Ξήρανση µε Ψεκασµό Ορισµοί Η ξήρανση µε ψεκασµό (sry drying) είναι µια µοναδική διεργασία αφυδατώσεως, η οποία περιλαµβάνει σχηµατισµό σωµατιδίων και ξήρανση. Τα χαρακτηριστικά της κόνεως, η οποία προκύπτει, µπορούν να ελεγχθούν και οι ιδιότητές της µπορούν να διατηρηθούν σταθερά σε µια συνεχή διεργασία. Σήµερα, είναι διαθέσιµη µια ποικιλία ξηραντήρων ψεκασµού και µε κατάλληλη εκλογή µπορούν να παραχθούν λεπτόκοκκες ή χονδρόκοκκες κόνεις, συσσωµατώµατα ή σωµατίδια. Η αρχή της µεθόδου φαίνεται στο σχήµα 1. Όπως φαίνεται, το προϊόν εισάγεται σε ένα θάλαµο ξηράνσεως µε τη µορφή λεπτής οµίχλης ή ψεκασµού (µικρών σταγονιδίων) όπου έρχεται σε επαφή µε το θερµό αέρα. Το µικρό µέγεθος των σταγονιδίων επιτρέπει πολύ ταχεία αφυδάτωση και ο χρόνος παραµονής στον ξηραντήρα είναι της τάξεως µερικών δευτερολέπτων. Το αφυδατωµένο προϊόν µε µορφή σκόνης συλλέγεται στη βάση του ξηραντήρα και αποµακρύνεται µε µία βίδα µεταφοράς ή ένα πνευµατικό σύστηµα (διαχωρισµός από τον αέρα µε τη βοήθεια ενός κυκλώνα). Η σκόνη εξάγεται και ψύχεται συνεχώς. Σχήµα 1. Τα κύρια συστατικά µέρη ενός συστήµατος αφυδατώσεως µε ψεκασµό. Πολύ σπουδαίο είναι να διευκρινισθεί ο όρος ατοµοποίηση. Ο όρος δεν συνδέεται µε τη διάσπαση των ατόµων, ούτε µε την πυρηνική φυσική, αλλά περιγράφει τη διάσπαση ενός υγρού σε εκατοµµύρια µικρά σταγονίδια τα οποία σχηµατίζουν ένα νέφος. Για το λόγο αυτό συχνό χρησιµοποιείται και ο όρος εκνέφωση. Για παράδειγµα, 1 κυβικό µέτρο υγρού µπορεί να σχηµατίσει περίπου 10 1 οµοιόµορφα σταγονίδια διαµέτρου 100 µm. Η ενέργεια για τη διεργασία αυτή µπορεί να προέρχεται από φυγοκεντρική, πιεστική, κινητική ή ηχητική δράση. Κατά την επαφή του νέφους των σταγονιδίων µε θερµό αέρα συµβαίνει ταχεία εξάτµιση από µια τεράστια επιφάνεια. Για παράδειγµα τα 10 1 σταγονίδια διαµέτρου 100 µm προσφέρουν µια επιφάνεια 60.000 m. Οι βασικοί λόγοι για την µεγάλη αποδοχή των ξηραντήρων ψεκασµού είναι: (1) Είναι δυνατές υψηλές θερµοκρασίες εισόδου, () Συχνά εξαλείφονται ένα ή περισσότερα στάδια επεξεργασίας, και () Για µερικά προϊόντα το επιθυµητό µέγεθος, σχήµα, πυκνότητα ή άλλη ιδιότητα δεν µπορούν να επιτευχθούν µε άλλο τρόπο. Πλεονεκτήµατα της Ξηράνσεως µε Ψεκασµό 1. Παράγονται κόνεις µε ειδικό µέγεθος σωµατιδίου και περιεκτικότητος υγρασίας ανεξαρτήτως της ικανότητος του ξηραντήρα και της θερµικής ευαισθησίας του προϊόντος.
. Οι προδιαγραφές ή η ποιότητα της κόνεως παραµένει σταθερή καθ όλη τη διεργασία της ξηράνσεως, καθώς οι συνθήκες στον ξηραντήρα διατηρούνται σταθερές.. Η λειτουργία του ξηραντήρα ψεκασµού είναι συνεχής και εύκολη. Έτσι, µπορεί να υποστεί αυτόµατο έλεγχο. Επίσης, ένας χειριστής µπορεί να παρακολουθεί περισσότερους από ένα ξηραντήρα, αρκεί να είναι εγκατεστηµένοι κοντά. 4. Είναι διαθέσιµη µια µεγάλη ποικιλία σχεδιασµών ξηραντήρα και έτσι µπορούν να συναντηθούν εύκολα οι απαιτήσεις για ένα προϊόν. 5. Sry drying is licble to both het sensitive nd het resistnt mterils. 6. Μπορούν να ξηραθεί µια ποικιλία προϊόντων, όπως διαλύµατα, αιωρήµατα, πάστες ή τήγµατα, αρκεί να είναι δυνατόν να αντληθούν. 7. Οι ξηραντήρες ψεκασµού έχουν ως µειονέκτηµα το υψηλό κόστος της εγκαταστάσεως και επίσης, ότι έχουν φτωχή θερµική απόδοση. Ο Ξηραντήρας Ψεκασµού Οι φυσικές διεργασίες κατά την ξήρανση µε ψεκασµό περιλαµβάνουν: Προσυµπύκνωση του υγρού Ατοµοποίηση της τροφοδοσίας προς ένα νέφος ή ψέκασµα. Επαφή του νέφους µε το θερµό αέρα. Ξήρανση των σταγονιδίων του νέφους (εξάτµιση νερού). ιαχωρισµός του ξηρού προϊόντος από τον αέρα. Συσκευασία του προϊόντος Σχήµα. Θάλαµοι ξηράνσεως µε ψεκασµό. () Κωνικός, (b) Κυλινδρικός, (c) Μικτής ροής, (d) Πύργος οµορροής, (e) Πύργος µικτής ροής, (f) Πύργος αντιρροής και (g) Κιβώτιο. Fτροφοδοσία, Hθερµός αέρας, Cαέρας ψύξεως, Pπροϊόν και Eέξοδος αέρα. Ροή του Αέρα Η αρχική επαφή µεταξύ του νέφους των σταγονιδίων και του αέρα ξηράνσεως ελέγχει το ρυθµό εξατµίσεως και τη θερµοκρασία του προϊόντος στον ξηραντήρα. Υπάρχουν τρόποι επαφής: Οµορροή: Ο αέρας ξηράνσεως και τα σωµατίδια κινούνται δια µέσου του θαλάµου ξηράνσεως κατά την ίδια κατεύθυνση. Η θερµοκρασία του προϊόντος στην έξοδο από τον ξηραντήρα είναι χαµηλοτέρα από αυτήν του εξερχοµένου αέρα και έτσι τέτοιοι ξηραντήρες είναι ιδανικοί για θερµοευαίσθητα προϊόντα. Όταν για την ατοµοποίηση χρησιµοποιείται περιστροφικός ατοµοποιητής, ο διασκορπιστήρας του αέρα προκαλεί υψηλό βαθµό περιστροφής του αέρα, προσδίδοντας έτσι οµοιόµορφη θερµοκρασία σε όλο το θάλαµο ξηράνσεως. Πρέπει, όµως, να σηµειωθεί ότι στους πύργους οµορροής χρησιµοποιούνται, µε την ίδια επιτυχία, και ατοµοποιητές ακροφυσίου πιέσεως.
