Применение мембранной технологии:

1. стерилизация жидких сред;

2. стерилизация технологического воздуха;

3. очистка отходящего воздуха;

4. очистка сточных вод;

5. утилизация ценных продуктов из отходов;

6. водоподготовка;

7. концентрирование;

8. медицина.

Все мембранные процессы делятся на:

1) жидкофазные;

2) газофазные.

Жидкофазные:

1. диализ;

2. электродиализ;

3. м икрофильтрация;

4. ультрафильтрация; гиперфильтрация

5. обратный осмос.

Все процессы осуществляются с помощью полупроницаемых мембран. Это основной элемент их аппаратурного оформления.

При ультрафильтрации смесь прокачивается вдоль мембран (принцип тангенциального потока).

Смесь проходят высокомолек.

Концентрат Vк Ск

С0 V0

проходят низкомолекул.

Vп Сп

Мембрана работает как самоочищающийся фильтр: что-то проходит, а что-то не проходит – уносится.

При микрофильтрации высокомолекулярные вещества проходят, задерживаются только клетки.

При обратном осмосе проходит только растворитель.

Преимущество мембранных процессов:

1. процесс может использоваться и для очистки, и для концентрирования одновременно;

2. все мембранные процессы – ресурсосберегающие, энергосберегающие, экологически чистые;

3. это малосточные технологии;

4. относительная простота аппаратурного оформления;

5. процесс может идти в герметичных и асептических условиях;

6. можно концентрировать очень вязкие среды;

7. это безреагентный способ производства, продукт не подвергается химическим воздействиям;

8. процессы идут при температуре, которую выдерживают мембраны, перерабатываемый продукт не подвергается тепловым воздействиям.

Сравнительная характеристика мембранных процессов.

Процесс	Раб. давление, МПа	dп Диаметр пор мембран, Å (ангстрем)	dч диаметр частиц, задерж. мембр. Мкм (микрон)	Мол. м. задер. частиц Да (дальтон)
Микрофильтра- ция	0,01 ÷ 0,2	Более 1000 (> 0,1 мкм)	0,05 ÷ 10	Более 106
Ультрафильтра- ция	0,1 ÷ 1,0 (обыч. 0,4-0,5)	50 ÷ 500 Å	0,05 ÷ 0,001	500 ÷ 1000000
Обратный осмос	2 - 8	До 50 Å	0,001÷ 0,0005	120 ÷ 500

1 мкм = 10⁴ А

Размеры:

бактерий – 1мкм

вирусов – 0,1мкм

молекул - 10Å

атомов – 1 Å

Микрофильтрация – для очистки от клеток, коллоидов, бактерий, микровзвесей.

Ультрафильтрация – от ВМС, белков, ферментов, полисахаридов, пирогенов.

Обратный осмос – от солей, ди и моносахаров, аминокислот, антибиотиков.

Назначение мембранных процессов.

Микрофильтрация – условно мембранный процесс, обычное фильтрование с помощью мембран. Микрофильтрация через пористые мембраны (диаметр пор от 0,1 до 10 мкм) применяется для отделения от жидкости мелких взвешенных частиц, в том числе и микроорганизмов. Поскольку объем пор в мембранах для микрофильтрации достигает 70-80% от общего объема фильтра, то удается достичь высокой скорости фильтрования.

Микрофильтрация является практически единственным методом стерилизации питательных сред, содержащих термолабильные компоненты.

Обратный осмос и ультрафильтрация. Общим отличием процессов обратного осмоса и ультрафильтрации от обычной фильтрации является то, что на мембранах не образуется осадка, и перераспределение растворенных веществ осуществляется только в жидкой фазе. Одной из важных характеристик мембраны или фильтра в целом является селективность, определяется по формуле:

Rн = 1 – mф / mк

ma - концентрация растворенного вещества в фильтрате, кг/м³;

mк - то же в концентрате, кг/м³.

В основе обратного осмоса и ультрафильтрации лежит явление осмоса – диффузии растворенных веществ через полупроницаемую перегородку, представляющую собой мембрану с большим количеством ( до 10¹⁰ – 10¹¹ на 1 м²) мелких отверстий – пор.

Схема осмотических процессов.

Р1 + π Р1= Р2 Р1 + π Р2=Р1+π+Р

о о Н2О о о

Н2О о о о о

О о о

а) осмос б) равновесие

Р1 – внешнее давление над поверхностью растворителя;

Р2 – внешнее давление над поверхностью раствора;

π – осмотическое давление (с которым растворитель переходит в раствор);

Р – движущая сила обратного осмоса.

