I. 분무 건조 기술의 원리
분무 건조의 기본 원리는 재료를 필터를 통해 분무 건조기 상단의 분무기로 펌핑하는 것입니다. 분무기는 액체 재료를 미세한 액적(droplet)으로 분산시킵니다. 액적은 작은 반경, 큰 비표면적, 표면 자유 에너지, 높은 분산성으로 인해 동일 조건에서 평면 액체의 수분 증기압보다 액적 표면의 수분 증기압이 더 높습니다. 따라서 수분이 매우 빠르게 증발하여 제품이 급속하게 건조됩니다.
II. 분무 건조에 영향을 미치는 주요 요인
① 유입 및 유출 온도
분무 건조실 온도는 일반적으로 뜨거운 공기가 건조탑으로 유입되는 온도를 의미합니다. 건조 온도는 분무 건조 분말의 물리화학적 특성에 가장 큰 영향을 미치는 요소입니다. 건조 온도가 높을수록 건조실에 더 많은 열이 공급되어 건조 속도가 빨라지고 분무 건조 제품의 수분 함량이 감소합니다. 분무 건조 온도를 120°C에서 200°C로 높이면 건조 분말의 수분 함량이 5.29%에서 3.88%로 감소합니다. 분무 건조 제품의 입자 크기 또한 건조기 유입 온도에 따라 달라집니다. 건조 온도가 높을수록 수분 증발 속도가 빨라져 미세구체가 수축할 시간이 충분하지 않은 상태로 더 빨리 형성되어 입자 크기가 커집니다.
유입 건조 온도가 138°C에서 202°C로 증가함에 따라 아사이베리 분말의 입자 크기는 13.38μm에서 20.11μm로 증가했습니다. 마찬가지로, 구아바 주스 분말의 입자 크기는 유입 온도가 증가함에 따라 유의미하게 증가했습니다(p < 1%). 분무 건조 분말의 부피 밀도는 온도가 증가함에 따라 감소했습니다. 입자가 클수록 수분 증발 속도가 높아져 내부가 비어 있거나 다공성 또는 파편화된 구조를 가질 수 있습니다. 일반적으로 다공성 또는 파편화된 입자는 부피 밀도가 낮습니다.
물은 대부분의 건조 식품 고형물보다 밀도가 높기 때문에 고온에서 생산된 분말은 저온에서 생산된 분말보다 부피 밀도가 낮습니다. 또한 입자 크기가 작을수록 부피 밀도가 높은 것으로 관찰되었습니다.
분무 건조 분말의 유동성 또한 건조 온도에 어느 정도 영향을 받습니다. 온도가 증가함에 따라 유동성은 감소합니다. 용해도 또한 분말 제품의 중요한 품질 특성으로, 분무 건조 식품의 재성형 특성에 직접적인 영향을 미칩니다. 분무 건조 온도가 120℃에서 160℃로 증가함에 따라 분말의 용해도가 증가합니다.
② 벽체 재료 과일 및 채소 주스와 같이 당분이 풍부한 물질은 캡슐화제 없이 직접 분무 건조하기 어렵습니다. 벽체 재료는 분무 건조 과정에서 활성 성분을 캡슐화하는 고분자로서, 분무 건조에서 가장 중요한 요소 중 하나입니다.
벽체 재료는 분무 건조 시 유리 전이 온도와 수율을 높이고, 분말 제품의 점도와 흡습성을 낮출 수 있습니다. 일반적인 벽체 재료로는 아라비아검, 말토덱스트린, 젤라틴, 전분, 펙틴, 메틸셀룰로오스, 알긴산염, 인산삼칼슘 및 이들의 혼합물이 있습니다.
벽체 재료의 선택은 주로 분무 건조의 목적과 처리 대상 물질의 물리화학적 특성에 따라 결정됩니다. 벽체 재료는 공정 용매에 대한 용해도가 높아야 하고, 충분한 필름 형성 능력을 가져야 하며, 고농도에서도 저점도 용액을 생성할 수 있어야 합니다. 분무 건조를 위해서는 최종 제품의 점착성을 향상시키기 위해 높은 분자량과 높은 유리 전이 온도를 가져야 합니다. 또한, 민감한 화합물을 열, 산소 및 빛으로부터 보호할 수 있어야 합니다.
분무 건조에 일반적으로 사용되는 벽면 재료는 탄수화물이며, 주로 다음과 같습니다.
1) 전분 및 그 유도체(전분, 말토덱스트린, 덱스트린, 사이클로덱스트린);
2) 검(아라비아검 또는 아라비아검과 에리트리나 크리스타갈리의 혼합물);
3) 셀룰로스 및 그 유도체(셀룰로스, 카르복시메틸셀룰로스, 하이드록시프로필메틸셀룰로스 등).
