Sprühtrocknertrocknung im Originalzustand führt zu Klebrigkeit… Wie lässt sich das verhindern?

Sprühtrocknertrocknung im Originalzustand führt zu Klebrigkeit… Wie lässt sich das verhindern?

Sprühgetrocknete Lebensmittel lassen sich in zwei Kategorien einteilen: nicht klebrige und klebrige. Nicht klebrige Zutaten lassen sich mit einfachen Trocknerkonstruktionen und rieselfähigen Pulvern problemlos sprühtrocknen. Beispiele für nicht viskose Materialien sind Eipulver, Milchpulver, Maltodextrine (z. B. als Lösung), Gummi und Proteine. Bei klebrigen Lebensmitteln treten unter normalen Sprühtrocknungsbedingungen Probleme auf. Sie haften typischerweise an den Trocknerwänden oder werden in Trockenkammern und Transportsystemen unbrauchbar, was zu Betriebsstörungen und geringen Produktausbeuten führt. Zucker- und säurehaltige Lebensmittel sind typische Beispiele.

Klebrigkeit ist ein Phänomen, das beim Trocknen von häufig besprühten, zucker- und säurereichen Lebensmitteln auftritt. Die Klebrigkeit von Pulvern ist eine Kohäsionseigenschaft. Sie lässt sich durch Partikel-Partikel-Adhäsion (Kohäsion) und Partikel-Wand-Adhäsion (Adhäsion) erklären. Die Kraft, mit der die Pulverpartikel binden, beruht auf ihren inneren Eigenschaften, der Kohäsion, die zur Bildung von Klumpen im Pulverbett führt. Daher muss die Kraft, die zum Aufbrechen der Pulveragglomerate erforderlich ist, größer sein als die Kohäsionskraft. Adhäsion ist eine Grenzflächeneigenschaft, die die Tendenz der Pulverpartikel beschreibt, an den Wänden der Sprühtrocknungsanlage zu haften. Kohäsion und Adhäsion sind Schlüsselparameter für die Auslegung des Trocknungsprozesses und der Trocknungsbedingungen. Die Oberflächenzusammensetzung der Pulverpartikel ist hauptsächlich für das Adhäsionsproblem verantwortlich. Die Kohäsions- und Adhäsionstendenzen der Oberflächenmaterialien von Pulverpartikeln unterscheiden sich. Da die Trocknung einen großen Stofftransport zur Partikeloberfläche erfordert, ist sie volumenbezogen. Die beiden viskosen Eigenschaften (Kohäsion und Adhäsion) können in sprühgetrockneten, zuckerreichen Lebensmitteln gleichzeitig auftreten. Die Adhäsion zwischen Partikeln, auch Kohäsion genannt, beruht auf der Bildung von festen und beweglichen Flüssigkeitsbrücken, mechanischer Verzahnung zwischen Molekülen sowie elektrostatischer und gravitationsbedingter Bindung und festen Brücken. Pulverpartikel haften an der Trockenkammerwand hauptsächlich aufgrund von Materialverlusten bei der Sprühtrocknung von zucker- und säurereichen Lebensmitteln. Pulverförmige Substanzen, die länger an der Wand verbleiben, erleiden Trocknungsverluste.

Ursachen für das Verkleben:

Rückgewinnung von Pulver aus zucker- und säurereichen Lebensmitteln mittels Sprühtrocknung: Die Verarbeitung von niedermolekularen Zuckern (Glucose, Fructose) und organischen Säuren (Zitronen-, Apfel- und Weinsäure) stellt eine große Herausforderung dar. Aufgrund ihrer hohen Wasseraufnahme, Thermoplastizität und niedrigen Glasübergangstemperatur (Tg) neigen diese kleinen Moleküle zum Verkleben. Bei Sprühtrocknungstemperaturen über Tg 20 °C bilden diese Inhaltsstoffe meist weiche Partikel auf klebrigen Oberflächen, wodurch das Pulver verklebt und eine pastenartige Struktur anstelle eines Pulvers entsteht. Die hohe molekulare Beweglichkeit dieser Moleküle ist auf ihre niedrige Glasübergangstemperatur (Tg) zurückzuführen, die bei den üblicherweise in Sprühtrocknern verwendeten Temperaturen zu Verklebungsproblemen führt. Die Glasübergangstemperatur ist die Hauptcharakteristik der Phasenumwandlungstemperatur von amorphem Zucker. Der Glasübergang findet statt, wenn ein harter Feststoff, z. B. amorpher Zucker, in eine weiche, gummiartige, flüssige Phase übergeht. Festes Glas besitzt eine niedrige Oberflächenenergie und haftet daher nicht an Oberflächen mit niedriger Oberflächenenergie. Durch den Übergang vom glasartigen in den gummiartigen (oder flüssigen) Zustand kann sich die Materialoberfläche anheben, und Wechselwirkungen zwischen Molekülen und der festen Oberfläche können beginnen. Bei der Lebensmitteltrocknung befindet sich das Produkt in einem flüssigen oder gebundenen Zustand. Durch die Entfernung des Weichmachers (Wasser) geht das flüssige/gebundene Lebensmittel in einen glasartigen Zustand über. Das Lebensmittel bleibt hochenergetisch viskos, solange es keinen Übergang von einer hohen Trocknungstemperatur zu einer Änderung der Verglasungstemperatur durchläuft. Kommt dieses Lebensmittel mit einer festen Oberfläche hoher Energie in Kontakt, haftet es daran.

Viskositätskontrolle:

Zur Viskositätsreduzierung gibt es verschiedene materialwissenschaftliche und verfahrenstechnische Ansätze. Zu den materialwissenschaftlichen Methoden gehören flüssige Trocknungsadditive mit hohem Molekulargewicht, um die Temperatur über den Glasübergang zu erhöhen. Verfahrenstechnische Methoden umfassen beispielsweise die Beschichtung von Wänden und Böden mechanischer Kammern.