Если раствор отделен от чистого растворителя мембраной с диаметром пор < 10^-2 мкм, то явление осмоса будет выражаться в самопроизвольном переходе через перегородку только растворителя. Этот процесс достигнет равновесия, когда давление под раствором (Р) будет равно осмотическому давлению, т.е. давлению, с которым растворитель переходит в раствор (π). Если в растворе создать давление Р>π, то перенос растворителя будет происходит в обратном направлении – явление обратного осмоса. Обратный осмос применяется для концентрирования всех растворенных веществ или для выделения чистого растворителя.

Осмотическое давление растворов ВМС намного ниже осмотического давления НМС. Поэтому ультрафильтрация при Р = 0,3 – 1МПа, а обратный осмос Р = 2-8 МПа. При ультрафильтрации можно сконцентрировать вещество до 50% СВ, т.к. не нужно преодолевать высокое осмотическое давление.

Обратный осмос и ультрафильтрация успешно применяются для очистки и концентрирования растворов физиологически активных веществ и биологических препаратов: ферментов, белков, гормонов, вакцин, нуклеиновых кислот, ПС, препаратов крови, а также вирусов и бактерий.

Классификация по материалу:

Все мембраны условно можно разделить на 3 поколения:

1. мембраны из природных полимеров (ацетат целлюлозы, нитрат целлюлозы).

Недостаток: низкая химическая стойкость (рН =6-8) t ≤ 50ºC, механически непрочны, используются во влажном состоянии, при высыхании теряют свои свойства. Срок службы 3-7 месяцев.

2. Мембраны из синтетических полимеров ( полиамид, полиакрил, фторопласт)

рН = 1…12 (более стойкие), температура до 80, даже 150ºC, механически прочные. Срок службы до 3-х лет. Хранятся в сухом виде.

3. в последнее время за рубежом выпускаются и у нас начинают мембраны из неорганических материалов ( керамика, окись циркония, окись алюминия, титана). Отличаются очень высокой химической стойкостью, эксплуатируются при температуре до 200ºC, механически прочные. Используют в сухом виде. Срок службы – не ограничен ( сколько служит сама система, приблизительно 20 лет).

С 3-м поколением связывается качественный скачок в мембранной технологии

Классификация по форме и способу их укладки.

1. Трубчатые. Трубка на пористой основе, мембрана в виде тонкой трубочки и стенка – сама мембрана. Мембрана – внутри трубки.

2. Полые волокна:

а) тонкие волокна;

б) капилляры.

Тонкие волокна при укладке в аппарат можно наматывать, скручивать –компактные системы.

Капилляры – только вдоль.

Тонкие волокна выдерживают как внутреннее, так и наружное давление до 40 атм (особенно важно для обратного осмоса).

Капилляры – только внутреннее до 3-х атм. При наружном давлении они сплющиваются.

3. Пластинчатые – самая простая конструкция.

Мембранные установки

4

1

2

3 гибкий

шланг

Самая простая конструкция – дисковый держатель фильтра диаметром 293 мм.

1 и 2 – входной и выходной диски;

3 – ножка с нейлоновым наконечником

4 – гайка –рукоятка для затяжки вручную.

1. аппараты патронного типа;

2. аппараты трубчатого типа;

3. аппараты рулонного типа;

4. аппараты с плоскими фильтрующими элементами.

Плотность упаковки характеризует компактность установки. Самые компактные – с тонкими полыми волокнами. Плотность упаковки – 40000м²/м³. Используются для обессоливания водоподготовки.

Аппараты с патронными фильтрами. (Гофрированная перегородка и сетка).

Используются для микрофильтрации относительно чистых сред, для водоподготовки, для очистки воздуха.

Изготовитель: НПО «Полимерсинтез» г. Владимир.

Аппараты рулонного типа.

Плотность упаковки до 1000м²/м³. В цилиндрический корпус вставляются мембранные элементы. Всё это наматывается на рулон.

Недостатки: 1) высокое гидравлическое сопротивление и высокая сопротивляемость отводу пермеата; 2) пригодны лишь для водоподготовки и малоконцентрированных сред, для биосистем непригодны, т.к. мембраны забиваются, а очистить невозможно.

Аппараты трубчатого типа.

Очень низкая плотность упаковки - до 200м²/м³.

