппарата составляет 5-30 с. В этих условиях решающее значение приобретает гидродинамика распыления (характер, скорость движения частиц и т. п.), которая влияет на тепло- и массообмен в процессе сушки; при этом массообмен (уменьшение размеров и массы частиц в результате испарения) оказывает в свою очередь влияние на гидродинамику процесса.

Специфические условия сушки материалов в распыленном состоянии обусловливают ряд характерных достоинств этого способа сушки, к которым относятся:

1. высокое качество высушенного продукта, температура которого в значительной части процесса не превышает температуры мокрого термометра, причем качественные и количественные показатели (величину частиц, насыпную плотность сухого порошка, конечную влажность и температуру) можно регулировать;

2. отсутствие необходимости дополнительного измельчения готового продукта, высокая его растворимость;

3. значительная начальная влажность продуктов (растворов) и достаточно низкая конечная влажность (на сушку могут поступать и «липкие» аморфные продукты, например отвары в виде пульпы или пасты);

4. высокая стойкость ограждений сушильной камеры, так как влажный материал не соприкасается с ними;

5. достаточная надежность пылеулавливающих устройств (батарейные циклоны, рукавные фильтры, электрофильтры, скрубберы), что предотвращает попадание пыли в помещение и т. д.;

6. высокая производительность установок, что способствует повышению их технико-экономических показателей и т. д.

Наряду с этим следует отметить и недостатки, присущие сушке в распыленном состоянии:

1. значительные удельные габариты установок, работающих при мягких режимах;

2. сложность и высокая стоимость оборудования для распыления продуктов и улавливания пыли;

3. сравнительно высокие энергетические затраты (теплоты и электроэнергии).

В связи с этим важное значение приобретает интенсификация тепло- и массообмена при распылительной сушке, что будет способствовать лучшему использованию сушильного агента; применение в некоторых случаях рециркуляции сушильного агента; применение испарительно-сушильного способа обезвоживания растворов с низкой начальной концентрацией и сушка с многократным, распылением и рециркуляцией раствора.

Распыление жидкости в сушильных установках может производиться различными методами и при помощи разных устройств, из которых наибольшее применение получили следующие:

1. центробежные дисковые распылители;

2. механические (гидравлические) форсунки;

3. пневматические форсунки;

4. распыление ультразвуком.

Обычно процесс распыления жидкости, поступающей в сушильную камеру из щелевого сопла, состоит из ряда явлений: преобразование (деформация) струи жидкости в пленку (нити) в распыляющем устройстве; возмущения на поверхности этой пленки при выходе ее из распылителя, обусловленные изменением скорости и влиянием окружающей среды (воздуха); распад пленки на отдельные капли под действием поверхностного натяжения; коалесценция капель при соударении, характер которой обусловлен методом распыления и конструкцией распылителя.

В соответствии с этим к распылителям предъявляется ряд требований и, в частности, обеспечение оптимальной формы факела распыла и однородности капель требуемых размеров, эксплуатационная надежность и простота обслуживания (предотвращение засорения выходных отверстий, особенно при распылении грубых суспензий), высокая пропускная способность при минимально возможных энергозатратах и др.

Энергозатраты при распылении обусловлены работой деформации жидкости, протекающей со значительной скоростью; преодолением сил поверхностного натяжения при образовании межфазной поверхности (капель) и сил вязкости; сообщением каплям кинетической энергии и преодолением гидравлических сопротивлений.

На гидродинамику струи распыляемой жидкости влияет целый ряд факторов, в частности свойства раствора, метод распыления, аэродинамические условия взаимодействия жидкости и газа, тепло- и массообмен в сушильной камере и др.

1. Состояние вопроса

Среди широкого ассортимента продуктов из молока можно выделить сухое молоко. На предприятиях молочной промышленности сухое молоко изготавливают из цельного молока. Одну из основных технологических операций — сушку продукта — могут выполнять на следующих аппаратах:

— распылительная сушильная установка RS-1000;

— распылительная сушилка ЦТР-500;

— распылительная сушилка А 1-ОРЧ;

Распылительная сушилка RS-1000

Сушилка RS-1000 (рисунок 1)представляет собой прямоточную распылительную сушилку с центробежным дисковым распылением, вертикальной цилиндрической камерой, паровым нагревом воздуха и верхним подводом его в камеру, циклонной очисткой отработавшего воздуха.

