технол лек 1. Учебник соответствует учебной программе и предназначен для студентов фармацевтических высших учебных заведений и факультетов
 Скачать 11.39 Mb.
|
|
??????????? ??????????,°? 4,6 0,0098 1,0 -17,50 0,1 -39,30 Ниже тройной точки вода будет находиться в твердом или парообразном состоянии. При низких давлениях создаются условия, при которых сопротивление окружающей среды настолько незначительно, что кристаллическая решетка льда распадается и переходит в пар без образования жидкой фазы. На линии лед–пар соотношение между давлениями и температурой такое, что твердая и газообразная фазы находятся в равно- весии. Рис.19.32. Изменение состояния влаги в диаграмме p–t 5 0 Однако не следует считать, что сушка сублимацией возможна только в условиях глубокого вакуума. Еще в XVI–XVII вв. производилась сушка в замороженном состоянии в зимнее время на открытом воздухе кожи тканей. В данном случае разность температур t 1 – t м очень мала (близка к нулю, поэтому такая сушка была очень длительной и промышленного применения не получила. Данные исследований показали (рис, что при постоянной температуре среды интенсивность испарения, продолжительность сушки или скорость отвода паров испаряющегося льда возрастают с уменьшением давления. Из графика видно, что весь процесс сушки можно довольно четко разделить натри периода I – период самозамораживания , когда в результате снижения давления в сушильной камере происходит замораживание влаги в материале; при этом резкое снижение давления приводит к интенсивному испарению влаги с поверхности материала при замораживании обычно испаряется до ч % всей удаляемой влаги II – период сублимации, аналогичный периоду постоянной скорости сушки – период испарения остаточной влаги. Рис.19.33. График работы сублиматора при сушке – температура греющей плиты u t ; 2 – температура среды между плитами ? ; 3 – температура продукта ?; 4 – температура среды при выходе из сублиматора c t ?? ; 5 – влажность продукта W; 6 – остаточное давление в сублиматоре Принципиальная схема сублимационной сушилки приведена на рис. В сушильной камере 1, называемой сублиматором 5 0 находятся пустотелые плиты 6, внутри которых циркулирует горячая вода. На плитах устанавливают противни 7 с высушиваемым материалом. Между плитами и противнями имеется зазор, что способствует передаче тепла преимущественно радиацией. В фармацевтическом производстве высушивание проводят из ампул, пенициллиновых флаконов или стеклотары несколько большей емкости, в которые наливают подлежащий высушиванию растворили суспензию. Чаще замораживание проводят в отдельных низкотемпературных морозильных камерах. Емкости с замороженным, подлежащим высушиванию материалом быстро загружают в охлажденную камеру сублиматора, который герметизируют и устанавливают необходимые параметры процесса. В процессе сублимации паровоздушная смесь из сублиматора поступает в трубы конденсатора-вымораживателя 2, в межтрубном пространстве которого циркулирует хладоагент (рассол, охлажденный этанол и др. Конденсатор включается в один циркуляционный контур с испарителем (аммиачным, фреоновыми др) холодильной установки 4, и соединяется с вакуум-насосом 3, предназначенным для отсасывания неконденсирующихся газов и воздуха из сублиматора. В трубах конденсатора происходят конденсация и замораживание водяных паров. Для непрерывного удаления из конденсатора образующегося в нем льда устанавливают два конденсатора (на рис условно показан один, которые попеременно работают и размораживаются. замораживание чистых веществ, происходит при постоянной температуре. Установление эвтектической температуры лабильных препаратов является обязательным, так как позволяет определить допустимый уровень нагревания при высушивании препаратов. Первой стадией сублимации является замораживание, и его следует проводить с учетом эвтектических температур, которые являются индивидуальными для каждого вещества. Эвтектическая температура – это наибольшая температура, при которой происходит кристаллизация (замораживание) подлежащего