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Installation de séchage par atomisation et congélation et procédé de:1 fabrication de café instantané.
La présente invention concerne le séchage par congéla- tion, et plus spécialement une installation de séchage par atomisa- tion et par congélation dans laquelle un liquide contenant des matières solides est atomisé sous pression dans une chambre de con- gélation sous vide, après quoi les gouttelettes de liquide atomisé gèlent et tombent sous forme de particules congelées dans une chambre de séchage sous vide. Des particules parfaitement sèches des matières solides sortent de la chambre de séchage, sans avoir été .'' mouillées pendant le procédé de séchage.
Lorsqu'on l'applique à des substances susceptibles d'être traitées pour le séchage par atomisation et par congélation.,
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telles que l'extrait de café, les jus de fruits, les produits biolo- giques, etc., lorsqu'on le fait suivre d'un séchage par congélation, le procédé de congélation par atomisation fournit un certain nombre d'avantages. En premier lieu, les frais de manipulation sont réduits, parce que ce procédé se prête à un fonctionnement continu. Aucun plateau de chargemen-t ou récipient analogue n'est nécessaire, parce que le liquide contenant les matières solides est pompé de façon continue dans la chambre de congélation.
Les particules séchées, qui peuvent avoir une texture très fine, se reconstituent avec l'eau pour fournir un produit d'un goût supérieur aux produits ana- logues séchés par d'autres procédés. Avec l'installation de la pré- sente invention la durée totale pendant laquelle le produit est en traitement, indiquée couramment comme étant la "durée de séjour", n'est qu'une petite partie de la durée de séjour utilisée dans d'autres procédés de séchage par congélation.
Etant donné qu'au cours du procédé de séchage, le noyau de glace s'entoure d'une enve- loppe de matières solides séchées, si cette matière est sensible à la chaleur (et la chaleur doit être fournie pour réduire la durée de séjour à une valeur acceptable dans l'industrie), alors une prolongation excessive de la durée de séjour ou de traitement peut entraîner une détérioration partielle de certaines qualités du produit sec, tel que le goût, la teneur en enzymes, etc.
Le procédé de séchage par atomisation et par congélation de la présente invention est essentiellement un procédé à une seule phase en ce que le liquide contenant les matières solides est conge- lé par atomisation dans un seul ensemble de l'installation, après quoi les particules congelées passent directement vers un ensemble de séchage par congélation de l'installation, et de là sortent de l'installation par un sas à air.
La présente invention se propose : - de réduire la durée de séjour d'une installation de . séchage par congélation; - de réduire les conditions de maintien de la congéla-
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tion et de l'isolement de l'installation; - de fournir une installation de séchage par atomisation et par congélation qui soit compatible avec un fonctionnement conti- nu ; - de réduire la quantité de congélation nécessaire d'une installation de séchage par congélation, pour un poids donné d'eau qui doit être enlevé pendant le procédé; - de fournir une installation de séchage par congélation dans laquelle les particules congelées n'adhèrent pas aux divers éléments de l'installation pendant le procédé de séchage;
- de fournir un ensemble de séchage par congélation qui comprend un transporteur vibratoire construit spécialement qui réduit au minimum la durée de séchage, et qui empêche l'adhérence des particules congelées à la surface de transport; - d'éliminer la nécessité d'une congélation, d'une atomisation ou d'un autre traitement préalable de la matière, prépa- ratoires au procédé de séchage par congélation ; - de fournir une installation de séchage par consolation dans laquelle il n'existe aucun entraînement des petites particules séparées du liquide congelé par le courant de vapeur de la chambre de séchage vers la chambre de congélation pendant le procédé de séchage par congélation;
- de fournir une installation de séchage par atomi@ un et par congélation perfectionnée pour le séchage de l'extrait @@ café, pour la fabrication de café instantané; - de fournir un café instantané amélioré.
D'autres avantages et caractéristiques de l'in ressortiront de la description qui va suivre faite en regard des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est un schéma d'une installation de séchage par atomisation et par congélation suivant la présente invention; la figure 2 est une vue en bout de la chambre de séchage, la. plaque d'extrémité étant enlevée ;
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la figure 3 est une coupe verticale à travers la chambre de séchage, suivant la ligne 3-3 de la figure 2 ; la figure 4 est une coupe horizontale à travers la cham- bre de séchage, suivant la ligne 4-4 de la figure 2.
Les deux figu- res 3 et 4 ne montrent que l'extrémité de distribution de la chambre de séchage ; la figure 5 est un schéma à plus grande échelle montrant la géométrie du transporteur vibrant; la figure 6 est une courbe, montrant la relation entre la pression qui règne dans la chambre de séchage de l'installation et le taux de condensation, et donnant les états critiques par rapport à l'adhérence des particules au transporteur.
Les éléments de base de l'installation de séchage par congélation de la présente invention sont représentés schématique- ment sur la figure 1. Les éléments principaux de l'installation comprennent une chambre de congélation 10 reliée à une chambre de séchage 12, dont la sortie est reliée à un sas à air 14, qui fournit la matière séchée à un récipient 16.
La chambre de congélation 10 comprend un récipient 18 résistant à la pression, qui est muni d'un faux-fond 20 de trémie.
Entourant une partie principale de la paroi latérale du récipient 18 se trouve une rangée annulaire de serpentins de condensation réfrigérés chemisés intérieurement 22, qui sont d'une construction sinueuse suivant la pratique classique. Ce sont ces serpentins qui enlèvent la chaleur de fusion et d'évaporation du produit liqui- de. Le réfrigérant est mis en circulation dans les serpentins 22 à partir d'un ensemble de réfrigération représenté de façon générale en 24, dont les détails sont classiques et ne font pas partie de l'invention. Dans l'installation de réfrigération, une conduite d'admission 26 du réfrigérant conduit de l'ensemble de réfrigération au serpentin de condensation 22 au.moyen d'une soupape de détente 28.
La conduite de retour ordinaire 30 du réfrigérant ramène le réfrigé- rant vers l'ensemble de réfrigération, pour le condenser et le comprimer de nouveau de la façon habituelle et classique. Un indica-
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teur de température 31 indique la température régnant dans les ser- pentins de condensation.
Etant donné que le procédé de séchage doit être mis en oeuvre sous un vide relativement élevé, une pompe à vide 32 est reliée au récipient 18 de la chambre de congélation 10 par une con- duite d'évacuation 34. La pompe à vide enlève principalement les gaz non condensables, tel que l'air ou un fluide analogue, du fait que la vapeur d'eau, sublimée du produit pendant l'opération de congéla- tion est condensée 1 pour former des particules congelées par les serpentins de réfrigération 22. Un manomètre 35 indique la pression régnant dans la chambre de congélation.
