Letter from TSAE President The TSAE 2016 Conference is The 17th TSAE National Conference and the 9th TSAE International Conference. We go by the theme “Beyond Great Agro”. We are proud to organise along with SIMA ASEAN Thailand 2016 which provide wider vision than just conference. Since the SIMA show is one of biggest Agri-business Show in the world held in Paris from 1870. I hope that the technology shows in this exhibition will build our perspective Beyond Great Agro. In my point of view regarding agricultural technology, Farm Machinery and Agricultural Engineering is heading to Precision Farming. Labor shortage is the first signal to tell us that we need agricultural machineries instead. Climate changes effect farming seasons, are the second signal to tell us using data information and forecasting models for farm system. Facing short preparation period and long drought or big flood forces us to use high performance machineries. The high quality along with high price of seeds confirm the need of high precision farm machineries. Experience of operators has been changed, new generation farmers are familiarly with auto-controller than manually control. The auto-pilot systems are the need for next generation farm. In the view of farm machinery management, the cyber is the most influence in technologies transfer. Manufacturers and Trader can contact without face to face meeting as ever. The country boundaries has dissolved. Cross boundary farming will be common business in the future. We need to be in networking. In this moment, TSAE has networked with many of farm machinery associations and organisations such as CSAM, AMA, ANTAM, ACABE, FTI, KAMICO, TMA, TAMMA, PSAE, MSAE, VSAGE, research associations, etc. That is our preparation to go smart in our future agriculture world. In the 17th TSAE National Conference and the 9th TSAE International Conference, TSAE arrange 82 articles of research papers in the field of Power and Machinery, Soil and Water Engineering, Energy and Environment, Electronics and Information Technology and Post-harvest and Food Engineering. We are proud to express our keynote speakers consists of: Dr. Katinka Weinberger, the OiC of CSAM in “Perspectives on Agricultural Machinery in Asia-Pacific Region”, Assoc. Prof. Ahamed Tofael, University of Tsukuba, Japan in “Precision Agriculture and Remote Sensing Technologies”, and Mr. Tawat Sutasineenon, Head of Technology and Development, Global Innovation Incubator, Thai Union Group Public Co., Ltd. in “What the Food Industry is Expecting from Academic Researchers”. I believe that the success of farming and agi-business develop from knowledge, technologies, planning, and management. Agricultural engineering is all of them.
Dares Kittiyopas President Thai Society of Agricultural Engineering emails: dares.doae@gmail.com, dares@tsae.asia, dares@doae.go.th
สาส์นจากนายกสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย การประชุมวิชาการสมาคมวิ ศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ประจํ าปี 2559 ระดับชาติ ครั้งที่ 17 และระดั บ นานาชาติ ครั้งที่ 9 ในวิสัยทัศน์ของการ “ก้าวสู่การเกษตรที่ยิ่งใหญ่” ครั้งนี้ สมาคมได้จัดขึ้นร่วมกับงานแสดงเครื่องจักรกล การเกษตร SIMA ASEAN Thailand 2016 ซึ่งจะเสริมสร้างโลกทัศน์ที่กว้างกว่าการประชุมวิชาการเพียงอย่างเดียว ทั้งนี้ งาน SIMA เป็นหนึ่งในงานแสดงเครื่องจักรกลการเกษตรที่ใหญ่ที่สุดแห่งหนึ่งของโลก จัดขึ้นที่กรุงปารีสตั้งแต่ปี พ.ศ. 2413 สมาคม จึงหวังว่าการจัดการประชุมวิชาการร่วมกับงานแสดงเครื่องจักรกลการเกษตรชั้นนําจะเป็นส่วนหนึ่งของการก้าวสู่การเกษตรที่ ยิ่งใหญ่ต่อไปได้ ในมุมมองทางเทคโนโลยีวิศวกรรมเกษตรนั้น เครื่องจักรกลการเกษตรในอนาคตจะต้องมุ่งไปสู่การสนับสนุนการทํา การเกษตรแบบแม่นยํา โดยมีเหตผลหลายประการ สิ่งแรก คือการขาดแคลนแรงงานภาคเกษตรทําให้เกิดความจําเป็นที่ต้องนํา เครื่องจักรกลมาใช้ในการทดแทนแรงงาน ประการที่สอง คือการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศของโลกที่กระทบถึงฤดูกาลผลิตทางการ เกษตรที่ในอนาคตจะต้องนําข้อมูลประวัติมาใช้ในการพยากรณ์และวางแผนการผลิต ประการต่อมา คือการเผชิญกับภาวะการ เตรียมดินที่สั้นลง ช่วงความแห้งแล้งที่ยาวนาน และภาวะอุทกภัยต่างๆ มีส่วนหนุนให้ต้องใช้เครื่องจักรกลการเกษตรที่มี สมรรถนะสูง รวมทั้ง จากการใช้เมล็ดพันธุ์คุณภาพดีและราคาสูงทําให้ต้องใช้เครื่องจักรกลในการปลูกที่แม่นยํา นอกจากนี้ ความเชี่ยวชาญ ประสบการณ์ และทักษะของคนรุ่นใหม่ก็แตกต่างไปจากรุ่นก่อน คนรุ่นใหม่ไม่มีประสบการณ์ในการควบคุม เครื่องจักรกลแต่มีทักษะในการใช้อุปกรณ์ควบคุมอัตโนมัติ การทําการเกษตรในยุคต่อไปจึงจะเปลี่ยนเป็นยุคของเครื่องจักรกล การเกษตรที่ควบคุมด้วยระบบอัตโนมัติ ส่วนในมุมมองด้านการจัดการเทคโนโลยีเครื่องจักรกลการเกษตรในปัจจุบันมีการใช้ระบบสื่อสารทางไกลในการ เผยแพร่ข้อมูลทางเทคโนโลยี การติดต่อค้าขายและผลิตผ่านระบบดังกล่าวกระทําได้โดยไม่จําเป็นต้องเดินทางไกลมาค้าขายกัน ดังเช่นสมัยก่อน ขอบเขตการค้าที่กว้างขวางไร้พรมแดนจะขยายวงกว้างและง่ายยิ่งขึ้น ความสําคัญของการจัดการเทคโนโลยีจึง อยู่ที่การประสานเครือข่ายเพื่อแลกเปลี่ยนความรู้ เทคโนโลยี และประสบการณ์ ดังนั้น ในปัจจุบัน สมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่ง ประเทศไทยจึงเตรียมพร้อมรองรับสถานการณ์ที่จะเกิดขึ้นในอนาคตด้วยการเชื่อมโยงเครือข่ายองค์กรพันธมิตร อาทิ CSAM AMA ANTAM ACABE FTI KAMICO TMA TAMMA PSAE MSAE VSAGE และหน่วยงานวิจัยต่างๆ ทั้งนี้ เพื่อเป็นการเตรียม ตัวสําหรับการก้าวสู่โลกของการเกษตรสมัยใหม่ด้วยความพร้อม ในการประชุมวิชาการสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ประจําปี 2559 ระดับชาติ ครั้งที่ 17 และระดับ นานาชาติ ครั้ งที่ 9 นี้ สมาคมสามารถรวบรวมบทความเข้ าร่ วมบรรยายได้ ถึ ง 82 บทความ ประกอบด้ วยบทความด้ าน เครื่องจักรกลการเกษตร ด้านวิศวกรรมดินและน้ํา ด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อม ด้านไฟฟ้าและสารสนเทศ และด้านวิศวกรรม หลังการเก็บเกี่ยวและอาหาร โดยมีความภาคภูมิใจในวิทยากรรับเชิญทั้ง 3 ท่าน ได้แก่ Dr. Katinka Weinberger, the OiC of CSAM ในหัวข้อ “มุมมองด้านเครื่องจักรกลการเกษตรในภาคพื้นเอเซียแปซิฟิค” Assoc. Prof. Ahamed Tofael, University of Tsukuba, Japan ในหัวข้อ “การเกษตรแบบแม่นยําและการควบคุมระยะไกล” และ คุณธวัช สุธาสินีย์นนท์, Head of Technology and Development, Global Innovation Incubator, Thai Union Group Public Co., Ltd. ในหัวข้อ “ความคาดหวังของนักอุตสาหกรรมอาหารที่มีต่อนักวิจัย” ดิฉันมีความเชื่อว่าความสําเร็จของการทําการเกษตรและธุรกิจเกษตรจะต้องประกอบด้วย ความรู้ เทคโนโลยี การวางแผน และการจัดการที่ดี ซึ่งองค์ประกอบทั้งสี่ประการดังกล่าวได้รวมอยู่ในงานด้านวิศวกรรมเกษตรไว้อย่างครบถ้วนแล้ว
อีเมล์: dares.doae@gmail.com, dares@tsae.asia, dares@doae.go.th
(นางดาเรศร์ กิตติโยภาส) นายกสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย
KEYNOTE SPEAKER
Keynote Lecture 1 Perspectives on Agricultural Machinery in Asia-Pacific Region Dr. Katinka Weinberger, OiC of Centre for Sustainable Agricultural Mechanization, UN Corresponding author: Katinka Weinberger. E-mail: weinbergerk@un.org
Abstract Many countries In Asia and the Pacific have witnessed remarkable growth in mechanization, for example, China’s power availability per hectare reached 3.56 kw in 2011 and its overall mechanization rate raised from 35% in 2004 to 57% in 2012; India’s power availability has also achieved steady growth from 1.05 kw/ha in 1995/96 to 1.7 kw/ha in 2011/12; Bangladesh from 0.4 kw/ha in 1990 to 1.17 kw/ha in 2007. In Cambodia, the number of tractors increased more than 2 folds during 2006 to 2012, while its harvesters increased fifteen folds. The total tractors registered in Nepal increased from around 30,000 units in 2003 to nearly 70,000 in 2012. Vietnam’s total agricultural horsepower more than doubled during the first decade of this century. As a result of increasing mechanization, agricultural productivity has also increased in the region: per capita production of cereals grew by 62%, of vegetables and melons 210% (1961-2014, FAOSTAT). Concurrently, the added value per worker in the agricultural sector has also increased, i.e. from 610 to 1086 US$ in South Asia, from 390 to 1397 in China (1980 to 2014, constant 2010 US$, World Development Indicators) Some of the policies and strategies that have contributed to an enabling environment mechanization have included (i) Subsidies, credit and taxation; (ii) Research and development efforts; (iii) Targeted extension service; and specialized services, including custom hiring and leasing to provide more accessibility and affordability to farmers. Looking forward, considering that many countries in the region still have comparatively low levels of mechanization, while being faced by challenges such as pervasive poverty in rural areas, resource depletion and the need to adapt to an increasingly variable climate, whereas consumers increasingly demand safe and high quality produce of uniform quality, all implies great potentials and opportunities for further mechanization and sustainable productivity increases in the region. Favourable government strategies and policies are indispensable to fully exploit this potential. Overall, there is a greater need for adaptable machinery and implements for diversified agro-climate zones and topographies; stronger focus on safety, quality and affordability of machinery; and addressing the scope for improved efficiency of utilization, for example through custom hiring or larger holdings.
