SUSZARNICTWO - WYKŁADY

Suszenie stosowane jest w różnych przemysłach i stanowi ostatni etap w produkcji wyrobów, decyduje więc o jakości gotowego wyrobu.

ZAKRES ZAGADNIEŃ WYSTĘPUJĄCYCH PODCZAS SUSZENIA

• Rodzaj ogrzewania: przewodzenie, konwekcja, promieniowanie, dielektryczne

• Energia dostarczana: węgiel, ropa, gaz ziemny, elektryczność, materiały odpadowe, energia słoneczna

• Ciśnienie: sublimacyjne (niskie ciśnienie), próżnia, obniżone ciśnienie, atmosferyczne

• Skala suszenia: od 10kg/h do 100T/h

• Rodzaj aparatu: ok. 500 tyś typów

• Kontrola procesu: warstwa graniczna, dyfuzja wewnętrzna, zewnętrzna

• Rozmiar i kształt materiałów: proszki, pasty, granulat, płyty

• Charakter i właściwości materiału: nieporowaty, kapilarno - porowaty, higroskopijny, żel, materiał wytłaczany, krystaliczny, tkanina, karton

• Początkowa zawartość wody: od prawie suchego materiału do pełnego nasycenia

• Odporność termiczna: bardzo czułe ~ 30^o C do 200^oC

• Wartość technologiczna i ekonomiczna produktu: chemiczne <70 $ za tonę, farmaceutyczne > 150 000 $ za tonę

• Ochrona środowiska

• Bezpieczeństwo

FUNKCJE WODY W ŻYWNOŚCI

• Czynnik strukturotwórczy i teksturotwórczy, co wynika z powiązania cząsteczek wody między sobą i ze składnikami żywności

• Czynnik tworzący środowisko reakcji chemicznych, enzymatycznych, procesów życiowych

• Substrat i katalizator reakcji np. hydrolizy, działa jako utleniacz lub substancja przyspieszająca utlenianie

• Stanowi środowisko przenoszenia energii cieplnej, wpływa na cechy fizyczne produktu takie jak: ciepło właściwe, przewodność cieplna, masa właściwa, masa usypowa, porowatość złoża

• Czynnik wpływający na smakowitość produktu, trawienie i spożywanie

KLASYFIKACJE FORM WYSTĘPOWANIA WODY

1. Oparta na przybliżonej ocenie energii wiązania wody z materiałem:

• Połączenia wody w związkach chemicznych, kryształach - najbardziej trwały charakter. Ulegają suszeniu z dużą trudnością z jednoczesnym przekształceniem chemicznej natury surowca

• Fizykochemiczne formy związania wody - powstają na drodze absorpcji, sił osmotycznych i wiązania w formie żelu....mniej trwałe

• Mechaniczna forma wiązania wody - zawarta w kapilarach i na powierzchni

2. Inny podział

• Woda związana - odporność na działania zewnętrzne

• Woda ruchoma

• Woda swobodna

Trwały susz uzyskuje się zwykle usuwając wodę wolną, znajdująca się na powierzchni i w mikrokapilarach o średnicy ponad 10μm, oraz znacznej części wody wypełniającej mikrokapilary o średnicy mniejszej od 10μm

Miarą dostępności wody dla drobnoustrojów jest jej AKTYWNOŚĆ WODY

Prawo Raoulta: P/P₀ = n₂/(n₁+n₂) gdzie p, p₀ - prężność par roztworu i rozpuszczalnika

n₁,n₂ - stężenia molowe substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika

a_w = P/P₀ = równoważna wilgotność względna/100

Zmniejszenia a_w można zastosować przez:

• Zamrażanie

• Suszenie

• Dodawanie substancji osmotycznych

WPŁYW WODY NA PRZEBIEG PROCESÓW UTLENIANIA

1. Przeciwutleniające działanie wody polega na:

• zmniejszeniu dyfuzji tlenu do miejsc reakcji

• usuwaniu tlenu zaadsorbowanego na powierzchni materiału

• przyspieszeniu reakcji brązowienia, których produkty są przeciwutleniaczami

• wiązaniu wodorotlenków - produktów pośrednich autooksydacji lipidów

• ułatwianiu rekombinacji rodników lub ich reakcji z innymi składnikami żywności

• zmniejszenia stężenia jonów metali ciężkich

2. Stymulujące działanie wody polega na:

• zwiększeniu rozpuszczalności jonów metali ciężkich wraz ze wzrostem zawartości wody

• pęcznieniu białek, co umożliwia reakcje białek z rodnikami powstającymi podczas utleniania lipidów

IZOTERMA SORPCJI WODY TYPU 1

Woda W punkt woda wolna

Swobodna W_h higroskopijności

|

W_r | wilgotność woda

woda - - - - - - - - - | krytyczna higroskopijna

związana | |

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

w - wilgotność produktu

w_h - wilgotność higroskopijna

w_r - wilgotność równowagowa

ZASTOSOWANIE IZOTERM W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

1. określanie końcowego punktu suszenia, którego znajomość umożliwia określenie maksymalnej wilgotności powietrza suszącego w suszarkach konwekcyjnych lub maksymalnego ciśnienia przy suszeniu próżniowym i sublimacyjnym

2. określenie higroskopijności wieloskładnikowych suchych produktów żywnościowych

3. określenie optymalnej i krytycznej wilgotności produktu

4. określenie optymalnych warunków żywności suszonej.

