logo

logo

logo

logo

logo

التجفيف

تجفيف

Drying -

التجفيف

يمن الأتاسي

مبدأ التجفيف

مراحل التجفيف

طرائق التجفيف

تطبيقات التجفيف

 

التجفيف drying هو عملية يجري فيها فصل جسم سائل عن آخر صلب أو شبه صلب أو سائل، وذلك وفق آلية التبخير evaporation. وتكون هذه العملية ماصة للحرارة endothermic وتتطلب بالتالي تقديم طاقة حرارية.

يُنظر إلى التجفيف أحياناً على أنه عملية انتقال للكتلة mass transfer، يُنزع خلالها الماء أو غيره من المذيبات solvents من الجسم المراد تجفيفه بالتبخير. وغالباً ما تكون هذه العملية المرحلة النهائية من عملية الإنتاج قبل البيع أو التغليف. ولكي يُعدُّ المنتج جافاً، يجب أن يكون في حالته النهائية صلباً بأشكال مختلفة كأن يكون على شكل صفائح (مثال ذلك الورق) أو ألواح طويلة (كالخشب مثلاً) أو حبيبات (كالحبوب أو رقائق الذرة) أو مسحوق (كالرمل والملح ومساحيق الغسيل والحليب المجفف). وتقتضي عملية التجفيف وجود منبع حراري وعامل لنزع البخار الناجم عن هذه العملية. ويكون المذيب المستعمل هو الماء في أغلب المنتجات الحيوية كالأطعمة والحبوب، والمنتجات الصيدلانية كاللقاحات والأدوية.

يجري تقديم الحرارة -في معظم حالات التجفيف بالحمل convection- عن طريق تيار غازي - كالهواء مثلاً- يحمل بخار الماء بعيداً عن المنتج، ويصبح الغاز في أثنائها رطباً شيئاً فشيئاً. وثمة طرائق أخرى للتجفيف، منها التجفيف في الخلاء، حيث تزود الحرارة بالانتقال أو الإشعاع (استعمال الأشعة المكروية مثلاً)، ومن ثم نزع بخار الماء الناتج من منظومة التخلية. ومنها أيضاً تقنية تُعرف باسم التجفيف في برميل دوار drying drum، وهي طريقة غير مباشرة للتجفيف (تُستعمل مثلاً في صناعة رقائق البطاطا)، إذ يُستفاد من سطح البرميل الساخن للحصول على الطاقة الحرارية، وتقوم "شفّاطات" بسحب بخار الماء من البرميل. ومن المفيد الإشارة هنا إلى أنّ استخلاص المذيب ميكانيكياً بالقوة النابذة (الطرد المركزي) لا يعدّ تجفيفاً، وإنما تصفية draining.

مبدأ التجفيف

يقضي التجفيف بوجود نوعين من آليات انتقال السائل:

أ- انتقال الطاقة الحرارية من الوسط المحيط إلى السائل المراد تبخيره.

ب- انتقال السائل من داخل الجسم المراد تجفيفه إلى سطحه ثمّ التحول إلى الحالة الغازية. وترتبط سرعة التجفيف مباشرة بهذين الانتقالين.

مراحل التجفيف

يمكن تقسيم التجفيف إلى مرحلتين أساسيتين:

المرحلة الأولى: سرعة التجفيف فيها ثابتة، ويتبخر فيها السائل المتوضع على سطح الجسم المراد تجفيفه. في هذه المرحلة تؤثّر فقط الشروط الخارجية (سطح التماس، الضغط الجزئي لبخار السائل، درجة الحرارة، قابلية تبخّر السائل) تأثيراً كبيراً. ويجري الانتقال الحراري بين الطور الغازي وسطح الجسم المجفف، في حين يجري انتقال المادة بالطريقة ذاتها ولكن بالاتجاه المعاكس. وتُعرف هذه المرحلة عادة باسم "مرحلة ثبات سرعة التجفيف" constant drying- rate period. وتكون سرعة التجفيف في هذه المرحلة مرتبطة بسرعة الانتقال الحراري إلى المادة المراد تجفيفها. ولذلك فإنّ القيمة العظمى لسرعة التجفيف التي يمكن تحقيقها محددة بالانتقال الحراري heat-transfer limited.

