Giới thiệu chung: Hoàn thiện sản phẩm là các bước quy trình ở giai đoạn cuối để chuẩn bị sản phẩm ở dạng ổn định và thuận tiện cho việc vận chuyển và lưu trữ. Quy trình phổ biến là kết tinh, sấy phun và sấy khô. Bảng 9.7 mơ tả các quy trình, chất lượng sản phẩm thu được và các hạn chế của kỹ thuật này.
Kỹ thuật: Kỹ thuật Quá trình Chất lượng Hạn chế
Kết tinh Sản phẩm được kết tủa từ dung dịch bão hịa.
Thấp Sử dụng dung mơi hoặc muối để thúc đẩy quá trình kết tinh.
Độ nhạy cao của sản phẩm với nhiệt độ, pH và độ ion của môi trường xung quanh. Bản chất dễ vỡ của tinh thể protein do bề mặt protein hình dạng khơng đều. Bước lọc là cần thiết để tách tinh thể sản phẩm khỏi các tạp chất hòa tan trong dung dịch lỏng.
Sấy phun Dịch có nồng độ sản phẩm cao được làm khô nhanh bằng khí nóng để tạo thành bột khơ. VD: trà hịa tan, bột
Thấp-Cao Nhiệt làm biến tính sản phẩm. VD: Caramel hóa tạo nâu
Đơng khơ Sản phẩm được đông lạnh bằng áp suất và đá được hình thành được loại bỏ bằng quá trình thăng hoa.
Cao Giai đoạn sấy khô được yêu cầu.
Sản phẩm đơng khơ có thể được bù nước nhanh chóng.
Chi phí vận hành cao.
3.1. Kết tinh: Kết tinh là sự hình thành các hạt rắn trong một pha đồng nhất. Nó dựa trên ngun tắc hịa tan của sản phẩm, liên quan đến sự thay đổi pha mà chất tan từ dung dịch lỏng được kết tủa thành tinh thể rắn nguyên chất trong dung dịch siêu bão hòa. Các sự thay đổi pha mà chất tan từ dung dịch lỏng được kết tủa thành tinh thể rắn nguyên chất trong dung dịch siêu bão hòa. Các tạp chất vẫn hịa tan trong dung dịch lỏng và có thể được loại bỏ bằng bước lọc. Kết tinh cung cấp kỹ thuật để có được sản phẩm nguyên chất ở dạng thích hợp để đóng gói và lưu trữ.
Kết tinh là phương pháp được thiết lập sử dụng trong việc thu hồi các acid hữu cơ và amino acid, được sử dụng rộng rãi để tinh chế sản phẩm cuối cùng là một loạt các hợp chất.
Kết tinh bao gồm hai giai đoạn: hình thành hạt nhân và sự phát triển của tinh thể. Để quá trình kết tinh xảy ra, dung dịch phải được bão hịa trước, do đó dung dịch phải chứa nhiều chất hịa tan hơn trong điều kiện bình thường. Một số phương
pháp có thể được sử dụng để thu được q trình siêu bão hịa như bay hơi dung mơi, làm mát, phản ứng hóa học và bổ sung dung mơi thứ hai để giảm độ hịa tan của chất tan, phân lớp dung môi và thăng hoa cùng với các phương pháp khác. Bước đầu tiên của quá trình kết tinh là sự hình thành mầm trong đó các tinh thể được hình thành khi các hạt tập hợp thành cụm. Các cụm trở thành hạt nhân ổn định sau khi đạt được kích thước cụm quan trọng. Có hai sự hình thành mầm khác nhau: sơ cấp và thứ cấp. Hạt nhân sơ cấp là tự phát và đồng nhất trong trường hợp khơng có các hạt lạ. Do đó, với sự có mặt của các hạt ngoại lai, sự hình thành hạt nhân khơng đồng nhất và sau đó sự hình thành được tạo ra bởi các hạt lạ và xảy ra nồng độ siêu bão hòa thấp hơn so với tạo mầm nguyên sinh đồng nhất. Sự tạo mầm thứ cấp xuất hiện khi các tinh thể tồn tại trong dung dịch và nó được gây ra bởi sự va chạm của tinh thể. Kiểu hình thành mầm này là cơ chế điển hình trong quá trình kết tinh cơng nghiệp do nồng độ siêu bão hịa thấp.