PRZEMYSŁOWE CZYNNIKI JAKOŚCI SUSZONEJ ŻYWNOŚCI

• jakość materiału surowego: smak, zapach, wygląd, wilgotność, tekstura, skład

• obróbka wstępna: mycie, obieranie, sortowanie, krojenie, blanszowanie (czas, temp), stosowanie konserwantów, obróbka osmotyczna

• warunki suszenia: zamiany temp produktu w czasie, metoda transportu produktu, obecność tlenu, jednorodność zmian temp w produkcie, sortowanie po suszeniu

• pakowanie i warunki przechowywania: jakość, typ opakowania, aktywność wody w produkcie, wilgotność atmosfery otaczającej produkt, stężenie tlenu w opakowaniu, chłodzenie przed pakowaniem, czas i temp przechowywania

ZJAWISKA ZWIĄZANIE Z E ZMANAMI JAKOŚĆI SUSZU

1. reakcje biochemiczne

• enzymatyczne - brązowienie owoców

• denaturacja białek

• reakcje Maillarda

• oksydacja tłuszczu

• oksydacja i inaktywacja witamin

2. zmiany mikrobiologiczne

• modyfikacje np. dojrzewanie salami

• rozwój drobnoustrojów

• zniszczenie drobnoustrojów poprzez denaturację białek

3. zmiany chemiczne

• straty zapachu na skutek lotności

• zmiany koloru na skutek utleniania

4. zjawiska mechaniczne i przemiany fizyczne

• przemiany fazowe i związane z tym zmiany struktury: krystalizacja, skurcz, tworzenie się szczelin, dziur, przejście szkliste i załamanie struktury

5. przemiany związane z migracją innych niż woda składników produktu

Reakcje enzymatyczne

W owocach i warzywach - oksydaza polifenolowa. Optymalizacja działania 40 - 45⁰C, tym mniejsza im niższa aktywność wody. Można jej zapobiegać poprzez suszenie w atmosferze obojętnej lub pod zmniejszonym ciśnieniem. Wstępne blanszowanie i dodatek SO₂.

Pożądane jest w śliwkach, rodzynkach - odpowiedni kolor

Denaturacja białek

60 - 70^oC może powodować denaturację. Obserwujemy wzrost lepkości, zmniejszenie zwilżalności produktu. Można temu zapobiec poprzez suszenie początkowe w wysokiej temp do zawartości wody, przy której rozpoczyna się denaturacja białka, a następnie należy suszyć próżniowo lub sublimacyjne

Reakcje Maillarda

nieenzymatyczne brunatnienie: pogorszenie smaku, wyglądu i wartości odżywczej. Im mniejsze a_w tym mniejsze zmiany (najszybciej a_w = 0,6 - 0,7). Można minimalizować te reakcje przez obniżenie temp suszenia, zmniejszenie pH do kwasowego, dodawanie siarczynów (jedyny skuteczny sposób kontrolowania nieenzymatycznego ciemnienia), kwasu askorbinowego w kombinacji z cytrynowym, chlorków cynku, wapnia, magnezu, sodu.

Zapobiegać można przez suszenie w wysokiej temp. Do zawartości wody, przy której rozpoczyna się nieenzymatyczne brunatnienie, a następnie sublimacja.

Nieraz jest to pożądane - produkty piekarskie

Straty witamin

Dotyczą głownie witamin rozpuszczalnych w wodzie i utleniania witamin. Straty witamin rozpuszczalnych w wodzie zalezą od a_w produktu, warunków suszenia, światła, zawartości tlenu, obecności metali ciężkich tj Fe, Cu

Strata zapachu

Czynnikami odpowiedzialnymi za stratę zapachu jest wysoka temperatura, światło i niektóre związki chemiczne. Zapach „ucieka” - związki eteryczne, lub zostaje zmieniony podczas utleniania, brunatnienia nieenzymatycznego. Najlepszy efekt uzyskuje się w suszeniu sublimacyjnym.

Duże znaczenie ma również przechowywanie po suszeniu, temp i zawartość wody w suszach oraz zawartość tlenu.

Zmiana koloru

Ulęgają karotenoidy i chlorofile, które są podatne na zmiany oksydacyjne. Na stabilność karotenoidów marchwi ma wpływ ubytek rozpuszczalnych składników suchej substancji w czasie blanszowania. Dodatek SO₂ zwiększa stabilność karotenoidow w marchwi w zależności od dawki. Chlorofile są stabilne w surowcach o małej zawartości wody.

• Mechanizm degradacji - przekształcenie w obecności kwasu do feofityny o barwie brązowo - oliwkowej na skutek eliminacji atomu magnezu. Degradacja zależy od temp, pH, a_w, czasu, obecności enzymów, tlenu i światła. Blanszowanie przed suszeniem podwyższa retencje chlorofilu w liściach bazylii

Zmiany struktury

Q pH zmiany w

potencjał oksy-redukcyjny strukturze

H₂O siła jonowa biopolimerów

Zmiany biologiczne

Zmiany chemiczne

H₂O Q

Przejście szkliste i załamanie struktury. Susz - znaczna część w stanie amorficznym z domenami krystalicznymi. Temperatura - czynnik strukturalnych zmian w amorficznej części materiału.

Temperatura przejścia szklistego - wartość krytyczna, przy której szklista, stała struktura zmienia się w bardziej płynny stan „gumowy”. Tg - jest bardzo niska, ale zwiększa się drastycznie, gdy zawartość wody obniża się. Wzrost temp lub wilgotności w czasie przechowywania powoduje pogorszenie tekstury wysuszonych materiałów.

WPŁYW RODZAJÓW SUSZENIA NA Tg

• Suszenie sublimacyjne. Temperatura odwodnionego materiału jest wyższa od Tg. Lepkość matrycy ciała stałego może być niewystarczająca do utrzymania struktury i następuje jej załamanie lub skurcz materiału. Krytyczna lepkość to 10⁷ Pa S, powyżej tej lepkości szybkość załamania struktury zwiększa się, jeśli temp przekroczy wartość Tg.

Takie zmiany struktury pogarszają rehydratację, zwiększają ubytek substancji aromatycznych, może być nierównomierne wysuszenie.

• Suszenie rozpyłowe . jeżeli lepkość produktu jest mniejsza od 10⁷ PaS, to amorficzny produkt uzyskiwany pod koniec suszenia może pozostać syropem lub lepkim proszkiem nawet przy niskim poziomie wilgotności. Krytyczna lepkość jest osiągana w temp o 10-20⁰C wyższej od wartość Tg. Tg dla produktów o dużej zawartości cukrów jest tak niska, że suszenie rozpyłowe tych produktów nie jest możliwe. W celu umożliwienia suszenia dodaje się substancje o dużej masie cząsteczkowej, które charakteryzują się wysoką wartością Tg.

