Univerzitet u Niu Tehnoloki fakultet Leskovac
Seminarski rad:
Primena suenja rasprivanjem u farmaceutskoj industrijiPredmet:
Aparati i ureaji u FKI
Studenti: Mirjana Miljevi Branislav Miljevi
Profesor: prof. dr Predrag Rakovi
Leskovac, jun 2010.
SADRAJ1.
Uvod.................................................................................................................................................3
1.1.
Istorijat...........................................................................................................................................3
1.2. Prednosti i
nedostaci......................................................................................................................3
2. Faze procesa suenja
rasprivanjem.................................................................................................4
2.1.
Atomizacija....................................................................................................................................4
2.1.1. Tipovi i konstrukcija
atomizera..................................................................................................4
2.1.1.1. Centrifugalni
atomizeri............................................................................................................4
2.1.1.2. Mlaznice koje koriste kinetiku energiju
fluida......................................................................6
2.1.1.3. Mlaznice na
pritisak.................................................................................................................6
2.1.1.4. Atomizeri koji koriste energiju
zvuka.....................................................................................7
2.1.2. Izbor
atomizera...........................................................................................................................7
2.2. Kontakt rasprene tenosti (spreja) i vazduha i
isparavanje..........................................................8
2.2.1. Kontakt rasprene tenosti (spreja) i
vazduha............................................................................8
2.2.2.
Suenje........................................................................................................................................8
2.2.3. Gas za
suenje.............................................................................................................................9
2.3. Odvajanje (separacija) osuenog
praha.........................................................................................9
3. ema
procesa....................................................................................................................................9
4. OSNOVE TEORIJE SUENJA
RASPRIVANJEM......................................................................10
4.1. Formiranje
kapljica........................................................................................................................10
4.1.1. Rotacioni
atomizeri.....................................................................................................................10
4.1.2. Dvo fluidne
mlaznice...............................................................................................................11
4.2. Mehanizmi suenja
kapljica...........................................................................................................12
4.3. Efekat naina formiranja na mehanizam suenja
kapljica.............................................................13
4.3.1. Sprejevi nastali rasprivanjem iste
tenosti..............................................................................13
4.3.2. Sprejevi nastali rasprivanjem napojne smee koja sadri
nerastvorne vrste materije.............14 4.3.3. Sprejevi nastali
rasprivanjem napojne smee koja sadri rastvorne vrste
materije.................14 5. PRIMENA SUENJA
RASPRIVANJEM.....................................................................................16
5.1. Procena izvodljivosti procesa suenje
rasprivanjem....................................................................16
5.2. Upotreba suenja rasprivanjem za proizvodnju specifinih vrsta
estica....................................17 5.2.1.
Granulacija..................................................................................................................................17
5.2.2. Modifikacija osobina vrstih
estica..........................................................................................18
5.2.3.
Mikroinkapsulacija.....................................................................................................................19
5.2.4. Dozirni oblici lekova za
inhalaciju.............................................................................................20
5.2.5.
Nanoestice.................................................................................................................................20
5.2.6.
Lipozomi.....................................................................................................................................20
5.2.7. Peptidi i
proteini.........................................................................................................................21
5.2.8. Suvi eliksiri i
emulzije................................................................................................................21
5.2.9. Penuavi proizvodi
(penuavci)..................................................................................................21
5.2.10. Varijante procesa suenja
rasprivanjem..................................................................................21
6.
ZAKLJUAK...................................................................................................................................22
2
1. Uvod Suenje rasprivanjem je jedna od najstarijih, i jedna od
retkih operacija, kojom se tenosti, mulj i slabo viskozne paste
prevode u suvu, vrstu materiju (prah bez praine) tokom samo jedne
tehnoloke operacije (u jednom koraku proizvodnje). Na Slici 1.
ematski je prikazan opti nain odvijanja procesa suenja
rasprivanjem.. Suenje rasprivanjem je jednostavan i fleksibilan
process, to ga ini jako pogodnim za upotrebu pri prozvodnji irokog
spektra proizvoda farmaceutske industrije. 1.1. Istorijat Prvi
detaljan opis suenja proizvoda procesa proizvodnje rasprivanjem
potie iz 1872. godine. Proces je opisan u patentu naslovljenom
Improvement of Drying and Concentration of Liquid Substances by
Atomizing. Ipak, prva znaajna primena procesa suenja rasprivanjem
(sprej suenja) poinje tek tokom 1920 ih u proizvodnji mleka i
deterdenata. Tokom istog perioda suenje rasprivanjem nalazi znatnu
primenu u proizvodnji mnotva proizvoda prisutnih u naem
svakodnevnom ivotu: hrane, kozmetikih preparata, lekova,
hemikalija, tkanina i elektronike. Tipiani primeri upotrebe u
farmaceutskoj industriji su suenje rasprivanjem enzima (kao to su
amilaza, proteaza, lipaza i tripsin), antibiotika (kao to su
sulfatiazol, streptomicin, penicilin i tetraciklin) i mnogih drugih
farmacetskih aktivnih supstanci, vitamina (vitamin C i vitamin
B12), i inertnih punilaca za direktnu kompresiju (kao to su
laktoza, manit, i mikrokristalna celuloza). 1.2. Prednosti i
nedostaci Postoji vie razloga zato je tehnologija suenja
rasprivanjem nala primenu u velikom broju razliitih industrija.
