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Experimental and Multiphysics Simulation Study of Electrohydrodynamic Drying of Yellow Carrots

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि 34 kV पर पीले गाजरों का इलेक्ट्रोहाइड्रोडायनामिक सुखाना, परिवेशी-वायु सुखाने की तुलना में सुखाने की दर और उत्पाद की गुणवत्ता को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है, जो मल्टीफिजिक्स सिमुलेशन द्वारा समर्थित एक निष्कर्ष है जो वोल्टेज-चालित आयनिक पवन और नमी के प्रवास के तंत्र को स्पष्ट करता है।

मूल लेखक: Wenjie Cao, Zhiqing Song, Xueru Zhu, Changjiang Ding, Chunxu Qin, Liqiang Liu

प्रकाशित 2026-08-08

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Wenjie Cao, Zhiqing Song, Xueru Zhu, Changjiang Ding, Chunxu Qin, Liqiang Liu

मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आप फल का एक टुकड़ा सुखाने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन आप चाहते हैं कि यह ताज़ा, चमकीला और विटामिनों से भरपूर बना रहे, न कि एक झुर्रीदार, भूरे और पोषक तत्वों से रहित चिप्स में बदल जाए। यह खाद्य वैज्ञानिकों का दैनिक संघर्ष है। आमतौर पर, हमारे पास दो बुरे विकल्प होते हैं: सूरज और हवा को काम करने दें (जिसमें बहुत समय लगता है और कीटाणु अंदर जा सकते हैं), या इसे गर्म हवा के झोंके से सुखाएं (जो पोषक तत्वों को पका देता है और बनावट को खराब कर देता है)। यहाँ एक तीसरा, अधिक विचित्र विकल्प आता है: अदृश्य विद्युत बलों का उपयोग करके चीजों को सुखाना। इस क्षेत्र को इलेक्ट्रोहाइड्रोडायनामिक्स (EHD) कहा जाता है। इसे इस तरह सोचें: यदि आप अपने बालों पर गुब्बारे को रगड़ते हैं, तो आप स्थिर बिजली (static electricity) पैदा करते हैं जो आपके बालों को खड़ा कर सकती है। इस विज्ञान में, शोधकर्ता एक समान "स्थिर" धक्के का उपयोग करते हैं, लेकिन बालों के बजाय, वे हवा के अणुओं को धकेलते हैं। जब नुकीली सुइयों पर उच्च वोल्टेज लगाया जाता है, तो यह आवेशित कणों (आयनों) से बनी एक "हवा" बनाता है जो भोजन के ऊपर से बहती है। यह वह पंखा नहीं है जिसे आप सुन सकें; यह एक शांत, विद्युत समीर है जो भोजन को गर्म किए बिना नमी को हटा देती है। बड़ा सवाल जो वैज्ञानिक पूछ रहे हैं: क्या हम इस अदृश्य विद्युत हवा को सूरज से तेज़, एक गर्म ओवन से बेहतर और भोजन के भीतर सभी अच्छी चीजों को सुरक्षित रखते हुए सुखाने के लिए ट्यून कर सकते हैं?

इनर मंगोलिया यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इसे पीली गाजरों पर आज़माने का फैसला किया, जो एक कुरकुरी जड़ वाली सब्जी है और आंखों की रक्षा करने वाले कैरोटीनॉयड नामक पोषक तत्वों से भरपूर है। उन्होंने नुकीली धातु की सुइयों वाली छत और धातु की प्लेटों वाले फर्श के साथ एक सुखाने वाला चैंबर तैयार किया। उन्होंने गाजर के टुकड़ों को फर्श पर रखा और तीन अलग-अलग स्तरों पर बिजली चालू की: 26, 30, और 34 किलोवोल्ट (kV)। यह समझने के लिए कि वास्तव में क्या हो रहा था, उन्होंने केवल गाजर को सूखते हुए नहीं देखा; बल्कि उन्होंने एक जटिल कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया जो प्रयोग के डिजिटल जुड़वां (digital twin) के रूप में कार्य करता था। यह सिमुलेशन अदृश्य विद्युत क्षेत्रों, आवेशित कणों की गति और परिणामी "आयनिक हवा" को ट्रैक करता था ताकि यह देखा जा सके कि वे गाजर से पानी को कैसे बाहर धकेलते हैं।

