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

तकनीकी सारांश: Matricaria pubescens की पत्तियों के पतली-परत सुखाने की गतिशीलता का गणितीय मॉडलिंग

समस्या विवरण
अल्जीरिया के शुष्क और अर्ध-शुष्क क्षेत्रों के मूल निवासी एक औषधीय पौधे, Matricaria pubescens (Desf.) Sch.Bip., में महत्वपूर्ण फाइटोकेमिकल मूल्य है, जिसमें पॉलीफेनोल्स, फ्लेवोनोइड्स और संघनित टैनिन शामिल हैं, जो एंटीऑक्सीडेंट, मधुमेह-रोधी और उच्च रक्तचाप-रोधी गुण प्रदर्शित करते हैं। हालाँकि, इस पौधे की कटाई आमतौर पर उच्च नमी सामग्री के साथ की जाती है, जिससे सूक्ष्मजीव संदूषण और बायोएक्टिव यौगिकों के एंजाइमेटिक क्षरण को रोकने के लिए तीव्र सुखाना आवश्यक हो जाता है। जबकि M. pubescens के फाइटोकेमिस्ट्री का अच्छी तरह से दस्तावेजीकरण किया गया है, इसके सुखाने की गतिशीलता (drying kinetics) के संबंध में साहित्य में एक महत्वपूर्ण अंतराल मौजूद है। अनुकूलित सुखाने के प्रोटोकॉल के बिना, पौधे की गुणवत्ता और चिकित्सीय प्रभावकारिता जोखिम में पड़ सकती है। यह अध्ययन M. pubescens के सुखाने के व्यवहार के डेटा की कमी को संबोधित करता है, विशेष रूप से वायु तापमान और वेग के प्रभाव की जांच करता है और प्रक्रिया भविष्यवाणी के लिए सबसे उपयुक्त गणितीय मॉडल की पहचान करता है।

कार्यप्रणाली
यह शोध नियंत्रित परिस्थितियों में एक प्रयोगशाला विंड टनल (Gunt-Hambuer-प्रकार का उपकरण, CE130) का उपयोग करके आयोजित किया गया था। ताजी M. pubescens की पत्तियां 2024 की शुरुआत में अल्जीरिया के बेचर क्षेत्र से एकत्र की गई थीं। प्रारंभिक नमी की मात्रा लगभग 4% (शुष्क आधार पर) थी।

प्रायोगिक डिजाइन में एक पतली-परत सुखाने का दृष्टिकोण अपनाया गया जिसमें निम्नलिखित चर (variables) शामिल थे:

• तापमान: 30°C, 40°C, और 50°C।
• वायु वेग: 0.5 m/s, 1.0 m/s, और 1.5 m/s।

नमी की मात्रा की निगरानी निरंतर एक डिजिटल बैलेंस का उपयोग करके की गई, जिसमें संतुलन प्राप्त होने तक प्रत्येक 10 सेकंड के अंतराल पर माप लिया गया। सुखाने की प्रक्रिया का विश्लेषण नमी अनुपात (MR) बनाम समय, सुखाने की दर बनाम समय, और सुखाने की दर बनाम नमी की मात्रा के विरुद्ध प्लॉट करके किया गया।

सुखाने की गतिशीलता को मॉडल करने के लिए, सात पतली-परत सुखाने वाले मॉडलों (न्यूटन, पेज, हेंडरसन और पैबिस, लॉगरिदमिक, टू-टर्म, वांग और सिंह, तथा मिडिल्ली और कुचुक) का गैर-रेखीय प्रतिगमन (Non-linear regression - Curve Expert 1.6) का उपयोग करके मूल्यांकन किया गया। मॉडल चयन सांख्यिकीय मापदंडों के आधार पर किया गया था: निर्धारण गुणांक ($R^2$), रिड्यूस्ड ची-स्क्वायर ($\chi^2$), और रूट मीन स्क्वायर एरर (RMSE)।

इसके अलावा, इस अध्ययन में फिक के दूसरे प्रसार नियम (Fick's second law of diffusion) का उपयोग करके प्रभावी नमी विसरणशीलता ($D_{eff}$) की गणना की गई और अरहेनियस समीकरण (Arrhenius equation) के माध्यम से सक्रियण ऊर्जा ($E_a$) निर्धारित की गई। एक विशिष्ट सुखाने वक्र (CDC) दृष्टिकोण का भी उपयोग सुखाने की दर के लिए एक बहुपद समीकरण प्राप्त करने के लिए किया गया था।

