Podstata sušení a základní pojmy
Sušení je fyzikální děj, při kterém se působením tepla snižuje obsah vody či jiné kapaliny v látkách, aniž by se měnilo jejich chemické složení. Tento proces může probíhat u tuhých, kapalných i plynných látek. Nejčastěji se sušením odstraňuje vlhkost z pevných látek.
Vlhkost představuje v materiálu nežádoucí příměs, která může ovlivňovat nejen jeho fyzikální vlastnosti, ale také stabilitu a řadu chemických reakcí. Obsah vlhkosti se vyjadřuje jako měrná vlhkost (%) a zjišťuje se z rozdílu hmotnosti vlhkého a vysušeného materiálu.
Vazba vlhkosti
Vlhkost může být v materiálu vázaná fyzikálně, fyzikálně-chemicky nebo chemicky.
Fyzikální vlhkost může být povrchová, kdy molekuly kapaliny jsou poutány pouze slabými adhezivními silami na povrchu látky, nebo kapilární, kdy je vlhkost vázaná kapilárními silami.
Jako fyzikálně-chemicky vázaná se označuje vlhkost adsorpční, která je vázána molekulovými silami, osmotická, vázaná osmotickými silami (obvykle uvnitř buněk biologického materiálu), a strukturální, která je součástí trojrozměrné struktury porézního materiálu.
Sušením se neodstraňuje chemicky vázaná vlhkost, která je v látce vázaná v určitých kvantových poměrech v důsledku chemických procesů.
Sušení vyžaduje velké množství energie na překonání vazeb mezi látkou a vlhkostí a na přemístění molekul vzniklých par mimo dosah vazebných sil. Vazebná energie se zvyšuje v pořadí od povrchové po strukturální vlhkost.
Z pohledu schopnosti látek pohlcovat vlhkost z okolního prostředí v zásadě rozlišujeme materiál nehygroskopický a hygroskopický. Nehygroskopický materiál je charakteristický tím, že při libovolné vlhkosti vzduchu má vlhkost materiálu tlak nasycené páry. Za předpokladu, že sušící vzduch není vodní parou nasycen, lze z takového materiálu vlhkost zcela odstranit. V hygroskopickém materiálu závisí obsah vlhkosti na vlhkosti a teplotě okolního prostředí. Sušení takových materiálů je složité. Aby nedošlo k jejich znehodnocení v průběhu skladování, musí se uchovávat v dobře uzavřených nádobách v suchém prostředí (nejlépe v exsikátoru).
Mechanizmy sušení
K odstranění vlhkosti přitom může dojít různými mechanizmy. Jako odpařování se označuje děj, při kterém se páry kapaliny převádějí do sušícího prostředí (např. vzduchu) při teplotě nižší, než je teplota varu dané kapaliny za daného tlaku. Hnací silou je difuze vyvolaná rozdílem parciálních tlaků.
Vypařování je sušení při teplotě stejné nebo vyšší než je teplota varu dané kapaliny za daného tlaku. Páry kapaliny se odvádějí do sušícího prostředí prouděním (konvekcí) vyvolaným rozdíly absolutních tlaků.
Sušení za podmínek, při kterých je vlhkost v materiálu v pevném skupenství a přechází z pevného na plynné skupenství sublimací, se nazývá lyofilizace (lat.zshk.cz/vyuka/sublimace.aspx).
Ztráta sušením
Ve farmacii se obsah vlhkosti určuje lékopisným postupem, který popisuje zkouška „Ztráta sušením“. Tou se rozumí úbytek hmotnosti v procentech (m/m), který vznikne, suší-li se přesně odvážené množství látky předepsaným způsobem. Lékopis přitom stanovuje, za jakých podmínek má být léčivo sušeno, a vymezuje limitní obsah vlhkosti. Teplota, při které se suší, závisí na vlastnostech léčiva. Nejběžněji se suší při 105°C.
Je-li uvedeno, že látka má být sušena do konstantní hmotnosti, znamená to, že rozdíl dvou po sobě následujících vážení sušené látky nesmí být větší než 0,5 mg vztaženo na 1,000 g látky. Aby mezi vážením látka nenasála vlhkost, musí být umístěna v exsikátoru (Exsikátory).
