I. Principio della tecnologia di essiccazione a spruzzo
Il principio di base dell'essiccazione a spruzzo è che il materiale viene pompato attraverso un filtro fino all'atomizzatore posto nella parte superiore dell'essiccatore. L'atomizzatore disperde il materiale liquido in goccioline. Grazie al piccolo raggio delle goccioline, all'ampia superficie specifica, all'elevata energia libera superficiale e all'alta dispersione, la pressione di vapore dell'umidità sulla superficie della gocciolina è maggiore di quella dell'umidità in un liquido piano nelle stesse condizioni. Pertanto, l'umidità evapora molto rapidamente e il prodotto si asciuga velocemente.
II. Principali fattori che influenzano l'essiccazione a spruzzo
① Temperatura di ingresso e di uscita
La temperatura della camera di essiccazione a spruzzo si riferisce generalmente alla temperatura alla quale l'aria calda entra nella torre. La temperatura di essiccazione è il fattore più importante che influenza le proprietà fisico-chimiche delle polveri essiccate a spruzzo. Temperature di essiccazione più elevate forniscono più calore alla camera di essiccazione, il che aumenta la velocità di essiccazione e riduce il contenuto di umidità del prodotto essiccato a spruzzo. Aumentando la temperatura di essiccazione a spruzzo da 120 °C a 200 °C, il contenuto di acqua nella polvere essiccata si è ridotto dal 5,29% al 3,88%. Anche la granulometria del prodotto essiccato a spruzzo dipende dalla temperatura di ingresso dell'essiccatore. Temperature di essiccazione più elevate portano a una più rapida evaporazione dell'acqua, causando una formazione più rapida di microsfere senza un tempo sufficiente per restringersi, con conseguente aumento delle dimensioni delle particelle.
Con l'aumento della temperatura di essiccazione in ingresso da 138 °C a 202 °C, la granulometria della polvere di bacche di acai è aumentata da 13,38 μm a 20,11 μm. Analogamente, la granulometria della polvere di succo di guava è aumentata significativamente (p < 1%) con l'aumento della temperatura di ingresso. La densità apparente della polvere essiccata a spruzzo è diminuita con l'aumento della temperatura. Le particelle più grandi possono essere cave internamente o presentare una struttura porosa o frammentata a causa del maggiore tasso di evaporazione dell'acqua. In generale, le particelle porose o frammentate mostrano una densità apparente inferiore.
Poiché l'acqua è più densa della maggior parte dei solidi alimentari essiccati, le polveri prodotte a temperature più elevate hanno una densità apparente inferiore rispetto a quelle prodotte a temperature più basse; si è inoltre osservato che le particelle di dimensioni minori presentano una densità apparente maggiore.
Anche la scorrevolezza delle polveri essiccate a spruzzo è influenzata in una certa misura dalla temperatura di essiccazione; all'aumentare della temperatura, la scorrevolezza diminuisce. La solubilità è un'importante caratteristica qualitativa dei prodotti in polvere, che influenza direttamente il comportamento di rimodellamento degli alimenti essiccati a spruzzo. All'aumentare della temperatura di essiccazione a spruzzo da 120 °C a 160 °C, aumenta anche la solubilità della polvere.
② Materiale di rivestimento Le sostanze ricche di zuccheri, come i succhi di frutta e verdura, sono difficili da essiccare a spruzzo direttamente senza agenti incapsulanti. I materiali di rivestimento sono polimeri che incapsulano i principi attivi durante il processo di essiccazione a spruzzo, rappresentando quindi uno dei fattori più importanti in questo processo.
I materiali di rivestimento possono aumentare la temperatura di transizione vetrosa e la resa nell'essiccazione a spruzzo, riducendo al contempo la viscosità e l'igroscopicità dei prodotti in polvere. I materiali di rivestimento più comuni includono gomma arabica, maltodestrina, gelatina, amido, pectina, metilcellulosa, alginato e fosfato tricalcico, nonché le loro combinazioni.
La scelta del materiale di rivestimento dipende principalmente dallo scopo dell'essiccazione a spruzzo e dalle proprietà fisico-chimiche dei materiali da trattare. Il materiale di rivestimento deve essere altamente solubile nel solvente di processo, possedere una sufficiente capacità filmogena e produrre una soluzione a bassa viscosità anche ad alte concentrazioni. Per l'essiccazione a spruzzo, i materiali devono avere un elevato peso molecolare e un'alta temperatura di transizione vetrosa per migliorare le proprietà antiaderenti del prodotto finale. Devono inoltre essere in grado di proteggere i composti sensibili dal calore, dall'ossigeno e dalla luce.
I materiali di rivestimento comunemente utilizzati per l'essiccazione a spruzzo sono i carboidrati, principalmente:
1) Amido e suoi derivati (amido, maltodestrina, destrina e ciclodestrina);
2) Gomma (gomma arabica o una miscela di gomma arabica ed Erythrina crista-galli);
3) Cellulosa e suoi derivati (cellulosa, carbossimetilcellulosa, idrossipropilmetilcellulosa, ecc.).
