اصول و کاربردهای سیستم گرانول سازی بستر سیال در صنایع غذایی


اصول و کاربردهای سیستم گرانول سازی بستر سیال در صنایع غذایی

مقدمه ای بر گرانول سازی
تولید ذراتی با ویژگی های خاص امروزه در فرایند های مواد غذایی اهمیت ویژه ای دارد. اندازه ذرات اغلب از مهمترین ویژگی های آنهاست. اندازه ذرات مواد غذایی ممکن است از یک میکرون تا چندین میلی متر و گاهی هم بزرگ تر باشد.هیچ تئوری جامعی که تمام تکنیک های افزایش اندازه ذرات را پوشش دهد وجود ندارد و بنابراین عملکرد چنین فرایند هایی شدیدا به دانش تجربی وابسته است. عبارات بسیاری برای توصیف روش های تولید پودر ها به کار می رود و بعضی از آن ها در برخی صنایع معانی خاص پیدا می کنند. واژه گرانول سازی به طور حتم مناسب ترین واژه برای این عمل است و شامل تولید گرانول با شکستن مواد بزرگ تر به قطعات کوچک تر یا اجتماع ذرات کوچک و تشکیل گرانول های بزرگ می شود. که ما در اینجا به تولید گرانول های بزرگ تر از مواد کوچک تر توسط اضافه کردن لایه های پوششی می پردازیم. در حقیقت این همان عملی است که در بستر سیال گاز جامد اتفاق می افتد. گرانول ها ممکن است به شکل های مختلفی وجود داشته باشند. مثلا مواد آگلومره و یا ذرات پوشش داده شده با مواد پوشش دهنده . در صنایع غذایی پوشش ذرات به انکپسولاسیون یا میکروانکپسولاسیون نیز معروف است.
در مبحث گرانول سازی بستر سیال واژه ذره اولیه یا ابتدایی برای ذراتی به کار می رود که قبل از اینکه رشد ذره صورت بگیرد وارد بستر سیال می شود و واژه گرانول به معنی هر محصول تولیدی است حال مورفولوژی آن به هر گونه ای باشد. واژه هایی مثل آگلومریزاسیون و پوشش دهی برای توصیف روش های خاص بزرگ شدن ذرات به کار می رود.
دلایل بسیاری برای تولید پودرها با اندازه ذرات و ساختار خاص وجود دارد که ممکن است یکی از دلایل زیر باشد:
1- بهبود جریان محصول هنگامی که از بسته یا ظرف بیرون ریخته می شود.
2- بهبود ظاهر فراورده
3- بهبود کار با مواد در مراحل حد واسط برای مثال جریان داخل و بیرون از تجهیزات فرایند
4- به دست آوردن یک ساختار خاص برای ذره یا یک ویژگی خاص برای محصول نهایی
در آگلومریزاسیون ساختار جدید ذره ممکن است به انحلال پذیری آن در آب کمک کند که به این کار فوری سازی می گویند. انحلال فوری ذرات کوچک به خاطر سطح ویژه زیاد آنهاست ولی این ذرات ممکن است هنگامی که در آب قرار می گیرند سرسعا مرطوب نشوند. یک ساختار آگلومره شکل a-4-1 به ذرات بزرگ تر اجازه می دهد که سریع تر در آب غوطه ور و پراکنده شوند. آب به فضاهای خالی ماده آگلومره وارد می شود و پل های جامد در هم می شکنند و انحلال سریع ماده اتفاق می افتد. محصولات آگلومره شامل شیر فوری، نشاسته، قهوه و سوپ های آماده، پودینگ های مخلوط خشک، کاکائو و شکر هستند. در حالت پوشش ذرات یا انکپسولاسیون، هدف افزایش طول عمر ماندگاری و یا کنترل خارج شدن مواد تشکیل دهنده به خارج از محصولات است که این کار با استفاده از یک ماده پوشاننده که با یک سرعت مشخص در یک محیط خاص (برای مثال محیطی با دما یا pH خاص) انحلال پذیر است انجام میشود.
به غیر از تکنیک های کاهش سایز، فرایندهای گرانول سازی ممکن است به سه گروه عمده تقسیم بندی شوند. در تکنیک های تشکیل قطره یک ماده (برای مثال در انکپسولاسیون، اسپری کردن و گلوبولاسیون) و یک محلول (برای مثال در خشک کردن پاششی) به ذرات قطره ای کوچک تر شکسته می شوند. خشک کردن پاششی به انرژی حرارتی نیاز دارد در حالی که در فرایند های دیگر به جریان هوا یا سرد کردن برای جامد کردن ذرات مذاب نیاز داریم. گروه دوم از محصولات شامل فرایند های اکستروژن است که در آن پودرها و یا جامدات نرم با فشار زیاد به هم چسبانده می شوند و به شکل های مورد نظر در می آیند. معمولا یک عامل اتصال دهنده مایع برای این کار مورد نیاز است(Smith 2007).

