توصيفگر ها :
انتقال حرارت و جرم , انگور , جت برخوردي هواي داغ مرطوب , خشك كردن , مدل چند مقياسي
چكيده فارسي :
پيشتيمار جت برخوردي هواي داغ مرطوب با توجه مزايايي كه دارد، به عنوان يك پيشتيمار غير شيميايي مؤثر بر خشك كردن انگور مطرح است. در فاز اول اين پژوهش براي اعمال اين پيشتيمار به انگور و مطالعه چگونگي تأثير آن بر بافت و روند خشك كردن انگور، سامانه اعمال پيشتيمار طراحي و ساخته شد و مورد ارزيابي قرار گرفت. در فاز دوم با رويكرد مدلسازي چندمقياسي، مكانيزمهاي حاكم بر انتقال حرارت در هنگام اعمال جت برخوردي هواي داغ مرطوب بر حبههاي انگور (ماكرومقياس) به صورت عددي مطالعه شد. شبيهسازي در دماي 110 درجه سلسيوس و رطوبتهاي نسبي 20، 40، 60 و80 درصد انجام شد. در اين مدل انتقال حرارت ناشي از جت برخوردي و ميعان در سطح انگور در نظر گرفته شد. مقايسه مقادير پيشبينيشده و اندازهگيري شده دماي مركز حبه انگور نشاندهنده انطباق نتايج با ضريب تعيين 993/0 بود. با توجه به اين كه بافت انگور يك محيط چند فازي با خصوصيات ناهمگن است، در فاز سوم يك ميكرومدل هندسي از بافت با استفاده از مدل رشد سلولي بر اساس بيومكانيك سلولهاي گياهي توسعه يافت. نتايج بيانگر انطباق پارامترهاي هندسي استخراج شده از بافت ايجاد شده توسط مدل رشد سلولي بر مقادير به دست آمده از بافت واقعي انگور با ضريب تعيين 995/0 بود. با افزايش دما، افزايش نفوذپذيري غشاء سلول منجر به از دست رفتن فشار تورمي و در نتيجه نرمشدگي بافت ميشود. علاوه بر اين، هنگام اعمال فرآيند، گرما باعث تخريب حرارتي پكتينهاي ديوار سلول از طريق واكنش حذف بتا شده كه منجر به از بين رفتن بيشتر بافت ميشود. بنابراين، در فاز چهارم توسعه يك مدل كيفي با استفاده از روش المانهاي محدود براي مطالعه تغيير بافت انگور تحت تأثير پيشتيمار جتبرخوردي هواي داغ مرطوب كه ويژگيهاي هندسي در مقياس ميكرو براي محصول را در خود جاي دهد، مورد نظر قرار گرفت. در اين مدل كيفي، ضريب الاستيسيته بافت انگور به عنوان معيار بافت در نظر گرفته شد. مدل ميكرومقياس توسعه داده شده شامل انتقال حرارت و رطوبت در مقياس ميكرو، تخريب پكتين در مواد ديواره سلول و مدل مكانيكي جامد در مقياس ميكرو بود. اين مدل براي پيشبيني ضريب الاستيسيته همگن بافت انگور در طول حرارت دهي در دماها و مدتهاي مختلف استفاده شد. براي اعمال شرايط مرزي بر المان نماينده حجمي (ميكرومقياس) از نتايج شبيهسازي انتقال حرارت جت برخوردي هواي داغ مرطوب در انگور (ماكرومقياس) استفاده شد. مدل توسعهيافته با پيشبيني ضريب الاستيسيته در دماها و مدتهاي مختلف اعمال پيشتيمار و مقايسه آنها با دادههاي تجربي تأييد شد. روندهاي شبيهسازيشده در تغييرات ضريب الاستيسيته با نتايج تجربي مطابقت داشت. كارايي مدل توسعه يافته نشان داد كه چارچوب طراحي شده را ميتوان براي شبيهسازي تغييرات بافت طي اعمال پيشتيمارهاي حرارتي استفاده كرد. در فاز آخر تأثير دما و مدت اعمال پيشتيمار (دماهاي 90، 100 و 110 درجه سلسيوس و مدتهاي 30، 60، 90، 120 و 150 ثانيه) در سرعت جت هواي 10 متر بر ثانيه و رطوبت نسبي 45 درصد در قالب طرح آزمايشي فاكتوريل 5×3 بر پايه طرح كاملاً تصادفي با سه تكرار بر روند خشك شدن انگور به روش سايهخشك مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج بيانگر كاهش مدت خشك كردن با افزايش دما و مدت اعمال پيشتيمار بود. با افزايش مدت پيشتيمار از 30 به 150 ثانيه در دماهاي 90، 100 و 110 درجه سلسيوس سرعت خشك كردن به تر تيب 31، 5/37 و 45 درصد افزايش پيدا كرد. در مقايسه با انگور شاهد (بدون اعمال پيشتيمار)، افزايش سرعت خشك كردن تحت تأثير جت برخوردي هواي داغ مرطوب از 8 درصد براي مدت 30 ثانيه در دماي 90 درجه سلسيوس تا 68 درصد براي مدت 150 ثانيه در دماي 110 درجه سلسيوس تغيير يافت. بر اساس آناليز رنگ، شاخصهاي رنگي كشمش توليدي با افزايش دما و مدت اعمال پيشتيمار بهبود پيدا كرد و دماي 110 درجه سلسيوس و محدوده مدت 150-90 ثانيه به عنوان شرايط مناسب اعمال پيشتيمار به دست آمد.
