2. СУШИЛКИ

Сушка – тепломассообменный процесс, заключающийся в удалении влаги из материала путём подвода к нему тепла и отвода испаряющихся паров. В от-

личие от выпарных аппаратов готовый продукт в сушилках получают в условно сухом виде.

В микробиологических производствах сушка является одной из завер-

шающих стадий, применение которой связано с необходимостью придания продукту целесообразной выпускной формы. Продукт подвергают сушке для придания ему целого ряда благоприятных свойств: лучшей характеристики,

транспортируемости, удобств при использовании.

Конструкция сушилки существенно зависит от свойств высушиваемых материалов, основными из которых являются: термостойкость, физико-

механические свойства исходной среды, концентрация, вязкость раствора, дис-

персный состав и сыпучесть твёрдого вещества, а также конечная влажность продукта и термовлагопроводные свойства твёрдой фазы.

В связи с разнообразием свойств высушиваемых материалов существуют разнообразные конструкции сушилок, строгая классификация которых оказы-

вается затруднительной.

Обычно сушилки классифицируют по следующим классификационным признакам:

− способу подвода тепла к материалу (конвективные, контактные (кон-

дуктивные), радиационные, индукционные);

−виду теплоносителя (воздушные, газовые, паровые);

−величине давления в рабочем объёме (атмосферные, вакуумные);

−режиму работы (периодические, непрерывные);

−взаимному направлению потоков материала и теплоносителя (прямо-

точные, противоточные, перекрёстного тока);

− конструкции (камерные, туннельные, ленточные, шахтные, барабан-

ные, вальцовые, распылительные, кипящего слоя).

21

Возможна классификация сушилок с учётом гидродинамических особен-

ностей движения фаз (с плотным неподвижным и движущимся слоем частиц,

скипящим слоем, с вихревым слоем, с пневмотранспортом и др.).

Кособому классу сушилок следует отнести довольно распространённые в микробиологических производствах сублимационные сушилки.

2.1. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОДУКТЫ КАК ОБЪЕКТЫ СУШКИ

Продукты микробного синтеза делятся на две основные группы:

1) продукты, которые должны после сушки сохранять жизнеспособность организмов и биологическую активность веществ (хлебопекарные дрожжи, ан-

тибиотики, бактериальные препараты, ферменты и др.); 2) продукты, в которых нет необходимости после сушки сохранять жиз-

неспособность организмов и биологическую активность веществ и которые ис-

пользуют в качестве источника питательных веществ (кормовые дрожжи, водо-

росли, аминокислоты и др.).

В целом продукты микробиологических производств являются термола-

бильными веществами и обязывают использовать при их обезвоживании мяг-

кие режимы сушки. Только продукты второй группы следует считать относи-

тельно термостабильными и использовать при их сушке более жёсткие темпе-

ратурные условия. Биоактивные экопродукты, относящиеся к первой группе,

необходимо сушить в течение непродолжительного времени при низкой темпе-

ратуре.

В микробиологической промышленности используются в основном кон-

вективные сушилки. Среди них наиболее распространены распылительные су-

шилки, сушилки кипящего слоя, ленточные, шахтные и барабанные. В значи-

тельно меньшей мере используются контактные и сублимационные сушилки.

Из контактных сушилок наиболее распространены вальцовые и гребково-

вакуумные сушилки.

При выборе сушилки и режима её работы необходимо учитывать специ-

фические свойства каждого продукта.

22

Кормовые дрожжи с содержанием сухого вещества 2…25% сушат либо

на конвективных сушилках (распылительных, кипящего слоя), либо на кон-

тактных вальцовых сушилках. Во избежание денатурации белков проводится строгий контроль температурного режима. Температура теплоносителя не должна превышать 80 °C в контактных сушилках и 300 °C – в сушилках распы-

лительных и кипящего слоя.

Весьма термолабильными являются аминокислоты. Например, лизин в составах с наполнителями (дрожжами, отрубями и т.п.), а также с другими ами-

нокислотами, углеводами, полностью теряется уже при 60…70 °C.

Аминокислоты сушат до влажности 8…10% на распылительных сушил-

ках и сушилках кипящего слоя.

Большинство ферментных препаратов дезактивируются при температуре выше 35…40 °C. Поэтому такие препараты в виде водных экстрактов, концен-

тратов сушат при низкотемпературных условиях в распылительных или субли-

мационных сушилках до остаточной влажности 5…12%.