Αντιρροή: Ο αέρας ξηράνσεως και τα σωµατίδια κινούνται δια µέσου του θαλάµου ξηράνσεως κατά αντίθετη κατεύθυνση. Ο τρόπος αυτός είναι κατάλληλος για προϊόντα, τα οποία απαιτούν κάποιο βαθµό θερµικής επεξεργασίας κατά την ξήρανση. Η θερµοκρασία της κόνεως στην έξοδο του ξηραντήρα είναι συνήθως υψηλοτέρα από αυτήν του εξερχοµένου αέρα. Μικτής Ροής: Τα σωµατίδια εντός του θαλάµου ξηράνσεως διέρχονται και από τις δύο φάσεις της οµορροής και της αντιρροής. Ο τρόπος αυτός είναι κατάλληλος για προϊόντα, τα οποία είναι επιθυµητό να έχουν τη µορφή χονδρής κόνεως. Έτσι, είναι απαραίτητο να χρησιµοποιηθούν ατοµοποιητές ακροφυσίου, οι οποίοι ψεκάζουν το υγρό προς τα επάνω (σχήµα ) στον εισερχόµενο αέρα ή για θερµοευαίσθητα προϊόντα όπου ο ατοµοποιητής ψεκάζει τα σταγονίδια προς τα κάτω σε ένα ολοκληρωµένο στρώµα ρευστού και η είσοδος και η έξοδος του αέρα είναι τοποθετηµένες στην κορυφή του θαλάµου ξηράνσεως. Ατοµοποίηση Ο σχηµατισµός νέφους ή ψεκάσµατος είναι χαρακτηριστικό της ξηράνσεως µε ψεκασµό (σχήµα ). Σχήµα. Βασικοί τύποι εκνεφώσεως. Η επιλογή και η λειτουργία του εκνεφωτήρα είναι µεγίστης σπουδαιότητος για την επίτευξη οικονοµικής παραγωγής και υψηλής ποιότητος προϊόντος. Το στάδιο της ατοµοποιήσεως πρέπει να παράγει νέφος για άριστες συνθήκες εξατµίσεως, οι οποίες θα οδηγήσουν στο σχηµατισµό του επιθυµητού προϊόντος. Συχνότερα χρησιµοποιούνται οι περιστροφικοί και οι ατοµοποιητές ακροφυσίου (σχήµα 4). Σχήµα 4. Τύποι εκνεφωτήρων περιστροφικός και ακροφυσίου. Περιστροφικοί ή Φυγοκεντρικοί Ατοµοποιητές Η τροφοδοσία εισάγεται στο κέντρο περιστρεφοµένου δίσκου ή τροχίσκου, ο οποίος περιστρέφεται µε περιφερειακή ταχύτητα 90-00 m/s. Από τις άκρες του δίσκου εκσφενδονίζονται σταγονίδια διαµέτρου 50-60 µm, µε τη µορφή οµοιοµόρφου ψεκασµού (νέφους). Οι περιστροφικοί ατοµοποιητές αποτελούν συστήµατα χαµηλής πιέσεως. Με συνδυασµό του ρυθµού τροφοδοσίας, της ταχύτητος περιστροφής και του καταλλήλου σχεδιασµού, µπορεί να ληφθεί µια µεγάλη ποικιλία χαρακτηριστικών ψεκασµού. Οι περιστροφικοί ατοµοποιητές παρουσιάζουν πιστότητα, ευκολία λειτουργίας και µπορούν να αντιµετωπίσουν διακυµάνσεις στην τροφοδοσία. Περαιτέρω, µπορούν να δεχθούν υψηλούς ρυθµούς τροφοδοσίας και επίσης σχετικώς κολλητικά υλικά.
Ατοµοποιητές Ακροφυσίου Πιέσεως Το υγρό εξαναγκάζεται να διέλθει µέσω ακροφυσίου πολύ µικρού ανοίγµατος µε µεγάλη πίεση (700-000 kp) οπότε δηµιουργούνται σταγονίδια διαµέτρου 10-00 µm. Ραβδώσεις στο εσωτερικό του ακροφυσίου έχουν ως αποτέλεσµα ψεκασµό µε µορφή κώνου και έτσι χρησιµοποίηση ολοκλήρου του όγκου του θαλάµου. Το νέφος από ακροφύσια είναι γενικώς λιγότερο οµοιογενές και πιο χονδρό σε σύγκριση µε αυτό από δίσκους περιστροφής Το µέσο µέγεθος των σταγονιδίων δίδεται από τη σχέση: d d m N d (1) N i i ενώ η µέση διάµετρος όγκου των σταγονιδίων από περιστροφικό ατοµοποιητή είναι: d v m 4 9,118 10 G 0,4 () 0,8 0, 1 ( Nd ) ( n) h όπου d m v µέση διάµετρος όγκου, G ρυθµός ροής µάζης υγρού (kg s -1 ); N ταχύτητα περιστροφής (rm), d διάµετρος δίσκου ή τροχίσκου (m); n αριθµός πτερυγίων και h ύψος πτερυγίου. Για τους φυγοκεντρικούς εκνεφωτές, η διάµετρος των σταγονιδίων ως συνάρτηση της περιφερειακής ταχύτητος του εκνεφωτή φαίνεται στο σχήµα 5. Για τους εκνεφωτές ακροφυσίου (πνευµατικοί), η γραφική παράσταση της διαµέτρου των σταγονιδίων ως συναρτήσεις της πιέσεως εκνεφώσεως φαίνεται για διαφορετικούς ρυθµούς ροής του υγρού φαίνεται στο σχήµα. Σχήµα 5. Μέγεθος σταγονιδίων ως συνάρτηση της περιφερειακής ταχύτητος του φυγοκεντρικού εκνεφωτή (Mrshll, 1954). Σχήµα 6. Μέγεθος σταγονιδίων ως συνάρτηση της πιέσεως σε πνευµατικό εκνεφωτή (Mrshll 1954).
