Acta Agrophysica, 2006, 7(1),

Transkrypt

1 Acta Agrophysica, 6, 7(), 79-9 WPŁYW AGLOMERACJI W MECHANICZNIE GENEROWANYM ZŁOśU FLUIDALNYM NA SKŁAD GRANULOMETRYCZNY WYBRANYCH PROSZKÓW SPOśYWCZYCH Karolina Poszytek, Ewa Domian, Andrzej Lenart Katedra InŜynierii śywności i Organizacji Produkcji, Wydział Technologii śywności, SGGW ul. Nowoursynowska 59c, Warszawa karola.posz@wp.pl, domian@alpha.sggw.waw.pl S t r e s z c z e n i e. Celem pracy było zbadanie wpływu aglomeracji nawilŝeniowej poprzez mieszanie w mechanicznie generowanym złoŝu fluidalnym na skład granulometryczny modelowej Ŝywności w proszku. Aglomerowane mieszaniny tworzone były na bazie następujących surowców w proszku: serwatka, izolat białka sojowego, izolat białek serwatkowych, glukoza, proszek mleczny, guma arabska, guma ksantanowa, tłuszcz roślinny w proszku, maltodekstryna. Skład granulometryczny otrzymanych aglomeratów oznaczano za pomocą analizatora wielkości cząstek w powietrzu AWK V97, Kamika. Wyznaczono charakterystyczne parametry zbioru cząstek na podstawie rozkładu udziałów objętościowych. Otrzymane aglomerowane mieszaniny charakteryzowały się wyraźnym powiększeniem rozmiarów cząstek, w tym średniej średnicy o około 8- razy. S ł o wa kluczowe: aglomeracja, złoŝe fluidalne, skład granulometryczny, Ŝywność w proszku WYKAZ OZNACZEŃ r zastosowanie dyszy rozpryskującej ciecz nawilŝającą ( ), v prędkość mieszadła impelerowego (obr min - ), t czas granulacji (min), w ilość cieczy nawilŝającej wody (g), n rodzaj cieczy nawilŝającej (wodny roztwór węglowodanu/stęŝenie masowe/ilość) ( ), Bv udział objętościowy (%), d wymiar cząstek (µm), d średnica wyznaczająca % objętości zbioru cząstek (µm), Badania w ramach pracy naukowej finansowanej ze środków Komitetu Badań Naukowych w latach 3-5 (projekt badawczy nr 3 P6T 4 25).

2 8 K. POSZYTEK i in. d 5 średnica wyznaczająca 5% objętości zbioru cząstek (µm), d 9 średnica wyznaczająca 9% objętości zbioru cząstek (µm). WSTĘP Aglomeracja jest procesem łączenia drobnych cząstek w większe skupiska aglomeraty, w których tworzące je cząstki są nadal rozpoznawalne. Celem aglomeracji materiałów sypkich jest nadanie określonych właściwości otrzymanym produktom. Dotyczą one głównie dobrej sypkości, łatwej rozpuszczalności w cieczach, ograniczenia zdolności do pylenia i zbrylania oraz w wypadku układów wieloskładnikowych nie występowania segregacji komponentów, co zapewnia jednorodność materiału [,2,6,9]. Aglomeracja nawilŝeniowa prowadzona w warunkach mieszania mechanicznego daje moŝliwość aglomeracji mieszanin róŝnorodnych składników, z których kaŝdy moŝe wykazywać się innymi właściwościami fizycznymi charakterystycznymi dla danego materiału [3]. Tworzenie aglomeratów poprzez mieszanie występuje tylko w określonych warunkach przy pewnej równowadze pomiędzy siłami wzrostu, a siłami rozpadu. Czas i intensywność działania tych sił ma decydujący wpływ na skład granulometryczny zaglomerowanych cząstek [4,5,7,8]. Dobór parametrów aglomeracji w mechanicznie generowanym złoŝu fluidalnym polega na ustaleniu takich parametrów jak szybkość i czas nawilŝania, prędkość przepływu cieczy nawilŝającej czy temperatura powietrza podczas nawilŝania [3]. Celem pracy było zbadanie wpływu aglomeracji nawilŝeniowej poprzez mieszanie w mechanicznie generowanym złoŝu fluidalnym na skład granulometryczny modelowej Ŝywności w proszku. MATERIAŁ I METODY Materiał badawczy stanowiły mieszaniny tworzone na bazie proszków spoŝywczych takich jak: glukoza (GL), maltodekstryna (MD), serwatka (S), izolat białek sojowych (BSJ), izolat białek serwatkowych (BSW), proszek mleczny (PM), guma ksantanowa (GK), guma arabska (GA), tłuszcz roślinny w proszku (TP), suszony rozpyłowo aromat cytrynowy na nośniku gumy arabskiej i maltodekstryny (AC). W wyniku mieszania surowców w postaci sypkiej otrzymano następujące mieszaniny o zróŝnicowanym składzie surowcowym: A (S 66%, BSJ 34%), B (BSW 6,5%, BSJ 34%, GL 49,5%), C (S 34%, BSJ 66%), D (BSW 8,5%, BSJ 66%, GL 25,5%), F (S 49%, BSJ 25%, TP 26%),

