اصول و کاربردهای سیستم خشک کردن بستر سیال در صنایع غذایی
مقدمه ای بر خشک کردن مواد غذایی
با وجود پیشرفت های زیادی که در زمینه غذاهای منجمد در سال های اخیر حاصل شده است، هنوز هم خشک کردن یک فرایند با اهمیت در صنایع غذایی هم جهت حفاظت از مواد غذایی و هم یک فرایند حد واسط است. فرایند خشک کردن 10% از کل انرژی مصرف شده در صنایع غذایی را شامل میشود. فرایند خارج کردن رطوبت از مواد غذایی هم به عنوان خشک کردن و هم به عنوان آب گیری معرفی می شود. مواد غذایی آب گیری شده به غذاهایی گفته می شود که کمتر از %2.5 رطوبت بر پایه وزن خشک دارند و مواد غذایی خشک شده به آنهایی گفته می شود که بیش از %2.5 رطوبت دارند. واژه خشک کردن به معنای خارج کردن آب از مواد غذایی با استفاده از انرژی حرارتی است(Brennan and Benjamin 2003).
خشک کردن هم به عنوان یک تکنیک حفاظتی و همچنین قسمتی از فرایند مواد غذایی محسوب میشود و گاهی هر دو کاربرد فوق را دارد.به عنوان یک روش حفاظتی مناسب، خشک کردن باید ماده غذایی را به سطحی از رطوبت برساند که در آن از رشد میکرو ارگانیسم ها جلوگیری شود. و یا میزانی که واکنش های شیمیایی در آن به حداقل برسد. علاوه بر استفاده از خشک کردن به عنوان یک روش حفاظتی، خشک کردن روشی است که به طور واضح شکل فیزیکی محصول را تغییر می دهد. به عنوان مثال تشکیل ورقه یا گرانول و یا تشکیل یک جامد پودری از یک مایع مثلا در خشک کن پاششی شیر.
خشک کردن برای بهبود خواص مواد غذایی و جریان پذیری پودرها و کاهش وزن محصول و بنابراین کاهش هزینه های حمل و نقل به کار می رود. یک عیب بزرگ خشک کردن هزینه فرایند برای تامین انرژی حرارتی ورودی است.
در خشک کن بستر سیال گاز – جامد حرارت لازم برای تبخیر توسط گاز ورودی به ویژه هوا تعیین می شود. اختلاط سریع ذرات و فلاکس های بالای انتقال حرارت باعث سیال سازی تجمعی می گردد. برای به دست آوردن نرخ های بالای انتقال حرارت، کنترل دقیق دما (که از حرارت دادن بیش از حد و آسیب های حرارتی جلوگیری می کند) و یکنواختی میزان رطوبت به کار می رود. با این وجود مزایای عمده، به کار انداختن یک خشک کن بستر سیال مشکل است. اولا لازم است که مواد مرطوبی که وارد بستر می شوند توانایی سیال شدن فوری را داشته باشند. اگر محتوی رطوبت اولیه خیلی بالا باشد آگلومریزاسیون ممکن است رخ دهد و ذرات به اندازه ای برسند که سرعت حداقل سیال سازی از سرعت سطحی بیشتر شود. به علاوه توده های مواد مرطوب ممکن است به سطح داخلی بستر بچسبد و صفحه توزیع کننده هوا را مسدود کند که این فاکتور ها باعث اتلاف شناور سازی می شود و حتما باعث خاموش شدن خشک کن می شود. بسیاری از ذرات مواد غذایی بسیار چسبنده هستند و سیال سازی آنها مشکل است. حتی بدون در نظر گرفتن مشکل زیاد بودن بیش از حد محتوی رطوبت، یک خوراک با اندازه ذرات متفاوت ممکن است به صورت یکنواخت خشک نشود و برقراری شرایط هیدرودینامیک ثابت برای آن مشکل است. محققان پیشنهاد کرده اند که شناور سازی سریع توانایی خشک کردن ذرات ریز را دارد زیرا نرخ های بالای انتقال جرم در مورد این ذرات قابل دستیابی است. ثانیا حرارت لازم باید برای بستر جهت تبخیر رطوبت موجود در خوراک فراهم شود. اگر این اتفاق نیافتد و گاز موجود در بستر اشباع شود یک پدیده به نام quenching اتفاق می افتد که منجر به عدم سیال سازی در بستر می شود.
