تأثیر دما و مدت فرآیندهای خشک کردن و استراحت دهی بر ترک خوردگی شلتوک و مدل سازی پدیده شناختی آن

برنج یکی از مهم ترین مواد غذایی بشر محسوب می شود، زیرا در حدود یک سوم مردم جهان به عنوان غذای اصلی به آن وابسته اند. با توجه به لزوم خودکفایی در تولید برنج کشور، کاهش ضایعات در فرآیند تبدیل شلتوک به برنج سفید از موارد مهم در افزایش تولید محسوب می شود. برنج عموماًً در رطوبت بالا (25 تا 35% بر پایه تر) برداشت می شود. برای انجام فرآیند تبدیل و همچنین جلوگیری از فساد محصول در انبار، نیاز است تا محتوای رطوبتی آن کاهش یابد. از جمله عواملی که کیفیت برنج را حین تبدیل تحت تأثیر قرار می دهد، ترک های درونی ایجاد شده طی فرآیند خشک کردن و پس از انجام این فرآیند می باشند. این ترک ها مقاومت دانه به شکست را به طور قابل ملاحظه ای کاهش می دهند. در هنگام خشک کردن سطوح بیرونی دانه نسبت به قسمت های درونی آن رطوبت کمتری پیدا می کنند. این اختلاف در محتوای رطوبتی بین قسمت های مختلف دانه باعث تشکیل گرادیان های رطوبتی درون دانه می شود. گرادیان های رطوبتی ایجاد شده درون دانه باعث ایجاد تنش های کششی در سطح و تنش های فشاری در داخل دانه می شوند که چنانچه مقدار آن ها از مقاومت دانه به ترک تجاوز کند، سبب ایجاد ترک در دانه برنج می شوند. در روش خشک کردن متناوب پس از هر مرحله فرآیند خشک کردن، برای آنکه گرادیان های رطوبتی درون دانه کاهش یابند، محصول از خشک کن خارج و برای زمان مشخص در یک دمای معین در محلی که اجازه تبادل رطوبت با محیط بیرون را ندارد (محیط بسته) نگهداری می شود. این فرآیند استراحت دهی (تمپرینگ) نامیده می شود. از سوی دیگر، خواص مکانیکی و حرارتی دانه برنج هنگامی که تغییر وضعیت دانه از یک شرایط دمایی و رطوبتی به شرایط دیگر همراه با عبور از خط دمای گذار شیشه ای باشد، تغییرات عمده ای را از خود نشان می دهند. زیرا هنگامی که شرایط دمایی و رطوبتی دانه برنج زیر خط دمای گذار شیشه ای باشد، نشاسته ماده ای شیشه ای است و با قرارگیری شرایط دانه در بالای خط دمای گذار شیشه ای نشاسته از حالت شیشه ای به حالت لاستیکی تغییر وضعیت می دهد. با توجه به اینکه محدوده دمایی و رطوبتی عملیات خشک کردن و استراحت دهی معمولاً باعث انتقال نشاسته از حالت شیشه ای به لاستیکی می شود، تعیین خط دمای گذار شیشه ای و مطالعه و شبیه سازی سینتیک خشک کردن متناوب به منظور پیش بینی رفتار دانه و تعیین شرایط بهینه خشک کردن و استراحت دهی ضروری است. در این تحقیق، نمودار حالت (تغییر دمای گذار شیشه ای با محتوای رطوبتی) برای رقم هاشمی (دانه بلند) تعیین شد. دمای گذار شیشه ای در پنج سطح محتوای رطوبتی با استفاده از روش انرژی سنج روبشی افتراقی اندازه گیری شد. همچنین اثر فرآیند خشک کردن متناوب بر ترک خوردگی دانه برای ارقام هاشمی (دانه بلند) و کوهسار (دانه متوسط) مطالعه شد و با استفاده از نتایج آزمایشگاهی و آنالیز توزیع محتوای رطوبتی درون دانه حاصل از مدل تحلیلی هندسه کروی، دما و زمان بهینه برای فرآیندهای خشک کردن و استراحت دهی ارقام بدست آمد، به نحوی که ضمن حفظ کیفیت دانه کل زمان فرآیند خشک شدن نیز کاهش یابد. ترک خوردگی دانه ها بلافاصله پس از پایان آخرین مرحله خشک شدن و همچنین 48 ساعت پس از آن، بر مبنای شاخص ترک تنشی با استفاده از تعداد ترک ها (یک ترک، دو ترک و بیش از دو ترک) در 100 دانه مورد ارزیابی قرار گرفت. به منظور مطالعه سینتیک خشک شدن شلتوک از یک خشک کن جریان همرفت هوای داغ مجهز به سیستم کنترل دما و رطوبت نسبی هوا استفاده شد. آزمایش های خشک کردن به شیوه لایه نازک در رطوبت نسبی 40% و سرعت هوای 1-m s 5/0 در دو تکرار انجام شد. در یک حالت، آزمایش ها با دماهای خشک کردن و استراحت دهی 30، 45 و ?c 60، زمان های خشک کردن 20، 40 و min 60 و زمان استراحت دهی ثابت min 80 انجام شدند. به منظور مطالعه اثر زمان خشک کردن و زمان استراحت دهی بر ترک خوردگی نمونه ها، در حالت دوم آزمایش های خشک کردن و استراحت دهی هر دو با دمای ثابت ?c60، زمان های خشک کردن 20، 40 و min 60 و انجام فرآیند استراحت دهی به مدت 0 (خشک کردن پیوسته)، 40، 80، 120، 160، 200 و min 240 انجام شدند. به منظور مدل سازی سینتیک خشک شدن شلتوک در روش پیوسته (بدون انجام فرآیند استراحت دهی)، از 12 مدل تجربی استفاده شد که بر اساس بالاترین ضریب تبیین و کمترین مقدار ریشه میانگین مربعات خطا، مدل ورما و همکاران به عنوان مناسب ترین مدل انتخاب شد. همچنین مدل تحلیلی هندسه کروی به خوبی توانست سینتیک خشک شدن متناوب، محتوای رطوبتی سطح دانه، توزیع رطوبت درون دانه و زمان لازم برای انجام فرآیند استراحت دهی را پیش بینی کند. نتایج نشان داد، با افزایش محتوای رطوبتی نمونه، دمای گذار شیشه ای به صورت خطی کاهش یافت. همچنین مشخص گردید که تغییر وضعیت از حالت شیشه ای به لاستیکی شلتوک رقم هاشمی در محدوده دمایی اتفاق می افتد که این محصول خشک می شود. اثر عوامل آزمایشی بر شاخص ترک تنشی نشان داد که مقدار این شاخص برای رقم هاشمی کمتر از مقدار آن برای رقم کوهسار بود. با افزایش دمای خشک کردن شاخص ترک تنشی افزایش و کل زمان فرآیند خشک کردن کاهش یافت که مقادیر آن ها در دمای c° 60 چشم گیر بود. با افزایش زمان خشک کردن شاخص ترک تنشی در تمامی زمان های خشک کردن افزایش یافت، هر چند که نرخ این افزایش در دمای c° 60 بیشتر بود. همچنین افزایش دمای استراحت دهی سبب کاهش کل زمان فرآیند خشک کردن و شاخص ترک تنشی شد. با تداوم عملیات استراحت دهی تا یک مدت مشخص کاهش شاخص ترک تنشی معنی دار بود و پس از آن ادامه فرآیند تأثیری بر کاهش این شاخص نشان نداد.