Διερεύνηση διαδικασιών ξήρανσης φαρμακευτικών και αρωματικών φυτών με συναγωγή και βελτιστοποίηση με βάση ποιοτικούς και ποσοτικούς δείκτες

Abstract

The aim of the present dissertation is the experimental and the numerical investigation of the drying processes of medicinal and aromatic plants (MAPs). The examined MAPs were the leaves and the flowers of industrial hemp (Cannabis sativa L.) and lavender (Lavandula x allardii) due to their industrial use, their commercial interest and the national interest for systematic cultivation. The drying kinetics of the two aforementioned MAPs, were examined by investigating the drying curves that reflect the evolution of moisture ratio as a function of the drying time. The moisture ratio during drying was modeled by different techniques, including (i) mathematical thin-layer models, (ii) computational intelligence techniques (artificial neural networks and adaptive neuro fuzzy inference systems) and (iii) an one-dimensional computational model of simultaneous heat and mass transfer. Quantitative and qualitative indices of each MAP related to the cannabinoid concentrations and the essential oil yield, as well as the color indices of the dried samples, were evaluated. Finally, an optimization study was performed for the non-isothermal drying processes of lavender, aiming to maximize the extracted essential oil and minimize the processing time and the energy consumption.For the experimental investigation, the convective drying of the aforementioned MAPs was performed under constant temperature (isothermal drying) and variable temperature (non-isothermal drying). The experiments were conducted in a laboratory-scale convective dryer in the Laboratory of Thermo-Fluid Systems of the Department of Mechanical Engineering of the University of West Attica. Air drying conditions and data logging were performed by an integrated control system and a data acquisition system, respectively. The investigated temperature levels during drying at isothermal drying, ranged from 40 °C to 60 °C under a constant airflow velocity for the two examined MAPs. For the non-isothermal drying cases, the air temperature initially at 40 °C increased linearly up to 60 °C under a temperature increasing rate, ranging from 1.5 °C·h-1 to 4 °C·h-1. For the lavender case, a three-level full factorial experimental design for leaves and flowers was conducted, with the airflow velocity to range from 1 to 3 m·s-1.The dried samples were subjected to further analyses and procedures to assess their quantitative and qualitative indices. In particular, gas chromatography was performed with a flame ionization detector to quantify the concentrations of Δ9-tetrahydrocannabinol (Δ9-THC) and cannabidiol (CBD) for the case of industrial hemp, while the amount of extracted essential oil yield was examined for the lavender by using a laboratory scale steam distillation apparatus. The leaf color of the examined MAPs was measured with a colorimeter and was expressed through the parameters of the CIELAB color space.The cannabinoid concentrations for the case of industrial hemp, did not reveal any statistically significant differences for the drying temperatures or the different temperature increasing rates. However, there was a significant difference in the CBD levels between the two drying processes, with the non-isothermal drying to present 46.7% higher concentration (g/100g). In the case of lavender, the quantity of the essential oil yield (mL/100g) was examined separately for the leaves and