أولًا: مبدأ تقنية التجفيف بالرش
يقوم مبدأ التجفيف بالرش على ضخ المادة عبر مرشح إلى المرذاذ الموجود أعلى مجفف الرذاذ. يقوم المرذاذ بتوزيع المادة السائلة إلى قطرات. نظرًا لصغر نصف قطر القطرة، وكبر مساحة سطحها النوعية، وارتفاع طاقة سطحها الحرة، وتشتتها العالي، يكون ضغط بخار الرطوبة على سطح القطرة أعلى من ضغط بخار الرطوبة في سائل مستوٍ في نفس الظروف. لذلك، تتبخر الرطوبة بسرعة فائقة، ويجف المنتج بسرعة.
ثانيًا: العوامل الرئيسية المؤثرة على التجفيف بالرش
١- درجة حرارة الدخول والخروج
تشير درجة حرارة غرفة التجفيف بالرش عادةً إلى درجة الحرارة التي يدخل بها الهواء الساخن إلى البرج. وتُعدّ درجة حرارة التجفيف العامل الأهم الذي يؤثر على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمساحيق المجففة بالرش. فارتفاع درجة حرارة التجفيف يُوفّر مزيدًا من الحرارة لغرفة التجفيف، مما يزيد من سرعة التجفيف ويُقلّل من محتوى الرطوبة في المنتج المجفف بالرش. وقد أدّى رفع درجة حرارة التجفيف بالرش من ١٢٠ درجة مئوية إلى ٢٠٠ درجة مئوية إلى خفض محتوى الماء في المسحوق المجفف من ٥.٢٩٪ إلى ٣.٨٨٪. كما يعتمد حجم جزيئات المنتج المجفف بالرش على درجة حرارة مدخل المجفف. فارتفاع درجة حرارة التجفيف يُسرّع من تبخّر الماء، مما يُؤدّي إلى تكوّن الكريات المجهرية بسرعة أكبر دون وقت كافٍ للانكماش، وبالتالي ينتج عنه جزيئات أكبر حجمًا.
... مع ارتفاع درجة حرارة التجفيف الداخلة من ١٣٨ درجة مئوية إلى ٢٠٢ درجة مئوية، ازداد حجم جزيئات مسحوق توت الآساي من ١٣.٣٨ ميكرومتر إلى ٢٠.١١ ميكرومتر. وبالمثل، ازداد حجم جزيئات مسحوق عصير الجوافة بشكل ملحوظ (p < ١٪) مع ارتفاع درجة الحرارة الداخلة. وانخفضت الكثافة الظاهرية للمسحوق المجفف بالرش مع ارتفاع درجة الحرارة. قد تكون الجزيئات الأكبر حجمًا مجوفة من الداخل أو ذات بنية مسامية أو متفتتة نتيجة لارتفاع معدل تبخر الماء. وبشكل عام، تتميز الجزيئات المسامية أو المتفتتة بكثافة ظاهرية أقل.
ولأن الماء أكثر كثافة من معظم المواد الصلبة الغذائية المجففة، فإن المساحيق المنتجة في درجات حرارة أعلى تتميز بكثافة ظاهرية أقل من تلك المنتجة في درجات حرارة أقل؛ كما لوحظ أن الجزيئات الأصغر حجمًا تتميز بكثافة ظاهرية أعلى.
وتتأثر انسيابية المساحيق المجففة بالرش بدرجة ما بدرجة حرارة التجفيف؛ فكلما ارتفعت درجة الحرارة، انخفضت الانسيابية. تُعدّ الذوبانية من أهم خصائص جودة المنتجات المسحوقة، إذ تؤثر بشكل مباشر على خصائص إعادة تشكيل الأطعمة المجففة بالرش. ومع ارتفاع درجة حرارة التجفيف بالرش من ١٢٠ درجة مئوية إلى ١٦٠ درجة مئوية، تزداد ذوبانية المسحوق.
