Übersicht über den Sprühtrocknungsprozess

1. Was ist Sprühtrocknung?

Sprühtrocknung ist ein Trocknungsverfahren, das sich in den letzten 30–50 Jahren enorm weiterentwickelt hat. Es bietet einzigartige Vorteile beim Trocknen von Materialien, während es diese vor Degradation schützt. Es handelt sich um ein sehr vielseitiges Verfahren, das sowohl im Labormaßstab als auch in Fabriken mit einer Produktion von mehreren Dutzend Tonnen pro Stunde eingesetzt werden kann. Ein Sprühtrocknungsprozess ermöglicht zudem die Herstellung eines Pulvers, dessen Korngrößenverteilung innerhalb bestimmter Grenzen eingestellt werden kann und somit die Eigenschaften und Handhabbarkeit des getrockneten Materials deutlich verbessert.

Um Sprühtrocknung in einem Satz zu definieren, kann das folgende Zitat von Masters (1991) herangezogen werden: Sprühtrocknung ist die Umwandlung eines flüssigen Einsatzstoffs in eine getrocknete partikelförmige Form durch Versprühen des Einsatzstoffs in ein heißes Trocknungsmedium.

Wie in der Definition erwähnt, müssen die zu trocknenden Materialien zunächst in flüssiger Form vorliegen, auf die richtige Viskosität, Temperatur und Druck konditioniert und anschließend über eine Pumpe in eine Trocknungskammer gefördert werden, wo sie durch eine Sprühdüse in heiße Trocknungsluft eingeleitet werden.

2. Anwendungen der Sprühtrocknung

Wofür wird Sprühtrocknung eingesetzt?

Heute wird die Sprühtrocknung in den unterschiedlichsten Industrien eingesetzt. Besonders verbreitet ist sie in der Lebensmittelindustrie (z. B. Milchtrocknung) und Pharmazie. Produkte wie Instant-Milchpulver oder löslicher Kaffee werden mit diesem Verfahren hergestellt. Die Möglichkeit, Degradation während der Trocknung zu vermeiden, macht es auch zu einem bevorzugten Verfahren in der Pharmazie.

Nachfolgend einige Anwendungsbeispiele für die Sprühtrocknung:

• Instant-Milchpulver
• Molkenpulver
• Löslicher Kaffee
• Kaffeeweißer (nicht-milchbasiert)
• Kasein
• Aromen
• Waschmittel, Seifen, Tenside
• Pestizide
• Pigmente
• Düngemittel
• Antibiotika, Impfstoffe, Vitamine, Hefe
• Enzyme
• Polymere

Diese Liste ist nur ein Auszug, aber bereits sehr umfangreich. Viele Industrien nutzen die Sprühtrocknung, da sie eine kontinuierliche Trocknungstechnik mit sehr kurzer Verweilzeit bei erhöhter Temperatur bietet. Dadurch können – bei korrekter Einstellung des Sprühtrocknungssystems – auch temperaturempfindliche Komponenten getrocknet werden.

3. Funktionsweise der Sprühtrocknung

Prinzip der Sprühtrocknung?

Die folgende Abbildung zeigt ein vereinfachtes Fließschema eines typischen Sprühtrocknungsprozesses mit Gleichstromführung von Luft und Produkt in der Sprühtrocknungskammer und einem offenen Luftkreislauf. Es gibt komplexere und leistungsfähigere Sprühtrocknungstechnologien, doch die unten dargestellte Variante bildet gewissermaßen das Minimum für eine industrielle Anlage ab.

Abbildung 1 – Fließschema eines Sprühtrockners

Unabhängig vom Komplexitätsgrad der Anlage besteht der Sprühtrocknungsprozess aus 5 Hauptschritten, die im Folgenden beschrieben werden.

3.1 Nassprozess (Vorbereitung der Flüssigkeit)

Vor der Sprühtrocknung liegen die zu trocknenden Materialien in flüssiger Form vor. Der Prozess vor dem Sprühtrockner zielt darauf ab, die Materialien so zu konditionieren, dass die Sprühtrocknung möglich wird und ihr Wirkungsgrad optimiert wird. Typische Verfahrensschritte in diesem Abschnitt der Anlage sind:

• Lösung / Formulierung – falls der Rohstoff nicht direkt in flüssiger Form vorliegt
• Konzentration / Eindampfung: Eine Erhöhung des Feststoffgehalts führt zu einem besseren Wirkungsgrad im Sprühtrockner
• Erwärmung: Erwärmen kann helfen, den durch die Konzentration bedingten Viskositätsanstieg auszugleichen
• Pumpen : Die Suspension wird unter hohem Druck zum Sprühtrockner gefördert

3.2 Zerstäubung

Um eine sehr schnelle Trocknung zu gewährleisten, muss der Flüssigkeitsstrom in sehr kleine Tröpfchen zerstäubt werden. Dadurch wird die Austauschoberfläche, über die Feuchtigkeit die Partikel verlassen kann, stark vergrößert.

