Mathematical modelling of thin-layer drying of nance pulp (Byrsonima crassifolia (L.) Kunth)
इस अध्ययन ने 60–80°C पर एक संवेक्टिव टनल ड्रायर में नैन्स पल्प के थिन-लेयर सुखाने का गणितीय मॉडल तैयार किया, जिसमें मिडिली एट अल. और अलोंसो एट अल. मॉडलों को सबसे सटीक पाया गया और 23.62 kJ/mol की सक्रिय ऊर्जा के साथ प्रभावी नमी विसरणशीलता (इफेक्टिव मॉइस्चर डिफ्यूज़िविटी) की सीमा 2.4842 से 4.0409 × 10⁻⁹ m²/s निर्धारित की गई।
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फसल की प्रचुरता को संरक्षित करना मानवता की सबसे पुरानी चुनौतियों में से एक है, विशेष रूप से उष्णकटिबंधीय क्षेत्रों में जहाँ सूरज की गर्मी के नीचे ताजे फल जल्दी खराब हो जाते हैं। सुखाना भोजन के जीवनकाल को बढ़ाने के लिए सबसे विश्वसनीय तरीकों में से एक बना हुआ है, जो नाशवान उत्पादों को स्थिर सामग्रियों में बदल देता है जिन्हें मौसम बीत जाने के बहुत बाद तक संग्रहीत, परिवहन और आनंदित किया जा सकता है। हालाँकि, सुखाना केवल ऊष्मा लगाने का मामला नहीं है; यह एक जटिल भौतिक प्रक्रिया है जहाँ पानी फल के अंदर से उसकी सतह तक जाता है और फिर हवा में वाष्पित हो जाता है। इस प्रक्रिया को कुशल बनाने के लिए, वैज्ञानिक विभिन्न फलों के विशिष्ट परिस्थितियों में व्यवहार को देखते हैं, और उन गणितीय पैटर्न की तलाश करते हैं जो यह सटीक रूप से बताते हैं कि वे कितनी तेजी से नमी खोते हैं। यह ज्ञान इंजीनियरों को बेहतर ड्रायर डिजाइन करने और फल के एक बैच को संसाधित करने में लगने वाले समय का पूर्वानुमान लगाने की अनुमति देता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि अंतिम उत्पाद ऊर्जा या समय को बर्बाद किए बिना अपनी गुणवत्ता बनाए रखे।
इस संदर्भ में, निकारागुआ के शोधकर्ताओं ने नैंसे (nance) की ओर अपना ध्यान आकर्षित किया, जो उष्णकटिबंधीय क्षेत्रों का एक छोटा, पीला-नारंगी फल है। अपने मलाईदार गूदे और विशिष्ट खट्टे-मीठे स्वाद के लिए जाना जाने वाला नैंसे विटामिन सी और एंटीऑक्सीडेंट से भरपूर है, जो इसे जैम, जूस और अन्य खाद्य उत्पादों के लिए एक मूल्यवान सामग्री बनाता है। इसकी पाक क्षमता के बावजूद, फल अक्सर अत्यधिक पक जाने पर बर्बाद हो जाता है। इसे संरक्षित करने का एक बेहतर तरीका खोजने के लिए, रासायनिक इंजीनियरों की एक टीम ने नैंसे के गूदे के सुखाने के व्यवहार की जांच की। वे यह समझना चाहते थे कि गूदा सूखने की सटीक यांत्रिकी क्या है, प्रक्रिया की भविष्यवाणी करने के लिए सर्वोत्तम गणितीय उपकरणों की पहचान करना, और पानी निकालने के लिए आवश्यक ऊर्जा को मापना। उनका कार्य एक विशिष्ट प्रकार के सुखाने के सेटअप पर केंद्रित था: एक प्रयोगशाला-स्तर का टनल (tunnel), जहाँ गर्म हवा फल की एक पतली परत के ऊपर निरंतर बहती है।
शोधकर्ताओं ने नैंसे के गूदे को एक उथली ट्रे में रखकर और 2.0 मीटर प्रति सेकंड की स्थिर गति से बहने वाली हवा की धारा के संपर्क में लाकर अपने प्रयोग किए। उन्होंने तीन अलग-अलग तापमानों का परीक्षण किया: 60, 70 और 80 डिग्री सेल्सियस। जैसे ही गर्म हवा गूदे के ऊपर से गुजरी, टीम ने नमूने के वजन की समय के साथ सावधानीपूर्वक निगरानी की ताकि यह ट्रैक किया जा सके कि कितना पानी फल से बाहर निकल रहा है। उन्होंने देखा कि गूदा एक स्थिर गति से नहीं सूखा; बल्कि, प्रक्रिया के दौरान पानी के नुकसान की दर लगातार धीमी होती गई। यह इंगित करता है कि पूरी सुखाने की घटना उस दौर में हुई जिसे 'फॉलिंग रेट पीरियड' (falling rate period) के रूप में जाना जाता है, जहाँ गूदे के केंद्र से सतह तक पानी की गति सीमित कारक बन जाती है। उन्होंने यह भी नोट किया कि पानी खोने के साथ गूदा शारीरिक रूप से सिकुड़ गया, जो एक सामान्य लेकिन महत्वपूर्ण विवरण है जो यह प्रभावित करता है कि सामग्री कैसे व्यवहार करती है।
