I. Principe van spuitdroogtechnologie
Het basisprincipe van spuitdrogen is dat het materiaal door een filter naar de verstuiver bovenin de spuitdroger wordt gepompt. De verstuiver verspreidt het vloeibare materiaal in druppels. Door de kleine druppelradius, het grote specifieke oppervlak en de oppervlakte-energie, en de hoge dispersie, is de dampdruk van het vocht op het druppeloppervlak groter dan die van het vocht in een vlakke vloeistof onder dezelfde omstandigheden. Daardoor verdampt het vocht extreem snel en droogt het product snel.
II. Belangrijkste factoren die sproeidrogen beïnvloeden
① Inlaat- en uitlaattemperatuur
De temperatuur van de sproeidroogkamer verwijst meestal naar de temperatuur waarmee de hete lucht de toren binnenkomt. De droogtemperatuur is de belangrijkste factor die de fysisch-chemische eigenschappen van sproeigedroogde poeders beïnvloedt. Hogere droogtemperaturen leveren meer warmte aan de droogkamer, wat de droogsnelheid verhoogt en het vochtgehalte van het sproeigedroogde product verlaagt. Door de sproeidroogtemperatuur te verhogen van 120 °C naar 200 °C daalde het watergehalte in het gedroogde poeder van 5,29% naar 3,88%. De deeltjesgrootte van het sproeigedroogde product is ook afhankelijk van de inlaattemperatuur van de droger. Hogere droogtemperaturen leiden tot snellere waterverdamping, waardoor microsferen sneller ontstaan zonder voldoende tijd om te krimpen, met als gevolg grotere deeltjes.
Naarmate de inlaattemperatuur van het droogproces steeg van 138 °C naar 202 °C, nam de deeltjesgrootte van açai-bessenpoeder toe van 13,38 μm naar 20,11 μm. Op vergelijkbare wijze nam de deeltjesgrootte van guavesappoeder significant toe (p < 1%) bij een stijgende inlaattemperatuur. De bulkdichtheid van het sproeidroogde poeder nam af met stijgende temperatuur. Grotere deeltjes kunnen intern hol zijn of een poreuze of gefragmenteerde structuur hebben als gevolg van de hogere waterverdampingssnelheid. Over het algemeen vertonen poreuze of gefragmenteerde deeltjes een lagere bulkdichtheid.
Omdat water een hogere dichtheid heeft dan de meeste gedroogde voedingsmiddelen, hebben poeders die bij hogere temperaturen worden geproduceerd een lagere bulkdichtheid dan poeders die bij lagere temperaturen worden geproduceerd; kleinere deeltjes bleken ook een hogere bulkdichtheid te hebben.
De vloei-eigenschappen van sproeidroogde poeders worden ook enigszins beïnvloed door de droogtemperatuur; naarmate de temperatuur stijgt, neemt de vloei-eigenschappen af. Oplosbaarheid is ook een belangrijke kwaliteitseigenschap van poederproducten, die direct van invloed is op het hermodelleringsgedrag van sproeidroogde voedingsmiddelen. Naarmate de sproeidroogtemperatuur stijgt van 120℃ naar 160℃, neemt de oplosbaarheid van het poeder toe.
② Wandmateriaal Suikerrijke stoffen, zoals fruit- en groentesappen, zijn moeilijk direct te sproeidrogen zonder inkapselingsmiddelen. Wandmaterialen zijn polymeren die actieve ingrediënten inkapselen tijdens het sproeidroogproces, waardoor ze een van de belangrijkste factoren in het sproeidroogproces vormen.
Wandmaterialen kunnen de glasovergangstemperatuur en de opbrengst bij sproeidrogen verhogen en de viscositeit en hygroscopiciteit van poederproducten verlagen. Veelgebruikte wandmaterialen zijn onder andere arabische gom, maltodextrine, gelatine, zetmeel, pectine, methylcellulose, alginaat en tricalciumfosfaat en combinaties daarvan.
De keuze van het wandmateriaal hangt voornamelijk af van het doel van het sproeidrogen en de fysisch-chemische eigenschappen van de te verwerken materialen. Het wandmateriaal moet goed oplosbaar zijn in het procesoplosmiddel, voldoende filmvormend vermogen hebben en zelfs bij hoge concentraties een oplossing met lage viscositeit produceren. Voor sproeidrogen moeten materialen een hoog moleculair gewicht en een hoge glasovergangstemperatuur hebben om de antikleefeigenschappen van het eindproduct te verbeteren. Ze moeten ook gevoelige verbindingen kunnen beschermen tegen hitte, zuurstof en licht.
Veelgebruikte wandmaterialen voor sproeidrogen zijn koolhydraten, met name:
1) Zetmeel en derivaten daarvan (zetmeel, maltodextrine, dextrine en cyclodextrine);
2) Gom (arabische gom of een mengsel van arabische gom en Erythrina crista-galli);
3) Cellulose en derivaten daarvan (cellulose, carboxymethylcellulose en hydroxypropylmethylcellulose, enz.).
