Secado por pulverización

El secado por pulverización es un método para obtener un polvo seco a partir de un líquido o suspensión mediante un secado rápido con gas caliente. Este es el método preferido para el secado de muchos materiales termosensibles, como alimentos y productos farmacéuticos , ^{[ 1 ]} o materiales que requieren un tamaño de partícula extremadamente uniforme y fino. El aire se utiliza con mayor frecuencia como medio de secado caliente; sin embargo, se puede utilizar nitrógeno si el líquido es inflamable (como el etanol ) o si el producto es sensible al oxígeno. ^{[ 2 ]}

Todos los secadores por pulverización utilizan algún tipo de atomizador o boquilla para dispersar el líquido o la suspensión en una pulverización de tamaño de gota controlado. Los más comunes son las boquillas de disco rotatorio y las boquillas de remolino de alta presión de un solo fluido. Se sabe que las ruedas atomizadoras proporcionan una distribución de tamaño de partícula más amplia, pero ambos métodos permiten una distribución uniforme del tamaño de partícula. ^{[ 3 ]} Como alternativa, para algunas aplicaciones se utilizan boquillas de dos fluidos o ultrasónicas  . Dependiendo de los requisitos del proceso, se pueden lograr tamaños de gota de 10 a 500 μm con las opciones adecuadas. Las aplicaciones más comunes se encuentran en el  rango de diámetro de 100 a 200 μm. El polvo seco suele ser de flujo libre. ^{[ 4 ]}

El tipo más común de secadores por pulverización se denomina de efecto simple. Hay una única fuente de aire de secado en la parte superior de la cámara (véase el n.° 4 en el diagrama). En la mayoría de los casos, el aire se sopla en la misma dirección que el líquido pulverizado (corriente paralela). Se produce un polvo fino, pero puede tener poca fluidez y generar mucho polvo. Para superar los problemas de polvo y la poca fluidez del polvo, se ha desarrollado una nueva generación de secadores por pulverización llamados secadores por pulverización de efecto múltiple. En lugar de secar el líquido en una sola etapa, el secado se realiza en dos etapas: la primera en la parte superior (como en el efecto simple) y la segunda con un lecho estático integrado en la parte inferior de la cámara. El lecho proporciona un ambiente húmedo que hace que las partículas más pequeñas se agrupen, produciendo tamaños de partícula más uniformes, generalmente en el rango de 100 a 300  μm. Estos polvos tienen una mayor fluidez debido al mayor tamaño de partícula.

Los finos polvos generados durante la primera etapa de secado pueden reciclarse en flujo continuo, ya sea en la parte superior de la cámara (alrededor del líquido pulverizado) o en la parte inferior, dentro del lecho fluidizado integrado . El secado del polvo puede completarse en un lecho fluidizado vibratorio externo.

El gas de secado caliente puede introducirse en paralelo (en la misma dirección que el atomizador de líquido pulverizado) o en contracorriente (en cuyo caso el aire caliente fluye en sentido contrario al flujo del atomizador). En el flujo paralelo, las partículas permanecen menos tiempo en el sistema y en el separador de partículas (normalmente un ciclón). En el flujo en contracorriente, las partículas permanecen más tiempo en el sistema y suele combinarse con un sistema de lecho fluidizado. El flujo paralelo generalmente permite que el sistema funcione de forma más eficiente.

Las alternativas a los secadores por pulverización son: ^{[ 5 ]}

1. Liofilizador : un proceso por lotes más costoso para productos que se degradan durante el secado por aspersión. El producto seco no fluye libremente.
2. Secador de tambor : un proceso continuo menos costoso para productos de bajo valor; crea escamas en lugar de polvo suelto.
3. Secador de combustión por pulsos: Un proceso continuo menos costoso que puede manejar viscosidades y cargas de sólidos más altas que un secador por pulverización, y que a veces produce un polvo de calidad liofilizada que fluye libremente.

La técnica de secado por aspersión se describió por primera vez en 1860, y el primer secador por aspersión fue patentado por Samuel Percy en 1872. Con el tiempo, este método ganó popularidad, inicialmente para la producción de leche en la década de 1920 y durante la Segunda Guerra Mundial , cuando surgió la necesidad de reducir el peso y el volumen de los alimentos y otros materiales. En la segunda mitad del siglo XX, aumentó la comercialización de los secadores por aspersión, así como el número de aplicaciones de esta técnica.

Un secador por pulverización toma una corriente líquida y separa el soluto o suspensión en estado sólido y el solvente en estado gaseoso. El sólido generalmente se recoge en un tambor o ciclón. La corriente líquida de entrada se pulveriza a través de una boquilla en una corriente de vapor caliente y se vaporiza. Los sólidos se forman a medida que la humedad abandona rápidamente las gotas. Generalmente se utiliza una boquilla para hacer que las gotas sean lo más pequeñas posible, maximizando el área superficial y, por lo tanto, la transferencia de calor y la velocidad de vaporización del agua. Los tamaños de las gotas pueden variar de 20 a 180 μm dependiendo de la boquilla. ^{[ 4 ]} Hay dos tipos principales de boquillas: boquilla de fluido único de alta presión (50 a 300 bares) y boquillas de dos fluidos: un fluido es el líquido a secar y el segundo es gas comprimido (generalmente aire a 1 a 7 bares).

Los secadores por pulverización pueden secar un producto muy rápidamente en comparación con otros métodos de secado. Además, transforman una solución (o suspensión) en un polvo seco en un solo paso, lo que simplifica el proceso y mejora los márgenes de beneficio.

