مدلسازی فرآیند اتمیزاسیون التراسونیک شیر و تولید پودر شیر به روش خشک کردن پاششی

مجله پژوهشهای علوم و صنایع غذایی ایران

مقاله 10، دوره 19، شماره 1 - شماره پیاپی 79، فروردین و اردیبهشت 1402، صفحه 145-168   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/ifstrj.2022.75615.1154

نویسندگان

علی حیدری^* ؛ مسعود گوهری منش؛ محمدرضا قریب؛ علی کوچی

گروه مکانیک، دانشگاه تربت حیدریه، تربت حیدریه، ایران

چکیده

استفاده از سیستم­های التراسونیک در بسیاری از مسائل کاربردی اثبات شده است. از جمله آنها اتمیزاسیون التراسونیک بوده که در صنایع مختلف از جمله صنایع غذایی و پوشش‌دهی کاربرد فراوانی دارد. در پژوهش پیش رو، ابتدا به مرور کارهای انجام شده در این زمینه پرداخته شده و پس از آن با استفاده از روابط ارائه شده برای اتمیزاسیون سیالات مختلف در مقالات بررسی شده، به بررسی تأثیر ارتعاشات التراسونیک بر اتمیزاسیون و تبخیر شیر به عنوان یک ماده غذایی پرداخته و فرآیند خشک شدن آن به روش خشک کن پاششی پیش­بینی گردید. سپس به بررسی اثر پارامترهای مختلف نوسان از جمله فرکانس، دامنه و همچنین دمای سیال بر نرخ اتمیزه شدن سیال پرداخته شد. نتایج مدلسازی نشان داد که با افزایش دامنه ارتعاشات، زمان لازم برای خشک شدن قطرات تبخیر شده به روش التراسونیک کاهش یافته و همچنین قطر پودر تولید شده، قطر ذرات تبخیر شده و نرخ تبخیر به روش التراسونیک افزایش یافت. بطوری‌که 4 برابر شدن دامنه ارتعاشات باعث کاهش 14.4 درصدی زمان لازم برای خشک شدن قطرات و افزایش 62.6 درصدی نرخ تبخیر شد. همچنین با مدلسازی فرآیند مشخص شد که با افزایش فرکانس ارتعاشات، زمان لازم برای خشک شدن قطرات تبخیر شده به روش التراسونیک افزایش یافت. بطوری‌که در یک دمای ثابت گاز خشک کن و دمای ثابت شیر تغییر فرکانس از 10 به 40 کیلو هرتز منجر به افزایش 21.4 درصدی زمان لازم برای خشک شدن قطرات شد. همچنین با افزایش دمای شیر از 15 تا 30 درجه سانتی­گراد، در یک فرکانس و دامنه ارتعاشات ثابت، زمان لازم برای خشک شدن قطرات تبخیر شده 12.4 درصد کاهش و قطر ذرات تولید شده .11.3 درصد افزایش داشت.

