Egyes eltérő fizikai tulajdonságú zöldségfélék száradási jellemzőinek vizsgálata Bihercz Gábor1 – Kurják Zoltán1 1
SZIE, Gépészmérnöki Kar 2103 Gödöllő, Páter Károly u. 1 E-mail:
[email protected] BEVEZETÉS Eddig számos tanulmány foglalkozott a zöldségfélék szárításával mikrohullámú és konvektív szárítási körülmények között, ám a kiinduló és peremfeltételek valamennyi esetben különbözőek voltak. Ebből adódóan ezek nem alkalmasak a zöldségfélék száradási jellemzőinek összehasonlító vizsgálatára, amennyiben az energia transzport eltérő. Ezért mi olyan konvektív és mikrohullámú kísérleteket folytattunk le paradicsom és sárgarépa mintákkal, amelyek kezdeti és peremfeltételei hasonlóak voltak. Az eredmények hasonló víztelenedési folyamatot és dehidrációs jellemzőket mutattak, azonban néhány helyen eltérés mutatkozott. Például mikrohullámú térben a száradási sebesség sokkal nagyobb volt, illetve konvektív szárításnál esetén az energiafogyasztás volt sokkal magasabb. A kísérlet alatt változtattunk néhány meghatározó paramétert, ezért különböző dehidrációs görbéket valamint száradási sebesség görbéket kaptunk. MÉRŐBERENDEZÉSEK ÉS MÉRÉSI ELJÁRÁSOK KONVEKTÍV SZÁRÍTÁS JELLEMZŐI A mérőberendezés ismertetése
1. ábra A mérőberendezés elrendezési terve (1: minta tartó; 2: légmelegítő; 3: elektromos motor; 4: ventilátor; 5: mérő henger; 6: hőmérő párok; 7: harmatpontmérő; 8: csatlakozó egység; 9: számítógép; 10: manométer; 11: mérőperem; 12: fojtó kúp; 13: hőmérsékletmérő egység)
A ventilátor (4) által a környezetből szívott levegő tömegáramának, és ezzel a szárítótéri redukált közegsebesség szabályozására fojtókúp (g) szolgál, a térfogatáram pontos –7–
meghatározásához a kör keresztmetszetű mérőcsőbe (5) mérőperem (f) és differenciál manométer (e) van beépítve. A fűtőegység (2) villamos teljesítménye a hőmérsékletszabályozó (h) segítségével 0-8 kW között fokozatmentesen állítható. A szárítótér (1) cserélhető, maximális méretű kialakításában 2,5 m magas, 100 mm belső átmérőjű, 20 mm falvastagságú plexi cső, ám jelen esetben csupán 200 mm magasságú szárítóteret alkalmaztunk. Előnye, hogy a száradási folyamat közvetlen megfigyelésére is lehetőséget teremt. Az átáramlott levegő sebességét indukciós anemométerrel és rotaméterrel mértük. A hőmérsékletmérésre Fe-Ko termoelemeket (a) helyeztünk el, a kilépő szárítóközeg relatív nedvességtartalmát harmatpontmérővel (b) határoztuk meg. A mérőberendezések kimenő jeleit egy mérésadatgyűjtőbe (c) vezettük és számítógép (d) segítségével értékeltük ki. A száradó anyag nedvességtartalmát a szárítótérben kiépített mintavételi helyeken szondás mintavételezéssel nyert anyagok szárítószekrényes mérésével határoztuk meg. A mérés leírása A két zöldségféle mérési technológiája hasonló, mert a vizsgálatok során az előkészítés azonos módon történt és a mérés során alkalmazott paraméterek is azonosak voltak. Konvektív szárításához 200 [g] mintatömeget használtunk. A zöldségeket nagyjából 1 [cm3] űrtartalmú kockákra daraboltuk, és így helyeztük a szárító berendezésbe. A szárító levegő hőmérsékletét először 80 [°C]-ra állítottuk be, majd 100 [°C]-ra. Minden mérési beállításnál 5-szöri ismétléssel vettük fel a mérési pontokat, amelyből számtani átlaggal határoztuk meg a középértékeket. Miután a mintákat a szárító berendezésből kivettük, azokat tégelyekbe helyeztük, lemértük a tömegüket, majd a szárítószekrénybe tettük (130 [°C] hőmérsékleten 3 órán keresztül szárítottuk). A szárítószekrényből való kivétel után lemértük a tégelyek tömegét, így a szárítószekrény előtti és utáni tömegek alapján számítottuk a nedves bázison vett nedvességtartalmat. MIKROHULLÁMÚ SZÁRÍTÁS JELLEMZŐI A mérőberendezés ismertetése
