ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΞΗΡΑΝΣΗ. Εισαγωγή

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΞΗΡΑΝΣΗ Εισαγωγή Ο περιορισµός της ανάπτυξης και δράσης των µικροοργανισµών µπορεί να επιτευχθεί µε µείωση του διαθέσιµου νερού. Στην ξήρανση των τροφίµων επιδιώκεται η αποµάκρυνση του µεγαλύτερου µέρους του νερού που περιέχουν ώστε να σταµατούν πρακτικά οι µικροβιακές δράσεις. Επί πλέον της συντήρησης του τροφίµου η ξήρανση µπορεί να έχει και άλλους στόχους, όπως η µείωση του όγκου που διευκολύνει τη µεταφορά και την αποθήκευση, ή η παρασκευή προϊόντων κατάλληλων για χρήση π.χ. µίγµατα για κέικ, για σούπες κ.ά. Ο όρος ξήρανση (drying) στη βιοµηχανία τροφίµων χρησιµοποιείται για τη διεργασία στην οποία η αποµάκρυνση νερού από το τρόφιµο γίνεται µε εξάτµιση. ιαφέρει από τη συµπύκνωση (concentration) ως προς το τελικό περιεχόµενο νερού στο τρόφιµο, το οποίο είναι χαµηλότερο στην περίπτωση της ξήρανσης. Αντί του όρου ξήρανση πολλές φορές χρησιµοποιείται ο όρος αφυδάτωση (dehydration), αν και ο όρος αυτός αποδίδει καλύτερα την πλήρη αποµάκρυνση νερού από το τρόφιµο. Σύµφωνα µε τον παραπάνω ορισµό διεργασίες αποµάκρυνσης νερού µε κατάλληλους διαλύτες, ή µείωσης του διαθέσιµου νερού µε προσθήκη ζάχαρης ή αλατιού δεν περιλαµβάνονται στον όρο ξήρανση. Ιδιαίτερα πρέπει να αναφερθεί η αποµάκρυνση νερού υπό τη µορφή εξάχνωσης πάγου, η οποία γίνεται σε χαµηλές θερµοκρασίες και καλείται ξήρανση µε κατάψυξη (freeze drying, freeze dehydration). Επίσης η αποµάκρυνση νερού µε διαλύµατα ζαχάρων ή αλατιού, υψηλής ωσµωτικής πίεσης, η οποία αποδίδεται µε τον όρο ωσµωτική αφυδάτωση (osmotic dehydration). Η ξήρανση των περισσότερων τροφίµων γίνεται µε θέρµανση. Εποµένως είναι µία διεργασία στην οποία εµπλέκεται µεταφορά µάζας (νερού) από το τρόφιµο προς το περιβάλλον και µεταφορά θερµότητας από το µέσον θέρµανσης προς το τρόφιµο. Γίνεται σε ξηραντήρες διαφόρων τύπων, στους οποίους ο µηχανισµός µεταφοράς θερµότητας προς το προϊόν και µεταφοράς µάζας από το προϊόν διαφέρει. Η τεχνική της φυσικής ξήρανσης στον αέρα έχει περιορισµένες εφαρµογές. Στην ξήρανση των τροφίµων ισχύουν οι βασικές αρχές που διέπουν την ξήρανση οποιουδήποτε άλλου προϊόντος. Οι ιδιαιτερότητες των τροφίµων σχετίζονται µε το ρόλο του νερού σε αυτά και την ευαισθησία των συστατικών και των ποιοτικών χαρακτηριστικών τους στις θερµικές διεργασίες. 55

2 Ο ρόλος του νερού στα τρόφιµα Ελεύθερο και δεσµευµένο νερό Το νερό στα τρόφιµα βρίσκεται υπό µορφή δεσµευµένου (bound) ή ελεύθερου (free) νερού. Το ποσό του δεσµευµένου νερού διαφέρει από τρόφιµο σε τρόφιµο και έχουν διατυπωθεί διάφοροι ορισµοί αυτού. Το δεσµευµένο νερό είναι εκείνο που υπάρχει στην περιοχή κοντά στα µη υδατικά συστατικά του τροφίµου και παρουσιάζει ιδιότητες σηµαντικά διαφορετικές από αυτές του συνόλου του νερού στο τρόφιµο. Το δεσµευµένο νερό δεν παγώνει σε θερµοκρασία έως 40 C και δεν είναι διαθέσιµο ως διαλύτης προστιθέµενων ουσιών ούτε ως χηµικό αντιδραστήριο. Υπάρχουν πολλοί βαθµοί δέσµευσης του νερού. Το πιο ισχυρά δεσµευµένο νερό είναι εκείνο που αποτελεί αναπόσπαστο τµήµα των µη υδατικών συστατικών, π.χ. είναι µέρος των υδριτών ή βρίσκεται στα πολύ µικρά κενά των πρωτεϊνών. Το αµέσως επόµενο είναι το γειτνιάζον νερό που καταλαµβάνει τα πρώτα στρώµατα σε επαφή µε τα µη υδατικά συστατικά, συνδεόµενο µε ιοντικές κυρίως οµάδες αυτών των συστατικών. Ακολουθεί το πολυστρωµατικό νερό που καταλαµβάνει τα αµέσως επόµενα στρώµατα µετά από το γειτνιάζον και, αν και δεν είναι τόσο ισχυρά συνδεδεµένο (κυρίως µε δεσµούς υδρογόνου), παρουσιάζει σηµαντικά διαφορετικές ιδιότητες από αυτές του ελεύθερου νερού. Το µεγαλύτερο µέρος αυτού δεν παγώνει έως τους 40 C, ενώ εµφανίζει µικρή ικανότητα ως διαλύτης. Το ελεύθερο νερό είναι εκείνο που καταλαµβάνει τις πιο αποµακρυσµένες θέσεις από τα µη υδατικά συστατικά και µπορεί να δρα ως διαλύτης, ενώ παγώνει σε θερµοκρασία κατώτερη των 0 C (η µείωση του σηµείου πήξης εξαρτάται από τη συγκέντρωση των διαλυµένων συστατικών). Το ελεύθερο νερό µπορεί να βρίσκεται παγιδευµένο σε τριχοειδείς πόρους, οπότε και παρουσιάζει µειωµένη τάση ατµών όσο µικρότερη είναι η ακτίνα των τριχοειδών πόρων. Αυτό το νερό δεν εµφανίζει µακροσκοπική ροή. Αντίθετα το µη παγιδευµένο νερό εµφανίζει ελεύθερη µακροσκοπική ροή. Η ποσότητα του δεσµευµένου νερού που υπάρχει στα τρόφιµα υψηλής υγρασίας (περίπου 9 g νερού/g ξηρού τροφίµου) είναι πολύ µικρή. Συγκεκριµένα οι δύο πρώτες κατηγορίες δεσµευµένου νερού αποτελούν περίπου το 0.5 % και το πολυστρωµατικό νερό το 1-5 % του ολικού νερού του τροφίµου. Η αποµάκρυνση του νερού από τα τρόφιµα είναι τόσο δυσκολότερη όσο ισχυρότερα είναι αυτό δεσµευµένο. Το ελεύθερο νερό αποµακρύνεται ευκολότερα και η θερµότητα εξάτµισης του είναι η ίδια µε του καθαρού νερού. Το πολυστρωµατικό νερό είναι το επόµενο και παρουσιάζει θερµότητα εξάτµισης λίγο έως αρκετά µεγαλύτερη από το καθαρό νερό. Το γειτνιάζον νερό αποµακρύνεται ακόµη δυσκολότερα και παρουσιάζει πολύ αυξηµένη θερµότητα εξάτµισης, ενώ το 56

