Investigation of drying and inactivation of bakers yeast in fluidized beds operated at reduced pressures

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Granting Institution
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Issue Date
2024
Authors
Zarekar, Sayali
Editor
Abstract

Fluidized bed drying is an established process in the commercial production of granular solid materials as it offers high heat and mass transfer rates. In the processing of thermo-sensitive products in the pharmaceutical or food industry, undesired inactivation or thermal degradation of live cells is often encountered. While the inactivation can be lowered by reducing the drying temperature, this may also result in low process throughput as the drying potential of gas also reduces. Fluidized beds operated at sub-atmospheric pressure offer a promising cost-effective alternative, wherein the gas continues to act as a heat carrier and a considerable reduction in product temperature and drying time can be achieved. Although there are a few studies in the literature, the influence of reduced pressure on the different aspects of the fluidized bed drying and inactivation process has not been studied in detail.

The main objective of this work is a detailed investigation of the hydrodynamics and drying as well inactivation kinetics in a fluidized bed operated at reduced pressure. This is achieved by analyzing two aspects of the process in the pressure range 50 - 1000 mbar: (1) hydrodynamics and (2) drying and inactivation kinetics.

Hydrodynamic characteristics such as minimum fluidization and elutriation velocity are important in the design and operation of the fluidized bed process. Semi-empirical correlations are often used to predict these properties and they have been developed for atmospheric pressure conditions in literture. In this work, the applicability of these correlations at sub-atmospheric pressures is analyzed. The new correlations accounting for individual effects of change in gas properties and effect of slip flow on the hydrodynamics at reduced pressures are developed. A critical Knudsen number, which distinguishes between these individual effects is determined. Computational fluid dynamics is employed to investigate the effect of reduced pressure on the porosity distribution, bed expansion, bypass ratio, and bubble characteristics in the bed. A two-fluid Eulerian model is used to investigate these properties in two-dimensional fluidized beds. At low pressure, increased bubble activity near the walls along with a non-homogeneous porosity distribution is observed. As the operating pressure is reduced, a decrease in bed porosity and bubble splitting is observed.

The drying and inactivation kinetics of a model bioactive substance, namely, bakers yeast is investigated experimentally as well as using mathematical modeling. The batch experiments were conducted at different gas flow conditions and operating temperatures and pressures for two conditions of the inlet gas: (1) constant mass flow and (2) constant fluidization velocity. A mathematical model for the combined drying and inactivation of bakers yeast in a fluidized bed operated at reduced pressure is developed. Inactivation kinetics as a function of the operating pressure, temperature and moisture content of particles is modeled using experimental data. A parameter study is conducted to account for the kinetically- and equilibrium-controlled aspects of the process. At a constant inlet air mass flow rate, a higher drying rate is observed as the pressure is reduced. However, a higher drying rate also results in a larger reduction in the cell viability. With the help of the coupled drying and inactivation model developed in this work, it is possible to optimize the process path of drying thermo-sensitive materials such as bakers yeast in fluidized beds under reduced operating pressures effectively.

Abstract

Wirbelschichttrocknungsprozesse werden zunehmend in der kommerziellen Produktion von granularen Feststoffen eingesetzt, da sie hohe Wärme- und Stoffübertragungsraten bieten. Bei der Verarbeitung von thermosensiblen Produkten in der Pharma- oder Lebensmittelindustrie kommt es häufig zu einer unerwünschten Inaktivierung oder einem thermischen Abbau von lebenden Zellen. Diese Inaktivierung von lebenden Zellen kann zwar durch eine Verringerung der Trocknungstemperatur reduziert werden, allerdings kann das zu einem geringen Prozessdurchsatz führen, da sich auch das Trocknungspotenzial des Gasmediums verringert. Wirbelschichten, die bei subatmosphärischen Druckbedingungen betrieben werden, bieten eine vielversprechende, kostengünstige Alternative, bei der das Gas weiterhin als Wärmeträger fungiert und eine erhebliche Reduzierung der Produkttemperatur sowie der Trocknungszeit erreicht werden kann. Bislang wurden nur einige wenige Studien zu diesem Thema veröffentlicht. Der Einfluss des reduzierten Drucks auf die verschiedenen Aspekte des Wirbelschichttrocknungs- und Inaktivierungsprozesses ist noch nicht im Detail untersucht.

