Food powders : physical properties, processing and functionality

Food Powders Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1 Theory and Statistical Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.1 Introduction: Importance of Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.2 Sampling Variation Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.3 Minimum Sample Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.4 Standard Sampling Deviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2 Sampling Techniques and Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3 Samplers and Sample Dividers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.4 Sample Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2. Particle Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1 Particle Size and Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.1 Introductory Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.2 Selection of Relevant Characteristic Particle Size . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.3 Shape of Particle Related to Sphericity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.4 Evaluation of Shape Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2 Particle Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.1 Density Expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.2 Liquid Pycnometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2.3 Air Pycnometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2.4 Aerodynamic Particle Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.3 Particle Size Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.3.1 Relevance of Particle Size Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.3.2 Types of Particle Size Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.3.3 Particle Size Distribution Tendencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.4 Presentation of Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.3.5 Size Distribution Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.3.6 Analytical Techniques for Size Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.3.6.1 Sieving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.3.6.2 Microscopy Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.3.6.3 Sedimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.3.6.4 Stream Scanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.3.6.5 On-line Measurement Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 ix x Contents 2.4 Other Primary Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.4.1 Surface Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.4.1.1 Permeametry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.4.1.2 Gas Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.4.2 Moisture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3. Bulk Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.1 Flow Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.1.2 Failure Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.1.2.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.1.2.2 Determinations Using Shear Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.1.2.3 Direct Measurement of Failure Properties . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.1.3 Other Handling Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.1.3.1 Angle of Repose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.1.3.2 Angle of Slide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.1.3.3 Conveying Angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.1.3.4 Angle of Spatula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.2 Classification of Powders According to Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.3 Packing Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.3.1 Bulk Density and Porosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.3.1.1 Measurements of Bulk Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3.1.2 Hausner Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.3.1.3 Factors Affecting Bulk Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.3.2 Compressibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.4 Strength Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.4.1 Abrasion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.4.2 Friability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.5 Reconstitution Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.5.1 Instantizing Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.5.2 Instant Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.5.3 Instant Property Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.5.3.1 Penetration Speed Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.5.3.2 A Dynamic Wetting Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.5.3.3 Dispersibility Measuring Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.5.3.4 IDF Standard Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 PART II: Production, Handling, and Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4. Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.1 Alternatives for Storage of Bulk Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.1.1 Outdoors and Structured Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.1.2 Storage in Containers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Contents xi 4.2 Principles Involved in Storage Bin Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2.1 Basic Concepts of Bulk Solids Plant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2.1.1 Ratholes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2.1.2 Arching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2.1.3 Erratic Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.2.1.4 Segregation and Flooding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.2.2 Elements of Bulk Solids Gravity Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.3 Flow Patterns in Storage Bins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.3.1 Mass-Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.3.2 Funnel-Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.3.3 Expanded Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.3.4 Symmetrical and Non-symmetrical Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.4 Wall Stresses in Axi-Symmetrical Bins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.4.1 Distribution of Bin Wall Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.4.2 Calculation of Loads in Bins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.5 Natural Discharge from Bins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.5.1 Hopper Opening for Coarse Bulk Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 4.5.1.1 Mass-Flow Rate Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.5.2 Hopper Opening for Fine Bulk Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 4.5.3 Velocity Distribution in the Hopper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.5.4 Factors Influencing Bin Geometry for Mass-Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.5.5 Effect of the Gas Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.6 Assisted Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.6.1 Passive Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.6.2 Active Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.6.3 Use of Feeders to Control Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.6.3.1 Volumetric Feeders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.6.3.2 Gravimetric Feeders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.6.3.3 Loads on a Hopper Feeder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5. Conveying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.2 Belt Conveyors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.2.1 Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.2.2 Design Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.2.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.3 Chain Conveyors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.3.1 Scraper Conveyors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.3.2 Apron Conveyors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.3.3 Bucket Elevators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 5.4 Screw Conveyors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 5.4.1 Main Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 5.4.2 Operating Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 5.4.3 Capacity and Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 5.4.4 Main Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 xii Contents 5.5 Pneumatic Conveying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5.5.2 Theoretical Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 5.5.3 Classification of Conveying Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5.5.4 Dense-Phase Conveyors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 5.5.4.1 Plug-Phase Conveyors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 5.5.4.2 Fluidized Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 5.5.4.3 Blow Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.5.4.4 Long Distance Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.5.5 Dilute-Phase Conveyors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.5.5.1 Types of Conveyors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.5.5.2 Operating Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 5.5.5.3 System Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 5.5.5.4 Selection and Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 5.5.6 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 6. Size Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 6.1 Principles of Size Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 6.1.1 Introductory Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 6.1.2 Forces Used in Size Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 6.1.3 Mechanical Resistance Involved in Size Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.1.4 Properties of Comminuted Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 6.2 Energy Requirements: Comminution Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 6.2.1 Rittinger’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 6.2.2 Kick’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 6.2.3 Bond’s Law and Work Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 6.3 Size Reduction Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 6.3.1 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 6.3.2 Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 6.3.2.1 Crushing Rolls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 6.3.2.2 Hammer Mills . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 6.3.2.3 Disc Attrition Mills . . . . . . . . . . . . . . . .