乾燥バルク材料の多用途性

ジェス・エリオット | 2023 年 3 月 30 日

バルク材料の乾燥は、プロセス産業において重要なステップです。 用途は、食品の乾燥から医薬品有効成分の調製、リチウム電池の原料の製造まで多岐にわたります。 制御された条件下で損傷や劣化なしに材料を迅速に乾燥させる必要性は、長年にわたって多くのプロセス乾燥機の設計に進化してきました。 太陽と風を使用して乾燥させる初期の方法が登場してからかなり経ち、メーカーは現在、いくつかの実証済みのアプローチを活用することで、プロセス時間を短縮するためのより高度な制御を維持しています。

多くの高度で最適化されたプロセスが利用可能です。 現在のテクノロジーは、製品の要件と用途、容量、条件、時間、および利用可能なスペースに特有の利点を提供します。

乾燥とは何ですか？ 簡単に言うと、揮発性の液体や溶媒を分離または蒸発させて固体の製品を生成する物理的なプロセスです。 固体または粉末に含まれる水分または溶媒は、熱エネルギーまたは熱の適用、混合、および真空によって蒸発するのが最も一般的です。 乾燥操作は、多くの場合、固体製品からの溶媒または水の機械的分離または除去の後に行われます。 しかし、簡単に言えば、製品から水分を除去することには多くの課題があります。 製品を損傷したり、劣化させたり、化学変化させたりしないように注意してください。 たとえば、リチウム電池の製造では、残留水分や溶剤によって電極のコーティング時に問題が軽減されたり、問題が発生したりする可能性があります。 乾燥操作は、沈殿操作や結晶化操作の後、錠剤化や充填、あるいはその後の混合操作に先立って使用されることがよくあります。

乾燥の利点としては、梱包、保管、物流コストの削減、保存期間の延長、細菌汚染の除去などが挙げられます。

- スプレー乾燥: 液体スラリーを噴霧ノズルから高速の高温ガスに加圧供給して、水分を急速に蒸発させます。 乾燥はほぼ瞬時に行われますが、多くの場合、残留結合水分を除去するためにさらなる乾燥ステップが必要になります。

スプレー乾燥構成

- フリーズドライ (凍結乾燥): 真空下での凍結と乾燥を含み、液相を通過せずに氷を固体から蒸気に変化させます。 通常、ワクチンや酵素などの温度に敏感な材料に使用され、製品溶液の凍結、その後の水または水分昇華乾燥、および加熱による二次乾燥で終わることを特徴とします。 (ペリーの第 9 版)

- オーブン乾燥またはトレイ乾燥機: チャンバー内の対流によって製品を加熱し、一定温度で水分を揮発させ、液体を蒸発させます。 オーブン乾燥機には、製品を加熱して乾燥させる乾燥プロセスを促進するファンまたはタービンが装備されていることがよくあります。 可動トレイを備えたデザインです。 オーブン乾燥機は製品の処理に非常に穏やかですが、処理時間が長くなる可能性があります。

図 3: トレイオーブン乾燥機

- マイクロ波乾燥: マイクロ波を使用して熱を発生させ、液体を蒸気に変換して製品を乾燥させます。 効果はあるものの、マイクロ波によるダメージによる製品の劣化や品質の変化などのデメリットもあります。

電子レンジ乾燥機のイラスト

- 円錐形 (撹拌型) 乾燥機: 電池、医薬品食品、栄養補助食品、化学産業で広く使用されており、材料は螺旋状撹拌機を備えたケトルに入れられます。 材料を撹拌して表面の再生を促すと、ケトルに間接熱と真空が適用されます。 材料に伝わる熱により液体が蒸気に変わります。 ケトルに真空を適用して水分または溶媒の沸点を下げ、低下した液相の沸点での製品の効果的な乾燥を促進します。

トンネル乾燥機、回転ドラム乾燥機、タンブリング乾燥機、流下膜乾燥機、バンド乾燥機など、他にも多くの乾燥機構成があります。 これらについてはここでは説明しませんが、業界でも広く実践されています。 (ペリーの第 9 版)

円錐形（撹拌型）乾燥機。 2リットルと100リットル

例の中で、コニカル (撹拌) 乾燥機は、業界で最も多用途で広く導入されている乾燥技術の 1 つであり、ベンチトップから商業規模の装置 (2 リットルから 4,000 リットル以上) まで確実に拡張できます。

