Table of Contents
Understanding Spray Drying Technology
إن التجفيف المستمر هو عملية تجفيف مستمرة تحول المواد الوسيطة السائلة إلى مساحيق جافة عن طريق التبريد السريع للمذيب )المياه المتشكلة( باستخدام مجرى غازي ساخن، وتبدأ العملية بتجميع السائل إلى قطرات دقيقة، ثم تُدخل إلى غرفة جفاف حيث تتواصل مع الهواء الحاد أو الغازات غير المزروعة، وتسمح المساحة الكبيرة من قطرات المياه بتجفيف سريع للغاية.
وتشمل المكونات الأساسية لمجفف الرش نظام التغذية، والأعلاف، وغرف التجفيف، ومفرق الغاز، ونظام جمع المنتجات، وتختلف أساليب التلقيح: تستخدم أجهزة التموين الدوارة عجلات عمودية عالية السرعة لتخزين السوائل إلى سوائل؛ وتسمح أجهزة التحلل الحراري باستخدام سائل البوليسترات من خلال صمامات صغيرة عالية الضغط؛ وتعطيل المقاييس الحرارية في أجهزة القياس.
الابتكارات الأخيرة في مجال دحر السبراي
تحسين تقنيات الدمج
وقد برزت تصميمات أجهزة التخدير من أجل تحسين نوعية المسحوقات القابلة للتحلل الأحيائي، فالتخفيض من الأشعة فوق البنفسجية، مثلا، يستخدم ذبائح عالية التردد لتوليد قطرات من الحجم الموحد (من 10 إلى 50 ميكروم) مع الحد الأدنى من الضغط على الجسيمات، وهذا مفيد بصفة خاصة بالنسبة للثدييات الحيوية مثل حمض البوليتيكي (PLA) ومركبات البوليهيدروكسيا
مراقبة المواقف المتقدمة وإدماج المهارة
ويظل التدهور الحراري تحديا كبيرا عندما يجفف المواد القابلة للتحلل البيولوجي، التي يكون لدى الكثير منها درجات حرارة تحول زجاجية منخفضة أو عرضة للتأكسد.() وتُدرج الآن في حالة مبردات الرش الغازية السائلة التي تُنشر في الوقت الحقيقي، سمات الحرارة المتعددة، والمجسسات الحرارية، وتُعدل نظم التحكم الميكانيكي درجات الحرارة المتسربة والمنطلقة استنادا إلى التغذية المرتدة من الرش القريب من البراريتر المربع.
تكامل الطاقة الخضراء وتكثيف العمليات
وبالإضافة إلى ذلك، فإن دمج مصادر الطاقة المتجددة آخذ في التسارع، إذ يمكن أن تُستخدم أجهزة التنظيف الكبيرة بواسطة الغازات الأحيائية من مدافن القمامة أو الهضم الجوي، مع دعم إنتاج عبوات مركبة من النفايات الزراعية، مع وجود استراتيجيات لتكثيف القدرة على إحداث تسربات في المواد الخاملة، مثل استخدام ثاني أكسيد الكربون الفائق كوسيلة للتجفيف، يجري استكشافها لتحقيق درجات حرارة أقل بل وأسرع في التنظيف.
Properties and Nanostructuring
ومن خلال التلاعب بتشكيلات التغذية (تصنيف البلاستيك، أو المواد السائلة، أو العوامل المتقاطعة) وبارامترات العمليات (درجة الحرارة، وقت الإقامة)، يمكن للمصنعين أن يصمموا جزيئات ذات خصائص محددة، وقد أثبت العمل مؤخرا تجفيف الألياف المحتوية على مواد كيميائية مصغرة من مادة الكيمياء النانوية إلى جسيمات مجهرية عالية السطحية تستخدم كعوامل معززة في الرشات قابلة للتحلل الأحيائي(22).
تطبيقات المواد القابلة للتحلل البيولوجي والمركبة
البوليمرات البيولوجية والبوليمرات القابلة للتحلل البيولوجي
(ب) استخدام التجفيف في إنتاج مساحيق عالية النقاء من البلاستيك الأحيائي مثل PLA وPHA و polybutylene succinate (PBS) و blchss (PFI) في إنتاج مواد مركبة من مادة البوليسترين (Pafchi) في الآونة الأخيرة، حيث تُستخدم هذه المسحوقات كمواد مُمكنة من الرش والتصوير (PHA)
المرافئ المزروعة والمنسوجات
(ج) الرش، والهيف، والخيزران، والألياف الأخرى القائمة على النباتات، يُعالج بصورة متزايدة في مسحوقات مجهرية ونانوية عن طريق جفاف الرش، وتُستخدم هذه المسحوقات الغرامية كملئ أو مُعدات في المنسوجات الملائمة للبيئة، واللوحات المركبة التي تُنتج في شكل مواد مصغرة، على سبيل المثال، يمكن إضافة هذه الرش المزودة بأجهزة لتحللة.