Prvo, suenje rasprivanjem je kontinualan proces. Ukoliko tena
napojna struja neprekidno napaja sistem za suenje, osueni prah
neprekidno e se proizvoditi. U nekim sluajevima, ovaj proces izvodi
se i mesecima bez prekidanja.
Greja Kondenzator
Komora za suenje
Napojna smea
Kolektor (sakuplja osuenog proizvoda)
Sakuplja praha
Slika 1. ematski prikaz pocesa suenja rasprivanjem sa primarnom
i sekundarnom separacijom proizvoda Fizike osobine konanog
proizvoda (veliina i oblik estica, sadraj vlage i reoloke osobine)
kontroliu se pravilnim izborom manipulacionih procesnih promenjivih
i maksimalnim iskorienjem mogunosti opreme. Proces suenja
rasprivanjem je gotovo trenutan; isparavanje velike koliine tenosti
odvija se za samo nekoliko milisekundi, ili najvie nekoliko
sekundi, u zavisnosti od dizajna opreme i procesnih uslova. Ovo
suenje 3
rasprivanjem ini veoma pogodnim za suenje termo osetljivih
proizvoda. Takoe, lako se rukuje korozivnim i abrazivnim
materijalima, jer je kontakt izmeu mehanikih delova opreme i
materijala minimalan u poreenju sa ostalim procesima granulacije.
Jo jedna prednost sunica sa rasprivanjem je i to to imaju samo
nekoliko pokretnih delova. Tehniki zahtevi rada malih i velikih
sunica su isti. Ovo ini sunice sa rasprivanjem radno isplativim
procesom, naroito za visoko proizvodne kapacitete. Takoe, proces
suenja rasprivanjem moe biti potpuno automatizovan. Kontrola rada
komercijalne sunice sa rasprivanjem ostvaruje se programibilnim
logikim ili kontrolerima vrstog stanja. Ovaj sistem za merenje i
regulaciju prati temperaturu ili vlanost izlaznog vazduha, i
obezbeuje ulazni signal koji, izborom postavne take, podeava
snabdevanje proseca energijom. Kao i za sve ostale procese
granulacije, i za suenje rasprivanjem postoje odreena ogranienja.
Na primer, ovaj proces nije pogodan za proizvodnju estica ija je
srednja veliina >200mm, kao to je to prikazano na Slici 2.
Takoe, ukoliko je niska temperatura napojne smee, proces ima nizak
toplotni koeficijent korisnog dejstva i struja izlaznog vazduha je
topla, pa je potreban sofisticirani sistem za razmenu toplote. 2.
Faze procesa suenja rasprivanjem Proces suenja rasprivanjem odvija
se kroz tri osnovne faze, ematski prikazane na Slici 3. Prva faza
je atomizacija napojne struje tenosti u fine kapljice.ROTACIONI
TOAK MLAZNICA NA PRITISAK DVOFLUIDNA MLAZNICA
Veliina estica, m
Slika 2. Opsezi srednje veliine estica koje je mogue dobiti
podeavanjem atomizera pri niskim i srednjim napojnim protocima U
drugoj fazi rasprene fine kapljice meaju se sa zagrejanom strujom
gasa, i suve estice nastaju isparavanjem tenosti sa kapljica.
Zavrna faza podrazumeva odvajanja (separaciju) suvog praha iz
struje gasa i njegovu kolekciju u komori za sakupljanje. 2.1.
Atomizacija Atomizacija je proces kojim se tenost dezintegrie u
veliki broj finih kapljica. Obrazovanje rasprene tenosti (spreja)
sa visokim odnosom povrina/masa (velikom specifinom povrinom) je
kljuno za optimalne uslove isparavanja tenosti, a odatle i za
postizanje eljenih osobina konanog proizvoda. U idealnom sluaju,
veliina svih kapljica trebalo bi da bude jednaka, dok je u
praktinim uslovima zadovoljavajue i odreeno odstupanje u raspodeli
veliine manjeg broja kapljica. 2.1.1. Tipovi i konstrukcija
atomizera Obrazovanje atomiziranog spreja zahteva primenu energije:
centrifugalne, energije pritiska, kinetike energije, energije zvuka
i vibracija. 2.1.1.1. Centrifugalni atomizeri Centrifugalni
atomizeri koriste rotirajui disk, ili toak, da bi dezintegrisali
struju tenosti u fine kapljice. Neke vrste rotacionih atomizera
prikazane su na Slici 4. Ovi ureaju formiraju sistem niskog
pritiska, i za potrebe 4
proizvodnje datog proizvoda mogue je dobiti sprej veoma
raznolikih karakteristika u zavisnosti od napojnog protoka, brzine
i dizajna atomizera. Veliina kapljica moe varirati od veoma malih
(15mm) do veoma velikih (250mm), u zavisnosti od koliine energije
koja se prenosi tenosti. Treba imati u vidu, da upotreba veih
kapljica zahteva vei prenik komore za suenje. Tokovi se koriste za
proizvodnju finih i srednje krupnih kapljica, dok se diskovi
koriste za proizvodnju krupnih kapljica.