Le liquide à sécher par congélation, tel que l'extrait de café, les jus de fruits ou produits analogues sont atomisés sous forme d'une fine atomisation dans la chambre de congélation 10 par un ajutage d'atomisation 38. Cet ajutage est alimenté en liquide au moyen d'une conduite sous pression 40, d'une pompe 42 et d'une conduite d'alimentation 44 qui reçoit le liquide d'un réservoir 46.
Une soupape 45 commande la pression de l'ajutage d'atomisation telle qu'indiquée par un manomètre 45a. Le passage d'évacuation de la chambre de congélation 10 est sous forme d'un col 48 qui forme un joint hermétique à l'air avec un col 50 faisant saillie vers le haut à partir de l'extrémité d'admission de la chambre de séchage 12.
Dans la forme de réalisation de l'invention qui est décrite, la chambre de séchage 12 comprend un récipient ou tube de séchage allongé 52 fermé à chaque extrémité par des plaques d'extré- mités amovibles 53. Afin de supporter les particules du produit pendant l'opération de séchage, et d'amener le produit à travers la chambre de séchage 12, une cuvette ou plateau s'étendant longitu- dinalement 54 est monté dans la chambre de séchage. Le plateau 54 est supporté sur sa longueur par des biellettes disposées oblique-' ment 56 qui sont articulées par leurs extrémités inférieures sur le plateau 54, et qui sont suspendues à des montants 57 faisant saillie vers le haut à partir de cornières s'étendant longitudinalement
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58 qui sont montées dans la chambre de séchage 12.
On confère au plateau 54 un mouvement vibratoire grâce à un ensemble de commande vibrant indiqué de façon générale en 60, dont les détails seront décrits à présent.
Afin de condenser la vapeur d'eau qui est sublimée des particules congelées du produit P, à mesure qu'elles avancent le long du plateau 54 dans la chambre de séchage, un condenseur 62 est monté sous le plateau 54. Tel que représenté, le condenseur 62 est révu sous forme de serpentins sinueux reliés à une conduite d'admis- sion réfrigérants 64, au moyen d'une soupape de détente 66. Une conduite 68 de retour du réfrigérant est également prévue et le réfrigérant est mis en circulation dans le condenseur 62 par l'en- semble de réfrigération 24 indiqué précédemment. La température du condenseur est détectée par un dispositif thermique et indiquée sur un indicateur 69.
Afin de fournir la chaleur de sublimation nécessaire pour sécher le produit P à mesure qu'il avance le long du plateau 54 de la chambre de séchage 12, un ensemble de chauffage s'étendant longitudinalement 70 est monté au-dessus du plateau 54. Le réchauf- feur 70 est sous forme d'une couverture chauffée électriquement d'une construction classique, et sa température est détectée par un dispositif'thermique et est indiquée sur un indicateur 71.
Un degré de vide élevé est maintenu dans la chambre de séchage 12 à cause de la liaison avec la chambre de congélation 12 par les cols 48 et 50, décrits précédemment. La pompe à vide 32 n'enlevé normale- ment que des gaz non condensables de la chambre de séchage 12, parce que la vapeur d'eau sublimée du produit P au cours du procédé ' de séchage est condensée par le condenseur 62 de la chambre de sé- chage 12. Le produit séché tombe à travers un col d'évacuation 74 de la chambre de séchage.
Afin que l'installation de séchage par atomisation et par' congélation de la présente invention puisse fonctionner de façon continue, sans admettre d'air dans l'installation au cours du procé-
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de de séchage et sans exiger de joint hermétique à l'air entre les éléments relativement mobiles, l'ensemble de sas à air 14, mention- né précédemment, est prévu à l'extrémité de distribution de la chambre de séchage 12. Cet ensemble comprend un ensemble à robinet d'isolement 78, ayant une liaison hermétique à l'air avec le col d'évacuation 74 du produit de la chambre de séchage.
L'ensemble à robinet d'isolement 78 comprend un régulateur à papillon 80 actionna- ble à la main, pour fermer la sortie de la chambre de séchage lorsqu'on le désire' Une partie de conduite de montage 82 du réci- pient, qui supporte le récipient 16 destiné au produit séché forme une liaison hermétique à l'air avec l'ensemble à robinet d'isole- ment 78. Un dispositif de serrage 84 du récipient maintient le logement 16 en communication hermétique à l'air avec la partie de conduite de montage 82 du récipient.
Une conduite de prééchappement et d'admission d'air combinés 86 qui est également reliée à un raccord en T 88 est reliée à la partie de conduite 82. Une branche du raccord se raccorde une conduite à vide 90 au moyen d'une soupape à vide 92 actionnable à la main. La conduite à vide 90 établit une communication avec la conduite à vide principale 34, et est par suite en communication avec la pompe à vide 32 mentionnée précédemment. Afin de recevoir le retrait du récipient 16 lorsque ce dernier est rempli du produit séché, une conduite d'admission d'air 94 se raccorde à l'autre branche du raccord 88, et est commandée par une soupape d'admis d'air 96 actionnable à la main.
Un régulateur à papillon 97 men dans la conduite à vide principale 34 peut être fermé pour l le sas à air 14 des chambres de congélation et de séchage.
On va décrire maintenant les détails du mécanisme pour ; monter et pour faire vibrer le plateau 54. Les cornières 58 pour monter le plateau ont été mentionnées précédemment. Chaque cornière 58 est montée sur un élément en U 100, cet élément en U étant suppor-; té de façon amovible sur une console 102, fixée aux parois latérales du récipient 52 formant la chambre de séchage 12. Afin de régler
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les éléments de vecteur ou d'impulsions de la vibration communiquée au plateau 54, chacune des cornières 58, qui supportent les montants 57 mentionnés précédemment pour supporter les biellettes 56 du plateau, est réglable de façon coulissante le long de son élément en U respectif 100.
Les cornières 58 sont serrées dans leur position réglée par des boulons 104, et le réglage est effectué dans des fentes 106 (figure 4) ménagées dans les cornières 58, par chacun des boulons 104.
Afin de faire vibrer le plateau 54, un arbre vibrateur 110 s'étendant transversalement est prévu à l'extrémité de distri- bution de la chambre de séchage 12. L'arbre 110 est monté à rotation dans des montants 112 qui font saillie vers le haut à partir des éléments en U 100. Comme représenté en particulier sur les figures 3 et 4, il est prévu sur l'arbre 110 un excentrique 114 qui supporte une extrémité d'une bielle 116. L'autre extrémité de la bielle 116 est reliée à une goupille 118, dont une extrémité est montée dans un bloc 120 qui est fixé au plateau 54. La goupille 118 est également reliée à pivot à l'extrémité inférieure d'une des biellettes de support 56 du plateau, mentionnées précédemment, celles-ci étant la biellette qui se trouve à proximité de la bielle 116.