Diese Zerstäubung erfolgt mit einer oder mehreren Düsen. Es existieren verschiedene Düsenbauarten für Sprühtrockner, die je nach Material und Durchsatz gewählt werden müssen, um optimale Ergebnisse zu erzielen:

• Druckdüsen
• Rotationsdüsen
• Zweistoffdüsen

3.3 Kontakt zwischen zu trocknendem Material und Luft

Die Trocknung erfolgt durch den Kontakt der versprühten Tröpfchen mit heißer Luft. Die Fähigkeit der Luft, Feuchteaufzunehmen und somit die Partikel zu trocknen, wird durch die Vorwärmung der Luft vor dem Eintritt in die Sprühtrocknungskammer erhöht. Die Luft weist eine geringe relative Luftfeuchtigkeit am Eintritt und eine hohe relative Luftfeuchtigkeit sowie eine niedrigere Temperatur am Austritt auf.

Die Luft kann entweder im Gleichstrom (von oben) oder im Gegenstrom (von unten) zum Produkt geführt werden. Obwohl in vielen Anwendungen der Gegenstrom bevorzugt wird, bietet der Gleichstrom bei der Sprühtrocknung einen entscheidenden Vorteil: Die heißeste Luft kommt zuerst mit den feuchtesten Partikeln in Kontakt, was die Partikel vor Überhitzung schützt.

3.4 Trocknung

Die eigentliche Trocknung findet entlang der Sprühtrocknungskammer statt, während die Feststoffpartikel durch die Kammer wandern. Die Feuchtigkeit wird schrittweise durch Stoff- und Wärmeübergang zwischen Partikel und Luft entfernt:

• Konstanter Trocknungsabschnitt: Das Partikel ist mit Flüssigkeit gesättigt; der Stoffübergang erfolgt so schnell wie möglich, abhängig von der Partikeloberfläche.
• Fallender Trocknungsabschnitt: Sobald die Partikeloberfläche nicht mehr mit Flüssigkeit gesättigt ist, hängt die Trocknung von der Fähigkeit der in der Partikelmatrix eingeschlossenen Flüssigkeit ab, zur Oberfläche zu diffundieren und dort zu verdampfen. Es handelt sich um einen diffusionskontrollierten Prozess.
• Blasenbildung: Während des fallenden Trocknungsabschnitts steigt die Partikeltemperatur. Erreicht sie den Siedepunkt der Flüssigkeit, kann diese im Partikel verdampfen und es aufblähen, wodurch eine Blase entsteht.

3.5 Feststoffabscheidung

Sobald die Partikel getrocknet sind, müssen sie gesammelt werden. Dies erfolgt häufig in Zyklonabscheidern , die mit Filtern ausgerüstet sein können, um ihre Effizienz zu steigern.

Das Pulver wird am Boden des Sprühtrockners gesammelt und pneumatisch gefördert zu einem Zyklon, wo es von der Luft getrennt wird. Die Luft aus der Trocknungskammer wird ebenfalls einem weiteren Zyklon zugeführt, in dem Feinanteile, die von der Luft mitgerissen wurden, abgeschieden und dem Hauptproduktstrom wieder zugeführt werden. Die feuchte Abluft wird in der Regel abgeführt, kann aber – da sie noch heiß ist – in manchen Fällen für andere Prozessschritte (z. B. Vorwärmung) genutzt werden.

3.6 Größen von Sprühtrocknern

Industrielle Sprühtrockner erreichen Durchsätze von mehreren Tonnen pro Stunde und verfügen typischerweise über große Trocknungskammern und mehrere Düsen. Daneben gibt es auch Laborsprühtrockner (Mini-Sprühtrockner), die für Forschungszwecke oder zur ersten Bewertung der Trocknungseigenschaften eines Produkts vor dem Scale-up zur industriellen Anlage sehr nützlich sind.

4. Hersteller von Sprühtrocknern

Es gibt zahlreiche Hersteller von Sprühtrocknern in den USA, Europa und in milchproduzierenden Ländern wie Neuseeland, da Sprühtrockner häufig zur Herstellung von Milchpulver eingesetzt werden. Zu den großen Anbietern zählen:

• GEA Sprühtrockner
• NIRO Sprühtrockner
• Tetra Pak Sprühtrockner
• SPX Anhydro Sprühtrockner ...
• sowie Buchi Sprühtrockner für den Labormaßstab (Buchi Mini-Sprühtrockner).

Bei der Auswahl eines Lieferanten ist es wichtig, Referenzen zu prüfen, Fragen zu stellen (z. B. mit Hilfe der Erläuterungen auf der Website powderprocess.net) und den Expertisegrad des Unternehmens zu bewerten. Zudem sollte man mit mehreren Unternehmen in Kontakt treten, um ein wettbewerbsfähiges Angebot unter den Sprühtrockner-Herstellern einzuholen.