Keynote Lecture 2 New Developments and Emerging Trends in Agricultural Mechanization Technologies to Improve Agricultural Productivity Using Field Robots and Precision Agronomics Tofael Ahamed* 1
Faculty of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba, Ibaraki 305-8572 Japan Corresponding author: Tofael Ahamed. E-mail: tofael.ahamed.gp@u.tsukuba.ac.jp
Abstract Agricultural Mechanization is one of the great achievements in the 20th century. The significant contributions of mechanization cover minimization of labor, timeliness of operations, input management using precision agriculture, auto-steering system, automation and control, sensing systems, plants growth modeling, and man and machine communications. The mechanization increases pre-field operation of optimizations (planning season), in-field operation optimization (growing season) and post optimization (harvesting season) of crop production system. One of the problems throughout the Asian countries is the labor shortage besides the optimization of machines and targeting agronomy. The demand for agricultural workforce has increasing worldwide with the growing need for food production. In the developed countries, farmers and researchers emphasized on the developments and adaptation of agricultural mechanization technologies due to the large scale of farms. On the contrary, developing regions from Asia, Africa and Latin America are relied on the conventional technologies and small-scales machineries. However, to run the farms efficiently, regardless of size and advanced technologies, stakeholders of the agricultural sectors are now addressing the labor scarcity in the field level. This keynote paper attempted to find out the recent trends of machinery and shortages of agricultural workforce in the Southeast Asian countries such as Japan, China, Indonesia, Malaysia, Thailand, India, Pakistan and Bangladesh. Data shows that the number of farmers in Japan has reduced 16% during last 6 years. The most considering issue is 48% of the current farmers are 68 years old or above. China, the world's most populous country, the number of employed persons in the agriculture has declined to 11% from 2009 to 2012. A study conducted in the Jiangsu province of China, showed that the total average age of the farmers was 56.6 years (Guancheng, 2015). In Indonesia, 16% of total agricultural labor force has declined during 2003 to 2013. Due to the local labor shortages in plantation sector, Malaysia depends on the foreign workers. The data showed that, the 45% of the workers are more than 55 years older or above. In Thailand, the percentage of agricultural labor was more than 30% in 2004, which was decreased to 25% in 2014. The numbers of agricultural labors have also declined in different states of India. The shift of agricultural labor force was not notable in Pakistan from 1981 to 2009, whereas in Bangladesh the percentage of agricultural workforce has declined from 67% to 47.7% during 2001 to 2010. The overall data of respective countries showing evidence that the labor crisis situation is getting worse in the coming days. In addition, the farmers are old and young generations are showing interest more on urbanization’s jobs rather agriculture in rural areas. Therefore, the labor shortage would be a threat for sustainability in crop production and food security in the Asian regions. To increase the crop production the emerging technologies and automations are required to motivate the young and reduced the drudgery of aged farmers. Agricultural mechanization could vary according to the levels and site-specific for Asian countries to increase the productivity based on soil and environment. On the other hand, crop production varies spatially and temporally within the field boundaries depending on the soil and environmental conditions. The major concern of variability for agronomic inputs addresses how best to intervene in the right place, at the right time and in the right quantity to improve the potential yield of crops and feedstock. Various types of sensors and communication protocols, including laser range finders, RTK-GPS, multi-spectral cameras, thermal imagery, odometers, and fiber optic gyroscope are developed in the recent years to increase the accuracy positioning and sensing systems. Furthermore, the Decision Support Systems (DSS) focuses on the high spatial and temporal resolutions of remote sensing images, which are major factors for accurate mapping of organic matter, soil moisture, and soil nutrients for adopting
precision agriculture technology to maximize the crop yield over the growing seasons. ICT plays a key role in improving the availability of agricultural production and market information. Experience with ICT in rural areas suggests that recent technological advances require a different approach for agricultural development. Previously, agricultural machinery was strongly aimed towards the mechanization of agricultural processes. This target remains, but technological advances allow for a broader target. As sensors have advanced, ICT can now connect with bioproduction systems in a variety of ways using the concepts with clouds. The three major areas of ICT involvement are: "machine optimization", "targeting agronomy" and "data management" and these three are closely related and strongly connected with each other. Total management of agricultural products and biomass from field to consumption is very important to maintain environmental, occupational safety for the farmer, and consumer safety. All this total management carries huge amounts of data, which sometimes referred as data lakes, or data warehouse. In the recent ICT developments, Hadoop Distributed File System (HDFS) storage got importance, specially handling the metadata of yield information which spatially distributed and very much site-specific with micro-climatic adaptations. The big data came out with the potentials with cloud system to link all these data together with accessibility and proper analytics in site-specific decision for crop production, processing and marketing. The machinery development has been advanced over the years, now it is needed the remote access to on-board machinery optimization for variable application such as planting, irrigation, fertilizer and pesticides. On the other hand, it is required to unlock the genetic potential of crops for micro-climatic adaptation and agronomic decisions with weather variability. Keywords: Agricultural automation, Positioning and sensors, Machine optimization, Precision agronomics, Data analytics.
Keynote Lecture 3 “What the Food Industry is Expecting from Academic Researchers� by Mr. Tawat Sutasineenon, Head of Technology and Development, Global Innovation Incubator, Thai Union Group Public Co., Ltd.
INVITED SPEAKER
PHF-01
Sustainability in Food Industry: Why and How? Sakamon Devahastin Department of Food Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Bangkok 10140, Thailand. Corresponding author: Sakamon Devahastin. E-mail: sakamon.dev@kmutt.ac.th
Abstract Food industry is among the key consumers of water and energy and hence contributes to the large water and carbon footprints. Through appropriate use of raw materials and advanced processing technologies, these footprints could be reduced, along with the possibility to alleviate various environmental problems conventional materials and processing procedures would typically produce. In this presentation, typical consumption figures of both water and energy during the production of various conventional foods will first be discussed. This will follow by the discussion on the use of alternative raw materials to produce protein-rich foods. Selected schemes that would lead to a more sustainable food processing practice are then reviewed; these schemes result either from a smart combination of existing technologies or from sole advanced technologies. Superheated steam drying, use of electromagnetic energy to assist thawing of frozen seafood as well as the use of dry ice particles for cleaning of food processing equipment will be discussed as the ways the food industry can benefit, both from the sustainability and economic points of view, from the use of these advanced processing technologies. Keywords: Alternative food production; Carbon footprint; Energy consumption; Sustainable food processing; Water footprint
PHF-06
Evaluation of nutrition in oil palm leaves using near-infrared spectroscopy Panmanas Sirisomboon1*, Natthanant Bangkha1, Tanatip Buranavanitkul1, Pattawee Wutthigarn1 1Curriculum of Agricultural Engineering, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok, Thailand. Corresponding author: Panmanas Sirisomboon. E-mail: panmanas.si@kmitl.ac.th
Abstract Nitrogen, Phosphorus and Potassium are the most important nutrient for oil palm. The properly control of the amount of fertilizer can significantly increase productivity of oil palm. This research studied the possibility of near infrared spectroscopy to predict the amount of Nitrogen, Phosphorus and Potassium in oil palm leaves. The spectra of 50 samples were collected from Chonburi province, Thailand and the corresponding values of nutrient were measured by chemical methods. One sample included 8 leaves from one tree. The leaves were from both sides of the rib. The scanning points on one side of the leave were three positions: top, middle and bottom. There were 48 spectra per sample. The scanning was done using FT-NIR spectrometer over 12500-4000 cm-1. The Nitrogen content of the sample was measured by Kjeldahl Method. The Phosphorus and Potassium was measured by inductively coupled plasma-optical emission spectrometer (ICP-OES). The partial least squares (PLS) regression method was used to establish the calibration model. According to cross validation, sample as ground leaves achieved better accuracy than fresh leaves in case of Nitrogen and Phosphorus estimation. On the other hand, using fresh leaves provided better result for Potassium. The best model of Nitrogen provided the coefficient of determination (R2) of 0.796 and 0.823, RMSECV (root mean square error of the cross validation) of 0.21% and 0.2%, RPD (ratio of prediction to deviation) of 2.21 and 2.38, bias of 0.006% and -0.005% for fresh leaves and for ground leave, respectively. For Phosphorus, ground leaves provided R2 of 0.740, RMSECV of 0.016%, RPD of 1.96 and bias of -0.0003%. In case of Potassium, fresh leaves provided R2 of 0.522, RMSECV of 0.153%, RPD of 1.45 and Bias of -0.0009%. Keywords: Nitrogen, Phosphorus, Potassium, oil palm, nutrition
