2.2. Изучение кинетики атмосферной сублимационной сушки

Исследование кинетики атмосферной сублимационной сушки проводилось на примере лекарственных препаратов, стабилизирующих веществ, пищевых продуктов. В качестве основного модельного вещества применялся маннитол, который является одним из основных соединений, применяемых для стабилизации лекарственных препаратов при лиофилизации. Маннитол или D-маннит принадлежит к классу гекситов. Его структурная формула дана ниже, рис. 2.3. Маннитол представляет собой бесцветный кристаллический порошок сладкого вкуса. Встречается в манне (застывший сок ясеня и платана). Получают восстановлением D-фруктозы. Может существовать в трех различных модификациях (a, b, d). Молекулярный вес Mw=182,17 г/моль, температура плавления составляет tпл=166С, температура кипения tкип=276-280С (при 1 мм.рт.ст.). Анализ материала, полученного после сушки вымораживанием, показал, что порошок имеет кристаллическую структуру.

Рис. 2.3. Структурная формула маннитола

Рис. 2.4. Маннитол исходный материал / Маннитол после сушки вымораживанием

В табл. 2.2. приведены экспериментальные данные исследования кинетики атмосферной сублимационной сушки растворов вспомогательных веществ, а также вспомогательных веществ с протеинами.

Таблица 2.2.

Экспериментальные данные исследования кинетики в аппарате MiniGlatt

№ п/п	Состав	Масса, г	Концентрация вещества, %	Время сушки, мин	Остаточное влагосодержание, %
1	Маннитол/ PEG	50	15	180	2.5
2	Маннитол/ PEG	40	15	160	1.2
3	Маннитол/ Амилоза	50	10	145	6.2
4	Декстран/ PEG	50	15	251	1.9

Анализ кинетических данных показал, что наличие второго периода сушки зависит от природы высушиваемого вещества. Для веществ с кристаллической структурой время второго периода сублимационной сушки незначительно (на кинетических кривых экспоненциальная фаза практически не выражена), т.е. вся влага из материала удаляется уже на первой стадии сушки, когда изменение влагосодержания продукта во времени имеет линейную зависимость. Это хорошо видно на примере кинетической кривой сушки замороженных частиц маннитола с начальным влагосодержанием 85% (рис. 2.6), полученной по значениям температур точки росы входящего и выходящего воздуха (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Зависимость температуры точки росы воздуха на входе и на выходе из аппарата MiniGlatt от времени (состав 1, табл. 2.2)

Рис. 2.6. Зависимость влагосодержания и температуры частиц замороженного

15% Водного раствора маннитола от времени (состав 1, табл. 2.2)

Линейную зависимость изменения влагосодержания от времени можно объяснить высоким содержанием льда в частицах и тем самым малой кажущейся плотностью конечного продукта, что является характерной особенностью для данного процесса. Т.к. начальная концентрация вещества в водном растворе составляет около 10 - 20%, то после стадии распыления–замораживания (когда задается размер и форма частиц конечного продукта) основную массу частицы представляет собой лед.

В процессе сублимационной сушки форма и размер частиц не изменяются, при этом практически полностью удаляется влага из материала (остаточное влагосодержание составляет 1-3%). В результате соотношение массы вещества к объему частицы в высушенном продукте минимально, соответственно частицы имеют высокопористую структуру.

Нужно отметить, что размер частиц в данном процессе имеет порядок 10^-4 м, в этом случае частицы высушиваемого продукта имеют высокую удельную поверхность, а для процесса характерен интенсивный тепломассоперенос, что подтверждается насыщением выходящего из аппарата воздуха близким к 100%.

Как уже было сказано, в течение процесса удаляется значительное количество влаги, около 80% от первоначальной массы замороженного материала. Данный фактор нельзя не учитывать, когда речь идет об устойчивом режиме работы сублимационного аппарата с активной гидродинамикой.

Для поддержания слоя в устойчивом режиме необходимо варьировать скорость поступающего в аппарат воздуха в зависимости от изменения массы слоя. На рис. 2.7 показано изменение скорости воздуха на входе в аппарат в зависимости от массы высушиваемого вещества в течение процесса. При этом воздух должен поступать в аппарат с такой скоростью, которая позволит поддерживать максимально возможное насыщение влагой и необходимый гидродинамический режим.

