Ce proprietăți ar trebui să aibe pulberile alimentare care trebuie dizolvate rapid și eficient într-un lichid și cum poate fi anticipat procesul? Acestea sunt aspecte de importanță majoră pentru mii de producători din întreaga lume, pentru care procesele mai eficiente pot aduce beneficii mari în ceea ce privește calitatea produselor, economia de energie și costurile investiționale. Iată că, un proiect de cercetare finanțat de Tetra Pak a oferit noi cunoștințe și a schimbat vechiul adevăr despre ceea ce determină modul în care se dizolvă o pulbere. După cum se știe, dizolvarea pulberii uscate într-un lichid este unul dintre cele mai frecvente procese industriale, aplicat într-o gamă largă de sectoare. Însă, o dizolvare porst efectuată, cauzează deteriorarea calității produsului final, o culoare cu nuanță divergentă, sau un aliment cu proprietăți de neacceptat. Aceasta poate însemna, de asemenea, costuri mai ridicate ale energiei și deșeuri mai multe.Dizolvarea trebuie să fie rapidă și eficientă   În industria alimentară, sunt utilizate într-o gamă diversă de procese diferite tipuri de pulberi uscate. Ele pot fi adăugate ca agenți de îngroșare, stabilizatori sau emulgatori sub formă de pulbere, pentru a da proprietățile dorite sau pentru a recombina un produs original. Avantajele utilizării pulberii în industria alimentară și, specific, industriei laptelui, includ reducerea greutății și a costurilor de transport și un timp de depozitare prelungit, datorită activității scăzute a apei.   De aceea, dizolvarea trebuie să fie rapidă și eficientă, în procesele industriale la scară largă, fiind vital să se evite formarea de bulgări gelifiați, cunoscuți sub numele de ”ochi de pește”, în loc ca pulberea să se dizolve. Indiferent de scară, acest proces aparent simplu este mult mai complicat decât s-ar părea, stabilindu-se că modelele clasice utilizate pentru a calcula solubilitatea pulberii sunt insuficiente, când se referă la pulberi uscate prin pulverizare.   Într-un proces de amestecare bine conceput, pulberea se dizolvă eficient în lichid. Dizolvarea mai puțin eficientă va duce la formarea de aglomerări care sunt greu de dizolvat, iar dizolvarea industrială se face, de obicei, în mixere mari, unde pulberea este amestecată cu un fluid și agitată într-un mod care creează forțe puternice de forfecare, pentru a dispersa pulberea și pentru a evita formarea de bulgări. Cu toate acestea, fiecare pulbere are propriile proprietăți speciale, iar echipamentul și procesul de amestecare trebuie ales în mod corespunzător. Furnizarea unui produs cu alimentar cu aglomerări nu este doar rău, pentru încrederea consumatorilor, ci și, de asemenea, o afacere proastă, care conduce la necesitatea de a investi într-un mixer inutil de avansat.   Două etape   Pur și simplu, procesul de dizolvare a pulberii are loc în două etape: îmbibare și dizolvare. Îmbibirea implică umectarea fluidă a pudrei prin penetrarea golurilor înguste formate între particulele de pulbere. Acesta este un proces care este condus de forțele capilare care aspiră apă în pulbere, dar în care pierderile de fricțiune împiedică fluxul. Pentru a prezice rata de absorbție, este utilizată pe scară largă o ecuație dezvoltată în anii 1930, mai precis, modelul Kozeny-Carman (KC). Acest model, presupunând că pulberea constă din sfere, s-a dovedit a funcționa mai puțin bine pentru pulberile de lapte; distribuția mărimii, porozitatea și amestecul de particule fine și aglomerate au condus pe specialiștii de la Tatrea Pac la concluzia că, pur și simplu, nu corespund presupunerii!   Modelele stabilite pentru estimarea ratei de absorbție presupun că un strat de pulbere constă din sfere. Dar o privire rapidă la microscop arată că particulele reale de pulbere sunt departe de a fi sferice și că un strat de pulbere trebuie să fie descris pe baza unui număr de parametri, cum ar fi distribuția mărimii, porozitatea și un indice de polidispersie a particulelor sale. Pentru a investiga proprietățile reale ale pulberilor de lapte și pentru a găsi o metodă mai precisă pentru a prezice rata de umidificare, a fost proiectat un experiment prin care s-a adăugat un lichid (ulei) într-un pat de lapte praf. Motivul folosirii uleiului în loc de apă, de exemplu, a fost acela de a evita orice reacție între fluid și particule. În mod surprinzător, experimentele au arătat că mari cantități de aer (până la 80%) ar fi lăsate și prinse în volumul golurilor patului de pulbere, un factor care nu a fost luat în considerare de modelul Kozeny-Carman.     Studierea ratelor de îmbibare indicate de experiment a condus la concluzia că mărimea particulelor și porozitatea a fost un impact prea mare în modelul KC, care nu a luat în considerare lățimea distribuției dimensiunii particulelor. Dacă pulberea are o distribuție largă a dimensiunilor (PI înalt), aceasta va conține o mulțime de mici cantități de amorsă care vor împiedica pătrunderea. Iar pulberile cu particule de dimensiuni mai mari vor fi mai eficiente. Acest lucru a condus la o rafinare a modelului KC, după cum urmează:    (Cf. Tetra Pak)   Experimentele au arătat că porozitatea (P) și dimensiunea particulelor (D) au avut un impact prea mare asupra modelului Kozeny-Carman (partea superioară), și că trebuie luată în considerare distribuția dimensiunii particulelor. Prin reducerea greutății (P) și (D) și adăugarea factorului de distribuție a dimensiunii (PI), a fost dezvoltat un model mai precis pentru estimarea ratei de absorbție într-un pat de pulbere.   