1 Introduction Oil palm is a tropical crop that originates from WestAfrica (Malaysian Palm Oil Council, 2016). It is a crop that grows well in the rainy tropical lowlands (Verheye, 2016). Its fruit provides high-quality oil used primarily for cooking in developing countries. Moreover, it is also used in food products, detergents, cosmetics and biofuel (World Wildlife Fund, 2016). Oil palm is known as one of crops that consumes high fertilizer (Ishola et al., 2013). Normally, about 55-65% of the total field production cost is expended for the fertilizer and application costs (Goh et al., 2009; Ishola et al., 2013). So, good fertilization management, which is the applying in the right and sufficient quantity, conduces to high productivity and efficiency in oil palm plantations. Ishola et al. (2013) mentioned from Tarmizi, (2001) that the yield of oil palm is highly dependent on the availability of optimum nutrients in the soil. For the
insufficient nutrient of oil palm tree, it directly affects to its growth and yield and displays the deficiency symptoms through its leaf (TNAU Agritech Portal, 2016). However, the fertilizer requirements information of oil palm could be obtained by its leaves analysis, soil analysis or nutrient balance. In general, leaf or soil sample must be collected and sent to the department of agriculture for determining the fertilizer requirements of oil palm trees in order to apply the fertilizer according to the their requirement. Since the process of analysis takes a lot of time (around 1 month), this process is omitted by farmer’s decision. Near infrared spectroscopy is a rapid, precise and non-destructive technique. For the application of this technique in crop leaves, Min et al. (2006) have evaluated nitrogen content in Chinese cabbage leaves. Their result provided the coefficient of determination (R2) of 0.846. Moreover, Menesatti et al. (2010) have used this
technique to estimate the potassium, nitrogen and phosphorus status in orange leaves and showed the R2 values of 0.982, 0.826 and 0.184, respectively. Therefore, the aim of this research was to primarily study of evaluation of nutrition including potassium, nitrogen and phosphorus in oil palm leaves using near-infrared spectroscopy. 2 Materials and Methods 2.1 Samples To collect the oil palm leave samples, the standard method was followed. The 17th oil palm leave stalk of a tree was selected and the 8 leaves at the middle of the stalk of both sides of the rib were cut and kept in the plastic zipped bag. There were 50 samples in total which 20 samples were from Nongyai district, 15 samples from Boetong district and 15 samples from Wangchan district in Chonburi Province. 2.2 Near infrared spectrum acquisition The leaves were cleaned by damp cloth. One leave was separated from both sides of the sub-rip into two pieces. The scanning points on each piece were three positions: top, middle and bottom. There were 48 spectra per sample. The scanning was done using FT-NIR spectrometer (MPA, Bruker, Germany) over 12500-4000 cm-1 with resolution of 8 cm-1. Before each sample was scanned, the gold plate was scanned for background. After that the samples was dried in hot air oven at 70 °C for 48 hr. Then the sample was ground using blender (Oku san no, Thailand) for 60 s and the ground sample was scanned by the same spectrometer. All experiment were done in air-conditioning room temperature at (25±1°C). 2.3 Analysis of Nitrogen of leaves sample The samples were ground, and the Kjeldahl method was used to determine the total nitrogen content (%). 2.4 Analysis of Potassium and Phosphorus of leaves sample The Potassium and Phosphorus of ground dried leaves sample was measured by using Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometer (ICP-OES) (710-ES, Varian, USA). 2.5 Model development
The NIR spectra of fresh leaves and ground dried leaves samples in conjunction with the corresponding Nitrogen, Phosphorus and Potassium content were used for partial least squares regression model development. The spectra used were either without pretreatment or with pretreatment of the following methods: Constant offset elimination, Straight line subtraction, Vector normalization (VN), Min-max normalization, Multiplicative scattering correction (MSC), First derivative, Second derivative, First derivative + Straight line subtraction, First derivative + VN and First derivative + MSC. The development process was done by OPUS v.7.0.129 (Bruker, Germany). Then the model was validated by cross validation. The optimal model was selected based on the high coefficient of determination (R2) and low root mean square error of cross validation (RMSECV). 3 Results and Discussion Two types of oil palm leaf sample were scanned by FT-NIR spectrometer, including fresh and ground dried leaves. Figure 1(a) shows average raw spectrum of fresh leaves, while its second derivative spectrum is shown in figure 1(b). Two absorption bands around 6819 and 5153 cm-1 (1466 and 1940 nm) which are the first overtone associated with O-H stretching of water (1450 nm) and the combination of O-H stretching plus O-H deformation of water (Osborne and Fearn, 1986) appear in the raw spectrum, while two peaks at 7074 and 5245 cm-1 (1413 and 1906 nm) which are the absorption band of hydrocarbon compounds (1415 nm) and POH (1908 nm) (Osborne and Fearn, 1986) is found in its second derivative spectrum. For the ground dried leaves, average raw spectrum and second derivative spectrum are shown in figure 2(a) and 2(b), respectively. The absorption peaks at 5801, 5214, 4460 and 4412 cm-1 (1723, 1917, 2266 and 2269 nm) appear in the second derivative spectrum which are the absorption bands of hydrocarbon and protein compounds (Osborne and Fearn, 1986; Workman and Weyer, 2008). The summary of statistical information for Nitrogen, Phosphorus and Potassium in fresh and ground dried oil palm leaves is shown in Table 1. Table 2 shows the results of partial least squares models for evaluating the
nutrition in fresh and ground dried leaves. The model of Nitrogen evaluation is the optimum one developed from
first derivative spectra with ranges of 12466.3 - 9820.3, 8933.2 - 7151.2 and 6264 - 3818.6 cm-1.
Figure 1 average spectrum of fresh oil palm leaves, a) raw spectrum and b) second derivative spectrum.
Figure 2 average spectrum of ground dried oil palm leaves, a) raw spectrum and b) second derivative spectrum. Table 1 The summary of statistical information for Nitrogen, Phosphorus and Potassium in fresh and ground dried oil palm leaves. Nutrition Nitrogen (%) Phosphorus (%) Potassium (%)
N 50
Mean 2.77 0.16 0.71
The scatter plot of the optimum model is shown in figure 3 and gave the coefficient of determination (R2), root mean square error of cross-validation (RMSECV), ratio of SEP to the SD (RPD) and a bias of 0.824, 0.2%, 2.38 and 0.0054%, respectively. The regression coefficient plots of the best models for the Nitrogen and Phosphorous prediction, which is developed from ground dried leaves, are shown in figure 4(a) and (b), respectively. The absorption peaks appeared in both plots are separately concluded in Table 3. The absorption band at 4644 cm-1 (2153 nm), which is the vibration bonds of 2 x amide I plus amide III of CONH2 (2150 nm) (Osborne and Fearn, 1986), showed the highest influence on the Nitrogen content prediction in
Max 4.21 0.22 1.16
Min 1.90 0.10 0.30
SD 0.48 0.03 0.22
the ground dried oil palm leaves, while that of 4806 cm1 (2082 nm), which is the vibration bonds of O-H stretching plus O-H deformation of sucrose and starch (2080 nm) (Osborne and Fearn, 1986), showed that of Phosphorous prediction in the ground dried leaves. The X-loading weight plots for the Nitrogen and Phosphorous prediction models are shown in Figure 5(a) and (b). Its spectra still shows that vibration bonds of CONH2 gave the highest influence on the prediction in both two models. Table 4 shows the absorption peaks appeared in both plots. For Potassium prediction, the results were not reported due to the insufficient accuracy of the models.
Table 2 The results of partial least squares models for evaluating the nutrition in fresh and ground dried oil palm leaves. Nutrition
Sample form
Pretreatment
LVs
Fresh
2nd derivative
6
Ground
1st derivative
5
Fresh
1st derivative
6
Ground
1st derivative + MSC
4
Nitrogen
Phosphorous
Fresh Potassium Ground
1st derivative + MSC 1st derivative + Straight line subtraction
Region (cm-1)
n
Calibration R2 RMSEE
12489.5-11594.6 10715.2-9820.3 50 0.907 5376.9-4482 12466.3-9820.3 8933.2-7151.2 50 0.933 6264-3818.6 11602.3-6256.3
8
12489.5-98203 7158.9-6256.3 5376.6-4482 10715.2-7151.2 6264-5369.2
3
12489.5-7151.2 4489.7-3594.9
n
R2
Validation RMSECV RPD
Bias
0.195
50 0.796
0.216
2.21 0.00604
0.132
50 0.824
0.200
2.38
0.00537
50 0.766
0.016
50 0.672
0.018
1.75
0.00485
50 0.882
0.011
50 0.740
0.016
1.96
0.00031
50 0.812
0.106
50 0.522
0.153
1.45
0.00093
50 0.573
0.151
50 0.385
0.173
1.28 0.00088
Figure 3 The scatter plot of the optimum model.