the flowers. Drying temperature was found to be a statistically significant factor, influencing the amount of essential oil extracted from lavender’s leaves and flowers. The amount of essential oil extracted is inversely proportional to the temperature at isothermal drying, while at non-isothermal drying the rate of temperature increase leads to a reduced amount of essential oil up to about 11% (for leaves and flowers), compared with the 40 °C case of isothermal drying. For the lavender case, considering the competitive effects of temperature on the yield of essential oil and the drying time, a parametric investigation of the non-isothermal drying conditions (temperature increasing rate and airflow velocity) was performed to determine the optimal combination of the examined responses (essential oil yield, drying time and energy expenditure of the process). Using the response surface methodology, the maximum value of the overall desirability was found for a temperature increasing rate of 4 °C·h-1 and an airflow velocity of 1 m·s-1, where the estimated values of the responses of leaves, were determined as 1.337 mL/100g, 4.23 h and 0.832 kWh for the essential oil yield, drying time and energy consumption, respectively, while for the lavender flowers the values of previous responses were 2.911 mL/100g, 4.19 h and 0.776 kW.Most common, well-established thin-layer mathematical models were examined, leading to a satisfactory prediction of the experimental results for the majority of the cases. Additionally, computational intelligence techniques involving artificial neural networks (ANN) and adaptive neuro fuzzy inference systems (ANFIS) were examined to describe the drying kinetics of MAPs. ANNs and ANFISs were applied for leaves/flowers, lavender/hemp, isothermal and non-isothermal drying, by using the same inputs and data, composing separately different cases. An one-dimensional numerical model of heat and mass transfer was also developed. The model is based on solving the heat and mass transfer equations, using the finite volume method. In the leaves’ interior, the heat transfer is performed by conduction (Fourier's law), while water transfer is performed exclusively by liquid diffusion (Fick's law) by the difference of concentrations caused by the evaporation of water on the leaf surface. The equations were solved in a one-dimensional computational domain with the heat transferred from the leaf surface to its interior, while the moisture is transferred from the leaf interior to its surface, where it is removed as water vapor to the airflow. In the developed model, a mechanistic shrinkage approach was applied by using linear equations, derived from the correlation of the leaf thickness and the moisture ratio of the samples. It was concluded that the thin-layer models were superior to the rest drying modelling techniques as they presented higher correlation with the experimental results. The previous observation can be explained by the fact that thin-layer models are empirical or semi-empirical prediction models, that are based on the adaptation of experimental measurements through the non-linear regression, which limits their application only to specific cases of experimental conditions and specific products. The results of the computational model predicted the experimental drying curves, but not with the accuracy of the aforementioned empirical and semi-empirical approaches. The empirical and the computational intelligent approaches were emerged as more accurate than the computational