Table of Contents

Сушка спреем является одной из наиболее универсальных и широко используемых операций в пищевой, фармацевтической, нутрицевтической и химической промышленности для преобразования жидких кормовых растворов в сухие, свободно текущие порошки. Процесс включает в себя атомизацию жидкого корма в поток горячего газа, который быстро испаряет растворитель, оставляя твердые частицы. Растворитель - будь то вода, органическое соединение или смесь - играет решающую роль в растворимости, стабильности и конечных свойствах порошка. В течение десятилетий обычные органические растворители, такие как метанол, этанол, изопропанол, ацетон и различные углеводороды были рабочими лошадками в составах сушки распылением. Однако эти растворители часто являются летучими органическими соединениями (ЛОС), которые способствуют загрязнению воздуха, требуют специальной обработки из-за воспламеняемости и токсичности, и генерируют опасные отходы, которые требуют дорогостоящего удаления. Рост нормативного давления и глобальный толчок к устойчивому производству ускорили поиск экологически чистых альтернатив [[FLT: 1]] - растворители, которые поддерживают эффективность процесса и качество продукта при минимизаци

Понимание роли растворителей в сушке спрея

Чтобы оценить проблему разработки более зеленых растворителей, важно понять, почему растворители выбираются в первую очередь. При распылительной сушке растворитель должен соответствовать строгим критериям: растворитель должен растворять твердые вещества корма (активный ингредиент, эксципиент или матрица), обеспечивать подходящую вязкость для атомизации, испаряться с контролируемой скоростью при температуре процесса, а не разрушать продукт. Растворитель также влияет на размер капель, сушку кинетики, морфологию частиц и уровни остаточных растворителей в конечном порошке. Обычные обычные растворители включают короткоцепочечные спирты (метанол, этанол, изопропанол), кетоны (ацетон), эфиры (этилацетат) и алифатические или ароматические углеводороды. Каждый предлагает различные параметры растворимости и поведение сушки, но многие классифицируются как опасные загрязнители воздуха (HAP) или ЛОС агентствами, такими как Агентство по охране окружающей среды США (EPA) и Европейское химическое агентство (ECHA). Их использование все более ограничено, и отрасли сталкиваются с более высокими затратами на соблюдение

Экологический императив для зелёных растворителей

Мотивация для разработки экологически чистых растворителей выходит за рамки нормативного соответствия. Химическая промышленность является основным фактором, способствующим глобальным выбросам парниковых газов и истощению ресурсов. Производство, использование и удаление растворителей составляют значительную часть жизненного цикла продукта. В соответствии с принципами зеленой химии растворители должны быть разработаны, чтобы быть по своей сути более безопасными, полученными из возобновляемых источников сырья и биоразлагаемыми. Замена токсичных или стойких растворителей доброкачественными альтернативами может уменьшить загрязнение воздуха и воды, снизить потребление энергии в процессах сушки и повысить безопасность на рабочем месте. Положения, такие как регулирование REACH ЕС, Закон США о контроле за токсичными веществами (SNAP) и EPA's Значительная новая политика альтернатив (SNAP) являются движущей силой инноваций. Например, Программа EPA по зеленой химии (] предоставляет основу для оценки и поощрения менее опасных растворителей. Кроме того, потребительский спрос на продукты с «чистой этикеткой» в пищевых продуктах и фармацевтических препаратах подталкивает производителей избегать растворителей, которые вызывают проблемы со здоровьем

Стратегии разработки экологически чистых растворителей

Исследователи и инженеры-технологи проводят множество путей для выявления, проектирования и внедрения экологически чистых растворителей для растворов для сушки распылителя. Эти стратегии варьируются от использования возобновляемого сырья на основе биоматериалов до разработки новых систем растворителей с настраиваемыми свойствами. Ниже мы подробно рассмотрим наиболее перспективные подходы.