3 νερό που αποτελεί τµήµα των µη υδατικών συστατικών του τροφίµου αποµακρύνεται πολύ δύσκολα. Η διαθεσιµότητα του νερού για την ανάπτυξη και δράση των µικροοργανισµών εξαρτάται επίσης από το πόσο ισχυρά είναι αυτό δεσµευµένο. Το νερό που αποτελεί τµήµα των µη υδατικών συστατικών του τροφίµου και το γειτνιάζον νερό δεν είναι διαθέσιµα για τις µικροβιακές δράσεις. Από το πολυστρωµατικό νερό µικρό µόνο µέρος είναι διαθέσιµο, ενώ το ελεύθερο νερό είναι πλήρως διαθέσιµο. Αυτό σηµαίνει ότι η ικανότητα ανάπτυξης των µικροοργανισµών και µέσω αυτής η σταθερότητα των τροφίµων, εξαρτάται όχι από το ολικό ποσό του περιεχόµενου νερού, αλλά από το ελεύθερο ή χαλαρά δεσµευµένο νερό και γι αυτό σχετίζεται συνήθως µε την ενεργότητα του νερού στο τρόφιµο. Εποµένως η αποτελεσµατικότητα της ξήρανσης ως µεθόδου συντήρησης και ο σχεδιασµός της αντίστοιχης διεργασίας εξαρτάται από την έκταση στην οποία επιτυγχάνεται η αποµάκρυνση του νερού από το τρόφιµο. Σχήµα 9.1. Επίδραση της ενεργότητας νερού του τροφίµου στο ρυθµό των αντιδράσεων υποβάθµισης αυτού. Το µονοµοριακό στρώµα νερού αντιστοιχεί στο πρώτο τµήµα των ισοθέρµων ρόφησης (ζώνη Ι, σχήµα 9.1) και ανέρχεται σε 0-0. g/g στερεών και οι τιµές ενεργότητας που αντιστοιχούν σε αυτό δεν υπερβαίνουν συνήθως το 0.5. Το λιγότερο ισχυρά δεσµευµένο νερό αποτελεί τις πολυστρωµατικές στοιβάδες και αντιστοιχεί στο δεύτερο τµήµα της ισοθέρµου σε τιµές ενεργότητας µέχρι 0.75 περίπου. Επί πλέον του δεσµευµένου νερού υπάρχει ένα µέρος νερού παγιδευµένο σε τριχοειδείς πόρους, όπως αναφέρθηκε, το οποίο παρουσιάζει µειωµένη τάση ατµών. Η ενεργότητα νερού µειώνεται όσο µειώνεται η ακτίνα των πόρων ενός υλικού. Το 57

4 ελεύθερο νερό στα τρόφιµα εµφανίζει µειωµένη τάση ατµών λόγω των διαφόρων συστατικών που είναι διαλυµένα σε αυτό. Ο υπολογισµός της ενεργότητας νερού τροφίµων γίνεται όπως έχει αναπτυχθεί στο κεφάλαιο 4. Επίδραση της ενεργότητας του νερού στη σταθερότητα του τροφίµου Η ενεργότητα του νερού και όχι η υγρασία του τροφίµου καθορίζει το ελάχιστο όριο του διαθέσιµου νερού για µικροβιακή ανάπτυξη και δράση, όπως ήδη αναφέρθηκε. Τα περισσότερα βακτήρια δεν αναπτύσσονται σε τιµές ενεργότητας χαµηλότερες από 0.91, οι περισσότεροι ζυµοµύκητες σε τιµές χαµηλότερες από 0.88 και οι περισσότεροι ευρωτοµύκητες σε τιµές χαµηλότερες από Εξαιρετικά ωσµώφιλοι µύκητες έχει αναφερθεί ότι αναπτύσσονται και σε τιµές αλλά γενικά το κατώτερο όριο ανάπτυξης των συχνότερα εβρισκόµενων µικροοργανισµών στα τρόφιµα είναι Ενδεικτικές ελάχιστες τιµές ενεργότητας νερού για την ανάπτυξη µικροοργανισµών και το εύρος της ενεργότητας νερού ορισµένων κατηγοριών τροφίµων δίνονται στο σχήµα 9.. Οι ελάχιστες τιµές βέβαια επηρεάζονται και από τους άλλους περιβαλλοντικούς παράγοντες που επιδρούν στην ανάπτυξη των µικροοργανισµών (ph, θερµοκρασία, θρεπτικά συστατικά, οξυγόνο) και είναι τόσο µεγαλύτερες όσο δυσµενέστεροι είναι αυτοί οι παράγοντες. Η ανάπτυξη τοξινών είναι δυνατή σε πολλές περιπτώσεις σε τιµές ενεργότητας µεγαλύτερες από εκείνες της ανάπτυξη των αντίστοιχων µικροοργανισµών, γεγονός που παρέχει σε αυτές τις περιπτώσεις ένα πρόσθετο παράγοντα ασφάλειας. Τα ξηρά ή αφυδατωµένα τρόφιµα έχουν τιµές ενεργότητας νερού κατώτερες από , ώστε να εξασφαλίζεται η αδυναµία ανάπτυξης και παραγωγής τοξίνης των µικροοργανισµών. Ιδιαίτερη κατηγορία αποτελούν τα τρόφιµα µέσης υγρασίας (Intermediate moisture foods) στα οποία η ενεργότητα µειώνεται µε την προσθήκη διαλυτών ουσιών. Σε αυτά τα τρόφιµα οι µικροοργανισµοί µπορεί να εµφανίσουν κάποια προσαρµογή στη χαµηλότερη ενεργότητα νερού και να εµφανίζουν δραστηριότητα και σε χαµηλότερες τιµές ενεργότητας σε σύγκριση µε την ξήρανση. Επίσης οι ίδιες οι διαλυτές ουσίες που χρησιµοποιούνται για τη µείωση της ενεργότητας µπορεί να έχουν επίδραση στους µικροοργανισµούς. Π.χ. η µικροβιακή ανάπτυξη καταστέλλεται περισσότερο µε προσθήκη αλατιού από ότι µε προσθήκη γλυκερίνης. Εκτός της ανάπτυξης των µικροοργανισµών το νερό επηρεάζει και άλλες δράσεις που σχετίζονται µε τη σταθερότητα του τροφίµου, όπως ενζυµικές δράσεις και ορισµένες χηµικές δράσεις. Οι ενζυµικές δράσεις εξελίσσονται µε βραδύτατο ρυθµό σε τιµές ενεργότητας που αντιστοιχούν στο ισχυρά δεσµευµένο, µονοστρωµατικό νερό. Αυτό οφείλεται κυρίως στην έλλειψη κινητικότητας των µορίων του υποστρώµατος, που εµποδίζει την προσέγγιση του δραστικού κέντρου του ενζύµου 58

