Специальные сушилки. 
Процесс сушки в промышленной технологии лекарств

К специальным видам сушки, как указывалось ранее, относятся: радиационная, диэлектрическая и сублимационная. Соответственно этим видам сушки различают терморадиационные, высокочастотные и сублимационные сушилки.

Терморадиационные сушилки. Сушка в них осуществляется за счет тепла, сообщаемого инфракрасными лучами. Указанным способом к материалу можно подводить удельные потоки тепла, приходящиеся на 1 м² его поверхности, в десятки раз превышающие соответствующие потоки при конвективной и контактной сушке. Поэтому при сушке инфракрасными лучами значительно увеличивается интенсивность испарения влаги из материала.

Однако при высушивании толстослойных материалов скорость сушки может определяться не скоростью подвода тепла, а скоростью внутренней диффузии влаги или требованиями, предъявляемыми к качеству высушиваемого материала: нарушение структуры, недопустимость коробления и т. п. В начальный период радиационной сушки под действием высокого температурного градиента влага может перемещаться вглубь материала до тех пор, пока под действием большей, противоположно направленной движущей силы (за счет градиента влажности) не начнется испарение влаги из материала. Поэтому терморадиационная сушка эффективна в Основном для высушивания тонколистовых материалов или лакокрасочных покрытий.

Терморадиационные сушилки по способу обогрева генераторов инфракрасного излучения подразделяют на сушилки с электрическим и газовым обогревом. В качестве электрических излучателей применяют зеркальные лампы, элементы сопротивления (панельные или трубчатые), керамические нагреватели — электрические спирали, запрессованные в керамической массе. Все эти нагреватели более сложны и инерционны, чем обычные ламповые, используемые в первый период применения терморадиационной сушки, однако они обеспечивают большую равномерность сушки.

Терморадиационные сушилки с газовым обогревом обычно проще и экономичнее сушилок с электрообогревом. При газовом обогреве излучателями являются металлические или керамические плиты, которые обогревают открытым пламенем или продуктами сгорания газов. В первом случае обогрев излучающей панели 1 (рис. 27, а) открытым пламенем газовых горелок 2 производится со стороны, обращенной к материалу, который перемещается на транспортере 3.

Лучшие условия труда и больший КПД достигаются с использованием второй схемы — при нагреве продуктами сгорания газов, движущимися внутри излучателя 1 (рис. 27, б). Газ и горячий воздух поступают в горелку 2. Продукты сгорания из камеры 6 направляются на обогрев излучающей поверхности. По пути они подсасывают с помощью эжектора 7 часть отработанных (рециркулирующих) газов для увеличения скорости потока теплоносителя и повышения коэффициента теплоотдачи от газов к поверхности излучения. Поступающий в горелку воздух вентилятором 5 прокачивается через воздухоподогреватель 8, в котором используется тепло отходящих газов.

Рис. 27. Терморадиационные сушилки с газовым обогревом

В современных радиационных сушилках с газовым обогревом эффективно используют излучающие насадки с беспламенным горением. Такие горелки могут быть использованы при сжигании низкокалорийного генераторного газа. Принцип беспламенного горения с излучающей насадкой-слоем состоит в том, что смесь горючих газов и воздуха пропускают через пористую стенку, выполненную из монолитного куска огнеупора (шамота и динаса), со скоростью, превышающей скорость воспламенения газовоздушной смеси. Вначале горение протекает в обычных условиях, затем пламя постепенно уменьшается и при разогреве стенки до яркого накала горение концентрируется на ее внешней поверхности, которая испускает мощные потоки тепловой радиации.

Терморадиационные сушилки отличаются относительно высоким расходом энергии — 1,5−2,5 кВт-ч на 1 кг испаренной влаги, что ограничивает их применение.

Высокочастотные (диэлектрические) сушилки. Применение сушки в поле токов высокой частоты эффективно для высушивания толстослойных материалов, когда необходимо регулировать температуру и влажность не только на поверхности, но и в глубине материала. Таким способом можно сушить материалы, обладающие диэлектрическими свойствами (пластмассы, смолы, древесину и др.).