Rychlost sušení
Průběh sušení je možné znázornit graficky jako závislost obsahu vlhkosti na čase. Na grafu je zřejmé, že obsah vlhkosti v materiálu neklesá lineárně. Zpočátku probíhá odstraňování vlhkosti z povrchu materiálu, které nevyžaduje tolik energie, a obsah vlhkosti klesá poměrně rychle (fáze rychlého sušení). Později se odstraňuje kapilární a adsorpčně vázaná vlhkost a rychlost se snižuje (fáze prvního a druhého zpomalení), až nakonec přechází obsah vlhkosti do rovnovážného stavu, kdy je parciální tlak par nad sušeným materiálem v rovnováze s parciálním tlakem par v sušícím prostředí.
Závislost rychlosti sušení na čase vyjadřuje kinetika sušení. Rychlost sušení zprvu stoupá, jak se materiál přizpůsobuje podmínkám sušení, poté přechází v úsek téměř stálé rychlosti, kdy je úbytek vlhkosti přímo úměrný času, až nakonec dosáhne kritického bodu, za nímž prudce klesá. V této fázi dochází k odstraňování vlhkosti vázané uvnitř materiálu vysokými silami, které vyžadují mnoho energie pro jejich překonání a pro transport molekul vody na povrch.
Průběh sušení závisí na mnoha okolnostech. Je podmíněn efektivním přívodem tepla prostřednictvím sušícího prostředí (vzduchu) a odvodem vzniklých par, což lze ovlivnit konstrukcí zařízení. Druhým faktorem jsou vlastnosti samotné látky, charakter vazby vlhkosti a pohybu vlhkosti v materiálu (např. její porozita), které lze ovlivnit pouze velmi omezeně.
Vysušení látek do nulového obsahu vlhkosti je tedy dlouhodobý a energeticky náročný proces. Aby bylo sušení udrženo v ekonomicky únosných mezích, suší se do takového obsahu vlhkosti, který není na závadu při uchovávání a používání látky. V látce tak vždy zůstává určitý zbytkový obsah vlhkosti neboli reziduální vlhkost. K vyjádření tohoto obsahu se zavedl pojem limitní obsah vlhkosti v sušené látce, při kterém již považujeme látku za vysušenou. Obvykle nepřesahuje 1 %.
Odpařování
Odpařování se nejčastěji využívá pro zahušťování tekutých léčivých přípravků či pro čištění látek krystalizací. Částečným nebo úplným odstraněním vody lze získat přesycené roztoky, ze kterých se původně rozpuštěná látka vylučuje ve formě krystalů.
Nejčastěji se odpařováním zahušťují výluhy z drog a získávají se přípravky s řídkou konzistencí (např. tekuté nebo polotuhé extrakty) nebo tuhou konzistencí, např. suché extrakty.
Odpařování je možné realizovat za normálního tlaku v odpařovací misce (odpařovací miska) umístěné na síťce nad kahanem, na vodní lázni nebo pomocí infralampy. K šetrnému odpaření rozpouštědla u termolabilních látek se využívá rotační vakuová odparka (Sušení ve vakuové odparce), která pracuje za sníženého tlaku.
Podle lékopisu se pod pojmem odparek rozumí zbytek získaný odpařením tekutiny na vodní lázni. Pojem sušina označuje odparek sušený ještě dále předepsaným způsobem.
Zařízení pro sušení
Protože fyzikální sušící metody vyžadují zahřívání, volba vhodného postupu sušení bude záviset na tom, zda se jedná o látky termostabilní, které se vlivem zahřívání nemění, nebo termolabilní, které se vlivem zvýšené teploty rozkládají.
Nejjednodušším postupem je sušit materiál rozložený na čistém filtračním papíře volně na vzduchu. To je ovšem časově náročné a závislé na obsahu vlhkosti v okolním vzduchu. Proto se využívají různá zařízení. Pro účinné odstranění vlhkosti je nutné zajistit přívod tepla, pohyb sušícího prostředí (případně i sušeného materiálu) a odvod vznikajících par.