Bước tiếp theo của q trình kết tinh là tăng trưởng tinh thể trong đó kích thước hạt nhân tăng sau khi đạt được kích thước cụm tới hạn. Tăng trưởng tinh thể là tăng kích thước riêng của nó trong các lớp mỏng. Tốc độ tăng trưởng tinh thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố vật lý khác nhau, chẳng hạn như sức căng bề mặt của dung dịch, áp suất, nhiệt độ, tốc độ tinh thể tương đối trong dung dịch, số Reynold và các yếu tố khác.
Cơng nghiệp hóa chất sản xuất 70% tất cả các vật liệu rắn bằng cách kết tinh và kết tủa. Việc sử dụng rộng rãi là do nhiệt độ tác động và tiêu thụ năng lượng trong hoạt động khá thấp. Ngoài ra mức độ tinh khiết cao có thể đạt được với một bước duy nhất. Kết tinh cũng là một giai đoạn quan trọng chỉ định chất lượng sản phẩm là độ tinh khiết và tính năng xử lý như làm ướt hoặc đóng bánh. Q trình kết tinh thường áp dụng là làm lạnh và kết tinh bay hơi mặc dù các phương pháp khác cũng tồn tại. Trong tinh thể kết tinh, làm mát được hình thành bằng cách làm mát dung dịch. Trong q trình kết tinh bay hơi, dung mơi được loại bỏ bằng cách bay hơi để tạo thành tinh thể và do đó địi hỏi nhiều năng lượng hơn so với quá trình kết tinh làm mát. Trong quy mơ cơng nghiệp, các lị phản ứng kết tinh có thể là lò phản ứng mẻ hoặc liên tục.
Kết tinh là phương pháp xử lý hạ nguồn điển hình cho các sản phẩm chất lượng cao với yêu cầu độ tinh khiết cao. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong sản xuất acid hữu cơ. Một trong những acid hữu cơ phổ biến nhất là citric acid, được sử dụng trong công nghiệp dược phẩm, thực phẩm và đồ uống.
Cách thực hiện để kết tinh acid citric: sau khi lên men, nước dùng được lọc và kết tủa bằng Ca(OH)2 ở pH 7,2 và nhiệt độ 70-90°C. Tinh thể canxi citrat được hình thành trong phản ứng. Sau khi lọc, canxi citrat được phản ứng với sulfuric acid để kết tủa canxi dưới dạng canxi sunfat. Citric acid khan được giải phóng (khi phản ứng xảy ra trên 40°C), và sau đó được làm trắng bằng than hoạt tính và kết tinh bằng cách bay hơi. Sản phẩm thu được có độ tinh khiết rất cao do kết tinh và do đó phù hợp cho thực phẩm hoặc dược phẩm.
Kết tinh cũng được sử dụng trong việc thu hồi amino acid. Samejima (1972) đã thực hiện phương pháp này cho kết tinh glutamic acid, lysine và các amino acid khác. Sự thu hồi của cephalosporin C dưới dạng muối natri hoặc kali của nó bằng cách kết tinh đã được mô tả bởi Wildfeuer (1985). Trong các sản phẩm phụ lên men 1,3-propanediol (natri succinate và natri sulfat) của quá trình lên men cần phải được loại bỏ trước khi thu hồi 1,3-propanediol.
3.2. Sấy: Sấy liên quan đến việc loại bỏ độ ẩm và các hợp chất dễ bay hơi khỏi sản phẩm, nhằm cải thiện tuổi thọ bảo quản của sản phẩm và để dễ xử lý. Sấy phun sử dụng dịng khí nóng để cung cấp nhiệt bằng cách đối lưu để làm bay hơi độ ẩm (độ ẩm tự phẩm và để dễ xử lý. Sấy phun sử dụng dịng khí nóng để cung cấp nhiệt bằng cách đối lưu để làm bay hơi độ ẩm (độ ẩm tự
do, độ ẩm hút ẩm hoặc kết hợp cả hai) từ dung dịch lỏng. Khơng khí thường được sử dụng làm dịng khí nóng. Khí nitơ được sử dụng thay thế cho các sản phẩm nhạy cảm với oxy như dược phẩm.