5 και όχι σε επίδραση στα ίδια τα δραστικά κέντρα. Αύξηση της ενεργότητας του νερού ακολουθείται από αύξηση της δραστικότητας των ενζύµων. Σχήµα 9.. Ελάχιστες τιµές ενεργότητας νερού για την ανάπτυξη ορισµένων µικροοργανισµών και τυπικό εύρος ενεργότητας νερού µερικών τροφίµων (Karel, 1975). Από τις χηµικές δράσεις ιδιαίτερα επηρεάζονται κυρίως το µη ενζυµικό µαύρισµα και οι οξειδώσεις. Το µη ενζυµικό µαύρισµα επιταχύνεται σε τιµές ενεργότητας 0.4 έως 0.7. Αυτό οφείλεται στο διπλό ρόλο του νερού, ως διαλύτη και ως προϊόν, στην αντίδραση. Σε χαµηλές τιµές ενεργότητας ο περιοριστικός παράγων είναι η κινητικότητα των αντιδρώντων µορίων µέσω του διαλύτη και εποµένως η προσθήκη 59

6 νερού επιταχύνει την αντίδραση. Μεγάλες τιµές ενεργότητας σηµαίνουν µεγάλη συγκέντρωση νερού που είναι και προϊόν της αντίδρασης και εποµένως επιβράδυνση του ρυθµού αυτής. Ο µέγιστος ρυθµός µη ενζυµικού µαυρίσµατος εξαρτάται από το τρόφιµο, αλλά συνήθως απαντάται σε τιµές ενεργότητας νερού Οι οξειδώσεις επιταχύνονται σε χαµηλές τιµές ενεργότητας επειδή δεν υπάρχει νερό διαθέσιµο για τη δηµιουργία δεσµών µε τα υδροϋπεροξείδια και τις ελεύθερες ρίζες ώστε να µη συνεχίζουν την αλυσωτή αντίδραση. Επίσης δεν υπάρχει νερό διαθέσιµο για την ενυδάτωση των µετάλλων τα οποία αποτελούν καταλύτες της οξείδωσης. Σε µέσες τιµές ενεργότητας η οξείδωση προχωρά µε τους βραδύτερους ρυθµούς, ενώ σε µεγάλες τιµές επιταχύνεται πάλι πιθανώς λόγω της µεγαλύτερης ευκολίας απορρόφησης οξυγόνου και της ευκολότερης διάχυσης µετάλλων που παραµένουν δραστικά ως καταλύτες. Η µεταβολή του ρυθµού των προαναφερθεισών αντιδράσεων υποβάθµισης του τροφίµου µε την ενεργότητα νερού αυτού δίνονται στο σχήµα 5.. Είναι προφανές ότι η περιοχή µεγαλύτερης σταθερότητας αντιστοιχεί σε τιµές 0.5 έως ανάλογα µε το τρόφιµο. Καµπύλες ξήρανσης-ρυθµός ξήρανσης Οι καµπύλες ξήρανσης κατασκευάζονται µε βάση πειραµατικά δεδοµένα υγρασίαςχρόνου που λαµβάνονται κατά την ξήρανση υλικών συνήθως σε ρεύµα αέρα. Κατά την ξήρανση προσδιορίζεται η υγρασία του τροφίµου (w), εκφρασµένη συνήθως σε ξηρή βάση, σε διάφορες χρονικές στιγµές και η υγρασία ισορροπίας (w e ). Με βάση αυτά τα δεδοµένα κατασκευάζεται η καµπύλη ξήρανσης µε τεταγµένη την υγρασία του τροφίµου (w) ή την ελεύθερη υγρασία αυτού (w-w e ) και τετµηµένη το χρόνο ξήρανσης. Με αριθµητική διαφόρηση των πειραµατικών δεδοµένων προκύπτει ο ρυθµός ξήρανσης δηλ. η µεταβολή της υγρασίας ως προς το χρόνο ξήρανσης (dw/dt) και η καµπύλη του ρυθµού ξήρανσης δίνει τη µεταβολή του ρυθµού ξήρανσης ως συνάρτηση της υγρασίας ή της ελεύθερης υγρασίας. Τυπικές µορφές αυτών των καµπυλών δίνονται στο σχήµα 9.3. Σ αυτό φαίνεται ο αρχικός σταθερός ρυθµός ξήρανσης που ακολουθούν τα περισσότερα προϊόντα, ακολουθούµενος από µειωνόµενο ρυθµό ξήρανσης. Το σηµείο στο οποίο παρατηρείται αυτή η µεταβολή του ρυθµού ξήρανσης καλείται κρίσιµη περιεκτικότητα σε υγρασία (w c ). Η καµπύλη του ρυθµού ξήρανσης µπορεί να εµφανίσει ένα αρχικό τµήµα αυξανόµενου ρυθµού εάν το προϊόν εισέρθει στον ξηραντήρα σε χαµηλή θερµοκρασία. Όσο η υγρασία πλησιάζει προς την υγρασία ισορροπίας του προϊόντος ο ρυθµός ξήρανσης µειώνεται περισσότερο τείνοντας στην τιµή 0. 60

7 Σχήµα 9.3. Καµπύλες ξήρανσης (α) και ρυθµού ξήρανσης (β) Περίοδος σταθερού ρυθµού ξήρανσης Κατά την περίοδο του σταθερού ρυθµού ξήρανσης η επιφάνεια του προϊόντος είναι κορεσµένη µε νερό και η αποµάκρυνση της υγρασίας ελέγχεται από το ρυθµό εξάτµισης του νερού από την επιφάνεια προς τον περιβάλλοντα χώρο. Η περίοδος αυτή διαρκεί όσο η µεταφορά υγρασίας προς την επιφάνεια είναι ταχύτερη από την εξάτµιση από την επιφάνεια. Ο ρυθµός ξήρανσης σε επαφή µε ρεύµα θερµού αέρα εξαρτάται από τη µεταφορά θερµότητας από τον αέρα προς την επιφάνεια του τροφίµου και από τη µεταφορά µάζας από την επιφάνεια προς τον αέρα όπως φαίνεται από την εξίσωση: dw ha( Ta Tw ) = = k y A( ww wa ) (9.1) dt L όπου dw/dt ρυθµός ξήρανσης ή εξάτµισης (kg νερού/s) h συντελεστής µεταφοράς θερµότητας (W/m C) A επιφάνεια εξάτµισης (m ) T a θεµοκρασία (ξηρού θερµοµέτρου) αέρα ( C) T w θερµοκρασία επιφάνειας εξάτµισης, η οποία συµπίπτει µε τη θερµοκρασία υγρού θερµοµέτρου ( C) L θερµότητα εξάτµισης του νερού (J/kg) k y συντελεστής µεταφοράς µάζας (kg/s m ) w w υγρασία κορεσµένου αέρα σε Τ w (kg νερού/kg ξηρού αέρα) w a υγρασία κύριας µάζας αέρα (kg νερού/kg ξηρού αέρα) Οι συντελεστές µεταφοράς θερµότητας και µάζας εξαρτώνται από τις φυσικές ιδιότητες, την ταχύτητα του αέρα και τη γεωµετρία του ξηραντήρα. Ο συντελεστής µεταφοράς θερµότητας υπολογίζεται προσεγγιστικά από εξισώσεις που δίνονται στη βιβλιογραφία. Για την περίπτωση της µετάδοσης θερµότητας µόνο από το ρεύµα αέρα µπορούν να χρησιµοποιηθούν οι απλοποιηµένες εµπειρικές σχέσεις: για ροή αέρα παράλληλη προς την επιφάνεια εξάτµισης 61

