Способ измельчения и сушки термолабильных материалов и шнековый смеситель для его осуществления
METHOD OF GRINDING AND DRYING THERMOLABILE MATERIALS AND SCREW MIXER FOR ITS IMPLEMENTATION

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