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Research Article

Analytical solution of freeze-drying mathematical model based in Darcy’s law: application to an orange juice-based cake

Solución analítica de un modelo matemático de liofilización basado en la ley de Darcy: aplicación a una torta con base de jugo naranja

, , , ORCID Icon & ORCID Icon
Pages 265-272 | Received 19 Oct 2020, Accepted 12 Feb 2021, Published online: 11 Mar 2021

Figures & data

Figure 1. Freeze drying chamber for orange juice based cake experimental dynamics.

Figura 1. Cámara de secado por congelación utilizada para las dinámicas experimentales de la torta con base de jugo naranja

Figure 1. Freeze drying chamber for orange juice based cake experimental dynamics.Figura 1. Cámara de secado por congelación utilizada para las dinámicas experimentales de la torta con base de jugo naranja

Table 1. Variables and properties for heat transfer equations at experimental set 1.

Tabla 1. Variables y propiedades para las ecuaciones de transferencia de calor en el conjunto experimental 1

Table 2. Variables and fitted properties obtained by non-linear least squares of EquationEq. (15) on experimental freeze drying kinetic at set 1.

Tabla 2. Variables y propiedades ajustadas obtenidas por mínimos cuadrados no lineales de la ec. (15) sobre la cinética de liofilización experimental del conjunto 1

Figure 2. Temperature evolution in the 15 nodes of frozen zone obtained by solution of EquationEqs. (5c)-(Equation10c) with lβ=l/2 at variables and properties listed in .

Figura 2. Evolución de la temperatura en los 15 nodos de la zona congelada obtenida por la solución de las ecuaciones (5 c)-(10 c) conlβ=l/2 en las variables y propiedades enumeradas en la

Figure 2. Temperature evolution in the 15 nodes of frozen zone obtained by solution of EquationEqs. (5c)(5c) Ψβ2−Ψβ02Δξβ=BiβΨβ1−Ψhatj=1(5c) -(Equation10c(10c) −ΨγN+2−ΨγN2Δξγ=BiγΨγN+1−Ψenvati=N+1(10c) ) with lβ=l/2 at variables and properties listed in Table 1.Figura 2. Evolución de la temperatura en los 15 nodos de la zona congelada obtenida por la solución de las ecuaciones (5 c)-(10 c) conlβ=l/2 en las variables y propiedades enumeradas en la Tabla 1

Figure 3. Temperature evolution in the 15 nodes of porous zone obtained by solution of EquationEqs. (5c)-(Equation10c) with lβ=l/2 at variables and properties listed in .

Figura 3. Evolución de la temperatura en los 15 nodos de la zona porosa obtenida por la solución de las ecuaciones (5 c)-(10 c) conlβ=l/2 en las variables y propiedades enumeradas en la

Figure 3. Temperature evolution in the 15 nodes of porous zone obtained by solution of EquationEqs. (5c)(5c) Ψβ2−Ψβ02Δξβ=BiβΨβ1−Ψhatj=1(5c) -(Equation10c(10c) −ΨγN+2−ΨγN2Δξγ=BiγΨγN+1−Ψenvati=N+1(10c) ) with lβ=l/2 at variables and properties listed in Table 1.Figura 3. Evolución de la temperatura en los 15 nodos de la zona porosa obtenida por la solución de las ecuaciones (5 c)-(10 c) conlβ=l/2 en las variables y propiedades enumeradas en la Tabla 1

Figure 4. Experimental (o) and fitted (lines) freeze drying dynamics at condition listed in . Discontinuous line represents the ideal Darcy’s Law (EquationEq. 15 with n=0) and continuous line the non-ideal one. (Horizontal line at zero moisture represents the physical limit for EquationEq. 15 domain).

Figura 4. Dinámica de liofilización experimental (o) y ajustada (líneas) en las condiciones enumeradas en la . La línea discontinua representa la ley de Darcy ideal (Ec. 15 con) y la línea continua la no-ideal. (La línea horizontal a humedad cero representa el límite físico para el dominio de la Ec. 15)

Figure 4. Experimental (o) and fitted (lines) freeze drying dynamics at condition listed in Table 2. Discontinuous line represents the ideal Darcy’s Law (EquationEq. 15(15) X=l−n+2a2a1K∗t1/n+2a2(15) with n=0) and continuous line the non-ideal one. (Horizontal line at zero moisture represents the physical limit for EquationEq. 15(15) X=l−n+2a2a1K∗t1/n+2a2(15) domain).Figura 4. Dinámica de liofilización experimental (o) y ajustada (líneas) en las condiciones enumeradas en la Tabla 2. La línea discontinua representa la ley de Darcy ideal (Ec. 15 con) y la línea continua la no-ideal. (La línea horizontal a humedad cero representa el límite físico para el dominio de la Ec. 15)

Table 3. Variables and properties for heat transfer equations at experimental set 2.