3 WPŁYW AGLOMERACJI W MECHANICZNIE GENEROWANYM ZŁOśU 8 G (MD 94%, GK 6%), H (MD 94%, GA 6%), I (PM %), J (AC %). Aglomerację przeprowadzono w laboratoryjnym mieszalniku z mechanicznie wytwarzanym złoŝem fluidalnym przez specjalne lemiesze płuŝące z moŝliwością nawilŝeniowej granulacji materiałów sypkich firmy Lödige typ L5 (Lödige Plughshare Mixer). Mieszaninę o masie g przenoszono do zbiornika aglomerattora, mieszano przez 6 s i aglomerowano przy zadanych parametrach procesowych (tab. ). Ciecz nawilŝającą podawano pompą perystaltyczną z natęŝeniem przepływu 25 g min - dwoma sposobami tzn. kropla po kropli bez zastosowania dyszy rozpryskowej (parametr r) oraz w postaci drobnych kropelek z zastosowaniem pneumatycznej dyszy rozpryskowej o średnicy,8 mm (parametr r2). Wilgotny aglomerat suszono w suszarce owiewowej w temperaturze 5 o C w czasie minut. Następnie aglomerat przesiewano celem oddzielenia frakcji uŝytecznej (frakcji o najbardziej znaczącym udziale masowym): frakcji o rozmiarach cząstek,63-3,5 mm dla aglomeratów z parametrem r oraz frakcji,2-2 mm dla aglomeratów z parametrem r2. Tabela. Parametry procesowe aglomeracji Table. Process parameters of agglomeration Zmienna Kod poziomu zmiennej procesowej Codification of process variable procesowa Process variable r ( ) nie no tak yes v (obr min - ) 283 t (min) w (g) n ( ) M/%/g M/5%/g MD/%/g MD/5%/g M maltoza / maltose, MD maltodekstryna / maltodextrin Rozkład wielkości cząstek mieszanin przed aglomaracją mierzono za pomocą Malvern Mastersizer. Skład granulometryczy otrzymanych aglomeratów oznaczano za pomocą analizatora wielkości cząstek ciał stałych w powietrzu AWK-V97 / Kamika Warszawa. Analizator wykorzystuje metodę pomiaru w świetle przechodzącym, polegającą na tym, Ŝe strumień promieniowania podczerwonego jest rozpraszany przez przelatujące cząstki w strefie pomiaru. Po wstępnych obliczeniach zbiór cząstek zostaje zapisany w 256 klasach wymiarowych. Skład granulometryczny przedstawiano w postaci skumulowanego rozkładu udziałów objętościowych, wyznaczano parametry charakterystyczne rozkładu, to jest średnicę d, d 5 i d 9 odpowiadające %, 5% i 9% objętości zbioru cząstek. Wymiar d 5 przyjmowano jako średnią średnicę (medianę) zbioru cząstek (tab. 2).

