Overzicht van het spraydrogingsproces

1. Wat is spraydrogen?

Spraydrogen is een droogmethode die de afgelopen 30-50 jaar enorm is ontwikkeld. Het biedt unieke voordelen voor het drogen van materialen terwijl degradatie wordt voorkomen. Het is een zeer veelzijdig proces dat zowel op laboratoriumschaal als in fabrieken die tientallen tonnen per uur produceren, kan worden toegepast. Een spraydrogingsproces biedt tevens het voordeel dat een poeder met een korrelgrootteverdeling binnen bepaalde grenzen kan worden aangepast, wat de eigenschappen en de hanteerbaarheid van het gedroogde materiaal aanzienlijk verbetert.

Om spraydrogen in één zin te definiëren, kan de volgende citaat van Masters (1991) worden aangehaald: Spraydrogen is de transformatie van een voedingsstroom van vloeibare toestand naar een gedroogde deeltjesvorm door de voeding in een heet droogmedium te sproeien.

Zoals vermeld in de definitie, moeten de te drogen materialen eerst in vloeibare vorm worden gebracht, geconditioneerd op de juiste viscositeit, temperatuur en druk voordat ze in een droogkamer worden gepompt via een sproeikop, waar droge lucht wordt ingevoerd.

2. Toepassingen van spraydrogen

Waarvoor wordt spraydrogen gebruikt?

Tegenwoordig wordt spraydrogen breed toegepast in diverse industrieën. Het heeft met name toepassingen gevonden in de voedingsmiddelenindustrie (bijv. spraydrogen van melk) en farmacie. Producten zoals oplosmelk of oploskoffie worden dankzij dit proces geproduceerd. De mogelijkheid om degradatie tijdens het drogen te vermijden, maakt het ook tot een voorkeursproces voor farmaceutische toepassingen.

Voorbeelden van toepassingen voor spraydrogen zijn hieronder gegeven:

• Oplosmelk
• Weipoeder
• Oploskoffie
• Melkvervanger (non-dairy creamer)
• Caseïne
• Aromastoffen
• Detergenten, zeep, oppervlakte-actieve stoffen
• Bestrijdingsmiddelen
• Pigmenten
• Kunstmeststoffen
• Antibiotica, vaccins, vitamines, gist
• Enzymen
• Polymeren

Deze lijst is slechts gedeeltelijk, maar al zeer uitgebreid. Veel industrieën gebruiken spraydrogen omdat het een continu droogproces biedt met een zeer korte verblijftijd bij verhoogde temperatuur. Hierdoor kunnen, indien het systeem goed is afgesteld, warmtegevoelige componenten worden gedroogd.

3. Hoe werkt spraydrogen?

Het principe van spraydrogen?

De onderstaande tekening is een vereenvoudigd processtroomdiagram van een typisch spraydrogingsproces met gelijklopende lucht/productstroom in de droogkamer en een open luchtcyclus. Er bestaan complexere en efficiëntere spraydrogings technologieën, maar de onderstaande weergave vormt een basis voor een industriële opstelling.

Figuur 1 - Processtroomdiagram van een spraydrogertoren

Onafhankelijk van de complexiteit van de installatie, bestaat het spraydrogingsproces uit 5 hoofdstappen, hierna beschreven.

3.1 Natproces

Voorafgaand aan het spraydrogen zijn de te drogen materialen in vloeibare vorm. Het proces vóór de spraydrogertoren heeft als doel de materialen zodanig te conditioneren dat spraydrogen mogelijk wordt en het rendement wordt geoptimaliseerd. Typische processtappen in dit deel van de lijn zijn:

• Oplossen / formuleren – indien de grondstof niet direct in vloeibare vorm beschikbaar is
• Concentreren / verdampen: een hoger vastestofgehalte resulteert in een beter rendement voor de spraydrogertoren
• Verwarmen: verwarming kan helpen om de viscositeitsstijging als gevolg van de concentratie te compenseren
• Pompen : de slurry wordt onder hoge druk naar de spraydrogertoren gepompt

3.2 Atomisering

Om een zeer snelle droging te garanderen, is het noodzakelijk de instroom van vloeistof in zeer kleine druppeltjes te atomiseren. Dit vergroot het oppervlak voor warmte- en massaoverdracht aanzienlijk, waardoor vocht de deeltjes sneller kan verlaten.