L'extrémité supérieure de la biellette 56 'est montée à pivot sur un montant 57, décrit précédemment, au moyen d'une gou- pille 122. Chacune des biellettes 56 sauf celle se trouvant sur la bielle 116 a son extrémité inférieure montée à pivot au moyen d'une goupille 118a dans un bloc 120a fixé au plateau 54, comme représenté en particulier sur les figures 2 et 4. Les blocs 120 et 120a sont soudés ou fixés autrement aux parois latérales 124 du plateau. Tel que représenté sur les figures 2 et 4, le fond du plateau a des ondulations longitudinales 126 formées sur sa longueur, pour ren- forcer le plateau longitudinalement à la chambre de séchage.
On prévoit des moyens pour faire tourner l'arbre vibra- teur 110 du plateau à une vitesse appropriée, pour une course donnée de l'excentrique 114. Afin de faire tourner l'arbre 110, une partie
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d'extrémité 127 de ce dernier fait saillie à travers un presse-étoupe 128 (figures 2 et 4) qui fournit à l'arbre un joint rotatif herméti- que à l'air. Cette partie d'extrémité 127 de l'arbre 110 a un pignon de chaîne 130 qui y est fixé (figures 1, 2 et 4), et elle est accouplée à la partie principale de l'arbre 110 par un accouplement 129. Des moyens pour faire tourner le pignon de chaîne 130 sont représentés sur la figure 1. Une chaîne 132 est entraînée autour du pignon de chaîne 130 et autour d'un pignon 134.
Le pignon 134 est commandé par un ensemble à entraînement par courroie à vitesse variable tel qu'une commande Reeves, indiquée de façon générale en 136. Ces ensembles d'éléments de poulies mobiles axialement sont bien connus dans la technique, et leurs détails ne font pas partie de la présente invention. L'ensemble d'entraînement à vitesse variable est actionné par un ensemble à moteur et à engrenage réduc- teur combiné 138, faisant partie de l'ensemble à commande vibratoire; 60 indiqué antérieurement. L'accouplement 129 permet le retrait des éléments en U 100, qui supportent les cornières 58 et le plateau.
Comme mentionné, un réchauffeur 70 est prévu pour four- nir la chaleur de sublimation nécessaire au processus de séchage.
Comme représenté sur les figures 2 et 3, le réchauffeur 70 comprend une couverture électrique 140, qui est sous forme de fils résistants de chauffage noyés dans une feuille de caoutchouc de silicone.
L'élément de chauffage 140 est réuni solidement à une plaque de support 142 qui est montée dans la chambre de séchage 12 au moyen de consoles s'étendant longitudinalement 144. Les fils conducteurs 145 de la couverture 140 sont reliés à une source de courant élec- trique, et le flux de courant est réglé de façon classique par un moyen (non représenté) afin de fournir la température désirée de la couverture.
Comme représenté en particulier sur la figure 3, à l'extrémité de distribution du plateau 54, une trémie analogue à un entonnoir 146 est ajustée dans la chambre de séchage 12 pour rece- voir le produit séché P, à mesure que le produit est mis en vibra- tion hors de l'extrémité de distribution du plateau 54. La trémie
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146 distribue le produit séché dans le col d'évacuation 74. et dans le sas à air 14, décrit précédemment en détail.
On va maintenant décrire brièvement le fonctionnement de l'installation de séchage par atomisation et par congélation de la présente invention.
En se référant à la figure 1, on suppose que l'appareil a été arrêté. Un récipient vide 16 sera ajusté sur le sas à air 14, et la pompe à vide 32 sera mise en marche, les régulateurs à papillon 80 et 97 étant ouverts, la soupape d'admission d'air 96 vers le sas à air 14 étant fermée, et la soupape à vide 92 du sas à air étant fermée. L'ensemble de réfrigération est mis en marche.
Les réchauffeurs sont allumés et une atomisation d'eau est intro- duite par l'ajutage pour empêcher le surchauffage du plateau. En peu de temps les gaz non condensables sont évacués de la chambre de congélation, de la chambre de séchage, du sas à air et du récipient, et la pression régnant dans la chambre de congélation 10 et dans la chambre de séchage 12, comme indiqué par les manomètres 35 et 72 respectivement, sera équilibrée à une valeur très basse, considéra- blement au-dessous de la pression à trois points.
On lance mainte- nant le moteur 138 faisant vibrer le plateau, on met en marche la pompe 42 du produit liquide, et on règle la soupape 45 d'alimenta- tion du liquide pour fournir la pression d'atomisation désirée à l'ajutage 38, telle qu'indiquée par le manomètre 45.Le Le processus de séchage par atomisation et par congélation de la présente inven- tion commence maintenant. Les particules du liquide atomisé sortent sous forme d'une enveloppe analogue à un cône de particules finement atomisées. Ces particules sont dirigées vers le haut dans la cham- bre de congélation 10, et en raison de la basse pression régnant maintenant dans la chambre de congélation, la plus grande partie des particules se congèlent bientôt après avoir quitté l'ajutage 38, mais olles ne gèlent pas sur l'ajutage proprement dit.
La plupart des particules du produit auront été gelées avant qu'elles frappent la paroi ou chemise du condenseur 22, de façon qu'elles rebondissent
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sur la paroi et qu'elles commencent à tomber vers le col d'évacua- tion 48 de la chambre de congélation. Les particules qui ne sont pas complètement gelées lorsqu'elles atteignent la paroi du condenseur
22 gèlent bientôt après, et toutes les particules auront été complè- tement gelées lorsqu'elles tombent vers la trémie 20 se trouvant au fond de la chambre de congélation. Ces particules complètement gelées tombent directement dans l'extrémité d'admission du plateau vibrant 54.
L'action de l'ensemble de commande 60 du plateau, et la relation angulaire des biellettes 56 sont telles qu'elles font avancer les particules P le long du plateau 54 vers l'extrémité de distribution de la chambre de séchage 12 en un mouvement progressif représenté schématiquement sur la figure 3.
Lorsque les particules avancent le long du plateau 54, la chaleur de sublimation est fournie par le réchauffeur 70, et .? vapeur sublimée est condensée directement dans la chambre, par condenseur interne 62 de la chambre de séchage. Les charges de réfrigération du condenseur 62 de la chambre de séchage et du condenseur 22 de la chambre de congélation sont réglées de façon que les pressions régnant dans ces chambres soient sensiblement égales. Il est particulièrement important que la pression régnant , dans la chambre de séchage l2ne dépasse pas'sensiblement celle qui règne dans la chambre de congélation.
Si c'était le cas, la vapeur d'eau sublimée pourrait s'écouler vers le haut par le col d'admi sion 50 de la chambre de séchage, et par le col d'évacuation 48 de la chambre de congélation, de façon à entraîner les particules @
P qui tentent de tomber dans la chambre de séchage à partir dela chambre de congélation. Puisqu'une proportion de 20% enviro l'eau du produit est enlevée pendant le processus de congélation, dans la chambre de congélation 10, la chambre de séchage 12 exige également une réfrigération moindre par kg du produit liquide de départ, qu'il ne serait nécessaire si le produit était introduit à l'état de particules précongelées.
