USCATORUL PRIN PULVERIZARE CU TEHNICA DE USCARE

USCATORUL PRIN PULVERIZARE CU TEHNICA DE USCARE

Tehnica de uscare prin pulverizare este cea mai utilizată pentru prepararea alimentelor sub formă lichidă şi semilichidă (soluţii, suspensii, paste). Aceste produse sunt pulverizateşi amestecate cu aer cald, picăturile lichide având diametrul de 10-200µm, deci o suprafaţămare expusă uscării. Diametrul picăturilor lichide fiind mic, distanţa dintre centrul picăturilor şi suprafaţa exterioară este mică uscarea fiind foarte rapidă (1-20 s). Având în vedere efectul de răcire prin evaporare, suprafaţa particolelor lichide nu depăşeşte mult temperatura termometrului umed al aerului de uscare, până ce picăturile nu sunt complet uscate.

Uscarea prin pulverizare prezintă, deci, următoarele avantaje:

uscarea se face în aer, de regulă într-o singură fază de prelucrare; uscarea are loc la temperaturi joase, chiar dacă aerul folosit are temperaturi mari

(> 1000C); pulverizarea realizează o suprafaţămare de evaporare, care duce la un contact mai

intim intre agentul de uscare şi produs şi, în cosencinţă, uscarea picăturilor are loc într-un timp foarte scurt;

în faza finalăa uscării, temperaturaparticolelor solide este aproximativ aceiaşi cu a mesei de aer umed, aşa că se evită supraîncălzirea şi, deci, nu se modifică prea mult caracteristicile iniţiale ale produsului;

produsul rezultat este sub formă de pulbere aproape omogenă, deci nu mai necesită altă operaţie de mărunţire;

instalaţiile pot fi compet automatizate.

Fig. 1. Componentele unui uscător prin pulverizare cu reciclare pulbere fină:

A-ventilator; B-filtru de aer; C-încălzitor de aer; D-camera (turn) de uscare;E-pompă de alimentare; F-tanc de alimentare; G-atomizor; H-valvă rotativă; I-transportor pentru produsul pulbere; J-conductă pentru evacuare aer din camera de uscare; K-separator aer/pulbere (ciclon); L-ventilator eliminare aer; M-valvă rotativă; N-linie pentru reciclare pulbere fină

Componentele principale ale unei instalaţii de uscare prin pulverizare (fig. 1) la temperatură ridicată sunt următoarele:

Componenta de încălzire a aerului necesar uscării – baterii de încălzire – unde aerul este încălzit cu abur sau gaze de aerare. Pentru uscare pot fi folosite şi direct gazele de ardere, ceea ce îmbunătăţeşte eficienţa termică a uscătorului, dar există pericolul contaminării produsului cu compuşii nitraţi/nitriţi precum şi cu N-nitroyodimetilamină;

Componenta de pulverizare a lichidului în picături fine, picăturile mari conducând la uscarea neuniformă, cu posibilitatea de lipire a produsului pulbere pe pereţii camerei de uscare. Mărimea picăturilor lichide determină densitatea produsului finit şi propietatea de reconstituire. Componenta de pulverizare poate fi tipul (fig. 2):

dispozitiv centrifugal sau rotativ; duze de pulverizare sub presiune; pulverizatoare pneumatice (pentru cele două fluide).

Fig. 2. Dispozitive de pulverizare:

A - dispozitive centrifugale: a-cu canale circulare în secţiune; b-cu canale rectangulare în secţiune; c-cu canale ovale în secţiune; B - dispozitiv de pulverizare sub presiune de lichid; C - dispozitiv de pulverizare cu două fluide sub presiune: 1-intrare lichid; 2-intrare aer

La dispozitivul centrivugal, lichidul se introduce aproape de centrul sau de rotaţie. În acest fel se accelerează particolele la viteza periferică a automozorului cu Ф = 50-300 mm şi v = 5000-10000 rot/min. Particolele lichide vor avea diametrul de 1-600 µm. Un asemenea dispozitiv nu este blocabil şi nu este erodat de particolele solide existente în lichid. Permit şi pulverizarea produselor vâscoase la presiuni de pompare reduse. Se pot folosi atomizoare cu canale circulare, retangulare sau ovale în secţiune.

