Сушка многокомпонентных химических, фармацевтических и биологических материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, доктор наук Гордиенко Мария Геннадьевна

• Гордиенко Мария Геннадьевна
• доктор наук
• 2020

Оглавление диссертации доктор наук Гордиенко Мария Геннадьевна

Введение

1 Обзор научно-технической литературы

1.1 Развитие теории сушки

1.2 Способы организации процесса сушки и применяемое оборудование

1.2.1 Сушка сыпучих материалов

1.2.2 Сушка жидких материалов

1.2.3 Сушка пастообразных материалов

1.2.4 Сушка кусковых материалов

1.2.5 Сублимационная сушка

1.3 Кинетика сушки и формирование структуры материала в процессе удаления растворителя

1.4 Методы математического моделирования процессов сушки

1.4.1 Экспериментально-статистические (формальные) модели кинетики сушки

1.4.2 Экспериментально-статистические модели, описывающие связь качественных характеристик продукта с условиями процесса сушки

1.4.3 Аналитические модели

1.5 Постановка задачи исследований

2 Анализ процесса сушки, как структурного элемента технологической цепи

2.1 Процесс сушки, как важный этап формирования структуры, показателей качества и свойств при многостадийном производстве многокомпонентных химических, фармацевтических и биологических продуктов

2.2 Сравнительный анализ явлений, возникающих на нано-, микро- и макроуровнях, в различных процессах сушки, приводящих в совокупности

к изменениям структуры многокомпонентных материалов, их качественных характеристик и свойств

2.2.1 Распылительная сушка

2.2.2 Совмещенные процессы, проводимые в аппаратах псевдоожиженного слоя: сушка и грануляция, сушка и нанесение пленочного покрытия

2.2.3 Лиофильная сушка

2.3 Анализ нормативной документации, действующей на территории РФ и регулирующий различные процессы на всех стадиях жизненного цикла продукции

2.4 Методы математического моделирования для решения технологических задач на разных стадиях жизненного цикла разработки с учетом глубины проработки задачи и широты охвата рассматриваемых

стадий

3 Комплексные исследования, математическое моделирование, оптимизация и масштабирование процессов распылительной сушки

3.1 Исследование, масштабирование и многокритериальная оптимизация распылительной сушки с учетом кинетики инактивации целевого компонента

3.1.1 Комплексные исследования объектов сушки и регрессионный анализ результатов экспериментов

3.1.2 Проведение вычислительного эксперимента с целью формирования набора данных об изменении температуры и влагосодержания капель/частиц в процессе распылительной сушки

3.1.3 Масштабирование процесса распылительной сушки с использованием разработанного математического описания и выдача рекомендаций по ведению процесса в аппарате промышленного масштаба

с учетом прогнозируемого качества продукта

3.2 Разработка пилотной технологии получения сухого пробиотического продукта на основе биомассы бифидобактерий

3.2.1 Комплексное исследование объекта сушки - биомассы бифидобактерий

3.2.2 Исследование гибели микроорганизмов в процессе распылительной сушки ББ на установке лабораторного масштаба и оценка влияния защитных сред на повышение доли выживших клеток

3.2.3 Масштабирование технологии получения сухого пробиотического продукта на основе биомассы бифидобактерий и расчет сушилки

производительностью 4.5 кг/ч по многокомпонентному материалу

3.3 Разработка и оптимизация технологии получения биологически активной кормовой добавки на основе биомассы галобактерий с учетом условий их культивирования и сохранения свойств при длительном хранении

3.3.1 Исследование влияния условий культивирования и условий распылительной сушки на свойства биомассы галобактерий и их сохранность при длительном хранении

3.3.2 Построение нейро-сетевой модели для прогнозирования изменения концентрации антиоксидантов при длительном хранении

3.3.3 Определение оптимальных условий процесса производства сухой биомассы галобактерий

3.4 Разработка технологии получения фармацевтического препарата

«Ибупрофен» с улучшенной кинетикой высвобождения на основе распылительной сушки эмульсии, содержащей систему доставки «липофильное вспомогательное вещество - растворенный активный фармацевтический ингредиент»

3.4.1 Выбор липофильного вспомогательного вещества для системы доставки

3.4.2 Оценка значимости факторов при проведении процесса двухстадийной инкапсуляции методом распылительной сушки эмульсии типа «масло в воде»

3.4.3 Исследование технологии двухстадийной инкапсуляции системы доставки «ЛВВ-АФИ» методом распылительной сушки эмульсии типа

«масло в воде»

4 Исследование и моделирование совмещенных процессов сушки и нанесения пленочных покрытий, сушки и грануляции

4.1 Разработка технологии нанесения пленочного покрытия на пеллеты в аппарате псевдоожиженного слоя

4.1.1 Оборудование, материалы и оцениваемые параметры качества

4.1.2 Нанесение пленочного покрытия Acryl-EZE: исследование влияния параметров с разным числом уровней варьирования

4.1.3 Нанесение пленочного покрытие Kollicoat MAE 100P: применение композиционного плана второго порядка и получение регрессионной модели

4.1.4 Проведение дополнительных экспериментов по нанесению пленочного покрытия в аппарате псевдоожженного слоя

4.1.5 Математическое моделирование процесса нанесения пленочного покрытия в аппарате псевдоожиженного слоя

4.1.6 Построение, обучение и проверка адекватности нейро-сетевой модели для прогнозирования качества продуктов, полученных путем нанесения покрытий в аппарате псевдоожиженного слоя

4.1.7 Программный комплекс для расчета процесса нанесения покрытия в аппарате псевдоожиженного слоя

4.2 Разработка технологии грануляции в аппарате псевдоожиженного слоя

4.2.1 Оборудование, материалы и оцениваемые параметры качества

4.2.2 Исследование кинетики роста гранул при различных условиях ведения процесса на примере одно- и двукомпонентных гранулируемых смесей

4.2.3 Исследование кинетики роста гранул при различных условиях ведения процесса на примере одно- и двукомпонентных гранулируемых смесей

4.2.4 Исследование влияния параметров ведения процесса грануляции на качество получаемой таблеточной массы при применении в качестве связующего вещества раствора лекарственного препарата

4.2.5 Разработка математической модели для описания процесса влажной грануляции в аппарате псевдоожиженного слоя на базе ранее

разработанной ячеечной модели с обратными потоками

4.3 Разработка технологии грануляции расплавом для получения фармацевтических препаратов с пролонгированной кинетикой высвобождения активного фармацевтического ингредиента (АФИ)

4.3.1 Изучение поведения тройных систем с целью определения соотношений выбранных компонентов расплава

4.3.2 Изучение процесса грануляции расплавом

5 Исследования и разработка технологий производства сублимационно-высушенных материалов

5.1 Исследование и выбор режима сушки фармацевтического препарата

в вакуумной сублимационной сушилке пилотного масштаба

5.1.1 Определение эвтектической температуры

5.1.2 Критерии оценки качества получаемого лекарственного препарата

5.1.3 Отработка режимов вакуумной сублимационной сушки фармацевтического препарата

5.1.4 Математическое моделирование вакуумной сублимационной сушки

5.2 Разработка способа получения сублимационно-высушенной гемостатической губки с антимикробным (бактерицидным) эффектом

5.2.1 Микробиологический синтез наночастиц серебра и их свойства

5.2.2 Получение сублимационно-высушенной гемостатической губки

5.2.3 Исследования наработанных серий гемостатических губок

5.3 Разработка технологии получения микросфер для суспензионного культивирования клеток млекопитающих

5.3.1 Методика получения микросфер на основе вспененного желатин-хитозанового матрикса

5.3.2 Анализ микросфер на основе вспененного желатин-хитозанового матрикса

5.3.3 Модернизация математической модели вакуумной сублимационной сушки и ее дополнение системой уравнений для прогнозирования порозности частицы

5.4 Получение матриксов на основе сополимера полимолочной и полигликолевой кислот и альгината, содержащих агломераты наночастиц гидроксиаппатита и их исследование

5.4.1 Синтез наночастиц гидроксиаппатита

5.4.2 Методика получения матриксов на основе сополимера полимолочной

и полигликолевой кислот, содержащих агломераты наночастиц ГАП

5.4.3 Исследования образцов матриксов на основе сополимера полимолочной и полигликолевой кислот, содержащих агломераты

наночастиц ГАП

Заключение

Список литературы

Приложение А. Акт о передачи результатов математического

моделирования

Приложение Б. Результаты вычислительного эксперимента по прогнозированию содержания каротиноидов в биомассе с учетом варианта культивирования и условий распылительной сушки в разные моменты

времени: 0 мес., 6 мес. и 12 мес

Приложение В. Приказ на ноу-хау. Лабораторный регламент на производство микрочастиц с улучшенным высвобождением ибупрофена распылительной сушкой эмульсии

Приложение Г. Приказ на ноу-хау. Лабораторный регламент на производство микрочастиц с улучшенным высвобождением глибенкламида распылительной сушкой суспензии (микронизацией на

носителе)

Приложение Д. Письмо о заинтересованности

Приложение Е. Акт о внедрении результатов

Приложение Ж. Приказ на ноу-хау. Лабораторный регламент на производство микрочастиц с пролонгированным высвобождением

верапамила гидрохлорида грануляцией расплавом

Приложение З. Лист регистрации заявки на изобретение. Лабораторная методика на получение прототипов функциональных гибридных материалов на основе биополимеров, содержащих иммобилизированные

наночастицы серебра или их агломераты (гемостатические губки)

Приложение И. Акт о внедрении результатов

Приложение К. Лабораторная методика на получение ПМГК-альгинатных матриксов, содержащих наночастицы гидроксиаппатита

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сушка многокомпонентных химических, фармацевтических и биологических материалов»

Введение

Сушка является высокоэнергоемкой операцией и встречается практически во всех отраслях промышленности. Сушке подвергают жидкие, пастообразные и кусковые материалы. Стадия сушки позволяет решать ряд технологических задач: перевод материала в сухую форму, что позволяет сократить (в ряде случаев значительно) объем материла и его массу при транспортировке и хранении; увеличение сроков хранения; инкапсуляция компонентов для защиты от вредных факторов и/или с целью изменения кинетики их высвобождения; повышение растворимости компонентов и т.д.