Био-растворы из возобновляемых ресурсов

Био-растворители получают из биомассы, такой как кукуруза, сахарный тростник, лигноцеллюлозные отходы или растительные масла. Они предлагают прямой путь к снижению зависимости от ископаемого топлива. Примеры включают биоэтанол (ферментированный из зерна или сахарного тростника), этилактат (из кукурузного крахмала), лимонен (из цитрусовых пилингов) и производные глицерола. Биоэтанол уже широко используется в сушке спреев из-за его низкой токсичности и высокой волатильности, но его производство может конкурировать с поставками продуктов питания, если не получать его устойчивым образом. Этиллактат является биоразлагаемым, имеет высокую мощность растворения и одобрен для использования во многих пищевых и фармацевтических приложениях. Он успешно продемонстрирован в сушке спреев активных фармацевтических ингредиентов (API) и инкапсуляции вкуса. Лимонен, терпен, может требовать более высоких температур сушки или более длительного времени проживания. Одна из проблем с био-растворителями заключается в их часто более высокой стоимости по сравнению с

Вода: Ultimate Green Solvent

Вода является наиболее устойчивым растворителем почти по всем показателям - нетоксичная, негорючая, обильная и недорогая. При распылительной сушке водные кормовые растворы предпочтительны всякий раз, когда активные ингредиенты являются водорастворимыми или могут быть сформулированы в виде суспензий или эмульсий. Однако многие гидрофобные соединения, особенно в фармацевтических препаратах и нутрицевтиках, имеют плохую растворимость в воде, что требует использования органических растворителей или смесей на основе сорастворителей. Стратегии, позволяющие использовать водные ПАВ, циклодекстрины или методы микрокапсуляции для стабилизации гидрофобных активных веществ в водных дисперсиях. Например, нанокристаллические суспензии могут быть сушены с водой в качестве первичной жидкой фазы, что приводит к порошкам с повышенной биодоступностью. Другой подход заключается в использовании воды в сочетании с небольшим количеством биосовместимых сорастворителей (например, этанол или пропиленгликоль), которые обычно признаются безопасными (GRAS). В то время как высокая теплоемкость воды и скрытая

Глубокие эвтектические растворители (DES)

Глубокие эвтектические растворители представляют собой быстро растущий класс зеленых растворителей. Они образуются путем смешивания двух или более природных компонентов - обычно акцептора водородных связей (HBA), таких как холин хлорид и донор водородных связей (HBD), которые плавятся при температуре ниже, чем у любого из компонентов по отдельности. DES являются биоразлагаемыми, имеют низкое давление пара (незначительные выбросы ЛОС) и могут быть адаптированы для растворения широкого спектра соединений, включая многие плохо растворимые в воде фармацевтические препараты. Для распыляемой сушки DES предлагают преимущество в том, что они не воспламеняются и имеют настраиваемые физико-химические свойства (вязкость, полярность, точка кипения) через выбор компонентов и молярное соотношение. Недавние исследования показали, что DES может использоваться в качестве фазы жидкого корма в распыляемой сушке для получения твердых порошков, содержащих компоненты DES, которые могут служить носителями или стабилизаторами. Например, DES холина хлорида-мочевины DES используется для

Ионные жидкости (ILs) и их ограничения

Ионные жидкости — соли, которые являются жидкими ниже 100°C — разделяют многие из желательных свойств DES: незначительное давление пара, высокая термостабильность и настраиваемая растворимость. Однако многие ионные жидкости дороги в производстве, могут быть токсичными для водной жизни и не являются биоразлагаемыми. Следовательно, их использование в распыляющей сушке ограничено специализированными применениями (например, растворение целлюлозы для доставки лекарств). Тенденция смещается в сторону DES и био-растворителей в качестве более устойчивых вариантов. Ионные жидкости все еще могут играть роль в нишевых процессах, где восстановление растворителей имеет решающее значение, но для большинства коммерческих применений сушки распыления они вряд ли заменят обычные органические растворители в больших масштабах.

Восстановление растворителей и системы замкнутого цикла

Разработка «зеленого» растворителя является лишь частью раствора; как растворитель управляется после сушки, одинаково важно. Во многих операциях сушки растворителем нагруженные выхлопные газы сбрасываются в атмосферу (для воды) или обрабатываются через конденсаторы и скрубберы для восстановления. Для дорогих или опасных растворителей распространены системы восстановления замкнутого цикла, которые захватывают и перерабатывают 95-99% растворителя. Для экологически чистых растворителей применяются те же принципы: если растворитель может быть эффективно восстановлен и повторно использован, его общий экологический след резко уменьшается, даже если у него есть некоторые присущие недостатки. Сочетание био- или DES-растворителей с эффективными системами рекуперации - например, с использованием конденсирующих теплообменников или разделения мембран - может создать процесс почти нулевого выброса. Инвестиции в инфраструктуру рекуперации растворителя часто более действенны, чем сосредоточение исключительно на происхождении сырья растворителя.

