Milk powder agglomerate growth and properties in fluidized bed agglomeration

[EN] Fluidized bed agglomeration is used to produce large and porous dry agglomerates with improved instant properties. Water (or binder solution) is sprayed in the fluidized bed of particles to render their surface sticky. The agglomerate growth results from the repetition of different steps (wetting of the particle surface, particles collision and bridging, and drying) and depends on the processing conditions and product properties. In this work, skim and whole milk powders were fluidized in hot air and agglomerated by spraying water in a bench-scale batch fluidized bed. The aim was to study the impact of the sprayed water flow rate (0 5.5 g.min−1), particle load (300 400 g), initial particle size (200 350 ìm), and composition (skim whole milk) on the growth mechanisms and on the properties of the agglomerates obtained. Powder samples were regularly taken in the fluidized bed during agglomeration and characterized for the size, size distribution, and water content. Whatever the conditions tested, the size increase and the evolution of the particle size distribution during agglomeration were found to mainly depend on the relative amount of water sprayed in the particle bed. Agglomeration occurred in two stages, with first the rapid association of initial particles into intermediate structures, and second, the progressive growth of porous agglomerates. In any case, agglomeration allowed improving instant properties of the milk powder.Barkouti, A.; Turchiuli, C.; Carcel Carrión, JA.; Dumoulin, E. (2013). Milk powder agglomerate growth and properties in fluidized bed agglomeration. Dairy Science and Technology. 93(4-5):523-535. doi:10.1007/s13594-013-0132-7S523535934-5Banjac M, Stakic M, Voronjec D (1998) Kinetics of agglomeration of milk powder in a vibro-fluidized bed. Proc. 11th International Drying Symposium (IDS'98), B: 998–1005.Banjac M, Stamenić M, Lečić M, Stakić M (2009) Size distribution of agglomerates of milk powder in wet granulation process in a vibro-fluidized bed. Brazilian J Chem Eng 26:515–525Dewettinck K, Deroo L, Messens W, Huyghebaert A (1998) Agglomeration tendency during top-spray fluidized bed coating with gums. Lebensm Wiss Technol 31:576–584Forny L, Marabi A, Palzer S (2011) Wetting, disintegration and dissolution of agglomerated water soluble powders. Powder Technol 206:72–78Fries L, Dosta M, Antonyuk S, Heinrich S, Palzer S (2010) Moisture distribution in fluidized beds with liquid injection. Proc. 17th International Drying Symposium (IDS 2010), Magdeburg, Germany.Heinrich S, Blumschein J, Henneberg M, Ihlow M, Mörl L (2003) Study of dynamic multidimensional temperature and concentration distributions in liquid-sprayed fluidized beds. Chem Eng Sci 58:5135–5160Jimenez T (2007) Agglomération de particules par voie humide en lit fluidisé [Wet fluidized bed agglomeration of particles]. PhD, ENSIA, Massy, France.Jimenez T, Turchiuli C, Dumoulin E (2006) Particles agglomeration in a conical fluidized bed in relation with air temperature profiles. Chem Eng Sci 61:5954–5961Kim EH-J, Dong Chen X, Pearce D (2009) Surface composition of industrial spray-dried milk powder. J Food Eng 94:169–181Koga S, Kobayashi T, Inoue I (1989) Drying and agglomeration of skim milk powder by a vibro-fluidized bed, heat transfer. Japan Res 18:1–8Maronga SJ, Wnukowski P (1997) Establishing temperature and humidity profiles in fluidized bed particulate coating. Powder Technol 94:181–185Maronga SJ, Wnukowski P (1998) The use of humidity and temperature profiles in optimizing the size of fluidized bed in a coating process. Chem Eng Sci 37:423–432Murrieta-Pazos I, Gaiani C, Galet L, Cuq B, Desobry S, Scher J (2011) Comparative study of particle structure evolution during water sorption: skim and whole milk powders. Coll and Surf B Biointerfaces 87:1–10Neff E, Morris HAL (1968) Agglomeration of milk powder and its influence on reconstitution properties. J Dairy Sci 51:330–338Niskanen T, Yliruusi J, Niskanen M, Kontro O (1990) Granulation of potassium chloride in instrumented fluidized bed granulator—part I: effect of flow rate. Acta Pharm Fenn 99:13–22Palzer S (2011) Agglomeration of pharmaceutical, detergent, chemical and food powders—similarities and differences of materials and processes. Powder Technol 206:2–17Saad MM, Barkouti A, Rondet E, Ruiz T, Cuq B (2011) Study of agglomeration mechanisms of food powders: application to durum wheat semolina. Powder Technol 208:399–408Turchiuli C, Smail R, Dumoulin E (2012) Fluidized bed agglomeration of skim milk powder: analysis of sampling for the follow-up of agglomerate growth. Powder Technol 238:161–168Vuataz G (2002) The phase diagram of milk: a new tool for optimizing the drying process. Lait 82:485–500Waldie B, Wilkinson D, Zachra L (1987) Kinetics and mechanisms of growth in batch and continuous fluidized bed granulation. Chem Eng Sci 42:653–66