8 h= 885. G / D (9.) για ροή αέρα κάθετη προς την επιφάνεια εξάτµισης h= 4. G 037. (9.3) όπου G µαζική ροή του αέρα (kg/m s) D η ισοδύναµη διάµετρος του αγωγού ροής = 4 (διατοµή)/(περίµετρο) (m) Η εξίσωση (9.) ισχύει για αριθµούς Reynolds από 600 έως 000 και η εξίσωση (9.3) για ταχύτητα αέρα m/s. Εάν η µετάδοση θερµότητας γίνεται και µε ακτινοβολία ή αγωγή ο προσδιορισµός των συντελεστών είναι αρκετά πιο πολύπλοκος. Επίσης σε αυτή την περίπτωση η θερµοκρασία T w δεν συµπίπτει µε τη θερµοκρασία υγρού θερµοµέτρου και πρέπει να υπολογισθεί από το ισοζύγιο µεταφοράς θερµότητας. Ο συντελεστής µεταφοράς µάζας δεν µπορεί να µετρηθεί εύκολα στην ξήρανση. Μία συνήθης προσέγγιση γίνεται µέσω του αριθµού Lewis που ορίζεται ως: Le = h (9.4) k y c ο οποίος συνήθως χρησιµοποιείται όταν η µεταφοράς µάζας και θερµότητας επηρεάζονται µε τον ίδιο τρόπο από τις συνθήκες ροής. Αυτό µπορεί να ισχύει κατά την περίοδο σταθερού ρυθµού ξήρανσης και ο αριθµός Lewis ισούται κατά προσέγγιση µε 1. Εποµένως µπορεί να θεωρηθεί k y =0.8h, αφού για τον αέρα µέση τιµή c=1.1 kj/kg C. Ο ρυθµός ξήρανσης ανά µονάδα µάζας ξηρού στερεού δίνεται από τη σχέση: dw 1 dw = (9.5) dt m dt ξ s όπου (dw/dt) ξ ρυθµός εξάτµισης (kg/s kg ξηρού στερεού) m s η µάζα ξηρού στερεού (kg) Ο ρυθµός ξήρανσης ανά µονάδα ξηρής µάζας από µία στρώση υγρού υλικού, µε την παραδοχή ότι δεν επέρχεται µεταβολή του όγκου κατά την ξήρανση, µπορεί να προκύψει από το συνδυασµό των εξισώσεων (9.1) και (9.5). εδοµένου ότι η µάζα των ξηρών στερεών είναι: m s =xaρ s, η εξίσωση που προκύπτει είναι: dw h = ( Ta Tw ) (9.6) dt ξ xρ s L όπου ρ s η πυκνότητα του ξηρού στερεού (kg/m 3 ). x το πάχος του στερεού (κάθετο προς την επιφάνεια εξάτµισης Α (m) Για ξήρανση µε κυκλοφορία αέρα µέσω κλίνης υγρού υλικού η αντίστοιχη εξίσωση γίνεται: dw ha = ( Ta Tw ) (9.7) dt ρ L ξ s 6

9 όπου α είναι η ανοιγµένη επιφάνεια της κλίνης (m /m 3 ). Η τιµή του α δίνεται από τις σχέσεις: για κλίνη σφαιρικών σωµατιδίων διαµέτρου d p : 61 ( ε) a = d p για κλίνη κυλινδρικών σωµατιδίων διαµέτρου d p και µήκους l: 41 ( ε)( l d p ) a = d p (9.8) (9.9) όπου ε το πορώδες της κλίνης. Ο συντελεστής µεταφοράς θερµότητας όταν ο αέρας διαβιβάζεται µέσα από την κλίνη των σωµατιδίων και όχι πάνω από αυτή, µπορεί να εκτιµηθεί προσεγγιστικά, µε βάση τις ιδιότητες και την ταχύτητα (v) του αέρα, από τη σχέση: Nu = hd p k = 117. Re Pr / 3 (9.10) όπου Re=d p G/µ=d p vρ/µ ο αριθµός Reynolds µε βάση τη διάµετρο των σωµατιδίων Pr=cµ/k ο αριθµός Prandtl µ, ρ, c και k ιξώδες, πυκνότητα, ειδική θερµότητα και θερµική αγωγιµότητα του αέρα, αντίστοιχα. Η εξίσωση (9.10) συνιστάται για σωµατίδια σφαιρικού σχήµατος που σχηµατίζουν κλίνη µε % κενό χώρο. Για κυλινδρικά σωµατίδια µπορεί να χρησιµοποιηθεί η ίδια εξίσωση χρησιµοποιώντας τη διάµετρο του κυλίνδρου. Για κλίνες µε µεγαλύτερο κενό χώρο ή για άλλου σχήµατος σωµατίδια υπάρχουν άλλες συσχετίσεις στη βιβλιογραφία. Ο συντελεστής µεταφοράς θερµότητας από στερεά σωµατίδια ή από υγρά σταγονίδια αιωρούµενα σε αέρα µπορεί να υπολογισθεί από τη σχέση: Nu = hd p k = Re Pr 1 / 13 / (9.11) Η ανάλογη εξίσωση για τον προσδιορισµό του συντελεστή µεταφοράς µάζας, µε ικανοποιητική ακρίβεια για αριθµούς Reynolds µέχρι 1000, είναι: 1 13 Sh = Re / Sc / (9.1) όπου Sh=k y d p /D u ο αριθµός Sherwood ή Sh=k y d p M y ρ L /Dρ Α τροποποιηµένος αριθµός Sherwood για εξάτµιση από υγρά σταγονίδια Sc=µ/ρD u o αριθµός Schmidt D u ογκοµετρική διαχυτότητα (m /h) M y µέσο µοριακό βάρος του αερίου µίγµατος για µεταφορά ατµού στον αέρα D συντελεστής διάχυσης (m /s) Ο αριθµός Nusselt και o αριθµός Sherwood σε ένα τελείως ακίνητο, ως προς το σωµατίδιο, ρεύµα αέρα (οπότε Re=0) είναι ίσος µε. 63