NAPOJNA STRUJA Rotacioni atomizer
ATOMIZACIJA Mlaznice
Toak (sa Toak (sa Disk (bez lopaticama) cevicama) lopatica)
Na pritisak
Zvune
Pneumatske
Kombinacija rotacija-pneumatika KONTAKT SPREJ-VAZDUH Sunica-tok
istostrujni Vertikalna sunica Konusna Ravna osnova osnova
Horizontalna sunica Ravna osnova Sunica-tok suprotnostrujni
Vertikalna sunica Konusna Ravna osnova osnova Sunica-tok unakrsni
Vertikalna sunica Ravna osnova
ISPARAVANJE SPREJA PRAH SEPARACIJA PROIZVODA Pranjenje proizvoda
iz komore i separacione jedinice Primarna separacija Proizvod iz
komore konusne osnove Sekundarna separacija Ciklon Vreasti filter
Totalno pranjenje proizvoda iz separacione jedinice
Proizvod iz komore ravne osnove
Mokri skruber
Slika 3. ematski prikaz faza procesa suenja rasprivanjem: faza I
atomizacija, faza II kontakt rasprene tenosti (spreja) i vazduha i
isparavanje, i faza III separacija proizvoda. Rotacioni atomizeri
rade u opsegu 5000-25.000 o/min sa prenikom toka 5-50 cm. Srednja
veliina proizvedenih kapljica inverzno je proporcionalna brzini
toka, i direktno proporcionalna protoku i viskozitetu napojne
struje. Sadraj vrstih materija i povrinski napon, takoe, imaju
uticaja na veliinu kapljica, ali se oni esto mogu zanemariti.
Centrifugalni atomizeri mogu biti sa tokovima, opremljenim
lopaticama ili cevicama, i sa diskovima bez lopatica. Atomizeri sa
tokovima sa lopaticama proizvode visoko homogenizovanu rasprenu
tenost (sprej) i najee se koriste, u poreenju sa drugim tipovima
atomizera. Kod ovog tipa atomizera, tenost pada na toak i kree se
po povrini, sve dok je ne zahvate lopatice koje rotiraju.
Slika 4: Rotacioni atomizer (Courtesy of Niro Pharma Systems.)
5
Tenost istie pod dejstvom centrifugalne sile, i iri se preko
lopatice obrazujui na njenoj povrini tanak film. Nikakav trag
tenosti ne ostaje na toku kad jednom tenost doe u kontakt sa
lopaticama. Lopatice spreavaju transverzalni tok tenosti preko
povrine. U radu sa abrazivnim materijalima najbolje je koristiti
atomizere sa tokom i cevicama. Kako je napojni materijal u
direktnom kontaktu sa rotirajuim delovima opreme, ovakvi sistemi
moraju biti otporni na habanje i zahtevaju dodatno odravanje.
Diskovi bez lopatica koriste se u proizvodnji krupnog praha velikog
proizvodnog kapaciteta. Centrifugalni atomizeri esto se koriste u
proizvodnji inertnih punilaca (inertnih nosaa) za farmaceutsku
industriju i istih hemikalija, kao to su antacidi. estice, dobijene
uptrebom ove tehnike, esto su bez praine (prah bez praine). Njihova
porozna struktura poveava rastvorljivost, a imaju malu gustinu i
nisu drobljive. 2.1.1.2. Mlaznice koje koriste kinetiku energiju
fluida Kinetika energija fluida koristi se kada govorimo o
pneumatskoj i dvo fluidnoj atomizaciji. U farmaceutskoj industriji
ovo je najee koriena tehnika atomizacije. Atomizacija se vri
interakcijom tenosti i drugog fluida, obino komprimovanog vazduha.
Mlaznice proizvode velike brzine vazduha, i ostvaruje se efektivan
kontakt sa napojnom tenou koja se rasprava u vidu finih kapljica
(spreja). Ni tenost, ni vazduh, ne zahtevaju visoke pritiske, oko
200-350 kPa. Tipian izgled dvo fluidne mlaznice prikazan je na
Slici 5. Veliina estica kontrolie se odnosom protoka komprimovanog
vazduha i tenosti. Osnovna prednost ovog tipa atomizacije je u tome
to tenost ima relativno malu brzinu na izlazu iz mlaznice, pa je
put koji kapljice moraju da preu da bi se osuile krai, odnosno
dimenzije ureaja su manje. U farmaceutskoj industriji koriste se
relativno male sunice rasprivanjem (sprej sunice), pa se pneumatske
mlaznice esto koriste. Druga prednost ovih mlaznica je jednostavan
dizajn, koji omoguava lako ienje, sterilan rad, i minimalnu
kontaminaciju proizvoda. Pneumatske mlaznice mogu biti dizajnirane
tako da zadovolje najstroije zahteve sterilne i aseptine primene.
