Διερεύνηση διαδικασιών ξήρανσης φαρμακευτικών και αρωματικών φυτών με συναγωγή και βελτιστοποίηση με βάση ποιοτικούς και ποσοτικούς δείκτες
Authors: Χασιώτης Βασίλειος 
Published: October 2021

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.