Препараты кормовых антибиотиков (биовита, терравита, бацитрацина и др.) также являются термолабильными. Температура продукта не должна превышать 60 °C. Препараты кормовых антибиотиков сушат в ленточных су-

шилках, а также в сушилках распылительных и кипящего слоя до остаточной влажности 8…10%.

Бактериальные препараты (удобрения, средства защиты растений) долж-

ны содержать максимально возможное количество жизнеспособных микроор-

ганизмов или их спор. Такие препараты сушат в распылительных сушилках при температуре сушительного агента 130 °C и в сублимационных сушилках. Тем-

пература продукта не должна превышать 50 °C.

2.2. КОНВЕКТИВНЫЕ СУШИЛКИ ДЛЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

Целый ряд продуктов микробиологических производств перед сушкой обладают свойствами твёрдых сыпучих материалов (поверхностные культуры грибов, некоторые ферментные препараты, органические кислоты, кормовые

23

дрожжи и др.). В зависимости от влажности, дисперсности, влагопроводных свойств, термочувствительности и других свойств продукта отдают предпочте-

ние тому или иному виду сушильного оборудования. Для сушки таких мате-

риалов широко используют конвективные сушилки с активным гидродинами-

ческим режимом (в условиях пневмотранспорта, кипящего и вихревого слоя),

падающим слоем частиц (барабанные), а также с плотным либо неподвижным

(полочные), либо движущимся (ленточные, шахтные) слоем.

Для материалов, подлежащих глубокой сушке и имеющих большое внут-

ридиффузионное сопротивление, требуется оборудование, обеспечивающее длительную его обработку, без применения активных гидродинамических ре-

жимов (барабанные, шахтные, ленточные, конвейерные). Для сушки материа-

лов с небольшим внутридиффузионным сопротивлением или в случае неглубо-

кой сушки материалов с развитой удельной поверхностью частиц, рационально использовать аппараты, реализующие активные гидродинамические режимы

(сушилки кипящего слоя, пневматические, вихревые).

Барабанные сушилки. В микробиологических производствах используют-

ся барабанные атмосферные сушилки типовой конструкции. В таких аппаратах сушат ферментные препараты, органические кислоты и другие продукты био-

синтеза.

К достоинству сушилок данного типа следует отнести возможность орга-

низации сушки в мягком режиме, что позволяет снизить потери ферментной ак-

тивности препаратов, достигающие в других сушилках 25%, до 10…15%. Мяг-

кий режим сушки возможен благодаря структуре потока твёрдой фазы в аппа-

рате, близкой идеальному вытеснению, а также прямоточной схеме движения материала и теплоносителя.

Барабанная сушилка (рис. 2.1) типовой конструкции представляет собой цилиндрический сварной корпус с бандажами, установленный на двух ролико-

вых опорах, с упорами для предотвращения осевого смещения барабана.

Барабан устанавливается под углом 0,5…7° в сторону выгрузки продукта.

Внутри барабана закрепляются различного рода насадочные устройства либо

24

Ленточные сушилки. Ленточные сушилки применяются для сушки куль-

тур грибов – продуцентов ферментов, кормовых антибиотиков и других мик-

робных препаратов. В микробиологических производствах используются мно-

голенточные сушилки. Так же сушилка характеризуется высокой производи-

тельностью, простотой и удобством обслуживания.

Многоленточные сушилки представляют собой прямоугольную камеру,

внутри которой ярусами установлены ленточные транспортёры, либо с индиви-

дуальными приводами, либо с общим приводом, снабжённым вариатором. Ско-

рость ленты составляет около 1 м/мин.

Продукт засыпается на верхнюю ленту и движется, пересыпаясь с одного яруса на другой. В микробиологической промышленности используются мно-

голенточные сушилки нескольких модификаций.

В сушилках типа КСК рабочими являются только верхние ветви каждой петли, которые транспортируют материал в процессе сушки. Между верхней и нижней ветвями каждой петли расположены паровые трубки. Такое размеще-

ние греющих трубок позволяет дифференцировать режим сушки по ярусам су-

шилки. Сушилки типа КСК благодаря своим конструктивным особенностям используются и как растительные аппараты (см. раздел «Ферментаторы»).

