Моделирование процессов распылительной сушки с учетом изменения показателей качества материала тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Войновский, Александр Александрович

• Войновский, Александр Александрович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Войновский, Александр Александрович

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Применение распылительной сушки в различных отраслях современной промышленности.

1.1.1. Использование распылительной сушки в химико-фармацевтической отрасли.

1.1.2. Применение распылительной сушки в химической промышленности.

1.1.3. Применение распылительной сушки в пищевой промышленности и нутрицевтике.

1.2. Влияние параметров распылительной сушки на качественные характеристики получаемых продуктов.

1.3. Тенденции в области математического моделирования распылительной сушки.

1.3.1. СББ пакеты, применяемые для математического моделирования сушильного оборудования.

1.3.2. Описание кинетики сушки.

1.3.3. Моделирование структурообразования и распределения веществ по частице.

1.3.4. Моделирование распыла, коалесценции капель и их осаждения на стенках.

1.3.5. Математическое моделирование кинетики разрушения материала в процессе распылительной сушки.

1.4. Постановка задачи.

Глава 2. Экспериментальные исследования.

2.1. Экспериментальное оборудование.

2.1.1. Лабораторная распылительная сушилка BÜCHI Mini Spray Dryer В-290.

2.1.2. Гомогенизатор погружной Ultra Turrax T18.

2.2. Исследование распылительной сушки биосуспензии.

2.2.1. Характеристики материалов.

2.2.2. Ортогональный план второго порядка.

2.2.3. Результаты исследований.

2.2.4. Регрессионный анализ.

2.3. Исследования двухстадийного процесса инкапсуляции липофильных функциональных компонентов.

2.3.1. Характеристики материалов.

2.3.2. Ортогональный план Плакетта-Бермана.

2.3.3. Результаты исследований.

2.3.4. Регрессионный анализ.

2.4. Исследование распылительной сушки алюмокремниевого коагулянта-флокулянта.

2.4.1. Характеристики материалов.

2.4.2. Композиционный план второго порядка.

2.4.3. Регрессионный анализ.

2.5. Исследования кинетики сушки.

2.5.1. Исследование кинетики сушки биомассы дрожжей.

2.5.2. Исследование кинетики сушки растворов гуммиарабика и мальтодекстрина.

2.5.3. Исследование кинетики сушки АККФ.

Глава 3. Построение математической модели распылительной сушки с учетом изменения показателей качества продукта.

Результаты расчетов.

3.1. Подход к построению модели, стыковке отдельных ее модулей, вычислительных и экспериментальных данных.

3.2. Математическое описание распылительной сушки.

3.2.1. Система уравнений для непрерывной фазы.

3.2.2. Система уравнений для дисперсной фазы.

3.2.3. Моделирование кинетики сушки.

3.3. Реализация математического описания в программном пакете FLUENT (ANSYS) и проведение' вычислительных экспериментов.

3.3.1. Построение геометрии виртуального аппарата и создание расчетной сетки.

3.3.2. Результаты расчета по уравнениям математической модели.

3.4. Решение задачи многопараметрической оптимизации при выборе уравнения для описания кинетики деградации материала и определении коэффициентов.

3.4.1. Постановка задачи многопараметрической оптимизации и алгоритм метода роя пчел (Bees Algorithm).

3.4.2. Программная реализация метода многопараметрической оптимизации.

3.4.3. Прогнозирование изменения параметров качества в процессе распылительной сушки путем расчета по найденным уравнениям кинетики деградации/инактивации.

Глава 4. Выработка рекомендаций по проведению процесса распылительной сушки объектов исследований в установке промышленного масштаба.

4.1. Описание установки.

4.2. Построение виртуального аппарата Minor Spray Dryer и расчетной сетки.

