El secado por aspersión es un método para formar un polvo seco a partir de un líquido o una suspensión mediante el secado rápido con un gas caliente. Este es el método preferido para secar muchos materiales sensibles al calor , como alimentos y productos farmacéuticos [1] o materiales que pueden requerir un tamaño de partícula extremadamente fino y uniforme. El aire es el medio de secado más comúnmente utilizado; sin embargo, se puede utilizar nitrógeno si el líquido es inflamable (como el etanol ) o si el producto es sensible al oxígeno [2] .
Todos los secadores por aspersión utilizan algún tipo de atomizador o boquilla de aspersión para dispersar el líquido o la suspensión en una pulverización de tamaño de gota controlado. Los más comunes de estos son los de disco rotatorio y las boquillas de remolino de alta presión de un solo fluido. Se sabe que las ruedas atomizadoras proporcionan una distribución más amplia del tamaño de partícula, pero ambos métodos permiten una distribución uniforme del tamaño de partícula. [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 están 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 denomina de 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 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 efecto múltiple. En lugar de secar el líquido en una etapa, el secado se realiza en dos pasos: el primero en la parte superior (como en el caso del 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 aglomeren, 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 requerida ]
Los polvos finos generados en la primera etapa de secado pueden reciclarse en flujo continuo, ya sea en la parte superior de la cámara (alrededor del líquido pulverizado) 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 se puede introducir en el sistema en el mismo sentido que el atomizador de líquido pulverizado, o en contracorriente, donde el aire caliente fluye en sentido contrario al flujo del atomizador. Con el flujo en el mismo sentido, las partículas pasan menos tiempo en el sistema y en el separador de partículas (normalmente un dispositivo ciclónico). Con el flujo en contracorriente, las partículas pasan más tiempo en el sistema y normalmente se combina con un sistema de lecho fluidizado. El flujo en el mismo sentido generalmente permite que el sistema funcione de forma 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 requerida ] Con el tiempo, el método de secado por aspersión creció en popularidad, al principio principalmente para la producción de leche en la década de 1920 y durante la Segunda Guerra Mundial, cuando hubo una necesidad de reducir el peso y el 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 la suspensión como sólido y el solvente en vapor. El sólido generalmente se recoge en un tambor o ciclón. La corriente de entrada líquida se rocía a través de una boquilla en una corriente de vapor caliente y se vaporiza. Los sólidos se forman a medida que la humedad abandona rápidamente las gotas. Por lo general, se utiliza 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 velocidad de vaporización del agua. Los tamaños de las gotas pueden variar de 20 a 180 μm según la boquilla. [4] Hay dos tipos principales de boquillas: boquilla de fluido único 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 a 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 lechada) en un polvo seco en un solo paso, lo que simplifica el proceso y mejora los márgenes de ganancia.
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 de polímero. Este estado colocará los compuestos activos (fármaco) en un estado de mayor energía, lo que a su vez facilita la difusión de las especies del fármaco 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 (normalmente algún tipo de almidón modificado ) se homogeneizan como una suspensión en agua (la suspensión). A continuación, la suspensión se introduce en un secador por aspersión, normalmente 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 hidrófobas / hidrófilas entre el portador anfipático, el agua y la carga, la suspensión atomizada forma micelas . El pequeño tamaño de las gotas (con un promedio de 100 micrómetros de diámetro) da como resultado una superficie relativamente grande que se seca rápidamente. A medida que el agua se seca, el portador forma una capa endurecida alrededor de la carga. [7]
La pérdida de carga suele ser una función del peso molecular. Es decir, las moléculas más ligeras tienden a evaporarse en mayores cantidades a las temperaturas de procesamiento. La pérdida se minimiza industrialmente mediante la pulverización en torres más altas. Un mayor volumen de aire tiene una humedad media menor a medida que avanza el proceso. Por el principio de ósmosis , el agua se verá incentivada por su diferencia de fugacidades en las fases de vapor y líquido a 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 utilizan torres más grandes. Alternativamente, la suspensión se puede pulverizar en un 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, la reducción de la presión en la torre tiene el efecto de reducir el punto de ebullición del disolvente.
La técnica de encapsulación por secado por aspersión se utiliza para preparar polvos "deshidratados" de sustancias que no tienen agua para deshidratar. Por ejemplo, las mezclas de bebidas instantáneas son secados por aspersión de los diversos productos químicos que componen la bebida. La técnica se utilizó en el pasado para eliminar el agua de los productos alimenticios. Un ejemplo es la preparación de leche deshidratada. Como la leche no se encapsulaba y el secado por aspersión provoca degradación térmica , la deshidratación de la leche y procesos similares han sido reemplazados por otras técnicas de deshidratación. Los polvos de leche desnatada todavía se producen ampliamente utilizando la tecnología de secado por aspersión, normalmente a 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 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 obtenidas.
Parámetros de entrada comunes:
A partir de los siguientes parámetros de entrada, se obtiene una serie de caminos que puede tomar una partícula para alcanzar su forma y tamaño deseados. Algunos 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 obtenido, mientras que la temperatura de entrada desempeña un papel importante en la forma de la partícula final. El tamaño de partícula 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 partícula 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. A partir de la formación de la costra, la temperatura del proceso de secado y la duración de la partícula en el proceso de secado pueden hacer que la partícula se convierta en una cáscara seca o en una partícula deformada. La cáscara seca puede convertirse en una partícula sólida o en una partícula rota. La formación de la costra también puede prescindir de la cáscara seca o de la partícula deformada si las condiciones de secado no son las correctas y experimentar una nucleación de burbujas internas con otra serie de caminos.
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 realizando más investigaciones para determinar qué impulsa cada vía de forma de partícula, ya que las aplicaciones futuras en las áreas farmacéutica e industrial requieren un mejor control sobre las formas y tamaños de partículas específicas de sus productos.
Alimentos: leche en polvo, café, té, huevos, cereales, especias, saborizantes, sangre, [11] almidón y derivados del almidón, vitaminas, enzimas, stevia, nutracéuticos, colorantes, alimentos para animales, etc.
Farmacéutico: antibióticos, ingredientes médicos, [12] [13] aditivos.
Industrial: pigmentos de pintura, materiales cerámicos, soportes de catalizadores, microalgas.