Особенности сушки биологически активных веществ.

Глава 8. Оборудование для сушки

 

Сушка широко применяется при переработке сельскохозяйственного сырья, в производстве пищевых продуктов, биологически активных веществ, препаратов и концентратов.

Сушка позволяет сократить потери ценных ингредиентов в процессе хранения и создать безотходные производства. Существенным недостатком этого процесса являются высокие энергетические затраты. Снизить их можно как за счет повышения эффективности сушильных установок, так и за счет оптимизации режимов сушки.

В соответствии с основными принципами теории сушки при разработке современных сушильных установок необходимо учитывать: свойства продукта как объекта сушки особенности различных методов сушки, желательные режимы сушки. Требования, которые необходимо учитывать при разработке новых аппаратов, можно разбить на пять основных групп: технологические, конструктивные, эксплуатационные, кибернетические и технико-экономические.

Технологические требования:

- высокая эффективность и равномерность сушки во всем объеме сушильной камеры;

- получение однородного продукта с заранее заданными свойствами (влажность, температура, гранулометрический состав, плотность и др.);

- совмещение сушки с другими техническими процессами (обжарка, дробление, гранулирование и др.);

Конструктивные требования:

- минимальное использование дефицитных материалов;

- компактность;

- максимальное использование стандартных деталей и узлов;

- технологичность производства;

- удобство монтажа.

Эксплутационные требования:

- безопасность;

- соответствие санитарным нормам;

- непрерывность процесса сушки;

- удобство обслуживания и ремонта;

- максимальная механизация и автоматизация технологических операций;

- использование вторичных энергетических ресурсов.

Кибернетические требования:

- соответствие требованиям автоматизации контроля;

- регулирование и управление процессами сушки, работой установки.

Технико-экономические требования – это итог вышеизложенных требований, которые в целом должны максимально улучшить технико-экономические показатели установки. При этом ряд показателей должны приближаться к максимальным значениям: производительность установки, удельный съем влаги в сушильной камере; ряд показателей должны приближаться к минимальным значениям: продолжительность сушки, удельный расход тепла, электроэнергии, металла.

 

Особенности сушки биологически активных веществ.

Удаления влаги из полуфабрикатов микробного синтеза относится к конечным операциям в производстве биологически активных препаратов. К моменту сушки культуральная жидкость содержит от 30 до 60 % сухих веществ. В сушильных установках происходит обезво­живание продукта до влажности 5-12 %.

Продукты мик­робного синтеза можно разбить на две большие группы:

- продукты, в которых после сушки не требуется сохранения жизнеспособности микроорганизмов или высокой активности пре­паратов (кормовые дрожжи, водоросли, аминокислоты и др.);

- продукты, в которых после высушивания необходимо сохра­нять жизнеспособность или высокую активность препаратов (хлебо­пекарные дрожжи, антибиотики, ферменты и др.).

Для первой группы продуктов допустимы более жесткие режимы сушки. Для второй группы продуктов необходимо применять щадящего низкотемператур­ного режима сушки.

Выбор метода сушки и конструкций сушильных установок тесно связана с характеристикой высушиваемых про­дуктов.

Биологически активные вещества при сушке подвергаются су­щественным изменениям. Этому способствуют: повышение концентрации некоторых соединений, температура сушильного агента, кислород воздуха, активная кислотность среды и т. д. Результатом таких воздействий может быть инактивация ферментов, разрушение жизнеспособности клеток, образование новых (нежелательных) соединений. Эти факторы учитывают при выборе способа сушки и типа сушилок.

Например, процесс сушки суспензии кормовых дрожжей с массовой долей сухих веществ 20-25 % производят на вальцо­вых, распылительных сушилках или на сушилках в кипящем слое. При этом строго контролируют температурный режим. Предел температуры теплоносителя на вальцовых сушилках составляет 70-80 °С, на распылительных сушилках - 300 °С, в кипящем слое - 300 °С.