परिणाम विद्युत हवा की स्पष्ट जीत थे। सामान्य कमरे की हवा में गाजर को सूखने देने की तुलना में, EHD विधि एक गेम-चेंजर साबित हुई। उच्चतम सेटिंग 34 kV पर, सूखने का समय आधे से अधिक कम हो गया, जो बहुत लंबे समय तक खिंचने के बजाय लगभग 8 घंटों में पूरा हो गया। सूखने की गति लगभग 2.4 गुना बढ़ गई। लेकिन यह केवल गति के बारे में नहीं था; इसकी गुणवत्ता भी आश्चर्यजनक रूप से अच्छी थी। 34 kV पर सूखी गाजरों ने अन्य समूहों की तुलना में अपना चमकीला पीला रंग बहुत बेहतर बनाए रखा और वास्तव में अपने मूल्यवान कैरोटीनॉयड को भी बरकरार रखा—जो लगभग 0.14 मिलीग्राम प्रति ग्राम तक पहुँच गया, जो किसी भी समूह में पाया गया उच्चतम स्तर था। यहाँ तक कि "पुनर्जलीकरण अनुपात" (rehydration ratio), जो इस बात का माप है कि सूखी गाजर पानी को कितनी अच्छी तरह से फिर से सोख सकती है (एक संकेत कि उसकी आंतरिक संरचना नष्ट नहीं हुई है), 34 kV पर सबसे अच्छा था, जो लगभग 3.7 तक पहुँच गया।

कंप्यूटर सिमुलेशन ने इस "जादू" के पीछे के "क्यों" को समझाने में मदद की। उन्होंने दिखाया कि जैसे-जैसे वोल्टेज बढ़ता है, विद्युत क्षेत्र मजबूत होता जाता है, जिससे आवेशित कणों की एक घनी भीड़ बन जाती है। यह भीड़ अधिक जोर से धक्का देती है, जिससे एक तेज़ आयनिक हवा पैदा होती है जो गाजर की सतह पर मौजूद नम हवा की परत को बहा ले जाती है, जिससे नमी तेजी से बाहर निकल पाती है। सिमुलेशन ने यह भी खुलासा किया कि हवा समान रूप से नहीं चलती है। क्योंकि कई सुइयां एक ग्रिड में व्यवस्थित थीं, इसलिए हवा ने तेज़ और धीमी ज़ोन का एक ऊबड़-खाबड़, लयबद्ध पैटर्न बनाया, जो एक विशिष्ट लय में चलने वाले छोटे, अदृश्य पंखों की एक श्रृंखला की तरह था। हालांकि कंप्यूटर मॉडल ने हवा की सटीक गति को थोड़ा बढ़ा-चढ़ाकर दिखाया, लेकिन यह वास्तविक दुनिया के रुझान से पूरी तरह मेल खाता था: उच्च वोल्टेज का अर्थ था तेज़ हवा और तेज़ सुखाना।

हालाँकि, शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि "अधिक शक्ति" हमेशा पूर्णता की सीधी रेखा नहीं होती है। सबसे कम वोल्टेज (26 kV) पर, सुखाने की प्रक्रिया धीमी थी, और आश्चर्यजनक रूप से, कैरोटीनॉयड की मात्रा प्राकृतिक रूप से हवा में सूखी गाजरों से भी कम हो गई। यह सुझाव देता है कि एक कमजोर विद्युत क्षेत्र गाजर को ऑक्सीकरण से बचाने के लिए पर्याप्त तेज़ी से सुखाने में सक्षम नहीं है, या शायद कम वोल्टेज पर विशिष्ट स्थितियों ने ऐसी प्रतिक्रियाशील रसायन पैदा किए जिन्होंने पोषक तत्वों को नुकसान पहुँचाया। "स्वीट स्पॉट" (सही संतुलन) 34 kV निकला। इस स्तर पर, विद्युत हवा नमी को तेजी से हटाने के लिए पर्याप्त मजबूत थी, जिससे पोषक तत्वों के हवा के संपर्क में रहने का समय कम हो गया, बिना उस संरचनात्मक क्षति के जो उच्च वोल्टेज पर हो सकती थी (जिसे टीम ने बिजली के स्पार्क्स को रोकने के लिए टाल दिया था)।