٢- مادة التغليف: يصعب تجفيف المواد الغنية بالسكريات، مثل عصائر الفاكهة والخضراوات، بالرش مباشرةً دون استخدام مواد تغليف. مواد التغليف عبارة عن بوليمرات تُغلّف المكونات الفعّالة أثناء عملية التجفيف بالرش، مما يجعلها من أهم العوامل في هذه العملية.
تساهم مواد التغليف في رفع درجة حرارة التحول الزجاجي وزيادة الإنتاجية في عملية التجفيف بالرش، كما تُقلّل من لزوجة المنتجات المسحوقة وقابليتها لامتصاص الرطوبة. تشمل مواد التغليف الشائعة الصمغ العربي، والمالتوديكسترين، والجيلاتين، والنشا، والبكتين، وميثيل السليلوز، والألجينات، وفوسفات ثلاثي الكالسيوم، بالإضافة إلى تركيباتها.
يعتمد اختيار مادة التغليف بشكل أساسي على الغرض من التجفيف بالرش والخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد المُعالجة. يجب أن تكون مادة الجدار قابلة للذوبان بدرجة عالية في مذيب العملية، وأن تتمتع بقدرة كافية على تكوين طبقة رقيقة، وأن تُنتج محلولًا منخفض اللزوجة حتى عند التركيزات العالية. في عملية التجفيف بالرش، يجب أن تتميز المواد بوزن جزيئي عالٍ ودرجة حرارة انتقال زجاجي عالية لتحسين خصائص منع الالتصاق للمنتج النهائي. كما يجب أن تكون قادرة على حماية المركبات الحساسة من الحرارة والأكسجين والضوء.
تشمل مواد الجدار الشائعة في التجفيف بالرش الكربوهيدرات، وأهمها:
1) النشا ومشتقاته (النشا، مالتوديكسترين، ديكسترين، وسيكلودكسترين)؛
2) الصمغ (الصمغ العربي أو خليط من الصمغ العربي والإريثرينا كريستا غالي)؛
3) السليلوز ومشتقاته (السليلوز، كربوكسي ميثيل السليلوز، وهيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز، وغيرها).
يتميز النشا ومشتقاته بخصائص تجفيف بالرش جيدة، مثل الوزن الجزيئي العالي ودرجة حرارة التحول الزجاجي العالية، والذوبان العالي في الماء البارد منخفض اللزوجة، وخصائص مقاومة الالتصاق، والقدرة على إنتاج مساحيق كثيفة نسبيًا. مع ذلك، فإن قدرتها على تكوين أغشية ضعيفة، مما يؤثر سلبًا على كفاءة التجفيف، خاصةً لحفظ المركبات الحساسة.
بالمقارنة مع النشا، تتمتع الصموغ بقدرة أفضل على تكوين الأغشية، ولكن بدرجة حرارة تحول زجاجي أقل نسبيًا. يتميز السليلوز ومشتقاته بخصائص جيدة في تكوين الأغشية ونشاط سطحي عالٍ، ولكنه ليس سهل الهضم. يمكن تحسين أداء التجفيف بالرش من خلال الجمع بين النشا أو مشتقاته والصموغ، ولكن يجب أن يكون محتوى الصموغ أقل من محتوى النشا أو مشتقاته.
تتميز البروتينات، وخاصة بروتين مصل اللبن، بقدرات ممتازة على تكوين الأغشية والاحتفاظ بالعناصر الغذائية، وغالبًا ما تُستخدم مع النشا أو مشتقاته.
٣- معدل التغذية
يُعد معدل التغذية أحد أهم العوامل المؤثرة في التجفيف بالرش. يُحدد معدل التغذية زمن بقاء المادة في حجرة التجفيف، والفاصل، والناقل، كما يؤثر على تذرية المادة وحجم القطرات. ويعتمد معدل التغذية بشكل أساسي على سرعة المرذاذ؛ فكلما زادت سرعة المضخة، زاد معدل التغذية. مع ذلك، يُبطئ معدل التغذية العالي انتقال الحرارة، مما يُصعّب تجفيف القطرات تمامًا، ويؤدي بسهولة إلى التصاقها بالجدران.