Componenta de tip duză, cu diametrul de 0,4-4 mm, necesită o presiune de pompare a

lichidului de 5-50 MN/ . În duză, datorită unui filet, lichidul capătă o mişcare elicoidală, producându-se la ieşire un con de împrăştiere. Diametrul particolelor pulverizate este de 10-800 µm, particolele având o vacuolă în interior. Duzele pot fi blocate sau erodate de particolele solide din lichid. Pentru pulverizarea lichidelor vâscoase sunt necesare presiuni foarte mari.

Componenta de pulverizare cu două fluide foloseşte canalul central pentru lichid, iar cel exterior pentru agentul de pulverizare. Se produce un efect „Venturi”, mărimea particolelor putând fi variată prin modificarea raportului lichid/gaz. Acest dispozitiv se poate bloca sau eroda de particolele solide din lichidul ce se pulverizează;

Componenta în care se realizează uscarea – camera sau turnul de uscare – care se poate prezenta în trei variante, în funcţie de modul de alimentare cu lichid şi cu agent de uscare: cu funcţionare în echicurent, contracurent şi curgere mixtă (fig. 3).

Fig.3. Tipuri de camere de uscare în funcţie de modul de alimentare lichid/agent de uscare:

a – în flux echicurent; b – în echicurent cu curgere în spirală; c – în curent mixtCamera (turnul) care funcţionează în echicurent se utilizează pentru produsele

termosensibile care au tendinţa de lipire a particolelor solide pe pereţii uscătorului.Camera (turnul) care funcţionează în contracurent se utilizează pentru produsele care nu

sunt sensibile la căldură.Camera (turnul) care funcţionează în curent mixt prezintă riscul de deteriorare a

produsului pulbere mai mare în comparaţie cu precedentele.

Din punct de vedere constructiv, turnurile pot fi:

cilindrice cu înclinaţie mică a fundului, care nu sunt indicate pentru produse pulbere higroscopice. Aerul se introduce pe la partea superioară, de regulă central.Transportul pulberi în turn se face pneumatic;

cilindrice cu partea inferioară conică, care se folosesc pentru produsele dense care nu se pretează la transportul pneumatic;

Compartimentul de evacuare produs şi aer din turnul de uscare. Pentru evacuarea produsului din turnurile cu fund tronconic cu înclinaţie mică se foloseşte un dispozitiv cu palete care conduce produsul în orificiul de evacuare şi de aici acesta, împreună cu aerul uzat, ajunge la bateria de cicloane (instalaţia Paasch-Silkeborg, instalaţia Anhidro).

În cazul turnului de uscare cu fund tronconic cu înclinaţie mare, produsul se evacuează pe la partea inferioară a turnului şi este transportat pneumatic la un ciclon de separare produs/aer. Aerul uzat se evacuează printr-o conductă aflată în partea tronconică a turnului de uscare, care se continuă în interiorul turnului până în ax şi realizează aspiraţia de jos în sus. Întrucât aerul antrenează 10-20% din produs, recuperarea pulberii antrenate se face, de regulă, într-o baterie de cicloane.

La uscarea produselor lichide cu conţinut mare de glucide şi lipide, există tendinţa ca pulberile uscate, încă în stare caldă, să se lipească de pereţii interiori ai turnului.

Exploatarea instalaţiilor de uscare prin pulverizare. Soluţia tehnologică constă în introducerea în lichidul ce se pulverizează a unor ingrediente cum ar fi: gume din plante, metilceluloze, substanţe pectice, lapte degresat (în special la sucurile de fructe şi legume).

Soluţia constructivă constă în a dota turnul de uscare cu dispozitive de curăţire a pereţilor cum ar fi: dispozitive cu perii, lamă de răzuire, dispozitiv cu aer comprimat, precum şi răcirea turnului în manta cu aer sau apă rece (acolo unde nu se cere această răcire turnul este numai izolat termic).