Метод сушки и используемые режимы, а также особенности самого материала сильно влияют на возможность сохранения ценных термо- и ксеролабильных компонентов. В химической, химико-фармацевтической и биотехнологической отраслях промышленности наибольшее распространение получили распылительная сушка, совмещенные процессы сушки и грануляции, сушки и нанесения покрытий в аппаратах псевдоожиженного слоя, вакуумная сублимационная сушка, которые имеют большие отличия по гидродинамическим режимам, количествам одновременно взаимодействующих фаз, диапазонам температур и давлений, скоростям сушки и другим параметрам. Условия сушки оказывают значительное влияние на формирование структуры продукта, на его конечные характеристики, на возможность дальнейшей технологической обработки и на стабильность при хранении. Многокомпонентные материалы являются наиболее сложными объектами сушки, требующими тщательного изучения.

Несмотря на широкое применение различных технологий сушки во многих областях промышленности, большой массив накопленных теоретических знаний и практических примеров, разработка, масштабирование и оптимизация этих процессов применительно к новым видам многокомпонентных химических, фармацевтических и биотехнологических продуктов с учетом заданных требований к качеству материала, срокам хранения и энерго-, ресурсосбережения,

остается сложной задачей. Комплексное решение таких задач требует от разработчика глубокого понимания процесса, совмещения современных методов исследований, методов статистической обработки данных и разнообразных методов математического моделирования, выбор которых должен производиться с учетом глубины охвата соседних стадий, уровня готовности технологии и требуемой степени проработки поставленной цели исследований.

Диссертационная работа выполнялась при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках Российско-Польского проекта ГК № 41.700.12.0075 (2005-2007), РФ в рамках ФЦНТП ГК № 02.513.11.3359 (2007-2012 гг), в рамках задания Минобрнауки России на проведение научных исследований по тематическому плану (2011-2014 гг), в рамках базовой части государственного задания (2014-2016 гг, 2017-2019 гг).

Процессу сушки посвящено большое количество работ как российских, так и зарубежных исследователей. Из классических работ можно выделить работы С.П. Рудобашты (массоперенос в системах с твердой фазой), A.S. Mujumdar, А.В. Лыкова, Б.С. Сажина (теории теплообмена и массообмена в процессе сушки при различном теплоподводе, кинетика сушки), В.Г. Систера, П.Д. Лебедева, Е. Тсоцаса, С.В. Федосова (способы расчёта сушильного оборудования и выбора режима сушки), М.В. Лыкова, Б.И. Леончика (основные положения теории и практики распылительной сушки), П.Г. Романкова, Н.Б. Рашковской, И.П. Мухленова, В.Ф. Фролова, Ю.Я. Кагановича, А.Г. Злобинского (сушка в псевдоожиженном слое), Б.П. Камовникова, Л.С. Малкова, В.А. Воскобойникова (вакуумно-сублимационная сушка). Большое количество современных исследований публикуется в рамках ряда международных научных мероприятий, таких как International Drying Symposium, Nordic Drying Conference, Международная научно-практическая конференция «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)», а также в тематическом журнале Drying Technology: An International Journal.

Цель диссертационной работы заключается в развитии теории и практики

сушки многокомпонентных химических, фармацевтических и биологических материалов путем комплексного всестороннего изучения объектов сушки, выявления новых закономерностей процессов сушки многокомпонентных материалов с учетом перекрестного влияния стадий до и после сушки, разработке методологии выбора методология выбора методов математического моделирования для различных стадий жизненного цикла процессов сушки, основанная на анализе прошлого опыта НИР, НИОКР, эксплуатации сушильных установок, разработке моделей и их апробация.

Для достижения поставленной цели были выделены следующие научно-технические задачи:

1. Развитие теоретических положений многофазных процессов сушки многокомпонентных материалов:

- анализ процесса сушки, как важного этапа формирования показателей качества и свойств при многостадийном производстве химических, фармацевтических и биологических многокомпонентных продуктов;

- выявление и обобщение механизмов и явлений, имеющих место при распылительной сушке, сушке и грануляции/сушке и нанесении покрытий в аппаратах псевдоожиженного слоя, вакуумной сублимационной сушке и оказывающих влияние на условия последующей обработки полупродуктов, показатели качества продукта и его стабильность при хранении;

- разработка методологии выбора методов математического моделирования с учетом глубины связанности процесса сушки с другими стадиями производства и их взаимного влияния, уровня готовности технологии, стадии жизненного цикла и имеющегося прошлого опыта выполнения НИР, НИОКР, эксплуатации сушильных установок.

2. Проведение комплексных исследований, направленных на понимание особенностей поведения различных многокомпонентных систем до, в процессе сушки, при дальнейшей обработке и хранении, а также выявление влияния условий проведения технологических стадий на качественные параметры получаемого продукта:

- проведение комплекса аналитических исследований многокомпонентных материалов с привлечением современного аналитического оборудования и стандартизованных методик, направленных на выявление особенностей высушиваемого материала, выбора состава многокомпонентного материала;

- проведение большого блока экспериментальных работ по изучению гидродинамики и кинетики процессов распылительной сушки; совмещенных процессов сушки, грануляции и нанесения пленочных покрытий в аппаратах псевдоожиженного слоя; вакуумной сублимационной сушки, анализ влияния параметров работы оборудования на показатели качества химических, фармацевтических и биологических многокомпонентных продуктов.

3. Разработка математических моделей и оригинальных алгоритмов решения, объединяющих различные численные методы, для описания процесса сушки, совмещенных с ней процессов грануляции и нанесения покрытий, а также для описания процессов и явлений, происходящих на предыдущих стадиях получения многокомпонентных химических, фармацевтических и биологических материалов, для прогнозирования изменения свойств материала в процессе сушки и его стабильности при хранении.

4. Создание новых технологических схем для ряда процессов в химической, химико-фармацевтической и биотехнологической отраслях промышленности с учетом стадии жизненного цикла и уровня готовности разрабатываемой технологии, энерго- и ресурсосбережения, принципов «зеленой химии».

Научная новизна заключается в следующем: 1. Развиты теоретические подходы к изучению гидродинамики движения газов, перемещению твердых частиц и капель жидкости в аппаратах с активной гидродинамикой с использованием механики сплошных и гетерогенных сред, ячеистых моделей с обратными потоками, с учетом при необходимости явлений столкновения включений (элементов) дисперсной фазы, их агломерации и разрушения путем включения в систему уравнений математической модели уравнений баланса числа частиц, позволяющие в каждой точке аппарата и во времени оценивать скорости движения фаз, а при совместном решении с

уравнениями тепло-, массообмена и уравнениями кинетики деградации учитывать явления агломерации, разрушения, инактивации/деградации ценных компонентов.

2. Исследована кинетика массообменных процессов многокомпонентных химических и биологических материалов, выявлены и обобщены механизмы и явления, возникающие в процессе сушки, протекающие в порах и на межфазных границах, теоретически описаны процессы сушки во взаимосвязи с механизмами инактивации/деградации основных компонентов, влияющих на качество конечных продуктов.

3. Развиты математические модели и оригинальные алгоритмы решения, совмещающие различные численные методы, для описания процессов сушки, совмещенных с ним процессов грануляции и нанесения покрытий, протекающих в наиболее широко используемом оборудовании (распылительных сушках, аппаратах псевдоожиженного слоя, вакуумных сублимационных сушилках), а также для описания процессов и явлений, происходящих на предыдущих стадиях получения многокомпонентных химических и биологических материалов: математические модели на основе механики гетерогенных сред, механики сплошных сред, статистические модели, нейросетевые модели, математические модели «структура-свойство» с применением проекции предикторов на латентные структуры, модели кинетики сушки частицы и единичной капли, модели кинетики инактивации/деградации, а также методов многопараметрической оптимизации.

4. Разработана стратегия комплексного анализа процессов сушки, учитывающая стадии, проводимые как до стадии сушки, так и после нее, стадию жизненного цикла, на которой находиться разработка, имеющиеся данные полученные в результате проведенных ранее НИР, ОКР и опыта эксплуатации сушильных установок, что позволяет создавать ресурсосберегающие химико-технологические схемы с оптимальными удельными расходами сырья, энергии и достигать требуемого качества продукта, добиваться увеличения сроков его хранения.

5. Проведено совершенствование аппаратурного оформления технологических процессов формирования новых систем доставки активных фармацевтических

ингредиентов с модифицированной кинетикой высвобождения с привлечением процессов распылительной сушки эмульсии, содержащей систему доставки «ЛВВ - растворенный АФИ», грануляции вспомогательного вещества расплавом, содержащем АФИ в растворенной форме, формирования сублимационно высушенной гемостатической губки с антимикробным (бактерицидным) эффектом.

6. Предложено научное решение проблемы создания новых технологических схем для ряда процессов в химической, химико-фармацевтической и биотехнологической отраслях промышленности: технология распылительной сушки с учетом кинетики инактивации целевого компонента на примере распылительной сушки алюмо-кремниевого коагулянта-флокулянта и биомассы; технология получения сублимационно-высушенной гемостатической губки с антимикробным (бактерицидным) эффектом; технологии получения матриксов, содержащих синтетические и природные полимеры, а также агломераты наночастиц гидроксиаппатита, микросфер предназначенных в качестве матриксов для культивирования клеток; технология получения фармацевтического препарата «Ибупрофен» с улучшенной кинетикой высвобождения на основе распылительной сушки эмульсии, содержащей систему доставки «липофильное вспомогательное вещество - растворенный активный фармацевтический ингредиент»; технология получения фосфолипидного фармацевтического препарата путем последовательного нанесения АФИ и пленочного покрытия на пеллеты в аппарате псевдоожиженного слоя; технологии грануляции расплавом для получения фармацевтических препаратов с пролонгированной кинетикой высвобождения АФИ; пилотная технология получения сухого пробиотического продукта на основе биомассы бифидобактерий; технология получения биологически активной кормовой добавки на основе биомассы галобактерий с учетом условий их культивирования и сохранения свойств при длительном хранении.

7. Проведено масштабирование на основе разработанных моделей процессов сушки и совмещенных с ней явлений: алюмокремниевого коагулянта-флокулянта, биотехнологических продуктов.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Проведена большая серия экспериментальных работ по изучению гидродинамики и кинетики процессов распылительной сушки; совмещенных процессов сушки, грануляции и нанесения пленочных покрытий в аппаратах псевдоожиженного слоя; вакуумной сублимационной сушки, позволившая выявить механизмы и закономерности протекания данных процессов, подтвердить адекватность разработанных математических моделей.

2. Проведен комплекс аналитических исследований с привлечением современного аналитического оборудования и стандартизованных методик.