Zetmeel en derivaten daarvan vertonen goede sproeidroogeigenschappen, zoals een hoog moleculair gewicht en een hoge glasovergangstemperatuur, een hoge oplosbaarheid in koud, water met lage viscositeit, antikleefeigenschappen en het vermogen om relatief dichte poeders te produceren. Hun filmvormende eigenschappen zijn echter gering, wat nadelig is voor de droogefficiëntie, met name voor het behoud van gevoelige stoffen.
Vergeleken met zetmeel hebben gommen een betere filmvormende eigenschap, maar een relatief lagere glasovergangstemperatuur. Cellulose en derivaten daarvan hebben goede filmvormende eigenschappen en oppervlakteactiviteit, maar worden niet gemakkelijk verteerd. Een combinatie van zetmeel of zetmeelderivaten en gom kan de prestaties van het sproeidrogen verbeteren, maar het gomgehalte moet lager zijn dan dat van zetmeel of zetmeelderivaten.
Eiwitten, met name wei-eiwit, hebben uitstekende filmvormende eigenschappen en behouden voedingsstoffen, en worden vaak gebruikt in combinatie met zetmeel of zetmeelderivaten.
③ Toevoersnelheid
De toevoersnelheid is een van de belangrijkste factoren bij sproeidrogen. Deze bepaalt de verblijftijd van het materiaal in de droogkamer, separator en transportband, en beïnvloedt ook de verneveling van het materiaal en de druppelgrootte. De toevoersnelheid is in wezen afhankelijk van de snelheid van de vernevelaar; hoe hoger de pompsnelheid, hoe hoger de toevoersnelheid. Een hoge toevoersnelheid vertraagt echter de warmteoverdracht, waardoor het moeilijk wordt voor druppels om volledig te drogen en er gemakkelijk hechting aan de wand kan ontstaan.
Bovendien kunnen druppels door onvolledige verneveling bij hoge toevoersnelheden rechtstreeks in de droogkamer druppelen, wat resulteert in een lagere opbrengst. Een hoge toevoersnelheid leidt tot onvoldoende contacttijd tussen druppels en hete lucht, waardoor het vochtgehalte van het sproeidroogde poeder toeneemt; bovendien leidt een kortere contacttijd tot een lagere efficiëntie van de warmte- en massaoverdracht, met als gevolg een hoger vochtgehalte in het eindproduct.
III. Veelvoorkomende problemen en verbeteringen in sproeidroogtorens
Probleem 1: Explosiepreventiemaatregelen
1) Kies het juiste type droogtoren;
2) Installeer brandblusapparatuur tijdens het ontwerp en de fabricage van de droogtoren;
3) Gebruik gladde materialen op de oppervlakken van de apparatuur die in contact komen met materialen om afzetting van materiaal te voorkomen;
4) Installeer geschikte luchtfilters om te voorkomen dat stoffige uitlaatgassen in de gasverwarmer van de droogkamer worden gezogen;
5) Reinig de luchtfilters regelmatig, inclusief het spoelen ervan;
6) Controleer regelmatig de gebieden waar zich tijdens het gebruik afzettingen kunnen vormen;
7) Controleer regelmatig alle elektrische en mechanische componenten;
8) Bij centrifugaal sproeidrogen moeten de roterende onderdelen soepel draaien en regelmatig worden gecontroleerd;
9) Installeer elektrostatische aardingsvoorzieningen;
10) Houd alle onderdelen van de droger grondig schoon.
Om verliezen bij verbranding en explosie van het materiaal in de sproeidroogtoren te minimaliseren, kunnen bovendien maatregelen worden genomen, zoals het installeren van explosieventielen aan de bovenkant van de droogkamer; het installeren van meerdere kleppen in de droogkamer die automatisch openen wanneer de druk een bepaald niveau bereikt; en het verdikken van de kamerwanden om rekening te houden met de mogelijkheid van een explosie tijdens het ontwerp van de droogkamer.
Storing 2: Nat poeder hecht zich aan de binnenwand van de hoofdtoren
1) De toevoersnelheid is te hoog, waardoor onvoldoende verdamping plaatsvindt;
2) De droogkamer is onvoldoende verwarmd voordat het sproeien begint;
3) De toevoersnelheid is bij aanvang van het spuiten te hoog ingesteld;
4) Het toegevoegde vloeibare materiaal is instabiel.
Reparatiemethoden:
Verlaag de toevoersnelheid; verhoog de inlaat- en uitlaattemperatuur van de hete lucht; begin met spuiten met een lage toevoersnelheid die geleidelijk wordt verhoogd tot de juiste waarde; controleer op verstoppingen in de leidingen, pas het vaste stofgehalte van het materiaal aan en zorg voor de vloeibaarheid van het vloeibare materiaal.
Storing 3: Ernstige poederlekkage en lage productopbrengst
Als de cycloonafscheider defect is of een lage stofafscheidingscapaciteit heeft, is poederlekkage waarschijnlijk. In het eerste geval dient de cycloonafscheider te worden gecontroleerd op openingen en luchtdichtheid; in het tweede geval dient een secundaire stofafscheider te worden toegevoegd.