При выборе между распылительной сушкой или распылительной грануляцией решающее значение могут иметь необходимые свойства конечного продукта.
Для преобразования жидких продуктов в сыпучие материалы можно использовать как распылительную сушку, так и распылительную грануляцию в псевдоожиженном слое. Наиболее эффективный процесс часто будет определяться необходимыми свойствами конечных частиц и конкретной областью применения.
Glatt Ingenieurtechnik глубоко понимает обе технологии и имеет большой опыт проектирования систем с псевдоожиженным слоем, адаптированных к индивидуальным продуктам клиентов.
Сушка жидкостей, содержащих твердые вещества, часто используется в промышленности для преобразования продуктов в более удобную форму и обеспечения возможности их хранения при температуре окружающей среды. Полученные сыпучие материалы не только более стабильны, чем жидкое сырье, они также имеют меньший вес и меньшие объемы, что значительно снижает затраты на транспортировку и хранение, а также любые проблемы с дальнейшей переработкой.
Для максимально быстрой сушки жидкостей очень эффективно их распыление в струе горячего воздуха (распылительная сушка). Она использовалась в течение десятилетий для быстрой и экономичной сушки сыпучих продуктов большого объема, таких как сухое молоко. Распылительная сушка подходит не только для больших объемов, но и для продуктов с низким содержанием твердых веществ, так как может использоваться довольно высокая температура.
В связи с тем, что испаряется много воды, охлаждающий эффект и короткое время пребывания уменьшают повреждения, вызванные нагреванием. Тем не менее, образующиеся мелкие частицы создают проблемы с пылью, особенно когда задействованы ферменты или другие белки. Также они часто являются сильными аллергенами и, распространяясь в виде пыли, оказывают воздействие даже в низких концентрациях и требуют дальнейшей обработки.
Целенаправленная корректировка свойств продукта
Процессы распылительной грануляции в псевдоожиженном слое выводят основную идею распылительной сушки на совершенно другой технологический уровень и предлагают целевые решения для широкого спектра систем материалов, областей применения и отраслей промышленности. Общее преимущество заключается в следующем: по сравнению с распылительной сушкой свойства продукта в процессе с псевдоожиженным слоем можно регулировать очень целенаправленно.
В зависимости от выбора параметров процесса и технической конфигурации установки форма, структура и размер частиц могут быть определены и произведены практически без ограничений. Это стало возможным благодаря объединению двух стадий процесса: конвективной сушки или затвердевания и формирования частиц. Размер частиц от 200 мкм до 2 мм может быть легко достигнут. Напротив, при распылительной сушке образуются только частицы диаметром от 10 до 300 мкм. Рассеянная капля высыхает, падая вниз по распылительной башне, и, таким образом, размер капли ограничивается высотой градирни. Значительный рост частиц должен быть вызван дополнительной стадией агломерации.
Принцип грануляции распылением в псевдоожиженном слое
В отличие от распылительной сушки, во время которой жидкость, содержащая твердые частицы, распыляется в пустой технологической камере, при распылительной грануляции она распыляется на слой псевдоожиженных частиц. Растворитель – обычно вода или органический растворитель – быстро испаряется, так что рост частиц происходит путем образования капель и высыхания пленки. (рис. 1).
Рис.1: Гранулированные распылением частицы со луковицеобразной структурой
Параллельно с этим процессом, который также называют грануляционной сушкой или грануляцией наращиванием, постоянно образуются новые зародыши. Они могут быть получены двумя способами: в самом процессе они образуются за счет истирания и/или того факта, что некоторые атомизированные капли не встречают частицы, взвешенные в псевдоожиженном слое, и высыхают непосредственно (как при распылительной сушке). Внешние зародыши грануляции могут образовываться из мелких частиц или из измельченного гранулята, полученного при грохочении.
В цикле грохота крупные и мелкие частицы отделяются, обычно измельчаются в штифтовой мельнице и возвращаются в процесс. И прямое зародышеобразование (распылительная сушка, так называемое избыточное распыление), и непрямое зародышеобразование обеспечивают устойчивый рост частиц во время процесса и формируют основу для стабильной и непрерывной грануляции (рис. 2).
Рис.2: Принцип непрерывного процесса в псевдоожиженном слое со схемой калибровочного измельчителя
Раздвигая границы распылительной сушки
Непрерывно работающие системы распыления в псевдоожиженном слое благодаря своей многокамерной конструкции (рис. 3) дают возможность комбинировать несколько технологических стадий.
Рис.3: Процессы гранулирования распылением в псевдоожиженном слое дают целевые решения для широкого спектра материалов, областей применения и промышленных секторов
Теоретически прямоугольная система с псевдоожиженным слоем может быть построена любой длины, так что различные свойства продукта могут быть заданы в последовательных технологических камерах для производства нестандартных частиц.