Figure 4 The regression coefficient plots for a) the nitrogen prediction model and b) the phosphorous prediction model
Figure 5 The X-loading weight plots for a) the nitrogen prediction model and b) the phosphorous prediction model. Table 3 The absorption peaks appeared in the regression coefficient plots for the Nitrogen and Phosphorous prediction model. Wavenumber (cm-1)
Wavelength (nm)
Wavelength (nm) Reference
Bond Vibration
Structure
Nitrogen 4644
2153
2150 (Osborne and Fearn, 1986)
2 x amide I + amide III
CONH2
12296
813
813 (Workman and Weyer, 2008)
C-H combination
Hydrocarbons, aliphatic
4914
2035
2030 (Osborne and Fearn, 1986)
C-O str. second overtone
CONH2
4821
2074
2075 (Workman and Weyer, 2008)
N-H combination
Native RNase A
12034
830
830 (Workman and Weyer, 2008)
C-H combination
Hydrocarbons, aliphatic
Phosphorous 4806
2082
2080 (Osborne and Fearn, 1986)
O-H str. + O-H def.
sucrose, starch
4651
2150
2150 (Osborne and Fearn, 1986)
2 x amide I + amide III
CONH2
4914
2035
2030 (Osborne and Fearn, 1986)
C=O str. second overtone
CONH2
12396
807
806 (Osborne and Fearn, 1986)
N-H str. third overtone
RNH2
6728
1486
1490 (Osborne and Fearn, 1986)
O-H str. first overtone
cellulose
Table 4 The absorption peaks appeared in the X-loading plots for the Nitrogen and Phosphorous prediction models. Wavenumber (cm-1)
Wavelength (nm)
12296
813
4644
2153
12042
830
4914
2035
Wavelength (nm) Reference
Nitrogen 815 (Osborne and Fearn, 1986) 2150 (Osborne and Fearn, 1986) 830 (Workman and Weyer, 2008) 2030 (Osborne and Fearn, 1986)
LVs
Bond Vibration
Structure
1
RNHR’
1
N-H str. third overtone 2 x amide I + amide III
1
C-H combination
1
C=O str. second overtone
CONH2 Hydrocarbons, aliphatic CONH2
Wavenumber (cm-1)
Wavelength (nm)
Wavelength (nm) LVs Reference Phosphorous 2030 (Osborne and 4914 2035 1 Fearn, 1986) 2030 (Osborne and 4921 2032 3 Fearn, 1986) 1908 (Osborne and 5307 1884 2 Fearn, 1986) 815 (Osborne and 12234 817 3 Fearn, 1986) 813 (Workman and 12319 811 2 Weyer, 2008) Note: LVs is the number of latent variable or PLS factor used for model development.
Bond Vibration
Structure
C=O str. second overtone C=O str. second overtone
CONH2 CONH2
O-H str. first overtone
POH
N-H str. third overtone
RNHR’
C-H combination
Hydrocarbons, aliphatic
Tarmizi, A.M. 2001. Nutritional requirements and 4 Conclusion efficiency of fertilizer use in Malaysian oil palm From the results presented in this study, NIR cultivation. In: Basiron, Y., Jalani, B.S., Chan, K.W., spectroscopy could be used as a rapid and precise Advances in Oil Palm Research (pp. 411-440), alternative approach to evaluate the Nitrogen and Malaysian palm oil board, Ministry of Primary Phosphorous content in oil palm leaves. The optimum Industries, Malaysia. models for Nitrogen and Phosphorous content predictions were developed from the ground dried leave Min, M., Won, S.L., Yong, H.K., Ray A.B. 2006. Nondestructive Detection of Nitrogen in Chinese samples.However, this technique could not be able to Cabbage leaves Using VIS-NIR Spectroscopy. predict the Potassium content due to the Potassium in HoreScience. 41(1). 162-166 nature occurs only in ionic salts. So, the incorrect prediction models might be caused by no vibration Menesattia, P. Antonuccia, F. Pallottinoa, F. Roccuzzob, G. Allegrab, M. Stagnob, F. Intrigliolob, F. 2010. Estimate bonds related to the Potassium. of plant nutrition status by Vis-NIR 5 References spectrophotometric analysis on orange leaves. Malaysian Palm Oil Council. 2016. The Oil Palm Tree. Biosystems engineering. 105. 448-454 Available at: http://www.mpoc.org.my/The_Oil_ TNAU Agritech Portal. 2016. Nutrient Management: Oil Palm_Tree.aspx. Accessed on 21 August 2016. palm. Available at: http://agritech.tnau.ac.in/ Verheye, W. 2016. Growth and production of oil palm. agriculture/agri_nutrientmgt_oilpalm.html. Accessed Soil, plant growth and crop production. Available at: on 22 August 2016. http://www.eolss.net/sample-chapters/c10/e1-05a-27- Osborne, B.G., Fearn T. 1986. Near Infrared spectroscopy 00.pdf. Accessed on 22 August 2016. in Food Analysis. Longman Scientific & Technical. UK Ishola, T.A., Yahya, A., Shariff A.M., Aziz S.A. 2013. An RFID- Workman, J., Weyer, L. 2008. Practical Guide to based variable rate technology fertilizer applicator Interpretive Near-Infrared Spectroscopy. CRC Press for tree crops. Journal of Applied Sciences 13(3), 409-415. Goh, K.J., Ng, P.H.C, Lee, C.T. 2009. Fertilizer management and productivity of oil palm in Malaysia. Advanced Agroecological Research (AAR). Available at: http://www.aarsb.com.my/wpcontent/AgroMgmt/OilPalm/FertMgmt/Research/Fert Mgmt&Product.pdf. Accessed on 22 August 2016.
PHF-11
A Compositional Distribution in Grain and Cereal Process Prasan Choomjaihan Department of Agricultural Engineering Faculty of Engineering King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang Chalongkrung rd. Ladkrabang, Bangkok, 10520, THAILAND. Corresponding author: Prasan Choomjaihan. E-mail: kcprasan@gmail.com
Grain and cereal is the most important crop in the world, and wheat flour milling is one of the oldest and most important industrial processes. The other wheat components, besides endosperm and aleurone, affect the quality of the wheat flour for baking. For instance, basically, wheat flour inspection is performed by measuring the ash content in flour sample. The higher ash content indicates the higher quantity of bran (pericarp and aleurone) in the flour sample. This sample is, then, stamped as the poor quality of flour. As mentioned earlier, aleurone does not affected the flour quality, therefore, the ash result is ambiguous to quantify the source of ash (pericarp or aleurone). Previous work has aimed to predict the particle size distribution of the milled wheat of the First Break based on kernel properties and roller mill operation. However, particles exiting First Break vary not only in size, but also in composition; the outer layers of bran from the wheat kernel tend to stay as large particles, while the starchy endosperm tends to break into smaller particles. Therefore, the understanding of distribution of botanical composition as well as size were focused. The distributions of the major wheat kernel components (pericarp, aleurone, germ and endosperm) in the size fractions produced on breakage of wheat during First Break roller milling were quantified by mineral analysis using Inductively Coupled Plasma – Optical Emission Spectrometry (ICP-OES), using Singular Value Decomposition (SVD) analysis to estimate the proportions of the four wheat components in milled fractions based on the profiles of nine minerals. The effects of roll gap and disposition on the distribution of components were studied, using two representative soft and hard wheats. The results were consistent with the established understanding of wheat breakage during First Break milling, showing that pericarp tended to remain in the larger particle sizes, while endosperm content was higher in the smaller size fractions. The aleurone tended to remain with pericarp, while germ concentration was correlated with endosperm. Increasing roll gap decreased the separation of bran material from endosperm, particularly under Dull-to-Dull milling. The mathematics to extend the breakage equation to include particle composition were developed. The use of SVD analysis of mineral profiles for estimating the compositional distribution of grain was feasible. The application of the extended breakage equation for predicting the particle size and compositional distributions during wheat processing for both food and non-food applications
TPHF-01
แนวทางการพัฒนาผลไม้กรอบไร้น้ํามันโดยเทคนิคการอบแห้งและเทคนิคโฟม สมเกียรติ ปรัชญาวรากร1 1
ภาควิชาวิศวกรรมเคมี, คณะวิศวกรรมศาสตร์, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี, กรุงเทพ, 10140 ผู้เขียนติดต่อ: สมเกียรติ ปรัชญาวรากร E-mail: somkiat.pra@kmutt.ac.th
บทคัดย่อ บทความนี้นําเสนอเรื่องแนวทางการพัฒนาผลไม้อบกรอบไร้น้ํามันโดยเทคนิคการอบแห้งและเทคนิคโฟม กล้วยหอมทองใช้ เป็นตัวแทนผลไม้ในการศึกษา จากผลการวิจัยพบว่าปัจจัยของความชื้นก่อนการพัฟฟิง อุณหภูมิและระยะเวลาในการพัฟฟิง มีผล นั ย สํ า คั ญ ต่ อคุ ณ ภาพของกล้ ว ยเมื่ อ พิ จ รณาถึ ง ความกรอบและสี ข องกล้ ว ย อุ ณ หภู มิใ นการพั ฟ ฟิ ง ที่ เ หมาะสมอยู่ ใ นช่ วงอุ ณ หภู มิ 150-160oC ความชื้นก่อนพัฟฟิงประมาณร้อยละ 25 ฐานแห้ง และเวลาพัฟฟิงประมาณ 150 วินาที สําหรับเทคนิคโฟมนั้น พบว่าชนิด ของสารก่อโฟมโดยใช้ไข่ขาว โปรตีนถั่วเหลือง และเวย์โปรตีน ให้ลักษณะเนื้อสัมผั สของโฟมกล้วยแตกต่างกัน นอกจากนี้ความ หนาแน่นของโฟมกล้วยมีผมต่อเนื้อสัมผัสของกล้วย สารก่อโฟมจากโปรตีนถั่วเหลืองให้ความกรอบดีกว่าที่ใช้ไข่ขาวและเวย์โปรตีน คําสําคัญ: กล้วย, พัฟฟิง, โฟม, ขนมขบเคี้ยว, ความกรอบ, เนื้อสัมผัส
Development of free-fat crisp fruit using drying and foam techniques Somkiat Prachayawarakorn1 1
Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 10140 Corresponding author: Somkiat Prachayawarakorn. E-mail: somkiat.pra@kmutt.ac.th
Abstract This article presented the development of Fat-free crisp fruit using drying and foaming techniques. Gross Michel (Musa Sapientum Linn. (AAA group) was used as raw material for this research work. From the results, it indicated that puffing temperature, intermediate moisture content (moisture before puffing) and puffing time were important parameters that strongly affected the quality attributes of banana which were considered in terms of crispiness and colour. The suitable condition for puffing banana should be done at the puffing temperature of 150-160oC, puffing time of 150s and intermediate moisture content of 25% d.b. For the foaming technique, it was found that the foaming agents using egg white, soy protein and way protein provided the a different texture of dried banana foam. In addition to the foaming agent, the foam density also affected the texture. The soy protein could produce more crispness than those of egg white and way protein. Keywords: banana, puffing, foaming, snack, crispiness, texture
