Исследование теплофизических характеристик лекарственного растительного сырья

АННОТАЦИЯ

Предложены характеристики изотермы сорбции смоделированная под функцией 3-й степени, и определены активности воды у исследуюмых растениях. Предложены значения общей теплоты смачивания (кДж/моль сухих лекарственных растений) для интервала содержания влаги (6,5–11,5%) В результате сравнение общей теплоты смачивания в одном и том же интервале влагосодержания для всех видов лекарственных растений, также выше по десорбции, чем по сорбции. Следовательно, затраты энергии, необходимые в листьях крапивы для изменения содержания влаги в процессе сушки, выше, чем у других исследованных видов.

ABSTRACT

The characteristics of the sorption isotherm modeled under the function of the 3rd degree are proposed, and the activity of water in the studied plants is determined. The values of the total heat of wetting (kJ / mol of dry medicinal plants) for the interval of moisture content (6.5–11.5%) are proposed. As a result, the comparison of the total heat of wetting in the same moisture range for all types of medicinal plants is also higher in desorption than by sorption. Therefore, the energy expenditure required in nettle leaves to change the moisture content during drying is higher than that of other species studied.

Ключевые слова: сорбция, десорбция, изотерма, лекарственные растения, влажность, активность воды.

Keywords: sorption, desorption, isotherm, medicinal plants, humidity, water activity.

Изотермы сорбции позволяют предусмотреть темпы сушки, чтобы помочь классифицировать материалы по порядку гигроскопичности, указать распределение и интенсивность соединений воды. Целью проводимой работы является исследование теплофизических характеристик лекарственных растений для проведения качественную сушку. Изотермы сорбции также дают возможность определить важную информацию о процессах сорбции растительного сырья, в частности:

- оптимальное содержание воды, которое необходимо достичь во время сушки, для того чтобы приблизиться к состоянию устойчивого баланса и этим гарантировать лучшее сохранение качества;

- анализ переноса влаги между растительным сырьем и окружающим воздухом, поскольку важность и направление этого обмена определяются по сравнению с состоянием равновесия;

- определённые тепловые и аэро-термические условия, которые необходимо поддерживать при хранении.

Для определения изотерм сорбции и десорбции образца мы прибегаем к методам солевого насыщенного раствора. Приготовили различные насыщенные растворы с известными солями для получения хорошо определенной окружающей влаги.

Полученный диапазон позволяет получить содержание воды во всем гигроскопическом диапазоне. Растворы солей готовят в герметичных банках и выдерживают изотермически в сушильной печи с контролируемой температурой. Таким образом, сохраняется стабилизированная изотермическая и гигроскопическая среда.

Пары, испускаемые раствором, в отличии от воды, не должны взаимодействовать с продуктом. По этой причине раствор следует регулярно перемешивать, чтобы избежать образования градиента концентрации в банке при рабочей температуры выше 20 °C. Необходимо максимально уменьшить объем воздуха и держать растворы и образцы в наилучших условиях близости. Вес образцов контролировали регулярно, пока не получили стабильный вес. При достижении стабильности веса получаем гигроскопическое равновесие. Высушенный образец получают после нагревания в печи при температуре 110°C в течение двадцать четырех часов. Равновесное влагосодержание (РВС) определяется по уравнению ниже:

                                                                        (1)

где, M_s-постоянный вес образцов; M_d-высушенный образец.

Математическое описание изотерм сорбции. Несколько эмпирических математических моделей, основанных на физических основаниях, описывают взаимосвязь между равновесным содержанием воды, равновесной относительной влажностью и температурой. Экспериментальные кривые сорбции изучали с использованием трех наиболее подходящих моделей, описывающих изотермы сорбции каждого лекарственного растения, как показано в следующих уравненях Гуггэнхэм-Андерсон-Боэра (ГАБ), Янниотиса С., Блеховика Ж. и ЛЕСПАМ [1].

                                                             (2)

                                                              (3)

                                                           (4)

где A, B, C и D - коэффициенты модели; T – температура, (^◦C).

Метод нелинейной оптимизации Левенберга – Марквардта с использованием соответствующего программного обеспечения используется для расчета коэффициентов модели и статистических параметров: средней относительной ошибки (СОО) и коэффициента корреляции (r) [2].

Средняя относительная ошибка:

                                                 (2.5)

Коэффициент корреляции (r):

                                                     (2.6)

где, X_{равн.i, экс.} - экспериментальное содержание влаги (% с.в.); X_{равн. i, прог.} - прогнозируемое содержание влаги (% с.в.); N-количество точек данных; с.в. - сухой вес.

