دستگاه اسپری درایر

آنها همچنین در یک مرحله مایع را به پودر خشک تبدیل می‌کنند که حاشیه سود را ساده و بهبود می‌بخشد. توسعه تجهیزات و تکنیک‌های خشک کردن اسپری از دهه 1870 تا اوایل دهه 1900 تکامل یافت. اولین خشک کن‌های اسپری شناخته‌شده از اتمایزرهای نازلی استفاده می‌کردند که چندین دهه بعد از دستگاه‌های اتمایزر چرخشی معرفی شدند. با توجه به طراحی نسبتاً ساده اولین خشک کن‌های اسپری و مشکلات عملی در کار مداوم آنها، استفاده تجاری بسیار کمی از این فرآیند تا دهه 1920 انجام شد.

خشک کردن اسپری تبدیل خوراک قابل پمپاژ از حالت سیال به‌شکل ذرات خشک شده با پاشیدن خوراک به محیط خشک کن گرم است. در مقاله امروز سپیانی تاریخچه و بازار این فناوری و همچنین جزئیات این فرآیند و کاربردهای آن‌ها نیز مورد بحث قرار خواهند گرفت.

عملکرد دستگاه اسپری درایر

این کار با استفاده از یک اتمایزر فشار (همچنین یک نازل تک ماده، بسته به طرح معمولاً 50 تا 250 بار)، یک اتمایزر پنوماتیک (همچنین یک نازل دو ماده، بسته به طرح معمولاً 1 تا 10 بار) یا یک دستگاه چرخشی انجام می شود. اتمیزر (بسته به طرح معمولاً 4000 تا 50000 1/min) موادی که قرار است خشک شوند اتمیزه می شوند. این امر سطح کل مایع را به شدت افزایش می دهد.

این محصول در جریانی از گاز داغ اسپری می‌شود، به این ترتیب مایع به دلیل سطح بزرگ در مدت زمان بسیار کوتاهی تبخیر می‌شود و مواد مرطوب به پودر ریز تبدیل می‌شود. از آنجایی که انرژی تبخیر توسط گاز داغ تامین می شود، خشک کردن اسپری به اصطلاح خشک کردن همرفت است. گاز داغ معمولاً هوا است. با این حال، گازهای بی اثر برای کالاهایی که به اکسیداسیون یا حلال های بسیار قابل اشتعال حساس هستند نیز استفاده می شود. بسته به کاربرد، دمای ورودی گاز داغ معمولاً زیر 250 درجه سانتیگراد است، اما دمای حداکثر تا 600 درجه سانتیگراد در صنایع شیمیایی استفاده می شود.

ماده خشک کننده پودری حاصل معمولاً توسط یک جداکننده سیکلون از جریان هوا جدا می شود. اسپری خشک کن ها به طور مداوم در مقیاس صنعتی کار می کنند مگر اینکه یک فرآیند ناپیوسته ناپیوسته مورد نیاز باشد (به عنوان مثال در صنعت داروسازی)

انواع ساخت و ساز

خشک کن های اسپری از مقیاس آزمایشگاهی (ظرفیت تبخیر زیر 1 کیلوگرم در ساعت) تا مقیاس آزمایشی (بسته به صنعت، ظرفیت تبخیر از 1 کیلوگرم در ساعت تا بیش از 10 کیلوگرم در ساعت) تا مقیاس تولید (بسته به صنعت، ظرفیت تبخیر تا بیش از 10 تن در ساعت).

بسته به طراحی یا استفاده مورد نظر، گاز داغ می تواند در جهت جت اسپری یا در مقابل جت اسپری جریان یابد (اصل جریان همزمان، جریان مخالف). در خشک کن های اسپری جدیدتر، گاهی اوقات چندین جریان گاز با دماهای مختلف به منظور بهبود خشک کردن و کنترل دما معرفی می شود.

در اکثر خشک کن ها، سمپاش در بالای برج قرار دارد. یک استثنا در اینجا از جمله موارد زیر است: خشک کن پودر شوینده؛ در اینجا دستگاه اسپری در قسمت پایینی خشک کن قرار دارد و مانند یک آبنما عمل می کند

تاریخچه و بازار:

اسپری درایر توسط ساموئل پرسی در سال 1872 اختراع شد. جنگ جهانی دوم منجر به اجرای گسترده خشک کردن اسپری شد. صنایع لبنی از آن برای تولید شیر خشک برای ارتش استفاده می‌کردند. از آن زمان تاکنون، پیشرفت‌های زیادی صورت گرفته است. اینها این فناوری را قادر می‌سازد تا پودرهای با کیفیت بالا و جریان آزاد را از طیف گسترده‌ای از مواد، از جمله غذاها، داروها، صابون ها، کودها، خاک رس و سایر محصولات تولید کند.

