Uscarea prin pulverizare electrostatică face posibilă
Uscare și aglomerare într-o singură etapă
Uscarea prin pulverizare electrostatică face posibilă
În procesele convenționale de uscare prin pulverizare, tratamentul intensiv la căldură al ingredientelor active labile poate duce la pierderea substanței, deteriorarea stării sau denaturarea. Produsele pulverulente de la uscătorul cu pulverizare au dimensiuni ale particulelor între 50 și 250 µm. Produsele cu astfel de dimensiuni ale particulelor au adesea o solubilitate redusă în apă și tind să se atomizeze. Din acest motiv, produsele fabricate în procese convenționale de uscare prin pulverizare sunt de obicei aglomerate sau granulate într-o a doua etapă, de obicei în granulatoare cu pulverizare cu pat fluidizat. Aici particulele uscate prin pulverizare sunt lichefiate într-un curent de aer fierbinte și amestecate cu o soluție de legare. La contactul dintre particule și soluția de legare, se formează o punte lichidă, care permite particulelor să adere una la alta. Particulele se aglomerează pe măsură ce lichidul se evaporă. Această etapă suplimentară a procesului este consumatoare de timp și costisitoare și, datorită dublei expuneri la căldură, prezintă riscul de pierderi suplimentare de substanță sau de deteriorare ulterioară a stării.
Uscare ușoară
Pentru a contracara acest lucru, Fluid Air, o filială a sistemelor de pulverizare, a co-dezvoltat tehnologia de uscare prin pulverizare electrostatică Polardry. Tehnologia face posibilă evaporarea apei la temperaturi de 90 ° C, mult sub punctul de fierbere al apei la presiune normală. Mai mult, în timpul procesului de uscare prin pulverizare se formează un produs aglomerat. În procesul Polardry, la fel ca în uscare tradițională prin pulverizare, picăturile de lichid sunt atomizate și pulverizate într-un curent de gaz. Căldura este transferată din gazul de uscare în lichid pentru a conduce la evaporarea solventului. Odată ce solventul s-a evaporat, produsul final este un material uscat, praf.
În uscarea tradițională prin pulverizare există două faze diferite de uscare: o fază cu viteză de uscare constantă și o fază cu viteză de uscare scăzută. În timpul fazei cu viteză constantă, cea mai mare parte a căldurii transferate în picătură este utilizată pentru a determina evaporarea solventului. Evaporarea solventului răcește gazul de uscare din jur, temperatura picăturii rămâne constantă. Pe măsură ce se evaporă tot mai mult solvent, conținutul de solide de pe stratul exterior al picăturii crește până se formează o coajă solidă. Se formează o particulă cu un miez solid, dar umed. Din această fază, căldura din gazul de uscare este transferată în particule ca căldură sensibilă. Temperatura particulei este crescută pentru a se evapora complet solventul rămas din miez. Substanțele sensibile prinse pot fi deteriorate.
Procesul Polardry utilizează efectul electrostatic pentru a rearanja componentele picăturii în timpul atomizării. Efectul se bazează pe polaritatea materialelor. În cazul unui material de pornire pe bază de solvent polar, solventul este direcționat către exteriorul picăturii și materialele solide rămân în interior. Acest lucru previne descuamarea. Acest lucru permite o uscare rapidă și eficientă fără a fi nevoie să creșteți temperatura produsului și conduce la o încapsulare optimă a ingredientelor active. Polarderia este, de asemenea, un sistem inert al cărui conținut de oxigen este întotdeauna menținut sub 5% pentru a evita reacțiile nedorite legate de oxigen.
Două procese într-unul
Prin controlul încărcării electrostatice care se aplică intermitent la intrare, tehnologia Polardry oferă capacitatea de a aglomera particulele în timpul uscării. Această funcție numită PWM (Pulse Width Modulation) face inutilă aglomerarea secundară. Prin controlul tensiunii aplicate picăturii în timp ce este atomizată, unele particule vor forma mai ușor un înveliș exterior, în timp ce altele își vor dezvolta treptat învelișul, rezultând o particulă umedă sau lipicioasă. Deoarece aceste două tipuri de particule sunt coloidale, ele se combină pentru a forma o particulă aglomerată. Rezultatul este un produs final cu particule mai mari și mai puține substanțe fine.
Teste de uscare extinse
Fluid Air a efectuat teste pentru a examina avantajele produselor produse prin uscare electrostatică prin pulverizare. Produsele finite au fost colectate ca pulbere uscată cu curgere liberă și analizate pentru conținutul lor de umiditate, distribuția mărimii particulelor, structura particulelor și capacitatea de hidratare. Conținutul de umiditate a fost determinat cu un contor de umiditate. Structura particulelor produselor a fost examinată cu un microscop electronic cu scanare. În scopuri comparative, probele au fost prelucrate și într-un uscător cu pulverizare convențional, cu o temperatură de intrare de 190 ° C și o temperatură de ieșire de 90 ° C.