Сушку концентратов аминокислот (лизин, гистидин, аргинин, триптофан) проводят на распылительных сушилках или на сушилках в кипящем слое. Аминокислоты весьма чувствительны к повыше­нию температуры сушки. Например, лизин при сушке вместе с наполнителем (кормовые дрожжи, от­руби и др.) при повышении температуры свыше 60-70 °С разрушается. На снижение количества лизина при сушке оказывают влияние: другие аминокислоты, углеводы, биомасса бактерий и дру­гие компоненты. Под влиянием темпера­туры лизин может вступать с ними в реакцию с образованием других веществ. Сушку таких концентратов проводят на распылительных сушилках и на сушилках в кипящем слое, при этом температура продукта не должна превышать 50 ⁰С.

Большинство ферментных препаратов термолабильны и способны инактивироваться при температурах свыше 35—40 °С. Сушить их лучше в низкотемпературных условиях сублимационных сушилок.

Кормовые антибиотики (препараты терравита, биовита, бацилихина, бацитрацина и др.) также чувствительны к температурам сушки. Сушат их на ленточных и распылительных су­шилках до остаточной влажности 8-10 %. Неплохо зарекомендовали себя и сушилки с кипящим слоем. Максимальная температура продукта при сушке не должна превышать 60 °С. Повышение температуры сушки значительно снижает активность препаратов и увеличивает потери в них вита­минов.

Особенностью сушки бактериальных удобрений и средств защиты растений (нитрагин, азотобактерин, фосфобактерин, боверин, инсектин, токсобактерин и др.) является то, что после сушки в препаратах должно сохраниться максимальное количество жиз­неспособных микроорганизмов или их спор. Сушку этих препаратов осуществляют на распылительных сушил­ках. Температура продукта в процессе сушки не должна превышать 50 °С. Хорошо зарекомендовали себя при сушке таких препаратов и сублимационные сушилки.

 

Оборудование для сушки

Широкий ассортимент и разнообразие продуктов, подвергаемых сушке, стало основанием для разработки разнообразных конструкций сушилок. Строгой классификации сушильных агрегатов нет. В общих чертах классификацию сушилок можно представить так:

- по способу подвода теплоты сушилки подразделяются на кон­вективные и контактные;

- по виду теплоносителя сушилки могут быть воздушные, газовые, паровые;

- по давлению в сушильной камере сушилки подразделяются на вакуумные и работающие при атмосферном давлении;

- по способу действия - периодические и непрерывные;

- по движению материала и теплоноси­теля конвективные сушилки подразделяются на прямоточные, противоточные и с перекрестным током;

- по конструкции сушилки могут быть: камерные, туннельные, ленточные, шахт­ные, распылительные, барабанные, кон­тактные, терморадиационные, сублимационные.

Наибольшее применение в микробиологической промышленности получили кон­вективные сушилки, в том числе ленточные, барабанные, распыли­тельные и в кипящем слое, реже используются контактные сушилки.

 

Барабанные сушильные установки работают при атмосферном давлении. Их применяют для сушки ферментных препаратов, органических кис­лот, молочного сахара, казеина и других продуктов. В этих су­шилках потери ферментативной активности препаратов не превышают 10-15 % (в сушилках, других типов потери достигают до 25 %).

Сушку осуществляют потоком подогретого воздуха при прямоточ­ном или противоточном движении продукта и теплоносителя.

Воз­дух пред подачей в сушилку тщательно очищают. При сушке бактериальных концентратов применяют двухступенчатую фильтрацию через фильтры грубой и бактериальной очистки.

Принципиальная схема барабанной сушилки показана на рис. 8.1,

 

Сушила состоит из цилиндрического свар­ного корпуса, распределительного устройства, подъемно-лопастной системы для перемешивания продукта, разгрузочного устройства,, вентилятора, циклона и электродвигателя с редуктором. Барабан установленного на двух роликовых опорах с уг­лом наклона 0,5-6° в сторону выгрузки продукта.