Posebno se mora obezbediti sterilan izvor komprimovanog vazduha za
atomizaciju. Vazduh Napojna tenost
Slika 5. ematski prikaz tipine dvo fluidne mlaznice (Courtesy of
Niro Pharma Systems.) Jo jedan tip mlaznica koje koriste kinetiku
energiju fluida je tro fluidna mlaznica. Kada se atomiziraju
tenosti niskog viskoziteta, malog do srednjeg napojnog kapaciteta,
karakteristike rasprene tenosti (spreja), dobijene primenom dvo i
tro fluidnih mlaznica, se mnogo ne razlikuju. Upotreba druge struje
vazduha, kod tro fluidnih mlaznica, predstavlja gubitak energije, i
opravdana je samo u sluaju atomizacije tenosti niskog viskoziteta
pri visokim napojnim kapacitetima. 2.1.1.3. Mlaznice na pritisak Na
drugom mestu po zastupljenosti u farmaceutskoj industriji je
atomizacija primenom mlaznica na hidrauliki pritisak. Kod ovog tipa
atomizacije, upotrebom pumpe napojnoj tenosti dodaje se pritisak, i
ona prolazi kroz otvor mlaznice u vidu filma velike brzine, koji se
trenutno dezintegrie u fine kapljice. Napojna tenost rotira unutar
mlaznice, to rezultuje konusnim oblikom spreja koji izlazi iz
otvora mlaznice. Rotaciono kretanje unutar mlaznice postie se
upotrebom umetaka sa zavojima ili spiralnim ljebovima (Slika 6.)
Umeci sa zavojima imaju relativno veliku prolaznost, i omoguavaju
obradu napojnih smea sa visokim sadrajem vrste materije, bez
ikakvog habanja ili zapuavanja mlaznica. Da bi se koristile
mlaznice na pritisak, zbog toga to rasprena tenost na izlazu iz
mlaznice ima veliku brzinu, komora za suenje rasprivanjem mora
imati prenik od najmanje 2,5 m i visinu najmanje 3 m.
6
Zavojna komora
Otvor Zavojna komora Zavrna ploa Telo mlaznice
Mlaznica na pritisak sa umetkom sa zavojem
Slika 6. ematski prikaz mlaznice na. (Courtesy of Niro Pharma
Systems.) Diferencijalni pritisak kroz otvor mlaznice odreuje
srednji prenik kapljice. Raspodela veliine srednjeg prenika slina
je, ali u mnogim sluajevima i ua, nego kod dvo fluidne atomizacije.
Srednja veliina kapljica rasprene tenosti direktno je
proporcionalna napojnom protoku, i obrnuto proporcionalna pritisku.
Mlaznice na pritisak obino se koriste pri suenju grubih estica
(srednje veliine 120-300 mm) dobrih protonih osobina. Njihova
tipina primena je pri suenju antibiotika. 2.1.1.4. Atomizeri koji
koriste energiju zvuka Interes za upotrebu energije zvuka i
vibracija, pri atomizaciji kod suenja rasprivanjem, raste u
poslednje dve dekade. Ovaj tip atomizera jo uvek nije pronaao iroku
praktinu primenu. Prednosti mlaznica koje koriste energiju zvuka su
to rade na niskim pritiscima i to imaju iroke kanale za protok
tenosti, to upuuje na zakljuak da bi bile dobre za rad sa
abrazivnim i korozivnim materijalima. Najverovatnije, mlaznice koje
koriste energiju zvuka koristie se za specijalnu primenu, kao to je
dobijanje finog spreja srednje veliine kapljica 20mm, kod koga ugao
i oblik konusa spreja minimalizuju spajanje kapi (asimilaciju).
2.1.2. Izbor atomizera Funkcija svakog atomizera je da proizvede to
vie homogen sprej. Pri izboru atomizera osobine napojne tenosti,
karakteristike spreja i eljene osobine konanog, suvog proizvoda
igraju veoma vanu ulogu. Rotirajui atomizeri sa mlaznicama,
primenom odgovarajueg dizajna i naina rada, mogu proizvoditi sprej
ujednaene raspodele veliine kapljica. Kod svih tipova atomizera
veliina kapljica moe se menjati poveanjem ili smanjenjem energije
atomizacije (poveanje energije atomizacije ima za posledicu
smanjenje veliine kapljica). Za datu koliinu energije, viskozitet i
povrinski napon napojne tenosti utiu na veliinu kapljica (vee
vrednosti ovih veliina rezultuju veim kapljicama spreja). Uopteno
govorei, rotacioni atomizeri koriste se za proizvodnju finih do
srednje grubih estica proizvoda, srednje veliine 20-150 mm, iako je
upotrebom velikih komora za suenje mogue dobiti i vee estice.
Atomizeri sa mlaznicama koriste se za proizvodnju grubih estica,
srednje veliine 150-300 mm. Za dati proces suenja rasprivanjem, pri
izboru izmeu rotacionih i atomizera sa mlaznicama, potrebno je
obratiti panju na sledee: 1. Opseg napojnog kapaciteta atomizera da
bi se postigla potpuna atomizacija tenosti; 2. Efikasnost
atomizera; 3. Raspodelu veliine kapljica pri istim napojnim
protocima; 4. Homogenost rasprene tenosti (spreja); 5.