• Suszenie konwekcyjne. Problem przejścia szklistego podczas suszenia produktów o dużej zawartości cukrów (skórki z owoców) lub produktów o dużej lepkości. Produkty pozostają wilgotne nawet przy niskiej zawartości wody. Cukry są niskocząsteczkowe i obniżają wartość Tg. Podobny jest efekt, gdy zniszczenie skórki lub tkanki owocu powoduje wypływ cukrów z wnętrza na powierzchnie. Podczas chłodzenia mogą one stwardnieć, gdyż temp produktu będzie niższa od Tg

WPŁYW Tg NA FIZYKO - CHEMICZNE ZMIANY W SUSZONYCH PRODUKTACH

Krystalizacja

Produkty amorficzne - metastabilne, mogą krystalizować w czasie przechowywania. Szybkość krystalizacji wzrasta wraz ze wzrostem różnicy pomiędzy temp produktu a temp przejścia szklistego. Amorficzne formy niskocząsteczkowych cukrów i hydrolizatów białkowych są bardzo higroskopijne, jeśli produkt chłonie wilgoć, to jego Tg się obniża i szybkość krystalizacji się zmniejsza. Krystalizacja powoduje „ucieczkę” związków lotnych zawartych w suszonych produktach, a w przypadku opakowanych produktów może zwiększać a_w systemu i obniża jakość produktu również mikrobiologiczną.

Kruchość i łamliwość

Zwiększenie zawartości niskocząsteczkowych cukrów i wody obniża wartość Tg i produkt traci swa kruchość. Woda działa jako plastyfikator, a dodatek niskocząsteczkowych cukrów i alkoholi wielowodorotlenowych (glicerol) może utrzymać plastyczną lub „gumową” teksturę suszonych produktów o średniej zawartości wody nawet, gdy produkt ma niska wilgotność.

Skurcz i porowatość

W początkowym okresie suszenia ilość odparowanej wody odpowiada zmianie objętości a w dalszych etapach prowadzi do usztywniania ścian komórkowych. Wzrasta wytrzymałość powierzchni na działanie mechaniczne i deformacje. Wnętrze materiału charakteryzuje się małą wytrzymałością na rozciąganie co powoduje rozrywanie tkanki wewnątrz.

Porowatość jest to parametr, który wpływa na właściwości przenoszenia masy oraz determinuje mechaniczne właściwości i teksturę żywności. Porowatość zwiększa się w trakcie suszenia. Stan szklisty, który tworzy się w końcowych stadiach suszenia zwiększa lepkość i wytrzymałość mechaniczną materiału, utworzone pory nie zapadają się, jak ma to miejsce na początku suszenia i skurcz jest utrudniony.

Rehydratacja

Na przebieg rehydratacji wpływa porowatość. Ilość zaadsorbowanej wody i czas rehydratacji zależą od:

• Rodzaju surowca (jego składu chemicznego i struktury)

• Stopnie rozdrobnienia

• Rodzaju obróbki wstępnej

• Technologii i parametrów suszenia

• Warunków przechowywania

• Warunków uwadniania

STABILNOŚĆ PRZECHOWALNICZA

Okres trwałości suszonej żywności zależy od:

• Natury materiału

• Warunków przechowywania

• Rodzaju opakowania

Niepożądane zmiany to:

• Utrata zapachu

• Brązowienie

• Straty barwników i wartości odżywczych

Czynniki odpowiedzialne za stabilność przechowalniczą to:

• Zawartość wody. Optymalna zawartość wody w suszu o długim okresie przechowywania odpowiada pojemności warstwy molekularnej (BET).

• Temperatura. Stabilność przechowalnicza jest odwrotnie zależna od temperatury, która wpływa nie tylko na szybkość przebiegu niepożądanych reakcji (np. hydroliza enzymatyczna_ ale tez na rodzaj mechanizmów psucia się żywności

• Dostęp tlenu. Zwiększenia stabilności przechowalniczej determinowane jest zablokowaniem dostępu tlenu, przez pakowanie produktu w a atmosferze gazów obojętnych.

W przypadku np. proszków otrzymanych na drodze suszenia rozpyłowego, których duża powierzchnia jest przyczyna absorbowania cząsteczek tlenu. W czasie procesu przechowywania pakowanie w atmosferze gazów obojętnych jest nieskuteczne. Bardzo dobre rezultaty osiąga się natomiast przechowując w atmosferze o zawartości azotu 23% z domieszką wodoru, bez tlenu.

• Dostęp światła. Utlenianie tłuszczu, niektórych witamin oraz straty barwników to wina światła.

KRYTERIA PODZIAŁU SUSZAREK

1. ciśnienie panujące w suszarce: atmosferyczne, próżniowe

2. charakter pracy - działanie okresowe lub ciągłe

3. sposób doprowadzenia ciepła - konwekcyjne, kontaktowe, radiacyjne, dielektryczne, sublimacyjne

4. rozwiązania konstrukcyjne - komorowe, tunelowe, taśmowe, bębnowe, walcowe, pneumatyczne, rozpyłowe, wibracyjne

WSKAŹNIKI PRACY SUSZARKI

Sprawność kinetyczna (energetyczna). η = q użytkowe / q całkowite

q użytkowe - energia (ciepło) użyteczne, ciepło zużyte na odparowanie wody z materiału

q całkowite - całkowita ilość energii zużyta w procesie. Ciepło przyjmowane przez 1kg powietrza w podgrzewaczu

q użytkowe = r(x₂ - x₁) [K]/ kg pow such] gdzie r - ciepło parowania w średniej temp materiału [K]/kg H₂O]

x₂, x₁ - bezwzględna zawartość wody w powietrzu [kg H₂O/kg ps]

q całk = Cp (t₁ - t₀) = i₁ - i₀

Jeżeli obliczenia prowadzi się na 1kg odparowanej wody to:

η_s = q użyt / q całk = (r+Δr) / q podgrzewacza

Δr - uwzględnione, gdy proces prowadzi się do wysokiego stopnia wysuszenia

Objętościowe natężenie odparowania Wr [kg/m³ * s]

Masa wody odparowanej w jednostce czasu przypadająca na jednostkę objętości suszarki. Wskaźnik ten stosuje się do suszarek dyspersyjnych (materiał zawieszony w gazie)

Powierzchniowe natężenie odparowania W_A [kg/m² * s]

Masa wody odparowanej w jednostce czasu, przypadającą na jednostkę powierzchni suszarki. Wskaźnik ten stosuje się do suszarek taśmowych, półkowych, komorowych, czyli w warunkach przepływu czynnika suszącego nad powierzchnia materiału przez złoże.

Jednostkowe zużycie ciepła - Ilość ciepła zużyta w suszarce na jednostkę masy wody usuniętej z materiału lub jednostkę wysuszonego produktu.