Υπολογισµός του Χρόνου Αφυδατώσεως Κατά τη διεργασία της αφυδατώσεως µε ψεκασµό εµφανίζονται επίσης η περίοδος σταθεράς ταχύτητος και η περίοδος πτώσεως της ταχύτητος. Έτσι οι δύο περίοδοι θα εξετασθούν χωριστά. Περίοδος Σταθερής Ταχύτητος ή Ρυθµού Ο ρυθµός µεταφοράς µάζης κατά την περίοδο σταθερής ταχύτητος δίδεται από την εξ., αν βεβαίως ληφθεί το θερµικό ισοζύγιο. ( ) d q ha T T & () dt λ λ T θερµοκρασία ξηρού βολβού, T θερµοκρασία υγρού βολβού T επιφάνεια, λ λανθάνουσα θερµότητα, Α επιφάνεια και h συντελεστής µεταδόσεως θερµότητος. Ο συντελεστής µεταδόσεως θερµότητος για ένα σφαιρικό σωµατίδιο και για Re < 0 είναι: h k (4) D k θερµική αγωγιµότητα του αέρα και D διάµετρος σωµατιδίου. Η διάµετρος του σωµατιδίου θα µεταβληθεί κατά την περίοδο σταθερής ταχύτητος Η επιφάνεια της σφαίρας είναι πd 4πr, οπότε, d k πd dt D λ t r λ dt C 0 0 kπd T λ και tc k π T T ( T T ) ( T ) ( ) C 0 d 1 d D (5) Αν ληφθεί υπ όψιν η µεταβολή του βάρους ως µεταβολή στη διάµετρο του σωµατιδίου θα έχουµε: 4πr ρ πd ρ 6 πρ πd ρ d dd 6 D ρ πd d dd Οπότε: λ DC 1 πd λπρ D C λπρ DC D tc ( ) ρ dd 4 ( ) DdD k T T D 0 D k T T D0 π π 4k π ( T T ) Εποµένως ο χρόνος αφυδατώσεως υπό σταθερή ταχύτητα θα είναι: λρ ( D DC ) tc 0 (6) 8 k T T ( ) Οι ταχύτητες αφυδατώσεως κατά την περίοδο σταθεράς ταχύτητος ελέγχονται από τη µετάδοση θερµότητος και το θερµικό ισοζύγιο δίδεται από την εξ. (). Αν ρ L η πυκνότητα του υγρού τροφίµου, r η ακτίνα του σταγονιδίου και X o η αρχική περιεκτικότητα υγρασίας (kg H O/kg ξηρών στερεών), τότε η µάζα των ξηρών στερεών θα είναι: 4πr ρ M s (7) ( 1+ X o ) και η εξ. γίνεται: 0
dx dt 4πr ρ λ hπr 1 ( + X ) o ( T T ) s ή dx dt ( 1+ X ) h( T T ) o s (8) 4rρ λ Η σταθερή ταχύτητα αφυδατώσεως µπορεί να προσδιορισθεί αν είναι γνωστά ο συντελεστής µεταδόσεως της θερµότητος και η ακτίνα των σταγονιδίων. Κατά το στάδιο της σταθεράς ταχύτητος η T είναι η θερµοκρασία υγρού βολβού του αέρα. Ολοκληρώνοντας την εξ. 8 λαµβάνεται ο χρόνος µε σταθερά ταχύτητα, ήτοι: t C ( X o X c ) r Lh fg ( + X ) h( T T ) 4 ρ 1 o (9) Για το εξατµιζόµενο νερό από ένα πολύ µικρό σφαιρικό σωµατίδιο σε αργά κινούµενο αέρα, έχει εξαχθεί η ακόλουθη εξίσωση για την οριακή περίπτωση πολύ µικρών αριθµών Reynolds στις εξισώσεις οριακής στιβάδος του Froessling για αµβλείας-µύτης στερεά περιστροφής: h k r f 1, 0 και h k f (10) r όπου k f η θερµική αγωγιµότητα του υµένα-φακέλλου γύρω από το σωµατίδιο. Κατά την ξήρανση µε ψεκασµό, το k f µπορεί να υποτεθεί ότι είναι η θερµική αγωγιµότητα του κορεσµένου αέρα στη θερµοκρασία υγρού βολβού. Από τις εξ. 9 και 10 λαµβάνεται: 4( X o X c ) r ρ Lλ tc (11) k f ( 1+ X o )( T Ts ) Το t C αντιπροσωπεύει τον κρίσιµο χρόνο κατά την ξήρανση µε ψεκασµό, ο οποίος πρέπει να υφίσταται κατά την πορεία ενός σωµατιδίου πριν να προσκρούσει στην επιφάνεια των τοιχωµάτων του ξηραντήρα. Περίοδος Πτώσεως της Ταχύτητος Ο ρυθµός µεταδόσεως θερµότητος κατά την περίοδο πτώσεως της ταχύτητος είναι: q& h A( T Ts ) (1) όπου T s η θερµοκρασία της επιφανείας του σωµατιδίου. Πρέπει, όµως να σηµειωθεί ότι η T s ποικίλει από την T στο τέλος της περιόδου πτώσεως της ταχύτητος. T T Μπορούµε δεν να χρησιµοποιήσουµε Ts οπότε q h A T ( T T ) T T & (1) h A Απαιτείται λοιπόν η µετατροπή της εξ. 1 σε µια µορφή, η οποία θα συσχετίζει τη µεταφορά µάζης µε το χρόνο. Τούτο µπορεί να γίνει αν πολλαπλασιάσουµε τη λανθάνουσα θερµότητα µε τη µάζα του σωµατιδίου ( ρ d V). Οπότε έχουµε: ( T ) d h A T q 1 & dt λρ dv λρ dv Εκφράζοντας την επιφάνεια και τον όγκο του σωµατιδίου ως συνάρτηση της διαµέτορυ αυτού θα έχουµε: A πd 6 V π D / 6 D k Από την εξ. 10 θα έχουµε: h D Υποθέτοντας ότι κατά την περίοδο πτώσεως της ταχύτητος D σταθερή D c, θα έχουµε: d 6k ( T T ) dt λρ d Dc και µε ολοκλήρωση λαµβάνεται:
t F λρ D 6 k d c ( ) ( X ) c X F T T (14) Ο χρόνος αφυδατώσεως κατά την περίοδο πτώσεως της ταχύτητος µπορεί επίσης να ληφθεί και από την εξίσωση: t F ( X X ) c k f ρ r T s c λ (15) όπου r c η ακτίνα του αφυδατωµένου σωµατιδίου και T η µέση θερµοκρασία µεταξύ αέρα και επιφανείας του σωµατιδίου κατά την περίοδο πτώσεως της ταχύτητος. Το T µπορεί να θεωρηθεί ως η µέση λογαριθµική διαφορά µεταξύ πτώσεως της θερµοκρασίας υγρού βολβού και της διαφοράς µεταξύ των θερµοκρασιών του αέρα εξόδου και του προϊόντος, ρ s είναι η πυκνότητα των ξηρών στερεών, kg ξηρών στερεών/m ξηρών στερεών. Για υγρά, τα οποία περιέχουν υψηλές συγκεντρώσεις αιωρουµένων στερεών ή κρυσταλλουµένων διαλυτών στερεών, υπάρχει πολύ µικρή µεταβολή στη διάµετρο