شکل 1-4 مورفولوژی گرانول ها

مهمترین گروه در فرایند گرانول سازی فراورده هایی هستند که با فرایند تلاطم تولید می شوند مثل گرانول سازی بستر شناور و فورانی که در آن عوامل اتصال دهنده مایع به ذراتی که در نوعی دستگاه مخلوط کننده در حال تلاطم هستند اضافه می شود. در سیستم های غذایی عامل اتصال دهنده معمولا یک محلول آبی است برای مثال لاکتوز، دکستروز، ژلاتین و یا یک صمغ غذایی، سلولز، مشتقات نشاسته و یا پلی اتیلن گلیکول معمولا استفاده می شوند. ممکن است ماده اتصال دهنده یک چربی ذوب شده باشد. بنابراین استفاده از هر ماده مخلوط کننده برای پودرها که باعث اتصال مواد می شود مجاز است. عامل اتصال دهنده معمولا دچار تغییر فاز می شود که این تغییر فاز شامل جامد شدن یک ماده مذاب و یا خارج شدن حلالی که ماده حل شده را به عنوان یک ماده چسبنده ترک می کند.
معمولا یک مرحله خشک کردن برای این فرایند ضروری است. یکی از مزایای عمده گرانول سازی بستر سیال این است که هم رشد ذرات و هم خشک کردن در یک دستگاه انجام می شود. پودرهای بسیار نرم می توانند بدون عامل اتصال دهنده آگلومره شوند ولی گرانول های محصول ضعیف می شوند و اندازه نهایی نیز کوچک است. در بسیاری از فرایند های مواد غذایی سطح ذره به وسیله یک اسپری ضعیف از آب و یا تزریق بخار مرطوب می شود که به انحلال سطح ذره و چسبیدن ذرات به هم کمک می کند. یک مثال مهم استفاده از این تکنیک در تولید پودر های شیر فوری است که بعد از آن خشک کردن پاششی انجام می شود.
تاثیر ماده اتصال دهنده و مکانیزم های آن
اولین مکانیزم نیروهای بین مولکولی است. که این نیرو با فاصله بین مولکولی رابطه عکس دارد. دومین نیرو نیروهای الکتروستاتیک هستند. و سومین نیرو نیروهای بین مایع و چهارمی نیروهای بین جامد هستند.

شکل2-4 نیروهای بین مولکولی مواد آگلومره

نیروهای بین مایعات خود به سه دسته تقسیم می شوند که در شکل 3-4 نشان داده شده است. و شامل:
1- نیروهای آونگی
2- نیروهای کششی
3- نیروهای موئینه

شکل 3-4a ) نیروهای آونگی b) نیروهای کششی c) نیروهای موئینه

گرانول سازی بستر سیال
با وجود اهمیت گرانول سازی بستر سیال در صنایع غذایی مقالات منتشر شده کمی درباره عملکرد بستر های سیال مورد استفاده برای آگلومریزاسیون، فوری سازی، پوشش دادن ذرات و یا انکپسولاسیون مواد غذایی و همچنین اطلاعات کمی درباره مکانیزم های گرانول سازی در سیستم های غذایی وجود دارد.
واژه گرانول سازی بستر سیال شکل4-4 به فرایندی اطلاق می شود که در آن گرانول ها یا پودرهای خشکی از یک محلول و یا اسلاری در یک بستر سیال که به آن گرمای محسوس اعمال می شود، تولید می شوند. رشد ذرات بستر و تولید ذرات با اندازه بزرگ تر و خشک کردن محصول همه در این دستگاه اتفاق می افتد. گرمای تبخیر حلال و یا خارج کردن رطوبت از ذرات بستر می تواند توسط هوای سیال سازی شده و یا از دیواره های بستر تامین شود و خوراک خشک ممکن است در زیر قرار داده شود و یا به داخل بستر اسپری شود. خوراک بیش از حد ممکن است موجب اختلال در سیال سازی محصول شود.