Например, в проекте заказчика инженерам-технологам Glatt удалось получить легкорастворимые порошкообразные частицы из раствора гидролизованных белков с помощью псевдоожиженного слоя с начальной стадией распылительной сушки. В ходе процесса они уплотнялись и агломерировались в последующих единичных операциях до тех пор, пока не были получены частицы с более высокой плотностью. Эти частицы быстрее растворялись в воде, так как они опускались под поверхность быстрее, чем продукты, высушенные распылением.
Подобные процессы распылительной грануляции также можно использовать для сушки продуктов, если растворимость должна сочетаться с более высокой объемной плотностью для небольших единиц упаковки (рис. 4).
Рис. 4: Продукт гранулированный распылением в псевдоожиженном слое (слева) в сравнении с аналогичным, изготовленным в классической распылительной сушилке (справа)
Индивидуальный дизайн системы и параметры процесса
Многокамерные системы с псевдоожиженным слоем могут распылять сверху или снизу; кроме того, возможны промежуточные этапы сушки и охлаждения и/или последующее охлаждение можно проводить в одном и том же устройстве. Кроме того, системы грануляции с распылением в псевдоожиженном слое для работы с органическими растворителями или продуктами, чувствительными к окислению, могут быть легко интегрированы в замкнутый контур.
Существенное различие между распылительной сушкой и распылительной грануляцией в псевдоожиженном слое заключается в размере и морфологии частиц: при распылительной сушке отдельные частицы высыхают снаружи внутрь; при распылительной грануляции в псевдоожиженном слое структура слоистая, и частицы высыхают в противоположном направлении — изнутри наружу.
Поток горячего воздуха при распылительной сушке, в котором высыхают распыляемые капли, образует твердую внешнюю оболочку, увеличивая концентрацию растворенного компонента, в то время как внутреннее ядро частицы остается жидким. При повышении температуры эта влага испаряется и диффундирует, образуя полые сферы.
При резком выходе влаги возникают углубления в частицах, а в зависимости от скорости высыхания и концентрации твердых частиц в жидкости, частицы могут разорваться. В некоторых областях применения, таких как микроинкапсуляция активных ингредиентов, эти свойства частиц не соответствуют требованиям, поскольку целью микроинкапсуляции является защита инкапсулированных активных веществ от условий окружающей среды и, таким образом, цель состоит в том, чтобы иметь как можно меньшую площадь поверхности (рис. 5).
Рис. 5: Изображение под микроскопом разрезанной гранулы с микроинкапсулированным маслом
Преимущества распылительной грануляции
При распылительной грануляции получают твердые, компактные и круглые шарики луковичной структуры путем наращивания продукта слой за слоем. При грануляции наращиванием – так называемый эффект наслоения – обеспечивает гибкую и сложную структуру продукта, поскольку частицы могут быть сформированы из разных твердых слоев, а ядра могут быть заполнены и покрыты (рис. 6).
Рис.6: Луковицеобразная структура гранул аминокислот
Это дает производителям нутрицевтиков возможность целенаправленно функционализировать свои продукты и наделять их большей добавленной стоимостью. Кроме того, в том же аппарате может быть выполнено покрытие частиц, гранулированных распылением ранее (например, для достижения эффекта замедленного высвобождения), для защиты активного вещества от внешних воздействий или для маскировки неприятного вкуса или запаха.
Продукты, полученные грануляцией распылением, отличаются от продуктов, полученных сушкой, тем, что свойства частиц, такие как размер, форма и структура, можно регулировать в зависимости от области применения.
Грануляция распылением в псевдоожиженном слое настоятельно рекомендуется, например, для чувствительных нутрицевтиков, а также для преобразования эмульсий и масел в очень компактные частицы. Благодаря меньшей площади поверхности по сравнению с продуктами, полученными распылительной сушкой, эти нутрицевтики лучше защищены от окисления, чем порошкообразные агломераты. Кроме того, температура сушки ниже по сравнению с распылительной сушкой.
Испытания в лабораторных установках и на опытно-промышленной установке являются наиболее важным этапом в разработке процесса и продукта для грануляции распылением в псевдоожиженном слое. Поэтому Glatt Ingenieurtechnik из Веймара, Германия, очень внимательно следит за каждым проектом с псевдоожиженным слоем, вплоть до монтажа, ввода в эксплуатацию и приемки процесса на объекте заказчика. Помимо разработки индивидуальных и функционализированных продуктов или индивидуальных процессов, Glatt предлагает широкий спектр услуг, начиная с инициирования проекта, разработки и заканчивая поставкой оборудования для создания новых заводов «под ключ».
Статья Glatt на тему «Сушка жидкостей – выбор лучшей технологии для нутрицевтиков» опубликована в журнале Nutraceutical Business Review, выпуск 05/2022, HPCi Media Limited.
Авторское право: HPCi Media Limited. Автор: Гудрун Динг, руководитель отдела технологий развития бизнеса, Glatt Ingenieurtechnik GmbH, Веймар, Германия.
