Способ измельчения и сушки термолабильных материалов и шнековый смеситель для его осуществления
Изобретение предназначено для сушки термолабильных материалов, например лекарственных трав. Способ сушки включает измельчение термолабильных материалов в шнековом смесителе при температуре 110-150°С и давлении 3-5 МПа, при этом температуру создают без подвода тепла извне непосредственно в процессе технологической переработки термолабильного материала во внутренней полости корпуса шнекового смесителя. До подачи термолабильных материалов в шнековый смеситель производят их измельчение и последующее смешение с веществом, обволакивающим частички термолабильных материалов в количестве, достаточном для обволакивания высушиваемых термолабильных материалов, при этом выход из шнека высушиваемых термолабильных материалов осуществляется через магнитное поле. Шнековый смеситель для осуществления способа содержит корпус с загрузочным и выпускным отверстиями, привод для расположенного в рабочей камере корпуса с возможностью вращения относительно продольной оси шнека, механический узел создания температуры 110-150°С и давления 3-5 МПа. Механический узел состоит из двух плоских колец, расположенных в плоскости, перпендикулярной продольной оси шнека, таким образом, что центры колец совпадают с продольной осью шнека, при этом первое из колец неподвижно закреплено в корпусе, второе - на шнеке, а зазор между кольцами образует выпускное отверстие. На кольце, расположенном на шнеке со стороны внутренней полости корпуса, установлены магниты. Техническим результатом изобретения является защита от окисления активных лекарственных веществ. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Предлагаемое изобретение предназначено для сушки термолабильных материалов, например лекарственных трав.
Известен способ сушки термолабильных материалов путем десорбции влаги из материала за счет энергии упругопластической деформации, вносимой механическим побудителем, и отвода паров влаги из сушильного пространства. При этом на десорбцию влаги используется энергия, подводимая конвективным путем через стенки корпуса аппарата и частично от механического побудителя. Перемешивание и механическое побуждение высушиваемого материала осуществляется вибратором. Измельчение материала осуществляется с помощью мелких тел - шаров (RU, патент 2064447, кл. C09B 61/00, 1996).
Недостатком этого способа является низкая интенсивность процесса сушки вязких пастообразных материалов с высокой адгезионной способностью. Десорбция влаги из внутренних слоев материала невозможна, испарение происходит только с открытой верхней поверхности. Подвод энергии к внутренним слоям материала также крайне ограничен вследствие малой теплопроводности высушиваемого материала. Основным источником энергии, подводимой к материалу на десорбцию влаги, является теплообменная поверхность корпуса, что ограничивает скорость сушки и увеличивает общие затраты энергии на процесс сушки. Перемешивание высушиваемого материала за счет вибрации успешно реализуется при хорошей сыпучести и малой адгезионной способности материала. Подвижность вибрирующих шаров в вязкой среде незначительна, и относительного движения материала и мелющей насадки не происходит. Предлагаемая конструкция механического побудителя не позволяет получать порошки высокой дисперсности.
Известен способ вакуумной сушки пастообразных материалов, реализованный в вакуумной сушилке (SU, авторское свидетельство 456122, кл. F26B 11/14, 1975).
Данный способ сушки термолабильных материалов осуществляют путем десорбции влаги из материала за счет энергии упругопластической деформации, вносимой механическим побудителем, и отвода паров влаги из сушильного пространства. При этом на десорбцию влаги используется энергия, подводимая конвективным путем через стенки корпуса аппарата и частично от механического побудителя.
Интенсификация процесса сушки достигается за счет ввода механической энергии, затрачиваемой на непрерывное перемешивание и дробление комков высушиваемого материала побудителем - мешалкой.