전분 및 그 유도체는 높은 분자량과 높은 유리전이온도, 낮은 점도의 냉수에서의 높은 용해도, 점착성, 비교적 조밀한 분말 생성 능력 등 우수한 분무 건조 특성을 나타냅니다. 그러나 필름 형성 능력이 떨어져 건조 효율, 특히 민감한 화합물의 보존에 불리합니다.
전분에 비해 검은 필름 형성 능력이 우수하지만 유리전이온도는 상대적으로 낮습니다. 셀룰로오스와 그 유도체는 우수한 필름 형성 특성과 계면활성을 가지고 있지만, 소화가 쉽지 않습니다. 전분 또는 전분 유도체와 검을 함께 사용하면 분무 건조 성능을 향상시킬 수 있지만, 검의 함량은 전분 또는 전분 유도체보다 낮아야 합니다.
단백질, 특히 유청 단백질은 탁월한 필름 형성 능력과 영양소 보유 능력을 가지고 있어 전분 또는 전분 유도체와 함께 자주 사용됩니다.
③ 공급 속도
공급 속도는 분무 건조에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나입니다. 공급 속도는 건조실, 분리기, 컨베이어에서의 물질 체류 시간을 결정하며, 물질의 미립화 및 액적 크기에도 영향을 미칩니다. 공급 속도는 기본적으로 분무기 속도에 따라 달라지며, 펌프 속도가 높을수록 공급 속도도 빨라집니다. 그러나 공급 속도가 높으면 열 전달이 느려져 액적이 완전히 건조되기 어렵고 벽면에 쉽게 달라붙을 수 있습니다.
또한, 공급 속도가 높으면 미립화가 불완전하여 액적이 건조실로 직접 떨어져 수율이 감소할 수 있습니다. 높은 공급 속도는 액적과 뜨거운 공기 사이의 접촉 시간을 부족하게 하여 분무 건조 분말의 수분 함량을 증가시킵니다. 또한, 접촉 시간이 짧아지면 열 및 물질 전달 효율이 감소하여 최종 제품의 수분 함량이 높아집니다.
III. 분무 건조탑의 일반적인 문제점 및 개선 방안
문제 1: 폭발 방지 조치
1) 적절한 유형의 건조탑을 선택해야 합니다.
2) 건조탑의 설계 및 제작 과정에서 소화 설비를 설치해야 합니다.
3) 재료와 접촉하는 장비 표면에는 재료 침착을 방지하기 위해 매끄러운 재질을 사용해야 합니다.
4) 건조실의 가스 가열기로 분진이 포함된 배기가스가 유입되지 않도록 적절한 공기 필터를 설치해야 합니다.
5) 공기 필터를 정기적으로 세척하는 등 청소해야 합니다.
6) 작동 중 침전물 형성이 용이한 부분을 정기적으로 점검해야 합니다.
7) 모든 전기 및 기계 부품을 정기적으로 점검해야 합니다.
8) 원심 분무 건조의 경우, 회전 부품은 원활하게 작동해야 하며 자주 점검해야 합니다.
9) 정전기 접지 장치를 설치하십시오.
10) 모든 건조기 부품을 철저히 청소하십시오.
또한, 분무 건조탑 내부에서 재료의 연소 및 폭발 발생 시 손실을 최소화하기 위해 건조실 상단에 폭발 방지 밸브를 설치하거나, 건조실 내부에 압력이 일정 수준에 도달하면 자동으로 열리는 밸브를 여러 개 설치하거나, 건조실 설계 시 폭발 가능성을 고려하여 건조실 벽을 두껍게 하는 등의 조치를 취할 수 있습니다.
결함 2: 습식 분말이 주 건조탑 내벽에 부착됨
1) 공급 속도가 너무 높아 증발이 충분하지 않음;
2) 분무 시작 전 건조실 예열이 불충분함;
3) 분무 시작 시 공급 유량이 너무 높게 설정됨;
4) 첨가된 액체 재료가 불안정함.
수리 방법:
공급 속도를 적절히 줄입니다. 열풍의 입구 및 출구 온도를 적절히 높입니다. 분무 시작 시 유량은 낮게 설정하고 적절한 유량이 될 때까지 점차 증가시켜야 합니다. 배관 막힘 여부를 점검하고, 재료의 고형분 함량을 조절하여 액체 재료의 유동성을 확보하십시오.
결함 3: 심각한 분말 누출 및 낮은 제품 회수율
사이클론 분리기가 오작동하거나 집진 성능이 저하되면 분말 누출이 발생할 수 있습니다. 전자의 경우, 사이클론 분리기의 틈새를 점검하고 밀폐성을 확보해야 합니다. 후자의 경우, 적절한 보조 집진기를 추가 설치해야 합니다.