4 82 K. POSZYTEK i in. Tabela 2. Wymiar charakterystyczny d, d 5, d 9 aglomeratów otrzymanych przy zadanych parametrach procesowych Table 2. Characteristic particle size d, d 5, d 9 of agglomerates at assumed process parameters Mieszanina Parameters of agglomeration Characteristic particle size Parametry aglomeracji Wymiar charakterystyczny L.p. Item Mixture r v t w n d (µm) d 5 (µm) d 9 (µm) A 2 ±, 53 ±, 52 ±, 2 A ± ± ± 8 3 A ± 528 ± ± 4 A ± 47 3 ± ± 6 5 A ± 372 ± ± 32 6 A ± ± ± 8 7 A ± ± ± 23 8 A ± ± ± A ± 62 9 ± ± 33 A ± ± ± 23 A ± ± ± 26 2 A ± ± ± 22 3 A ± ± ± 4 4 A ± ± ± 32 5 A ± ± ± 58 6 A ± 3 35 ± ± 6 7 A ± ± 2 79 ± 8 A ± 27 ± 483 ± 9 A ± ± 2 ± 64 A ± 378 ± ± 7 2 A ± ± 5 58 ± 6 22 A ± 486 ± ± A ± 3 64 ± 3 9 ± A ± 3 ± ± A ± ± ± 3 26 A ± 6 39 ± ± A ± ± ± 8 28 A ± 8 9 ± ± 5 29 A ± 672 ± ± A ± 9 48 ± 23 ± 9 3 A ± 358 ± ± A ± 9 4 ± ± A ± 4 66 ± 5 84 ± B 3 ±, 66 ±, 9 ±, 35 B ± 9 47 ± 6 95 ± C ±, 4 ±, 5 ±, 37 C ± 35 ± 2 74 ± 4 38 D 3 ±, 49 ±, 45 ±, 39 D ± 385 ± 6 ± 8 F 6 ±, 72 ±, 99 ±, 4 F ± 2 64 ± ± G 54 ±, 2 ±, 4 ±,5 43 G ± ± ± 5 44 H 65 ±, 273 ±,2 45 ±,5 45 H ± 332 ± 57 ± 46 I ±, 55 ±, 34 ±,2 47 I ± ± ± J ±,3 4 ±, 49 ±, 49 J ± ± ± 82

5 WPŁYW AGLOMERACJI W MECHANICZNIE GENEROWANYM ZŁOśU 83 WYNIKI I DYSKUSJA Wpływ prędkości mieszadła impelerowego Wpływ prędkości mieszadła impelerowego w zakresie -283 obr min - na skład granulometryczny badano na przykładzie mieszaniny A aglomerowanej przy następujących parametrach procesowych (tab. i tab. 2): rt3w2, rt4w2, rt3w3, r2t3w2, r2t4w2, r2t4w2, r2t3w3. Wpływ prędkości mieszadła przedstawiono na rysunkach: a, b, c. NiezaleŜnie od zastosowanych prędkości mieszadła aglomeracja mechaniczna powodowała istotny wzrost wymiaru cząstek. a) b) c) Rys.. Wpływ prędkości mieszadła impelerowego na skład granulometryczny mieszaniny A aglomerowanej przy stałych parametrach t i w: a) 3 min, 5 g; b) 6 min, 5 g; c) 3 min, 7 g Fig. Influence of speed of impeller stirrer on particle size of mixture A agglomerated at constant parameters t and w: a) 3 min, 5 g; b) 6 min, 5 g; c) 3 min, 7 g