Читать еще:  Преимущества и недостатки колес для складской техники

Жидкий концентрированный продукт из емкости подается насосом-дозатором в центробежный распылитель с электроприводом и распыляется в объеме камеры с помощью быстро вращающегося диска с радиальными каналами. Воздух из помещения очищается в фильтре и нагнетательным вентилятором подается в паровой калорифер и далее — в воздухораспределительное устройство сушильной камеры, расположенное на ее крыше. Распыленный продукт контактирует с закрученным вокруг оси сушильной камеры нагретым воздушным потоком и обезвоживается.

Часть сухого продукта (камерная фракция) выводится из камеры через нижний патрубок ее конической части в вибролоток и далее — в систему пневмотранспорта. Остальная часть (циклонная фракция) уносится из камеры отработавшим воздухом в два основных циклона. Очищенный воздух отсасывающим вентилятором выводится в атмосферу, а сухой продукт через роторные затворы поступает в систему пневмотранспорта, где смешивается с камерной фракцией. В системе пневмотранспорта происходит охлаждение сухого продукта воздухом. Разделение сухого продукта н охлаждающего воздуха происходит в циклоне пневмотранспорта. Очищенный воздух вентилятором пневмотранспорта подастся на повторную очистку в воздуховод перед основными циклонами.

Установка имеет систему автоматического регулирования влажности сухого порошка по косвенному параметру — температуре выходящего из сушильной камеры воздуха. Стабилизация этой температуры осуществляется автоматическим изменением подачи жидкого продукта на распиливающий диск с помощью насоса-дозатора переменной производительности.

Сушилка ЦТР-500 (рисунок 2)предназначена для получения сухих молочных продуктов из концентрированного обезжиренного или цельного молока. сушка конвективный цилиндрический

Сушилка представляет собой установку конвективной распылительной сушки смешанного типа (содержит элементы противоточных и прямоточных сушилок) с вертикальной цилиндрической камерой, паровым нагревом воздуха и нижним его подводом в камеру, центробежным распылением жидкого продукта и очисткой отработавшего воздуха в тканевом фильтре.

Концентрированный продукт поступает в бак 1 сгущенного продукта, откуда центробежным насосом подается в расходный (напорный) бак. Из него по вертикальному трубопроводу через регулирующий клапан поступает в сушильную камеру 3 на распыливающий сопловой диск, приводимый во вращение с помощью паровой турбины. При вращении диска с большой скоростью происходит диспергирование жидкого продукта в объеме сушильной камеры с образованием факела. Воздух из помещения, очищенный в воздушных фильтрах 4 и нагретый в паровых калориферах 5, поступает в сушильную камеру через два радиальных отверстия, расположенных в нижней ее части.

В результате контакта нагретого воздуха и факела распыла жидких частиц продукта происходит их обезвоживание и образование твердых частиц сухого продукта. При этом имеет место сепарация сухих частиц в сушильной камере — крупные частицы оседают на дно, откуда с помощью скребкового механизма и шнекового транспортера поступают на охлаждающее сито. Мелкие частицы подхватываются потоком отработавшего воздуха и через отверстие в верхней части камеры уносятся в рукавный тканевый фильтр 7. Частицы продукта отделяются от воздуха и поступают в шнековый транспортер, где смешиваются с камерной фракцией. Очищенный отработавший воздух вентилятором выводится в атмосферу. С помощью, регулятора можно менять частоту вращения паровой турбины и соответственно распиливающего диска.

Распылительная сушилка А 1-ОРЧ

Сушилка А 1-ОРЧ (рисунок 3)непрерывного действия применяется для сушки кофе, молока, меланжа и других жидких растворов. Представляет собой цилиндрическую камеру большого объема. Продукт распыляется при помощи механических или пневматических форсунок, центробежных дисковых или ультразвуковых распылителей. Наибольшее распространение получили центробежные распылители.