В сушилках типа КСК каждая лента используется только наполовину, по-

скольку нижние ветви ленты движутся без материала, что очевидно, снижает удельную производительность таких аппаратов.

Разработан ряд ленточных сушилок, в которых продукт транспортируется и по верхним, и по нижним ветвям лент. Примером такой сушилки является сушилка, в которой лента набрана из пластин прямоугольной формы, предос-

тавляющих собой рамку, обтянутую сеткой (рис. 2.3). Пластины соединены шарнирно с тяговым органом бесконечной ленты, натянутой на звездочки. Пла-

стины имеют по торцам выступы, которые скользят по направляющей.

Продукт загружается на верхнюю ветвь верхней ленты и перемещается,

лёжа на ней, плотным слоем при поперечной продувке теплоносителем. Каждая пластина ленты при подходе к очередной звездочке переворачивается, и про-

27

имеют устройства для транспортирования продукта сверху вниз путём пересы-

пания с полки на полку.

Шахтная сушилка ВИС-42-Д имеет шахту прямоугольного сечения, пред-

ставляющую собой металлический каркас, обшитый листовым железом и по-

крытый теплоизоляцией. Внутри шахты на расстоянии 120 мм друг от друга за-

креплены 20 полок, каждая из которых выполнена из ряда поворотных пластин.

Через ровные промежутки времени (~40 с) пластины поворачиваются на 90° и

сбрасывают материал на нижерасположенную полку.

Шахта разделена по высоте перегородками на три зоны. Нижняя и верх-

няя зоны служат для сушки свежим теплоносителем, который движется над по-

верхностью высушиваемого материала, лежащего на полках. Потоки теплоно-

сителя из указанных зон поступают в среднюю зону, после прохождения кото-

рой выводится через систему воздухоочистки. Шахтная сушилка ВИС-42-Д без какого-либо перенасыщения может быть использована в качестве растительной установки для статико-динамического выращивания культур грибов (см. раздел

«Ферментаторы»).

Достоинством шахтной сушилки является простота и широкие возможно-

сти для дифференцирования режима сушки по рабочему объёму.

Недостатки сушилки связаны с неоднородной интенсивностью процесса в поперечном сечении шахты вследствие наличия периферийных слабовентили-

руемых зон, а также недостаточной интенсивностью процесса, связанной с од-

носторонним обдувом слоя материала.

Сушилки с взвешенным слоем материала. В сушилках со взвешенным слоем материала достигается активный гидродинамический режим и развитая поверхность контакта газообразной и твёрдой фаз. Такие сушилки находят всё большее применение в микробиологических производствах для сушки кормо-

вых дрожжей, антибиотиков, концентрата лизина, ферментных и других препа-

ратов. Принцип работы таких сушилок заключается в обработке сыпучего ма-

териала в восходящем потоке теплоносителя при скорости последнего больше,

чем критическая скорость псевдоожижения. Если скорость теплоносителя при

29

этом меньше скорости витания частиц, то имеет место либо классический псев-

доожиженный, либо фонтанирующий слой (сушилки с кипящим и фонтанирую-

щим слоем). При скорости теплоносителя, большей чем скорость витания, про-

дукт обрабатывается в режиме пневмотранспорта (пневматические сушилки).

Пневматическая сушилка обычно представляет собой нагнетательную систему пневмотранспорта (рис. 2.4) с достаточно большим вертикальном уча-

стком в её начале.

Сыпучий материал загружается дозатором-питателем 1 в нижнюю часть вертикальной пневмотрубы 2. Материал захватывается потоком предварительно очищенного воздуха, подаваемого вентилятором 8 и нагретого в калорифере 5.

Скорость воздуха в трубе достигает 40 м/с.

Проходя по трубе, продукт подсушивается, выбрасывается в сборник-

амортизатор 3, отделяется от воздуха в циклоне 5 и выгружается из системы через разгрузитель 6. Отработавший воздух после очистки на фильтрах 4 вы-

брасывается в атмосферу.

Рис. 2.4. Пневматическая сушилка

30

Процесс сушки протекает всего несколько секунд. Минимальный расход воздуха обусловлен необходимостью организации режима пневмотранспорта,

когда 1 кг его может перемещать от 8 до 20 кг продукта.