RODZAJE SUSZAREK

Suszarki tunelowe

Zastosowanie - do suszenia materiałów w płytach, kartonie, skór, materiałów ceramicznych, ziarnistych o konsystencji pasty, włóknistych itp.

Przepływ powietrza - współprądowy, przeciwprądowy, prostopadły w stosunku do ruchu materiału

Wady - nierównomierność suszenia na różnych wysokościach tunelu. W suszarkach współprądowych i przeciwprądowych następuje znaczny spadek temperatury na wlocie i wylocie i znaczny wzrost wilgotności powietrza

Suszarki taśmowe

Mają taśmę z tkaniny lub siatki, służy ona do przenoszenia materiałów wewnątrz suszarki.

Zastosowanie - materiał w stanie zgranulowanym, w postaci włóknistej, krystalicznej, ogólnie w postaci cząstek o wymiarach od 3 do 15 mm. W przemyśle spozywczym może być zastosowane suszenie pianowe.

Przepływ powietrza - współ, przeciwprądowy, w prądach skrzyżowanych, poprzez materiał.

Rodzaje - suszarki taśmowe z nawiewem poprzez materiał; taśmowe konwekcyjne, w których taśma nie jest przepuszczalna dla powietrza, które przepływa nad materiałem; suszarki taśmowe kontaktowe, w których nieperforowana taśma przesuwa się nad gorącą powierzchnią (proces prowadzony zazwyczaj pod obniżonym ciśnieniem)

Suszarki z przepływem powietrza przez materiał

Duże szybkości suszenia dzięki rozwinięciu powierzchni kontaktu międzyfazowego. Suszenie równomierne. Warstwa materiału od 25 do 250 mm, złoże jest w stanie spoczynku i nie następuje ścieranie się cząsteczek.

Taśmy przesuwają się z prędkością 5 - 8 mm/s, opory przepływu przez taśmę ok. 2,5 hPa, przekroczenie tych wartości będzie powodowało, że powietrze będzie przepływać nie przez materiał, ale bokami.

Suszarnictwo pianowe

Wykorzystuje się tu spienione płynne zawiesiny i otrzymuje się łatwo rozpuszczalny proszek. Gęstości pian wynoszą od 0,1 do 0,8 g/cm³.

Stabilność i mechaniczna wytrzymałość pian zależy od:

• lepkości surowca (zawartości elektrolitów), podwyższenie lepkości można uzyskać poprzez zagęszczenie lub przez dodanie koloidów hydrofilowych ( zastosowanie metylocelulozy, żelatyny w przetworach mięsnych i pektyn w owocach jagodowych)

• dodanego środka spieniającego - stabilizatora pian. Najpowszechniej są stosowane związki powierzchniowo czynne : białko soi, monostearynian glicerolu, monostearynian glikolu propylowego, palmitynian sacharozy, albumina jaja kurzego

Przebieg spieniania zależy od:

• typu i obrotów użytych ubijaków

• czas i temperatura ubijania

• rzadziej gaz (powietrze i azot - piany stabilne, CO₂ - destabilizuje piany)

Sposoby suszenia:

• w warstwie - piana nakładana na taśmę lub tacę w postaci warstwy i poddana owiewowi gorącego powietrza. Temp powietrza na początku procesu jest znacznie niższa niż w końcowym etapie (49 - 79⁰C). Czas suszenia warstwy o grubości 3 mm to ok. 65 min. Wydajność procesu 2-3 kg/m³ * h gotowego produktu.

Proces „Microflake” to odmiana suszenia w warstwie. Suszenie piany w warstwie o grubości 0,25 - 1 mm, zwykle 0,5 mm, na stalowej taśmie ogrzewanej od spodu nasycona para wodną. Z góry płynie również strumień gorącego powietrza, czas suszenia 40 - 70s, a wydajność procesu 10 - 15 kg/m² * h gotowego produktu.

• Metoda „spaghetti” - piana nanoszona na taśmę lub tace w postaci wałeczków o średnicy 1,5 - 3 mm. Czas suszenia jest czterokrotnie skrócony w porównaniu z suszeniem w warstwie. Wydajność procesu ok. 0,5 kg/m² * h gotowego produktu

• Metoda kraterowa - piana nanoszona na taśmę lub tace w warstwie o grubości ok. 3 mm. Tace są perforowane, przez nie poprzecznie przepływa powietrze o prędkości ok. 4 m/s, rozrywa pianę tworząc kratery. Tak przygotowana pianę suszy się w suszarce komorowej z poprzecznym przepływem powietrza. Uzyskuje się znaczne skrócenie czasu suszenia w stosunku do suszenia w warstwie, a wydajność procesu ok. 2,5 kg/ m² * h gotowego produktu.

W układzie porowatym jest łatwy dostęp do suszonego materiału i struktura po suszeniu pozostaje nie zmieniona, co daje lepszą rehydratacje. Jest natomiast problem z przechowalnictwem materiałów. To suszenie jest rzadko stosowane na skale przemysłową.

Suszarki konwekcyjne

Suszarki opadowe (szybowe) Stosowane są do suszenia materiałów ziarnistych (tj zboża, cukier, nasiona oleiste, węgiel granulowany). Gorące powietrze jest doprowadzone prostopadle do materiału suszonego.

Typy suszarek szybowych: materiał opada swobodnie; swobodny ruch materiału jest sztucznie zwalniany przez zainstalowanie przegród; materiał porusza się w aparacie w postaci ciągłej masy, jego prędkość określona jest przez ilość odbieranego materiału suchego; prędkość materiału określona jest przez prędkość mechanizmów transportujących wewnątrz suszarki.

Jednostka odparowania objętościowego to 20 - 50 kg/m³ * h

Wady mała intensywność suszenia; nierównomierność suszenia ze względu na trudności w zapewnieniu równomiernego przepływu ziarna, szczególnie w obszarze materiału wilgotnego.

Rodzaje przegród pionowe perforowane przewody, żaluzjowe kolumny, daszki

Suszarki bębnowe

Przepustowość kilkuset kg - kilka ton/h. Zbudowane są z bębna obracającego się wzdłuż osi przechodzącej przez środek podstawy walca. Materiał w bębnie jest unoszony. Powietrze może przepływać współprądowo i przeciwpradowo. Bębny są nieznacznie pochylone.

