1. Литературный обзор

1.1. Сублимационная сушка как инновационный технологический процесс

Сублимационная сушка, называемая также вымораживанием, молекулярной, или лиофильной, – популярный и стремительно развивающийся технологический процесс несколько последних десятилетий. Причиной тому служит высокое качество получаемых продуктов и незаменимость сублимационной сушки, прежде всего, в фармацевтической, пищевой промышленности и биотехнологии.

Отличительной особенностью сублимационного обезвоживания является то, что процесс протекает при отрицательной температуре; высушиваемый продукт предварительно замораживают, а удаление влаги происходит за счет сублимации – фазового перехода из твердого состояния в парообразное минуя жидкое.

Сублимационную сушку применяют для высушивания пищевых продуктов, термолабильных, окисляющихся и дорогостоящих лекарственных веществ (гормональных препаратов, антибиотиков, витаминов, белковых и ферментных препаратов), а также препаратов крови, сывороток и вакцин [1-4] используется для сушки особо чистых химических продуктов, взрывоопасных и некоторых радиоактивных веществ [5, 6].

Благодаря низкотемпературным условиям сублимационного обезвоживания первоначальные свойства продукта не только сохраняются (летучие, биологически активные вещества, первоначальный запах, вкус, цвет), но и улучшаются вследствие концентрации наиболее ценных компонентов [7].

Также среди преимуществ, характерных для данного процесса, можно отметить: образование развернутой пористой структуры, отсутствие усадки, сохранение первоначальной формы и размеров; быструю и полную регидратацию высушенного продукта; низкое влагосодержание, длительные сроки хранения при нерегулируемой температуре окружающей среды; минимизацию деградационных реакций, таких как денатурация протеинов, ферментативные реакции; отсутствие затрат на низкотемпературное хранение высушенных продуктов, снижение транспортных расходов.

Рассмотрим основные способы реализации процесса сублимационной сушки с точки зрения преимуществ и недостатков каждого, а также технологическую реализацию и возможности интенсификации процесса.

В зависимости от величины общего давления парогазовой смеси над поверхностью высушиваемого материала существует четыре способа проведения процесса сублимационной сушки: вакуумная, атмосферная, при пониженном и повышенном общем давлении [3].

1.1.1. Вакуумная сублимационная сушка

Вакуум сублимационная сушка (ВСС) на сегодняшний день остается наиболее распространенным способом обезвоживания и широко применяется в фармацевтической, пищевой промышленности [1, 2, 4]. Обычно ВСС реализуется в аппаратах периодического действия с цилиндрическими и прямоугольными шкафами. Такое оборудование позволяет сушить продукты в насыпном состоянии (кусковой продукт, гранулы, порошок) в специальных лотках или противнях, а также в предварительно расфасованном виде (во флаконах, пробирках, ампулах) в случае жидких и сыпучих продуктов.

Основным недостатком вакуумных сублимационных сушилок является их относительно высокая стоимость, а также сложность и громоздкость вспомогательного оборудования, обслуживание которого требует специально подготовленного персонала. Также среди недостатков необходимо отметить продолжительность процесса, которая может составлять от двенадцати часов до нескольких суток. Продукт, получаемый в вакуумных сублимационных шкафах, зачастую имеет так называемый «пирог» или спекшуюся структуру и требует обязательной последующей обработки путем измельчения и смешения с вспомогательными веществами для придания необходимых свойств (сыпучести, дисперсности, растворимости).

Энергозатраты на организацию сублимационного процесса в вакууме в 15–20 раз превышают аналогичные затраты на тепловую сушку и распределяются по составляющим ее операциям следующим образом [8]: замораживание – 4%, вакуумирование – 25%, сублимация – 45% и конденсация – 26%. Стадия замораживания продукта требует наименьшего количества энергии относительного всего процесса. Затраты на создание и поддержание вакуума, а также конденсацию практически эквивалентны. Стадия сублимации является наиболее длительной и энергоемкой. Поэтому энергетическая эффективность процесса в целом может быть улучшена за счет: сокращения времени вакуумирования или полного исключения вакуума, интенсификации тепломассообмена, перехода на непрерывный режим и исключения конденсатора. Таким образом, снижение энергозатрат представляется возможным благодаря использованию установок, которые описаны в работах представленных ниже.

В работе [9] представлена вакуумная сублимационная сушильная установка, предназначенная для сушки пищевых и химических продуктов. Замораживание и сушка осуществляется на внутренней поверхности рабочей камеры, которая представлена в виде полой вертикальной трубки. Распыление высушиваемого раствора происходит на ее внутреннюю поверхность. Охлаждение и замораживание осуществляется с помощью рубашки, в которой циркулирует теплоноситель. Таким образом, образуется тонкий слой замороженного продукта, что обеспечивает равномерное сублимационное высушивание, интенсивный тепломассообмен и существенно ускоряет процесс. Данный аппарат характеризуется сравнительно простотой конструкции, точной регулировкой температуры охлаждающего агента и широким спектром высушиваемых продуктов.

Авторами [10] описан аппарат, предназначенный для вакуумной сублимационной сушки жидких продуктов. Представляет собой полую, вертикальную трубу, на внутренней поверхности которой происходит замораживание распыляемого вещества и сублимация влаги. Распыление на внутреннюю стенку происходит с помощью форсунки, которая расположена в верхней части трубы. Также в этой установке предусмотрена линия регенерации, посредством которой происходит возвращение незамороженного вещества в цикл работы аппарата. Эта конструкционная особенность позволяет добиться высокой производительности и является выгодным отличием данной установки от аналогов.

В работе [11] представлена серия стандартных лиофилизаторов различной производительности для промышленного использования. Эти установки предназначены для вакуумной сублимационной сушки лекарственных препаратов. Лиофилизаторы характеризуются надежностью вакуумной системы, высокой эффективностью охлаждения, основанной на использовании жидкого азота, передовой системой теплообмена и полностью автоматизированным контролем.

Как уже было отмечено выше вакуумная сублимационная сушка относится к процессам, требующим высоких энергозатрат, что является серьезным сдерживающим фактором в ее развитии. Многочисленные работы специалистов в данной области посвящены разработке установок, в которых экономию энергоресурсов можно получить путем организации теплообмена с замораживаемым и сублимируемым продуктом, совмещая эти стадии процесса во времени [12].

Основная идея энергосбережения, предложенная Саниным В. Н. и др. в работе [11], заключается в использовании теплоты десублимации (конденсации) влаги для нагрева при каскадном расположении секций с обрабатываемым продуктом. Предлагаемая сушилка дает возможность в несколько раз снизить расход теплоты по сравнению с прямым электронагревом такого же количества продукта.