Drying of biopolimeric systems in a 2D spouted bed

Resumo: Suspensões de gomas xantana e de l-carragena foram secas usando um secador de leito de jorro fluidizado com partículas inertes de vidro e plásticas de ABS (acrylonitrile butadine styrene). O processo de secagem foi avaliado quanto ao desempenho do secador (eficiência de produção de pó e retenção de sólidos), características fluidodinâmicas (velocidades da partícula inerte no jorro e ânulo, queda de pressão no leito, largura da fonte, altura máxima de jorro, distribuição de temperaturas no leito) e qualidade do produto final obtido (propriedades reológicas e teor de umidade). Um planejamento fatorial 23 com 2 pontos centrais e 6 pontos axiais e superfícies de resposta foi usado para determinar o efeito das condições de secagem (temperatura de ar, vazão de suspensão e vazão de ar no jorro e ânulo) sobre o processo e na qualidade do produto final. Os resultados mostraram que foi possível obter produto reconstituído de pó de xantana usando vidro ou ABS como inerte. No entanto, para suspensões de l- carragena não foi possível a secagem com partículas esféricas de vidro devido à alta tensão superficial e baixo ângulo de contato. De acordo com os resultados do planejamento experimental, a eficiência de produção média de pó de goma xantana usando vidro como inerte foi de 28% com uma retenção de sólidos de 65%, enquanto que usando ABS a produção média foi de 45% e a retenção de sólidos de 49%, ou seja, o melhor desempenho do secador ocorreu quando ABS foi empregado como partícula inerte. Para a secagem de suspensões de l-carragena com partículas de ABS a eficiência de produção média de pó foi de 23% e a retenção media foi de 71%. A variável mais relevante na secagem das suspensões de gomas xantana e carragena foi a vazão de suspensão, sendo que um aumento desta variável produziu um baixo rendimento de pó e aumentou a retenção de sólidos dentro do leito. A queda de pressão do leito apresentou uma variação periódica indicando uma instabilidade fluidodinâmica. A distribuição de temperatura no leito mostrou uma operação quase isotérmica e que o processo evaporativo ocorreu principalmente na zona do jorro e base do ânulo. A velocidade da partícula no jorro foi dependente da vazão de ar na região do jorro, enquanto que a velocidade da partícula dentro no ânulo foi função da vazão de suspensão e também da vazão de ar que passava pelo jorro. A xantana obtida pela secagem em jorro fluidizado formou suspensões de natureza altamente pseudoplástica e com propriedades viscoelásticas de gel fraco. A vazão de alimentação da suspensão (=1 g/min) foi um fator importante para a preservação da qualidade reológica. A secagem de suspensões de goma xantana realizada em condições ótimas, tanto em leitos com partículas de ABS quanto de vidro, não mostrou efeito na qualidade reológica do produto. O produto reconstituído de l-carragena obtido nas condições otimizadas de secagem também formou suspensões de natureza altamente pseudoplástica, porém com propriedades viscoelásticas características de suspensões altamente diluídas (G´´>G´), mostrando valores de viscosidade, módulos elástico (G´) e de perda (G´´) menores que o produto comercial e portanto uma perda de qualidade do produto. Nas condições de melhor desempenho do secador, as suspensões de l-carragena foram mais susceptíveis a sofrer mudanças em sua estrutura molecular que a goma xantanaAbstract: Xanthan and l-carrageenan suspensions were dried using a two dimensional spouted fluidized bed dryer with inert particles of glass and ABS (acrylonitrile butadine styrene).The dryer performance (powder production and solid retention), fluid flow characteristics (particle velocity in the spout and annulus, pressure drop, fountain width, maximum spout height, distribution of temperatures inside the bed) and quality properties of final product (rheological properties and moisture content) were evaluated. A complete 23 factorial design with 2 central points and 6 axial points together with response surfaces analysis was used to determine the effect of the drying conditions (drying temperature, suspension mass flow and air flow in the spout and annulus) on the drying process and final product. The results showed that it is possible obtain a reconstituted powder of xanthan gum using glass and ABS as inert particles. However, for suspensions of l- carrageenan was not possible the drying with glass spherical particles due to high superficial tension (low angle of contact). According to results of experimental design the mean powder production of xanthan gum using glass as inert was of 28% with a solid retention of 65%, whereas using ABS the mean powder production was of 45% with a solid retention of 49%, thus the best performance of the drier occurs when the bed with ABS is operated. In addition, the drying of l carrageenan suspensions with ABS particles showed a me n production of 23% with a solids retention of 71%. The most significant variable in the drying of the suspensions of xanthan and l carragena gum was the suspension mass flow rate where an increases produces a diminishing of the powder production increasing the solids retention in the bed. The pressure drop in the bed presented a periodic variation with the processing time indicating a hydrodynamics instability. The temperature distribution in the bed showed that annulus zone operated almost isothermally and that the spout zone and the annulus base are the zones where occurs the evaporative process. The particle velocity in the spout depends upon of the air flow in the spout, whereas the particle velocity in the annulus is function of the aeration and suspension mass flow rate. The reconstituted xanthan powder produced suspensions of highly pseudoplastic nature and with viscoelastic weak gel properties. The suspension mass flow rate (=1 g/min) was a factor important to preserve its rheological quality. To xanthan gum the drying operating conditions evaluated in the optimum point showed that the inert particle (ABS and glass) not influenced on the rheological quality of the reconstituted product. The l-carrageenan suspensions evaluated in the drying optimum conditions formed suspensions of highly pseudoplastic nature with viscoelastic properties of suspensions highly diluted (G´´>G´). Also, the rheological and viscoelastic characteristics as viscosity, storage (G´) and loss moduli (G´´) are lower than commercial gum indicating a severe loss of product quality. In the conditions of better performance of the dryer, the suspensions of l- carrageenan were more sensitive to suffer changes in its molecular structure than the xanthan gu