Внутри барабана расположено распределительное устройство для подачи продукта на сушку, и подъемно-лопастная система для перемешивания и перемещения продукта по ходу сушки. Для повышения эффективности перемешивания используют наклонные насадки различной конфигурации. Расположение насадок обеспечивает равномерное распределение продукта по всему сечению барабана и продвиже­ние его к разгрузочному устройству. Барабан вращается от при­вода через редуктор и зубчатый венец, расположенный на кор­пусе. Частота вращения барабана 3-8 мин^-1. Температура греющего воз­духа на входе не должна превышать 90-95 °С, температура воздуха на выходе из сушилки - 60-65 °С, температура продукта в процессе сушки не превышает 30-40 °С.

Для снижения унос продукта с воздухом скорость воздуха при подаче в сушилку должна быть не более 2—3 м/с. Для очистки воздуха от продукта используют циклон. Отработавший воздух смешивают со свежим воздухом, и после подогрева вновь возвращается в сушилку.

 

Пневматические сушилки со взвешенным слоем продукта применяются в биотехнологических производствах для сушки кормовых дрожжей, антибио­тиков, концентратов лизина, ферментных препаратов и других про­дуктов микробного синтеза. Принцип работы этих сушилок заклю­чается в том, что продукт в виде порошка или кристаллов высу­шивается во взвешенном состоянии в потоке нагретого воздуха.

Сушилка состоит из дозатора, питателя, сушильной пневмотранспортной трубы, сборника-амортизатора, циклона, фильтра, разгрузочного устройства. В комплект сушилки входит вентилятор и нагреватель воздуха.

Мелкозернистый или кристаллический продукт через дозатор и питатель подается в вертикальную сушильную пневмотранспортную трубу длиной 10-20 м.

Снизу в трубу вентилятором нагнетается очищенный и нагретый до заданной температуры воздух,. Продукт увлекается потоком воздуха по трубе вверх со скоростью до 40 м/с. В трубе, он высушивается и выбрасывается в сборник-амортизатор. Из сборника продукт направляется в циклон, отделяется от воздуха и удаляется через разгрузочное устройство. Отработав­ший воздух дополнительно очищается на фильтре и удаляется в атмосферу.

Процесс сушки продукта длится несколько секунд. Практически 1 кг воздуха способен пере­местить по сушильной трубе от-8 до 20 кг высушиваемого продукта.

Схема сушильного агрегата показана на рис. 8.2.

Данный вид сушилок имеет свои преимущества и недостатки. К достоинствами сушилок можно отнести:

- простота и компактность установки;

- высокая интенсивность сушки;

- кратковременное пребывание про­дукта в сушилке.

К недостаткам установок относятся: сложность регули­рования процесса сушки, возможность взрыва при сушке горючих и пылящих продуктов, сравнительно большой расход энергии.

 

Многоленточная сушилка с опрокидывающимися пластинами используется для сушки мелкозернистых и кристаллических продуктов. Она проста по устройству и состоит из прямоугольной камеры, нескольких бесконечных цепных транспортеров, калориферов для нагрева воздуха и разгрузочного транспортера.

Схема такой сушилки показана на рис. 8.3.

Ленты транспортера выполнены в виде плоской проволоч­ной сетки, которая закреплена в рамке и шарнирно соединена с тяго­вой цепью.

Продукт через загрузочный узел поступает на верхнюю ветвь транспортера и пере­мещается вместе с пластинами верхней ветви. Перед звездочкой опрокидывающиеся пла­стины верхней ветвиповорачиваются вокруг оси на 90° и материал пересыпается на внутреннюю полость нижних пластин перемещающихся в об­ратном направлении. У следующей звездочки эти операции повторяются. Высушиваемый материал, передвигаясь в камере сверху вниз, высушивается и ссыпается на разгрузочный транспортер.

Воздух, нагретый в калориферах, вентилятором подается снизу в су­шильную установку и после контакта с материалом на всех лентах удаляется из сушилки по каналамдля отработав­шего воздуха.