των σταγονιδίων κατά την ξήρανση µε ψεκασµό. Εποµένως τα r και r c στις εξισώσεις µπορούν να προσεγγισθούν µε τη διάµετρο των υγρών σταγονιδίων όπως παράγονται από τον εκνεφωτή. Τροχιά Σταγονιδίων Επί της τροχιάς των σταγονιδίων δρουν δυνάµεις, η άνωση, η βαρύτητα και η οπισθέλκουσα του νόµου του Stokes. Η µεγίστη απόσταση την οποία διανύει το σωµατίδιο πριν αποκτήσει πολύ χαµηλή περιεκτικότητα υγρασία είναι: V o V o D ρ S mx (16) K 18 Προβλήµατα µ Πρόβληµα 1. Υγρό τρόφιµο µε 10% στερεά (υγρή βάση) αφυδατώνεται µε ψεκασµό έτσι ώστε να αποκτήσει τελική υγρασία 5% (υγρή βάση). Το τρόφιµο αρχικά έχει πυκνότητα 99 kg/m ενώ τα στερεά 0 kg/m. Τροφοδοτείται δε στο θάλαµο µε φυγοκεντρικό εκνεφωτή µε µαζική παροχή 0,151 kg/s και περιφερειακή ταχύτητα 76, m/s. Υποθέτοντας ότι δεν συµβαίνει σηµαντική µεταβολή της διαµέτρου των σταγονιδίων µε την αφυδάτωση και βασίζοντας το χρόνο αφυδατώσεως επί ενός µεγέθους σταγονιδίων το οποίο αντιπροσωπεύει µία διάµετρο µεγαλυτέρα από το 95% του συνόλου των παραγοµένων σωµατιδίων, να υπολογισθεί ο χρόνος αφυδατώσεως. Στον ξηραντήρα χρησιµοποιείται αέρας θερµοκρασίας 180 C και υγρασίας 0,001 kg H O/kg ξηρού αέρα. Ο αέρας εξέρχεται µε θερµοκρασία 105 C και το προϊόν µε 55 C, ενώ η κρίσιµος περιεκτικότητα υγρασίας είναι 65% (υγρή βάση). Λύση: Από το σχήµα 5 ο διορθωτικός παράγοντας για παροχή τροφοδοσίας 0,151 kg/s είναι 1,0. Σε περιφερειακή ταχύτητα 76, m/s, η διάµετρος η οποία αντιστοιχεί στο 95% της συσσωρευτικής κατανοµής είναι 95 µm. Χρησιµοποιώντας το διορθωτικό παράγοντα, η διάµετρος είναι 95 µm 1,0 01 µm. Οι περιεκτικότητες υγρασίας επί ξηρής βάσεως είναι: X o 90/109 kg H O/kg ξηρών στερεών, X c 65/51,86 kg H O/kg ξ.στ. και X5/95 0,05 kg H O/kg ξ.στ. Από ψυχροµετρικό χάρτη για Τ 180 C και Η0,001 kg H O/kg ξηρού αέρα βρίσκεται T s T b 44 C. Η λανθάνουσα θερµότητα εξατµίσεως στους 44 C είναι h fg,97 MJ/kg. Η θερµική αγωγιµότητα του αερίου υµένα, ο οποίος περιβάλλει το σωµατίδιο, είναι η θερµική αγωγιµότητα του κορεσµένου αέρα στους 44 C. Η υγρασία κορεσµού είναι 0,061 kg/kg ξηρού αέρα. Η θερµική αγωγιµότητα του ξηρού αέρα είναι 0,0 W/m K και του υδρατµού 0,04 W/m K, οπότε: 1 0,061 k f 0,0 + 0,04 0,015W / m K 1,061 1,061 Είναι ακόµη r(01/) 10-6 m 150,5x10-6 m Από την εξ. 9 βρίσκεται: 6 ( 9 1,86) ( 150,5 10 ) 99 (,97 10 ) t 4 1s C 0,015 ( 1+ 9) ( 180 44)
Η µέση λογαριθµική διαφορά θερµοκρασίας είναι: ( 180 44) ( 105 55) ln( 16 / 50) T 85, 9 K Από την εξ. 15 βρίσκεται: 6 ( 1,86 0,05) 0 ( 150,5 10 ) (,97 10 ) s t F,87 4 0,015 85,9 Πρόβληµα. Υγρό τρόφιµο αφυδατώνεται σε ξηραντήρα ψεκασµού υπό τις εξής συνθήκες: Τροφοδοσία 0 % στερεά, θερµοκρασία To 0 C Πυκνότητα υγρού 1075 kg - Ξηρό προϊόν, υγρασία 4% θερµοκρασία T 55 C Πυκνότητα ξηρού 75 kg - Κρίσιµη περιεκτικότητα υγρασίας 50 % ιάµετρος ατοµοποιητή 0. m, 10 000 rm. Ρυθµός τροφοδοσίας 1000 kg h -1 Σταγονίδια, διάµετρος 40-75 µm Αέρας περιβάλλοντος 0 C, 70 % R.H, θέρµανση στους 110 C Θερµική αγωγιµότητα αέρα 0.0 W m -1 K -1 Λανθάνουσα θερµότητα 50 kj kg -1 Να υπολογισθεί: i. Ο χρόνος αφυδατώσεως ii. Η διάµετρος και το ύψος του ξηραντήρα, αν η ταχύτητα του αέρα είναι,0 m s -1. Λύση: i. Υπολογισµός Χρόνου Αφυδατώσεως Ο συνολικός χρόνος αφυδατώσεως θα είναι ίσος µε το άθροισµα του χρόνου υπό σταθερά ταχύτητα και του χρόνου πτώσεως της ταχύτητος αφυδατώσεως. Ο υπολογισµός θα γίνει µε τη βοήθεια των εξ. 6 και εξ. 14. Το αρχικό βάρος της σχηµατιζοµένης σταγόνας, µε βάση τη µεγαλύτερη σταγόνα, θα είναι: 4πr ρ 4π Βάρος ( 7.5 10 ) ( 1075).7 10 Θα είναι: Βάρος στερεών στις σταγόνες,7 10-10 0,0 4,75 10-11 Βάρος σταγόνας προϊόντος 4,75 10-11 1,04 4,94 10-11 Ο όγκος της σταγόνας θα είναι: V σταγόνας Μάζα 4,94 10 Πυκνότητα 75 11 1, 10 Η ακτίνα θα είναι: 1/ V r 1,55 10-6 m και διάµετρος 6,1 10-6 m 4π Ο χρόνος αφυδατώσεως υπό σταθερή ταχύτητα θα είναι: ( D D ) ( T T ) 1 m 10 kg ( 75 10 ) ( 6,1 10 ) ) 6 λρ 0 C,50 10 1075 tc 0, 6s 8k 8 0,0 ( 110 6,9) Είναι: X c 0,5 υγρή βάση 1,0 ξηρή βάση X f 0,04 υγρή βάση 0,0417 ξηρή βάση Ο χρόνος αφυδατώσεως κατά την περίοδο πτώσεως της ταχύτητος θα είναι: ( ) ( ) 6 d Dc,50 10 75 ( 6,1 10 ) X c X F T T 6 0,0 ( 110 6,9) λρ t F 56 6k Εποµένως, ο συνολικός χρόνος αφυδατώσεως είναι: t 0,6 + 0,56 0,491 s ii. ιάµετρος Ξηραντήρα ( 1,0 0,0417) 0, s
