No title

 

Лаборатория Гигротермических Процессов

ИТТФ НАН Украины

 

+(38044) 424-13-96

+(38044) 424-98-86

 

НА ГЛАВНУЮ    О ЛАБОРАТОРИИ    ТЕХНОЛОГИИ   ПРОЕКТЫ    СТАТЬИ    ВНЕДРЕНИЯ    КОНТАКТЫ

 

 

 

Оборудование для косметической отрасли и фармацииОборудование для ветеринарииОборудование для пищевой промышленностиоборудование для производства топлив, масел, ГСМ 

 

 

Статьи:

 English

Оборудование для:

 

Оборудование для:

 • Фармации и косметической отрасли

 • Пищевой промышленности

 • Ветеринарии

 • Производства топлив, масел, ГСМ

 

Рекламные проспекты:

reclama-01.JPG

reclama-02.JPG

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ДИСКРЕТНО-ИМПУЛЬСНОГО ВВОДА ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТРУКТУРИРОВАННЫХ СПИРТСОДЕРЖАЩИХ СИСТЕМ

УДК 532.695:541.182.644

Грабова Т.Л.

Институт технической теплофизики НАН Украины

Исследовано влияние эффектов ДИВЭ, реализуемых в дисково-цилиндрических аппаратах, на процессы структурообразования в системах спиртсодержащая смесь – карбомер. Предложенная ДИВЭ-технология позволила интенси-фицировать тепломассообменные процессы получения спиртовых гелей в 2 раза.

C – концентрация;

t – температура;

рН – водородный показатель;

             – скорость сдвига;

τ – время;

μ – коэффициент динамической вязкости;

ГЗМП – Государственный экспериментальный завод медицинских препаратов;

ДИВЭ – дискретно-импульсный ввод энергии;

ИБОНХ – Институт биоорганической химии и нефтехимии.

 

Исследование процессов структурообразования в дисперсных системах имеет важное теоретическое и прикладное значение в виду многообразия таких систем, участвующих, как в природных явлениях, так и при проведении различных технологических операций [1].

В частности, процессы структурообразования, в т.ч. при получении наноструктурированных систем, являются основными в технологиях получения широкого спектра фармацевтической и косметической продукции (гели, мази, кремы и т.п.). Характер протекания таких процессов и функциональные свойства готового продукта зависит от ряда факторов, в частности, физико-химической природы субстанций, водородного показателя системы, концентрации структурообразователя, температуры процесса, а также от методов обработки и получения связно-дисперсных систем [2, 3].

В представленной работе рассмотрены процессы структурообразования (гелеобразования) в спиртсодержащей смеси (этанол, эфиры кислот, ароматические масла, вода), где в качестве структурообразователя применяется карбомер.

Процесс гелеобразования в таких системах проходит в 3 стадии (рис. 1).

Рис. 1. Схема механизма гелеобразования в спиртсодержащих системах.

Первая стадия заключается в получении дисперсии структурообразователя (карбомера) в спиртовой смеси. Карбомер является высокодисперсным порошком (размер частиц 2…25 мкм). Каждая частица представляет собой трехмерную сетчатую структуру и в силу гидрофильных свойств характеризуется высокими значениями поверхностной энергии на межфазной границе. Сила взаимодействия в контактах между частицами возрастает при его погружении в дисперсионную среду (спиртовую смесь), что приводит к образованию больших коагуляционных структур неравномерно распределенных по объему смеси и затрудняет процессы гелеобразования во всем объеме.

На второй стадии молекула карбомера гидратируется и начинает набухать. Интенсивность такого массообменного процесса существенно зависит от температуры системы (рис. 2). Однако повышение температуры приводит к возникновению коагуляционных структур (слипанию набухающих частиц). А нагрев смеси свыше 70…75 оС приводит к деструкции (пластификации) карбомера и, соответственно, к прекращению процесса гелеобразования.

Рис. 2. Зависимость изменения времени смачивания (набухания частиц) карбомера от температуры системы.

Рис. 3. Вязкость водной дисперсии в зависимости от концентрации карбомера:

1 – для системы с рН = 2,8…3,3;

2 – с рН = 7,5.

На 3-й стадии существенно изменяются основные структурно-механические свойства – система теряет текучесть из-за образования структурной сетки. Увеличение вязкости системы в зависимости от содержания карбомера в водной дисперсии изменяется по экспоненциальной зависимости (поз. 1, рис. 3), а для дисперсии со значением рН системы большим в 2,5 раза – по линейной зависимости (поз. 2). Кроме того, понижение водородного показателя системы дает возможность осуществлять процессы гелеобразования в системах с концентрацией карбомера менее 1% [3].

ИТТФ НАНУ совместно со специалистами ГЗМП ИБОНХ НАНУ создали установку и ведут работы по отработке теплотехнологии получения спиртовых гелей.