สารบัญ INVITED SPEAKER PHF-01 Sustainability in Food Industry: Why and How? ......................................................................... 7 PHF-06 Evaluation of nutrition in oil palm leaves using near-infrared spectroscopy...................... 8 PHF-11 A Compositional Distribution in Grain and Cereal Process .................................................... 14 TPHF-01 แนวทางการพัฒนาผลไม้กรอบไร้น้ํามันโดยเทคนิคการอบแห้งและเทคนิคโฟม ................................... 15 INTERNATIONAL CONFERENCE EI-01 EI-02 EI-03 EE-01 EE-02
EE-03 EE-04 EE-05 EE-06 PHF-02 PHF-03 PHF-04 PHF-05
Development of Spatial Decision Support Tool for Road Re-Alignment and Crop Management in Oil Palm Plantation............................................................................................ 39 Rapid Nutrient Mapping System for Oil Palm Plantation ....................................................... 44 Oil Palm Fresh Fruit Bunches (FFB) Harvesting Model ............................................................ 51 Near infrared spectroscopy as an alternative method to thermogravimetric analysis for evaluation of volatile matter of bamboo wood chips ............................................................. 1 Effects of Operating Conditions and Fuel Properties on Combustion Efficiency and Emission Performance of A Swirling Fluidized-bed Combustor Firing Leucaena leucocephala ....................................................................................................................................... 8 Assessment of Biomass Residues Potential from Plantation Areas in Southern Thailand Using GIS ............................................................................................................................................. 14 GIS-BASED Assessment of Fast-Growing Tree for Biomass Power Generation in Thailand’s Unsuitable Area for Planting Economic Crops...................................................... 20 The study of microwave and hot air drying on mechanical properties of oil palm timbers ................................................................................................................................................ 27 Biodiversity of lipid producing-bacteria isolated from palm oil industry in the south of Thailand .............................................................................................................................................. 33 Color values models for determination of citric acid in pineapple .................................... 59 Physicochemical Properties of Pineapple at Difference Maturity ........................................ 65 Preparation of Tri-phala Waste for Gallic Acid Production by Solid State Fermentation from Aspergillus niger ATCC 16888 .............................................................................................. 70 A Study of the Influence of Sugarcane Variety on Sugar Content Prediction using Shortwave Near-infrared Spectroscopy ...................................................................................... 76
PHF-07 Feasibility study of evaluation of ammonium laurate soap content in natural rubber latex by near infrared spectroscopy ............................................................................................ 81 PHF-08 Near Infrared Spectral and Physicochemical Characteristic of Durian Pulp at Different Maturities ............................................................................................................................................ 85 PHF-09 The Preliminary Study of Using Near-Infrared Hyperspectral Imaging Technique for Predicting Moisture Content of Para Rubber Cup Lump ........................................................ 91 PHF-10 Performance evaluation and economic analysis of fruit peeler .......................................... 97 PHF-12 Extraction of glucosinolates and their conversion into sulforaphane via the addition of exogenous myrosinase .................................................................................................................. 102 PHF-13 Reduction of Phosphate Soaking Time for Shrimp Product using Pulsed Vacuum Condition .......................................................................................................................................... 108 PHF-14 Effect of Drying Temperature and Feed Rate on Drying Characteristics on Quality of Parboiled Rice Using Coaxial Impinging Stream Dryer ........................................................... 116 PHF-15 Effect of a Combined Microwave and Fluidized Bed Drying on Drying Kinetics and Qualities of the Parboiled Rice ................................................................................................... 120 PHF-16 Effect of Parboiling Conditions on Quality of RD31 Parboiled Rice ................................... 127 PHF-17 Influence of Microwave Applicator Position of Fluidized Bed Drying on Quality of Partially Parboiled Rice ................................................................................................................. 132 PHF-18 Study of Influence of Soaking Conditions for Microwave Treatment on Parboiled Rice Qualities ............................................................................................................................................ 137 PHF-19 Grain separation in an axial flow corn shelling unit .............................................................. 141 PHF-20 Effect of Heat Treatment on Increases GABA (Îł-aminobutyric acid) Content in Germinated Paddy ......................................................................................................................... 142 PHF-21 Combined Use of Plasticizer, Charge Modifying Agent and Homogenization to Improve Mechanical Properties of Chitosan Films ........................................................... 148 PHF-22 CFD simulation of multi-stage drying of parboiled paddy kernels in an impinging stream dryer ................................................................................................................. 154 PHF-23 The Study machine separate of nut and kernel palm by Hydro-cyclone ....................... 160 PHF-24 Study of Oxygen Transport through a PET Bottle Containing Model Beverage.............. 165 PHF-25 Use of Non-Static Drying Procedures to Reduce Non-Uniform Deformation of a Solid Food and Its Monitoring via Image-Based Parameters ....................................... 173 PHF-26 Development of composite fruit and vegetable-based wafer as a novel healthy snack .................................................................................................................................. 180
PHF-27 Color and pH Stability of Natural Green Colorant Produced from Centella asiatica L. Leaves: Effects of Pretreatment Methods .............................................................................. 189 PHF-28 Study of Factors Affecting Stability of Yanang Juice in Canned Bamboo Shoot in Yanang Juice Process ..................................................................................................................... 194 PHF-29 Effects of the Revolution Speed on Yield of Crude Jatropha Oil from a Jatropha Screw Press Expeller .................................................................................................................................. 199 PM-01 Performance of the Climate Control System for Drying and Storing Agricultural Products ..................................................................................................................... 200 PM-02 Examining How Agricultural Mechanization Was Won in Japan.......................................... 206 PM-03 Mechanizing Paddy Transplanting Based SRI ........................................................................... 216 SWE-01 Evaluation of Irrigation Area Potential of Mun River Basin, Northeast Region, Thailand ............................................................................................................................................................ 221 NATIONAL CONFERENCE TEI-01 TEI-02 TEI-03 TEI-04 TEI-05 TEE-01 TEE-02 TEE-03 TEE-04 TEE-05 TEE-06 TEE-07 TPHF-02 TPHF-03
การพัฒนาระบบติดตามและวัดน้ําหนักแบบทันทีสําหรับงานเก็บเกี่ยวอ้อย ....................................... 265 การจําลองระบบออกแบบเส้นทางของรถแทรกเตอร์อัตโนมัติเพื่อการเลี้ยวกลับรถทีห่ ัวแปลง........... 266 ระบบผลิตน้ําร้อนร่วมพลังงานแสงอาทิตย์แบบตัวรับพาราโบล่า-ฮีตเตอร์ไฟฟ้าแบบอัตโนมัติ ........... 272 การพัฒนาอุปกรณ์ตรวจวัดดัชนีพืชพรรณสําหรับการประเมินความอุดมสมบูรณ์ของพืช .................. 277 ต้นแบบเครื่องวัดความพรุนด้วยการลดลงของความดัน ...................................................................... 284 การหาสภาวะที่เหมาะสมของการปรับสภาพฟางข้าวด้วยด่าง ............................................................ 228 ผลของการทําแห้งแบบลมร้อน ฮีทปั๊มและห้องควบคุมสภาวะอากาศที่มีต่อคุณภาพของ ฝอยทองกรอบ..................................................................................................................................... 234 วิจัยและพัฒนาโรงอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์แบบมีความร้อนร่วมสําหรับการลด ความชื้นผลิตผลเกษตร ....................................................................................................................... 242 การศึกษาผลร่วมของความร้อนและวัตถุกันเสียต่อความต้านทานความร้อนของสปอร์ของ Clostridium sporogenes PA3679 และการนําไปใช้เพื่อกําหนดการฆ่าเชื้อเครื่องดื่มที่มีความเป็นกรดต่ํา........... 249 การผลิตเอทิลเอสเทอร์จากกรดไขมันปาล์มแบบต่อเนื่องด้วยท่อผสมแบบสถิต ................................. 254 การใช้พลังงานไฟฟ้าในกระบวนการผลิตของโรงสีข้าว ....................................................................... 260 อิทธิพลของสภาวะการอบแห้งต่อคุณภาพของรําข้าวระหว่างการเก็บรักษา ...................................... 261 การสร้างและทดสอบระบบทําความเย็นแบบดูดซึมโดยใช้ซีโอไลท์กับน้าํ แบบทํางานไม่ต่อเนื่อง สําหรับถังบรรจุน้ํานมดิบ..................................................................................................................... 289 ความเสี่ยงของผู้บริโภคในการรับสารตะกั่วจากไข่เยี่ยวม้า .................................................................. 294
