ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ. ВЫПАРИВАНИЕ И СУШКА План:

83
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ.
ВЫПАРИВАНИЕ И СУШКА
План:
1. Процессы нагревания и охлаждения.
1.1 Теплопередача.
1.2 Теплоносители.
1.3 Теплообменные аппараты.
2. Выпаривание. Характеристика процесса.
2.1 Аппараты для выпаривания.
2.2 Побочные явления при выпаривании.
3. Процесс сушки.
3.1 Теоретические основы процесса сушки. Статика. Кинетика.
3.2 Способы сушки.
3.2.1 Контактные сушилки.
3.2.2 Конвективные сушилки.
3.2.3 Специальные сушилки.
Тепловыми называются процессы, протекающие при условии подвода
или отвода тепла. В фармацевтической технологии используются
разнообразные тепловые процессы: нагревание, охлаждение, конденсация,
выпаривание, сушка.
1. Процессы нагревания – охлаждения
1.2. Теплопередача или теплообмен
Это процесс распространения тепла от одного объекта к другому. Тепло
может передаваться от среды с более высокой температурой к среде с более
низкой. Эта разность температур является движущей силой процесса
теплопередачи и называется температурным напором.
Переход тепла может распространяться разными путями:
теплопроводностью, конвекцией и излучением.
Теплопроводность – вид теплообмена, который происходит между
частицами тела, находящимися в соприкосновении.
Конвекция – перенос тепла вследствие движения и перемешивания
макроскопических объемов газа или жидкостей. Конвекция имеет место,
например, при передаче тепла от стенки трубы жидкости, протекающей внутри
неё.
Излучение (лучеиспускание) свойственно всем телам, имеющим
температуру выше нуля по шкале Кельвина. Способность тел поглощать и
испускать тепловые лучи разная. Тело способное полностью поглощать
тепловые лучи и максимально их излучать, называется абсолютно черным.
Тело, не обладающее поглощающей способностью и отражающее все
падающие на него лучи, называется абсолютно белым. В природе нет ни
абсолютно чёрных, ни абсолютно белых тел.
На практике перечисленные виды теплообмена редко наблюдаются
реально: в большинстве случаев они связаны между собой и проявляются
совместно. Такой процесс называется сложным теплообменом.
84
1.2.Теплоносители
В фармацевтической технологии прямые источники тепла (дымовые или
топочные газы, электрический ток) применяются редко. Как правило,
используются теплоносители – промежуточные источники тепла.
В качестве теплоносителей применяются водяной пар, горячая вода,
минеральные масла. Основным теплоносителем является водяной пар. Он
вырабатывается в паровых котлах. Пар как теплоноситель может быть
охарактеризован такими параметрами: температура, давление, энтальпия.
Как теплоноситель пар имеет следующие достоинства:
- доступный теплоноситель;
- безопасен в пожарном отношении;
- нетоксичен;
- обладает высоким коэффициентом теплоотдачи (1 кг пара при
конденсации выделяет 540 ккал тепла);
- возможность регулирования температуры;
- пар легко транспортируется по паропроводам за счет собственного
давления;
- обеспечивает равномерность нагрева.
Нагревание водяным паром может осуществляться двумя способами:
«острым» паром и «глухим» паром.
При нагревании «острым» паром его вводят в обогреваемый объект по
трубе или барбатеру (труба с многочисленными отверстиями). При этом пар
отдаёт свое тепло и конденсируется. Образующийся конденсат смешивается с
обогреваемым объектом (жидкость, отработанное сырье). При использовании
«острого» пара кроме нагревания происходит и перемешивание жидкости.
При нагревании «глухим» паром обогреваемый объект не соприкасается с
паром, тепло передается через стенку теплообменника.
Вода – как теплоноситель используется реже пара, так как в отличие от
пара имеет ряд недостатков:
- коэффициент теплоотдачи горячей воды ниже, чем у пара  в 500 раз
- температуру воды регулировать трудно
- для транспортировки воды необходим расход энергии.
Обогрев водой возможен в интервалах от 600 до 3700 С. Воду с
температурой выше 1000 С получают в специальных нагревательных колбахбойлерах.
Минеральные масла как теплоносители позволяют проводить нагрев до
250 – 3000 С.
1.3.Теплообменные аппараты
К теплообменным аппаратам относятся устройства, в которых
теплоноситель отдает тепло обогреваемому объекту – жидкости, газу, твердому
веществу и т.д.