Liquids' atomization with two different nozzles: Modeling of the effects of some processing and formulation conditions by dimensional analysis

Liquid atomization is a largely widespread unit operation. The disintegration of a liquid into droplets depends on the nature of the nozzle, on the process parameters as well as physicochemical characteristics of the fluid. The aim of this work is to study the contribution of the process (liquid outlet speed and air pressure) and physicochemical (viscosity and surface tension) factors on the size distribution of droplets generated by single- and two-fluid flat spray nozzles. The obtained droplet median diameters which range between 77 and 594 mu m for the single-fluid nozzle and between 11 and 599 mu m for the two-fluid nozzle, are discussed in relation with operating conditions of atomization process. Dimensional analysis was performed as a modeling approach. Despite energy input for the droplet formation is known to be influenced by different origins according to single and two-fluid nozzles, it is shown that a unique correlation, with specific values of parameters for each nozzle type, gathers all the parameters affecting droplet size. In the range of process and formulation parameters tested, this correlation is validated and gives satisfactory agreement for the single- and two-fluid nozzles

European Drying Conference -EuroDrying

Abstract: Fluidized bed agglomeration of skim milk powder by spraying water was used to produce dry agglomerates with improved instant properties. The growth of agglomerates was studied following the evolution of the particle size distribution during agglomeration under different conditions of processing. During the first minutes, initial particles (180µm) associated to form two size populations (250 and 400 µm). The smallest one disappeared quickly while the largest one increased in size until 650-700 µm at the end of experiment (30-40 min). The tested conditions corresponding to a lower final particle moisture content (6.8-7.0 % d.b.) generated the smaller agglomerates (650-640 µm)

Agglomération humide de poudres à réactivité de surface - Approche mécanistique de la morphogenèse de structures alimentaires agglomérées