6 84 K. POSZYTEK i in. Aglomeraty utworzone bez zastosowania dyszy rozpryskującej (r) charakteryzowały się większym wymiarem cząstek w porównaniu do aglomeratów z uŝyciem dyszy. Największą średnicą cząstek w frakcji,63-3,5 mm (r) cechowały się aglomeraty utworzone przy dodaniu 5 ml wody w czasie 3 min przy i obr min -. Dalsze zwiększanie obrotów mieszadła do 283 obr min - powodowało zmniejszenie średniej średnicy cząstek. Aglomeraty utworzone przy parametrach rt3w3 i rt4w2 charakteryzowały się podobnym przebiegiem krzywych rozkładu. Zwiększenie prędkości mieszadła bez zastosowania dyszy rozpryskującej ciecz (r) nie ma istotnego wpływu na wymiar tworzonych aglomeratów w przypadku zwiększonej ilości dodawanej wody (w3) czy wydłuŝonego czasu mieszania (t4). Aglomeraty utworzone przy parametrach procesowych r2t3w2, r2t3w3 i r2t4w2 i obr min - (v) charakteryzowały się największym wymiarem cząstek. Dalsze zwiększanie prędkości mieszadła od do 283 obr min - (v2 i v3) powodowało zmniejszenie wymiaru utworzonych aglomeratów. Wpływ czasu mieszania Przy parametrach procesowych rv2w2 i r2v2w3 badano wpływ czasu mieszania w zakresie od do 6 min na skład granulometryczny granulatów na przykładzie mieszaniny A (parametr t, t2, t3, t4; tab. i 2), natomiast przy parametrach rvw2, rv2w2, rv3w2, r2v2w2, r2v3w2 w zakresie 3 i 6 min (parametr t3 i t4; tab. i 2). Na rysunkach: 2a, 2b, 2c, 2d przedstawiono wpływ czasu mieszania na wielkość otrzymanych aglomeratów. Aglomeracja bez zastosowania dyszy (r) powoduje utworzenie aglomeratów charakteryzujących się podobnym przebiegiem krzywych rozkładu niezaleŝnie od czasu mieszania. WydłuŜenie czasu mieszania (granulacji) niezaleŝnie od pozostałych parametrów procesowych powoduje nieznaczne zmniejszanie rozmiaru cząstek aglomeratów utworzonych bez dyszy rozpylającej (r). Największą średnicą d 5 charakteryzowały się aglomeraty o parametrach rt, rt2 utworzone odpowiednio po i 2 min, i prędkości mieszadła impelerowego obr min -. W przypadku aglomeracji zastosowaniem dyszy rozpylającej wodę wydłuŝenie czasu granulacji do 6 minut powoduje, Ŝe utworzone aglomeraty charakteryzują się mniejszym rozmiarem cząstek w stosunku do aglomeratów, w których czas mieszania nie przekraczał 3 minut, niezaleŝnie od ilości dodanej cieczy (wody) i prędkości mieszadła.

7 WPŁYW AGLOMERACJI W MECHANICZNIE GENEROWANYM ZŁOśU 85 a) b) c) d) Rys. 2. Wpływ czasu granulacji na skład granulometryczny mieszaniny A aglomerowanej przy stałych parametrach v i w: a) obr min -, 5 g; b) obr min -, 5 g; c) 283 obr min -, 5 g; d) 283 obr min -, 7 g Fig. 2. Influence of time of granulation on particle size of mixture A agglomerated at constant parameters v and w: a) rpm min -, 5 g; b) rpm min -, 5 g; c) 283 rpm min -, 5 g; d) 283 rpm min -, 7 g Wpływ ilości cieczy (wody) Wpływ ilości cieczy granulującej (wody) w zakresie od do 9 g na skład granulometryczny mieszaniny A analizowano dla aglomeratów rv2t3 i r2v2t3 oraz w zakresie 5 i 7 g dla aglomeratów rvt3, rv3t3, rv2t4, r2vt3, r2v3t3, r2v2t4 (tab. i 2).

8 86 K. POSZYTEK i in. a) b) c) d) Rys. 3. Wpływ ilości cieczy (wody) nawilŝającej na skład granulometryczny mieszaniny A aglomerowanej przy stałych parametrach v i t: a) obr min -, 6 min; b) 283 obr min -, 3 min; c) obr min -, 3 min; d) obr min -, 3 min Fig. 3. Influence of the quantity of wetting liquid (water) on particle size of mixture A agglomerated at constant parameters v and t: a) rpm min -, 6 min; b) 283 rpm min -, 3 min; c) rpm min -, 3 min; d) rpm min -, 3 min Ilość uŝytej wody w procesie aglomeracji w mechanicznie generowanym złoŝu fluidalnym bez zastosowania dyszy rozpylającej r nie ma znacznego wpływu na rozmiar otrzymanych aglomeratów (rys. 3a-3d). Badanie granulaty charakteryzują się podobnym składem granulometrycznym. Największe cząstki otrzymano podczas

