乳製品生産における噴霧乾燥装置の応用と開発

私の国の乳製品生産において、粉乳は保管と輸送が容易なため、総生産量の約 80% を占めています。乾燥プロセスは、粉乳製造において最も重要なステップの 1 つです。乾燥中に蒸発する水の量だけでも、製造される粉乳の品質とほぼ同等です。一般に、生産プロセスは生産設備と制御システムを決定しますが、高度な設備や制御システムの適用によって生産プロセスが変わることもあります。粉ミルク製造における噴霧乾燥装置の応用はその典型的な例です。

スプレー乾燥プロセスでは、材料をスプレー乾燥機にポンプで送り込み、アトマイザーが材料を小さな液滴に分散させます。次に、加熱された空気が乾燥チャンバーに導入され、材料の液滴が混合されて接触します。乾燥後、乾燥生成物は分離されて保管されるか、またはそのまま使用される。スプレードライ法で製造された粉乳は均一な粉末製品であり、さらなる乾燥、冷却、粉砕のプロセスが不要です。完成品として直接パッケージ化できるため、機械化された継続的かつ大規模な生産が可能になります。-さらに、材料の表面温度が低いため、粉乳製品の品質が向上します。したがって、噴霧乾燥装置は粉乳の生産において重要な役割を果たしており、乾燥製品の含水率はますます高くなる傾向にあります。ただし、スプレー乾燥は多量の-エネルギー-を消費するプロセスです。乾燥後の高品質の要件と含水量の変動を最小限に抑える必要があるため、乾燥温度などの操作パラメータを厳密に制御することが不可欠です。したがって、噴霧乾燥装置の正しい選択とその操作および制御システムの合理的な設計は、製品の品質とエネルギー節約を確保するために非常に重要です。これは我が国の乳業の技術進歩と発展に貢献するだけでなく、他の産業の技術進歩と発展を促進し、この国の経済的発展に大きく貢献します。-

1. 乳業生産における噴霧乾燥装置の開発

噴霧乾燥装置は 1901 年に初めて粉ミルク産業で使用されましたが、粉ミルク生産への実用化は 1920 年代になってからであり、我が国で使用され始めたのは 1940 年代後半になってからでした。初期の構造は圧力箱型（横型）で、材料の微粒化は二流体法であったため、消費電力が高かった。 1958 年、軽工業省は黒竜江省での粉ミルク生産のために動物を動力とする小規模な加圧噴霧乾燥を推進しました。- 1955 年、ハルビン松花江乳業工場は初めて遠心噴霧乾燥を使用して粉ミルクを製造しました。当時のこれらのタイプの噴霧乾燥装置は両方とも平底構造であり、粉末の出力は断続的であり、シフトごとに 1 回手動で出力する必要がありました。-

1960 年代半ばに、螺旋状の粉体排出装置（オーガ）を備えた円錐底構造のボックス型加圧乾燥装置が登場しました。-最初の縦型マルチノズル圧力スプレー乾燥機は 1970 年代初頭に開発されました。-その登場により、スプレードライヤーの有効容積はほぼ半分に減り、オーガーが不要になり、連続的な粉体出力が可能になりました。 1980 年代には、単一ノズルの垂直圧力スプレー ドライヤーが製造されました。粉ミルク産業への応用は、我が国の粉ミルク産業の技術進歩を促進する重要な要素となり、急速な発展の基礎を築きました。

2. 噴霧乾燥装置の特徴

噴霧乾燥装置には一般に、加圧式、遠心式、気流式の 3 つのタイプがあります。圧力噴霧乾燥機は、高い乾燥強度、より小さいサイズ、より低い設備投資と土木工学投資、より小さな製品粒子、より高い嵩密度を提供します。かさ密度が約 0.165 の粉乳の場合、乾燥時間はわずか 10{4}}30 秒と特に短く、熱に弱い材料の製造に適しています。-したがって、粉ミルクおよびその他の産業では、多くの遠心噴霧乾燥機が加圧噴霧乾燥機に変換されています。圧力スプレー乾燥機は消費電力も少なくなります。遠心噴霧乾燥機は一般に直径が大きく高さが低いため、加圧噴霧乾燥機に比べて乾燥強度が低くなります。これらはより大きな粒子サイズを生成し、より広範囲の材料に適応可能です。一般に、加圧噴霧乾燥機に適した材料は、遠心噴霧乾燥機にも適しています。遠心噴霧乾燥機は粘度の高い材料に適しています。二流体スプレーとも呼ばれる気流スプレーは、蒸気または圧縮空気の高速移動（通常 200～300 m/s）を利用して、気体と液体の間に高い相対速度を生み出します。-液膜はフィラメントに引き込まれ、その後細かい液滴に分裂します。表面積の急激な増加により、熱空気との急速な熱交換と物質交換が可能になり、水分が蒸発して粉末状の乾燥物質が生成されます。特に幅広い材料に適していますが、非常に大量の電力を消費します。一般に、他のスプレー方法が使用できる場合には、この方法は避けられます。気流噴霧の場合、材料を適切な温度に加熱して粘度を最小限に抑える必要があります。したがって、気流スプレーは粘度の高い材料に適しています。

