بخشی از مقاله
انتشار فرایند اصلی در خشک شدن مواد مرطوب به حساب میآید که حرکت رطوبت، مانند پخش مایع، پخش بخار و جریان هیدرودینامیکی در جسم مرطوب در مرحلهی دوم خشک شدن صورت میگیرد که با استفاده از ضریب پخش موثر، انتقال آب در محصول قابل توصیف است و انرژی فعال سازی نیز حداقل انرژی لازم برای شروع فرایند خشک شدن است که تحت تاثیر ضریب پخش موثر و دمای خشک کردن قرار دارد. این دو پارامتر میتوانند در مدل سازیها و طراحی پروسههای خشک کردن و انتقال جرم مورد استفاده قرار گیرند.
خرمالو از میوههای زیست فعال به حساب میآید که به دلیل فصلی بودن در تمام سال در دسترس نیست، خشک کردن روشی است که میتواند ماندگاری محصول را افزایش دهد.به این منظور ورقههای نازک خرمالو با ضخامت 3 میلیمتر تحت پنج دمای 40، 50، 60، 70 و 80 درجه سیلسیوس با شدت جریان ثابت 2 متر بر ثانیه در خشک کن لایه نازک خشک شدند. مقدار ضریب پخش موثر با رسم نمودار لگاریتم طبیعی نسبت رطوبتی محصول به زمان خشک شدن، در تمام شرایط خشک شدن محاسبه شد که مقدار آن از 3/5802 10 - -8 - تا 7/4513 10 - -8 - مترمربع بر ثانیه به دست آمد. که با افزایش دما میزان ضریب پخش موثر نیز افزایش یافت و انرژی فعال سازی مورد نیاز 19/8247 کیلوژول بر مول به دست آمد.
واژههای کلیدی: خشک کردن لایه نازک، خرمالو، ضریب پخش موثر، انرژی فعال سازی
مقدمه
ضریب پخش رطوبت یکی از مشخصات محصولات کشاورزی است و مقدار آن بستگی به شرایط داخل ماده دارد. پخش رطوبت موثر، همه مکانیزم های ممکن حرکت رطوبت در ماده را توصیف می کند، مثل : پخش مایع، پخش بخار، پخش سطحی، جریان کاپیلاری و جریان هیدرودینامیکی. حرکت رطوبت که شامل پخش رطوبت در ماده جامد می باشد دارای فرآیند پیچیده ای است. دانستن درباره ضریب پخش رطوبت موثر برای طراحی و مدل سازی فرآیند انتقال جرم مانند آب زدایی، جذب سطحی و دفع رطوبت در طول انبارداری لازم می باشد . در میان برخوردهای متعدد میان ذره ها فقط تعداد محدودی منجر به انجام واکنش می شوند، زیرا همگی آن ها دارای انرژی کافی نیستند، در واقع انرژی ذره ها هنگام برخورد باید به حدی باشد که بتواند پیوندهای موجود میان مواد واکنش دهنده را سست کند.
این انرژی را انرژی فعال سازی گویند. در واقع انرژی فعال سازی مانند یک سد است که مانع انجام واکنش شده و باعث کندی انجام آن می شود. به بیان بهتر انرژی فعال سازی کمترین مقدار انرژی لازم برای شروع یک واکنش است.رفیعی و همکاران - - 2007در زمینه اثر شرایط خشک شدن بر روی پخش رطوبت و انرژی فعال سازی پرتقال رقم تامسون، به بررسی پرداختند. در این تحقیق ورقه های پرتقال در دمای 40، 50، 60، 70 و 80 درجه سلسیوس و با سرعت هوای 0/5، 1 و 2 متر بر ثانیه، خشک شدند. این عمل برای ورقه هایی به ضخامت 2، 4 و 6 میلی متر انجام گرفت. از مدل پخش فیک استفاده شد و در نهایت پخش موثر، ثابت پخش و نیز انرژی فعال سازی محاسبه شد و اثرات دما و سرعت و ضخامت ورقه ها بر روی این کمیت ها مشخص گردید.