Распространение давления. В качестве движущей силы, ответственной за диффузию в пористых твердых телах, использовалось растягивающее давление (π) или поверхностный потенциал. Он представляет собой избыточную свободную энергию поверхности и указывает на увеличение поверхностного натяжения участков сорбции без покрытия из-за поглощения молекул. Высокие значения давления распространения указывают на высокое сродство молекул воды к активным участкам. Давление распространения может быть оценено с использованием аналитической процедуры, описанной в литературе.

                                                                (7)

где, K_B - постоянная Больцмана (1,380×10^-23 ДжК ^-1); A_м-площадь молекулы воды (1,07×10^-19 м²); отношение влажности определяется температурой θ=X_равн./X_м, T (K).

На основе формулы модели ГАБ и подстановки θ/a_w интеграл, включенный в (7), может быть проанализирован аналитически, что приведет к математическому определению для π (8):

                                                            (8)

где: B и C - это константы модели ГАБ.

Определение чистой изостерической теплоты сорбции и общей теплоты смачивания. Чистая интегральная энтальпия или изостерическая теплота сорбции (q_изо.) указывает на состояние поглощенной воды твердым материалом и была определена из изотерм сорбции с использованием уравнения Клаузиуса – Клапейрона, но при постоянном давлении распространения вместо постоянного содержания влаги [3]:

                                                         (9)

где, q_изо. - чистая изостерическая теплота сорбции (Дж/моль); a_w - активность воды (безразмерная); Т - абсолютная температура (К); R - универсальная газовая постоянная (Дж/(моль К)).

Предполагая, что чистая изостерическая теплота является неизменной с температурой для данной средней относительной ошибки, интегрирование уравнения Клаузиуса – Клапейрона выражается следующим образом [4]:

                                                         (10)

где, ∆S - дифференциальная энтропия сорбции (Дж/кмоль).

Построение графика зависимости (lna_w) от (1/T) при постоянном давлении распространения дает чистую интегральную энтальпию от ведущего коэффициента и дифференциальную энтропию от постоянного линейного уравнения.

Исследование системы «вода – лекарственное сырьё» проводилось путем подхода к термодинамическому аспекту взаимодействия молекул воды в продукте, что приводит к изотермам сорбции. Фактически, кривые равновесия связывают при постоянной температуре равновесное содержание влаги в образцах X_равн. с их равновесной активностью воды a_w, которая равна относительной влажности окружающей атмосферы. Определение этих изотерм является необходимой стадией в каждом процессе сушки, потому что оно не только может описывать состояния равновесия между исследуемым воздухом и продуктами, но также определяет микроскопические взаимодействия, которые существуют между водой и сухим веществом этих продуктов и продукты питания [5-7].

Изотермы сорбции. Гигроскопическое равновесие корня девясила проводится в конце 10 -го дня для десорбции и в конце 7-го дня для сорбции. Что касается листьев крапивы и имбиря, то они устанавливаются в конце 8 дня для десорбции и сорбции. Равновесное содержание воды в продуктах, изученных в этой работе, сгруппировано (табл. 1) для трех температур 25, 35 и 45 °С. Исследование изотермы лекарственных растений проводились в Стамбульском техническом университете.

Таблица 1.

Равновесное содержание воды X_равн. (% c.в.) в лекарственных растениях при десорбции и сорбции

Анализ полученных экспериментальных данных представлен следующим образом:

- в интервале исследуемых температур содержание воды в лекарственных растениях при термодинамическом равновесии изменяется в зависимости от активности воды. Гигроскопическое равновесие увеличивается, когда увеличивается активность воды;

- каждая изотерма сорбции представляет собой псевдо стадию, соответствующую оптимальной активности консервирования;

- температура оказывает слабое влияние на равновесное содержание воды. Для данной относительной влажности содержание воды в трех лекарственных растениях в равновесии обычно уменьшается при повышении температуры;

- изотермы сорбции и десорбции при разных температурах имеют сходные темпы и представляют явление гистерезиса, акцентированное для корня имбиря и незначительное для корня девясила;

- изотермы сорбции принимают форму, соответствующую классу изотерм типа II.

Изотерма сорбции, в частности, может быть смоделирована под функцией 3-й степени. Центральная часть или «тарелка» соответствует зоне лучшей стабильности продуктов. Этот процесс расчета состоит из полиномиального разложения равновесного содержания воды, для всех экспериментальных результатов, каждого продукта в соответствии с активностью воды. Это позволяет рассчитать значение и следовательно, определяется оптимальная относительная влажность консервации, как это суммировано в таблице 2.