L'amido e i suoi derivati presentano buone proprietà di essiccazione a spruzzo, come l'elevato peso molecolare e l'alta temperatura di transizione vetrosa, l'elevata solubilità in acqua fredda a bassa viscosità, le proprietà antiaderenti e la capacità di produrre polveri relativamente dense. Tuttavia, la loro capacità di formare film è scarsa, il che è dannoso per l'efficienza di essiccazione, soprattutto per la conservazione di composti sensibili.
Rispetto all'amido, le gomme hanno una migliore capacità di formare film, ma una temperatura di transizione vetrosa relativamente inferiore. La cellulosa e i suoi derivati hanno buone proprietà di formazione di film e attività superficiale, ma non sono facilmente digeribili. Una combinazione di amido o derivati dell'amido e gomma può migliorare le prestazioni di essiccazione a spruzzo, ma il contenuto di gomma dovrebbe essere inferiore a quello dell'amido o dei suoi derivati.
Le proteine, in particolare le proteine del siero di latte, hanno eccellenti capacità di formazione di film e di ritenzione dei nutrienti e sono spesso utilizzate in combinazione con amido o derivati dell'amido.
③ Velocità di alimentazione
La velocità di alimentazione è uno dei fattori importanti che influenzano l'essiccazione a spruzzo. Determina il tempo di permanenza del materiale nella camera di essiccazione, nel separatore e nel nastro trasportatore, influenzando anche l'atomizzazione del materiale e la dimensione delle goccioline. La velocità di alimentazione dipende essenzialmente dalla velocità dell'atomizzatore: maggiore è la velocità della pompa, maggiore è la velocità di alimentazione. Tuttavia, un'elevata velocità di alimentazione rallenta il trasferimento di calore, rendendo difficile l'essiccazione completa delle goccioline e causando facilmente l'adesione alle pareti.
Inoltre, a causa di un'atomizzazione incompleta ad alte velocità di alimentazione, le goccioline possono gocciolare direttamente nella camera di essiccazione, con conseguente riduzione della resa. Un'elevata velocità di alimentazione comporta un tempo di contatto insufficiente tra le goccioline e l'aria calda, aumentando il contenuto di umidità della polvere essiccata a spruzzo; inoltre, un tempo di contatto più breve riduce l'efficienza del trasferimento di calore e di massa, con conseguente maggiore contenuto di umidità nel prodotto finale.
III. Problemi comuni e miglioramenti nelle torri di essiccazione a spruzzo
Problema 1: Misure di prevenzione delle esplosioni
1) Selezionare il tipo corretto di torre di essiccazione;
2) Installare dispositivi antincendio durante la progettazione e la costruzione della torre di essiccazione;
3) Utilizzare materiali lisci sulle superfici delle apparecchiature a contatto con i materiali per evitare la formazione di depositi;
4) Installare filtri dell'aria adeguati per impedire che i gas di scarico polverosi vengano aspirati nel riscaldatore a gas della camera di essiccazione;
5) Pulire regolarmente i filtri dell'aria, compreso il risciacquo;
6) Ispezionare regolarmente le aree soggette alla formazione di depositi durante il funzionamento;
7) Ispezionare regolarmente tutti i componenti elettrici e meccanici;
8) Per l'essiccazione a spruzzo centrifuga, le parti rotanti devono funzionare senza intoppi ed essere ispezionate frequentemente;
9) Installare dispositivi di messa a terra elettrostatica;
10) Mantenere tutti i componenti dell'essiccatore perfettamente puliti.
Inoltre, per ridurre al minimo le perdite in caso di combustione ed esplosione del materiale all'interno della torre di essiccazione a spruzzo, è possibile adottare misure quali l'installazione di valvole di sfogo per le esplosioni nella parte superiore della camera di essiccazione; l'installazione di diverse valvole nella camera di essiccazione che si aprono automaticamente al raggiungimento di una determinata pressione; e l'ispessimento delle pareti della camera per tenere conto della possibilità di esplosione durante la progettazione della camera di essiccazione.
Guasto 2: La polvere umida aderisce alla parete interna della torre principale
1) La velocità di alimentazione è troppo elevata e impedisce un'evaporazione sufficiente;
2) Riscaldamento insufficiente della camera di essiccazione prima dell'inizio della spruzzatura;
3) La portata di alimentazione è troppo elevata all'inizio della spruzzatura;
4) Il materiale liquido aggiunto è instabile.
Metodi di riparazione:
Ridurre opportunamente la velocità di alimentazione; aumentare opportunamente le temperature di ingresso e uscita dell'aria calda; all'inizio della spruzzatura, la portata deve essere bassa e aumentata gradualmente fino a raggiungere un valore adeguato; verificare la presenza di ostruzioni nelle tubazioni, regolare il contenuto di solidi del materiale e garantire la fluidità del materiale liquido.
Guasto 3: Grave perdita di polvere e basso tasso di recupero del prodotto
Se il separatore ciclonico non funziona correttamente o ha una scarsa capacità di rimozione della polvere, è probabile che si verifichi una perdita di polvere. Nel primo caso, la soluzione consiste nell'ispezionare il separatore ciclonico per verificare la presenza di fessure e garantirne la tenuta stagna; Per quest'ultimo caso, la soluzione consiste nell'aggiungere opportunamente un collettore di polveri secondario.