3. 噴霧乾燥装置の開発動向

大規模な工業生産、省エネ、消費量削減の観点から、噴霧乾燥装置は垂直型、大規模、連続式、自動化されている必要があります。-このタイプの操作が最も合理的です。連続運転とは、噴霧が連続していること、つまり供給と排出の両方が連続していることを意味します。生産規模に応じて適切な設備を採用します。一般に、食品業界では大規模なマルチノズル システムが主流です。一方、製薬業界では一般に小規模です。-他の装置と同様に、噴霧乾燥装置の選択とその内部コンポーネントの適合は、処理される材料に適合させる必要があります。装置の乾燥強度、つまり、単位時間当たりの単位体積当たりの乾燥水分の量を最大化する必要があり、これにより噴霧乾燥装置のサイズを最小化し、設備および土木投資を最小限に抑えます。

311. 熱風分配方法

噴霧乾燥装置における熱風の分配は重要な側面です。熱風の導入方法は乾燥装置全体の性能に大きく影響します。適切な熱風導入方法により、液滴と熱風がより完全かつ効果的に混合され、熱交換効率が向上するだけでなく、特定の特殊な材料の乾燥にも効果的に対処し、壁や天井への材料の付着を防ぎます。従来の加圧スプレー乾燥機では、多くの場合、スリーブ-タイプの空気調整構造が採用されていました。熱風はスリーブを通して調整され、スプレードライヤーの内シリンダーに分配されました。このタイプの装置は比較的大型でした。現在では、多層ふるい板の空気分配がより一般的に使用されています。これは、小型であるため、より広く適用されているためです。並流で動作する加圧スプレー乾燥機では、ダクトに入る熱風の風速は約 9 m/s です。逆流式または上部排気式のスプレー ドライヤーでは、ダクトに入る空気速度を適切に高くする必要があります。-遠心噴霧乾燥機は通常、熱風分配器を使用します。熱風は渦巻き空気分配器とガイド プレートを通ってスプレー ドライヤーの本体に入り、熱風は遠心噴霧器と同じ方向に旋回します。遠心噴霧乾燥機の熱風分配器の主な機能は 3 つあります。乾燥媒体 (熱風) を乾燥塔に導入し、乾燥対象の材料と接触させて乾燥作業を完了します。導入された熱媒体と乾燥対象物が完全に混合する理想的な構造を選択し、高い熱交換効率を実現します。特定の素材が壁や上部に張り付く現象を軽減または回避するため。噴霧乾燥技術の発展に伴い、熱風分配器は常に改良されています。

312. タワーエキゾーストフォーム

並流スプレー ドライヤーでは、通常、底部排気が使用されます。-加圧噴霧乾燥機では、塔の円錐部分の上部で装置の直径が大きくなり、4つの排気ダクトが環状ゾーンに均等に配置され、粉末コレクターに集中します。あるいは、4 つのバグ フィルターを環状ゾーンの上部に直接設置し、排気ダクトを排気ファンの入口で収束させることもできます。現在、加圧スプレー乾燥機では上部排気システムが一般的に使用されています。{4}熱風は塔の上部から入り、材料も塔の上部から噴霧されます。塔の円形部分には4本の排気管が均等に配置されており、排気ガスは集塵機を介して収集されて排出されます。このタイプの噴霧乾燥機は、熱風加熱温度が比較的高く、乾燥強度が高く、塔容積が小さく、設備費や土木費が低いという特徴があります。

遠心噴霧乾燥機は通常、塔の円錐部分から排気管が引き出され、集塵機につながっています。これにより、通常の粉末出力に影響を与えることなくスプレー ドライヤー タワーの有効容積が最大化され、全体の容積が最小限に抑えられます。

313. 設備の清掃

輸入された噴霧乾燥機には通常この装置がなく、代わりに洗浄方法が使用されています。家庭用スプレードライヤーは一般的にこの問題を考慮しています。圧力噴霧乾燥機のタワーの壁は、通常、吊り下げプレート-タイプの集塵機を使用して清掃されます。これは安全で信頼性が高く、徹底した清掃が可能です。ただし、タワーの円錐形部分には外部清掃用の清掃ドアが必要です。遠心噴霧乾燥機のタワーは通常、徹底的な洗浄を行うプッシュ式昇降ダストスイーパーを使用して洗浄されます。-掃き掃除後、ダストスイーパーはタワードアからタワーの外に移動できます。

スプレードライヤーの塔には、乾燥物が塔壁に付着するのを防ぐために振動塔装置が取り付けられているのが一般的です。これには通常、特定の振動シーケンスでプログラムされたいくつかの空気作動式または電動ハンマーが使用されます。-空気作動ハンマー-は電動ハンマーよりも優れていますが、圧縮空気が必要です。