Zastosowanie : do suszenia materiałów zgranulowanych, swobodnie przesypujących się, nieodpornych na działanie wysokich temperatur. W przemyśle spożywczym - wytłoki jabłkowe, wysłodki buraczane, skrobia, cukier, ziarna kakaowe i kawy, mączka rybna, słód.

Rodzaje: suszarki bezprzeponowe, suszarki z żaluzjami, suszarki przeponowe

Suszarki bezprzeponowe.

• Prędkość obrotowa 1-15 obr/min, średnica bębna do 4 m, długość od 4 do 15 średnic

• Liczba przegród przyspawanych do bębna od 6 do 12 średnic liczonych w metrach. Szerokość przegród od 1/12 do 1/8 średnicy bębna

• Parametr charakteryzujący pracę suszarki bębnowej to tzw załadowanie

X = Vm śr/V

Vm śr i V - średnia objętość materiału w bębnie i objętość pustego bębna

• Dla materiałów suszących się wolno i takich, które maja długi pierwszy okres suszenia są znaczne wartości załadowania

• Załadowanie dla suszarek współprądowych jest mniejsze niż dla przeciwprądowych

• Suszenie wpołpradowe jest stosowane do usunięcia znacznej ilości wody w początkowym stadium suszenia oraz do suszenia materiałów, których nie należy przegrzewać.

• Suszenie przeciwprądowe - do materiałów, które wymagają łagodnego suszenia w stanie wilgotnym, do materiałów o wysokiej równowagowej zawartości wody

Suszarki żaluzjowo - bębnowe

• Przekrój poprzeczny kanałów nawiewnych stopniowo zmniejszony w kierunku wylotu bębna

• Dość znaczna głębokość złoża, zajmuje ono ok. 40% objętości suszarki, co pozwala na uzyskanie znacznych czasów suszenia

• Nadaje się do materiałów, których długi okres suszenia jest długi.

Suszarki przeponowe

Stosowane są

• gdy materiał nie może się kontaktować z gazami spalinowymi,

• gdy obecne w nim składniki są lotne, a chcemy zachować je w produkcie

• tworzy się nadmierna ilość pyłu w suszarce bezprzeponowej

prędkość przepływu powietrza 0,3 m/s

sprawność bardzo wysoka 75 - 90%

wada - trudności czyszczenia

Jest szczególnie przydatna dla materiałów o długim okresie malejącej szybkości suszenia. Średnica 1,5 - 3m, długość 10 - 20m. Istotny jest czas suszenia. Czas przebywania materiału w suszarce zależy od prędkości obrotów bębna. Czas przebywania jest odwrotnie proporcjonalny do szybkości obrotu.

Średnica bębna - dla obecnego pochylenia bębna, ruch materiału w kierunku wylotu suszarki zależy od wysokości, z której materiał spada z przegród znajdujących się w górnej części. W miarę wzrostu średnicy zwiększa się przesuw materiału w suszarce i skraca się czas pobytu.

Pochylenie bębna - czas przebywania w suszarce przy danej prędkości obrotowej jest odwrotnie proporcjonalny do pochylenia. Od 1/20 do 1/50 oraz obroty od 2 do 7 na minutę

Załadowanie procentowe - Istnieje pewne załadowanie procentowe, przy którym czas przebywania jest najdłuższy. Załadowanie procentowe przyjmuje wartość od 8 do 12% objętości suszarki ( w zależności od pochylenia bębna)

Prędkość przepływu powietrza - zwiększenie prędkości przepływu powietrza w suszarce współprądowej skraca czas przebywania materiału w suszarce, a w suszarce przeciwprądowej wydłuża. W praktyce prędkość powietrza wynosi od 0,2 dla materiałów lekkich do 10 m/s dla ciężkich materiałów gruboziarnistych.

Liczba i konstrukcja przegród - Im więcej przegród, tym dłuższy czas przebywania materiału w suszarce

Własności fizyczne materiału

Suszarki dyspersyjne

Suszenie jest w stanie zawieszonym, na który składają się stany od fluidalnego do pełnego transportu pneumatycznego.

W grupie suszarek dyspersyjnych są różne rodzaje suszarek - fluidyzacyjne, fontannowe. W tych suszarkach można suszyć ciała stałe i ciecze przez rozpylenie cieczy w strumieniu powietrza.

Schematy suszarek dyspersyjnych

1. 
   suszarka fluidyzacyjna

2. suszarka fluidyzacyjna

3. fontannowa

4. pneumatyczne

O doborze suszarki dyspersyjnej decyduje:

• wielkość cząstek materiału

• stopień polidyspersyjności (stosunek średnio skrajnych frakcji w materiale)

• adhezyjne właściwości cząstek mokrych

• czas suszenia materiału w stanie zawieszonym

Suszarki ze złożem wibracyjnym i wibracyjno - fluidalnym

Intensyfikacja procesu suszenia poprzez zastosowanie drgań polega na wzroście współczynników wnikania poprzez zaburzenia warstwy granicznej oraz wzroście powierzchni międzyczasteczkowej wskutek oddziaływania drgań na strukturę złoża. Suszarki ze złożem fluidalnym są to suszarki, w których powietrze przepływające przez materiał przekracza początkową prędkość fluidyzacji. Nie stosuje się wtedy wibracji bardzo intensywnych, bo mogą mieć nawet ujemny wpływ na wymianę ciepła i masy (drgania < g )

Suszarki ze złożem wibracyjnym

Suszarki, w których złoże jest poddane drganiom i suszone bez przepływu powietrza (kontaktowo pod obniżonym ciśnieniem), z przepływem powietrza nad materiałem, lub z przepływem powietrza przez materiał z prędkością mniejsza od prędkości początku fluidyzacji (mierzonej dla złoża niewibrowanego). Ponieważ przepływające powietrze mam mały wpływ na dynamikę złoża, stosuje się intensywne wibracje (przyspieszenie drgań znacznie większe od ziemskiego), co poprawia wymianę ciepła i masy

Suszarki ze złożem fontannowym

Aparaty o średnicy rozszerzającej się wraz z wysokością komory, pracujące w warunkach warstwy fontannowej - wprowadzono to dla uniknięcia:

• niemożności pracy przy wyższych prędkościach przepływu gazu

• trudności w suszeniu materiałów polidyspersyjnych

• zmniejszenia się przepływu gazu w pobliżu przegrody

Zalety:

• regularna zmiana prędkości przepływu gazu od dołu do góry pozwala suszyć cząsteczki o różnych wymiarach i z zakresie różnej intensywności

• dostatecznie duża prędkość przepływu czynnika suszącego w dolnej części aparatu pozwalająca, szczególnie przy dużych kątach rozwarcia stożka, suszyć cząstki, których dłuższy kontakt z przegroda jest niedopuszczalny.