model, as indicated by the examined statistical indices. Summing up, isothermal drying at high constant temperature levels leads to a significant reduction in the drying time and the process energy consumption without affecting the cannabinoid concentrations of industrial hemp, but resulted in reduced levels of essential oil yield for the lavender case. For the non-isothermal drying of hemp, increased levels of cannabidiol (1.17-1.335 g/100g for the flowers and 0.203-0.239 g/100g for the leaves) and satisfactory levels of essential oil yield were obtained from lavender (0.844-1.719 mL/100g). Therefore, by selecting an appropriate non-isothermal drying temperature scheme, process time and energy consumption can be reduced compared to the low-constant-temperature drying case, by 17% and 75% for hemp leaves and flowers respectively, and by 84% and 54% for lavender leaves and flowers. The response surface methodology can be a powerful tool for the optimization of non-isothermal drying, by deciding the most appropriate non-isothermal drying parameters for a given case or MAP selection, considering the combination of quality, duration and process consumption responses. Although the examined non-isothermal drying schemes with linearly advancing temperature were found to be effective, more research is required to be properly applied on an industrial scale.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η πειραματική και υπολογιστική διερεύνηση των διεργασιών ξήρανσης με συναγωγή σε φαρμακευτικά και αρωματικά φυτά (ΦΑΦ). Τα ΦΑΦ που εξετάζονται είναι τα φύλλα και τα άνθη της βιομηχανικής κάνναβης (Cannabis sativa L.) και της λεβάντας (Lavandula x allardii) λόγω της βιομηχανικής χρήσης τους, του εμπορικού ενδιαφέροντος και βεβαίως του εθνικού ενδιαφέροντος για συστηματική καλλιέργεια. Για τα δύο προαναφερόμενα ΦΑΦ διεξήχθη πειραματική μελέτη της κινητικής της ξήρανσης, με την χάραξη των καμπυλών ξήρανσης που αποτυπώνουν την εξέλιξη του λόγου υγρασίας συναρτήσει του χρόνου ξήρανσης. Η εξέλιξη του λόγου υγρασίας μοντελοποιήθηκε από (i) μαθηματικά μοντέλα λεπτού στρώματος ή λεπτής στοιβάδας, (ii) τεχνικές υπολογιστικής νοημοσύνης που περιλαμβάνουν τεχνητά νευρωνικά δίκτυα και προσαρμοστικά νευροασαφή συστήματα συμπερασμού, και (iii) ένα μονοδιάστατο, μη-συζυγές υπολογιστικό μοντέλο ταυτόχρονης μεταφοράς θερμότητας και μάζας. Αξιολογήθηκαν συγκεκριμένοι ποσοτικοί και ποιοτικοί δείκτες για κάθε ΦΑΦ που αφορούν συγκεντρώσεις κανναβινοειδών, αποδόσεις αιθέριου ελαίου και χρωματικούς δείκτες των αποξηραμένων δειγμάτων. Τέλος, διεξήχθη μία μελέτη βελτιστοποίησης για μη ισόθερμη ξήρανση της λεβάντας στοχεύοντας στη μεγιστοποίηση του εξαγόμενου αιθέριου ελαίου και την ελαχιστοποίηση του χρόνου επεξεργασίας και της ενεργειακής κατανάλωσης.Στα πλαίσια της πειραματικής διερεύνησης διεξήχθησαν μηχανικές ξηράνσεις δειγμάτων των ανωτέρω ΦΑΦ υπό σταθερή θερμοκρασία (ισόθερμη ξήρανση) και μεταβαλλόμενη θερμοκρασία (μη ισόθερμη ξήρανση). Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε εργαστηριακό ξηραντήριο συναγωγής, στο Εργαστήριο Ρευστοθερμικών Συστημάτων του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής. Ο έλεγχος των συνθηκών ξήρανσης και η καταγραφή της μείωσης της υγρασίας πραγματοποιήθηκαν μέσω ενός συστήματος ελέγχου, συλλογής, επεξεργασίας και καταγραφής δεδομένων. Οι θερμοκρασίες που εξετάσθηκαν για τα δύο ΦΑΦ κατά τις ισόθερμες ξηράνσεις κυμαίνονται από 40 έως 60 °C, υπό σταθερή ταχύτητα του αέρα ξήρανσης. Για τις μη ισόθερμες ξηράνσεις, η θερμοκρασία του αέρα αρχικώς από τους 40 °C αυξανόταν γραμμικώς έως τους 60 °C, με το ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας να κυμαίνεται από 1.5 °C·h-1 έως 4 °C·h-1. Για τις περιπτώσεις των ανθών και των φύλλων της λεβάντας, πραγματοποιήθηκε μία παραγοντική πειραματική μελέτη τριών επιπέδων, με την ταχύτητα του αέρα ξήρανσης να μεταβάλλεται από 1 έως 3 m·s-1.