علی رغم محدودیت های فوق خشک کردن بستر سیال به طور گسترده ای برای بسیاری از مواد غذایی شامل میوه ها، سبزیجات، حبوبات و شکر استفاده می شود.
گزارش های کمی در مورد خشک کردن قطعات ماده غذایی در یک بستر سیال از مواد خنثی مانند توت فرنگی در بستری از شکر و سیب زمینی در بستری از نمک موجود است.
انواع خشک کن ها
خشک کن بستر سیال یکی از انواع متفاوت خشک کن های موجود در صنعت است. طبقه بندی خشک کن ها در فرایندهای صنایع غذایی مشکل است زیرا انواع متفاوتی از فرایند ها در صنایع غذایی وجود دارد. برای مثال خشک کن های بستر سیال هم می تواند به صورت پیوسته و هم ناپیوسته مورد استفاده قرار گیرد.با وجود همه معایب مربوط به فرایند ناپیوسته مثل هزینه های کارگری بالاتر و تغییرات موجود در کیفیت فراورده، این فرایند هنوز هم استفاده می شود. از سوی دیگر یک خشک کن پیوسته هزینه های کمتر در مقیاس بالاتر دارد. یک طبقه بندی دیگر خشک کن ها خشک کن های مستقیم و غیر مستقیم هستند. خشک کن مستقیم برای نوعی است که ذرات باید به طور مستقیم در معرض گازهای داغ قرار می گیرد که این گازهای داغ گرمای نهان تبخیر را بیشتر از نوع غیر مستقیم فراهم می کنند. در نوع غیر مستقیم، مانع فیزیکی بین ماده غذایی و منبع حرارتی باعث کاهش انتقال حرارت می شود. یکی از معایب خشک کن های مستقیم، اتلافات قابل توجه مواد است زیرا مواد خشک شده ریز توسط یک جریان گاز با سرعت بالا حمل می شوند. اشتعال مستقیم گازها برای یک خشک کن بستر سیال برای مواد غذایی بسیار اقتصادی است و هزینه های سوخت را کاهش می دهد. خالی کردن یک مشکل دیگر خشک کن های بستر سیال است. در نهایت، یک خشک کن بستر سیال میتواند به عنوان یک خشک کن چرخشی فرض شود که در آن گازهای داغ از میان بستری از جامد عبور می کند و جامد در معرض چرخش عرضی گازها در خشک کن قرار دارد.
خشک کن بستر سیال کاملا همزده
دو طراحی کاملا متفاوت برای خشک کن بستر سیال وجود دارد: خشک کن کاملا همزده و خشک کن پیستونی. بعلاوه برای عملیات خاص انواع ترکیبی از این خشک کن ها ممکن است مورد استفاده قرار گیرد(Herold G. Dehling 2007).
خشک کن پیوسته کاملا همزده گاهی اوقات به عنوان CSTR شناخته می شود. این خشک کن ها بر پایه راکتورهای کاملا همزده ساخته شده اند. این خشک کن ها معمولا سطح مقطع دایره ای یا مربعی دارند و عمدتا عمیق هستند که معمولا رایج ترین عمق بستر برای این نوع خشک کن 0.4m است. زمان اقامت ذرات مشابه اختلاط کامل است برای مثال جریان خروجی همان غلظت و یا محتوی رطوبت مشابه محتوی رطوبت متوسط بستر را خوهد داشت. دمای بستر یکنواخت است و برابر با دمای گاز است و کارایی حرارتی بالایی دارد. این نوع از خشک کن ها مزایای زیادی در زمینه خشک کردن ذرات بسیار مرطوب دارند که به خودی خود توانایی مرطوب شدن را ندارند. زیرا این خشک کن ها به صورت فوری با مواد خشک کننده احاطه می شوند و سیال سازی شروع می شود
خشک کن های کاملا همزده معایب عمده ای نیز دارند. از جمله این معایب عدم توانایی خشک کردن ذراتی با محتوی رطوبت بسیار پایین به خاطر زمان اقامت بسیار زیاد برخی ذرات سریع بستر را ترک می کنند و بعضی دیگر سریعا سیال سازی وخشک می شوند و یک محدوده زمانی برای خشک شدن همه ذرات باید قایل شویم. بنابراین ذراتی که بستر را ترک می کنند محتوی رطوبت مختلفی دارند و محتوی رطوبت متوسط آنها بالاتر از حد مینیمم است. پیش بینی میزان رطوبت متوسط خروجی باید بر پایه یک خشک کن کاملا همزده محایبه شود و بنابراین طراحی چنین دستگاهی با استفاده از مدل Vanacek و همکاران در سال 1966 انجام می شود که این مدل به صورت زیر است:
که در آن X0 محتوی رطوبت متوسط خروجی، X(t) محتوی رطوبت بر پایه خشک به عنوان تابعی از زمان که از یک منحنی تجربی خشک کردن به دست می آید و E(t) زمان توزیع اقامت ذرات در بستر است که با استفاده از رابطه زیر به دست می آید:
که در آن tm زمان اقامت متوسط در بستر است که با برابر است با توقف جرم در بستر تقسیم بر نرخ خوراک دهی که هر دو بر مبنای وزن خشک هستند.
