Spray drying engineering: particle stickiness in relation with agglomeration
Séchage par atomisation : propriétés de collage des particules en relation avec l'agglomération
Résumé
Food instant powders like milk, soups, juices, coffee, are usually produced by spray drying followed by a further step of agglomeration to get larger particles (from 50-100 μm to 250-500 μm) with a narrow size distribution and modified structure (porosity) to obtain good handling and instant properties (wettability, dispersability, solubility). Agglomeration of spray dried powders is performed either outside or inside the drying chamber in a fluid bed, or by return of dry fines into the chamber. Agglomeration of particles requires collisions and adhesion to create links between particles. Stickiness of particle surface will depend on the presence of components able to develop such property. For carbohydrates, stickiness is related to the glass transition appearing when varying water content, water activity and temperature, three parameters representative of drying. A methodology was developed to associate the evolution of drying air properties to drops drying along the chamber. Measurements of air temperature and relative humidity allowed to calculate the drops water content at any position in the dryer, and to deduce the possible sticky conditions and positions. Spray drying of aqueous solution of a model product able to stick (maltodextrin DE12 and DE21) was performed in a co-current pilot spray dryer equipped with a rotary atomizer. Studied process parameters included liquid feed flow rate (1 to 3.2 kg.h-1 evaporated water), inlet air temperature (144 to 200°C), air flow rate (80-110 kg.h-1), rotary atomizer velocity (22500 to 30000 rpm). Maltodextrin DE12 drops were quickly dried below the glass transition temperature, and stickiness seemed possible only next to the atomizer. Maltodextrin DE21 might present a sticky behaviour in a wider part of the chamber due to conditions corresponding to lower glass transition temperatures, especially for high liquid flow rate and low inlet air temperature. Computational Fluid Dynamics was used to simulate the drying of solutions, and to predict possible sticky conditions and positions. These conditions were tested and validated by performing agglomeration trials introducing powder at different positions inside the chamber. Finally, this experimental approach using air properties measurements was applied to interpret the drying behaviour of a different product (protein hydrolyzate) in a pilot spray dryer at higher scale, equipped with fines return and internal fluid bed.
Les poudres alimentaires instantanées (lait, soupe, jus, café) sont habituellement produites par séchage par pulvérisation, suivi d'une étape ultérieure d'agglomération pour augmenter la taille des particules (de 50-100 μm à 250-500 μm) avec une distribution de taille étroite et une structure modifiée (porosité), pour améliorer la manutention et les propriétés instantanées (mouillabilité, dispersibilité, solubilité). L'agglomération est réalisée dans un lit fluidisé intérieur ou extérieur à la chambre de séchage, ou par réinsertion des fines (sèches) dans la chambre. L'agglomération de particules passe par les contacts et l'adhésion entre particules pour créer des liaisons entre elles. Les propriétés collantes de la surface d'une particule dépendent de la présence de constituants capables de développer un comportement collant. Pour les polysaccharides le collage est lié à la transition vitreuse, en relation avec la teneur en eau, l'activité de l'eau et la température, paramètres représentatifs du séchage. Une méthode est développée pour relier l'évolution des propriétés de l'air de séchage au séchage des particules dans la chambre. Les mesures de la température de l'air et de son humidité relative ont permis de calculer l'évolution de la teneur en eau des gouttes dans la chambre, et d'en déduire des conditions opératoires et positions où les particules seraient collantes. Des solutions aqueuses de produits modèles (collants) (maltodextrine DE12 et DE21) ont été séchées dans un séchoir pilote en co-courant, avec turbine de pulvérisation. L'effet de différents paramètres ont été étudiés : le débit liquide (1 à 3,2 kg.h-1 d'eau évaporée), la température d'entrée de l'air (144 à 200°C), le débit d'air (80 - 110 kg. h-1) et la vitesse de rotation de la turbine (22500 à 30000 rpm). Les particules de maltodextrine DE12 sont rapidement séchées en dessous de la température de transition vitreuse, et le collage est envisagé seulement près de l'atomiseur. La maltodextrine DE21 montre un comportement collant dans une large partie de la chambre, dû à de plus faibles températures de transition vitreuse, en particulier pour des forts débits de liquide et des faibles températures de l'air de séchage. La mécanique des fluides numérique (CFD) est aussi utilisée pour simuler le séchage de solutions, et pour prédire l'existence de conditions collantes. Ces conditions ont été testées et validées par des essais d'agglomération réalisés en introduisant de la poudre à différents endroits dans la chambre. Enfin, cette approche expérimentale basée sur la mesure des propriétés de l'air a été appliquée pour interpréter le comportement au séchage d'un produit différent (hydrolysat de protéines) dans un séchoir pilote à plus grande échelle, équipé d'un retour de fines et d'un lit fluidisé interne.
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