Применение вычислительного интеллекта для прогнозирования энергопотребления, выбросов парниковых газов и характеристик сушки гибридной инфракрасной сушилки

Почему сушка «чудо‑дерева» важна

Moringa oleifera, часто называемое «чудо‑деревом», богато витаминами, белком и полезными соединениями. Его листья широко используют в порошках и чаях для борьбы с недоеданием и поддержания здоровья, особенно в регионах с низкими доходами. Но свежие листья моринги быстро портятся, поскольку состоят в основном из воды. Высушить их безопасно и дешево — не разрушив питательные вещества — представляет собой серьёзную задачу. В этом исследовании изучается новый способ ускоренной сушки листьев моринги с меньшим энергопотреблением и более низким климатическим воздействием, применяя интеллектуальную гибридную сушилку, управляемую искусственным интеллектом.

Новый тип «умной» сушилки

Исследователи испытали непрерывную конвейерную сушилку, которая комбинирует два источника тепла: мягкий горячий воздух и мощное инфракрасное излучение. Вместо того чтобы полагаться только на горячий воздух, который работает медленно и энергоёмко, инфракрасные лампы направленно облучают тонкий слой листьев моринги, пока они проходят через стальной корпус на движущейся сетчатой ленте. Команда варьировала три основных «ручки», чтобы посмотреть, как они влияют на процесс: температуру воздуха (от прохладных 35 °C до тёплых 55 °C), скорость потока воздуха (от 0,3 до 1,0 м/с) и интенсивность инфракрасного излучения (от низкой до высокой). Такая конфигурация имитирует реальные промышленные линии, которые должны работать непрерывно, защищая при этом нежные продукты.

Быстрее с меньшими затратами энергии

Тщательно настроив эти три параметра, учёные показали, что листья моринги можно сушить гораздо эффективнее, чем в стандартных системах горячего воздуха. При одновременном повышении температуры воздуха и интенсивности инфракрасного излучения время сушки сократилось примерно с 210 минут в мягких условиях до всего 95 минут в жёстких условиях. При этом энергия, требуемая на килограмм готового продукта, упала с 5,2 до 3,9 МДж. В то же время увеличение потока воздуха — повышение скорости воздушного потока — фактически ухудшало ситуацию: оно удлиняло период сушки и повышало энергопотребление до 18 %, вероятно потому, что быстрый воздух охлаждал поверхность листа и расточительно отводил тепло.

Понимание сложного поведения при сушке

Сушка — это не просто вопрос времени; это процесс движения воды из внутренней части листа к поверхности и далее в воздух. Чтобы описать это поведение, команда сравнила одиннадцать математических моделей, описывающих, как влага уходит из тонких материалов. Одна модель, известная как модель Мидилли–Кючюк (Midilli–Kucuk), наиболее точно соответствовала измерениям, обеспечивая лучшие прогнозы скорости потери влаги при разных настройках. Далее исследователи применили инструменты искусственного интеллекта — искусственные нейронные сети, анализ главных компонент и самоорганизующиеся карты — чтобы обучиться на данных. Эти инструменты помогли выявить сочетания температуры, потока воздуха и мощности инфракрасного излучения, которые одновременно обеспечивают быструю сушку, низкое энергопотребление и хорошую тепловую эффективность.

Снижение выбросов и затрат

Поскольку большинство промышленных сушилок по‑прежнему работают на электроэнергии или топливе из ископаемых, каждая сэкономленная киловатт‑час также сокращает выбросы парниковых газов. Фокусируясь на удельном энергопотреблении — энергии, необходимой для удаления килограмма воды — команда напрямую связала производительность сушилки с выбросами CO₂. При лучших гибридных настройках система сократила выбросы CO₂ примерно на 20 % по сравнению с традиционной только горячевоздушной сушкой. Это соответствует потенциалу снижения примерно на 0,45–0,52 кг CO₂ на каждый килограмм высушенных листьев моринги. Одновременно оптимизированный процесс снизил счета за энергию примерно на 12–18 %, что является значимой экономией для крупных переработчиков продуктов питания.

Значение для будущей сушки продуктов

Проще говоря, работа показывает, что умное сочетание источников тепла — инфракрасного и горячего воздуха — может сушить чувствительные листья, такие как моринга, быстрее и дешевле, а также с меньшими выбросами углерода. Высокая инфракрасная мощность и умеренно‑высокая температура воздуха демонстрируют наилучший эффект; избыточный поток воздуха — плохая уступка. Сочетая экспериментальные данные с моделями искусственного интеллекта, авторы предлагают практическую дорожную карту по проектированию «интеллектуальных» сушилок, которые адаптируют настройки для оптимального баланса качества продукта, экономии энергии и климатического воздействия. Хотя исследование сосредоточено на моринге, те же принципы могут помочь сушить многие другие деликатные культуры, делая более доступными полезные, устойчивые продукты с меньшим экологическим следом.

Цитирование: El-Mesery, H.S., ElMesiry, A.H., Husein, M. et al. Computational intelligence applications in predicting energy consumption, greenhouse gas emissions, and drying performance of hybrid infrared dryer. Sci Rep 16, 6757 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35355-2

Ключевые слова: сушка моринга, инфракрасно‑горячевоздушная сушилка, энергоэффективная переработка продуктов питания, искусственный интеллект в сушке, снижение выбросов CO2