صنایع غذایی بیشترین سهم بازار تجهیزات خشک کن اسپری را به خود اختصاص داده است. به گفته تکنایو، ارزش بازار تجهیزات خشک کن مواد غذایی در سال 2016، 1.2 میلیارد دلار بوده و پیش بینی می‌شود تا سال 2021 به 1.5 میلیارد دلار افزایش یابد. اتومایزرهای نازل تک سیال بیشترین سهم بازار را با 45 درصد به خود اختصاص داده اند.

اسپری درایرهای دو مرحله‌ای سریع ترین رشد را دارند و با 40 درصد بیشترین سهم بازار را دارند. خشک کن‌های اسپری جریان همزمان نیز بر بازار مواد غذایی تسلط دارند. آمریکای شمالی بر بازار جهانی تجهیزات خشک کن اسپری تسلط دارد و آسیا-اقیانوسیه سریع ترین بازار در حال رشد است. پیش‌بینی می‌شود که بازار جهانی مواد غذایی خشک شده با اسپری 4.2 درصد در سال طی پنج سال آینده رشد کند.

فرآیندهای اسپری درایر:

اسپری درایرها جریان مایع را می‌گیرند و املاح را بصورت جامد و حلال را به بخار جدا می‌کنند. یک درام یا سیکلون معمولاً جامدات را جمع آوری می‌کند. جریان ورودی مایع به یک جریان بخار داغ اسپری می‌شود و تبخیر می‌شود. همانطور که رطوبت به‍‌سرعت قطرات را ترک می‌کند، یک جامد تشکیل می‌شود. معمولاً از یک نازل برای کوچک کردن قطرات تا حد امکان استفاده می‌شود، بنابراین انتقال حرارت و سرعت تبخیر آب به حداکثر می‌رسد. دو نوع اصلی نازل وجود دارد: نازل تک سیال فشار قوی و نازل دو سیال. با یک نازل دو سیال، یک سیال مایعی است که در شرف خشک شدن است و سیال دوم در واقع یک گاز فشرده است.

رایج ترین انواع پراکنده‌ها عبارتند از دیسک چرخشی و نازل چرخشی فشار قوی تک سیال. چرخ‌های اتمایزر بعنوان توزیع اندازه ذرات گسترده تر شناخته شده‌اند، اما هر دو روش توزیع اندازه ذرات سازگار را ایجاد می‌کنند. در غیر این صورت از نازل‌های دو سیال یا اولتراسونیک استفاده می‌شود. بسته به نیاز فرآیند، اندازه قطرات از 10 تا 500 میکرومتر قابل دستیابی است. رایج ترین کاربردهای خشک کردن اسپری به اندازه قطره در محدوده 100 تا 200 میکرومتر نیاز دارد. پودر خشک معمولاً جریان آزاد دارد.

معروف‌ترین اسپری درایر:

رایج ترین اسپری درایرها نوع تک اثر نامیده می‌شوند. آنها از یک منبع واحد هوای خشک کننده در بالای محفظه استفاده می‌کنند. در بیشتر موارد، هوا در همان جهتی می‌وزد که مایع پاشیده‌شده به نام جریان همزمان است. این اسپری پودر ریز تولید می‌کند، اما می‌تواند جریان ضعیفی داشته‌باشد و گرد و غبار بیشتری نسبت به‌روش‌های دیگر تولید کند. اسپری درایرهای جدیدتر بنام خشک کن‌های اسپری چند اثر برای مبارزه با گرد و غبار و جریان ضعیف پودر استفاده می‌شود.

بجای خشک کردن مایع در یک مرحله، خشک کردن شامل یک فرآیند دو مرحله‌ای است. مرحله اول در بالا قرار دارد، مانند یک خشک کن تک افکت. با این حال، مورد دوم استفاده از یک بستر استاتیک یکپارچه در پایین محفظه خشک کن است. بستر دارای یک محیط مرطوب است که باعث می‌شود ذرات کوچکتر جمع شوند و اندازه ذرات یکنواخت تری را معمولاً در محدوده 100 تا 300 میکرومتر ایجاد می‌کنند. این پودرها بدلیل اندازه ذرات بزرگترشان جریان آزاد دارند. پودرهای ریز تولید شده در مرحله اول خشک کردن را می‌توان در جریان مداوم در بالای محفظه، اطراف مایع پاشیده‌شده یا در پایین، داخل بستر استفاده کرد. سپس خشک کردن پودر را می‌توان روی یک بستر سیال ارتعاشی خارجی کامل کرد.

گاز خشک‌کننده‌ای که از مایع عبور می‌کند می‌تواند به‌عنوان یک جریان همزمان باشد، یعنی در همان جهت یک اتمایزر مایع پاشیده‌شده، یا به‌عنوان جریان مخالف، جایی که گاز داغ بر خلاف جریان مایع اتمی‌ساز می‌رود. با تکنیک جریان مخالف، ذرات زمان بیشتری را در سیستم و جداکننده ذرات می‌گذرانند. این جریان معمولاً با یک سیستم بستر سیال جفت می‌شود. جریان همزمان معمولاً منجر به یک سیستم عامل کارآمدتر می‌شود.

