Sumukuivaus

Sumukuivaus on yksi teollisuuden käytetyimpiä keinoja kuivata nestemäistä (liuos, emulsio tai suspensio) materiaalia. Se on käytetyin tekniikka teollisuudessa hiukkasten muodostamiseen ja kuivaamiseen. Sumukuivausta sovelletaan muun muassa elintarvike-, kemian- ja polymeeriteollisuudessa sekä farmaseuttisessa ja keraamisessa teollisuudessa. Esimerkiksi seuraavien tuotteiden kuivaukseen ja valmistukseen voidaan käyttää sumukuivausta: maatalouskemikaalit, biokemikaalit, katalyytit, kahvi, meijerituotteet, detergentit eli pinta-aktiiviset aineet, värjäysaineet, entsyymit, proteiinit ja makeutusaineet. Sumukuivausta käytetään myös mikrokapseleiden valmistustekniikkana muun muassa farmaseuttisessa teollisuudessa.
Sumukuivausprosessi.
Ohessa on kuva laboratorioluokan sumukuivauslaitteen toiminnasta.
Sumukuivaus on yksivaiheinen prosessi, jossa liuennutta tai kiinteää ainetta sisältävä neste sumutetaan pieninä pisaroina kuumaan kaasuvirtaan. Tällöin käytetty liuotin haihtuu ja kuivuneet partikkelit voidaan erottaa kaasuvirrasta. Sumukuivausprosessi voidaan jakaa neljään osaan: syöttönesteen sumutus eli atomisaatio, syöttönesteen ja kuivaavan kaasun sekoitus sumuksi, pisaroiden kuivuminen sekä kuivatun tuotteen erottaminen kaasusta. Sumukuivaimen perusosia ovat kuivattavan nestemäisen materiaalin pumppauslaite, atomisaattori, kuivauskaasun lämmitin ja puhallinlaite ja kuivauskammio sekä lisäksi kuivauskaasun poistojärjestelmä ja valmistetun kuivatun materiaalin keruujärjestelmä. Sumukuivauksella tuotetaan normaalisti onttoja pallomaisia kiinteitä hiukkasia, jotka ovat joko jauhe-, rae- tai agglomeraattimuodossa.
Pumppaus ja atomisaatio.
Kuivattava nestemäinen materiaali pumpataan atomisaattorilaitteen läpi, mikä aiheuttaa hienojen pienten pisaroiden dispergoitumisen kuivauskammioon. Atomisaattoreina käytetään sumukuivauksen sovelluksesta riippuen erilaisia laitteita, joilla kullakin on omat etunsa ja haittansa. Rotaatiosuutin muodostaa sumun sentrifugivoimalla, painesuutin painevoimalla ja kaksoisnestesuutin kineettisellä energialla. On olemassa myös ultraääniatomisaattoreita.
Kuivaus.
Tyypillisesti kuumana kuivauskaasuna käytetään ilmaa, mutta tietyt herkät materiaalit, kuten farmaseuttiset aineet ja liuottimet (esimerkiksi etanoli), vaativat hapettoman kuivauksen, jolloin ilman sijasta kuivauskaasuna käytetään inerttiä typpeä. Myös aseptinen sumukuivaus on mahdollista, jossa steriloinnilla ja suodattimilla estetään järjestelmän kontaminaatio. Kuuma kuivauskaasu voidaan ohjata kuivauskammioon atomisaation kanssa myötävirtaan tai vastavirtaan. Myötävirtakuivauksessa kuivuvien hiukkasten eli partikkelien oloaika sumukuivausjärjestelmässä on lyhyempi, joten se sopii lämpöherkille aineille paremmin. Vastavirtakuivauksessa partikkelit viipyvät järjestelmässä pidempään ja kuivuvat täydellisemmin, jonka tähden se sopii lämpöä kestäville ja pidemmän kuivausajan vaativille aineille paremmin. On olemassa myös sekavirtakuivaus eli myötä- ja vastavirtakuivauksen yhdistelmä, mikä sopii lähinnä lämpöä hyvin kestäville aineille. Kuivauskaasun lämpötila laskee sumukuivauksessa. Jos kuivauskammioon tulevan kuivauskaasun lämpötila on esimerkiksi 250 °C, liuottimen haihtuminen kuivauttavasta materiaalista voi laskea kuivauskammiosta ulostulevan kaasun lämpötilan 95 °C:seen. Kuivatun materiaalin lämpötila olisi tässä tapauksessa 65–75 °C eli 20–30 °C alle kuivauskaasun ulostulolämpötilan.
