بخشی از مقاله
بررسی فرآیند خشک کن انجمادی
چکیده
خشک کن انجمادی برای آبزدایی مواد حساس به حرارت در صنایع مختلفی مانند صنایع غذایی و داروسازی مورد استفاده قرار می گیرد. در این مقاله برخی از جنبه های خشک کن انجمادی شامل مراحل مختلف فرآیند، تجهیزات خشککن انجمادی، عوامل مؤثر بر سرعت تصعید، علایم نشان دهنده کیفیت پایین محصول، پدیده های ویژه در زمان خشک شدن، انتقال جرم در مواد متخلخل و انواع خشک کنهای انجمادی و تجهیزات آن بررسی شده است.
کلمات کلیدی: خشک کن انجمادی، انواع، تجهیزات خشککن، تصعید، انتقال جرم و حرارت
مقدمه
خشک کن انجمادی1 برای خشک کردن مواد حساس به حرارت در فشار و دمای عملیاتی کمتر از نقطه سه گانه آب استفاده می شود بنابراین مکانیسم خشک کن انجمادی تصعید است. در سالهای اخیر این فرآیند بعنوان یک فرآیند مهم صنعتی برای خشک کردن مواد با ارزش در صنایع پزشکی، داروسازی، غذایی، بیولوﮊیکی و شیمیایی توسعه زیادی یافته است.[1]
آنچه امروزه در زمینه این فرایند مورد توجه است، مدلسازی فرایند برای شبیه سازی، بهینه سازی و کنترل فرایند می باشد.[2] از مزایای اصلی آن می توان به کیفیت بیشتر محصول، افزایش زمان نگهداری فرآوردههای کم ثبات و فسادپذیر، محصول متخلخلتر، انقباض کمتر و حفظ رنگ، طعم، بافت و ترکیبات فرار محصول اشاره نمود. مهمترین عیب آن افزایش هزینههای مصرف بالای انرﮊی است.[3]
اجزای داخلی خشککن انجمادی
در خشککن انجمادی که در شرایط عملیاتی خلا کار می کند اجزای داخلی آن بترتیب شماره در شکل (1) عبارت از اتاقک خشک کن، سیستم انتقال حرارت، کندانسور، پمپ خلا، سیستم گرمایش و سرمایش، شیر جداکننده اتاقک خشک کن و محفظه کندانسور، مسیر جریان بخار آب برای یخ زدایی از سطح کندانسور، ظروف جمع آوری آب حاصل از یخ زدایی، مسیری برای خروج آب حاصل از یخ زدایی و ظروف حاوی نمونه هستند. از لوازم ضروری دیگر، تجهیزاتی میباشد که برای خنثی کردن خلا با استفاده از گاز بیاثر در پایان فرآیند به کار میرود.[4]
شکل :(1) شماتیکی از اجزای داخلی خشک کن انجمادی
اقدامات معین برای خشک کردن
برای خشک شدن در خشک کن انجمادی باید مراحل زیر انجام شود.
‐1 ظروف حاوی مواد، روی قفسههای موجود در محفظه قرار داده شود.
‐2 برای انجماد مواد، قفسهها توسط سیستم سرمایش سرد شود.
‐3 سطح کندانسور برای جذب بخار آب حاصل از تصعید، سرد شود.
‐4 پمپ خلاﺀ برای ایجاد خلاﺀ در محفظه روشن شود.
‐5 برای خشک کردن مواد، باید گرما توسط سیستم گرمایش به مواد منتقل شود.
‐6 در پایان فرایند با ورود گاز خشک بیاثر به محفظه، خلاﺀ سیستم از بین میرود و با کاهش دمای محصول، دمایش به دمای محیط خواهد رسید و سریعاﹰ محصول بسته بندی میشود5]و.[6
مراحل مختلف فرآیند
فرآیند خشک کن انجمادی در سه مرحله انجام میشود که عبارتند از:
الف ‐ مرحله انجماد
این مرحله شامل انجماد رطوبت موجود در جسم در شرایط عملیاتی پایینتر از نقطه سهگانه آّب است که در فشار ثابت و با کاهش دما انجام میشود. بدلیل وابستگی توزیع کریستال یخ و در نهایت شکل، اندازه و تخلخل نهایی محصول به نحوه انجماد این مرحله اثر مهمی بر سرعت خشک شدن دارد. عوامل مؤثر در رشد کریستال، سرعت انجماد و مقدار رطوبت است بطوریکه هر اندازه سرعت انجماد بیشتر باشد اندازه کریستال، کوچکتر و بنابراین سرعت تصعید کمتر خواهد شد5]و.[7
ب‐ خشک کردن اولیه
در این مرحله دمای جسم افزایش و فشار در محیط خشک کن تا محدوده خلاﺀ کاهش مییابد و یخ موجود در مواد منجمد تصعید میشود. بخار آب حاصل از تصعید یخ بعد از عبور از لایه خشک از محصول خارج شده و با انتقال به سطح کندانسور موجود در محفظه خشک کن، در سطح آن منجمد خواهد شد. حذف کامل لایه منجمد، افزایش دمای جسم، برابری فشار بخار آب در سطح جسم با فشار بخار آب در سطح کندانسور نشانه پایان مرحله اولیه است.[8]
ج‐ خشک کردن ثانویه
