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Equipos

En general, la HR del aire que toman los equipos de secado debe ser más baja que el contenido de humedad de equilibrio del material a secar16.

Clasificación de los equipos de secado:

Se pueden clasificar según:

1. El método de transferencia de calor: Se dividen en dos: los de contacto directo en el que el material se seca al exponerse a un gas caliente (mecanismo convectivo), mientras que los de contacto indirecto, el calor es transferido de una fuente de calentamiento a una superficie metálica que contacta el producto (mecanismo conductivo).se basa en las diferencias entre el diseño, operación y requerimientos de energía.

2. La manipulación del sólido: Cuando se tiene en cuenta la naturaleza del material a secar como la presencia o ausencia de agitación. Esta agitación puede ser producida por agitación o por gravedad. Los materiales friables estarán sujetos a atrición con las agitaciones excesivas, estas agitaciones se recomiendan si el material se va a pulverizar.

1. SECADORES DE LECHO ESTÁTICO

Aquí no hay movimiento relativo entre las partículas sólidas a secar aunque puede haber movimiento total de la masa a secar. Se caracteriza porque solo una fracción de las partículas totales se expone directamente a las fuentes de calor, además la superficie de exposición puede aumentarse disminuyendo la espesura o grosor del lecho permitiendo al aire pasar a través de él17.

1.1. Secador de bandejas: Son los más antiguos y aún los más utilizados. Consisten de una cabina en el que el material a secar se esparce en bandejas (4-20). Cada bandeja puede ser de forma cuadrada o rectangular con un área que en promedio se de 1.25m2; se recomienda esparcir el material hasta una altura máxima de 1.5 cm. El secado puede durar hasta dos días dependiendo del tipo de material y su contenido de humedad.

Ventajas:
-Cada lote del material se seca separadamente.
-Se pueden tratar lotes de tamaños desde 10 hasta 250 kg.
- Para el secado de materiales no necesita de aditamentos especiales.

Estos equipos tienen dos variaciones, una de secado directo en el cual el aire caliente es forzado a circular por las bandejas. La otra de secado indirecto, donde se utiliza el aire caliente proveniente de una fuente de calor radiante dentro de la cámara de secado y una fuente de vacío o un gas circulante para que elimine la humedad del secador. Véase figura 5.


Figura 5. Esquema general de un secador de bandejas

Las bandejas pueden ser de fondo liso o enrejado. En estas últimas, el material se debe colocar sobre un papel, tela o fibra sintética especial donde la circulación del aire caliente fluye sobre el material desde arriba hasta abajo. El material de soporte debe facilitar la limpieza y prevenir la contaminación del producto. En el secador la temperatura y el flujo deben ser muy uniformes. En general la velocidad de flujo recomendada para 100 kg del material es de 200 pies/min.

Los granulados obtenidos en este secador son más densos, duros e irregulares que los obtenidos en por lecho fluidizado, ya que éstos tienden a ser más porosos, menos densos y más esféricos.

La desventaja de estos equipos es que algunos colorantes y ciertos fármacos solubles en agua tienden a migrar desde el centro del gránulo hasta la superficie durante el secado.

La fuente energética de estos secadores ser vapor, electricidad, o hidrocarburos como carbón, petróleo, aceite y gas. Estos dos últimos calientan mucho más y son de bajo costo de funcionamiento, pero tienen el inconveniente de contaminar el producto y producir explosiones. Los secadores que funcionan con vapor son más baratos que los eléctricos y se aconsejan para equipos grandes.

1.2. Secador de túnel: Consiste de vagones en los que se coloca la muestra y el vagón hace un recorrido por un pequeño túnel con flujo constante de aire caliente y seco, este equipo se recomienda para procesos de secado continuos. Los vagones se mueven progresivamente a través del túnel halados por una cadena móvil. En un o de los extremo se carga el balón por el material a secar y por el otro extremo se retira el vagón con la muestra seca. El calor se suministra por convección directa o haciendo uso de energía radiante. Actualmente existen algunos modelos que reemplazan a los vagones por una banda transportadora sin fin que hace el mismo recorrido del material a través del túnel de secado.

En este tipo de secadores la humedad y temperatura cambian continuamente, como consecuencia el periodo de velocidad constante del secado de los materiales no aparece como constante porque decrece a medida que la temperatura disminuye, por tal razón las curvas de velocidad de secado no se aplican a los procesos de secado continuos.

2. SECADORES DE LECHO MÓVIL

Aquí las partículas que se están secando, se separan parcialmente de manera que fluyan unas sobre otras. El movimiento del material se produce o por gravedad o por agitación mecánica. Su gran ventaja es la separación resultante de las partículas y la exposición continúa de nuevas superficies del material que permite un calentamiento más rápido al igual que una muy buena transferencia de masa18.