Kuivumisen vaiheet.
Sumun pisaroiden kuivumiseen kuuluu samanaikainen lämmön ja kosteuden siirto. Lämpö siirtyy kuumasta kuivauskaasusta atomisoituihin pisaroihin. Haihtunut kosteus siirtyy kaasuun pisaran ympärillä olevan rajakerroksen kautta. Lämmön ja kosteuden siirron nopeuteen vaikuttavat kuivauskaasun lämpötila ja kosteus, pisaroita ympäröivän kaasun ominaisuudet sekä pisaran läpimitta ja nopeus verrattuna kaasuun. Pisaran kuivuminen tapahtuu kahdessa vaiheessa. Liuottimen haihtuminen alkaa niin sanotulla vakionopeuden vaiheella (primaarinen vaihe), joka on kaikkein nopeimman haihtumisen vaihe. Sen aikana suurin osa pisaran kosteudesta haihtuu. Kun pisara saavuttaa kuivumisensa kriittisen kosteussisällön, haihtumisnopeus laskee, koska pisara ei voi enää ylläpitää pintansa kosteussaturaatiota (sekundaarinen vaihe). Haihtuminen loppuu kokonaan, kun pisara saavuttaa ympäristön kanssa kosteustasapainon. Käytännössä tasapainoa ei kuitenkaan saavuteta. Pisaran lämpötila alkaa nousta vasta alentuvan nopeuden vaiheessa, koska kosteuden nopea siirtyminen ympäristöön alentaa sen lämpötilaa.
Sumukuivauksen etuja ja haittoja.
Sumukuivauksen etuja ovat nopeus, alhaiset lämpötilat, syntyvän amorfisen aineen parempi liukoisuus ja lopputuotteen ominaisuuksien kontrollointi vaikuttamalla sumukuivausprosessiin. Lopputuotteen kontrolloitavia ominaisuuksia ovat muun muassa hiukkaskoko ja –muoto, jäännöskosteus ja syntyneen kuivatun tuotteen tiheys. Sumukuivauksen haittoja ovat kuivattavan aineen kuluminen muun muassa kiehumisen johdosta ja kuivattavaan aineeseen kohdistuvat rasitteet sisältäen vesimolekyylien haihtumisesta aiheutuvan dehydraation (jos liuotin on vesi) sekä hankausvoimat suuttimessa, aineiden adsorption atomisaation aiheuttamien pisaroiden ilman ja nesteen rajapintoihin ja atomisaation aiheuttaman paineen sekä myös lämpörasituksen herkimpien aineiden kohdalla. Rasitteet hankaloittavat erityisesti herkkien biologisten aineiden, kuten proteiinien, sumukuivaamista. Kuluminen on suhteessa molekyylipainoon: yleensä pieniä molekyylejä kuluu enemmän käytetyissä lämpötiloissa. Hukkaa pyritään vähentämään käyttämällä suurempia sumukuivaustorneja, jolloin suuremmilla ilmamäärillä on alhaisempi keskiarvokosteus, mikä johtaa kosteuden haihtumiseen tehokkaammin pisaroista ilmaan osmoosiperiaatteella. Täten isommissa sumukuivaimissa sama kosteusmäärä saadaan kuivatuksi alhaisemmissa lämpötiloissa kuin pienemmissä sumukuivaimissa.