10 Περίοδος µειωνόµενου ρυθµού ξήρανσης Κατά την περίοδο αυτή η µεταφορά υγρασίας προς την επιφάνεια του τροφίµου είναι το ελέγχον στάδιο και η επιφάνεια δεν είναι πια κορεσµένη µε νερό. Η περίοδος του µειωνόµενου ρυθµού ξήρανσης αρχίζει σε υγρασία χαµηλότερη από την κρίσιµη υγρασία και ο ρυθµός ξήρανσης σε αυτή µπορεί να µειώνεται γραµµικά µε την υγρασία. Ορισµένα τρόφιµα εµφανίζουν περισσότερες από µία περιόδους µειωνόµενου ρυθµού ξήρανσης, συνήθως δύο ή και τρεις. Η ύπαρξη µιας ή περισσοτέρων περιόδων µειωνόµενου ρυθµού ξήρανσης αποδίδεται στη διαφορετική συµπεριφορά υγροσκοπικών και µη υγροσκοπικών υλικών. Σύµφωνα µε αυτή τη θεώρηση µη υγροσκοπικά υλικά είναι εκείνα στα οποία η µερική πίεση του νερού στο υλικό είναι ίση µε την τάση ατµών του νερού και εµφανίζουν µία µόνο περίοδο ελαττούµενου ρυθµού ξήρανσης. Υγροσκοπικά είναι τα υλικά στα οποία η µερική πίεση του νερού στο υλικό γίνεται χαµηλότερη από την τάση ατµών του νερού σε ορισµένη τιµή υγρασίας. Αυτά τα υλικά εµφανίζουν δύο ή και τρεις περιόδους µειωνόµενου ρυθµού ξήρανσης. Στην πρώτη περίοδο του µειωνόµενου ρυθµού ξήρανσης το ποσοστό της επιφάνειας του προϊόντος που παραµένει κορεσµένο συνεχώς µειώνεται επειδή η µεταφορά υγρασίας µέσα στο τρόφιµο δεν επαρκεί για τον κορεσµό της επιφάνειας. Ο ρυθµός ξήρανσης µειώνεται καθώς το ποσοστό της κορεσµένης επιφάνειας µειώνεται. Οι παράγοντες που επηρεάζουν το ρυθµό ξήρανσης σε αυτή την περίοδο είναι ο ρυθµός µεταφοράς υγρασίας µέσα στο προϊόν και ο ρυθµός εξάτµισης από την επιφάνεια του προϊόντος. Όταν όλη η επιφάνεια φθάσει σε κατάσταση µη κορεσµού η εσωτερική µεταφορά υγρασίας γίνεται ο ελέγχων παράγων της ξήρανσης, Η µεταφορά υγρασίας από το εσωτερικό προς την επιφάνεια του τροφίµου γίνεται µε διάφορους µηχανισµούς οι κυριώτεροι των οποίων είναι η µοριακή διάχυση και η ροή δια τριχοειδών αγωγών. Η εξίσωση που εκφράζει τη διάχυση της υγρασίας προς την εξωτερική επιφάνεια του στερεού λόγω διαφοράς συγκέντρωσης µπορεί να γραφεί ως: w w Z w = D + (9.13) t r r r όπου D συντελεστής διάχυσης (m /s) Z=0 για πλάκα, 1 για κύλινδρο απείρου µήκους και για σφαίρα. Ο συντελεστής µοριακής διάχυσης στην εξίσωση (9.13) θεωρείται σταθερός. Στην πραγµατικότητα ο συντελεστής διάχυσης συνήθως µειώνεται µε µείωση της υγρασίας. Επίσης ο συντελεστής διάχυσης εξαρτάται από τη θερµοκρασία του στερεού και η µεταβολή του ακολουθεί την εξίσωση Arrhenius, στην οποία 64

11 υπεισέρχεται η ενέργεια ενεργοποίησης για τη διάχυση. Η εξίσωση (9.13) έχει λυθεί για ορισµένα σχήµατα και ο χρόνος ξήρανσης µπορεί να υπολογισθεί από τις σχέσεις: Για πλάκα πάχους x: 4x 8 wc we t = ln (9.14) π D π w w e Για κύλινδρο απείρου µήκους ακτίνας r: r wc we t = ln (9.15) 578. D w w e Για σφαίρα ακτίνας r: r 6 wc we t = ln (9.16) π D π w w e όπου w c, w e, w: η κρίσιµη υγρασία στην αρχή της περιόδου µειωνόµενου ρυθµού ξήρανσης, η υγρασία ισορροπίας και η υγρασία µετά από χρόνο t ξήρανσης, αντίστοιχα. Η θεωρία της µοριακής διάχυσης εφαρµόζεται στην ξήρανση οµοιογενών υγροσκοπικών στερεών, όπως η ζελατίνη το άµυλο και η κυτταρίνη. Χαρακτηριστική ένδειξη της µοριακής διάχυσης είναι ότι ο χρόνος ξήρανσης είναι ανάλογος του τετραγώνου του πάχους ή της ακτίνας του στερεού. Η µεταφορά υγρασίας µε µηχανισµό ροής δια µέσου τριχοειδών είναι δύσκολο να διατυπωθεί µε µορφή εξίσωσης στα τρόφιµα επειδή αποτελούνται από ένα πολύπλοκο σύστηµα τριχοειδών πόρων διαφορετικών διαµέτρων. Επίσης είναι δύσκολο να διαφοροποιηθεί η ροή λόγω τριχοειδών φαινοµένων από τη ροή λόγω διαφοράς συγκέντρωσης. Έτσι συνήθως χρησιµοποιείται ανεξάρτητα από το µηχανισµό µεταφοράς µάζας στο εσωτερικό του τροφίµου η εµπειρική εξίσωση: dw = K( w we ) (9.17) dt όπου Κ εµπειρική σταθερά ξήρανσης (1/s) Η εξίσωση (9.17) υποδηλώνει ότι ο ρυθµός ξήρανσης µεταβάλλεται γραµµικά µε την αποµένουσα ελεύθερη υγρασία του τροφίµου. Αυτό στην πραγµατικότητα συµβαίνει σε πολλά πορώδη τρόφιµα. Η ολοκλήρωση της (9.17) δίνει τον χρόνο της περιόδου µειωνόµενου ρυθµού ξήρανσης από την κρίσιµη υγρασία w c µέχρι υγρασία w εάν η τιµή του K παραµένει σταθερή: 1 wc we t = ln (9.18) K w w e Η σταθερά K προσδιορίζεται πειραµατικά από την κλίση της ευθείας σε διάγραµµα του ln[(w c -w e) /(w-w e )] ως προς t, ή σε διάγραµµα του ρυθµού ξήρανσης ως προς την αποµένουσα ελεύθερη υγρασία. Αν υπάρχει µία µόνο περίοδος 65

