Heat and Mass transfer in Freeze drying

1

جمعهدکتر زهرا امام : استاد راهنما

هادی عباسی: پژوهشگر

93پاییز

بررسی انتقال جرم و حرارت در خشک کن انجمادی

:موضوع

پردیس کشاورزی و منابع طبیعی

گروه علوم و مهندسی صنایع غذایی

3

ارائهفهرست

اهمیت خشک کردن

اهمیت خشک کن انجمادی

مبانی خشک کردن انجمادی

بهینه سازی خشک کردن انجمادی

بررسی انتقال جرم و حرارت

4


اولین گذارش خشک کردن مواد غذایی بصورت صنعتی مربوط به در قرن »«.میباشد18

(Van Arsdel & Copley 1963)

خشک کردن سبزیجات و میوجات یکی از عمده ترین فرایندها »میباشد که به دلیل کاهش فعالیت آبی سبب کاهش تغییرات فیزیکی و شیمیایی و رشد میکرو ارگانیسم ها در محصول

«.میگردد

(Mayor and Sereno, 2004)

غذایی آبگیری شده کال به ماده غذایی اطالق میشود که رطوبتی ماده » (بر مبنای وزن خشک% )2.5کمتر از

.داشته باشدماده غذایی خشک شده شامل کلیه فرآورده هایی است که رطوبتی بیش

(بر مبنای وزن خشک % )2.5از «.داشته باشند

(اگروه کشاورزی ایالت متحده امریک)





بهینه سازی

انتقال جرم و حرارت

5


کاربرد گسترده مواد غذایی خشک شده

ایجاد تنوع محصول

افزایش طول عمر ماده غذایی





بهینه سازی


5

فرایند خشک کردن انجمادی فرایندی است که در آن یخ بدون »ذوب شدن با گرفتن گرمای نهان تصعید تحت شرایط تصعیدی به

«.بخار آب تبدیل شده و از ماده غذایی خارج می شود

خشک کردن

انجمادی





بهینه سازی

انتقال جرم و Berk)حرارت 2013)

7

خشک کردن انجمادی به صورت چشمگیری سبب کاهش هدر رفت مواد »(Karel, M. 1975)«.عطر و طعمی مواد غذایی میگردد

اولین بار خشک کردن انجمادی برای موارد داروسازی و »(Gustavo V. 1983)«.استفاده شد1940در سال پزشکی

(Gustavo V. 1983)

اهمیت خشک کن

انجمادی

بیشترین مقدار خشک کردن انجمادی در صنعت غذا برای عصاره »«.قهوه و چای و گوشت میباشد





بهینه سازی


8

ویژگی محصول خشک شده با خشک

کن انجمادی

جذب آب مجدد عالی

محصول رطوبت نهایی پاییننهایی

حداقل بودن تغییرات نامطلوب شیمیایی و میکروبی

(Karel, M. 1975)





بهینه سازی


9

طرح شماتیک خشک کن

انجمادی

10مراحل خشک کردن

انجمادی

4

3

2

1

5

(Nireesha, Divya et al.)

11

4

3

2

1

5

مراحل خشک کردن انجمادی





بهینه سازی


(Vega-Mercado, Marcela Gongora-Nieto et al. 2001)

12

شرایط انجماد

انجماد باید سریع انجام گیرد تا کریستالهای تشکیل •

.شده کوچک باشند

بعد از انجماد باید از ذوب شدن ماده غذایی ممانعت •

.به عمل آید

دما و زمان انجماد ماده غذایی تابع مقدار مواد •

.محلول میباشد





بهینه سازی


(Nireesha, Divya et al.)

13

تفاوت شرایط متقارن با نامتقارن و انتقال

حرارت جابجایی با هدایتی و تشعشع

𝑭𝒓𝒐𝒛𝒆𝒏 𝒍𝒂𝒚𝒆𝒓

𝑫𝒓𝒊𝒆𝒅 𝒍𝒂𝒚𝒆𝒓



انتقال حرارت

(Convection)جابجایی

(Conduction)هدایتی

(Radiation)تشعشع مایکروو





بهینه سازی


(Wang and Shi 1999)

