El secado por aspersión es un método para formar un polvo seco a partir de un líquido o una suspensión mediante un secado rápido con un gas caliente. Este es el método preferido para secar muchos materiales térmicamente sensibles, como alimentos y productos farmacéuticos , [1] o materiales que pueden requerir un tamaño de partícula fino y extremadamente consistente. El aire es el medio de secado calentado; sin embargo, si el líquido es un disolvente inflamable como el etanol o el producto es sensible al oxígeno, entonces se utiliza nitrógeno . [2]
Todos los secadores por aspersión utilizan algún tipo de atomizador o boquilla rociadora para dispersar el líquido o la suspensión en una pulverización de tamaño de gota controlado. Las más comunes son las de disco giratorio y las boquillas de turbulencia de alta presión de un solo fluido. Se sabe que las ruedas atomizadoras proporcionan una distribución más amplia del tamaño de las partículas, pero ambos métodos permiten una distribución consistente del tamaño de las partículas. [3] 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 se encuentran en el rango de diámetro de 100 a 200 μm. El polvo seco suele fluir libremente. [4]
El tipo más común de secadores por aspersión se llama efecto simple. Hay una única 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 pulverizado (en paralelo). 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 efecto múltiple. En lugar de secar el líquido en una sola etapa, el secado se realiza mediante dos pasos: el primero en la parte superior (como efecto único) y el segundo con un lecho estático integrado en el fondo de la cámara. El lecho proporciona un ambiente 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 mayor tamaño de partícula. [ cita necesaria ]
Los polvos finos generados por el secado de la primera etapa 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 puede finalizarse en un lecho fluidizado vibratorio externo.
El gas de secado caliente puede pasar en paralelo, en la misma dirección que el atomizador líquido rociado, o en contracorriente, donde el aire caliente fluye contra el flujo del atomizador. Con el flujo en paralelo, 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 en paralelo generalmente permite que el sistema funcione de manera más eficiente.
Las alternativas a los secadores por aspersión son: [5]
La técnica de secado por aspersión se describió por primera vez en 1860 con el primer instrumento de secado por aspersión patentado por Samuel Percy en 1872. [ cita necesaria ] Con el tiempo, el método de secado por aspersión ganó popularidad, al principio principalmente para la producción de leche en la década de 1920 y durante la Guerra Mundial. II, cuando era necesario reducir el peso y volumen de los alimentos y otros materiales. En la segunda mitad del siglo XX, la comercialización de secadores por aspersión aumentó, al igual que el número de aplicaciones de secado por aspersión.
Un secador por aspersión toma una corriente líquida y separa el soluto o suspensión como sólido y el solvente en vapor. El sólido suele recogerse en un tambor o ciclón. La corriente de entrada líquida se pulveriza 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. Generalmente se usa una boquilla para hacer que las gotas sean lo más pequeñas posible, maximizando el área de superficie y, por lo tanto, la transferencia de calor y la tasa de vaporización del agua. Los tamaños de las gotas pueden oscilar entre 20 y 180 μm dependiendo de la boquilla. [4] Existen dos tipos principales de boquillas: boquilla de un solo fluido de alta presión (de 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 farmacéutica, el secado por aspersión se emplea para fabricar dispersiones sólidas amorfas, dispersando uniformemente ingredientes farmacéuticos activos en una matriz polimérica. Este estado pondrá los compuestos activos (fármaco) en un estado de energía superior, lo que a su vez facilita la difusión de las especies de fármacos en el cuerpo del paciente. [6]
El secado por aspersión se utiliza a menudo como técnica de encapsulación en la industria alimentaria y otras industrias. Una sustancia que se va a encapsular (la carga) y un portador anfipático (generalmente algún tipo de almidón modificado ) se homogeneizan como una suspensión en agua (la suspensión). Luego, la suspensión se introduce en un secador por aspersión, generalmente una torre calentada a temperaturas superiores al punto de ebullición del agua .
