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

Resumen Técnico: Modelado Matemático de la Cinética de Secado en Capa Delgada de Hojas de Matricaria pubescens

Planteamiento del Problema
Matricaria pubescens (Desf.) Sch.Bip., una planta medicinal nativa de las regiones áridas y semiáridas de Argelia, posee un valor fitoquímico significativo, incluyendo polifenoles, flavonoides y taninos condensados, que exhiben propiedades antioxidantes, antidiabéticas y antihipertensivas. Sin embargo, la planta se cosecha típicamente con un alto contenido de humedad, lo que hace que el secado rápido sea esencial para prevenir la contaminación microbiana y la degradación enzimática de los compuestos bioactivos. Si bien la fitoquímica de M. pubescens está bien documentada, existe una brecha crítica en la literatura con respecto a su cinética de secado. Sin protocolos de secado optimizados, la calidad y la eficacia terapéutica del material vegetal están en riesgo. Este estudio aborda la falta de datos sobre el comportamiento de secado de las hojas de M. pubescens, investigando específicamente la influencia de la temperatura y la velocidad del aire en la cinética de secado e identificando los modelos matemáticos más adecuados para la predicción del proceso.

Metodología
La investigación se llevó a cabo utilizando un túnel de viento de laboratorio (dispositivo tipo Gunt-Hambuer, CE130) bajo condiciones controladas. Hojas frescas de M. pubescens fueron recolectadas de la región de Bechar, Argelia, a principios de 2024. El contenido inicial de humedad fue de aproximadamente 4% (base seca).

El diseño experimental consistió en un enfoque de secado en capa delgada con las siguientes variables:

• Temperaturas: 30°C, 40°C y 50°C.
• Velocidades de Aire: 0.5 m/s, 1.0 m/s y 1.5 m/s.

El contenido de humedad se monitoreó continuamente mediante una balanza digital, realizando mediciones cada 10 segundos hasta alcanzar el equilibrio. El proceso de secado se analizó mediante la representación de la relación de humedad (MR) frente al tiempo, la velocidad de secado frente al tiempo y la velocidad de secado frente al contenido de humedad.

Para modelar la cinética de secado, se evaluaron siete modelos de secado en capa delgada (Newton, Page, Henderson y Pabis, Logarítmico, de dos términos, Wang y Singh, y Midilli y Kucuk) utilizando regresión no lineal (Curve Expert 1.6). La selección del modelo se basó en parámetros estadísticos: el coeficiente de determinación ($R^2$), el chi-cuadrado reducido ($\chi^2$) y el error cuadrático medio (RMSE).

Además, el estudio calculó la difusividad efectiva de la humedad ($D_{eff}$) utilizando la segunda ley de Fick para la difusión y determinó la energía de activación ($E_a$) mediante la ecuación de Arrhenius. También se empleó un enfoque de curva de secado característica (CDC) para derivar una ecuación polinómica para la velocidad de secado.

Resultos Clave

1. Comportamiento de Secado: El proceso de secado ocurrió enteramente en el periodo de velocidad decreciente, lo que indica que la difusión interna de la humedad es el paso limitante de la velocidad. El aumento de la temperatura del aire redujo significamente el tiempo total de secado; por ejemplo, a una velocidad constante de 1 m/s, elevar la temperatura de 30°C a 50°C redujo el tiempo de secado aproximadamente dos tercios. Por el contrario, las variaciones en la velocidad del aire (0.5 a 1.5 m/s) no tuvieron un efecto estadísticamente significativo en la cinética de secado o en la evolución de la humedad, lo que sugiere que la resistencia externa a la transferencia de masa es insignificante en comparación con la resistencia interna.
2. Selección de Modelos: Los siete modelos probados proporcionaron un ajuste satisfactorio a los datos experimentales, con valores de $R^2$ que oscilaron entre 0.970 y 0.999. Sin embargo, el modelo de Midilli y Kucuk fue identificado como el más apropiado para predecir las características de secado de M. pubescens, demostrando el $R^2$ más alto (hasta 0.9999) y los valores más bajos de $\chi^2$ y RMSE en todas las condiciones.
3. Difusividad y Energía de Activación: Los valores de la difusividad efectiva de la humedad ($D_{eff}$) oscilaron entre $2.29 \times 10^{-11}$ y $30.60 \times 10^{-11}$ m²/s. El $D_{eff}$ aumentó con la temperatura pero mostró una relación compleja con la velocidad del aire; específicamente, el $D_{eff}$ disminuyó a velocidades de aire más altas (1.0 y 1.5 m/s) en comparación con las velocidades más bajas a temperaturas elevadas. La energía de activación ($E_a$) calculada fue de 64.98 kJ/mol, 80.18 kJ/mol y 62.57 kJ/mol para velocidades de aire de 0.5, 1.0 y 1.5 m/s, respectivamente. La energía de activación relativamente alta de 80.18 kJ/mol observada a una velocidad de aire de 1.0 m/s indica que la cinética de secado es fuertemente dependiente de la temperatura y controlada por la difusión interna.
4. Curva de Secado Característica: El enfoque de la CDC correlacionó exitosamente la velocidad de secado normalizada con el contenido de humedad normalizado utilizando un polinomio de segundo grado, independiente de las condiciones específicas de secado.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar la primera evaluación sistemática de la cinética de secado de las hojas de Matricaria pubescens. Al establecer que el modelo de Midilli y Kucuk describe con precisión el proceso de secado y que la difusión interna es el mecanismo dominante, el estudio ofrece un marco fundamental para optimizar las condiciones de secado. Los autores sostienen que estos hallazgos son cruciales para estandarizar la preservación de esta planta medicinal, asegurando la retención de sus compuestos bioactivos y previniendo la degradación de la calidad durante el proceso de secado. La identificación de la temperatura como el principal motor de la eficiencia del secado, en lugar de la velocidad del aire, proporciona orientación práctica para las operaciones de secado a escala industrial y de laboratorio de esta especie.