خشک کن بستر سیال پیستونی
این نوع خشک کن ها بر پایه راکتورهای plug-flow طراحی شده اند. ساده ترین نوع این خشک کن ها شامل یک محفظه بلند باریک با سطح مقطع عرضی مستطیلی است که نسبت طول به عرض آن بین 40-5 است. خوراک ورودی از یک انتها وارد می شود و یک سر دیگر برای خروج ذرات است که آنها را به مرحله بعدی فرایند هدایت می کند(شکل 1-3 ). عمق بستر معمولا کم و حدود 10-15 سانتی متر است.
مزایا:
زمان اقامت متوسط ذرات قابل کنترل است.
اختلاط برگشتی اتفاق می افتد
زمان اقامت مواد در بستر کوتاه است.
محتوی رطوبت محصول یکنواخت تر است و هر چه نسبت طول به عرض بیشتر باشد یکنواختی محصول افزایش می یابد.
معایب:
محتوی رطوبت ورودی این خشک کن نسبت به خشک کن کاملا همزده باید پایین تر باشد.
ذرات باید سریعا سیال سازی شوند.
کارایی کمتری نسبت به خشک کن کاملا همزده دارد.
شکل1 نمایی از یک خشک کن بستر سیال ضربانی
شکل2 نمایی از یک خشک کن بستر سیال ضربانی
تغییرات بسیاری می توان در طراحی انواع اساسی خشک کن بستر سیال به وجود آورد و این خشک کن را برای استفاده جهت تولید محصولات مختلف با هم ترکیب کرد. در خشک کن پیستونی تغییرات در شرایط خشک کردن در طول خشک کن ممکن است با استفاده از قسمت های جداگانه و یا توسعه صفحات جدا کننده در داخل بستر انجام داد.
یک سری طراحی های مختلف برای خشک کن های بستر سیال توسط کانی و لونشپیل1 پیشنهاد شده است:
1 – خشک کن دو مرحله ای که مناسب مواد حساس به حرارت است که احتیاج به درجه حرارت گاز ورودی پایین دارد ولی از بازیافت حرارتی از جامدات خروجی برای بهبود کارایی حرارتی استفاده می شود.
2 – تولید حرارت از سیم پیچ های موجود در بسترکه یک مزیت خاص دارد. این مزیت این است که این کار برای زمانی که سرعت گاز برای نگه داشتن ذرات ریز در بستر کاهش داده می شود مفید است.
3 – فعالیت بستر در فشار بالا و سیال سازی با بخار فوق داغ که موجب بازده حرارتی بالا می شود و اجازه ورود ذرات بسیار مرطوب را به بستر می دهد. یک مزیت دیگر این تکنیک تولید بخار با فشار پایین برای استفاده در فرایندهای بعدی خشک کردن است.
4 – بازگشت مجدد بخار شناورسازی شده در یک مدار بسته ممکن است و مخصوصا اگر حلال چیزی جز آب باشد بسیار مفید است و می تواند دوباره مورد استفاده قرار گیرد. به عنوان مثال یک سری از خشک کن ها ممکن است به صورت سری مورد استفاده قرار گیرند به عنوان مثال یک سری خشک کن کاملا هم زده تقریبا کارایی مشابه خشک کن پیستونی را دارند. اگر چه نکته قابل توجه دیگر ترکیب خشک کن های کاملا هم زده با یک خشک کن پیستونی برای مرحله دوم فرایند است. برای خشک کردن ذرات بسیار مرطوب که ممکن است به صورت مستقیم در خشک کن های پیستونی سیال سازی نشوند خشک کن های CSTR برای فرایند کردن مواد با محتوی رطوبت بالاتر مناسب است و خشک کن پیستونی مواد را به رطوبت نهایی می رساند.
