تکنولوژی قند | جلسه پانزدهم: پارامترهای کنترل دیفوزیون، نقش دما، کیفیت خلال و تفاله چغندر قند در راندمان تولید شکر

مقدمه

فرآیند دیفوزیون را می‌توان مهم‌ترین مرحله استخراج شکر از چغندر قند دانست، اما تنها طراحی مناسب تجهیزات برای دستیابی به راندمان بالا کافی نیست. موفقیت این فرآیند به کنترل دقیق مجموعه‌ای از پارامترهای عملیاتی بستگی دارد که هر یک می‌توانند بر سرعت استخراج ساکارز، کیفیت شربت خام و میزان قند باقی‌مانده در تفاله اثر بگذارند.

در کارخانه‌های مدرن، عواملی مانند دمای آب، زمان ماند خلال‌ها، کیفیت برش، شکل مقطع خلال و نسبت آب به چغندر به‌طور مداوم پایش و کنترل می‌شوند. کوچک‌ترین تغییر در این پارامترها می‌تواند موجب افزایش مصرف انرژی، کاهش راندمان استخراج و حتی ایجاد مشکلات جدی در مراحل بعدی تولید شکر شود.

در این مقاله با مهم‌ترین پارامترهای کنترل دیفوزیون، نقش حرارت، اهمیت کیفیت خلال، اثر دمای بالا بر فرآیند و همچنین ویژگی‌های تفاله چغندر قند و روش‌های فرآوری آن آشنا خواهیم شد.

پارامترهای اصلی کنترل دیفوزیون

در هر کارخانه قند، اپراتورها چند پارامتر کلیدی را به‌صورت مداوم کنترل می‌کنند تا فرآیند استخراج در بهترین شرایط انجام شود.

مهم‌ترین این پارامترها عبارت‌اند از:

• دمای دیفوزیون
• زمان ماند خلال‌ها
• کیفیت و شکل خلال
• کشش (Draft) یا نسبت آب به چغندر

این عوامل مستقیماً بر میزان استخراج ساکارز و کیفیت شربت خام اثر می‌گذارند.

چرا دما مهم‌ترین پارامتر دیفوزیون است؟

در میان تمام عوامل کنترلی، دما بیشترین تأثیر را بر راندمان استخراج دارد.

افزایش مناسب دما باعث می‌شود:

• انتقال جرم سریع‌تر انجام شود.
• ساکارز راحت‌تر از سلول خارج شود.
• رشد میکروارگانیسم‌ها کاهش یابد.
• راندمان استخراج افزایش پیدا کند.

البته این افزایش باید در محدوده مشخصی انجام شود؛ زیرا دمای بیش از حد نیز مشکلات متعددی ایجاد می‌کند.

نقش دما در افزایش حلالیت ساکارز

ساکارز در آب گرم بهتر از آب سرد حل می‌شود.

وقتی دمای آب افزایش پیدا می‌کند:

• حلالیت ساکارز بیشتر می‌شود.
• سرعت انتقال قند افزایش می‌یابد.
• زمان استخراج کاهش پیدا می‌کند.
• بازده دیفوزیون بیشتر می‌شود.

به همین علت در کارخانه‌های قند، آب ورودی به برج دیفوزیون همیشه در محدوده دمایی مشخصی نگه داشته می‌شود.

اثر حرارت بر دیواره سلولی

یکی دیگر از وظایف مهم حرارت، تضعیف ساختار سلولی چغندر است.

دیواره سلول در حالت طبیعی مانعی برای خروج ساکارز محسوب می‌شود.

با افزایش دما:

• پروتئین‌های غشایی تغییر ساختار می‌دهند.
• نفوذپذیری دیواره سلولی افزایش می‌یابد.
• ساکارز راحت‌تر وارد آب می‌شود.

این فرآیند یکی از دلایل اصلی افزایش راندمان استخراج در دماهای مناسب است.

نقش حرارت در کاهش آلودگی میکروبی

چغندر قند محیط مناسبی برای رشد بسیاری از باکتری‌ها و قارچ‌هاست.

اگر دمای دیفوزیون پایین باشد:

• فعالیت میکروبی افزایش پیدا می‌کند.
• بخشی از ساکارز توسط میکروب‌ها مصرف می‌شود.
• کیفیت شربت کاهش می‌یابد.