12 µειονόµενου ρυθµού ξήρανσης µέχρι την τελική υγρασία ισορροπίας w e, η σταθερά Κ προκύπτει ως συνάρτηση του σταθερού ρυθµού ξήρανσης (dw/dt) c από τη σχέση: ( dw / dt) c K = (9.19) w w c e Στις περιπτώσεις που υπάρχουν περισσότερες από µία περίοδοι µειωνόµενου ρυθµού ξήρανσης σχηµατίζονται περισσότερες από µία ευθείες από τις οποίες υπολογίζονται τα αντίστοιχα K. Η κρίσιµη υγρασία µπορεί να υπολογισθεί µε εξίσωση των ρυθµών ξήρανσης των δύο περιόδων τη χρονική στιγµή που η υγρασία του τροφίµου λαµβάνει την κρίσιµη τιµή w c : Kw ( c we) = ha ( T T a w) = kya( ww wa) (9.0) L Από την εξίσωση (9.0) φαίνεται ότι η κρίσιµη υγρασία είναι συνάρτηση της υγρασίας ή της θερµοκρασίας του αέρα. Με αύξηση της θερµοκρασίας ή µείωση της υγρασίας του αέρα ο ρυθµός ξήρανσης κατά την περίοδο σταθερού ρυθµού ξήρανσης αυξάνεται και κατά συνέπεια αυξάνεται και η κρίσιµη υγρασία. Ο χρόνος ξήρανσης µπορεί να προσδιορισθεί και γραφικά ή υπολογιστικά εάν είναι γνωστά πειραµατικά δεδοµένα του ρυθµού ξήρανσης. Ο ρυθµός ξήρανσης N ανά µονάδα επιφάνειας (kg/s m ) µπορεί να εκφρασθεί ως: ms dw N = (9.1) A dt Εποµένως ο χρόνος ξήρανσης θα δίνεται από την εξίσωση: w 1 ms t = A w dw N όπου m s η µάζα του ξηρού προϊόντος (kg) Α η επιφάνεια αυτού (m ) (9.) w 1, w η αρχική και η τελική υγρασία, αντίστοιχα (kg/kg ξηρού στερεού) Στην περίοδο του σταθερού ρυθµού ξήρανσης N=N C και ms( w1 wc) tc = (9.3) AN C Στην περίοδο του µειωνόµενου ρυθµού αν ο ρυθµός ξήρανσης µεταβάλλεται γραµµικά µε την υγρασία η ολοκλήρωση της (9.) δίνει: ms wc w N C t F = ln (9.4) A NC N N και ο συνολικός χρόνος ξήρανσης προκύπτει ως (t C +t F ). Αν ο ρυθµός ξήρανσης δεν µεταβάλλεται γραµµικά µε την υγρασία ο χρόνος ξήρανσης µπορεί να προσδιορισθεί από διάγραµµα του 1/N ως προς w ως το εµβαδό µεταξύ της καµπύλης και του άξονα των w. 66

13 Τύποι ξηραντήρων Οι ξηραντήρες µπορούν να διακριθούν σε δύο µεγάλες κατηγορίες: τους αδιαβατικούς και τους µη αδιαβατικούς. Στους αδιαβατικούς ξηραντήρες η θερµότητα εξάτµισης παρέχεται από ρεύµα αέρα το οποίο απάγει συγχρόνως την εξατµιζόµενη υγρασία. Κατά την περίοδο του σταθερού ρυθµού ξήρανσης η θερµοκρασία του τροφίµου παραµένει κατά προσέγγιση ίση µε τη θερµοκρασία υγρού θερµοµέτρου. Στους µη αδιαβατικούς ξηραντήρες η θερµότητα παρέχεται στο προϊόν µε ακτινοβολία ή µε αγωγή µέσω επαφής µε µία επιφάνεια. Η θερµοκρασία της επιφάνειας του προϊόντος που βρίσκεται σε επαφή µε την πηγή θερµότητας αυξάνει και οι υδρατµοί αποµακρύνονται µε κενό ή µε κάποιο αέριο. Οι αδιαβατικοί ξηραντήρες χωρίζονται περεταίρω σε ξηραντήρες µε ρεύµα αέρα, το οποίο συνήθως περνά υπεράνω της επιφάνειας του προς ξήρανση τροφίµου, και ξηραντήρες µε αιώρηση µικρότατων σταγονιδίων τροφίµου σε ρεύµα αέρα. Στους ξηραντήρες µε ρεύµα αέρα το προϊόν µπορεί να βρίσκεται ακίνητο πάνω σε ράφια (θάλαµοι ξήρανσης, σήραγγες ξήρανσης) ή να µετακινείται συνεχώς δια µέσου του ξηραντήρα (ξηραντήρες µε µεταφορική ταινία, περιστρεφόµενοι ξηραντήρες). Οι ξηραντήρες µε αιώρηση σε αέρα περιλαµβάνουν τους ξηραντήρες µε ψεκασµό, τους ξηραντήρες πνευµατικής µεταφοράς και τους ξηραντήρες ρευστοστερεάς κλίνης. Οι κύριοι µη αδιαβατικοί ξηραντήρες που χρησιµοποιούνται για ξήρανση τροφίµων είναι οι ξηραντήρες τυµπάνου, οι ξηραντήρες κενού και οι θάλαµοι ξήρανσης υπό κατάψυξη που είναι και αυτοί ξηραντήρες κενού. Στους αδιαβατικούς ξηραντήρες ο υπολογισµός του απαιτούµενου ρυθµού ροής του ξηρού θερµού αέρα µπορεί να υπολογισθεί από το ισοζύγιο µάζας του νερού. Για τον αδιαβατικό ξηραντήρα του σχήµατος 9.4 που λειτουργεί σε αντιρροή το ισοζύγιο µάζας είναι: mw + mw = mw + mw (9.5) a a s 1 a a1 s όπου m a, m s µαζική ροή ξηρού αέρα και ξηρού προϊόντος, αντίστοιχα (kg/s) w 1, w υγρασία εισόδου και εξόδου του προϊόντος, αντίστοιχα (επί ξηρού) w a, w a1 υγρασία εισόδου και εξόδου του αέρα, αντίστοιχα (επί ξηρού) w α1 T 1 αέρας w α w α T w 1 προϊόν w w Σχήµα 9.4. Αδιαβατικός ξηραντήρας ρεύµατος αέρα 67

14 Εποµένως ο απαιτούµενος ρυθµός ροής ξηρού αέρα (kg/s kg στερεών) δίνεται από τη σχέση: m m a w1 w = = (9.6) ms wa1 wa και η ελάχιστη απαιτούµενη ροή ξηρού αέρα θα αντιστοιχεί σε υγρασία κορεσµένου αέρα (w aw ) στην έξοδο σε θερµοκρασία T 1 : ma w1 w m min = = (9.7) ms waw wa Στην πράξη ο ρυθµός ροής του αέρα λαµβάνεται µεγαλύτερος του ελάχιστου ρυθµού ροής. Το ισοζύγιο θερµότητας µπορεί να υπολογισθεί µέσω της ενθαλπίας του αέρα H a (kj/kg) και του προϊόντος H p (kj/kg) µε βάση θερµοκρασία αναφοράς τους 0 C. Η ενθαλπία του αέρα µπορεί να εκφρασθεί ως: Ha = ca( Ta To) + walo (9.8) όπου L o λανθάνουσα θερµότητα εξάτµισης του νερού σε T o (0 C) = 501 kj/kg c a ειδική θερµότητα του υγρού αέρα (kj/kg ξηρού αέρα C) που δίνεται από τη σχέση ca = wa Η ενθαλπία του προϊόντος θεωρώντας το ως αποτελούµενο από στερεά και νερό είναι: H = c ( T T ) + wc ( T T ) (9.9) p s s o w s o όπου c s ειδική θερµότητα των στερεών (kj/kg C) c w ειδική θερµότητα του περιεχόµενου νερού (kj/kg C) Εποµένως το ισοζύγιο ενέργειας στον ξηραντήρα του σχήµατος 9.4 γίνεται: mh a a + mh s p1 = mh a a1 + mh s p + q (9.30) όπου q οι απώλειες θερµότητας του ξηραντήρα. Στους αδιαβατικούς ξηραντήρες οι απώλειες θερµότητας προς το περιβάλλον θεωρούνται αµελητέες. Θάλαµοι ξήρανσης Οι θάλαµοι ξήρανσης χρησιµοποιούνται για την ξήρανση τροφίµων σε στερεά µορφή τα οποία απλώνονται σε λεπτή στρώση σε δίσκους που τοποθετούνται σε ράφια διατεταγµένα κατακόρυφα µέσα στο θάλαµο. Η ξήρανση γίνεται µε ρεύµα θερµού αέρα που διοχετεύεται ανάµεσα στους δίσκους παράλληλα µε την επιφάνεια του τροφίµου ή κάθετα προς αυτή. Το κύριο πρόβληµα σε αυτούς τους ξηραντήρες είναι η ανοµοιόµορφη ξήρανση του προϊόντος λόγω ανοµοιόµορφης ροής του αέρα δια µέσου αυτού και διαφορετικής υγρασίας του αέρα που έρχεται αρχικά σε επαφή µε το τρόφιµο µε τον αέρα στην έξοδο από τους δίσκους. Το πρόβληµα αντιµετωπίζεται µε περιστροφή των δίσκων ή αναστροφή του ρεύµατος του αέρα. Η 68

