I. Principio de la Tecnología de Secado por Aspersión
El principio básico del secado por aspersión es que el material se bombea a través de un filtro hasta el atomizador en la parte superior del secador. El atomizador dispersa el material líquido en gotas. Debido al pequeño radio de las gotas, la gran superficie específica y la energía libre superficial, y la alta dispersión, la presión de vapor de la humedad en la superficie de la gota es mayor que la de la humedad en un líquido plano en las mismas condiciones. Por lo tanto, la humedad se evapora extremadamente rápido y el producto se seca rápidamente.
II. Factores principales que afectan el secado por aspersión
① Temperatura de entrada y salida
La temperatura de la cámara de secado por aspersión se refiere generalmente a la temperatura a la que el aire caliente ingresa a la torre. La temperatura de secado es el factor más importante que afecta las propiedades fisicoquímicas de los polvos secados por aspersión. Temperaturas de secado más altas proporcionan más calor a la cámara, lo que aumenta la velocidad de secado y reduce el contenido de humedad del producto. Al aumentar la temperatura de secado por aspersión de 120 °C a 200 °C, el contenido de agua en el polvo seco disminuyó del 5,29 % al 3,88 %. El tamaño de partícula del producto secado por aspersión también depende de la temperatura de entrada del secador. Temperaturas de secado más altas provocan una evaporación de agua más rápida, lo que hace que las microesferas se formen más rápidamente sin tiempo suficiente para contraerse, resultando en partículas de mayor tamaño.
Al aumentar la temperatura de secado de entrada de 138 °C a 202 °C, el tamaño de partícula del polvo de bayas de acai aumentó de 13,38 μm a 20,11 μm. De manera similar, el tamaño de partícula del polvo de jugo de guayaba aumentó significativamente (p < 1 %) con el incremento de la temperatura de entrada. La densidad aparente del polvo secado por aspersión disminuyó con el aumento de la temperatura. Las partículas más grandes pueden ser huecas internamente o tener una estructura porosa o fragmentada debido a la mayor tasa de evaporación del agua. Generalmente, las partículas porosas o fragmentadas presentan una menor densidad aparente.
Dado que el agua es más densa que la mayoría de los sólidos alimentarios secos, los polvos producidos a temperaturas más altas tienen densidades aparentes menores que los producidos a temperaturas más bajas; también se observó que las partículas de menor tamaño tenían mayores densidades aparentes.
La fluidez de los polvos secados por aspersión también se ve afectada en cierta medida por la temperatura de secado; a medida que aumenta la temperatura, la fluidez disminuye. La solubilidad es también una característica de calidad importante de los productos en polvo, que afecta directamente al comportamiento de remodelación de los alimentos secados por aspersión. A medida que la temperatura de secado por aspersión aumenta de 120 °C a 160 °C, la solubilidad del polvo aumenta.
② Material de recubrimiento: Las sustancias ricas en azúcar, como los zumos de frutas y verduras, son difíciles de secar por aspersión directamente sin agentes encapsulantes. Los materiales de recubrimiento son polímeros que encapsulan los ingredientes activos durante el proceso de secado por aspersión, lo que los convierte en uno de los factores más importantes en este proceso.
Los materiales de recubrimiento pueden aumentar la temperatura de transición vítrea y el rendimiento en el secado por aspersión, y reducir la viscosidad y la higroscopicidad de los productos en polvo. Entre los materiales de recubrimiento comunes se incluyen la goma arábiga, la maltodextrina, la gelatina, el almidón, la pectina, la metilcelulosa, el alginato y el fosfato tricálcico, así como sus combinaciones.
La elección del material de recubrimiento depende principalmente del objetivo del secado por aspersión y de las propiedades fisicoquímicas de los materiales procesados. El material de recubrimiento debe ser altamente soluble en el disolvente del proceso, tener suficiente capacidad de formación de película y producir una solución de baja viscosidad incluso a altas concentraciones. Para el secado por aspersión, los materiales deben tener un alto peso molecular y una alta temperatura de transición vítrea para mejorar las propiedades antiadherentes del producto final. También deben proteger los compuestos sensibles del calor, el oxígeno y la luz.
Los materiales de pared comunes para el secado por aspersión son los carbohidratos, principalmente:
1) Almidón y sus derivados (almidón, maltodextrina, dextrina y ciclodextrina);
2) Goma (goma arábiga o una mezcla de goma arábiga y Erythrina crista-galli);
3) Celulosa y sus derivados (celulosa, carboximetilcelulosa e hidroxipropilmetilcelulosa, etc.).
