التحكم الكامل في المواد الصلبة في مبخرات مصل اللبن

لماذا يهم التركيز عند مخرج مبخر مصل اللبن

في صناعة الألبان، يغادر مصل اللبن وراشح الترشيح الفائق مراحلَ الفصل على هيئة تيارات مخففة يجب تركيزها قبل التبلور أو التجفيف. ويصف دليل Tetra Pak Dairy Processing Handbook تصاميم مبخرات ذات غشاء هابط تركّز مصل اللبن من محتوى مواد صلبة قدره 6 % إلى 32 %، ويذكر أن المحتوى النموذجي للمواد الصلبة بعد التبخير يبلغ 58–65 % لمصل اللبن و70–75 % للراشح [1]. والمركّز الخارج من المرحلة الأخيرة هو مادة التغذية لتبلور اللاكتوز والتجفيف بالرذاذ، ويحدد الدليل لكل خطوة من هذه الخطوات اللاحقة نطاقًا معينًا للمادة الجافة [1][2].

التبخير بالغشاء الهابط وما يحدّه

في المبخر ذي الغشاء الهابط، يتدفق المنتج إلى الأسفل على هيئة غشاء على السطح الداخلي لأنابيب رأسية بينما يتكثف البخار على سطحها الخارجي؛ وتؤدي الفجوات في الغشاء إلى سخونة موضعية مفرطة، فيلتصق المنتج ويتراجع انتقال الحرارة وكفاءة التنظيف [1]. ويتحدد الحد الذي يمكن بلوغه في التركيز بخصائص المنتج مثل اللزوجة والثبات الحراري [1]. وفي مبخرات نيوزيلندية تركّز الحليب منزوع الدسم والحليب كامل الدسم واللبن الخض، قاس Jebson وIyer معاملات انتقال حرارة تراوحت بين 0.3 و3.2 kW/m² لكل °C، ووجدا أن لزوجة التغذية وزخم البخار هما العاملان الرئيسيان المتحكمان فيها [3]؛ وتتعلق هذه البيانات بمنتجات الحليب لا بمصل اللبن.

وبالنسبة إلى مصل اللبن والراشح، يضيف الجزء المعدني حدًّا ثانيًا. إذ يشير Tanguy وآخرون إلى أن الكتلة المترسبة على أنابيب المبخر أثناء تركيز مصل اللبن تعتمد أساسًا على التركيب المعدني لمصل اللبن، الذي يتفاوت تفاوتًا كبيرًا بحسب عملية الإنتاج [4]. وقد أدى تركيز رواشح الترشيح الفائق المحضّرة من حليب محمَّض إلى pH 4.6–6.3 بأحماض مختلفة إما إلى عدم حدوث ترسيب وإما إلى ترسيب فوسفات الكالسيوم وسترات الكالسيوم، وهو سلوك أمكن تقديره من الأيونات الموجودة وأشكالها الأنيونية عند pH المركّز وحدود ذوبان أملاح الكالسيوم [4].

تبلور اللاكتوز والمجفف

يستعرض Wong وHartel كيف يتحكم تصميم جهاز التبلور ومعاملات المعالجة والشوائب في تبلور اللاكتوز من محاليل مصل اللبن، ويخلصان إلى أن العملية الصناعية لا تزال بعيدة عن المستوى الأمثل [5]. وفي تصنيع اللاكتوز، يُبخَّر مصل اللبن أو راشح الترشيح الفائق أولًا حتى 60–62 % مادة جافة، ثم يُنقل إلى خزانات التبلور [2]. أما في المساحيق، فعادةً ما يُبخَّر مركّز مصل اللبن ويُبرَّد تبريدًا وميضيًا ويُبلوَر لتكوين بلورات لاكتوز صغيرة، لأن ذلك يعطي منتجًا منخفض الاسترطاب لا يتكتل عند امتصاصه الرطوبة؛ ويُغذّى الراشح المتبلور إلى مجفف الرذاذ بعد نحو 4–6 h [2].

ويضيف O’Shea وآخرون أن مراقبة لزوجة المركّز تساعد على تجنب انسداد المضخات، والحد من الترسبات مع تعظيم إزالة الماء في التبخير، وتجنب انسداد الفوهات في التجفيف بالرذاذ [6].