अंत में, यह अध्ययन बताता है कि वोल्टेज को ट्यून करना महत्वपूर्ण है। आप केवल अधिकतम शक्ति चालू करके और बेहतर होने की उम्मीद नहीं कर सकते; आपको विशिष्ट भोजन के लिए सही संतुलन खोजना होगा। पीली गाजर के लिए, 34 kV स्वर्ण सेटिंग थी, जो एक ऐसी सुखाने की प्रक्रिया प्रदान करती है जो तेज़, ऊर्जा-कुशल और सब्जी के रंग, बनावट और पोषण संबंधी शक्ति को संरक्षित करने के लिए पर्याप्त कोमल थी। शोधकर्ताओं ने सुखाने का वर्णन करने के लिए एक "टू-टर्म" (Two-term) गणितीय मॉडल का उपयोग किया, जो यह सुझाव देता है कि यह प्रक्रिया दो अलग-अलग चरणों में होती है: एक त्वरित प्रारंभिक चरण जहाँ सतह के पानी को विद्युत हवा द्वारा तेजी से हटाया जाता है, उसके बाद एक धीमा चरण जहाँ गाजर के गहरे हिस्से से पानी बाहर की ओर आता है। यह पुष्टि करता है कि विद्युत हवा सतह पर भारी काम कर रही है, जबकि गाजर की अपनी आंतरिक संरचना बाकी काम संभालती है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह गैर-तापीय, विद्युत हवा विधि भोजन को कुशलतापूर्वक सुखाने और उसे स्वस्थ और स्वादिष्ट बनाए रखने का एक आशाजनक तरीका है, बशर्ते कि विशिष्ट भोजन के लिए वोल्टेज को सावधानीपूर्वक अनुकूलित किया जाए।

तकनीकी सारांश: पीले गाजर के इलेक्ट्रोहाइड्रोडायनामिक सुखाने का प्रयोगात्मक और मल्टीफिजिक्स सिमुलेशन अध्ययन

समस्या विवरण
पीले गाजर (Daucus carota subsp. sativus) ल्यूटिन और $\alpha$ -कैरोटीन से भरपूर होते हैं, जो रेटिनल स्वास्थ्य के लिए आवश्यक पोषक तत्व हैं, लेकिन उनकी उच्च नमी सामग्री भंडारण के दौरान उन्हें खराब होने के प्रति संवेदनशील बनाती है। पारंपरिक सुखाने की विधियाँ कुछ समझौतों के साथ आती हैं: प्राकृतिक सुखाना धीमा है और इसमें सूक्ष्मजीव संदूषण का जोखिम रहता है, जबकि गर्म-वायु सुखाना प्रक्रिया को तेज करता है लेकिन अक्सर ताप-संवेदनशील पोषक तत्वों और सूक्ष्म संरचना को नुकसान पहुँचाता है। यद्यपि इलेक्ट्रोहाइड्रोडायनामिक (EHD) सुखाना एक आशाजनक गैर-तापीय विकल्प है जो द्रव्यमान स्थानांतरण (mass transfer) को बढ़ाने के लिए आयनिक पवन (ionic wind) का उपयोग करता है, गैर-समान विद्युत क्षेत्रों, आयनिक पवन गतिशीलता, सुखाने की गतिशीलता और अंतिम उत्पाद की गुणवत्ता के बीच मात्रात्मक संबंध अभी भी अपर्याप्त रूप से समझा गया है। विशेष रूप से, एरे-स्तरीय उत्सर्जक अंतःक्रियाओं (array-level emitter interactions), स्थानिक वायु प्रवाह वितरण और वोल्टेज अनुकूलन को पीले गाजर में कैरोटीनॉयड जैसे विशिष्ट बायोएक्टिव यौगिकों के प्रतिधारण (retention) से जोड़ने वाले एकीकृत अध्ययनों का अभाव है।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में पीले गाजर के स्लाइस (30 मिमी व्यास, 3 मिमी मोटाई) के EHD सुखाने की जांच करने के लिए एक संयुक्त प्रयोगात्मक और संख्यात्मक दृष्टिकोण का उपयोग किया गया।