تجميع الأغذية وربط الحاويات
(ب) التعبئة المركبة التي تستلزم مواد توفر خواص كافية من الأكسجين والرطوبة والشحوم، وتستخدم التجفيف في إنتاج مسحوقات دقيقة من الكحول المتعدد الكلور، والمشتقات الصناعية (EVOH) والمصفوفة المركبة من مادة النيتروجين (EVOH) والأفلام المحتوية على البروتين (مثلاً من الحيتان أو الصويا) ثم تُصاغ هذه المسحوقات في رذاذجات
تعديلات التربة والرش المتحكم فيها
(ب) إن التجفيف من جانب الأشعة السينية (الجرعات) هو تكنولوجيا رئيسية لإنتاج الأسمدة الخاضعة للرقابة (CRF) التي يمكن التخلص منها في إطار استراتيجيات الغازات السائلة الأحيائية غير القابلة للتحلل، والتي تُنتج في إطارها نسبة 3 إلى 120 يوماً من إنتاج المواد الكيميائية، والتي تُخفض فيها كميات المواد الكيميائية غير المحتوية على مواد كيميائية.
المنافع البيئية والاقتصادية
ويوفّر التجفيف من خلال أساليب التجفيف البديلة (التجفيف من البرميل، تجفيف الفرن) لمواد قابلة للتحلل الأحيائي، وهو عملية مستمرة ذات ناتج عال مع فترات إقامة قصيرة، مما يؤدي إلى انخفاض استهلاك الطاقة من كل كيلوغرام من المواد التي تنمو على شكل مركب من المنتجات إلى 1.5-3.0 ميغاغرام/كغ من المياه التي تزيل من أجل أجهزة الرش الحديثة التي تعمل على التعافي من الحرارة، مقارنة بنسبة 5 إلى 10 ميغاواط/كغ من الرش الجاف.
ومن منظور دورة الحياة، يمكن أن يكون لإنتاج مسحوقات البوليمرات الأحيائية المحتوية على رذاذ أقل من البصمات التقليدية القائمة على النفط عندما تستخدم الطاقة المتجددة، وعلى سبيل المثال، فإن تحليلاً من الشحوم إلى البوابة بواسطة IOP Publishing (2022) قد يكون لمسحوق PLA المحتوي على الرش قدرة على الاحترار العالمي مقارنة بـ 0.8 كغم من ثاني أكسيد الكربون.
التحديات والاتجاهات المستقبلية
التحلل الحراري والتنويم الهايج
وهناك العديد من البوليمرات القابلة للتحلل الأحيائي، ولا سيما تلك المستمدة من نجوم النباتات والبروتينات، هي زراعية ومعرضة للتدهور الحراري عند درجات الحرارة فوق 150 درجة مئوية. وعلى الرغم من التحسن في التحكم في درجة الحرارة، فإن رفع هذه العمليات إلى الناتج الصناعي دون المساس بنوعية المنتجات، وما زالت البحوث جارية لتطوير عوامل مبتذلة (مثل الاختلالات غير المستقرة أو الوميض) يمكن أن تخفف من الحوض البيولوجي.
العقبات التنظيمية والتوحيد القياسي
أما بالنسبة للمواد التي يجب التصديق عليها على أنها قابلة للتحلل البيولوجي أو قابلة للتكافل، فيجب أن تستوفي معايير محددة (مثلاً، ASTM D6400، EN 13432)، ويجب أن تخضع المسحوقات ذات الدرع المصممة للطلاء أو الأفلام لفحص دقيق لمعدلات التحلل البيولوجي والسمية الإيكولوجية، ولا يوجد حالياً بروتوكول موحد للمواد القابلة للتحلل الأحيائي ذات الرش، مما يبطئ عملية اعتماد الأسواق.
التكامل مع التوائم الرقمية والإدماج
ويكمن مستقبل تجفيف الرذاذ في التدمير الرقمي، ويجري تطوير نماذج مزدوجة رقمية تحاكي عملية حرق الرذاذ بأكملها في الوقت الحقيقي باستخدام البيانات التاريخية وأغلفة التعلم الآلاتي، ويمكن لهذه النماذج التنبؤ بأوضاع التشغيل المثلى لتركيبات جديدة للبنك البيولوجي، والحد من نفايات الطاقة والمنتجات، مثلا، يمكن للشبكات العصبية التي تم تدريبها على آلاف عمليات التجفيف أن تقترح إجراء تعديلات في درجة حرارة وفي سرعة الطوابع للحفاظ على الإنتاج.
النظم المصنّعة والنموذجية المستمرة
والانتقال من دفعة إلى عملية التجهيز المستمر هو اتجاه رئيسي، إذ أن وحدات الرش الموحّد التي يمكن توسيعها بإضافة وحدات موازية تتيح المرونة للمؤسسات الصغيرة والمتوسطة الحجم التي تنتج مواد قابلة للتحلل الأحيائي، ويمكن تشغيل هذه النظم بأقل قدر ممكن من التدخل البشري، باستخدام تكنولوجيا تحليلية للعمليات لضمان تحديد نوعيتها، كما أن إدماج أدوات القياس في الوقت الحقيقي - مثل أجهزة القياس المضغوطة للجسيمات وأجهزة التحكم في الرمال.
خاتمة
وتلعب التطورات في تكنولوجيا جفاف الرش دوراً تحويلياً في صنع مواد قابلة للتحلل والتعقيد من الناحية البيولوجية، ومن تحسين الضبط الذري والتحكم الدقيق في درجة الحرارة إلى إدماج الطاقة المتجددة والارتقاء الرقمي، يتطور الميدان بسرعة لتلبية متطلبات المستقبل الأكثر استدامة، وقد مكّنت هذه الابتكارات بالفعل من إنتاج مركبات ذات أداء رفيع، وتعبئة قابلة للتصوير، وخصائص بحثية خاضعة للرقابة، وتحديات البحث الإيكولوجية.