3. Определены режимы оптимальной работы распылительных сушилок; аппаратов псевдоожиженного слоя при проведении совмещенных процессов сушки и грануляции / сушки и нанесения покрытий; вакуумных сублимационных сушилок для ряда материалов, производимых в химической, химико-фармацевтической и биотехнологической отраслях промышленности.

4. Разработаны отдельные главы лабораторных регламентов, часть из которых переданы на производство.

5. Программно реализованы предложенные математические модели, описывающие процесс сушки, апробированы методики комплексной обработки больших массивов экспериментальных и расчетных данных, создана база данных предикторов, описывающих активные фармацевтические ингредиенты и липофильные вспомогательные вещества, а также содержащая 290 уникальных записей о растворимости АФИ в ЛВВ.

6. Разработанные математические модели и их программная реализация могут найти широкое применение в научных, проектных организациях и предприятиях химической, фармацевтической и биотехнологической отраслях промышленности.

Методология и методы исследования, использованные в работе: При проведении комплекса экспериментальных работ при были использованы аналитические методы и соответствующие им стандартизованные методики: азотная порометрия, гелевая пикнометрия, сканирующая электронная и оптическая микроскопия, термогравиметрический анализ, рентгено-

флуоресцентный анализ, рентгено-фазовый анализ, анализ электрофоретической подвижности частиц, различные методы определения вязкости, метод динамического рассеяния света, спектрофотометрия (ИК, УФ, видимый диапазон), ВЭЖХ, методики определения антиоксидантной активности, антибактериальной активности, сорбционной емкости, фармакопейный тест «растворимость» и другие.

При разработке математических моделей были использованы методы математического моделирования на основе механики гетерогенных сред, механики сплошных сред, статистические модели, нейросетевые модели, математические модели «структура-свойство» с применением проекции предикторов на латентные структуры, модели кинетики сушки частицы и единичной капли, модели кинетики инактивации/деградации, а также методы многопараметрической оптимизации.

Достоверность и обоснованность защищаемых научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом и результатами экспериментальных исследований, использованием современного лабораторного, пилотного и аналитического оборудования и стандартизованных методик, обоснованным использованием методов математической статистики; удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов с экспериментальными данными.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели, описывающие движение потоков газов, перемещения твердых частиц и капель жидкости в аппаратах с активной гидродинамикой с использованием механики сплошных и гетерогенных сред, с учетом, при необходимости, явлений столкновения включений (элементов) дисперсной фазы, их агломерации и разрушения путем включения в систему уравнений математической модели уравнений баланса числа частиц.

2. Исследована кинетика массообменных процессов многокомпонентных химических и биологических материалов, выявлены и обобщены механизмы и явления, возникающие в процессе сушки, протекающие в порах и на межфазных границах, теоретически описаны процессы сушки во взаимосвязи с механизмами инактивации/деградации основных компонентов, влияющих на качество конечных

продуктов.

3. Развиты математические модели и оригинальные алгоритмы решения, совмещающие различные численные методы, для описания процесса сушки, совмещенных с ним процессов грануляции и нанесения покрытий, протекающих в наиболее широко используемом оборудовании распылительной сушки, аппаратах псевдоожиженного слоя, вакуумных сублимационных сушилках, а также для описания процессов и явлений, происходящих на предыдущих стадиях получения многокомпонентных химических и биологических материалов.

4. Разработана стратегия комплексного анализа процессов сушки, учитывающая стадии, проводимые как до стадии сушки, так и после нее, стадию жизненного цикла, на которой находиться разработка, имеющиеся данные полученные в результате проведенных ранее НИР, ОКР и опыта эксплуатации сушильных установок, что позволяет создавать ресурсосберегающие химико-технологические схемы с оптимальными удельными расходами сырья, энергии и достигать требуемого качества продукта, добиваться увеличения сроков его хранения.

5. Проведено совершенствование аппаратурного оформления технологических стадий и предложено научное решение проблемы создания новых технологических схем для ряда процессов в химической, химико-фармацевтической и биотехнологической отраслях промышленности.

6. Проведено масштабирование стадии сушки на основе разработанных моделей: алюмокремниевого коагулянта-флокулянта, биотехнологических продуктов.

Достоверность и обоснованность защищаемых научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом и результатами экспериментальных исследований, использованием современного лабораторного, пилотного и аналитического оборудования и стандартизованных методик, обоснованным использованием методов математической статистики; удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов с экспериментальными данными.

Основные научные результаты, полученные в рамках диссертационной работы, отражены в 65 публикациях, из которых 28 опубликованы в изданиях,

входящих в перечень рецензируемых научных изданий. Кроме того, зарегистрировано 3 ноу-хау, получены 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, на рассмотрении в ФИПС находится 1 заявка на изобретение. Часть полученных результатов переданы на производство.

Результаты диссертации апробированы на международных и всероссийских конференциях, в том числе на Nordic Drying Conference 2003, 2005, 2009, 2011; International Congress of Chemical and Process Engineering (CHISA) 2004, 2006, 2014; Международная конференция молодых ученых по химии и химической технологии (МКХТ) 2005, 2006, 2007, 2008, 2013, 2014, 2015, 2016, 2017; Международный Конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития» 2005, 2014, 2018; World Congress of Chemical Engineering (WCCE) 2005, 2009; Polish Drying Symposium 2005, 2009; International Exhibition-Congress on Chemical Engineering, Environmental Protection and Biotechnology (ACHEMA) 2006, 2009; International Drying Symposium (IDS) 2006, 2008, 2014, 2016; European Congress of Chemical Engineering (ECCE) 2007, 2015; Математические методы в технике и технологиях (ММТТ) 2005, 2009; XVI International conference on bioencapsulation 2008; European Symposium of Computer Aided Process Engineering (ESCAPE) 2009, 2015, 2017; Международная конференция с элементами научной школы для молодежи 2010; Euro drying conference 2013; International Multidisciplinary Scientific GeoConference (SGEM) 2014, 2016, 2017, 2018, 2019; Молодежная конференция с международным участием «Химическая технология функциональных наноматериалов» 2015, 2017; International Seminar on AEROGELS: Synthesis - Properties - Applications 2016, 2018; Научно-практическая конференция «Сверхкритические флюиды: фундаментальные основы, технологии, инновации» 2017.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, 10 приложений и содержит 326 страниц основного текста, 149 рисунков, 27 таблиц и список литературы из 264 наименований.

В первой главе проведен обзор научно-технической литературы в предметной области исследований. Рассмотрено как происходило развитие

фундаментальных положений теории сушки. Приведено описание способов организации процессов сушки в аппаратах различной конструкции, используемых при сушке химических, фармацевтических и биотехнологических материалов. Рассмотрена кинетика сушки и формирование структуры материала в процессе удаления растворителя. Дан обзор методов математического моделирования процессов сушки. В соответствии с целью работы и на основании результатов анализа литературы была сформулирована постановка задачи исследования и намечены этапы ее решения.

Во второй главе приведен анализ процессов сушки, как важного этапа формирования структуры, показателей качества и свойств при многостадийном производстве многокомпонентных химических, фармацевтических и биологических продуктов. Выполнен сравнительный анализ явлений, возникающих на нано-, микро- и макроуровнях, в различных процессах сушки, приводящих в совокупности к изменениям структуры многокомпонентных материалов, их качественных характеристик и свойств. Представлен анализ нормативной документации, действующей на территории РФ и регулирующий различные процессы на всех стадиях жизненного цикла продукции. Показано, что в зависимости от стадии проработки технологии производства в целом и от спектра решаемых на текущей стадии разработки возможно, как сужение области охватываемых при построении математического описания стадий, так и их расширение. В зависимости от объема исходных данных, ширины охвата жизненного цикла процесса и от решаемых при помощи математического моделирования задач на разных этапах разработки технологии требуется привлечение разных методов математического моделирования.

В третьей главе представлены результаты комплексных исследований многофазных процессов распылительной сушки пяти многокомпонентных систем (алюмо-кремниевого коагулянта-флокулянта, биомассы дрожжей, бифидобактерий и галобактерий, эмульсии, содержащей систему доставки «1аЫ^о1 □ рг

ибупрофен»), позволившие выявить особенности поведения данных систем до, в процессе сушки, при дальнейшей обработке и хранении, а также выявить влияние

условий проведения технологических стадий на качественные параметры получаемого продукта.

В четвертой главе представлены результаты комплексных исследований многофазных совмещенных процессов сушки и нанесения пленочных покрытий, сушки и грануляции, а также грануляции расплавом, позволившие выявить особенности поведения данных систем и оценить влияние факторов на характеристики получаемых продуктов. Разработаны и модернизированы математические модели, предложены оригинальные алгоритмы решения, объединяющие различные численные методы, для описания рассмотренных совмещенных процессов сушки и грануляции, сушки и нанесения пленочных покрытий в аппаратах пседоожиженного слоя. Результаты экспериментальных исследований процесса грануляции расплавом послужили основой для разработки технологии получения пролонгированной твердой лекарственной формы препарата верапамила гидрохлорида.

В пятой главе проведены комплексные исследования вакуумной сублимационной сушки материалов различной природы, сделаны выводы о влиянии режимов сублимационной сушки, состава многофазных материалов на конечные свойства формируемого продукта. Результаты экспериментальных исследований послужили основой для оформления ряда лабораторных методик и формирования заявки на изобретение.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту работы д.т.н., профессору Меньшутиной Н.В., сотрудникам кафедры кибернетики химико-технологических процессов, кафедры наноматериалов и нанотехнологии, кафедры биотехнологии за консультации и плодотворную совместную научную работу, сотрудникам и аспирантам научной группы профессора Н.В. Меньшутиной, принимавшим участие в обсуждении данной работы.

1 Обзор научно-технической литературы

Сушка является важной и широко распространенной технологической операцией, используемой в различных отраслях промышленности. В процессе сушки в результате удаления растворителя обрабатываемый материал может значительно менять свою структуру, механические, технологические и биохимические свойства. Процесс сушки представляет собой совокупность явлений тепло- и массопереноса, включая конвективный и диффузионный перенос, деформаций, усадки, разрушения и ряда других. Вклад в развитие теории и практики сушки внесли ряд российских и зарубежных ученых.

1.1 Развитие теории сушки

В 1801 г английский ученый Д. Дальтон сформулировал закон сложения парциальных давлений, который стал отправной точкой для развития теоретических положений, описывающих кинетику испарения жидкости. Среди русских ученых одним из первых вопросами испарения жидкости стал заниматься П.В. Коссович. Работая профессором в Санкт-Петербургском лесном университете, он изучал испарение воды с поверхности почвы. Им было экспериментально установлено наличие нескольких периодов удаления влаги, характеризующихся разными скоростями. Эти работы были продолжены П.Г. Лебедевым, Ю.Л. Кавказовым, Г.К. Филоненко и др. [1-3].