Lorsque les particules atteignent l'extrémité du pla- teau 54, elles sont mises en vibration hors de l'extrémité du pla- teau, comme indiqué sur la figure 3, et dans la trémie en.forme
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d'entonnoir 146, après quoi elles tombent par le sas à air 14 dans le récipient 16.
Lorsque le récipient 16 a été rempli à la quantité voulue, l'installation à sas à air et à soupapes permet de changer les récipients sans rompre le vide des chambres de congélation et de séchage. On ferme d'abord le régulateur à papillon 97 de la con- duite sous vide 34 pour isoler le sas à air. Afin de remplacer le récipient 16, la soupape à vide 92 doit être fermée, mais comme mentionné précédemment, cette soupape sera normalement fermée pen- dant le fonctionnement normal.
Toutefois, le régulateur à papillon 80 actionnable à la main du sas à air 14, qui a été ouvert pour permettre aux particules de tomber dans le récipient 16, sera maintenant fermé pour isoler complètement le sas à air de l'intérieur de la chambre de séchage 12. Après avoir fermé le régulateur à papillon 80, on peut ouvrir la soupape d'admission d'air 96 pour équilibrer la pression régnant dans le récipient 16, qu'on peut enlever et remplacer maintenant par un récipient vide.
Dès que le nouveau récipient est monté en position dans le sas à air 14, on ferme de nouveau la soupape d'admission d'air 96 et on ouvre maintenant la soupape à vide 92 menant au sas à air 14 pour faire le vide dans le récipient et dans le sas à air, avant de rouvrir le régulateur à papillon 80. Finalement, on rouvre le régulateur à papillon 97 de la conduite principale à vide 34.
Pendant ce temps, qui est de très courte durée, le produit séché s'accumule au-dessus du régulateur à papillon 80. Dès que les stades précédents ont été achevés, le régulateur à papillon 80 peut être rouvert pour rétablir la communication entre la chambre de séchage 12 et le récipient 16 au moyen du sas à air 14' Comme mentionné, la soupape d'admission d'air 96 aura été fermée antérieurement, et la soupape à vide 92 destinée au sas à air peut être fermée maintenant, parce que le vide est maintenant établi directement dans le sas à air au moyen de la chambre de congélation 10, de la chambre de sécha- ge 12 et de la conduite principale à vide 34.
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EMI13.1
L''expérience avec le séchage par congélation de liquide cpntenanf des matières sol,:Ldeg; connpe l'extrait de café, a montré que la géométrie du ,montage des biellettes du gâteau 54 est quelque peu critique, Si ces facteurs de géométrie sont insuffisamment choisiµ, le produit ne se déplacera pas assez vite dans la chambre
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de séç)lagç pour permettre 1,4 .durée île "Jou-x courte désirée dans la chambre.
Si ces facteurs sont trop choisis, -le produit sera mis en vibration hors du plateau ou sinon, il -avance -trop rapidement dans la chambre de séchage pour .que -le produit ne soit pas complète-
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ment séç-hé loru7. tte'.nt 1< s4a à air 14 p â 1 exte' em:L té de distribution du plateau.
Avec des produits sensibles à la chaleur
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tels que le çaf4 instantané, qui ont 464çil=enit tendance à être sensi- blement co9.lan certaines 4îmfflions .et w.tesss critiques de ensemble vibru-t se sont megîfest4es. 'Da-w à"appareil de la pré- sente mvenùion, ii eeest avéré que l'angle rtle," (figure 5) que forment les biellettes 56 avec -le plan horizontal devrait être
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sensiblement de 630, Par suite, le $ens moyen de d4placement du pla- teau, indiqué par la flèche "v" fait le même angle "a" de 65 par rapport au plan vertical. Bien que la longueur des biellettes 56 ne soit pas critique, à l'angle "a" de 65 , une longueur de 5 cm des biellettes a été satisfaisante.
L'amplitude de vibration hori-
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zontale indiquée en ffxm (figure 5) a une lozgueur totale de b,25 mm, ce qui signifie que 1'.excentrique 114 a un décentrement ou une course de 3,12 mm, La vitesse de rotation de l'arbre de vibration 110 est de 500 tours à la minute. Celle-ci communique une accéléra- tion horizontale maximum aux particules ou au produit P de 0,80 gr, et une accélération verticale maximum de 0,37 g. Ainsi, bien que les particules avancent progressivement le long du plateau, elle% ne sautent ni ne dansent à 1'écart du plateau, ou les unes des autres, pendant le procédé.
Le transport peut être décrit comme suit :
Lorsque le plateau est déplacé vers le bas et vers l'arriére, le produit suit le plateau vers le bas, mais non vers l'arriére, parce que la force de frottement exercée entre le pla-
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teau et, le produit est insuffisante pour déplacer la masse du pro- duit vers, l'arrière à plein du mouvement du plateau. Toutefois, lorsque le plateau est déplacé vers le haut et vers l'avant, la for- ce de frottement est augmentée, et la masse du produit lui a communiqué un mouvement vers l'avant qui est notablement plus grand communiqué mouvement vers l'vant qui est notablement plus grand que son mouvement rétrograde.
Le trajet du produit dans l'espace ressemble à un épicycloïde comprimé longitudinalement. Le transpor- teur de la présente invention fournit une action de transport et d'agitation combinée, et cependant l'action exercée sur les particules est légère.
A titre d'exemple, les conditions de fonctionnement optimum seront, données pour une installation et un procéda suivant la présente invention, lorsqu'elles sont utilisées pour le séchage par atomisation et par congélation de l'extrait de café instantané,
Naturellement les; dimensions de l'installation et le débit du prédit sont directement associés. L'exemple actuel sera décrit en liaison avec ],'installation représentée sur la figure 1, dans la-quel-, le) la chambra de congélation 10 a 1,50 mètre environ de diamètre et
1,80 mètre environ de hauteur.
Le plateau 54 a environ 4,80 mètres de long et 30 centimètres de largeur et la chambre de séchage 12 a 60 centimètres, de diamètre
Quant à la teneur en matières solides de l'extrait de café, il S'est avéré qu'on obtient les meilleurs résultats lorsque la teneur en matières solides est de 20% en poids environ. On éprou- ve des difficultés d'adhérence et de rendement si la teneur en matières solides atteint 25% en poids. Il est peuéconomique et Inutile d'opérer avec un extrait de café de départ liquide dana lequel la teneur en matières solides est inférieure à 20% en poids, parce qu'una évaporation inutile de l'eau est exigée.