TPHF-04 การวิเคราะห์คุณภาพน้ํามันมะพร้าวผ่านกรรมวิธีและน้ํามันรําข้าวทอดซ้ําด้วยเนียร์ อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี ................................................................................................................... 301 TPHF-05 ผลกระทบของปัจจัยการสกัดต่อสารพอลิแซ็กคาไรด์และสารประกอบฟีนอลลิกทั้งหมด จากเห็ดหูหนูดํา ................................................................................................................................... 310 TPHF-06 การศึกษาการอบแห้งยางแผ่นด้วยลมร้อนในอุโมงค์ลมแบบเปิด ........................................................ 316 TPHF-07 การพัฒนาช่องคายกากของเครื่องสกัดน้ํามันแบบเกลียวอัดสําหรับเมล็ดมะคาเดเมียแตกซีก ............ 323 TPHF-08 ระดับความสุกและอุณหภูมิพฟั ฟิงที่เหมาะสมของการผลิตกล้วยน้ําว้าและกล้วยหอมกรอบ.............. 330 TPHF-09 การศึกษาปัจจัยของการกลั่นน้ํามันหอมระเหยจากโรสแมรี่ โดยใช้เครื่องกลั่นแบบหอกลั่นทรงกรวย 337 PTHF-10 สมบัติทางกายภาพและลักษณะทางประสาทสัมผัสของบะหมี่เสริมแป้งเมล็ดบัว ............................... 341 PTHF-11 การอบแห้งรังไหมด้วยเครื่องอบแห้งแบบปั๊มความร้อน: จลนพลศาสตร์การอบแห้งและสมบัติเชิงกล ............................................................................................................................................................ 345 PTHF-12 ชุดลําเลียงวัสดุลอยน้ําสําหรับระบบคัดแยกคุณภาพมังคุดโดยความถ่วงจําเพาะ ............................... 351 TPM-01 วิจัยและพัฒนาเครื่องหยอดปุ๋ยอ้อยแบบผสมแม่ปุ๋ยภายในตัวเอง ...................................................... 355 TPM-02 การจําลองพฤติกรรมการไหลของดินผ่านไถดินดานด้วยโปรแกรมทางพลศาสตร์ของไหลเชิงคํานวณ361 TPM-03 การวิจัยและพัฒนาเครื่องปลิดและเก็บใบอ้อยแบบกึ่งอัตโนมัติ .......................................................... 365 TPM-04 การทดสอบเพื่อหามุมตัดที่เหมาะสมสําหรับกลไกตัดท่อนพันธุ์ในเครื่องปลูกมันสําปะหลัง ............... 372 TPM-05 การพัฒนาเครื่องแกะเมล็ดบัวหลวง .................................................................................................... 376 TPM-06 การออกแบบและพัฒนาไถระเบิดดินดานแบบขาไถยกตัวได้โดยใช้แหนบสปริงรถยนต์ ..................... 381 TPM-07 การประเมินสมรรถนะการทํางานของเครื่องคีบอ้อย .......................................................................... 386 TPM-08 การพัฒนาอุปกรณ์พรวนกลบเศษวัสดุอ้อยแบบไถจานชนิดใช้กําลังขับ .............................................. 392 TPM-09 การพัฒนาเครื่องปลูกสับปะรดแบบพ่วงท้ายรถแทรกเตอร์ขนาดกลาง .............................................. 399 TPM-10 อุปกรณ์ฉีดพ่นสารเคมีติดท้ายรถแทรกเตอร์แบบมีกลไกควบคุมความสูงการฉีด ................................ 405 TPM-11 การศึกษาและทดสอบชุดปลิดฝักถั่วลิสงตามแนวแกน........................................................................ 410 TPM-12 การตรวจจับสถานะการทํางานของระบบการตัดในรถตัดอ้อยโดยใช้เทคนิคคลื่นเสียง ....................... 415 TPM-13 เครื่องโรยปุ๋ยคอกบนจอบหมุน ............................................................................................................ 421 TSWE-01 ผลของขนาดท่อและอัตราการไหลต่อค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมของท่อพีวีซี ......................... 426 TSWE-02 การพัฒนาแหล่งน้ําเพื่อการเกษตรกรรม กรณีศึกษาหมู่บา้ นราษฏร์พัฒนา ตําบลสระ อําเภอเชียงม่วน จังหวัดพะเยา ...................................................................................................................................... 430 TSWE-03 การศึกษาพารามิเตอร์แรงต้านของดินในพื้นที่ไร่ของจังหวัดขอนแก่น ประเทศไทย ........................... 436
INTERNATIONAL CONFERENCE
EE-01
Near infrared spectroscopy as an alternative method to thermogravimetric analysis for evaluation of volatile matter of bamboo wood chips Jetsada Posom1*, Panmanas Sirisomboon1, Axel Funke2, Jessica Heinrich2, Jessica Maier2, Pia Griesheimer2 1
Curriculum of Agricultural Engineering, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok, 10520, Thailand 2 Institute of Catalysis Research and Technology, Karlsruhe Institute of Technology, Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 76344 Eggenstein-Leopoldshafen, Germany Corresponding author: Jetsada Posom. E-mail: jetsada-posom@hotmail.com
Abstract Bamboo “Dendrocalamus siriceus cl. Phamon” is planted everywhere in Thailand. It can be used as a source of renewable energy. The volatile matter of biomass is considered to be an important parameter for evaluation of the amount of liquid fuel and gas fuel produced by fast pyrolysis and gasification, respectively. It is a specific characteristic of biomass feedstock to indicate whether it is suitable for fast pyrolysis process or gasification. In the future, the volatile matter content in biomass will be used for setting a price of biomass instead of weight. The main objective of this study was to evaluate the volatile matters of bamboo chips using near infrared (NIR) spectroscopy as an alternative to thermogravimetric analysis. The NIR spectra were obtained by scanning of bamboo chips using Fourier transform NIR spectrometer in diffuse reflectance mode. Absorption data was recorded by log 1/R unit. The result showed that bamboo “Dendrocalamus siriceus cl. Phamon” gave volatile matter in range of 68.68-64.48% on as-received and 75.60-68.96% on dry basis. The models were optimized using partial least squares regression (PLSR) with 80% of samples for calibration set and 20% for validation set. The prediction models for volatile matters on as-received provided R2 of 0.874, RMSEP of 0.768%, RPD of 2.82, and bias of -0.0454%, while for volatile matters on dry basis gave R2 of 0.889, RMSEP of 0.665%, RPD of 3.00, and bias of 0.000433%. This indicated high possibility in applying NIR spectroscopy for predicting volatile matters. This result will benefit in setting a price of biomass and could be used for planning and controlling fast pyrolysis and gasification plants. Keywords: volatile matters, bamboo chips, renewable energy
respectively. Volatile matter is a gas product and is used to evaluate the performance of the biomass in pyrolysis and gasification. In addition, volatile matter is also required for reactor design and process development for pyrolysis and combustion of biomass (Xue et al., 2015). In the future, the biomass trading market for energy purpose will use volatile matter content instead of weight as a parameter for setting prices. Normally, volatile matter can be determined by the following standard methods such as American Society for Testing and Materials (ASTM E1756-08), European committee for standardization (CEN/TS 15148) and Deutsches Institut Für Normung (DIN EN 15148), which are accurate. In addition, volatile matter can also be determined using thermogravimetric analysis (TGA). The results of the standard methods and TGA proximate analyses were in
1 Introduction Thailand has been promoting the use of biomass for producing energy product. Thus, the energy department of Thailand planned to increase the use of renewable energy from currently 8% to 20% within 2036 (Department of Energy in Thailand, 2015). Especially, biomass should be obtained from agricultural activity residues and fast growing tree because they are abundant in Thailand. Bamboo is one of the largest woody glasses (Oyedun et al., 2013), which is fast growing, and easy for use, making it a good source of renewable energy. Sritong et al. (2012) reported that bamboo “Gimsung” and “Tong” species gave 73.63% and 76.11% of volatile matter on dry basis, respectively. In fast pyrolysis and gasification plants, volatile matter is necessary to evaluate the amount of liquid and gas fuels, 1
temperature of 25±2ºC. The absorption was recorded in units of log 1/R.
good agreement (Karatepe and Kűçűkbayrak, 1993). García et al. (2013) determined proximate data of biomass using standard method and TGA. They found that the error criteria results were satisfactory with AEE (average experimental error) under 6% for moisture and volatile matter, and close to 10% for fixed carbon. However, TGA takes a long time, destroys samples and requires special technical skills. In production system and trading, rapid alternative to traditional methods has been required. Near infrared spectroscopy (NIRS) is a rapid, non-destructive method and environmentally friendly. It does not require high technician skill. On-line measurement of volatile matter of corn stover was invested by Xue et al. (2015), they showed that NIRS is possible to predict volatile matter with R2 of 0.68, RMSEP of 9.92 g kg-1. In addition, the previous study has suggested that NIRS may be used in industry. Consequently, the main objective of this study was to evaluate volatile matter of bamboo chips using near infrared spectroscopy. An interesting aspect of this work is that no previous work has been studied on bamboo chips. The model was developed from 84 samples of bamboo chips obtained from small to big size of circumferences. The good result could be beneficial to biomass production system and trading.
Figure 1 Bamboo chips. 2.3 Reference analysis After scanning, all bamboo chip samples were determined for moisture content (MC) according to the ASTM standard (ASTM E1756-08), and then were milled using the A 6800-230 SPEX CertiPrep Freezer Mill (Methucen, SPEX CertiPrep Inc, USA). To balance the moisture with the surrounding humidity, each sample was kept in an opened cup and stored at room temperature for 2 days. Volatile matter analyses were carried out on a thermogravimetric analysis (STA 409, Netzsch Co., Ltd, Germany) using a flow rate of 15 ml min-1 of N2, 55 ml min-1 of N2 (protective gas), zero O2 environment. Approximately 200 g of milled samples was heated ranging from 20-105ºC at a heating rate of 5ºC min-1, and kept at 105ºC for 30 min to determine moisture content, and then heated from 105-700ºC with heating rate 10ºC min-1, and kept at 700ºC for 1 hr to achieve complete pyrolysis. Each sample was subjected to the experiment one time. However, six samples were randomly taken as duplicates to determine repeatability.