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Гордиенко Мария Геннадьевна, 2020 год

использования использования

продукции продукции

требов.шия по устойчивостик внешним воздействиям

требования к требов ания к

взаимозаменя- вз а и м о заменя-

емости и емости и

(^вместимости совместимости

составных составных

частейи частей и

продукции в продукции в

целом целом

требования по

утилизации

пили

уничтожению и

захоронению

организация и работа сп с темь! менеджмента качества (сертификация организации в соответствии с гост р исо 9001-2008 или гост р <>001-201 5)

Рисунок 2.9 - Совокупность нормативной документации, регулирующий разработку на всех стадиях ЖЦП

Анализ стандартов, действующих на территории РФ и регулирующие проведение НИР и/или НИОКР, показал актуальность применения методов математического моделирования для решения технологических задач, возникающих на разных этапах жизненного цикла разработки и при разном уровне ее технологической готовности.

2.4 Методы математического моделирования для решения технологических задач на разных стадиях жизненного цикла разработки с учетом глубины проработки задачи и широты охвата рассматриваемых стадий

Как было показано в разделе 2.3 задачи, решаемые на разных этапах жизненного цикла продукции, имеют существенные отличия друг от друга по объему исходной информации, сложности и, как следствие, требуют привлечения различных методов математического моделирования.

Еще раз подчеркнем, что стадия сушки инкорпорирована во всю технологическую цепочку получения, хранения и использования материала, при этом все технологические стадии будут влиять как друг на друга, так и на конечный продукт. В зависимости от уровня технологической готовности проекта разработки технологии в целом и от спектра решаемых на текущей стадии разработки задач возможно, как сужение области, охватываемых при построении математического описания стадий, так и их расширение.

Наибольшей степенью риска характеризуются такие этапы ЖЦП, как этап «исследование и проектирование» и этап «разработка». Рассмотрим типовые виды работ на данных этапах, какие источники и объемы информации могут быть доступны и какие методы математического моделирования могут быть использованы.

Теоретические исследования проводят на начальном этапе разработки с целью выбора направлений дальнейших исследований, анализа мирового опыта и получения предварительной оценки перспективности разработки. При проведении анализа доступной научно-технической литературы и нормативной

документации позволяет получить некоторый объем информации, которую необходимо структурировать. Анализ найденной информации позволяет наметить возможные технологические приемы и диапазоны варьирования параметров.

Применение статистических методов анализа, включая мета анализ данных, на данном этапе возможно в рамках предварительного анализа влияния факторов на свойства получаемого продукта, в тех случаях, когда был получен достаточный объем структурированных данных.

После выбора направлений исследований наиболее часто при разработке технологий производства материала на основе модификации выбранных методов возникают задачи определения качественного и количественного состава многокомпонентного материала, отсева незначимых факторов и определения диапазонов варьирования факторов. Для решения перечисленных задач очень часто используются различные системы поддержки принятия решений (СППР) на основе прецедентов; в рамках экспериментальных исследований привлекаются методы планирования эксперимента, а при обработке результатов - методы анализа дисперсий или методы регрессионного анализа. Здесь также возможно построение интерполяционных моделей, например, при описании зависимостей физико-химических свойств многокомпонентного материала от условий (температура, давление, объем), расходов от скорости вращения вала насоса и т.д. При проведении экспериментальных исследований в рамках химического анализа получаемых образцов, особенно при исследовании многокомпонентных смесей, возможно также возникновение задач классификации, градуирования, разрешения многомерных кривых и др., требующих привлечения математических методов многомерной статистики. Можно отметить, что на данном этапе преимущественно исследователи стремятся использовать упрощенные математические модели. Применение же сложных математических моделей на данном этапе в основном связано с аналитическими задачами.

Полученные в результате упрощенные модели, например, уравнения

линейной регрессии, могут использоваться для извлечение дополнительной информации путем проведения вычислительного эксперимента в пространстве значений факторов, для которого доказана адекватность модели. На данном этапе уже возможно появления задач оптимизации, включая многокритериальную оптимизацию, что требует привлечение соответствующих математических методов.

На следующих этапах исследований часто возникают задачи, связанные с подтверждением наиболее принципиальных вопросов технологии, например, вопросы масштабирования, исследования режимов работы аппарата, прогнозирование отдельных характеристик материала на соответствие заданным требованиям, выбор конструкции аппарата или его отдельных элементов и другие. В рамках решения данных задач гидродинамики часто используются модели, основанные на механике сплошных или гетерогенных сред. Разработан большой класс моделей для определения динамической прочности конструкционных материалов. При анализе сложных плохо определенных стохастических систем широко применяются нейронные сети, метод Монте-Карло. Для прогнозирования структуры и свойств материала на микроуровне часто используют клеточно-автоматные модели, модели на основе предикторов, на основе графов. В целом данный этап характеризуется значительным усложнением применяемых математических моделей и подходов, увеличением числа параметров, ростом вычислительной сложности. В научно-технической литературе при решении задач на данном этапе описывается разработка и применение многоуровневых моделей или объединение нескольких подходов в рамках решения одной задачи.

В заключение, необходимо еще раз подчеркнуть, что при разработке технологии, включающей технологическую стадию сушки, процесс сушки необходимо рассматривать для большинства решаемых задач с учетом предыдущих и последующих стадий, поскольку они накладывают ограничение друг на друга. В процессе сушки материал претерпевает значимые изменения, в результате которых происходит изменение соотношений между компонентами

смеси, меняется форма и структура материала, его физико-химические свойства, может происходить инактивация или разрушение отдельных компонент вследствие теплового, осмотического и окислительного воздействия.

В зависимости от стадии проработки технологии производства в целом и от спектра решаемых на текущей стадии разработки возможно, как сужение области охватываемых при построении математического описания стадий, так и их расширение. В зависимости от объема исходных данных, ширины охвата жизненного цикла процесса и от решаемых при помощи математического моделирования задач на разных этапах разработки технологии требуется привлечение разных методов математического моделирования.

3 Комплексные исследования, математическое моделирование, оптимизация и масштабирование процессов распылительной сушки

В разделе 3 диссертационной работы рассмотрено применение ранее сформулированных положений по разработке технологических процессов, включающих стадию распылительной сушки, а именно:

- исследование, масштабирование и многокритериальная оптимизация распылительной сушки с учетом кинетики инактивации целевого компонента на примере распылительной сушки биомассы алюмо-кремниевого коагулянта-флокулянта и биомассы дрожжей;

- разработка пилотной технологии получения сухого пробиотического продукта на основе биомассы бифидобактерий;

- разработка и оптимизация технологии получения биологически активной кормовой добавки на основе биомассы галобактерий с учетом условий их культивирования и сохранения свойств при длительном хранении;

- разработка технологии получения фармацевтического препарата «Ибупрофен» с улучшенной кинетикой высвобождения на основе распылительной сушки эмульсии, содержащей систему доставки «липофильное вспомогательное вещество - растворенный активный фармацевтический ингредиент».

На данных примерах будет показано, как использование различных математических подходов в зависимости от охвата технологических стадий и стадий жизненного цикла продукта, совместное и последовательное применение разных математических моделей позволяет решать самые разнообразные задачи при проведении научно-исследовательских разработок.

3.1 Исследование, масштабирование и многокритериальная оптимизация

распылительной сушки с учетом кинетики инактивации целевого

компонента

Как уже отмечалось ранее в процессе распылительной сушки вследствие

высоких скоростей удаления влаги, присутствия окислителя (в случае сушки воздухом и топочными газами), большой площади контакта с горячим теплоносителем, может сопровождаться инактивацией или деградацией ценных компонентов, снижением концентраций легколетучих компонентов, входящих в состав многокомпонентных материалов. В данном разделе диссертационной работы рассмотрено последовательное решение задачи разработки технологии распылительной сушки для двух объектов: 1 - биомассы дрожжей (БДр); 2 -суспензии алюмо-кремниевого коагулянта-флокулянта (САККФ). Разработка включала несколько стадий поисковых и прикладных исследований:

1. Комплексные исследования объектов сушки, включая группу экспериментов на лабораторной распылительной сушилке с привлечением методов планирования эксперимента и с последующим анализом полученного продукта, оценкой производительности по сухому материалу и оценкой удельных затрат энергии, исследования кинетики сушки в тонком слое, а также регрессионным анализом полученных данных. Данные исследования позволили выявить ключевые факторы, оказывающие влияние на качество получаемого продукта, и определяющие его себестоимость.

2. Получение дополнительной информации об изменении температуры и влагосодержании капель/частиц в процессе распылительной сушки путем проведения серии вычислительных экспериментов с привлечением математической модели, основанной на положениях механики сплошных сред.

3. Построение модели кинетики инактивации/деградации для каждого из рассматриваемых объектов исследований, используя совокупность данных натурного и вычислительного экспериментов, путем выбора типа уравнения и определение входящих в него констант одним из методов многопараметрической оптимизации - метод роя пчел.

4. Применение разработанных математических моделей для вычислительного эксперимента по распылительной сушки объектов исследований на установке производительностью до 5 л/ч по испаряемой влаге и определение оптимальных условий с точки зрения минимизации энергозатрат и достижения качественных

показателей продукта.

Рассмотрим вышеперечисленные стадии исследований более подробно.

3.1.1 Комплексные исследования объектов сушки и регрессионный анализ

результатов экспериментов

Лабораторная установка Mini Spray Dryer B-290, Buchi

При проведении исследований по распылительной сушке была использована лабораторная установка Mini Spray Dryer B-290, Buchi (Швейцария), максимальной производительностью по испаренной влаге 1 л/ч. На рисунке 3.1 приведен внешний вид установки.

Установка представляет собой сборную конструкцию, состоящую из металлического каркаса с монтированными блоком управления, перистальтическим насосом (3) и электрическим калорифером (максимальная температура нагрева 220 °С), фильтра грубой очистки (1) входящего воздуха (забор воздуха производиться непосредственно из помещения), стеклянной распылительной камеры (6) с установленным снизу приемником крупных частиц, пневматической форсунки внутреннего смешения (4), снабженной иглой для прочистки «носика» форсунки непосредственно в процессе сушки, циклона (7) с установленным снизу сборником продукта (8), рукавного фильтра (9) с установленным манометром для возможности контроля оператором степени забивания фильтра по значениям перепада давления, воздушного насоса (максимальная производительность до 35 м3/ч). Сжатый воздух, подаваемый на форсунку, поступает по газопроводу от внешнего компрессора через редуктор,

Mini Spray Dryer B-290, BÜCHI

Рисунок 3.1 - Лабораторная распылительная сушилка

поддерживающий давление на выходе из редуктора 6 бар. Подробное описание и технические характеристики установки приведены на сайте производителя [215].