 

Вальцовые сушилки используют для сушки жидких продуктов при атмосферном давлении или под вакуумом. По конструкции они могут быть одновальцовые и двухвальцовые. Устройство одновальцовой сушилки, работающей при атмосферном давлении, показано на рис. 8.3.

Основными узлами сушилки являются: вращающийся барабан, привод барабана, корыто для приема высушиваемого продукта, мешалка для перемешивания продукта в корыте, нож для снятия продукта с барабана, шнек для удаления сухого продукта.

Высушиваемый продукт подается в корыто, где перемешивается мешалкой и наносится на барабан за счет его частичного погружения в корыто. Толщина высушиваемого слоя может колебаться от 0,1до 1 мм и зависит от концентрации сухих веществ в растворе. В некоторых конструкциях вальцовых сушилок продукт наносится на барабан при помощи валиков, намазывающих слой раствора на барабан или путем его распыления. В течение одного оборота барабана слой продукта успевает высохнуть и снимается с его поверхности ножом. Вы­сушенный продукт шнеком удаляется из сушилки.

Пар давле­нием до 0,5 МПа поступает в барабан через полую цапфу, конден­сат отводится через ту же цапфу по сифонной трубе.

 

Сушилка двухвальцовая атмосферная состоит из двух барабанов – вальцов, привода вальцов, устройства для нанесения продукта, вытяжного зонта, двух шнековых досушивателей, ножей для снятия продукта с вальцов. Поверхность вальцов тщательно отшлифована. Вальцы вращаются навстречу друг другу с частотой 2-10 мин-¹ в закрытом кожухе. Один из них установлен в подвижных под­шипниках, что позволяет регулировать зазор между вальцами в пределах 1-2 мм. Ножи для съема продукта плотно прижимаются к вальцам с помощью прижимного устройства. Над вальцами расположен вытяжной зонт и распылительное устройство для нанесения продукта на вальцы.

Процессы сушки и съема высушенного продукта осуществляются так же, как в одновальцовой сушилке. Продукт, снятый с вальцов, досушивают (при необходимости) в шнековых досушивателях. Шнеки имеют индивидуальный привод.Досушенный продукт выводится из сушилки.

Устройство двухвальцовой сушилки показано на рис. 8.4.

 

Распылительные сушильные установки широко используются в различных отраслях промышленности. В биотехнологической промышленности их используют для высушивания концентратов культуральной жид­кости кормовых антибиотиков, аминокислот, ферментов, экстрак­тов культур грибов и др. Концентрация сухих веществ в растворах, поступающих на сушку, должна быть не менее 10 %.

Этот вид сушилок позволяет проводить процесс при довольно мяг­ких режимах, что исключает или значительно сокращает потери биологически актив­ных веществ. Кроме того сушилки позволяют сов­мещать процесс сушки и микрокапсулирования.

Достоинствами распылительных сушилок являются:

- кратковременное воздействие температуры на высушиваемый продукт;

- низкая температура материала при сушке;

- полу­чение продукта в виде мелкого порошка, не требующего дальней­шего измельчения;

- хорошая растворимость готового продукта.

Распылительные сушилки имеют и ряд недостатков:

- сравнительно большие размеры су­шильной камеры;

- небольшого напряжения камеры по испаряемой влаге [до 2-25 кг/(м³/ч)];

- сложность механизмов распыления и системы пылеулавливания и разгрузки;

- сравнительно высокие энергетические затраты.

 

Распылительные сушилки с плоским днищем относятся к прямоточным сушилкам не­прерывного действия. В состав сушилки входят: сушильная камера, устройство для распыления продукта, скрепки для перемещения продукта к транспортирующим устройствам, шнек для удаления продукта из камеры, рукавные фильтры для очистки удаляемого воздуха, вентиляторы для подачи горячего воздуха и для удаления отработавшего. Устройство такой сушилки показано на рис. 8. 5.