شرایط لازم برای اسپری درایر:

دستگاه‌های اسپری درایر به‌مقدار زیادی هوای گرم نیاز دارند. کیفیت محصول خشک شده نهایی تحت تاثیر کیفیت هوای ورودی به خشک کن است. هوای ورودی باید خشک و عاری از آلودگی ذرات خارجی و همچنین بدون بو باشد. با این حال، رطوبت موجود در هوای ورودی به اسپری خشک کن همیشه ثابت نمی‌ماند. دمای خشک کردن و زمان خشک شدن بدلیل سطوح مختلف رطوبت موجود در هوای ورودی نیاز به نظارت دقیق دارند. کنترل رطوبت برای خشک کردن اسپری بسیار مهم است.

خشک کردن اسپری اغلب بعنوان یک روش کپسوله‌سازی استفاده می‌شود. ماده ای که محصور می‌شود، بار و یک حامل آمفی پاتیک، معمولاً یک نشاسته اصلاح شده، به عنوان یک سوسپانسیون در آب همگن می‌شوند که به آن دوغاب می‌گویند. سپس دوغاب وارد یک خشک کن اسپری می‌شود، معمولاً برجی که تا دمای بالاتر از نقطه جوش گرم می‌شود.

با ورود دوغاب به برج، اتمیزه می‌شود. این به دلیل کشش سطحی بالای آب و فعل و انفعالات آبگریز بین حامل آمفی پاتیک، آب و بار اتفاق می‌افتد. اندازه کوچک قطره‌ها سطح نسبتاً بزرگی را ایجاد می‌کند که به سرعت خشک می‌شود. با تبخیر آب، حامل پوسته سخت شده ای را در اطراف بار تشکیل می‌دهد. تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که استفاده از تکنیک‌های خشک کردن با پاشش ممکن است یک روش جایگزین برای کریستالیزه کردن پودرهای آمورف در طول فرآیند خشک کردن باشد.

کاربردهای اسپری درایر:

اسپری درایر عمدتاً برای فرآوری مواد غذایی و داروسازی و همچنین برای ایجاد رنگدانه‌های رنگ، مواد سرامیکی، تکیه گاه‌های کاتالیزور و برای استفاده با ریزجلبک‌ها استفاده می‌شود. در تولید دارو، اسپری درایر برای توزیع جامد آمورف، با پخش یکنواخت مواد فعال دارویی در یک ماتریس پلیمری استفاده می‌شود. این حالت ترکیبات فعال دارو را در حالت انرژی بالاتری قرار می‌دهد که به‌نوبه خود انتشار ادویه‌های دارویی را در بدن بیمار تسهیل می‌کند. در ساخت آنتی بیوتیک ها، مواد دارویی و افزودنی‌ها نیز از خشک کردن اسپری استفاده می‌شود.

برای تهیه پودرهای خشک شده از موادی که آب برای آبگیری ندارند، صنایع غذایی از روش کپسوله‌کردن اسپری درایر استفاده می‌کنند. بعنوان مثال، مواد شیمیایی مختلفی که یک نوشیدنی را تشکیل می‌دهند با اسپری خشک می‌شوند تا مخلوط نوشیدنی فوری ایجاد شود. این فرآیند همچنین می‌تواند برای حذف آب از محصولات غذایی، مانند شیرخشک، به ویژه بدون چربی استفاده شود.

با استفاده از دماهای عملیاتی کمتر و اندازه محفظه بزرگتر برای افزایش زمان اقامت می‌توان از تخریب حرارتی محصولات جلوگیری کرد. این فرآیند همچنین برای تولید تخم‌مرغ پودری، قهوه، چای، ادویه‌ها، طعم‌دهنده‌ها، مشتقات نشاسته و نشاسته، آنزیم‌ها، ویتامین‌ها، جایگزین‌های قند مانند استویا، مواد غذایی، رنگ‌ها، خوراک دام و سایر محصولات استفاده می‌شود.

طرح‌های مختلف فرآیند خشک کن اسپری شامل:

• طرح چرخه‌باز
• طرح چرخه‌بسته
• طرح نیمه‌بسته (استاندارد)
• طرح نیمه‌بسته (خود اینرسی کننده)
• چیدمان دو مرحله‌ایی
• چیدمان ترکیبی

کاربردهای دارویی اسپری خشک کن:

1. اسپری درایر در خشک کردن مواد دارویی مانند پنی سیلین، فرآورده‌های خونی، آنزیم ها، واکسن‌ها و… استفاده می‌شود.