Việc sấy khô bất kỳ sản phẩm nào (bao gồm cả sản phẩm sinh học) thường là giai đoạn cuối cùng của quy trình sản xuất. Nó liên quan đến việc loại bỏ nước cuối cùng hoặc các dung môi khác khỏi sản phẩm, đồng thời đảm bảo rằng có sự hao hụt là tối thiểu về khả năng tồn tại, hoạt động hoặc giá trị dinh dưỡng. Mục tiêu của sấy khơ bao gồm:
- Chi phí vận chuyển giảm.
- Các vật liệu dễ dàng hơn để xử lý và đóng gói. - Vật liệu dễ bảo quan hơn ở trạng thái khơ.
Sấy được trình bày bao gồm sấy phun, sấy đông khô, sấy tầng sôi.
Sấy phun: Sấy phun là kỹ thuật dựa trên sự biến đổi của chất lỏng thành bột khơ bằng cách phun trong dịng khí khơ nóng thường là khơng khí. Q trình sấy phun bao gồm bốn bước cơ bản:
- Phun tơi dịch lỏng, - Sấy phun thành khí - Hình thành các hạt khơ
- Tách và thu sản phẩm khơ từ khí khơ.
Hình 9.10 cho thấy sơ đồ của quy trình sấy phun thơng thường. Đầu tiên, chất lỏng được đưa vào buồng sấy bằng bơm nhu động thơng qua một bộ phun hoặc vịi phun có thể là một bộ phun quay, vịi áp lực hoặc vịi phun hai chất lỏng và q trình phun xảy ra bằng cách ly tâm, áp suất hoặc động năng, tương ứng. Các giọt nhỏ được tạo ra (thang đo micromet) bị bay hơi nhanh dẫn đến sự hình thành các hạt khơ được tách ra khỏi khí khơ bằng bộ thổi lốc xốy hoặc túi lọc đặt trong bộ thu thủy tinh nằm trong đáy thiết bị. Dịch lỏng trong sấy phun có thể là dung dịch, huyền phù, nhũ tương, bùn, bột nhão hoặc tan chảy. Các sản phẩm rắn thu được sau q trình có ưu điểm là ổn định hóa học và vật lý cao hơn so với các công thức dạng lỏng. Ngồi ra, chúng có thể được sử dụng làm tiền chất để sản xuất các dạng bào chế phù hợp khác như viên nang hoặc viên nén.
Hình 6.10. Mơ hình sấy sản phẩm
Các cấu hình hoạt động trong sấy phun có thể là vịng hở hoặc vịng kín. Cái trước sử dụng khơng khí làm khí khơ khơng được lưu thơng lại, trong khi khí sau là khí trơ (ví dụ nitơ) có cấu hình vịng hở thường được ưa thích trong hầu hết các
trường hợp vì nó hiệu quả và ổn định hơn. Tuy nhiên, chế độ vịng kín được sử dụng để ngăn chặn sự pha trộn của khí nổ và để thao tác các chất nhạy cảm với oxy.
Liên quan đến hướng của dịng khí sấy đối với hướng của phun chất lỏng, tồn tại hai khả năng, dòng đồng dòng (cùng hướng) và dịng ngược dịng (ngược chiều) (hình 9.11). Trong trường hợp đầu tiên, sản phẩm cuối cùng tiếp xúc với khơng khí mát nhất, do đó tốt hơn là sấy khơ các vật liệu nhạy cảm với nhiệt (hình 9.11a). Trong trường hợp thứ hai, sản phẩm khơ tiếp xúc với khơng khí nóng nhất và do đó nó khơng thể được sử dụng với các vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ nhưng được mong muốn về hiệu suất nhiệt cao hơn (hình 9.11b). Ngồi ra, có các cấu hình trung gian với dịng chảy hỗn hợp giữa dịng đồng thời và dịng ngược.
Hình 6.11. Sơ đồ của dịng chảy đồng dịng (A) và dòng chảy ngược dòng (B).
Các dòng liền thể hiện cho phun tơi dịch lỏng và các đường đứt nét đại diện cho khí khơ.