În ceea ce priveşte siguranţa instalaţiilor, problemele care se pun se referă explozii datorită pulberii fine antrenate în aerul uzat, aprinderea pulberii putând fi datorată autoaprinderii, consecinţa proceselor oxidative exotermice (la produsele grase) sau cauzate de scântei de la motoare electrice sau generate prin fricţiune.

Uscarea prin pulverizare energofagă, consumându-se ~6000 kj/1 kg de apă evaporată, în comparaţie cu 200 kj/1 kg de apă evaporată cât se consumă la o instalaţie de concentrare cu şase efecte.

Pentru a economisi energie este necesar:

să se concentreze în prealabil produsul lichid până la limita admisibilă (limita maximă de concentare este determinată de vâscozitatea lichidului concentrat, respectiv de vâscozitatea la care produsul lichid poate fi atomizat);

să se folosească gaze de ardere pentru încălzirea aerului; să se ridice eficienţa uscării prin creşterea temperaturii de intrare a aerului în turn

(maximum 200...2500C); să se practice temperaturi de ieşire ale aerului din turn de maximum 900C; să se recicleze circa 50% din aerul evacuat din turn pentru a economisi ~20%

energie. Aerul evacuat poate fi reciclat pentru preîncălzirea aerului proaspăt prin trecere în schimbătoare de căldură aer/aer sau pentru încălzirea lichidului care alimentează uscătorul, folosind un schimbător de căldură aer/lichid.

Finisarea produselor obţinute prin pulverizare. Se referă la uscarea finală a anumitor pulberi care se poate realiza în două moduri:

prin cuplarea instalaţiei de uscare prin pulverizare cu un vibro-fluidiyator, în care caz se poate face instantizarea produsului prin aglomerare, economisindu-se şi energie; fluidizatorul se poate incorpora chiar în uscătorul propiu-zis la care există două intrări de aer cald: la partea superioară, care realizează uscarea şi la partea inferioară, care realizează „spălarea” pereţilor uscătorului principal şi îmbunptăţirea separării aer/ produs. Fluidizatorul incorporat este de tip static şi realizează uscarea finală tot cu aer cald (fig 4);

prin folosirea unui uscător de tip special – Filtermat – în care uscarea se realizează în trei stadii (fig. 5).

Fig.4. Uscător cu două stadii de uscare, fluidizatorul static fiind integrat în uscător: A – admisie aer; F – alimentare cu produs; P – produs uscat

Fig. 5. Uscător „Filtermat”:1 – alimentarea duzelor de pulverizare; 2 – aer pentru uscarea primară; 3 – aer pentru răcire; 4 – aer cald pentru uscare secundară; 5 – aer răcire; 6 – bandă de transport din textile; 7 – strat de pulbere; 8 – evacuare aer din cicloane; 9 – evacuare produs

Pulberile care conţin particole fine se reconstitue greu (au capacitatea de umectare redusă), formează aglomerări care flotează la suprafaţa lichidului reconstituit, ceea ce necesită o agitare viguroasă şi o durată oarecare de dispersare. Pentru a obţine pulberi reconstituire rapidă, chiar în apă la rece, se face instantizarea pulberilor obţinute în mod obişnuit într-un uscător prin pulverizare.

Soluţiile tehnice sunt următoarele:

recircularea particolelor fine separate în cicloane direct în turnul de uscare, care este alimentat cu lichid concentrat;

instantizarea prin reumezirea pulberii totale cu abur cald umed şi uscarea finală într-un fluidizator;

umezirea pulberii totale cu un lichid şi dispersarea într-un aparat de dispersare (Vortex), urmată de reuscarea pulberii într-un fluidizator.

