Suszenie: Instalacje do suszenia rozpyłowego

W wielu zakładach przemysłu spożywczego jedną spośród różnych technik przetwórstwa stosuje się suszenie rozpyłowe, które to z surowca w postaci płynnej prowadzi w bezpośrednim procesie do otrzymania produktu w postaci sypkiej. Do najbardziej powszechnych, typowych zastosowań w drodze techniki suszenia rozpyłowego można zaliczyć powstawanie takich produktów końcowych jak mleko w proszku, serwatka w proszku, różnego rodzaju odżywki dla sportowców czy produkty dietetyczne, różnego rodzaju dodatki smakowe, dodatki zapachowe, jaja w proszku, żywność dla niemowląt i małych dzieci w proszku itp. 

Suszenie rozpyłowe jest jedną z niewielu dostępnych metod, które w trakcie trwania jednej, ciągłej operacji w stosunkowo niedługim czasie umożliwiają otrzymanie z surowca wyjściowego takiego jak roztwór, zawiesina, emulsja czy inny płyn nienewtonowski – produktu końcowego w postaci sproszkowanej. Co więcej możliwe jest uzyskanie produktu o różnych parametrach końcowych, stosownie do oczekiwanych właściwości takich jak rozmiar cząstek czy wilgotność produktu. Rozwiązanie to może być stosowane do prowadzenia procesu suszenia materiałów o cennej aktywności biologicznej, w przypadku których nieodpowiedni dobór parametrów prowadzenia procesu, może nastręczać trudności w otrzymaniu produktu końcowego o satysfakcjonującej aktywności i parametrach. Niezbędna jest dokładna znajomość zachowania się niektórych surowców, które producent planuje poddać procesowi suszenia rozpyłowego. W niektórych przypadkach należy przeprowadzić testy laboratoryjne na instalacjach suszenia rozpyłowego przeznaczonych do celów badawczo – rozwojowych. W suszarkach rozpyłowych przeznaczonych do prac w skali laboratoryjnej można przeprowadzić testy suszenia niedużych ilości różnego rodzaju roztworów, emulsji, zawiesin itp. do postaci produktu końcowego w formie proszku. Próba taka winna być reprezentatywna i umożliwiać ewentualne przeniesienie w przyszłości danego procesu suszenia ze skali mikro na makro, czyli produkcję przemysłową, czy też umożliwiać stworzenie próbek mających stanowić punkt wyjściowy do opracowania nowego produktu. 

Niewątpliwym plusem metody suszenia rozpyłowego jak i samych instalacji suszarniczych obecnych na rynku jest fakt, że są ono stosunkowo elastyczne pod względem zadawania parametrów procesowych. Biorąc pod uwagę fakt, że różne techniki atomizacji substancji prowadzą do otrzymania kropel o różnych rozmiarach i przy wykorzystaniu różnych schematów suszenia, pojawiają się wersje suszarek rozpyłowych wykorzystujące mechanizm rozpyłowy, mechanizm rozpyłowy z dyszą dwustrumieniową współprądową czy też rozpylanie przy użyciu dyszy dwustrumieniowej w trybie fontannowym. Do roztworów różnego rodzaju, zawiesin, emulsji, stosowane są rozpylacze odśrodkowe, a uzyskiwana wielkość cząsteczek mieści się średnio w przedziale wartości średnicy 50–150 µm. Wielkość tych cząstek może być regulowana za pomocą zmiany ilości doprowadzanego surowca do wirującego dysku, zmiany jego szybkości obrotowej aż po sam jego kształt. Otrzymany w tym procesie proszek charakteryzuje się niską wartością gęstości nasypowej, a ta z kolei jest skorelowana z kosztem pakowania czy też – na późniejszym etapie – z kosztem transportu. W tym przypadku korzystne jest to, że uzyskane krople wykazują się dużą jednorodnością, a zatem zbliżoną wartością czasu suszenia i wobec tego znacząco ograniczone jest zjawisko degradacji termicznej materiału poddawanego procesowi. 

