تکنولوژی قند | جلسه چهاردهم: دیفوزیون در کارخانه قند چیست؟ بررسی کامل فرآیند استخراج ساکارز از چغندر قند
مقدمه
دیفوزیون یکی از مهمترین و حساسترین مراحل تولید شکر از چغندر قند است. موفقیت یا شکست یک کارخانه قند تا حد زیادی به عملکرد صحیح این بخش بستگی دارد، زیرا در این مرحله ساکارز موجود در سلولهای چغندر استخراج شده و وارد شربت خام میشود. اگر فرآیند دیفوزیون بهدرستی کنترل نشود، مقدار قابل توجهی از قند همراه تفاله از کارخانه خارج شده و راندمان تولید به شدت کاهش مییابد.
در کارخانههای مدرن، دیفوزیون تنها یک مرحله استخراج ساده نیست، بلکه فرآیندی است که در آن انتقال جرم، انتقال حرارت، ویژگیهای فیزیکی خلال، کیفیت ماده اولیه و شرایط عملیاتی همگی بهطور همزمان بر نتیجه نهایی اثر میگذارند. به همین دلیل شناخت اصول علمی این فرآیند برای دانشجویان صنایع غذایی، مهندسان کارخانههای قند و فعالان این صنعت اهمیت زیادی دارد.
در این مقاله به بررسی کامل فرآیند دیفوزیون، اصول علمی استخراج ساکارز، ساختمان سلولی چغندر، عوامل مؤثر بر انتقال قند و انواع سیستمهای دیفوزیون میپردازیم.
دیفوزیون چیست؟
دیفوزیون (Diffusion) به فرآیندی گفته میشود که در آن مواد محلول، بر اثر اختلاف غلظت، از محیطی با غلظت بیشتر به محیطی با غلظت کمتر حرکت میکنند تا زمانی که غلظت در دو محیط به تعادل برسد.
در صنعت قند، این اصل برای استخراج ساکارز از سلولهای چغندر قند استفاده میشود. هنگامی که خلالهای چغندر با آب گرم تماس پیدا میکنند، ساکارز موجود در داخل سلولها به سمت آب حرکت کرده و شربت خام تشکیل میشود.
به بیان ساده، دیفوزیون همان فرآیند انتقال طبیعی قند از داخل سلولهای گیاهی به محیط استخراج است.
هدف از فرآیند دیفوزیون
هدف اصلی دیفوزیون، استخراج حداکثری ساکارز با کمترین میزان ناخالصی است.
یک فرآیند دیفوزیون ایدهآل باید بتواند:
- بیشترین مقدار ساکارز را استخراج کند.
- ورود مواد غیرقندی را به حداقل برساند.
- مصرف انرژی را کاهش دهد.
- از رشد میکروارگانیسمها جلوگیری کند.
- کیفیت شربت خام را حفظ کند.
هرچه این اهداف بهتر محقق شوند، راندمان کارخانه نیز افزایش خواهد یافت.
چرا استخراج مستقیم از چغندر کامل امکانپذیر نیست؟
ممکن است این سؤال مطرح شود که چرا چغندر را به همان شکل اولیه داخل آب قرار نمیدهند.
پاسخ به ساختمان سلولی چغندر مربوط میشود.
ساکارز در داخل واکوئل سلولهای گیاهی ذخیره شده است و دیواره سلولی و غشای سلولی مانند یک سد طبیعی عمل میکنند.
اگر چغندر بهصورت کامل وارد آب شود:
- سطح تماس بسیار کم خواهد بود.
- نفوذ آب به داخل بافت به کندی انجام میشود.
- استخراج ساکارز بسیار زمانبر خواهد بود.
- بخش زیادی از قند در داخل سلول باقی میماند.
به همین دلیل ابتدا چغندر به خلالهای نازک تبدیل میشود تا سطح تماس افزایش یابد.
ساختمان سلول چغندر قند
برای درک بهتر دیفوزیون باید با ساختمان سلول آشنا شویم.