Modelul modificat a fost validat și se evidențiază ca fiind mai precis pentru a prezice rata de îmbibare a patului de lapte praf. Aceste noi cunoștințe sunt, bineînțeles, utile atunci când vine vorba de rularea unui proces eficient de dizolvare și ar putea fi de asemenea folosite ”în amonte”, pentru a proiecta și a regla uscătorul prin pulverizare, pentru a produce o pulbere cu proprietățile potrivite, exacte.   Încă două experimente de validare   Folosind această nouă formulă, a fost conceput un al doilea set experimental,  pentru a studia dizolvarea particulelor individuale. Pentru aceste experimente, praful de cazeinat de sodiu a fost ales drept substanță-model, deoarece este considerat greu de dizolvat. Experimentele au arătat că, atunci când apa este adăugată la o particulă, reacția este aproape instantanee. Suprafața gelurilor de particule se poate umfla până la 150% din dimensiunea originală. Gelul format la suprafață limitează în continuare penetrarea apei și are ca rezultat o gelificare mult mai lentă a interiorului particulelor. O particulă de cazeinat de sodiu formează rapid un gel dens în exterior. Aceasta necesită multă apă, înainte de a fi dizolvată, împiedicând astfel în continuare umezirea interioară.   Pentru a combina rezultatele, a fost proiectat un al treilea experiment. A fost instalată o cameră de mare viteză pentru a filma un singur strat de pulbere care penetrează praful de cazeinat de sodiu, SMP neaglomerat și, respectiv, aglomerat. În aceste experimente, apa a pătruns pulberea la fel ca în primul experiment. Dar, în acest caz, lichidul de penetrare a dizolvat pulberea, ilustrând efectul combinat al penetrării și dizolvării. În timp ce picătura nu a pătruns deloc în patul de praf de cazeină de sodiu, ea a dispărut încet în SMP neaglomerat și a fost aproape imediat preluată în patul de SMP aglomerat. Astfel, diferențele clare dintre cele trei pulberi au subliniat rezultatele celor două experimente anterioare.   Diferența dintre cele două pulberi de lapte (SMP aglomerat și neaglomerat), este descrisă de modelul modificat Kozeny-Carman prezentat anterior. Pulberea neaglomerată are o distribuție mult mai mare a dimensiunii și, astfel, o rată de penetrare mult mai mică. Pentru a înțelege îmbinarea foarte scăzută în cazeinația de sodiu se poate observa mai întâi că pulberea este într-adevăr hidrofilă și că aplicarea modelului KC ar trebui să ducă la rate similare de îmbibare, ca SMP,  datorită morfologiei similare. Prin urmare, penetrarea aproape inexistentă nu poate fi explicată prin morfologia pulberii.   Totul, pentru satisfacția consumatorului   Pentru a înțelege diferența, trebuie să analizăm stratul de gel descris în experimentul 2. Dacă privim la curbele de gel, găsim o mare diferență între SMP și cazeinat. Atunci când o particulă de SMP este umezită, se umflă sau se gelifiază,  până când se prelucrează aproximativ 40% apă. Când absoarbe mai multă apă se dizolvă într-un lichid concentrat de lapte. Cazeinale, pe de altă parte, rămân solide,  până când conțin mai mult de 80% apă, adică, până când particulele de pulbere au crescut de cinci ori în volum și s-au dublat în diametru. Aceasta înseamnă că particulele pe care apa ajunge primele, se lipesc împreună, împiedicând restul apei să ajungă în particule din patul de pulbere. În acest fel, se formează un strat de gel sau, dacă se află într-un mixer, se formează acumulări.   În cazeinat se formează un strat subțire de gel în jurul centrului de pulbere uscată. Gelul din exteriorul acumulării se va dizolva foarte încet, în faza de apă înconjurătoare, deoarece cazeinatul rămâne un gel la un conținut foarte ridicat de apă. În același timp, apa din gel va difuza foarte încet și va umezi centrul. În cazul SMP neaglomerat, apa va pătrunde în pulbere cu câțiva milimetri, pentru a crea un strat de gel destul de gros în jurul acumulării. Pe măsură ce SMP devine lichid, la un conținut mai scăzut de apă, gelul exterior se dizolvă destul de repede, iar acumularea se dizolvă relativ repede. În cazul SMP aglomerat, pe de altă parte, penetrarea este foarte rapidă. Fluxul de apă este ridicat, iar pulberea nu are timp să absoarbă apa și să se umfle. În schimb, se dezintegrează foarte rapid în particulele sale individuale de pulbere, care se dizolvă individual și rapid.   Gama largă de pulberi cu caracteristici diferite utilizate în industria alimentară necesită cunoștințe sporite despre modul în care cele mai bune pulberi sunt cel mai bine asociate cu cele mai eficiente procese de amestecare. Abilitatea de a prezice dizolvarea unei pulberi într-un mod mai precis poate face o diferență reală, nu numai față de calitatea și consistența produsului final, dar și față de alegerea echipamentului de prelucrare.   Adăugarea unei cunoștințe aprofundate a procesului de dizolvare va reduce în mod considerabil riscul de supra-exploatare sau sub-utilizare a mixerului. În multe cazuri o pulbere cu proprietăți optime pentru a se potrivi unui anumit proces, poate fi deja adaptată în uscătorul prin pulverizare. Luate împreună, câștigurile obținute dintr-un model elaborat pentru prezicerea procesului de dizolvare, așa cum este descris în acest articol, ar putea conduce la un proces de amestecare mai lin, economii de energie, costuri diminuate de deșeuri și investiții, perioade mai mici de întrerupere, consistență mai mare a produselor și, desigur, satisfacția consumatorilor.