Sấy phun được sử dụng rộng rãi để sấy khô các vật liệu sinh học khi nguyên liệu ban đầu ở dạng lỏng hoặc bột nhão. Vật liệu được sấy khô không tiếp xúc với các bề mặt gia nhiệt, thay vào đó, nó được phun thành các giọt nhỏ thơng qua vịi phun hoặc tiếp xúc với đĩa quay. Các giọt này sau đó rơi vào một luồng khí nóng xoắn ốc ở nhiệt 150-250°C. Diện tích tiếp xúc bề mặt lớn/ tỷ lệ thể tích của các giọt dẫn đến tốc độ bay hơi nhanh và q trình sấy sẽ được hồn thành trong vài giây, với tốc độ sấy và kích thước sản phẩm liên quan trực tiếp đến kích thước giọt được sản xuất bởi phương pháp sấy phun. Hiệu ứng làm mát khi bay hơi ngăn chặn vật liệu quá nóng và hư hỏng. Tốc độ dịng khí phải được điều tiết cẩn thận để khí có khả năng chứa độ ẩm cần thiết ở nhiệt độ khí thải khơng khí mát (75-100°C). Trong hầu hết các quy trình, việc thu hồi các hạt rất nhỏ từ khí thốt ra phải được tiến hành bằng cách sử dụng bộ lọc. Điều này đặc biệt quan trọng để thu các hợp chất hoạt tính sinh học. Máy sấy phun tia đặc biệt phù hợp để xử lý các vật liệu nhạy cảm với nhiệt. Hoạt động ở nhiệt độ khoảng 350°C, thời gian lưu trú là khoảng 0,01 giây do các giọt rất mịn được tạo ra trong vòi phun.
Các biến ảnh hưởng đến đặc tính của sản phẩm và có thể điều chỉnh là tham số q trình, thuộc tính của dịch lỏng và thiết kế thiết bị. Ví dụ, tốc độ dịng chảy cao của dịch lỏng, đường kính vịi phun lớn và nồng độ cơng thức cao có lợi cho sự hình thành các hạt lớn hơn. Ngược lại, sức căng bề mặt thấp, áp suất phun cao và đường kính vịi phun nhỏ làm cho các hạt nhỏ hơn. Về hình thái của các hạt, tốc độ bay hơi dung môi nhanh hơn (điểm sôi thấp hơn) thường dẫn đến các hạt xốp hơn do thời gian ngắn hơn cho các giọt co lại. Cuối cùng, nhiệt độ cửa thốt khí phụ thuộc vào các biến q trình khác. Máy sấy phun cho hiệu quả kinh tế cao khi xử lý với khối lượng lớn. Do nhiệt độ cao của sấy phun, sản phẩm dễ bị suy thoái do nhiệt nên đối với những sản phẩm nhạy cảm, cần tìm giải pháp thay thế.
Sấy đông khô: Sấy đông khô là phương pháp sấy được ứng dụng trong sản xuất nhiều sinh phẩm và dược phẩm. Các vật liệu đầu tiên được đơng lạnh và sau đó sấy khơ bằng cách thăng hoa trong chân khơng cao, sau đó sấy khơ thứ cấp để loại bỏ ẩm. Nó phù hợp cho việc sấy khô protein và thuốc nhạy cảm với nhiệt. Khi đông khô, nước được loại bỏ dưới dạng hơi bằng cách thăng hoa từ sản phẩm đông lạnh trong buồng chân không. Đông khô tạo ra sản phẩm chất lượng cao nhờ việc bảo tồn cấu trúc tự nhiên và đặc tính của các hoạt chất.
Ưu điểm nổi bật của kỹ thuật này là nó khơng gây hại cho các vật liệu nhạy cảm với nhiệt. Hạn chế là thường tốn nhiều năng lượng hơn các hình thức sấy khác.
Sấy tầng sơi: Sấy tầng sôi là phương pháp sấy được sử dụng ngày càng nhiều trong ngành dược phẩm. Khơng khí nóng được đưa vào buồng chứa chất rắn, trong đó vật liệu ướt liên tục được thêm vào và vật liệu khô liên tục được lấy ra. Nhiệt độ rất cao và tốc độ truyền khối đạt được cho sự bốc hơi nhanh chóng và cho phép tồn bộ ngun liệu được duy trì trong điều kiện khơ ráo.