I. Principe de la technologie de séchage par atomisation
Le principe de base du séchage par atomisation est le suivant : la matière est pompée à travers un filtre jusqu'à l'atomiseur situé en haut du sécheur. L'atomiseur disperse la matière liquide en gouttelettes. Grâce au faible rayon des gouttelettes, à leur grande surface spécifique et à leur énergie de surface élevée, ainsi qu'à leur forte dispersion, la pression de vapeur de l'humidité à la surface des gouttelettes est supérieure à celle de l'humidité dans un liquide plan dans les mêmes conditions. Par conséquent, l'humidité s'évapore extrêmement rapidement et le produit est séché très rapidement.
II. Principaux facteurs influençant le séchage par atomisation
① Température d'entrée et de sortie
La température de la chambre de séchage par atomisation correspond généralement à la température à laquelle l'air chaud pénètre dans la tour. La température de séchage est le facteur le plus important influençant les propriétés physico-chimiques des poudres séchées par atomisation. Des températures de séchage plus élevées apportent davantage de chaleur à la chambre de séchage, ce qui augmente la vitesse de séchage et réduit la teneur en eau du produit. L'augmentation de la température de séchage par atomisation de 120 °C à 200 °C a permis de réduire la teneur en eau de la poudre séchée de 5,29 % à 3,88 %. La granulométrie du produit séché par atomisation dépend également de la température d'entrée du sécheur. Des températures de séchage plus élevées entraînent une évaporation de l'eau plus rapide, ce qui provoque la formation plus rapide de microsphères sans leur laisser suffisamment de temps pour se rétracter, d'où des particules de plus grande taille.
Lorsque la température d'entrée du séchoir est passée de 138 °C à 202 °C, la taille des particules de poudre d'açaï a augmenté de 13,38 μm à 20,11 μm. De même, la taille des particules de poudre de jus de goyave a augmenté significativement (p < 1 %) avec l'augmentation de la température d'entrée. La masse volumique apparente de la poudre séchée par atomisation a diminué avec l'augmentation de la température. Les particules plus grosses peuvent être creuses ou présenter une structure poreuse ou fragmentée en raison d'un taux d'évaporation de l'eau plus élevé. Généralement, les particules poreuses ou fragmentées présentent une masse volumique apparente plus faible.
L'eau étant plus dense que la plupart des solides alimentaires séchés, les poudres produites à des températures plus élevées ont une masse volumique apparente inférieure à celles produites à des températures plus basses ; on a également observé que les particules de plus petite taille présentaient une masse volumique apparente plus élevée.
La fluidité des poudres séchées par atomisation est également affectée, dans une certaine mesure, par la température de séchage ; plus la température augmente, plus la fluidité diminue. La solubilité est également une caractéristique de qualité importante des produits en poudre, influençant directement le comportement au remodelage des aliments séchés par atomisation. Lorsque la température de séchage par atomisation augmente de 120 °C à 160 °C, la solubilité de la poudre s'accroît.
2. Matériau d'enrobage : Les substances riches en sucre, comme les jus de fruits et de légumes, sont difficiles à sécher par atomisation directe sans agents d'encapsulation. Les matériaux d'enrobage sont des polymères qui encapsulent les principes actifs pendant le processus de séchage par atomisation, ce qui en fait un facteur essentiel de ce procédé.
Les matériaux d'enrobage permettent d'augmenter la température de transition vitreuse et le rendement du séchage par atomisation, tout en réduisant la viscosité et l'hygroscopicité des produits en poudre. Parmi les matériaux d'enrobage courants, on trouve la gomme arabique, la maltodextrine, la gélatine, l'amidon, la pectine, la méthylcellulose, l'alginate et le phosphate tricalcique, seuls ou en combinaison.
Le choix du matériau d'enrobage dépend principalement de l'objectif du séchage par atomisation et des propriétés physico-chimiques des matières traitées. Le matériau d'enrobage doit être très soluble dans le solvant de procédé, posséder une capacité filmogène suffisante et produire une solution de faible viscosité, même à forte concentration. Pour le séchage par atomisation, les matériaux doivent présenter une masse moléculaire élevée et une température de transition vitreuse élevée afin d'améliorer les propriétés antiadhésives du produit final. Ils doivent également protéger les composés sensibles de la chaleur, de l'oxygène et de la lumière.
Les matériaux d'enrobage couramment utilisés pour le séchage par atomisation sont des glucides, principalement :
1) L'amidon et ses dérivés (amidon, maltodextrine, dextrine et cyclodextrine) ;
2) La gomme (gomme arabique ou un mélange de gomme arabique et d'érythrine) ;
3) La cellulose et ses dérivés (cellulose, carboxyméthylcellulose et hydroxypropylméthylcellulose, etc.).
