Сушкой называется процесс удаления влаги из твердых, пастообразных материалов, суспензий или концентрированных растворов путем ее испарения и отвода образующихся паров.
Современные концепции фармацевтической науки в области теории сушки свидетельствует, что тепловые и массообменные процессы нередко сопровождаются изменением структурно-механических свойств высушиваемого материала, образованием кристаллогидратов лекарственных веществ, продуктами окисления, гидролиза, приводящими к изменению растворимости, всасывания, снижению или потере терапевтической активности лекарственных веществ.
Процесс сушки твердых веществ зависит от характера связи удаляемой влаги. Влага, удаляемая при сушке, называется свободной. Обычно при сушке твердых веществ удаляют капиллярную и внутриклеточную влагу. Под капиллярной понимается влага, которая наполняет многочисленные макро- и микрокапилляры вещества. Внутриклеточная влага – при сушке эндокринного сырья и свежесобранных лекарственных растений. Влага, химически связанная с материалом (гидратная или кристаллизационная), при сушке не удаляется.
Процесс сушки выражается уравнением массопередачи:
W =K · F (Pм - Pп) , кг/сек
W – количество испаряемой влаги, кг/сек;
K – коэффициент массопередачи, сек/м;
F – поверхность соприкосновения фаз, м²;
Pм – давление паров влаги у поверхности материала, н/м²;
Рп – парциальное давление в воздухе, н/м².
Движущая сила процесса сушки определяется разностью давления паров влаги у поверхности материала и парциального давления паров в воздухе, т.е. (Рм – Рп). Чем больше эта разница, тем интенсивнее идет процесс испарения влаги.
Скорость сушки определяется количеством влаги, испаряемой с единицы поверхности в единицу времени:
V = W / F·τ, кг/м² с
Продолжительность процесса сушки зависит от скорости сушки.
Главные факторы сушки: 1) природные особенности высушиваемого материала – его структура, характер связи с водой, химический состав и т.д.; 2) общая поверхность высушиваемого материала, зависит от размера кусков, толщины слоя.Чем больше поверхность высушиваемого материала, тем быстрее протекает сушка; 3) количество влаги, подлежащей удалению; 4) влажность и температура воздуха. Чем выше температура воздуха и ниже его относительная влажность, тем быстрее протекает сушка; 5) скорость движения теплоносителя. Чем с большей скоростью проходит теплый воздух в сушилках, тем интенсивнее теплообмен между ним и высушиваемым материалом; 6) интенсивность перемешивания высушиваемого материала. Чем лучше перемешивается материал, тем больше активная поверхность испарения и тем быстрее протекает сушка.
По способу подвода тепла.
При контактной сушке тепло передается высушиваемому материалу через нагретые поверхности (плиты, вальцы). При этом испаряемая влага переходит в окружающий материал воздух.
Пример – одно- и 2-х вальцовые сушилки и шкафные сушилки, а также сублимационные сушилки.
При конвективной сушке тепло, необходимое для процессов сушки, доставляется газообразным сушильным агентом, который играет роль теплоносителя и среды, в которую переходит влага из материала.
Пример – распылительные сушилки и сушилки с «кипящим» слоем. Устаревшие конструкции этого типа – полочные, барабанные и ленточные сушилки.
Шкафные сушилки.
Шкафные сушилки или вакуум-сушильные шкафы представляют собой цилиндрическую (реже прямоугольную) камеру, в которой размещены полые плиты, обогреваемые изнутри паром или горячей водой. Высушиваемый материал находится в лотках (противнях), установленных на плитах. Во время работы камера герметически закрыта и соединена с вакуумом. Загрузка и выгрузка производятся вручную. Вакуум-сушильные шкафы служат для сушки легкоокисляющихся, взрывоопасных и выделяющих вредные или ценные пары веществ.
Недостаток: низкая производительность.
Сушилки «кипящего» слоя.
Эти сушилки являются одним из прогрессивных типов аппарата для сушки. Процесс в кипящем слое позволяет значительно увеличить поверхность контакта между частицами материала и сушильным агентом, интенсифицировать испарение влаги из материала и сократить (до нескольких минут) продолжительность сушки. Успешно применяются не только для сушки сильно сыпучих материалов, но и продуктов, подверженных комкованию, а также пастообразных материалов, растворов и суспензий.
Принцип действия: сушильный агент – горячий воздух нагретый в калорифере, или топочные газы, разбавленные воздухом, проходит с заданной скоростью через отверстия решетки в сушильной камере и поддерживает на ней материал в кипящем (псевдоожиженном) состоянии. Высушенный материал ссыпается через патрубок выше решетки. Отработанные газы очищаются от пыли в циклоне, батарейном пылеуловителем, после чего выбрасывается в атмосферу.
Распылительная сушилка.
При распылительной сушке высушиваемый раствор или суспензия распыляются специальными устройствами до мелкодисперсного состояния и смешиваются с газообразным сушильным агентом. Ввиду очень большой поверхности получаемых при распылении частиц процесс идет очень быстро.
Преимущество распылительной сушилки:
1) время сушки 15-30 секунд; 2) размер частиц и влажность продукта можно регулировать; 3) готовый продукт не требует дальнейшего размола; 4) высокая производительность.
Недостатки:
1) большие габариты; 2) большой расход энергии в связи с необходимостью распыления раствора.
Специальные виды сушилок.
1) сублимационная ;
Метод основан на удалении влаги из замороженного состояния. Причем влага в виде льда переходит в газообразную фазу, минуя жидкую. Материал находится при температуре -20÷-30ºC
и лишь в конце сушки температура повышается до 30 - 40ºC. Давление 0,1 – 10 Па.
Принцип действия:
Существуют три стадии сублимационной сушки: замораживание, сублимация и сушка.
Установка состоит из сублиматора с плитами, на которых размещается высушиваемый продукт. Циркулирующий внутри плит теплоноситель охлаждает плиты при замораживании продукта или нагревает при сушке. Конденсация паров влаги происходит в конденсаторе, куда подается хладоноситель от холодильной установки. Неконденсирующиеся пары из конденсатора – вымораживателя удаляются вакуум-насосом. При снижении давления в сушильной камере происходит быстрое самозамораживание влаги и сублимация льда за счет тепла, отдаваемого самим материалом. При сублимации удаляется основная часть влаги, это период постоянной скорости сушки. Удаление остаточной влаги – тепловой сушкой.
Область применения – сушка термолабильных продуктов: препараты крови, антибиотики, гормоны, витамины, ферменты.
2) ИК – сушилки. Тепло передается инфракрасными лучами. Температура излучателей от 700 до 2200ºC.
3) СВЧ – сушилки. Сушка в электромагнитном поле токов высокой частоты – эффективна для высушивания толстослойных материалов. Недостатки – высокая стоимость и значительный расход энергии, сложна в эксплуатации.