المرحلة الثانية: تنخفض فيها سرعة التجفيف مع استمرار التسخين بمرور الزمن، وتُعرف هذه المرحلة باسم "مرحلة انخفاض السرعة" falling- rate period، وتُميَّز في هذه المرحلة من التجفيف مرحلتان فرعيتان:

في المرحلة الفرعية الأولى: تبدأ بالظهور على سطح الجسم الصلب بعض المناطق المجففة. ويُعزى انخفاض سرعة التجفيف هنا إلى انخفاض كمية السائل على سطح الجسم المراد تجفيفه، وظهور بعض المناطق المجففة على سطحه. وبما أنّ انتقال المادة والحرارة يحصل من خلال سطح التماس غاز-سائل الذي يبدأ بالتضاؤل؛ فإنّ سرعة التجفيف تنخفض بدورها على نحو مطّرد معه.

في المرحلة الفرعية الثانية: تتابع سرعة التجفيف انخفاضها بمرور الزمن، ولكن السطح الصلب هنا يكون قد أصبح جافاً تماماً، وتلزم هجرة السائل المتبقي في داخل المنتج المراد تجفيفه باتجاه السطح. تعبر الحرارة سطح الجسم الصلب، وينقلها الجسم الصلب إلى السائل المتوضع ضمنه. ويكون انتقالها محدداً بصورة عامة بالناقلية الحرارية للجسم. ويحدث انتثار diffusion في جزيئات السائل من قلب المادة باتجاه السطح يتناسب مع التدرّج في محتوى الرطوبة moisture content gradient. وهذا يعني أنّ السائل ينتقل من المناطق ذات محتوى الرطوبة العالي باتجاه المناطق ذات القيم الأدنى، وذلك وفق المبدأ الثاني للديناميك الحراري. فإذا كانت كمية السائل المنتزعة كبيرة؛ فإنّ المنتج يأخذ بالانكماش shrinkage والتشوه deformation. وتكون سرعة التجفيف في هذه المرحلة بأكملها محكومة بسرعة إزالة السائل من قلب الجسم المراد تجفيفه، ويُشار إلى ذلك بأنها محددة بانتقال الكتلة mass-transfer limited.

طرائق التجفيف

ثمة طرائق متعددة للتجفيف، منها:

- التجفيف المباشر direct drying (أو التجفيف بالحمل convective drying) بتطبيق هواء حار. يزيد تسخين الهواء من فاعلية الانتقال الحراري، ويسرِّع التجفيف، كما يخفّض من الرطوبة النسبية؛ مما يزيد في فاعلية التجفيف. وفي مرحلة انخفاض سرعة التجفيف، عندما ينخفض محتوى الرطوبة على سطح الجسم، فإن درجة حرارة الجسم الصلب تزداد، فتسرّع درجات الحرارة المرتفعة في انتثار الماء أو أي سائل مذيب آخر من داخل المادة الصلبة باتجاه السطح. يمكن لحرارة الهواء الفائضة أن تبالغ في تجفيف سطح الجسم الصلب، بحيث تتقلص مساماته وتتقارب؛ مما يقود إلى تشكل قشرة صلبة غير مرغوب فيها عموماً. ولذلك عندما يراد تجفيف الخشب بالهواء الساخن مثلاً، وتلافياً لتجفاف السطح غير المرغوب فيه، تجري إضافة بخار الماء إلى الهواء، مما يبطئ سرعة التجفيف إلى حد معيّن، ولكنه يسمح بتجنب التجفاف.

- التجفيف بالرَذّ spray drying وهي طريقة لإنتاج مسحوق جاف من سائل أو معلّق slurry عن طريق التجفيف السريع بغاز حار، بوجود مُرذذ atomizer أو فوهة رذّ spray nozzle لتشتيت السائل أو المعلق إلى قطيرات. ويراوح مقاس الرذاذ عادة بين 100-500mμ. ويكون المسحوق المجفف حرّ التدفق free-flowing. هذه هي الطريقة المثلى لتجفيف الكثير من المواد الحساسة بالحرارة وتتخرّب بارتفاع درجات الحرارة، مثل بعض الأطعمة والمواد الصيدلانية. من جهة ثانية يجري اللجوء إلى التجفيف بالرذ (البخ) عندما يلزم تحضير منتج ذي توزع منتظم لمقاسات حبيباته، وهذه هي الحال عند تحضير المحفزات على سبيل المثال. ويستعمل الهواء المسخّن وسطَ تجفيف، فإذا كان السائل مذيباً قابلاً للاشتعال مثل الإتانول، أو إذا كان المنتج حساساً بالأكسجين، فيستعمل الآزوت وسط تجفيف عوضاً من الهواء.