Распыленный продукт под воздействием высоких температур высушивается и 70% сухого порошка поступает на дно сушильной камеры, а 30% его уносится воздухом.

Воздух очищается от сухого порошка в циклонах и отсасывается вентилятором. Из сушильной камеры порошок транспортируется шнеком в пневмо- транспортную линию, где охлаждается.

В модернизированной сушилке А 1-ОР 2Ч циклоны заменены рукавными фильтрами. Стенки очищаются пневматически и увеличен расход агента сушки, что позволяет повысить производительность, сократить потери продукта.

Рисунок 3 — распылительная сушилка А1-ОРЧ

2 — промежуточные резервуары;

3 — бачок моечного устройства;

7 — сушильная башня;

9, 15, 21 — вентиляторы;

10 — швейная машина для зашивки бумажных меш-ков;

Инновационный метод распылительной сушки с высоким выходом

Сублимирование бычьего сывороточного альбумина Категория оборудования : Распылительные сушилки Используемое оборудование : Нано-распылительная сушилка B-90 HP, Сканирующий электронный микроскоп Отрасль : фармацевтическая отрасль Вид образцов : Бычий Сывороточный Альбиум (БСА)

Сублимирование бычьего сывороточного альбумина

Распылительная сушка является быстрым, непрерывным, экономичным, воспроизводимым и масштабируемым методом для производства сухих порошков из жидкостей. Кроме того, в последние годы распылительная сушка стала применяться в фармацевтической промышленности для получения белковых частиц, которые используются при легочной, назальной и пероральной доставке.

Введение

Благодаря своему свойству Бычий Сывороточный Альбумин (БСА) имеет множество применений в таких областях науки, как культивирование клеток, диагностика Инвитро, фармацевтика, молекулярная биология, серология и общие исследования. БСА имеет хорошие характеристики и часто применяется в многочисленных биохимических отраслях. В этой статье будет показано, как применить распылительную сушилку Nano Spray Dryer B-90 для производства белковых субмикронных частиц с использованием BSA. Также будет изучено влияние концентрации БСА и рН на образование частиц.

Подготовка образцов

Растворы БСА 10%, 1% и 0,1%, полученные следующим образом. В деионизированную воду перед фильтрованием через фильтр из стекловолокна (Whatman GF / F) в вакууме, чтобы удалить частицы, которые могут засорить систему, добавили лиофилизированный порошок BSA (Sigma Aldrich, St Louis, MO, USA). Затем к раствору добавил Полисорбат 80 до концентрации 0,05% и pH раствора регулировали с помощью 5% уксусной кислоты [об / об] и 5% NaOH [об / об] (Таблица 1). Растворы BSA затем охлаждали перед использованием. Все растворы были приготовлены в виде % [вес / объем], если не указано иное.

Эксперимент

Микрочастицы получали методом распылительной сушки растворов BSA, используя распылительную сушилку BUCHI Nano B-90 HP. Во время процесса раствор BSA хранили на ледяной бане, чтобы охладить его и уменьшить разрушение белка системой нагрева. Скорость насоса была настроена таким образом, чтобы уменьшить время пребывания в системе нагрева и, следовательно, уменьшить степень разложения белка. Рекомендуется также сократить длину трубки, доводя раствор до небулайзера настолько, насколько это возможно, чтобы время нагрева уменьшалось. Нано-распылительная сушилка B-90 HP работала в разомкнутом контуре и сжатом воздухе со скоростью насоса 90%, распыление было настроено на 80%, а частота на 125 кГц, если не указано иное. Кроме того, эксперименты проводились при температуре на входе 100 ° С с использованием малого, среднего и большого размеров распылителей (Small, Medium, Large соответственно). Такие параметры, как температура на входе, температура на выходе и скорость потока газа, изменялись между экспериментами и регистрировались (таблица 1). Объем распыляемого раствора и время работы эксперимента определяли для каждого раствора, чтобы можно было получить достаточное количество образца для анализа. По возможности, выход рассчитывали из фактически восстановленного количества порошка в зависимости от содержания твердого вещества в используемом распыляемом растворе. Относительный выход (%) рассчитывали делением веса собранного порошка на теоретическое количество распыленного образца, затем умножали на 100. С помощью сканирующего электронного микроскопа (типа JEOL 6380LVa) получили изображения частиц. Перед исследованием все образцы были покрыты золотом с напылением. Частицы БСА готовили с помощью распылительной сушилки B-90 HP с использованием разных параметров. Эти параметры приведены далее в таблице 1.