L'amidon et ses dérivés présentent de bonnes propriétés pour le séchage par atomisation, telles qu'une masse moléculaire et une température de transition vitreuse élevées, une forte solubilité dans l'eau froide à faible viscosité, des propriétés antiadhésives et la capacité de produire des poudres relativement denses. Cependant, leur faible aptitude à former un film est préjudiciable à l'efficacité du séchage, notamment pour la préservation des composés sensibles.
Comparativement à l'amidon, les gommes présentent une meilleure aptitude à former un film, mais une température de transition vitreuse relativement plus basse. La cellulose et ses dérivés possèdent de bonnes propriétés filmogènes et une bonne activité de surface, mais sont difficilement digestibles. L'association d'amidon ou de dérivés d'amidon et de gomme peut améliorer les performances du séchage par atomisation, mais la teneur en gomme doit être inférieure à celle de l'amidon ou de ses dérivés.
Les protéines, notamment les protéines de lactosérum, possèdent d'excellentes propriétés filmogènes et de rétention des nutriments et sont souvent utilisées en association avec l'amidon ou ses dérivés.
③ Débit d'alimentation
Le débit d'alimentation est un facteur déterminant du séchage par atomisation. Il influence le temps de séjour du matériau dans la chambre de séchage, le séparateur et le convoyeur, ainsi que l'atomisation du matériau et la taille des gouttelettes. Le débit d'alimentation dépend essentiellement de la vitesse de l'atomiseur : plus la vitesse de la pompe est élevée, plus le débit est important. Cependant, un débit d'alimentation élevé ralentit le transfert de chaleur, ce qui rend le séchage complet des gouttelettes difficile et favorise leur adhésion aux parois.
De plus, à des débits d'alimentation élevés, une atomisation incomplète peut entraîner l'écoulement direct de gouttelettes dans la chambre de séchage, réduisant ainsi le rendement. Un débit d'alimentation élevé réduit le temps de contact entre les gouttelettes et l'air chaud, ce qui augmente la teneur en humidité de la poudre séchée par atomisation. Par ailleurs, un temps de contact plus court diminue l'efficacité des transferts de chaleur et de masse, ce qui se traduit par une teneur en humidité plus élevée dans le produit final.
III. Problèmes courants et améliorations des tours de séchage par atomisation
Problème 1 : Mesures de prévention des explosions
1) Choisir le type de tour de séchage approprié ;
2) Prévoir un système d'extinction d'incendie lors de la conception et de la fabrication de la tour de séchage ;
3) Utiliser des matériaux lisses sur les surfaces des équipements en contact avec les produits afin d'éviter les dépôts ;
4) Installer des filtres à air adaptés pour empêcher les gaz d'échappement poussiéreux d'être aspirés dans le réchauffeur de gaz de la chambre de séchage ;
5) Nettoyer régulièrement les filtres à air, notamment en les rinçant ;
6) Inspecter régulièrement les zones sujettes à la formation de dépôts pendant le fonctionnement ;
7) Inspecter régulièrement tous les composants électriques et mécaniques.
8) Pour le séchage par atomisation centrifuge, les pièces rotatives doivent fonctionner sans à-coups et être inspectées fréquemment.
9) Installer des dispositifs de mise à la terre électrostatique.
10) Maintenir tous les composants du sécheur parfaitement propres.
De plus, afin de minimiser les pertes en cas de combustion ou d'explosion du matériau dans la tour de séchage par atomisation, des mesures peuvent être prises, telles que l'installation de soupapes d'évent d'explosion en haut de la chambre de séchage, l'installation de plusieurs soupapes dans la chambre de séchage qui s'ouvrent automatiquement lorsque la pression atteint un certain niveau, et l'épaississement des parois de la chambre pour tenir compte du risque d'explosion lors de sa conception.
Défaut 2 : La poudre humide adhère à la paroi interne de la tour principale.
1) Le débit d'alimentation est trop élevé, empêchant une évaporation suffisante.
2) Le chauffage de la chambre de séchage avant le début de la pulvérisation est insuffisant.
3) Le débit d'alimentation est réglé trop élevé au début de la pulvérisation.
4) Le liquide ajouté est instable.
Méthodes de réparation :
Réduire le débit d'alimentation de manière appropriée. Augmenter de manière appropriée les températures d'entrée et de sortie de l'air chaud ; au début de la pulvérisation, le débit doit être faible et augmenté progressivement jusqu'à obtention d'un débit approprié ; vérifier l'absence d'obstructions dans les canalisations, ajuster la teneur en matières solides du produit et assurer la fluidité du produit liquide.
Défaut 3 : Fuite importante de poudre et faible taux de récupération du produit
Si le séparateur cyclonique présente un dysfonctionnement ou une faible efficacité de dépoussiérage, une fuite de poudre est probable. Dans le premier cas, la solution consiste à inspecter le séparateur cyclonique pour détecter d'éventuels interstices et à vérifier son étanchéité ; dans le second cas, la solution consiste à ajouter un dépoussiéreur secondaire.