Pro jednoduché sušení nebo uchovávání vysušeného materiálu slouží exsikátor. Je to silnostěnná skleněná nádoba různé velikosti se zabroušeným okrajem, na kterém je přiloženo zabroušené snímatelné víko. Pro těsnost zabroušení se styčné plochy potírají vhodným mazadlem, nejčastěji tukem.
Na dně exsikátoru je umístěna hygroskopická látka (sušidlo), která poutá vodu. Nad sušící látkou je umístěna děrovaná přepážka, na niž se umisťuje sušená látka ve vhodné nádobě (Sušení v exsikátoru).
Jako sušidlo lze použít oxid fosforečný, hydroxid draselný nebo kyselinu sírovou. Nejčastěji se v laboratoři používá koloidní oxid křemičitý (silikagel), který má výhodu snadné regenerace. Aby bylo možné sledovat obsah vlhkosti a tím vysušující schopnost silikagelu, označuje se barevným indikátorem – chloridem kobaltnatým, který reaguje na obsah vlhkosti změnou zbarvení z modré barvy (vysušený) na růžovou (vlhký). Takový silikagel se musí opatrně zregenerovat sušením při teplotě 150°C.
Sušárny
Sušárny jsou výrobní nebo laboratorní zařízení, která jsou konstrukčně upravena tak, aby uvnitř probíhalo sušení zvoleným způsobem. V závislosti na přívodu energie se rozeznávají sušárny kontaktní, mikrovlnné, radiační a konvekční.
Při kontaktním sušení se teplo předává vedením z vyhřívaného pláště nádoby. Sušárny obvykle pracují za sníženého tlaku, což rychlost sušení zvyšuje. Principem mikrovlnné sušárny je převod mikrovlnné energie o určité frekvenci (v MHz) na energii tepelnou. Radiační sušárny ohřívají povrch materiálu pomocí infračerveného záření o vlnové délce 1-2 µm. Nejrozšířenější jsou konvekční sušárny, ve kterých se teplo předává materiálu při bezprostředním kontaktu se sušícím prostředím, což je horký plyn, nejčastěji vzduch.
Z hlediska přetržitosti či nepřetržitosti sušení se rozlišují dva druhy sušáren: vsádkové (periodické) a kontinuální. Sušený materiál je buď v klidu, nebo je posouván.
Mezi sušárny bez pohybu materiálu se řadí komorová (skříňová) a vakuová sušárna; sušárny s dopravníkem zastupuje tunelová a válcová sušárna. Ve fluidní a rozprašovací sušárně se materiál pohybuje vlivem pohybu sušícího prostředí.
Komorová sušárna
Komorová i skříňová sušárna jsou poměrně jednoduchá zařízení, která se liší jen velikostí. Mají tvar skříně různé velikosti, která je většinou vyrobena z ocelového plechu. Aby nedocházelo ke ztrátám tepelné energie, bývají obvykle dvouplášťové. Ve stěnách je zabudováno topné těleso a na horní straně je větrací klapka. U větších typů je nucená cirkulace sušícího vzduchu zajištěna ventilátorem, který vhání vzduch přes topná tělesa do sušícího prostoru. Teplota se reguluje automaticky v rozmezí 50 až 400°C. Materiál určený k sušení se vkládá na nepohyblivé rošty (Sušení ve skříňové sušárně).
Nevýhodou sušárny je, že sušící teplota nebývá ve všech místech sušícího prostoru stejná a hrozí nebezpečí místního přehřátí. Proto je nutné materiál během sušení občas promísit. Účinnost sušení závisí také na tom, zda je materiál rozložen rovnoměrně. Druhou nevýhodou je nákladnost provozu, protože periodicky se opakující zahřívání a chlazení vzduchu je energeticky velmi náročné.
Vakuová sušárna je obdobou skříňové sušárny. Sušící prostor je hermeticky uzavřen a napojen na zdroj vakua. Sušení probíhá za sníženého tlaku a je šetrnější. Zdrojem tepla je horká voda, která je naplněna ve dvojitém plášti.
