Ampliación de los procesos de secado por aspersión desde el laboratorio hasta la escala industrial

En este blog, analizaremos cómo acelerar un proceso de secado por aspersión desde la investigación de laboratorio hasta la producción a escala industrial. No se trata simplemente de aumentar el tamaño del equipo sino también los parámetros del proceso, ya que los aumentos no siempre son lineales.

 

He estado hablando con Bruno, especialista en liofilización y secado por aspersión, sobre varias aplicaciones. El secado por aspersión está encontrando cada vez más aplicaciones, de algunas de las cuales ya he hablado antes en mi blog, como su uso en tecnología avanzada de baterías o para la administración de fármacos mediante partículas inhalables. El proceso también se utiliza para productos biotecnológicos como cultivos celulares y de levadura, polvos secos de nanopartículas aglomeradas, microencapsulación y enmascaramiento de fragancias y aromas, productos naturales y medicina china. Uno de los trabajos de Bruno es realizar estudios de viabilidad para clientes que necesitan saber si el secado por aspersión será efectivo y producirá los resultados requeridos antes de invertir en equipos o grandes tiradas de producción. La realización de estudios de viabilidad requiere un gran conocimiento sobre el proceso y cómo reaccionarán los distintos productos para optimizar el proceso y lograr resultados utilizables.

 

En el blog de hoy, me gustaría centrarme en otra consideración esencial para muchas empresas que han realizado un estudio de viabilidad o han realizado su propia investigación y han encontrado un proceso viable: el siguiente paso a menudo implica aumentar la producción desde la escala de laboratorio hasta la industrial. un paso crítico para llevar un producto desde la investigación y el desarrollo hasta la comercialización.

 

Como mencioné en mis blogs anteriores, perfeccionar el proceso de secado por aspersión implica la optimización de varios pasos, incluidas las propiedades de la alimentación (concentración, viscosidad, tamaño de partícula, estabilidad térmica), atomización, flujo de aire (velocidad, presión, velocidad y temperatura), cámara de secado (tamaño, material y forma), control de calidad (distribución del tamaño de las partículas, contenido de humedad, morfología: análisis relacionados con las muestras) y limpieza y mantenimiento. Lamentablemente, ampliar un proceso no es una simple cuestión de copiar y pegar las configuraciones que utilizó en su procedimiento de secado por aspersión a escala de laboratorio. Un estudio de viabilidad le dirá si un proceso es factible, pero no le proporcionará la configuración ni los procedimientos exactos necesarios para realizar el proceso a escala industrial. Generalmente es necesario realizar pruebas a escala piloto para identificar posibles problemas de escala. Para ahorrar costos y reducir la cantidad de pruebas piloto necesarias, algunas ecuaciones y consideraciones pueden mejorar la probabilidad de que un proceso ampliado funcione como se espera.

 

El objetivo es mantener las condiciones más importantes del proceso durante el escalado para obtener los mismos tamaños de partículas y humedad residual en los polvos producidos. Es importante definir claramente sus objetivos de ampliación determinando la capacidad de producción deseada, las especificaciones del producto y cualquier requisito reglamentario. Las metas de sus objetivos influirán en la selección del equipo que debe coincidir con los requisitos de capacidad y rendimiento determinados. Luego viene una de las consideraciones más importantes, que son los factores de escala, como las velocidades de secado, el tiempo de residencia y las características de transferencia de calor y masa, que pueden variar según el equipo utilizado. En un secador por aspersión, los parámetros clave del proceso, en orden de importancia, son la temperatura del aire de salida, el tamaño de la gota y la concentración de vapor de salida.

 

A continuación se presenta un desglose de los diversos parámetros del proceso y cómo es posible que sea necesario ajustarlos para garantizar una transición exitosa a tiradas de producción más grandes.

 

Se utilizan velocidades de alimentación más bajas para procesos de mesa y será necesario aumentar la velocidad de alimentación proporcionalmente para mantener las mismas condiciones de secado. El aumento no siempre es lineal y será necesario realizar ajustes en función de los resultados de las pruebas piloto.

 

Las tiradas más grandes pueden requerir temperaturas más altas para lograr la misma velocidad de secado.

 

La temperatura de salida debe mantenerse igual, lo que requiere un monitoreo y control cuidadosos, especialmente porque el mayor volumen de un producto puede resultar en un mayor disipador de calor. Se debe tener cuidado de no dañar los materiales sensibles al calor.

 

Para lograr el mismo tamaño de gota, la tasa de gas de pulverización deberá ajustarse para tiradas más grandes para garantizar una atomización adecuada; la relación puede no ser lineal.

El gas de secado mantiene el flujo de partículas desde la boquilla hasta el ciclón. Para tiradas más grandes, será necesario aumentar la velocidad para garantizar un tiempo de secado igual o similar dentro del sistema. Además, es posible que este parámetro no sea lineal.

 

Las pruebas piloto son fundamentales a la hora de ampliar la escala, pero también hay algunas pruebas empíricas que se pueden realizar para ayudar a hacer las cosas bien. Un cálculo que puede ayudar es la tasa de evaporación del agua, que se puede calcular a partir de un simple balance de masa con los siguientes parámetros: tasa de flujo de alimentación, contenido total de sólidos en la alimentación y contenido de agua residual en el polvo. El caudal de alimento se puede determinar con precisión pesando el recipiente de alimento antes y después de una ejecución experimental.

 

El caudal de aire de secado se controla mediante la configuración del aspirador utilizando un equipo de mesa ; sin embargo, esto no es lo suficientemente preciso para cálculos de ampliación, ya que el caudal cambia con la caída de presión en toda la planta (por ejemplo, debido a la acumulación de polvo en el filtro). En su lugar, se deben utilizar como guía las lecturas precisas de la temperatura del aire de entrada y salida.

 

La similitud geométrica de los instrumentos también es importante ya que garantiza que las dimensiones del secador por aspersión a mayor escala tengan las mismas proporciones que a menor escala.

 

Dimensión a mayor escala/Dimensión a menor escala = Factor de escala

 

Otra ecuación importante utilizada para predecir patrones de flujo en diferentes situaciones de flujo es el Número de Reynolds (Re). En el secado por aspersión, ayuda a garantizar condiciones de flujo similares en ambas escalas.

• ρ es la densidad del fluido (unidades SI: kg/m3)
• u es la velocidad del flujo (m/s)
• L es una longitud característica (m)
• μ es la viscosidad dinámica del fluido (Pa·s o N·s/m2 o kg/(m·s))
• ν es la viscosidad cinemática del fluido (m2/s).