Недостатком этого способа сушки является низкая интенсивность процесса десорбции влаги и высокая энергоемкость процесса, вследствие ограниченной площади теплообменной поверхности (равной площади контакта нижнего слоя материала с камерой) и малой площади поверхности массоотдачи (равной площади верхнего слоя насыпного материала). Десорбция влаги из внутренних слоев материала в этом устройстве также невозможна, испарение происходит только с открытой верхней поверхности насыпного слоя материала. Подвод энергии к внутренним слоям материала также ограничен вследствие малой теплопроводимости высушиваемого материала. Основным источником энергии, подводимой к материалу на десорбцию влаги, является теплообменная поверхность корпуса, что ограничивает скорость сушки. Выполнение механического побудителя жестким приводит к жесткому заклиниванию материала между рабочими поверхностями или между корпусом и механическим побудителем, что энергетически нецелесообразно, т.к. в этом случае на привод механического побудителя требуется значительная мощность, и вводимая энергия за счет трения переходит в теплоту нагрева не только материала, но и корпуса и, в конечном итоге, рассеивается в окружающую среду. Предлагаемый способ механического побуждения не позволяет получать порошки высокой дисперсности.
Известен способ сушки термолабильных материалов во встречных струях пневматического распыления, например при помощи форсунок, высушиваемого материала и дополнительного отвода вторичного сушильного агента, при этом струи материала на выходе из форсунок закручивают в противоположных направлениях, а дополнительные потоки сушильного агента вводят тангенциально для закручивания их в направлениях, обратным направлениям закрутки, обратных направлениям закрутки соответствующих струй высушиваемого материала (см. SU, авторское свидетельство 453543, кл. F26B 3/12, 1974).
Недостатком этого способа является отсутствие защиты от окисления активных веществ.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ сушки термолабильных материалов, включающий его измельчение в шнековом смесителе при температуре 100-180 градусов Цельсия и давлении 3-5 МПа, при этом температуру создают без подвода тепла извне непосредственно в процессе технологической переработки грубого растительного сырья во внутренней полости корпуса шнекового смесителя, при этом в растительное сырье добавляют известь Са(ОН)2 в количестве 0,5-2% от массы растительного сырья и/или мочевину (NH2)2CO в количестве 0,5-2% от массы растительного сырья (см. патент RU №2432775, кл. А23К 1/12, опубл. 2011).
Недостатком этого способа является отсутствие защиты от окисления активных веществ.
Из этого же патента известен шнековый смеситель для осуществления , содержащий корпус с загрузочным и выпускным отверстиями, привод для расположенного в рабочей камере корпуса с возможностью вращения относительно продольной оси шнека, механический узел создания температуры 110-180°C и давления 3-50 МПа при использовании растительного сырья с исходной влажностью не более 30%, механический узел создания температуры и давления состоит из двух плоских колец, расположенных в плоскости, перпендикулярной продольной оси шнека, таким образом, что центры колец совпадают с продольной осью шнека, при этом первое из колец неподвижно закреплено в корпусе, второе - на шнеке, при этом зазор между кольцами образует выпускное отверстие.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является защита от окисления активных лекарственных веществ и их измельчение в защитном слое.
Поставленный технический результат достигается тем, что при сушке термолабильных материалов, например лекарственных трав, включающей их измельчение в шнековом смесителе при температуре 110-150°C и давления 3-5 МПа, при этом температуру создают без подвода тепла извне непосредственно в процессе технологической переработки термолабильного материала во внутренней полости корпуса шнекового смесителя, при этом до подачи термолабильных материалов в шнековый смеситель производят их измельчение и последующее смешение с веществом, обволакивающим частички термолабильных материалов, в количестве достаточном для обволакивания высушиваемых термолабильных материалов, при этом выход из шнека высушиваемых термолабильных материалов осуществляется через вращающееся магнитное поле.
Шнековый смеситель для осуществления способа по п. 1, содержащий корпус с загрузочным и выпускным отверстиями, привод для расположенного в рабочей камере корпуса с возможностью вращения относительно продольной оси шнека, механический узел создания температуры 110-150°С и давлении 3-5 МПа при использовании растительного сырья с исходной влажностью не более 30%, при этом механический узел создания температуры и давления состоит из двух плоских колец, расположенных в плоскости, перпендикулярной продольной оси шнека, таким образом, что центры колец совпадают с продольной осью шнека, при этом первое из колец неподвижно закреплено в корпусе, второе - на шнеке, при этом зазор между кольцами образует выпускное отверстие, отличающийся тем, что на кольце расположенном на шнеке со стороны внутренней полости корпуса, установлены магниты.