4.3. Результаты расчета процесса распылительной сушки в установке Minor Spray Dryer.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование процессов распылительной сушки с учетом изменения показателей качества материала»

Распылительная сушка относится к массовым процессам химической, пищевой, химико-фармацевтической отраслям промышленности, поскольку позволяет получать из растворов, суспепзий, эмульсий и паст конечный продукт в виде хорошо растворимого порошка или гранулята. Распылительная сушка может проводиться в большом диапазоне рабочих температур, процесс характеризуется малым временем контакта материала с горячим теплоносителем и высокой производительностью по испаренной влаге.

Качество высушенных продуктов, особенно термо- и ксеролабильных, часто сильно зависит не только от температуры нагрева и остаточного влагосодержания, но и от скорости их нагрева и обезвоживания в процессе сушки. Это вызвано сильной, обычно экспоненциальной, зависимостью происходящих при сушке химических, физико-химических и структурно-реологических превращений от текущего состояния капли/частицы.

Разработка математического описания, позволяющего прогнозировать не только изменение параметров состояния материала (температуры и влажности), но и изменение показателей качества продуктов в процессе сушки является актуальной задачей.

Диссертационная работа представлена в четырех главах и посвящена моделированию процессов распылительной сушки с учетом изменения показателей качества органических, неорганических и биологических порошков.

В первой главе проведен обзор современных областей применения технологии распылительного высушивания; эффектов, возникающих в процессе обезвоживания материалов; а так же существующих подходов к математическому описанию гидродинамики, распределению компонентов, кинетики деградации/инактивации в результате теплового и осмотического эффектов, возникающих на уровне единичного включения.

В соответствии с целью работы и на основании результатов анализа литературы была сформулирована постановка задачи исследования и намеченные этапы ее решения.

Вторая глава работы посвящена экспериментальным исследованиям процесса распылительной сушки жидких материалов. В качестве объектов сушки были выбраны: биопродукт - биосуспензия, содержащая дрожжи, обогащенные каротиноидами; органический продукт - эмульсия «масло в воде» (MB); неорганический продукт - раствор алюмосиликата. Исследования распылительной сушки проводились на лабораторной установке Mini Spray Dryer В-290, швейцарской компании BUCHI. Для получения полной информации о процессах при минимальном количестве экспериментов были применены методы планирования. Они позволили оценить значимость параметров, а в ряде случаев найти регрессионные зависимости и определить координаты оптимума в исследуемом диапазоне изменения параметров. Были сняты кинетические кривые сушки для исследуемых объектов, которые позволяют говорить о четко выраженном втором периоде сушки для второго объекта - водно-маслянных эмульсий.

Третья глава посвящена математическому описанию, получению расчетных массивов данных, характеризующих поведение материала в аппарате, стыковке с массивом экспериментальных данных и их совместной обработке с целью выбора для каждого из объектов типа уравнения деградации, определяющего изменение параметров качества материала, а так же входящих в него констант.

Для получения массива расчетных данных об изменении температуры и влагосодержания капли по времени пребывания в аппарате было разработано математическое описание процесса, реализованное с помощью коммерческого программного пакета Fluent (Ansys). Для трех серий экспериментов в соответствии с начальными условиями были проведены расчеты по уравнениям математической модели и получены массивы расчетных данных.

Полученные массивы данных, содержащие информацию об изменении влагосодержания и температуры материала в процессе распылительной сушки, были экспортированы из программного пакета Fluent и использованы для выбора типа уравнения деградации материала и входящих в него констант. При экспорте данных производилось их усреднение. Для каждого из приведенных уравнений и каждого типа материала были определены многопараметрической оптимизацией значения констант (kQ, Ed, а, Ь, с), входящих в уравнения. Оптимизация проводилась с использованием метода роя пчел.

В соответствиями с рекомендованным для каждого объекта исследований видом уравнения деградации и найденными значениями констант был создан расчетный модуль, позволяющий прогнозировать изменения параметров качества материала (антиокидантная активность, индекс окисленности и количество активного алюминия) в процессе распылительной сушки в широком диапазоне параметров.

