Powder Bed Structure and Imbibition - A Study of Spray Dried Dairy Powders

Abstract

The formation of lumps during powder dissolution is undesirable in most cases. In a world where the use of dry products is increasing, incomplete powder dissolution and lump formation can for instance affect the color of

a paint or the nutritional content of baby food. In this thesis, the phenomena governing lump formation of agglomerated spray dried dairy powders were investigated. The focus of the study has been to achieve an increased understanding of the spontaneous imbibition of powder beds and how bed structure can be linked to morphological parameters of powders. The desired outcome was to provide information to enable a more efficient and less energy consuming powder dissolution for the industry. The results show that it is possible to estimate bed properties like porosity, permeability and structure from morphological data of the powder particles forming the bed. The porosity of a bed is shown to be heterogeneously distributed at the microscopic scale and is, as a result, divided into larger voids (called void space) and more narrow ducts (called pore space). The void space is considered to largely affect the porosity of the bed, without causing any significant pressure drop of any fluid flowing through the bed. The pore space is considered to significantly influence such a pressure drop, and thereby the bed’s permeability, but has an insignificant impact on the porosity of the bed. As a result, the porosity of a powder bed of agglomerated spray dried powder shows no influence on bed permeability. Studies of spontaneous imbibition of such beds show that large amounts of air inherent in the porosity of the bed is trapped during imbibition. The large amounts indicate that the origin is the void space of the bed. In this thesis, a model is presented explaining the trapping of air by an occurrence of film flow. However, in order to get a complete understanding of lump formation, the presented model needs to be combined with the effects of dissolution and swelling of individual powder particles in contact with dissolution media. A first step of such work is presented as a part of this study, showing that the particle surfaces can be considered gelled during imbibition and that individual particles show a significant swelling after initial contact with the solvent

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Klumpbildning då pulver tillsätts till en vätska är ett problem som många känner igen. Det kan förekomma då såsen ska redas eller när en kopp varm choklad ska blandas till från kakaopulver. Samma problem uppträder också i industrin, där många ingredienser distribueras i pulverform. Att använda torra ingredienser (pulver) inom industrin har fördelar då dessa produkter har en låg vattenaktivitet, vilket gör det svårt för bakterier att växa. Detta leder till att hållbarheten för pulver är mycket lång. Pastöriserad mjölk har exempelvis en hållbarhet på ca 1 vecka i en kyld omgivning, medan mjölkpulver kan lagras i flera år i rumstemperatur utan att förlora sin kvalitet. Klumpbildning då pulver ska lösas upp innebär dock stora problem inom en del branscher. Klumpbildning kan exempelvis påverka kulören på en färg vid tillsättning av pigment eller näringsinnehållet i barnmat om en kritisk ingrediens inte fullständigt upplöses. Bildade klumpar ger dessutom slutprodukten ett utseende som sällan accepteras av konsumenter. Generellt ska förekomst av klumpar därför minimeras inom industrin.

För att en klumpfri upplösning av pulver ska kunna ske så är det viktigt att vätska snabbt tränger in i de bäddar (sjok) av pulverpartiklar som antingen bildas på en vätskeyta efter tillsättning av pulver eller rörs ner under ytan på grund av omrörning. Vätningen av sådana pulverbäddar styrs enbart av de kapillärkrafter och det flödesmotstånd som ges av bäddens interna struktur och är därför svår att påverka med omrörning eller olika former av mixningsutrustning. En snabb och effektiv vätning av en pulverbädd innebär att de enskilda partiklarna i bädden dispergerar sig väl i den tillsatta vätskan vilket ger klumpfri upplösning. En långsam vätning ger istället gelning av pulvermaterialet vilket förhindrar fortsatt vätning och genererar klumpbildning. I denna studie har de fenomen som styr vätning av pulverbäddar undersökts. Målet har varit att öka kunskapen kring klumpbildning genom att etablera en länk mellan pulveregenskaper och klumpbildningsrisk. Förhoppningen har varit att den ökade kunskapen ska kunna möjliggöra en tillverkning av pulver med en minskad risk för klumpbildning vilket skulle innebära energibesparingar då upplösning av pulver sker inom industrin.

I den här studien har spraytorkade mejeripulver undersökts. Genom att undersöka och jämföra olika analysmetoder för morfologi (form och uppbyggnad) har lämpliga parametrar tagits fram för karakterisering av spraytorkade pulver. Denna information har kopplats till vätningen av pulverbäddar och påverkan av dessa parametrar på pulverbäddars täthet och flödesmotstånd har etablerats. Resultaten visar dessutom att mycket luft innesluts i pulverbäddar vid vätning, vilket innebär att vätningen innefattar komplexa flödesfenomen.

Resultaten visar också att strukturen hos en pulverbädd inte kan anses vara konstant vid kontakt med ett lösningsmedel (t.ex. vatten). Interaktionen mellan pulver och vatten orsakar upplösning av partiklarna i pulvret, vilket ökar vattnets viskositet och försvårar vätningen. En kraftig svällning av enskilda partiklar var också tydlig, vilket antas förändra bäddstrukturen och därmed försvåra vätningen. Detta gör att den givna modellen behöver kompletteras med denna typ av information för att ge en fullständig bild av förloppen som styr klumpbildning.

• author: Börjesson, Erik
• supervisor: Fredrik Innings; Christian Trägårdh; Björn Bergenståhl; Marie Paulsson
• opponent: Professor Saguy, Sam, The Hebrew University of Jerusalem, Israel
• organization: Department of Food Technology, Engineering and Nutrition
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Food Engineering
• keywords: powder bed structure, Imbibition, powder morphology, porous media
• pages: 196 pages
• defense location: Lecture hall C, Kemicentrum, Getingevägen 60, Lund University, Faculty of Engineering, Lund
• defense date: 2015-06-05 09:30:00
• ISBN: 978-91-8774303-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 16d17045-8b30-4ff6-91d0-3f0003bcf683 (old id 5368270)
• date added to LUP: 2016-04-04 14:09:00
• date last changed: 2018-11-21 21:18:35