Высокочастотная сушилка (рис. 28) состоит из лампового высокочастотного генератора 1 и сушильной камеры 2. Из сети переменный ток поступает в выпрямитель 7, затем — в генератор, где преобразуется в переменный ток высокой частоты. Этот ток подводится к пластинам конденсаторов 3 и 4, между которыми движется на ленте высушиваемый материал. В сушилке материал высушивается сначала на ленте 5, а затем поступает на ленту 6, где досушивается. Под действием электрического поля высокой частоты ионы и электроны в материале, содержащем обычно некоторое количество электролита, например раствора соли, меняют направление движения синхронно с изменением знака заряда пластин конденсатора: дипольные молекулы приобретают вращательное движение, а неполярные молекулы поляризуются за счет смещения их зарядов. Эти процессы, сопровождаемые трением, приводят к выделению тепла и нагреванию высушиваемого материала.

Рис. 28. Высокочастотная (диэлектрическая) сушилка

Изменяя напряженность электрического поля, можно регулировать величину температурного градиента между внутренними слоями материала и его поверхностью, т. е. регулировать скорость сушки, а также избирательно нагревать лишь одну из составных частей неоднородного материала.

В поле токов высокой частоты возможна быстрая (за счет усиленной термодиффузии влаги) и равномерная сушка толстослойных материалов. Однако сушка в поле высокой частоты для большинства материалов оказывается дороже конвективной в 3−4 раза. Кроме того, оборудование сушилок в поле высокой частоты более сложное и дорогостоящее в эксплуатации. Поэтому применение высокочастотной сушки ограничено специальными случаями, например конвейерной сушкой мелких дорогостоящих изделий, и требует технико-экономического обоснования в каждом конкретном случае.

Сублимационные сушилки. Сублимационная сушка — это сушка материалов в замороженном состоянии. При этой сушке находящаяся в материале влага переходит в пар, минуя жидкое состояние, т. е. сублимирует. Такая сушка называется сублимационной, или молекулярной. Ее также называют лиофильной сушкой. Термин «лиофильный» происходит от греческого lyo — растворяю и phileo — люблю и обозначает любящий растворение или легкорастворимый. Действительно, порошки, полученные указанным методом, очень гигроскопичны и легко растворимы.

Данный способ сушки позволяет сохранить основные биологические качества высушиваемых материалов и широко используется в фармацевтическом производстве при получении ферментов, антибиотиков, препаратов крови, иммуннобиологических препаратов и др.

Применительно к процессу сушки сублимация влажного материала — процесс сушки его в замороженном состоянии (сублимация льда, находящегося внутри материала).

Как известно, состояние воды можно определить тремя фазами: твердой, жидкой и газообразной. Фазы могут существовать как самостоятельно, так и совместно, точка одновременного существования трех фаз называется тройной точкой. Для воды она характеризуется температурой 0,0098 °С и парциальным давлением пара 4,58 мм рт.ст. Сублимация происходит при состоянии веществ ниже этой точки (см. диаграмму на рис. 29). Из диаграммы видно, что если нагревать вещество (линия FD) в твердом состоянии при постоянном давлении ниже давления тройной точки, то при достижении точки D произойдет испарение твердого тела, называемое возгонкой, или сублимацией. При обратном процессе (ED) при достижении точки D будет происходить кристаллизация пара без перехода в жидкое состояние.

Рис. 29. Изменение состояния влаги в диаграмме p—t

Ниже тройной точки вода будет находиться в твердом или парообразном состоянии. При низких давлениях создаются условия, при которых сопротивление окружающей среды настолько незначительно, что кристаллическая решетка льда распадается и переходит в пар без образования жидкой фазы. На линии лед-пар соотношение между давлениями и температурой такое, что твердая и газообразная фазы находятся в равновесии.

С увеличением разрежения падает и температура фазового перехода. Таким образом при подводе тепла в условиях глубокого вакуума можно создать большие разности температур между материалом и источником тепла по сравнению с обычной вакуумной сушкой.

