تجفيف

التجفيف عملية نقل كتلة تتضمن إزالة الماء أو مذيب آخر ^{[ 1 ]} عن طريق التبخر من مادة صلبة أو شبه صلبة أو سائلة . تُستخدم هذه العملية غالبًا كخطوة إنتاجية نهائية قبل بيع المنتجات أو تغليفها. لكي يُعتبر المنتج "مجففًا"، يجب أن يكون صلبًا، على شكل صفيحة متصلة (مثل الورق)، أو قطع طويلة (مثل الخشب)، أو جزيئات (مثل حبوب الحبوب أو رقائق الذرة)، أو مسحوق (مثل الرمل، أو الملح، أو مسحوق الغسيل، أو مسحوق الحليب). غالبًا ما يتطلب الأمر مصدرًا للحرارة وعاملًا لإزالة البخار الناتج عن العملية. في المنتجات الحيوية كالأغذية والحبوب والمستحضرات الصيدلانية كاللقاحات ، يكون المذيب المراد إزالته هو الماء في أغلب الأحيان. قد يُستخدم مصطلح "التجفيف" كمرادف للتجفيف العادي، أو يُعتبر شكلًا متطرفًا منه.

في الحالة الأكثر شيوعًا، يقوم تيار غازي، كالهواء مثلاً، بتسخين المادة عن طريق الحمل الحراري، ويحمل البخار الناتج على شكل رطوبة . ومن الطرق الأخرى التجفيف بالتفريغ ، حيث تُنقل الحرارة بالتوصيل أو الإشعاع (أو الموجات الدقيقة )، بينما يُزال البخار الناتج بواسطة نظام التفريغ . وهناك تقنية غير مباشرة أخرى هي التجفيف بالأسطوانة (المستخدمة، على سبيل المثال، في صناعة رقائق البطاطس)، حيث يُستخدم سطح ساخن لتوفير الطاقة، وتقوم أجهزة شفط بسحب البخار إلى خارج الغرفة. في المقابل، لا يُعتبر الاستخلاص الميكانيكي للمذيب، كالماء مثلاً، عن طريق الترشيح أو الطرد المركزي ، "تجفيفًا" بل "تصريفًا".

في بعض المنتجات ذات المحتوى الرطوبي الأولي المرتفع نسبيًا، قد يُلاحظ انخفاض خطي أولي في متوسط ​​محتوى رطوبة المنتج مع مرور الوقت لفترة محدودة، تُعرف غالبًا باسم "فترة معدل التجفيف الثابت". عادةً، خلال هذه الفترة، تتم إزالة الرطوبة السطحية خارج الجزيئات الفردية. يعتمد معدل التجفيف خلال هذه الفترة بشكل أساسي على معدل انتقال الحرارة إلى المادة المراد تجفيفها. لذلك، يُعتبر الحد الأقصى لمعدل التجفيف الممكن تحقيقه محدودًا بانتقال الحرارة. إذا استمر التجفيف، يصبح ميل المنحنى، أي معدل التجفيف، أقل حدة (فترة معدل التجفيف المتناقص) ويميل في النهاية إلى أن يصبح أفقيًا تقريبًا عند فترات زمنية طويلة جدًا. عندئذٍ، يكون محتوى رطوبة المنتج ثابتًا عند " محتوى الرطوبة المتوازن "، حيث يكون عمليًا في حالة توازن مع وسط التجفيف. خلال فترة معدل التجفيف المتناقص، يكون انتقال الماء من داخل المنتج إلى سطحه في الغالب عن طريق الانتشار الجزيئي، أي أن تدفق الماء يتناسب طرديًا مع تدرج محتوى الرطوبة. هذا يعني أن الماء ينتقل من المناطق ذات المحتوى الرطوبي الأعلى إلى المناطق ذات المحتوى الرطوبي الأقل، وهي ظاهرة يفسرها القانون الثاني للديناميكا الحرارية . إذا كانت إزالة الماء كبيرة، فإن المنتجات عادةً ما تنكمش وتتشوه، باستثناء عملية التجفيف بالتجميد المصممة جيدًا. يُتحكم في معدل التجفيف خلال فترة انخفاض معدل التجفيف بمعدل إزالة الرطوبة أو المذيب من داخل المادة الصلبة المراد تجفيفها، ويُشار إلى هذه العملية بأنها "محدودة بانتقال الكتلة". يُلاحظ هذا على نطاق واسع في المنتجات المسترطبة مثل الفواكه والخضراوات، حيث يحدث التجفيف خلال فترة انخفاض معدل التجفيف، بينما تُعتبر فترة ثبات معدل التجفيف ضئيلة. ^{[ 2 ]}

فيما يلي بعض الطرق العامة للتجفيف:

