DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-29436-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41605972
تاريخ النشر: 2026-01-28
المؤلف: Abdallah Elshawadfy Elwakeel وآخرون
الموضوع الرئيسي: تجفيف الطعام والنمذجة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة مجفف شمس غير مباشر مختلط (IMMSD) متكامل مع نظام ضوئي، يتميز بنظام تحكم تلقائي يستجيب لدرجة الحرارة مما يحسن كفاءة التجفيف عن طريق التناوب بين الحمل الحراري الطبيعي والقسري. يعالج هذا التصميم المبتكر مشاكل التجفيف الزائد والتلف، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص للمجتمعات التي لا تتصل بشبكة الكهرباء. تقيم الأبحاث حركيات تجفيف شرائح البرتقال ذات السماكات المختلفة (4، 6، و8 مم) ومواقع الصواني (السفلي، الأوسط، والعلوي) تحت ظروف مناخية حقيقية في جامعة أسوان، مصر، في يناير 2025. تشير النتائج إلى أن شرائح 4 مم على الصينية السفلية حققت أقل محتوى رطوبة نهائي (حوالي 12.5%) وأقصر وقت تجفيف، مع تقليل بنسبة 48% مقارنة بشرائح 8 مم على الصينية العلوية. تراوحت النفاذية الفعالة للرطوبة ($D_{eff}$) من $4.5 \times 10^{-8}$ إلى $15 \times 10^{-8}$ م²/ث، مما يدل على أن كل من سماكة الشريحة وموقع الصينية يؤثران بشكل كبير على كفاءة التجفيف.
يكشف التحليل الاقتصادي أن IMMSD له تكلفة رأس مال منخفضة تبلغ 700 دولار وتكاليف تشغيل سنوية تبلغ 996.12 دولار، مما يحقق وفورات سنوية محتملة تصل إلى 14,015.9 دولار وفترة استرداد أقل من شهر واحد. تظهر التقييمات البيئية أن متطلبات الطاقة لتبخر الرطوبة تزداد مع سماكة الشريحة، حيث تتطلب شرائح 8 مم أكبر قدر من الطاقة (1839.76 كيلوواط ساعة) ولكنها أيضًا تحقق أعلى إنتاج سنوي من المنتجات المجففة وتقليل صافي CO₂ (90.72 طن). تحدد الدراسة خمسة نماذج شبه نظرية—Midilli، Modified Midilli I و II، Aghbashlo، وHenderson-Pabis—كنماذج الأكثر فعالية لنمذجة سلوك تجفيف شرائح البرتقال، مما يساهم في تقديم رؤى قيمة لتحسين ممارسات التجفيف الشمسي في صناعة معالجة الحمضيات.
الطرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على البرتقال الطازج من سوق محلي في أسوان، مصر، وتم تحضيره لتجارب التجفيف لتقييم تأثير سماكة الشريحة على سلوك التجفيف. تم غسل البرتقال جيدًا وتقطيعه إلى سماكات متساوية من 4 مم، 6 مم، و8 مم، وفقًا للبروتوكول الذي وضعه روخبين وآزادباخت. تم ترتيب شرائح البرتقال على ثلاث صواني تجفيف، مع ضمان تدفق هواء متسق وظروف تجفيف، مع الحفاظ على معدل تدفق الهواء عند 0.13 م³/ث. كانت الصواني متباعدة حوالي 35 سم لضمان تحسين إزالة الرطوبة ومنع انسداد تدفق الهواء.
تم إجراء تجارب التجفيف تحت ظروف محكومة في جامعة أسوان في فبراير 2025، مستفيدين من الإشعاع الشمسي العالي في المنطقة. استخدم عملية التجفيف مجفف شمس متعدد الأنماط متكامل (IMMSD)، وتم توفير مخطط تدفق للعملية لتوضيح مراحل التحضير والتجفيف. كانت هذه المنهجية الموحدة تهدف إلى ضمان موثوقية وكرارية النتائج، مع التركيز على تأثيرات سماكة الشريحة وموقع الصينية على حركيات التجفيف وخصائص الجودة لشرائح البرتقال.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. يكشف التحليل عن علاقات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، مما يدل على أن النموذج المقترح يتنبأ بفعالية بالظواهر الملحوظة. تشير الاختبارات الإحصائية إلى أن النتائج قوية، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية.
علاوة على ذلك، توضح المناقشة آثار هذه النتائج، موضوعة في السياق الأوسع للأدبيات الموجودة. تحدد الدراسة التطبيقات المحتملة للنتائج في المجالات ذات الصلة، مع التأكيد على أهمية هذه النتائج في تعزيز الفهم وإبلاغ اتجاهات البحث المستقبلية. بشكل عام، تساهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول الموضوع، مما يعزز صحة الفرضيات المقترحة.
المناقشة
تتناول قسم المناقشة من ورقة البحث تصميم ووظائف مجفف الشمس المحسن المختلط (IMMSD)، موضحة مكوناته الهيكلية والإلكترونية التي تسهل التجفيف الشمسي الفعال. يدمج IMMSD جامع طاقة شمسية مسطح، غرفة تجفيف، نظام ضوئي، ودائرة تحكم لتحسين استخدام الطاقة والحفاظ على بيئة تجفيف مستقرة. يعمل النظام في وضعين—الحمل القسري والطبيعي—مما يسمح بالمرونة في ظروف التجفيف. يعزز خوارزمية التحكم كفاءة الطاقة عن طريق تنشيط المكونات فقط عند الحاجة، مما يساهم في ممارسات التجفيف المستدامة، خاصة في المناطق النائية.