2.1 Secador Turbo de bandejas: Este esta formado por una serie de bandejas circulares rotantes alrededor de un eje central apiladas verticalmente. Su velocidad de rotación promedio es de 0.5 rpm. El aire caliente circula a través de las bandejas con ayuda de ventiladores montados en el centro de la columna. El material húmedo se coloca en la parte superior del secador y una pala estacionaria se encarga de esparcirlo uniformemente. Cuando la bandeja circular ha rotado un 90% el material es pasado a través de unos orificios radiales a la bandeja de abajo donde de nuevo se esparce y homogeniza. La transferencia de masa de una bandeja a otra se produce después de una revolución. Así continúa sucesivamente hasta que el material llegue a la parte inferior. La ventaja es que el material continuamente esta exponiendo superficies nuevas al aire circulante y que el secado ocurre más rápidamente que en los secadores de túnel.Véase figura 6.


Figura 6. Esquema de un secador turbo de bandejas

2.2 Secador de bombo o cacerola: Su principio es similar al de un rotaevaporador y consiste de un bombo circular de uno a dos metros de diámetro y una profundidad de 30 -50 cm, su fondo es plano y los lados son verticales. Realizan un tipo de secado indirecto en que pueden operar con ayuda de vacío o presión atmosférica baja. Estos se utilizan mucho para el secado de pequeños lotes del material en forma de pastas. El calor es suministrado por una corriente de vapor o agua caliente, el bombo tiene una serie de palas que agitan lentamente el material friccionando la masa húmeda que queda adherida a las paredes y exponiendo nuevas superficies al contacto con las superficies calientes del fondo. Cuando lo que se esta evaporando es un solvente, este se puede recuperar por condensación. Al final del proceso el material seco queda en el fondo del bombo.

3. SECADOR DE LECHO FLUIDIZADO

3.1 Lecho fluidizado vertical y horizontal: Se caracteriza porque las partículas sólidas se suspenden parcialmente en la corriente de aire corriente arriba, las partículas se elevan y luego caen al azar de manera que la mezcla sólido-gas actúa como un líquido en ebullición. Aquí el contacto sólido-gas es excelente y resulta en un mejor calentamiento y transferencia de masa que los secadores de lecho estático y móvil19.

Consiste de un cilindro vertical en que la aplicación de aire se hace a altas velocidades desde el fondo a la parte superior. Este aire en su recorrido suspende el material sólido y se mezcla con el formando el fluid izado asumiendo la forma del recipiente que los contiene. Las partículas sólidas se arremolinan y caen al fondo, posteriormente vuelven a elevarse y a caer, este ciclo se repite cientos de veces. Este tipo de secado es muy eficiente porque cada partícula es rodeada por una columna de aire, produciendo uniformidad de la temperatura, composición y distribución del tamaño de partícula. La única condición es que el material a secar no esté muy húmedo (porque puede hacer que se pegue aún más), ni tampoco ser demasiado friable (porque generaría muchas partículas finas). Estos secadores son muy rápidos y para disminuir los peligros de explosión y la acumulación de cargas estáticas se les conecta un polo a tierra. Existen modelos verticales y horizontales, cuya capacidad puede llegar a 200 Kg. Si tiempo de secado es máximo de 40 si el solvente a eliminar es agua. Véase figura 7.


Figura 7. Esquema de un Granulador-secador de lecho fluidizado

Entre las ventajes del equipo están el corto periodo de secado, poco riesgo de contaminación y mínima manipulación del material en caso de que en este mismo equipo también granule.

3.2 Secador tipo transportador por vibración20 : Es un equipo complejo que se puede utilizar en procesos de secado continuos. El aire caliente se inyecta en la parte inferior en el compartimiento del transportador vibraciónal que lleva el material a secar, luego a través de un sistema de lecho fluidizado pasa a la parte superior y finalmente pasa a un conducto colector. El lecho fluidizado de densidad uniforme se mantiene en la zona de secado por vibración del transportador y uso de pequeños obstáculos para retención del material. El tiempo de residencia se determina por la longitud de la zona de secado, frecuencia y amplitud de la vibración del transportador y de la altura de los obstáculos. En cada zona debe existir control del aire y de temperatura. El transportador puede tener en promedio 70 cm. de anchura y una profundidad de 8cm. La capacidad del secado esta limitada por el tiempo de retención del material en el transportador. Véase figura 8.


Figura 8.
Esquema de un secador tipo transportador por vibración

4. SECADORES NEUMÁTICOS

Se fundamenta en que las partículas a secar se conducen en una corriente de gas a alta velocidad. Cada partícula se rodea completamente por una envoltura del gas secante. El calor resultante y la transferencia de masa son muy rápidos, además el tiempo de secado es muy corto.

4.1 Secador Spray: El secador se compone un recipiente para la carga del material, sistema de alimentación, una cámara de secado, un clasificador (ciclón) sólido-gas y de un sistema de recolección. La velocidad se ajusta de manera tal que cada gota del spray este completamente seca antes de que esta contacte las paredes de la cámara del secado. La excesiva velocidad de alimentación disminuye la temperatura de salida acumulando el material en las paredes de la cámara. La separación del sólido del gas efluente se logra por medio de un ciclón. Finalmente, el producto se colecta en la cámara de secado. Véase figura 9.