Wet agglomeration is a crucial step in the shaping technology of powders because of its strong impact on the final quality of the elaborated products. Despite its interest in the elaboration of many products (food, pharmaceutical, engineering,...) as well as different technological process (horizontal mixers, vertical, low or high shear rate, fluidized bed, ...), it remains insufficiently mastered due to the difficulty in establishing operating diagrams taking into account, in the same time, products and process contributions. This thesis focuses on the study of the agglomeration mechanisms related to the characteristics of the formulation and process parameters. The identification and representation of the way particles come together during the wetting / mixing operation is one of the central challenges of this work. From experiments with two different food powders (durum wheat semolina and milk powder), agglomeration is induced either by wet contacts in mixer at low shear rate or by collisions between sticky particles in a fluidized bed. Mechanisms of semolina wet agglomeration developed in a low shear mixer are described as a process of morphogenesis that correlates the agglomerates size to their texture via a fractal dimension. The influence of the liquid binder physicochemical properties on the agglomeration mechanisms is studied according to the values taken by the fractal parameters of the model. The detailed study of the distribution of size and textural properties of agglomerated structures make it possible to identify the rule that lead to their layout: the association is mainly possible between structures belonging to the same class concerning their hydro-textural and dimensional characteristics. Agglomeration regimes depending on the mode of water supply (low flow, high flow) are studied based on the notion of dimensionless spray flux. Concerning milk powder agglomeration in a fluidized bed, agglomeration mechanisms are studied by following the evolution of the size and water content of the samples taken during the operation of wetting / drying and thereafter studying the impact of some operational conditions and formulation on the properties of the final agglomerates and agglomeration regimes. A link between the processes (low shear mixer and fluidized bed) is discussed and opens onto a redefinition of granular flow regimes and the surface reactivity of particles.L'agglomération humide est une étape cruciale dans la technologie de mise en forme des poudres de par son fort impact sur la qualité finale des produits élaborés. Malgré son intérêt lors de l'élaboration de nombreux produits (aliment, pharmaceutique, génie civil,...), ainsi que les différents modes technologiques (malaxeurs horizontaux, verticaux, à faible ou fort de taux de cisaillement, lit fluidisé, ...), elle reste insuffisamment maîtrisée de par la difficulté à proposer des diagrammes de fonctionnement opérationnels qui couplent les contributions croisées des procédés et des produits. Ce travail de thèse s'inscrit dans cette problématique et porte sur l'étude des mécanismes d'agglomération en lien avec les caractéristiques de la formulation et les paramètres opératoires. L'identification et la représentation du mode d'assemblage des particules au cours de l'opération de mouillage/malaxage est l'un des enjeux central de ce travail. A partir d'expériences menées avec deux types de poudres alimentaires (semoule de blé dur et poudre de lait), l'agglomération est induite soit par contacts humides en malaxeur à faible taux de cisaillement soit par des collisions entre les particules collantes en lit fluidisé. Les mécanismes d'agglomération humide de la semoule de blé dur développés dans un malaxeur à faible cisaillement sont décrits selon un processus de morphogénèse qui corrèle la taille des agglomérats à leur texture via une dimension fractale. L'influence des propriétés physicochimiques des liants liquides sur les mécanismes d'agglomération est étudiée au regard des paramètres du modèle fractal. L'étude fine des distributions des propriétés hydrotexturales et dimensionnelles des structures agglomérées a permis d'identifier leur " règle " d'agencement : association par même classe hydro-texturale et dimensionnelle. Les régimes d'agglomération en fonction du mode d'apport d'eau (débit faible, débit fort) sont étudiés en se basant sur la notion de flux d'atomisation adimensionné. En ce qui concerne l'agglomération de la poudre de lait en lit fluidisé, les mécanismes d'agglomération sont étudiés en suivant l'évolution des tailles et des teneurs en eau des échantillons prélevés durant l'opération de mouillage/séchage et par la suite l'étude de l'impact de certaines conditions opératoires et de formulation sur les propriétés des agglomérats finaux et les régimes d'agglomération. Un lien entre les procédés est discuté et ouvre sur une requalification des régimes d'écoulement granulaire ainsi que de la réactivité de surface des particules

Surface reactive powders wet agglomeration : mechanistic approach of food agglomerated structures morphogenesis