प्रमुख परिणाम

1. सुखाने का व्यवहार: सुखाने की प्रक्रिया पूरी तरह से गिरती दर (falling rate period) के चरण में हुई, जो यह दर्शाता है कि आंतरिक नमी विसरण (internal moisture diffusion) ही दर-सीमित करने वाला चरण है। वायु तापमान बढ़ाने से कुल सुखाने के समय में उल्लेखनीय कमी आई; उदाहरण के लिए, 1 m/s के स्थिर वेग पर, तापमान को 30°C से बढ़ाकर 50°C करने से सुखाने के समय में लगभग दो-तिहाई की कमी आई। इसके विपरीत, वायु वेग (0.5 से 1.5 m/s) में भिन्नता का सुखाने की गतिशीलता या नमी के विकास पर कोई सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण प्रभाव नहीं पड़ा, जो यह सुझाव देता है कि आंतरिक प्रतिरोध की तुलना में बाहरी द्रव्यमान स्थानांतरण प्रतिरोध नगण्य है।
2. मॉडल चयन: परीक्षण किए गए सातों मॉडलों ने प्रायोगिक डेटा के साथ संतोषजनक फिट प्रदान किया, जिसमें $R^2$ मान 0.970 से 0.999 के बीच थे। हालाँकि, मिडिल्ली और कुचुक मॉडल को M. pubescens के सुखाने के गुणों की भविष्यवाणी करने के लिए सबसे उपयुक्त पाया गया, जिसने सभी स्थितियों में उच्चतम $R^2$ (0.9999 तक) और सबसे कम $\chi^2$ और RMSE मान प्रदर्शित किए।
3. विसरणशीलता और सक्रियण ऊर्जा: प्रभावी नमी विसरणशीलता ($D_{eff}$) का मान $2.29 \times 10^{-11}$ से $30.60 \times 10^{-11}$ m²/s के बीच था। $D_{eff}$ तापमान के साथ बढ़ा लेकिन वायु वेग के साथ एक जटिल संबंध दिखाया; विशेष रूप से, उच्च तापमान पर उच्च वायु वेग (1.0 और 1.5 m/s) पर $D_{eff}$ कम वेग की तुलना में कम हो गया। वायु वेग 0.5, 1.0, और 1.5 m/s के लिए क्रमशः 64.98 kJ/mol, 80.18 kJ/mol, और 62.57 kJ/mol की सक्रियण ऊर्जा ($E_a$) की गणना की गई। 1.0 m/s के वायु वेग पर देखी गई अपेक्षाकृत उच्च सक्रियण ऊर्जा (80.18 kJ/mol) यह दर्शाती है कि सुखाने की गतिशीलता अत्यधिक तापमान-निर्भर है और आंतरिक विसरण द्वारा नियंत्रित होती है।
4. विशिष्ट सुखाने वक्र (CDC): CDC दृष्टिकोण ने विशिष्ट सुखाने की स्थितियों से स्वतंत्र, सामान्यीकृत नमी सामग्री के साथ सामान्यीकृत सुखाने की दर को द्वितीय-घात बहुपद (second-degree polynomial) का उपयोग करके सफलतापूर्वक सह-संबंधित किया।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र Matricaria pubescens की पत्तियों की सुखाने की गतिशीलता के पहले व्यवस्थित मूल्यांकन का दावा करता है। यह स्थापित करके कि मिडिल्ली और कुचुक मॉडल सुखाने की प्रक्रिया का सटीक वर्णन करता है और आंतरिक विसरण मुख्य तंत्र है, यह अध्ययन इस औषधीय पौधे के अनुकूलन के लिए एक आधारभूत ढांचा प्रदान करता है। लेखक दावा करते हैं कि ये निष्कर्ष इस औषधीय पौधे के संरक्षण को मानकीकृत करने, इसके बायोएक्टिव यौगिकों को बनाए रखने सुनिश्चित करने और सुखाने की प्रक्रिया के दौरान गुणवत्ता के क्षरण को रोकने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण हैं। वायु वेग के बजाय तापमान को सुखाने की दक्षता का प्राथमिक चालक के रूप में पहचानना, इस प्रजाति के औद्योगिक और प्रयोगशाला-स्तर के सुखाने के कार्यों के लिए व्यावहारिक मार्गदर्शन प्रदान करता है।