コニカルドライヤーの背後にある理論は、熱エネルギーと真空を利用して水分または溶媒の沸点を下げ、材料を乾燥させることです。 間接的な熱エネルギーは、ジャケット付き容器と撹拌ブレードを通じて供給されます。 外部の真空ポンプまたはシステムによって真空が供給され、固体に含まれる水分または溶媒の大気沸点以下で加熱および乾燥できます。 通常、リボンまたはらせん状のブレードである撹拌機は、乾燥機内での「固体の穏やかな混合と再生」を促進し、製品に影響を与えることなく効果的な製品の回転率を高め、水分の再生を促進します。 典型的な供給材料には、湿った固体のケーキ、スラリーまたはペースト、および流体が含まれます。

熱と真空を使用した円錐形乾燥機内での接触乾燥と蒸発

コニカルドライヤーシステムの図

円錐形乾燥機で除去される湿気の種類は次のとおりです。

- 無料の液体

- 固体粒子表面の付着性流体

- 固体表面上のマクロおよびマイクロ毛細管内の自由流体 (固体の隙間を通る液体の流れ)

- 結晶性流体（分子に結合した水分）

固体から除去されるさまざまな種類の水分

応用例としては、スプレードライヤーや濾過装置から排出される結晶性原薬、食品、ウェットケーキの乾燥などが挙げられます。

リチウムイオン電池業界では、原料の採掘、合成、準備に円錐形ドライヤーが広く使用されています。 塩化リチウム、炭酸リチウム、水酸化リチウム一水和物、水酸化リチウムなどの各種リチウム化合物が重要な材料です。 そのような例の 1 つは、水酸化リチウム一水和物を乾燥して水酸化リチウムから水を分離することです。 他の例には、NiCoMn 材料の調製における合成、濾過、および洗浄ステップ後の前駆体および活性材料の乾燥が含まれます。

円錐形ドライヤーの実装または商品化における重要なステップは、技術的な実現可能性と概念の実証です。 ケーキの密度、供給製品の粘度または流動性、水分の種類と含有量、水分の蒸気圧曲線、ケーキまたは固体の特性（多孔性、均質性、吸湿性）、最終目標などの初期製品状態などの基準品質と製品特性はすべて非常に重要です。

実験室規模の乾燥機および撹拌機

乾燥機メーカーは多くの場合、商品化や拡張前にアプリケーションを評価できるテスト施設や試用機器を備えていることを指摘することが重要です。 多くの場合、ベンチまたはパイロット スケールの乾燥機での開発は非常に役立ちます。 製品の乾燥曲線を作成して、さまざまな温度および真空条件に関する時間の関数として水分 (初期および最終) % を評価できます。

それぞれの製品には、特定の温度、乾燥ガス速度、および圧力条件での製品の乾燥特性を記述する代表的な「乾燥」曲線があります。 この曲線は、特定の製品の乾燥曲線と呼ばれます。 曲線の変動は、主に温度、圧力、乾燥機の設計に応じた速度で発生します。

乾燥曲線図

この曲線は、乾燥の 3 段階での各製品の乾燥に関連する熱力学を理解する上で非常に価値があります。

1) 顕熱や真空が製品および含有水分に伝わる初期期間

2) 自由水分が固体の表面に残り、水分含量が減少するにつれて蒸発が比較的一定になる一定速度の期間。

３）各粒子の内部隙間から外部表面への水分の移動が乾燥速度の制限要因となる速度低下期間。

上記の側面に加えて、ユーザーは、熱源や真空源、溶媒回収、固体の管理や濾過、取り扱いなどの乾燥機設置のための周辺機器やサポート機器、そしてもちろんオペレーターや現場に関連する安全性も考慮する必要があります。

結論として、乾燥機、特に円錐形撹拌乾燥機は、化学、エネルギー、製薬、食品加工業界の多くの市場で広く使用されています。 ベンダーと協力して慎重に検討し、細部にまで注意を払うことで、通常は実装が成功します。

Lee Holliday はプロセス セールス ディレクター、Joseph Porcelli は地域セールス マネージャー、Daniel Nenno は IKA Works Inc. のシステム セールス エンジニアです。詳細については、910-452-7059 に電話するか、www.ikaprocess.com/en にアクセスしてください。

1. ペリーの化学工学ハンドブック、第 9 版2。 IKA Works Inc.、シュタウフェン、ドイツ3． プロセスヒーティング.com

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