Таблица 2.

Анализ кривых сорбций по модели 3-й степени

Все полученные экспериментальные кривые представляют псевдо стадию в окрестности одной и той же оптимальной активности консервирования (0,3) с различным равновесным содержанием воды (2,6% сухого вещества для девясил, 5,6% сухого вещества для листьев крапивы и 11% сухого вещества для корня имбиря).

Моделирование изотерм сорбции. Кривые сорбции зависят от природы и гигроскопического состояния продукта, природы связей молекул воды и твердой матрицы продукта, а также от того, каким образом достигается равновесие. Таким образом, моделирование изотерм сорбции является задачей, к которой не всегда легко подходить. Задача моделирования в целом состоит в том, чтобы найти функцию, проверяющую следующее уравнение:

                                                 (14)

Модель ГАБ с тремя коэффициентами (A, B, C), опирающимися на физические основы, обычно оптимизирует сглаживание экспериментальных точек для большинства фармацевтический и пищевых продуктов, активность воды в которых колеблется от 0,05 до 0,9. Эта модель рассчитывает на интерпретацию физико-химических явлений поверхности при одновременном обращении к теории многомолекулярной сорбции, которая является локализованной и однородной. Уравнение, выражающее модель ГАБ, определяется как:

                                              (15)

Параметры B и C в уравнении ГАБ могут быть соотнесены с температурой с использованием уравнения Аррениуса:

                                                        (16)

                                                        (17)

где, A-содержание воды, соответствующее насыщению полного потока Брунауэра (% с.в.); B-корректирующий фактор свойств дополнительных слоев сорбции по сравнению с жидкой водой; ∆H₁-теплота конденсации пара чистой воды (кДж, моль.^-1); ∆H₂-интегральная теплота сорбции слоев дополнительной воды (кДж, моль.^-1); T-абсолютная температура (K); R-постоянная совершенных газов (8,314 Дж моль^-1 К^-1); C₀, и B₀-постоянные.

Один из параметров уравнения ГАБ (А) имеет физический смысл. Он представляет собой содержание воды, соответствующее насыщенности монослоя. Это явление указывает на количество воды, сильно сорбированной на определенных участках. Полученные результаты показывают, что влагопоглощение монослоя для каждого продукта принимает значения 5,6%, 11% и 2,5% для листьев крапивы, корня имбиря и девясила соответственно при разных температурах.

Однако экспериментальные данные кривых десорбции и сорбции лекарственных растений были проанализированы с использованием различных моделей, доступных в литературе, для описания изотерм сорбции влаги. Выбор подходящей модели основан на минимальных значениях средней относительной ошибки и максимума коэффициента корреляции (r). Давление растекания (π) листьев крапивы, корня имбиря и корня девясила при различных температурах было определено уравнениями (7) и (8).

Определение чистой изостерической теплоты сорбции и общей теплоты смачивания. Чистая изостерическая теплота сорбции показывает сильную связь с содержанием влаги (рис. 1). Оно уменьшается по мере увеличения равновесной влажности. Максимальная чистая изостерическая теплота сорбции при низком равновесном содержании влаги указывает на то, что связь между молекулами воды и лекарственных растений происходит прежде всего в более активных сорбционных участках, вызывая сильные взаимодействия.

В результате сравнения общей теплоты смачивания в одном и том же интервале влагосодержания (6,5–11,5%) для всех видов также выше по десорбции, чем по сорбции (табл. 3, рис. 2). Это также выше в листьях крапивы и ниже в корнях девясила, что указывает на то, что энергия, вовлеченная в листьях крапивы, больше, чем в других видах, вероятно, из-за присутствия большего количества активных центров на единицу объема в листьях крапивы. Следовательно, затраты энергии, необходимые в листьях крапивы для изменения содержания влаги в процессе сушки, выше, чем у других исследованных видов.

Чистая изостерическая теплота изотерм для листьев крапивы (а); корня имбиря (в); корня девясила (д); и дифференциальная энтропия для листьев крапивы (б); корня имбиря (г); корня девясила (е) как функция равновесного содержания влаги.

Рисунок 1. Чистая изостерическая теплота изотерм и дифференциальная энтропия лекарственных растений

Таблица 3.