A medida que la suspensión ingresa a la torre, se atomiza. En parte debido a la alta tensión superficial del agua y en parte debido a las interacciones hidrófobas / hidrófilas entre el portador 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 una superficie relativamente grande que se seca rápidamente. A medida que el agua se seca, el soporte forma una capa endurecida alrededor de la carga. [7]
La pérdida de carga suele ser función del peso molecular. Es decir, las moléculas más ligeras tienden a evaporarse en mayores cantidades a las temperaturas de procesamiento. Las pérdidas se minimizan industrialmente mediante la pulverización en torres más altas. Un mayor volumen de aire tiene una humedad promedio más baja a medida que avanza el proceso. Según el principio de ósmosis , el agua se verá impulsada por su diferencia de fugacidades en las fases de vapor y líquida a salir de las micelas y entrar al aire. Por lo tanto, se puede secar el mismo porcentaje de agua de las partículas a temperaturas más bajas si se utilizan torres más grandes. Alternativamente, la suspensión se puede pulverizar en vacío parcial. Dado que el punto de ebullición de un disolvente es la temperatura a la que la presión de vapor del disolvente es igual a la presión ambiental, reducir la presión en la torre tiene el efecto de reducir el punto de ebullición del disolvente.
La aplicación de la técnica de encapsulación por secado por aspersión es preparar polvos "deshidratados" de sustancias que no tienen agua para deshidratar. Por ejemplo, las mezclas de bebidas instantáneas son productos secos por aspersión de los diversos productos químicos que componen la bebida. Esta técnica se utilizó alguna 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. La leche desnatada en polvo todavía se produce ampliamente utilizando tecnología de secado por aspersión, generalmente con una alta concentración de sólidos para una máxima eficiencia de secado. La degradación térmica de los productos se puede superar utilizando temperaturas de funcionamiento más bajas y tamaños de cámara más grandes para aumentar los tiempos de residencia. [8]
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 sobre los polvos amorfos pueden ser significativos dependiendo de los tiempos de residencia del secado. [9] [10]
El proceso de secado por aspersión contiene una variedad de parámetros de entrada que pueden alterar la forma y el tamaño de las partículas producidas.
Parámetros de entrada comunes:
De los siguientes parámetros de entrada surge una serie de caminos que una partícula puede tomar hacia su forma y tamaño obtenidos. Ciertos parámetros como el flujo de gas de pulverización, la velocidad de alimentación y la concentración de la solución influyen en gran medida en el tamaño de partícula producida, mientras que la temperatura de entrada juega un papel importante en la forma de la partícula al final. El tamaño de las partículas tiene una gran correlación con el tamaño original de la gota de solución del atomizador, por lo que la mejor manera de controlar el tamaño de las partículas se puede hacer saturando fuertemente la solución y haciendo que la gota inicial sea más grande o más pequeña. Una vez que la gota inicial ingresa a la cámara de secado, la gota puede continuar hasta formar una costra o no se formará ninguna partícula. Desde la formación de la corteza, la temperatura del proceso de secado y la duración de la partícula en el proceso de secado pueden llevar a la partícula hacia una cáscara seca o una partícula deformada. La cáscara seca puede convertirse en una partícula sólida o una partícula rota. La formación de costra también puede renunciar a la cáscara seca o partícula deformada si las condiciones de secado no son las correctas y sufrir una nucleación de burbujas internas con otra serie de vías.
La comprensión actual de las condiciones de secado varía entre las diferentes configuraciones de secado por aspersión y los contenidos de la solución, pero se están completando más investigaciones sobre la determinación de qué impulsa cada ruta de forma de partícula, ya que las aplicaciones futuras en áreas farmacéuticas e industriales requieren un mejor control sobre las formas y tamaños de partículas específicas. de sus productos.
Alimentos: leche en polvo, café, té, huevos, cereales, especias, aromas, sangre, [11] almidón y derivados del almidón, vitaminas, enzimas, stevia, nutracuticos, colorantes, piensos, etc.
Farmacéutico: antibióticos, ingredientes médicos, [12] [13] aditivos.
Industrial: pigmentos para pinturas, materiales cerámicos, soportes de catalizadores, microalgas.