آغباشلو و همکاران در زمینه اثر شرایط خشک شدن بر روی پخش رطوبت و انرژی فعال سازی زرشک، به بررسی پرداختند. آزمایش ها در دمای 50، 60 و70 درجه سلسیوس و با سرعت هوای ./5، ./7،1 و 2 متر بر ثانیه، انجام شد. بر اساس نتایج مقدار ضریب پخش موثر از 3/32 10 - -10 - تا 10 - -9 - 9 × متر بر مجذور ثانیه متغییر بود .کرزو و همکاران ضریب پخش موثر آب در ورقههای انبه در مراحل رشد در طول خشک شدن را مورد بررسی قرار داد. ضریب پخش موثر آب در ورقه-های سبز و نیمهرسیده انبه با متوسط ضخامت 3×10-3 متر در طول خشک کردن مورد بررسی قرار گرفت. خشک کردن در چهار درجه حرارت 50 ، 60 ، 70 ، 80 درجه سلسیوس و در دو سرعت جریان هوای 1/8 و 1/91 متر بر ثانیه انجام گرفت.
با استفاده از قانون دوم پخش فیک فرآیند خشک شدن مدل شد و یک راه حل تحلیل با فرض در نظر گرفتن برشهای انبه به صورت صفحه تخت بهدست آمد. روش رگرسیون غیرخطی به منظور ارزیابی ضریب نشر موثر آب در ورقههای انبه با به حداقل رساندن مربعکای، انحراف بین مقدار تجربی و رفتار مدل خشکشدن مورد بررسی قرار گرفت. ضریب نشر آب موثر آب به طور تقریبی برای انبههای سبز بین 3/28×10-10 تا2/30×10-10 متر مربع بر ثانیه بهدست آمد و برای انبههای نیمهرسیده بین 3/15×10- 10 تا 1/74 ×10-10 متر مربع بر ثانیه بهدست آمد. عموما ضریب پخش با افزایش درجه حرارت و سرعت جریان هوا افزایش مییابد.
وابستگی درجه حرارت به ضریب پخش رطوبت موثر صرف نظر از سرعت جریان هوا و مرحله رسیدگی میوه از رابطه آرهنیوس تبعیت میکند.ضریب - پخش در سرعت 1/8 متر بر ثانیه بسیار حساس نسبت به درجه حرارت بهدست آمد. برای انبههای نیمهرسیده انرژی فعالسازی 9/3 و برای انبههای سبز 22/3 کیلوژول بر مول بهدست آمد. در حالی که در سرعت 1/9 متر بر ثانیه ضریب پخش حساسیت کمتری نسبت به درجه حرارت نشان داد، که در این حالت برای انبههای رسیده 8/7 و برای انبههای سبز 11/4 کیلوژول بر مول بهدست آمد. در تحقیق حاضر نیز به بررسی اثر حرارت بر روی ضریب پخش رطوبت برای رقم کاکی خرمالو پرداختهشدهاست.
مواد و روش ها
خرمالوها درایران به تدریج از اواسط آذر تا اواخر دیماه برداشت میشوند. در این تحقیق از خرمالو رقم کاکی استفاده شد، که به صورت روزانه از میوه-فروشی در شهرستان کرج تهیه میگردید. خرید روزانه به منظور جلوگیری از بروز خطای ناشی از رسیدن و از دست دادن رطوبت نمونهها، ضروری به نظر رسید. تمام خرمالوهای استفادهشده، از نظر میزان رسیدگی، رنگ و سفتی مشابه هم به صورت تصادفی انتخاب میشدند . در این تحقیق، برای خشک کردن، خرمالوها پس از پاک کردن پوستشان، توسط یک دستگاه برش با ضخامتهای 3 میلیمتر برش داده شده و بروی سینی قرار داده شدند.سپس آزمایشها در پنج سطح دمایی 40، 50، 60، 70 و 80 درجه سیلسیوس و سرعت هوای ورودی 2.5 متر بر ثانیه با سه تکرار، برای ورقههای نازک خرمالو انجام شد.