Il s'est avéré que la température du réfrigérant devrait être réglée pour maintenir une pression dans les chambres de congélation et de séchage de l'ordre de 250 microns, comme indiqué sur la courbe de la figure 6. Si on permet à la pression régnant ,'
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dans la chambre de séchage de dépasser 270 microns, on rencontre des difficultés dues à l'adhérence du produit au plateau. Naturel- lement, des pressions Inférieures à 250 microns sont possibles, si on augmente la réfrigération. Une pression de 250 microns environ . est choisie comme étant la pression optimum.
Bien qu'un abaissement appréciable quelconque de la pression au-dessous de 250 microns per- mette de diminuer la durée de séjour du produit dans la chambre de séchage en fournissant plus de chaleur au produit, comme mentionné, ceci augmente la charge de congélation, et ainsi lorsqu'on équilibre ces deux effets, la gamme de pressions comprise entre 250 et 270 , microns indiquée, qui donne une durée de séjour de l'ordre de 40 secondes, s'avère fournir les meilleurs résultats d'ensemble. La durée de séjour de 40 secondes est assez courte pour empêcher l'endommagement du produit par la chaleur, et assez longue pour assurer un séchage à 100% pendant le procédé.
L'ajutage d'atomisation 38, (ou des ajutages d'une installation plus grande) et la gamme de pressions dans laquelle il fonctionne, sont choisis pour donner un taux d'évaporation de l'or- dre de 1,71 kg à l'heure par m2 de la surface du plateau dans la chambre de séchage 12. Un ajutage fait en particulier pour le sécha- ge par atomisation de produits est l'ajutage de séchage par atomisa- tion du type SX, fabriqué par Spraying Systems Co., de Bellwood,
Illinois. Dans l'installation décrite, cet ajutage est commandé à une pression de 14 kg/cm2 au manomètre à partir de la pompe 42, telle que réglée par la soupape d'admission 45 du liquide, et indi- quée sur le manomètre 45a.
La température du réfrigérant des condenseurs 22 et @@ est maintenue à -46 C, ou environ. Si on laisse la température réfrigérant s'élever à -34 C, on éprouve des difficultés d'adhérence et de longue durée de séjour. Toute température inférieure à -46 C exige simplement une réfrigération supplémentaire, dont le coût n'est pas surpassé par une durée de séjour diminuée de façon appro- priée du produit.
La température du réchauffeur 70 est maintenue à 150 C
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environ, et une.température abaissée augmente inutilement la durée de séjour du produit, mais si on laisse la température atteindre 163 C, le produit adhère au transporteur. Le produit devient pro- . gressivement plus chaud lorsqu'il atteint l'extrémité de distribu- tion du plateau 54. On choisit une température de.distribution . de 65 C sur le plateau. Cette température est détectée par un thermo- couple (non représenté) monté sur l'extrémité de.distribution du plateau.
Comme mentionné antérieurement, le plateau 54 est mis en vibration à 500 cycles à la minute (500 tours à la minute de l'arbre 110) pendant une course horizontale "x" de 6,25 mm, et les biellettes 56 formant un angle de 65 par rapport au plan horizon- tal.
Lorsque tous ces facteurs ont été observés pour le fonc- tionnement de l'installation telle que décrite, la durée de séjour très courte de 40 secondes mentionnée ci-dessus fournit des parti- cules sèches de café instantané qui ont un goût et un arôme excel- lents, lorsqu'elles sont reconstituées avec de l'eau de la façon habituelle. La dimension particulaire du café est de l'ordre de mi- crons, ce qui fournit un produit rapidement soluble et intéressant.
Bien qu'on ait décrit un plateau long unique, on pourrait! utiliser un certain nombre de plateaux plus courts espacés vertica- lement, chaque plateau alimentant le plateau du dessous, de façon que la matière soit transportée d'arrière en avant dans la chambre de séchage pendant le séchage. Le transporteur vibrant décrit permet un empilage vertical serré de ces plateaux.
Légende des dessins Figure Repère
6 (a) Aucune adhérence sur la surface du plateau à 65 C.
- (b) Une certaine adhérence, l'installation pouvant fonctionner.
- (c) Forte adhérence, l'installation ne pouvant pas fonctionner.
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Spray-drying and freezing installation and process for: 1 manufacturing instant coffee.
The present invention relates to freeze drying, and more especially to a spray and freeze drying plant in which a liquid containing solids is atomized under pressure in a vacuum freezing chamber, after which the Droplets of atomized liquid freeze and fall as frozen particles in a vacuum drying chamber. Perfectly dry particles of the solids exit the drying chamber, undetected during the drying process.
When applied to substances capable of being treated for spray drying and freezing.,
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such as coffee extract, fruit juices, organic products, etc., when followed by freeze drying, the spray freezing process provides a number of advantages. Firstly, handling costs are reduced, because this process lends itself to continuous operation. No loading tray or the like is necessary, because the liquid containing the solids is continuously pumped into the freezing chamber.
The dried particles, which may have a very fine texture, reconstitute with water to provide a superior tasting product than analogous products dried by other processes. With the installation of the present invention the total time that the product is processed, commonly referred to as "residence time", is only a small portion of the residence time used in other cases. freezing drying processes.
Since during the drying process the ice core is surrounded by an envelope of dried solids, if this material is sensitive to heat (and heat must be supplied to reduce the residence time at an acceptable value in industry), then an excessive prolongation of the storage or processing time may lead to a partial deterioration of certain qualities of the dry product, such as taste, enzyme content, etc.
The spray-freeze drying process of the present invention is essentially a one-phase process in that the liquid containing the solids is spray-frozen in a single assembly of the plant, after which the frozen particles. pass directly to a freeze-drying assembly of the installation, and from there exit the installation through an air lock.
The present invention proposes: - to reduce the length of stay of an installation. freeze drying; - reduce the conditions for maintaining freezing
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tion and isolation of the installation; - to provide an installation for spray drying and freezing which is compatible with continuous operation; - to reduce the amount of freezing necessary for a freeze-drying installation, for a given weight of water which must be removed during the process; - to provide a freeze drying installation in which the frozen particles do not adhere to the various elements of the installation during the drying process;
- to provide a freeze-drying assembly which includes a specially constructed vibratory conveyor which minimizes the drying time, and which prevents adhesion of frozen particles to the transport surface; - eliminate the need for freezing, atomization or other pre-treatment of the material, in preparation for the freeze-drying process; - to provide a comfort drying installation in which there is no entrainment of the small particles separated from the frozen liquid by the vapor stream from the drying chamber to the freezing chamber during the freeze drying process;
- to provide an improved atomisation and freezing drying installation for drying the coffee extract, for the manufacture of instant coffee; - to provide improved instant coffee.