علاوة على ذلك، قد تتساقط القطرات مباشرةً في حجرة التجفيف نتيجةً لعدم اكتمال التذرية عند معدلات تدفق التغذية العالية، مما يُقلل من الإنتاجية. ويؤدي معدل التغذية العالي إلى عدم كفاية زمن التلامس بين القطرات والهواء الساخن، مما يزيد من محتوى الرطوبة في المسحوق المجفف بالرش؛ بالإضافة إلى ذلك، يؤدي قصر زمن التلامس إلى انخفاض كفاءة انتقال الحرارة والكتلة، مما ينتج عنه ارتفاع في محتوى الرطوبة في المنتج النهائي.
ثالثًا: المشاكل الشائعة والتحسينات في أبراج التجفيف بالرش
المشكلة الأولى: تدابير منع الانفجار
1) اختيار النوع المناسب من برج التجفيف؛
2) تركيب معدات إطفاء الحريق أثناء تصميم وتصنيع برج التجفيف؛
٣) استخدم مواد ملساء على أسطح المعدات الملامسة للمواد لمنع ترسب المواد؛
٤) ركّب مرشحات هواء مناسبة لمنع دخول غازات العادم المحملة بالغبار إلى سخان الغاز في حجرة التجفيف؛
٥) نظّف مرشحات الهواء بانتظام، بما في ذلك شطفها؛
٦) افحص بانتظام المناطق المعرضة لتكوّن الرواسب أثناء التشغيل؛
٧) افحص بانتظام جميع المكونات الكهربائية والميكانيكية؛
٨) في التجفيف بالرش الطارد المركزي، يجب أن تعمل الأجزاء الدوارة بسلاسة وأن تخضع للفحص بشكل متكرر؛
٩) ركّب أجهزة تأريض كهروستاتيكية؛
١٠) حافظ على نظافة جميع مكونات المجفف تمامًا.
بالإضافة إلى ذلك، ولتقليل الخسائر في حالة احتراق المواد وانفجارها داخل برج التجفيف بالرش، يمكن اتخاذ تدابير، مثل تركيب صمامات تهوية للانفجار في أعلى حجرة التجفيف؛ وتركيب عدة صمامات في حجرة التجفيف تفتح تلقائيًا عند وصول الضغط إلى مستوى معين؛ وزيادة سماكة جدران الحجرة لمراعاة احتمالية الانفجار أثناء تصميم حجرة التجفيف.
العطل الثاني: التصاق المسحوق الرطب بالجدار الداخلي للبرج الرئيسي
1) معدل التغذية مرتفع جدًا، مما يمنع التبخر الكافي؛
2) عدم كفاية تسخين حجرة التجفيف قبل بدء الرش؛
3) ضبط معدل تدفق التغذية على مستوى عالٍ جدًا عند بدء الرش؛
4) عدم استقرار المادة السائلة المضافة.
طرق الإصلاح:
خفض معدل التغذية بشكل مناسب؛ رفع درجة حرارة الهواء الساخن الداخل والخارج بشكل مناسب؛ بدء الرش بمعدل تدفق منخفض وزيادته تدريجيًا حتى يصبح مناسبًا؛ فحص الأنابيب بحثًا عن أي انسدادات، ضبط نسبة المواد الصلبة في المادة، وضمان سيولة المادة السائلة.
العطل الثالث: تسرب شديد للمسحوق وانخفاض معدل استخلاص المنتج
في حال تعطل فاصل الإعصار أو انخفاض كفاءة إزالة الغبار، فمن المحتمل حدوث تسرب للمسحوق. في الحالة الأولى، يتمثل الحل في فحص فاصل الإعصار بحثًا عن أي فجوات والتأكد من إحكام إغلاقه. أما بالنسبة للحالة الأخيرة، فالحل هو إضافة جامع غبار ثانوي بشكل مناسب.