Изготовитель: «Тасма», НПО «Мир».

Особенности: 1) низкое гидравлическое сопротивление; 2) одновременное распределение жидкости по мембранам (все мембраны 3 поколения – трубчатые); 3) можно создать высокую скорость потока – до 5 м/сек – это позволяет разделить недостаточно очищенные среды ( для концентрации томатных паст, соков с мякотью).

ЛЕКЦИЯ № 6.

Центрифугирование.

1. Характеристика процесса центрифугирования.

Центрифугирование – разделение гетерогенных систем под действием центробежных сил. Центробежные силы оказывают на разделяемую систему гораздо большее воздействие, чем силы тяжести и давления. Разделение неоднородных смесей в центрифугах может производиться либо по принципу отстаивания, либо по принципу фильтрации. В первом случае используют барабаны со сплошными стенками, во втором – с отверстиями. Если стенки барабана сплошные, то материал под действием центробежной силы располагается слоями соответственно удельному весу, причем непосредственно у стенок барабана располагается слой материала с большим удельным весом. Если стенки барабана имеют отверстия, то твердые частицы смеси остаются на фильтрующей перегородке, а жидкая фаза проходит через поры твердого осадка и фильтрующей перегородки и удаляется из барабана. Центрифугирование в отстойных барабанах производят как для очистки жидкостей от загрязнений, содержащихся в небольших количествах (осветление жидкостей), так и для разделения суспензий, содержащих значительное количество твердой фазы (отстойное центрифугирование).

Центрифугирование в отстойных барабанах в общем случае складывается из 2-х физических процессов: осаждения твердой фазы и уплотнения осадка.

До некоторого предела концентрации твердой фазы ( ~ 3-4%) ее осаждение в отстойном барабане протекает без образования поверхности раздела между твердым веществом и жидкостью. При повышении концентрации такая поверхность образуется вследствие укрупнения и осаждения находящихся в жидкости твердых частиц.

Процесс центрифугирования в отстойных барабанах принципиально отличается от процесса разделения в отстойниках. В последних скорость осаждения практически можно считать постоянной, т.к. процесс происходит в поле тяжести, ускорение которого не зависит от координат падающей частицы. Ускорение же поля центробежных сил является величиной переменной (а =w² r ) и зависит при постоянной угловой скорости w от радиуса вращения r частицы. Поэтому закономерности процессов отстаивания нельзя распространять на процесс центрифугирования в отстойных барабанах.

Еще более сложным является процесс центрифугирования в фильтрующих барабанах. Процесс протекает в три стадии: образование осадка, уплотнение осадка и, наконец, удаление из пор осадка жидкости, удерживаемой капиллярными и молекулярными силами.

Вследствие этого весь процесс центробежной фильтрации не может быть отождествлен с обычной фильтрацией, происходящей под действием сил тяжести. Лишь первый его период принципиально близок к обычной фильтрации и отличается от нее только величиной гидравлического напора жидкости, протекающей через слой осадка под действием центробежных сил. В этот период влага в осадке находится в свободной форме и удаляется из него наиболее интенсивно. Второй период аналогичен соответствующему периоду при отстойном центрифугировании и, наконец, третий характеризуется проникновением воздуха в уплотненный осадок, т.е. механической сушкой осадка.

2. Классификация центрифуг.

Важной характеристикой работы центрифуг является фактор разделения:

W² R

Фр = ————,

g

w - угловая скорость вращения ротора, 1/с;

R - радиус ротора. м;

g - ускорение свободного падения, м/сек².

По величине Фр центрифуги можно разделить на 2 группы: 1) нормальные – Фр < 3500 (ротор имеет диаметр > 200мм и скорость вращения 700 – 1500 об/мин); 2) сверхцентрифуги Фр > 3500 ( узкий трубчатый ротор диаметром 40 – 200мм и скорость вращения от 5000 до 45000 об/мин).

По принципу действия различают центрифуги фильтрующие и отстойные. Фильтрующие центрифуги имеют дырчатые барабаны, которые часто изнутри покрывают тканью. Центрифуги этого типа служат для разделения суспензий с кристаллической или зернистой твердой фазой, а также для обезвоживания твердых материалов.

Отстойные центрифуги со сплошным барабаном без отверстий применяют для разделения плохо фильтрующихся суспензий и осветления суспензий с небольшим содержанием твердой фазы, а также когда частицы очень малы.