Produsele alimentare ce se pot usca prin pulverizare sunt:

laptele degresat, care este uşor de uscat prin pulverizare pentru că nu aderă la pereţii turnului şi nu este higroscopic. Laptele degresat obţinut într-un uscător care lucrează într-o singură treaptă este prăfos, dar poate fi îmbunătăţit prin: reciclarea particolelor fine; promovarea aglomerării într-un uscător secundar sau într-un fluidizator integrat sau separat; reumezirea şi uscrea ulterioră în pat fluidizat;

lapte integral, care este mai greu de uscat, având tendinţa de lipire pe pereţii uscătorului. Caracteristicile laptelui praf integral pot fi îmbunătăţite prin aglomerare. În plus, particolele de lapte praf pot fi peliculate cu lecitină pentru creşterea capacităţii de umectare la reconstituire în apă;

zerul, care poate fi transformat în pulbere cu condiţia ca, înainte de pulverizare, lactoza să fie transformată în a-monohidrat amorf, pentru ca produsul finit să nu fie foarte higroscopic;

mixul pentru îngheţată, având un conţinut de 30% zahăr, care este greu de uscat. Soluţia tehnologică este ca o parte din zahăr să se adauge în mixul pulbere prin amestecare mecanică. Uscarea în două trepte conduce la un produs care nu aglomerează în bloc;

brânza, care poate fi uscată prin pulverizare, în care caz în prealabil, se mărunţeşte şi se amestecă cu apă şi se omogenizează;

untul cu 60-80% grăsime se poate usca prin pulverizare, avându-se grijă să nu fie stricată emulsia, iar după uscare produsul trebuie răcit rapid;

cazeinatul de sodiu, care se poate usca prin pulverizare, dacă soluţia de cazeinat are o concentraţie maximă de 25%. Dispozitivul de pulverizare este de tip atomizor centrifugal. Uscarea trebuie realizată în două stadii;

melanjul de ouă, albuşul sau gălbenuşul, care pot fi uscate prin pulverizare cu condiţia ca albuşul să fie tratat în prealabil cu drojdii, bacterii sau enzime pentru îndepărtarea glucozei în vederea împiedicării îmbrumării Maillard. Melanjul şi gălbenuşul se concentrează în prealabil la 25-27% şi, respectiv, 45-48%. Albuşul pulverizează la o concentraţie de 10-12%, această concentraţie putând fi mărită prin osmoză inversă. Dispozitivul de pulverizare este atomizorul centrifugal;

cafea instant: extractul de cafea se pregăteşte din boabele de cafea prăjite prin extracţie cu apă caldă. Extractul cu 20-25% s.u. poate fi concentrat până la instantizată prin reumezire şi reuscare în pat fluidizat. Substituenţii de cafea formaţi din cicoare, orz, ovăz, grâu, cafea, năut pot fi uscaţi în mod asemănător;

ceaiul, în care caz frunzele uscate de ceai se extrag cuapă caldă, extractul având 3-5% s.u. Acest extract se concentrează într-un concentrator cu vid, aroma recuperată fiind adăugată la concentrat înainte de uscare. Aerul, la ieşire din uscător, trebuie să aibă o temperatură mai mică decât la uscarea laptelui;

vegetalele întregi şi sucurile de vegetale, care pot fi uscate prin pulverizare după pregătirea preliminară corespunzătoare. De exemplu, în cazul tomatelor, se mărunţesc la cald, pulpa omogenizată fiind concentrată la 26-48% sub vid. În produsul lichid se adaugă aditivi care să împiedice lipirea produsului pulbere de pereţii turnului de uscare. Uscătorul are partea cilindrică scurtă şi partea terminală tronconică. Uscătorul, în totalitate, este răcit în manta. Dispozitivul de pulverizare este de tip atomizor centrifugal. Pulberea este răcită continuare într-un vibro-fluidizator;

fructele (citrice, banane, mere, pere, căpşuni, caise, piersici), care sunt pregătite sub formă de omogenate foarte fine cu adaos de aditivi ce favorizează curgerea şi împiedică lipirea de pereţii uscătorului, iar în produsul finit împiedică aglomerarea (se utilizează siropul de glucoza cu DE 15-20 în proporţie de 70% în raport cu masa uscată a fructelor; se poate utiliza ca aditiv şi laptele degresat).

