Mathematical modelling of thin-layer drying of nance pulp (Byrsonima crassifolia (L.) Kunth)

Het conserveren van de overvloed van de oogst is een van de oudste uitdagingen van de mensheid, met name in tropische regio's waar vers fruit snel bederft onder de zon. Drogen blijft een van de meest betrouwbare methoden om de houdbaarheid van voedsel te verlengen, waarbij bederfelijke producten worden getransformeerd tot stabiele ingrediënten die kunnen worden opgeslagen, getransporteerd en genoten kunnen worden lang nadat het seizoen is gepasseerd. Drogen is echter niet louter een kwestie van het toepassen van hitte; het is een complex fysisch proces waarbij water van de binnenkant van een vrucht naar het oppervlak beweegt en vervolgens verdampt in de lucht. Om dit proces efficiënt te maken, bestuderen wetenschappers hoe verschillende vruchten zich onder specifieke omstandigheden gedragen, waarbij ze zoeken naar wiskundige patronen die precies beschrijven hoe snel ze vocht verliezen. Deze kennis stelt ingenieurs in staat om betere drogers te ontwerpen en te voorspellen hoe lang een partij fruit nodig heeft voor de verwerking, zodat het eindproduct zijn kwaliteit behoudt zonder energie of tijd te verspillen.

In deze context richtten onderzoekers in Nicaragua hun aandacht op de nance, een kleine, geel-oranje vrucht die inheems is in de tropen. Bekend om zijn romige pulp en een kenmerkende zoet-zure smaak, is de nance rijk aan vitamine C en antioxidanten, wat het een waardevol ingrediënt maakt voor jams, sappen en andere voedselproducten. Ondanks zijn culinaire potentieel, gaat de vrucht vaak verloren wanneer deze overrijp wordt. Om een betere manier te vinden om deze te conserveren, onderzocht een team van chemisch ingenieurs het drooggedrag van nancepulp. Ze wilden begrijpen hoe de pulp precies droogt, identificeren wat de beste wiskundige instrumenten zijn om het proces te voorspellen, en meten hoeveel energie er nodig is om het water te verwijderen. Hun werk richtte zich op een specifiek type droogopstelling: een laboratoriumschaal tunnel waar hete lucht gestaag over een dunne laag van de vruchtpulp blaast.

De onderzoekers voerden hun experimenten uit door de nancepulp in een ondiepe tray te plaatsen en bloot te stellen aan een luchtstroom die bewoog met een constante snelheid van 2,0 meter per seconde. Ze testten drie verschillende temperaturen: 60, 70 en 80 graden Celsius. Terwijl de hete lucht over de pulp stroomde, monitorde het team zorgvuldig het gewicht van het monster over de tijd om bij te houden hoeveel water er uit de vrucht verdween. Ze observeerden dat de pulp niet met een constante snelheid droogde; in plaats daarvan vertraagde de snelheid van het waterverlies continu naarmate het proces vorderde. Dit gaf aan dat het gehele droogproces plaatsvond tijdens wat bekend staat als de dalende snelheidperiode (falling rate period), waarbij de beweging van water vanuit het centrum van de pulp naar het oppervlak de beperkende factor wordt. Ze merkten ook op dat de pulp fysiek kromp terwijl het water verloor, een veelvoorkomend maar belangrijk detail dat beïft de manier waarop het materiaal zich gedraagt.

Om deze observaties te duiden, vergeleken het team hun experimentele gegevens met zes verschillende wiskundige modellen die wetenschappers gewoonlijk gebruiken om het drogen te beschrijven. Deze modellen zijn in essentie vergelijkingen die proberen te voorspellen hoe het vochtgehalte in de loop van de tijd verandert op basis van temperatuur en andere factoren. Na het uitvoeren van de berekeningen stelden de onderzoekers vast dat twee specifieke modellen, ontwikkeld door Midilli en collega's en door Alonso en collega's, de werkelijke gegevens beter matchen dan de andere. Deze twee modellen waren in staat om de droogcurve nauwkeurig te voorspellen, waarbij de nuances van hoe de nancepulp vocht verloor, werden gevangen. Het succes van deze modellen suggereert dat ze rekening houden met de specifieke fysieke veranderingen, zoals krimp, die optreden in de pulp tijdens het drogen.

Naast het simpelweg voorspellen van hoe lang het drogen duurt, berekende het team hoe gemakkelijk water door de nancepulp beweegt. Deze eigenschap, bekend als effectieve vochtdiffusiviteit, meet hoe snel watermoleculen door het materiaal reizen. Ze ontdekten dat deze snelheid toenam naarmate de temperatuur steeg. Bij de laagste geteste temperatuur bewoog het water met een snelheid van ongeveer 2,48 x 10^-9 vierkante meter per seconde, terwijl het bij de hoogste temperatuur versnelde naar ongeveer 4,04 x 10^-9 vierkante meter per seconde. Deze toename vindt plaats omdat hogere temperaturen de watermoleculen meer energie geven, waardoor ze vrijer kunnen bewegen en sneller uit de vrucht kunnen ontsnappen. De onderzoekers bepaalden ook de activeringsenergie voor het proces, wat de minimale hoeveelheid energie is die nodig is om de droogreactie te starten. Ze berekenden deze waarde op 23,62 kilojoule per mol, een getal dat ingenieurs helpt de energie-efficiëntie van het droogproces te begrijpen.

De studie bevestigt dat het drogen van nancepulp een proces is dat wordt beheerst door de dalende snelheidperiode, waarbij interne diffusie de snelheid van de waterverwijdering bepaalt. Door de meest nauwkeurige wiskundige modellen te identificeren en de beweging van water te kwantificeren, hebben de onderzoekers een duidelijk stappenplan geboden voor de verwerking van deze vrucht. Hun bevindingen tonen aan dat hoewel de pulp krimpt en het drogen in de loop van de tijd vertraagt, het proces betrouwbaar voorspeld kan worden met specifieke vergelijkingen. Dit werk biedt een praktisch fundament voor industrieën die de verse nancepulp willen transformeren tot stabiele, lang houdbare voedselproducten, waardoor de unieke smaak en nutritionele waarde van de vrucht met grotere efficiëntie behouden kan blijven.