لماذا رطوبة المخرج هي الرقم المهمّ
في التجفيف بالرذاذ في صناعة الألبان تُعدّ الرطوبة المتبقية خاصية المسحوق التي يستطيع المشغّل تحريكها مباشرةً أكثر من غيرها من غرفة التحكّم. وتحدّد مواصفة Codex لأنواع الحليب البودرة حدًّا أقصى لمحتوى الماء قدره 5 % (m/m) للحليب البودرة كامل الدسم وجزئي القشط ومنزوع الدسم، باستثناء ماء تبلّر اللاكتوز [1]، وطريقة المرجع للتحقّق منه هي طريقة الفرن وفق ISO 5537 | IDF 26 [2]. والقيم النموذجية المذكورة للمساحيق التجارية هي 2.8–3.5 % للحليب البودرة كامل الدسم و3.5–4.0 % للحليب البودرة منزوع الدسم [3]. فدون القيمة المستهدفة يكون الماء المُزال منتجًا لم يُبَع وحرارةً مهدرة؛ وفوقها يلتصق المسحوق ويتكتّل ويتدهور أسرع.
الالتصاق والتكتّل ومدة الصلاحية: التحوّل الزجاجي
يُحدث فائض صغير من الرطوبة آثارًا كبيرة لأن اللاكتوز في الحليب البودرة المجفّف بالرذاذ لا بلّوري. فقد بيّن Roos وKarel على نماذج سكّرية أن الماء يخفض درجة حرارة التحوّل الزجاجي (Tg) للسكّريات اللابلّورية وأن نقطة الالتصاق التجريبية تقع فوق Tg بقليل [4]؛ ووجد Jouppila وRoos أن قيم Tg في أنواع الحليب البودرة المحتوية على اللاكتوز قريبة من قيمها في اللاكتوز النقي، وتنخفض مع ارتفاع محتوى الماء، وأن اللاكتوز يتبلّر فوق رطوبة تخزين حرجة [5]. وفي الحليب البودرة منزوع الدسم وجد Hennigs وآخرون أن حدّ الالتصاق في المدى 25–95 °C يتبع التحوّل الزجاجي المتنبَّأ به للاكتوز مزاحًا إلى الأعلى بمقدار 23.3 K [6]، وقاس Ozmen وLangrish قيمة Tg بلغت 87.7 °C عند 1.65 g ماء لكل 100 g من المسحوق الجاف و46.7 °C عند 4.52 g/100 g، وهي عمليًا مطابقة لدرجة حرارة نقطة الالتصاق [7].
والتحوّل نفسه يحكم التخزين. فقد خزّن Thomsen وآخرون حليبًا بودرة كامل الدسم بمحتوى ماء 4.4 % (نشاط مائي 0.23، وTg تساوي 48 °C)، ولاحظوا أن تبلّر اللاكتوز حرّر الماء المرتبط فارتفع النشاط المائي إلى 0.46، مع اسمرار سطحي مصاحب [8]. والمسحوق الذي يغادر المجفّف رطبًا أكثر من اللازم يحمل إلى الكيس Tg أدنى، والهامش بينها وبين درجة حرارة التخزين هو ما يقرّر هل سيتكتّل ويسمرّ خلال مدة صلاحيته [5][8].
ما يستطيع مشغّل المجفّف تحريكه فعلًا
في المصنع ذي المرحلتين تجفّف الحجرة المسحوق إلى نحو 4 % فوق الرطوبة النهائية ويزيل الطبق المميَّع الباقي، ما يسمح بأن تعمل درجة حرارة هواء المخرج أدنى بمقدار 15–20 °C مما في التجفيف أحادي المرحلة ويوفّر نحو 10 % من الطاقة [3]. وتعالج بنية التحكّم التقليدية تغذية المركَّز إلى المرذاذ للإبقاء على درجة حرارة هواء المخرج عند قيمتها المضبوطة، إذ إن درجة حرارة المخرج أقرب مؤشّر متاح لرطوبة المسحوق [3]. وتؤدّي درجة حرارة هواء المدخل والمواد الصلبة الكلية في المركَّز والرطوبة المحيطة جميعها إلى إزاحة الرطوبة الناتجة عند درجة حرارة مخرج معيّنة، ولا يمكن رفع درجة حرارة المخرج إلا ضمن حدود تفرضها جودة المنتج والالتصاق اللدن حراريًا [3].