Исследования распылительной сушки биомассы дрожжей Rhodotorula rubra, обогащённых каротиноидами (объект 1), и регрессионный анализ

экспериментальных данных Наработку биомассы дрожжей Rhodotorula rubra проводили сотрудники кафедры биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева в соответствии с разработанным ими протоколом интенсификации каротогинеза путем воздействия на биомассу регламентированными дозами перекиси водорода [216-217]. Обогащённая каротиноидами биомасса может применяться в качестве биоактивной добавки в комбикормах.

Исследования распылительной сушки биомассы дрожжей проводили в соответствии с ортогональным планом второго порядка, при этом на пяти уровнях варьировали следующие параметры ведения процесса: температура сушильного агента на входе в камеру (х± (°С), на уровнях 130 (-а), 144 (-1), 170 °С (0), 196 (+1), 210 (+а)); расход сушильного агента (х2 (м3/ч), на уровнях 27 (-а), 29 (-1), 31 (0), 33 (+1), 35 (+а)); расход сжатого воздуха (х3 (мм.возд.ст.), на уровнях 30 (-а), 33 (-1), 40 (0), 47 (+1), 50 (+а)); массовый расход биомассы дрожжей (х4 (кг/ч), на уровнях 0.35 (-а), 0.42 (-1), 0.57 (0), 0.72 (+1), 0.78 (+а)). Всего было проведено 27 экспериментов; из них три - в центре плана.

Была проведена оценка сохранения антиоксидантной активности сухого продукта по сравнению с исходной биомассой (у± (%)), определено остаточное влагосодержание продукта (у2 (%)), а также были рассчитаны затраты энергии на сушку 1 кг БДр (у3 (кДж/кг)).

Сохранение антиоксидантной активности оценивалось как процентное отношение антиоксидантной активности сухой биомассы к данному показателю, измеренному для материала, подаваемого на сушку. Измерение антиоксидантной активности проводили на кафедре биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева в соответствии с методикой, разработанной Сиротой Т.В. [218]. Измерения проводились в трех повторностях; полученные результаты усреднялись.

Остаточное влагосодержание сухих образцов определяли термогравиметрическим методом путем досушивания образцов до постоянной массы. При проведении испытаний использовался анализатор влажности AGS, AXIS (Польша). Измерения проводились в трёх повторностях; полученные результаты усреднялись.

Расчёт удельных затрат энергии проводили путем суммирования удельных затрат энергии на работу компрессора, перистальтического насоса, воздушного насоса, калорифера, которые рассчитывались исходя из технических характеристик оборудования, расходов теплоносителя, сжатого воздуха и БДр. Описание методики расчёта приведено в работе [219].

Матрица планирования эксперимента и полученные результаты приведены на рисунке 3.2. Представленные на рисунке 3.2 экспериментальные данные наглядно показывают, что условия распылительной сушки - температура сушильного агента, соотношение потоков сушильного агента и обезвоживаемого материала, расход сжатого воздуха, влияющего на размер формируемых капель -значимо сказываются на снижении антиоксидантных свойств БДр. Худшие результаты были получены в опытах №№ 21 и 27 - сухая биомасса не проявила антиоксидантную активность. Остаточное влагосодержание во всех образцах не превышает пороговое значение в 5 %. Удельные энергозатраты значимо отличаются в зависимости от условий ведения процесса.

Был проведен регрессионный анализ в соответствии с методикой, изложенной в работах [220-221], и получены уравнения линейной регрессии для прогнозирования сохранения антиоксидантной активности в процессе распылительной сушки (3.1) и остаточного влагосодержания (3.2).

у± = 5.41 • х± - 5.12 • х3 - 5.05 • х± • х3 + 8.92 • xf + 9.28 • х4 (3.1)

у2 = 0.0181 - 0.0023 • х± - 0.0017 • х2 + 0.0070 • х| + 0.0028 • х4 (3.2) При проведении регрессионного анализа дисперсия воспроизводимости оценивалась по результатам повторных опытов в центре плана. Для отсева не значимых коэффициентов применялся критерий Стьюдента, а для проверки адекватности полученных регрессионных моделей - критерий Фишера.

№ Xi X2 Хз X 4

1 +1 + 1 +1 + 1

2 -1 -1 +1 + 1

3 +1 -1 -1 + 1

4 -1 + 1 -1 + 1

5 +1 -1 +1 -1

6 -1 + 1 +1 -1

7 +1 + 1 -1 -1

8 -1 -1 -1 -1

9 +1 -1 +1 + 1

10 -1 + 1 +1 + 1

11 +1 + 1 -1 + 1

12 -1 -1 -1 + 1

13 +1 + 1 +1 -1

14 -1 -1 +1 -1

15 +1 -1 -1 -1

16 -1 + 1 -1 -1

17 0 0 0 0

18 0 0 0 0

19 0 0 0 0

20 1.546 0 0 0

21 -1.546 0 0 0

22 0 1.546 0 0

23 0 -1.546 0 0

24 0 0 1.546 0

25 0 0 -1.546 0

26 0 0 0 1.546

27 0 0 0 -1.546

%

60 40 20 0

Сохранение антиоксидантной активности

.1Й

I

||

11111 I

.,1

%

4 3 2 1 0

кДж/кг 2500 2000 1500 1000 500 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Остаточное влагосодержание

llllllll

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Удельные затраты энергии

1111

||||

I

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Рисунок 3.2 - Матрица планирования эксперимента по распылительной сушке БДр (слева) и экспериментальные данные (справа)

Благодаря тому, что выбранный план ортогональный, коэффициенты регрессионного уравнения не зависят друг от друга и при отбрасывании незначимых коэффициентов пересчет остальных не требовался.

Полученные регрессионные модели были использованы для определения локальных оптимумом. Было найдено, что максимальное сохранение антиоксидантной активности возможно при следующих условиях: хх = 210 °С, х2 = 27 м3/ч, х3 = 30 мм. возд. ст., х4 = 0.35 кг/ч; минимальное остаточное влагосодержание будет достигаться при следующих условиях: хх = 210 °С, х2 = 35 м3/ч, х3 = 40 мм. возд. ст., х4 = 0.57 кг/ч; минимальные удельные затраты энергии будут достигнуты при минимальных времени сушки (максимальный расход биомассы х4 = 0.78 кг/ч), температуре сушильного агента (хх = 130 °С), расходе сушильного агента (х2 = 27 м3/ч), расходе сжатого воздуха (х3 = 30 мм. возд. ст.).

Поскольку локальные оптимумы не совпадают, то для определения глобального оптимума была проведена свертка критерия по методу утопической точки. Методика расчета приведена в работах [220-221]. Были получены следующие координаты глобального оптимума (координаты точки компромисса): хх = 210 °С, х2 = 35 м3/ч, х3 = 30 мм. возд. ст., х4 = 0.62 кг/ч. При данных условиях был проведен дополнительный эксперимент и получены следующие значения оцениваемых параметров: сохранение антиоксидантной активности -43.4 %, остаточное влагосодержание - 2.2 %, удельные затраты энергии -1602 кДж/кг.

Исследования распылительной сушки суспензии алюмо-кремниевого коагулянта-флокулянта (объект 2), и регрессионный анализ экспериментальных данных

Суспензию алюмо-кремниевого коагулянта-флокулянта (САККФ) нарабатывали на кафедре промышленной экологии РХТУ им. Д.И Менделеева путем обработки нефелинового концентрата серной кислотой с образованием активных (растворимых) солей алюминия, щелочных и кремнекислородных

компонентов. Реакцию разложения в общем виде можно записать следующим образом:

(Na, tf)20 • Л/203 • 25i02 + 4Я2504 + aq ^ ^ (Na, tf)2S04 + Л/2(504)3 + 25i02 • Я20 + aq САККФ может применяться в больших объемах для очистки стоков промышленных предприятий, городских коммунальных стоков. Транспортировать и хранить АККФ удобнее в сухой форме. При тепловой сушке возможен переход ионов алюминия из активного состояния в нерастворимую форму, что необходимо учитывать при выборе режима ведения процесса.

Исследования распылительной сушки АККФ проводили в соответствии с композиционным планом, при этом на трех уровнях варьировали следующие параметры ведения процесса: расход сушильного агента (хх (м3/ч), на уровнях 24 (-1), 31 (0), 38 (+1)); температура сушильного агента на входе в камеру (х2 (°С), на уровнях 130 (-1), 150 °С (0), 170 (+1)); массовый расход САККФ (х3 (кг/ч), на уровнях 0.32 (-1), 0.43 (0), 0.54 (+1)). Всего было проведено 17 экспериментов, из них три - в центре плана.

Была проведена оценка количества ионов алюминия в растворимой форме в сухом продукте (ух (г/г)). Анализ проводили фотометрическим методом с использованием алюминона, который при реагировании с ионами алюминия образует окрашенное комплексное соединение, детектируемое фотометрически в видимом диапазоне длин волн (от 525 до 540 нм) [219, 222]. Измерения проводились в трех повторностях; полученные результаты усреднялись. Так же измеряли массу сухого продукта (у2 (г)), для учета потерь за счет адгезии частиц к стенкам камеры, и рассчитывали удельные затраты энергии (у3 (кДж/кг)). Остаточное влагосодержание образцов во всех опытах не превышало 3,6 %.

Матрица планирования эксперимента и полученные результаты приведены на рисунке 3.3. В каждом эксперименте на сушку подавали 100 г суспензии. Продукты с минимальными содержаниями активной формы алюминия были получены в опытах №№ 3 и 9; в опыте № 4 был получен самый низкий выход сухого продукта. Был проведен регрессионный анализ в соответствии с методикой,

изложенной в работах [220-221], и получены уравнения линейной регрессии для прогнозирования содержания активной формы алюминия (3.3) и выхода продукта (3.4).