Последняя четвертая глава посвящена масштабированию процесса распылительной сушки. Даны рекомендации для проведения процесса для различных веществ, полученные в результате расчета по уравнениям математической модели с учетом кинетики деградации.

Работа проводилась в рамках задания Минобрнауки России на проведение научных исследований по тематическому плану. Номер темы 1.13.10 «Разработка теоретических основ процессов получения наноструктурированных микропорошков для химической и фармацевтической отраслей промышленности» 2011-2014 гг.

Автор выражает глубокую благодарность руководителю работы д.т.н., профессору Н. В. Меньшутиной, старшему преподавателю к.т.н. М. Г. Гордиенко, доценту кафедры биотехнологии к.т.н. Н. А. Суясову, сотрудникам и аспирантам научной группы.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Войновский, Александр Александрович

Выводы по работе:

1. На базе обширного комплекса экспериментальных и аналитических исследований распылительной сушки трёх объектов проведён регрессионный анализ влияния параметров ведения процесса распылительной сушки на качественные характеристики получаемых продуктов.

2. Выявлены ключевые факторы, оказывающие наибольшее влияние на сохранение качественных характеристик продукта и даны рекомендации по организации процесса на установке лабораторного масштаба.

3. Дано математическое описание и проведена серия вычислительных экспериментов, позволившая получить массив данных об изменении характеристик материала (температуры и влагосодержания) по времени пребывания в аппарате.

4. Разработан алгоритм стыковки больших массивов экспериментальных и расчётных данных для их последующей обработки.

5. Проведена обработка экспериментальных и расчетных массивов данных и для каждого из объектов исследования, выбран тип уравнения деградации материала, определяющего изменение параметров качества материала (антиоксидантной активности, индекса окисленности, количества активного алюминия), и значений входящих в него констант с помощью метода многопараметрической оптимизации.

6. Разработан программный модуль расчета изменений параметров качества материала в процессе распылительной сушки.

7. Даны рекомендации по организации процесса на установке промышленного масштаба для каждого из объектов исследований, обеспечивающие достижения высокого качества продукта.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Войновский, Александр Александрович, 2013 год

1. Pomazi A., Ambrus R., Sipos P., Szabo-Revesz P. Analysis of co-spray-dried meloxicam-mannitol systems containing crystalline // Microcomposites Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis. 2011. Volume 56. P. 183- 190.

2. Lee S.H.; Heng D., Ng W.K.; Chan H.-K.; Tan R.B.H. Nano spray drying: A novel method for preparing protein nanoparticles for protein therapy // International Journal of Pharmaceutics. 2011. Volume 403. P. 192 200.

3. Martins R.M., Siqueira S., Tacón L.A., Freitas L.A.P. Microstructured ternary solid dispersions to improve carbamazepine solubility // Powder Technology. 2012. Volume 215-216. P. 156- 165.

4. Shi L., Calvin C. Sun Overcoming Poor Tabletability of Pharmaceutical Crystals by Surface Modification // Pharmaceutical Research. 2011. Volume 28. Issue 12. P. 3248 3255.

5. Yue P., Wang Z., Peng W., Li L., Chen W., Guo H., Li X. Spray-drying synthesized LiNio.6Coo.2Mno.2O2 and its electrochemical performance as cathode materials for lithium ion batteries // Powder Technology. 2011. Volume 214. Issue 3. P. 279 282.

6. Cui Y., Wang J, Liu W. Preparation and characterization of scandia-doped tungsten powders prepared by a spray-drying method // Research on Chemical Intermediates. 2011. Volume 37. Issue 2-5. P. 341 -350.

7. Lundberg M., Wang H.-J., Blennow P., Menon M. Mesoporous high surface area Ceo.9Gdo.1O1.95 synthesized by spray drying // Ceramics International. 2011. Volume 37. Issue 3. P. 797 802.