چكيده انگليسي :
The high-humidity hot air impingement pretreatment (HHAIP) ,due to its advantages, is considered as an effective non-chemical pretreatment in grape drying. In the first phase of this research, a HHAIP system was designed, constructed, and evaluated to apply the pretreatment to the grape berries and study its efficacy on the texture and drying process of the berries. In the second phase, considering multi-scale modeling approach, the governing mechanisms of the heat transfer during the application of HHAIP on the grapes (macro-scale) were studied numerically. The simulation was performed at a temperature of 110 °C with different relative humidity values of 20%, 40%, 60%, and 80% and different velocities of 2, 6, and 10 m s-1. In this model, the heat transfer caused by the impinging jet and condensation on the surface of the berry was considered. Comparison of the predicted and measured values for the center temperature of the grape berry indicated an acceptable agreement with a determination coefficient of 0.993. Considering that the grape tissue is a multi-phase environment with heterogeneous characteristics, in the third phase, a geometric micro-scale model was developed by using the cell growth model based on the biomechanics of plant cells. The results showed the compatibility of the geometric parameters extracted from the grape tissue created by the cell growth model with those obtained from the real grape tissue with a coefficient of determination of 0.995. As the temperature increases, the permeability of the cell membrane increases. Destruction of the cell membrane leads to the loss of turgor pressure and, as a result, softening of the tissue. In addition, when applying the process, the heat causes the thermal degradation of the cell wall pectin through the beta elimination reaction, which leads to further loss of tissue. Therefore, in the fourth phase, a qualitative model was developed using the finite element method to study the changes in grape tissue under the influence of the HHAIP, which incorporates the geometric micro-scale features for the product. In this qualitative model, the elasticity coefficient of the grape tissue was considered as the tissue evaluative criterion. The developed micro-scale model included heat and moisture transfer at the micro-scale, pectin degradation in cell wall materials, and solid mechanical model at the micro-scale. It was used to predict the homogeneous elasticity coefficient of grape tissue during heating at different temperatures and durations. In order to apply boundary conditions on the representative volume element (micro-scale), the heat transfer simulation results in the grape during the HHAIP (macro-scale) were used. The simulated trends in the modulus changes were in good agreement with the experimental results. The performance of the developed model showed that the designed framework could be used to simulate the texture changes during the HHAIP. In the last phase, the effect of temperature and duration of the HHAIP at the air jet velocity of 10 m s-1 and relative humidity of 40% on the shade-drying process of the grapes was evaluated within a 3×5 factorial completely randomized design with three replications. The results showed a decrease in drying duration with increasing temperature and duration of the pretreatment. By increasing the duration of the pretreatment from 30 to 150 s at temperatures of 90, 100, and 110 °C, the drying rate increased by 31%, 37.5%, and 45%. Compared to the fresh grapes, the increase in the drying rate under the influence of the HHAIP varied from 8% for the duration of 30 s at 90 °C to 68% for the duration of 150 s at 110 °C. Based on the color analysis of the produced raisins, the color characteristics improved with increasing the duration and duration of the pretreatment. So that the temperature of 110 °C and the duration of 90-150 s were determined to be suitable conditions for applying the pretreatment.