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

Technische Samenvatting: Wiskundige Modellering van de Dunne-laag Droogkinetiek van Matricaria pubescens Bladeren

Probleemstelling
Matricaria pubescens (Desf.) Sch.Bip., een geneeskrachtige plant die inheems is in aride en semi-aride regio's van Algerije, bezit een significante fytochemische waarde, inclusief polyfenolen, flavonoïden en gecondenseerde tanninen, die antioxidatieve, antidiabetische en antihypertensieve eigenschappen vertonen. De plant wordt echter doorgaans geoogst met een hoog vochtgehalte, waardoor snel drogen essentieel is om microbiële contaminatie en enzymatische degradatie van bioactieve verbindingen te voorkomen. Hoewel de fytochemie van M. pubescens goed gedocumenteerd is, bestaat er een kritiek gat in de literatuur met betrekking tot de droogkinetiek ervan. Zonder geoptimaliseerde droogprotocollen lopen de kwaliteit en de therapeutische effectiviteit van het plantmateriaal risico. Deze studie adresseert het gebrek aan gegevens over het drooggedrag van M. pubescens bladeren, waarbij specif으로 de invloed van luchttemperatuur en -snelheid op de droogkinetiek wordt onderzocht en de meest geschikte wiskundige modellen voor procesvoorspelling worden geïdentificeerd.

Methodologie
Het onderzoek werd uitgevoerd met behulp van een laboratoriumwindtunnel (een Gunt-Hambuer-type apparaat, CE130) onder gecontroleerde omstandigheden. Verse M. pubescens bladeren werden begin 2024 geoogst uit de regio Bechar in Algerije. Het initiële vochtgehalte was ongeveer 4% (droge basis).

Het experimentele ontwerp maakte gebruik van een dunne-laag droogmethode met de volgende variabelen:

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

Het vochtgehalte werd continu gemonitord met behulp van een digitale balans, waarbij metingen elke 10 seconden werden verricht totdat het evenwicht was bereikt. Het droogproces werd geanalyseerd door de vochtverhouding (MR) tegen de tijd uit te zetten, de droogsnelheid tegen de tijd, en de droogsnelheid tegen het vochtgehalte.

Om de droogkinetiek te modelleren, werden zeven dunne-laag droogmodellen (Newton, Page, Henderson en Pabis, Logarithmisch, Two-term, Wang en Singh, en Midilli en Kucuk) geëvalueerd met behulp van niet-lineaire regressie (Curve Expert 1.6). Modelselectie was gebaseerd op statistische parameters: de coëfficiënt van determinatie ($R^2$), de gereduceerde chi-kwadraat ($\chi^2$) en de wortel van de gemiddelde kwadratische fout (RMSE).

Verder heeft de studie de effectieve vochtdiffusiviteit ($D_{eff}$) berekend met behulp van de tweede wet van Fick voor diffusie en de activeringsenergie ($E_a$) bepaald via de Arrhenius-vergelijking. Een methode met een karakteristieke droogcurve (CDC) werd evene kind gebruikt om een polynoomvergelijking voor de droogsnelheid af te leiden.

Belangrijkste Resultaten

1. Drooggedrag: Het droogproces vond volledig plaats in de dalende snelheidfase (falling rate period), wat aangeeft dat interne vochtdiffusie de snelheidsbeperkende stap is. Het verhogen van de luchttemperatuur verminderde de totale droogtijd aanzienlijk; bijvoorbeeld, bij een constante snelheid van 1 m/s verminderde het verhogen van de temperatuur van 30°C naar 50°C de droogtijd met ongeveer twee derde. Omgekeerd hadden variaties in luchtsnelheid (0,5 tot 1,5 m/s) geen statistisch significant effect op de droogkinetiek of de vochtontwikkeling, wat suggereert dat de externe massaoverdrachtweerstand verwaarloosbaar is vergeleken met de interne weerstand.
2. Modelselectie: Alle zeven geteste modellen boden een bevredigende fit bij de experimentele gegevens, met $R^2$-waarden variërend van 0,970 tot 0,999. Echter, het Midilli en Kucuk-model werd geïdentificeerd als het meest geschikte model voor het voorspellen van de droogkenmerken van M. pubescens, waarbij het de hoogste $R^2$ (tot 0,9999) en de laagste $\chi^2$ en RMSE-waarden vertoonde onder alle condities.
3. Diffusiviteit en Activeringsenergie: De effectieve vochtdiffusiviteit ($D_{eff}$) waarden varieerden van $2,29 \times 10^{-11}$ tot $30,60 \times 10^{-11}$ m²/s. $D_{eff}$ nam toe met de temperatuur, maar vertoonde een complexe relatie met de luchtsnelheid; specifiek nam $D_{eff}$ af bij hogere luchtsnelheden (1,0 en 1,5 m/s) vergeleken met lagere snelheden bij verhoogde temperaturen. De activeringsenergie ($E_a$) werd berekend op respectievelijk 64,98 kJ/mol, 80,18 kJ/mol en 62,57 kJ/mol voor luchtsnelheden van 0,5, 1,0 en 1,5 m/s. De relatief hoge activeringsenergie van 80,18 kJ/mol waargenomen bij een luchtsnelheid van 1,0 m/s geeft aan dat de droogkinetiek sterk temperatuurafhankelijk is en wordt gecontroleerd door interne diffusie.
4. Karakteristieke Droogcurve: De CDC-benadering koppelde de genormaliseerde droogsnelheid succesvol aan de genormaliseerde vochtinhoud met behulp van een tweede-graads polynoom, onafhankelijk van specifieke droogcondities.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert de eerste systematische evaluatie te bieden van de droogkinetiek van Matricaria pubescens bladeren. Door vast te stellen dat het Midilli en Kucuk-model de droogprocessen nauwkeurig beschrijft en dat interne diffusie het dominante mechanisme is, biedt de studie een fundamenteel kader voor het optimaliseren van de droogcondities. De auteurs stellen dat deze bevindingen cruciaal zijn voor het standaardiseren van de conservering van deze geneeskrachtige plant, het waarborgen van de retentie van de bioactieve verbindingen en het voorkomen van kwaliteitsdegradatie tijdens het droogproces. De identificatie van temperatuur als de primaire drijfveer voor droogefficiëntie, in plaats van luchtsnelheid, biedt praktische richtlijnen voor industriële en laboratoriumschaal drogeoperaties van deze soort.