8. Huang H.-Y., Shieh Y.-T., Shih C.-M., Twu Y.-K. Magnetic chitosan/iron (II,

9. I) oxide nanoparticles prepared by spray-drying // Carbohydrate Polymers.1422010. Volume 81. Issue 4. P. 906 910.

10. Baek J.-I., Ryu C.K., Eom Т.Н., Lee J.B., Jeon W.-S., Yi J. Chemical-looping combustion of syngas by means of spray-dried NiO oxygen carrier // Korean Journal of Chemical Engineering. 2011. Volume 28. Issue 11. P. 2211 -2217.

11. Bansode S.S., Banarjee S.K., Gaikwad D.D., Thorat R. M. Microencapsulation: a review // International Journal of Pharmaceutical Sciences Review and Research. 2010. Volume 1 .Issue 2. P. 38 -43.

12. Шерышев M.A. Производство профильных изделий из ГГВХ / М.А. Шерышев, Н.Н. Тихонов. СПб.: Научные основы и технологии, 2012.614 с.

13. Liu Y., Wang L., Zhang J., Chen F., Anpo M. Preparation of macroporous SAPO-34 microspheres by a spray drying method using polystyrene spheres as hard template // Research on Chemical Intermediates. 2011. Volume 37. Number 8. P. 949-959.

14. Ide M., Wallaert E., Driessche I.V., Lynen F., Sandra P., Voort P.V.D. Spherical mesoporous silica particles by spray drying: Doubling the retention factor of ITPLC columns // Microporous and Mesoporous Materials. 2011. Volume 142. Issue 1. P. 282 291.

15. Drusch S., Berg S. Extractable oil in microcapsules prepared by spray drying: Localisation, determination and impact on oxidative stability // Food Chemistry. 2008. Volume 109. Issue 1. P. 17-24.

16. Choi J.K., Lee J.G., Kim J.H., Yang H.S. Preparation of microcapsules containing phase change materials as heat transfer media by in-situ polymerization // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2001. Volume 7. No.6. P. 358-362.

17. Su J., Wang L., Ren L. Fabrication and thermal properties of MicroPCMs: used melamine-formaldehyde resin as shell material // Journal of Applied Polymer

18. Science. 2006. Volume 101. Issue 3. P. 1522- 1528.

19. Gaiani C., Mullet M., Arab-Tehrany E., Jacquot M., Perroud C., Renard A., Scher J. Milk proteins differentiation and competitive adsorption during spray-drying // Food Hydrocolloids. 2011. Volume 25, Issue 5. P. 983 990.

20. Nadeem H. S., Torun M., Özdemir F. Spray drying of the mountain tea (Sideritis stricta) water extract by using different hydrocolloid carriers // LWT Food Science and Technology. 2011. Volume 44. Issue 7. P. 1626 - 1635.

21. Goula A.M., Adamopoulos K.G. A new technique for spray drying orangejuice concentrate // Innovative Food Science and Emerging Technologies.1442010. Volume 11. Issue 2. P. 342 351.

22. Chik C.T., Abdullah A., Abdullah N., Mustapha W.A.W. The effect of maltodextrin and additive added towards pitaya juice powder total phenolic content and antioxidant activity // ICFEB. 2011. Volume 9. P. 224 228.

23. Vincze I., Vatai G. Application of nanofiltration for coffee extract concentration // Desalination. 2004. Volume 162. P. 287 294.

24. Santos, M. Auxiliadora; Chalfoun S.M.; Pimenta C.J. Influence of the wet processing and drying types on chemical and physicochemical composition of coffee (Coffea arabica L.) // Ciencia e Agrotecnologia. 2009. Volume 33. No. l.P. 213-218.

25. Oneda F., Ré M.I. The effect of formulation variables on the dissolution and physical properties of spray-dried microspheres containing organic salts // Powder Technology. 2003. Volume 130. Issues 1-3. P. 377-384.

26. Aversa M., Curcio S., Calabró V., lorio G. Experimental evaluation of quality parameters during drying of carrot samples // Food and Bioprocess Technology. 2012. Volume 5. Issue l.P. 118- 129.