высушиванию материала. При указанной температуре находятся в равновесии жидкость и образующаяся при замораживании твердая фаза. Замораживание растворов, как и Рис.19.34. Принципиальная схема сублимационной сушилки – камера сушилки (сублиматор – конденсатор-вымораживатель; 3 – вакуум-насос; 4 – холодильная установка 5 – насос для циркуляции хладоагента (рассола, этанола и др – пустотелая плита 7 – противень 5 0 Определяют эвтектические температуры различными методами термическим, измерением сопротивления замороженного раствора и дифференциально-термическим. В основе термического способа определения эвтектических температур лежит наблюдение за температурой материала в процессе медленного замораживания-оттаивания. На кривой изменения температуры оттаивания (нагревания) материала, замороженного ниже эвтектической точки, образуется плато, соответствующее времени, когда тепло, поступающее извне, не приводит к повышению температуры, а расходуется на плавление льда приданной эвтектической концентрации раствора. Получить такую площадку можно при достаточно большом содержании вещества в растворе, поэтому метод применим не во всех случаях. Электрическое сопротивление наиболее точно характеризует состояние замороженного раствора. Сущность этого метода заключается в том, что одновременно измеряют температуру и электрическое сопротивление медленно нагреваемых растворов и препаратов, предварительно замороженных ниже эвтектических температур. Температура, при которой наблюдается переход электрического сопротивления от бесконечно большого к конечному (его можно измерить, и будет соответствовать эвтектической температуре. Эвтектические температуры препаратов можно определить на установке, состоящей из следующих приборов измерителя полных проводимостей мостового типа, автоматического потенциометра измерительной ячейки и термоизоляционной камеры с охладительной средой (рис. Измерение эвтектических температур проводится следующим способом. Измерительную ячейку термостатируют при 293 К, мост устанавливают на нулевую точку. В ячейку помещают 0,005 кг исследуемого раствора препарата и замораживают. Когда температура исследуемого раствора достигнет 203 К охлаждение прекращают. Ячейку помещают в термостат, имеющий температуру 293 К, где раствор медленно нагревается. Мостом измеряют удельное электрическое сопротивление замороженного раствора, а потенциометром температуру. Показания приборов снимают одновременно при определенном значении температуры. При этом определенной температуре соответствует определенное значение удельного сопротивления. При полном замораживании образца, представляющего собой ледяной блок, электрический ток не проходит и сопротивление в таком состоянии измерить не удается. При оттаивании блока сопротивление можно измерить и с повышением температуры оно возрастает. Точки, в которых наблюдается переход от линейной зависимости к криволинейной, будут соответствовать эвтектическим температурам исследуемых растворов 5 0 6 таллов замороженного продукта. Так, при медленном замораживании образуются крупные кристаллы, при быстром – мелкие. Из мелких кристаллов сушка идет быстрее, так как в этом случае отношение поверхности к объему материала будет больше. При сушке мелких кристаллов получается светлый, легко растворяющийся порошок, при медленном – осмоленный, хуже растворяющийся. Механизм переноса влаги (в виде пара) от поверхности испарения при сублимационной или молекулярной сушке специфичен он происходит путем эффузии, те. свободного движения молекул пара без взаимных столкновений их друг с другом. Исследования и промышленная проверка подтвердили, что сублимационная сушка является наилучшим методом качественного консервирования при производстве целого ряда новых лекарственных средств, содержащих вещества биологического происхождения, выпуск которых с каждым годом все более расширяется. Поэтому использование термолабильных веществ для приготовления многих высокоэффективных препаратов биологического происхождения невозможно без сохранения их нативных