 

Жидкий продукт поступает в сушильную камеру, где распыляется с помощью быстровращающегося диска. Одновременно в камеру подают горячий воздух, который движется параллель­ным потоком с продуктом. Капли жидкости в потоке горячего воздуха омываются со всех сторон теплоносителем и в течение одной или нескольких секунд теряют влагу, превращаясь в сухой порошок. Высушенный продукт осаждается на дне камеры и перемещается скребками к шнеку, которыйудаляет его из сушильной камеры. Отработавший воздух непрерывно отсасывается вен­тилятором и, проходя через матерчатый фильтр, очищается от мелких частиц продукта.

В подобных сушилках распыление жидкости может проводиться дисками или пневматическими форсун­ками, плоское днище может быть заменено на коническое, а подача горячего воздуха осуществляется противотоком.

Распылительные сушилки изготовляют диаметром от 7000 до 13 000 мм и производительностью по испаряемой влаге от 500 до 15 000 кг/ч.

 

Распылительные сушилки с коническим днищем выпускают производитель­ностью по испаряемой влаге 1500-3500 кг/ч. К таким су­шилкам относится установка типа СРЦ-8/300 НК. Устройство сушилки показано на рис.8.6.

Продукт, подаваемый на сушку, распыляется с помощью диска. Горячий воздух или другой сушильный агент подается в верхнюю часть установки по трубо­проводу с распределительным ко­нусным устройством на конце, которое обеспечивает завихре­ние поступающего воздуха. Капли продукта под­хватываются потоком воздуха и устремляются вниз. Влага испа­ряется, а высушенные частички продукта осаждаются в конусном днище и спускаются по его стенкам к разгрузочному устройству. Частицы продукта, осевшие на стен­ках, стряхиваются с помощью вибраторов. Отработавший воздух с частицами продукта удаляется из сушилки через трубопровод в циклоны для отделения порошка. Для осмотра корпуса используют подъемную тележкуи дверь. Перекрытие сушилки имеет предохранительные клапаны в виде откидывающихся дисков и патрубков для выхлопа сушильных газов при резком увеличении давления.

Распылительный диск вращается с частотой 10 000 мин-¹ от привода электродвигателя через редуктор.

При установке сушилки на открытой площадке предусмотрена надстройка, закры­вающая механизмы дискового распылителя.

Сушилка может быть установлена как в закрытом помещении, так и на открытой площадке. Техническая характеристика распылительных сушилок типа СРЦ приведена в таблице 8.1.

Таблица 8.1 – Техническая характеристика сушилок типа СРЦ

Марка	Внутренний диаметр, мм	Высота цилиндрической части, мм	Рабочий объем, м3	Производительность по испаренной влаге, кг/ч	Масса, кг
НК	ВП
СРЦ-4/50 СРЦ-5/120 СРЦ-6,5/200 СРЦ-8/350 СРЦ-10/550 СРЦ-12,5/1100 СРЦ-12,5/1100

 

Распылительная сушилка фирмы «Ангидро» используется для сушки многих пищевых продуктов и продуктов микробного синтеза, в том числе растворов фер­ментов, осажденных органическими растворителями. Устройство её показано на рис. 8.7.

В сушильную установку входят: сушильная камера, фильтры для очистки свежего и отработавшего воздуха, электрокалорифер, устройство для распыления продукта, циклоны для отделения продукта от воздуха, система пневмоохлаждения готового продукта.

Предусмотренные средства автоматики обеспечивают остановку сушилки в случае превышения выше нормы со­держания в газовой смеси взрывоопасных паров растворителя (спиртов, ацетона).

Сушильная камера с кониче­ским днищем изготовлена из нержавею­щей листовой стали. С целью уменьшения зависания продукта на стенках по периметру камеры установлены четыре пневматических мо­лотка. Частота вращения распыляющего диска может изменяться в интервале от 18 000 до 25 000 мин^-1.

Раствор продукта насосомвысокого давления подается на распылительный диск. Количество подавае­мого на сушку раствора регулируется пневматическим регулято­ром.

