Relative humidity of outlet air: the key parameter to optimize moisture content and water activity of dairy powders

Abstract

The most widely used technique for dehydration of dairy products is spray drying. This is an effective method for preserving biological products as it does not involve severe heat treatment and allows storage of powders at an ambient temperature. The maximum moisture content of a dairy powder (max 4% for skim milk powder) is defined in the product specification in relation to the water activity, and this must be close to 0.2 at 25 °C for optimum preservation. From an economic point of view, it is very important to operate as closely as possible to this limit. Many dairy manufacturers and researchers have demonstrated and reported that powder moisture is related to the outlet air temperature, but this is not always true. The aims of this study were to evaluate the direct and indirect relationships between outlet air temperature and moisture content of skim milk powder in relation to the spray-drying parameters (concentrate mass flow rate, absolute humidity of inlet air and inlet air temperature) using a thermodynamic approach. Our experiments showed that moisture content of skim milk powder can be close to 5.1 ± 0.0% with variations in outlet air temperature of 77 to 87 °C. Other experiments showed that the powder moisture content can vary from 4.6 ± 0.0% to 5.2 ± 0.0% even when the outlet air temperature remains close to 86 ± 1 °C. These results indicate that there is no direct relationship between outlet air temperature and powder moisture content. It is preferable to use the Enthalpic Mollier-Ramzine diagram of wet air and certain transfer equations related to the Fick and Fourier laws to demonstrate that the powder moisture content is directly related to the relative humidity (RH) of the outlet air. The moisture content and water activity of skim milk powder were close to 5.1 ± 0.0% and 0.27 ± 0.01 for outlet air RH close to 7.0 ± 0.1%, respectively, whatever the other drying parameter values. We demonstrated in this study that control of the RH of the outlet air is at least as important as control of the outlet air temperature to optimize the moisture content of a dairy powder, regardless of the absolute humidity of the inlet air, concentrate mass flow rate or inlet air temperature.

Abstract

4% 25 °C 0.2 77 ∼ 87 °C 5.1% ± 0.0%; 86 ± 1 °C 4.6 ± 0.0% Mollier-Ramzine 7.0 ± 0.1% 5.1 ± 0.0% 0.27 ± 0.01

Résumé

Le séchage par atomisation est la technique de déshydratation la plus couramment employée en industrie laitière. De par son traitement thermique réduit, c’est une technique très efficace permettant de préserver des produits biologiques sous forme de poudre et de les stocker à température ambiante. La teneur en eau ou humidité maximale pour une poudre laitière (4 % max pour une poudre de lait écrémé) est déterminée en fonction de l’activité de l’eau qui doit être proche de 0,2 à 25 °C pour une conservation optimale. D’un point de vue économique, il est vraiment très important de travailler aussi proche que possible de ces limites. Beaucoup d’industriels laitiers et de chercheurs ont démontré que la teneur en eau d’une poudre était en relation avec la température de l’air de sortie, mais ce n’est pas toujours vrai. L’objectif de cette étude était d’évaluer les relations directes et indirectes entre la température de l’air de sortie et la teneur en eau d’une poudre de lait écrémé en relation avec les paramètres de séchage (débit de concentré, température et humidité absolue de l’air d’entrée) par une approche thermodynamique. Nos expériences ont montré que la teneur en eau d’une poudre de lait écrémé pouvait être proche de 5, 1 ± 0, 0 % avec des variations de la température d’air de sortie comprises entre 77 et 87 °C. D’autres expériences ont montré que la teneur en eau d’une poudre de lait écrémé pouvait varier de 4, 6 ± 0.0 % et de 5, 2 ± 0, 0 % avec une même température d’air de sortie proche de 86 ± 1°C. Ces résultats indiquent qu’il n’y a pas de relation directe entre la température d’air de sortie et la teneur en eau d’une poudre. Il est préférable d’utiliser le diagramme enthalpique de l’air humide de Mollier-Ramzine et quelques équations de transferts suivant les lois de Fick et de Fourier pour démontrer que la teneur en eau d’une poudre est directement en relation avec l’humidité relative (HR) de l’air de sortie. La teneur en eau et l’activité de l’eau d’une poudre de lait écrémé étaient proches respectivement de 5,1 ± 0,0 % et de 0,27 ± 0,01 pour une HR proche de 7, 0 ± 0, 1 % quelles que soient les valeurs des autres paramètres de séchage. Nous avons démontré dans cette étude que le contrôle de l’HR de l’air de sortie est un paramètre au moins aussi essentiel que la température de l’air de sortie pour optimiser la teneur en eau d’une poudre laitière, sans se soucier des valeurs du débit de concentré, de l’humidité absolue et de la température de l’air d’entrée.