スプレー乾燥

スプレー乾燥は、高温ガスで急速に乾燥させることにより、液体またはスラリーから乾燥粉末を形成する方法です。これは、食品や医薬品などの多くの熱に敏感な材料、^[1]または非常に均一で細かい粒子サイズを必要とする材料の乾燥に適した方法です。加熱乾燥媒体として最も一般的に使用されるのは空気ですが、液体が可燃性（エタノールなど）の場合や製品が酸素に敏感な場合は窒素が使用されることもあります。 ^[2]

すべてのスプレードライヤーは、液体またはスラリーを制御された液滴サイズのスプレーに分散させるために、何らかのタイプのアトマイザーまたはスプレーノズルを使用します。これらの最も一般的なものは、回転ディスクと単流体高圧渦流ノズルです。アトマイザーホイールはより広い粒子サイズ分布を提供することが知られていますが、どちらの方法でも粒子サイズの均一な分布が可能です。 ^[3]また、一部のアプリケーションでは、2流体ノズルまたは超音波ノズルが使用されます。プロセス要件に応じて、適切な選択により10〜500μmの液滴サイズを実現できます。最も一般的なアプリケーションは、直径100〜200μmの範囲です。乾燥粉末は多くの場合、自由流動性です。^[4]

最も一般的なタイプのスプレードライヤーは、シングルエフェクトと呼ばれます。チャンバーの上部に乾燥空気の供給源が 1 つあります (図の 4 を参照)。ほとんどの場合、空気は噴霧された液体と同じ方向に吹き付けられます (並流)。細かい粉末が生成されますが、流れが悪く、多くの粉塵が発生することがあります。粉塵と粉末の流れの悪さを克服するために、マルチエフェクトスプレードライヤーと呼ばれる新世代のスプレードライヤーが製造されました。液体を 1 段階で乾燥させる代わりに、乾燥は 2 段階で行われます。1 段階目は上部で (シングルエフェクトの場合)、2 段階目はチャンバーの下部にある統合された静的ベッドで行われます。ベッドは湿った環境を提供し、これにより小さな粒子が凝集して、通常 100 ～ 300 μm の範囲内のより均一な粒子サイズが生成されます。これらの粉末は、粒子サイズが大きいため自由に流動します。^{[引用が必要]}

第一段階の乾燥で生成された微粉末は、チャンバーの上部（噴霧された液体の周囲）または下部の統合流動床内で連続的に循環させることができます。粉末の乾燥は、外部の振動流動床で完了させることができます。

高温の乾燥ガスは、噴霧された液体アトマイザーと同じ方向に並流で流すか、または高温の空気がアトマイザーからの流れに逆らって流れる逆流で流すことができます。並流の場合、粒子はシステムと粒子分離器 (通常はサイクロン装置) 内でより短い時間しか滞在しません。逆流の場合、粒子はシステム内でより長い時間滞在し、通常は流動床システムと組み合わせられます。並流の場合、一般的にシステムはより効率的に動作します。

スプレードライヤーの代替品としては、以下のものがある: ^[5]

1. 凍結乾燥機: 噴霧乾燥では劣化する製品のための、より高価なバッチ処理。乾燥した製品は自由に流動しません。
2. ドラム乾燥機: 低価値製品向けの安価な連続プロセス。自由に流動する粉末ではなく、フレークを生成します。
3. パルス燃焼乾燥機: スプレー乾燥機よりも高い粘度と固形物負荷に対応できる、より安価な連続プロセスで、流動性のある凍結乾燥品質の粉末が得られることもあります。

噴霧乾燥技術は、1860 年に初めて説明され、1872 年にサミュエル パーシーが特許を取得した最初の噴霧乾燥装置によって説明されました。 ^{[引用が必要]}時が経つにつれ、噴霧乾燥法は人気が高まり、最初は主に 1920 年代の牛乳生産に使用され、第二次世界大戦中には食品やその他の材料の重量と体積を減らす必要があったため使用されました。20 世紀後半には、噴霧乾燥装置の商業化が進み、噴霧乾燥の用途も増えました。

スプレードライヤーは液体の流れを受け取り、溶質または懸濁液を固体として、溶媒を蒸気として分離します。固体は通常、ドラムまたはサイクロンに集められます。液体入力ストリームはノズルを通して熱い蒸気の流れに噴霧され、蒸発します。水分が液滴から急速に離れると固体が形成されます。ノズルは通常、液滴を可能な限り小さくして表面積を最大化し、熱伝達と水の蒸発速度を最大化するために使用されます。液滴のサイズは、ノズルに応じて20〜180μmの範囲になります。^[4] ノズルには主に2つのタイプがあります。高圧単流体ノズル（50〜300バール）と2流体ノズルです。1つの流体は乾燥する液体で、2番目は圧縮ガス（通常は1〜7バールの空気）です。

スプレードライヤーは、他の乾燥方法に比べて製品を非常に速く乾燥させることができます。また、溶液（またはスラリー）を 1 回のステップで乾燥粉末に変えることができるため、プロセスが簡素化され、利益率が向上します。

医薬品製造では、噴霧乾燥法を用いて、有効薬剤成分をポリマーマトリックスに均一に分散させることで、非晶質固体分散体を製造する。この状態では、有効成分（薬剤）がより高いエネルギー状態になり、患者の体内での薬剤種の拡散が促進される。^[6]

スプレー乾燥は、食品業界やその他の業界でカプセル化技術としてよく使用されています。カプセル化される物質 (負荷) と両親媒性キャリア (通常は何らかの加工デンプン)を水中の懸濁液(スラリー)として均質化します。次に、スラリーをスプレー乾燥機 (通常は水の沸点を超える温度に加熱された塔) に送り込みます。

