etd.uofk.edu

العنوان                         
Mathematical Modelling Of Solar Drying Of Mango Slices
Title                     
معد الرسالة
El-Amin Omda Mohamed Akoy
Author
رقم الإيداع
uofketd-agr2007560
URN
الدرجة
Degree
الكلية
Agriculture
Faculty
القسم
Agricultural Engineering
Department
المشرف
Mohamed Ayoub Ismail
Supervisor
المشرف المساعد
El-Fadil Adam Ahmed
Co supervisor
المشرف الخارجى
Ext Supervisor
الممتحن الخارجي
Ext Exam
الممتحن الداخلي الاول
Int Exam 1
الممتحن الداخلي الثاني
Int Exam 2
التاريخ
2008
Date
الكلمات المفتاحية
Keyworde
المستخلص باللغة الإنجليزية
Three experiments were conducted through the cooperation among the Department of Agricultural Engineering, Faculty of Agriculture, University of Khartoum, Sudan and the Food Research Centre, Ministry of Science and Technology, Sudan and the Institute of Agricultural Engineering, University of Goettingen, Germany to study thin layer solar drying of mango and the related quality attributes resulted from the drying process and sorption isotherms of solar dried mango slices. The first experiment was conducted at the Food Research Centre under controlled conditions using an air oven. Only the influence of drying temperatures at 50°C, 60°C, 70°C, 80°C and 90°C on many drying behaviour and quality were studied. The change in mass of mango slices was recorded continuously at specified intervals of 30 min during the experiment using a sensitive balance. The desired drying air temperature was regulated by means of temperature controller and checked using a thermometer. Quality attributes studied included total sugar, reducing sugar, rehydration ratio and non-enzymatic browning. The total sugar and reducing sugar were evaluated by titration method whereas non-enzymatic browning by extraction method. Drying curves obtained from the experimental data were then fitted to three well-known semi-empirical thin-layer drying models namely; Lewis model, Page model and Henderson and Pabis model. Model constants and coefficients were determined by nonlinear regression method. Microsoft Excel spreadsheet software was used to simulate drying characteristics of mango slices. Results revealed that in order to produce high quality mango product, higher temperatures of 70°C to 80°C have to be applied as the optimum drying temperature. Results indicated that drying constant (k) increases as drying temperature increases. The effective moisture diffusivity (Deff) varied from 1.87 =620; 10-6cm2/sec to 3.67 =620; 10-6cm2/sec in temperature range from 50°C to 90°C. Also, the effective moisture diffusivity (Deff) increases as drying temperature increases. The drying took place in the falling rate period and increasing air temperature lessens drying times. All the models were validated using statistical parameters namely; coefficient of determination (R2), sum of square error (SSE), root mean square error (RMSE) and reduced chi-square (=539;2). Among the drying models investigated, the Page model satisfactory described the drying behaviour of mango slices. In the second experiment, a natural convection solar dryer was designed and constructed to dry mango slices. The constructed dryer consisted of a drying chamber and a solar collector combined in one unit. Inside the drying chamber there were two movable mesh wire trays for easy loading and unloading of the mango slices. In order to investigate the dryer performance several test runs were conducted at the Workshop of Department of Agricultural Engineering, Faculty of Agriculture, University of Khartoum. In these tests, drying air and ambient air parameters were recorded continuously at specified intervals of 30 min. Thermocouples connected to a data logger were used to measure temperature whereas digital hygrometers were used to measure relative humidity. To study solar drying characteristics of mango slices, the change in mass of mango slices was recorded at 30 minutes intervals until reaching constant weight using a sensitive balance. The same tested drying models used in the first experiment were employed for the experimental data of the second experiment. A computer programme was written using Turbo Pascal programming language, version 7 to simulate the thin layer solar drying of mango slices. Results revealed that the dryer attained a temperature 20ºC higher than ambient temperature. The heated air temperature was higher than ambient one and the difference was found to be significant (P < 0.05). The heated air relative humidity was lower than ambient one and the difference was found to be significant (P < 0.05). Furthermore results revealed that, the dryer attained a maximum temperature of 70ºC, which is considered as the optimum temperature for mango slices drying. Of the three tested drying models, Page model shows close agreement between predicted and measured moisture contents. In the third experiment water sorption behaviour of solar-dried mango slices at three temperatures of 20°C, 30°C and 40°C for a water activity (aw) range of 0.111 to 0.813 was conducted at the Institute of Agricultural Engineering, University of Goettingen. The sorption isotherms of solar dried mango slices were determined by the standard static gravimetric method; using saturated salt solutions inside air-tight glass jars to maintain a fixed relative humidity. To maintain the constant temperatures, incubators were used. Solar dried samples were weighed at intervals of two days using a sensitive balance until constant weight was reached. The experimental results were fitted to two well-known mathematical sorption models namely; BET model and GAB model. The validation of the two selected models was done by using a statistical parameter namely; mean relative percentage deviation (% P). Microsoft Excel spreadsheet software was used to simulate sorption isotherms of solar dried mango slices. Results indicated that the adsorption characteristic of solar dried mango slices is of typical shape of high-sugar foods i.e. it is type-III (J-shape). Intersection of isotherms occurred at aw>0.75 for investigated temperatures. It is clear that, the monolayer moisture content (Mo) decreases with increasing temperature. GAB model satisfactorily predicted moisture sorption isotherms of solar-dried mango slices.