L'agglomération humide est une étape cruciale dans la technologie de mise en forme des poudres de par son fort impact sur la qualité finale des produits élaborés. Malgré son intérêt lors de l'élaboration de nombreux produits (aliment, pharmaceutique, génie civil,…), ainsi que les différents modes technologiques (malaxeurs horizontaux, verticaux, à faible ou fort de taux de cisaillement, lit fluidisé, …), elle reste insuffisamment maîtrisée de par la difficulté à proposer des diagrammes de fonctionnement opérationnels qui couplent les contributions croisées des procédés et des produits. Ce travail de thèse s'inscrit dans cette problématique et porte sur l'étude des mécanismes d'agglomération en lien avec les caractéristiques de la formulation et les paramètres opératoires. L'identification et la représentation du mode d'assemblage des particules au cours de l'opération de mouillage/malaxage est l'un des enjeux central de ce travail. A partir d'expériences menées avec deux types de poudres alimentaires (semoule de blé dur et poudre de lait), l'agglomération est induite soit par contacts humides en malaxeur à faible taux de cisaillement soit par des collisions entre les particules collantes en lit fluidisé. Les mécanismes d'agglomération humide de la semoule de blé dur développés dans un malaxeur à faible cisaillement sont décrits selon un processus de morphogénèse qui corrèle la taille des agglomérats à leur texture via une dimension fractale. L'influence des propriétés physicochimiques des liants liquides sur les mécanismes d'agglomération est étudiée au regard des paramètres du modèle fractal. L'étude fine des distributions des propriétés hydrotexturales et dimensionnelles des structures agglomérées a permis d'identifier leur « règle » d'agencement : association par même classe hydro-texturale et dimensionnelle. Les régimes d'agglomération en fonction du mode d'apport d'eau (débit faible, débit fort) sont étudiés en se basant sur la notion de flux d'atomisation adimensionné. En ce qui concerne l'agglomération de la poudre de lait en lit fluidisé, les mécanismes d'agglomération sont étudiés en suivant l'évolution des tailles et des teneurs en eau des échantillons prélevés durant l'opération de mouillage/séchage et par la suite l'étude de l'impact de certaines conditions opératoires et de formulation sur les propriétés des agglomérats finaux et les régimes d'agglomération. Un lien entre les procédés est discuté et ouvre sur une requalification des régimes d'écoulement granulaire ainsi que de la réactivité de surface des particules.Wet agglomeration is a crucial step in the shaping technology of powders because of its strong impact on the final quality of the elaborated products. Despite its interest in the elaboration of many products (food, pharmaceutical, engineering,...) as well as different technological process (horizontal mixers, vertical, low or high shear rate, fluidized bed, ...), it remains insufficiently mastered due to the difficulty in establishing operating diagrams taking into account, in the same time, products and process contributions. This thesis focuses on the study of the agglomeration mechanisms related to the characteristics of the formulation and process parameters. The identification and representation of the way particles come together during the wetting / mixing operation is one of the central challenges of this work. From experiments with two different food powders (durum wheat semolina and milk powder), agglomeration is induced either by wet contacts in mixer at low shear rate or by collisions between sticky particles in a fluidized bed. Mechanisms of semolina wet agglomeration developed in a low shear mixer are described as a process of morphogenesis that correlates the agglomerates size to their texture via a fractal dimension. The influence of the liquid binder physicochemical properties on the agglomeration mechanisms is studied according to the values taken by the fractal parameters of the model. The detailed study of the distribution of size and textural properties of agglomerated structures make it possible to identify the rule that lead to their layout: the association is mainly possible between structures belonging to the same class concerning their hydro-textural and dimensional characteristics. Agglomeration regimes depending on the mode of water supply (low flow, high flow) are studied based on the notion of dimensionless spray flux. Concerning milk powder agglomeration in a fluidized bed, agglomeration mechanisms are studied by following the evolution of the size and water content of the samples taken during the operation of wetting / drying and thereafter studying the impact of some operational conditions and formulation on the properties of the final agglomerates and agglomeration regimes. A link between the processes (low shear mixer and fluidized bed) is discussed and opens onto a redefinition of granular flow regimes and the surface reactivity of particles

Agglomération humide de poudres à réactivité de surface (approche mécanistique de la morphogénèse de structures alimentaires agglomérées)