суспензия

С успензия

о

о

о

о

фильтрующая центрифуга отстойная центрифуга

(с фильтрующим материалом) (без фильтрующего материала)

В центрифуге используется барабан с отверстиями или сплошной. Барабан заключен в кожух, который служит сборником отделенной жидкости и одновременно защитным ограждением в случае разрыва барабана. Жидкость под действием центробежной силы проталкивается через стенку дырчатого барабана (или переливается через край сплошного барабана), собирается в кожухе и удаляется в трубопровод.

Для получения осадков с минимальным содержанием влаги применяют дырчатые барабаны, при помощи которого достигается конечная влажность осадка в среднем 1-5% (в случае весьма измельченной твердой фазы – до 40%). При использовании сплошных барабанов в осадке остается значительно больше влаги (до 70% и больше). Чтобы повысить эффективность разделения, на внутренних стенках дырчатых барабанов закрепляют металлические сита или фильтрующие ткани, а в сплошных барабанах устанавливают кольцевые вставки, чем уменьшается скорость жидкости у стенок и улучшается осаждение твердых частиц.

По режиму работы центрифуги делят на периодически и непрерывно действующие. Работа центрифуг периодического действия складывается из следующих операций:

• пуск центрифуг в ход и наполнение барабана;

• вращение барабана с постоянной скоростью и разделение неоднородности смеси;

• торможение и разгрузка барабана.

Наполнение барабана производят либо после того, как незаполненный барабан приобретает некоторую скорость вращения, меньшую рабочей, либо при полной скорости вращения. В некоторых случаях барабан загружают до пуска центрифуг в ход. Осадок удаляют после остановки машины или при вращении барабана с пониженной скоростью. Важным признаком типа центрифуг является способ выгрузки из них осадка; выгрузка производится вручную, при помощи ножей или скребков, шнеков и поршней, движущихся возвратно-поступательно (пульсирующих), а также под действием силы тяжести и центробежной силы.

Центрифуги различают также по устройству опор (стоячие и подвесные) и по расположению оси (горизонтальные, наклонные и вертикальные). Иногда в центрифугах после основного процесса производят промывку осадка и отжим промывных вод.

Классификация центрифуг:

С ручной выгрузкой

Периодического

действия

С гравитационной выгрузкой

С выгрузкой ножами

С инерционной выгрузкой

Непрерывного

действия

С выгрузкой пульсир. поршнями

Со шнековой выгрузкой

Периодического

действия

С ручной выгрузкой

С выгрузкой ножами

С ц – б выгрузкой

Непрерывного

действия

Со шнековой выгрузкой

В автоматических центрифугах все операции, включая загрузку и выгрузку осадка, выполняются автоматически.

3. Расчёт центрифуг.

Часовая производительность центрифуг:

V = 25,3 · η · h · n²·· r о² · wос · k

η - коэффициент, учитывающий отношение практической и теоретической производительности центрифуг (η = 0,4 – 0,5);

h – длина барабана, мм;

n – число оборотов барабана в мин;

rо – внутренний радиус кольцевого слоя суспензии, м;

wос – скорость осаждения частиц под действием силы тяжести, м/сек.

wос определяется по формуле Стокса:

d² (ρm - ρж)

w =——————

18 μ

к – отношение времени подачи суспензии к общему времени работы центрифуг.

Скорость осаждения под действием центробежных сил:

rо · n²

w = wос ——— (~ в 1000 раз больше)

900

ЛЕКЦИЯ № 7.

Тепловые процессы.

При тепловых процессах осуществляется передача тепла от одного вещества к другому. К тепловым процессам относятся нагревание, охлаждение, конденсация, испарение (сушка, выпаривание). Тепло может передаваться самостоятельно (без затраты энергии) только от среды с более высокой температурой к среде с более низкой. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором. Горячими теплоносителями могут быть горячая вода, водяной пар, горячие газы и т.п. В качестве охлаждающих средств чаще всего используют воду и рассолы.

Нагревание широко применяется для ускорение многих массообменных процессов (растворение, сушка, выпаривание). Используют различные источники тепла: дымовые (топочные) газы, электрический ток, горячую воду, водяной пар, минеральные масла и другие источники.

Самым распространенным в фармацевтическом производстве является нагревание с помощью водяного пара. Достоинства этого метода: равномерность обогрева, высокий коэффициент теплопередачи, большое количество тепла, которое выделяется при конденсации водяного пара.