2. ábra A mikrohullámú mérőberendezés
A mérésekhez egy célszerűen átalakított, kereskedelmi forgalomban is kapható mikrohullámú berendezést használtunk. A berendezés a homogén mikrohullámú teret - egy a kezelőtér felső –8 –
lapján rögzített - forgó keverőlapát segítségével biztosítja. Az átalakítás során a kezelő tér bal oldalán mérőcsatorna került kiépítésre. A mérőcsatorna egy 45 x 100 x 400 mm méretű zártszelvényből készült, amelynek végére egy M3-3A típusú mérőműszert csatlakoztattunk, amellyel a kezelőtérben a visszavert mikrohullámú teljesítményt tudtuk mérni. A magnetron elektromos vezérlésének átalakításával a mikrohullámú erőteret a szárítás ideje alatt folyamatossá tudtuk tenni, ami állandó teljesítményt biztosított. A mérés leírása A minta előkészítése megegyezik a konvektív szárításnál leírtakkal, de egyes technológia paramétereket célszerűségi okokból ettől eltérően kellett beállítani. A méréseket szakaszos kezelési módszerrel végeztük el. Az alkalmazott kezelés/szellőztetés arány 3/1 perc volt, így a méréseket 15-20%-os nedvességtartalomig tudtuk elvégezni. Az egyes növényekre a kezelési idők a következőképpen alakultak: • sárgarépa: 2; 4,5; 7; 9; 11; 13,5; 16; 18; 23; 25; 28 perc • paradicsom: 2; 4,5; 7; 9; 11; 13,5; 16; 18; 23; 25; 28 perc A mikrohullámú kezelés után a mintákat itt is konvektív úton egyensúlyi nedvességtartalomig szárítottuk ki 103 °C-on. A méréseket mindenegyes kezelési időre 5 alkalommal végeztük el. Az így kapott adatokat rendezve itt is elkészítettük a száradás kinetikai és a száradásisebesség görbéket. A SZÁRÍTÁSI KÍSÉRLETEK EREDMÉNYEI A SÁRGARÉPA SZÁRÍTÁSA Konvektív szárítási kísérletek A sárgarépát – az előzőekben ismertetett anyag-előkészítést követően – 0,4 m/s-os sebességű szárítóközeggel szárítottuk 80 és 100 oC-os hőmérsékleten. Közel 90%-os kezdeti nedvességtartalomról a 10% körüli végnedvesség eléréséhez (t = 100 oC esetén) kereken 160 perc volt szükséges. Ez tényszerű megfigyelés önmagában is bizonyítja, hogy a sárgarépa viszonylag nehezen adja le nedvességtartalmát.
–9 –
3. ábra. A sárgarépa konvektív szárítása (a – minták a mintatartóban; b – relatív energiaigény; c – kinetikai görbék; d – száradási sebesség görbék)
Azonos kezdeti nedvességtartalomról 80 oC-os hőmérséklet alkalmazásakor 160 perc múlva közel 30%-os volt a minták víztartalma (3/c ábra). A szárítás kinetikai adatok alapján szerkesztett száradási sebességgörbék világosan mutatják, hogy a répa esetében is kialakul az egyenletes és a csökkenő száradási sebesség szakasza (3/d ábra). A víztartalom eltávolításához szükséges energia a nedvesség csökkenésével exponenciálisan növekszik. Mikrohullámú szárítási kísérletek Ebben az esetben a konvektív eljáráséhoz hasonló, de attól lényegesen meredekebb szárításkinetikai görbét kaptunk. (4/a ábra).
