Mathematical modelling of thin-layer drying kinetics of Matricaria pubescens leaves

Technische Zusammenfassung: Mathematische Modellierung der Dünnschichttrocknungskinetik von Matricaria pubescens-Blättern

Problemstellung
Matricaria pubescens (Desf.) Sch.Bip., eine in ariden und semiariden Regionen Algeriens heimische Heilpflanze, besitzt einen signifikanten phytochemischen Wert, einschließlich Polyphenole, Flavonoide und kondensierte Tannine, die antioxidative, antidiabetische und antihypertensive Eigenschaften aufweisen. Die Pflanze wird jedoch typischerweise mit einem hohen Feuchtigkeitsgehalt geerntet, weshalb eine schnelle Trocknung entscheidend ist, um mikrobielle Kontamination und den enzymatischen Abbau bioaktiver Verbindungen zu verhindern. Während die Phytochemie von M. pubescens gut dokumentiert ist, besteht eine kritische Lücke in der Literatur hinsichtlich seiner Trocknungskinetik. Ohne optimierte Trocknungsprotokolle sind die Qualität und die therapeutische Wirksamkeit des Pflanzenmaterials gefährdet. Diese Studie adressiert den Mangel an Daten zum Trocknungsverhalten von M. pubescens-Blättern, indem sie insbesondere den Einfluss von Lufttemperatur und -geschwindigkeit auf die Trocknungskinetik untersucht und die am besten geeigneten mathematischen Modelle zur Prozessvorhersage identifiziert.

Methodik
Die Forschungsarbeit wurde unter Verwendung eines Labor-Windkanals (Gunt-Hambuer-Typ Gerät, CE130) unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt. Frische M. pubescens-Blätter wurden Anfang zig 2024 aus der Region Bechar in Algerien geerntet. Der anfängliche Feuchtigkeitsgehalt betrug etwa 4 % (bezogen auf die Trockenmasse).

Das Versuchsdesign beinhaltete einen Dünnschichttrocknungsansatz mit den folgenden Variablen:

• Temperaturen: 30 °C, 40 °C und 50 °C.
• Luftgeschwindigkeiten: 0,5 m/s, 1,0 m/s und 1,5 m/s.

Der Feuchtigkeitsgehalt wurde kontinuierlich mittels einer Digitalwaage überwacht, wobei die Messungen in 10-Sekunden-Intervallen durchgeführt wurden, bis das Gleichgewicht erreicht war. Der Trocknungsprozess wurde durch das Plotten des Feuchtigkeitsverhältnisses (MR) gegen die Zeit, der Trocknungsrate gegen die Zeit und der Trocknungsrate gegen den Feuchtigkeitsgehalt analysiert.

Um die Trocknungskinetik zu modellieren, wurden sieben Dünnschichttrocknungsmodelle (Newton, Page, Henderson und Pabis, Logarithmisch, Zwei-Term-Modell, Wang und Singh sowie Midilli und Kucuk) mittels nichtlinearer Regression (Curve Expert 1.6) evaluiert. Die Modellauswahl basierte auf statistischen Parametern: dem Bestimmtheitsmaß ($R^2$), dem reduzierten Chi-Quadrat ($\chi^2$) und dem quadratischen Mittelwertfehler (RMSE).

Darüber hinaus berechnete die Studie die effektive Feuchtigkeitsdiffusivität ($D_{eff}$) unter Verwendung des zweiten Fickschen Diffusionsgesetzes und bestimmte die Aktivierungsenergie ($E_a$) über die Arrhenius-Gleichung. Ein Ansatz der charakteristischen Trocknungskurve (CDC) wurde ebenfalls angewandt, um eine polynomielle Gleichung für die Trocknungsrate abzuleiten.

Wesentliche Ergebnisse

1. Trocknungsverhalten: Der Trocknungsprozess fand vollständig in der fallenden Rate statt, was darauf hindeutet, dass die interne Feuchtigkeitsdiffusion der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist. Eine Erhöhung der Lufttemperatur reduzierte die gesamte Trocknungszeit signifikant; so reduzierte beispielsweise bei einer konstanten Geschwindigkeit von 1 m/s die Erhöhung der Temperatur von 30 °C auf 50 °C die Trocknungszeit um etwa zwei Drittel. Umgekehrt hatten Variationen der Luftgeschwindigkeit (0,5 bis 1,5 m/s) keinen statistisch signifikanten Effekt auf die Trocknungskinetik oder die Feuchtigkeitsentwicklung, was darauf hindeutet, dass der externe Stofftransportwiderstand im Vergleich zum internen Widerstand vernachlässigbar ist.
2. Modellauswahl: Alle sieben getesteten Modelle lieferten eine zufriedenstellende Anpassung an die experimentellen Daten, mit $R^2$-Werten zwischen 0,970 und 0,999. Das Midilli-und-Kucuk-Modell wurde jedoch als das am besten geeignete Modell zur Vorhersage der Trocknungseigenschaften von M. pubescens identifiziert, da es das höchste $R^2$ (bis zu 0,9999) sowie die niedrigsten $\chi^2$- und RMSE-Werte über alle Bedingungen hinweg aufwies.
3. Diffusivität und Aktivierungsenergie: Die Werte der effektiven Feuchtigkeitsdiffusivität ($D_{eff}$) reichten von $2,29 \times 10^{-11}$ bis $30,60 \times 10^{-11}$ m²/s. $D_{eff}$ stieg mit der Temperatur an, zeigte jedoch eine komplexe Beziehung zur Luftgeschwindigkeit; insbesondere sank $D_{eff}$ bei höheren Luftgeschwindigkeiten (1,0 und 1,5 m/s) im Vergleich zu niedrigeren Geschwindigkeiten bei erhöhten Temperaturen. Die Aktivierungsenergie ($E_a$) wurde mit 64,98 kJ/mol, 80,18 kJ/mol und 62,57 kJ/mol für die Luftgeschwindigkeiten 0,5 m/s, 1,0 m/s bzw. 1,5 m/s berechnet. Die relativ hohe Aktivierungsenergie von 80,18 kJ/mol, die bei einer Luftgeschwindigkeit von 1,0 m/s beobachtet wurde, deutet darauf hin, dass die Trocknungskinetik stark temperaturabhängig ist und durch interne Diffusion gesteuert wird.
4. Charakteristische Trocknungskurve: Der CDC-Ansatz korrelierte die normierte Trocknungsrate erfolgreich mit dem normierten Feuchtigkeitsgehalt mittels eines Polynoms zweiten Grades, unabhängig von spezifischen Trocknungsbedingungen.

Bedeutung und Ansprüche
Die Arbeit beansprucht, die erste systematische Bewertung der Trocknungskinetik von Matricaria pubescens-Blättern bereitzustellen. Durch die Feststellung, dass das Midilli-und-Kucuk-Modell den Trocknungsprozess genau beschreibt und dass die interne Diffusion der dominante Mechanismus ist, bietet die Studie einen grundlegenden Rahmen für die Optimierung der Trocknungsbedingungen. Die Autoren behaupten, dass diese Erkenntnisse entscheidend für die Standardisierung der Konservierung dieser Heilpflanze sind, um die Aufbewahrung ihrer bioaktiven Verbindungen zu gewährleisten und eine Qualitätsminderung während des Trocknungsprozesses zu verhindern. Die Identifizierung der Temperatur als primären Treiber der Trocknungseffizienz, statt der Luftgeschwindigkeit, liefert praktische Orientierungshilfen für industrielle und laborgestützte Trocknungsvorgänge dieser Art.