Wydajność suszarni przemysłowych

Budowa suszarni na zamówienie od A do Z – cz.2/2
13 maja 2020

Znaczenie parametrów i doboru odpowiedniej metody suszenia

Suszenie to jeden z podstawowych procesów stosowanych w przemyśle podczas wytwarzania żywności, a także innych produktów i półproduktów, np. forniru, czy papieru. Proces ten pozwala na:

  • nadanie oczekiwanych cech danemu surowcowi – np. obniżenie zawartości wody w proszkach owocowych i warzywnych do poziomu < 4% zapobiega ich zbrylaniu się;
  • zwiększenie trwałości produktu lub półproduktu – w przypadku produktów spożywczych, obniżenie zawartości wody do:
    • 7 -15 % dla warzyw;
    • 5 – 25% dla owoców;
    • <15% dla kwaśnych owoców o małej zawartości cukrów takich jak, m.in. maliny, czarne jagody;

zapewnia stabilność mikrobiologiczną suszu. Ponadto dalsze obniżenie wilgotności produktu – do 5-10% dla warzyw i grzybów oraz do 15 % dla owoców, ogranicza ciemnienie suszu w trakcie przechowywania;

  • zwiększenie efektywności transportu – dzięki zmniejszeniu masy i w większości przypadków objętości produktu.

Aby uzyskać produkt wysokiej jakości należy odpowiednio dobrać metodę suszenia oraz jej parametry. Ważna jest również jakość surowca poddawanego procesowi suszenia oraz sposób jego obróbki wstępnej.

Określenie poszczególnych parametrów pozwalających na osiągnięcie oczekiwanej wydajności i jakości produktu jest często problematyczne dla naszych klientów, dlatego też w niniejszym artykule przedstawimy przykładowe dane dotyczące wydajności naszych suszarni przy zastosowaniu poszczególnych metod suszenia, jako uzupełnienie ich charakterystyk przedstawionych w naszych innych wpisach dotyczących metod i technologii suszenia.

Wpływ sposobu przygotowania surowca na wydajność suszenia

Na wydajność suszenia ma wpływ wiele czynników, m.in.:

  • Rodzaj surowca, w tym jego właściwości fizyczne i chemiczne,
  • Parametry urządzenia suszarniczego.

W niniejszym wpisie skupimy się na wpływie cech surowca oraz sposobie jego przygotowania na wydajność suszenia. Parametry maszyn wykorzystujących daną metodę odprowadzenia wody z produktu oraz przykładowe dane zebrane z powszechnie dostępnych źródeł, w tym artykułów naukowych, stron internetowych i publikacji, będą przedmiotem kolejnych wpisów.

Najważniejsze cechy surowca, które należy uwzględnić przy wyborze danej metody suszenia oraz rodzaju urządzenia, przedstawiono poniżej.

Podstawowe cechy surowca decydujące o wydajności procesu suszenia:

  • Stopień i sposób rozdrobnienia (wielkość i kształt) surowca – materiał o mniejszych wymiarach, a zatem większym stosunku powierzchni właściwej do masy lub objętości suszy się szybciej. Stopień rozdrobnienia określa również maksymalną ilość wody jaką można odparować z materiału, gdyż np. pył zatrzyma więcej wody niż cząstki o średnicy 5 mm;
  • Wilgotność surowca i suszu – określa masę wody do odparowania w pojedynczym cyklu suszenia;
  • Gęstość i struktura wewnętrzna produktu – woda jest łatwiej odprowadzana z materiału o strukturze porowatej, rozluźnionej;
  • Ciepło właściwe – określa ilość energii cieplnej, którą należy dostarczyć do produktu o masie 1 kg by podnieść jego temperaturę o 1 ⁰C. Zależy ono m.in. od wilgotności materiału (ciepło właściwe maleje ze wzrostem wilgotności) oraz jego składu;
  • Przewodność cieplna – cecha ta określa szybkość, z którą ciepło jest przewodzone w danym materiale. Zmienia się ona wraz ze zmianą wilgotności materiału w trakcie trwania procesu suszenia.

Na wydajność procesu usuwania wody z surowca i właściwości produktu końcowego ma także wpływ jakość surowca oraz sposób jego obróbki wstępnej.