№ Х1 Х2 Х3

1 +1 +1 +1

2 -1 +1 +1

3 +1 -1 +1

4 -1 -1 +1

5 +1 +1 -1

6 -1 +1 -1

7 +1 -1 -1

8 -1 -1 -1

9 +1 0 0

10 -1 0 0

11 0 +1 0

12 0 -1 0

13 0 0 +1

14 0 0 -1

15 0 0 0

16 0 0 0

17 0 0 0

г/г Содержание А13+

:: 1111111111111 1111 [

? 12 3 4 г 1 с 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Выход продукта 14 15 16 17

15 0 | | 1 0 1|||||||| 1111

12 3 4 кДж/кг 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Затраты энергии 14 15 16 17

3000 2000 000 1 1 1 1 ||||||||||||| 1

12 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Рисунок 3.3 - Матрица планирования эксперимента по распылительной сушке САККФ (слева) и экспериментальные данные (справа) у1 = 0.614 + 0.009 • х2 + 0.011 • хххг - 0.015 • + 0.030 • (3.3)

у2 = 12.414 + 1.044 • х1 - 1.383 • хххг + 1.118 • х2х3 - 1.638 • х| - 1.243 • х1х2х3(3.4)

При проведении регрессионного анализа дисперсия воспроизводимости оценивалась по результатам повторных опытов в центре плана. Для отсева не значимых коэффициентов применялся критерий Стьюдента, а для проверки адекватности полученных регрессионных моделей - критерий Фишера. Поскольку использованый композиционный план не является ортогональным, то коэффициенты уравнений регрессии рассчитывались итерационно: проводился расчет для полной модели, определялись не значимые коэффициенты, формулировалась упрощенная модель и расчёт коэффициентов проводился заново.

Полученные регрессионные модели были использованы для определения локальных оптимумом. Было найдено, что максимальное содержание активной

формы алюминия в продукте возможно при следующих условиях: хх = 24 м3/ч, х2 = 170 °С, х3 = 0.54 кг/ч; максимальный выход продукта будет достигаться при следующих условиях: хх = 38 м3/ч, х2 = 130 °С, х3 = 0.36 кг/ч; минимальные удельные затраты энергии будут достигнуты при минимальных времени сушки (максимальный расход САККФ х3 = 0.54 кг/ч), температуре сушильного агента (х2 = 130 °С), расходе сушильного агента (хх = 24 м3/ч).

Поскольку локальные оптимумы не совпадают, то для определения глобального оптимума была проведена свертка критерия по методу утопической точки. Методика расчета приведена в работах [220-221]. Были получены следующие координаты глобального оптимума (координаты точки компромисса): хх = 24 м3/ч, х2 = 170 °С, х3 = 0.54 кг/ч. Такие условия процесса распылительной сушки были реализованы в опыте № 2, проведение дополнительного эксперимента в данном случае не потребовалось.

Исследования кинетики сушки БДр и САККФ, нанесенных тонким слоем на непористую подложку Для снятия кинетических кривых применяли анализатор влажности AGS, AXIS (Польша). Данный прибор включает высокоточные весы, опору для размещения образца, галогеновые лампы с регулятором интенсивности излучения, блок управления и контроля с выводом данных на дисплей или ПК. Точность взвешивания составляет 0,001 г; погрешность определения содержания растворителя в образце 0,01 %; максимальная температура нагрева - 160 °С; время прогрева рабочей камеры - 1 мин [223].

При проведении эксперимента камера анализатора влажности предварительно прогревалась до требуемой температуры. Образец при помощи валика равномерно наносился на предварительно оттарированную непористую подложку (алюминиевую чашку), которая затем помещалась на опору, расположенную внутри камеры. Кинетические кривые снимались в автоматическом режиме. Данные передавались на ПК. На рисунке 3.4 приведены кинетические кривые для биомассы дрожжей, снятые при разных температурах; на рисунке 3.5 - кинетические кривые для суспензии алюмо-кремниевого коагулянта-

флокулянта.

Рисунок 3.4 - Кинетические кривые для БДр

Рисунок 3.5 - Кинетические кривые для САККФ Приведенные кинетические кривые показывают, что сушка биомассы

дрожжей проходит как в первом, так и во втором периоде, в то время при сушке суспензии алюмо-кремниевого коагулянта-флокулянта период падающей скорости сушки практически отсутствует.

3.1.2 Проведение вычислительного эксперимента с целью формирования набора данных об изменении температуры и влагосодержания капель/частиц в процессе

распылительной сушки

Для формирования массива данных об изменении температуры и влагосодержания капель/частиц от времени их пребывания в распылительной камере была применена математическая модель, построенная на основе механики сплошных сред и подхода Эйлера-Лагранжа: уравнения для непрерывной фазы записаны в координатах Эйлера; уравнения для дисперсной фазы - в координатах Лагранжа (при условии, что ее содержание не превышает 10 %); взаимодействие фаз учитывается через дополнительные члены, включенные в уравнения сохранения массы, импульса и энергии. Математическая модель была реализована в коммерческом программном пакете Fluent, ANSYS.

При описании кинетики сушки единичной капли/частицы в первом периоде сушки исходили из допущений, что капли/частицы имеют сферическую форму, однородны по объему, влага равномерно испаряется со всей поверхности капли/частицы, при этом ее радиус и масса уменьшаются пропорционально количеству испарившейся влаги.

Для расчета процесса сушки БДр так же необходимо учесть наличие второго периода сушки единичной капли/частицы (см. рисунок 3.4). Основным допущением при расчете кинетики сушки единичной капли/частицы в периоде падающей скорости сушки является ее условное разделение на две области: внешний слой с достигнутой конечной влажностью, толщина которого в процессе сушки увеличивается ( Г;(t) < гк < г); жидкое сферическое ядро, влагосодержание которого принимается равным критическому и радиус которого в процессе сушки постоянно уменьшается (0 < гя < г^(t)). Уравнения тепло- и массопереноса в этом случае записываются отдельно для каждой выделенной области. Еще одним

допущением для рассматриваемой модели являлось постоянство диаметра капли/частицы во втором периоде сушки.

Система уравнений математической модели, описывающей гидродинамику, тепло- и массообмен между непрерывной и сплошной фазами в камере приведена ниже.

Непрерывная фаза

- уравнение сохранения массы, записанное в общем виде и покомнонентное

^ + ^ШСР^) = ]

9С

+ ) = -йш / +

- уравнение сохранения импульса

Р1 + = - дгай (р + йш г^) + (д^)

- уравнение сохранения энергии

р1 Тг + ?) = ' ^ + + Г1) -/ +1)

Модель турбулентности

- уравнение для учета кинетической энергии турбулентности

, 9 , \ 9 3 /И , vт 9fe

+ = Т" ) + _

9С 95; 4 7 у 95/ 95; 35/

++

- уравнение для учета скорости диссипации кинетической энергии турбулентности

+ Т? = + г £,. + £НЛ-Г £

9С + ^ 957- = 957- и 957) + С£1 * Ут ( 957- + 95й) С£2 к

Дисперсная фаза

- уравнение сохранения массы %+= 0

- уравнение сохранения импульса ш/^^2 = -Л р + 7тг/^12 + тл/д

(3.5)

(3.6)

(3.7)

(3.8)

(3.9)

(3.10)

(3.11)

(3.12)

уравнение сохранения энергии

_ ¿^Г + М(71 - 72) - - Л2) (3.13)

Дополнительные соотношения

- уравнение для расчета массового потока от ансамбля частиц в непрерывную фазу

/_ /"/^т (3.14)

- уравнение для расчета силы сопротивления

^12 = ^Ь (^1-^2) (3.15)

- уравнение для расчета коэффициента трения

^ _ — (3.16)

Начальные и граничные условия

- начальные условия

(3.17)

(3.18)

VI | С=0 _ ^1вх, 7\ I С=0 _ Г1ВХ, У111 С=0 _ У1 ¿вх, ^ С=0 _ ^2вх, Я *=0 _ /о, =0 =0 =0 =0 =0

72 1 С=0 _ 7>2ВХ =0

- граничные условия 1 хст,уст _ 0, 0гай Г1 11 Хст>Уст _ 0, 71 Хст>Уст _ /(Гос, Яст),

^ Хст,Уст _ ^2

При записи системы уравнений (3.5)-(3.18) были использованы следующие условные обозначения: р 1 - плотность распределения массы или плотность среды, кг/м3; t - временная переменная, с; г?1 - вектор скорости сплошной среды, м/с; к - энтальпия, связанная с коэффициентом теплоемкости соотношением

к _ /0Тср1 ( Г) й Г; Е - единичная матрица; Р - тензор напряжений; 5 - тензор

скоростей деформаций; 1 - динамический коэффициент вязкости; -

гидростатическое давление, р_ - 3 (р11 + р 22 + р33); F - объемные силы,

действующие на элементы объема, например, силы веса, тяготения, инерции и другие; и - удельная (отнесенная к единице массы) внутренняя энергия среды; Я1 - коэффициент теплопроводности газа; 7\ - температура газа; и -пульсационные составляющие количества движения р 1т;1 потока со скоростью р1;

к - кинетическая составляющая энергии турбулентности; £ - скорость диссипации энергии турбулентности; ак - эмпирическая постоянная; ут - коэффициент турбулентной вязкости, связанный с кинетической энергией турбулентности

эмпирическая постоянная; св - эмпирическая постоянная; о£, с£1, с£2 -эмпирические постоянные; Б], Бк - координаты; - массовая доля /-го компонента, входящего в состав непрерывной фазы; I - поток /-го компонента; От1 - коэффициент диффузии /-го компонента вследствие градиента концентраций; Оп - коэффициент диффузии /-го компонента вследствие градиента температуры (диффузия Сорэ); ц - скорость изменения массы частицы; f -

плотность распределения частиц по массе; т - масса частицы; х>2 - скорость дисперсной фазы; А2 - площадь поверхности частицы; д - ускорение свободного

падения; Р12 - сила сопротивления; й2 - диаметр частицы; Сп - коэффициент сопротивления.

Математическая модель, описывающая кинетику сушки капли в первом и втором периоде приведена ниже. При описании кинетики сушки в первом периоде предполагают, что размер капли в процессе сушки уменьшается пропорционально количеству испаренной влаги. При описании кинетики сушки капли во втором периоде использовался подход, согласно которому существует две зоны - сухая оболочка и влажное ядро, разделенные движущейся к центру в процессе обезвоживания границей. Влага перемещается через слой сухого материала диффузионно.

Уравнения, описывающие кинетику сушки единичной капли

в первом периоде сушки - уравнение для расчета изменения температуры частицы

соотношением

масштаб турбулентности; с.

