Residence time distribution: a tool to improve spray-drying control

Abstract

Dairy powders are mainly obtained by spray drying, which is an effective process as it makes possible long-term storage at an ambient temperature. However, the control and design of this operation is still based on empirical knowledge. Improvement in product quality, which is governed by time/temperature history, thus involves greater understanding of the process via physico-chemical, thermodynamic and kinetic approaches. With regard to the latter, the residence time distribution (RTD) of the product provides valuable information about the product flow pattern in the dryer according to the operating conditions. The aim of this study was to determine the RTD of skim milk in a drying plant with different configurations, according to fine particle recycling (top of the chamber or internal fluid bed) and internal fluid bed thickness (4 to 16 cm). The RTD signal of the atomisation device was established first; then the RTD signals of the different spraydryer configurations were obtained by deconvolution of the experimental curves obtained and the RTD signal of the atomisation device, and modelled according to a combination of four reactor sets. The mean residence time of the product was only slightly modified by the dryer configuration (range 9.5 to 12 min). However, the results showed that a thicker internal fluid bed tends to increase mean residence time due to higher product retention, whereas top recycling of fine particles tends to decrease the mean residence time because of better agglomeration. RTD modelling provides additional information concerning the product flow rate fraction and the residence time distribution of each part of the dryer (chamber, cyclones and fluid bed), indicating that 60 to 80% of the powder passes through the cyclones, depending on the configuration. This study provides greater understanding of dryer operation, and allows further correlation between process parameters and biochemical changes (protein denaturation, Maillard reaction, etc.).

Abstract

(4–16 cm) 9.5–12 min); 60%–80%

Résumé

La technique la plus employée pour la déshydratation des produits laitiers est le séchage par atomisation, qui permet le report des produits sur de longues durées à température ambiante. Cependant, le contrôle de cette opération est encore fondé sur des savoir-faire empiriques, et l’amélioration de la qualité des poudres, qui dépend notamment des couples temps/température subis, nécessite aujourd’hui une démarche plus rigoureuse basée sur des approches physico-chimiques, thermodynamiques et cinétiques. À ce titre, la détermination de la distribution des temps de séjour (DTS) permet d’obtenir une modélisation des flux produits au sein du séchoir, en fonction des conditions opératoires. L’objectif de cette étude était de déterminer la DTS du lait écrémé au sein d’une tour de séchage pilote sous différentes configurations, en fonction de la zone de recyclage des fines (haut de tour ou lit fluidisé interne) et de l’épaisseur du lit fluidisé interne (4 à 16 cm). Les fonctions DTS correspondant aux différentes configurations ont été déterminées par déconvolution des courbes expérimentales obtenues et de la fonction DTS du système d’atomisation, établie dans un premier temps; ces fonctions ont ensuite été modélisées à partir d’une combinaison de quatre ensembles de réacteurs agités. Le temps de séjour moyen du produit est faiblement modifié par la configuration mise en œuvre, et varie de 9,5 à 12 min. Cependant, nos résultats montrent qu’un lit fluidisé interne plus épais tend à accroítre le temps de séjour moyen du fait d’une rétention accrue du produit, tandis que le recyclage des fines en haut de tour le diminue. La modélisation des signaux DTS apporte des informations supplémentaires concernant la fraction de débit massique et le temps de séjour du produit circulant dans les différentes parties du séchoir (chambre, cyclones, lit fluidisé) : selon la configuration, 60 à 80 % de la poudre transiterait au travers des cyclones. Ces résultats contribuent à une meilleure compréhension du fonctionnement du séchoir, et permettent d’envisager des corrélations ultérieures entre paramètres du procédé et modifications biochimiques (dénaturation des protéines, réaction de Maillard, etc.).