En la fabricación farmacéutica, el secado por pulverización se emplea para fabricar dispersiones sólidas amorfas , dispersando uniformemente los principios activos farmacéuticos en una matriz polimérica. Este estado eleva la energía de los compuestos activos (fármaco), lo que facilita su difusión en el organismo del paciente. ^{[ 6 ]}

El secado por aspersión se utiliza frecuentemente como técnica de encapsulación en la industria alimentaria y otras industrias. La sustancia a encapsular (la carga) y un soporte anfipático (generalmente algún tipo de almidón modificado ) se homogeneizan en suspensión en agua (la suspensión). A continuación, la suspensión se introduce en un secador por aspersión, que suele ser una torre calentada a temperaturas superiores al punto de ebullición del agua .

Al entrar la suspensión en la torre, se atomiza. Debido en parte a la alta tensión superficial del agua y en parte a las interacciones hidrofóbicas / hidrofílicas entre el soporte anfipático, el agua y la carga, la suspensión atomizada forma micelas . El pequeño tamaño de las gotas (con un diámetro promedio de 100 micrómetros ) da como resultado una superficie relativamente grande que se seca rápidamente. A medida que el agua se seca, el soporte forma una capa endurecida alrededor de la carga. ^{[ 7 ]}

La pérdida de carga suele depender del peso molecular. Es decir, las moléculas más ligeras tienden a evaporarse en mayor cantidad a las temperaturas de procesamiento. Esta pérdida se minimiza industrialmente mediante la pulverización en torres más altas. Un mayor volumen de aire presenta una humedad media menor a medida que avanza el proceso. Por el principio de ósmosis , la diferencia de fugacidades entre las fases líquida y gaseosa favorece la salida del agua de las micelas y su paso al aire. Por lo tanto, se puede eliminar el mismo porcentaje de agua de las partículas a temperaturas más bajas si se utilizan torres más grandes. Como alternativa, la suspensión puede pulverizarse en un vacío parcial. Dado que el punto de ebullición de un disolvente es la temperatura a la que su presión de vapor es igual a la presión ambiente, la reducción de la presión en la torre disminuye el punto de ebullición del disolvente.

La técnica de encapsulación por secado por aspersión se utiliza para preparar polvos deshidratados de sustancias que no contienen agua para deshidratar. Por ejemplo, las mezclas para bebidas instantáneas se obtienen mediante secado por aspersión de los diversos componentes químicos de la bebida. Esta técnica se utilizaba antiguamente para eliminar el agua de los alimentos. Un ejemplo es la preparación de leche deshidratada. Dado que la leche no se encapsulaba y que el secado por aspersión provoca degradación térmica , la deshidratación de la leche y procesos similares se han sustituido por otras técnicas de deshidratación. La leche desnatada en polvo todavía se produce ampliamente mediante la tecnología de secado por aspersión, generalmente con una alta concentración de sólidos para lograr la máxima eficiencia de secado. La degradación térmica de los productos puede superarse utilizando temperaturas de funcionamiento más bajas y cámaras de mayor tamaño para aumentar los tiempos de residencia. ^{[ 8 ]}

Investigaciones recientes sugieren que el uso de técnicas de secado por pulverización puede ser un método alternativo para la cristalización de polvos amorfos durante el proceso de secado, ya que los efectos de la temperatura sobre los polvos amorfos pueden ser significativos dependiendo de los tiempos de residencia del secado. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

El proceso de secado por pulverización contiene una variedad de parámetros de entrada que pueden alterar la forma y el tamaño de las partículas obtenidas.

Parámetros de entrada comunes:

1. Concentración de la solución
2. Flujo de gas de secado
3. Temperatura de entrada
4. Flujo de gas de pulverización
5. Velocidad de alimentación

A partir de los siguientes parámetros de entrada, se genera una serie de trayectorias que una partícula puede seguir hacia su forma y tamaño finales. Ciertos parámetros, como el flujo de gas de pulverización, la velocidad de alimentación y la concentración de la solución, influyen notablemente en el tamaño de partícula resultante, mientras que la temperatura de entrada juega un papel importante en la forma final de la partícula. El tamaño de partícula está estrechamente relacionado con el tamaño original de la gota de solución proveniente del atomizador, por lo que la mejor manera de controlarlo es saturando la solución y modificando el tamaño de la gota inicial. Una vez que la gota inicial ingresa a la cámara de secado, puede continuar la formación de una costra o no formarse ninguna partícula. A partir de la formación de la costra, la temperatura del proceso de secado y la duración de la partícula en dicho proceso pueden conducir a la formación de una capa seca o a una partícula deformada. La capa seca puede transformarse en una partícula sólida o fragmentada. La formación de la costra también puede dar lugar a la formación de una capa seca o una partícula deformada si las condiciones de secado no son las adecuadas, y experimentar una nucleación interna de burbujas con otra serie de trayectorias.

La comprensión actual de las condiciones de secado varía según las diferentes configuraciones de secado por pulverización y el contenido de la solución, pero se están realizando más investigaciones para determinar qué factores influyen en la formación de cada tipo de partícula, ya que las futuras aplicaciones en los sectores farmacéutico e industrial requieren un mejor control sobre las formas y tamaños específicos de las partículas de sus productos.

Alimento

leche en polvo, café, té, huevos, cereales, especias, saborizantes, sangre, ^{[ 11 ]} almidón y derivados del almidón, vitaminas, enzimas, stevia, nutracéuticos, colorantes, alimento para animales, etc.

Farmacéutico

antibióticos, ingredientes médicos, ^{[ 12 ] [ 13 ]} aditivos.

Industrial

pigmentos de pintura, materiales cerámicos, soportes de catalizadores, microalgas.

• Charles Onwulata (2005). Alimentos encapsulados y en polvo . CRC Press. pág.  268. ISBN 978-0-8247-5327-6.

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• Animación del concepto estándar de secado por pulverización
• Documento de capacitación sobre secado por pulverización