تحسين كفاءة استخلاص النشا في طحن الذرة الرطبة

لماذا تهم كفاءة الفصل

يُجزِّئ الطحن الرطب للذرة، وهو من أكثر عمليات معالجة الحبوب تطوراً في صناعة الأغذية والأعلاف، حبةَ الذرة إلى نشا وجنين وألياف وبروتين (غلوتين). والنشا هو المنتج الرئيسي والمادة الأولية للمحلّيات والإيثانول والنشويات المعدّلة، في حين تتفاوت قيم المنتجات المصاحبة تفاوتاً كبيراً: فوجبة غلوتين الذرة عالية القيمة في علائق الدواجن والخنازير والحيوانات الأليفة، بينما تعادل قيمة علف غلوتين الذرة قيمة الذرة الداخلة تقريباً أو تقل عنها [1]. ولذلك فإن النشا الذي يغادر العملية مع الألياف ينتهي في أدنى التيارات قيمة.

سلسلة الفصل

النقع هو الخطوة التي يتوقف عليها التجزيء الفعّال [1]. تُنقع الحبوب المنظّفة في ماء معتدل الحموضة عند نحو 50 °C، عادةً لمدة 20–36 ساعة؛ ويحتاج النقع الأطول إلى رأس مال وطاقة أكبر لكن إلى ثاني أكسيد كبريت أقل [2]. وتؤثر كيمياء النقع مباشرة في المردود: ففي عمل مخبري لـ Haros وSuárez، زاد حمض اللاكتيك في ماء النقع مردودَ النشا من الذرة المسننة والذرة الصوانية، وتحقق تحرير فعّال لحبيبات النشا في غضون 24 ساعة [3].

بعد الطحن الخشن، يُفصل الجنين المنخفض الكثافة في الأعاصير المائية (hydrocyclones) ويُغسل على مناخل لإعادة النشا والغلوتين الطليقين إلى التيار الرئيسي [2]. ثم يُطحن التدفق السفلي للأعاصير المائية طحناً ناعماً ويُنخل؛ فتحتجز المناخل الألياف، ويسترد ماء غسل الألياف أكبر قدر ممكن من النشا والغلوتين قبل نزع ماء الألياف في طاردٍ مركزي ذي منخل إلى رطوبة 65–75 % [2]. ويُفصل خليط النشا والغلوتين المتبقي بالطرد المركزي مستفيداً من انخفاض كثافة الغلوتين، ثم يُغسل النشا بالتيار المعاكس، في 9 إلى 15 مرحلة من الأعاصير المائية في الغالب، حتى نقاوة تتجاوز عادةً 99.5 % [2]. ولا يدخل الماء العذب إلا عند غسل النشا، ثم يتدفق عائداً عبر العملية إلى النقع، مما يقلل استهلاك الماء وحمل التبخير [2].

أين يذهب النشا

تظهر فواقد الفصل في موضعين. فبمقارنة الإجراءات المخبرية وإجراءات المصنع التجريبي على أربعة هجن، وجد Singh وآخرون مردوداً واسترداداً أدنى للنشا على النطاق التجريبي، في حين كان مردود الغلوتين والألياف أعلى لأن هذين الجزأين حملا مزيداً من النشا غير المسترد؛ وكلما كانت الحبوب أصلب انخفض مردود النشا واسترداده [4]. واعتمدت الدراسة نفسها محتوى البروتين المقبول تجارياً في النشا بأقل من 0.50 % (على أساس الوزن الجاف) للذرة المسننة العادية وأقل من 0.30 % للذرة الشمعية [4]. وعلى جانب الألياف، حدد Ozturk وآخرون البنى التي تحتجز النشا في ألياف الطحن الرطب، وعزوا 54 % من النشا المحتجز إلى المصفوفة البروتينية، وخلصوا إلى أن تفكيك البروتين سيعطي أكبر زيادة في استخلاص النشا [5]. لذا فإن الفواقد إلى الألياف مسألة تتعلق جزئياً ببنية الحبة والنقع، لا بإعدادات المناخل والطاردات المركزية فحسب.