من تطبيقات التجفيف بالبخ تجفيف بعض المواد الغذائية، مثل مسحوق الحليب المجفف والقهوة والشاي والبيض والحبوب والتوابل والإنزيمات والنشاء وغيرها، وكذلك بعض المواد الصيدلانية مثل المضادات الحيوية والإضافات، والمواد الصناعية مثل الخزف وحوامل المحفزات والأصبغة والدهانات وغيرها.

- التجفيف بالتماس contact drying أو التجفيف غير المباشر (التسخين من خلال جدار حار)، وهذه هي حال التجفيف في برميل دوار أو التجفيف في الخلاء. وهنا أيضاً تسرِّع درجات الحرارة المرتفعة عملية التجفيف، غير أنها تحدّ من تفكك المنتج، أو تشكّل قشرة سطحية صلبة. والتجفيف في البرميل الدوار طريقة شائعة مستعملة لتجفيف السوائل مثل الحليب الذي يتراكم على شكل غشاء رقيق على السطح الداخلي للبرميل المسخّن، ثم يقشط الحليب الصلب المجفف بسكين. يأخذ الحليب المجفف بهذه الطريقة طعمَ الشويط بعض الشيء نتيجة لتعرضه لدرجات حرارة مرتفعة. ومقارنة بالتجفيف بالرذّ؛ فإنّ التجفيف في البرميل الدوار يُعدّ معالجة حرارية أشد، ويرافق تكوّن كميات أكبر من البروتينات الممسوخة denatured proteins. ويكون -من ثمّ- المسحوق المجفف الناتج أقل انحلالاً. ولهذا يفضّل لتجفيف الحليب اللجوء إلى التجفيف بالرذّ. ومن المنتجات الأخرى التي يستعمل فيها التجفيف في البرميل الدوار النشاء وحبوب الإفطار، وأطعمة الرضع وشرائح البطاطا المجففة الفورية.

- التجفيف الكهرنافذي dielectric drying (امتصاص التواتر الراديوي أو الأمواج المكروية من قبل المادة): يُعدّ هذا النوع من التجفيف موضع بحث ودراسة في هذه الأيام، ويمكن استعماله للمساعدة على التجفيف بالهواء أو التجفيف بالتفريغ. فقد وجد الباحثون أن الأمواج المكروية تساعد على إنهاء التجفيف بزيادة سرعته التي تكون منخفضة عادة عند نهاية التجفيف التقليدي.

