Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Energieeffiziente Sprühtrocknung von Lebensmitteln mit Heißdampf: Charakterisierung und Optimierung limitierender Einflussfaktoren

Die Sprühtrocknung gehört zu den wichtigsten industriellen Trocknungstechniken. Bei dieser werden große Volumina mit hohem Energiebedarf verarbeitet. Etwa 2/3 dieser Energie ist in der Verdampfungsenthalpie des verdunstenden Wassers gebunden. Der Einsatz von überhitztem Dampf ermöglicht die „Rückgewinnung“ der Verdampfungsenthalpie durch Dampfkondensation und eine für den Prozess spezifische Produktqualität durch die Zerstäubung in Dampfatmosphäre. Die Kondensation von Dampf unter atmosphärischen Bedingungen (1 Bar abs.) setzt die Verdampfungsenthalpie bei mind. 100 °C frei. Dies ist in der Regel gut verwertbare Energie, stellt aber gegenüber dem Ausgangsheizdampf mit 240 °C einen deutlichen Energieverlust dar.

Für stückige, wenig thermolabile Produkte ist dies Stand der Technik. Für die Sprühtrocknung von Lebensmittel muss aber sowohl die Temperaturführung als auch eine Methode zur zuverlässigen Pulverabscheidung aus der Dampfatmosphäre unter Produktionsbedingungen noch entwickelt werden. Die Temperaturbelastung entspricht annähernd UHT-Bedingungen und erfordert eine kurze und möglichst enge Verweilzeitverteilung, um Produktschädigungen zu vermeiden.

Ziel des Vorhabens ist die Optimierung des Energiebedarfes bei der Sprühtrocknung von Lebensmitteln durch Nutzung der Kondensationswärme bei der Sprühtrocknung mit überhitztem Dampf. Dazu soll die Gasführung im Sprühturm so gestaltet werden, dass sich eine möglichst enge Verweilzeitverteilung ergibt und ein schneller Austrag des Pulvers aus der Hochtemperaturzone erfolgt.

Die Ergebnisse werden insbesondere für Nischenprodukte, die in kleineren Produktionsmengen hergestellt werden, nutzbar sein und kommen damit besonders KMU zugute.

Ergebniszusammenfassung:

Die Technikumsanlage zur Sprühtrocknung mit überhitztem Dampf wurde neugestaltet und erfolgreich mit optimierter Druck- und Zweistoffdüse in Betrieb genommen. In der aktuellen Version kann der Sprühturm sowohl mit einer Druckdüse bis 200bar Zerstäubungsdruck, als auch mit einer gekühlten Dampf-Zweistoffdüse betrieben werden. Der entwickelte Pulveraustrag erlaubt die Trocknung mit minimaler Temperaturbelastung. Auf Basis von Strömungssimulationen und Validierungsversuchen im Labormaßstab wurde der Gaseintritt mit ungestörter, gerichteter Strömung ausgeführt. Zur Minimierung der thermischen Belastung wurde die Gasverweilzeit reduziert und der Anteil der Kernströmung mit hoher axialer Strömungsgeschwindigkeit erhöht. Dazu wurde die Turmgeometrie sehr schlank mit einem einseitigen Öffnungswinkel von ca. 4° gestaltet.

Mit der optimierten Pilotanlage kann die zu erwartende Produktqualität von potentiellen Anwendungen an konkreten Produkten überprüft werden und die Wirkung der thermischen Belastung quantifiziert werden.

Die Produktqualität von elf Modellprodukten aus der Sprühtrocknung mit überhitztem Dampf wurde im Vergleich zu Referenzprodukten hinsichtlich einer möglichen Anwendung überprüft.

Eine verbesserte Benetzbarkeit und Dispergierbarkeit wurde bei Pflanzenproteinen festgestellt. Bei Reisstärke wurde die Möglichkeit der Herstellung einer kaltquellenden Stärke mittels Dampf-trocknung bestätigt. Das Risiko für eine Maillard bedingte Farbänderung konnte eingeschränkt werden. An einer Modelllösung aus Maltodextrin-Molkenprotein-Mischung wurde ein E (CieLab) < 4 bestimmt. Erst bei einer Dampf-Austrittstemperatur von 160°C wurde eine stärkere Bräunung festgestellt, sodass auch Protein-Zucker Systeme für eine Anwendung in Frage kommen.

Ein Auslegungsprozess für Dampfsprühtrocknungsanlagen wurde vorgestellt. Eine Methode zur Bestimmung von Isothermen oberhalb von 100°C, die notwendig ist für die Bestimmung der minimalen Dampfaustrittstemperatur, wurde entwickelt.