وتطرح أدبيات التحكّم المشكلة بالمصطلحات نفسها. إذ يصف Petersen وآخرون التحدّي الرئيسي في التحكّم بمجفّف الرذاذ بأنه الوفاء بمواصفة الرطوبة المتبقية مع منع المسحوق من الالتصاق بجدران الحجرة [9]. وعلى نموذج لمجفّف رباعي المراحل تحرّكه اضطرابات مسجّلة صناعيًا، تلاحظ المجموعة نفسها أن التحكّم الصناعي من نوع PI يثبّت هدفًا ثابتًا بصرف النظر عن الاضطرابات، في حين تكيّف متحكّمات التنبّؤ بالنموذج نقطة التشغيل، بأداء اقتصادي أفضل بكثير في المحاكاة [10]؛ وقدّرت محاكاة سابقة تحسّن التكلفة الذي يحقّقه متحكّم MPC لاخطّي ذو أمثلة اقتصادية مقارنةً بالتحكّم PI بنسبة 26.7 % [9]. والرافعة واحدة في كل المخطّطات: كلما اقترب هدف الرطوبة من المواصفة دون تجاوز حدّ الالتصاق، زاد ما يربحه المجفّف [9][10].
أين تدخل قيمة رطوبة NIR المباشرة في الحلقة
كلا المخطّطين محدود بجودة معلومات الرطوبة المتاحة له: فدرجة حرارة المخرج مؤشّر غير مباشر، ومرجع الفرن يصف مسحوقًا غادر المجفّف بالفعل [2]. أما مطيافية الأشعة تحت الحمراء القريبة فتقيس الماء عبر نطاقات امتصاصه الخاصة ويمكن تركيبها على تيار المسحوق. وقد راجع Holroyd وآخرون أنظمة NIR المباشرة وعلى الخط التي جُرِّبت للحليب البودرة، وخلصوا إلى أن أنظمة NIR بتحويل فورييه تستطيع قياس الرطوبة والدهن والبروتين على الخط بموثوقية [11]. وفي مجفّف ذي طبق مميَّع للمساحيق الصيدلانية استخدم Obregón وآخرون قراءة رطوبة NIR المباشرة متغيّرًا مَقيسًا لمتحكّم تنبّؤي بالنموذج يعالج تدفّق الهواء ودرجة حرارة هواء المدخل [12]. ومع قيمة رطوبة مستمرة يمكن ضبط القيمة المضبوطة لدرجة حرارة المخرج على أساس الرطوبة المقيسة بدلًا من خبرة المشغّل، ووضع الهدف بهامش معلوم عن حدّ الالتصاق [6][7]. وثلاث ممارسات تُبقي هذه الحلقة قابلة للدفاع عنها:
- قيسوا حيث تصبح الرطوبة نهائية. في المصانع ذات المرحلتين يظلّ مسحوق الحجرة أرطب من المنتج بنحو 4 % [3]، ولذلك فإن القياس المهمّ للتحكّم هو على المسحوق الخارج من آخر طبق مميَّع.
- عايِروا مقابل طريقة المرجع. يُربط نموذج NIR بنتائج ISO 5537 | IDF 26 على مساحيق المصنع نفسه [2]، وفقًا لـ ISO 21543 | IDF 201 [13]؛ ويتناول المقال المرافق عن تحليل الحليب البودرة هذا الجانب.
- أبقوا حدّ الالتصاق داخل الحلقة. يعتمد خطّ نقطة الالتصاق على درجة الحرارة والرطوبة معًا [6][7]، ولذلك يُفحص أي تغيير في القيمة المضبوطة مقابل درجة حرارة المسحوق عند نقطة القياس، لا مقابل حدّ المواصفة فحسب [1].