Das Hauptziel dieser Arbeit ist eine detaillierte Untersuchung der Hydrodynamik und der Trocknungs- sowie Inaktivierungskinetik in einer bei reduziertem Druck betriebenen Wirbelschicht. Dies wird erreicht, indem zwei Aspekte des Prozesses im Druckbereich 50 - 1000 mbar analysiert werden: (1) die Hydrodynamik und (2) die Trocknungs- und Inaktivierungskinetik.

Hydrodynamische Eigenschaften wie die minimale Fluidisierungs- und Elutrationsgeschwindigkeit sind wichtig für die Auslegung und den Betrieb des Wirbelschichtprozesses. Zur Vorhersage dieser Eigenschaften werden häufig semi-empirische Korrelationen verwendet, die für Atmosphärendruckbedingungen entwickelt wurden. In dieser Arbeit wird die Anwendbarkeit dieser Korrelationen bei subatmosphärischen Drücken analysiert. Es wurden neue Korrelationen entwickelt, die die individuellen Effekte der Änderung der Gaseigenschaften und den Einfluss der Schlupfströmung auf die Hydrodynamik bei reduzierten Drücken berücksichtigen. Eine kritische Knudsenzahl, die zwischen diesen Einzeleffekten unterscheidet, wird bestimmt. Die numerische Fluiddynamik wird eingesetzt, um die Auswirkungen des reduzierten Drucks auf die Porositätsverteilung, die Bettexpansion, das Bypass-Verhältnis und die Blasencharakteristik im Bett zu untersuchen. Ein Eulersches Zwei-Fluid-Modell wird verwendet, um diese Eigenschaften in zweidimensionalen Wirbelschichten zu untersuchen. Bei niedrigem Druck wird eine erhöhte Blasenaktivität in der Nähe der Wände zusammen mit einer inhomogenen Porositätsverteilung beobachtet. Bei niedrigem Betriebsdruck, wird eine Abnahme der Bettporosität und der Blasenaufspaltung beobachtet.

Die Trocknungs- und Inaktivierungskinetik der Bäckerhefe, eine bioaktive Modellsubstanz, wird sowohl experimentell als auch mittels mathematischer Modellierung untersucht. Die Batch-Experimente wurden bei unterschiedlichen Gasflussbedingungen und Betriebstemperaturen und -drücken für zwei Zustände des Eingangsgases durchgeführt: (1) bei konstantem Massenstrom und (2) bei konstanter Fluidisierungsgeschwindigkeit. Es wird ein mathematisches Modell für die kombinierte Trocknung und Inaktivierung von Bäckerhefe in einer bei Unterdruck betriebenen Wirbelschicht entwickelt. Die Inaktivierungskinetik als Funktion des Betriebsdrucks, der Temperatur und des Feuchtegehalts der Partikel wird anhand experimenteller Daten modelliert. Es wird eine Parameterstudie durchgeführt, um die kinetischen und gleichgewichtsgesteuerten Aspekte des Prozesses zu berücksichtigen. Bei konstantem Einlassluftmassenstrom wird eine höhere Trocknungsrate beobachtet, wenn der Druck reduziert wird. Allerdings führt eine höhere Trocknungsrate auch zu einer größeren Abnahme der Zellviabilität. Mit Hilfe des in dieser Arbeit entwickelten gekoppelten Trocknungs- und Inaktivierungsmodells ist es möglich, den Prozessweg der Trocknung thermosensibler Materialien wie Bäckerhefe in Wirbelschichten unter reduzierten Betriebsdrücken effektiv zu optimieren.

DOI
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