प्रयोगात्मक सेटअप: एक मल्टी-नीडल इलेक्ट्रोड एरे (7 $\times$ 14 सुइयां, कुल 98) का उपयोग किया गया, जिसमें 10 सेमी की दूरी पर एक ग्राउंडेड प्लेट इलेक्ट्रोड था। सुखाने की प्रक्रिया 26, 30, और 34 kV के लागू वोल्टेज पर की गई, जिसकी तुलना पैसिव एम्बिएंट-एयर ड्राइंग (AD) कंट्रोल ग्रुप से की गई।
मल्टीफिजिक्स सिमुलेशन: COMSOL Multiphhesics 5.6 का उपयोग करके एक युग्मित इलेक्ट्रोस्टैटिक–स्पेस-चार्ज-ट्रांसपोर्ट–लैमिनार-फ्लो मॉडल विकसित किया गया। मॉडल ने स्वतंत्र संचालन का अनुमान लगाने के बजाय पड़ोसी उत्सर्जकों के बीच की अंतःक्रियाओं को ध्यान में रखते हुए विद्युत क्षमता, स्पेस-चार्ज घनत्व और वायु प्रवाह वेग को एक साथ हल किया।
विशेष लक्षण (Characterization): मुख्य मेट्रिक्स में सुखाने की गतिशीलता (नमी अनुपात, सुखाने की दर), प्रभावी नमी विसरणशीलता ( $D_{eff}$ ), पुनर्जलीकरण अनुपात (rehydration ratio), रंग पैरामीटर ( $L^*, a^*, b^*, \Delta E$ ), कैरोटीनॉयड सामग्री और FTIR स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से प्रोटीन माध्यमिक संरचना शामिल थी। सिमुलेशन के सत्यापन के लिए हॉट-वायर एनेमोमीटर का उपयोग करके आयनिक पवन वेग को मापा गया।

प्रमुख योगदान

एकीकृत यांत्रिक अंतर्दृष्टि: यह अध्ययन वोल्टेज-निर्भर विद्युत क्षेत्र तीव्रता, स्पेस-चार्ज संचय और परिणामी आयनिक पवन वेग के बीच एक सीधा संबंध स्थापित करता है, यह प्रदर्शित करता है कि कैसे ये कारक सामूहिक रूप से बाहरी द्रव्यमान स्थानांतरण और आंतरिक नमी प्रवास को बढ़ाते हैं।
एरे-स्तरीय सिमुलेशन: एकल उत्सर्जकों पर केंद्रित पिछले अध्ययनों के विपरीत, यह कार्य एक 7 $\times$ 14 नीडल एरे का मॉडल बनाता है, जो आयनिक पवन जेट के आवधिक स्थानिक परिवर्तन और अंतःक्रिया को कैप्चर करता है, जिससे पता चलता है कि पड़ोसी उत्सर्जक वायु प्रवाह की एकरूपता और सुखाने के प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं।
गुणवत्ता-वोल्टेज सहसंबंध: यह शोध कैरोटीनॉयड के प्रतिधारण और संरचनात्मक अखंडता के लिए विशिष्ट वोल्टेज स्तरों को व्यवस्थित रूप से सहसंबंधित करता है, जो केवल सुखाने की दर के अनुकूलन से आगे बढ़कर गुणवत्ता-उन्मुख प्रक्रिया डिजाइन की ओर बढ़ता है।