بعد از اتمام مرحله اولیه، رطوبتی که منجمد نشده باید تا حدی که برای ثبات محصول لازم است در این مرحله کاهش یابد. بدلیل ارتباط معکوس انتقال جرم با فشار، برای افزایش سرعت دفع رطوبت، فشار محفظه نسبت به مرحله قبل بیشتر کاهش می یابد. نفوذ آب و دفع آن از سطوح حفرهها، انتقال بخار آب از سطح جسم به سطح کندانسور و انجماد بخار آب بر سطح کندانسور مکانیزم دفع آب میباشد. برای تعیین نقطه پایانی خشک شدن سه مشخصه ثابت ماندن وزن محصول، افزایش ناگهانی دمای محصول و ثابت ماندن فشار محفظه وجود دارد.[9]
عوامل مؤثر بر سرعت تصعید
به دلیل هزینه های بالای عملیاتی در خشککن انجمادی باید عوامل مؤثر بر زمان فرآیند مورد مطالعه قرار گیرد، تا با در نظر گرفتن تغییرات مطلوب و شرایط عملیاتی علاوه بر کاهش زمان، کیفیت محصول حفظ شود. مهمترین عوامل مؤثر بر سرعت تصعید نوع، مقدار و خواص مواد خشک شونده، روش انتقال حرارت، سرعت انجماد آب و بخار آب، فشار و دمای محفظه، سطح و دمای کندانسور، دمای سیستم تبرید و سیستم گرمایش و سرعت پمپ خلا هستند.[6]
در یک طراحی مؤثر عامل انتقال گرما میتواند طوری انتخاب شود که تغییر فشار اثر زیادی بر انتقال گرما نداشته باشد. اگر انرﮊی میکرویو استفاده شود حتی با کمترین فشار، سرعت تصعید با افزایش انتقال جرم و حرارت افزایش خواهد یافت. همچنین وقتی گرما از لایه منجمد منتقل شود بدلیل ضریب انتقال بیشتر با افزایش سرعت انتقال حرارت سرعت تصعید بیشتر خواهد شد.[10]
افزایش سرعت تبرید با افزایش سطح کندانسور و کاهش دمای سیستم تبرید و افزایش سطح تماس مواد با سیستم گرمایش و افزایش دمای سیستم گرمایش باعث افزایش سرعت تصعید می شود.[11]
وقتی مکانیزم کنترل کننده سرعت، انتقال حرارت باشد با افزایش فشار انتقال حرارت افزایش مییابد، اما از آنجا که ضریب انتقال جرم تابع معکوسی از فشار است با افزایش فشار، کاهش خواهد یافت که در این صورت سرعت تصعید کاهش می یابد. برای غلبه بر این محدودیتها تکنیک فشار تناوبی پیشنهاد شده است که فشار در یک دوره معین افزایش و در دوره بعد کاهش مییابد.[2]
علایم نشان دهنده کیفیت پایین محصول
مهمترین علایم نشان دهنده کیفیت پایین محصول و رفع مشکلات مؤثر در آن عبارتند از:
‐1 ممکن است محصول نهایی پس از خروج از محفظه منقبض شود و تخلخل کمتری داشته باشد که علت آن ممانعت از خروج بخار آب با مسدود شدن منافذ جسم خشک توسط رطوبت منجمد نشده میباشد. برای رفع این مشکل باید زمان انجماد برای انجماد حداکثر رطوبت افزایش یابد.[12]
‐2 ممکن است ساختمان نمونه در زمان خشک شدن بجای ساختمان اسفنجی متخلخل تار عنکبوتی شود. این مشکل زمانی ایجاد میشود که در زمان انجماد، آب خالص از بقیه مواد جدا شود و به صورت یخ خالص منجمد شود. با تصعید یخ خالص، فضای خالی در محصول باقی میماند. برای رفع این مشکل باید درصد رطوبت اولیه کم باشد.[13]
پدیده های ویژه در زمان خشک شدن
پدیده کلاپس: کلاپس1 به معنی تخریب ساختار مواد است که متأثر از ذوب جزیی یخ حاصل از افزایش دمای محصول است. آب حاصل از ذوب یخ مانع خروج بخار آب از منافذ شده بنابراین باعث کاهش کیفیت محصول میشود. در اینصورت با کاهش تخلخل قدرت جذب مجدد آب کاهش خواهد یافت.
پدیده انقباض:2 عامل اصلی در کاهش حجم نمونه افزایش دمای محصول است که گرچه در ابتدا باعث افزایش سرعت تصعید می شود اما با کاهش حجم منافذ و با کاهش خروج بخار سرعت خشک شدن کاهش می یابد.[9]
انتقال جرم در مواد متخلخل
نظریه های مختلفی برای مکانیسم انتقال جرم در مواد متخلخل وجود دارد. سادهترین مدل نمایش مواد متخلخل، مدل لوله مویینه3 است. در این مدل فرض شده که فضاهای خالی در اجسام متخلخل بشکل لولههایی مدوری با سطح مقطع بسیار باریک و طویل هستند. در مدل دیگر مواد متخلخل به صورت کرههای خیلی بزرگی در نظر گرفته شده است که ذرات جامد در جریان بخار عبور کننده از آنها غوطهورند. مکانیزمهای نفوذ بخار آب در سرتاسر لایه متخلخل خشک که تابع ساختمان مواد متخلخل و شرایط عملیاتی می باشند عبارتند از:
‐1 نفوذ نادسن: در این نفوذ مولکولهای بخار آب فقط با دیواره های منافذ کنش و واکنش دارند.