Fleksibilnost rada atomizera; 6. Odgovarajui dizajn i dimenzije
komore za suenje za dati proces atomizacije; 7
7. Fizike i hemijske osobine napojne smee; 8. Raspoloivo
iskustvo to se tie atomizacije pri proizvodnji proizvoda koji se
eli dobiti. 2.2. Kontakt rasprene tenosti (spreja) i vazduha i
isparavanje Rasprenu (atomiziranu) tenost potrebno je dovesti u
blizak kontakt sa strujim zagrejanog gasa, da bi tenost jednako
isparavala sa povrine svih kapljica. Ovaj kontakt ostvaruje se u
posudi koja se naziva komora za suenje. Zagrejani gas uvodi se u
komoru kroz raspodeljiva vazduha, kojim se obezbeuje jednak protok
gasa kroz sve delove komore. 2.2.1. Kontakt rasprene tenosti
(spreja) i vazduha Jedan od najvanijih faktora kod suenja
rasprivanjem je nain na koji se rasprena tenost (sprej) i vazduh za
suenje dovode u kontakt. Ovaj kontakt odeen je poloajem atomizera u
odnosu na ulaz vazduha. Ulazni vazduh uvodi se u komoru za suenje
preko raspodeljivaa vazduha, koji se obino sastoji od perforiranih
ploa ili kanala sa zavojima, kojima se obezbeuje jednak protok
vazduha u svim pravcima. Neophodno je da vazduh koji ulazi u
raspodeljiva bude dobro izmean, i da nema temperaturnog gradijenta
du cevi koja vodi u raspodeljiva, jer u suprotnom suenje unutar
komore nee biti jednako u svim njenim delovima. Raspodeljiva
vazduha smeten je na krovu komore za suenje, a ureaj za atomizaciju
u, ili u blizini, raspodeljivaa vazduha. Na taj nain postie se
trenutno i potpuno meanje zagrejanog gasa za suenje i atomizovanog
oblaka kapljica. Kretanje rasprenih kapljica klasifikuje se prema
orjentaciji osnove komore za suenje, i moe biti: istostrujno,
suprotnostrujno i unakrsno, iako ovi nazivi ne odgovaraju potpuno
realnim uslovima u komori. 1. Kod istostrujnog toka, rasprena
tenost (sprej) i vazduh za suenje prolaze kroz sunicu kreui se u
istom smeru. Ova konfiguracija tokova je u irokoj upotrebi i veoma
je pogodna za termo osetljive proizvode. Isparavanje spreja je
veoma brzo, pa prema tome vazduh za suenje ujedno hladi proizvod, a
ukupno vreme isparavanja je jako kratko. Niska temperatura postie
se u celoj unutranjosti komore, iako je vazduh koji u nju ulazi
veoma topao, pa estice nisu izloene toplotnom raspadanju. 2. Kod
suprotnostrujnog toka, rasprena tenost (sprej) i vazduh za suenje
ulaze u sunicu sa suprotnih krajeva ureaja. Ova konfiguracija ima
odlino iskorienje toplote. Suprotnostrujni tok koristi se kod
atomizacije kroz mlaznice, i veoma je pogodan za dobijanje eljenih
osobina konanog proizvoda pri obradi toplotno neosetljivih
materijala. 3. Kod unakrsnog toka prisutne su osobine i suprotno i
istostrujnog toka. Prednost ovog tipa konfiguracije je u tome to se
grubi proizvodi bez praine mogu proizvoditi u relativno malim
komorama za suenje. Kod sistema sa unakrsnim tokom, prah je izloen
viim temperaturama. Kada su potrebne nie temperature, unakrsni tok
se moe koristiti u sunicama sa fluidizovanim slojem. Nain kontakta
spreja i vazduha moe se odabrati na osnovu zahtevane veliine estica
i temperature kojoj osuene estice mogu biti izloene. Na primer, ako
je potrebno odravati nisku temperaturu proizvoda svo vreme, za
proizvodnju finih estica koristie se rotacioni istostrujni
atomizer, dok e se za proizvodnju grubljih estica koristiti
suprotnostrujni atomizer sa mlaznicama. Ukoliko je potrebno dobiti
grube estice, unapred definisane zapreminske teine i poroznosti,
odgovarajui izbor bio bi suprotnostrujni atomizer sa mlaznicama,
jer je esto porebno odravati visoku temperaturu da bi proizvod bio
odgovarajueg kvaliteta. Za dobijanje grubih estica toplotno
osetljivih materijala, odgovarajui izbor bio bi atomizer sa
mlaznicama i unakrsnim tokom fluida. Upotreba fluidizovanog sloja
preporuuje se kada se kao proizvod dobija granulisan prah, ili kada
je proizvod sklon aglomeraciji. 2.2.2. Suenje Najvei i
najuoljivilji deo sistema za suenje rasprivanjem je komora za
suenje. Ova posuda moe biti visoka i uska, ili moe imati veliki
prenik a malu visinu cilindrinog dela. Izbor dimenzija komore
zasnovan je na dva procesna kriterijuma koji se moraju zadovoljiti.
Prvo, posuda mora biti odgovarajue zapremine, da bi se obezbedilo
dovoljno dugo vreme kontakta izmeu atomizovanog oblaka kapljica i
zagrejanog gasa. Ova zapremina rauna se tako to se odredi protok
vazduha potreban za isparavanje, i pomnoi sa vremenom zadravanja
vazduha, koje se procenjuje na osnovu iskustva ili
eksperimentalno.
8
Drugo, kapljice moraju biti dovoljno suve pre nego to dou u
kontakt sa povrinom komore. Oblik posude igra najbitniju ulogu pri
zadovoljavanju ovog kriterijuma. Centrifugalni atomizeri imaju vei
prenik, a manju visinu cilindrinog dela. Nasuprot tome, atomizeri
sa mlaznicama imaju ue i vie komore za suenje. Za datu srednju
veliinu estica praha, mogu se proceniti dimenzije ureaja tako da se
sprei stvaranje mokrih taloga na zidovima komore za suenje. 2.2.3.
Gas za suenje Napojna smea, koju je potrebno osuiti rasprivanjem,
priprema se tako to se suspenduje, ili rastvara, u pogodnom
rastvarau. iroko je rasprostranjena upotreba organskih rastvaraa,
kao to su alkoholi etanol, metanol, izopropanol, ali i ketoni i
neka druga jedinjenja. Izbor rastvaraa esto je odreen sintezom
proizvoda koja prethodi procesu suenja. Fizike i hemijske osobine
rastvaraa imaju veliki uticaj na proces suenja. Na primer, za
toplotno osetljive materijale, jedini razuman izbor bio bi rastvara
koji ima nisku temperaturu kljuanja. Iako je isparavanje organskih
rastvaraa (u poreenju sa isparavanjem vode), veoma efikasno tokom
procesa suenja rasprivanjem, zbog kratkog vremena zadravanja, rizik
zbog eksplozije ini upotrebu ovih rastvaraa veoma opasnom. Zbog
toga se za isparavanje ovih rastvaraa, umesto vazduha, koristi
inertni gas, najee azot. Upotreba inertnog gasa zahteva zatvoren
kruni sistem (recirkulaciju) da bi se rastvara rekuperisao, i da bi
se ograniila upotreba inertnog gasa. Pri laboratorijskom radu azot
se moe koristiti i bez recirkulacije, upotrebom punjenja sa
aktivnim ugljem na izlaznoj struji gasa, ija je uloga da apsorbuje
rastvara. 2.3. Odvajanje (separacija) osuenog praha Nakon suenja,
sledi separacija nastalog finog praha iz struje vazduha za suenje.
Gotovo sve komore sunica rasprivanjem imaju konusno dno, kojim je
pomognuto sakupljanje osuenog praha. U upotrebi su dva tipa sistema
za sakupljanje osuenog proizvoda. Kod prvog tipa, kada je potrebno
sakupiti grubi prah, on se obino direktno prazni sa dna konusnog
dela, kroz pogodnu vazdunu bravu, kao to je leptir ventil. Hladna
struja gasa, koja sobom nosi isparenu vlagu, izvodi se iz centra
konusnog dela iznad dna konusa. U sutiini, dno komore ponaa se kao
ciklon. Zbog relativno male efikasnosti procesa odvajanja, gasna
struja gotovo uvek sobom nosi jedan deo najfinijih estica. One se
moraju odvojiti u ciklonu visoke efikasnosti, a struju gasa je
dodatno potrebno provesti i kroz mokri skruber, ili kroz filter sa
vreama. Fine estice sakupljene u suvom stanju (u vreastom filtru)
obino se dodaju veoj struji praha. Kada se proizvodi veoma fini
prah, suvi proizvod se zajedno sa strujom izlaznog gasa trasportuje
iz komore kroz usko grlo na dnu konusnog dela. Vee optereenje
struje transportovanim prahom utie na veliinu ciklona, ali nema
nikakvog efekta na veliinu vrea u filteru. Kod drugog tipa sistema
za sakupljanje osuenog proizvoda, proizvod se u potpunosti sakuplja
untar opreme za separaciju. Kod ovih sistema nije potreban sistem
za transport proizvoda, ali je efikasnost separacije obino
nezadovoljavajua. Separacija suvog proizvoda od vazduha utie na
fizike osobine praha u zavisnosti od toga kako se rukuje procesom.
Dobrim rukovanjem opremom mogue je proizvesti prah sa visokim
sadrajem finih estica. 3. ema procesa Najea ema procesa suenja
rasprivanjem je otvoreni krug: vazduh se usisava iz atmosfere,
prolazi kroz komoru za suenje i isputa nazad u atmosferu. Ova
konfiguracija koristi se pri obradi vodenih napojnih smea, a gas za
suenje je, kao to je ve pomenuto, vazduh. Dve varijante eme
otvornenog kruga, koje se najee koriste u farmaceutskoj industriji,
prikazane su na Slici 7. Najprisutnija i ekonomski najisplativija
ema, ukljuuje visoko efikasni ciklon i skruber (Slika 7A). Kako se
vidi na ovoj emi, gubitak veoma finih estica u atmosferu ne moe se
izbei. Kaka je zahtevana veliina estica osuenog proizvoda veoma
mala, tako da ih je nemogue sakupiti u ciklonu i skruberu,
preporuuje se postrojenje u ijem sastavu je vreasti filter (Slika
7B). Postrojenja prikazana na prethodnim emama, uglavnom koriste
nevodene (odnosno organske) rastvarae i obino zahtevaju upotrebu
inertnog gasa kao medijuma za suenje. Ona, takoe, esto rade sa
zapaljivim, eksplozivnim i otrovnim materijama, pa se mora voditi
rauna o problemu zagaivanja atmosfere. Na Slici 8. ematski je
prikazan dijagram tokova za emu zatvorenog kruga. Ovi sistemi
zahtevaju zadovoljavajuu kontrolu temperature skrubera
kondenzatora. 9
A. ciklon/skruber
B.
vreasti filter
Slika 7. Tipina ema sistema za suenje rasprivanjem (otvoreni
krug): (A) ciklon/skruber i (B) vreasti filter; a vazduh; f napojna
smea; p osueni proizvod; 1 komora za suenje rasprivanjem; 2 ciklon;
3 mokri skruber; 4 vreasti filter.