خشک کردن تا زمان رسیدن رطوبت به رطوبت تعادلی و ثابت ماندن تغییرات وزن نمونهها ادامه یافت. در پایان هر آزمایش خرمالوها در داخل یک آون در دمای 70 درجه سلسیوس و به مدت 24 ساعت - مطابق - AOAC به منظور به دست آوردن محتوای رطوبتشان،قرار داده شدند. برای انجام آزمایش ها، از یک خشککن لایه نازک آزمایشگاهی ساخته شده در گروه مهندسی ماشینهای کشاورزی دانشگاه تهران استفاده شد، حسگرهای دما در سه نقطه ابتدا و انتهای سینی نمونه و یک نقطه در دمای محیط، محفظه خشک کن و محفظه روشنایی و تصویر برداری است. اندازهگیری بدون وقفه وزن نمونه ها توسط یک حسگر خمشی نیرو1 با دقت 0/001 گرم و قابلیت اندازهگیری وزن تا سه کیلوگرم انجام پذیرفت.
روش محاسبه ضریب پخش موثر و انرژی فعالسازی:قانون دوم پخش فیک، به طور وسیعی برای توصیف فرایند خشک کردن در طول کاهش نرخ رطوبت برای اکثر مواد بیولوژیکی مورد استفاده قرار می-گیرد، که معادلهی آن در زیر نشان دادهشدهاست - رفیعی و همکاران، : - 1386که در آن، D ضریب پخش رطوبت موثر - m/s2 - ، M محتوی رطوبت - kg water/kg dry solid - ،t زمان - s - میباشد.D نشان دهنده قسمت هدایت در تمام مکانیزمهای انتقال رطوبت است. این پارامتر معمولا از منحنیهای خشک کردن آزمایشگاهی تعیین میشود. بیشترین فرض در تعیین این پارامتر این است که خشک کردن به انتقال فقط جرم محدود میشود و نیز فرایند خشک کردن به صورت ایزوترم - همدما - در تمام نمونهها اتفاق میافتد. رابطه بین دما و ضریب پخش موثر در معادله زیر نشان داده شدهاست:که در آن:
:D ثابت ضریب پخش - m/s2 - :Ea انرژی فعال سازی kJ/mol
:R ثابت جهانی گازها - - 8.314 kJ/mol K :Ta دمای مطلق هوا - - K
انرژی فعالسازی از طریق نمودار lnD در مقابل - 1/T - به دست میآید. دمای استفاده شده در معادله فوق دمای محصور شده در محیط خشک کردن میباشد بنابراین میباید فرض همدما بودن هم در پخش موثر و هم در انرژی فعالسازی مد نظر قرار گیرد.ورقههای خرمالو باید به صورت باریکههای نامحدود مورد بررسی قرار گیرند زیرا ضخامت این ورقهها 3 - میلی متر - در برابر قطر میوه بسیار کوچک می باشد.پخش رطوبت برای باریکه نامحدود توسط معادله زیر محاسبه میشود که توسط کرانک پیشنهاد شده است و فرضهایی این معادله به شرح زیر است: -رطوبت در ابتدا به صورت یکنواخت درون جرم نمونه پخش می شود.
-انتقال جرم به صورت منظم به طرف مرکز انجام میگیرد.
-محتوی رطوبت سطحی نمونه، با شرایط هوای محیط به تعادل می رسد.
-مقاومت سطح نمونه در برابر انتقال جرم تفاوت قابل اغماضی با مقاومت داخلی آن دارد. -انتقال جرم فقط با پخش انجام میگیرد.
- ضریب پخش ثابت میباشد و افت آن قابل چشم پوشی است.
که در آن:
:MR نسبت رطوبت :L ضخامت ورقهها - m - :nعدد صحیح مثبت فقط اولین جمله معادله بالا برای زمانهای طولانی خشک کردن، استفاده میشود:ضریب k. با رسم منحنی - LnMR - در مقابل زمان، مطابق معادله زیر محاسبه میشود - رفیعی و همکاران. : - 1386نتیجه و بحث ضریب پخش رطوبت موثر برای خرمالو رقم کاکی محاسبه شد. که در جدول زیر نمایش دادهشدهاست.