Na charakter ruchu cząstek wpływa:

• prędkość przepływu gazu

• geometria aparatu

• właściwości fizyczne cząstek tworzących złoże

wysokość statyczna złoża

Złoże statyczne złoże fontannowe złoże wrzące

Wytyczne ogólne (ustalone na podstawie badań w warunkach stabilnego formowania)

• rozmiar cząsteczek powinien zahaczać się w przedziale 10^-3 - 3 x 10^-2

• kat rozwarcia stożka w zakresie 30 - 50^o

• stosunek średnicy części walcowej aparatu do średnicy wylotu...........

Suszenie past, roztworów i zawiesin w złożu fontannowym stosuje się z użyciem materiału inertnego. Jako inert wykorzystuje się najczęściej agalit, teflon, polistyren, szkło, kauczuk silikonowy, permatyt, tlenek glinu, piasek kwarcowy.

Jednocześnie przebiegają procesy:

• odprowadzenie wody

• narastanie i tworzenie granulków w złożu i na powierzchni cząstek inertnych

• ścieranie i rozdrabnianie

Suszarki strumieniowe

Cząstki materiału dostają się do gorącego strumienia suszącego. Proces suszenia następuje podczas transportu pneumatycznego materiału

Suszarki te charakteryzują się

• dużą intensywnością ruchu ciepła i masy, co wynika ze znacznego rozwinięcia powierzchni materiału, dużej siły napędowej przy wymianie ciepła i masy i dużych prędkościach przepływu gazu

• dużym zużyciem powietrza i mocy na przetłaczanie tego powietrza

• szerokim zakresem stosowanym do suszenia materiałów o różnej postaci w zależności od konstrukcji suszarki.

Suszarkami strumieniowymi nazywamy :suszarki pneumatyczne, spiralne, wirowe

Suszarki pneumatyczne

Czas przebywania cząstek od 0,5 do 4 s, recyrkulacja może wydłużyć czas do 1 min.

Zalety:

• krótki czas kontaktu - przepływ współprądowy pozwala suszyć materiale nieodporne na temperaturę

• mogą być stosowane wysokie temp na wlocie

• suszarka wymaga małej powierzchni i może być instalowana na otwartym powietrzu; końcowe urządzenia odpylające musza się znajdować w ogrzewanym pomieszczeniu w celu uniknięcia zawilgocenia materiału

• suszarka jest łatwa w kontroli, małe zawartości materiałów s suszarce pozwalają na szybkie osiągnięcie równowagi po zmianie warunków

• niskie koszty konserwacji

• dość niskie koszty inwestycyjne.

Wady:

• wymagane z zastosowaniem urządzeń odpylających o dużej sprawności

• ze względu na emisje pyłów nie nadają się do suszenia materiałów toksycznych

• mogą nastąpić trudności w prowadzeniu procesu, jeżeli materiał suszony zawiera trudne do rozdrobnienia aglomeraty

• nie nadaje się do materiałów lepkich i trudno przesypujących się

W suszarkach tych nie można suszyć zbóż o dużych ziarnach. Można suszyć skrobię, ziarna małych zbóż i nasion oleistych o małych cząsteczkach.

LIOFILIZACJA

Zalety:

• bardzo wysoka jakość (brak degradacji cieplnej, minimalizacja procesów zachodzących najszybciej przy średniej zawartości wody np. nieenzymatyczne zbrunatnienie, zachowanie naturalnego składu chemicznego, zwłaszcza witamin i olejków eterycznych

• mały skurcz, zwykle ta sama struktura i wygląd

• największa ze znanych szybkość ponownego uwadniania

• ułatwiona możliwość sterylnego otrzymania suchego produktu w jednostkowych opakowaniach handlowych

Wady:

• bardzo duży koszt wytwarzania produktów (wysokie zapotrzebowanie energii, skomplikowana instalacja)

• konieczność stosowania odpowiednich opakowań.

Zastosowanie: przemysł farmaceutyczny, medycyna, biotechnologia, narządy do transplantacji, preparaty tkankowe, składniki koncentratów zup w proszku, ekstrakty kawy, herbaty.

Etapy:

• otrzymanie surowca

• zamrażanie

• suszenie sublimacyjne

• suszenie desorpcyjne (dosuszanie do żądanej zawartości wody poprzez usuwanie wilgoci pod obniżonym ciśnieniem, co następuje wraz z podwyższeniem temperatury do dodatnich

• kondycjonowanie w połączeniu z pakowaniem i przechowywaniem

Niekorzystne dla tego suszenia jest tzw załamanie struktury, wynika ono z nieprawidłowo przeprowadzonego procesu.

Sublimacja zaczyna się na powierzchni materiału i przechodzi do wnętrza, pomiędzy parami powstaje warstwa zagęszczonego produktu. Jakość suszonego materiału zależy od szybkości zamrażania (im szybsze, tym lepiej). Dla drożdży żywych dodaje się substancje ochronne - glicerol, aby powstające kryształy nie rozrywały błon komórkowych.

Dla producentów żywności ważne jest zachowanie aromatu - są to setki różnych składników lotnych, których lotność jest większa od lotności wody. Początkowo efekt zachowania aromatu w czasie suszenia sublimacyjnego przypisywano adsorpcji cząsteczek składników aromatycznych na wielkich wewnętrznych powierzchniach produktu, utworzonych w procesie sublimacji. Późniejsze badania przeprowadzone na układach modelowych zawierających proste składniki lotne w roztworze wodnym wykazały, że:

• składniki lotne SA zatrzymywane głównie w miejscach swojego początkowego położenia w produkcie, a z trudnością SA zatrzymywane przez pory warstw powierzchniowych wcześniej wysuszonych.