روش های کمکی به سیال سازی
خشک کن بستر سیال ارتعاشی
یک سری تکنیک های خاص برای کمک به جریان پذیری جامدات شناور سازی شده در خشک کن بستر سیال و جلوگیری از آگلومره شدن مواد مرطوب ارائه شده است. در این روش معمولا از جریان ثقلی استفاده می شود ولی می توان یک شاسی فنری بر روی بستر سیال نصب کرد که به آن حالت ارتعاشی می دهد. ارتعاش صفحه توزیع کننده باعث بهبود کیفیت شناور سازی مواد می شود و بنابراین می توان در سرعت های پایین تر از حداقل سرعت شناور سازی برای فرایند استفاده کرد. هان2 و همکاران در سال 1991 گندم را در یک خشک کن ارتعاشی مورد بررسی قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که زمان اقامت در یک خشک کن بستر سیال ارتعاشی با کاهش ارتعاش و افزایش نرخ جریان در نرخ های پایین جریان جامدات و سرعت های پایین گاز، افزایش یافت.
اگر چه در سرعت های بالاتر گاز زمان اقامت با افزایش سرعت گاز کاهش پیدا کرد. فرکانس های بالاتر از 50Hz و دانه های 5mm مورد استفاده قرار گرفت، اگر چه به خاطر خم شدن صفحه توزیع کننده محدودیت ارتفاع بستر تا 10 متر وجود داشت.
خشک کن های ارتعاشی برای اندازه های مختلف ذرات می توانند مورد استفاده قرار گیرند زیرا سرعت گاز را می توان پایین نگه داشت که خارج شدن بیش از حد ذرات ریز در هنگامی که بستر تحت تاثیر ارتعاش قرار می گیرد رخ می دهد در حالی که ذرات بزرگ تر به حالت ارتعاشی در بستر باقی می مانند.
خشک کن های بستر سیال ارتعاشی همچنین برای جامدات چسبنده یا مواد شکننده کاربرد دارد. ارتعاش سیال به علت افزایش سطح تماس مواد با بستر و افزایش ضریب انتقال حرارت نرخ خشک کردن را افزایش می دهد. کاربرد وسیعی از این خشک کن ها گزارش شده است از جمله این کاربردها استفاده برای خشک کردن شیر، قهوه و سایر نوشیدنی ها و همچنین مرطوب سازی مجدد برخی فراورده های خشک می باشد. پن3 و همکاران در سال 2001 یک خشک کن بستر سیال ارتعاشی شامل ذرات بی اثر را برای خشک کردن شیر سویا مورد استفاده قرار دادند. ذرات تفلون به عنوان ذرات حامل انتخاب شد که به نظر می رسید دارای ضریب انتقال حرارت بالاتر بودند و اجازه ورود جریان های خوراک بالاتری را به بستر می دادند. سایر مواد غذایی که با این روش فرایند شده اند شامل بادام، گردو، برنج پخته شده، شکر، چای، قطعات کدو خورشتی، کلم و هویج هستند.
خشک کن بستر سیال با اختلاط مکانیکی
یکی دیگر از روش هایی است که برای بهبود سیال سازی موادی که سیال سازی آنها به راحتی صورت نمی گیرد استفاده می شود. در این خشک کن ها از همزن هایی استفاده می شود که ذرات اگلومره را در هم می شکند و خصوصا در خشک کن های ضربانی به سیال سازی اولیه مواد کمک می کند. برخی محققان استفاده از یک ورودی گاز مماس را در صفحه توزیع کننده بستر پیشنهاد کردند که همراه با یک همزن دوار بود که بر روی بستر نصب شده بود. به خاطر خشک شدن بیش از حد و شباهت به روش های خشک کردن فلاش و پنوماتیک به عنوان خشک کن چرخشی فوری نیز شناخته می شود.