свойств. Термолабильные вещества имеют различные структурные особенности, что необходимо учитывать при их сушке. Технологические параметры устанавливаются экспериментально и являются индивидуальными для каждого высушиваемого материала. Несмотря на большое количество накопленного материала поданному вопросу, общие закономерности по технологии сушки препаратов биологического происхождения, которые можно было бы использовать в промышленности, не найдены. Для каждого препарата их необходимо разрабатывать индивидуально. В настоящее время общепризнанно, что при сублимационной сушке происходят некоторые изменения свойств исходного сырья, но они минимальны по сравнению с результатами консервирования ранее Рис.19.35. Схема экспериментальной установки для определения эвтектических температур – измеритель полных проводимостей; 2 – автоматический потенциометр – измерительная ячейка 4 – термоизоляционная камера 5 – сосуд Дьюара 6 – электроды – термопара Различные вещества характеризуются своими эвтектическими точками (температурами). Поэтому их учитывают при замораживании растворов, поскольку свойства конечного сухого продукта, высушенного сублимацией, будут изменяться в зависимости от условий замораживания. Режимы заморажи- ваня влияют на размеры полученных крис- 5 0 известными методами. Несмотря на многочисленность выполненных исследований, в изучении этого перспективного метода консервирования остается много неясных вопросов, решение которых возможно лишь входе дальнейшего изучения процесса накопления экспериментальных данных и теоретических представлений о нем. Удаление влаги из материалов должно проводиться при оптимальных условиях, которые находятся путем лабораторных исследований, а затем проверяются и переносятся в промышленные. Оптимальный режим должен обеспечивать минимальную продолжительность сушки и наилучшие технологические свойства высушенного препарата, эффективное использование соответствующего оборудования. Сублимационная сушка применяется в лабораторных и промышленных масштабах в медицине и биологии для консервирования препаратов крови и кровезаменителей, биологических растворов, сывороток, микробных культур, в производстве антибиотиков, гормональных препаратов, а также в химико-фармацевтическом и пищевом производствах при выработке продуктов, превосходящих по качеству законсервированные другими способами. Сублимационное высушивание становится одним из основных методов подготовки для длительного хранения сырья растительного и живого происхождения и фармацевтических материалов. На практике получили применение терморадиационные сублимационные сушилки с непрерывной загрузкой и периодической выгрузкой материала. Схема такой сушилки представлена на рис.19.36: Рис.19.36. Сублимационная установка с непрерывной загрузкой и периодической выгрузкой материала – контактное охлаждение зоны 2, 9 – излучатели 3 – лента с высушиваемым материалом 4 – контактный подогрев ленты 5 – скребки – шлюз 7 – приемник 8 – питатель. Тепловой расчет основных аппаратов сублимационных сушилок Учитывая широкое использование сублимационной сушки в фармации, считаем необходимым привести известные на сегодня методы расчета этих аппаратов 5 0 Тепловой расчет сублиматора (см. рис. В сублиматоре в отличие от конвективной сушилки отсутствуют потери тепла с транспортными приспособлениями в окружающую среду и с уходящим воздухом. Кроме того, тепло, выделяемое в процессе самозамораживания материала, соответствует теплу, затрачиваемому на испарение из него влаги в этот период. Количество тепла при сублимационной сушке определяется из уравнения теплового баланса кДж/цикл, (19.79 в) где з – тепло, потребляемое в процессе замораживания, кДж; Q cб – тепло, потребляемое при сублимации, кДж; Q о.в – тепло на испарение остаточной влаги, кДж - тепло, выделяемое из продукта в период его замораживания при охлаждении от начальной температуры до температуры сублимации, кДж – тепло, выделяемое в период самозамораживания, кДж. Поскольку Q ? + Q?? целиком расходуется на испарение влаги в период самозамораживания, з = Q ? + Q??. В соответствии с этим уравнение (19.79) будет иметь вид Q = б + Q о.