Принципиальная схема получения таких гелей (рис. 4) включает реактор 1 объемом 200 л с перемешивающим устройством 2, сито 5 для загрузки структурообразователя с дезинтеграцией, для выгрузки готового продукта используют погружной насос 6 и мобильный насосно-диспергационный агрегат типа «Фарматрон-3000», разработанный и изготовленный ИТТФ НАНУ [4]. Одним из составных элементов агрегата является дисково-цилиндрического аппарат роторно-пульсационного типа (рис. 5).

Рис. 4. Принципиальная схема получения спиртовых гелей:

1 – реактор; 2 – мешалка; 3 – роторный насос; 4 –дисково-цилиндрический аппарат;       5 – сито; 6 – погружной насос.

Применение эффектов дискретно-импульсного ввода энергии (ДИВЭ) в гетерогенные системы [5,6], реализуемые в таких аппаратах за счет многофакторного динамического и энергетического воздействия на обрабатываемую систему [7,8], позволяет решить ряд проблем в процессах гелеобразования.

Следует отметить: опытно-промышленные испытания показали, что получение спиртсодержащего геля невозможно без применения методов ДИВЭ. Однако действующая технология имела ряд недостатков (см. табл. 1): неравномерное распределение субстанций по объему обрабатываемой системы, завоздушивание готового продукта, продолжительность операций. Технологическая цепочка рассчитана на 165 кг готового продукта, где массовая доля структурообразователя составляет менее 0,006 %.

Учитывая опыт теоретических и прикладных работ в области ДИВЭ в гетерогенные системы, а также проведенные институтом экспериментальные исследования [9-11], предложена технология, в которой эффекты ДИВЭ целесообразно использовать на каждой стадии процесса гелеобразования (см. табл. 2). Такой подход обоснован следующим. При прохождении системы через аппарат развиваются большие скорости сдвига, приводящие к диссипации энергии, что сопровождается выделением теплоты. Т.е. при обработке системы повышается ее температурный потенциал, что приводит к интенсификации тепломассообменных процессов (смачивания, набухания, гидратации, нейтрализации). При этом кратковременный нагрев в локальных зонах не приводит к деструкции геля.

За счет динамического и пульсирующего режимов течения, турбулентных и вихревых потоков, особенно их влияние существенно на первых стадиях процесса – пока система является свободно-дисперсной, происходит равномерное распределение порошка структурообразователя в смеси, а соответственно, позволяет получить равномерную по плотности во всем объеме трехмерную структуру.

Динамика процесса гелеобразования и качество готового продукта определяют по значениям вязкости и оптической плотности [1, 12].

Полученный спиртсодержащий гель является вязкопластичной структурой с выраженными псевдопластичными реологическими свойствами, что свидетельствует о получении структурированной системы. При низких напряжениях сдвига гель не обладает текучестью, при высоких сдвиговых напряжениях (до 2…2,5 МПа), которые развиваются в аппарате в процессе гидродинамической обработки, он становится текучим. Кратковременное воздействие таких напряжений не приводит к необратимым разрушениям его пространственной структуры, обработанная система обладает свойствами тиксотропии.

Вязкость полученного спиртового геля достигает 6,5+1,5 Па?с, а оптическая плотность – 1,366+0,003, что соответствует аналитическо-нормативной документации на готовый продукт по ТУ У 24-2-32665379-010:2007.

На ГЗМП ИБОНХ НАНУ по предложенной технологии выпущена промышленная партия №021109 геля АХД-2000, который обладает антибактериальными свойствами – за 30 сек. снижает количество микрофлоры кожи в 100 тыс. раз.

Выводы:

1.  Применение эффектов ДИВЭ, реализуемых в дисково-цилиндрических аппаратах роторно-пульсационного типа, позволило осуществить и интенсифицировать ряд тепломассообменных и физико-химических процессов получения гелеобразных фармацевтических систем, что привело к сокращению продолжительности производственного процесса в 2 раза и ряда трудоемких технологических операций без привлечения дополнительного оборудования, кроме того, позволило улучшить качество готового продукта.

2.  Следует отметить, что полученные в работе данные могут быть использованы для разработки новых технологий получения гелеобразных спиртсодержащих топлив.

Табл. 1. Карта получения спиртсодержащего геля по действующей технологии

 

Технологичес-кая операция

Субстанция

Технологич. оборудование

Продолжительность операции, мин.

Недостатки

Реактор

Мешалка

Сито

Роторный насос

Дисково-цилиндр. аппарат

Погружной насос

1

Загрузка

жидкая смесь

 

 

 

 

 

 

 

 

2

Загрузка

порошок карбомера

 

 

 

 

 

 

60

продолжительная, трудоемкая операция

3

Перемешива-ние смеси

 

 

 

 

 

 

 

120-150

неравномерное распределение карбомера по объему смеси, возникновение коагуляционных структур

4

Загрузка (метод непрямого добавления)

жидкий нейтрализатор

 

 

 

 

 

 

 

 

5

Перемешива-ние смеси

 

 

 

 

 

 

 

30

неравномерное распределение субстанции по объему смеси, помутнение смеси

6

Гомогенизация

 

 

 

 

 

 

 

45-60

происходит распределение частиц структурированного продукта в объеме неструктурированного, т.е. не возникает пространственной сетки во всем объеме

7

Выгрузка

готовый продукт: гель

 

 

 

 

 

 

 

привлечение дополнительного оборудования

 

 

 

 

 

 

 

 

4-4,5 часа

 

Табл. 2. Карта получения спиртсодержащего геля по предложенной ИТТФ НАНУ технологии

 

Технологичес-кая операция

Субстанция

Технологич. оборудование

Продолжительность операции, мин.

