การทำแห้งด้วยวิธีพ่นฝอยเป็นวิธีที่นิยมใช้ในการผลิตอาหารแห้งผง เช่น นมผง, ไข่ผง, สารสกัดโปรตีนในรูปผง ไปถึงอุตสาหกรรมยาก็ยังนิยมใช้เครื่องนี้ เนื่องจากประสิทธิภาพการทำแห้งสูง อัตราการแลกเปลี่ยนความร้อนดี การปนเปื้อนน้อยเนื่องจากเป็นระบบปิด และระยะเวลาในการทำแห้งสั้นมาก รวมทั้งยังสามารถผลิตในระบบต่อเนื่องได้ดีด้วย อาหาร หรือสารตั้งต้นที่จะนำมาเข้าสู่กระบวนการทำแห้งแบบพ่นฝอยนี้ เราควรเตรียมให้อยู่่ในรูปของเหลว โดยกระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนจะเกิดขึ้นรวดเร็วมาก เนื่องจากพื้นที่ผิวต่อปริมาตรของอนุภาคที่เป็นเม็ดเล็กๆ จะมีมากกว่า ทำให้ลมร้อนแลกเปลี่ยนและดึงน้ำออกจากอาหารได้อย่างรวดเร็ว แล้วนอกจากนี้สังเกตกันบ้างไหมครับว่า อาหารผงส่วนใหญ่จะมีราคาแพงมาก เมื่อเทียบกับอาหารสด เพราะว่าผู้บริโภคต้องจ่ายเงินให้กับค่าเทคโนโลยีตรงนี้ใช่ไหมครับ ซึ่งก็ไม่เห็นจะมีใครว่าอะไรนะจริงไหม ลองเปรียบเทียบระหว่านม UHT กับนมผงก็ได้ครับ

กลไกการทำงานของเครื่องทำแห้งแบบพ่นฝอย

ในการทำงานของเครื่องทำแห้งแบบพ่นฝอย จะแบ่งเป็น3ส่วนด้วยกัน ได้แก่

1. การทำให้เกิดอนุภาคพ่นฝอย

เราควรเตรียมอาหารหรือสารตั้งต้นที่จะเข้าสู่กระบวนการทำแห้งให้อยู่ในรูปของสารละลายเสียก่อนนะครับ โดยองค์ประกอบของสารละลายก็มีส่วนต่อความสำเร็จของการทำแห้งชนิดนี้เหมือนกัน อาหารที่มีคาร์โบไฮเดรตเป็นองค์ประกอบหลักไม่ควรเลยที่จะทำแห้งด้วยวิธีนี้ เพราะเมื่อคาร์โบไฮเดรตถูกความร้อน แทนที่น้ำจะระเหยออกไป กลับกลายเป็นว่าคาร์โบไฮเดรตจะสร้างพันธะขังน้ำไว้ ทำให้ได้สารเหนียวเหนอะ

และข้อพึงอีกอย่างคือ ตัวทำละลายไม่ควรใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ เนื่องจากความร้อจากลมร้อนอาจจะทำให้สาระละลายที่เราเตรียมไว้ติดไฟได้ ซึ่งก็เป็นอันตรายอย่างมากครับ

รูปแบบวิธีในการทำให้เกิดอนุภาคฝอยนั้น เราสามารถแบ่งได้ 3 แบบตามหัวอะตอมไมเซอร์ ได้แก่

1. อะตอมไมเซอร์แบบ Disc หรือ Rotary

ให้นึกภาพของสปริงเกอร์ที่ใช้รดน้ำตามสวนสาธารณะนะครับ ผมวาดในคอมฯภาพออกมาเบี้ยวเกินเยียวยา เจ้าอะตอมไมเซอร์รูปแบบนี้จะใช้หลักการเหวี่ยง ยิ่งเหวี่ยงแรง รอบก็จะมาก ทำให้เราได้อนุภาคพ่นฝอนที่ละเอียดมากขึ้น ซึ่งขนาดของอนุภาคขึ้นกับ2-3 ปัจจัยได้แก่ ความเร็วของจานเหวี่ยง, ความหนืดสารละลาย และขนาดรูทางออกของช่องพ่นฝอย

2. อะตอมไมเซอร์แบบ Pressure Nozzle

หลักการของวิธีนี้ คือการบีบช่องทางออกของรูให้แคบ เพื่อให้ความดันสูง ก็จะคล้ายๆกับการที่เราบีบปลายสายยางครับ ซึ่งจะเกิดน้ำเป็นฝอยๆ แทนที่ที่จะเป็นลำ ในเครื่องที่ใช้อะตอมไมเซอร์แบบนี้ เราจะแปะำออริฟิซ (Orifice ; สำหรับออริฟิซถ้ามองตามภาพตัดขวาง จะเหมือนเหรียญบาทเจาะรูตรงกลาง) มาขวางทางวิ่งของลำน้ำสารละลาย เพื่อให้ได้อัตราที่แม่นยำ ซึ่งวิธีนี้ขนาดของอนุภาคพ่นฝอยจะขึ้นอยู่กับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของรูออริฟิซ และอัตราการไหลเข้า