Таблица 1: Экспериментальные параметры.

Результаты и выводы

Таблица 2: Экспериментально полученные значения

«> Эксперимент«> Размер распылителя«> Раствор БСА [% вес/объем]«> Раствор Полисорбат 80 [%]«> pH [-]«> Расход газа [л / ч]«> Температура на входе [°C]
«> A«> Small«> 0,1«> 0,05«> 4,7«> 150«> 100
«> B«> Small«> 1«> 0,05«> 4,7«> 150«> 100
«> C«> Small«> 10«> 0,05«> 4,7«> 150«> 100
«> D«> Medium«> 0,1«> 0,05«> 4,7«> 150«> 100
«> E«> Medium«> 1«> 0,05«> 4,7«> 150«> 100
«> F«> Medium«> 10«> 0,05«> 4,7«> 150«> 100
«> G«> Large«> 0,1«> 0,05«> 4,7«> 150«> 100
«> H«> Large«> 1«> 0,05«> 4,7«> 150«> 100
«> I«> Large«> 10«> 0,05«> 4,7«> 150«> 100
«> J«> Large«> 10«> 0,05«> 4,7«> 150«> 120
«> K«> Small«> 1«> 0,05» data-sheets-numberformat=»<"1":5,"2":"d.m","3":1>«> 7.2«> 150«> 100

Температура сушки была установлена на значение 100 °C для всех образцов, за исключением образца J, где она соответствовала значению 120 °C. Кроме температуры, все остальные настройки были одинаковы для экспериментов I и J. Более высокая температура сушки, установленная в эксперименте J, слегка уменьшала распределение по размерам. Хотя заданные температуры были относительно высокими, разложение белка под воздействием тепла вряд ли произойдет. Температура на выходе равная максимальной температуре, воздействию которой подвергается образец, регистрировалась между 38 °C и 61 °C и, следовательно, была благоприятна для распылительной сушки термочувствительных биологических веществ.

Изображение 1. Фотографии частиц, полученных с помощью малого распылителя и 0,1% раствора БСА (small слева), среднего распылителя 1% раствора БСА (medium в середине) и большого распылителя и 10% раствора БСА (large справа).

Заключение

Частицы БСА от 0,133 до 6,34 мкм получали с помощью распылительной сушилки B-90 HP с использованием параметра, суммированного в таблице 3.

Таблица 3: Параметры и сводка результатов распылительной сушки BSA (0,1-10%).

«> Размер распылителя«> Large«> Medium«> Small
«> Расход газа, л/мин«> 144 — 148«> 142 — 145«> 143 — 144
«> Температура на входе, °C«> 100«> 100«> 100
«> Температура на выходе, °C«> 44 — 50«> 38 — 53«> 51 — 61
«> Скорость распыления, %«> 80«> 80«> 80
«> Давление, гПа«> 65 — 68«> 66 — 75«> 64 — 65
«> Скорость подачи, %«> 90 — 100«> 90«> 90
«> Размер частицы, мкм«> 0.3 — 6.34«> 0.192 — 3.24«> 0.133 — 2.24

Размер частиц и распределение по размерам увеличивались с диаметром распылителя и концентрацией раствора. Значение pН и температура сушки имели незначительное влияние на размер частиц, распределение и форму частиц по размеру, которые необходимо дополнительно исследовать. Сферические частицы были получены с использованием Полисорбат 80 в качестве поверхностно-активного вещества. Поскольку наблюдались также частицы в форме пончиков, можно было бы предусмотреть оптимизацию концентрации или типа поверхностно-активного вещества. Здесь применяемые параметры эксперимента могут служить в качестве начальных значений для оптимизации процесса и дают четкое указание на то, что материал можно успешно сушить распылением.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector