Secado por aspersión

Secador de spray a escala de laboratorio.
A) Solución o suspensión para secar en; B) Gas de atomización en; 1) Gas seco; 2) Calefacción de gas secado; 3) Spraying of solution or suspension; 4) Cámara de secado; 5) Parte entre cámara de secado y ciclón; 6Cyclone; 7) Se quita gas seco; 8) Vaso de colección de producto.
Las flechas indican que esto es co-current lab-spraydryer.

El secado por aspersión es un método para formar un polvo seco a partir de un líquido o una suspensión secando rápidamente con un gas caliente. Este es el método preferido de secado de muchos materiales térmicamente sensibles, como alimentos y productos farmacéuticos, o materiales que pueden requerir un tamaño de partícula fino y extremadamente uniforme. El aire es el medio de secado calentado; sin embargo, si el líquido es un solvente inflamable como el etanol o el producto es sensible al oxígeno, entonces se usa nitrógeno.

Todos los secadores por aspersión usan algún tipo de atomizador o boquilla de aspersión para dispersar el líquido o la suspensión en un aspersión de tamaño de gota controlado. Las más comunes son las de disco giratorio y las de turbulencia de alta presión de un solo fluido. Se sabe que las ruedas atomizadoras proporcionan una distribución de tamaño de partícula más amplia, pero ambos métodos permiten una distribución uniforme del tamaño de partícula. Alternativamente, para algunas aplicaciones se utilizan boquillas ultrasónicas o de dos fluidos. Dependiendo de los requisitos del proceso, se pueden lograr tamaños de gota de 10 a 500 μm con las opciones adecuadas. Las aplicaciones más comunes están en el rango de diámetro de 100 a 200 μm. El polvo seco a menudo fluye libremente.

El tipo más común de secadores por aspersión se denomina efecto simple. Hay una sola fuente de aire de secado en la parte superior de la cámara (ver n°4 en el diagrama). En la mayoría de los casos, el aire se sopla en la misma dirección que el líquido rociado (co-corriente). Se produce un polvo fino, pero puede tener un flujo deficiente y producir mucho polvo. Para superar el polvo y el flujo deficiente del polvo, se ha producido una nueva generación de secadores por aspersión llamados secadores por aspersión de efectos múltiples. En lugar de secar el líquido en una etapa, el secado se realiza a través de dos pasos: el primero en la parte superior (como efecto simple) y el segundo con un lecho estático integrado en la parte inferior de la cámara. El lecho proporciona un entorno húmedo que hace que las partículas más pequeñas se aglutinen, produciendo tamaños de partículas más uniformes, generalmente dentro del rango de 100 a 300 μm. Estos polvos fluyen libremente debido al tamaño de partícula más grande.

Los polvos finos generados por la primera etapa de secado se pueden reciclar en flujo continuo ya sea en la parte superior de la cámara (alrededor del líquido rociado) o en la parte inferior, dentro del lecho fluidizado integrado. El secado del polvo se puede finalizar en un lecho fluidizado vibratorio externo.

El gas de secado caliente se puede pasar como co-corriente, en la misma dirección que el atomizador de líquido rociado, o contracorriente, donde el aire caliente fluye contra el flujo del atomizador. Con el flujo a favor de la corriente, las partículas pasan menos tiempo en el sistema y en el separador de partículas (normalmente, un dispositivo ciclónico). Con el flujo a contracorriente, las partículas pasan más tiempo en el sistema y generalmente se combina con un sistema de lecho fluidizado. El flujo a favor de la corriente generalmente permite que el sistema funcione de manera más eficiente.

Las alternativas a los secadores por aspersión son:

1. Secador de congelación: un proceso de lote más barato para productos que degradan en secado de aerosol. El producto seco no es gratuito.
2. Secador de tambor: un proceso continuo menos barato para productos de bajo valor; crea copos en lugar de polvo de flujo libre.
3. Secador de combustión de pulso: Un proceso continuo menos costoso que puede manejar viscosidades superiores y sólidos cargando que un secador de pulverización, y a veces produce un polvo de calidad congelador que es de flujo libre.

Secador por pulverización

Rocia las boquillas de secado.

Ilustración esquemática del proceso de secado de aerosol.