14روشهای انتقال حرارت و

محاسبه زمان فرایند

روشهای محاسبه زمان فرایند

بر حسب انتقال حرارت

بر حسب انتقال جرم

محاسبه زمان فرایند

برحسب انتقال حرارت در شرایط جابجایی و متقارن

نامتقارندر شرایط هدایتی و حرارت برحسب انتقال

متقارندر شرایط جابجایی و جرم برحسب انتقال

نامتقارنو هدایتی شرایط انتقال جرم در برحسب





بهینه سازی


15

𝜟𝑳


𝑳


𝑴𝒂𝒔𝒔 𝒇𝒍𝒖𝒙

Tp

Tf

Ts

انتقال حرارت در شرایط

هدایتی و نامتقارن

𝑯𝒆𝒂𝒕 𝒇𝒍𝒖𝒙

𝜟𝑳 = 𝟏 − 𝒙 𝑳𝜟𝑳 + 𝒙𝑳 = 𝑳 𝜟𝑳 = 𝑳 − 𝒙𝑳

𝒒 =𝒌

𝑳 − 𝜟𝑳(𝑻𝒑− Tf)





بهینه سازی

انتقال جرم و George and Datta)حرارت 2002)

16

𝒒 =𝒌

𝑳 − 𝜟𝑳(𝑻𝒑− Tf)

𝜟𝑳 = 𝟏 − 𝒙 𝑳

𝒒 =𝒌

𝒙𝑳𝑻𝒑− Tf = NA𝜟𝑯𝒔

𝒎 = NAMW 𝑵𝑨 =𝑳

𝑴𝑾𝑽𝑺[𝒙𝒕 + 𝜟𝒕 − 𝒙𝒕

𝜟𝒕NA =

𝑳

𝑴𝑾𝑽𝑺(−𝒅𝒙

𝒅𝒕)

𝑳

𝑴𝑾𝑽𝑺−𝒅𝒙

𝒅𝒕𝜟𝑯 =

𝒌

𝒙𝑳(𝑻𝒑− Tf)

𝑳𝟐

𝑴𝑾𝑽𝑺𝜟𝑯

𝒙1

𝒙2−𝒙𝒅𝒙 = 𝒌(𝑻𝒑 − Tf)

𝟎

𝒕

𝒅𝒕

𝒕 =𝑳𝟐𝜟𝑯

𝟐𝒌𝑴𝑾𝑽𝑺 𝑻𝒑− Tf(𝒙1

2 − 𝒙22)

محاسبه زمان فرایند براساس انتقال حرارت

در شرایط هدایتی و نامتقارن

1

2

1,2





بهینه سازی


17انتقال جرم در شرایط

هدایتی و نامتقارن



𝑪𝒐𝒏𝒗𝒆𝒄𝒕𝒊𝒗𝒆 𝒎𝒂𝒔𝒔 𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔𝒇𝒆𝒓

𝑫𝒊𝒇𝒇𝒖𝒔𝒊𝒐𝒏𝒂𝒍

)NA = kg(Psw− Pew

NA =𝑫´

Rg𝑻𝜟𝑳(Pfw− Psw)

NA =𝑫´

Rg𝑻𝜟𝑳(Pfw− Psw) )= kg(Psw− Pew NA =

𝟏

𝟏 kg+ 𝐑𝐓 𝚫𝐋 𝐃´

(Pfw− Pew)

Pfw

𝜟𝑳𝑳

Psw

Pew





بهینه سازی


18

محاسبه زمان فرایند براساس انتقال جرم

در شرایط هدایتی و نامتقارن

NA =𝑳

𝑴𝑾𝑽𝑺

(−𝒅𝒙

𝒅𝒕) =

𝟏

𝟏kg+𝑹𝑻 𝜟𝑳 𝑫´

(Pfw− Pew)

𝟏

kg+

)𝑹𝑻𝑳(𝟏 − 𝒙

𝐃´

𝑳

𝑴𝑾𝑽𝑺 𝒙1

𝒙2−𝒅𝒙 = (Pfw− Pew)

𝟎

𝒕

𝒅𝒕

1

kg= 0

𝑹𝑻𝑳

𝐃´(𝒙1− 𝒙2+

𝒙2𝟐

𝟐−𝒙1𝟐

𝟐)

𝑳

𝑴𝑾𝑽𝑺= (Pfw− Pew)𝒕

𝒕 =𝑹𝑻𝑳𝟐

𝑫´𝑴𝑾𝑽𝑺(Pfw−Pew)