Нагревание «острым» паром. При нагревании «острым» паром насыщенный пар (имеет температуру, равную температуре парообразования при данном давлении) вводится в обогреваемую жидкость по трубе с мелкими отверстиями. Расход «острого» пара при периодическом нагревании определяется из уравнения:

gct1 +Ді = gct2 +Дcв t2 +Qn · τ

gc (t2 – t1) +Qnτ

Д= ——————

τ - cв t2

g – количество нагреваемой жидкости, кг;

Д – расход греющего пара, кг;

с – теплоемкость нагреваемой жидкости, кДж/ кг ·ºC;

c – теплоемкость конденсата, кДж/ кг·ºC;

i - энтальпия (теплосодержание) греющего пара, кДж/ кг;

t1, t2 – t – температура до и после нагревания, ºC;

Qn – потери тепла в окружающую среду, кДж/с;

τ – продолжительность нагрева, с.

Нагревание «глухим» паром. Более экономичен, т.к. идет возвращение конденсата. Нагрев жидкости осуществляется через разделяющую стенку в аппаратах с рубашками, змеевиками. Греющий пар конденсируется и выводится в виде конденсата. Расход «глухого» пара при нагревании жидкости непрерывно, определяется из уравнения теплового баланса:

gct1 +Ді = gct2 +Дcвtв +Qn · τ

gc (t2 – t1) +Qnτ

Д= ——————

τ - cв tв

Д – расход греющего пара, кг;

g – поток нагреваемой жидкости, кг/с;

Cв tв – теплосодержание конденсата, имеющего температуру tв.

Охлаждение жидкостей и газов. Для охлаждения используют воду и воздух. Воздух – для естественного и искусственного охлаждения (с помощью вентилятора). Чаще для охлаждения используется вода, её достоинства: доступность, высокая теплоемкость, большой коэффициент теплоотдачи. Для охлаждения до температуру ниже 5 – 10ºC используются рассолы (жидкость, содержащая соль).

Конденсация паров. Называется процесс перевода пара в жидкое состояние, проводимый путем охлаждения пара. Аппараты для этой цели называются конденсаторы. Конденсация применяется главным образом с целью ускорения процесса выпаривания, а также для улавливания ценных растворителей и экстрагентов. Охлаждение пара производится двояко: 1) непосредственно смешением паров с холодной водой и 2) через стенку теплообменника (I - конденсаторы смешения, II – поверхностные конденсаторы). В зависимости от направления движения воды и пара конденсаторы смешивания и поверхностные конденсаторы могут быть прямоточными и противоточными.

Выпаривание. Широко применяется в фармацевтическом производстве при получении жидких и густых экстрактов и является промежуточной операцией при производстве сухих экстрактов. Наиболее простым способом является выпаривание в выпарной чаше (для удаления небольшого количества воды при производстве сиропов).

В фармацевтическом производстве обычно приходится иметь дело с растворами, содержащие термолабильные вещества (алкалоиды, гликозиды, витамины, гормоны) для которых даже температура кипения воды при атмосферном давлении является слишком высокой. Для этих веществ ведут выпаривание при разрежении, что приводит к понижению температуры кипения. С целью сохранения действующих веществ, извлекаемых из растительного сырья, выпаривание осуществляют при температуре 45ºC, что соответствует 90% вакуума. На разложение веществ влияет не только температура. Не меньшее значение имеет время выпаривания. Сокращение времени нагревания достигается применением вакуум – выпарных установок (ВВУ) большей мощности. Таким образом, существует 2 фактора в борьбе за сохранность качеств показателей изготовляемого продукта: снижение температуры выпаривания и повышение мощности ВВУ.

Однократное выпаривание – выпариваемый раствор кипит за счет нагрева «глухим» паром, а вторичный пар освобождается от брызг и поступает в конденсатор. Конденсат из выпарного аппарата и конденсат из конденсатора собираются в отдельные сборники.

Многократное выпаривание – вторичный пар, образованный в 1-м выпарном аппарате, поступает в качестве греющего пара во 2-й выпарной аппарат, а образованные в нем пары могут быть использованы для обогрева 3-го выпарного аппарата и т.д.

Давление от корпуса к корпусу уменьшается так, чтобы температура кипения раствора в каждом корпусе была ниже температура насыщения пара, обогревающего этот корпус. Вторичный пар, образующийся в каждом корпусе, можно не целиком направлять на обогрев следующего корпуса, а частично отводить на сторону и использовать для предварительного подогрева раствора, поступающего на выпаривание или для других целей, не связанных с выпариванием.