اما دمای مناسب رشد بسیاری از این میکروارگانیسم‌ها را محدود کرده و از کاهش راندمان جلوگیری می‌کند.

دمای مناسب دیفوزیون

هدف از انتخاب دمای مناسب، ایجاد تعادل میان استخراج حداکثری ساکارز و جلوگیری از استخراج بیش از اندازه مواد غیرقندی است.

در کارخانه‌های قند، دمای عملیاتی معمولاً در محدوده ۷۰ تا ۸۰ درجه سانتی‌گراد تنظیم می‌شود؛ محدوده‌ای که هم انتقال ساکارز را تسهیل می‌کند و هم فعالیت بسیاری از میکروارگانیسم‌ها را کاهش می‌دهد.

چرا کیفیت خلال اهمیت زیادی دارد؟

کیفیت خلال یکی از عوامل تعیین‌کننده راندمان دیفوزیون است.

خلال استاندارد باید:

• طول مناسب داشته باشد.
• ضخامت یکنواختی داشته باشد.
• استحکام کافی داشته باشد.
• حداقل نرمه تولید کند.

در چنین شرایطی آب به‌آسانی در میان خلال‌ها حرکت کرده و ساکارز با راندمان بیشتری استخراج می‌شود.

شکل مقطع خلال چه تأثیری بر دیفوزیون دارد؟

یکی از نکات مهمی که در بسیاری از منابع آموزشی کمتر به آن پرداخته می‌شود، شکل مقطع خلال است.

در کارخانه‌های قند، بهترین خلال دارای مقطع V شکل است.

این شکل چند مزیت مهم ایجاد می‌کند:

• سطح تماس افزایش پیدا می‌کند.
• فضای کافی برای عبور شربت ایجاد می‌شود.
• خلال‌ها کمتر روی هم می‌خوابند.
• استخراج ساکارز با راندمان بیشتری انجام می‌شود.

اگر خلال‌ها شکل مناسبی نداشته باشند چه اتفاقی می‌افتد؟

در صورتی که تیغه‌های دستگاه اسلایسر به‌درستی تنظیم نشده باشند یا کیفیت چغندر پایین باشد، خلال‌ها مقطع صاف یا تخت پیدا می‌کنند.

در این حالت:

• خلال‌ها روی یکدیگر می‌چسبند.
• مسیر عبور آب محدود می‌شود.
• انتقال جرم کاهش می‌یابد.
• راندمان استخراج افت می‌کند.

چرا خلال کردن استخراج را سریع‌تر می‌کند؟

خلال کردن تنها برای افزایش سطح تماس انجام نمی‌شود.

این عملیات چند مزیت هم‌زمان ایجاد می‌کند:

• نفوذ سریع‌تر حرارت به بافت
• کاهش مسیر خروج ساکارز
• افزایش سطح تماس با آب
• یکنواخت شدن استخراج
• کاهش زمان دیفوزیون

به همین دلیل کیفیت خلال مستقیماً بر بازده کارخانه اثر می‌گذارد.

مشکلات استفاده از دمای بیش از حد

اگرچه افزایش دما تا محدوده مناسب مفید است، اما دماهای بسیار بالا می‌توانند مشکلات جدی ایجاد کنند.

کاهش درجه خلوص شربت

در دماهای زیاد، علاوه بر ساکارز، مواد غیرقندی نیز با سرعت بیشتری وارد شربت می‌شوند.

در نتیجه:

• خلوص شربت کاهش پیدا می‌کند.
• تصفیه دشوارتر می‌شود.
• مصرف مواد شیمیایی افزایش می‌یابد.

تغییر در مواد پکتیکی

پکتین یکی از اجزای مهم دیواره سلولی چغندر است.

حرارت زیاد موجب تغییر ساختار این ترکیبات می‌شود.

نتیجه این تغییرات:

• افزایش مواد کلوئیدی
• افزایش ویسکوزیته شربت
• دشوار شدن عملیات تصفیه
• کاهش راندمان فرآیند

کاهش پرس‌پذیری تفاله

یکی دیگر از پیامدهای حرارت زیاد، کاهش توانایی تفاله برای از دست دادن آب است.

در این شرایط:

• ساختار بافت تخریب می‌شود.
• تفاله حالت خمیری پیدا می‌کند.
• آب بیشتری در آن باقی می‌ماند.
• راندمان پرس کاهش می‌یابد.