كيف تتعامل USTECH مع ذلك
يُركَّب محلِّلا NIR المباشران ProLine17EC وProLine17ECS على النواقل المنحدرة وتدفّقات المسحوق خلف نافذة من الياقوت الأزرق في غلاف من الفولاذ المقاوم للصدأ بتصنيف IP65؛ ويمرّر ProChem قيمة الرطوبة إلى نظام PLC أو SCADA الذي يحفظ القيم المضبوطة للمجفّف، ويُبنى نموذج المعايرة في caliX مقابل نتائج ISO 5537 الخاصة بالمصنع [2]. أما مدى اقتراب مجفّف معيّن من المواصفة، وأفضل طريقة لدمج قيمة NIR مع درجة حرارة المخرج، فيُحدَّدان في دراسة جدوى تُجرى على عيّنات مسحوقكم وتحاليلكم المرجعية.
المراجع
- [1] Codex Alimentarius Commission (2011). Codex Standard for Milk Powders and Cream Powder (CODEX STAN 207-1999; adopted 1999, amendment 2010), Section 3.2 Composition. In: Milk and Milk Products, 2nd ed. FAO/WHO, Rome. fao.org/4/i2085e/i2085e00.pdf
- [2] ISO 5537 | IDF 26:2023. Dried milk and dried milk products — Determination of moisture content (reference method). ISO, Geneva. iso.org/standard/84796.html
- [3] Tetra Pak. Dairy Processing Handbook (online edition), chapter “Milk and whey powder”. Tetra Pak Processing Systems AB, Lund. dairyprocessinghandbook.tetrapak.com/chapter/milk-and-whey-powdered-ingredients
- [4] Roos, Y., Karel, M. (1991). Plasticizing effect of water on thermal behavior and crystallization of amorphous food models. Journal of Food Science, 56(1), 38–43. doi:10.1111/j.1365-2621.1991.tb07970.x
- [5] Jouppila, K., Roos, Y.H. (1994). Glass transitions and crystallization in milk powders. Journal of Dairy Science, 77(10), 2907–2915. doi:10.3168/jds.S0022-0302(94)77231-3
- [6] Hennigs, C., Kockel, T.K., Langrish, T.A.G. (2001). New measurements of the sticky behavior of skim milk powder. Drying Technology, 19(3–4), 471–484. doi:10.1081/DRT-100103929
- [7] Ozmen, L., Langrish, T.A.G. (2002). Comparison of glass transition temperature and sticky point temperature for skim milk powder. Drying Technology, 20(6), 1177–1192. doi:10.1081/DRT-120004046
- [8] Thomsen, M.K., Lauridsen, L., Skibsted, L.H., Risbo, J. (2005). Temperature effect on lactose crystallization, Maillard reactions, and lipid oxidation in whole milk powder. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 53(18), 7082–7090. doi:10.1021/jf050862p
- [9] Petersen, L.N., Poulsen, N.K., Niemann, H.H., Utzen, C., Jørgensen, J.B. (2014). Economic optimization of spray dryer operation using nonlinear model predictive control. 53rd IEEE Conference on Decision and Control, 6794–6800. doi:10.1109/CDC.2014.7040456
- [10] Petersen, L.N., Poulsen, N.K., Niemann, H.H., Utzen, C., Jørgensen, J.B. (2017). Comparison of three control strategies for optimization of spray dryer operation. Journal of Process Control, 57, 1–14. doi:10.1016/j.jprocont.2017.05.008
- [11] Holroyd, S.E., Prescott, B., McLean, A. (2013). The use of in- and on-line near infrared spectroscopy for milk powder measurement. Journal of Near Infrared Spectroscopy, 21(5), 441–443. doi:10.1255/jnirs.1073
- [12] Obregón, L., Quiñones, L., Velázquez, C. (2013). Model predictive control of a fluidized bed dryer with an inline NIR as moisture sensor. Control Engineering Practice, 21(4), 509–517. doi:10.1016/j.conengprac.2012.11.002
- [13] ISO 21543 | IDF 201:2020. Milk and milk products — Guidelines for the application of near infrared spectrometry. ISO, Geneva. iso.org/standard/77606.html