Отводимый на сторону вторичный пар называется экстра-паром. При этом возрастание расхода греющего пара при отборе экстра-пара меньше, чем количество отбираемого экстра-пара.

Применение многокорпусных ВВУ дает значительную экономию пара. Экономия пара достигается за счет увеличения поверхности теплообмена.

Практические данные по расходу греющего пара на 1кг выпариваемой воды (кг):

I к ВВУ - 1,1

II к ВВУ - 0,57

III к ВВУ - 0,4

IV к ВВУ - 0,3

V к ВВУ - 0,27

На практике наиболее распространенны ВВУ с 2-4 корпусами. Установки с числом корпусов более 5 встречаются редко.

Массообменные процессы.

Сушка.

Сушкой называется процесс удаления влаги из твердых, пастообразных материалов, суспензий или концентрированных растворов путем ее испарения и отвода образующихся паров.

Современные концепции фармацевтической науки в области теории сушки свидетельствует, что тепловые и массообменные процессы нередко сопровождаются изменением структурно-механических свойств высушиваемого материала, образованием кристаллогидратов лекарственных веществ, продуктами окисления, гидролиза, приводящими к изменению растворимости, всасывания, снижению или потере терапевтической активности лекарственных веществ.

Процесс сушки твердых веществ зависит от характера связи удаляемой влаги. Влага, удаляемая при сушке, называется свободной. Обычно при сушке твердых веществ удаляют капиллярную и внутриклеточную влагу. Под капиллярной понимается влага, которая наполняет многочисленные макро- и микрокапилляры вещества. Внутриклеточная влага – при сушке эндокринного сырья и свежесобранных лекарственных растений. Влага, химически связанная с материалом (гидратная или кристаллизационная), при сушке не удаляется.

Процесс сушки выражается уравнением массопередачи:

W =K · F (Pм - Pп) , кг/сек

W – количество испаряемой влаги, кг/сек;

K – коэффициент массопередачи, сек/м;

F – поверхность соприкосновения фаз, м²;

Pм – давление паров влаги у поверхности материала, н/м²;

Рп – парциальное давление в воздухе, н/м².

Движущая сила процесса сушки определяется разностью давления паров влаги у поверхности материала и парциального давления паров в воздухе, т.е. (Рм – Рп). Чем больше эта разница, тем интенсивнее идет процесс испарения влаги.

Скорость сушки определяется количеством влаги, испаряемой с единицы поверхности в единицу времени:

V = W / F·τ, кг/м² с

Продолжительность процесса сушки зависит от скорости сушки.

Главные факторы сушки: 1) природные особенности высушиваемого материала – его структура, характер связи с водой, химический состав и т.д.; 2) общая поверхность высушиваемого материала, зависит от размера кусков, толщины слоя.Чем больше поверхность высушиваемого материала, тем быстрее протекает сушка; 3) количество влаги, подлежащей удалению; 4) влажность и температура воздуха. Чем выше температура воздуха и ниже его относительная влажность, тем быстрее протекает сушка; 5) скорость движения теплоносителя. Чем с большей скоростью проходит теплый воздух в сушилках, тем интенсивнее теплообмен между ним и высушиваемым материалом; 6) интенсивность перемешивания высушиваемого материала. Чем лучше перемешивается материал, тем больше активная поверхность испарения и тем быстрее протекает сушка.

Методы сушки продуктов фармацевтической промышленности.

По способу подвода тепла.

При контактной сушке тепло передается высушиваемому материалу через нагретые поверхности (плиты, вальцы). При этом испаряемая влага переходит в окружающий материал воздух.

Пример – одно- и 2-х вальцовые сушилки и шкафные сушилки, а также сублимационные сушилки.

При конвективной сушке тепло, необходимое для процессов сушки, доставляется газообразным сушильным агентом, который играет роль теплоносителя и среды, в которую переходит влага из материала.

Пример – распылительные сушилки и сушилки с «кипящим» слоем. Устаревшие конструкции этого типа – полочные, барабанные и ленточные сушилки.

Шкафные сушилки.