• Retencja składników lotnych jest większa w produkcie zamrażanym powoli w czasie kilku godzin niż p0 zamrożeniu 30 - 45 s

• Główna strata aromatu następuje w początkowym etapie suszenia

• Straty aromatu w czasie przechowywania nie następują jeśli zawartość wody utrzymuje się poniżej pewnej określonej wartości zbliżonej do wartości monowarstwy BET

• Tworzenie i utrzymanie struktury matrycy SA elementami krytycznymi dla retencji składników lotnych. Zamkniecie aromatu w strukturze matrycy może być interpretowana na dwa sposoby

Koncepcja mikroregionów

Obniżenie zawartości wody powoduje utworzenie wiązań pomiędzy cząsteczkami węglowodanów i powstanie struktury kompleksowej, wiążącej składniki aromatyczne

Mechanizm dyfuzji selektywnej

Współczynnik dyfuzji składników aromatycznych w roztworze: węglowodany - woda zależy w znacznym stopniu od stężenia wody, gdy stężenie wody spada poniżej wartości krytycznej, współczynnik dyfuzji wody jest dużo wyższy.

Przykłady parametrów pracy:

• W komorze sublimacyjnej ciśnienie 66,66Pa. Przy takim ciśnieniu para wodna ulega skropleniu na powierzchni schłodzonych w temp poniżej -24,5⁰C. Żeby spowodować przepływ pary na powierzchni, na której zostanie ona skroplona, wymagany jest spadek ciśnienia do ok. 53 Pa. Wówczas skroplenie nastąpi gdy temp obniży się do -26,7⁰C. Aby utrzymać tę temperaturę na powierzchni lodu, czynnik chłodniczy wewnątrz przewodów musi mieć -35⁰C

Kierunki suszenia prowadzące do poprawy jakości

1. Poprawianie jakości

2. Wprowadzenie układów wieloogniowych np. łączenie suszenia z aglomeracją, suszenie z powlekaniem cząstek, suszenie z segregowaniem

3. Wprowadzenie suszarek wykorzystujących różne źródła ciepła

4. Rozwijanie takich suszarek, w których łączy się np. suszenie z filtracją, aby przyśpieszyć proces

Rozwiązania przyszłościowe

• Suszenie rozpylonych strumieni i rozdrobnionych ciał stałych w polu mikrofalowym

• Suszenie przez zmieszanie wilgotnych cząstek z suchym, bezprzeponowo ogrzewanym złożem cząstek czynnika suszącego

• Suszenie przerywane przez dostarczanie ciepła (na drodze konwekcji, promieniowania lub mikrofal) dla zaoszczędzenia energii i zminimalizowania uszkodzeń materiałów termolabilnych

• Suszenie w zmodyfikowanym złożu fluidalnym lub fontannowym, np. w złożu fontannowym mieszanym mechanicznie, fluidalnym z wbudowanymi przenośnikami, fluidalnym wirowanym, fluidalnym przez nadmuch dyszowy

• Z dodatkowym ogrzewaniem suszarek bębnowych fluidalnych, fontannowych do suszenia ciał stałych poprzez dostarczenie energii mikrofalowej w celu skrócenia czasu suszenia. Indukcyjne ogrzewanie ruchomych powierzchni (np. ścianek obracających się zbiorników, lub obracających się ramion mieszadła) w celu zapewnienia bezpośredniego ogrzewania i zwiększenia sprawności termicznej.

• Zastosowanie promieniowania akustycznego lub naddźwiękowego w celu poprawy warunków wewnętrznego i zewnętrznego transportu ciepła i masy podczas suszenia.

SUSZENIE AKUSTYCZNE

• Intensyfikowanie transportu ciepła i masy pod wpływem energii akustycznej i ultradźwięków w czasie procesu suszenia konwekcyjnego i liofilizacji

• Niska (pon 20%) sprawność konwersji dostarczanej energii w promieniowanie akustyczne

• Zalecane do usuwania wilgoci powierzchniowej - energia akustyczna przyspiesza znacznie proces suszenia w pierwszym okresie suszenia przez wywołanie turbulencji w warstwie granicznej

• Największy wzrost szybkości suszenia jest dla materiałów o bardzo dużym stosunku powierzchni do objętości, w których przeważają opory zewnętrzne przenoszenia masy

• Stwierdzono również przyspieszenia suszenia w drugim okresie, co tłumaczy się wzrostem dyfuzyjności, ruchliwości płynów w kapilarach, tworzeniem pęcherzyków, które mogą przyśpieszyć usuwanie wilgoci

• Zapotrzebowanie energii w suszeniu akustycznym od 3 do 4 razy wyższe niż w konwekcyjnych technikach suszenia termicznego - powód - niska efektywność radiatorów dźwiękowych

Zastosowanie: - dla materiałów trudnosuszących się, drogich, dla produkcji niskotonazowej (np. farmaceutyki)

SUSZENIE PARĄ PRZEGRZANĄ

Koncepcja suszenia opracowana ok. 100 lat temu.

• Znaczne zmniejszenie zużycia energii, nawet czterokrotnie, w porównaniu z suszeniem konwekcyjnym

• Nie mam możliwości zachodzenia reakcji utleniania, produkt lepszej jakości

• Nie następuje niebezpieczeństwo wybuchu lub pożaru

• W zależności od temperatury pary możliwe jest uzyskanie wyższych prędkości suszenia

• Nie tworzy się na powierzchni suszonego materiału twarda, nieprzepuszczalna skorupka

Wady:

• Nie można dopuścić do nieszczelności

• Konieczność ochrony przed skropleniem w miejscach niepożądanych. Jeśli zasilanie rozpoczyna się w temp pokojowej, to nieunikniony jest proces kondensacji pary na powierzchni materiału przed rozpoczęciem odparowania, co wydłuża czas pobytu materiału w suszarce o 10 - 15%

• Wysoka temp materiału - przy ciśnieniu atmosferycznym proces usuwania wody z powierzchni rozpoczyna się, gdy materiał osiągnie temp 100⁰C

• Znacznie wyższy koszt aparatury; w większości przypadków SPP jest uzasadnionym wyborem, tylko przy bardzo dużej produkcji, w systemach ciągłych

