스프레이 건조

Spray drying
실험실용 스프레이 건조기.
가) 건조할 용액 또는 현수; 나) 건조 가스 유입; 1) 건조 가스 유입; 2) 건조 가스 가열; 3) 용액 또는 현수 분무; 4) 건조 챔버; 5) 건조 챔버와 사이클론 사이의 부분; 6) 건조 가스 제거; 8) 제품 수거 용기
화살표는 이것이 동류 실험실 스프레이드라이어임을 나타낸다.

스프레이 건조는 뜨거운 가스로 빠르게 건조시켜 액체나 슬러리로부터 건조 분말을 생산하는 방법이다. 이것은 식품이나 의약품과 같은 많은 열에 민감한 물질 또는 [1]극히 일관되고 미세한 입자 크기를 필요로 할 수 있는 물질을 건조하는 선호되는 방법이다. 공기는 가열 건조 매질이지만, 액체가 에탄올과 같은 가연성 용제이거나 제품에 산소에 민감한 경우 질소가 사용된다.[2]

모든 스프레이 드라이어는 액체나 슬러리를 제어된 낙하 크기 스프레이로 분산시키기 위해 어떤 종류의 분무기나 스프레이 노즐을 사용한다. 그 중 가장 흔한 것은 회전식 디스크와 단일 유체 고압 스월 노즐이다. 아토마이저 휠은 입자 크기 분포를 더 넓게 제공하는 것으로 알려져 있지만, 두 방법 모두 입자 크기의 일관된 분포를 허용한다.[3] 또는 일부 용도의 경우 2-유체 또는 초음파 노즐을 사용한다. 공정 요건에 따라 적절한 선택으로 10~500μm의 낙하 크기를 달성할 수 있다. 가장 일반적인 용도는 직경 100~200μm 범위에 있다. 건조한 가루는 종종 자유롭게 흐른다.[4]

스프레이 건조기의 가장 일반적인 유형을 단일 효과라고 한다. 챔버 상부에 건조 공기의 단일 공급원이 있다(그림의 n°4 참조). 대부분의 경우, 공기는 분무된 액체(공전류)와 같은 방향으로 흐른다. 미세한 가루가 만들어지지만 흐름이 좋지 않고 먼지가 많이 날 수 있다. 분말의 먼지와 부실한 흐름을 극복하기 위해 복수효과분무건조기라는 새로운 세대의 분무건조기가 생산됐다. 한 단계에서 액체를 건조하는 대신 맨 위에 있는 1단계(단일 효과에 따라)와 챔버 하단에 통합된 정적 침대가 있는 2단계에 걸쳐 건조한다. 침대는 더 작은 입자들이 뭉치게 하는 습한 환경을 제공하며, 더 많은 균일한 입자 크기를 생성하며, 보통 100에서 300 μm 범위 내에 있다. 이 가루들은 입자 크기가 더 크기 때문에 자유롭게 흐른다.

1단계 건조에 의해 발생하는 미세 분말은 통합유체층 내부의 챔버 상단(분무액 주변) 또는 하단에서 연속적인 흐름으로 재활용할 수 있다. 분말 건조는 외부 진동 유체 침상에서 마무리할 수 있다.

뜨거운 건조 가스는 분무 액체 분무기와 같은 방향의 동류 또는 분무기의 흐름에 반대하여 뜨거운 공기가 흐르는 역류로 통과할 수 있다. 동전류 흐름으로 인해 입자는 시스템과 입자 분리기(일반적으로 사이클론 장치)에서 더 적은 시간을 소비한다. 역류 흐름과 함께 입자는 시스템에서 더 많은 시간을 소비하며 대개 유동화된 침대 시스템과 짝을 이룬다. 동류 흐름은 일반적으로 시스템이 더 효율적으로 작동할 수 있도록 한다.

스프레이 드라이어의 대안은 다음과 같다.[5]

  1. 동결건조기: 분무건조 시 성능이 저하되는 제품에 대한 더 비싼 배치 공정. 건식 제품은 유유히 흐르지 않는다.
  2. 드럼 건조기: 저가의 제품을 위한 저가의 연속 공정; 자유 유동 분말 대신에 박리 현상을 만든다.
  3. 펄스 연소 건조기: 스프레이 건조기보다 높은 점성과 고형 부하를 처리할 수 있는 저비용 연속 공정으로, 때로는 자유 흐름의 동결 건조 분말을 발생시키기도 한다.

