I. 噴霧乾燥技術の原理
噴霧乾燥の基本原理は、原料がフィルターを通して噴霧乾燥機上部の噴霧器に送られることです。噴霧器は液体原料を液滴に分散させます。液滴の半径が小さく、比表面積と表面自由エネルギーが大きく、分散性が高いため、液滴表面の水分の蒸気圧は、同じ条件下における平面液体中の水分の蒸気圧よりも高くなります。そのため、水分は非常に速く蒸発し、製品は急速に乾燥します。
II.噴霧乾燥に影響を与える主な要因
① 入口温度と出口温度
噴霧乾燥室の温度とは、通常、熱風が塔に入る温度を指します。乾燥温度は、噴霧乾燥粉末の物理化学的特性に影響を与える最も重要な要因です。乾燥温度が高いほど乾燥室に供給される熱量が増え、乾燥速度が向上し、噴霧乾燥製品の水分含有量が減少します。噴霧乾燥温度を120℃から200℃に上げると、乾燥粉末の水分含有量は5.29%から3.88%に減少しました。噴霧乾燥製品の粒子サイズも、乾燥機の入口温度に依存します。乾燥温度が高いほど水分の蒸発が速くなり、収縮するのに十分な時間がないまま微粒子が形成され、結果として粒子サイズが大きくなります。
入口乾燥温度が138℃から202℃に上昇すると、アサイーベリー粉末の粒子径は13.38μmから20.11μmに増加しました。同様に、グアバジュース粉末の粒子径も入口温度の上昇に伴い有意に増加しました（p < 1%）。噴霧乾燥粉末の嵩密度は温度の上昇とともに低下しました。大きな粒子は、水分蒸発速度が高いため、内部が空洞であったり、多孔質または断片化した構造になっている可能性があります。一般的に、多孔質または断片化した粒子は嵩密度が低くなります。
水はほとんどの乾燥食品固形物よりも密度が高いため、高温で製造された粉末は低温で製造された粉末よりも嵩密度が低くなります。また、粒子径が小さいほど嵩密度が高くなることが観察されました。
噴霧乾燥粉末の流動性も乾燥温度によってある程度影響を受け、温度が上昇するにつれて流動性は低下します。溶解性も粉末製品の重要な品質特性であり、噴霧乾燥食品のリモデリング挙動に直接影響を与えます。噴霧乾燥温度が120℃から160℃に上昇すると、粉末の溶解度が増加します。
②壁材 果物や野菜ジュースなどの糖分を多く含む物質は、カプセル化剤を用いずに直接噴霧乾燥することは困難です。壁材は、噴霧乾燥プロセス中に有効成分をカプセル化するポリマーであり、噴霧乾燥において最も重要な要素の一つです。
壁材は、噴霧乾燥におけるガラス転移温度と収率を向上させ、粉末製品の粘度と吸湿性を低下させます。一般的な壁材には、アラビアゴム、マルトデキストリン、ゼラチン、デンプン、ペクチン、メチルセルロース、アルギン酸ナトリウム、リン酸三カルシウム、およびこれらの組み合わせなどがあります。
壁材の選択は、主に噴霧乾燥の目的と処理対象物の物理化学的特性によって決まります。壁材は、プロセス溶媒への溶解性が高く、十分な造膜性を有し、高濃度でも低粘度の溶液を生成する必要があります。噴霧乾燥においては、最終製品の非粘着性を向上させるため、材料は高分子量かつ高ガラス転移温度を有する必要があります。また、熱、酸素、光から敏感な化合物を保護できる能力も求められます。
噴霧乾燥に用いられる一般的な壁材は炭水化物であり、主に以下のものが挙げられます。
1) デンプンおよびその誘導体（デンプン、マルトデキストリン、デキストリン、シクロデキストリンなど）
2) ガム（アラビアガム、またはアラビアガムと鶏冠ガムの混合物）
3) セルロースおよびその誘導体（セルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロースなど）