Проблемы и соображения в осуществлении

Несмотря на очевидные преимущества, переход на экологически чистые растворители при распылительной сушке представляет собой несколько технических и экономических препятствий, которые необходимо устранить для успешного промышленного внедрения.

Совместимость и стабильность формулирования

Альтернативный растворитель должен быть совместим с кормовыми материалами в течение всего срока процесса - от подготовки до атомизации до сушки. Многие растворители на основе биопрепаратов и DES могут вступать в реакцию с чувствительными API, подвергаться окислению или стимулировать рост микроорганизмов, если они хранятся в течение длительных периодов времени. Например, растворители на основе глицерина гигроскопичны и могут вводить влагу в систему, влияя на текучесть и стабильность порошка. Исследования совместимости, включая ускоренное тестирование стабильности и аналитическую характеристику (HPLC, DSC, TGA), необходимы для обеспечения того, чтобы растворитель не разрушал продукт или не генерировал примеси.

Параметры процесса: вязкость, точка кипения и сухая кинетика

Экологичные растворители часто имеют более высокие точки кипения и вязкость по сравнению с обычными растворителями, такими как ацетон или метанол. Более высокие точки кипения означают, что температура сушки воздуха должна быть повышена, что может ухудшить теплочувствительные соединения или увеличить потребление энергии. Более высокая вязкость приводит к увеличению размеров капель во время атомизации, что может потребовать регулировки конструкции сопла (например, с использованием двухжидких сопел) или рабочих давлений. Скорость сушки зависит от давления пара и теплопередачи; растворители с низкой волатильностью (например, вода или DES с высокими точками кипения) потребуют более длительного времени пребывания или более высоких скоростей потока газа, влияя на пропускную способность. Моделирование вычислительной динамики жидкости (CFD) все чаще используется для оптимизации параметров сушки распылителя для новых систем растворителей (] см. ресурсы сушки распыления GEA .

Стоимость и масштабируемость

Многие экологически чистые растворители дороже, чем их нефтехимические аналоги, в частности ДЭС и специализированные растворители на основе биоэтиллактата или лимонена. Более высокая стоимость на килограмм должна быть сопоставлена с экономией от снижения нормативной нагрузки, затрат на удаление отходов и повышения безопасности работников. Для крупномасштабных операций даже небольшое увеличение стоимости растворителей может значительно повлиять на конечную прибыль. Масштабируемость также включает обеспечение надежной цепочки поставок - запасы биорастворителей должны быть доступны в промышленных количествах, не конкурируя с производством продуктов питания. Партнерства с поставщиками химических веществ и инвестиции в восстановление растворителей на месте могут смягчить проблемы с затратами. Государственные стимулы для внедрения зеленых технологий (например, налоговые кредиты, гранты) также могут изменить экономический баланс.

Оценка безопасности и токсичности

Хотя многие зеленые растворители предназначены для того, чтобы быть менее опасными, их профили безопасности не всегда полностью поняты. Например, некоторые глубокие эвтектические растворители могут иметь неизвестную экотоксичность, а их компоненты (например, холин хлорид в высоких концентрациях) могут быть раздражающими. Растворитель на основе кукурузы может иметь низкую острую токсичность, но может быть легковоспламеняющимся, если он содержит этанол. Стандартные оценки опасности, включая температуру вспышки, TLV (пороговое предельное значение), LD50 и тесты на биодеградацию, должны быть выполнены для каждого кандидата растворителя. Регуляторное принятие также требует, чтобы растворитель был в утвержденных списках для использования в пищевых продуктах или фармацевтических целях (например, база данных неактивных ингредиентов FDA, список ароматизаторов ЕС).

Будущие направления и исследовательские рубежи

Область зеленых растворителей для сушки распылением быстро развивается, на горизонте есть несколько перспективных разработок.