9 WPŁYW AGLOMERACJI W MECHANICZNIE GENEROWANYM ZŁOśU 87 aglomeracji bez zastosowania dyszy rozpylającej wodę (r) przy poziomie dodatku wody 5 i 9 ml (w2 i w4) w czasie 3 min (t3) przy obr min - (v2). Zwiększenie ilości wody uŝytej w procesie aglomeracji z dyszą powoduje wzrost wielkości cząstek powstałych aglomeratów jest to szczególnie zauwaŝalne przy średnicy d 5 i d 9. Największe granulaty powstawały przy zastosowaniu wody w ilości 7 i 9 ml (w3 i w4) w czasie 3 min (t3) przy obr min - (v2). Wpływ rodzaju cieczy nawilŝającej Wpływ rodzaju cieczy nawilŝającej (woda, i 5% roztwór maltozy, i 5% roztwór maltodekstryny) na skład granulometryczny wybranych proszków spoŝywczych analizowano na podstawie aglomeratów mieszaniny A otrzymanych przy parametrach r2v2t3 (tab. i 2) Rys. 4. Wpływ rodzaju cieczy nawilŝającej na skład granulometryczny granulatów mieszaniny A Fig. 4. Influence of the kind of wetting liquid on particle size of mixture A agglomerates Rys. 5. Wpływ rodzaju badanego materiału na skład granulometryczny wybranych proszków spoŝywczych Fig. 5. Influence of the kind of material on particle size of received agglomerates Zastosowanie zamiast wody jako cieczy nawilŝającej wodnych roztworów węglowodanów, tj. maltozy lub maltodekstryny (przy tych samych parametrach procesowych) powoduje, Ŝe powstałe aglomeraty charakteryzują się mniejszymi rozmiarami cząstek w stosunku do aglomeratów powstałych przy zastosowaniu wody (rys. 4). Na wielkość granulatów ma równieŝ wpływ stęŝenia roztworu cieczy nawilŝającej. W przypadku roztworu maltodekstryny zwiększenie stęŝenia z do 5 % powoduje wzrost średniej średnicy cząstek d 5 z 4 do 66 µm.

10 88 K. POSZYTEK i in. Odwrotna zaleŝność występuje w przypadku zastosowania jako cieczy nawil- Ŝającej roztworu maltozy, zwiększenie stęŝenia powoduje zmniejszenie średniego wymiaru d 5 z 48 do 358 µm, a tym samym przesunięcie składu granulometrycznego w stronę mniejszych cząstek. Wpływ rodzaju mieszaniny proszków spoŝywczych Wpływ rodzaju badanego materiału na skład granulometryczny analizowano na podstawie aglomeratów mieszanin wybranych proszków spoŝywczych A, B, C, D, F, G, H, I, J utworzonych przy następujących parametrach r2v2w3. Na skład granulometryczny oprócz zastosowanych parametrów procesowych ma równieŝ wpływ rodzaj badanego materiału o określonych właściwościach fizykochemicznych (rys. 5). Analizując wyniki składu granulometrycznego mieszanin przed aglomeracją i otrzymywanych z nich aglomeratów stwierdzono, Ŝe proces aglomeracji zmienia skład granulometryczny w stronę większych cząstek. Aglomeracja nawilŝeniowa poprzez mieszanie w mechanicznie generowanym złoŝu fluidalnym badanych mieszanin proszków spoŝywczych spowodowała średnio około 8 krotne powiększenie średniej średnicy cząstek d 5 (tab. 2). Największymi wymiarami cząstek charakteryzują się aglomeraty proszku mlecznego oraz aglomeraty mieszaniny białkowo-węglowodanowej A (będącej odpowiednikiem proszku mlecznego pod względem ogólnej zawartości białka i węglowodanów). Zwiększenie ilości białka w aglomerowanej mieszaninie wiąŝe się ze zmniejszeniem wymiarów otrzymywanych aglomeratów. WNIOSKI. Aglomeracja nawilŝeniowa w mechanicznie generowanym złoŝu fluidalnym niezaleŝnie od zastosowanych parametrów procesowych powoduje istotną zmianę składu granulometrycznego badanej modelowej Ŝywności w proszku powodując zwiększenie wymiarów cząstek w tym średniej średnicy o około 8 razy dla aglomeratów utworzonych przy zastosowaniu dyszy rozpylającej ciecz nawilŝającą i razy dla aglomeratów utworzonych bez zastosowania dyszy. 2. Wśród badanych zmiennych procesowych aglomeracji, najbardziej znaczący wpływ na skład granulometryczny badanych mieszanin ma ilość i rodzaj cieczy nawilŝającej oraz rodzaj materiału zastosowanego do aglomeracji. Optymalnymi parametrami dla uzyskania największych wymiarów cząstek badanych mieszanin proszków spoŝywczych było uŝycie jako cieczy nawilŝającej wody w ilości 7 g na g mieszaniny, przy prędkości mieszadła obr obr min - w czasie 3 minut.