스프레이 건조기

노즐을 분무하여 건조시킨다.
스프레이 건조 프로세스의 개략도 그림.

스프레이 건조기는 액체 흐름을 취하여 고체로 용액이나 서스펜션을 분리하고 용매를 증기로 분리한다. 고체는 보통 드럼이나 사이클론으로 수집된다. 액체 입력 스트림은 노즐을 통해 뜨거운 증기 스트림으로 분사되어 기화된다. 고체는 습기로 형성되어 물방울을 빠르게 떠난다. 노즐은 보통 가능한 한 작은 방울을 만들기 위해 사용되며, 열 전달과 수증기 속도를 최대화한다. 방울 크기는 노즐에 따라 20~180μm까지 다양할 수 있다.[4] 노즐에는 고압 단일 유체 노즐(50~300bar)과 2유체 노즐의 두 가지 주요 유형이 있다. 한 유체는 건조할 액체, 두 번째는 압축 가스(일반적으로 1~7bar의 공기)이다.

스프레이 건조기는 다른 건조 방법에 비해 제품을 매우 빠르게 건조시킬 수 있다. 용액(혹은 슬러리)을 한 번에 말린 가루로 만들어 공정을 단순화하고 이윤을 향상시키기도 한다.

제약 제조업에서는 활성제약성분을 폴리머 매트릭스로 균일하게 분산시켜 무정형 고체분산을 제조하기 위해 분무건조를 사용한다. 이 상태는 활성 화합물(약물)을 더 높은 에너지 상태에 놓이게 하고, 이를 통해 환자 몸에 약물 향신료의 확산을 촉진한다.[6]

마이크로 캡슐화

스프레이 건조는 종종 식품과 다른 산업에 의해 캡슐화 기술로 사용된다. 캡슐화할 물질(하중)과 암페타틱 캐리어(대개 변형 전분의 일종)는 물(슬러리)에서 정지로 균질화된다. 그런 다음 슬러리는 스프레이 드라이어로 공급되며, 보통 물의 끓는점 이상의 온도로 가열되는 탑이다.

슬러리가 탑 안으로 들어가면, 그것은 원자화된다. 부분적으로는 물의 표면 장력이 높고, 부분적으로는 암페타스 운반체, 물 및 하중 사이의 친수성/수질 상호작용 때문에 원자화된 슬러리가 마이크로멜을 형성한다. 작은 크기의 방울(지름 100마이크로미터 평균)은 표면적이 상대적으로 커서 빨리 마른다. 물이 마르면 캐리어는 하중을 중심으로 딱딱한 껍데기를 형성한다.[7]

부하손실은 보통 분자량의 함수다. 즉, 가벼운 분자는 처리 온도에서 더 많은 양으로 끓어오르기 쉽다. 손실은 높은 타워에 분사함으로써 산업적으로 최소화된다. 공기의 부피가 크면 공정이 진행될수록 평균 습도가 낮아진다. 삼투 원리에 의해 물은 미켈을 떠나 공기로 들어가기 위해 증기와 액체 단계의 후각의 차이에 의해 장려될 것이다. 따라서 더 큰 타워를 사용할 경우 입자로부터 같은 비율의 물을 더 낮은 온도에서 건조시킬 수 있다. 또는 슬러리를 부분 진공으로 분사할 수 있다. 용매의 비등점은 용매의 증기압이 주변 압력과 동일한 온도인 만큼 주탑의 압력을 감소시키면 용매의 비등점이 낮아지는 효과가 있다.