Tabla 3. Variables y propiedades para las ecuaciones de transferencia de calor en el conjunto experimental 2

Table 4. Variables and properties used for simulation of experimental freeze drying kinetic at set 2 with EquationEq. (15).

Tabla 4. Variables y propiedades utilizadas para la simulación de la cinética de liofilización experimental en el conjunto 2 con la ecuación (15)

Figure 5. Temperature evolution in the 15 nodes of frozen zone obtained by solution of EquationEqs. (5c)-(Equation10c) with lβ=l/2 at variables and properties listed in .

Figura 5. Evolución de la temperatura en los 15 nodos de la zona congelada obtenida por la solución de las ecuaciones (5 c)-(10 c) conlβ=l/2 en las variables y propiedades enumeradas en la

Figure 5. Temperature evolution in the 15 nodes of frozen zone obtained by solution of EquationEqs. (5c)(5c) Ψβ2−Ψβ02Δξβ=BiβΨβ1−Ψhatj=1(5c) -(Equation10c(10c) −ΨγN+2−ΨγN2Δξγ=BiγΨγN+1−Ψenvati=N+1(10c) ) with lβ=l/2 at variables and properties listed in Table 3.Figura 5. Evolución de la temperatura en los 15 nodos de la zona congelada obtenida por la solución de las ecuaciones (5 c)-(10 c) conlβ=l/2 en las variables y propiedades enumeradas en la Tabla 3

Figure 6. Temperature evolution in the 15 nodes of porous zone obtained by solution of EquationEqs (5c)-(Equation10c) with lβ=l/2 at variables and properties listed in .

Figura 6. Evolución de la temperatura en los 15 nodos de la zona porosa obtenida por la solución de las ecuaciones (5 c)-(10 c) conlβ=l/2 en las variables y propiedades enumeradas en la

Figure 6. Temperature evolution in the 15 nodes of porous zone obtained by solution of EquationEqs (5c)(5c) Ψβ2−Ψβ02Δξβ=BiβΨβ1−Ψhatj=1(5c) -(Equation10c(10c) −ΨγN+2−ΨγN2Δξγ=BiγΨγN+1−Ψenvati=N+1(10c) ) with lβ=l/2 at variables and properties listed in Table 3.Figura 6. Evolución de la temperatura en los 15 nodos de la zona porosa obtenida por la solución de las ecuaciones (5 c)-(10 c) conlβ=l/2 en las variables y propiedades enumeradas en la Tabla 3

Figure 7. Experimental (o) and predicted (lines) freeze drying dynamics at condition listed in . Discontinuous line represents the ideal Darcy’s law (EquationEq. 15 with n=0) and continuous line the non-ideal one. (Horizontal line at zero moisture represents the physical limit for EquationEq. 15 domain).

Figura 7. Dinámicas de liofilización experimental (o) y predicha (líneas) en las condiciones enumeradas en la . La línea discontinua representa la ley de Darcy ideal (Ec. 15 con n = 0) y la línea continua la no-ideal. (La línea horizontal a humedad cero representa el límite físico para el dominio de la Ec. 15)

Figure 7. Experimental (o) and predicted (lines) freeze drying dynamics at condition listed in Table 4. Discontinuous line represents the ideal Darcy’s law (EquationEq. 15(15) X=l−n+2a2a1K∗t1/n+2a2(15) with n=0) and continuous line the non-ideal one. (Horizontal line at zero moisture represents the physical limit for EquationEq. 15(15) X=l−n+2a2a1K∗t1/n+2a2(15) domain).Figura 7. Dinámicas de liofilización experimental (o) y predicha (líneas) en las condiciones enumeradas en la Tabla 4. La línea discontinua representa la ley de Darcy ideal (Ec. 15 con n = 0) y la línea continua la no-ideal. (La línea horizontal a humedad cero representa el límite físico para el dominio de la Ec. 15)