El almidón y sus derivados presentan buenas propiedades para el secado por aspersión, como un alto peso molecular y una alta temperatura de transición vítrea, alta solubilidad en agua fría de baja viscosidad, propiedades antiadherentes y la capacidad de producir polvos relativamente densos. Sin embargo, su capacidad de formación de película es baja, lo que perjudica la eficiencia del secado, especialmente para la conservación de compuestos sensibles.
En comparación con el almidón, las gomas tienen una mejor capacidad de formación de película, pero una temperatura de transición vítrea relativamente más baja. La celulosa y sus derivados poseen buenas propiedades de formación de película y actividad superficial, pero no se digieren fácilmente. Una combinación de almidón o derivados de almidón con goma puede mejorar el rendimiento del secado por aspersión, pero el contenido de goma debe ser menor que el de almidón o derivados de almidón.
Las proteínas, especialmente la proteína de suero, tienen excelentes capacidades de formación de película y retención de nutrientes, y se utilizan frecuentemente junto con almidón o derivados de almidón.
③ Velocidad de alimentación
La velocidad de alimentación es uno de los factores que influyen en el secado por aspersión. Determina el tiempo de residencia del material en la cámara de secado, el separador y la cinta transportadora, y también afecta la atomización del material y el tamaño de las gotas. La velocidad de alimentación depende esencialmente de la velocidad del atomizador; cuanto mayor sea la velocidad de la bomba, mayor será la velocidad de alimentación. Sin embargo, una velocidad de alimentación elevada ralentiza la transferencia de calor, lo que dificulta el secado completo de las gotas y facilita la adhesión a las paredes.
Además, debido a una atomización incompleta a caudales de alimentación elevados, las gotas pueden caer directamente en la cámara de secado, lo que reduce el rendimiento. Un caudal elevado provoca un tiempo de contacto insuficiente entre las gotas y el aire caliente, aumentando el contenido de humedad del polvo secado por pulverización; asimismo, un menor tiempo de contacto reduce la eficiencia de la transferencia de calor y masa, lo que resulta en un mayor contenido de humedad en el producto final.
III. Problemas comunes y mejoras en las torres de secado por pulverización
Problema 1: Medidas de prevención de explosiones
1) Seleccionar el tipo correcto de torre de secado;
2) Instalar equipos de extinción de incendios durante el diseño y la fabricación de la torre de secado;
3) Utilizar materiales lisos en las superficies del equipo en contacto con los materiales para evitar la deposición de material;
4) Instalar filtros de aire adecuados para evitar que los gases de escape con polvo sean aspirados por el calentador de gas de la cámara de secado;
5) Limpiar los filtros de aire periódicamente, incluyendo su enjuague;
6) Inspeccionar periódicamente las áreas propensas a la formación de depósitos durante el funcionamiento;
7) Inspeccione periódicamente todos los componentes eléctricos y mecánicos;
8) En el secado por pulverización centrífuga, las piezas giratorias deben funcionar sin problemas y ser inspeccionadas con frecuencia;
9) Instale dispositivos de puesta a tierra electrostática;
10) Mantenga todos los componentes del secador completamente limpios.
Además, para minimizar las pérdidas en caso de combustión y explosión del material dentro de la torre de secado por pulverización, se pueden tomar medidas como la instalación de válvulas de venteo de explosión en la parte superior de la cámara de secado; la instalación de varias válvulas en la cámara de secado que se abren automáticamente cuando la presión alcanza un cierto nivel; y el engrosamiento de las paredes de la cámara para tener en cuenta la posibilidad de explosión durante el diseño de la misma.
Fallo 2: El polvo húmedo se adhiere a la pared interior de la torre principal.
1) El caudal de alimentación es demasiado alto, lo que impide una evaporación suficiente;
2) Calentamiento insuficiente de la cámara de secado antes de comenzar la pulverización;
3) El caudal de alimentación se ajusta demasiado alto al inicio de la pulverización;
4) El material líquido añadido es inestable.
Métodos de reparación:
Reduzca adecuadamente el caudal de alimentación; aumente adecuadamente las temperaturas de entrada y salida del aire caliente; al inicio de la pulverización, el caudal debe ser bajo y aumentarse gradualmente hasta alcanzar el nivel adecuado; compruebe si hay obstrucciones en las tuberías, ajuste el contenido de sólidos del material y asegúrese de la fluidez del material líquido.
Fallo 3: Fuga grave de polvo y baja tasa de recuperación del producto
Si el separador ciclónico funciona mal o tiene un bajo rendimiento de eliminación de polvo, es probable que se produzca una fuga de polvo. En el primer caso, la solución consiste en inspeccionar el separador ciclónico para detectar fugas y asegurar su hermeticidad; en el segundo caso, la solución consiste en añadir un colector de polvo secundario.