(𝒙1− 𝒙2+𝒙2𝟐

𝟐−𝒙1𝟐

𝟐)

𝑫´ =𝑹𝑻𝑳𝟐

𝒕𝑴𝑾𝑽𝑺(Pfw−Pew)

(𝒙1− 𝒙2+𝒙2𝟐

𝟐−𝒙1𝟐

𝟐)





بهینه سازی


19


𝑪𝒐𝒏𝒗𝒆𝒄𝒕𝒊𝒗𝒆𝒎𝒂𝒔𝒔 𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔𝒇𝒆𝒓

NA =𝑫´

Rg𝑻𝜟𝑳(Pfw− Psw)

)NA = kg(Psw− Pew

NA =𝑫´

Rg𝑻𝜟𝑳(Pfw− Psw) )= kg(Psw− Pew NA =

𝟏

𝟏 kg+ 𝐑𝐓 𝚫𝐋 𝐃´

(Pfw− Pew)

بررسی انتقال جرم در

شرایط جابجایی و متقارن

𝑫𝒊𝒇𝒇𝒖𝒔𝒊𝒐𝒏𝒂𝒍

Psw

Pew

Pfw

𝟐𝜟𝑳 + 𝒙𝑳 = 𝑳 𝟐𝜟𝑳 = 𝑳 − 𝒙𝑳 𝜟𝑳 = (𝟏 − 𝒙)𝑳

𝟐

𝜟𝑳

𝜟𝑳

𝑳





بهینه سازی


20

محاسبه زمان فرایند براساس انتقال جرم

در شرایط جابجایی و متقارن

NA =𝑳

𝟐𝑴𝑾𝑽𝑺(−𝒅𝒙

𝒅𝒕) =

𝟏

𝟏 kg+ 𝑹𝑻 𝜟𝑳 𝑫´

Pfw− Pew

𝟏

kg+

)𝑹𝑻𝑳(𝟏 − 𝒙

𝟐𝐃´

𝑳

𝑴𝑾𝑽𝑺 𝒙1

𝒙2−𝒅𝒙 = 𝟐(Pfw− Pew)

𝟎

𝒕

𝒅𝒕

1

kg= 0

𝑹𝑻𝑳

𝟐𝐃´(𝒙1− 𝒙2+

𝒙2𝟐

𝟐−𝒙1𝟐

𝟐)

𝑳

𝑴𝑾𝑽𝑺= 𝟐(Pfw− Pew)𝒕


𝟐𝑫´𝑴𝑾𝑽𝑺(Pfw−Pew)

(𝒙1− 𝒙2+𝒙2𝟐

𝟐−𝒙1𝟐

𝟐)

𝑫´ =𝑹𝑻𝑳𝟐

𝟐𝒕𝑴𝑾𝑽𝑺(Pfw−Pew)

(𝒙1− 𝒙2+𝒙2𝟐

𝟐−𝒙1𝟐

𝟐)





بهینه سازی


21انتقال حرارت در شرایط

جابجایی ومتقارن𝑯𝒆𝒂𝒕 𝒇𝒍𝒖𝒙

Ts

Tf𝑳

𝜟𝑳

Te

𝑪𝒐𝒏𝒅𝒖𝒄𝒕𝒊𝒗𝒆

𝑪𝒐𝒏𝒗𝒆𝒄𝒕𝒊𝒗𝒆

)𝐪 = 𝐡(Te − Ts =𝐤

𝚫𝐋(Ts− Tf) 𝐪 =

𝟏

𝟏 𝐡+ 𝚫𝐋 𝐤

(Te− Tf)

𝐪 =𝐤

𝚫𝐋(Ts− Tf)

)𝒒 = 𝒉(Te − Ts





بهینه سازی


22

محاسبه زمان فرایند براساس انتقال حرارت

در شرایط جابجایی و متقارن

𝑳

𝟐𝑴𝑾𝑽𝑺−𝒅𝒙

𝒅𝒕𝜟𝑯 =

𝟏

𝟏 𝒉 + 𝜟𝑳 𝒌

(Te− Tf)

𝒒 = NA𝜟𝑯𝒔

𝜟𝑯𝟏

h+

)(𝟏 − 𝒙 𝑳

𝟐𝐤

𝑳

𝟐𝑴𝑾𝑽𝑺 𝒙1

𝒙2−𝒅𝒙 = (Te− Tf)