‐2 نفوذ انتقالی یا گذرا: در این حالت مولکولهای بخار اثر متقابل بر هم دارند و آزادی حرکت ندارد.
‐3 نفوذ پیوسته: در این نفوذ مولکولهای بخار آب هم با یکدیگر و هم با دیواره های منافذ کنش و واکنش دارد.
نوع مکانیسم به عدد نادسن وابسته است. عدد نادسن نسبت متوسط مسیر آزاد حرکت مولکولهای بخار به قطر منافذ است. اگر فشار محفظه خشک کن در محدوده خلا باشد عدد نادسن خیلی از یک بزرگتر شده بنابراین مکانیسم انتقال جرم نادسن است. اگر عدد نادسن خیلی از یک کوچکتر باشد مولکولهای بخار آب تحت مکانیسم انتقالی قرار دارند و در غیر اینصورت مکانیسم انتقال جرم نفوذ پیوسته است. با توجه به شرایط عملیاتی فرایند خشک کن انجمادی در شرایط خلا، نفوذ نادسن بر بقیه مکانیزمهای نفوذ برتری دارد5]و.[9
بررسی انواع دستگاهها
الف ‐ نوع آزمایشگاهی
این سیستم بیشتر برای تولید بسیار کم مواد خیلی حساس به دما مانند مواد دارویی استفاده میشود. به دلیل ناپیوسته بودن این سیستم ظرفیت تولید آن کم است.
ب ‐ نوع صنعتی
‐1 ارتعاشی:1 محصولات منجمد شده روی صفحات گرم کننده با ایجاد ارتعاش به جلو رانده میشوند. ارتعاش صفحات گرم کننده باعث افزایش انتقال حرارت و جرم میشود. این سیستم بیشتر برای مواد دانهای شکل در صنایع شیمیایی و غذایی و در حالت پیوسته استفاده میشود.[14]
‐2 نوع تونلی: این سیستم بیشتر در صنایع غذایی بکار میرود. شکل اصلی آن استوانهای است که به تعدادی بخشهای معینی تقسیم شده است. در سیستم پیوسته ممکن است برای ورود و خروج جسم از نوار نقاله استفاده شود. مزیت این سیستم ظرفیت بالای تولید است. در این روش سینیهای حاوی مواد برای افزایش انتقال جرم و حرارت میتواند هم حرکت افقی و هم حرکت عمودی داشته باشند.[14]
‐3 خشک کن انجمادی پاششی: این سیستم به صورت پیوسته در شرایط اتمسفریک یا خلاﺀ استفاده میشود. محلولی که از نازلی به صورت اسپری وارد محفظه خشک کن شده در حال سقوط توسط سیستم سرمایش حاصل از مبرد موجود در کویلهای داخل خشک کن، منجمد شده و قطرات منجمد شده در پایین خشک کن در حضور سیستم گرمایش خشک میشوند. در این سیستم سرعت انجماد بالا باعث کاهش زمان انجماد میشود و قطرات ریز منجمد شده با سطح ویژه زیاد باعث افزایش سرعت تصعید خواهد شد. اما با افزایش سرعت تصعید انقباض ذرات بیشتر شده که باعث کاهش سرعت جذب مجدد آب میشود. در حالت اتمسفریک بدلیل عدم نیاز به تجهیزات پمپاﮊ هزینه عملیاتی کمتر است.[14]
‐4 خشککن انجمادی در بستر سیال 2
این سیستم بیشتر برای مواد دانهای و در فشار اتمسفریک استفاده می شود. در این روش یخ موجود در مواد منجمد شده در تماس با هوای گرم درون بستر تصعید میشود و بخار آب حاصل از تصعید توسط جاذب جذب میشود. عیب این سیستم کاهش سرعت خشک شدن و سایش بالای محصول است. مزایای این روش کاهش هزینه عملیاتی بدلیل حذف سیستم خلاﺀ و کندانسور و افزایش تخلخل محصول به دلیل کاهش سرعت فرایند است15]و.[16
‐5 خشک کن پاششی با بستر سیال برای استفاده در خشک کن انجمادی: اخیراﹰ این فرآیند برای تولید مواد دارویی و غذایی توسعه یافته است که در آن محصولی با کیفیت بالا و با اندازه کوچکتر تولید میشود. این سیستم مانند سیستم خشک کن انجمادی پاششی است با این تفاوت که قطرات ریز منجمد شده در بستر شناور تصعید میشوند. در این سیستم محصول با ساختار تخلخل بالا و قدرت جذب رطوبت بالا تولید می شود.[10]