Интеграция с низкотемпературным сухим спреем

Обычная сушка распылителем использует горячий воздух обычно выше 150°C. Методы сушки с распылителем с низкой температурой и вакуумом (например, Büchi Nano Spray Dryer или сушка с замораживанием) работают при гораздо более низких температурах, что позволяет использовать термочувствительные экологически чистые растворители с высокими точками кипения. Эти технологии также могут повысить энергоэффективность и уменьшить деградацию биологически активных соединений. В сочетании с зелеными растворителями они предлагают путь к действительно устойчивому производству высокоценных порошков, таких как пробиотики, ферменты и термолабильные фармацевтические препараты.

Вычислительный выбор растворителей

Машинное обучение и квантово-химическое моделирование применяются для прогнозирования свойств растворителей и совместимости с конкретными растворителями. Такие инструменты, как COSMO-RS (Conductor-like Screening Model for Real Solvents) позволяют исследователям проводить скрининг тысяч кандидатов на растворители в силико, резко сокращая экспериментальные усилия, необходимые для выявления оптимальных зеленых растворителей для данного применения сушки распылением. Этот подход может ускорить открытие новых био- или DES-формаций с индивидуальными характеристиками растворимости и сушки.

Циркулярная экономика: отходы, полученные растворителями

Возникает концепция использования растворителей, полученных из промышленных или сельскохозяйственных отходов. Например, лигнин из бумажных фабрик или фурурал из переработки кукурузного суглинка можно преобразовать в растворители на биооснове. Это не только обеспечивает зеленый растворитель, но и валоризирует отходы, сообразуясь с принципами круговой экономики. Задача заключается в обеспечении последовательного качества и экономически эффективной очистки. Исследования в этой области еще на ранней стадии, но несколько пилотных заводов находятся в эксплуатации.

Регулятивные и рыночные тенденции

Правительства во всем мире ужесточают правила по выбросам ЛОС и использованию опасных растворителей. Стратегия Европейского союза по химическим веществам в целях устойчивого развития направлена на поэтапный отказ от наиболее вредных веществ. В Соединенных Штатах Интегрированная информационная система по рискам (IRIS) EPA классифицирует несколько распространенных растворителей как канцерогены. Эти тенденции вынуждают компании в будущем защищать свои операции, инвестируя в исследования и разработки в области зеленых растворителей. Отчеты о состоянии рынка (FLT:0) Grand View Research ) прогнозируют, что глобальный рынок зеленых растворителей превысит 150 миллиардов долларов к 2030 году, что обусловлено спросом со стороны красок, покрытий, фармацевтических препаратов и пищевой промышленности. Ранние пользователи получат конкурентное преимущество за счет снижения экологической ответственности и улучшения имиджа бренда.

Сотрудничество между промышленностью и академией

Ни одно предприятие не может решить многогранную задачу замены растворителей в одиночку. Консорциумы, такие как Институт зеленой химии ACS, Европейская технологическая платформа для устойчивой химии (SusChem) и отраслевые инициативы (например, Международный консорциум по регулированию и науке в области фармацевтического аэрозоля - IPAC-RS), способствуют обмену знаниями и предконкурентным исследованиям. Совместные проекты, исследующие сушку распылителей DES или био-растворителей с помощью модельных соединений, ускоряют масштабирование и валидацию. Близкое сотрудничество имеет важное значение для преодоления разрыва между лабораторным открытием и коммерческой реализацией.

Заключение

Разработка экологически чистых растворителей для решений для сушки распылителей представляет собой важный шаг к более экологичному производству в нескольких отраслях. Благодаря использованию биорастворителей, использованию воды там, где это возможно, изучению глубоких эвтектических систем и интеграции эффективных восстановительных и низкотемпературных технологий компании могут снизить воздействие на окружающую среду без ущерба для качества продукции. Путь вперед включает в себя преодоление проблем в совместимости, стоимости и оптимизации процессов. Но инструменты и знания для этого быстро созревают. С продолжением исследований, нормативной поддержки и межсекторного сотрудничества видение действительно устойчивого процесса сушки распылителей вполне достижимо. Производители, которые инвестируют сейчас в инновации в области зеленого растворителя, будут лучше расположены для удовлетворения меняющихся правил и ожиданий рынка, внося свой вклад в более чистую и безопасную планету.