Zalecenia dotyczące właściwości warzyw i owoców poddawanych suszeniu są następujące:

  • DLA OWOCÓW – powinny być one w pełni dojrzałe, ale nie przejrzałe, a dojrzałość i wielkość poszczególnych owoców powinna być do siebie zbliżona;
  • DLA WARZYW – najlepszej jakości susz można uzyskać z warzyw o dużej zawartości cukrów i intensywnej barwie. Nie powinny one ponadto zawierać zbyt dużej ilości błonnika, zwłóknień, czy części zdrewniałych.

Proces przygotowania surowca do procesu suszenia zależy od jego rodzaju i cech, a także oczekiwanych właściwości, jakimi powinien charakteryzować się susz. Najczęściej składa się on z następujących etapów:

  1. Obróbka wstępna
    Obróbka wstępna obejmuje przede wszystkim mycie, obieranie, oczyszczenie, usunięcie części niejadalnych i przebarwień oraz rozdrobnienie surowca, który zostanie poddany procesowi suszenia. Aby uzyskać susz o takich samych, jednolitych i powtarzalnych cechach należy zadbać, by produkt poddawany procesowi suszenia w każdym cyklu był wyrównany pod względem wielkości, kształtu i wilgotności.
  2. Dodatkowa obróbka żywności
    W celu poprawy jakości suszu oraz warunków wymiany ciepła i masy w procesie odprowadzenia wody stosuje się dodatkowe procesy takie jak, m.in.:
  • Blanszowanie

Proces ten stosowany jest przede wszystkim w przypadku owoców posiadających twarda skórkę, takich jak winogrona, śliwki, borówki itp.  W wyniku poddania produktu działaniu gorącej wody lub pary wodnej ich skórka pęka, a struktura tkankowa zostaje rozluźniona. Warunki wymiany ciepła i masy stają się korzystniejsze, a czas procesu suszenia ulega skróceniu. Ponadto w wyniku procesu blanszowania lepiej zachowana zostaje naturalna barwa surowca. Susz zawiera większą ilość składników odżywczych oraz charakteryzuje się lepszymi cechami organoleptycznymi.

  • Sulfitacja

Proces ten polega na poddaniu surowca działaniu gazowego dwutlenku siarki, bądź jego wodnego roztworu o stężeniu 1-3%. Sulfitacja wpływa na:

  • Lepsze zachowanie barwy surowca;
  • Zahamowanie rozwoju niepożądanej mikroflory;
  • Zwiększenie przepuszczalności wody przez ściany komórkowe, a tym samym skrócenie czasu trwania procesu suszenia;
  • Ograniczenie procesu ciemnienia suszu.

Pomimo niewątpliwych zalet proces ten jest obecnie coraz rzadziej stosowany. Wpływa na to m.in. fakt, że część SO2 może połączyć się z cukrami zawartymi w suszonych produktach, tym samym powodując zmianę ich barwy oraz redukcję zawartości witaminy B1. Ponadto zastosowanie siarki skutkuje korozją urządzeń, a jej opary są toksyczne dla ludzi.

Sulfitację zastępuje się więc alternatywnymi metodami pozwalającymi na osiągnięcie podobnych efektów, m.in. namaczaniem w:

  • roztworze kwasów organicznych spożywczych, w tym kwasu cytrynowego lub askorbinowego
  • sokach owocowych, np. ananasowym, limonowym, cytrynowym – zastosowanie wymienionych naturalnych antyoksydantów może jednakże spowodować zmianę smaku surowca
  • Załadunek surowca do suszarni
    Podczas załadunku bardzo ważnym jest, by produkt był rozłożony możliwie równomiernie, w cienkiej warstwie, ponieważ zapewnia to optymalne warunki procesu suszenia oraz uzyskanie produktu charakteryzującego się podobnymi cechami. Podstawowe sposoby załadunku surowca do suszarni o określonej konstrukcji podajemy na grafice poniżej.

 

 

Wydajność suszarni konwekcyjnych

Podstawowe parametry decydujące o wydajności suszenia metodą konwekcyjna to temperatura na wlocie i wylocie z urządzenia, wilgotność oraz prędkość przepływającego powietrza. Ponadto należy uwzględnić kierunek, w którym powietrze przepływa względem produktu i powierzchnię jego styczności  z surowcem.

Największą uwagę poświęca się temperaturze czynnika suszącego. Zachowanie jej odpowiedniej  wartości jest bardzo ważne. Zastosowanie zbyt wysokiej temperatury, np. na początku procesu suszenia niektórych warzyw może doprowadzić do utwardzenia ich powierzchni, a tym samym utrudnionej dyfuzji wody i wydłużenia czasu potrzebnego do usunięcia wody do określonego poziomu z surowca. Natomiast użycie zbyt niskiej temperatury skutkuje m.in. spadkiem wydajności procesu, a także zwiększeniem jednostkowych kosztów eksploatacyjnych.