Slika 8. Tipina ema sistema za suenje rasprivanjem (zatvoreni
krug): c rashaiva (razreiva); f napojna smea; l sakupljanje
rastvaraa; p osueni proizvod; 1 osueni prah; 2 ciklon; 3 spoljni
greja tene faze; 4 razmenjiva toplote; 5 skruber kondenzator. Pored
ova dva tipa konfiguracije postrojenja za suenje rasprivanjem
postoji i ema polu zatvorenog kruga. Ovakva postrojenja rade pod
uslovima slabog vakuuma i nisu tako iskljuiva po pitanju izbora
medijuma za suenje. 4. OSNOVE TEORIJE SUENJA RASPRIVANJEM 4.1.
Formiranje kapljica 4.1.1. Rotacioni atomizeri Tokom rotacione
atomizacije, masa napojne tenosti se ubrzava do veoma viskih
vrednosti centrifugalne brzine. Tokom ovog ubrzavanja, tena napojna
smea obrazuje tanak film preko rotirajue povrine. Kod atomizera sa
glatkim diskovima, film napojne tenosti dezintegrie se u kapljice
na krajevima toka, pratei jedan od sledeih mehanizama: a) direktno
formiranje kapi, b) obrazovanje ligamenata (struna) ili c)
obrazovanje slojeva, kao to je prikazano na Slici 9. Tip mehanizma
formiranja kapljica je funkcija povrinskog napona i viskoziteta
napojne smee, kao i brzine toka i protoka napojne smee. Direktno
formiranje kapljica javlja se u sluajevima male brzine toka, kada
je dominantan uticaj povrinskog napona i viskoziteta na mehanizam
atomizacije. Na direktno formiranje kapljica utiu jo i inercija i
trenje vazduha. Uticaj ovih promenjivih je zanemarljiv pri 10
malim brzinama toka, jer je inercija ograniena zbog klizanja
tenosti po povrini toka, a uticaj trenja je pri malim brzinama
minimalan. Kako se brzina toka i protok napojne smee poveavaju,
koliina tenosti pri svakom obrtu raste, to za posledicu ima
formiranje ligamenata (struna) umesto kapljica na periferiji toka.
Za napojne smee veeg viskoziteta i povrinskog napona, ove strune
dezintegriu se u kapljice veih dimenzija u poreenju sa prethodno
opisanim mehanizmom. Dok je kod mehanizma direktnog formiranja kapi
i mehanizma obrazovnja ligamenata (struna) proces atomizacije mogue
delimino kontrolisati fizikim osobinama napojne smee, obrazovanje
slojeva je rezultat inercionih sila koje su predominantne u odnosu
na fizike osobine napojne smee. Pri velikim brzinama toka i pri
velikim protocima napojne smee, ligamenti (strune) spajaju se i
obrazuju tean sloj koji prelazi ivicu toka.
Slika 9. Mehanizmi formiranja kapi u atomizeru sa glatkim
diskom: (A) direktno formiranje kapi, (B) obrazovanje ligamenata
(struna) i (C) obrazovanje slojeva. Teni sloj, kako naputa ivicu
toka, dezintegrie se u veliki broj kapljica razliitih dimenzija.
Ako je potrebno dobiti kapljice ujednaene veliine ovim mehanizmom,
to se postie velikom brzinom toka i malim protokom napojne smee.
Nasuprot prethodno opisanim mehanizmima, kod tokova sa zavojima
tena napojna struja usmerena je zavojima preko povrine unutranjeg
raspodeljivaa tenosti, u kome je klizanje tenosti preko povrine
prisutno dok god postoji kontakt izmeu tenosti i zavoja, ili
kanala. Napojna smea istie pod dejstvom centrifugalne sile
obrazujui tanak film preko povrine zavoja. Formiranje kapljica je
rezultat delovanja radijalnih i tangencijalnih sila, a poinje onog
trenutka kada teni film naputa ivicu zavoja. Karakteristike
atomizera koje imaju uticaja na veliinu kapljica su: brzina
rotacije, prenik toka i dizajn toka (broj i geometrija zavoja).
4.1.2. Dvo fluidne mlaznice Atomizacija upotrebom dvo fluidnih
mlaznica (pneumatskih mlaznica) postie se tako to se napojna tenost
dovodi u kontakt sa vazduhom velike brzine, to prouzrokuje
stvaranje jakih sila trenja i dezintegraciju napojne tenosti u
kapljice. Da bi se postigli idealni frikcioni uslovi (odgovarajua
sila trenja), potrebno je postii veliku relativnu brzinu izmeu
tenosti i vazduha. Ove velike relativne brzine ostvaruju se
upotrebom vazduha ija je brzina bliska brzini zvuka, ili
destabilisanjem tankog tenog filma rotiranjem unutar mlaznice pre
nego se ostvari kontakt rasprene tenosti (spreja) i vazduha.