Πρέπει να σηµειωθεί ότι στην περίπτωση αυτή τόσο η ρ, όσο και η D ποικίλουν. Λαµβάνοντας τη µέση τιµή θα έχουµε: ρ D ρ D + ρ D ( 1075 75 10 ) + ( 75 6,1 10 ) 0 0 d C ( µ έση ),77 10 Η περιφερειακή ταχύτητα του δίσκου, V o rω Όπου ω η γωνιακή ταχύτητα 10, 000 rm: 1 περιστροφή π rdins και έτσι ω (10 000/60) π 1047 rd s -1. Επειδή δε η ακτίνα είναι 0,1 m η V o θα είναι 1047 0,1 104,7 m s -1 Η τροχιά (διαδροµή) των σταγονιδίων θα είναι: S V od ρ 18µ ( 104,7) (,77 10 ) m mx 5 18 1,6 10 Η διάµετρος είναι S mx 1,7.74 Πολλαπλασιάζοντας µε ένα παράγοντα ασφαλείας 1,1 θα έχουµε: ιάµετρος ξηραντήρα 1,1,74,0 m 1,7 iii. Ύψος Ξηραντήρα Υποθέτοντας ότι τα σταγονίδια πέφτουν µε την ίδια ταχύτητα, όπως ο αέρας, θα έχουµε: Ύψος V Χρόνος Ξηράνσεως,0 m s -1 0,50 s 1.004 m Πολλαπλασιάζοντας µε ένα παράγοντα ασφαλείας 1,1 θα έχουµε:1,004 1,1 1,1044 m. Πρόβληµα : Ένας ξηραντήρας ψεκασµού οµορροής πρόκειται να χρησιµοποιηθεί για την αφυδάτωση 1.500 kg h -1 γάλακτος σκόνη από στερεά 5% σε µια περιεκτικότητα υγρασίας 4% (ξηρή βάση). Χρησιµοποιείται αέρας, ο οποίος αρχικά έχει θερµοκρασίας 5 C και σχετική υγρασία 70% και ο οποίος θερµαίνεται στους 10 C πριν εισέλθει στον ξηραντήρα. Το προϊόν, το οποίο αρχικά έχει θερµοκρασία 5 C, θα εξέρχεται από τον ξηραντήρα σε ισορροπία µε τον αέρα στους 50 C. Να υπολογισθεί το ύψος του ξηραντήρα, αν αυτός έχει διάµετρο m και ο χρόνος αφυδατώσεως των σταγονιδίων είναι 15 s. ίδεται: Ειδική θερµότητα στερεών γάλακτος 1.675 kj kg -1 K -1 Ειδική θερµότητα νερού 4.18 kj kg -1 K -1 Εδική θερµότητα υδρατµών 1.875 kj kg -1 K -1 Εδική θερµότητα ξηρού αέρα 1.005 kj kg -1 K -1 Λανθάνουσα θερµότητα εξατµίσεως 50 kj kg -1 K -1 Λύση: Για να υπολογισθεί η ταχύτητα του αέρα, θα πρέπει πρώτα να υπολογισθεί ο όγκος του αέρα, ο οποίος διέρχεται διαµέσου του ξηραντήρα. Για να γίνει αυτό θα πρέπει να ληφθεί και υπολογισθεί το ισοζύγιο µάζης και ενεργείας. i. Ισοζύγιο Μάζης Ισχύει : Στερεά Εντός Στερεά Εκτός, άρα 1500 0,5 0,96 m m Εκτός 90,65 kg h -1 Ολικό 1500 kg h -1 m Εκτός + m Εκτός Οπότε, m Εκτός 1500 90,65 1109,75 kg h -1 ii. Ισοζύγιο Ενεργείας Ισχύει: Ενέργεια Εντός Ενέργεια Εκτός m Εντός h Εντός + m Εντός h Εντός m Εκτός h Εκτός + m Εκτός h Εκτός + m v h v και m Εντός m Εκτός m Είναι, m Εντός 1500 kg h -1, m Εκτός 90,65 kg h -1 ; m Εκτός 1109,75 kg h -1 Αν x το κλάσµα των στερεών, τότε, h T (xc + (1-x)C Νερό ) h Εντός 5 (0,5(1,675) + 0,75(4,18)) 88,815 kj kg -1 h Εκτός 50(0,96(1,675) + 0,04(4,18)) 88,764 kj kg -1 h Αέρα h + H h v CT + H (C v T + h gs ) H 0.015 από ψυχροµετρικό χάρτη h Αέρα Εντός 1,005(10) + 0,01(1,857(10) + 50) 157,41 kj kg -1
h Αέρα Εκτός 1,005(50) + 0,01(1,857(50) + 50) 85,9 kj kg -1 h v C v T + h gs 1,875(50) + 50 595,75 kj kg -1 Οπότε, 1500(88,88) + m (157,41) 90,65(88,764) + m (85,9) + 1109,75(595,75) και m 8 559,44 kg αέρα h -1 Είναι, ειδικός όγκος στους 10 C 1,1 Ρυθµός ροής αέρα (8559,44 1,1)/600 1,10 m s -1 Και ταχύτητα αέρα 1,71 m s -1 iii. Ύψος Ξηραντήρα Υποθέτοντας ότι τα σταγονίδια πέφτουν µε την ίδια ταχύτητα, όπως ο αέρας, θα έχουµε: Ύψος V Χρόνος Ξηράνσεως 1,71 m s -1 15 s 5.65 m Πολλαπλασιάζοντας µε ένα παράγοντα ασφαλείας 1,1 θα έχουµε:5,65 1,1 8,15 m. ιαχωρισµός του Ξηρού Προϊόντος Ο διαχωρισµός επιτελείται µερικώς εντός του θαλάµου ξηράνσεως και µερικώς σε ένα δευτερεύον σύστηµα διαχωρισµού. Γενικώς, είναι εύκολο να αποµακρυνθεί το 90% ή και περισσότερο της κόνεως, όµως η αποµάκρυνση του υπολοίπου καθίσταται προβληµατική. Στους ξηραντήρες µεγάλης κλίµακος, για το διαχωρισµό των λεπτών σωµατιδίων, χρησιµοποιούνται κυκλώνες. Κυκλώνες Οι κυκλώνες αποτελούν την κυρία µέθοδο διαχωρισµού σε συστήµατα διαχωρισµού αερίου-στερεού. Είναι πολύ απλού στην κατασκευή και κατάλληλοι για το διαχωρισµό σωµατιδίων διαµέτρου µεγαλυτέρας από 5 µm. Ο πλέον κοινώς χρησιµοποιούµενος σχεδιασµός, είναι ο κυκλώνας αντιστρόφου ροής. Το αέριο εισέρχεται από την κορυφή του θαλάµου εφαπτοµενικά και µε περιδίνηση προς τα κάτω φθάνει στο κωνικό µέρος της κατασκευής (σχήµα 7). Κατόπιν κινείται προς τα άνω σε ένα, µικροτέρας διαµέτρου, κυκλώνα και εξέρχεται από την κορυφή µέσω ενός κεντρικού καθέτου σωλήνα. Τα στερεά κινούνται ακτινικά προς τα τοιχώµατα, γλιστρούν στα τοιχώµατα και συλλέγονται στον πυθµένα. Σχήµα 7. ιάγραµµα ενός κυκλώνα. Υπάρχουν δύο πρότυποι σχεδιασµοί για αυτόν το τύπο κυκλώνα, ο κυκλώνας υψηλής αποτελεσµατικότητος και ο κυκλώνας υψηλής παροχής. Η οριακή ταχύτητα (V t ) του µικροτέρου σωµατιδίου, το οποίο θα αποµακρυνθεί από το κυκλώνα µπορεί να ληφθεί από την εξίσωση: 0,Ai Dog Vt (17) πzdvo όπου V o ταχύτητα εισόδου του αέρα, D o διάµετρος εξόδου του θαλάµου του κυκλώνα, A i διατοµή εισόδου, D διάµετρος του κυρίου θαλάµου του κυκλώνα, z ύψος κυκλώνα. Η V t µπορεί να υπολογισθεί µε τη βοήθεια του νόµου του Stoke, ήτοι: Οπισθέλκουσα δύναµη δύναµη βαρύτητος οριακή ταχύτητα Με εφαρµογή βρίσκουµε ότι: D. ρ. g Vt (18) 18. µ