27. Quek S.Y., Chok N.K., Swedlund P. The physicochemical properties of spray-dried watermelon powders // Chemical Engineering and Processing. 2007. Volume 46. Issue 5. P. 386 392.

28. Gong Z., Zhang M., Mujumdar A.S., Sun J. Spray drying and agglomeration of instant bayberry powder // Drying Technology: An International Journal. 2007. Volume 26. Issue l.P. 116-121.

29. Obón J.M., Castellar M.R., Alacid M., Fernández-López J.A. Production of a red-purple food colorant from Opuntia stricta fruits by spray drying and itsapplication in food model systems // Journal of Food Engineering. 2009.145

30. Volume 90. Issue 4. P. 471 479.

31. Saenz C., Tapia S., Chavez J., Robert P. Microencapsulation by spray drying of bioactive compounds from cactus pear (Opuntial ficas-indica) II Food Chemistry. 2009. Volume 114. Issue 2. P. 616 622.

32. Bayram O.A., Bayram M., Tekin A.R. Spray drying of sumac flavour using sodium chloride, sucrose, glucose and starch as carriers // Journal of Food Engineering. 2005. Volume 69. Issue 2. P. 253 — 260.

33. Anwar S.H., Kunz B. The influence of diying methods on the stabilization of fish oil microcapsules // Journal of Food Engineering. 2011. Volume 105. Issue 2. P. 367-378.

34. Phisut N. Spray drying technique of fruit juice powder: some factors influencing the properties of product // International Food Research Journal. 2012. Volume 19. Issue 4. P. 1297 1306.

35. Chegini G.R., Ghobadian B. Spray Dryer Parameters for Fruit Juice Drying // World Journal of Agricultural Sciences. 2007. Volume 3. Issue 2. P. 230-236.

36. Peighambardoust S.H., Tafti A.G., Hesari J. Application of spray drying for preservation of lactic acid starter cultures: a review // Trends in Food Science & Technology. 2011. Volume 22. Issue 5. P. 215-224.

37. Bolat I.C., Turtoi M., Walsh M.C. Influence of yeast drying process on different lager brewing strains viability // Journal of Agroalimentary Processes and Technologies. 2009. Volume 15. Issue 3. P. 370 377.

38. Morgan C.A., Herman N., White P.A., Vesey G. Preservation of microorganisms by drying; A review // Journal of Microbiological Methods. 2006. Volume 66. Issue 2. P.l 83 193.

39. Kim J.H., Jung K.Y., Park K.Y., Cho S.B. Characterization of mesoporous146alumina particles prepared by spray pyrolysis of A1(N03)2,9H20 precursor: Effect of CTAB and urea // Microporous and Mesoporous Materials. 2010. Volume 128. Issues 1-3. P. 85 90.

40. Nandiyanto A.B.D., Iskandar F., Ogi T., Okuyama K. Nanometer to submicrometer magnesium fluoride particles with controllable morphology // Langmuir. 2010. Volume 26. Issue 14. P. 12260- 12266.

41. Peterson A.K., Morgan D.G., Skrabalak S.E. Aerosol synthesis of porousparticles using simple salts as a pore template // Langmuir. 2010. P. 60-103.

42. Fang Y., Rogers S., Selomulya C., Chen X.D. Functionality of milk protein concentrate: Effect of spray drying temperature // Biochemical Engineering Journal. 2012. Volume 62. P. 101 105.

43. Sansone F., Mencherini T., Picerno P., d'Amore M., Aquino R. Maltodextrin/Pectin microparticles by spray-drying as carrier for nutraceutical extracts Journal of Food Engineering. 2011. Volume 105. Issue 3. P. 468-476.

44. Fang Z., Bhandari B. Effect of spray drying and storage on the stability of bayberry polyphenols // Food Chemistry. 2011. Volume 129. Issue 3. P. 1139- 1147.