L'agglomération humide est une étape cruciale dans la technologie de mise en forme des poudres de par son fort impact sur la qualité finale des produits élaborés. Malgré son intérêt lors de l'élaboration de nombreux produits (aliment, pharmaceutique, génie civil, ), ainsi que les différents modes technologiques (malaxeurs horizontaux, verticaux, à faible ou fort de taux de cisaillement, lit fluidisé, ), elle reste insuffisamment maîtrisée de par la difficulté à proposer des diagrammes de fonctionnement opérationnels qui couplent les contributions croisées des procédés et des produits. Ce travail de thèse s'inscrit dans cette problématique et porte sur l'étude des mécanismes d'agglomération en lien avec les caractéristiques de la formulation et les paramètres opératoires. L'identification et la représentation du mode d'assemblage des particules au cours de l'opération de mouillage/malaxage est l'un des enjeux central de ce travail. A partir d'expériences menées avec deux types de poudres alimentaires (semoule de blé dur et poudre de lait), l'agglomération est induite soit par contacts humides en malaxeur à faible taux de cisaillement soit par des collisions entre les particules collantes en lit fluidisé. Les mécanismes d'agglomération humide de la semoule de blé dur développés dans un malaxeur à faible cisaillement sont décrits selon un processus de morphogénèse qui corrèle la taille des agglomérats à leur texture via une dimension fractale. L'influence des propriétés physicochimiques des liants liquides sur les mécanismes d'agglomération est étudiée au regard des paramètres du modèle fractal. L'étude fine des distributions des propriétés hydrotexturales et dimensionnelles des structures agglomérées a permis d'identifier leur règle d'agencement : association par même classe hydro-texturale et dimensionnelle. Les régimes d'agglomération en fonction du mode d'apport d'eau (débit faible, débit fort) sont étudiés en se basant sur la notion de flux d'atomisation adimensionné. En ce qui concerne l'agglomération de la poudre de lait en lit fluidisé, les mécanismes d'agglomération sont étudiés en suivant l'évolution des tailles et des teneurs en eau des échantillons prélevés durant l'opération de mouillage/séchage et par la suite l'étude de l'impact de certaines conditions opératoires et de formulation sur les propriétés des agglomérats finaux et les régimes d'agglomération. Un lien entre les procédés est discuté et ouvre sur une requalification des régimes d'écoulement granulaire ainsi que de la réactivité de surface des particules.Wet agglomeration is a crucial step in the shaping technology of powders because of its strong impact on the final quality of the elaborated products. Despite its interest in the elaboration of many products (food, pharmaceutical, engineering,...) as well as different technological process (horizontal mixers, vertical, low or high shear rate, fluidized bed, ...), it remains insufficiently mastered due to the difficulty in establishing operating diagrams taking into account, in the same time, products and process contributions. This thesis focuses on the study of the agglomeration mechanisms related to the characteristics of the formulation and process parameters. The identification and representation of the way particles come together during the wetting / mixing operation is one of the central challenges of this work. From experiments with two different food powders (durum wheat semolina and milk powder), agglomeration is induced either by wet contacts in mixer at low shear rate or by collisions between sticky particles in a fluidized bed. Mechanisms of semolina wet agglomeration developed in a low shear mixer are described as a process of morphogenesis that correlates the agglomerates size to their texture via a fractal dimension. The influence of the liquid binder physicochemical properties on the agglomeration mechanisms is studied according to the values taken by the fractal parameters of the model. The detailed study of the distribution of size and textural properties of agglomerated structures make it possible to identify the rule that lead to their layout: the association is mainly possible between structures belonging to the same class concerning their hydro-textural and dimensional characteristics. Agglomeration regimes depending on the mode of water supply (low flow, high flow) are studied based on the notion of dimensionless spray flux. Concerning milk powder agglomeration in a fluidized bed, agglomeration mechanisms are studied by following the evolution of the size and water content of the samples taken during the operation of wetting / drying and thereafter studying the impact of some operational conditions and formulation on the properties of the final agglomerates and agglomeration regimes. A link between the processes (low shear mixer and fluidized bed) is discussed and opens onto a redefinition of granular flow regimes and the surface reactivity of particles.MONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF

Structuration of wheat powder by wet agglomeration: Case of size association mechanism

International audienceThe wet agglomeration of powder results from the combined action of mechanical energy and the addition of a wetting liquid binder. The wet agglomeration process is induced by successive contacts and/or collisions between native particles and nuclei/agglomerates. The aim of this work is to identify the phenomenological law that leads to the association mechanism occurring during the wet agglomeration of durum wheat semolina in a low shear mixer. This work is based on the study of the distribution of properties of the structures formed during the process. A twin study of the water content and solid volume fraction distributions of structures appearing in the bulk for each experimental wetting highlights the growth regime of an agglomerate. In this regime, a decrease in solid volume fraction associated with an increase in median diameter is observed. This leads to the fractal growth of structures. Despite this, the agglomerates progressively saturate, pore network filling occurring faster than volume expansion. Analysis of the standard deviations of the hydro-textural parameters (water contents and solid volume fractions) highlights their dependence on the diameters of agglomerates. This suggests that wet agglomeration preferentially occurs between structures of the same size and texture. This pattern of association is in accordance with the fractal structuration previously highlighted in low shear mixers under the same wetting and mixing conditions