Значения общей теплоты смачивания (кДж / моль сухих лекарственных растений) для интервала содержания влаги (6,5–11,5%)

Рисунок 2. Изотермы сорбции и десорбции облученных лекарственный растений

Чтобы определить влияние ионизации на активность воды, мы исследовали гигроскопическое поведение обработанных образцов. Равновесное содержание влаги в их облученных образцах лекарственных растений (листья крапивы, корни имбиря и девясила) в каждой банке, имеющей определенную равновесную относительную влажность, оказывается приблизительно таким же, как и в необработанных образцах. На этом же рисунке рис. 2 предоставляет нам интересные данные, которые показывают тот факт, что гигроскопическое поведение связано с формой изотерм сорбции и гистерезисом между сорбцией и десорбция облученных лекарственных продукции имеет, по-видимому, те же характеристики, что и у необработанных лекарственных растений [8].

Кинетика сушки трёх лекарственных растений, предварительно обработанных и необработанных. На рис. 3. (на примере корня девясила) показывается увядающей варианта, предварительно обработанного и необработанного; как было показано на этих графиках a, б, в связанных с 25, 35 и 45 °C, содержание воды в отобранных лекарственных растениях, предварительно обработанном, а также необработанном, уменьшается со временем. Кроме того, обе кривые показывают одинаковую форму, но контролируемую мгновенные перепады давления предварительно обработанных кривых лекарственных растений находятся ниже необработанных кривых лекарственных растениях. Эти результаты подразумевают, что скорость сушки контролируемого мгновенного падения давления, предварительно обработанного корня девясила выше, чем у необработанного лекарственного растения.

Рисунок 3. Кинетика сушки горячим воздухом, достигнутая на образцах корня девясила, предварительно обработанных и необработанных

Из этих результатов можно предположить, что контролируемый мгновенный перепад давления предварительно обработанного корня девясила улучшает производительность процесса сушки.

Экспериментальные результаты показывают, что изотермы сорбции лекарственных растений (листья крапивы, корни имбирь и девясил) следуют общей схеме кривых сорбции. Они сигмоидальные типа II, поведение, подобное большинству растительного продуктов. Тем не менее, три продукта отличаются в отношении эффекта гистерезиса. Модель ГАБ оптимизирует сглаживание экспериментальных точек для всех изученных продуктов так же, как и в других важных областях водной деятельности.

Список литературы:

1. Miranda M., Vega-Gálvez A., Sanders M., López J., Lemus-Mondaca R., Martínez E., Di Scala K. Modellingthe water sorption isotherms of quinoa seeds (Chenopodiumquinoa Willd.) and determination of sorption heats. FoodBioprocess Technol. 5, 2012. Р.1686–1693.
2. Bup D.N., Abi C.F., Tenin D., Kapseu C., Tchiegang C., Mouloungui Z. Effect of cooking on moisture sorptionisotherms of shea nut (Vitellaria paradoxa Gaertn.) Kernels part II: modelling and properties of sorbed water. Food BioprocessTechnol. 6 (11), 2013. Р.3273–3283.
3. Sharma N., Goyal S.K., Alam T., Fatma S., Keshavan N. Effect of germination on the functional and moisture sorptionproperties of high-pressure-processed foxtail millet grainflour. Food Bioprocess Technol. 11 (1), 2018. 209–222.
4. Ouertani S., Azzouz S., Hassini L., Koubaa A., Belghith A. Moisture sorption isotherms and thermodynamic propertiesof Jack pine and palm wood: comparative study. Ind. CropsProd. 56, 2014. Р.200–210.
5. Safarov J.E., Sultanova Sh.A., Dadayev G.T., Samandarov D.I. Sorption and desorption of medicinal plants. // International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering. Volume-9, Issue-2, December, 2019. Р.685-688. DOI: 10.35940/ijitee.B6710.129219
6. Safarov J.E., Sultanova Sh.A., Hudoyberdiev M. Research of the process of sorption and desorption of vapors of water samples of the large powder of plantago major for the choice of the optimal drying and storage mode. LVI International correspondence scientific and practical conference «European research: innovation in science, education and technology». London, United Kingdom, 2019. 18-19 р.
7. Labuza T.P., Kaanane A., Chen J.Y. Effect of temperatureon the moisture sorption isotherms and water activity shift oftwo dehydrated foods. J. Food Sci. 50 (2), 1985. Р.385–392.
8. Safarov J.E., Sultanova Sh.A. Kinetic regulations of the drying process of drug plants. // International Journal of Innovations in Engineering Research and Technology. ISTC-2K20. 2020. P.95-98.