کلیدواژه‌ها

اتمیزاسیون؛ التراسونیک؛ دامنه نوسان؛ فرکانس نوسان؛ خشک کردن پاششی

مراجع

1. Arun, B.S., Mariappan, V., & Maisotsenko, V. (2020). Experimental study on combined low temperature regeneration of liquid desiccant and evaporative cooling by ultrasonic atomization, International Journal of Refrigeration 112: 100-09. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2019.11.023.
2. Bakshi, A.S., & Smith, D.E. (1984). Effect of fat content and temperature on viscosity in relation to pumping requirements of fluid milk products, Journal of Dairy Science 67(6): 1157-1160. https://doi.org/10.3168/jds.S0022-0302(84)81417-4.
3. Berlin, E., & Pallansch, M.J. (1963). Influence of drying methods on density and porosity of milk powder granules, Journal of Dairy Science 46(8): 780-784. https://doi.org/10.3168/jds.S0022-0302(63)89148-1.
4. Briceño-Gutierrez, D., Salinas-Barrera, V., Vargas-Hernández, Y., Gaete-Garretón, L., & Zanelli-Iglesias, C. (2015). On the ultrasonic atomization of liquids, Physics Procedia 63: 37-41. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2015.03.006.
5. Broniarz-Press, L., Sosnowski, T.R., Matuszak, M., Ochowiak, M., & Jabłczyńska, K. (2015). The effect of shear and extensional viscosities on atomization of Newtonian and non-Newtonian fluids in ultrasonic inhaler, International Journal of Pharmaceutics 485: 41-49. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2015.02.065.
6. Candia-Muñoz, N., Ramirez-Bunster, M., Vargas-Hernández, Y., & Gaete-Garretón, L. (2015). Ultrasonic spray drying vs high vacuum and microwaves technology for blueberries, Physics Procedia 70: 867-71. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2015.08.178.
7. D’Addio, S.M., John G.C., Chi Lip Kwok Ph., Robert, K., Prud, H., & Hak-Kim, C. 2012. Constant size, variable density aerosol particles by ultrasonic spray freeze drying, International Journal of Pharmaceutics 427: 185-91. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2012.01.048.
8. Deepu, P., Chang P., & Moghaddam, S. (2018). Dynamics of ultrasonic atomization of droplets, Experimental Thermal and Fluid Science 92: 243-47. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2017.11.021.
9. Faraday, M. (1831). On the forms and states assumed by fluids in contact with vibrating elastic surfaces, Trans. R. Soc. London 52: 319–340.
10. Grasmeijer, N. (2019). Identifying critical process steps to protein stability during spray drying using a vibrating mesh or a two-fluid nozzle, European Journal of Pharmaceutical Sciences 128: 152-157. https://doi.org/10.1016/j.ejps.2018.11.027.
11. Koumei, H., Takenaka, N., Nanzai, B., Okitsu, K., Bandow, H., & Maeda, Y. (2009). Influence of adding salt on ultrasonic atomization in an ethanol–water solution, Ultrasonics Sonochemistry 16: 150-54. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2008.07.002.
12. Isleroglu, H., Turker, I., Tokatli, M., & Koc, B. (2018). Ultrasonic spray-freeze drying of partially purified microbial transglutaminase, Food and Bioproducts Processing 111: 153-64. https://doi.org/10.1016/j.fbp.2018.08.003.
13. Kim, H., Jaegeun, L., & You-Yeon, W. (2015). A simple derivation of the critical condition for the ultrasonic atomization of polymer solutions, Ultrasonics 61: 20-24. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2015.04.007.
14. Kirpalani, D.M., & Suzuki, K. (2011). Ethanol enrichment from ethanol–water mixtures using high frequency ultrasonic atomization, Ultrasonics Sonochemistry 18: 1012-17. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2010.05.013.
15. Kudo, T., Kazuhiko, S., Sankoda, K., Norikazu, N., & Nii, S. (2017). Effect of ultrasonic frequency on size distributions of nanosized mist generated by ultrasonic atomization, Ultrasonics Sonochemistry 37: 16-22. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2016.12.019.
16. Lang, R.J. (1962). Ultrasonic atomization of liquids, Journal Acoust. Soc. Am. 34: 6–8.
17. Lebedev, E., Gordienko, M., Troyankin, A., & Menshutina, N. (2017). CFD Simulation of spray drying with ultrasonic dispersion in Antonio Espuña, Moisès Graells and Luis Puigjaner (eds.), Computer Aided Chemical Engineering (Elsevier). https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63965-3.50006-4.
18. Li, W., Pan, Y., Yao, Y., & Dong, M., (2018). Modeling and parametric study of the ultrasonic atomization regeneration of desiccant solution, International Journal of Heat and Mass Transfer 127: 687-702. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.07.001.
19. Lisboa, H., Duarte, M.E., & Cavalcanti-Mata, M.E. (2018). Modeling of food drying processes in industrial spray dryers, Food and Bioproducts Processing 107: 49-60. https://doi.org/10.1016/j.fbp.2017.09.006.
20. Naidu, H., Kahraman, O., & Feng, H. (2022). Novel applications of ultrasonic atomization in the manufacturing of fine chemicals, pharmaceuticals, and medical devices, Ultrasonics Sonochemistry 86: 105984. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2022.105984.
21. Peskin, R.L., & Raco, R.J. (1963). Ultrasonic atomization of liquids, Journal Acoust. Soc. Am. 35: 1378–1381.
22. Rajan, R., & Pandit, A.B. (2001). Correlations to predict droplet size in ultrasonic atomization, Ultrasonics 39: 235–255. https://doi.org/10.1016/S0041-624X(01)00054-3.
23. Ramisetty, K.A., Pandit, A.B., & Gogate, P.R. (2013). Investigations into ultrasound induced atomization, Ultrasonics Sonochemistry 20: 254-64. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2012.05.001.
24. Rayleigh, L. (1883). On the crispation of fluid resting upon a vibrating support, Phil. 15: 50–58.
25. Samborska, K. (2022). Innovations in spray drying process for food and pharma industries, Journal of Food Engineering 321: 110960. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2022.110960.
26. Tatar Turan, F., Cengiz, A., & Kahyaoglu, T. (2015). Evaluation of ultrasonic nozzle with spray-drying as a novel method for the microencapsulation of blueberry's bioactive compounds, Innovative Food Science & Emerging Technologies 32: 136-45. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2015.09.011.
27. Tembely, M., Lecot, C., & Soucemarianadin, A. (2011). Prediction and evolution of drop-size distribution for a new ultrasonic atomizer, Applied Thermal Engineering 31: 656-67. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2010.09.027.
28. Vehring, R. (2008). Pharmaceutical particle engineering via spray drying. Pharmaceutical Research 25(5): 999-1022.
29. Walzel, P. (1993). Liquid atomisation, International Chemical Engineering 33: 46-60.
30. Watson, P.D. (1956). Effect of variations in fat and temperature on the surface tension of various milks, Fifty-first Annual Meeting, American Dairy Science Association, Storrs, Connecticut, June 19-21.
31. Wisutmethangoon, S., Plookphol, T., & Sungkhaphaitoon, P. (2011). Production of SAC305 powder by ultrasonic atomization, Powder Technology 209: 105-11. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2011.02.016.
32. Yang, Z., Lin, B., Zhang, K., & Lian, Z. (2015). Experimental study on mass transfer performances of the ultrasonic atomization liquid desiccant dehumidification system, Energy and Buildings 93: 126-36. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2015.02.035.
33. Yang, Z., Zhang, K., Yunho, M., & Lian, (2016). Performance investigation on the ultrasonic atomization liquid desiccant regeneration system, Applied Energy 171: 12-25. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.03.008.
34. Yang, Z., Zhang, K., Yunho, M., & Lian, (2014). Improvement of the ultrasonic atomization liquid desiccant dehumidification system, Energy and Buildings 85: 145-54. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2014.09.033.
35. Yao, Ye., Wei, L., & Yixiong, H. (2020). Modeling and performance investigation on the counter-flow ultrasonic atomization liquid desiccant regenerator, Applied Thermal Engineering 165: 14573. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114573.
36. Ziaee, A. (2020). A rational approach towards spray drying of biopharmaceuticals: The case of lysozyme, Powder Technology 366: 206-215. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2020.02.057.
37. Zhang, K., Yang, Z., Lian, Z., & Li, X. (2017). Simulation on regeneration performance for the ultrasonic atomization liquid desiccant system, Procedia Engineering 205: 2925-32. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.101.