Теплообменными аппаратами являются различные подогреватели,
выпарительные аппараты, конденсаторы. Для обогрева используются
теплообменники различных конструкций. Типы теплообменников (уч.
Муравьева т.1, с.104, рис 56):
85
а – кожухотрубный (рис.1а);
б – двухтрубный «труба в трубе» (рис 1б);
в – змеевиковый (рис. 1в);
г – аппарат с рубашкой (рис. 1г);
д – калорифер(рис.1д).
Охлаждение. Конденсация
В фармацевтической технологии нередко возникает необходимость в
охлаждении паров, жидкостей, газов. С этой целью используют теплоносители
– воду, воздух, растворы солей (рассолы).
Среди процессов охлаждения наиболее распространенным является
конденсация. Конденсацией называется процесс перевода пара в жидкое
состояние путем его охлаждения.
Аппараты,
в
которых
происходит
конденсация,
называются
конденсаторами.
Конденсатор представляет собой теплообменник, в котором пар охлаждается
холодным теплоносителем. Конденсация применяется с целью ускорения
процесса выпаривания, а также для улавливания ценных растворителей и
экстрагентов. Охлаждение пара может производиться двояко: 1)
непосредственным смешением паров с холодной водой; 2) через стенку
теплообменника. Конденсаторы, работающие по первому принципу,
называются конденсаторами смешения, по – второму поверхностными. В
последних конденсирующийся пар и охлаждающая его вода разделены
металлической стенкой.
2. Выпаривание
Процесс выпаривания заключается в удалении части растворителя или
экстрагента в виде пара при помощи нагревания. Этот процесс широко
применяется при получении экстрактов. При выпаривании превращение
жидкости в пар происходит при температуре ее кипения, которая находится в
прямой зависимости от давления. Выпаривание может быть проведено при
атмосферном и пониженном давлении.
Выпаривание растворов при атмосферном давлении в открытых
выпарных чашах применяется редко, так как удаляющийся вторичный пар
загрязняет производственное помещение, а высокая температура процесса и
длительность могут привести к потере термолабильных действующих веществ
(витамины, гликозиды, алкалоиды и т.д.)
Проведение выпаривания под вакуумом имеет существенные
преимущества: снижается температура кипения сгущаемой жидкости,
улавливается ценный вторичный пар в виде конденсата.
2.1 Аппараты для выпаривания
Для выпаривания применяются аппараты трех типов: шаровые, трубчатые,
роторные.
Шаровые вакуум – аппараты (уч. Муравьева т.1, с.108, рис. 58).
Трубчатые вакуум – аппараты отличаются большим конструктивным
разнообразием. В трубчатых аппаратах выпаривание происходит в
кипятильных трубках, которые обогреваются снаружи греющим паром.
86
В фармацевтическом производстве находят применение аппарат с
центральной циркуляционной трубой и пленочный аппарат.
Вакуум – выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой .
(уч. Ивановой т.2, с.65, рис. 5.4).
Пленочный выпарной аппарат (уч. Ивановой т.2, с.67, рис.5.6).
В настоящее время все более широко применяются пленочные
центробежные (роторные) вакуум – выпарные аппараты непрерывного
действия. Они характеризуются высокой интенсивностью выпаривания
растворов вплоть до образования сухих продуктов. Выпариваемая жидкость в
зоне нагрева находится кратковременно – в течение нескольких секунд. Для
распределения упариваемой жидкости по обогреваемой поверхности
используют роторы с жестко насаженными лопастями или скребками (уч
Ивановой т.2, с.70, рис.5.8).
Все вакуум – аппараты используются в вакуум – выпарных установках
двух типов: 1) с поверхностным конденсатором и 2) с конденсатором
смещения, которые представлены на рисунках. Схема вакуум – выпарительной
установки с поверхностным конденсатором (уч. Муравьевой т.1, с.110, рис. 61).
Установки первого типа используются в тех случаях, когда вторичный пар
содержит пары ценного экстрагента. Конденсируясь в поверхностном
конденсаторе, ценный эктрагент собирается в сборниках. Вакуум в установке
создается вакуум – насосом. Между ним и сборниками устанавливается ресивер
– дополнительный сборник, который предохраняет насос от попадания
конденсата. Кроме того ресивер играет роль буфера, создающего плавность при
работе всей установки.
Выпарительные установки с конденсатором смешения используют для
сгущения водных жидкостей, при выпаривании которых образуется водяной
пар, конденсирующийся в конденсаторе смешения. Схема вакуум – выпарной
установки с конденсатором смешения (уч. Муравьевой т.1, с.110, рис. 62).
