فناوری‌های جدید در صنعت غذا

فناوری‌های جدید در صنعت غذا

تحلیل تنش و بهینه‌سازی فرایند فشرده‌سازی پودر مواد غذایی با روش‌های اجزای محدود و سطح پاسخ (مطالعه موردی: پودر کدو سبز)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران
2 گروه مهندسی بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران
10.22104/ift.2026.8499.2323
چکیده
در این پژوهش، فرآیند فشرده‌سازی پودر کدو سبز به‌صورت عددی با استفاده از روش اجزای محدود شبیه‌سازی و به‌منظور بهینه‌سازی هم‌زمان ویژگی‌های مکانیکی و مصرف انرژی، از روش سطح پاسخ استفاده شد. اثر فشار هیدرولیکی (۵، ۷ و ۹ مگاپاسکال)، قطر قالب (۱۰، ۱۸ و ۲۶ میلی‌متر) و زمان آسایش تنش (۳، ۱۳ و ۲۳ ثانیه) بر توزیع تنش، تراکم‌پذیری و درصد فشردگی قرص‌ها بررسی گردید. نتایج شبیه‌سازی در زمان آسایش ۱۳ ثانیه نشان داد افزایش فشار از ۵ به ۹ مگاپاسکال، تنش بیشینه محوری (‏σmax‏) را از ۱۸۹ به ۱۹۳ مگاپاسکال و درصد تراکم را از ۸۷/۹ به ‏‏۶۷/۱۶ درصد افزایش داد، در حالی‌که افزایش قطر قالب از ۱۰ به ۲۶ میلی‌متر، تنش محوری بیشینه را از ۱۹۳ به ۱۵۳ مگاپاسکال کاهش داد و الگوی توزیع تنش را به سمت لبه‌ها متمایل ساخت. تحلیل نسبت‌های کارایی نشان داد که نسبت σₐᵥₑ/CP با افزایش فشار از ۴۳/۹ به ۳۶/۶ کاهش یافت که بیانگر بهبود کارایی تراکم در فشارهای بالاتر است. بهینه‌سازی آماری با تابع مطلوبیت، شرایط بهینه شامل فشار ۹ مگاپاسکال، قطر قالب ۱۲/۱۵ میلی‌متر و زمان آسایش تنش ۳۵/۶ ثانیه با شاخص مطلوبیت ۷۳/۰ تعیین شد. در این شرایط، چگالی قرص ۱۳۲۰ کیلوگرم بر مترمکعب، مقاومت به نفوذ ۴۸/۶۳۰ نیوتون، تنش در راستای قطر ۶۳/۱۶ مگاپاسکال، انرژی ویژه مصرفی ۰۵/۱۹۱۷ ژول بر سانتی‌متر مکعب و درصد فشردگی ۸۷/۱۲ درصد به‌دست آمد. اعتبارسنجی مدل عددی با داده‌های تجربی، میانگین خطای کمتر از ۷ درصد را نشان داد که بیانگر دقت قابل‌قبول مدل در پیش‌بینی رفتار فشرده‌سازی است. هم‌راستایی نتایج شبیه‌سازی و تحلیل آماری نشان داد ترکیب مدل‌سازی عددی و بهینه‌سازی آماری می‌تواند رویکردی کارآمد برای طراحی و بهینه‌سازی فرآیند فشرده‌سازی پودرهای زیستی باشد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Stress Analysis and Optimization of Compression Process of Powder of Food Materials Using Finite Element Method and Response Surface Methodology (Case Study: Zucchini Powder)

نویسندگان English

Reza Rahimzadeh 1
Reza Amiri Chayjan 1
Ali Ghasemi 2
1 Department of Biosystems Engineering. Faculty of Agriculture. Bu-Ali Sina University. Hamedan. Iran
2 Department of Biosystems Engineering, College of Agriculture, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
چکیده English

In this study, the processability of zucchini powder was numerically simulated using a finite element method and the response rate method was used to make simultaneous mechanical and energy consumption optimization. The effect of hydraulic pressure (5, 7, and 9 MPa), Die diameter (10, 18, and 26 mm), and stress relaxation time (3, 13, and 23 s) on the stress distribution, compressibility, and percentage compaction of the tablets was investigated. The simulation results at a relaxation time of 13 years showed that increasing the pressure from 5 to 9 MPa, the maximum axial stress (σmax) from 189 to 193 MPa, and the percentage compaction from 87.9 to 67.16%, while increasing the die diameter from 10 to 26 mm, while from 10 to 26 mm, the stress reached 193 million. inclined towards the edges. Analysis of efficiency ratios showed that the ratio of Sₐᵥₑ/CP decreased from 9.43 to 6.36 with increasing pressure, indicating improved compaction efficiency at higher pressures. Statistical optimization with a desirability function determined the optimal conditions including a pressure of 9 MPa, a die diameter of 12.15 mm, and a stress relaxation time of 6.35 seconds with a desirability index of 0.73. Under these conditions, a tablet density of 1330 m3, a strength of 48.6 Newtons, a stress at the tensile strength of 63.16 MPa, a specific energy consumption of 1917.05 J/cm3, and a compaction percentage of 87.12% were obtained. Validation of the numerical model with experimental data showed an error of less than 7%, indicating an acceptable accuracy of the model in predicting the compaction behavior. The alignment of simulation results and statistical analysis showed that numerical and statistical modeling can be efficient using different methods for the design and construction of biopowder compaction processes.

کلیدواژه‌ها English

Tablet compression
Finite element method (FEM)
Optimization, Cucurbita pepo powder
Stress analysis

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 07 مهر 1405

  • تاریخ دریافت 27 مرداد 1405
  • تاریخ بازنگری 05 مهر 1405
  • تاریخ پذیرش 07 مهر 1405
  • تاریخ اولین انتشار 07 مهر 1405
  • تاریخ انتشار 07 مهر 1405