До подачи термолабильных материалов в шнековый смеситель производят их измельчение до 100-1000 мкм и последующее смешение с веществом, обволакивающим частички термолабильных материалов, в количестве достаточном для обволакивания высушиваемых термолабильных материалов. Например: берем 30% зверобоя с влажностью 60-75% и 70% зерна ржи и подаем их в шнековый смеситель, где при температуре 110-150 градусов Цельсия и при нагнетании смеси до давления 3-5 МПа идет гидролиз крахмалов ржи, а каждая частичка влажного зверобоя была покрыта мукой из ржи, частичка травы оказывается в сахарах ржи, после гидролиза окружающего ее слоя крахмалистого вещества. При этом в корпусе или на кольце, которое закреплено на шнеке, где устроен кольцевой выход из шнекового смесителя, установлены постоянные магниты, например неодимовые магниты (NdFeB) с магнитной индукцией 1,20 Тл. При прохождении магнитов в зоне начального сжатия перед кольцами смесь начинает проворачиваться в магнитном поле и вода в частицах лечебного сырья, в данном случае в частицах зверобоя, начинает образовывать пузырьки газа, который до этого был растворен в воде, находящейся в частицах зверобоя. В следующую секунду вся смесь оказывается в зоне высокого сжатия, при входе в отверстие между кольцами. Пузырьки лопаются и измельчают частицы зверобоя до 10-30 мкм, поднимается температура и давление в ареале лопнувшего пузырька, влага перераспределяется между сахарами ржи и частицами зверобоя, смесь проходит гидролиз, становится пластичной и выходит в виде чулка с влажностью 10-12%. Пластичность поднимается за счет того, что в составе крахмалистого вещества образуется глюкоза до 13-15% и количество декстринов увеличивается в 7-10 раз по сравнению с тем, что было в исходной смеси.
На чертеже схематично изображен один из возможных вариантов установки для реализации описываемого способа.
Установка содержит шнековый смеситель, включающий корпус 1 с загрузочным 2 и выпускным 3 отверстиями, привод 4 для расположенного в рабочей камере корпуса с возможностью вращения относительно продольной оси шнека 5, механические узлы создания температуры 110-150°C и давления 3-5 МПа при использовании растительного сырья с исходной влажностью до 30%, состоящий из двух плоских колец 6 и 7, расположенных в плоскости, перпендикулярной продольной оси шнека, таким образом, что центры колец совпадают с продольной осью шнека, при этом первое из колец неподвижно закреплено в корпусе 1, второе - на шнеке 5, при этом зазор 3 между кольцами образует выпускное отверстие. Кольцо 6 должно быть выполнено из более износостойкого материала, чем корпус смесителя, так как на его внутреннюю полость приходятся наибольшие истирающие нагрузки. Термолабильные материалы поступают в загрузочное отверстие 2 через измельчитель 8 и смеситель 9.
Способ осуществляется следующим образом.
Термолабильные материалы сначала подвергаются измельчению в измельчителе 8 до заранее заданной величины. Измельченные термолабильные материалы поступают в смеситель 9, где они смешиваются с веществом, обволакивающим частички термолабильных материалов, в количестве достаточном для обволакивания высушиваемых термолабильных материалов, что определяется экспериментально для каждого типа высушиваемых материалов и их влажности. В качестве вещества, обволакивающего частички термолабильных материалов, может быть использован крахмал в сухом виде или крахмалистое сырье, например мука. При вращении шнека 5 в частицах грубого растительного сырья (не показаны) в выпускном отверстии 3 (в зазоре между кольцами 6 и 7) происходят сдвиговые напряжения в сочетании с давлением, температурой и паром (в зазоре 3 поддерживается температура в пределах 110-150°C, давление 3-5 МПа и паровая фаза, т.е. условия, обеспечивающие разрушение молекулярных и межмолекулярных связей). В этом случае при малых удельных расходах энергии идет дополнительное измельчение термолабильных материалов с высокой скоростью расщепления связей. Совместное воздействие на частицы термолабильного материала деформации сдвига и давления осуществляется при его прохождении через зазор 3 между кольцами 6 и 7.