Postoji nekoliko tipova dizajna dvo fluidnih mlaznica pogodnih za
stvaranje odgovarajuih uslova za kontakt tenost gas. Najee reenje
je ono u kome tenost i gas dolaze u kontakt van same mlaznice. Ovaj
tip 11
mlaznica naziva se spoljanja mlaznica za meanje, i njena glavna
prednost je u tome to se proces atomizacije moe veoma dobro
kontrolisati nezavisnom kontrolom tene i vazdune struje. Ostali
tipovi dizajna dvo fluidnih mlaznica podrazumevaju: (a) reenje za
unutranje meanje vazduha i tenosti, koji su u kontaktu u glavi
mlaznice, (b) reenje za kombinovano unutranje spoljanje meanje,
zasnovano na upotrebi dva toka vazduha u glavi mlaznice (tro
fluidna mlaznica), i (c) pneumatski kupasti dizajn mlaznice, gde se
kontakt tenosti i gasa ostvaruje na obodu rotirajue glave mlaznice.
Uopteno govorei, dvo fluidne mlaznice proizvode kapljice malih
dimenzija pri radu sa tenostima irokog opsega napojnog kapaciteta.
Ove kapljice bivaju iznesene iz mlaznice inercijom rasprene tenosti
(spreja) i atomiziranog vazduha. Najvanija promenjiva za kontrolu
veliine kapljica je maseni odnos protoka napojne smee i vazduha.
Poveanje ovog odnosa ima za posledicu smanjenje veliine kapljica.
Ovaj odnos obino se nalazi u opsegu 0,1 do 10. Pri odnosima bliskim
vrednosti 0,1 proces atomizacije je otean ak i za napojne smee
niskog viskoziteta, dok se za odnos blizak vrednosti 10 atomizacija
deava samo uz upotrebu spoljanje energije, a bez znaajnog smanjenja
veliine kapljica. Rasprena tenost (sprej), dobijen upotrebom dvo
fluidnih mlaznica, simetrian je u odnosu na osu mlaznice i ima
oblik konusa. Ugao ovog konusa naziva se ugao spreja i, za dvo
fluidne mlaznice, on je uzak i ne moe se bitno menjati podeavanjem
odnosa protoka napojne smee i vazduha. Maksimalni mogui ugao spreja
iznosi 70 80, i moe se dostii radom sa maksimalnim protocima
napojne smee i vazduha i upotrebom mlaznica visoke propusne moi.
Uopteno, porast pritiska vazduha ima za posledicu poveanje ugla
spreja, ukoliko se protok napojne smee odrava konstantnim. Ugao
spreja odrava se konstantnim, tako to je svako poveanje protoka
vazduha praeno poveanjem protoka napojne smee, tako da odnos
masenih protoka napojne smee i vazduha ostaje nepromenjen. 4.2.
Mehanizmi suenja kapljica Isparavanje vode iz rasprene tenosti
(spreja) najee se opisuje upotrebom krive koja prikazuje brzinu
suenja kao funkciju vremena. Ova kriva brzine suenja, ili istorije
isparavanja, je funkcija temperature, vlanosti i transportnih
karakteristika, kako kapljica tako i vazduha kojim su one okruene.
Mnoge karakteristike isparavanja kapljica mogu biti odreene
korienjem opte krive brzine suenja (Slika 10.) Na optoj krivoj
brzine suenja jasno se uoavaju tri dela: poetna faza suenja, faza u
kojoj je brzina suenja uglavnom konstantna i finalna faza tokom
koje brzina suenja opada. Tokom druge faze, vlaga iz kapljica
uklanja se skoro konstantnom brzinom, koja ujedno prestavlja najveu
brzinu tokom istorije isparavanja. Konstantna brzina isparavanja za
posledicu ima skoro konstantnu temperaturu povrine kapljica, koja
odgovara temperaturi vlanog termometra. Tokom ove faze uklanja se
najvei deo vlage iz kapljica. Povrina kapljica odrava se zasienom
kretanjem vlage iz unutranjosti kapljice ka njenoj povrini
(prenosom mase). Nasuprot tome, tokom zavrne faze isparavanja,
brzina kretanja vlage (brzina prenosa mase) ograniava brzinu
suenja, tako da je ukupna brzina suenja manja. Sadraj vlage na
povrini kapljica nije vie konstantan, i temperatura kapljica raste.
Opti izgled krive brzine suenja direktno je primenjiv za procese
suenja rasprivanjem. Poetna faza suenja poinje odmah poto kapljice
i vazduh za suenje dou u kontakt. Tokom poetne faze, kako se brzina
suenja pribliava ravnotenoj, temperatura povrine kapljica blago se
poveava.
12
Brzina suenja
Poetna faza
Faza konstantne brzine
Faza opadanja brzine
Vreme Slika 10. Opti oblik krive brzine suenja
Brzina suenja nastavlja da raste sve dok se ne uspostavi
ravnotea na dodirnoj povrini kapljice vazduh, kada brzina suenja
postaje konstantna. U poslednjoj fazi, ograniavajui faktor procesa
suenja postaje prenos mase kroz vrsti sloj suvih estica, i brzina
suenja opada. Brzina isparavanja nastavlja da opada, sve dok
kapljice ne dostignu ravnoteni sadraj vlage u odnosu na okolnu
struju gasa, osim ukoliko se proizvod ne uklanja iz sunice pre
dostizanja ravnotenog sadraja vlage. Uopteno, sve istorije
isparavanja, bez obzira na vrstu materijala koji se sui i
konfiguraciju sunice, imaju dve zajednike osobine: najvei deo vlage
ispari za veoma kratko vreme(