2 Materials and Methods 2.1 Samples A total number of 84 samples was obtained from Uttaradit province, Thailand. All samples were cut at 10 cm above the ground for 1 m length. Then they were immediately chopped by a chopping machine (P5508, Patipong Co., Ltd., Thailand) and dried under the sun until the moisture reached approximately 10%wb. Each sample was kept in an aluminum bag at room temperature of 25±2ºC. Dried bamboo chips are shown in Figure 1. 2.2 NIR scanning An FT-NIR spectrometer (MPA, Bruker Co., Ltd, Germany) with the wavenumber range of 12500 - 3600 cm-1 in the diffuse reflectance mode at resolution of 16 cm-1 was used for scanning bamboo chips at room 2
Figure 2 Thermogravimetric (TG) curve of milled bamboo. Moisture content (mc) and Volatile matter (VM) were obtained by direct measurement of weight changes. Their values were read on TG profile (Figure 2). Volatile matter on as-received can be calculated as: VM
VM
100 100
3 Results and Discussion Statistical data for volatile matter i.e. minimum (Min), maximum (Max), mean, range, and standard deviation (SD) values both of on as-received and dry basis are shown in Table 1. The repeatability and maximum coefficient of determination (R_max^2) are also shown in Table 2, which were 0.133% and 0.969, respectively.
MC mc
Table 1 Statistical volatile matter data of bamboo samples used in model development.
while volatile matter on dry basis was calculated as: VM
VM
,
Parameters Test set Max VM (% Total set 68.68 mass on as- Calibration 68.68 eceived) set Validation 68.25 set VM (% Total set 75.60 mass on Calibration dry basis) set 75.60 Validation set 75.39 SD is standard deviation, Max minimum, respectively.
where mc and VM are moisture content and volatile matter obtained from TG profile. MC is moisture content obtained from the ASTM standard. 2.4 Development and analysis of NIR models NIR models were optimized using partial least squares regression by OPUS 7.0 (Bruker, Germany). The entire data set was divided into 80% for calibration and 20% for validation by random sampling. Then, the spectral was pre-treated using no pre-treatment, constant offset elimination, straight line subtraction, vector normalization (SNV), min-max normalization, multiplicative scatter correction (MSC), first derivatives, second derivatives, first derivatives + straight line subtraction, first derivatives + SNV and first derivatives + MSC. After the models were developed, they were tested by the validation set. The best model was selected based on the lowest of RMSEP. Subsequently, the model performance (i.e., R2, RMSEP, RPD and bias) was calculated.
min Mean range 61.02 64.48 7.66
SD 1.71
61.02 64.47
7.66
1.59
61.11 64.54
7.14
2.24
68.96 71.60
6.63
1.64
68.96 71.49
6.63
1.52
69.00 72.09 6.39 2.06 and min are maximum and
is maximum of coefficient of determination (R2) with no error in the spectra or model (Dardenne, 2009). It depends on the accuracy of reference method i.e. man, machine, and method. R
Table 2 Repeatability and R_max^2 of volatile matter. Sample number 1 5 6 14 17 21 Rep R_max^2
Volatile matter of milled bamboo Re1 Re2 Mean Diff 70.42 70.18 70.30 0.24 70.52 70.01 70.27 0.51 70.94 70.46 70.70 0.48 69.26 68.85 69.06 0.41 70.77 70.58 70.68 0.19 69.21 68.93 69.07 0.28 0.757 0.133 0.969
The results of PLS models are shown in Table 3. For volatile matter on as-received, the PLS model was performed with wave numbers in the range of 8454.97498.3, 6102-5770.3 and 4605.4-4242.9 cm-1; pretreatment of straight line subtraction; and PLS factor number of 8. The R2, RMSEP, RPD and bias were 0.874, 0.768%, 2.82 and -0.0454%, respectively. Zornoza et al. 3
(2008) suggested that R2 and RPD are good predictions if 0.81<R2<0.90 and 2.5<RPD<3, while Williams (2007) recommended a guideline that the model could be used with caution for most application if provided with R2 between 0.83-0.90. The scatter plots between the measured and predicted values of the calibration set and prediction set, regression coefficient plots, and X-loading are shown in Figure 3a, 3b, and 3c, respectively. The regression coefficient plot provided important peak at 5770 cm-1 (1733 nm), 4320 cm-1 (2315 nm), 5986 cm-1 (1671 nm), 5824 cm-1 (1717 nm), and 8270 cm-1 (1209 nm). Peak at 1733 nm was related to C-H methyl and ether (Workman and Weyer, 2007), 2314 nm was related to hemicellulose (Osborne and Fearn, 1986), 1671 nm was related to C-H aromatic C-H (aryl) of C-H aryl (Workman and Weyer, 2007). X-loading plots had high height peaks at 4420 cm-1 (2262 nm), 4605 cm-1 (2172 nm), 4397 cm-1 (2274 nm), 4482 cm-1 (2231 nm), and 7498 cm-1 (1334 nm). Peaks at 2260 nm, 2170 nm, and 2275 nm corresponded to hemicellulose (Osborne and Fearn, 1986), C-H stretching and deformation combination of alkenes (Workman and Weyer, 2007), and α-D-glucose (Osborne and Fearn, 1986), respectively. Other peak information is shown in Table 4. For volatile matter on dry basis, the PLS model was optimized with pre-treatment of vector normalization (SNV), wavenumber in a range of 7506-5446.3 cm-1 and PLS factor number of 9. The R2, RMSEP, RPD and bias were 0.889, 0.665%, 3 and 0.000433%, respectively. Zornoza et al. (2008) suggested that the model provided good predictions if 0.81<R2<0.90 and 2.5<RPD<3, and could be used with caution for most applications if provide with R2 between 0.83-0.90 (Williams, 2007). The scatter plots of the measured and predicted values of calibration set and prediction set, regression coefficient plots, and X-loading are shown in Figure 4a, 4b, and 4c, respectively. Important peaks in regression coefficient plots were the wave band of 7275 cm-1 (1375 nm) and 5817 cm-1 (1719 nm), they are related to the vibration of α-D-glucose and C-H stretching first overtone of CH3 asym (Osborne and Fearn, 1986), respectively. For Xloading plots had the high height peaks at 7074 cm-1
(1414 nm), 6333 cm-1 (1579 nm), and 7089 cm-1 (1411 nm). Peak at 1415 nm was related to 2×C-H stretching +C-H deformation of CH2, 1580 nm is related to starch, and 1410 nm is related to O-H stretching first overtone of R-OH (Osborne and Fearn, 1986). Other peak information is shown in Table 5. It can be seen that the influence of the absorption bands arose from the vibration of the bonds in the structures of hemicellulose, alkenes, α-Dglucose, CH2, CH3 and ROH. These bonds were found in the lignocellulosic (hemicellulose, cellulose, and lignin) structure. In this experiment, the samples were heated from 105 to 700ºC and a large amount of mass loss was seen. The major constituents of biomass such as hemicellulose, cellulose, and lignin decomposed at temperature ranges of 150-500ºC, 220-500ºC, and 215700ºC (López-González et al., 2014), respectively. It could be seen that the lignocellulosic substance was related to volatile matter. The PLS model of volatile matter also depended on molecular vibration of hemicellulose, cellulose and lignin. The result was similar to that of Xue et al. (2015) in which the vibration band of C-H stretching (cm-1), C=O stretching (4926 cm-1), C-H stretching (5935 cm-1) affected the prediction of volatile matter for corn stover, and provided R2 of 0.68 and RMSEP of 9.92 g kg-1. 4 Conclusions The result concluded that both models for prediction of volatile matter on as-received and dry basis showed good prediction, and could be used with caution for most application. In addition, the molecular vibration of hemicellulose, cellulose and lignin influenced the prediction of volatile matter. The results can be used as an alternative method to thermogravimetric analysis for evaluation of volatile matter of bamboo chips. It will be beneficial for trading and production system of fast pyrolysis and gasification plants.
4
a)
a)
b)
b)
c) Figure 3 a) Scatter plots of measured and predicted Figure 4 value of calibration and validation set, b) regression coefficient plot, and c) X-loading plot of the model for volatile matter of bamboo chips as-received.
5
c) a) Scatter plots of measured and predicted value of calibration and validation set, b) regression coefficient plot, and c) X-loading plot of the model for volatile matter of bamboo chips in dry basis.
Table 3 Results of the partial least squares regression models for determining the volatile matter of bamboo. Parameter Volatile matter (% mass on asreceived) Volatile matter (% mass on dry basis)
Wavenumber range (cm-1) 8454.9- 7498.3 6102- 5770.3 4605.4- 4242.9
Calibration PLS Factors R2 RMSEE
Pre-processing
7506-5446.3
R2
Validation RMSEP RPD
Bias
Straight line subtraction
8
0.732 0.875 0.874
0.768
2.82
-0.0454
Vector normalization (SNV)
9
0.700 0.897 0.889
0.665
3.00 0.000433
2
RMSEE is root mean square error of estimate, R is coefficient of determination, RMSEP is root mean square error of prediction, and RPD is ratio standard deviation to standard error of validation.
Table 4 The absorption bands with high regression coefficients and the X-loading of the model for the volatile matter on as-received of bamboo chips.
7498
1334
Weyer, 2007) -
2,3
-
Remark: The intensity of the peaks was running in descending order.