314. 装置の塵埃除去

スプレー乾燥機は通常、2 段階の塵除去プロセスを使用します。- 1段目はサイクロン分離による除塵、2段目はバグフィルターを使用します。粉乳製造では、バグフィルターの濾布は一般に 130 メッシュですが、タンパク質粉末製造では、一般に 200-240 メッシュが必要です。粉ミルクの製造では、一段階除塵も時々使用されます。大豆たん白や分離たんぱく質の噴霧乾燥製造では、乾燥塔の上部から熱風を送り込み、原料も上部から噴霧するのが一般的です。粉体排出と排気は両方とも粉体出口から粉体コレクター-に流入します。サイクロンセパレーターから排出された原料は、ルーツブロワーにより粉体サイロへ輸送されます。排気ガスはバグフィルターに入り粉末を捕集し、大気中に排出されます。微粉はサイクロンから排出された粉体とともに粉体サイロに送られます。一般に、タンパク質粉末の製造に使用される噴霧乾燥装置の吸気ファンおよび排気ファンの空気圧は、粉乳製造に使用される噴霧乾燥装置の吸気ファンおよび排気ファンの空気圧よりも高くなります。風量のマッチングは粉ミルク製造に使用される噴霧乾燥装置と同じであり、排気ファンの風量は吸気ファンの風量よりも 30% 大きくなっています。その理由は 3 つあります。まず、吸気ファンは室温の空気を送り込みますが、排気ファンは熱風を排出するため、風量歪みが大きくなります。次に、噴霧乾燥中、乾燥塔では 0.1147 kPa の真空が使用され、これにより材料のスムーズな下降が促進され、飛散が軽減されます。第三に、噴霧乾燥中に水分が蒸発しますが、これも一定の体積を占めます。

サイクロン分離器とバグフィルターチャンバーからの微粉末は、ルーツブロワーによってタワーに戻され、微粉末の凝集が行われ、粒子サイズと溶解度が増加します。

バグフィルターのフィルターバッグは通常、パルスバックフラッシュ方式を使用して振動させられますが、この方式はより高価で、より多くの圧縮空気を消費します。現在ではシリンダを用いた往復振動機構が一般的であり、空気調整バタフライバルブの閉弁に連動して振動が発生する。これにより、排気を行わずにフィルターバッグを瞬間的に振動させることができるため、低コストで優れた性能が得られます。

315. 装置からの粉体の排出

噴霧乾燥装置からの粉末の排出は連続的で、乾燥塔の出口の振動流動床に接続されています。これにより、粉末材料の二次乾燥が可能になり、その後、レシチンまたは他の香味料を塗布することができます。これにより、噴霧乾燥装置の能力が拡張され、製品の品質が向上し、二次乾燥後の材料のタイムリーな冷却が可能になり、製品を直接包装できる状態にすることができるため、包装前の汚染リスクが大幅に軽減されます。

4. 乾燥工程制御システム

噴霧乾燥プロセスの迅速な性質は、効果的な制御にとって非常に重要です。現在、国内外における乾燥制御の理論と実践に関する研究はまだ初期段階にあり、包括的かつ体系的な研究が不足しています。生産プロセスの分析に基づいて、粉乳乾燥プロセスに自動制御技術を適用する目的は次のとおりです。

(1) 手動による断続的な操作によって引き起こされる装置操作の不安定性を回避し、それによって連続生産を達成し、噴霧乾燥の多変数で非線形性の高いシステム操作プロセスを安定化します。

(2) 自動制御システムの導入により、製品の品質と出力を確保しながら、制御システムのオンライン信号取得ポイントの数を最小限に抑え、変数間の不要な影響を軽減します。

(3) 人的資源を節約し、人的要因によるダウンタイムを削減し、作業サイクルを短縮します。

(4) 自動制御システムの各変数のパラメータを正しく設定することにより、システム全体が最適な状態で動作し、機器自体の効率を最大化し、エネルギーの節約と消費量の削減の目的を達成することができます。

(5) 製品の品質を向上させ、運用管理コストを最小限に抑えます。

特定のプロセス条件下での乾燥装置の適用の成功を評価するための主な指標は、乾燥製品の生産量と品質、製品の粒度分布、外観、最終水分含有量です。製品の生産量は、生産負荷の経済的パフォーマンス、熱風発生器によって提供される熱、乾燥機の乾燥強度、熱風流量、およびスラリー中の固形分によって決まります。製品の品質には多くの要因が影響します。粒径と外観は乾燥装置のプロセス性能とスラリー調製パラメータによって決まりますが、最終的な水分含量は熱風入口温度、排気ガス出口温度、乾燥塔内の負圧などのパラメータの選択に直接関係します。

噴霧乾燥装置は粉ミルクの生産に革命をもたらしました。ただし、噴霧乾燥装置は万能な解決策ではありません。噴霧構造と形状、タワー構造、空気分配、排気、粉体塗装、粉体排出方法、他のプロセス装置との組み合わせ、自動制御システムの設計はすべて、処理される材料に適したものでなければなりません。このようにしてのみ、時代の発展と科学技術の絶え間ない進歩により、噴霧乾燥装置はより広範囲の材料乾燥要件に適応し、国民経済の発展と建設にますます大きく貢献することができます。