Variantou sušárny je mikrovlnná vakuová sušárna, ve které se k ohřevu používá elektromagnetické záření o vlnové délce 915 nebo 2450 MHz. Dochází k pohlcení energie látkami, které mají nesymetrickou molekulu s dipólovým momentem, jejich polarizaci, vibraci a ohřevu. Množství tepla je úměrné frekvenci zdroje. Využití je limitováno na látky se známým chováním, optimálně takové, které dokáží pohltit energii hloubkově, jako je např. laktóza, dále látky s buněčnou strukturou a nízkým obsahem vlhkosti.
Tunelová sušárna
Obdobou komorové sušárny je sušárna tunelová, která se liší pouze vnitřním uspořádáním. Materiál se v protiproudu horkého sušícího vzduchu pomalu pohybuje pomocí vhodného dopravníku (vozíky, transportní pásy).
Ve farmaceutickém průmyslu se princip tunelové (pásové) sušárny využívá ve sterilizačním tunelu k sušení, sterilizaci a depyrogenaci primárních skleněných obalů (ampulky, infuzní láhve) při výrobě injekcí a infuzí. Umyté obaly se na dopravníkovém pásu posouvají v proudu čistého vzduchu jednotlivými zónami, aniž by došlo k jejich kontaminaci, až do aseptických prostor plnění. Zdrojem tepla je infračervené záření.
Válcová (bubnová) sušárna je jedna z prvních typů kontaktních sušáren. Je tvořena mírně nakloněným bubnem, otáčejícím se kolem své podélné osy a ponořeným do roztoku nebo suspenze sušeného materiálu. Do prostoru bubnu se vhání sušící teplý vzduch a při otáčení se látka suší na stěně bubnu.
Proudová sušárna
Proudová sušárna je souproudé zařízení, ve kterém je vlhký materiál dopravován pomocí šnekového podavače do sušící komory, kde je dále unášen a sušen proudem vzduchu. Rychlost vzduchu musí být vyšší, než je rychlost sedimentace částic. Suchý materiál se odděluje v cyklónu (cyklónový třídič).
Sušárna je vhodná pro jemnozrnné produkty, vyžadující pouze velmi krátký kontakt se sušícím prostředím (několik sekund). Obvykle se takto odstraňuje povrchová vlhkost krystalů a neporézních materiálů.
V této sušárně je materiál sušen ve formě fluidní vrstvy, do které se dostane účinkem proudícího vzduchu.
Sušárna je tvořena komorou, v níž jsou umístěny dvě děrované přepážky. Na horní z nich se umístí materiál, který se pohybem proudu vzduchu vznese vzhůru o prostoru sušárny (do stavu vznosu), kde vytvoří fluidní vrstvu částic (fluidní lůžko). Jednotlivé částice v této vrstvě jsou od sebe odděleny proudícím vzduchem, vzájemně se dotýkají jen krátce a jsou v neustálém pohybu.
Díky bezprostřednímu kontaktu s horkým vzduchem jsou částice sušeny velmi intenzivně. Doba sušení se v závislosti na množství materiálu a počáteční vlhkosti pohybuje v rozmezí 15 až 30 minut. Ve srovnání se skříňovými sušárnami o stejném objemu mají fluidní sušárny 15krát vyšší výkon. Využívají se k sušení jemných, jemně zrnitých materiálů. Nejsou vhodné pro kohezní (nesypký) materiál.
Kromě vysoké účinnosti, velké kapacity, kontinuálního automatického provozu a snadné obsluhy je výhodou fluidní sušárny také dokonalé promísení látek ve vznosu. Nevýhodou je nákladnost zařízení a velká spotřeba vzduchu pro udržení částic ve vznosu.
Princip fluidní vrstvy se využívá také v dalších farmaceutických zařízeních, jako je např. fluidní granulátor, kde se na částice ve vznosu nastřikuje roztok pojiva ve vlhčivu a vzniklý usušený granulát se odvádí k dalšímu zpracování (kontinuální granulace).
Rozprašovací sušárna je tvořena komorou, ve které probíhá sušení roztoku nebo kapalné suspenze, vháněné do prostoru sušárny ve formě jemné mlhy (kapiček) pomocí trysek. Podobně jako ve fluidní sušárně je do komory vháněn suchý teplý vzduch. Kontaktem s kapkami sušeného materiálu dojde k velmi rychlému odpaření rozpouštědla (zlomky sekundy), čímž se teplota sušícího vzduchu sníží a sušení je šetrné. V jeho průběhu proto nedochází ke změnám chemického složení ani fyzikálně-chemických vlastností, jako je rozpustnost, bobtnavost, barva ani chuť.