Other advantages and characteristics of the in will emerge from the description which will follow given with reference to the appended drawings in which: FIG. 1 is a diagram of an installation for spray drying and freezing according to the present invention; Figure 2 is an end view of the drying chamber, la. end plate being removed;
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Figure 3 is a vertical section through the drying chamber, taken on line 3-3 of Figure 2; Figure 4 is a horizontal section through the drying chamber, taken on line 4-4 of Figure 2.
The two figures 3 and 4 show only the dispensing end of the drying chamber; Fig. 5 is an enlarged diagram showing the geometry of the vibrating conveyor; FIG. 6 is a curve showing the relation between the pressure which prevails in the drying chamber of the installation and the rate of condensation, and giving the critical states with respect to the adhesion of the particles to the conveyor.
The basic elements of the freeze-drying installation of the present invention are shown schematically in Figure 1. The main elements of the installation comprise a freezing chamber 10 connected to a drying chamber 12, the outlet of which is is connected to an air lock 14, which supplies the dried material to a container 16.
The freezing chamber 10 comprises a pressure-resistant container 18, which is provided with a false bottom 20 of the hopper.
Surrounding a major portion of the side wall of vessel 18 is an annular row of internally jacketed refrigerated condensing coils 22, which are of a sinuous construction in accordance with conventional practice. It is these coils that remove the heat of fusion and evaporation from the liquid product. Refrigerant is circulated through coils 22 from a refrigeration assembly generally shown at 24, the details of which are conventional and do not form part of the invention. In the refrigeration installation, an inlet pipe 26 for the refrigerant leads from the refrigeration assembly to the condensing coil 22 by means of an expansion valve 28.
The ordinary refrigerant return line 30 returns the refrigerant to the refrigeration assembly, to condense and compress it again in the usual and conventional manner. An indica-
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temperature sensor 31 indicates the temperature prevailing in the condensation coils.
Since the drying process has to be carried out under a relatively high vacuum, a vacuum pump 32 is connected to the container 18 of the freezing chamber 10 by an exhaust line 34. The vacuum pump mainly removes non-condensable gases, such as air or the like, because the water vapor sublimated from the product during the freezing operation is condensed 1 to form frozen particles by the refrigeration coils 22. A manometer 35 indicates the pressure prevailing in the freezing chamber.
The liquid to be dried by freezing, such as coffee extract, fruit juices or the like are atomized in the form of a fine atomization in the freezing chamber 10 by an atomization nozzle 38. This nozzle is supplied with liquid by means of a pressure line 40, a pump 42 and a supply line 44 which receives liquid from a reservoir 46.
A valve 45 controls the pressure of the atomizing nozzle as indicated by a pressure gauge 45a. The discharge passage of the freezing chamber 10 is in the form of a neck 48 which forms an airtight seal with a neck 50 projecting upward from the inlet end of the freezing chamber. drying 12.
In the embodiment of the invention which is described, the drying chamber 12 comprises an elongated drying container or tube 52 closed at each end by removable end plates 53. In order to support the particles of the product during the process. In the drying process, and to feed the product through the drying chamber 12, a longitudinally extending bowl or tray 54 is mounted in the drying chamber. Deck 54 is supported along its length by obliquely disposed links 56 which are hinged at their lower ends to deck 54, and which are suspended from uprights 57 projecting upwardly from longitudinally extending angles.
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58 which are mounted in the drying chamber 12.
The plate 54 is given a vibratory movement by means of a vibrating control assembly indicated generally at 60, the details of which will now be described.
In order to condense the water vapor which is sublimated from the frozen particles of the product P, as they advance along the tray 54 into the drying chamber, a condenser 62 is mounted under the tray 54. As shown, the condenser 62 is redesigned as sinuous coils connected to a refrigerant inlet line 64, by means of an expansion valve 66. A refrigerant return line 68 is also provided and the refrigerant is circulated through the condenser. condenser 62 by the refrigeration assembly 24 indicated above. The temperature of the condenser is detected by a thermal device and indicated on an indicator 69.
In order to provide the heat of sublimation necessary to dry the product P as it advances along the tray 54 of the drying chamber 12, a longitudinally extending heater assembly 70 is mounted above the tray 54. The Heater 70 is in the form of an electrically heated blanket of conventional construction, and its temperature is detected by a thermal device and is indicated on an indicator 71.
A high degree of vacuum is maintained in the drying chamber 12 because of the connection with the freezing chamber 12 by the necks 48 and 50, described above. The vacuum pump 32 normally only removes non-condensable gases from the drying chamber 12, because the water vapor sublimated from the product P during the drying process is condensed by the condenser 62 of the chamber. dryer 12. The dried product falls through a discharge neck 74 of the drying chamber.
In order that the spray and freeze drying plant of the present invention can operate continuously, without admitting air into the plant during the process.
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of drying and without requiring an airtight seal between the relatively movable elements, the air lock assembly 14, mentioned above, is provided at the distribution end of the drying chamber 12. This assembly comprises an isolation valve assembly 78, having an airtight connection to the product discharge neck 74 of the drying chamber.
The isolation valve assembly 78 includes a hand operable butterfly regulator 80 to shut off the outlet of the drying chamber when desired. A mounting line portion 82 of the vessel, which supports the container 16 for the dried product forms an airtight connection with the isolation valve assembly 78. A container clamp 84 maintains the housing 16 in airtight communication with the portion. mounting pipe 82 of the container.
A combined pre-exhaust and air intake line 86 which is also connected to a T-fitting 88 is connected to the line portion 82. One branch of the fitting connects to a vacuum line 90 by means of a valve. vacuum 92 operable by hand. The vacuum line 90 establishes communication with the main vacuum line 34, and is therefore in communication with the aforementioned vacuum pump 32. In order to accommodate the withdrawal of the container 16 when the latter is filled with the dried product, an air inlet line 94 connects to the other branch of the fitting 88, and is controlled by an air inlet valve 96. hand-operated.
A butterfly regulator 97 in the main vacuum line 34 can be closed for the air lock 14 of the freezing and drying chambers.
We will now describe the details of the mechanism for; to mount and to vibrate the plate 54. The angles 58 for mounting the plate were mentioned previously. Each angle bar 58 is mounted on a U-shaped element 100, this U-shaped element being suppor-; tee removably on a bracket 102, fixed to the side walls of the container 52 forming the drying chamber 12. In order to adjust
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the vector or pulse elements of the vibration imparted to the plate 54, each of the angles 58, which support the aforementioned uprights 57 to support the links 56 of the plate, is slidably adjustable along its respective U-shaped member 100 .
The angles 58 are clamped in their adjusted position by bolts 104, and the adjustment is made in slots 106 (Figure 4) formed in the angles 58, by each of the bolts 104.
