Sprühtrocknung

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    Beschreibung

    Die Sprühtrocknung beschreibt das Zerstäuben von Flüssigkeiten in einem Heißluftstrom. Dabei werden Suspensionen bzw. Lösungen in kleine Tropfen versprüht, was zu einer Oberflächenvergrößerung und dadurch zu einem schnelleren Stoff- und Wärmetransport zwischen Tropfen und Trägergas führt. Der Luftstrom trocknet den Flüssigkeitsanteil. Der zurückbleibende Feststoff wird mittels Zentrifugalkräften abgeschieden. Dabei ist die Sprühtrocknung ein bevorzugte Verfahren, um inhalierbare Pulver oder Instant-Granulate herzustellen, denn es können enge Partikelgrößenverteilungen erzielt und auch Proteine mit diesem Verfahren schonend getrocknet werden.

    Ein großer Vorteil der Sprühtrocknung ist der kurze Kontakt zwischen Sprühgut und heißer Trocknungsluft. Die Trocknung eines einzelnen Tropfens dauert weniger als 1 Sekunde [2]. Üblicherweise entstehen Partikel mit einer Größe von 20-200 Mikrometer. Die Partikelgröße kann mit einem Andersen Kaskadenimpaktor bestimmt werden.


    Prinzip

    Erstmal beschrieben wurde die Sprühtrocknung im Jahre 1865 durch LaMont und später im Detail 1872 in einem Patent durch Percy. Heutzutage werden Flüssigkeiten oder Suspensionen in kontinuierlichen Verfahren in Pulver überführt (Fluidized bed). Dabei  wird das zu trocknende Gut in einen Heizluftstrom eingebracht (Sprühvorgang/Atomisieren) dort getrocknet (Trocknung) und anschließend abgeschieden.

    Das Prinzip auf welchem die Sprühtrocknung beruht, läßt sich auf zwei Aspekte reduzieren [1]:

    1. Durch das Versprühen wird die zu trocknende Flüssigkeit in kleine Tropfen überführt. Daraus resultiert eine extreme Erhöhung der Oberfläche. Dies ermöglicht eine schnelleren Wärmetransfer vom Wärmeträger auf die Flüssigkeit.
    2. Die geringe Tropfengröße begünstigt einen höheren Dampfdruck im Inneren der Tropfen und setzt so die Siedetemperatur herab.

    Sprühvorgang

    Beim Atomisieren müssen die in der Lösung oder Suspension herschenden Kräft wie Trägheit, Viskosität und Zusammenhalt überwunden werden. Anschließend entstehen im Idealfall Tröpfchen mit einer homogenen Größenverteilung.

    Wichtige Paramter des Sprüghvorgangs sind

    • Art und Aufbau der Sprühdüsen
    • Förderrate der Flüssigkeit
    • Temperatur und Luftfluss um die Sprühdüse

    Trocknung

    Durch die komplexen Wechselwirkungen zwischen der zu trocknenden Flüssigkeit und der erwärmten Luft können sowohl die Morphologie als auch die Partikelgröße beeinflusst werden. Verändert werden können sowohl die Geräteparameter wie Lufttemperatur, Luftmenge, Sprühdüse, Zyklon und die Fördermenge der Flüssigkeit, als auch die Flussigkeitsparameter wie das Verhaltnis von Flussigkeit zu Substanz oder die Viskosität.

     


    Aufbau einer Anlage zur Sprühtrocknung

    Spruehtrocknung-Analge-Aufbau

      By Teemu Pelkonen (Own work) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons
    1. Lufteinlass
    2. Heizung
    3. Sprühtrocknungsdüse (Atomizer)
    4. Trocknungszylinder
    5. Temperaturfühler Ausgang
    6. Abscheider-Zyklon
    7. Luftauslass mit Aspirator
    8. Auffangbehälter

    Um den Luftfluß durch die Anlage zu erzeugen wird die Luft durch das Gerät gesaugt. So wird ein Unterdruck erzeugt. Am Einlass wird die eintretende Luft durch die Heizung (2) erwärmt. Obwohl hierbei sehr hohe Temperaturen erreicht werden, erfolgt eine schonende Trocknung durch die bei der Verdunstung eintretende Abkühlung der Partikel. Diese Abkühlung kann über den Temperaturfühler am Ausgang (5) überwacht werden. Über die Sprühtrocknungsdüse (3) wird die Flüssigkeit in den Trocknungszylinder eingebracht. Im Abscheider werden die Partikel vom Luftstrom getrennt und im Auffangbehälter aufgefangen.

    Gefahren

    Ein Großteil von Bränden in Analgen zur Sprühtrocknung entstehen durch sponatane Staubexplosionen. Eine strenge Überwachung der Temperaturen während des gesamten Prozesses ist daher unerlässlich. Insbesondere die Luft im Austrittsbereich des Zyklon sollte überwacht werden. Um die Leistung der Anlage zu erhöhen, kann die Temperatur der Luft am Eintrittspunkt erhöht werden. Ob dadurch eine Erhöhung der Explosionsgefahr einhergeht ist zu prüfen.


    Sprühtrocknung im Video

    Zyklon und Sprühfüse

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    Aufbau einer Sprühtrocknungsanlage

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    Webinar Optimierung von Trocknungsprozessen

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    Quellen & Literatur

    1. Silvio Gablenz (2001) Sprühtrocknung und Sprühhydrolyse – neue Methoden zur Herstellung von Metalloxiden und zur Modifizierung von BaTiO3; Dissertation LINK
    2. Zimontkowski, S. „Sprühtrocknung von Proteinen Untersuchungen der Einflussgrößen auf die Partikelmorphologie und Verbesserung der Dispergierbarkeit mittels Partikeldesign“ (2007) Dissertation LINK