Při sušení vznikají velmi jemné kulovité částice (mikronizace) s velkým povrchem a s malým obsahem zbytkové vlhkosti. Velikost částic lze regulovat nastavením trysek. Sušárna je obvykle napojena na cyklónový třídič částic.
Rozprašovací sušárna se často využívá pro sušení výluhů z rostlinných drog a v potravinářském průmyslu.
Sušení kapalin
Stopy vlhkosti v rozpouštědlech mohou ovlivňovat chemické reakce. Odstranění vlhkosti sušením se nejčastěji provádí chemicky tak, že se ke kapalině přidá chemická látka (sušidlo), která je v dané kapalině nerozpustná, ale má schopnost vázat na sebe obsaženou vodu. Sušidlo se nechá působit dostatečně dlouhou dobu, řádově několik desítek minut, a poté se odfiltruje.
Jinou metodou sušení kapalin je azeotropní nebo frakční destilace.
Sušení se používá k přípravě bezvodých organických rozpouštědel. Univerzálním sušidlem jsou např. síran sodný, hořečnatý a vápenatý. K sušení ethanolu lze použít bezvodý síran sodný, pro aceton je vhodný oxid barnatý nebo oxid vápenatý.
Procvičení
- Sledujte průběh sušení materiálu v čase. Sestrojte graf závislosti obsahu vlhkosti na čase (Kinetika sušení).
- Navažte 10,00 g silikagelu růžové barvy a zahřívejte 2 hodiny v horkovzdušné sušárně při teplotě 100 až 105°C. Zjistěte úbytek hmotnosti, pozorujte změnu barvy.
- Proveďte zkoušku na čistotu – ztrátu sušením dekahydrátu síranu sodného (Natrii sulfas decahydricus) podle ČL 2009. Použijte navážku 1,000 g látky, kterou sušte 1 hod při 30°C a potom při 130°C. Pozorujte změnu vlastností látky.
- Proveďte zkoušku na čistotu – ztrátu sušením chloridu amonného (Ammonii chloridum) podle ČL 2009. Použijte navážku 1,000 g látky, kterou sušte 2 hodiny při 105°C. Vyjádřete obsah vlhkosti.
- Proveďte zkoušku na čistotu – ztrátu sušením chloridu sodného (Natrii chloridum) podle ČL 2009 2 hodiny při 105°C. Vyjádřete obsah vlhkosti.
- Proveďte zkoušku na čistotu – ztrátu sušením kukuřičného škrobu (Maydis oryzae) podle ČL 2009. Použijte navážku 1,000 g látky, kterou sušte 1,5 hodiny při 130°C. Vyjádřete obsah vlhkosti.
- Proveďte zkoušku na čistotu – ztrátu sušením květu heřmánku (Matricariae flos) 350 µm podle ČL 2009. Použijte navážku 1,000 g práškované drogy, kterou sušte 2 hodiny při 105°C. Vyjádřete obsah vlhkosti.
Kontrolní otázky
- K čemu slouží sušení?
- Jakými mechanizmy probíhá sušení?
- Jaké druhy vazby vlhkosti znáte?
- Co je vazebná energie vlhkosti?
- Popište zkoušku „Ztráta sušením“.
- Popište průběh sušení a změny jeho rychlosti.
- Co je zbytková vlhkost?
- Co je sušina a odparek?
- K čemu slouží odpařování a jak se realizuje?
- Popište exsikátor a uveďte, jaká znáte sušidla.
- Jak se rozdělují sušárny podle mechanizmu sušení?
- Popište komorovou sušárnu a její využití.
- Popište vakuovou sušárnu a její využití.
- Popište tunelovou sušárnu a její využití.
- Popište válcovou a proudovou sušárnu a jejich využití.
- Popište fluidní sušárnu a její využití.
- Popište rozprašovací sušárnu a její využití.