Najczęściej suszonym przez naszych klientów surowcem są owoce, warzywa i grzyby. Dlatego to właśnie dla nich przedstawiliśmy w tabeli poniżej dane dotyczące zalecanej temperatury i odpowiadającego im orientacyjnego czasu suszenia poszczególnych produktów.

Tabela 1 Czas suszenia wybranych warzyw, owoców i grzybów. Źródła: materiały własne
oraz https://www.suszarkidoowocow.pl/pl/porady-dotyczace-suszenia

 

Aby zobrazować różnorodność rezultatów dotyczących czasu trwania procesu suszenia, które można uzyskać w zależności od cech materiału i przyjętych parametrów, w tabeli poniżej przedstawiliśmy przykładowe informacje zebrane z powszechnie dostępnych źródeł.Metoda konwekcyjna jest stosowana w celu usunięcia wody z innych produktów i półproduktów, niż wymienione wyżej.

 

Liczba czynników wpływających na wydajność suszenia jest jednak tak duża, że aby możliwe było możliwie precyzyjne określenie odpowiednich parametrów procesu i urządzenia suszarniczego, należy przeprowadzić próby suszarnicze.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabela 2 Wydajność suszenia dla metody konwekcyjnej – przykładowe dane.
Oznaczenia: Wp – wilgotność początkowa produktu,
Wk – wilgotność końcowa produktu, Wwz – wilgotność względna, Vp – prędkość przepływu powietrza

Wydajność suszarni promiennikowych

W metodzie promiennikowej wzrost temperatury oraz usunięcie wody z produktu następuje wskutek absorpcji energii fal promieniowania elektromagnetycznego w zakresie IR przez powierzchniowe warstwy materiału. Podczerwień wnika na małą głębokość, dlatego też metoda ta zalecana jest przede wszystkim do produktów o dużym stosunku powierzchni do objętości, w tym materiałów w cienkich warstwach takich jak papier, powłoki lakiernicze, emalie.

W naszych urządzeniach zazwyczaj łączymy metodę promiennikową z konwekcyjną, dzięki czemu otrzymujemy satysfakcjonujące rezultaty dotyczące wydajności suszenia i jakości uzyskanego produktu. Przepływ powietrza zapewnia wówczas optymalne warunki odbioru wody z powierzchni materiału i usunięcie jej z komory urządzenia.

Liczba parametrów urządzenia decydujących o wydajności suszenia metodą promiennikowo – konwekcyjną jest większa niż w przypadku metody konwekcyjnej. Podstawowe z nich zostały przedstawione na liście poniżej.

  • Natężenie promieniowania
  • Odległość źródła promieniowania od produktu
  • Prędkość przepływającego powietrza
  • Wilgotność powietrza
  • Temperatura powietrza
  • Długość fali emitowanej przez promienniki

Znaczenie wpływu odległości źródła promieniowania i początkowej wilgotności produktu można wykazać na podstawie danych dotyczących czasu potrzebnego do osiągnięcia temperatury powierzchni suszonych ziaren kukurydzy wynoszącej 90⁰C, przedstawionych w tabeli poniżej.

Tabela 3 Wpływ początkowej wilgotności produktu i jego odległości od źródła promieniowania na czas procesu suszenia.

Jak można zauważyć, wydajność suszenia maleje wraz ze zwiększeniem odległości źródła promieniowania od produktu i wzrostem początkowej zawartości wody w surowcu. Jednakże należy pamiętać, że przy określaniu natężenia promieniowania padającego na suszony surowiec należy się kierować nie tylko czynnikami ekonomicznymi, lecz również uwzględnić jego właściwości fizyczne i chemiczne, gdyż w przeciwnym wypadku mogłoby dojść do pogorszenia jakości uzyskanego produktu.

 

W tabeli poniżej przedstawiliśmy, zebrane przez nas z powszechnie dostępnych publikacji, przykładowe dane obrazujące wpływ wymienionych w niniejszym akapicie parametrów na czas procesu suszenia przy zastosowaniu promieniowania podczerwonego.