Deze atomisering gebeurt met behulp van één of meerdere sproeikoppen. Verschillende ontwerpen van spraydrogersproeikoppen bestaan en moeten worden gekozen op basis van het materiaal en het debiet om optimale resultaten te behalen:

• Druksproeikoppen
• Roterende sproeikoppen
• Tweestoffensproeikoppen

3.3 Contact tussen het te drogen materiaal en de lucht

De droging vindt plaats door contact tussen droge lucht en de gesproeide druppeltjes. Het vermogen van de lucht om vochtop te nemen, en daarmee de deeltjes te drogen, wordt verhoogd door de lucht voor te verwarmen voordat deze de droogkamer binnenkomt. De lucht heeft een lage relatieve vochtigheid bij de inlaat en een hoge relatieve vochtigheid, met een lagere temperatuur bij de uitlaat.

Lucht kan zowel gelijklopend (van boven naar beneden) als tegenstroom (van onder naar boven) worden toegevoerd. Hoewel tegenstroom in veel processen de voorkeur heeft, biedt gelijklopende stroming bij spraydrogen een belangrijk voordeel: de heetste lucht komt eerst in contact met de deeltjes met het hoogste vochtgehalte, wat oververhitting van de deeltjes helpt voorkomen.

3.4 Drogen

De daadwerkelijke droging vindt plaats langs de gehele spraydrogertoren, volgens de voortgang van de vaste deeltjes binnenin. Vocht wordt stapsgewijs verwijderd dankzij warmte- en massaoverdracht tussen de deeltjes en de lucht:

• Constante droogsnelheid: het deeltje is verzadigd met vloeistof; de massaoverdracht verloopt zo snel mogelijk, afhankelijk van het oppervlak van het deeltje.
• Dalende droogsnelheid: zodra het oppervlak van het deeltje niet langer verzadigd is met vloeistof, hangt de droging af van het vermogen van de ingesloten vloeistof in de vaste matrix om naar het oppervlak te diffunderen om te verdampen. Dit is een diffusiegestuurd proces.
• Belvorming: tijdens de periode van dalende droogsnelheid stijgt de temperatuur van het deeltje. Als deze hoger wordt dan het kookpunt van de vloeistof, kan deze verdampen binnen het deeltje en uitzetten, waardoor een bel ontstaat.

3.5 Scheiding van vaste stoffen

Zodra de deeltjes gedroogd zijn, moeten ze worden verzameld. Vaak gebeurt deze scheiding in cyclonen die kunnen zijn uitgerust met filters om hun efficiëntie te verhogen.

Het poeder wordt aan de onderkant van de spraydrogertoren verzameld en pneumatisch getransporteerd naar een cycloon, waar het van de lucht wordt gescheiden. De lucht in de droogkamer wordt ook naar een andere cycloon gestuurd, waar fijnstof dat door de lucht is meegevoerd, wordt afgescheiden en teruggevoerd naar de hoofdproductstroom. Vochtige lucht wordt meestal afgevoerd, maar kan in sommige gevallen, omdat deze nog warm is, verder worden gebruikt voor andere procesbewerkingen, zoals voorverwarmen.

3.6 Afmetingen van spraydrogers

Industriële spraydrogers kunnen meerdere tonnen per uur verwerken en hebben doorgaans grote droogkamers met meerdere sproeikoppen. Er zijn echter ook laboratorium-spraydrogers (mini-spraydrogers) op de markt die zeer nuttig zijn voor onderzoek of om een eerste indruk te krijgen van een product en de droogbaarheid ervan voordat wordt opgeschaald naar een industriële installatie.

4. Fabrikanten van spraydrogers

Er zijn veel fabrikanten van spraydrogers in de VS, Europa en landen met een grote melkproductie, zoals Nieuw-Zeeland, aangezien spraydrogers veel worden gebruikt voor de productie van melkpoeder. Grote spelers zijn:

• GEA-spraydrogers
• NIRO-spraydrogers
• Tetra Pak-spraydrogers
• SPX Anhydro-spraydrogers...
• of Buchi-spraydrogers voor laboratoriumschaal (Buchi mini-spraydrogers).

Bij het kiezen van een leverancier is het zeer belangrijk om hun referenties te controleren, vragen te stellen (bijvoorbeeld met behulp van de uitleg op de website powderprocess.net) om de expertise van het bedrijf te beoordelen, en contact op te nemen met meerdere bedrijven om een concurrerende offerteaanvraag uit te voeren onder spraydrogingsbedrijven.