3. อะตอมไมเซอร์แบบ Two Fuild

รูปหาเองนะครับ ในกูเกิ้ลมีเพียบ

Two Fluid แปลตรงๆว่าของไหลสองตัว ซึ่งสองตัวที่ว่านี้คือ สารละลายและลม หัวอะตอมไมเซอร์ชนิดนี้จะเหมาะกับสารละลายที่มีความหนืดมากสูง อากาศจะทำให้เกิดการแตกของลำสารละลายโดยที่ขนาดของอนุภาคจะขึ้นกับอัตราการไหลของอากาศ ซึ่งจะมีการปรับความดันการไหลได้

การทำให้สารละลายที่เราเตรียมอยู่ในสภาพละอองฝอย จะทำให้พื้นที่ผิวต่อปริมาตรเพิ่มขึ้น ส่งผลให้อัตราการแลกเปลี่ยนความร้อนและมวลสารระหว่างสารละลายกับมวลลมร้อนเกิดได้ดียิ่งขึ้นด้วย

2. การแลกเปลี่ยนความร้อน และมวลสาร

ลมร้อนที่ใช้ในกระบวนการทำแห้งแบบพ่นฝอยนี้ ควรจะเป็นลมที่สะอาด โดยทั่วไปแล้ว ในระบบป้อนลมร้อนนั้น ก็ควรที่จะมีระบบไส้กรอง เพื่อกรองเชื้อโรคที่อยู่ในอากาศ ก่อนที่จะเข้าไปสัมผัสกับอาหารโดยตรง ส่วนสมบัติทางไซโครเมทริกส์นั้นลมร้อนควรจะมีค่าความชื้นสัมพัทธ์ต่ำๆ ลมร้อนควรที่จะต้องมีความชื้นในอากาศน้อยที่สุดเ่ท่าที่จะทำได้ ซึ่งวิธีการง่ายๆที่ใช้กันก็คือ ผ่านลมเข้าไปในขดลวด ซึ่งจะทำให้ได้ลมร้อนที่แห้ง และมีอุณหภูมิตามที่ต้องการได้โดยการควบคุมอุณหภูมิขดลวด

รูปแบบการไหลของลมร้อนแบ่งได้สามแบบ โดยยึดเอาตำแหน่งปล่อยอนุภาคเป็นเกณฑ์ได้แก่

1. แบบไหลตามกัน

2. แบบไหลสวนกัน

3. แบบผสม

ลมร้อนจะทำการดึงน้ำอิสระในอนุภาคพ่นฝอยจนกระทั่งเข้าสู่่สภาวะสมดุล ตามหลักไซโครเมทริกส์ โดยจะมีอุณหภูมิที่ผิวละอองที่อุณหภูมิกระเปาะเปียกของอุณหภูมิอากาศแห้ง

3. การแยกอนุภาคผง กับมวลลมร้อนอิ่มตัว

สำหรับวิธีในการแยกอนุภาคผงออกจากการแยกผลิตภัณฑ์ที่ได้จากอากาศนั้น จะมีวิธีดังต่อไปนี้

1. แยกลมออกจากอนุภาคหนักกว่าด้วยไซโคลน

2. ใช้ Wet Scruber

3. ใช้ Bag filter

4. ใช้ Electrostatic Precipitator

หน้าตาตัวจริงของเครื่องทำแห้งแบบพ่นฝอย (Spray Dryer)

ยี่ห้อของเครื่องทำแห้งแบบพ่นฝอยที่ใช้ในบ้านเราก็มีหลายยี่ห้อนะครับ ถ้าเป็นในระดับ Lab Scale เท่าที่ผมจำได้ก็จะมี Buchi, Eyela, GEA Niro

souce buchi.co.uk

ซึ่งหลักการทำงานโดยรวมแล้วจะเหมือนกัน สำหรับราคาของเครื่องก็จะขึ้นอยู่กับออปชัน ในเรื่องความละเอียดในการปรับแต่งและความซับซ้อนของเครื่อง ดังนั้นในการที่จะซื้อมาใช้งาน สำหรับสถาบันการศึกษา ควรเลือกรุ่นที่มีออปชันปรับใช้งานได้เยอะๆไว้ก่อน เช่น ฟังก์ชันปรับอุณหภูมิและรวมไปถึงปริมาตรของลมร้อน, ฟังก์ชันปรับความเร็วลมร้อน, มีจุดเสียบสำหรับหัววัดอุณภูมิในตำแหน่งต่างๆ, มีระบบปรับอัตราการป้อนเข้าวัตถุดิบ เราจะได้มีอะไรไว้เล่นเยอะๆ เพราะส่วนใหญ่แล้วถ้าเป็นเครื่องที่ขายในระดับ Lab scale ก็ควรจะสามารถเซทค่าต่างๆในแบบดิจิตอลที่เที่ยงตรงกว่าแบบอนาลอก (ในกรณีที่การสอบเทียบสม่ำเสมอ)