- التجفيف بالتجميد (التجفيد) freeze drying أو Lyophilization في هذه الطريقة من التجفيف يجري تجميد المادة المراد تجفيفها ثم تخفيض الضغط المحيط للسماح للمذيب بالتصعّد sublimation، أي إنّ المذيب يمر إلى الطور الغازي بدءاً من الطور الصلب عند درجات حرارة أخفض من درجة حرارة انصهار المذيب. تستعمل هذه الطريقة أكثر فأكثر في تجفيف الأطعمة. وتسمح بالمحافظة على الخواص الحيوية للبروتينات، كما أنها تحافظ على الفيتامينات والمركّبات الفعالة حيوياً. يمكن تخفيض الضغط باستعمال مضخة تخلية، وعندها تجري إزالة البخار الناجم عن التصعد بتحويله إلى جليد ضمن مكثّف يعمل عند درجات حرارة منخفضة جداً، حيث يُنقل الجليد إلى خارج حجرة التجفيف. تمتاز المواد المجففة بهذه الطريقة بأنها إذا غلِّفت، وجرى إحكامها -بحيث تُمنَع عنها الرطوبة- يمكن حفظها في درجة حرارة الغرفة من دون تبريد ولعدة سنوات من دون أن تتخرب؛ لأن السائل الذي جرى نزعه من المادة عند تجفيفها كبير جداً، الأمر الذي يمنع نمو الكائنات الحية الدقيقة التي تفسد المادة، أو تحللها. من جهة أخرى، فإن الضرر الناجم عن تجفيد المواد المجففة أقل من ذاك الذي تسببه طرائق التجفيف الأخرى التي تعتمد على رفع درجة الحرارة. أضف إلى ذلك عدم تغيّر النكهة أو الرائحة أو القيمة الغذائية للمادة، وهذا ما يجعل هذه التقنية شائعة الاستعمال في حفظ المواد الغذائية. يمكن إماهة hydration المنتجات المجففة بهذه الطريقة (لإعادتها إلى حالتها الأولية) ببساطة من خلال إضافة الماء، وذلك لاحتوائها على مسامات مجهرية تشكلت في أثناء التجفيد. تتكون هذه المسامات من بلورات الجليد التي تصعدت، وتركت ثغرات مكانها. وهذه الخاصية مهمة جداً عندما يتعلق الأمر بالاستعمالات الصيدلانية، كما ينبغي الإشارة إلى أنّ التجفيد يزيد من العمر الافتراضي لبعض الأدوية لسنوات عديدة (الشكل -1).

- التجفيف فوق الحرج: supercritical drying ويُعرف أيضاً باسم "التجفيف بالبخار الفائق التسخين" superheated steam drying. يقضي هذا النوع من التجفيف بإزالة السائل بطريقة دقيقة ومضبوطة. تُسـتعمل هذه الطريقة في إنتاج المنظومات الكهرميكانيكية الدقيقة Microelectromechanical Systems (MEMS)، وفي تجفيف التوابل، وفي نزع الكافئين من القهوة، وفي تحضير العينات الحيوية لفحصها تحت المجهر الإلكتروني الماسح. ولفهم ماهية التجفيف فائق الحرج فهماً معمقاً وسبب اللجوء إليه في بعض الحالات، يمكن الرجوع إلى الشكل (1) مجدداً. فعند تحول مادة ما من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية (السهم الأخضر) في بيئة غير متجانسة؛ فإنّ التوتر السطحي يضغط على البنية الصلبة التي يكون على تماس مباشر معها، ويمكن أن تتكسر وتتحطم البنى الحساسة، مثل جدران الخلايا cell walls أو البنى الشُّجَيرية dendrites في هلام السيليكا silica gel وكذلك الآلات الصغيرة في الأجهزة الكهرميكانيكية، بسبب هذا التوتر السطحي عند الحدود الفاصلة (سائل-غاز-صلب). ولتجنب ذلك ثمة إمكانان بديلان من التحول من الطور السائل إلى الطور الغازي من دون عبور الحد الفاصل (سائل-غاز). فالبديل الأول هو التجفيد، وهذا يعني تتبع السهم الأزرق في الشكل (1) نحو اليسار (عند الضغوط المنخفضة ودرجات الحرارة المنخفضة)، وفي هذه الحالة يمكن أن تتخرب أيضاً بعض البنى الحساسة عند عبور الحد الفاصل (صلب-غاز). أما البديل الثاني فهو بالتجفيف فوق الحرج، وذلك بتتبع السهم الأحمر يميناً في الشكل (1) باتجاه درجات الحرارة المرتفعة والضغط المرتفع. تسمح هذه الحالة بالمرور من الطور السائل إلى الطور الغازي ضمن المنطقة فوق الحرجة حيث يختفي التمييز بين السائل والغاز، وتتشكّل ما يسمى الحالة المائعة، وتتساوى عندها كثافة الطور السائل والغازي. ومن الموائع المناسبة للتجفيف فوق الحرج ثنائي أكسيد الكربون (النقطة الحرجة عند درجة الحرارة 304.25 كلفن (31.1˚س) والضغط 7.39 ميغا باسكال) والفريون (النقطة الحرجة عند درجة الحرارة 300 كلفن (26.85˚س) والضغط 3.5-4 ميغاباسكال). ولا يُعدّ الماء في الحالة فوق الحرجة مناسباً لاحتمال إلحاق الضرر الحراري بالعينة عند درجة حرارة الماء الحرجة 647 كلفن (373.85˚س) وإمكان التأكّل عند درجات الحرارة العالية والضغوط العالية المرافقة لها 22.064 ميغا باسكال. وفي معظم الحالات التي تحتوي على ماء يستعمل الأسيتون لطرد الماء بالإفادة من الانحلالية الكلية بينهما، ومن ثم يطرد الأسيتون بثنائي أكسيد الكربون السائل والعالي الضغط، وتسخين ثنائي أكسيد الكربون إلى درجة حرارة أعلى من درجة حرارة النقطة الحرجة، ثمّ تخفيض الضغط تدريجياً ليُسمَح للغاز بالخروج تاركاً وراءه منتجاً مجففاً.