هر سلول چغندر از بخشهای زیر تشکیل شده است:
- دیواره سلولی
- غشای پلاسمایی
- سیتوپلاسم
- واکوئل
بخش عمده ساکارز در واکوئل ذخیره میشود.
در شرایط طبیعی، دیواره و غشای سلولی مانع خروج آزادانه ساکارز هستند.
بنابراین باید شرایطی فراهم شود که این موانع تا حدی تضعیف شوند.
چرا خلالگیری قبل از دیفوزیون انجام میشود؟
خلالگیری یکی از مهمترین مراحل قبل از استخراج است.
با تبدیل چغندر به خلال:
- سطح تماس چندین برابر افزایش پیدا میکند.
- نفوذ حرارت سریعتر انجام میشود.
- فاصله خروج ساکارز از سلول کاهش مییابد.
- زمان استخراج کمتر میشود.
- راندمان افزایش پیدا میکند.
به همین علت کیفیت خلال نقش بسیار مهمی در موفقیت دیفوزیون دارد.
اساس علمی استخراج ساکارز
انتقال ساکارز بر اساس اختلاف غلظت انجام میشود.
در ابتدای فرآیند:
- غلظت ساکارز داخل سلول بسیار زیاد است.
- غلظت ساکارز در آب تقریباً صفر است.
این اختلاف غلظت نیروی محرکهای ایجاد میکند که باعث حرکت مولکولهای ساکارز از داخل سلول به آب میشود.
با ادامه استخراج، اختلاف غلظت کمتر شده و سرعت انتقال نیز کاهش پیدا میکند.
به همین دلیل در کارخانهها همواره آب تازه به سیستم وارد میشود تا اختلاف غلظت حفظ شود.
انتقال جرم در دیفوزیون چگونه انجام میشود؟
انتقال جرم چند مرحله دارد.
ابتدا حرارت به خلال منتقل میشود.
سپس دیواره سلولی نرمتر شده و نفوذپذیری آن افزایش پیدا میکند.
در ادامه ساکارز از واکوئل خارج شده، از غشای سلولی عبور میکند و در نهایت وارد آب استخراج میشود.
بنابراین انتقال جرم تنها یک مرحله ساده نیست، بلکه مجموعهای از پدیدههای فیزیکی و بیولوژیکی است.
نقش آب در دیفوزیون
آب مهمترین حلال مورد استفاده در کارخانه قند است.
آب باید دارای ویژگیهای زیر باشد:
- سختی مناسب
- آلودگی میکروبی پایین
- دمای کنترلشده
- جریان یکنواخت
اگر کیفیت آب مناسب نباشد، راندمان استخراج کاهش یافته و کیفیت شربت نیز افت خواهد کرد.
برج دیفوزیون چیست؟
برج دیفوزیون قلب بخش استخراج کارخانه قند محسوب میشود.
در این تجهیز، خلالهای چغندر و آب گرم در جهتهای مشخص حرکت میکنند تا بیشترین مقدار ساکارز استخراج شود.
در کارخانههای مدرن معمولاً از سیستم جریان مخالف (Counter Current) استفاده میشود.
در این روش:
- خلال تازه با شربت غلیظ تماس ندارد.
- آب تازه با تفاله تقریباً بدون قند تماس پیدا میکند.
- اختلاف غلظت در تمام طول مسیر حفظ میشود.
در نتیجه راندمان استخراج به حداکثر میرسد.
چرا از سیستم جریان مخالف استفاده میشود؟
اگر آب و خلال در یک جهت حرکت کنند، اختلاف غلظت به سرعت از بین میرود و استخراج متوقف میشود.
اما در سیستم جریان مخالف:
- همیشه اختلاف غلظت وجود دارد.
- انتقال جرم ادامه پیدا میکند.
- مصرف آب کاهش مییابد.
- غلظت شربت خروجی افزایش پیدا میکند.
به همین دلیل تقریباً تمام کارخانههای جدید از این روش استفاده میکنند.