15 ταχύτητα του αέρα κυµαίνεται µεταξύ.5 και 5 m/s. Ο χρόνος ξήρανσης υπολογίζεται όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Σήραγγες ξήρανσης Αποτελούν µια επέκταση των θαλάµων ξήρανσης σε µεγαλύτερη κλίµακα. Το τρόφιµο απλώνεται πάλι σε λεπτή στρώση σε δίσκους οι οποίοι τοποθετούνται σε ράφια οχηµάτων που έχουν τη δυνατότητα να µετακινούνται µέσα στη σήραγγα. Η λειτουργία µπορεί να είναι συνεχής ή ασυνεχής. Σε συνεχή λειτουργία το ρεύµα αέρα διοχετεύεται σε οµορροή ή σε αντιρροή ως προς την κίνηση των οχηµάτων και µέρος αυτού συχνά ανακυκλώνεται (σχ.9.5). Το πρόβληµα της ανοµοιόµορφης ξήρανσης του προϊόντος αντιετωπίζεται µε οµοιόµορφη κατανοµή ταχυτήτων του αέρα δια µέσου της σήραγγας. Ο χρόνος ξήρανσης υπολογίζεται αντίστοιχα µε τους θαλάµους ξήρανσης. Σχήµα 9.5. Σήραγγες ξήρανσης α: αντιρροής, b: οµορροής, c: µικτής ροής µε αποµάκρυση του αέρα στο µέσο (Porter et al., 1973). Ξηραντήρες µε µεταφορική ταινία 69

16 Σε αυτούς τους ξηραντήρες το προϊόν µεταφέρεται συνεχώς επάνω σε οριζόντια µεταφορική ταινία µέσα στον ξηραντήρα όπου έρχεται σε επαφή µε ρεύµα θερµού αέρα. Η µεταφορική ταινία είναι διάτρητη και ο αέρας διαβιβάζεται δια µέσου των οπών κάθετα προς το στρώµα του ξηραινόµενου προϊόντος (σχ. 9.6). Η είσοδος του αέρα µπορεί να γίνεται σε ένα ή σε περισσότερα σηµεία του ξηραντήρα. Στη δεύτερη περίπτωση οι ιδιότητες του αέρα που διοχετεύεται στις διάφορες θέσεις κατά µήκος της ταινίας µπορούν να ποικίλουν ώστε να εξασφαλίζονται οι επιθυµητές συνθήκες έκθεσης του προϊόντος. Η βασική διαφορά µε τους προηγούµενους ξηραντήρες είναι ότι η µετακίνηση του προϊόντος προκαλεί ανακίνηση των τεµαχιδίων ή σωµατιδίων αυτού διευκολύνοντας έτσι την ξήρανση. Ο συντελεστής µεταφοράς θερµότητας µπορεί κατά προσέγγιση να υπολογισθεί από την εξίσωση (9.10) Σχήµα 9.6. Ξηραντήρας µεταφορικής ταινίας µε διαβίβαση του αέρα δια µέσου του προϊόντος (Porter et al., 1973). Ξηραντήρες µε ψεκασµό Η διεργασία ξήρανσης µε την καλύτερη εφαρµογή σε υγρά τρόφιµα είναι η ξήρανση µε ψεκασµό (spray drying). Το υγρό διασκορπίζεται σε µικρά σταγονίδια τα οποία ξηραίνονται σε ρεύµα θερµού αέρα. Στα βασικά πλεονεκτήµατα αυτού του τύπου ξήρανσης περιλαµβάνεται ο µικρός χρόνος παραµονής στον ξηραντήρα και η διατήρηση του τροφίµου σε θερµοκρασία όχι ψηλότερη από την θερµοκρασία υγρού θερµοµέτρου του αέρα ξήρανσης που εξασφαλίζει εξαιρετικά ποιοτικά χαρακτηριστικά των ξηρών προϊόντων. Οι ξηραντήρες µε ψεκασµό είναι διαφόρων τύπων όσον αφορά στη ροή του αέρα σε σχέση µε τα σταγονίδια του τροφίµου. Στον τύπο που λειτουργεί µε αντιρροή του αέρα ως προς τα σταγονίδια (σχ. 9.7α), ο διασκορπισµός του υγρού γίνεται κοντά στην οροφή του ξηραντήρα και τα σταγονίδια πέφτουν προς τα κάτω, ενώ ο αέρας διαβιβάζεται από τον πυθµένα προς τα πάνω και αποµακρύνεται από την οροφή. Το 70

17 ξηρό προϊόν αποµακρύνεται από τον πυθµένα. Ο εισερχόµενος αέρας που είναι σε σχετικά υψηλή θερµοκρασία έρχεται απ ευθείας σε επαφή µε το ξηρό ή σχεδόν ξηρό προϊόν αυξάνοντας έτσι τη θερµοκρασία του. Εποµένως ο ξηραντήρας αυτού του τύπου δεν ενδείκνυται για προϊόντα ευαίσθητα στη θερµοκρασία. Σχήµα 9.7. Ξηραντήρες µε ψεκασµό διαφορετικών τύπων ροής αέρα-σταγονιδίων (Porter et al., 1973). 71

