Sprühtrocknungstechnologie in der Lebensmittelindustrie

I. Funktionsprinzip der Sprühtrocknungstechnologie

Das Grundprinzip der Sprühtrocknung besteht darin, dass das Material durch einen Filter zum Zerstäuber am oberen Ende des Sprühtrockners gepumpt wird. Der Zerstäuber zerstäubt das flüssige Material in Tröpfchen. Aufgrund des kleinen Tröpfchenradius, der großen spezifischen Oberfläche und Oberflächenenergie sowie der hohen Dispersion ist der Dampfdruck der Feuchtigkeit an der Tröpfchenoberfläche höher als der Dampfdruck der Feuchtigkeit in einer flächigen Flüssigkeit unter gleichen Bedingungen. Daher verdampft die Feuchtigkeit extrem schnell, und das Produkt wird rasch getrocknet.

II. Hauptfaktoren, die die Sprühtrocknung beeinflussen

① Einlass- und Auslasstemperatur

Die Temperatur der Sprühtrocknungskammer bezieht sich üblicherweise auf die Temperatur, mit der die Heißluft in den Turm eintritt. Die Trocknungstemperatur ist der wichtigste Faktor, der die physikalisch-chemischen Eigenschaften sprühgetrockneter Pulver beeinflusst. Höhere Trocknungstemperaturen führen der Trockenkammer mehr Wärme zu, was die Trocknungsrate erhöht und den Feuchtigkeitsgehalt des sprühgetrockneten Produkts reduziert. Durch die Erhöhung der Sprühtrocknungstemperatur von 120 °C auf 200 °C konnte der Wassergehalt im getrockneten Pulver von 5,29 % auf 3,88 % gesenkt werden. Die Partikelgröße des sprühgetrockneten Produkts hängt ebenfalls von der Einlasstemperatur des Trockners ab. Höhere Trocknungstemperaturen führen zu einer schnelleren Wasserverdunstung, wodurch sich Mikrokügelchen schneller bilden, ohne dass ausreichend Zeit zum Schrumpfen bleibt. Dies führt zu größeren Partikelgrößen.

Mit steigender Einlasstemperatur von 138 °C auf 202 °C erhöhte sich die Partikelgröße des Acai-Beerenpulvers von 13,38 μm auf 20,11 μm. Auch die Partikelgröße des Guavensaftpulvers nahm mit steigender Einlasstemperatur signifikant zu (p < 1 %). Die Schüttdichte des sprühgetrockneten Pulvers sank mit steigender Temperatur. Größere Partikel können aufgrund der höheren Wasserverdunstungsrate hohl sein oder eine poröse bzw. fragmentierte Struktur aufweisen. Poröse oder fragmentierte Partikel weisen im Allgemeinen eine geringere Schüttdichte auf.

Da Wasser eine höhere Dichte als die meisten getrockneten Feststoffe besitzt, weisen Pulver, die bei höheren Temperaturen hergestellt wurden, eine geringere Schüttdichte auf als solche, die bei niedrigeren Temperaturen hergestellt wurden; kleinere Partikelgrößen zeigten zudem höhere Schüttdichten.

Die Fließfähigkeit sprühgetrockneter Pulver wird ebenfalls in gewissem Maße von der Trocknungstemperatur beeinflusst; mit steigender Temperatur nimmt die Fließfähigkeit ab. Die Löslichkeit ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Pulverprodukten und beeinflusst direkt das Remodellierungsverhalten sprühgetrockneter Lebensmittel. Mit steigender Sprühtrocknungstemperatur von 120 °C auf 160 °C erhöht sich die Löslichkeit des Pulvers.

2. Wandmaterial: Zuckerreiche Substanzen wie Frucht- und Gemüsesäfte lassen sich ohne Verkapselungsmittel nur schwer direkt sprühtrocknen. Wandmaterialien sind Polymere, die die Wirkstoffe während des Sprühtrocknungsprozesses einkapseln und somit zu den wichtigsten Faktoren für den Erfolg der Sprühtrocknung zählen.

Wandmaterialien können die Glasübergangstemperatur und die Ausbeute bei der Sprühtrocknung erhöhen sowie die Viskosität und Hygroskopizität von Pulverprodukten reduzieren. Gängige Wandmaterialien sind Gummi arabicum, Maltodextrin, Gelatine, Stärke, Pektin, Methylcellulose, Alginat und Tricalciumphosphat sowie deren Kombinationen.

Die Wahl des Wandmaterials hängt hauptsächlich vom Zweck der Sprühtrocknung und den physikalisch-chemischen Eigenschaften der verarbeiteten Materialien ab. Das Wandmaterial sollte im Prozesslösungsmittel gut löslich sein, über ausreichende Filmbildungsfähigkeit verfügen und auch bei hohen Konzentrationen eine niedrigviskose Lösung ergeben. Für die Sprühtrocknung müssen die Materialien ein hohes Molekulargewicht und eine hohe Glasübergangstemperatur aufweisen, um die Antihafteigenschaften des Endprodukts zu verbessern. Sie müssen außerdem empfindliche Verbindungen vor Hitze, Sauerstoff und Licht schützen können.

Gängige Wandmaterialien für die Sprühtrocknung sind Kohlenhydrate, insbesondere:

1) Stärke und ihre Derivate (Stärke, Maltodextrin, Dextrin und Cyclodextrin);

2) Gummi (Gummi arabicum oder eine Mischung aus Gummi arabicum und Erythrina crista-galli);

3) Cellulose und ihre Derivate (Cellulose, Carboxymethylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose usw.).