Достоинством пневматических сушилок является высокая интенсивность процесса и малое время пребывания материала в аппарате. Однако это предъяв-

ляет специфические требования к продукту, который должен иметь высокораз-

витую поверхность (быть тонкодисперсным) и характеризоваться малым внут-

ридиффузионным сопротивлением. При таком условии возможно использова-

ние теплоносителя с высокой температурой. Кроме того, сушилки эти просты и компактны (если не считать габариты высоты начального участка пнев-

мотранспорта).

Недостатком пневмосушилок является сложность регулирования процес-

са, высокая взрывоопасность и повышенный расход энергии на транспортиро-

вание продукта.

Сушилки с кипящим слоем материала имеют простую конструкцию

(рис. 2.5) и обеспечивают высокую удельную производительность. Однако они характеризуются невысокой надёжностью, особенно в аппаратах большой по-

верхностью псевдоожижения, вследствие неоднородностей кипящего слоя. Ап-

параты кипящего слоя используются для совмещения процессов гранулирова-

ния и из растворов.

Рис. 2.5. Сушилка псевдоожиженного слоя

31

Сушилка взвешенного слоя используется также для сушки грибных куль-

тур с измельчением мицелия. Для этого в сушилке типа СВИ (вихревой сушил-

ки с виброожиженным слоем материала) установлены измельчитель, работаю-

щий по принципу дисмембратора. Измельчение продукта в процессе сушки способствует снижению внутридиффузинного сопротивления и увеличению поверхности межфазного контакта, что существенно интенсифицирует процесс.

Распылительные сушилки. Распылительные сушилки широко использу-

ются в микробиологических производствах для высушивания растворов и сус-

пензий (концентратов культуральной жидкости кормовых антибиотиков, ами-

нокислот, ферментов, экстракторов культур грибов, растворов осадков, фильт-

ратов культуральной жидкости и др.). По экономическим соображениям, со-

держание сухих веществ в продукте должно быть не менее 10%. Это связано с тем, что такие сушилки обеспечивают довольно мягкий режим сушки и полу-

чение качественного продукта с минимальными потерями его активности, тон-

кой дисперсностью и хорошей растворимостью. В растительных сушилках воз-

можно также совмещение сушки с микрокапсулированием.

Ввиду сильно развитой поверхности сушка протекает очень быстро, и

температура материала остаётся значительно более низкой, чем температура сушильного агента.

Распыливающие устройства, применяемые в этих сушилках, могут быть трёх видов: центробежные, пневматические и гидромеханические. В пневмати-

ческих распылителях жидкая среда диспергируется струёй (струями) сжатого газа (воздуха), а в гидромеханических – за счёт собственного давления жидко-

сти при продавливании её с большой скоростью через каналы сложной формы,

что приводит к разрыву струй и дробления их на капли.

Наиболее распространены центробежные распылители, обеспечивающее равномерное и достаточно тонкое распыливание среды при высоких показате-

лях надёжности. Их конструкции в меньшей степени склонны к абразивному износу. Устройства имеют широкие возможности для регулирования их техно-

логических параметров.

32

Отечественной промышленностью выпускают распылительные сушилки СРЦ (с центробежным распылителем) и СРФ (с форсуночным распылителем) в

трёх исполнениях в зависимости от направления подвода теплоносителя к фа-

келу жидкости (сверху – В или снизу – Н), а также формы днища (конусное – К

или плоское – П) получают соответственно модификации: НК, ВК и ВП.

На рисунке 2.7 представлена схема сушилки с центробежным распылите-

лем и плоским днищем типа СРЦ-ВП.

Продукт подаётся по трубе 1 на диск распылителя 2, диспергируется в сушильной камере до тонкодисперсного состояния в потоке теплоносителя, по-

ступающего по газоходу 7 в верхнюю часть камеры. Высушенный продукт осе-

дает на дне сушильной камеры 3 и скребковым механизмом 5 выгружается из аппарата. Отработавший теплоноситель очищается на тканевых фильтрах 4 в

периферийной пылевой камере и выводится из аппарата. Пылевая камера в верхней части имеет окна 6, через которые осуществляется частичная рецирку-

ляция отработавшего воздуха.

Распылительная сушилка с конусным днищем и нижней подачей тепло-

носителя типа СРЦ-НК представлена на рис. 2.8. Раствор распыливается с по-

мощью центробежного распылителя 1 в верхней части сушильной камеры 2.

Рис. 2.7. Сушилка распылительная типа СРЦ-ВП

34