آب آزاد و آب پیوندی در تفاله

آب موجود در تفاله به دو گروه تقسیم می‌شود.

آب آزاد

آبی است که میان الیاف و فضای خالی بافت قرار دارد.

این آب به‌راحتی با فشار مکانیکی خارج می‌شود.

آب پیوندی

این آب به ترکیباتی مانند پکتین و دیواره سلولی متصل است.

به همین دلیل حتی با فشار زیاد نیز به‌آسانی جدا نمی‌شود.

هرچه سهم آب پیوندی بیشتر باشد، خشک کردن تفاله دشوارتر خواهد بود.

تفاله چغندر قند چیست؟

پس از استخراج ساکارز، بخش جامد باقی‌مانده از چغندر تفاله نام دارد.

اگرچه بخش عمده قند از آن خارج شده است، اما همچنان سرشار از فیبر، سلولز، همی‌سلولز و مواد مغذی است.

به همین دلیل امروزه مهم‌ترین کاربرد تفاله، استفاده به‌عنوان خوراک دام است.

انواع تفاله چغندر قند

تفاله در کارخانه به سه شکل تولید می‌شود.

تفاله تر

این تفاله مستقیماً از برج دیفوزیون خارج می‌شود.

رطوبت آن بسیار زیاد است و به همین دلیل:

• سریع فاسد می‌شود.
• رشد میکروبی در آن زیاد است.
• قابلیت نگهداری طولانی ندارد.

تفاله پرس‌شده

در این مرحله بخشی از آب آزاد توسط دستگاه پرس خارج می‌شود.

مزایای این مرحله عبارت‌اند از:

• کاهش رطوبت
• کاهش حجم
• افزایش قابلیت نگهداری
• کاهش هزینه خشک‌کردن

تفاله خشک

در مرحله نهایی، تفاله وارد خشک‌کن می‌شود تا رطوبت آن به حدود ۱۰ درصد برسد.

تفاله خشک:

• ماندگاری بسیار بالایی دارد.
• حمل‌ونقل آن آسان است.
• ارزش اقتصادی بیشتری دارد.
• به‌عنوان خوراک دام در سراسر سال مصرف می‌شود.

چرا ابتدا تفاله را پرس می‌کنند؟

خشک کردن حرارتی بسیار پرهزینه است.

اگر قبل از ورود تفاله به خشک‌کن، مقدار بیشتری آب به‌صورت مکانیکی خارج شود:

• مصرف سوخت کاهش پیدا می‌کند.
• زمان خشک کردن کمتر می‌شود.
• هزینه تولید کاهش می‌یابد.
• راندمان کارخانه افزایش پیدا می‌کند.

به همین دلیل تقریباً تمام کارخانه‌های قند ابتدا از پرس مکانیکی و سپس از خشک‌کن حرارتی استفاده می‌کنند.

اهمیت کنترل پارامترهای دیفوزیون

کنترل هم‌زمان دما، زمان، کیفیت خلال و کشش باعث می‌شود:

• استخراج ساکارز به حداکثر برسد.
• ناخالصی کمتری وارد شربت شود.
• مصرف انرژی کاهش یابد.
• کیفیت تفاله حفظ شود.
• هزینه‌های کارخانه کاهش پیدا کند.

در کارخانه‌های مدرن، این پارامترها به‌صورت پیوسته توسط سیستم‌های کنترل خودکار پایش می‌شوند تا فرآیند همیشه در شرایط بهینه باقی بماند.

جمع‌بندی

دیفوزیون فرآیندی حساس است که موفقیت آن به کنترل دقیق پارامترهای عملیاتی بستگی دارد. دمای مناسب، کیفیت خلال، زمان ماند و کشش مناسب، چهار عامل اصلی تعیین‌کننده راندمان استخراج ساکارز هستند. در کنار این عوامل، مدیریت صحیح تفاله و کاهش رطوبت آن نیز نقش مهمی در کاهش مصرف انرژی و افزایش بهره‌وری اقتصادی کارخانه دارد.

کارخانه‌هایی که بتوانند این پارامترها را به‌درستی کنترل کنند، نه‌تنها شکر بیشتری تولید خواهند کرد، بلکه کیفیت محصول نهایی، مصرف انرژی و هزینه‌های تولید آن‌ها نیز بهبود چشمگیری خواهد یافت.