Для снижения себестоимости процесса в шнековый смеситель перед кольцами на корпус или на кольцо, которое установлено на вращающемся шнеке, крепятся со стороны внутренней полости корпуса постоянные магниты (не показаны). Магниты устанавливаются заподлицо с корпусом или кольцом, которое изготовлено не из магнитного материала. Смесь влажного лечебного сырья и сухого крахмалистого вещества или крахмала, двигаясь к выходу, попадает в магнитное поле, вода, находящаяся во влажных частицах лечебного сырья, начинает выпускать пузырьки газа, и когда смесь попадает в зону высокого сжатия, перед входом в кольцевой зазор, пузырьки взрываются, при этом измельчается лечебное сырье, происходит дополнительный гидролиз крахмала, повышается пластичность смеси и снижается расход энергии.
Обволакивающее действие при вводе в процессе сушки порошка крахмала происходит следующим образом. Крахмал налипает на поверхность влажной частицы, температура в шнековом смесителе до 150 градусов Цельсия. Влага, испаряясь из частицы материала, вынуждает окружающий ее крахмал реагировать с водой, то есть происходит реакция гидролиза, в результате которой часть крахмала переводится в декстрины и простые сахара, раствор которых покрывает пленкой влажную частицу материала. Все дальнейшее испарение будет проходить через пленку декстринов и простых сахаров без доступа кислорода. Для прохождения реакции гидролиза крахмала достаточно температуры 54-56 градусов Цельсия.
В описываемой конструкции сушильного аппарата используется механический метод нагрева термолабильных материалов, однако могут быть использованы искусственные нагреватели, например электрические, для достижения искомого результата.
Снижение возможности окисления действующих веществ термолабильных материалов и их дополнительное измельчение через дегазацию влаги в поле постоянных магнитов, получение эффекта кавитации в зоне выхода и повышение пластичности смеси для снижения энергоемкости процесса измельчения и сушки является достоинством и преимуществом предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом.
1. Способ сушки термолабильных материалов, например лекарственных трав, включающий его измельчение в шнековом смесителе при температуре 110-150°С и давлении 3-5 МПа, при этом температуру создают без подвода тепла извне непосредственно в процессе технологической переработки термолабильного материала во внутренней полости корпуса шнекового смесителя, отличающийся тем, что до подачи термолабильных материалов в шнековый смеситель производят их измельчение и последующее смешение с веществом, обволакивающим частички термолабильных материалов в количестве, достаточном для обволакивания высушиваемых термолабильных материалов, при этом выход из шнека высушиваемых термолабильных материалов осуществляется через магнитное поле.
2. Шнековый смеситель для осуществления способа по п. 1, содержащий корпус с загрузочным и выпускным отверстиями, привод для расположенного в рабочей камере корпуса с возможностью вращения относительно продольной оси шнека, механический узел создания температуры 110-150°С и давления 3-5 МПа при использовании растительного сырья с исходной влажностью не более 30%, при этом механический узел создания температуры и давления состоит из двух плоских колец, расположенных в плоскости, перпендикулярной продольной оси шнека, таким образом, что центры колец совпадают с продольной осью шнека, при этом первое из колец неподвижно закреплено в корпусе, второе - на шнеке, при этом зазор между кольцами образует выпускное отверстие, отличающийся тем, что на кольце, расположенном на шнеке со стороны внутренней полости корпуса, установлены магниты.