Pentru atomizare se folosesc dispozitive centrifugale:

alte produse: carnea şi peştele sub formă de piureuri, extractele de carne, extractele de drojdie, proteinele vegetale şi animale, laptele cu arome, înălbitorii de cafea şi ceai, materialele de colorare şi aromatizare. Condiţiile de uscare prin pulverizare ale unor produse alimentare sunt arătate în tabelul 1.

Tabelul 1. Condiţii de uscare pentru diverse produse alimentare lichide:

Produsul% Total

substanţă uscată în lichidul care

alimentează uscătorul

Temperatura aerului la

intrare (0C)

Temperatura de ieşire a

aerului(0C)

Conţinutul de umiditate

produs finit (%)

Densitatea particolelor

(µm)

Densitatea produsului

(g/ml)

Lapte degresat (obijnuit)

40-50 180...230 85...100 3,5-4,0 30-50 0,60-0,70

Lapte degresat (aglomerat în pat fluidizat)

40-50 180...230 85...90 3,5-4,0 150-2000,45-0,60

Lapte normalizat (obijnuit)

40-50 180...200 75...95 2,5-3,0 30-50 0,55-0,65

Lapte normalizat (aglomerat în pat fluidizat)

40-50 175...200 90...100 2,5-3,0 150-200 0,45-0,55

Zer praf (obijnuit) 40-50 180...200 90...100 3,0-4,0 30-40 0,60-0,70Zer praf (precristalizat şi aglomerat)

40-60 180...190 80...902,0-3,0 100-150 0,55-0,65

Zară praf 40-50 175...190 75...90 3,5-4,5 30-50 0,75-0,83Ouă (gălbenuş şi albuş)

25-48 150...200 50...80 2,0-3,0 - 0,45-0,55

Albuş ouă 10-12 145...200 50...80 2,0-3,0 - -Cafea instant 35-40 250...300 110...115 2,0-3,0 150-300 0,18-0,30Ceai instant 35-40 200...250 90...100 2,0-2,5 - -Suc tomate pulbere

25-40 140...150 70...80 3,0-3,5 - -

Variante ale uscării prin pulverizare:

uscarea prin pulverizare de spumă (Foam-Spray Drying), care este o variantă a uscării clasice de uscare prin pulverizare, modificarea constând în montarea pe conducta de alimentare cu produs lichid a uscătorului (între pompă şi atomizor) a unui dispozitiv de injectare cu azot sau CO2.Gazul comprimat injectat conduce la dilatarea picăturilor lichide pulverizate în uscător, consecinţa fiind scăderea densităţii şi creşterea suprafeţei de contact cu aerul. Particolele, sub formă de spumă, sunt uscate şi transformate, într-o pudră

care nu are tendinţa de lipire la pereţii turnului. Pulberea se reconstituie uşor, nefiind necesară instantizarea;

uscarea prin pulverizareîn aer la temperatura ambiantă (procedeul Birs). În cazul tehnicii de uscare Birs, aerul pentru uscare la intrare are temperatura de -350C şi un conţinut de umiditate de 2-3%, iar la ieşire conţinutul de umiditate este de 85-90%. Uscarea are loc în contracurent, produsul fiind pulverizat la partea superioară a turnului (H=60-75m şi Ф=15m ), iar aerul pe la partea inferioară, după ce, în prealabil, a fost uscat într-o instalaţie anexă. Produsele ce se usucă pot fi de natură vegetală (cafea, ceai, cartof, tomate) sau animală (lapte, frişcă, iaurt, unt) sub formă lichidă sau semilichidă (soluţii, suspensii, piureuri). Produsele finite au o mare capacitate de reconstituire şi o calitate nutritivă excepţională. Instalaţia de uscare este prevăzută cu perii rotative pentru curăţarea suprafeţei interioare a turnului, precum şi ajutaje pentru spălarea cu apă sub presiune (50-60 at).

\

BIBLIOGRAFIE

1. TRATAT DE INDUSTRIE ALIMENTARĂ. PROBLEME GENERALE; PROF. UNIV. DR. CONSTANTIN BANU; EDITURA ASAB; BUCUREŞTI 2008.