Tabela 4 Wydajność suszenia przy zastosowaniu promieniowania podczerwonego – przykładowe dane. Oznaczenia: Wp – wilgotność początkowa produktu, Wk – wilgotność końcowa produktu,  Wwz – wilgotność względna, Vp – prędkość przepływu powietrza, Oźp – odległość źródła promieniowania, p – ciśnienie powietrza, Int – interwałowe suszenie podczerwone/czas trwania interwału

Wydajność suszarni mikrofalowych

Suszenie mikrofalami jest kolejną metodą usunięcia wody z produktu, w ramach której woda zawarta w surowcu ogrzewana jest w wyniku absorpcji fal elektromagnetycznych. Jednakże, w odróżnieniu od metody promiennikowej, zastosowanie mają tu mikrofale o częstotliwości 915 MHz lub 2450 MHz, które wnikają w głąb produktu, ogrzewając go „od środka”.

W suszarniach przemysłowych metodę mikrofalową zazwyczaj łączy się z innymi metodami, najczęściej konwekcyjną i próżniową.  Dlatego, aby określić wydajność procesu suszenia w zależności od parametrów maszyny, należy uwzględnić zarówno parametry dla metody mikrofalowej takie jak, m.in.: moc generatora mikrofal, częstotliwość mikrofal, odległość źródła promieniowania od produktu, tryb pracy generatora mikrofal – ciągły, bądź pulsacyjny, jak i parametry pracy dla pozostałych metod suszenia zastosowanych w urządzaniu.

W tabeli poniżej przedstawiliśmy dane dotyczące możliwych do uzyskania efektów suszenia przy zastosowaniu mikrofal, uzyskane na podstawie analizy powszechnie dostępnych źródeł.

Tabela 5 Wydajność suszenia przy zastosowaniu promieniowania mikrofalowego – przykładowe dane. Oznaczenia: Wp – wilgotność początkowa produktu, Wk – wilgotność końcowa produktu,  Wwz – wilgotność względna, Vp – prędkość przepływu powietrza, Oźp – odległość źródła promieniowania, p – ciśnienie powietrza, Intpul – czas trwania interwału promieniowania mikrofalowego pulsacyjnego

Wydajność suszarni kontaktowych i próżniowych

W metodzie kontaktowej produkt ma bezpośredni kontakt z powierzchnią grzejną. To właśnie jej temperatura jest głównym parametrem decydującym o ilości usuniętej z surowca wody w zadanym czasie. Ponadto znaczący wpływ ma typ powierzchni, przez którą ciepło wnika w surowiec, stopień rozdrobnienia produktu, a także fakt, czy jest on mieszany w trakcie procesu suszenia.

Urządzenia wykorzystujące metodę kontaktową mogą pracować pod ciśnieniem atmosferycznym. Wówczas często stosuje się przepływy powietrza o określonej temperaturze, wilgotności i prędkości, umożliwiające odbiór wody z powierzchni materiału. Są to suszarnie kontaktowo – próżniowe, w których metodę kontaktową łączy się z próżniową. Przy wykorzystaniu tej metody należy określić wartość ciśnienia w komorze maszyny, gdyż to właśnie jego obniżona wartość wpływa na zmniejszenie temperatury wrzenia wody oraz powstanie gradientu ciśnień między wnętrzem produktu i jego otoczeniem wpływających zwiększenie szybkości transportu ciepła i masy, dzięki czemu istnieje możliwość otrzymania produktu charakteryzującego się niższą wilgotnością końcową oraz znacznie lepszymi parametrami jakościowymi niż w przypadku zastosowania metody konwekcyjnej.

Wpływ poszczególnych czynników można wykazać na podstawie przykładowych danych zawartych w powszechnie dostępnych publikacjach, a zebranych przez nas i przedstawionych w tabeli poniżej.

Tabela 6 Wydajność suszenia przy zastosowaniu metody kontaktowej i próżniowej – przykładowe dane. Oznaczenia: Wp – wilgotność początkowa produktu, Wk – wilgotność końcowa produktu

 

Podsumowanie

W tym i poprzednich wpisach skupiliśmy się przede wszystkim na wydajności suszarni przemysłowych w przypadku zastosowania różnych metod usunięcia wody z produktu. Jak widać ma na nią wpływ bardzo wiele czynników. Czas suszenia partii produktu w przypadku tego samego urządzenia będzie się różnić w zależności od cech surowca. Analogicznie dla jednego materiału uzyskamy różne wydajności, susząc go w innych maszynach. Dlatego też realizując nasze urządzenia podchodzimy do każdego przypadku indywidualnie, określając oczekiwane przez inwestora rezultaty procesu, a także dostępne środki i warunki dotyczące, m.in. preferowanego źródła zasilania. Dopiero na podstawie tych informacji indywidualnie dobieramy parametry poszczególnych podzespołów naszych suszarni. Aby dowiedzieć się więcej na temat poszczególnych metod, zapraszamy do zapoznania się z pozostałymi wpisami, zaś w celu zakupu urządzenia do przeanalizowania naszej oferty i kontaktu poprzez formularz zamieszczony na stronie w zakładce kontakt.