• يُستخدم الهواء الساخن ( التجفيف بالحمل الحراري أو التجفيف المباشر). يزيد تسخين الهواء من قوة التجفيف لانتقال الحرارة، مما يُسرّع عملية التجفيف. كما يُقلل من الرطوبة النسبية للهواء ، مما يزيد من قوة التجفيف. في مرحلة انخفاض معدل التجفيف، ومع انخفاض نسبة الرطوبة، ترتفع درجة حرارة المواد الصلبة، وتُسرّع درجات الحرارة المرتفعة من انتشار الماء من داخل المادة الصلبة إلى سطحها. مع ذلك، تُقيّد اعتبارات جودة المنتج الارتفاع المسموح به في درجة حرارة الهواء. فالهواء الساخن جدًا قد يُجفف سطح المادة الصلبة بشكل شبه كامل، مما يؤدي إلى انكماش مسامها وانغلاقها تقريبًا، مُسببًا تكوّن قشرة أو "تصلبًا سطحيًا"، وهو أمر غير مرغوب فيه عادةً. على سبيل المثال، في تجفيف الأخشاب، يُسخّن الهواء (مما يُسرّع عملية التجفيف) مع إضافة بعض البخار إليه (مما يُبطئ معدل التجفيف إلى حد ما) لتجنب الجفاف المفرط للسطح وتشوّه المنتج نتيجةً لتدرجات الرطوبة العالية عبر سُمك الخشب. ويندرج التجفيف بالرش ضمن هذه الفئة.
• التجفيف غير المباشر أو التجفيف بالتلامس (التسخين عبر جدار ساخن)، مثل التجفيف بالأسطوانة أو التجفيف بالتفريغ. مرة أخرى، تؤدي درجات حرارة الجدار المرتفعة إلى تسريع عملية التجفيف، ولكن هذا محدود بتدهور المنتج أو تصلبه السطحي. يُصنف التجفيف بالأسطوانة ضمن هذه الفئة.
• يُعدّ التجفيف العازل (امتصاص الترددات الراديوية أو الموجات الدقيقة داخل المادة) محورًا لبحوث مكثفة في الوقت الراهن. ويمكن استخدامه للمساعدة في التجفيف الهوائي أو التجفيف بالتفريغ. وقد وجد الباحثون أن التجفيف النهائي بالموجات الدقيقة يُسرّع معدل التجفيف البطيء جدًا في نهاية طرق التجفيف التقليدية. ويُستخدم التجفيف بالتفريغ بالموجات الدقيقة في حصص الإعاشة التجريبية للقتال القريب التابعة للجيش الأمريكي. ^{[ 3 ]}
• التجفيف بالتجميد أو التجفيف بالتجميد هو أسلوب تجفيف يتم فيه تجميد المذيب قبل التجفيف، ثم يُحوّل إلى الحالة الغازية مباشرةً من الحالة الصلبة، عند درجة حرارة أقل من درجة انصهار المذيب. ويُستخدم هذا الأسلوب بشكل متزايد في تجفيف الأطعمة، بالإضافة إلى تطبيقاته الصيدلانية والطبية التقليدية. فهو يحافظ على الخصائص البيولوجية للبروتينات، ويحتفظ بالفيتامينات والمركبات النشطة بيولوجيًا. ويمكن خفض الضغط باستخدام مضخة تفريغ عالية (مع العلم أن التجفيف بالتجميد عند الضغط الجوي ممكن في الهواء الجاف). وفي حال استخدام مضخة تفريغ، يُزال البخار الناتج عن التسامي من النظام بتحويله إلى جليد في مكثف يعمل عند درجات حرارة منخفضة جدًا، خارج حجرة التجفيف بالتجميد.
• التجفيف فوق الحرج (التجفيف بالبخار فائق التسخين) هو عملية تجفيف المنتجات التي تحتوي على الماء بالبخار. تُعدّ هذه العملية ممكنة لأن الماء الموجود في المنتج يتبخر ويختلط بوسط التجفيف، مما يزيد من تدفقه. يُستخدم هذا الأسلوب عادةً في دائرة مغلقة، ويسمح باستعادة جزء من الحرارة الكامنة عن طريق إعادة الضغط، وهي ميزة غير ممكنة في التجفيف الهوائي التقليدي، على سبيل المثال. تتمتع هذه العملية بإمكانية استخدامها في الأغذية إذا تم إجراؤها تحت ضغط منخفض، لخفض درجة الغليان.
• يحدث التجفيف الطبيعي بالهواء عندما تُجفف المواد باستخدام هواء قسري غير مُسخّن، مستفيدةً من قدرته الطبيعية على التجفيف. هذه العملية بطيئة وتعتمد على الأحوال الجوية، لذا يجب وضع استراتيجية مُحكمة لتشغيل المروحة وإيقافها، مع مراعاة الظروف التالية: درجة حرارة الهواء، والرطوبة النسبية، ومحتوى الرطوبة، ودرجة حرارة المادة المراد تجفيفها. تُستخدم هذه التقنية بشكل متزايد لتجفيف الحبوب، وقد تستغرق العملية برمتها (بما في ذلك فترات تشغيل المروحة وإيقافها) من أسبوع إلى عدة أشهر، إذا أمكن تحمل فترة راحة شتوية في المناطق الباردة.

• تفاعل نزع الماء
• غرفة التجفيف

1. جرينسميث، م. (1998). التجفيف العملي . دار وودهيد للنشر المحدودة.
2. جينسكو، إل آر؛ بيميش، دبليو إي؛ هيشت، جيه بي؛ كيمب، آي سي؛ لانغريش، تي؛ شوارتزباخ، سي؛ سميث، إف إل. (2007). دليل مهندسي الكيمياء . ماكجرو هيل بروفيشنال. ص.  الفصل 12 (التبريد التبخيري وتجفيف المواد الصلبة).
3. AS، موجومدار (1998). دليل التجفيف الصناعي . بوكا راتون: مطبعة CRC.

• آلات تجفيف المواد الصلبة