スラリーが塔に入ると、霧化されます。水の表面張力が高いことと、両親媒性キャリア、水、負荷物の間の疎水性/親水性相互作用により、霧化されたスラリーはミセルを形成します。液滴のサイズが小さいため（平均直径100マイクロメートル）、表面積が比較的大きくなり、乾燥が速くなります。水が乾燥すると、キャリアは負荷物の周りに硬化した殻を形成します。^[7]

負荷損失は通常、分子量の関数です。つまり、軽い分子ほど、処理温度で大量に蒸発する傾向があります。工業的には、より高い塔に噴霧することで損失を最小限に抑えます。処理が進むにつれて、空気の量が多いほど平均湿度は低くなります。浸透原理により、水は蒸気相と液体相のフガシティの差によってミセルから出て空気中に放出されます。したがって、より大きな塔を使用すれば、同じ割合の水を低温で粒子から乾燥させることができます。あるいは、スラリーを部分真空に噴霧することもできます。溶媒の沸点は、溶媒の蒸気圧が周囲圧力と等しくなる温度であるため、塔内の圧力を下げると、溶媒の沸点が下がる効果があります。

スプレー乾燥カプセル化技術の応用は、脱水する水分のない物質の「脱水」粉末を調製することです。たとえば、インスタントドリンクミックスは、飲料を構成するさまざまな化学物質をスプレー乾燥したものです。この技術はかつて食品から水分を除去するために使用されていました。1 つの例は、脱水ミルクの調製です。ミルクはカプセル化されておらず、スプレー乾燥は熱劣化を引き起こすため、ミルクの脱水および同様のプロセスは他の脱水技術に置き換えられました。脱脂粉乳は、乾燥効率を最大化するために通常は高固形分濃度でスプレー乾燥技術を使用して、現在でも広く生産されています。製品の熱劣化は、より低い動作温度とより大きなチャンバーサイズを使用して滞留時間を長くすることで克服できます。^[8]

最近の研究では、乾燥滞留時間に応じて非晶質粉末に対する温度の影響が大きくなる可能性があるため、噴霧乾燥技術の使用が乾燥プロセス中の非晶質粉末の結晶化の代替方法となる可能性があることが示唆されている。^{[9] [10]}

スプレー乾燥プロセスには、生成される粒子の形状とサイズを変更できるさまざまな入力パラメータが含まれています。

一般的な入力パラメータ:

1. 溶液濃度
2. 乾燥ガス流量
3. 入口温度
4. 噴霧ガス流量
5. 送り速度

以下の入力パラメータから、粒子が最終的な形状とサイズに至るまでの一連の経路が生まれます。噴霧ガス流量、供給速度、溶液濃度などの特定のパラメータは、生成される粒子サイズに大きく影響しますが、入口温度は最終的な粒子の形状に重要な役割を果たします。粒子サイズは、アトマイザーからの溶液液滴の元のサイズと高い相関関係があるため、粒子サイズを制御する最も優れた方法は、溶液を十分に飽和させ、最初の液滴を大きくしたり小さくしたりすることです。最初の液滴が乾燥チャンバーに入ると、液滴はクラスト形成を続けるか、粒子が形成されません。クラスト形成から、乾燥プロセスの温度と乾燥プロセス中の粒子の持続時間によって、粒子は乾燥した殻または変形した粒子に向かう可能性があります。乾燥した殻は、固体粒子または粉砕された粒子に進む可能性があります。乾燥条件が正しくない場合、クラスト形成は乾燥した殻または変形した粒子を放棄し、別の一連の経路で内部気泡核形成を受ける可能性があります。

乾燥条件に関する現在の理解は、さまざまなスプレー乾燥構成と溶液の内容によって異なりますが、製薬および工業分野での将来のアプリケーションでは、製品の特定の粒子形状とサイズをより適切に制御する必要があるため、各粒子形状の経路を促進する要因の特定についての研究がさらに進められています。

食品：粉ミルク、コーヒー、紅茶、卵、シリアル、スパイス、香料、血液、^[11]デンプンおよびデンプン誘導体、ビタミン、酵素、ステビア、栄養補助食品、着色料、動物飼料など。

医薬品：抗生物質、医薬品成分、^{[12] [13]}添加物。

工業用:塗料顔料、セラミック材料、触媒担体、微細藻類。

• チャールズ・オンウラタ (2005)。カプセル化および粉末食品。CRC プレス。p. 268。ISBN 978-0-8247-5327-6。

• Cook, EM、および DuMont, HD (1991) Process Drying Practice、McGraw-Hill、Inc.、ISBN 0-07-012462-0 
• Keey, RB, (1992). ゆるい物質と粒状物質の乾燥 初版、Taylor & Francis、ISBN 0-89116-878-8 
• 食品加工の栄養評価第2版（1975年）、ロバート・S・ハリス博士およびエンデル・カルマス博士（編）
• Filková, I., & Mujumdar, AS (2020). 工業用スプレー乾燥システム。工業用乾燥ハンドブック(pp. 263-307)。CRC Press。
• Jafari, SM, Arpagaus, C., Cerqueira, MA, & Samborska, K. (2021). 食品成分のナノスプレー乾燥; 材料、処理、およびアプリケーション。Trends in Food Science & Technology、109、632-646。
• クリムシャ、V.、ルフィ、G.、ヨナーシュ、J.、マシュコヴァ、L.、カシュパール、O.、ジュヴァトラ、P.、シュテパネク、F. (2023)。多成分固体分散体のハイスループットコンビナトリアル製造用のスプレー乾燥ロボット。パウダーテクノロジー、428、118872。

• 標準的なスプレー乾燥コンセプトのアニメーション
• スプレー乾燥トレーニングペーパー