3. Процесс сушки
Сушка представляет собой процесс удаления влаги путем ее испарения из
твердых, пастообразных материалов, а так же из суспензий и растворов.
На эффективность сушки влияют разные факторы: свойство материала,
количество влаги, формы связи ее с материалом, свойством теплоносителя,
процессы влагопереноса в материале.
Значение этих факторов рассматривает теория сушки.
Формы связи влаги с материалом существенно влияют на выбор способа
и режима сушки. Научно-обоснованная классификация форм связи влаги с
материалом выдвинута академиком. П.А. Ребиндером, согласно, которой
выделяют:
- химическую связь (ионную, молекулярную);
- физико-химическая связь (адсорбционную и осмотическую);
- физико-механическую связь (структурную, смачивание, капиллярную).
Процесс удаления влаги из материала (сушка) сопровождается нарушением
связи ее с материалом, на что затрачивается определенная энергия.
87
Прочность разных форм связи влаги с материалом различна. Наименее
прочно связана с материалом влага смачивания, влага, заполняющая крупные
капилляры. Более прочно с материалом связана адсорбционная влага,
структурная, осмотическая (внутриклеточная) влага в мелких капиллярах.
Наиболее прочно связана с материалом химически связанная влага, которая
удаляется при разрушении химической структуры вещества.
3.1 Теоретические основы сушки
Статика сушки рассматривает свойства объектов, участвующих в процессе,
- высушиваемого материала и теплоносителя (воздуха). Для проведения сушки
давление паров влаги у поверхности материала (Рм) должно быть больше
парциального давления водяного пара в воздухе (Рп).
РМ>РП
Величина РМ зависит от влажности материала и формы связи влаги с ним.
При сушке влажность материала уменьшается до определенного предела,
соответствующему равенству Рм=Рп
Этому состоянию соответствует равновесная влажность, при которой
процесс сушки прекращается.
Теплоносителем в процессе сушки является воздух. Воздух, как
сушильный агент, характеризуется температурой, влажностью, влаго- и
теплосодержанием.
Кинетика сушки рассматривает процесс сушки как массообменный
процесс перехода влаги из материала в окружающую среду и выражается
уравнением массообмена.
W=KF(PМ-PП), где
W - количество испарившейся влаги, кг;
K - коэффициент массопередачи;
Рм – парциальное давление водяного пара у поверхности материала;
Рп – парциальное давление пара в окружающем воздухе;
Разность давлений является движущей силой процесса.
Скорость сушки определяется количеством влаги W, испаряемой с единицы
поверхности F высушиваемого материала за единицу времени:
W
U=
кг/м2с
Fτ
Удаление влаги происходит за счет испарения ее с поверхности (внешняя
диффузия). Вместо испарившейся влаги под давлением капиллярных сил к
поверхности устремляется влага из внутренних слоев (внутренняя диффузия).
Вначале испаряющаяся влага легко восполняется притоком изнутри, материал
постоянно покрыт пленкой влаги.
По мере уменьшения влаги в материале его поверхность будет
освобождаться от жидкой пленки, испаряться будет лишь та влага, которая
силами внутренней диффузии доставляется из глубинных слоев по капиллярам
к поверхности испарения. По мере сушки влага все с большим трудом
поступает к поверхности. В дальнейшем начинает прогреваться материал,
вследствие чего влага начинает испаряться из его капилляров, не достигнув
88
поверхности. Процесс сушки может быть изображен графически в координатах:
скорость сушки – влагосодержание. Диаграмма процесса сушки (уч.
Муравьевой т.1, с. 115, рис. 64)
Кривая сушки имеет несколько отрезков соответствующих разным периодам
процесса. Отрезок DС соответствует прогреву материала, удаляется небольшое
количество влаги поверхностной, скорость сушки быстро возрастает, достигая
максимальной величины. На следующей стадии (отрезок СА) сушка протекает
с постоянной скоростью (период внешней диффузии). В этот период идет
интенсивное снижение влажности материала. Период заканчивается первой
критической точкой А, которая начинает период падающей скорости сушки.
В этот период скорость сушки полностью зависит от скорости диффузии влаги
внутри материала. Вначале скорость падает равномерно (отрезок прямой), а
затем неравномерно (отрезок кривой). В последний период сушки удаляется
влага из капилляров и клеток (осмотически связанная). Процесс сушки
заканчивается (точка В) при равновесной (остаточной) влажности материала и
нулевой скорости сушки.