Un secador por aspersión toma una corriente de líquido y separa el soluto o la suspensión como sólido y el solvente como vapor. El sólido generalmente se recolecta en un tambor o ciclón. La corriente de entrada de líquido se rocía a través de una boquilla en una corriente de vapor caliente y se vaporiza. Los sólidos se forman cuando la humedad sale rápidamente de las gotas. Por lo general, se usa una boquilla para hacer que las gotas sean lo más pequeñas posible, lo que maximiza la transferencia de calor y la tasa de vaporización del agua. El tamaño de las gotas puede oscilar entre 20 y 180 μm, según la boquilla. Hay dos tipos principales de boquillas: boquilla de fluido simple de alta presión (50 a 300 bares) y boquillas de dos fluidos: un fluido es el líquido a secar y el segundo es gas comprimido (generalmente aire de 1 a 7 bares).

Los secadores por aspersión pueden secar un producto muy rápidamente en comparación con otros métodos de secado. También convierten una solución (o suspensión) en un polvo seco en un solo paso, lo que simplifica el proceso y mejora los márgenes de beneficio.

En la fabricación de productos farmacéuticos, el secado por aspersión se emplea para fabricar dispersiones sólidas amorfas, mediante la dispersión uniforme de ingredientes farmacéuticos activos en una matriz polimérica. Este estado pondrá los compuestos activos (fármacos) en un estado de energía superior que a su vez facilita la difusión de las especias del fármaco en el cuerpo del paciente.

Microencapsulación

El secado por aspersión a menudo se utiliza como técnica de encapsulación en la industria alimentaria y otras industrias. Una sustancia a encapsular (la carga) y un vehículo anfipático (generalmente algún tipo de almidón modificado) se homogeneizan como una suspensión en agua (la suspensión). Luego, la suspensión se alimenta a un secador por aspersión, generalmente una torre calentada a temperaturas superiores al punto de ebullición del agua.

A medida que la suspensión entra en la torre, se atomiza. En parte debido a la alta tensión superficial del agua y en parte debido a las interacciones hidrofóbicas/hidrofílicas entre el transportador anfipático, el agua y la carga, la suspensión atomizada forma micelas. El pequeño tamaño de las gotas (con un diámetro promedio de 100 micrómetros) da como resultado un área de superficie relativamente grande que se seca rápidamente. A medida que el agua se seca, el transportador forma una capa endurecida alrededor de la carga.

La pérdida de carga suele ser una función del peso molecular. Es decir, las moléculas más ligeras tienden a evaporarse en grandes cantidades a las temperaturas de procesamiento. La pérdida se minimiza industrialmente rociando en torres más altas. Un mayor volumen de aire tiene una humedad promedio más baja a medida que avanza el proceso. Por el principio de la ósmosis, el agua se verá favorecida por su diferencia de fugacidades en las fases de vapor y líquido para salir de las micelas y entrar en el aire. Por lo tanto, se puede secar el mismo porcentaje de agua de las partículas a temperaturas más bajas si se usan torres más grandes. Alternativamente, la suspensión se puede rociar en un vacío parcial. Dado que el punto de ebullición de un solvente es la temperatura a la cual la presión de vapor del solvente es igual a la presión ambiental, la reducción de la presión en la torre tiene el efecto de disminuir el punto de ebullición del solvente.

La aplicación de la técnica de encapsulación por secado por atomización consiste en preparar productos "deshidratados" polvos de sustancias que no tienen agua para deshidratar. Por ejemplo, las mezclas de bebidas instantáneas son secados por pulverización de los diversos productos químicos que componen la bebida. La técnica se utilizó una vez para eliminar el agua de los productos alimenticios. Un ejemplo es la preparación de leche deshidratada. Debido a que la leche no estaba siendo encapsulada y debido a que el secado por aspersión causa degradación térmica, la deshidratación de la leche y procesos similares han sido reemplazados por otras técnicas de deshidratación. Las leches en polvo descremadas todavía se producen ampliamente utilizando la tecnología de secado por aspersión, generalmente a una alta concentración de sólidos para una máxima eficiencia de secado. La degradación térmica de los productos se puede superar mediante el uso de temperaturas de funcionamiento más bajas y tamaños de cámara más grandes para aumentar los tiempos de residencia.

Investigaciones recientes ahora sugieren que el uso de técnicas de secado por aspersión puede ser un método alternativo para la cristalización de polvos amorfos durante el proceso de secado, ya que los efectos de la temperatura en los polvos amorfos pueden ser significativos según los tiempos de residencia del secado.

Aplicaciones de secado por atomización

Alimentación: leche en polvo, café, té, huevos, cereales, especias, aromas, sangre, almidón y derivados del almidón, vitaminas, enzimas, stevia, nutracéuticos, colorantes, alimentación animal, etc.

Farmacéutico: antibióticos, ingredientes médicos, aditivos

Industrial: pigmentos de pintura, materiales cerámicos, soportes de catalizadores, microalgas