Рис. 2.7. Изменение скорости воздуха в зависимости от массы слоя высушиваемого вещества в течение процесса в аппарате MiniGlatt(состав 1, табл. 2.3)

Если не учитывать изменение массы материала путем регулирования скорости воздуха, интенсивность процесса будет недостаточной, возрастет время пребывания, увеличится стоимость продукта. При максимальных скоростях воздуха будет происходить унос частиц слоя и налипание их на поверхность фильтра, при минимальных – завал слоя, что приведет к разрушению структуры продукта, недостаточно эффективной сушке.

В ходе экспериментальных исследований [23] было определено влияние на интенсивность сушки следующих параметров:

• температуры сушки (рис. 2.8),

• скорости воздуха на входе в аппарат (рис. 2.9),

• размера частиц высушиваемого вещества,

• концентрации твердого вещества в высушиваемом растворе (рис. 2.10),

• размера аппарата.

Давление водяного пара зависит от температуры. Таким образом, согласно h,x-диаграмме Рамзина, сушильная емкость холодного воздуха (способность акцептировать некоторое количество воды за единицу времени) значительно уменьшается при снижении температуры. Это означает, что постоянное количество кондиционированного воздуха способно принять значительно меньшее количество воды, при пониженных температурах, в то время как энергия, необходимая для кондиционирования этого воздуха даже увеличивается (уменьшение эффективности и увеличение энергозатрат системами охлаждения при низких температурах). Кроме того, увеличивается время сушки. Поэтому с экономической точки зрения существенно, чтобы сублимационная сушка проводилась при максимально возможных температурах. Максимальная температура определяется эвтектической температурой для кристаллических продуктов и температурой стеклования для аморфных продуктов.

На рис. 2.8 показано изменение влагосодержания продукта при температурах процесса -25°С, -20°С, -6°С.

Как видно из графиков, с повышением температуры процесса, значительно увеличивается скорость сушки и, соответственно, снижается время первого периода. Температура в камере ограничивается предельно допустимым значением для конкретного материала.

Рис. 2.8. Влияние температуры процесса на изменение влаго-содержания материала во времени

При условии, что значения других параметров достигли предела, увеличение скорости воздушного потока - единственная возможность ускорить процесс сушки. Когда водяной пар в воздухе достигает насыщения, разность между парциальным давлением водяного пара над материалом и в сушильном агенте становится недостаточной, увеличить интенсивность сушки можно за счет повышения скорости воздушного потока.

На рис. 2.9 представлено влияние скорости воздуха на интенсивность сушки.

Рис. 2.9. Влияние скорости воздушного потока на интенсивность сушки

Но если скорость воздушного потока уже настолько высока, что воздух после протекания через продукт не насыщается водяным паром, дальнейшее повышение скорости воздушного потока оказывает незначительное влияние на разность парциальных давлений водяного пара и, следовательно, на скорость сушки. Для получения экономически оптимального процесса выходящий воздух должен быть максимально насыщен водяным паром. При постоянных давлении воздуха или температуры сушки, отношение между массой загрузки высушиваемого продукта и скоростью воздушного потока определяет степень насыщения водяного пара.

Изменяя содержание сухого вещества в первоначальном растворе можно управлять плотностью твердой структуры. Влияние концентрации высушиваемого вещества в растворе на кинетику сушки было исследовано для растворов с содержанием маннитола: 1%, 10%, 20%.

При более низком содержании сухого вещества (приблизительно 10 %) пористая твердая структура может быть легко разрушена в процессе сушки. Продукт состоит в этом случае из обломков частиц размером около 10 мкм, что может быть использовано для получения продуктов ингаляционного назначения.

На рис. 2.10 показана кинетика сушки упомянутых водных растворов маннитола при при температуре процесса -15⁰C.

Рис. 2.10. Влияние начального влагосодержания раствора маннитола на кинетику сушки

По результатам исследования кинетики атмосферной сублимационной сушки в аппарате MiniGlatt с активной гидродинамикой можно сделать следующие выводы: потеря массы высушиваемого продукта в процессе сушки составляет 80-85% от начальной массы; необходимо регулирование скорости воздуха для поддержания устойчивого гидродинамического режима и эффективного проведения процесса; насыщение воздуха водяным паром на выходе из аппарата близко к 100%; наблюдается сохранение размера и формы частиц продукта; при концентрации высушиваемого вещества в растворе более 10% разрушение частиц в течение процесса минимально; для высушенных частиц характерна высокая пористость.