Rozpylacze mechaniczne (ciśnieniowe) uchodzą za mniej elastyczne rozwiązania od wymienionego wcześniej, cechują się prostszą konstrukcją i stosunkowo mniej skomplikowaną obsługą, a to w wielu przypadkach powoduje, że są powszechnie stosowane w instalacjach suszarniczych. W tym przypadku ważne jest, aby materiał poddawany suszeniu był jednorodny. Ze względu na to, że istnieje ryzyko zapchania się dyszy, materiał taki nie może być zanieczyszczony. Otrzymany zatem produkt musi być jednorodny, zaś średnice otrzymanych cząsteczek wynosić do około 300 µm. W przypadku rozpylaczy pneumatycznych (dwustrumieniowych) to literatura rekomenduje ich stosowanie do roztworów o dowolnej lepkości, do różnego rodzaju past, drobnych emulsji, zawiesin czy materiałów niejednorodnych. W tym rozwiązaniu proces rozpylania jest bezpośrednio skorelowany z wysokim zapotrzebowaniem na energię jaką należy dostarczyć do układu, zaś porównując ze sobą osiągane efekty suszenia i uzyskany produkt końcowy rozwiązanie to wydaje się być rozwiązaniem najmniej jednorodnym zaś otrzymana wielkość cząsteczek charakteryzuje się najmniejszymi wymiarami. Instalacja w tradycyjnej postaci składa się z komory suszenia, systemu pomp, filtra, podgrzewacza powietrza, systemu chłodzącego, cyklonu, wentylatora, skrubera. 

Podstawą zasady działania skrubera jest zmiana prędkości zapylonego strumienia gazu, który to w początkowej fazie zostaje przyspieszony w gardzieli urządzenia, następnie zaś ulega rozprężeniu w dyfuzorze. Zachodząca w urządzeniu wysoka, intensywna burzliwość, a także wysokie lokalne prędkości cieczy oraz gazu oddziałują korzystnie na sprawność procesu odpylania także cząstek o rozmiarach submikronowych. Za płuczką Venturiego (skruberem) stosuje się drugi stopień zraszania celem wyeliminowania reemisji kropel a także zanieczyszczeń. 

Do podstawowych etapów prowadzenia procesu należy atomizacja, doprowadzenie do kontaktu powstałych w ten sposób kropel z gorącym medium suszącym, odparowanie i następnie oddzielenie powstałego proszku od strumienia powietrza. Głównym celem procesu na etapie rozpylania jest wytworzenie dużej powierzchni cieczy w stosunku do jej masy, a to z kolei w chwili kontaktu z gorącym medium skutkuje intensywnym i szybkozachodzącym odparowaniem wilgoci lub innej lotnej substancji osiągając podstawowy cel procesu czyli sypki, ziarnisty, produkt w formie proszku. Fundamentalne znaczenie mają takie właściwości cząstek stałych jak gęstość nasypowa, sypkość, dozowalność, zdolność do nietworzenia się pyłów. Etap rozpylania cechuje się tak szczególną istotnością ze względu na to, że bezpośrednio wpływa na rozmiar wytworzonych kropel. Ta zaś warunkuje szybkość zachodzenia procesu suszenia, a tym samym rozmiar powstałych cząsteczek produktu końcowego. Na to jaki będzie kształt komory suszarki ma wpływ w znaczącym stopniu wybór zastosowanego urządzenia rozpylającego. I tak na przykład komora suszarnicza będzie miała dużą średnicę, gdy stosowane będą rozpylacze odśrodkowe. Dzieje się tak w związku z dużą wartością kąta rozpylenia cieczy. Początkowo rozpylona mgła kropel porusza się w fazie wstępnej w kierunku ścian komory – poziomo, zaś w porównaniu z przypadkiem dysz ciśnieniowych i pneumatycznych, rozpylona mgła kropel od chwili rozpylenia porusza się pionowo, przy czym kąt jej rozpylenia jest mniejszy, niekiedy nawet znacząco w odniesieniu do poprzedniej dyszy. W takim razie średnica komory suszarniczej jest mniejsza, lecz znaczenie ma inny wymiar komory – tj. jej wysokość. Wysokość komory jest tak istotna ze względu na to, że cząsteczki w fazie suszenia muszą w odpowiednio długim czasie przebywać w komorze w strefie suszenia, a odpowiednio dobrany parametr wysokości ma to zapewnić. 

Na rynku dostępne są także rozwiązania przeznaczone dla przedsiębiorców, którzy planują wdrożenie nowych rozwiązań wysokowartościowych produktów lub już posiadają bogatą i różnorodną ofertę produktów, ale zmagają się z koniecznością częstej zmiany wsadu i jednocześnie dla których standardowe rozwiązania suszenia rozpyłowego nie spełniają potrzeb. W przypadku takich uniwersalnych rozwiązań możliwe jest dostosowywanie temperatury medium suszącego do potrzeb, instalacje te wykazują się też łatwością czyszczenia, obsługi czy przestawiania na poszczególne tryby pracy pomiędzy różnymi partiami bez względu na rodzaj produktu poddawanego suszeniu. 