 

Źródła:

  • https://www.suszarkidoowocow.pl/pl/porady-dotyczace-suszenia
  • Wilson S., „Development of Infrared Heating Technology for Corn Drying and Decontamination to Maintain Quality and Prevent Mycotoxins”, University of Arkansas, Fayetteville
  • „Charakterystyka suszenia próżniowego spienionego przecieru jabłkowego”, Dr inż. Ewa Jakubczyk, Dr inż. Ewa Gondek, Katedra Inżynierii Żywności i Organizacji Produkcji, SGGW w Warszawie, „Postępy techniki przetwórstwa spożywczego” 1/2009
  • „Influence of temperature on vacuum drying characteristics, functional properties and micro structure of Aloe vera (Aloe barbadensis Miller) gel”, R.K. Jha, P.K. Prabhakar, P.P. Srivastav, V.V. Rao, Research in Agricultural Engineering Vol. 61, 2015 (4): 141-149
  • „Energy Consumption and Colour Characteristics of Nettle Leaves during Microwave, Vacuum and Convective Drying”, Ilknur Alibas, Faculty of Agriculture, Department of Agricultural Machinery, Uludag University, 16059 Bursa, „Biosystems Engineering” (2007) 96 (4), 495–502
  • „Kinetyka suszenia, właściwości morfologiczne i mechaniczne suszonych próżniowo truskawek”, Monika Janowicz, Iwona Sitkiewicz, Dariusz Piotrowski, Andrzej Lenart, Maria Hankus, „Inżynieria Rolnicza” 5(130)/2011
  • „Vacuum drying characteristics of eggplants”, Long Wu, Takahiro Orikasa, Yukiharu Ogawa, Akio Tagawa, „Journal of Food Engineering” 83 (2007) 422–429
  • „Results from experiments with a new veneer contact drying technology”, Olli Paajanen, Matti Kairi, „World Conference on Timber Engineering”, Auckland New Zealand”, 15-19 July 2012
  • „Development of Infrared Heating Technology for Corn Drying and Decontamination to Maintain Quality and Prevent Mycotoxins”, Shantae Wilson, University of Arkansas, Fayetteville,” Theses and Dissertations” 1542, 2016 r.
  • „iIfluence of pre-treatment and drying methods on process of rehydration of dried apple”, Tomasz Hebda, Beata Brzychczyk, Boguslawa Lapczynska-Kordon, Jakub Styks University of Agriculture in Krakow, Poland, „Engineering for rural development”, Jelgava, 22.-24.05.2019
  • „Drying kinetics and quality of beetroots dehydrated by combination of convective and vacuum-microwave methods”, Adam Figiel, „Journal of Food Engineering” 98 (2010) 461–470
  • „Drying kinetics and drying shrinkage of garlic subjected to vacuum-microwave dehydration”, Adam Figiel, „Acta Agrophysica”, 2006, 7(1), 49-58
  • „Experimental study on drying of chilli in a combined microwave-vacuum-rotary drum dryer”, Weerachai Kaensup, Suracbate Cbutima and Somcbai Wongwises, Fluid Mechanics, Thermal Engineering and Multiphase Flow Research Laboratory (FUTURE), Department of Mechanical Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Bangmod, Bangkok 10140, Thailand
  • „Effect of Microwave Drying on the Drying Characteristics, Color, Microstructure, and Thermal Properties of Trabzon Persimmon”, Soner Çelen, Foods 2019, 8, 84
  • „Design and analysis of the commercialized drier processing using a combined unsymmetrical double-feed microwave and vacuum system (case study: tea leaves)”, Kusturee Jeni, Mudtapha Yapa, Phadungsak Rattanadecho, Chemical Engineering and Processing” (2010)
  • „Infrared drying of strawberry”, Nafiye Adak, Nursel Heybeli, Can Ertekin, „Food Chemistry”, September 2016
  • „Modeling of moisture loss kinetics and color changes in the surface of lemon slice during the combined infrared-vacuum drying”, Fakhreddin Salehi, Mahdi Kashaninejad, „Information processing in agriculture” 5 (2018) 516–523