Gängige Arten und Anwendungen von Sprühtrocknern

I. Funktionsprinzip der Sprühtrocknung

Bei der Sprühtrocknung wird die flüssige Ausgangslösung mittels Zerstäubern in feine Tröpfchen zerstäubt. Das Lösungsmittel verdampft in einem heißen Trocknungsmedium schnell und bildet ein trockenes Pulver. Die Sprühtrocknung umfasst im Allgemeinen vier Schritte: a) Zerstäubung der flüssigen Ausgangslösung; b) Kontakt und Vermischung des Sprühnebels mit dem heißen Trocknungsmedium; c) Verdampfung und Trocknung der Tröpfchen; d) Abtrennung des getrockneten Produkts vom Trocknungsmedium.

Die flüssige Ausgangslösung kann eine Lösung, Emulsion, Suspension, Schmelze oder Paste sein – jede pumpfähige Flüssigkeit. Das Produkt kann als Pulver, Granulat, Hohlkugel oder Agglomerat vorliegen.

II. Gängige Sprühtrockner: Sprühtrockner zerstäuben eine verdünnte Flüssigkeit (z. B. eine Lösung mit einem Wassergehalt von 75–85 % oder höher) mithilfe eines Sprühgeräts in Tröpfchen und verteilen diese in einem Heißluftstrom. Dadurch verdunstet die Feuchtigkeit schnell, und es entsteht ein festes Produkt. Die Trocknungszeit beträgt in der Regel nur wenige Sekunden bis einige zehn Sekunden. Das Sprühgerät ist die Schlüsselkomponente der Sprühtrocknung; es werden hauptsächlich Zentrifugal-, Druck- und Luftstromsprühgeräte eingesetzt.

1. Drucksprühtrockner: Ein Drucksprühtrockner verwendet 2–20 MPa, um gefilterte Flüssigkeit in kleine Tröpfchen zu zerstäuben. Diese zerstäubten Tröpfchen (mit deutlich vergrößerter Oberfläche) kommen vollständig mit der Heißluft in Kontakt, wodurch der Trocknungsprozess innerhalb von 10–30 Sekunden abgeschlossen wird. Das entstandene Pulver oder feine Granulat wird anschließend abgetrennt.

2. Zentrifugal-Sprühtrockner: Die Luft durchströmt einen Filter und einen Erhitzer und tritt in den Luftverteiler am oberen Ende des Zentrifugal-Sprühtrockners ein. Die Heißluft strömt gleichmäßig spiralförmig in den Trockner. Die Speiseflüssigkeit wird aus dem Vorratsbehälter durch einen Filter zum Zentrifugalzerstäuber am oberen Ende des Trockners gepumpt, wo sie in feinste Tröpfchen zerstäubt wird. Speiseflüssigkeit und Heißluft strömen parallel, wodurch die Feuchtigkeit schnell verdunstet und das Produkt in kürzester Zeit zum fertigen Produkt getrocknet wird. Das fertige Produkt wird am Boden des Trockenturms und über den Zyklonabscheider abgeführt, während das Abgas mittels eines Ventilators abgeführt wird.

3. Luftstrom-Sprühtrockner: Dieser Trocknertyp nutzt primär das Hochgeschwindigkeitszerstäuben von Luft oder Wasserdampf aus Düsen. Durch Reibung wird die Speiseflüssigkeit in feine Tröpfchen zerstäubt, die dann mit der Heißluft zum Wärmeaustausch in Kontakt kommen. Der gesamte Prozess dauert weniger als eine halbe Minute. Er ist sehr effektiv für hochviskose Materialien und einfach zu bedienen.

III. Anwendungsbereiche von Sprühtrocknern

1. Sprühtrocknung für Spezialkeramikgranulat

Die Formgebung des Grünlings vor dem Sintern von Keramikmaterialien beeinflusst direkt die Eigenschaften des Endprodukts. Die Pulvereigenschaften wirken sich maßgeblich auf die Gleichmäßigkeit des Grünlings und die Dichte nach dem Trockenpressen aus. Die Sprühgranulationstechnologie wird häufig zur Herstellung von Spezialkeramikpulvern eingesetzt. Drucksprühen ist ein gängiges Verfahren zur Granulierung von Spezialkeramikpulvern. Unter geeigneten Prozessbedingungen weist das hergestellte Pulver eine gute chemische Homogenität, hohe Feinheit, gute Fließfähigkeit und hohe Verdichtungsdichte auf und eignet sich daher für Trocken- oder isostatische Pressverfahren.

2. Anwendung der Sprühtrocknung bei Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4)-Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien bestehen hauptsächlich aus Kathodenmaterialien, Anodenmaterialien, Elektrolyten und Separatoren. Kosten und Leistung der Kathodenmaterialien schränken die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien ein; daher ist die Forschung und Entwicklung von Kathodenmaterialien entscheidend für den technologischen Fortschritt bei Lithium-Ionen-Batterien. Aktuell zählen Lithium-Cobalt-Oxid, Lithium-Nickel-Oxid, Lithium-Eisenphosphat und ternäre Materialien zu den wichtigsten Kathodenmaterialien in China. Lithium-Eisenphosphat zeichnet sich durch hohe Sicherheit, lange Lebensdauer, gute thermische Stabilität, breite Rohstoffverfügbarkeit und niedrigen Preis aus, weist jedoch eine geringe Schüttdichte und schlechte Tieftemperaturleitfähigkeit auf.