English Abstract
المستخلص باللغة العربية
أجريت ثلاث تجارب وذلك من خلال التعاون بين قسم الهندسة الزراعية, كلية الزراعة، جامعة الخرطوم، السودان ومركز أبحاث الأغذية، وزارة العلوم والتقانة، السودان ومعهد الهندسة الزراعية، جامعة غوتغن، المانيا لدراسة التجفيف الشمسي للمانجو في طبقة رفيعة وخواص الجودة ذات الصلة الناتجة من عملية التجفيف وخطوط التحارر لمحتوى رطوبة الاتزان بالنسبة لشرائح المانجو المجففة شمسيا. أجريت التجربة الأولى بمركز أبحاث الأغذية تحت ظروف متحكم فيها وذلك باستخدام فرن هوائي. فقط تمت دراسة أثر درجات حرارة التجفيف عند 50، 60، 70، 80، و90°م على سلوك وجودة التجفيف للمانجو. التغير في كتلة شرائح المانجو تم رصده باستمرار عند فترات زمنية محددة قدرها30 دقيقة خلال التجربة وذلك باستخدام ميزان حساس. درجة الحرارة المرغوبة تم ضبطها بواسطة جهاز تحكم لدرجة الحرارة وتم التأكد من ذلك باستخدام ميزان حرارة. خواص الجودة التي تم دراستها شملت السكريات الكلية، السكريات المختزلة، نسبة إعادة الترطيب والاسمرار غير الأنزيمي. السكريات الكلية و السكريات المختزلة تم تقييمها بطريقة المعايرة بينما الاسمرار غير الأنزيمي بطريقة الاستخلاص. منحنيات التجفيف المتحصل عليها من البيانات التجريبية تمت ملاءمتها إلى ثلاث نماذج تجفيف طبقة رفيعة شبه تجريبية مشهورة تسمى نموذج لويس (Lewis model)، نموذج بيج (Page model)، ونموذج هندرسون وبابيس (Henderson and Pabis model). ثوابت ومعاملات الأنموذج تم تحديدها باستخدام طريقة الانحدار غير الخطي. برنامج الجداول الالكترونية ميكروسفت اكسل (Microsoft Excel) استخدم لمحاكاة خواص التجفيف لشرائح المانجو. النتائج أوضحت لكي تنتج منتج مانجو ذو جودة عالية،فان درجات حرارة من 70 إلى 80°م يجب تطبيقها كدرجة حرارة تجفيف مثلي. أشارت النتائج إلى أن ثابت التجفيف (k) يزداد كلما زادت درجة حرارة التجفيف. انتشارية الرطوبة الفعالة (Deff) تراوحت من 1.87 × 10-6 سم2/ث إلى 3.65 × -106 سم2/ث في مدى درجة حرارة من 50 إلى 90°م. أيضا انتشارية الرطوبة الفعالة تزداد كلما ازدادت درجة حرارة التجفيف. التجفيف حدث في فترة المعدل الهابط و بزيادة درجة حرارة الهواء تقل أزمنة التجفيف. كل النماذج تمت مضاهاتها باستخدام معاملات إحصائية تسمى, معامل التحديد (R2)، مجموع مربع الخطأ (SSE)، جذر متوسط مربع الخطأ (RSME) ومربع كاي المخفض(2=539;). من بين نماذج التجفيف التي اختبرت فان نموذج بيج (Page model) وصف سلوك التجفيف لشرائح المانجو بصورة مقنعة. في التجربة الثانية تم تصميم وتركيب مجففة شمسية تعمل بالحمل الطبيعي لتجفيف شرائح المانجو. والمجففة التي تم تركيبها تتكون من غرفة تجفيف ومجمع شمسي تم جمعهما في وحدة واحدة. داخل غرفة التجفيف هنالك صينيتان متحركتان مصنوعتان من السلك النملي وذلك لتسهيل عمليتي التعبئة والتفريغ لشرائح المانجو. لكي يتم اختبار أداء المجففة تم إجراء عدد من الاختبارات بورشة قسم الهندسة الزراعية، كلية الزراعة، جامعة الخرطوم. في