قياس المواد الصلبة الكلية: الخيارات المرجعية وخيارات القياس داخل الخط

يحدد ISO 6731 | IDF 21 الطريقة المرجعية بالتجفيف في الفرن لتعيين المواد الصلبة الكلية في الحليب والقشدة والحليب المبخر [7]. وتقع مركّزات مصل اللبن والراشح خارج نطاق تطبيقه المعلن، ولذا يجب تحديد طريقة التجفيف المرجعية الخاصة بالمصنع لهذه المنتجات وتوثيقها.

وجد Floren وآخرون أن قراءات مقاييس الانكسار Brix الرقمية والبصرية ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالمواد الصلبة الكلية في محاليل بدائل الحليب التي تتراوح موادها الصلبة الكلية بين 5.5 و18 % تقريبًا، لكن كان لا بد من إضافة 1.08 إلى 1.47 إلى قراءة Brix لتقدير المواد الصلبة الكلية [8]. وقيّم Bista وآخرون على المستوى المخبري مقياس تدفق صوتيًا داخل الخط على مركّز بروتين الحليب عند 45 °C في نطاق 4–21 % مواد صلبة كلية: إذ أمكن ربط الممانعة الصوتية بمحتوى البروتين والمواد الصلبة الكلية بمعامل R² يزيد على 0.96، غير أن العلاقة كانت تعتمد على نسبة البروتين إلى المواد الصلبة الكلية [9]. وفي الحالتين يكون التحويل إلى المواد الصلبة الكلية خاصًا بالتركيب، ولم تشمل أيٌّ من الدراستين مصلَ اللبن أو الراشح.

يستعرض Pu وآخرون كيف تحولت مطيافية الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، المستخدمة خارج الخط في منتجات الألبان منذ سبعينيات القرن العشرين، إلى تقنية تحليلية للعمليات على الخط وداخل الخط، متناولين أخذ العينات داخل الخط وتطوير المعايرة والتركيب [10]. ويقدم ISO 23291 | IDF 248 إرشادات لمطيافية الأشعة تحت الحمراء داخل الخط وعلى الخط في تصنيع الألبان، بما في ذلك تعيين البروتين والدهن والمواد الصلبة الكلية في الحليب السائل ومنتجات الحليب بمطيافية الأشعة تحت الحمراء المتوسطة والقريبة [11].

إغلاق حلقة التحكم في المواد الصلبة للمركّز

ركّز Bakker وآخرون في تطوير مبخر ألبان ثنائي المراحل ذي غشاء هابط على التحكم في المواد الصلبة الكلية للمركّز، وأفادوا بتحسن التحكم التعاقبي مقارنةً بالنماذج السابقة [12]. ويترتب على ذلك ثلاث ممارسات:

• اربطوا إشارة القياس داخل الخط بمرجع موثق. ينبغي التحقق منها دوريًا مقابل طريقة التجفيف المعتمدة في المصنع على المركّز الخاص به؛ فالتحويل المستمد من منتج آخر لا يصلح للنقل [7][8].
• عاملوا تيارات مصل اللبن على أنها منتجات مختلفة. يتفاوت التركيب المعدني بحسب الإنتاج ويتحكم في الترسبات [4]، ويغيّر التركيب استجابةَ المستشعر [9]؛ لذا ينبغي التحقق من الصلاحية لكل من مصل اللبن الحلو ومصل اللبن الحمضي والراشح على حدة.
• قيسوا حيث يُتخذ قرار التحكم. يغذّي مخرجُ المرحلة الأخيرة التبلورَ والتجفيف [2]، وتؤثر اللزوجة في تلك النقطة في الضخ والترذيذ [6]؛ والقياس قبل جهاز التبلور يتيح التصحيح في الوقت المناسب.

نهج USTECH

بالنسبة إلى مركّز المبخر، صُمّم محلل FT-NIR للعمليات ProLine2550 للقياس داخل الخط للسوائل والمعلقات في خطوط الأنابيب، أما ProLine17EC فهو محلل NIR متين داخل الخط بدرجة حماية IP65 ونافذة من الياقوت الأزرق. وتبني مجموعة برامج caliX معايراتِ PLS مقابل القيم المرجعية للمصنع، ويربط ProChem المحلل بنظام PLC/SCADA مع إنذارات وتحكم في نقطة الضبط لحلقة التركيز. أما ما إذا كانت معايرة مركّز معين من مصل اللبن أو الراشح تبلغ الدقة التي تحتاجها العملية، فيُحدَّد في دراسة جدوى على عيناتكم وتحاليلكم المرجعية، ولا يُفترض استنادًا إلى أرقام منشورة.