Ca exemplu demonstrativ pentru a demonstra capacitatea de uscare la temperatură scăzută cu tehnica de uscare prin pulverizare electrostatică, s-a folosit amidon modificat, precum cel utilizat în formularea produselor farmaceutice și alimentare. În cursul unui experiment, 40% în greutate amidon modificat a fost hidratat cu 60% în greutate apă. Hidratul de amidon alimentat cu 4.536 kg/h a fost injectat prin duza de pulverizare electrostatică sub o presiune de 1,72 bar într-o cameră de uscare. Duza electrostatică a fost supusă la 20 kV pentru hidratul de amidon. În camera de uscare, gazul de uscare a fost alimentat la 90 ° C și un debit de 4,25 m3/min pentru a susține procesul de evaporare. Gazul de uscare este un amestec de aer/azot, conținutul de oxigen fiind limitat la 5%.
În plus, capsulele de vitamina C au fost produse folosind uscarea electrică prin pulverizare. Pentru aceasta, 50% în greutate amidon modificat a fost hidratat cu 50% în greutate apă. După hidratare, s-a adăugat 2% vitamina C pe fracțiune în greutate de amidon modificat și s-a omogenizat într-un mixer cu forfecare mare timp de 5 minute la 5000 min-1. Amestecul de vitamina C a fost pulverizat prin duza de pulverizare electrostatică cu aceiași parametri de proces ca amidonul modificat în exemplul anterior.
Pentru capsulele aromate de căpșuni, a fost produsă o emulsie aromatică din 80% în greutate amidon ca material de perete și 20% în greutate aromă lichidă de căpșuni ca material de bază. În acest scop, aroma lichidă de căpșuni a fost emulsionată cu amidon prehidratat într-un mixer cu forfecare mare, de asemenea, timp de 5 minute la 5000 rpm. Amestecul a fost apoi omogenizat într-un omogenizator în două treceri, în prima sub o presiune de 206,8 bari și în a doua cu 34,47 bari. Emulsia a fost pulverizată prin duza de pulverizare electrostatică cu aceiași parametri de proces ca amestecul de vitamina C.
Structura particulelor morfologice
S-a constatat că toate probele produse prin procesul de uscare prin pulverizare electrostatică au dus la aglomerate mai mari de particule și că multe particule au aderat una la alta. În schimb, probele din procesul convențional de uscare prin pulverizare au oferit o structură sferică discretă cu particule mai mici. Se presupune că suprafețele particulelor parțial uscate sunt lipicioase în timpul procesului de uscare prin pulverizare electrostatică și, prin urmare, particulele aderă ferm una la cealaltă și pot forma granule mai mari. De îndată ce apa s-a evaporat complet, se formează granule mai mari, uscate și solide, ale căror particule sunt mai mari de 125 µm și a căror structură este astfel compusă din mai multe particule comprimate împreună. Eșantionul de amidon modificat produs prin utilizarea procesului de uscare prin pulverizare electrostatică, de exemplu, a rezultat într-un produs în care 27,9% din particule au fost mai mari de 125 µm, în timp ce în eșantionul produs prin utilizarea procesului convențional de uscare prin pulverizare doar 10,6% din toate particulele de probă au fost mai mari de 125 µm. Rezultatul pentru capsulele de vitamina C a fost de 51,5% până la 2,8% și pentru capsulele cu aromă de căpșuni de 68,7% până la 10,6%.
Tablete de vitamina D3 în loc de capsule
O altă serie de experimente s-a referit la producerea unei tablete de dezintegrare orală cu ingredientul activ solubil în ulei vitamina D3, comparativ cu capsulele și altele asemenea utilizate în principal pentru ingredientele active solubile în ulei. A. sunt mai ieftine. Vitamina D3 a fost dizolvată în ulei de porumb și încorporată într-o emulsie ulei-apă. Materialul purtător a fost maltodextrina de mazăre cu un DE17 și amidon de octenil succinat de sodiu ca agent tensioactiv. Această emulsie stabilă ulei-apă cu vitamina D3 a fost produsă prin omogenizare de mare viteză și apoi omogenizare la presiune înaltă. Emulsia a fost atomizată prin tehnologia electrostatică Polardry la 1,7 bar presiune de gaz. Pentru a minimiza oxidarea, gazul de uscare a fost, de asemenea, un amestec de aer și azot gazos. Tabletele produse din pulbere au proprietăți excelente de fluiditate și compresibilitate.
S-a constatat că proba produsă în procesul de uscare prin pulverizare electrostatică avea o capacitate de hidratare semnificativ mai mare decât proba produsă în procesul convențional de uscare prin pulverizare și după 10 secunde de hidratare s-a dizolvat mai multă pulbere în apă. După hidratare timp de 60 de secunde, proba a fost complet dizolvată în procesul de uscare electrostatică prin pulverizare și apa a fost tulbure, în timp ce cealaltă probă nu a fost complet dizolvată și apa a fost doar parțial tulbure.
Autor: Joseph Szczap
Director inginerie
și operațiuni,