Από τις εξ. (17) και (18) µπορεί να βρεθεί η διάµετρος του µικροτέρου σωµατιδίου, το οποίο µπορεί να αποµακρυνθεί από τον κυκλώνα: D,6 A. D. µ i 0 (19) π. z. DV. 0. ρ όπου µ ιξώδες του αέρα. Στην πράξη, για να υπολογισθούν οι τιµές των A i, D και z χρησιµοποιούνται συνήθως αναλογίες ως προς την D o. Π.χ., A i D o, D 5 D o και z 10 D o. Άλλες αναλογίες οι οποίες µπορούν να χρησιµοποιηθούν, ως (D o :A i :D:z) είναι 1:D o ::8 και 1:D o :1.5:5,5 Πρόβληµα 4: Να σχεδιασθεί κυκλώνας, ο οποίος θα διαχωρίζει σωµατίδια µεγαλύτερα από 5 µm από ένα ρεύµα αέρα, το οποίο ρέει µε ρυθµό 0,5 m.s -1. ίδεται: πυκνότητα σωµατιδίου 00 kg.m -, ιξώδες αέρα 1,6 10-5, A i D o, D 5D o και z 10D o. Λύση: Στην εξ. (19) αντικαθιστούµε τα A i, z και D µε τα ίσα τους και έτσι εκφράζουµε την D ως συνάρτηση της D 0. Είναι V o 0.5 m.s -1 /A i.,6 Ai. D0. µ,6( D0 ) D0µ,6. D0. µ D π. z. DV. 0. ρ π ( 10D0 )(. 5D0 )(. 0,5/ D0 ) ρ 5. π. ρ Λύνοντας ως προς D 0, λαµβάνεται, D.5. π. ρ ( 5 10 ).5. π.00 D o 0,006818 5,6. µ,6. ( 1,6 10 ) από όπου προκύπτει D o 0,189 m. Εποµένως θα είναι: A i 0,06 m, D 0,945 m και z 1,89 m Τύποι Ξηραντήρων Ο βασικός ξηραντήρας ψεκασµού αποτελείται κυρίως από το θάλαµο ξηράνσεως. Εκτός τούτο υπάρχει ένας αριθµός παραλλαγών, οι οποίοι µπορεί να περιέχουν και ρευστοποιηµένα στρώµατα. Αυτά επιτρέπουν την επεξεργασία µιας ποικιλίας υλικών, µε περιεκτικότητα λίπους και σακχάρου τέτοια η οποία δεν θα επέτρεπε την επεξεργασία τους. Οι ξηραντήρες ψεκασµού µπορούν να διακριθούν σε: 1. Βασικός Ξηραντήρας Ψεκασµού (ενός σταδίου), ο οποίος αποτελείται από τα βασικά συστατικά µέρη, τα οποία περιγράφηκαν παραπάνω (σχήµα 8). Σχήµα 8. Ξηραντήρας ψεκασµού ενός σταδίου. Πηγή: Diry Processing Hndbook. Tetr Pk Processing Systems AB, S-1 86 Lund, Seden.. Ξηραντήρας ύο Σταδίων, ο οποίος περιλαµβάνει και ένα ρευστοποιηµένο στρώµα (σχήµα 9). Στον αρχικό σχεδιασµό το ρευστοποιηµένο στρώµα χρησιµοποιείτο για το τελείωµα της ξηράνσεως
από µια περιεκτικότητα υγρασίας 5-8% και µε ένα άµεσο πέρασµα της κόνεως. Ο σύγχρονος εξοπλισµός περιλαµβάνει και µερική ανακύκλωση των λεπτών σωµατιδίων από τον κυκλώνα στο ρευστοποιηµένο στρώµα. Τούτο έχει ως αποτέλεσµα βελτίωση των ιδιοτήτων ανασυστάσεως των προϊόντων, εφ όσον µπορεί να γίνει επεξεργασία µε µέσα διαβροχής. Επίσης βελτιώνονται η ποιότητα και η εξοικονόµηση ενεργείας, επειδή µπορούν να χρησιµοποιηθούν χαµηλότερες θερµοκρασίες. Κολλώδη προϊόντα δεν µπορούν να υποστούν επεξεργασία σε τέτοια συστήµατα και έτσι είναι αναγκαία συστήµατα τριών σταδίων. Σχήµα 9. Ξηραντήρας ψεκασµού δύο σταδίων. Πηγή: Diry Processing Hndbook. Tetr Pk Processing Systems AB, S-1 86 Lund, Seden.. Ξηραντήρας Τριών Σταδίων, ο οποίος αποτελείται από ένα ξηραντήρα ψεκασµού ολοκληρωµένο µε ένα στατικό ρευστοποιηµένο στρώµα στη βάση του ξηραντήρα και το οποίο αποτελεί το δεύτερο στάδιο της διεργασίας, ενώ στο τέλος της µονάδος υπάρχει ένα εξωτερικό δονούµενο ρευστοποιηµένο στρώµα (τρίτο στάδιο) (σχήµα 10). Σχήµα 10. Ξηραντήρας ψεκασµού τριών σταδίων. Πηγή: Diry Processing Hndbook. Tetr Pk Processing Systems AB, S-1 86 Lund, Seden. 4. Ξηραντήρας Πολλών Σταδίων, οι οποίοι αποτελούνται από ένα µικρό ξηραντήρα ψεκασµού και το ολοκληρωµένο ρευστοποιηµένο στρώµα αποτελεί τη βάση της µονάδος. Ως παράδειγµα για την λειτουργία ενός τέτοιου συστήµατος µπορούµε να λάβουµε την ξήρανση του γάλακτος. Κατ αυτήν τα ηµιξηραµένα σωµατίδια από τον ξηραντήρα ψεκασµού συναντούν τη ρευστοποιηµένη σκόνη. Τούτο οδηγεί σε σηµαντική συσσωµάτωση. Το ρεύµα αέρα παρασύρει τα συσσωµατωµένα σωµατίδια, τα οποία εγκαταλείπουν τη µονάδα από άνοιγµα της κορυφής του στρώµατος. Το ρεύµα του προϊόντος το