Zastosowanie

• Węgiel, torf, drewno, papier, masa celulozowa

• Wyslodki buraczane w cukrowniach

• 
  Wyslodziny browarnicze i inne osady pofermentacyjne

• Ryby do produkcji mączki zastosowanie

• Skórki i miazga owocowa z cytrusów perspektywiczne

• Wysłodki jabłkowe

Filtracja połączona z suszeniem

Korzyści z połączenia 2-óch operacji

• Poprawia jakość produktu dzięki połączeniu różnych operacji w jednym urządzeniu (brak zanieczyszczeń)

• Poprawa ekonomiki i wydajności produkcji (brak transportu mokrego materiału, mniejsze ubytki produktu, krótszy czas przebywania w suszarce, mniejsze zużycie cieczy myjących)

• Zredukowane koszty inwestycyjne i bieżące (brak filtrów, wirówek oddzielających, zbiorników myjących)

• Zwarta konstrukcja i mniejsze objętości

• Doza przepustowość urządzenia

Pionowa filtro - suszarka

Mieszanie + ogrzewanie wszystkich nawierzchni, z którymi materiał się kontaktuje. Może być stosowana do materiałów biotechnologicznych. Rozwiązaniem konstrukcyjnym

Jest dwustopniowa suszarka rozpyłowa i taśmowa. Wilgotny proszek opada na przenośnik z poliestru, gdzie powietrze jest ogrzewane/

Suszarka pulsofluidalna

Drganiu podlega gorące powietrze suszące. Stosowana jest do materiałów o dużym stopniu polidyspersyjności.

Dwustopniowa suszarka pulsofluidalna - zalety:

• Dobra fluidyzacja nawet dużych anizotropowych cząstek (np. pokrojone warzywa o średnicy 20 - 30 mm i grubości 1,5 - 3 cm

• Lepsza struktura złoża (brak kanalikowania, lepsze wymieszanie cząstek)

• Oszczędność energii powyżej 50% (znaczne mniejsze zapotrzebowanie powietrza)

Zastosowanie: - ziarno, nasiona roślin strączkowych, krojone warzywa, materiały krystaliczne (cukier)

Suszarka Jetzone

Ma szereg dyszy powietrznych, kierujących suszony materiał na powierzchnię nieperforowanego przenośnika taśmowego. Powietrze z ciśnieniowej komory sprzężenia przechodzi przez dyszę, tworzy „poduszkę powietrzną” pod złożem i wokół cząstek. Materiał na przenośniku przesuwa się wzdłuż suszarki. Suszarka ta może być podzielona na sekcje o różnych temperaturach.

Zalety:

• Ujednolicone i kontrolowane suszenie

• Łatwość czyszczenia (brak perforacji przenośnika)

• Niewiele części ruchomych

• Możliwość szybkiego przestawienia produkcji na inny asortyment

Zastosowanie

• Materiały, które zmieniają rozmiar, kształt, gęstość - np. ziemia okrzemkowa, żywność w postaci włóknistej, granulowanej, trociny, pokarm dla zwierząt itp.

Suszarka Jet - Pro

Czynnikiem suszącym jest powietrze. Suszarka wyposażona jest w siatkę, która wprowadza powietrze w ruch wirowy.

Zalety:

• Sprawność suszenia 75%

• Mała objętość

• Niski koszt inwestycji

• Duża różnorodność zastosowań i elastyczność

• Dobra konsystencja i jakość produktu

• Niski koszt konserwacji

Zastosowanie

• Otrzymywanie suchych produktów o bardzo dobrej teksturze z trudnoschnacych materiałów (syropy) o początkowej zawartości wody od 20 do 75% jeśli będzie dodatkowo wyposażona w odpowiednią wytłaczarkę

• Mięso, kurczaki od 64% do 4% wilgotności, temp powietrza 182⁰C, sprawność 51%

• Suszenie glutenu ze zbóż od 62 do 10% wilgotności, temp powietrza 190⁰C, sprawność 87%

• Suszenie ziarna słodu od 74 do 14% wilg, temp 246⁰C, sprawność 73%

Suszarka pierścieniowa do glutenu

Wilgotny materiał jest rozpylany w strumieniu przepływającego powietrza. Różnica pomiędzy tą suszarką, a suszarką pneumatyczną polega na tym, że ta ma automatyczny klasyfikator wydłużający czas pobytu w suszarce cząstek o większej wilgotności. W klasyfikatorze oddzielanie cząstek odbywa się na zasadzie różnicy gęstości i zawartości wody za pomocą łopatek. Cząstki odpowiednio wysuszone są kierowane do cyklonu i do wyjścia, a wilgotne są zawracane do owiewu.

Ta suszarka śluzy do suszenia materiałów lepkich, adhezyjnych, mających zdolność do aglomeracji. Gluten wprowadzamy do dezintegratora i mokry gluten, oblepiony cząstkami suchymi, co zimniejsza zdolność do aglomeracji.

Cechy charakterystyczne w porównaniu ze standardami pneumatycznymi:

• Wewnętrzna recyrkulacja powietrza

• Selektywna klasyfikacja

• Dłuższy czas przebywania materiału w suszarce

• Zwarta konstrukcja i zredukowana wysokość

• Optymalne rozdrobnienie i redukcja wymiarów cząstek

Zastosowanie:

Wskazania do suszenia materiałów adhezyjnych (lepkich), których suszenie przebiega tylko w okresie zmniejszającej się szybkości suszenia i mających tendencje do aglomeracji: modyfikowana skrobia kukurydziana, gluten

Suszarka wirowa

Charakteryzuje się spiralnym przepływem mieszaniny cząstki - gaz, spowodowanym stycznym wylotem strumienia do komory suszenia. Zasilanie wilgotnego materiału następuje bezpośrednio do komory za pomocą przenośnika ślimakowego, lub dyszy rozpylającej. Bezpośrednio rozpylony materiał w strumieniu medium suszącego (powietrze, gaz obojętny, para przegrana)

Suszarka wirowa wielostopniowa

Pozwala na wydłużenie czasu zatrzymania cząstek w suszarce i stosowanie zróżnicowanych temperatur. Doskonała dla suszenia warzyw. Temp materiału nie przekracza 70⁰C, a czas przebywania w suszarce - kila minut

Suszarka LMP

Dla materiałów o niskiej temp topnienia, w którym połączono korzyści płynące z zastosowania suszarek pierścieniowych i wirowych.

Zastosowanie

Dekstroza, kazeina, gluten, skrobia. Oryginalne zaprojektowana do suszenia stearynianów

15

14

---