Stärke und ihre Derivate weisen gute Sprühtrocknungseigenschaften auf, wie z. B. ein hohes Molekulargewicht und eine hohe Glasübergangstemperatur, gute Löslichkeit in kaltem, niedrigviskosem Wasser, Antihafteigenschaften und die Fähigkeit, relativ dichte Pulver zu erzeugen. Ihre Filmbildungsfähigkeit ist jedoch gering, was die Trocknungseffizienz, insbesondere für den Erhalt empfindlicher Verbindungen, beeinträchtigt.

Im Vergleich zu Stärke besitzen Gummis eine bessere Filmbildungsfähigkeit, aber eine relativ niedrigere Glasübergangstemperatur. Cellulose und ihre Derivate weisen gute Filmbildungseigenschaften und Oberflächenaktivität auf, sind aber schwer verdaulich. Eine Kombination aus Stärke oder Stärkederivaten und Gummi kann die Sprühtrocknungsleistung verbessern, wobei der Gummianteil jedoch geringer sein sollte als der von Stärke oder Stärkederivaten.

Proteine, insbesondere Molkenprotein, besitzen ausgezeichnete Filmbildungs- und Nährstofferhaltungseigenschaften und werden häufig in Kombination mit Stärke oder Stärkederivaten verwendet.

③ Zufuhrrate

Die Zufuhrrate ist einer der wichtigsten Einflussfaktoren bei der Sprühtrocknung. Sie bestimmt die Verweilzeit des Materials in der Trockenkammer, im Separator und auf dem Förderband und beeinflusst zudem die Materialzerstäubung und die Tropfengröße. Die Zufuhrrate hängt im Wesentlichen von der Zerstäuberdrehzahl ab; je höher die Pumpendrehzahl, desto höher die Zufuhrrate. Eine hohe Zufuhrrate verlangsamt jedoch den Wärmeaustausch, wodurch die Tropfen nicht vollständig trocknen und leicht an den Wänden haften bleiben können.

Darüber hinaus können Tropfen aufgrund unvollständiger Zerstäubung bei hohen Zufuhrraten direkt in die Trockenkammer tropfen, was zu einer geringeren Ausbeute führt. Eine hohe Zufuhrrate führt zu einer unzureichenden Kontaktzeit zwischen Tropfen und Heißluft, wodurch der Feuchtigkeitsgehalt des sprühgetrockneten Pulvers steigt. Zusätzlich führt eine kürzere Kontaktzeit zu einer geringeren Wärme- und Stoffaustauscheffizienz, was einen höheren Feuchtigkeitsgehalt im Endprodukt zur Folge hat.

III. Häufige Probleme und Verbesserungen bei Sprühtrocknungstürmen

Problem 1: Maßnahmen zur Explosionsverhütung

1) Auswahl des richtigen Trockenturmtyps;

2) Installation von Feuerlöschanlagen während der Konstruktion und Fertigung des Trockenturms;

3) Verwenden Sie glatte Materialien auf den mit dem Material in Berührung kommenden Oberflächen der Ausrüstung, um Materialablagerungen zu vermeiden.

4) Installieren Sie geeignete Luftfilter, um zu verhindern, dass staubige Abgase in den Gasheizer der Trockenkammer gelangen.

5) Reinigen Sie die Luftfilter regelmäßig, einschließlich des Ausspülens.

6) Überprüfen Sie regelmäßig Bereiche, die während des Betriebs zu Ablagerungen neigen.

7) Überprüfen Sie regelmäßig alle elektrischen und mechanischen Komponenten.

8) Bei der Zentrifugalsprühtrocknung müssen rotierende Teile leichtgängig laufen und regelmäßig überprüft werden.

9) Installieren Sie elektrostatische Erdungsvorrichtungen.

10) Halten Sie alle Trocknerkomponenten gründlich sauber.

Um Verluste im Falle einer Materialverbrennung oder Explosion im Sprühtrocknungsturm zu minimieren, können außerdem Maßnahmen ergriffen werden, wie z. B. die Installation von Explosionsentlastungsventilen am oberen Ende der Trockenkammer, die Installation mehrerer Ventile in der Trockenkammer, die sich bei Erreichen eines bestimmten Druckniveaus automatisch öffnen, und die Verstärkung der Kammerwände, um der Explosionsgefahr bereits bei der Konstruktion der Trockenkammer Rechnung zu tragen.

Fehler 2: Feuchtes Pulver haftet an der Innenwand des Hauptturms

1) Die Zufuhrrate ist zu hoch und verhindert eine ausreichende Verdampfung.

2) Die Trockenkammer ist vor Sprühbeginn nicht ausreichend vorgeheizt.

3) Die Zufuhrrate ist zu Sprühbeginn zu hoch eingestellt.

4) Das zugegebene flüssige Material ist instabil.

Behebungsmethoden:

Reduzieren Sie die Zufuhrrate. Erhöhen Sie die Ein- und Auslasstemperaturen der Heißluft. Beginnen Sie mit einer niedrigen Zufuhrrate und erhöhen Sie diese schrittweise. Prüfen Sie die Leitungen auf Verstopfungen, passen Sie den Feststoffgehalt des Materials an und stellen Sie die Fließfähigkeit des flüssigen Materials sicher.

Fehler 3: Starker Pulververlust und geringe Produktausbeute

Bei einer Fehlfunktion oder unzureichenden Staubabscheidung des Zyklonabscheiders kann es zu Pulververlusten kommen. Prüfen Sie den Zyklonabscheider auf Undichtigkeiten und stellen Sie seine Dichtheit sicher. Im letzteren Fall besteht die Lösung darin, einen zusätzlichen Staubabscheider einzubauen.