Figura 9. Esquema de un secador spray

Sólo se utiliza para manipular fluidos como soluciones y pastas delgadas. El fluido se dispersa como gotas finas en una corriente de gas caliente donde el líquido se evapora antes de alcanzar la pared de la cámara. Al final, se obtiene un material seco fino que es llevado por una corriente de gas a un recipiente recolector. Los gránulos secos se forman alrededor de la carcasa seca por difusión del vapor. De esta forma, la presión interna de la gota hace que esta se hinche y que el gránulo se haga cada vez más delgado permitiendo la rápida difusión de la humedad a través de éste. Posteriormente ocurre la fragmentación del gránulo formado. La velocidad se puede regular inspeccionando la cantidad del material que queda adherida en las paredes o que salen en el exhosto.

La difusión del líquido al interior del gránulo ocurre a velocidad más baja que la transferencia de calor del exterior al interior de la gota. Esta ganancia de calor causa que el líquido dentro del gránulo se evapore a una velocidad mayor que la que se difunde a través de su superficie. Si el gránulo es impermeable o frágil, éste se romperá produciendo fragmentos derivados del gránulo original.

Ventajas:
-Cambia la apariencia física del material (forma y tamaño de partícula, densidad aparente) según la forma farmacéutica (tableta o cápsula a utilizar).
-Es perfecto para el secado de materiales sensibles al calor y oxidación sin degradarlos (por la evaporación y recolección rápida).
-Produce partículas esféricas de excelente flujo y mínima área superficial.
-se puede utilizar en operaciones de recubrimiento de sólidos y líquidos porque a medida que se evapora el material de recubrimiento envuelve la partícula que enmascara el olor y sabor mejorando la estabilidad, recubrimiento entérico y la liberación sostenida. Los líquidos oleosos para recubrimiento se obtienen emulsificándolos en agua con ayuda de goma acacia o almidón y luego sometiéndolo al proceso de secado (evaporando el agua y cubriéndose por el aceite)21.

4.2 Secadores relámpago: La masa húmeda pulverizada se suspende a altas velocidades (3000 -6000 pies/min) a una temperatura de 300 a 1300°F. Las partículas chocan por el flujo neumático reduciendo al mismo tiempo su tamaño. Luego el material particulado fino pasa por un conducto hasta a un ciclón separador y por último hasta el recipiente colector. El periodo de secado es muy corto porque en tan solo dos segundos la temperatura puede pasar de 1300 a 350 °F. La temperatura del material seco colectado es menor de 100°F 22 .


5. SECADORES POR CONGELACIÓN (LIOFILIZACIÓN)

Los productos termolábiles deben secarse primero por congelación y luego someter los a muy bajas presiones para calentarlos (por conducción o radiación) de manera que el solvente se sublime se pueda recuperar. Ejem. Suero sanguíneo, plasma, antibióticos, hormonas, cultivos bacterianos, vacunas y alimentos. A este proceso de secado se le llama también liofilización, gelificación o secado por sublimación. El producto liofilizado se redisuelve o resuspende por adición de agua antes de utilizar (proceso llamado reconstitución). En general, La sublimación ocurre a presiones y temperaturas por debajo del punto triple (4,579 mm) y 0.0099°C. Cuando el agua en los productos destinados para el secado por congelación contiene sólidos disueltos se producen diferentes relaciones entre temperatura y presión para cada soluto. En estos casos el punto en que la presión y temperatura en que el sólido se vaporiza sin convertirse a la fase líquida se conoce como punto eutéctico. La liofilización se lleva a cabo entre -10 y -40 °C y a presiones entre 2000 y 100 bar.

Los tres requisitos básicos para llevar a cabo el proceso de liofiización son:

-La presión de vapor del agua en la superficie del material debe ser más alta que la presión parcial de la atmósfera circulante.

-El calor latente de evaporación debe introducirse en el sólido a una velocidad tal de manera que mantenga los niveles de temperatura deseables entre la superficie y el interior.

-Eliminación del solvente evaporado.

Los cuatro componentes básicos de un equipo de liofilización son:

Una cámara de vacío, una fuente de vacío, una fuente de calentamiento, sistema de remoción del vapor (por condensadores, desecadores y bombas). Como agentes de enfriamiento se pueden utilizar gas carbónico, hielo seco o hielo seco-acetona, amoniaco y freón.

Durante el primer periodo de secado se remueve cerca del 95% del agua contenida en el material y cubre las primeras 24 horas a una velocidad constante. En el estado final, se remueve el otro 5% de humedad restante; este último proceso toma cerca de 6 horas 23 .

6. SECADO POR MICROONDAS

Estos equipos generan energía radiante en forma de microondas. Estas ondas penetran el núcleo del material haciendo que el agua se evapora muy rápidamente. Este principio se puede combinar con los secadores de lecho móvil o estático. Es útil para secar a bajas temperaturas material termolábil como proteínas, vitaminas, material enzimas etc. Este equipo ahorra bastante energía en los procesos de secado24.

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