– 10 –
4. ábra A sárgarépa mikrohullámú szárítása (a – kinetikai görbék; b – száradási sebesség görbék; c – relatív energiaigény; d – hosszirányú belső nedvességeloszlás)
A megszerkesztett száradási sebességgörbe azt mutatja, hogy mikrohullámú kezeléskor is egyértelműen elkülönül a felmelegítési, az egyenletes és a csökkenő száradási sebességű szakasz (4/b. ábra). Jól érzékelhető, hogy a csökkenő száradási szakaszon belül töréspont választja el az egyenletes és az aszimptotikus intervallumokat egymástól. A relatív energiaigény vizsgálatával kapott diagram a 4/c. ábrán látható. Feltűnő, hogy a kezdeti szárítási szakaszban a relatív energiaigény görbéje jobban közelít a vízszinteshez. A száradás alatti nedvességáramlás tekintetében a sárgarépa belső szövetmorfológiájának meghatározó szerepére utal a nedvességtartalom hossz- és keresztirányú eloszlásának alakulása (4/d ábra). A nedvesség hosszirányú eloszlása mind az idő, mind a hely függvényében közel egyenletes, a keresztirányú disztribúció pedig – majdnem szimmetrikusan – sugárirányban fokozatosan csökken. A PARADICSOM SZÁRÍTÁSA Konvektív szárítási kísérletek Az előzőleg szeletelt paradicsomot 80 és 100 oC-os szárítóközeg alkalmazásával szárítottuk. Mindkét közeghőmérséklet 0,4 m/s-os áramlási sebességgel párosult. A paradicsomszeletek kezdeti nedvességtartalma jóval 90% felett volt (5/a ábra). – 11 –
5. ábra A paradicsom konvektív szárítása (a – kinetikai görbék; b – száradási sebesség görbék; c – relatív energiaigény)
A vízleadás intenzitása viszonylag nagy volt. Feltűnő, hogy a hőmérséklet 20 oC-kal való emelése a hőfokemelkedés arányát meghaladó száradási sebességnövekedést váltott ki (5/b. ábra). Ennek megnyugtató magyarázatához további kísérletek szükségesek. A magas kezdeti nedvességtartalom természetes következménye az egyenletes száradási sebesség kialakulása, majd a nedvességtartalom csökkenésével a csökkenő vízleadási intervallum bekövetkezése. A víztartalom kívánatos csökkentéséhez szükséges relatív energia, hasonló görbe szerint változik, mint az a sárgarépa esetében is tapasztalható volt. Az alacsony nedvességtartalmú szakaszban hirtelenebb és meredekebb a görbe emelkedése és az átmenet helye alacsonyabb víztartalomhoz köthető, mint a sárgarépánál. Ennek magyarázata a nagy kezdeti nedvességtartalom hatásában, illetve a vélhetően kisebb vízkötési energiában keresendő (5/c. ábra). Mikrohullámú szárítási kísérletek A paradicsom nagyfrekvenciás kezelésekor az átlagos abszorbeált fajlagos mikrohullámú teljesítmény p = 2,94 W/g volt, ami pontosan megfelel a t = 100 oC hőmérsékletű és v = 0,4 m/s közegsebességű konvekciós energia-bevitelnek. Ezzel szemben a kapott szárításkinetikai görbe meredekebb és jellegzetesen „mikrohullámos” (6/a. ábra). A száradási idő lényegesen lerövidül, ami előrevetíti azt, amit a száradási sebességgörbe vizuálisan is bizonyít, hogy a vízleadási intenzitás mikrohullámú körülmények közt a konvekciós száradási sebesség – 12 –
többszöröse. Míg 100 oC-os, 0,4 m/s-os szárítóközeg mellett maximális konvekciós szárítási sebesség 0,55 kg/kgmin volt, addig hasonló intenzitású mikrohullámú energia-bevitel mellett ugyanez kereken 2 kg/kgmin-re adódott. Elemezve a paradicsom szárításkor kapott qr-X görbét (6/c ábra) látható, hogy itt viszonylag hosszú a vízszintes szakasz, illetve a görbe emelkedése kis anyag-nedvességtartalom mellett következik be, ugyanakkor kisebb az úgynevezett átmeneti szakasz is. Ez a jelenség nagyrészt azzal magyarázható, hogy a paradicsom nedvességtartalmának kötési energiája valószínűleg kisebb, mint a sárgarépáé.