2. در تولید مواد کمکی و مواد کمکی فرآوری شده با افزایش جریان پذیری، سازگاری و تجزیه قرص استفاده می‌شود.

3. برای بهبود تراکم پذیری دارو و کاهش تمایل به پوشاندن در کریستال ها.

4. در تهیه میکروکپسول ماتریکس حاوی مواد دارویی و یک پلیمر زیست تخریب پذیر به منظور بدست آوردن فرمول آزادسازی کنترل شده دارو استفاده می‌شود.

5. در افزایش حلالیت و سرعت انحلال داروهای ضعیف با تشکیل مجتمع‌های دارویی یا از طریق توسعه پراکندگی جامد و در نتیجه افزایش فراهمی زیستی استفاده می‌شود.

6. در تولید شیر خشک / آئروسل پودر خشک و مواد حرارتی استفاده می‌شود.

جدا از کاربردهای آن در صنایع داروسازی، اسپری درایرها در صنایع دیگر نیز کاربرد دارند:

7. صنایع شیمیایی. بعنوان مثال رزین فنل فرمالدئید، کاتالیزورها، نوع امولسیون PVC، اسیدهای آمینه و… .

8. صنایع سرامیک. بعنوان مثال اکسید آلومینیوم، کاربید، اکسید آهن، کائولن و… .

9. مواد رنگی و رنگدانه ها. بعنوان مثال زرد کروم، رنگ خوراکی، دی اکسید تیتانیوم، رنگدانه‌های رنگ و… .

10. تولید کود. بعنوان مثال نیترات ها، نمک‌های آمونیوم، فسفات‌ها و… .

11. مواد شوینده و سطح فعال. بعنوان مثال آنزیم‌های شوینده، پودرهای سفید کننده، عوامل امولسیون کننده و… .

12. صنایع غذایی. بعنوان مثال شیر، آب پنیر، تخم مرغ، پروتئین سویا و… .

13. میوه‌ها و سبزیجات. بعنوان مثال موز، گوجه فرنگی، شیر نارگیل و… .

14. نوشیدنی. بعنوان مثال قهوه، چای و… .

15. صنایع بیوشیمیایی. بعنوان مثال جلبک ها، آنتی بیوتیک‌های علوفه، عصاره مخمر، آنزیم‌ها و… .

16. کنترل آلودگی محیط زیست. بعنوان مثال گوگرد زدایی از گازهای دودکش، مشروب سیاه از کاغذ سازی و… .

مزایای اسپری درایر:

1. کیفیت و خواص محصول را می‌توان بطور موثر در کل عملیات خشک کردن کنترل و حفظ کرد.

2. فرآورده‌های حرارتی/دارویی را می‌توان در فشار اتمسفر و دمای پایین خشک کرد.

3. اسپری درایر اجازه تولید با تناژ بالا را در عملکرد مداوم می‌دهد که با کنترل PLC معمولی (کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی) سازگار است و کار با آن نسبتاً ساده است.

4. مواد اولیه بصورت محلول، دوغاب، امولسیون، خمیر و مذاب را می‌توان در صورت پمپاژ خشک کرد.

5. مشکل خوردگی حداقلی است و انتخاب مواد ساخت دستگاه اسپری خشک کن ساده‌شده‌است زیرا مواد خشک شده در شرایط بی آب با سطوح تجهیزات در تماس است.

6. اسپری درایر بدون توجه به‌ظرفیت خشک کن و حساسیت حرارتی، ذرات پودر خشک با اندازه ذرات، شکل، فرم، میزان رطوبت و سایر خواص خاص را تولید می‌کند.

7. اسپری درایر طیف گسترده‌ای از نرخ‌های تولید را کنترل می‌کند و انعطاف پذیری گسترده‌ای را در طراحی خود فراهم می‌کند که مشخصات محصول براحتی از طریق انتخاب طرح خشک کن اسپری مناسب و عملکرد آن از طیف گسترده ای از طرح‌های موجود برآورده می‌شود.

8. این تجهیزات انرژی بر است زیرا گرمای ویژه تبخیر را می‌توان در مدت زمان کوتاهی تامین کرد، اختلاف دما در سراسر محفظه خشک کردن نسبتا کم است و مقدار قابل توجهی گرما با هوای خروجی از دست می‌رود.

معایب اسپری درایر:

1. اسپری درایر حجیم است و نصب آن نیز گران است.

2. تمیز کردن آن پس از استفاده دشوار است.

3. راندمان حرارتی پایینی دارد که حرارت زیادی در حین کار هدر می‌رود.

4. مواد جامد را نمی‌توان با استفاده از اسپری خشک کن خشک کرد.

5. تخریب محصول یا خطر آتش سوزی ممکن است ناشی از رسوب محصول بر روی محفظه‌خشک کن باشد.