ومن ثمّ تنبثق الكميات التي تتابعها المطحنة: البروتين في النشا المغسول، والنشا في تيارَي الغلوتين والألياف، والمواد الصلبة في الملاط. ويُحسب البروتين في النشا من النيتروجين؛ ويحدد ISO 3188 طريقة Kjeldahl بالمعايرة الحجمية للنشويات ومشتقاتها التي يزيد محتواها من النيتروجين على 0.01 % [6]. وتصل مثل هذه النتائج المخبرية بعد أن يكون التيار قد مضى، وهذا هو الدافع إلى القياس الأسرع.

ما الذي يستطيع التحليل الطيفي رصده

للتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة دور راسخ في المراحل السابقة، أي على الحبة. فقد قارن Dijkhuizen وآخرون NIR بإجراء مخبري للطحن الرطب على 100 g في 200 عائلة من الذرة، فوجدوا ارتباطاً بين نشا NIR ونشا الطحن الرطب عند r = 0.80، وبين بروتين NIR وغلوتين الطحن الرطب عند r = 0.72؛ وعدّوا NIR مُرضياً لمواد التربية ذات المدى الواسع من التباين [7]. وتلك أداة لترتيب الحبوب، لا تنبؤ بأداء الفصل في مصنع بعينه.

وفي العملية نفسها، يستطيع NIR توفير معلومات آنية في تيار العملية مع قليل من تحضير العينة أو من دونه [8]، وقد نوقش التحكم الحاسوبي في عمليات الطحن الرطب منذ أواخر سبعينيات القرن العشرين [9]. ولم يُعثر في أثناء إعداد هذا المقال على معايرة منشورة ومحكّمة لـ NIR على ملاط الطحن الرطب مثل الفائض العلوي للطارد المركزي أو التدفق السفلي لغسل النشا أو ماء غسل الألياف، لذا يجب إثبات الدقة الممكنة على هذه التيارات حالةً بحالة. ويهيمن أثران فيزيائيان على مثل هذه القياسات. فدرجة الحرارة تغيّر شكل الأطياف الاهتزازية تغييراً غير خطي، وقد بيّن Wülfert وآخرون أن النماذج المبنية عبر درجات حرارة متعددة تتنبأ على نحو أفضل لكنها تفقد الحساسية ما لم تُنمذج درجة الحرارة صراحةً [10]. وتضيف الجسيمات المعلّقة تشتتاً؛ وتزيل تحويلاتٌ مثل المتغير الطبيعي المعياري (SNV) تأثيرات التشتت الضربي وحجم الجسيمات من أطياف الانعكاسية المنتشرة [11].

نقاط عملية لرصد الملاط

• ابدأ حيث يكون تعريف التيار واضحاً. يختلف ملاط النشا المغسول والفائض العلوي للطارد المركزي وماء غسل الألياف في المواد الصلبة وحجم الجسيمات ودرجة الحرارة؛ ويحتاج كل منها إلى مجموعة معايرة خاصة به، مرجعيتها طرائق مخبرية مثل نيتروجين Kjeldahl [6].
• أدرج درجة الحرارة في المعايرة. تنجرف درجة حرارة العملية؛ لذا أدرجها في تصميم المعايرة بدلاً من افتراض أن نموذجاً بدرجة حرارة ثابتة سيصمد [10].
• افصل البنية عن الإعدادات. النشا الذي تحتجزه المصفوفة البروتينية في الألياف [5] أو الذي يُفقد بسبب صلابة الحبوب [4] لن يستجيب لتعديلات الطارد المركزي؛ فتابع اتجاه الحبوب الداخلة إلى جانب التيارات [7].

كيف تتعامل USTECH مع هذا الأمر

تستخدم USTECH لتيارات السوائل والملاط محلّل العمليات FT-NIR ProLine2550، مع ProChem الذي يمرّر النتائج إلى نظام PLC أو SCADA في المنشأة، ومحلّل MasterLine17EC العامل بجانب الخط للحبوب الداخلة. وتُبنى المعايرات في caliX مع معالجة درجة الحرارة والتشتت الموصوفة أعلاه [10][11]. أما التيارات والمعاملات التي تبلغ الدقة التي تحتاجها المطحنة فتُثبَت في دراسة جدوى باستخدام عيناتكم وتحاليلكم المرجعية.