Charakterystyka jakościowa żywności oferowanej konsumentom w formie proszku wiąże się także z odtwarzaniem proszków w cieczy w przypadku tych produktów, które przeznaczone są do dyspersji w płynie. Konsumenci zwracają uwagę na właściwości produktu końcowego, oczekują, że będzie on się łatwo rozpuszczał, będzie łatwo zwilżalny, łatwoopadalny, dyspergowalny i rozpuszczalny – czyli będzie posiadał cechy produktu instant. Takie właściwości produktu końcowego wymagają zastosowania aglomeracji. Nadanie cechy instant uzależnione jest od składu surowcowego danej żywności, a sposób tworzenia aglomeratów będzie determinował ich właściwości. Chodzi o wytworzenie takich granulek produktu, które będą miały większe rozmiary wskutek połączenia cząsteczek materiału w porowatą strukturę. Cząsteczki proszku łączą się ze sobą w większe skupiska w wyniku działania różnych czynników takich jak działania sił molekularnych, sił elektrostatycznych, powierzchniowych sił adhezji, kohezji czy tworzenia się mostków ciekłych bądź stałych. 

Łączenie się ze sobą cząsteczek będących w stanie suchym wiąże się z utratą formy tych cząstek – plastyczną deformacją. Dochodzić może także do łamania ich struktury, powstawaniem spieków czy stopieniem w warunkach podwyższonej wartości ciśnienia czy temperatury. Cechy instant nie osiąga się w większości przypadków w trakcie suszenia tradycyjną jednostopniową metodą suszenia rozpyłowego. 

Prowadzenie procesu aglomeracji nawilżeniowej może odbywać się z poprzez proces mieszania w złożu fluidalnym metodą pneumatyczną bądź też w mechanicznie generowanym złożu fluidalnym. Fluidyzacja jest to proces, w którym dochodzi do zintensyfikowania procesów fizycznych i chemicznych. Powstaje tu dynamiczna zawiesina drobnych cząstek ciała stałego w strumieniu gazu, rzadziej cieczy, który porusza się z dołu ku górze. Proces zachodzi w urządzeniach nazywanych fluidyzatorami. O tym, że powstała zawiesina fluidalna mówimy wtedy, gdy prędkość porywania cząsteczek ciała stałego przez gaz jest równa prędkości ich opadania pod wpływem grawitacji. Proces prowadzi się, gdy konieczna jest duża powierzchnia wymiany międzyfazowej i szybkiej wymiany ciepła. W obydwu przypadkach tj. procesie mieszania w złożu fluidalnym metodą pneumatyczną bądź też mechanicznie generowanym złożu fluidalnym możliwe jest otrzymanie produktu końcowego o mniejszej zawartości pyłu, szybkiej rozpuszczalności w cieczach, pożądanej sypkości. 

Podczas prowadzenia procesu aglomeracji nawilżeniowej przy wykorzystaniu węglowodanów może dochodzić do efektu zwiększenia parametrów takich jak gęstość nasypowa czy niższa porowatość niż proces prowadzony z wykorzystaniem wody. Zwiększenie stabilności mechanicznej danego aglomeratu może wiązać się z pogorszeniem jego właściwości instant. Celem wytworzenia aglomeratów o stabilnych cechach należy w pierwszej kolejności doprowadzić do wzajemnego kontaktu cząsteczek pierwotnych. Stan ten uzyskuje się w wyniku działania sił zewnętrznych. Następnie zaś należy zapewnić dostęp sił łączących cząsteczki, które będą charakteryzowały się takimi właściwościami, które zapewnią im większą siłę niż siła rozrywająca. Trwałość, a także odpowiednia stabilność sił łączących ma kluczowy wpływ na to, jak stabilne i porowate staną się aglomeraty w danym procesie. 

Należy pamiętać, że każda metoda aglomeracji cechuje się szczególnymi, właściwymi dla niej mechanizmami, co w całościowym efekcie prowadzi do otrzymania aglomeratów o specyficznych, charakterystycznych dla procesu cechach jakościowych.