Τα αποξηραμένα δείγματα ΦΑΦ υποβλήθηκαν σε περαιτέρω αναλύσεις και επεξεργασίες για τον προσδιορισμό των ποσοτικών και ποιοτικών χαρακτηριστικών τους. Συγκεκριμένα, με αέρια χρωματογραφία με ανιχνευτή ιονισμού φλόγας προσδιορίσθηκαν οι συγκεντρώσεις της Δ9-τετραϋδροκανναβινόλης (Δ9-THC) και της κανναβιδιόλης (CBD) των αποξηραμένων δειγμάτων της βιομηχανικής κάνναβης, ενώ με εργαστηριακή συσκευή ατμοαπόσταξης προσδιορίσθηκε η αποδιδόμενη ποσότητα από τα αποξηραμένα δείγματα λεβάντας. Η ανάλυση του χρώματος των φύλλων της λεβάντας και της βιομηχανικής κάνναβης πραγματοποιήθηκε με χρωματόμετρο και τα αποτελέσματα εκφράσθηκαν μέσω των χρωματικών δεικτών του συστήματος CIELAB.Οι συγκεντρώσεις των δύο κανναβινοειδών στην περίπτωση της βιομηχανικής κάνναβης δεν εμφάνισαν στατιστικώς σημαντικές διαφορές για τη μεταβολή της θερμοκρασίας ή για τους διαφορετικούς ρυθμούς αύξησης της θερμοκρασίας του αέρα ξήρανσης. Ωστόσο, υπήρξε σημαντική διαφορά στη συγκέντρωση της CBD μεταξύ των δύο διεργασιών ξήρανσης, με τη μη ισόθερμη ξήρανση να παρουσιάζει κατά 46.7% μεγαλύτερη συγκέντρωση (g/100g). Στην περίπτωση της λεβάντας, η εξαγόμενη ποσότητα του αιθέριου ελαίου (mL/100g) εξετάσθηκε στα δείγματα των φύλλων και των ανθών ξεχωριστά. Η θερμοκρασία του αέρα ξήρανσης βρέθηκε στατιστικώς σημαντικός παράγοντας για την απόδοση του αιθέριου ελαίου από τα φύλλα και τα άνθη της λεβάντας. Η εξαγόμενη ποσότητα αιθέριου ελαίου βρέθηκε πως είναι αντιστρόφως ανάλογη της θερμοκρασίας στην ισόθερμη ξήρανση, ενώ στη μη ισόθερμη ξήρανση ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας οδηγεί σε μείωση της ποσότητας έως περίπου 11% (φύλλα & άνθη) σε σύγκριση με την ξήρανση στους 40 °C. Για την περίπτωση της λεβάντας, λαμβάνοντας υπόψη τις ανταγωνιστικές επιδράσεις που έχει η θερμοκρασία στην απόδοση αιθέριου ελαίου και στο χρόνο της ξήρανσης, διεξήχθη μία παραμετρική διερεύνηση των συνθηκών της μη ισόθερμης ξήρανσης (ρυθμός αύξησης θερμοκρασίας και ταχύτητα αέρα ξήρανσης) με στόχο την επίτευξη του βέλτιστου συνδυασμού της εξαγόμενης ποσότητας του αιθέριου ελαίου, του χρόνου και της ενεργειακής δαπάνης της διεργασίας. Χρησιμοποιώντας τη μεθοδολογία των επιφανειών απόκρισης, η μέγιστη τιμή της ολικής συνάρτησης επιθυμητότητας, βρέθηκε για ρυθμό αύξησης θερμοκρασίας 4 °C/h και ταχύτητα αέρα ξήρανσης 1 m/s, όπου οι εκτιμώμενες τιμές των αποκρίσεων στα φύλλα βρέθηκαν να είναι 1.337 mL/100g, 4.23 h και 0.832 kWh για την αποδιδόμενη ποσότητα αιθέριου ελαίου, χρόνου ξήρανσης και κατανάλωση ενέργειας, αντίστοιχα, ενώ για τα άνθη λεβάντας οι τιμές των προηγούμενων μεγεθών ήταν 2.911 mL/100g, 4.19 h και 0.776 kWh.Για την περιγραφή της ξήρανσης με συναγωγή σε λεπτό στρώμα χρησιμοποιήθηκαν γνωστά και δοκιμασμένα μαθηματικά μοντέλα λεπτού στρώματος, που μπορούν να περιγράψουν την κινητική της ξήρανσης, οδηγώντας σε ικανοποιητική πρόβλεψη συγκρινόμενη με τα πειραματικά αποτελέσματα στην πλειονότητα των περιπτώσεων. Προσθέτως εξετάζονται τεχνικές υπολογιστικής νοημοσύνης, οι οποίες περιλαμβάνουν τεχνητά νευρωνικά δίκτυα (ΤΝΔ) και προσαρμοστικά νευροασαφή συστήματα συμπερασμού (ΠΠΝΣ) για την περιγραφή της κινητικής της ξήρανσης των μελετώμενων ΦΑΦ. Τα ΤΝΔ και τα ΠΠΝΣ εφαρμόστηκαν