Versprühung von Suspensionen und Lösungen mit hohen Trockensubstanzgehalten und unter Druck eingelöstem CO2
Final Report Abstract
Ein vergleichsweise einfaches und energieeffizientes Verfahren für die Produktion von Instantprodukten ist die Sprühtrocknung von aufkonzentrierten wässrigen Suspensionen, Lösungen oder Emulsionen. Die Beladung des Feeds mit Trockensubstanz ist bei diesem Herstellverfahren beschränkt, um eine für die Versprühung hinreichend niedrige Viskosität zu gewährleisten. Die Viskositätsabsenkung der zu trocknenden wässrigen Flüssigkeit durch eingelöstes CO2 ermöglicht die Anhebung des Trockensubstanzgehaltes bei der Sprühtrocknung. Dabei sind jedoch der Vorgang der Auslösung von CO2 aus dem Spray und die sich daraus ergebenden Auswirkungen auf das Produkt noch nicht im Detail geklärt. Zunächst wurden wichtige Systemdaten unter hohen Drücken ermittelt, zu denen die Gemischdichte, die Grenzflächenspannung, die Löslichkeit und die Diffusionskoeffizienten von CO2 in Instantlösung gehören. Bei der Gemischdichte konnte in Abhängigkeit vom Trockensubstanzgehalt, Druck und Temperatur sowohl eine Erhöhung als auch eine leichte Absenkung der Dichte durch CO2-Einlösung gemessen werden. Wie von vergleichbaren Systemen bekannt, wird die Grenzflächenspannung durch CO2-Einlösung mit zunehmendem Druck auf Werte von etwa 10 mN/m herabgesetzt. Die Löslichkeit wurde mit zwei unterschiedlichen Messmethoden vermessen und mit Literaturdaten verglichen. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Anwesenheit der Trockensubstanz großen Einfluss auf die Löslichkeit hat. Bei den Diffusionskoeffizienten wurden im Vergleich zu Literaturdaten für ähnliche Systeme realistische Werte ermittelt. Es wurden Versuche zur Gasauslösung an Einzeltropfen durchgeführt. Eine Auswertung erfolgte über die die Druckdifferenz, die für die Bildung der ersten Blase notwendig war. Daraus wurde auch die kritische Übersättigung ermittelt. Die gemessenen Übersättigungen sind sehr gering und weisen auf eine heterogene Gasauslösung hin. Aus den Ergebnissen ist außerdem ersichtlich, dass bei hohen Drücken deutlich niedrigere Übersättigungen notwendig waren. Dies deutet auf einen Einfluss der Abhängigkeit der Grenzflächenspannung vom Druck hin. Es wurde ebenfalls untersucht, ob die Entspannungsrate einen Einfluss auf die Keimbildung hat. Die Druckdifferenz bis zur Bildung von Blasen war bis auf leichte Schwankungen konstant. Zur Visualisierung der Auswirkungen der Gasauslösung auf den Sprüh wurde der Sprüh von gasgesättigter Instantlösung in einem Sprühtrockner mit einer Hochgeschwindigkeitskamera gefilmt. Es konnte eine stark vergrößerte Darstellung von ca. 50 µm/Pixel und eine maximale Bildfrequenz von 20.000 Bilder/s erreicht werden. Die Ergebnisse belegen, dass Gasauslösung bereits in der Düse stattfindet. Bei mittleren Gasgehalten führt dies zu Unregelmäßigkeiten im Sprühbild. Bei hohen Gasgehalten wurde der Sprühwinkel deutlich breiter und gleichmäßiger. Die Ergebnisse deuten außerdem darauf hin, dass die Blasenbildung die für Hohlkegeldüsen übliche Rotation der Flüssigkeit in der Düse vermindert. Das Projekt hat dazu beigetragen, die Vorgänge bei der Versprühung gasgesättigter Instantlösungen besser zu verstehen. Insbesondere die Untersuchungen des Sprühs in einem Sprühtrockner mit einer Hochgeschwindigkeitskamera waren hilfreich. Die Ergebnisse zur Löslichkeit zeigen, dass der Einfluss organischer und mineralischer Lebensmittelbestandteile auf die Gaslöslichkeit unter hohen Drücken berücksichtigt werden muss. Die vermutete desorptive Wirkung des gelösten Feststoffes müsste als Ursache für die veränderte Löslichkeit weiter aufgeklärt werden.