𝟎

𝒕

𝒅𝒕

1

h= 0

𝜟𝑯𝑳

𝟐𝒌(𝒙1− 𝒙2+

𝒙2𝟐

𝟐−𝒙1𝟐

𝟐)

𝑳

𝟐𝑴𝑾𝑽𝑺= (Te− Tf )𝒕


𝟒𝒌𝑴𝑾𝑽𝑺(Te−Tf )(𝒙1− 𝒙2+

𝒙2𝟐

𝟐−𝒙1𝟐

𝟐)





بهینه سازی


23


𝟐𝒌𝑴𝑾𝑽𝑺 𝑻𝒑− Tf(𝒙1

2 − 𝒙22)


𝟐𝑫´𝑴𝑾𝑽𝑺(Pfw−Pew)

(𝒙1− 𝒙2+𝒙2𝟐

𝟐−𝒙1𝟐

𝟐)


𝑫´𝑴𝑾𝑽𝑺(Pfw−Pew)

(𝒙1− 𝒙2+𝒙2𝟐

𝟐−𝒙1𝟐

𝟐)

جمع بندی محاسبه زمان فرایند در

هر چهار حالت

محاسبه زمان فرایند براساس انتقال جرم در شرایط جابجایی و متقارن

محاسبه زمان فرایند براساس انتقال جرم در شرایط هدایتی و نامتقارن

محاسبه زمان فرایند براساس انتقال حرارت در شرایط هدایتی و نامتقارن


𝟒𝒌𝑴𝑾𝑽𝑺(Te−Tf )

(𝒙1− 𝒙2+𝒙2𝟐

𝟐−𝒙1𝟐

𝟐محاسبه زمان فرایند براساس انتقال حرارت در شرایط جابجایی و متقارن(

24روشهای بهینه سازی فرایند خشک

کردن انجمادی

استفاده از

مایکروو

کاهش ضخامت ماده غذایی

افزایش خال

افزایش سطح ماده

غذایی





بهینه سازی


25اثر افزایش خال





بهینه سازی

انتقال جرم و (Duan, Zhang et al. 2007)حرارت

26اثر کاهش ضخامت

ماده غذایی





بهینه سازی


27اثر مایکروو بر

بار میکروبی





بهینه سازی


28اثر تغییرات نیروی مایکروو

بر زمان خشک شدن





بهینه سازی


29اثر مایکروو بر

هاویتامین





بهینه سازی


30منابع

• Duan, X., et al. (2007). "Studies on the microwave freeze drying technique and

sterilization characteristics of cabbage." Drying Technology 25(10): 1725-1731.

• George, J. P. and A. Datta (2002). "Development and validation of heat and

mass transfer models for freeze-drying of vegetable slices." Journal of food

engineering 52(1): 89-93.

• Nireesha, G., et al. "Lyophilization/Freeze Drying-An Review.“

• Wang, Z. H. and M. H. Shi (1999). "Microwave freeze drying characteristics of

beef." Drying Technology 17(3): 434-447.

• Wang, R., et al. (2010). "Effect of food ingredient on microwave freeze drying

of instant vegetable soup." LWT-Food Science and Technology 43(7): 1144-

1150.

• Vega-Mercado, H., et al. (2001). "Advances in dehydration of foods." Journal of

food engineering 49(4): 271-289.

31منابع

• Berk, Z. (2013). Chapter 23 - Freeze Drying (Lyophilization) and Freeze

Concentration. Food Process Engineering and Technology (Second

Edition). Z. Berk. San Diego, Academic Press: 567-581.

• Fellows, P. J. (2009). 23 - Freeze drying and freeze concentration. Food

Processing Technology (Third edition). P. J. Fellows, Woodhead

Publishing: 687-699.

• Nastaj, J., et al. (2008). "Experimental and simulation studies of primary

vacuum freeze-drying process of random solids at microwave heating."

International Communications in Heat and Mass Transfer 35(4): 430-

438.

• Santacatalina, J., et al. (2011). A diffusion approach to describe hot air

and atmospheric freeze drying kinetics of different products. European

Drying Conference, Palma Balearic Island, Spain.

ر با تشکاز توجه شما

32

زندگی درک همین اکنون است