스프레이 건조 캡슐화 기법은 탈수할 물이 없는 물질의 '탈수' 분말을 준비하는 것이다. 예를 들어, 인스턴트 음료 믹스는 음료를 구성하는 다양한 화학 물질의 스프레이 건조물이다. 이 기술은 한때 식품에서 물을 빼는 데 사용되었다. 한 가지 예가 탈수 우유 준비다. 우유를 캡슐화하지 않고 스프레이 건조는 열 저하를 유발하기 때문에 우유 탈수 및 유사한 과정이 다른 탈수 기법으로 대체되었다. 탈지우유 가루들은 여전히 스프레이 건조 기술을 사용하여 널리 생산되고 있으며, 일반적으로 건조 효율을 극대화하기 위해 고형분 농도에서 생산된다. 제품의 열 성능 저하는 낮은 작동 온도와 더 큰 챔버 크기를 사용함으로써 극복될 수 있다.[8]

최근 연구는 건조 시간에 따라 무형 분말의 온도 영향이 클 수 있기 때문에 건조 과정에서 무형 분말의 결정화를 위한 대체 방법일 수 있다는 것을 시사하고 있다.[9][10]

스프레이 건조 용법

식품: 분유, 커피, 차, 계란, 시리얼, 향신료, 향신료, 혈액,[11] 전분 및 전분 유도체, 비타민, 효소, 스테비아, 견과류, 착색제, 동물 사료 등

의약품: 항생제, 의약품 성분,[12][13] 첨가제

산업: 페인트 색소, 세라믹 재료, 촉매 지지대, 미세조류

참조

  1. ^ Campbell, Heather R.; Alsharif, Fahd M.; Marsac, Patrick J.; Lodder, Robert A. (2020). "The Development of a Novel Pharmaceutical Formulation of D-Tagatose for Spray-Drying". Journal of Pharmaceutical Innovation: 1–13. doi:10.1007/s12247-020-09507-4.
  2. ^ A. S. Mujumdar (2007). Handbook of industrial drying. CRC Press. p. 710. ISBN 978-1-57444-668-5.
  3. ^ "Contract Spray Dryer & Spray Drying Services Elan".
  4. ^ a b Walter R. Niessen (2002). Combustion and incineration processes. CRC Press. p. 588. ISBN 978-0-8247-0629-6.
  5. ^ 온울라타 p.66
  6. ^ Poozesh, Sadegh; Lu, Kun; Marsac, Patrick J. (July 2018). "On the particle formation in spray drying process for bio-pharmaceutical applications: Interrogating a new model via computational fluid dynamics". International Journal of Heat and Mass Transfer. 122: 863–876. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.02.043.
  7. ^ Ajay Kumar (2009). Bioseparation Engineering. I. K. International. p. 179. ISBN 978-93-8002-608-4.
  8. ^ 온울라타 페이지 389-430
  9. ^ 온울라타 페이지 268
  10. ^ Chiou, D.; Langrish, T. A. G. (2007). "Crystallization of Amorphous Components in Spray-Dried Powders". Drying Technology. 25 (9): 1427–1435. doi:10.1080/07373930701536718.
  11. ^ Heuzé V.; Tran G. (2016) [Last updated on March 31, 2016, 10:31]. "Blood meal". Feedipedia. a programme by INRA, CIRAD, AFZ and FAO.
  12. ^ Ting, Jeffrey M.; Porter, William W.; Mecca, Jodi M.; Bates, Frank S.; Reineke, Theresa M. (2018-01-10). "Advances in Polymer Design for Enhancing Oral Drug Solubility and Delivery". Bioconjugate Chemistry. 29 (4): 939–952. doi:10.1021/acs.bioconjchem.7b00646. ISSN 1043-1802. PMID 29319295.
  13. ^ Ricarte, Ralm G.; Van Zee, Nicholas J.; Li, Ziang; Johnson, Lindsay M.; Lodge, Timothy P.; Hillmyer, Marc A. (2019-09-05). "Recent Advances in Understanding the Micro- and Nanoscale Phenomena of Amorphous Solid Dispersions". Molecular Pharmaceutics. 16 (10): 4089–4103. doi:10.1021/acs.molpharmaceut.9b00601. ISSN 1543-8384. PMID 31487183.

참고 문헌 목록

추가 읽기

  • 키이, R.B. (1992년) Taylor & Francis, ISBN 0-89116-878-8, Taylor & Francis, 1차 개정판
  • 식품 가공 제2판(1975), Robert S의 영양 평가. 해리스, 박사, 엔델 카르마스 박사 (eds)
  • 쿡, E.M., 그리고 H.D. 듀몬트 (1991) 프로세스 건조 관행, 맥그라우힐, 주식회사, ISBN 0-07-012462-0

외부 링크