Шкафные сушилки или вакуум-сушильные шкафы представляют собой цилиндрическую (реже прямоугольную) камеру, в которой размещены полые плиты, обогреваемые изнутри паром или горячей водой. Высушиваемый материал находится в лотках (противнях), установленных на плитах. Во время работы камера герметически закрыта и соединена с вакуумом. Загрузка и выгрузка производятся вручную. Вакуум-сушильные шкафы служат для сушки легкоокисляющихся, взрывоопасных и выделяющих вредные или ценные пары веществ.

Недостаток: низкая производительность.

Сушилки «кипящего» слоя.

Эти сушилки являются одним из прогрессивных типов аппарата для сушки. Процесс в кипящем слое позволяет значительно увеличить поверхность контакта между частицами материала и сушильным агентом, интенсифицировать испарение влаги из материала и сократить (до нескольких минут) продолжительность сушки. Успешно применяются не только для сушки сильно сыпучих материалов, но и продуктов, подверженных комкованию, а также пастообразных материалов, растворов и суспензий.

Принцип действия: сушильный агент – горячий воздух нагретый в калорифере, или топочные газы, разбавленные воздухом, проходит с заданной скоростью через отверстия решетки в сушильной камере и поддерживает на ней материал в кипящем (псевдоожиженном) состоянии. Высушенный материал ссыпается через патрубок выше решетки. Отработанные газы очищаются от пыли в циклоне, батарейном пылеуловителем, после чего выбрасывается в атмосферу.

Распылительная сушилка.

При распылительной сушке высушиваемый раствор или суспензия распыляются специальными устройствами до мелкодисперсного состояния и смешиваются с газообразным сушильным агентом. Ввиду очень большой поверхности получаемых при распылении частиц процесс идет очень быстро.

Преимущество распылительной сушилки:

1) время сушки 15-30 секунд; 2) размер частиц и влажность продукта можно регулировать; 3) готовый продукт не требует дальнейшего размола; 4) высокая производительность.

Недостатки:

1) большие габариты; 2) большой расход энергии в связи с необходимостью распыления раствора.

Специальные виды сушилок.

1. сублимационная ;

Метод основан на удалении влаги из замороженного состояния. Причем влага в виде льда переходит в газообразную фазу, минуя жидкую. Материал находится при температуре -20÷-30ºC

и лишь в конце сушки температура повышается до 30 - 40ºC. Давление 0,1 – 10 Па.

Принцип действия:

Существуют три стадии сублимационной сушки: замораживание, сублимация и сушка.

Установка состоит из сублиматора с плитами, на которых размещается высушиваемый продукт. Циркулирующий внутри плит теплоноситель охлаждает плиты при замораживании продукта или нагревает при сушке. Конденсация паров влаги происходит в конденсаторе, куда подается хладоноситель от холодильной установки. Неконденсирующиеся пары из конденсатора – вымораживателя удаляются вакуум-насосом. При снижении давления в сушильной камере происходит быстрое самозамораживание влаги и сублимация льда за счет тепла, отдаваемого самим материалом. При сублимации удаляется основная часть влаги, это период постоянной скорости сушки. Удаление остаточной влаги – тепловой сушкой.

Область применения – сушка термолабильных продуктов: препараты крови, антибиотики, гормоны, витамины, ферменты.

2) ИК – сушилки. Тепло передается инфракрасными лучами. Температура излучателей от 700 до 2200ºC.

3) СВЧ – сушилки. Сушка в электромагнитном поле токов высокой частоты – эффективна для высушивания толстослойных материалов. Недостатки – высокая стоимость и значительный расход энергии, сложна в эксплуатации.

ЛЕКЦИЯ № 8.

СБОРЫ И ПОРОШКИ.

Производство сборов и порошков сосредоточено в специальном порошковально-дробильном отделении (цехе), оборудованном машинами для следующих процессов:

• измельчения;

• просеивания;

• смешивания твердых веществ.

Сборы представляют собой смеси изрезанных в крупный порошок частей лекарственных растений. Иногда в эти смеси вводят эфирные масла и некоторые кристаллические вещества.

Части лекарственных растений вводят в сборы: в целом виде – мелкие цветки и цветочные корзинки, а также некоторые семена и ягоды;

в изрезанном или раздробленном виде – все корни и корневища, коры, травы, крупные листья и некоторые цветы (липовый цвет);

в истолченном или крупноизмельченном виде – плоды, семена, а также некоторые мелкие и крупные листья.

Измельчение и просеивание.

Растительный материал изрезывают в траво- и корнерезках. При необходимости сырье предварительно увлажняют (при резке корней на кубики) с последующим подсушиванием полученного продукта.