οποίο εξέρχεται από τον κυκλώνα εισέρχεται στο δονούµενο ρευστοποιηµένο στρώµα για το τελείωµα της ξηράνσεως και ψύξη. Η σκόνη η οποία εισέρχεται στο ολοκληρωµένο ρευστοποιηµένο στρώµα έχει περιεκτικότητα υγρασία της τάξεως του 15% και καθώς εισέρχεται στο δονούµενο ρευστοποιηµένο στρώµα γίνεται 5%. Οι κόνεις οι οποίες παράγονται κατά τον τρόπο αυτό είναι χονδρές και αποτελούνται από µεγάλα συσσωµατώµατα. Αποτέλεσµα αυτού είναι να έχουν χαµηλή φαινοµενική πυκνότητα. Με την τεχνική αυτή µπορούν να παραχθούν κόνεις µε υψηλή περιεκτικότητα λίπους (7%) και σακχάρου. Η Προ-Συµπύκνωση του Υγρού Τροφοδοσίας Για την καλή λειτουργία ενός ξηραντήρα ψεκασµού, στην πράξη είναι σύνηθες το υγρό τροφοδοσίας να προ-συµπυκνώνεται όσο το δθνατόν περισσότερο. Τούτο γίνεται για ένα αριθµό λόγων µεταξύ των οποίων είναι: Οικονοµία λειτουργίας (η εξάτµιση είναι πιο οικονοµική) Αυξηµένη ικανότητα (το ποσό του εξατµιζοµένου νερού είναι σταθερό) Αύξηση µεγέθους σωµατιδίου (κάθε σταγόνα περιέχει περισσότερα στερεά) Αυξηµένη πυκνότητα σωµατιδίου (µείωση µεγέθους κενού µέρους) Αποτελεσµατικότερος διαχωρισµός κόνεως (σχετίζεται µε την αυξηµένη πυκνότητα) Βελτιωµένη ικανότητα διασκορπισµού του προϊόντος (µείωση επιφανείας) Επιλογή Λειτουργικών Συνθηκών Η σπουδαιότερη αρµοδιότητα του χειριστή του ξηραντήρα ψεκασµού είναι η διατήρηση σταθερής περιεκτικότητος υγρασίας στο τελικό προϊόν. Τούτο είναι απαραίτητο για να συναντηθούν οι προδιαγραφές (νοµοθεσία) και η ποιότητα του προϊόντος. Οι µέσες λειτουργικές συνθήκες για την ξήρανση µε ψεκασµό του γάλακτος θα κυµαίνονται, τούτου εξαρτωµένου από το χρησιµοποιούµενοα σύστηµα ξηραντήρα. Είναι πολύ σπουδαίο να κατανοηθεί πως µπορεί να ελεγχθεί η τελική περιεκτικότητα υγρασίας µε µεταβολή των συνθηκών. Οι κύριες συνθήκες, οι οποίες µπορούν να ελεγχθούν άµεσα από το χειριστή είναι: Συνθήκη Θερµοκρασία εισόδου Ρυθµός ροής υγρού τροφοδοσίας Ρυθµός ροής αέρα Μέγεθος σωµατιδίου Ενέργεια Ρύθµιση θερµοστάτη Ταχύτητα αντλίας, πίεση αντλίας Ταχύτητα ανεµιστήρα, θέση διαφραγµάτων Ρύθµιση ατοµοποιητή Μεταξύ των άλλων λειτουργικών συνθηκών, σπουδαίες είναι η θερµοκρασία εξόδου και η σχετική υγρασία του εξερχοµένου αέρα. Όµως, αυτές µπορούν να ελεγχθούν έµµεσα µε ρύθµιση των κυρίων συνθηκών. Η θερµοκρασία εξόδου εξαρτάται από την πρόσληψη τροφοδοσίας. Αν η τροφοδοσία αυξηθεί, η θερµοκρασία εξόδου θα µειωθεί, ενώ αν µειωθεί θα αυξηθεί και θα προσεγγίζει τη θερµοκρασία εισόδου. Η θερµοκρασία εξόδου, επίσης, επηρεάζεται από το ρυθµό ροής του αέρα. Για σταθερή θερµοκρασία εισόδου και σταθερή τροφοδοσία, η αύξηση στο ρυθµό ροής του αέρα θα έχει ως αποτέλεσµα την ανύψωση της θερµοκρασίας εξόδου. Μέσες Συνθήκες για την Ξήρανση µε Ψεκασµό του Γάλακτος Θερµοκρασία αέρα (περιβάλλον) 5,0 C Θερµοκρασία τροφοδοσίας: 60,0 C Θερµοκρασία εισόδου αέρα: 150,0 C Θερµοκρασία εξόδου αέρα: 8,0 C Θερµοκρασία επιφανείας σταγόνας 45,0 C Σχετική υγρασία (αέρας περιβάλλοντος) 55,0 % Σχετική υγρασία (αέρα εισόδου, ψυχροµετρ.) 0, % Σχετική υγρασία (αέρα εξόδου, ψυχροµετρ.) 1,0 % Περιεκτικότητα υγρασίας γάλακτος: 87,0 % Περιεκτικότητα υγρασίας συµπυκνώµατος: 45,0 % Περιεκτικότητα υγρασίας κόνεως: 4-5,0 % Ζώνη υγρασίας (σταθερή ταχύτητα): 90 0,0 % Ζώνη υγρασίας (πτώση ταχύτητας): 0 5,0 % Μέγεθος σταγόνας (αρχικό), D µέση : 40,0 µm Μέγεθος σωµατιδίου (τελικό), D µέση : 0,0 µm Πυκνότητα γάλακτος: 1, kg/m Πυκνότητα κόνεως γάλακτος: 0, kg/m Ταχύτητα αέρα: 61,0 m/s Ταχύτητα σταγονιδίου (αρχική): 170,0 m/s Ταχύτητα σταγονιδίου (ελευθέρα πτώση): 1,0 cm/s Χρόνος ξηράνσεως (σταθερή ταχύτητα): 0,00 s Χρόνος ξηράνσεως (πτώση ταχύτητος): 0,0014 s Χρόνος ξηράνσεως (ολικός): 0,007 s ιανυοµένη απόσταση για ξήρανση: 1,5 cm
οµή του Προϊόντος Η δοµή του ξηραθέντος µε ψεκασµό σωµατιδίου φαίνεται στο σχήµα 11. Εξέταση µε ηλεκτρονική µικροσκοπία σαρώσεως έδειξε ότι η ξήρανση µε ψεκασµό οδηγεί στο σχηµατισµό κοίλων σωµατιδίων, τα κελύφη των οποίων έχουν υαλώδη δοµή στο γάλα άµορφη λακτόζη. Οι πρωτεΐνες συρρικνώνονται κατά την ξήρανση. Σχήµα 11. οµή αφυδατωθέντος µε ψεκασµό σωµατιδίου. Οι φυσικές ιδιότητες των αφυδατωθέντων µε ψεκασµό κόνεων σχετίζονται µε τα χαρακτηριστικά του πλέγµατος του κελύφους και το µέγεθος των διακένων. Η παρουσία διακένων έχει ως αποτέλεσµα τα σωµατίδια να έχουν πυκνότητα µικρότερα από αυτήν του στερεού µόνον (0, kg/m έναντι 1,6 kg/m ). Γενικώς, κόνεις µε µικρή πυκνότητα είναι αφράτα και δεν διαβρέχονται ούτε καθιζάνουν εύκολα όταν έρχονται σε επαφή µε νερό. Τα σάκχαρα, όπως π.