6. ábra A paradicsom mikrohullámú szárítása (a – kinetikai görbe; b – száradási sebesség; c – relatív nedvességtartalom)
– 13 –
ÖSSZEFOGLALÁS A száradási sebesség értékében a kísérletbe vont anyagok közül a sárgarépánál adódnak a legnagyobb különbségek, összevetve a konvekciós és a nagyfrekvenciás energiaközlési módokat. Ez a jelenség arra enged következtetni, hogy a száradó anyag morfológiája jelentősen befolyásolja az energiahasznosulás folyamatát, függően a megválasztott kezelési (energiaközlési) módtól. Az anyag szerkezete nem támogatja a felületi energia- és anyagátvitelt, belső hőközléssel lényegesen jobb eredmény várható. A nedvességtartalom hossz- és keresztirányú eloszlásának alakulása arra enged következtetni, hogy a legintenzívebb nedvességáramlás a központi xylem-csőben jön létre, a parenchima szövetek pedig sugárirányú vízmozgást gátló rétegekként funkcionálnak. Ez az anyagszerkezet – még szeletelés után is – rontja a konvektív szárítási eljárás energetikai jellemzőit. Indirekt bizonyítékok alapján feltételezhető, hogy a zöldségfélék mikrohullámú szárításakor a mikrohullámú energiának nem-termikus hatása is van. Ez a hatás hasonlít a fémek felületére érkező (hullám formájában terjedő) energia Lebedev-féle sugárnyomásához. Nem kizárt, hogy az abszorbeálódott energia belső nyomásnövelő hatása eredményeképpen a távozó nedvességtartalom egy része nem párolog el, mint a konvektív szárításkor. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A tanulmány az OTKA T037420 és az NKFP 4/030/2001 pályázatok anyagi támogatásával készült. IRODALOMJEGYZÉK Beke, J.: Hygrothermal Properties of Grains. In Drying Technology in Agriculture and Food Sciences (Edited by A. S. Mujumdar). Scientific Publishers, Enfield, USA, 2000. 107-132. p. Beke, J.: Some aspects of modelling convective corn drying, Drying Technology, New York, 1992b. 5. 1317-1321. Beke, J.-Gál, Z.: Some aspects of the drying process with variable bed height. Drying’94. New York, Brisbane, 1994. Beke, J. - Mujumdar, A.S.: Influence of Drying Conditions on the Fragility of Corn Kernels, Drying Technology, New York, 1993. 3. 603-614. p. Beke, J. - Mujumdar, A.S. - Giroux, M.: Some Fundamental Attributes of Corn and Potato Drying in Microwave Fields. Drying Technology. vol. 15(2). 1997. February Beke, J.: The impact of field polarization on the dewatering process of Corn, Drying Technology, 1999, Vol. 17/4 Brooker, D.B. – Bakker-Arkema, F.W. – Hall, C.W.: Drying and Storage of Grains and Oilseeds. Nostrand Reinhold, New York, 1992. Hukill,W.V.: Grain Drying. In Storage of Cereal Grains and Their Products. J.A.Anderson and A.W.Alcock eds. Am.Assoc.Cereal Chemists, St.Paul, 1954 Mujumdar A. S. – Beke J.: Practical drying, Szaktudás Kiadóház, Budapest, 2002. Neményi, M.: Energetically and biologically analysis of artificial drying of cornhybrids, Academic PhD essay. Mosonmagyaróvár, 1993. – 14 –