source sithiphorn.com

เราจะเห็นนะครับว่าถ้าเป็นอุปกรณ์ทำแห้งแบบพ่นฝอยที่อยู่ตามห้องปฏิบัติการ ส่วนของหอทำแห้ง(Drying Chamber) และ ไซโคลน ส่วนใหญ่เลยจะขึ้นรูปด้วยแก้ว ซึ่งก็มีข้อดีตรงที่แก้วมันเป็นฉนวนความร้อน เวลานิสิตเอามือไปแตะๆจะไม่ร้อนเท่ากับชนิดที่ขึ้นรูปด้วยโลหะ แล้วในเวลาที่ปฏิบัติงานเราจะเห็นการเปลี่ยนสถานะของวัตถุดิบชัดเจนด้วย และข้อสำคัญในการเล่นของพวกนี้คือ มันแตกง่าย ดังนั้นเวลาถอดล้างถอดเช็ด อย่าประมาทเลินเล่อ แตกมามันไม่คุ้ม แล้วก็อย่าออกแรงขัดผนังด้านมากนัก เพราะว่าข้างในจะสารฉาบอยู่ด้วย

ส่วนถ้าเป็นของที่ใช้ในการทำงานตามโรงงาน ส่วนใหญ่หอทำแห้ง จะขึ้นรูปด้วยสแตนเลสสตีล ทำแยกชิ้นแล้วเชื่อมต่อกันเป็นชิ้นเดียว เนื่องจากข้อจำกัดของแก้ว ที่เปราะแตกง่าย ไม่สะดวกในการขนส่งทางไกล และต้นทุนการผลิตขึ้นรูปงานชิ้นใหญ่จะแพงกว่าการใช้สแตนเลสสตีล จากภาพด้านบนจะเห็นนะครับว่า ถ้าใช้วิธีเชื่อมแบบนี้ เราจะต่อหอทำแห้งให้ใหญ่อย่างไรก็ได้ตามที่เราออกแบบ

source pawana.tradeindia.com

สำหรับการทำงานกับเครื่องทำแห้งชนิดนี้ เราจะปฏิบัิติงานที่ระดับอุณหภูมิห้อง และความดันปกตินี่แหละครับ ซึ่งเราต้องแยกระหว่างความดันลมร้อน กับความดันปฏิบัติงานด้วยนะ

source http://www.aquatrans.ie/HeavyHaulage.htm

ข้างบนเป็นภาพการขนย้าย Drying Chamber ทางรถยนต์

การคำนวณพื้นฐาน

สำหรับสมการทั่่วไปที่ใช้ในการทำนายเรายังอาศัยหลักการง่ายๆของ สมดุลมวลสาร และสมดุลพลังงาน ประกอบกันนะครับ ดังนั้นเครื่องชั่งดิจิตอลจึงมีความจำเป็นในห้องปฏิบัติงาน เพื่อเอาไว้ประเมินประสิทธิภาพของการทำแห้ง รวมถึงคำนวณว่าอนุภาคผงที่ได้นั้น มี%ของแข็งโดยรวมเท่าไหร่ ตัวอย่างที่ผ่านการทำแห้งในรอบนั้น เพียงพอต่อคุณภาพที่เรากำหนดหรือไม่ จำเป็นต้องเอาไปอบต่อ หรือ เข้า wet scruber ต่อหรือเปล่า

สำหรับการทดลองแบบง่าย ก่อนทำการทดลองเราควรทราบปริมาณของแข็งโดยรวมของสารละลาย โดยอาจจะใช้รีแฟคโตมิเตอร์วัดก็ได้(เราจะทราบ %Total Solid) หรือ เอาตัวอย่างไปอบหาความชื้นก็ได้เหมือนกัน อย่าลืมชั่งน้ำหนักสารละลายด้วยนะครับ ที่ให้ชั่งน้ำหนักเพราะในการคำนวณเราจะใช้มวลมาประกอบการคำนวณ ไม่ใช่ปริมาตร ดังนั้นไม่ควรลักไก่ใช้ค่าปริมาตรแทนนะครับ สารละลายซูโครส 1kg มีน้ำหนักไม่เท่า น้ำ1kg นะจ๊ะ

โดยทั่วไปมวลที่เราสามารถวัดได้ง่ายๆคือ มวลของสารละลายที่เตรียมในตอนต้น และมวลของของอาหารผงในตอนท้าย ส่วนมวลลมร้อนขาเข้าและขาออกเป็นสิ่งที่วัดโดยตรงได้ยาก จะได้มาการคำนวณ แล้วถ้าโชคดีเครื่องของเราสามารถกำหนดปริมาตรลมเข้า หรือ กำหนดมวลลมเข้าได้ก็จะช่วยลดความยุ่งยากตรงนั้นได้เยอะ ซึ่งนี่คือสาเหตุที่ผมในช่วงแรกของบทความนี้ที่ว่าเวลาเลือกซื้อควรเลือกรุ่นที่มีออปชั่นปรับใช้งานเยอะๆ เพื่อรองรับความต้องการใช้งาน เผื่ออยากจะศึกษาพารามิเตอร์ ปัจจัยอื่นๆในอนาคต