Интенсификация процесса сушки проводиться по четырем направлениям:
1. перевод высушиваемого сыпучего материала из стационарного состояния
в подвижное с помощью продувки сушильного агента;
2. Увеличение поверхности контакта материала с сушильным агентом;
3. Применение сушильного агента с повышенной температурой;
4. Применение комбинированных способов передачи тепла материалу.
3.2. Способы сушки: тепловые и специальные
По способу подвода тепла сушка делится на конвективную (воздушную) и
контактную.
При конвективной сушке материал обтекается потоком подогретого воздуха,
а при контакте сушка осуществляется за счет контакта материала с нагретой
поверхностью.
К специальным способам сушки относятся:
- -высокочастотная (под действием электрического поля высокой частоты
0,3 – 10 кгц);
- радиационная (под действием инфракрасного излучения);
- сублимационная (удаление влаги из замороженного материала путем
перевода ее из твердой фазы в паровую, минуя жидкое состояние, при
этом основная часть влаги удаляется при 00 С, остальная при 30-400С,
остаточное давление 5-330 Па).
Выбор способа сушки в фармацевтической технологии делается с учетом
физического состояния высушиваемого материала, его влагосодержания, а так
же с учетом влияния сушки на биофармацевтические характеристики активной
субстанции материала – изменение дисперсности, полиморфизм, химические
модификации.
3.2.1 Контактные сушилки
Вакуум – сушильный шкаф (МУ, с.23, рис 1). Вальцовые сушилки:
одновальцовые – (МУ с.23, рис. 2а), двухвальцовые - (МУ с.24, рис. 2в)
89
3.2.2. Конвективные сушилки
Ленточная многоярусная сушилка (МУ с.24, рис. 4). Работает при
атмосферном давлении, непрерывного действия.
Распылительная сушилка (МУ с.26, рис.7). Сушилки этого типа
используются для сушки жидкостей и бывают разных конструкций в
зависимости от устройства для распыления жидкости. Это сушилки
непрерывного действия.
Сушилки с кипящим псевдосжиженным слоем (МУ с.26, рис. 8). Эти
сушилки как правило непрерывного действия.
3.2.3. Специальные сушилки
Радиационная сушилка. В радиационных сушилках удаление влаги
протекает более интенсивно, чем в тепловых, за счет высокой энергии
излучения инфракрасных волн. Сушка протекает при 50-700С. Радиационная
сушилка (МУ с.28, рис.11).
Диэлектрическая сушилка. В этих сушилках сушка осуществляется
токами высокой частоты за счет свойств молекул диэлектрика (высушиваемого
материала) поляризоваться под действием электрического поля. Интенсивность
нагревания зависит от частоты электрического поля, его мощности, длинны
волны, и свойств материала. Каждый материал наиболее быстро нагревается
под действием волн определенной длины. Диэлектрическая сушилка (МУ с.28,
рис.12)
Ультразвуковая сушилка (акустическая). Ультразвуковая сушка
представляет собой сушку в псевдосжиженном слое, где в качестве
аэродинамического преобразователя используют источники УЗ – сирены или
газоструйные свистки. Ультразвуковая сушилка (МУ с.29, рис 13)
Сублимационная сушилка (лиофильная). Технология сублимационной
сушки заключается в том, что материал высушивания помещают в сушильную
камеру либо в замороженном состоянии, либо замораживается непосредственно
в камере. Сублимация происходит за счет глубокого вакуума, создаваемого
вакуум – насосом, а также за счет прокачивания холодильного рассола
(температура –10-400С) с помощью электронасоса через морозильную камеру и
конденсатор. Сублимационную сушку применяют для высушивания
термолабильных препаратов (антибиотики, гормоны, витамины, ферменты,
плазма крови и др.). Сублимационная сушилка (МУ с.29, рис.14).
Литература:
1. Технология лекарственных форм /Под ред. Л. А. Ивановой - М., 1991 - Т. 2 С. 45-92.
2. Муравьев И.А. Технология лекарств - М., 1990 - Т. 1 - С. 94-126.
3. Лекционный материал.
4. Сушка дисперсных материалов в химической технологии / А.Н. Плановский,
В.И. Муштаев, В.М. Ульянов - М. Химия, 1979 г.
5. Химическая энциклопедия - М., 1988 - Т. 1, С. 847-856.
6. Химическая энциклопедия - М. 1995 - Т. 4.- С. 1050-1054 (теплообменники),
С. 954-967 (сушка).