تقيم الدراسة أيضًا حركيات تجفيف شرائح البرتقال، مستخدمة نماذج رياضية لتحليل معدلات إزالة الرطوبة والنافذية الفعالة للرطوبة. يتميز عملية التجفيف بفترة انخفاض المعدل، حيث تصبح نفاذية الرطوبة الداخلية العامل المحدد. تشير النتائج إلى أن سماكة الشريحة وموقع الصينية تؤثر بشكل كبير على كفاءة التجفيف، حيث تحقق الشرائح الرقيقة ومواقع الصينية السفلية محتويات رطوبة نهائية أقل وأوقات تجفيف أقصر. تؤكد التحليلات الإحصائية على قوة النماذج المستخدمة، حيث تعتبر معامل التحديد (R²) وجذر متوسط مربع الخطأ (RMSE) مؤشرات رئيسية لدقة النموذج. بالإضافة إلى ذلك، تسلط التقييمات البيئية والاقتصادية الضوء على إمكانية IMMSD في تقليل انبعاثات غازات الدفيئة وتحسين الجدوى الاقتصادية، مما يجعله خيارًا قابلاً للتطبيق للتطبيقات الزراعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-29436-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41605972
Publication Date: 2026-01-28
Author(s): Abdallah Elshawadfy Elwakeel et al.
Primary Topic: Food Drying and Modeling
Overview
This study investigates an indirect mixed-mode solar dryer (IMMSD) integrated with a photovoltaic system, featuring an automatic temperature-responsive control that optimizes drying efficiency by alternating between natural and forced convection. This innovative design addresses issues of over-drying and spoilage, making it particularly suitable for off-grid communities. The research evaluates the drying kinetics of orange slices of varying thicknesses (4, 6, and 8 mm) and tray positions (lower, middle, and upper) under real climatic conditions at Aswan University, Egypt, in January 2025. Results indicate that 4 mm slices on the lower tray achieved the lowest final moisture content (approximately 12.5%) and the shortest drying time, with a 48% reduction compared to 8 mm slices on the upper tray. The effective moisture diffusivity ($D_{eff}$) ranged from $4.5 \times 10^{-8}$ to $15 \times 10^{-8}$ m²/s, demonstrating that both slice thickness and tray position significantly influence drying efficiency.
The economic analysis reveals that the IMMSD has a low capital cost of $700 and annual operating costs of $996.12, yielding potential yearly savings of up to $14,015.9 and a payback period of less than one month. The environmental assessment shows that energy requirements for moisture evaporation increase with slice thickness, with 8 mm slices requiring the most energy (1839.76 kWh) but also yielding the highest annual dried product output and net CO₂ reduction (90.72 tons). The study identifies five semi-theoretical models—Midilli, Modified Midilli I and II, Aghbashlo, and Henderson-Pabis—as the most effective for modeling the drying behavior of orange slices, contributing valuable insights for enhancing solar drying practices in the citrus processing industry.
Methods
In this study, fresh oranges were sourced from a local market in Aswan, Egypt, and prepared for drying experiments to assess the impact of slice thickness on drying behavior. The oranges were thoroughly washed and sliced into uniform thicknesses of 4 mm, 6 mm, and 8 mm, following the protocol established by Rokhbin and Azadbakht. The sliced oranges were arranged on three drying trays, ensuring consistent airflow and drying conditions, with an airflow rate maintained at 0.13 m³/s. The trays were spaced approximately 35 cm apart to optimize moisture removal and prevent airflow obstruction.
The drying experiments were conducted under controlled conditions at Aswan University in February 2025, leveraging the region’s high solar radiation. The drying process utilized an Integrated Multi-Mode Solar Dryer (IMMSD), and a process flow chart was provided to illustrate the preparation and drying stages. This standardized methodology aimed to ensure the reliability and repeatability of the results, focusing on the effects of slice thickness and tray positioning on the drying kinetics and quality attributes of the orange slices.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, demonstrating that the proposed model effectively predicts the observed phenomena. Statistical tests indicate that the results are robust, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the findings are statistically significant.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these results, situating them within the broader context of existing literature. The study identifies potential applications of the findings in relevant fields, emphasizing the importance of these results for advancing understanding and informing future research directions. Overall, the results contribute valuable insights into the topic, reinforcing the validity of the proposed hypotheses.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the design and functionality of the Improved Mixed-Mode Solar Dryer (IMMSD), detailing its structural and electronic components that facilitate efficient solar drying. The IMMSD integrates a flat plate solar collector, drying chamber, photovoltaic system, and a control circuit to optimize energy use and maintain a stable drying environment. The system operates in two modes—forced and natural convection—allowing for flexibility in drying conditions. The control algorithm enhances energy efficiency by activating components only when necessary, contributing to sustainable drying practices, particularly in remote areas.
The study further evaluates the drying kinetics of orange slices, employing mathematical models to analyze moisture removal rates and effective moisture diffusivity. The drying process is characterized by a falling-rate period, where internal moisture diffusion becomes the limiting factor. The findings indicate that slice thickness and tray position significantly influence drying efficiency, with thinner slices and lower tray positions yielding lower final moisture contents and shorter drying times. Statistical analyses confirm the robustness of the models used, with the coefficient of determination (R²) and root mean square error (RMSE) serving as key metrics for model accuracy. Additionally, the environmental and economic assessments highlight the IMMSD’s potential for reducing greenhouse gas emissions and improving cost-effectiveness, making it a viable option for agricultural applications.