الشكل (1): مخطط أطوار نموذجي للضغط P بدلالة درجة الحرارة T (S صلب، L سائل، G غاز): يمتد الحد الفاصل بين الطورين الغازي والسائل من النقطة الثلاثية إلى النقطة الحرجة. يمثل السهم الأخضر التجفيف العادي، ويمثل السهم الأحمر التجفيف فوق الحرج، ويمثل السهم الأزرق التجفيد. 

- التجفيف بالهواء الطبيعي natural air drying تجفف المواد في هذه الطريقة بتيار هواء قسري forced air غير مسخّن بوساطة مراوح، وهي عملية تجفيف بطيئة ومتعلقة بالعوامل الجوية. ويمكن ضبط التجفيف مع مراعاة درجة حرارة الهواء، والرطوبة النسبية ومحتوى الرطوبة ودرجة حرارة المادة المراد تجفيفها. ويُعمل بهذه الطريقة لتجفيف الحبوب غالباً، ويمكن أن يمتد زمن التجفيف من أسبوع إلى عدة أشهر.

تطبيقات التجفيف

يهدف تجفيف الأطعمة إلى تثبيط النمو البكتري ومنع تدني جودة الطعام. وتعتمد درجة التجفيف المطبقة على منتج ما على الاستعمال النهائي لهذا المنتج. وتجفف الحبوب والبذور الزيتية oilseeds عادة بعد الحصاد، بحيث يسمح محتوى الرطوبة فيها بالاستقرار البكتري في أثناء التخزين، وتُبيّض blanched الخضار قبل تجفيفها لتجنب اسودادها بسرعة، ولا يهدف تجفيفها إلى تجنب النمو البكتري فقط، وإنما يهدف أيضاً إلى تلافي الاسمرار في أثناء الحفظ. وفيما يتعلق بالفواكه المجففة، يعمل تخفيض الرطوبة بالتوازي مع محتواها الحمضي والسكري على توفير الحماية ضد النمو البكتري. أما الحليب فيجب أن يجفف إلى مستوى رطوبة منخفض جداً لضمان تدفقه وتجنب تكتله، ويكون مستوى الرطوبة فيه أخفض من ذاك اللازم لمواجهة النمو البكتري، وتُجفف بعض المنتجات الأخرى مثل "المقرمشات" crunches فوق عتبة النمو البكتري.

من بين المنتجات غير الغذائية التي تتطلب تجفيفاً كبيراً الخشب والورق ومساحيق الغسيل،. حيث يحدّ التجفيف من نمو الطحالب والعفن، ويخفض الحجم والوزن.

مراجع للاستزادة:

- L. R. Genskow, et al, Chemical Engineers&http://arab-ency.com.sy/tech/details/945/6#39; Handbook. McGraw-Hill Professional, 2007.

- P. Haseley, G. W. Oetjen,  Freeze-Drying,  Wiley-VCH 2018.

- V. Minea, Advances in Heat Pump-Assisted Drying Technology (Advances in Drying Science and Technology),  CRC Press; 2016.

- A. S. Mujumdar, Handbook of Industrial Drying (Advances in Drying Science and Technology), CRC Press; 2014.

- C. Onwulata, Encapsulated and Powdered Foods. CRC Press, 2005.


التصنيف : الكيمياء والفيزياء
النوع : الكيمياء والفيزياء
المجلد: المجلد السادس
رقم الصفحة ضمن المجلد : 0
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 499
الكل : 27465779
اليوم : 75816