خشک کن بستر سیال سانتریفوژی
نرخ انتقال جرم و بنابراین نرخ خشک کردن این خشک کن بالاتر از خشک کن های بستر سیال سنتی است و فضای کمتری را اشغال میکند. افزایش سرعت ظاهری گاز و قطر ذرات در این خشک کن باعث افزایش نرخ خشک کردن میشود ولی با افزایش سرعت چرخش بستر و ضخامت اولیه بستر نرخ خشک شدن کاهش می یابد. مهمترین کاربرد این خشک کن ها خشک کردن مقدماتی و خارج کردن رطوبت سطحی مواد است و برای سبزیجات، برنج، قطعات نان، سویا، لوبیای سبز و قرمز و قطعات سیب زمینی به کار می رود(Daud 2008).
شکل 3 نمایی از یک خشک کن بستر سیال سانتریفوژی
خشک کن بستر سیال فورانی
این روش برای موادی با سایز بزرگ تر مانند گندم و حبوبات و مواد چسبنده که سیال سازی آنها مشکل است به خوبی مورد استفاده قرار گرفته است. مزایای این روش افت فشار کمتر در بستر و تماس بهتر گاز و جامد است.
موادی که در دسته C و D گلدارت قرار می گیرند به خوبی با این روش شناورسازی می شوند.
شکل4 نمایی از یک خشک کن بستر سیال فورانی
خشک کن بستر سیال همراه با مایکروویو
یکی از معایب روش های حرارتی بازدهی پایین و نرخ پایین خشک کردن است. با تلفیق روش بستر سیال و مایکروویو میتوان تا حدود زیادی مشکلات فوق را برطرف کرد(Abbasi Souraki and Mowla 2008).
معمولا برای یکنواختی تابش مایکروویو به داخل بستر از بسترهای غلیانی استفاده می شود(Hashemi, Mowla et al. 2009).
شکل 5 نمایی از یک خشک کن بستر سیال همراه با مایکروویو آزمایشگاهی
شکل 6 نمایی از یک خشک کن بستر سیال همراه با مایکروویو آزمایشگاهی
فهرست منابع
Abbasi Souraki, B. and D. Mowla (2008). "Experimental and theoretical investigation of drying behaviour of garlic in an inert medium fluidized bed assisted by microwave." Journal of Food Engineering 88(4): 438-449.
Brennan, J. G. and C. Benjamin (2003). DRYING | Fluidized-bed Drying. Encyclopedia of Food Sciences and Nutrition. Oxford, Academic Press: 1922-1929.
Daud, W. R. W. (2008). "Fluidized Bed Dryers — Recent Advances." Advanced Powder Technology 19(5): 403-418.
Fennema, O. R., W. D. Powrie, et al. (1973). Low temprature preservation of foods and living matter. New York, Marcel Dekker.
Geldart, D. (1973). Powder Tech.
George, G. (2002). "Fluidization." SOLID NOTES 5.
Glicksman, L. R. and Y. Wen-Ching (1998). Fluidized Bed Scale-up. Fluidization, Solids Handling, and Processing. Westwood, NJ, William Andrew Publishing: 1-110.
Hashemi, G., D. Mowla, et al. (2009). "Moisture diffusivity and shrinkage of broad beans during bulk drying in an inert medium fluidized bed dryer assisted by dielectric heating." Journal of Food Engineering 92(3): 331-338.
Herold G. Dehling, T. G. a. A. C. H. (2007). Chapter 3 Batch fluidized beds. Mathematics in Science and Engineering, Elsevier. Volume 211: 65-102.
Kunni, D. and O. Levenspiel (1991). Fluidization Engineering, Butterworth- Heinemann.
Mِrl, L., S. Heinrich, et al. (2007). Chapter 2 Fluidized bed spray granulation. Handbook of Powder Technology, Elsevier Science B.V. Volume 11: 21-188.
Smith, P. F. (2007). Applications of Fluidization in foos processing, Blackwell publishing company.
Turton, R., G. I. Tardos, et al. (1998). Fluidized Bed Coating and Granulation. Fluidization, Solids Handling, and Processing. Westwood, NJ, William Andrew Publishing: 331-434.
Vivek, V. R. (2002). 12 Fluidized bed reactors. Process Systems Engineering, Academic Press. Volume 5: 367-402.
Yates, J. G. (1983). Fundamentals of fluidized bed chemical Process. London, Butterworth.
1 Kunni and Levenspiel
2 Han
3 Pan
—————
————————————————————
—————
————————————————————
1