In order to vibrate the platen 54, a transversely extending vibrator shaft 110 is provided at the delivery end of the drying chamber 12. The shaft 110 is rotatably mounted in posts 112 which protrude towards the center. top from the U-shaped elements 100. As shown in particular in Figures 3 and 4, there is provided on the shaft 110 an eccentric 114 which supports one end of a connecting rod 116. The other end of the connecting rod 116 is provided. connected to a pin 118, one end of which is mounted in a block 120 which is fixed to the plate 54. The pin 118 is also pivotally connected to the lower end of one of the support links 56 of the plate, mentioned above, those -Here being the connecting rod which is located near the connecting rod 116.
The upper end of the link 56 'is pivotally mounted on a post 57, described above, by means of a pin 122. Each of the links 56 except the one on the link 116 has its lower end pivotally mounted. by means of a pin 118a in a block 120a fixed to the plate 54, as shown in particular in Figures 2 and 4. The blocks 120 and 120a are welded or otherwise fixed to the side walls 124 of the plate. As shown in Figures 2 and 4, the bottom of the tray has longitudinal corrugations 126 formed along its length, to reinforce the tray lengthwise to the drying chamber.
Means are provided for rotating the plate vibrator 110 at an appropriate speed, for a given stroke of the eccentric 114. In order to rotate the shaft 110, a portion
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end 127 of the latter protrudes through a stuffing box 128 (Figures 2 and 4) which provides the shaft with an airtight rotary seal. This end part 127 of the shaft 110 has a chain sprocket 130 attached to it (Figures 1, 2 and 4), and it is coupled to the main part of the shaft 110 by a coupling 129. Means to rotate the chain sprocket 130 are shown in Fig. 1. A chain 132 is driven around the chain sprocket 130 and around a sprocket 134.
Pinion 134 is driven by a variable speed belt drive assembly such as a Reeves drive, generally indicated at 136. These axially movable pulley element assemblies are well known in the art, and their details do not apply. not part of the present invention. The variable speed drive assembly is operated by a combined motor and reduction gear assembly 138, forming part of the vibration control assembly; 60 previously indicated. The coupling 129 allows the removal of the U-shaped members 100, which support the angles 58 and the plate.
As mentioned, a heater 70 is provided to provide the heat of sublimation necessary for the drying process.
As shown in Figures 2 and 3, the heater 70 includes an electrical blanket 140, which is in the form of resilient heating wires embedded in a sheet of silicone rubber.
The heating element 140 is securely joined to a support plate 142 which is mounted in the drying chamber 12 by means of longitudinally extending brackets 144. The conductors 145 of the blanket 140 are connected to a source of electric current. - trique, and the current flow is conventionally regulated by means (not shown) in order to provide the desired temperature of the blanket.
As shown in particular in Figure 3, at the dispensing end of the tray 54, a funnel-like hopper 146 is fitted in the drying chamber 12 to receive the dried product P, as the product is placed. vibrating out of the distribution end of the plate 54. The hopper
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146 distributes the dried product in the discharge neck 74. and in the air lock 14, previously described in detail.
The operation of the spray and freeze drying installation of the present invention will now be briefly described.
Referring to Figure 1, it is assumed that the device has been stopped. An empty container 16 will be fitted over the air lock 14, and the vacuum pump 32 will be turned on with the butterfly regulators 80 and 97 open, the air inlet valve 96 to the air lock 14 being. closed, and the vacuum valve 92 of the air lock being closed. The refrigeration assembly is turned on.
The heaters are on and water atomization is introduced through the nozzle to prevent overheating of the platen. In a short time the non-condensable gases are evacuated from the freezing chamber, the drying chamber, the air lock and the container, and the pressure prevailing in the freezing chamber 10 and in the drying chamber 12, as indicated. by gauges 35 and 72 respectively, will be balanced at a very low value, considerably below the three-point pressure.
Now start motor 138 vibrating the platen, turn on liquid product pump 42, and adjust liquid supply valve 45 to provide the desired atomizing pressure to nozzle 38. , as indicated by pressure gauge 45. The spray and freeze drying process of the present invention now begins. The particles of the atomized liquid come out in the form of a cone-like envelope of finely atomized particles. These particles are directed upward into freezing chamber 10, and due to the low pressure now prevailing in the freezing chamber, most of the particles freeze soon after leaving nozzle 38, but olles do not freeze on the nozzle itself.
Most of the product particles will have been frozen before they hit the wall or jacket of the condenser 22, so that they bounce back
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on the wall and they begin to fall towards the discharge neck 48 of the freezing chamber. Particles that are not completely frozen when they reach the condenser wall
22 will freeze shortly thereafter, and all particles will have been completely frozen when they fall to hopper 20 at the bottom of the freezing chamber. These completely frozen particles fall directly into the inlet end of the vibrating plate 54.
The action of the tray control assembly 60, and the angular relationship of the links 56 are such as to advance the P particles along the tray 54 toward the delivery end of the drying chamber 12 in one motion. progressive shown schematically in Figure 3.
As the particles advance along the platen 54, the heat of sublimation is supplied by the heater 70, et. sublimated vapor is condensed directly in the chamber, by internal condenser 62 of the drying chamber. The refrigeration loads of the condenser 62 of the drying chamber and of the condenser 22 of the freezing chamber are adjusted so that the pressures prevailing in these chambers are substantially equal. It is particularly important that the pressure prevailing in the drying chamber 12 does not substantially exceed that which prevails in the freezing chamber.
If this were the case, the sublimated water vapor could flow upwards through the inlet neck 50 of the drying chamber, and through the outlet neck 48 of the freezing chamber, so to entrain the particles @
P trying to fall into the drying chamber from the freezing chamber. Since about 20% of the product water is removed during the freezing process, in freezing chamber 10, drying chamber 12 also requires less refrigeration per kg of starting liquid product than it does. would be necessary if the product were introduced as pre-frozen particles.
When the particles reach the end of the tray 54, they are vibrated out of the end of the tray, as shown in Figure 3, and into the hopper as it is formed.
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funnel 146, after which they fall through the air lock 14 into the container 16.
When the container 16 has been filled to the desired quantity, the airlock and valve installation makes it possible to change the containers without breaking the vacuum in the freezing and drying chambers. The butterfly valve 97 of the vacuum line 34 is first closed to isolate the air lock. In order to replace the container 16, the vacuum valve 92 must be closed, but as mentioned previously, this valve will normally be closed during normal operation.
However, the hand operable butterfly regulator 80 of the airlock 14, which was opened to allow particles to fall into the container 16, will now be closed to completely isolate the airlock from the interior of the chamber. drying 12. After closing the butterfly regulator 80, the air inlet valve 96 can be opened to equalize the pressure in vessel 16, which can now be removed and replaced with an empty vessel.
As soon as the new container is fitted into position in the air lock 14, the air inlet valve 96 is again closed and the vacuum valve 92 leading to the air lock 14 is now opened to evacuate the airlock. container and in the air lock, before reopening the butterfly regulator 80. Finally, we reopen the butterfly regulator 97 of the main vacuum line 34.