ανά ομάδα εξέτασης φύλλων/ανθών, λεβάντας/κάνναβης, ισόθερμης/μη ισόθερμης ξήρανσης χρησιμοποιώντας τις ίδιες εισόδους και δεδομένα, συνθέτοντας ξεχωριστά προβλήματα. Αναπτύχθηκε επίσης ένα υπολογιστικό μονοδιάστατο μοντέλο συζευγμένης μεταφοράς θερμότητας και μάζας που επιλύεται αριθμητικά, με τη μέθοδο των πεπερασμένων όγκων. Στο εσωτερικό των φύλλων, η μεταφορά της θερμότητας πραγματοποιείται με αγωγή (νόμος του Fourier), ενώ η μεταφορά του περιεχόμενου νερού πραγματοποιείται αποκλειστικά με το μηχανισμό της υγρής διάχυσης (νόμος του Fick) που προκαλείται από τη διαφορετική βαθμίδα συγκέντρωσης προερχόμενη από την εξάτμιση του νερού στην επιφάνεια. Η επίλυση των εξισώσεων γίνεται σε ένα μονοδιάστατο υπολογιστικό χωρίο με τη θερμότητα να μεταφέρεται από την επιφάνεια του φύλλου προς το εσωτερικό του, ενώ η μεταφορά της υγρασίας πραγματοποιείται από το εσωτερικό του φύλλου προς την επιφάνειά του, όπου και απομακρύνεται πλέον ως υδρατμός μέσω της ροής του αέρα ξήρανσης. Στο υπολογιστικό μοντέλο, εφαρμόζεται μια μηχανιστική προσέγγιση συρρίκνωσης, χρησιμοποιώντας γραμμικές εξισώσεις προερχόμενες από τη συσχέτιση του πάχους του φύλλου και του λόγου υγρασίας των δειγμάτων που μελετήθηκαν. Από τα υπολογιστικά αποτελέσματα, συμπεραίνεται πως τα μοντέλα λεπτού στρώματος υπερτερούν σε σύγκριση με τις υπόλοιπες μεθοδολογίες καθώς εμφανίζουν υψηλότερους δείκτες συσχέτισης με τις πειραματικές μετρήσεις. Αυτό αιτιολογείται από το γεγονός ότι είναι εμπειρικά ή ημι-εμπειρικά μοντέλα πρόβλεψης που βασίζονται στην προσαρμογή των πειραματικών μετρήσεων μέσω της μη-γραμμικής παλινδρόμησης, περιορίζοντας την εφαρμογή τους μόνο στις περιπτώσεις διάθεσης πειραματικών μετρήσεων συγκεκριμένων προϊόντων. Τα αποτελέσματα του υπολογιστικού μοντέλου μεταφοράς, προσεγγίζουν τις πειραματικές καμπύλες ξήρανσης, χωρίς ωστόσο να έχουν την επιτυχία των προαναφερόμενων εμπειρικών και ημιεμπειρικών προσεγγίσεων. Από την αξιολόγηση των στατιστικών δεικτών συσχέτισης, οι εμπειρικές προσεγγίσεις και οι μέθοδοι υπολογιστικής νοημοσύνης, αναδείχθηκαν πιο ακριβείς από το υπολογιστικό μοντέλο.Συμπερασματικά, η ισόθερμη ξήρανση σε υψηλές θερμοκρασίες οδηγεί σε σημαντική μείωση του χρόνου ξήρανσης και της ενεργειακής κατανάλωσης χωρίς να επηρεάζει τις συγκεντρώσεις των κανναβινοειδών της βιομηχανικής κάνναβης, αλλά με αυτή μειώνεται το αποδιδόμενο αιθέριο έλαιο στην περίπτωση της λεβάντας. Κατά τις μη ισόθερμες ξηράνσεις, παρατηρήθηκαν στα αποξηραμένα προϊόντα της βιομηχανικής κάνναβης αυξημένες συγκεντρώσεις κανναβιδιόλης (1.17-1.335 g/100g για τα άνθη και 0.203-0.239 g/100g για τα φύλλα) και από τα αποξηραμένα δείγματα λεβάντας ικανοποιητικές αποδόσεις αιθέριου ελαίου (0.844-1.719 mL/100g). Συνεπώς, με τη σωστή επιλογή των συνθηκών μη ισόθερμης ξήρανσης, μπορεί να μειωθεί η διάρκεια ξήρανσης και η ενεργειακή κατανάλωση της διεργασίας, συγκριτικά με την ισόθερμη ξήρανση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, περίπου κατά 17% και 75% για τα φύλλα και τα άνθη κάνναβης αντίστοιχα και κατά 84% και 54% για φύλλα και άνθη λεβάντας. Από τη μελέτη βελτιστοποίησης, διαπιστώθηκε πως η μεθοδολογία των επιφανειών απόκρισης οδηγεί στην επιλογή των βέλτιστων παραμέτρων της μη ισόθερμης ξήρανσης ΦΑΦ κατά περίπτωση εφαρμογής, συνυπολογίζοντας το συνδυασμό ποιότητας, διάρκειας και ενεργειακής κατανάλωσης της διεργασίας. Παρότι τα εξεταζόμενα προγράμματα μη ισόθερμης ξήρανσης με γραμμικώς αυξανόμενη θερμοκρασία βρέθηκαν να είναι αποτελεσματικά, χρειάζεται περισσότερη έρευνα για τη μεταφορά τους σε βιομηχανική κλίμακα.