31894

خشكاندن قطره سيالات پيچيده-افشره سنجد

دكتري

مهندسي مكانيك

1398

1403/09/28

حجت قاسمي

محمد كمالي نژاد

مهندسي مكانيك

چالش خشكاندن قطره سيالات پيچيده همواره همراه با راه‌حل‌هاي منحصر بفرد به علت تنوع مشكلات مرتبط با سيالات مختلف است. افشره كم فيبر سنجد، كلوئيدي دارويي-غذايي است كه بنابرنظر داروسازان به عنوان جايگزيني براي پودر سنجد تجاري فعلي، با تكيه بر به حداقل رساندن عوارض جانبي مصرف مواد فيبري اين ميوه در بدن انسان در حال تحقيق و توسعه است. نسبت زياد آب به مواد جامد موجود در اين افشره -ناشي از روش استخراج آبي تهيه افشره- موجب تسهيل فساد شيميايي، مشكلات فرآيندي و جلب نظر به خشكاندن پاششي افشره بوده است. نظر به كاستي مطالعات پيشين در رابطه با اين افشره نوظهور، اين رساله واكاوي‌هاي ترموفيزيكي گوناگوني بر روي اين افشره در شرايط دما و غلظت مختلف انجام رسانيده و تصويري از ويژگي‌هاي اين ماده نمايان ساخته است؛ نتايج بيانگر آن است كه اين افشره با توجه به حضور توامان سه فاز جامد، مايع و گاز در تركيب آن به واقع سيالي پيچيده به شمار مي‌آيد. بررسي آزمايشگاهي سينتيك خشكاندن تك قطره افشره در شرايط مختلفي از دماي محفظه خشك‌كن و غلظت اوليه قطره، بيانگر آن است كه اين افشره پس از دست دادن آب حين تبخير، با رسيدن به غلظتي بحراني پوسته‌اي ناتراوا شكل مي‌دهد. دليل تشكيل اين پوسته ناتروا مرتبط با حضور تركيبات آب‌دوست نامحلول در قطره و نيز تبلور ديرهنگام مواد محلول در سطح قطره است. اين پوسته تا انتهاي فرآيند خشكاندن، به صورت پي در پي در اثر بخارات خروجي متورم و خالي مي‌شود. اين فرآيند در انتها منجر به تشكيل ذره با پوسته‌اي خشك و چسبناك با اندازه هم‌مرتبه اندازه اوليه قطره و تحت شرايطي با مركز مرطوب مي‌شود. با افزايش دماي محفظه خشك‌كن به 200 درجه سلسيوس مشكل مركز مرطوب مرتفع مي‌شود؛ ولي كماكان پوسته بسيار چسبناك است. بررسي‌هاي تكميلي خشكاندن تحت خلأ حاكي از آن بود كه اين افشره در شرايط محيط فاقد حالت جامد پايدار است و پس از آب‌زدايي در غليظ‌ترين فرم خود ساختار جامدي برخود نمي‌گيرد و سيالي با گرانروي بالا همانند عسل را شكل مي‌دهد. بنابرآنچه ذكر شد جمع بندي مطالعات اين بود كه افشره سنجد امكان خشكاندن مطلوب را با روش خشكاندن پاششي را دارا نمي‌باشد. تحليل آزمون DSC افشره بيانگر آن است كه دماي گذار شيشه‌اي بسيار پايين اين افشره -35درجه سلسيوس- موجب بروز اين چسبندگي مي‌گردد. بنابراين با بررسي مواد افزودني مجاز، ماده مالتودكسترين از نوع DE5 با دماي گذار شيشه‌اي بسيار بالا-حدود200درجه سلسيوس- به منظور به‌سازي عصاره به كار برده و افشره‌هاي جديدي مطابق با تحليل دماي گذار شيشه‌اي مناسب توليد گرديد. نتايج بيانگر تغيير محسوسي در ميزان چسبندگي ماده خشك توليدي است، به طوري‌كه در افشره MS2 وMS3 هيچ نوع چسبندگي مشاهده نشد و ذرات به طور مناسبي خشك شده بودند. با توجه به سينتيك خشكاندن افشره كم فيبر سنجد در آزمايش‌ها، به نظر رسيد مي‌توان با استفاده از مدلي نيمه تجربي برپايه تئوري تبخير و نيز يادگيري ماشين داده‌هاي منحني مشخصه خشكاندن، اقدام به مدل‌سازي رفتار اين افشره نمود. مدل ارائه گرديده قادر است علاوه بر ارائه اثر متغيرهاي مستقل خشكاندن مانند دماي محفظه، غلظت و قطر اوليه قطره بر سينتيك خشكاندن افشره، شرايطي كه در آن ذره متورم -بزرگ‌تر از قطر اوليه- توليد مي‌گردد را پيش‌بيني نمايد.

1403/10/25

droplet Drying of Complex Fluids- Oleaster Extract

12/18/2025 12:00:00 AM

The challenge of drying droplets of complex fluids often involves unique solutions due to the diverse issues associated with different fluids. Low-fiber oleaster extract is a colloidal pharmaceutical-nutritional substance, under investigation by pharmacists as a potential replacement for the currently available commercial oleaster powder, aiming to minimize the side effects of consuming the fibrous material of the fruit in the human body. The high water-to-solids ratio in this extract resulting from the aqueous extraction method—leads to chemical spoilage, processing issues, and interest in spray drying. Given the lack of prior studies on this emerging extract, this thesis conducts various thermophysical investigations on this fluid under different temperature and concentration conditions, providing a detailed picture of its properties. The results indicate that due to the simultaneous presence of solid, liquid, and gas phases, this extract qualifies as a complex fluid. Experimental analysis of the drying kinetics of single droplets of the extract under various drying chamber temperatures and initial droplet concentrations reveals that, after losing water during evaporation, the extract forms an impermeable shell upon reaching a critical concentration. The formation of this shell is attributed to the presence of insoluble hydrophilic compounds and the delayed crystallization of soluble materials on the droplet surface. This shell swells and deflates continuously as water vapor escapes, eventually leading to the formation of a particle with a dry and sticky shell, approximately the same size as the initial droplet, and in some cases, with a moist center. Increasing the drying chamber temperature to 200°C resolves the issue of a moist center, though the shell remains highly sticky. Further investigations into vacuum drying revealed that the extract does not stabilize into a solid state under vacuum conditions. After dehydration in its most concentrated form, it retains a viscous fluid structure similar to honey. Based on these findings, it was concluded that oleaster extract is not suitable for spray drying. Differential scanning calorimetry (DSC) analysis showed that the low glass transition temperature of the extract (35°C) causes its stickiness. Consequently, maltodextrin (DE5), a permitted additive with a high glass transition temperature (approximately 200°C), was employed to improve the extract, and new formulations were created with more suitable glass transition temperatures. The results showed a significant reduction in the stickiness of the dried material, with no stickiness observed in the MS2 and MS3 formulations, and the particles were properly dried. Considering the drying kinetics of low-fiber oleaster extract observed in the experiments, it seems feasible to model its behavior using a semi-empirical model based on evaporation theory and machine learning of the drying curve data. The proposed model can predict not only the effects of independent drying variables, such as chamber temperature, concentration, and initial droplet size, on the drying kinetics of the extract but also the conditions that lead to the formation of swollen particles larger than the initial droplet size.

سيال پيچيده , افشره كم فيبر , افشره سنجد , خشكاندن تك قطره , سينتيك خشكاندن

Complex fluid , Low-fibrous extract , Oleaster extract , Single droplet drying , Drying kinetic

Sajad Jabari Neek

Hojat Ghassemi