شکل 4-4 شماتیکی از گرانول سازی بستر سیال

مزایای گرانول سازی بستر سیال
انتقال حرارت خوب، دمای یکنواخت بستر و کنترل دمای بسیار دقیق از مزایای این روش هستند که به خصوص برای مواد حساس به حرارت مهم است. در مقایسه با یک خشک کن پاششی، خشک کن بستر سیال فضای کمی را اشغال می کند. کنترل دقیق تر خواص فیزیکی محصول مثل اندازه ذره، خصوصیات جریان و دانسیته توده ای امکان پذیر است. یک بستر سیال نه تنها به اتوماسیون مناسب خوراک مایع ورودی، بلکه به واکنش های بین بستر موجود و ذرات نیز وابسته است. بنابراین تولید ذرات با اندازه های بزرگ تر در این روش امکان پذیر است.
هم روش پیوسته و هم نا پیوسته برای این فرایند استفاده می شوند که فرایند ناپیوسته باعث افزایش مداوم جرم بستر می شود. بنابراین اگر اصطکاک و فروپاشی ذرات اتفاق بیافتد اندازه ذرات افزایش می یابد که برای جلوگیری باید یک افزایش تدریجی در سرعت جریان حجمی هوا در بستر ایجاد شود.
در روش پیوسته اندازه ذرات ثابت است. برای پوشش دادن ذرات به روش بستر سیال فرایند باید به صورت پیوسته انجام شود(Turton, Tardos et al. 1998).

تاثیر متغیر های مختلف بر روی رشد گرانول ها
1- مقدار خوراک ورودی
اندازه ذرات در گرانول سازی بستر سیال با افزایش مقدار ماده حل شده و یا عامل اتصال دهنده و همچنین افزایش نرخ خوراک ورودی و یا غلظت جامدات حل شده در آن افزایش می یابد.

2- موقعیت نازل و نرخ هوای اتمایز شده
موقعیت نازل به خصوص زمانی که اسپری از بالا صورت می گیرد بر روی اندازه ذرات موثر است. در تحقیقات نشان داده شده است که هر چه فشار نازل بیشتر باشد اندازه ذرات کوچک تر است که سریعتر خشک می شوند. افزایش فشار نازل باعث افت دما هم می شود.

3- دمای بستر
تاثیر دمای بستر کاملا مشخص نیست. در مورد پودرها در دمای زیر 100 درجه سانتیگراد با افزایش دما اندازه کاهش می یابد.

4- سرعت گاز سیال کننده
این پارامتر یک پارامتر بسیار اساسی که بر روی انبساط بستر، میزان حباب زدن بستر و اختلاط ذرات تاثیر گذار است. اطلاعات کمی راجع به این موضوع وجود دارد. افزایش سرعت گاز باعث آگلومریزاسیون کمتر می شود که این به خاطر درجه بالاتر تماس بین مولکولی و چسبندگی آنهاست و همچنین افزایش سرعت باعث عدم یکنواختی بیشتر در اندازه ذرات می شود.
5- اندازه ذرات
بعضی از محققان پیشنهاد کرده اند که ذرات بزرگ تر بیشتر در بستر باقی می مانند و افزایش سایز ذرات تاثیر مشابهی مانند افزایش سرعت دارد.
6- خصوصیات عامل اتصال دهنده
غلظت بالای خوراک باعث افزایش مواد جامد موجود در بستر می شود. ولی عوامل اتصال دهنده تاثیر های متفاوتی بر روی خصوصیات رشد ذرات دارند برای مثال آب یک عامل اتصال دهنده ضعیف است.
کاربرد گرانول سازی بستر سیال در صنایع غذایی
فوری سازی
ذرات اولیه برای تولید یک گرانول با رطوبت پذیری، پراکندگی و انحلال بالا، آگلومره می شوند. مثلا برای پودر شیر این کار با استفاده از یک خوراک مایع اسپری درایر شده که بعدا با اتر سیال فراوری می شود انجام می گیرد.
انکپسولاسیون و پوشش دهی
این عمل برای اهدافی مثل افزایش طول عمر ماندگاری، پوشش دادن عطر و طعم، بهبود ظاهر و رنگ و آسانی عملکرد مواد غذایی به کار می رود.

شکل 4-5 گرانول سازی بستر سیال
مواد غذایی که با این روش تولید می شوند شامل آنزیم ها، پروتئین های گیاهی، مخمر ها و باکتری ها، مواد قنادی و آجیل ها، بادام زمینیو فیبرهای رژیمی که با همی سلولز پوشش داده شده اند هستند.
* سایر کاربردها
در نوشابه های الکلی و آبجو این روش کاربر دارد. یک مثال استفاده از بستر سیال برای تولید کاکائوی گرانولی شده است که در آن عامل اتصال دهنده مایع با گرم کردن پودر کاکائو و عصاره کاکائو در آب تهیه می شود. کاکائوهای حاصل دارای 15 تا 4 درصد رطوبت هستند و در خشک کن بستر سیال خشک می شوند. کاکائوی گرانولی شده به راحتی در شیر گرم، آب گرم و … بدون هم زدن پخش می شود. فرایندهای مشابهی برا شیر خشک، قهوه، شیر پس چرخ و شکر گزارش شده است(Mِrl, Heinrich et al. 2007).

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