デンプンおよびその誘導体は、高分子量、高ガラス転移温度、低温低粘度水への高い溶解性、非粘着性、比較的密度の高い粉末を生成できる能力など、優れた噴霧乾燥特性を示します。しかしながら、これらの材料は皮膜形成能が低く、乾燥効率、特にデリケートな化合物の保存には不利です。
デンプンと比較すると、ガムは皮膜形成能に優れていますが、ガラス転移温度は比較的低くなっています。セルロースとその誘導体は皮膜形成能と表面活性に優れていますが、消化されにくいという欠点があります。デンプンまたはデンプン誘導体とガムを組み合わせることで噴霧乾燥性能を向上させることができますが、ガムの含有量はデンプンまたはデンプン誘導体よりも低くする必要があります。
タンパク質、特にホエイプロテインは、優れた皮膜形成能と栄養素保持能を有しており、デンプンまたはデンプン誘導体と併用されることがよくあります。
③ 供給速度
供給速度は噴霧乾燥における重要な影響因子の一つです。乾燥室、分離器、コンベアにおける材料の滞留時間を決定し、材料の微粒化と液滴サイズにも影響を与えます。供給速度は基本的に噴霧器の回転速度に依存し、ポンプの回転速度が高いほど供給速度も速くなります。しかし、供給速度が速いと熱伝達が遅くなり、液滴が完全に乾燥しにくくなり、壁面への付着が起こりやすくなります。
さらに、供給流量が速いと噴霧化が不十分になり、液滴が乾燥室に直接滴下する可能性があり、収率の低下につながります。供給速度が速いと、液滴と熱風との接触時間が不足し、噴霧乾燥粉末の水分含有量が増加します。加えて、接触時間が短いと熱および物質移動効率が低下し、最終製品の水分含有量が高くなります。
III. 噴霧乾燥塔における一般的な問題点と改善策
問題点1：爆発防止対策
1) 適切なタイプの乾燥塔を選定する。
2) 乾燥塔の設計および製造時に消火設備を設置する。
3) 材料と接触する機器表面には、材料の付着を防ぐために滑らかな材料を使用する。
4) 粉塵を含む排気ガスが乾燥室のガスヒーターに吸い込まれないように、適切なエアフィルターを設置する。
5) エアフィルターは定期的に洗浄（すすぎを含む）してください。
6) 運転中は、堆積物が付着しやすい箇所を定期的に点検してください。
7) すべての電気部品および機械部品を定期的に点検してください。
8) 遠心式噴霧乾燥機の場合、回転部品はスムーズに作動し、頻繁に点検する必要があります。
9) 静電気接地装置を設置してください。
10) 乾燥機のすべての部品を徹底的に清掃してください。
さらに、噴霧乾燥塔内で材料の燃焼や爆発が発生した場合の損失を最小限に抑えるため、乾燥室上部に爆発ベントバルブを設置する、乾燥室内に圧力が一定レベルに達すると自動的に開くバルブを複数設置する、乾燥室の設計時に爆発の可能性を考慮して乾燥室の壁を厚くするなどの対策を講じることができます。
不具合2：湿った粉末が主塔の内壁に付着する
1) 供給速度が高すぎるため、十分な蒸発が妨げられている。
2) 噴霧開始前の乾燥室の加熱が不十分である。
3) 噴霧開始時の供給流量が高すぎる。
4) 添加した液体材料が不安定である。
修理方法：
供給流量を適切に減らす。熱風の入口温度と出口温度を適切に上げる。噴霧開始時は流量を低く設定し、徐々に適切な流量まで上げる。配管の詰まりを確認し、材料の固形分濃度を調整し、液体材料の流動性を確保する。
不具合3：粉体漏れがひどく、製品回収率が低い
サイクロン分離器の故障または集塵性能の低下により、粉体漏れが発生する可能性がある。前者の場合、サイクロン分離器の隙間を点検し、気密性を確保する。後者の場合、二次集塵機を適切に追加する。