अपने अवलोकनों को समझने के लिए, टीम ने अपने प्रयोगात्मक डेटा की तुलना छह अलग-अलग गणितीय मॉडलों से की जिनका उपयोग वैज्ञानिक आमतौर पर सुखाने का वर्णन करने के लिए करते हैं। ये मॉडल अनिवार्य रूप से ऐसे समीकरण हैं जो तापमान और अन्य कारकों के आधार पर नमी की मात्रा में समय के साथ होने वाले परिवर्तन की भविष्यवाणी करने का प्रयास करते हैं। गणना करने के बाद, शोधकर्ताओं ने पाया कि दो विशिष्ट मॉडल, जो मिडिली (Midilli) और उनके सहयोगियों तथा अलोंसो (Alonso) और उनके सहयोगियों द्वारा विकसित किए गए थे, अन्य मॉडलों की तुलना में वास्तविक दुनिया के डेटा से बेहतर मेल खाते थे। ये दो मॉडल सूखने की वक्र (drying curve) की सटीक भविष्यवाणी करने में सक्षम थे, जो नैंसे के गूदे द्वारा नमी खोने की बारीकियों को पकड़ते हैं। इन मॉडलों की सफलता यह सुझाव देती है कि वे सुखाने के दौरान गूदे में होने वाले विशिष्ट भौतिक परिवर्तनों, जैसे कि संकुचन (shrinkage), को ध्यान में रखते हैं।
केवल यह अनुमान लगाने के परे कि सुखाने में कितना समय लगता है, टीम ने यह भी गणना की कि नैंसे के गूदे के माध्यम से पानी कितनी आसानी से चलता है। यह गुण, जिसे प्रभावी नमी विसरणशीलता (effective moisture diffusivity) कहा जाता है, यह मापता है कि पानी के अणु सामग्री के माध्यम से कितनी तेजी से यात्रा करते हैं। उन्होंने पाया कि यह गति तापमान बढ़ने के साथ बढ़ गई। परीक्षण किए गए सबसे निचले तापमान पर, पानी लगभग 2.48 × 10⁻⁹ वर्ग मीटर प्रति सेकंड की दर से चला, जबकि उच्चतम तापमान पर, यह बढ़कर लगभग 4.04 × 10⁻⁹ वर्ग मीटर प्रति सेकंड हो गया। यह वृद्धि इसलिए होती है क्योंकि उच्च तापमान पानी के अणुओं को अधिक ऊर्जा प्रदान करता है, जिससे वे अधिक स्वतंत्र रूप से घूम पाते हैं और फल से तेजी से बाहर निकल पाते हैं। शोधकर्ताओं ने इस प्रक्रिया के लिए सक्रियण ऊर्जा (activation energy) भी निर्धारित की, जो सुखाने की प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा है। उन्होंने इस मान की गणना 23.62 किलोजूल प्रति मोल के रूप में की, जो इंजीनियरों को सुखाने की प्रक्रिया की ऊर्जा दक्षता समझने में मदद करता है।
अध्ययन पुष्टि करता है कि नैंसे के गूदे को सुखाना एक ऐसी प्रक्रिया है जो 'फॉलिंग रेट पीरियड' द्वारा नियंत्रित होती है, जहाँ आंतरिक विसरण (internal diffusion) पानी हटाने की गति को नियंत्रित करता है। सबसे सटीक गणितीय मॉडलों की पहचान करके और पानी की गति को मापकर, शोधकर्ताओं ने इस फल को संसाधित करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान किया है। उनके निष्कर्षों से पता चलता है कि हालांकि गूदा सिकुड़ता है और सुखाने की गति समय के साथ धीमी हो जाती है, फिर भी इस प्रक्रिया की सटीक भविष्यवाणी विशिष्ट समीकरणों का उपयोग करके विश्वसनीय रूप से की जा सकती है। यह कार्य उन उद्योगों के लिए एक व्यावहारिक आधार प्रदान करता है जो ताजे नैंसे के गूदे को स्थिर, लंबे समय तक चलने वाले खाद्य उत्पादों में बदलने की दिशा में देख रहे हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि फल के अनूठे स्वाद और पोषण मूल्य को अधिक दक्षता के साथ संरक्षित किया जा सके।
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