χ. η λακτόζη στο γάλα σκόνη, δεν κρυσταλλώνονται κατά την ξήρανση και υπάρχουν µε την άµορφο κατάσταση. Τα άµορφα αυτά σάκχαρα είναι πολύ υγροσκοπικά και απορροφούν εύκολα υγρασία και τελικώς ανακρυσταλλώνονται. Η ανακρυστάλλωση οδηγεί στο σχηµατισµό σβώλων κατά την αποθήκευση των προϊόντων. Πρέπει ακόµη να σηµειωθεί, ότι συνοδεύεται και από µεταβολές του χρώµατος και την ανάπτυξη κακών γεύσεων και οσµών. Χαρακτηριστικά ιασκορπισµού του Προϊόντος Πολλά προϊόντα µε µορφή κόνεως και τα οποία παρασκευάσθηκαν µετά ξήρανση µε ψεκασµό, δεν διασκορπίζονται εύκολα στο νερό. Η δυσκολία συνδέεται µε το εξωτερικό των σωµατιδίων της κόνεως, το οποίο απορροφά ταχέως νερό και σχηµατίζει σβώλους, ενώ το εσωτερικό παραµένει ξηρό, γιατί το εξωτερικό καλύπτεται από µια ιξώδη στιβάδα, η οποία παρεµποδίζει την είσοδο του νερού (αργή διείσδυση). Το πρόβληµα είναι ιδιαιτέρως οξύ σε προϊόντα τα οποία περιέχουν διαλυτές πρωτεΐνες, όπως το γάλα σκόνη και το άλευρο. Για τον ταχύ διασκορπισµό και διαβροχή των κόνεων σε ψυχρό νερό, αυτές θα πρέπει να παρουσιάζουν: Μεγάλη επιφάνεια διαβροχής Ικανότητα καθιζήσεως (δεν πρέπει να επιπλέουν) ιαλυτότητα Αντίσταση στην καθίζηση Η ικανότητα διαβροχής είναι κρίσιµη και εξαρτάται από την συνολική επιφάνεια της κόνεως και από τις επιφανειακές ιδιότητες των σωµατιδίων της κόνεως. Η βιοµηχανία έχει αυξήσει την ικανότητα διασκορπισµού και διαβροχής µε ένα συνδυασµό επιφανειακών επεξεργασιών και µετατροπής του προϊόντος σε στιγµιαίο. Η µετατροπή του προϊόντος σε στιγµιαίο (instntizing) είναι µια διεργασία συναθροίσεως, η οποία αποσκοπεί στο να παρεµποδίσει τα σωµατίδια της κόνεως να κολλήσουν µεταξύ τους και να σβολιάσουν κατά την ενυδάτωση. Παρασκευή Στιγµιαίων Κόνεων Οι στιγµιαίες κόνεις παράγονται συνήθως µε διεργασίες κατά τις οποίες το µε ψεκασµό αφυδατωθέν προϊόν (σκόνη) πρώτα διαβρέχεται και κατόπιν επαναξηραίνεται. Ο βαθµός διαβροχής ελέγχεται στενά
( 15%) για να επιτραπεί στα σωµατίδια να κολλήσουν µεταξύ τους και να σχηµατίσουν συσσωµατώµατα πριν την επαναξήρανση. Κατ αυτήν τα µικρά σωµατίδια συντήκονται, όµως τα σηµεία επαφής είναι τόσο λίγα ώστε πρακτικά όλη η επιφάνεια είναι διαθέσιµη για διαβροχή. Τα συσσωµατώµατα, όµως, είναι επαρκώς σταθερά και παρεµποδίζεται ο σχηµατισµός σβώλων κατά την ανάδευση σε νερό. Κατά την επεξεργασία της επαναδιαβροχής, η λακτόζη π.χ. κρυσταλλώνεται µερικώς. Έτσι, η στιγµιαία σκόνη είναι λιγότερο υγροσκοπική. Στο σχήµα 1 φαίνεται η διαδικασία παραγωγής στιγµιαίων προϊόντων. Σχήµα 1. ιαδικασία παραγωγής στιγµιαίων προϊόντων. Στο σχήµα 1 αναπαρίσταται η διαδικασία της συσσωµατώσεως, κατά την οποία η κανονική σκόνη (Α) συναθροίζονται και κατά την επαναξήρανση προκύπτουν τα στιγµιαία συσσωµατώµατα (Β). Σχήµα 1. Η διαδικασία της συσσωµατώσεως. Εφαρµογές Παραδείγµατα τροφίµων, τα οποία αφυδατώνονται µε ψεκασµό είναι πλήρες και αποβουτυρωµένο γάλα, ορός γάλακτος, εκχύλισµα καφέ και τεΐου, κρέµες, χυµοί φρούτων και λαχανικών, εκχυλίσµατα κρέατος και ζύµης, αυγά, µίγµατα κέικ, υδρολύµατα καλαµποκιού, πρωτεϊνικά συµπυκνώµατα, αποµονώσεις και υδρολύµατα, παράγωγα αµύλου κλπ. Η ξήρανση µε ψεκασµό είναι ιδανική για θερµοευαίσθητα προϊόντα, όπου η εκλογή του συστήµατος και η λειτουργία του αποτελούν το κλειδί για την παραγωγή κόνεων υψηλής θρεπτικής αξίας και υψηλής ποιότητος µε ακριβείς προδιαγραφές. Βιβλιογραφία Brbos-Cnovs, G.V. (1996). Dehydrtion of Foods. Chmn & Hll, London. Chrm, S.E. (1979). Fundmentls of Food Engineering, nd ed. The AVI Publishing Co, Inc. Westort, Connecticut. Cook, E.M. nd DuMont, H.D. (1991). Process Drying Prctice. McGr-Hill, Inc, Ne York. Fellos, P.J. (1990). Food Processing Technology: Princiles nd Prctice. Ellis Horood Ltd, London.
Filkov, I. nd Muzumdr, A.S. (1995). Industril sry drying systems. In: Hndbook of Industril Drying. nd ed., vol. 1, A.S. Muzumdr (Ed.), Mrcel Decker, Inc. Ne York: 6-07. Krel, M. (1975). Dehydrtion of foods. In "Princiles of Food Science. Prt II. Physicl Princiles of Food Preservtion", O. Fennem (ed.), P. 09-57. Mrcel Dekker, Inc, Bsel. Kessler, H.G. (1981). Food Engineering nd Diry Technology. V. A. Kessler, Freising, Germny. Λάζος, Ε. Σ. (00). Επεξεργασία Τροφίµων ΙΙ. η Έκδοση. Τµήµα Τεχνολογίας Τροφίµων. ΤΕΙ Αθηνών. Leniger,H.A. nd Beverloo,W.A. (1975). Food Process Engineering. D.Reidel Publishing Co, Dordrecht. Hollnd. Msters, K. (1991). Sry drying Hndbook. 5th ed., Longmn Scientific nd Technicl, Singore. Mujumdr, A.S. (Ed.), 1995, Hndbook of Industril Drying, nd Edition, Mrcel Dekker, Ne York. Okos, M.R., Nrsimhn, G., Singh, R.K., Weitnuer, A.C., 199, Food Dehydrtion,. 47-56, in D.R. Heldmn, D.B. Lund (Eds.) Hndbook of Food Engineering, Mrcel Dekker, Ne York. Piesecky, J. (1995). Evortion nd sry drying in the diry industry. In: Hndbook of Industril Drying. nd ed, vol. 1, A.S. Muzumdr (Ed.), Mrcel Decker, Inc. Ne York: 715-74. Pietsch, W. (1996). Successfully Use Agglomertion for Size Enlrgement, Chem. Eng. Progress, 9 (4): 9 45. Toledo, R.T. (1991). Fundmentls of Food Process Engineering. Vn Nostrnd Reinhold, Ne York. ρ. Ευάγγελος Σ. Λάζος Καθηγητής elzos@teith.gr