(3.19)

- уравнение для расчета изменения размера капли

1 йт

(3.20)

Р2А2 ль

- уравнение для расчета изменения массы капли

77 _ IT _ А- ) (3.21) Уравнения, описывающие кинетику сушки единичной капли/частицы во втором

периоде сушки

- уравнение для расчета изменения температуры сухой оболочки

Ргя ср2я ^f = ^ (^r2 0 < г < n(t) (3.22)

- уравнение для расчета изменения температуры жидкого ядра

^ _ г (t) <г<гч (3.23)

дt г2 dr V дг У 1 w ч v '

- уравнение для расчета изменения положения границы раздела областей

d г1(с) 1 ^ ^

—— =------(3 24)

dt £0g р2я4яг;2 dt V • /

- уравнение для расчета изменения

_ dm _ ^Шкон i ^шдиф _ Вfc ЭяГчГ/М р i д р i +

.. niT 1 т* Л

i

dt dt dt Д(Т2п+Т1п) 9 г

8я £0баО Мгчг

^(7,2п-7,1п)(Р 1-Р1вп)

2я

i_(„ ЁЕ1-Г) ЁЕзвп)

• 1вп) (Р1п 9r 9r )

Граничные условия

(3.25)

_ 0 г _ 0

or

?2я _ ^2к Г _ П( О

+ ^исп^Ш r_r.(t) (3.26)

дг 2я дг Ai dt 1 ( )

ч

Дополнительные соотношения

- уравнение для расчета коэффициента теплообмена

А- _ ^ (3.27)

- уравнение для расчета коэффициента масообмена

Дм _ ^ (3.28)

- критерий Нуссельта

Ми _ (2 + 0.6Де1/2Рг1/3)(1 + В)-07 (3.29)

- критерий Шервуда

Sh = (2 + 0.6Re1/2Sc1/3)(1 + В)-07 (3.30)

При записи системы уравнений (3.19)-(3.30) были использованы следующие условные ранее не указанные обозначения: - коэффициент теплоотдачи; а2 -объемная доля дисперсной фазы; U - удельная энергия; hvlcn - удельная теплота парообразования; Т1 - температура сушильного агента; Т2 - температура капли; ср2 - удельная теплоемкость капли; Nu - критерий Нусельта; DT - коэффициент тепловой диффузии; pvn, pVOT - парциальное давление водяного пара у поверхности частицы и в объеме непрерывной фазы, соответственно; Sh - критерий Шервуда; DM - коэффициент диффузии водяного пара; Re - критерий Рейнольдса;

В = CplTl 722 - критерий; Т2я - температура в зоне жидкого ядра; Т2к - температура

h-исп

в зоне твердой оболочки; гч - радиус частицы; £об - пористость оболочки; р± -давление непрерывной фазы (смесь воздух - водяной пар); р1вп - давление

4v 2£

водяного пара; Bk = —J _о - коэффициент проницаемости оболочки; а -

1о0(Д—£0б)

коэффициент термического расширения оболочки.

Математическая модель была использована для расчёта процесса распылительной сушки БДр и САККФ на установке лабораторного масштаба в соответствии с условиями проведенных экспериментов. В качестве примера на рисунке 3.6 приведена визуализация результатов расчета для одного из вычислительных экспериментов: температура и влагосодержание единичной частицы, время пребывания которой соответствует среднему значению и профиль температуры непрерывной фазы.

Расчеты в программном пакете проводились в автоматизированном режиме. Алгоритм стыковки программных модулей и передачи данных между ними отображен на рисунке 3.7.

На первом шаге с помощью дополнительного разработанного на языке Python исполняющего файла, выполняющего следующую последовательность действий: загрузка в программный пакет задания на расчет, инициализация расчёта, выгрузка результатов расчета из программного пакета во внешний файл в кодировке ASCII.

Рисунок 3.6 - Пример данных, полученных в результате вычислительного эксперимента; условия расчёта: объект - биомасса дрожжей; геометрические размеры установки соответствуют Mini Spray Dryer B-290; x1=170 °С; x2=31 м3/ч;

x3=1.1 м3/ч; x4=0.57 кг/ч

Подготовка исполняющего файла содержащего параметры расчета и начальные условия

Инициализация процесса расчета (Python)

Загрузка данных в MatLab

Вычисление данных о температуре и массе частицы в аппарате в программном пакете Fluent

Выгрузка данных о температуре и

массе частицы в аппарате (100 частиц для каждого расчета) Выгрузка в 2 ASCII файла

Усреднение данных по времени для каждого набора начальных условий

Выгрузка усредненных данных (одна частица для каждого расчета) Выгрузка в 1 ASCII файл

Передача данных в модуль многопараметрической оптимизации

Рисунок 3.7 - Алгоритм стыковки программных модулей и передачи данных

между ними

Для обработки данных использовался программный модуль, разработанный на языке Matlab, который проводил распознавание данных, определял время пребывания каждой частицы из переданного массива (число частиц в расчёте равнялось 100 шт.), рассчитывал среднее время пребывания капель/частиц в аппарате, определял порядковый номер частицы, время пребывания которой минимально отклонялось от рассчитанного среднего значения, выгружал данные об изменении температуры и влагосодержания для данной «типовой» частицы во внешний файл в кодировке ASCII, который далее передавался на модуль многопараметрической оптимизации, используемый для построения кинетической модели инактивации/деградации ценных компонентов в процессе распылительной сушки.

Рассмотрим методику построения модели кинетики инактивации/деградации многокомпонентного материала в процессе распылительной сушки по результатам натурного и вычислительного экспериментов.

Построение модели кинетики инактивации/деградации многокомпонентного материала в процессе распылительной сушки

Если обозначить переменной С - оцениваемый параметр качества многокомпонентного материала, то изменение данного параметра в процессе распылительной сушки можно описать кинетическим уравнением (3.31):

^ _ - /Сд(ГД) • С (3.31)

Изменение параметра качества происходит в результате влияния глубины и скорости нагрева капли/частицы, степени обезвоживания и скорости удаления влаги. В зависимости от природы материала, какие-то из перечисленных факторов могут не играть роли или, наоборот, играть решающее значение. Для учета данных факторов исследователями были предложены различные выражения для определения кинетической константы /сд.

В данной работе были выбраны четыре типа выражений, представленных в таблице 3.1. В уравнениях (3.32)-(3.35) переменная характеризует энергию инактивации/деградации - минимальная энергия, которая вызывает реакцию

необратимого изменения вещества под влиянием температуры (денатурацию клеточного белка, ферментов и так далее) и определяется типом материала; Яд -универсальная газовая постоянная; Т — температура теплового воздействия, К, к0 - численный показатель природы вещества, характеризующий состояние объекта (наличие лабильных центров и связей, а также степень влияния теплового и осмотического шока на них); а, Ь - постоянные.

Таблица 3.1 - Выражения, для описания кинетической константы к

Выражение для кинетической константы Учитывает влияние

Уровня нагрева Скорости нагрева Глубины обезвоживания Скорости удаления влаги

ка = к0ехр^ К (3.32) Да Нет Нет Нет

/ М ка = к0 • ехр(а • X) •ехру д т) (3.33) Да Нет Да Нет

ка = к0(г + Ъ ах йг У^ч'т) (3 34) Да Нет Нет Да

ка = к0(1 + а (И )(1 + » Л^и'т) (3 35) Да Да Нет Да

Уравнения (3.32)-(3.35) учитывают разную совокупность факторов, следовательно, от выбора типа уравнения инактивации/декградации будет зависеть предсказательная способность модели. Другой проблемой построения модели инактивации/деградации является тот факт, что входящие в выражение для кинетической константы постоянные (Еа, к0, а, Ь) определяются эмпирическим путем. В данной работе построение модели происходило в два последовательных этапа, выполненных для каждого исследуемого объекта сушки.

На этапе I, используя совокупность экспериментальных (условия ведения эксперимента и характеристики многокомпонентного материала до и после распылительной сушки) и расчетных данных (осредненные зависимости

температуры и влагосодержания капли/частицы от времени пребывания в аппарате, полученные для всех условий натурного эксперимента), для каждого типа уравнения были определены с использованием имитационного метода многопараметрической оптимизации (метод роя пчел) значения постоянных , /с0, а, Ь. В качестве оптимизируемой функции была выбрана сумма квадратов

рассогласования экспериментального и расчётного значения отслеживаемой

2

характеристики после распылительной сушки: Ф _ Е;:=к1сп( £эксп; — £расЧ;) . Осуществлялся поиск минимума данной функции.

Метод роя пчел подробно описан [219, 224]. Данный метод был реализован на языке Python. Алгоритм метода поиска приведен на рисунке 3.8.

На этапе II анализировались значения критериев, полученных с определенными на этапе I наборами значений постоянных , /с0, a, b для представленных в таблице 3.2 выражений кинетической константы к d, и в качестве рабочего выбиралось то выражение, для которого критерий Ф принимал минимальное значение.

В результате проведенных расчетов были определены следующие уравнения для описания кинетики инактивации/декградации в процессе распылительной сушки: уравнение (3.36) - для биосуспензии дрожжей; уравнение (3.37) - для суспензии алюмо-кремниевого коагулянта-флокулянта.

На рисунках 3.8 и 3.9 приведены примеры расчёта по найденным математическим моделям.

На рисунках 3.7-3.8 приведены кривые изменения параметров для 10 случайно выбранных капель/частиц из принятых в расчётах 100 шт.

Полученные уравнения позволяют сделать вывод, что при сушке биосуспензии дрожжей критическим для инактивации входящих в состав клеток каротиноидов является не только повышение температуры материала, но и

(3.36)

(3.37)

скорость роста температуры и скорость обезвоживания. Высокие скорости сушки будут приводить к массовому разрушению клеточных мембран, выбросу каротиноидов во внешнюю среду, их взаимодействию с присутствующими окислителями и, как следствие, их инактивацию. В случае сушки САККФ значимое влияние будет оказывать температура материала и скорость удаления растворителя.

Рисунок 3.8 - Алгоритм расчёта по методу роя пчел

Рисунок 3.8 - Изменение антиоксидантной активности многокомпонентного продукта в процессе распылительной сушки; условия вычислительного эксперимента: Тса=170 0С; Fca=31 м3/ч; L=1.1 м3/ч; Nжид=0.57 кг/ч

Рисунок 3.8 - Изменение концентрации активной форма алюминия в многокомпонентном продукте в процессе распылительной сушки; условия вычислительного эксперимента: Тса=130 0С; Бса=38 м3/ч; Кжид=0.54 кг/ч Модели кинетики инактивации/деградации были использованы для поиска условий сушки рассматриваемых материалов на установке производительностью

до 5 кг/ч (пилотный масштаб).