Воздух после очистки на специальном фильтре нагревается в электрическом калорифере до заданной температуры и направляется в сушильную башню. Затем он в смеси с сухим продуктом подается на циклоны, где происходит отделение продукта от воздуха. Сухой продукт охлаждается в пневмосистеме и через шлюзовый затвор непрерывно выводится из сушилки.

Отработавший воздух перед выбросом в атмосферу проходит дополнительную очистку на фильтре.

В процессе сушки в газовой смеси постоянно контролируется концентрация паров растворителя. Для этих целей установлены два детектора с усилителями. При содержании в газовой смеси 3,6 об. % спирта или 1,3 % ацетона подача раствора на сушку авто­матически прекращается, а вытяжной вентилятор отсоса продол­жает работать. После установления допустимой концентрации паров растворителя процесс сушки автоматически возобновляется.

При сушке ферментов на распылительной сушилке снижаются потери продукта. По сравнению с сублимационными сушилками выход препаратов повышается на 12-15 %.

 

Сублимационные сушилки предназначены для сушки высокотермолабильных микроорганизмов, дрожжей, витаминов, антибиотиков, ферментов и др. Сублимационная сушка заключается в удалении влаги из продуктов путем их замораживания и последующего перевода льда в пар, минуя жидкую фазу, при на­гревании продукта под вакуумом.

Процесс сублимационной сушки начинается с замора­живания продукта при температуре минус 20-30 °С. Когда влажность продукта уменьшится до минимальной, температура материала поднимается до плюс 30-40 °С. Такие условия сушки сводят к минимуму процесс окисления продукта из-за малого содержания кислорода в газовой среде сушильной камеры.

Сублимационные сушилки бывают периодического и непрерыв­ного действия. Принципиальная схема суб­лимационной сушилки периодического действия показана на рис. 8.8.

В состав установки входят: сушильная камера (сублима­тора), этажерка полых полок, два теплообменника (для подогрева и охлаждения), насос для теплоносителя и насос для хладоагента, конденсатор-десублиматор, две холодильные установки.

Высушиваемый материал загружается на полки этажерки сублиматора. Сублиматор работает сначала как охлаждающая камера поступившего на сушку материала, затем как сушильная. При режиме охлаждения внутрь полокнасосом подают охлаждающий агент. Продукт охлаждается до минус 20-30 ⁰С.

Когда сублиматор работает в режиме сушилки во внутрь полых полок подается теп­лоноситель. Продукт нагревается до температуры плюс 30-40 ⁰С.

Конденсация паров, образуемых при сушке в сублиматоре, про­изводится в конденсаторе-десублиматоре. Он представляет со­бой теплообменник, В межтрубное пространство посту­пает паровоздушная смесь из сублиматора, а по трубам проходит хладагент (аммиак, фреон), подаваемый от хо­лодильной установки. Температура охлаждаемых поверхностей достигает минус 60-40 °С.

Пары из сублиматора конденсируются в виде слоя льда на поверхности охлаждаемых труб десублиматора. Образовавшийся на трубах лед периодически оттаивают, для чего в трубы подают горячую воду из подогревателя.

Неконденсирующиеся газы удаляются из десублиматора ва­куум-насосом.

В последнее время получили большое применение сублимацион­ные сушилки непрерывного действия. Непрерывная сублимацион­ная сушилка состоит из двух сублиматоров и двух десублиматоров, работающих попеременно. Часовая производительность сублимационных сушилок непре­рывного действия по испаренной влаге составляет более 200 кг. Время пребывания продукта в сушилках от 40 до 110 мин, макси­мальная температура продукта в конце сушки не более 27 °С.

 

 

Контрольные вопросы

1. Особенности сушки биологически активных веществ.

2. Требования к установкам для сушки.

3. Классификация сушильных агрегатов по конструкции.

4. Барабанные сушильные установки.

5. Пневматические сушилки со взвешенным слоем.

6. Ленточные сушилки.

7. Вальцовые сушилки.

8. Распылительные сушильные установки.

9. Сублимационные сушилки.