Для толчения плодов и семян и крупных листьев применяют бегунки, а также дисковые и вальцовые мельницы. Степень измельчения зависит от вида сбора, для которого он предназначен. Необходимая степень измельчения достигается с помощью ситовых механизмов (трясунки, вибрационные сита). При всех степенях измельчения пыль отсеивают сквозь сито с размером отверстий 0,2мм.

Устройство и принцип действия перечисленного оборудования.

1. Измельчение изрезывающего действия.

Траворезки-соломорезки.

Простейшими по устройству траворезками являются соломорезки, широко применяемые при измельчении грубых кормов (солома, стебли кукурузы и др.). Различают соломорезки дисковые и барабанные. В дисковых соломорезках массивные ножи, имеющие криволинейное лезвие, прикрепленное к спицам маховика. Маховик с ножами приводится в движение вручную. Трава, собранная в пучки, подается под ножи по лотку. В барабанных соломорезках изогнутые ножи с лезвиями, расположенными по винтовым линиям с углом подъема до 30º. Травянистое сырье подается по лотку – транспортеру, в конце которого установлены питающие валики, подающие сырье к ножевому барабану. Изрезанное сырье выгружается по лотку. Установка смонтирована на станине и приводится в действие от электромотора при помощи шкива. На одном валу со шкивом посажена зубчатка, приводящая в действие большую шестерню, вращающую питательные валики. Маховик служит для обеспечения плавности работы соломорезки. Габариты отечественной соломорезки РСБ-3,5: длина с лотками 187см, ширина 91см, высота 126см. Число оборотов барабана 350-400 в минуту. Производительность – 300кг/ч (например, при резке сухой травы ландыша).

Корнерезки с гильотинными ножами.

Для изрезывания коры, корней, корневищ применяются корнерезки. Нож в этой машине весьма массивный и, падая вниз, своей массой усиливает режущий эффект. Нож совершает возвратно-поступательное движение вверх и вниз при помощи кривошипнового механизма.

Движение ленточного транспортера, питающих валиков и ножей происходит согласованно, т.ч. растительная масса выступает вперед на определенную длину в соответствии с заданной степенью измельчения.

Траворезки и корнерезки – для предварительного измельчения.

Измельчение раздавливающего действия.

Вальцовые мельницы (гладковалковые дробилки).

Валки имеют одинаковое число оборотов, но есть конструкции, в которых валкам придают разные окружные скорости. В результате к раздавливающему действию валков присоединяется еще и истирание. Непрерывная и равномерная подача сырья достигается с помощью загрузочных воронок, длина которых одинакова с длиной питающих валков. Диаметр поступающих на дробление кусков ( r ) должен быть приблизительно в 20 раз меньше диаметра валков ( R). R≈20r

Зубчатые валки обеспечивают захват более крупных кусков. ( для них R ≈ 5-10r)

Вальцовые мельницы могут иметь одну или две пары валков. Из 2-х валковых дробилок для измельчения растительных материалов пригодна ДВГ –2 с диаметром валков 40см и длиной 25см. Скорость вращения ведущего вала 220об/мин, ведомого – 190об/мин. 4-х-валковая дробилка БДА – 7м – для дробления солода. Между первой и второй парами валков установлено вибросито. На вторую пару валков поступает сырье, предварительное измельченное на первой паре валков. Производительность – 1000 кг/ч. Диаметр валков 25см, длина 50см. Число оборотов в минуту верхней пары валков (ведущего / ведомого) 240/238, нижней пары – 268/254. Поверхность валков может быть гладкая и нарезная (рифленая). В последней истирающая способность выше.

Измельчение истирающего действия.

Дисковые мельницы.

Основная деталь – два вертикально установленных диска. Вращается один из них. Поверхность дисков имеет режущие или ударные выступы той или иной конструкции. Исходный материал поступает в просвет между дисками, где он измельчается. Наиболее простая дисковая мельница – «Эксцельсиор», она широко применяется в фармацевтической промышленности. В этой мельнице диски установлены вертикально. Один диск неподвижен, а другой вращается со скоростью 250-300 об/мин. Поверхность дисков покрыта мелкими зубцами, расположенными по окружности в таком порядке, чтобы зубцы движущего диска попадали в промежуток между зубцами неподвижного диска. Помимо истирания, к раздавливающему эффекту присоединяется срезывающее действие от острых зубцов. Производительность при диаметре дисков 400мм-50кг/ч.