زمان ماند در دیفوزیون
زمان ماند به مدت زمانی گفته میشود که خلالها داخل برج دیفوزیون باقی میمانند.
اگر این زمان کوتاه باشد:
- بخشی از ساکارز استخراج نمیشود.
- قند بیشتری همراه تفاله خارج خواهد شد.
اگر زمان بیش از حد طولانی باشد:
- مواد غیرقندی بیشتری استخراج میشوند.
- کیفیت شربت کاهش پیدا میکند.
- احتمال فعالیت میکروبی افزایش مییابد.
بنابراین زمان ماند باید بهدقت کنترل شود.
کشش (Draft) در دیفوزیون چیست؟
یکی از اصطلاحات مهم صنعت قند، کشش یا Draft است.
کشش نشاندهنده نسبت آب مصرفی به مقدار چغندر ورودی در فرآیند دیفوزیون است و یکی از پارامترهای اصلی کنترل عملیات به شمار میرود.
اگر مقدار آب بسیار کم باشد:
- استخراج ناقص خواهد بود.
- شربت بسیار غلیظ میشود.
- انتقال جرم کاهش مییابد.
اگر آب بیش از حد زیاد باشد:
- شربت بیش از اندازه رقیق میشود.
- مصرف انرژی تبخیر افزایش پیدا میکند.
- هزینه تولید بیشتر خواهد شد.
به همین دلیل تعیین کشش مناسب یکی از مهمترین وظایف اپراتورهای کارخانه است.
چه عواملی بر راندمان دیفوزیون اثر میگذارند؟
عوامل متعددی میتوانند میزان استخراج ساکارز را تغییر دهند.
از مهمترین آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- کیفیت چغندر
- مدت زمان نگهداری
- کیفیت خلال
- دمای آب
- نسبت آب به چغندر
- زمان ماند
- سلامت تجهیزات
- میزان فعالیت میکروبی
کنترل همزمان این عوامل باعث دستیابی به بیشترین راندمان استخراج خواهد شد.
مشکلات رایج در فرآیند دیفوزیون
در صورت تنظیم نبودن شرایط عملیاتی، مشکلات مختلفی ایجاد میشود.
از جمله:
- افزایش قند موجود در تفاله
- کاهش خلوص شربت خام
- افزایش مصرف انرژی
- رشد میکروارگانیسمها
- استخراج بیش از حد مواد غیرقندی
- کاهش راندمان کارخانه
- افزایش هزینههای تولید
به همین دلیل بخش دیفوزیون همواره یکی از حساسترین قسمتهای کارخانههای قند محسوب میشود.
اهمیت کنترل دیفوزیون در کارخانههای مدرن
در کارخانههای امروزی تقریباً تمام پارامترهای دیفوزیون بهصورت خودکار کنترل میشوند.
حسگرهای دما، دبیسنجها، سامانههای کنترل فشار و نرمافزارهای هوشمند، شرایط فرآیند را بهصورت لحظهای پایش میکنند.
این موضوع باعث شده است:
- راندمان استخراج افزایش یابد.
- مصرف انرژی کاهش پیدا کند.
- کیفیت شربت یکنواختتر شود.
- خطاهای انسانی کمتر شوند.
جمعبندی
دیفوزیون مهمترین مرحله استخراج شکر از چغندر قند است و کیفیت عملکرد آن تأثیر مستقیمی بر راندمان کل کارخانه دارد. در این فرآیند، ساکارز بر اساس اختلاف غلظت از داخل سلولهای چغندر به آب منتقل میشود و عواملی مانند کیفیت خلال، دمای آب، زمان ماند، نسبت آب به چغندر و شرایط عملیاتی، نقش تعیینکنندهای در میزان استخراج دارند.
با استفاده از سیستمهای جریان مخالف، کنترل دقیق شرایط فرآیند و بهکارگیری تجهیزات مدرن، کارخانههای قند میتوانند بیشترین مقدار ساکارز را با کمترین میزان ناخالصی استخراج کرده و راندمان تولید را به حداکثر برسانند.
بدون دیدگاه