в кДж/цикл. (Тепло в сушильной камере передается к материалу лучеиспусканием, теплопроводностью и конвекцией Q = луч + т + Q конв кДж/цикл. (Вне зависимости от режима сушки при сублимации будет преобладать теплообмен излучением. Передача тепла к материалу в период сублимации осуществляется радиацией от нагретых плит, контактным путем или теплопроводностью от противня, на котором лежит материал, и конвекцией от движущейся около материала паровоздушной смеси. Наибольшее количество тепла (75 ч80%) передается материалу тепловой радиацией. Второе место занимает контактный подвод тепла к материалу противней (или других емкостей) от плит, на которых они лежат. Наименьшее количество тепла передается конвекцией от испаряющихся паров и паровоздушной смеси из-за малой их плотности. Этим способом передается около ч % общего тепла. В приближенных расчетах передачу тепла контактными конвективным путем можно учесть коэффициентом k = ч и для определения поверхности нагрева сублиматора предложить следующую формулу 2 4 1 ?? 100 100 9 4 м, (где k = ч – коэффициент, учитывающий контактный и конвективный подвод тепла к материалу; Т 1 , Т – температуры горячих плит и материала, К 5 0 9 H – взаимная излучающая поверхность плит и материала для данной конструкции принимают чаще H = пр – приведенная степень черноты для данной системы 1 1 1 2 2 1 где F 1 – излучающая поверхность плит, м – поверхность материала, воспринимающая лучистое теплом Расчет конденсатора. В конденсаторе сублимационной сушилки происходит не только конденсация водяных паров, но и замораживание влаги (кристаллизация. Общее количество тепла, отнимаемое в конденсаторе t C W r r W Q ? ? ?? + + ?? = кДж, (где W ? – количество замерзающей влаги, кг/ч; r – теплота конденсации влаги, кДж/кг; r л – теплота плавления или затвердевания влаги, кДж/кг; С – теплоемкость пара, кДж/(кг•К); t пл температура пара и намороженного льда, о С. С другой стороны t F k Q ? ? ? = ? кДж, (где k – коэффициент теплопередачи от хладоагента к пару, кДж/ (м 2 •К); ?t – разность температур испаряющегося хладоагента (аммиака, этанола и др) и замерзающих паров, о С. Поверхность конденсатора t K Q F ? ? = ? ? , (где к – количество тепла передаваемое в конденсаторе, кДж – разность температур среды и поверхности охлаждения конденсатора, о С; К – коэффициент теплопередачи, кДж/(м 2 •К): 2 ? ? ?? c? 1 1 1 1 ? + ? ? + ? ? + ? = K ; (здесь ст – толщина стенок трубок конденсаторам ст – теплопроводность материала трубок, кДж/(м•К); ? л – средняя толщина льда на трубках. мл – теплопроводность льда, кДж/(м•К). Для сублимационных установок, в которых конденсатор является испарителем холодильной установки (аммиачной, в формуле (19.86) коэффициент теплоотдачи между испаряющимся аммиаком и стенками конденсатора можно приближенно определить по формуле Г.К. Кружилина: ( ) 7 , 0 0 1 007 , 0 1 2 , 4 q t ? ? + ? = ? ккал/(м 2 •ч•град) , (которая справедлива в диапазоне температур кипения аммиака от –40 до 0 о С. Необходимо предварительно задаться поверхностью 5 1 нагрева конденсатора, так как F Q q = , а также t 0 – температурой трубок конденсатора о С. Коэффициент теплоотдачи ? 2 между конденсирующимися и замерзающими парами влаги и образующейся на стенках трубки поверхностью льда можно определить из уравнения 3600 75 , 2 ? ??? ? ??? ? ? ? ? ? µ ? ? ? ? = ? T T T g q ккал/(м 2 •ч•град) , (где ? – теплопроводность паровоздушной смеси, ккал/(м 2 •ч•град); µ – коэффициент динамической вязкости пара, кг/(м 2 •ч); q ? – интенсивность конденсации, кг/(м 2 •ч); g – ускорение силы тяжести, м/с 2 ; Т с – температура насыщенного пара, К; Т л – температура поверхности охлаждения или льда, К. Интенсивность испарения ? F n W q ? = ? , где W – количество влаги, замораживаемой в конденсаторе, кг/ч; n – число конденсаторов. Намораживание льда на поверхности трубок конденсатора приводит к ухудшению его работы, что отрицательно сказывается на эффективности