Einfaches Herstellungsverfahren für Lithium-Eisenphosphat/C-Kathodenmaterial: LiOH und FePO₄ werden mit gereinigtem Wasser in eine Kugelmühle gegeben. Nach dem Mahlen wird eine bestimmte Menge Kohlenstoffquelle hinzugefügt. Nach drei Stunden Mahldauer wird die Suspension entnommen und in einem Sprühtrockner sprühgetrocknet. Die Sprühtrocknung erfolgt bei definierten Ein- und Austrittstemperaturen (Eintritt 200–250 °C, Austritt < 100 °C). Anschließend wird das Material zunächst zwei Stunden lang bei niedriger Temperatur und dann sechs Stunden lang bei hoher Temperatur in einem Atmosphärenofen kalziniert, um das LiFePO₄/C-Kathodenmaterial zu erhalten.

Experimente zeigen, dass die Sprühtrocknung dem Ausgangsmaterial vor dem Sintern eine gute Kugelform mit einer Partikelgröße von 20–20 µm verleiht. Unter Sprühtrocknungsbedingungen ist die chemische Zusammensetzung des Materials relativ homogen. Während der Kalzinierung findet keine Festphasenänderung zwischen den sphärischen Partikeln statt, und die Kornbildung von LiFePO₄/C beschränkt sich auf einzelne sphärische Partikel, wodurch kleine LiFePO₄/C-Körner entstehen. Diese feinen Körner wirken sich positiv auf die elektrischen Eigenschaften von LiFePO₄/C aus.

3. Die Sprühtrocknung von gefällter Kieselsäure (auch bekannt als weißer Ruß) ist ein wichtiger Verstärkungsrohstoff in der Kautschukindustrie. Da seine Mikrostruktur und Aggregationsmorphologie Ruß ähneln und es ähnliche Verstärkungseigenschaften in Kautschuk aufweist, wird es als weißer Ruß bezeichnet. Es gibt zwei Hauptverfahren zur Herstellung von gefällter Kieselsäure: die Gasphasentrocknung und die Fällungstrocknung. Die Gasphasentrocknung liefert hochreine und leistungsstarke Produkte, ist jedoch energieintensiv, technisch anspruchsvoll und kostspielig.

Im Gegensatz dazu ist die Fällungstrocknung ein ausgereiftes, einfaches und kostengünstiges Verfahren. Allerdings neigen ultrafeine Partikel während des Trocknungs- und Dehydratisierungsprozesses zur Agglomeration, was die Eigenschaften beeinträchtigt. Studien haben gezeigt, dass die Sprühtrocknung gefälltes Siliciumdioxid mit gleichmäßiger Partikeldispersion, hoher spezifischer Oberfläche und hohem Ölabsorptionswert erzeugt. Dieses entspricht den empfohlenen Kurven für Ölabsorptionswert und spezifische Oberfläche und eignet sich daher als Verstärkungsmittel für Hochleistungsreifen und farbige Reifen.

4. Anwendung der Sprühtrocknung in pharmazeutischen Präparaten

Die Trocknung spielt eine entscheidende Rolle in der pharmazeutischen Produktion, insbesondere in der traditionellen chinesischen Medizin. Sprühgetrocknete Präparate weisen folgende Eigenschaften auf:

a. Gute Homogenität des Endprodukts: Bei der Sprühtrocknung wird die pharmazeutische Flüssigkeit unter kontinuierlichem Rühren zu einer zerstäubten Dispersion versprüht, wodurch eine sofortige Trocknung und somit eine gute Homogenität erreicht wird.

b. Gute Fließfähigkeit, Lockerheit und Löslichkeit des Endprodukts: Während der Sprühtrocknung verdampft das Wasser schnell, was zu einer kleinen Partikelgröße, guter Fließfähigkeit und glatter Tablettierung führt. Dies gewährleistet zudem eine präzisere Dosierung bei der Fraktionierung und Verpackung. In Kontakt mit Wasser dringt es leichter in das Innere der Partikel ein und fördert so die Wirkstoffauflösung.

c. Vereinfachter Produktionsprozess: Die Sprühtrocknung ermöglicht die Konzentration und Trocknung in einem einzigen Schritt. Die relativ kurze Trocknungszeit trägt zum Erhalt der Wirksamkeit hitzeempfindlicher Arzneimittel bei.

d. Saubere Produktion: Die geschlossene Sprühumgebung verhindert bakterielle Verunreinigungen des Arzneimittels und reduziert die Staubbelastung in der Produktionsstätte.

Produkte der Traditionellen Chinesischen Medizin (TCM) erfordern höchste Reinheit und setzen daher häufig mehrere Luftreiniger ein. Die Sprühtrocknung eignet sich daher hervorragend für den Trocknungsprozess in der TCM-Herstellung.