During this time, which is very short, the dried product accumulates above the butterfly regulator 80. As soon as the previous stages have been completed, the butterfly regulator 80 can be reopened to re-establish communication between the chamber. air lock 12 and vessel 16 by means of air lock 14 'As mentioned, the air inlet valve 96 will have been closed previously, and the vacuum valve 92 for the air lock can be closed now, because vacuum is now established directly in the air lock by means of freezing chamber 10, drying chamber 12 and main vacuum line 34.
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The experiment with the freezing drying of liquid cpntenanf sol materials,: Ldeg; connpe the coffee extract, showed that the geometry of the assembly of the rods of the cake 54 is somewhat critical, If these geometry factors are insufficiently chosen, the product will not move fast enough in the chamber
EMI13.2
of seç) lagç to allow 1.4 .duration island "Jou-x short desired in the room.
If these factors are too chosen, -the product will be set in vibration off the tray or if not, it -forward -too quickly in the drying chamber so that -the product is not complete-
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ment seç-hey loru7. tte'.nt 1 <s4a with air 14 p â 1 exte 'em: L t of distribution of the plate.
With heat sensitive products
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such as the instantaneous çaf4, which have a tendency to be sensibly co9.lan certain 4imfflions. and w.tesss critical of vibru-t ensemble have megîfest4es. 'Da-w to "apparatus of the present mveniion, it has been found that the angle rtle," (figure 5) which the links 56 form with the horizontal plane should be
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substantially 630. Hence, the average plate displacement $ ens, indicated by the arrow "v", makes the same angle "a" of 65 with respect to the vertical plane. Although the length of the links 56 is not critical, at angle "a" of 65, a length of 5 cm of the links has been satisfactory.
The amplitude of hori-
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zontal indicated in ffxm (figure 5) has a total length of b, 25 mm, which means that the eccentric 114 has a shift or a stroke of 3.12 mm. The speed of rotation of the vibration shaft 110 is 500 revolutions per minute. This communicates a maximum horizontal acceleration to the particles or to the product P of 0.80 g, and a maximum vertical acceleration of 0.37 g. Thus, although the particles progressively advance along the tray, they do not jump or dance away from the tray, or from each other, during the process.
The transport can be described as follows:
When the tray is moved down and back, the product follows the tray down, but not back, because the frictional force exerted between the tray
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water and, the product is insufficient to displace the mass of the product towards the full rear of the movement of the tray. However, when the platen is moved upward and forward, the frictional force is increased, and the mass of the product imparted to it a forward movement which is notably greater forward movement. which is notably larger than its retrograde motion.
The product's path in space resembles a longitudinally compressed epicycloid. The carrier of the present invention provides a combined transportation and agitation action, yet the action on the particles is slight.
By way of example, the optimum operating conditions will be, given for an installation and a process according to the present invention, when they are used for the drying by atomization and by freezing of the instant coffee extract,
Of course the; installation dimensions and the predicted flow rate are directly associated. The current example will be described in connection with], the installation shown in Figure 1, in which the) freezing chamber 10 has approximately 1.50 meters in diameter and
About 1.80 meters high.
The tray 54 is approximately 4.80 meters long and 30 centimeters wide and the drying chamber 12 to 60 centimeters in diameter
As to the solids content of the coffee extract, it has been found that the best results are obtained when the solids content is about 20% by weight. Adhesion and performance difficulties are experienced if the solids content reaches 25% by weight. It is uneconomical and unnecessary to operate with a liquid starting coffee extract in which the solids content is less than 20% by weight, because unnecessary evaporation of water is required.
It turned out that the temperature of the refrigerant should be regulated to maintain a pressure in the freezing and drying chambers of the order of 250 microns, as shown on the curve in figure 6. If the prevailing pressure is allowed , '
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in the drying chamber to exceed 270 microns, there are difficulties due to the adhesion of the product to the tray. Naturally, pressures lower than 250 microns are possible, if the refrigeration is increased. A pressure of about 250 microns. is chosen as the optimum pressure.
While any appreciable reduction in pressure below 250 microns will decrease the residence time of the product in the drying chamber by providing more heat to the product, as mentioned, this increases the freezing load, and thus when these two effects are balanced, the pressure range between 250 and 270 microns indicated, which gives a residence time of the order of 40 seconds, appears to provide the best overall results. The 40 second residence time is short enough to prevent heat damage to the product, and long enough to ensure 100% drying during the process.
The atomizing nozzle 38, (or nozzles of a larger installation) and the pressure range in which it operates, are chosen to give an evaporation rate of the order of 1.71 kg to per square meter of the surface area of the tray in drying chamber 12. One nozzle made especially for spray drying products is the SX-type spray-drying nozzle, manufactured by Spraying Systems Co. ., from Bellwood,
Illinois. In the installation described, this nozzle is controlled at a pressure of 14 kg / cm2 at the pressure gauge from the pump 42, as set by the liquid inlet valve 45, and indicated on the pressure gauge 45a.
The temperature of the refrigerant of the condensers 22 and @@ is maintained at -46 ° C or so. If the refrigerant temperature is allowed to rise to -34 ° C., there are difficulties with adhesion and a long residence time. Any temperature below -46 ° C simply requires additional refrigeration, the cost of which is not outweighed by an appropriately reduced shelf life of the product.
The temperature of the heater 70 is maintained at 150 C
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approximately, and a lowered temperature unnecessarily increases the shelf life of the product, but if the temperature is allowed to reach 163 C, the product will adhere to the carrier. The product becomes pro. progressively warmer when it reaches the dispensing end of the plate 54. A dispensing temperature is chosen. of 65 C on the plate. This temperature is detected by a thermocouple (not shown) mounted on the distribution end of the plate.
As previously mentioned, the platen 54 is vibrated at 500 cycles per minute (500 revolutions per minute of the shaft 110) during a horizontal stroke "x" of 6.25 mm, and the links 56 forming an angle of 65 in relation to the horizontal plane.
When all of these factors have been observed for the operation of the installation as described, the very short residence time of 40 seconds mentioned above provides dry instant coffee particles which have excellent taste and aroma. - slow, when reconstituted with water in the usual way. The particle size of coffee is of the order of microns, which provides a rapidly soluble and attractive product.
Although we have described a unique long chainring, we could! use a number of shorter, vertically spaced trays, each tray feeding the bottom tray, so that material is transported back and forth into the drying chamber during drying. The described vibrating conveyor allows tight vertical stacking of these trays.
Legend to the drawings Figure Reference
6 (a) No adhesion to the platen surface at 65 C.
- (b) Some adhesion, the installation being able to operate.
- (c) Strong adhesion, the installation cannot operate.