45. Jayasundera M., Adhikari B., Adhikari R., Aldred P. The effect of proteintypes and low molecular weight surfactants on spray drying of sugar-rich foods147

46. Food Hydrocolloids. 2011. Volume 25. Issue 3. P. 459 469.

47. Adhikari В., Howes Т., Shrestha A., Bhandari B.R. Effect of surface tension and viscosity on the surface stickiness of carbohydrate and protein solutions // Journal of Food Engineering. 2007. Volume 79. Issue 4. P. 1136 1143.

48. Nijdam J.J., Langrish T.A.G. The effect of surface composition on the functional properties of milk powder // Journal of Food Engineering. 2006. Volume 77. Issue 4. P. 919 925.

49. Bernard C., Regnault S., Gendreau S., Charbonneau S., Relkin P. Enhancement of emulsifying properties of whey proteins by controlling spray-drying parameters // Food Hydrocolloids. 2011. Volume 25. Issue 4. P. 758-763.

50. Tonon R.V., Grosso C.R.F., Flubinger M.D. Influence of emulsion composition and inlet air temperature on the microencapsulation of flaxseed oil by spray drying // Food Research International. 2011. Volume 44. Issue 1. P. 282 289.

51. Finney J.; Buffo R.; Reineccius G.A. Effects of type of atomization and processing temperatures on the physical properties and stability of spray-dried flavors // Journal of Food Science. 2002. Volume 67. Issue 3. P. 1108 1114.

52. Jayasundera M., Adhikari В., Aldred P., Ghandi A. Surface modification of spray dried food and emulsion powders with surface-active proteins: A review //Journal of Food Engineering. 2009. Volume 93. Issue 3. P. 266 277.

53. Jin X., Custis D. Microencapsulating aerial conidia of Trichoderma harzianum through spray drying at elevated temperatures // Biological Control. 2011. Volume 56. Issue 2. P. 202 208.

54. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии— М.: Химия, 1971.496 с.

55. Кроу К., Гамилец А., Хоффман Т., Джонсон А., Вудс Д., Шеннон П.148

56. Used in Gas Turbines // Journal of Propulsion and Power. 1991. Volume 7. Issue 5. P. 805 813.

57. Stanton D.W., Rutland C.J. Modeling Fuel Film Formation and Wall Interaction in Diesel Engines // SAE Paper 960628. 1996.

58. O'Rourke P.J., Amsden A.A. A Spray/Wall Interaction Submodel for the KIVA-3 Wall Film Model//SAE Paper 2000-01-0271. 2000.

59. Zbicinski I. Development and experimental verification of momentum, heat and mass transfer model in spray drying // Chemical Engineering Journal and the Biochemical Engineering Journal. 1995. Volume 58. Issue 2. P. 123 133.

60. Pearce D.L. A novel way to measure the concentration of a spray in a spray dryer // Drying Technology. 2006. Volume 24. Issue 6. P. 777 -781.

61. Chiou D., Langrish, T.A.G., Braham R. Partial crystallisation behaviour during spray drying: simulations and experiments // Drying Technology. 2008. Volume 26. Issue 1. P. 27-38.

62. Woo M.W., Daud W.R.W., Mujumdar A.S, Tasirin S.M., Talib M.Z.M. Role of rheological characteristics in amorphous food particle-wall collisions in spray drying // Powder Technology. 2010. Volume 198. Issue 2. P. 251 257.

63. Palzer S. The effect of glass transition on the desired and undesired agglomeration of amorphous food powders // Chemical Engineering Science. 2005. Volume 60. Issue 14. P. 3959 3968.

64. Gonzalez M., Skandamis P.N., Flanninen M.-L. A modified Weibull model for describing the survival of Campylobacter jejuni in minced chicken meat // International Journal of Food Microbiology. 2009. Volume 136. Issue 1. P. 52-58.

65. Определение антиоксидантной активности

66. Одновременно готовят холостой раствор и далее измеряют оптическую плотность, как при построении градуировочного графика. Содержаниелалюминия X, мг/дм вычисляют по градуировочному графику.