परिणाम

सुखाने का प्रदर्शन: EHD सुखाने ने एम्बिएंट-एयर ड्राइंग की तुलना में काफी बेहतर प्रदर्शन किया। 34 kV पर, औसत सुखाने की दर में 2.39 गुना वृद्धि हुई, और सुखाने का समय 55.6% कम हो गया (लगभग 8 घंटों में पूरा हुआ)। 34 kV पर प्रभावी नमी विसरणशीलता ( $D_{eff}$ ) $1.05 \times 10^{-5}$ m²/s तक पहुँच गई, जो कंट्रोल ग्रुप की तुलना में 2.01 गुना अधिक है।
सिमुलेशन सत्यापन: मल्टीफिजिक्स मॉडल ने वोल्टेज-निर्भर वृद्धि और आयनिक पवन वेग के आवधिक स्थानिक परिवर्तन को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित किया। हालांकि मॉडल ने पूर्ण वेगों का थोड़ा अधिक अनुमान लगाया, लेकिन इसने रुझानों को सटीक रूप से पकड़ा, जिसमें औसत पूर्ण त्रुटि (MAE) आम तौर पर 0.033 m/s से कम थी।
उत्पाद की गुणवत्ता:
- पुनर्जलीकरण (Rehydration): 34 kV उपचार ने उच्चतम पुनर्जलीकरण अनुपात (~~3.7) दिया, जो AD समूह (~~3.0) की तुलना में बेहतर छिद्रपूर्ण सूक्ष्म संरचना के संरक्षण को दर्शाता है।
- रंग: EHD सुखाने ने प्राकृतिक पीले रंग को बेहतर ढंग से संरक्षित किया। 34 kV समूह में सबसे कम $a^*$ मान (कम हरा टोन) और उच्चतम चमक ( $L^*$ ) देखी गई, जबकि AD समूह में ऑक्सीडेटिव ब्राउनिंग से जुड़े लाल रंग के स्वर देखे गए।
- कैरोटीनॉयड: कैरोटीनॉयड प्रतिधारण वोल्टेज-निर्भर था। जबकि 26 kV के परिणामस्वरूप कंट्रोल की तुलना में कम प्रतिधारण हुआ (संभवतः पर्याप्त समय कमी के बिना ऑक्सीडेटिव क्षरण के कारण), 34 kV ने उच्चतम सामग्री (~~0.14 mg/g) प्राप्त की, जो AD समूह (~~0.03 mg/g) से काफी बेहतर प्रदर्शन करती है।
- आणविक संरचना: FTIR विश्लेषण ने संकेत दिया कि EHD सुखाने ने प्राथमिक रासायनिक बैकबोन को नहीं बदला, बल्कि हाइड्रोजन बॉन्डिंग और प्रोटीन माध्यमिक संरचनाओं (उच्च वोल्टेज पर $\alpha$ -हेलिक्स से $\beta$ -शीट में परिवर्तन) में वोल्टेज-निर्भर पुनर्व्यवस्था प्रेरित की, जो एक हल्के, गैर-विनाशकारी उपचार का सुझाव देती है।
काइनेटिक मॉडलिंग: "टू-टर्म" (Two-term) मॉडल EHD सुखाने के डेटा के लिए सबसे अच्छा फिट प्रदान करता है, जो तीव्र प्रारंभिक सतह नमी हटाने के बाद धीमी आंतरिक विसरण प्रक्रिया वाले तंत्र का सुझाव देता है।

महत्व और दावे
लेखकों का दावा है कि यह अध्ययन EHD सिस्टम के लिए वोल्टेज चयन और इलेक्ट्रोड-एरे अनुकूलन के लिए एक विश्वसनीय आधार प्रदान करता है। निष्कर्ष इस बात का समर्थन करते हैं कि परीक्षण की गई स्थितियों के तहत उत्पाद की गुणवत्ता और सुखाने की दक्षता के बीच संतुलन बनाने के लिए 34 kV इष्टतम है। अनुसंधान इस बात पर जोर देता है कि वोल्टेज को केवल अधिकतम करने के बजाय अनुकूलित किया जाना चाहिए, क्योंकि अत्यधिक विद्युत तीव्रता या अपर्याप्त समय कमी (जैसा कि 26 kV में देखा गया) पोषक तत्वों के प्रतिधारण को नकारात्मक रूप से प्रभावित कर सकती है। आयनिक पवन की प्रमुख भूमिका और मल्टी-एमिटर एरे के युग्मन प्रभावों को प्रकट करके, यह अध्ययन EHD सुखाने को बुनियादी व्यवहार्यता सत्यापन से आगे बढ़ाकर सिस्टम अनुकूलन और लघु एवं मध्यम स्तर के प्रसंस्करण अनुप्रयोगों के लिए प्रारंभिक स्केल-अप की ओर ले जाता है। यह कार्य EHD को ताप-संवेदनशील कृषि उत्पादों के लिए एक गुणवत्ता-उन्मुख, गैर-तापीय संरक्षण तकनीक के रूप में उपयोग करने की क्षमता को रेखांकित करता है।

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