18 Στους ξηραντήρες που λειτουργούν µε οµορροή ο αέρας εισέρχεται συνήθως στην οροφή του ξηραντήρα όπου και αναµιγνύεται µε τα σταγονίδια του υγρού (σχ. 9.7c,d). Το µίγµα αέρα σωµατιδίων εξέρχεται από τον πυθµένα και διαχωρίζεται σε κυκλώνα. Σε αυτή τη διάταξη σε επαφή µε τον αέρα υψηλής θερµοκρασίας έρχεται το υγρό προϊόν, ενώ το ξηρό σε επαφή µε αέρα που η θερµοκρασία του έχει µειωθεί σηµαντικά, εποµένως είναι κατάλληλη για θερµοευαίσθητα προϊόντα. Η οµορροή αέρα σταγονιδίων σε άλλο τύπο ξηραντήρα µπορεί να είναι από τον πυθµένα προς την οροφή. Τέλος υπάρχουν και οι τύποι µικτής ροής (σχ. 9.7b). Σε αυτούς ο διασκορπισµός του υγρού γίνεται περίπου στο µέσο του ξηραντήρα και ο αέρας διαβιβάζεται από πλάγια ανοίγµατα στην οροφή. Το µίγµα ρέει προς τον πυθµένα όπου εξέρχεται το ξηρό προϊόν αλλά ο αέρας αλλάζει φορά και εξέρχεται από την οροφή. Ο διασκορπισµός του υγρού σε σταγονίδια έχει µεγάλη σηµασία για το ρυθµό ξήρανσης και για τις ιδιότητες του ξηρού προϊόντος. Στόχος είναι η δηµιουργία πολλών µικρών σταγονιδίων ώστε να υπάρχει µεγάλη επιφάνεια εξάτµισης. Επίσης το µέγεθος των σταγονιδίων πρέπει να είναι οµοιόµορφο και κατάλληλο ώστε να δώσει ξηρά σωµατίδια προϊόντος επιθυµητού µεγέθους. Ο διασκορπισµός γίνεται µε βαλβίδες πίεσης, πνευµατικές βαλβίδες ή περιστρεφόµενους ψεκαστήρες. Στις βαλβίδες πίεσης το υγρό αντλείται σε υψηλή πίεση προς τη βαλβίδα όπου δια περιστροφικής κίνησης ή δια ροής µέσω οπών διασκορπίζεται σε σταγονίδια (σχ. 9.8). Σχήµα 9.8. Βαλβίδες πίεσης. α: εγκάρσια τοµή στοµίου όπου δηµιουργείται στρόβιλος, b: ροή µέσω οπής µε σχηµατισµό φύλλου που σπάει σε σταγονίδια (Heldman and Singh, 1981). Στις πνευµατικές βαλβίδες χρησιµοποιείται ρεύµα αέρα µεγάλης ταχύτητας που διοχετεύεται στη βαλβίδα σε θέση κοντά στο εξερχόµενο ρεύµα του υγρού το οποίο διασπά σε µικρά σταγονίδια (σχ. 9.9). Σε αυτούς τους διασκορπιστήρες το ρεύµα του υγρού έχει µικρή ταχύτητα και µπορούν να χρησιµοποιηθούν για ιξώδη υγρά. Στους περιστρεφόµενους ψεκαστήρες το υγρό τροφοδοτείται σε µία περιστρεφόµενη επιφάνεια και διασκορπίζεται λόγω φυγοκέντρου δυνάµεως (σχ.9.10). Το µέγεθος των σταγονιδίων εξαρτάται από την ταχύτητα περιστροφής και το ρυθµό τροφοδοσίας και αυτού του τύπου οι ψεκαστήρες µπορούν να χρησιµοποιηθούν για µεγάλο εύρος ρυθµών τροφοδοσίας και ιδιοτήτων ρευστού. 7

19 Σχήµα 9.9. Πνευµατική βαλβίδα (Heldman and Singh, 1981). Το µέγεθος των σταγονιδίων εξαρτάται από τη µέθοδο διασκορπισµού (τύπος διασκορπιστήρα και παράµετροι λειτουργίας) και τις ιδιότητες του υγρού ιδιαίτερα το ιξώδες και την επιφανειακή τάση, ενώ η πυκνότητα έχει µικρή επίδραση. Η µέση διάµετρος των σωµατιδίων εκφράζεται µε βάση τη µάζα και αναφέρεται ως µέση διάµετρος µάζας (mass mean diameter, MMD): Nd i i MMD = 3 13 / (9.31) N ή τον όγκο προς την επιφάνεια και αναφέρεται ως µέση διάµετρος όγκου-επιφάνειας ή µέση διάµετρος Sauter (SMD): 3 Nd i i SMD Nd (9.3) = i i όπου Ν ο συνολικός αριθµός των σταγονιδίων. Η SMD αντιστοιχεί στη διάµετρο των σταγονιδίων που έχουν τον ίδιο λόγο επιφάνειας προς όγκο µε τη συνολική διασπορά του διασκορπιστήρα και είναι η συνηθέστερα χρησιµοποιούµενη σε κατανοµές µεγέθους σωµατιδίων. Μπορεί να υπολογισθεί προσεγγιστικά από εµπειρικές σχέσεις που δίνονται για τους διάφορους τύπους διασκορπιστήρων. 73

20 Σχήµα ιάφοροι τύποι περιστρεφόµενων ψεκαστήρων (Heldman and Singh, 1981). Για τις φυγοκεντρικές βαλβίδες πίεσης µπορεί να χρησιµοποιηθεί η σχέση: ( FN ) ( µ L / ρl) SMD = (9.33) P όπου FN=Flow Number=[.3x10 6 x ογκοµετρική ροή (σε m 3 /s)]/ P 0.5 P διαφορά πίεσης εισόδου-εξόδου στη βαλβίδα (kpa) ρ L πυκνότητα του υγρού (kg/m 3 ) µ L ιξώδες του υγρού (Pa s) Για τις πνευµατικές βαλβίδες η σχέση: γ µ L QL 3 SMD = * 10 (9.34) 05. va ρl ( γρl ) Qa όπου v α ταχύτητα του αέρα (ft/s) γ επιφανειακή τάση (dynes/cm) ρ L πυκνότητα του υγρού (lb m /ft 3 ) µ L ιξώδες του υγρού (cp) Q L, Q a ογκοµετρική ροή υγρού και αέρα, αντίστοιχα (ft 3 /min) Η εξίσωση (9.34) µπορεί να χρησιµοποιηθεί µόνο για βαλβίδες εσωτερικής ανάµιξης, µε µικρή διάµετρο και για µαζική ροή υγρού µέχρι 1 lb m /min. Για περιστρεφόµενους διασκορπιστήρες δίσκου µπορεί να χρησιµοποιηθεί η εξίσωση: Γ SMD = 04. r ρl Nr µ L LwγρL Γ Γ (9.35) όπου r ακτίνα του δίσκου (m) Γ µαζική ροή υγρού ανά µονάδα µήκους περιφέρειας δίσκου (kg/s m) N συχνότητα περιστροφής δίσκου (r/s) ρ L πυκνότητα του υγρού (kg/m 3 ) µ L ιξώδες του υγρού (Pa s) γ επιφανειακή τάση (N/m) L w διαβρεχόµενη περίµετρος του δίσκου (m) Οι παράµετροι των παραπάνω εξισώσεων είναι δύσκολο να προσδιορισθούν, εκτός εάν πρόκειται για καθαρά υγρά. Η χρησιµότερη µέθοδος για εφαρµογή αυτών των εξισώσεων, είναι η εκτέλεση πειραµάτων µικρής κλίµακας από τα οποία µπορεί να προσδιορισθεί η επίδραση των µεταβολών των παραµέτρων του συστήµατος ξήρανσης µε ψεκασµό στο µέγεθος των σταγονιδίων µε αυτές τις εξισώσεις. Οι µέσες διάµετροι των σταγονιδίων στους ξηραντήρες µε ψεκασµό κυµαίνονται από 0 µm έως 180 µm, ενώ οι πραγµατικές διάµετροι από 5 µm έως 500 µm. Επειδή είναι 74