Однако не следует считать, что сушка сублимацией возможна только в условиях глубокого вакуума. Еще в XVI—XVII вв. производилась сушка в замороженном состоянии в зимнее время на открытом воздухе кож и тканей. В данном случае разность температур t_L — t_M очень мала (близка к нулю), поэтому такая сушка была очень длительной и промышленного применения не получила.

Принципиальная схема сублимационной сушилки приведена на рис. 30. В сушильной камере 1, называемой сублиматором, находятся пустотелые плиты 6, внутри которых циркулирует горячая вода. На плитах устанавливают противни 7 с высушиваемым материалом. Между плитами и противнями имеется зазор, что способствует передаче тепла преимущественно радиацией. В фармацевтическом производстве высушивание проводят из ампул, пенициллиновых флаконов или стеклотары несколько большей емкости, в которые наливают подлежащий высушиванию раствор или суспензию. Чаще замораживание проводят в отдельных низкотемпературных морозильных камерах. Емкости с замороженным, подлежащим высушиванию материалом быстро загружают в охлажденную камеру сублиматора, который герметизируют и устанавливают необходимые параметры процесса. В процессе сублимации паровоздушная смесь из сублиматора 1 поступает в трубы конденсатора-вымораживателя 2, в межтрубном пространстве которого циркулирует хладоагент (рассол, охлажденный этанол и др.). Конденсатор включается в один циркуляционный контур с испарителем (аммиачным, фреоновым и др.) холодильной установки 4, и соединяется с вакуум-насосом 3, предназначенным для отсасывания неконденсирующихся газов и воздуха из сублиматора. В трубах конденсатора происходят конденсация и замораживание водяных паров. Для непрерывного удаления из конденсатора образующегося в нем льда устанавливают два конденсатора (на рис. 30 условно показан один), которые попеременно работают и размораживаются.

Рис. 30. Принципиальная схема сублимационной сушилки

Первой стадией сублимации является замораживание, и его следует проводить с учетом эвтектических температур, которые являются индивидуальными для каждого вещества. Эвтектическая температура — это наибольшая температура, при которой происходит кристаллизация (замораживание) подлежащего высушиванию материала. При указанной температуре находятся в равновесии жидкость и образующаяся при замораживании твердая фаза. Замораживание растворов, как и замораживание чистых веществ, происходит при постоянной температуре.

Установление эвтектической температуры лабильных препаратов является обязательным, так как позволяет определить допустимый уровень нагревания при высушивании препаратов.

Определяют эвтектические температуры различными методами: термическим, измерением сопротивления замороженного раствора и дифференциально-термическим.

В основе термического способа определения эвтектических температур лежит наблюдение за температурой материала в процессе медленного замораживания-оттаивания. На кривой изменения температуры оттаивания (нагревания) материала, замороженного ниже эвтектической точки, образуется плато, соответствующее времени, когда тепло, поступающее извне, не приводит к повышению температуры, а расходуется на плавление льда при данной эвтектической концентрации раствора. Получить такую площадку можно при достаточно большом содержании вещества в растворе, поэтому метод применим не во всех случаях.

Электрическое сопротивление наиболее точно характеризует состояние замороженного раствора. Сущность этого метода заключается в том, что одновременно измеряют температуру и электрическое сопротивление медленно нагреваемых растворов и препаратов, предварительно замороженных ниже эвтектических температур. Температура, при которой наблюдается переход электрического сопротивления от бесконечно большого к конечному (его можно измерить), и будет соответствовать эвтектической температуре.

Эвтектические температуры препаратов можно определить на установке, состоящей из следующих приборов: измерителя полных проводимостей мостового типа, автоматического потенциометра измерительной ячейки и термоизоляционной камеры с охладительной средой (рис. 31). Измерение эвтектических температур проводится следующим способом. Измерительную ячейку термостатируют при 293 К, мост устанавливают на нулевую точку. В ячейку помещают 0,005 кг исследуемого раствора препарата и замораживают. Когда температура исследуемого раствора достигнет 203 К охлаждение прекращают. Ячейку помещают в термостат, имеющий температуру 293 К, где раствор медленно нагревается. Мостом измеряют удельное электрическое сопротивление замороженного раствора, а потенциометром — температуру. Показания приборов снимают одновременна при определенном значении температуры. При этом определенной температуре соответствует определенное значение удельного сопротивления.