3.1.3 Масштабирование процесса распылительной сушки с использованием разработанного математического описания и выдача рекомендаций по ведению процесса в аппарате промышленного масштаба с учетом прогнозируемого

качества продукта

Разработанные математические модели распылительной сушки и кинетики инактивации/деградации были использованы совместно для расчёта сушки БДр и САККФ в установке Minor Spray Dryer, NIRO (рисунок 3.9).

а б

Рисунок 3.9 - Установка Minor Spray Dryer, NIRO: а - внешний вид; б - принципиальная схема Объем рабочей каперы составляет 0.6 м3; технические характеристики установки приведены в работе [224].

Вычислительный эксперимент проводился в виде полного перебора следующих устанавливаемых уровней параметров ведения процесса: температура сушильного агента на входе в распылительную камеру варьировалась от 150 до 350 °С с шагом 50 °С; расход материала, подаваемого на сушку варьировался от 1 до 4 кг/ч с шагом в 1 кг/ч. Расход теплоносителя во всех вычислительных экспериментах устанавливали равным 80 м3/ч.

На рисунке 3.10-3.11 приведены в качестве примера некоторые из полученных результатов.

а

б

в г д

Рисунок 3.10 - Примеры данных, полученных в результате серии вычислительных экспериментов: профиль температуры сушильного агента по объему камеры (а) и данные по температуре и влагосодержанию материала в процессе сушки (б), рассчитанные для температуры сушильного агента на входе в аппарат 150 °С и расходе БДр 1 кг/ч; рассчитанные значения остаточного влагосодержания (в), снижения антиоксидантной активности (г) и удельных энергозатрат (д) в

зависимости от условий процесса Для случая распылительной сушки БДр для определения условий ведения процесса критерий оптимизации был задан в форме уравнения (3.38) с дополнительным ограничением, что остаточное влагосодержание продукта не должно превышать 3 %.

2 х, ¿Г) = Мх^Г, 72вх) + а2Д2 Вх, ¿2вх) (3.38)

где Я! = (1 — С(72х,72х)); Я2 = —1 , 2 ; 72х - температура сушильного агента;

- расход БДр; Е - энергозатраты; весовые коэффициенты аг = 0.6, а2 = 0.4.

Анализ данных позволил рекомендовать следующие условия ведения процесса: расход БДр - 4 кг/ч; температура сушильного агента на входе в аппарат - 250 °С, при которых снижение антиоксидантной активности составляет не более 60 %, соблюдается наложенное ограничение на остаточное влагосодержание продукта, а затраты энергии не превышают 7000 кДж/кг.

а б в

Рисунок 3.11 - Примеры данных, полученных в результате серии вычислительных экспериментов: профиль температуры сушильного агента по объему камеры (а) и данные по температуре и влагосодержанию материала в процессе сушки (б), рассчитанные для температуры сушильного агента на входе в аппарат 300 °С и расходе САККФ 4 кг/ч; рассчитанные значения концентрации активной формы алюминия в сухом продукте (в) в зависимости от условий процесса Для случая распылительной сушки САККФ для определения условий ведения процесса критерий оптимизации был задан в форме уравнения (3.38) с дополнительным ограничением, что остаточное влагосодержание продукта не должно превышать 10 %. Весовые коэффициенты задавались равными аг = 0.5, а2 = 0.5.

Анализ данных позволил рекомендовать следующие условия ведения процесса: расход САККФ - 4 кг/ч; температура сушильного агента на входе в аппарат - 150 °С, при которых значение концентрации активной формы алюминия в продукте составляет не менее 0.9 г/г, соблюдается наложенное ограничение на остаточное влагосодержание продукта, а затраты энергии не превышают 7000 кДж/кг.

Таким образом, включение в математическое описание модели кинетики инактивации/деградации многокомпонентного материала позволяет определять технологические режимы работы оборудования, обеспечивающие получение продуктов с высокими показателями качества.

3.2 Разработка пилотной технологии получения сухого пробиотического продукта на основе биомассы бифидобактерий

Разработка пилотной технологии получения сухого пробиотического продукта на основе биомассы бифидобактерий включала несколько стадий поисковых и прикладных исследований:

- Комплексное исследование объекта сушки - биомассы бифидобактерий (ББ), которое включала исследование термолабильности микроорганизмов и влияние защитных сред (протекторов) на выживаемость при тепловом стрессе; исследование физико-химических свойств и кинетики сушки тонкого слоя материала, обдуваемого потоком теплоносителя.

- Исследование гибели микроорганизмов в процессе распылительной сушки ББ на установке лабораторного масштаба и оценка влияния защитных сред (протекторов) на повышение доли выживших клеток.

- Комплексное исследование процесса распылительной сушки модельного материала, включая исследование гидродинамики, тепло- и массообмена, на исследовательской установке промышленного масштаба; разработка и апробация математической модели на основе положений механики гетерогенных сред.

- Масштабирование технологии получения сухого пробиотического продукта на основе биомассы бифидобактерий и расчет сушилки производительностью 4.5 кг/ч по многокомпонентному материалу.

На рисунке 3.12 показаны связи между отдельными стадиями проведенных поисковых и прикладных исследований. Рассмотрим каждую из них более подробно.

3.2.1 Комплексное исследование объекта сушки - биомассы бифидобактерий

В качестве объекта исследований был выбран широко используемый в пищевой промышленности и при производстве биологически-активных добавок (БАД), зарегистрированный на территории РФ штамм бифидобактерий Bifidobacterium bifidum №1. Биосуспензия для исследований была предоставлена ОАО «Партнер».

Рисунок 3.12 - Перекрёстные связи между отдельными стадиями проведенных

поисковых и прикладных исследований

Анализ научно-технической литературы показал, что при производстве сухой биомассы в состав полупродукта вводят различные защитные среды (протекторы), действие которых направлено на снижение осмотического давления при сушке, предотвращения роста крупных кристаллов при замораживании и защита микроорганизмов от влиянии факторов окружающей среды при хранении и от агрессивного воздействия среды ЖКТ при пероральном введении препаратов, содержащих бифидобактерии. В данной работе были выбраны следующие протекторы: сахароза, желатин, активированный уголь, крахмал, молочные сливки. Были приняты следующие условные обозначения для образцов разного состава: биосуспензия бифидобактерий (образец А); ББ с добавлением 10.0 мас. % сахарозы и 1.0 мас. % желатина (образец Б); образец Б с добавлением 3 мас. % мелкодисперсного активированного угля (образец В); ББ с добавлением 2.5 мас. % молочных сливок (образец Г); ББ с добавлением 1.0 мас. % крахмала (образец Д).

Исследование термолабильности штамма В. ЫЩышш №1

Для исследования термолабильности микроорганизмов была взята методика, описанная в работе [225]. В соответствии с данной методикой для обеспечения максимально быстрого и безградиентного прогрева исследуемую биомассу набирают в предварительно стерилизованные металлические капилляры, после чего концы капилляров закупоривают, заполненные капилляры помещают на заданное время в предварительно нагретую до заданной температуры водяную баню. Время теплового воздействия в эксперименте составляло от 60 до 15 мин; температура варьировалась от 55 до 65 °С с шагом в 5 °С. По завершении времени выдерживания капилляры извлекают из теплоносителя, помещают с сосуд с водой комнатной температуры на 5-10 мин для снятия избыточного тепла, насухо вытирают, протирают поверхность спиртом и вскрывают под ламинаром. В стерильных условиях готовят серию разведений содержимого капилляров, которые высевают на стерилизованную агарозную питательную среду и инкубируют в течение 72 ч при температуре 37±1 °С. Количество колониеобразующих единиц (КОЕ) в образце рассчитывают путем умножения числа колоний, четко определяемых в пробирке, на номер разведения. Все образцы готовили в трех

повторностях; результат рассчитывали, как среднее значение.

На рисунке 3.13 приведены полученные зависимости выживаемости микроорганизмов от времени теплового воздействия, полученные для образцов А и Б при кратковременном тепловом воздействии (60 и 120 с), а также визуальные примеры полученных разведений №№ 5-9.

Количество КОЕ: образец А -■- образец Б Повышение выживаемости микроорганизмов

при введении протектора (-*-)

а

б в

Рисунок 3.13 - Результаты исследования термолабильности биомассы бифидобактерий при температуре 60 °С при кратковременном тепловом воздействии: а - графические зависимости снижения количества КОЕ от времени теплового воздействия; б, в - фотографии пробирок с разведениями №№ 5-9 (нумерация идет слева направо) для образцов А и Б соответственно Кривые снижения количества КОЕ в образцах, приведенные на рисунке 3.13, построены в логарифмическом масштабе. Сравнение поведения образцов А и Б наглядно показывает, что введение протекторов обеспечивает большую устойчивость микроорганизмов к кратковременному тепловому воздействию:

после 120 с количество микроорганизмов в образце Б составляло 3*10п КОЕ/мл, а в образце А - 1х108 КОЕ/мл.

На рисунке 3.14 приведены кривые выживаемости бифидобактерий, полученные при длительном тепловом воздействии при разных температурах.

о ь ш

х .о ш

S

к ^

о

О 100 200 300 400 500 600 700 800

Время теплового воздействия, с

Рисунок 3.14 - Изменение выживаемости микроорганизмов в образце Б в зависимости от времени теплового воздействия и температуры:

-Т=50 °С;-Т=55 °С;-Т=60 °С;-Т=65 °С

Приведенные на рисунке 3.14 кривые показывают, что температура теплового воздействия также оказывает значимое влияние на выживаемость клеток, как и продолжительность нагрева.

Исследования физико-химических свойств Измерение динамической вязкости образцов проводили при помощи ротационного и вибрационного вискозиметров. На рисунке 3.15 приведены примеры полученных кривых. Оба метода дали схожие результаты. Исследованные образцы относятся к классу неньютоновских псевдопластичных жидкостей, для которых характерно изменение значений вязкости в зависимости от приложенной нагрузки. Наиболее выраженным такое поведение было у образца В (рисунок 3.15а), в состав которого входят мелкодисперсные частицы активированного угля, препятствующие сдвигу слоев жидкости при малых нагрузках.

Были получены данные об изменении плотности образцов в зависимости от

температуры и остаточного влагосодержания. На рисунке 3.16 в качестве примера приведены кривые, полученные при исследовании образца Б.

--------

>.<5

е- я.5

га 2 1 л" 2 а: II ё Ж " .

га к '

га т

ц 0.5

• ■ * ■