Тепломасообменные и физико-химические процессы

Реактор

Мешалка

Сито

Роторный насос

Дисково-цилиндр. аппарат

Погружной насос

1

Загрузка и гомогенизация

жидкая смесь

 

 

 

 

 

 

25-30

равномерное распределение карбомера в объеме смеси, начало процесса смачивая карбомера

порошок карбомера

 

 

 

 

 

 

жидкая смесь

 

 

 

 

 

 

2

Перемешива-ние

 

 

 

 

 

 

 

30

процесс смачивания и частичное разворачивание молекулы карбомера

3

Загрузка (метод непрямого добавления) и гомогенизация

жидкий нейтрализатор

 

 

 

 

 

 

5-10

равномерное распределение субстанции в объеме

4

Перемешива-ние смеси

 

 

 

 

 

 

 

30

процесс нейтрализации: полностью разворачивается молекула карбомера, образуя пространственную сетку во всем объеме смеси

5

Выгрузка

готовый продукт: гель

 

 

 

 

 

 

15-20

сдвиговые напряжения, развиваемые в аппарате, разжижают систему и позволяют ее транспортировать

 

 

 

 

 

 

 

 

2-2,5 часа

 

ЛИТЕРАТУРА

1.  Урьев Н. Б. Структурированные дисперсные системы / Н. Б. Урьев // Соровский образовательный журнал. – 1998. – №6. – С. 42–47.

2.  Грабова Т. Л. Дискретно-імпульсне введення енергії в наноструктуровані гетерогенні системи : тези Всеукраїнської конференції «Сучасне матеріалознавство: матеріали та технології» (Київ, 12-14.11.08 ) / Т. Л. Грабова, А. В. Бучма / Національна академія наук України. – К.: НАНУ, 2008. – С. 161

3.  Carbopol Ultrez 10 Polymer for Personal Care Applications : TECHNICAL DATA SHEET [Электронный ресурс] / Copyright 2007 : The Lubrizol Corporation. – 2007. – 4 p. – Режим доступа: http://www.lubrizol.com/Pharmaceutical/DispersionTechniques.html

4.  Грабов Л. Н. Инновационные технологии и тепломассообменное оборудование для фармацевтических производств / Л. Н. Грабов, В. И. Мерщий, Т. Л. Грабова // Промышленная теплотехника. – 2003. – т. 25, прил. к № 4. – С. 113–115.

5.  Долинский А. А. Дискретно-импульсный ввод энергии в теплотехнологиях /                  А. А. Долинский, Б. И. Басок, С. И. Гулый, А. И. Накорчевский, Ю. А. Шурчкова. – К.: Наукова думка, 2001. – 348 с.

6.  Долинский А. А. Принципы оптимизации массообменных технологий на основе метода дискретно-импульсного ввода энергии/ А. А. Долинский, А. И. Накорчевский // Промышленная теплотехника. – 1997. – т. 19, № 6. – С. 5–9.

7.  Промтов М. А. Пульсационные аппараты роторного типа: теория и практика / М. А. Промтов. – М.: Машиностроение-1, 2001. – 260 с.

8.  Грабова Т. Л. Диспергування гетерогенних систем у роторно-пульсаційних апаратах дисково-циліндричного типу: автореферат дис. … канд. техн. наук: 05.14.06 /                  Т. Л. Грабова. – К., 2007. – 23, [1] с.

9.  Грабов Л. Н. Диспергирование многокомпонентных гетерогенных систем / Л. Н. Грабов, В. И. Мерщий, Д. В. Посунько // Промышленная теплотехника. – 2008. – т. 30, № 2. – С. 27–32.

10. Накорчевский А. И. Гидродинамика и теломассоперенос в гетерогенных системах и пульсирующих потоках / А. И. Накорчевский, Б. И. Басок. – К.: Наукова думка, 2001. – 346 с.

11. Грабова Т. Л. Воздействие ДИВЭ на свойства кремнийорганических сорбентов / Т. Л. Грабова // . – 2004. – т. 26, № 6. – С. 9–15.

12. Нужный А. Ю. Определение скорости гелеобразования в системе SiO2–Н2SO4–H2O методом турбидиметрии / А. Ю. Нужный, О. Н. Калугин // Вісник Харківського національного університету. – 2007. – № 770, вип. 15 (38). – С. 251–262.

 

Лаборатория Гигротермических Процессов

Лаборатория Гигротермических Процессов

ИТТФ НАНУ

Все права защищены ® 2009-2015