1. Сушка. Общие понятия.

Сушкой называют процесс удаления влаги из твердых и жидких материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров. Процесс сушки занимает важное место в производстве лекарственных препаратов и как правило влияет на качество готовой продукции. Объектами сушки могут быть разнообразные материалы на различных стадиях их переработки: сырье, полупродукты, готовые препараты. Стадия сушки может иметь место в технологическом процессе производства таблеток, гранул, экстракционных препаратов, биопрепаратов и т.д.

В зависимости от характера подвода теплоты различают следующие методы сушки:

1. конвективная сушка осуществляется путем непосредственного соприкосновения влажного материала с теплоносителем (нагретым воздухом или газом);

2. контактная сушка проводится нагреванием влажного материала горячим теплоносителем через разделяющую непроницаемую стенку;

3. специальные методы сушки:

а) диэлектрическая сушка токами высокой частоты,

б) радиационная сушка инфракрасными лучами,

в) сублимационная сушка возгонкой льда при глубоком вакууме.

В фармацевтическом производстве сушку часто совмещают с другими технологическими процессами – грануляцией, измельчением и др. По своей физической сущности сушка – сложный тепло- и массообменный процесс, скорость которого в основном определяется скоростью диффузии влаги в материале. При сушке влага перемещается из глубины материала к поверхности и затем удаляется из материала. Теплота, необходимая для нагрева материала при сушке, подводится к поверхности и распространяется вглубь материала. Таким образом, процесс сушки представляет собой сочетание процессов тепло- и массообмена, причем перенос теплоты и массы происходит в противоположных направлениях. Процесс сушки не должен сопровождаться нежелательным изменением структурно-механических свойств высушиваемого материала, образованием полиморфных форм, химическими реакциями, приводящими к снижению или потере терапевтической активности лекарственных веществ.

2. Теоретические основы сушки.

Теоретические основы сушки складываются из статистики и кинетики процесса.

2.1. Статистика.

Влажный материал

может не только отдавать влагу путем испарения в окружающую среду, но при определенных условиях и поглощать ее. Влажный твердый материал представляет собой бинарную дисперсную систему, состоящую из твердого тела и влаги, которая находится в микропорах и на поверхности твердого тела. Состав влажного твердого материала характеризуется влажностью, выражаемой в процентах.

Среда,

окружающая влажный материал, является бинарной смесью сухого воздуха и водяного пара. Обозначим парциальное давление водяного пара в воздухе Рп. Влаге, содержащейся в материале, соответствует определенное равновесное давление водяного пара над высушиваемым материалом Рм. Для проведения сушки Рм должно быть больше Рп. Таким образом, условием удаления влаги из материала является неравенство Рм > Рп.

В течение определенного времени сушки влажность материала приближается к некоторому пределу и в этот момент Рм = Рп. Таким образом наступает равновесие обмена влагой между материалом и окружающей средой, и процесс сушки прекращается. В этот момент материал имеет устойчивую влажность, называемую равновесной. Давление водяного пара над высушиваемым материалом Рм зависит от влажности материала, характера связи с ним и температуры. С ростом влажности материала и температуры значение Рм возрастает. Различают несколько форм связи влаги с материалом.

Формы связи влаги с материалом.

1. Механическая – охватывает поверхностную влагу смачивания и капиллярную, удаляется наиболее легко.

2. Физико-химическая связь характерна для всех видов внутриклеточной влаги:

а) адсорбционно-связанной

б) осмотически-удержанной (влага набухания)

в) структурной; этот вид влаги удаляется значительно труднее.

3. Химическая связь характерна для гидратной или кристаллизационной влаги. Эта влага в процессе сушки обычно удаляется.

Независимо от характера связи влагу, прочно связанную с материалом, называют гигроскопической. Эта влага не может быть полностью удалена из материала в процессе сушки. Вся влага, удаляемая из материала в условиях тепловой сушки, называется свободной. Влажный материал отдает вначале менее прочно связанную влагу – поверхностную, а также влагу из микрокапилляров. Затем удаляется часть гигроскопической влаги из мелких капилляров – адсорбционно-связанная и осмотически-удерживаемая за счет набухания, внутриклеточная влага.

Влажность воздуха.

Процесс сушки зависит не только от свойств материала, но и от свойств окружающей среды, т.е. сушильного агента. Воздух выполняет двойную роль:

1. Он является горячим теплоносителем, с помощью которого материал нагревается.

2. Он является средой, в которую переходит влага. Таким образом, в сушильных установках воздух влажный и характеризуется следующими параметрами: температурой, влажностью, влаго- и теплосодержанием. Влажный материал можно сушить холодным воздухом, но горячий воздух способствует более быстрому прогреву материала и легкому испарению влаги. Влажность воздуха различают абсолютную и относительную.

Абсолютная влажность – количество водяных паров (в килограммах), содержащихся в 1м³ влажного воздуха. При понижении температуры или увлажнении воздуха находящийся в нем пар становится насыщенным.

Относительная влажность – отношение абсолютной влажности при той же температуре и давлении к максимально возможному количеству пара в условиях насыщения. Относительную влажность воздуха можно выразить отношением плотностей пара или отношением давлений:

(1)

где  - относительная влажность,

Р₁ и Р₂ – парциальное давление пара при данных условиях и насыщенного,

₁ и ₂ – плотность пара при данных условиях и насыщенного.

Для выражения относительной влажности в процентах значение умножается на 100. Доводить значение относительной влажности до 100 % не следует во избежание выделения капельножидкой фазы. Влагосодержание воздуха – количество содержащихся в воздухе водяных паров (в кг), отнесенное к 1 кг абсолютно сухого воздуха.

(2)

где Х – влагосодержание воздуха,

Р₀ – общее давление влажного воздуха,

Р₂ – давление насыщенного пара,

 - относительная влажность,

0,622 – отношение молекулярных масс водяного пара и сухого воздуха.

Влагосодержание и теплосодержание.

Влагосодержание характеризует процесс массообмена. Между влажностью и влагосодержанием существует прямая зависимость. Однако, в отличие от влажности, влагосодержание не зависит от температуры.

Теплосодержание (энтальпия) влажного воздуха выражается суммой энтальпии сухого воздуха и водяного пара. Без учета тепловых потерь теплосодержание воздуха в процессе конвективной сушки остается постоянным. Воздух отдает тепло материалу на испарение влаги. Пар переходит в воздух, увеличивая его влагосодержание, и приносит то же количество тепла, которое затрачено на испарение.