هذه الاختبارات تم رصد معاملات هواء التجفيف و هواء المحيط باستمرار عند فترات قدرها 30 دقيقة. مزدوجات حرارة موصلة لمسجل بيانات (Data logger) استخدمت لقياس درجة الحرارة بينما أجهزة قياس الرطوبة الرقمية استخدمت لقياس الرطوبة النسبية. ولدراسة خواص التجفيف الشمسي لشرائح المانجو تم رصد التغير في كتلة شرائح المانجو عند فترات زمنية قدرها 30 دقيقة حتى الوصول إلي وزن ثابت وذلك باستخدام ميزان حساس. نفس نماذج التجفيف التي استخدمت في التجربة الأولي استخدمت للبيانات التجريبية للتجربة الثانية. تمت كتابة برنامج حاسوب باستخدام لغة برمجة تيربو باسكال إصدارة 7 (Turbo Pascal Ver. 7) لمحاكاة التجفيف الشمسي لشرائح المانجو في طبقة رفيعة. أوضحت النتائج أن المجففة وصلت إلي درجة حرارة 20 °م أعلى مما لدرجة حرارة الهواء المحيط. درجة الهواء المسخن أعلى مما للهواء المحيط ووجد أن الفرق كان معنويا (P < 0.05). الرطوبة النسبية للهواء المسخن كانت اقل مما للهواء المحيط ووجد أن الفرق كان معنويا (P<0.05). علاوة على ذلك أوضحت النتائج أن المجففة وصلت درجة حرارة قصوى قدرها 70°م والتي اعتبرت كدرجة حرارة مثلي لتجفيف شرائح المانجو. من بين النماذج الثلاث التي اختبرت، فان أنموذج بيج (Page model) أوضح اتفاق قريب بين محتويات الرطوبة التي تم التنبؤ بها والماقسة. في التجربة الثالثة تم إجراء سلوك محتوى رطوبة الاتزان لشرائح المانجو المجففة شمسيا عند درجات حرارة 20، 30 و40°م بالنسبة لنشاط الماء (aw) تتراوح بين0.111 إلى0.813 وذلك بمعهد الهندسة الزراعية, جامعة غوتغن. خطوط تحارر محتوى رطوبة الاتزان لشرائح المانجو المجففة شمسيا تم تحديدها بالطريقة الـ gravimetric الساكنة القياسية وذلك باستخدام محاليل ملحية مشبعة داخل قوارير زجاجية محكمة السد للمحافظة على رطوبة نسبية ثابتة. للمحافظة على درجات حرارة ثابتة تم استخدام حضانات. العينات المجففة شمسيا تم وزنها عند فترات قدرها يومين باستخدام ميزان حساس حتى الوصول إلى وزن ثابت.النتائج التجريبية تمت ملاءمتها إلى نموذجي رياضيين مشهورين لمحتوى رطوبة الاتزان يسميان, نموذج بت (BET model) ونموذج غاب ( .(GAB modelمضاهاة النموذجين المختارين تمت باستخدام معاملة إحصائية تسمى, انحراف النسبة النسبي المتوسط (%P). تم استخدام برنامج الجداول الالكترونية ميكروسفت اكسل (Microsoft Excel) لمحاكاة خطوط التحارر لمحتوى رطوبة الاتزان لشرائح المانجو المجففة شمسيا. أشارت النتائج إلي أن خواص الامتزاز (adsorption) لشرائح المانجو المجففة شمسيا لها شكل مطابق بالنسبة للأغذية عالية السكريات أي من النوع m6; (شكل حرف J). تقاطع خطوط التحارر حدث عند 0.75 > aw لدرجات الحرارة المختبرة. من الواضح أن محتوى رطوبة أحادي الطبقة (Mo) تنخفض بزيادة درجة الحرارة. نموذج غاب (GAB model) تبنأ بخطوط تحارر لمحتوى رطوبة الاتزان بالنسبة لشرائح المانجو المجففة شمسيا بصورة مقنعة.
Arabic Abstract
تاريخ الدرجة
2008
Degyear
عدد الصفحات
0
Num pages
الرابط
Link