11 WPŁYW AGLOMERACJI W MECHANICZNIE GENEROWANYM ZŁOśU Zastosowanie w procesie aglomeracji dyszy rozpylającej powoduje, Ŝe otrzymane aglomeraty mają mniejszy wymiar cząstek w stosunku do aglomeratów otrzymanych bez zastosowania dyszy rozpylającej i łatwiej ulegają zmiennym parametrom procesowym. 4. Prędkość mieszadła impelerowego ma istotny wpływ na wielkość otrzymanych granulek. Zwiększanie prędkości mieszadła z do obr min - powodowało wzrost rozmiarów cząstek, dalsze zwiększanie prędkości do 283 obr min - powodowało spadek wielkości granulek. 5. WydłuŜenie czasu mieszania (granulacji) niezaleŝnie od pozostałych parametrów procesowych powoduje nieznaczne zmniejszanie rozmiaru cząstek otrzymanych aglomeratów. PIŚMIENNICTWO. Domian E.: Aglomeracja w przemyśle spoŝywczym. Przemysł SpoŜywczy, 8, 8-88, Fitzpatrick J., Ahrené L.: Food powder handling and processing: Industry problems, knowledge barriers and research opportunities. Chemical Engineering and Processing, 44, 9-24, Gao J.Z.H., Jain A., Motheram R., Gray D.B., Hussain M.A.: Fluid bed granulation of a poorly water soluble, low density, micro drug: comparison with high shear granulation. International Journal of Pharmaceutics, 237, -4, Gluba T.: Ocena jakości produktu mokrej granulacji bębnowej, InŜynieria i Aparatura Chemiczna, 42(34), 43-44, Heim A.: Operacje mechaniczne inŝynierii procesowej InŜynieria i Aparatura Chemiczna 42(34), 5-6, Horabik J., Molenda M.: Makro- i mikroskopowe modele materiałów sypkich, Acta Agrophysica, 93, 7-3, Knight P.: Challenges in granulation technology. Powder Technology,, 56-62, Schaefer T.: Growth mechanisms in melt granulation in high shear mixers. Powder Technology, 7, 68-82,. 9. Schubert H.: Instantization of powdered foods. International Chemical Engineering, 33, 28-45, 993.

12 9 K. POSZYTEK i in. EFFECT OF AGGLOMERATION IN MECHANICALLY FLUIDIZED BED ON PARTICLE SIZE DISTRIBUTION OF SELECTED FOOD POWDERS Karolina Poszytek, Ewa Domian, Andrzej Lenart Department of Food Engineering and Process Management, Warsaw Agricultural University ul. Nowoursynowska 59c, Warszawa domian@alpha.sggw.waw.pl Ab s t r a c t. The aim of this work was to determine the effect of wet agglomeration in fluidized bed of model food powders on particle size of received agglomerates. Mixtures were created on base of following food powders: whey, soy protein isolate, whey protein isolate, glucose, maltodextrine, milk powder, arabic gum, xanthan gum, vegetable oil in powder. Particle size of received agglomerates was measured by particle size analyzer in air AWK V97, Kamika. The characteristic parameters of particles set were determined on the basis of volumetric distribution. Agglomerated mixtures were characterized by significant increasing of particles sizes, among them average diameter 8- times. K e y wo r d s : agglomeration, fluid bed, particle size distribution, food powder