Рис. 31. Схема экспериментальной установки для определения эвтектических температур

При полном замораживании образца, представляющего собой ледяной блок, электрический ток не проходит и сопротивление в таком состоянии измерить не удается. При оттаивании блока сопротивление можно измерить и с повышением температуры оно возрастает. Точки, в которых наблюдается переход от линейной зависимости к криволинейной, будут соответствовать эвтектическим температурам исследуемых растворов.

Различные вещества характеризуются своими эвтектическими точками (температурами). Поэтому их учитывают при замораживании растворов, поскольку свойства конечного сухого продукта, высушенного сублимацией, будут изменяться в зависимости от условий замораживания. Режимы замораживали влияют на размеры полученных кристаллов замороженного продукта. Так, при медленном замораживании образуются крупные кристаллы, при быстром — мелкие. Из мелких кристаллов сушка идет быстрее, так как в этом случае отношение поверхности к объему материала будет больше. При сушке мелких кристаллов получается светлый, легко растворяющийся порошок, при медленном — осмоленный, хуже растворяющийся.

Механизм переноса влаги (в виде пара) от поверхности испарения при сублимационной или молекулярной сушке специфичен: он происходит путем эффузии, т. е. свободного движения молекул пара без взаимных столкновений их друг с другом.

Исследования и промышленная проверка подтвердили, что сублимационная сушка является наилучшим методом качественного консервирования при производстве целого ряда новых лекарственных средств, содержащих вещества биологического происхождения, выпуск которых с каждым годом все более расширяется. Поэтому использование термолабильных веществ для приготовления многих высокоэффективных препаратов биологического происхождения невозможно без сохранения их нативных свойств. Термолабильные вещества имеют различные структурные особенности, что необходимо учитывать при их сушке. Технологические параметры устанавливаются экспериментально и являются индивидуальными для каждого высушиваемого материала. Несмотря на большое количество накопленного материала по данному вопросу, общие закономерности по технологии сушки препаратов биологического происхождения, которые можно было бы использовать в промышленности, не найдены. Для каждого препарата их необходимо разрабатывать индивидуально.

В настоящее время общепризнанно, что при сублимационной сушке происходят некоторые изменения свойств исходного сырья, но они минимальны по сравнению с результатами консервирования ранее известными методами. Несмотря на многочисленность выполненных исследований, в изучении этого перспективного метода консервирования остается много неясных вопросов, решение которых возможно лишь в ходе дальнейшего изучения процесса накопления экспериментальных данных и теоретических представлений о нем. Удаление влаги из материалов должно проводиться при оптимальных условиях, которые находятся путем лабораторных исследований, а затем проверяются и переносятся в промышленные. Оптимальный режим должен обеспечивать минимальную продолжительность сушки и наилучшие технологические свойства высушенного препарата, эффективное использование соответствующего оборудования.

Сублимационная сушка применяется в лабораторных и промышленных масштабах в медицине и биологии для консервирования препаратов крови и кровезаменителей, биологических растворов, сывороток, микробных культур, в производстве антибиотиков, гормональных препаратов, а также в химико-фармацевтическом и пищевом производствах при выработке продуктов, превосходящих по качеству законсервированные другими способами. Сублимационное высушивание становится одним из основных методов подготовки для длительного хранения сырья растительного и живого происхождения и фармацевтических материалов.

На практике получили применение терморадиационные сублимационные сушилки с непрерывной загрузкой и периодической выгрузкой материала. Схема такой сушилки представлена на рис. 32.

Рис. 32. Сублимационная установка с непрерывной загрузкой и периодической выгрузкой материала