работы всей установки. Для непрерывной работы установки необходимы два или четыре конденсатора, которые работали бы попеременно. Количество тепла, необходимое для оттаивания льда в конденсаторе ?? ? + ? ? ? + ? = C G t t C G r G Q ккал/период, (где л – количество намороженного льда, кг л = 80 ккал/кг – теплота плавления льда; С л = 0,52 ккал/(кг•град) – теплоемкость льда в – температура воды, образующейся после таяния льда, о С; t л – температура таяния льда, о С; G т – масса трубок конденсатора-замораживателя, кг , c? ??? – начальная и конечная температуры стенок, о С; С т – теплоемкость стальных трубок, ккал/(кг•град). Количество намороженного льда F Q кг/период, (где т – поверхность трубок, на которой образовался лед, мл – толщина слоя льдам (обычно не допускается более ч мм); ? л = 920 кг/м 3 – плотность льда. Коэффициент теплопередачи от конденсирующихся паров аммиака к тающему льду 1 1 1 ? ? + ? ? + ? = K ккал/(м 2 •ч•град), (19.91) 5 1 где ? ?? , ? ?? , ? ? , ? ? – соответственно толщины и теплопроводности стенок и льда – коэффициент теплоотдачи от конденсирующихся паров аммиака к стенкам трубки 3 3 2 1 1 177 1 177 1 F F q , q r , ? ? ? = ? µ ? ? ? ? = ? ккал/(м 2 •ч•град), (где r – теплота конденсации паров аммиака при заданных параметрах, ккал/кг; ? – плотность аммиака, кг/м 3 ; l теплопроводность паров аммиака, ккал/(м•ч•град); µ – динамическая вязкость паров аммиака, кг•с/м 2 ; q F – тепловая нагрузка конденсатора в нормальных условиях его работы, ккал/(м 2 •ч): F Q q F = здесь Q – количество теплоты, воспринимаемое конденсатором, кДж. Время, необходимое для оттаивания конденсатора при обогреве конденсирующимися парами аммиака 0 ?? ч, (где Q 0 – количество тепла, необходимое для оттаивания льда, ккал/ч (кДж); ?t – температурный напор, о С. Время откачки парогазовой среды для создания вакуума в сублиматоре можно определить по формуле p p p B V K ? ? ? ? = ? ч , (здесь V – объем сублиматора, л; B о – действительная скорость откачки, л/с; р б – барометрическое давление, мм рт.ст.; р 0 – предельное давление, создаваемое насосом, мм рт.ст.; р с – заданное давление в сублиматоре, мм рт.ст.; К 2 – коэффициент запаса. Известное время откачки позволяет правильно выбрать необходимые размеры сублиматора и производительность вакуум- насоса. Пример 19.1. Для высушиваемого материала – кусковой рыбы и фарша определить поверхность нагрева сублиматора и конденсатора. Количество испаряемой воды за процесс сушки W = 400 кг. Начальное влагосодержание на сухую массу c 1 ? = 400 %, конечное c 2 ? = 6,5 Продолжительность сушки ? = 12 ч продолжительность загрузки и выгрузки ?? = 14 ч. Количество удаляемой влаги и продолжительность каждого периода сушки самозамораживание – 20,6 %; W сз = 82,5 кг = 1,5 ч сублимация – 64,4 %; W сб = 257,5 кг ? 2 = 7,5 ч удаление 5 1 остаточной влаги – 15,0 %; W ов = 60 кг ? 3 = 3 ч. Температура сублимации – t сб = – 10 о С; температура обогреваемых плит – t п = + 40 о С; температура окружающей среды около сублимируемого материала – t с = + 15 о С. Количество продукта, загружаемого нам противней, составляет = 4,8 кг на начальную массу материала. Площадь противней, размещаемых водном сублиматоре F = 16,8 м. Обогрев плит производится горячей водой. Температурный перепад ?? для определения расхода воды принять равным 5 о С. Решение: 1. Количество материала, поступающего на сушку за один цикл 65 400 400 100 400 100 c 2 c 1 c 1 1 = ? + ? = ? + ? = ? ? ? W G кг/цикл. 2. Количество влаги, удаляемой в каждый период сушки в час – при самозамораживании 55 5 , 1 5 , 82 c? = = W кг/ч ; II – при сублимации 2 , 34 5 , 7 5 , 257 ?? = = W кг/ч ; III – при испарении остаточной влаги 20 3 60 ?.? = = W кг/ч. 3. Тепло, потребляемое во II периоде сушки 2 , 34 680 ?? ?? = ? = ? = W r q ккал/ч, а завесь период сублимации 5 , 257 680 ?? = ? = Q ккал(кДж). 4. Тепло, расходуемое в период испарения остаточной влаги 60 591 ?.? ?.? = ? = ? = W r Q ккал. Количество тепла, необходимое для сушки 35460 174000 ?? ?? = + = + = Q Q Q ккал/процесс, |