Regression coefficient Wavenum Wavelengt Wavelength Bond vibration Structure ber (cm-1) h (nm) (nm) referred from reference C-H methyl, 1733 ether 5770 1733 (Workman and ether associated as Weyer, 2007) R-O-CH3 2314 (Osborne Hemicellul and Fearn, 4320 2315 ose 1986) 1671(Workman C-H aromatic Cand Weyer, 5986 1671 C-H aryl H (aryl) 2007) 1717-1728 C-H stretching (Osborne and CH3 asym 5824 1717 first overtone Fearn, 1986) Hydrocarb 1211 C-H methylene ons, 8270 1209 (Workman and (.CH2) aliphatic Weyer, 2007) X-loading Wavelength(n PLS Wavenum Wavelengt Bond vibration m) referred factor ber (cm-1) h (nm) from reference 2260 (Osborne and Fearn, 4420 2262 2 1986) 2170 C-H stretching 4605 2172 (Workman and 1 and deformation Weyer, 2007) 2275 (Osborne and Fearn, 4397 2274 1 1986) 2230 4482 2231 1 (Workman and
Table 5 The absorption bands with high regression coefficients and the X-loading of the model for the volatile matter of dry basis of bamboo chips. Regression coefficient Bond vibration
Wavenumbe Wavelength Wavelength (nm) r (cm-1) (nm) referred from
7275
1375
5817
1719
5547
1803
6025
1660
6156
1624
7421
1348
7074
1414
6333
1579
7089
1411
6704
1492
5824
1717
5979
1673
reference 1371 (Osborne and Fearn, 1986) 1717-1728 (Osborne and Fearn, 1986) 1660 (Osborne and Fearn, 1986) 1620 (Osborne and Fearn, 1986) X-loading 1415 (Osborne and Fearn, 1986) 1580 (Osborne and Fearn, 1986) 1410 (Osborne and Fearn, 1986) 1492 (Osborne and Fearn, 1986) 1671 (Workman and Weyer, 2007)
Structure
-
Îą-Dglucose
C-H stretching first overtone
CH3 asym
C-H stretching first overtone C-H stretching first overtone -
CisRCH=CHR =CH2
1
2Ă&#x2014;C-H stretching +C-H deformation
1
-
1,2,3
O-H stretching first overtone
3
-
3
C-H aromatic C-H (aryl)
1
Remark: The intensity of the peaks was running in descending order.
6
Oyedun, A.O., Gebreegziabher, T., Hui, C.W. 2013. 5 Acknowledgements Mechanism and modelling of bamboo pyrolysis. Fuel The authors thank the Royal Golden Jubilee PhD Processing Technology 106, 595–604. scholarship (PHD/0070/2557) of Thailand research fund (TRF) for the financial support. We also thank to Near Sritong, C., Kunavongkrit, A., Piumsombun, C. 2012. Bamboo: An Innovative Alternative Raw Material for Infrared Spectroscopy Research Center for Agricultural Biomass Power Plants. International Journal of Product and Food (www.nirsresearch.com) at King Innovation, Management and Technology, Vol. 3, No. Mongkut’s Institute of technology Ladkrabang, Bangkok, 6, December 2012. Thailand, for NIR instrument and acknowledge Karlsruhe Institute of Technology, Institute of Catalysis Research Williams, P. 2007. Near-infrared technology-Getting the best out of light. Nanaimo, British Columbia, and and Technology, Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344 Winnipeg, Manitoba, Canada: PDK Grain. Eggenstein-Leopoldshafen, Germany, for TGA instrument. Workman, J., Weyer, J.R.L. 2007. Practical Guide to 6 References Interpretive Near-Infrared Spectroscopy, Taylor & ASTM E1756-08 standard test method for determination Francis, Boca Raton, FL, pp. 240–262. of total solids in biomass. Xue, J., Yang, Z., Han, L., Liu, Y., Liu, Y., Zhou, C. 2015. OnCEN/TS 15148 solid biofuels - method for the line measurement of proximates and lignocellulose determination of the content of volatile matter. components of corn stover using NIRS. Applied Energy Dardenne, P. 2009. Some considerations about NIR 137, 18-25. spectroscopy: Closing speech at NIR-2009. Zornoza, R., Guerrero, C., Mataix-Solera, J., Scow, K.M, Department of Energy in Thailand, Energy Policy and Arcenegui, V., Mataix-Beneyto, 2008. J. Near infrared Planning Office, Thailand Power Development Plan spectroscopy for determination of various physical, 2015-2036 (PDP2015). 2015. Available at: chemical and biochemical properties in Mediterhttp://www2.eppo.go.th/power/PDP2015/PDP2015_En ranean soils. Soil Biol Biochem 40(7), 1923–1930. g.pdf. DIN EN 15148 Solid fuels-Determination of the content of volatile matter. García, R., Pizarro, C., Lavín, A.G., Bueno, J.L. 2013. Biomass proximate analysis using thermogravimetry. Bioresource Technology 139, 1–4. Karatepe, N., Kűçűkbayrak, S. 1993. Proximate analysis of some Turkish lignites by thermogravimetry. Thermochimical Acta 213, 147-150. López-González, D., Fernandez-Lopez, M., Valverde, J.L., Sanchez-Silva, L. 2014. Gasification of lignocellulosic biomass char obtained from pyrolysis: Kinetic and evolved gas analyses. Energy 71, 456-467. Osborne, B.G., Fearn, T. 1986. Near Infrared Spectroscopy in Food Analysis. Longman Science & Technical, London.
7
EE-02
Effects of Operating Conditions and Fuel Properties on Combustion Efficiency and Emission Performance of A Swirling Fluidized-bed Combustor Firing Leucaena leucocephala Janya Vechpanich1*, Prasan Choompjaihan1 1
Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok, 10520, Thailand. Corresponding author: Janya Vechpanich. E-mail: kwang_janya@hotmail.com
Abstract This research was aimed to study the effect of operating conditions on emission and combustion efficiency in swirling fluidized-bed combustor (SFBC). Leucaena leucocephala was shredded and sized into one size (df =5.0 mm) for using as fuel in the tests. Quartz sand of 600-850 Îźm and static bed height of 20 cm was used as inert bed material. For all of the tests, the feed rate was fixed at 45 kg/hr for variable excess air (of 20, 40, 60 and 80%), using an annular spiral air distributor as the swirl generator. Axial temperature, CO and NO concentrations inside the combustor and the emission at cyclone outlet were investigated. As the experimental results, the temperature profiles in SFBC were obviously seen deviate when tested with higher excess air. In all tests run, CO and NO emissions were two in quite stable level (less than 400 and 200 ppm, respectively). The combustion efficiency more than 95% could be achieved in this work Keywords: Leucaena leucocephala, Swirling, Fluidized-bed, Combustion efficiency
emission at a reasonable level (below 400 ppm). In this device, a swirling fluidized-bed is generated by primary air introduced into the bed through an annular spiral air distributor, while rotational gas-solid flow in the combustor freeboard is sustained by secondary air injected tangentially into the bed splash zone. High combustion efficiency at rather low major emissions is ensured in this swirling fluidized-bed combustor firing rice husk over wide ranges of fuel properties and operating condition [8]. This work was aimed at studying the combustion of Leucaena leucocephala in the swirling fluidized-bed combustor using quartz sand as the bed material to prevent bed agglomeration. Effect of excess air (a key operating parameter of the combustor) on the behavior of major gaseous pollutants (CO and NO) in different regions inside the combustor was the focus of experimental tests.
1 Introduction Development of alternative renewable energy continues to grow in recent times because of the fear of energy insecurity in the near future and environmental cumsociopolitical issues associated with the use of fossil fuels. Biomasses in term of agricultural resources supply energy in two forms from energy crops and residue of crops. So, a fast growing energy crops are needed which can mitigate the current energy crisis having less impact on environmental pollution. In such case, Leucaena leucocephala can be a crucial plant as it is one of the most fast growing, production and versatile multipurpose tree which can be grow in wide range of soil and tolerate drought [1]. Among a variety of combustion technologies, fludized-bed combustion has proven suitable for burning alternative solid fuel, due to its efficiency in converting fuels to clean energy, fuel flexibility, and clean operation [2-5]. Recently, two novel combustion techniques ensuring fuel oxidation in a strongly swirled flow (a vortex combustor and a cyclonic fluidized-bed combustor) have been studied for firing biomass [6-7]. Under optimum operating conditions, high (>99%) combustion efficiency is achievable in these two reactors, while controlling CO
2 Materials and Methods 2.1 Material Leucaena leucocephala, which were pulverized until the individual particles of it were much greater in size
8
particulate matters (char, ash and carryover sand particles) from the flue gas leaving the combustor.
(df=5 mm) and reduced the moisture (10-15% moisture content) The collected samples were analyzed to determine their proximate and ultimate analysis. The parameters to be analyzed according to ASTM standard were moisture (ASTM D 3173), ash content (ASTM D 3174), volatile matter (ASTM D 3175), fixed carbon (ASTM D 3176), total sulphur content (ASTM D 3177), and thermal value (ASTM D 3286) [9-11]. 2.2 Experimental TGA The pulverized samples were subjected for thermogravimetric analysis. The combustion characteristic of biomass was performed in the thermogravimetric analyzer in a room temperature of 25°C and the thermogravimetric (TG) profile and differential thermogravimetric (DTG) profile were analyzed using Proteus 6.0.0. At the heating rate of 10°Cmin-1, the temperature of furnace was increased from 30°C to 900°C an air flux (O2) of 20 mLmin-1. The mass of the sample was monitored continuously as a function of temperature and time. 2.3 Experimental set-up Fig.1 shows schematic diagram of experimental set-up of the swirling fluidized-bed combustor. The combustor was made from 4.5-mm-thick steel covered internally with 50-mm-thick refractory cement. A combustor body consisted of two part, a conical section with a 40° cone angle, 1 m height and 0.25 m diameter at the bottom base, and a cylindrical section with 2.5 m height and 0.9 m inner diameter. An annular spiral distributor for the combustor was made of stainless steel and had the same geometrical characteristics as those of the swirl generator in the ‘cold’ model. Quartz sand of 0.6-0.8 mm size and 20-cm static bed height was used as the inert bed material. To stabilize the swirl motion of the gas-solid bed, a steel cone with 80-mm diameters at its lower base was fixed on the top of the air distributor, as shown in Fig.1 A screw-type feeder delivered biomass over the bed at a 0.6 m level above the air distributor, which a 25-hp blower supplied primary air into the combustor through the distributor. An external cyclone at the top of the SFBC served for separation of
Figure1. Schematics of the experimental set-up with a laboratory-scale conical SFBC [12] 2.4 Experimental procedures The concentrations of major gaseous pollutants (CO and NO) in flue gas were measured in the experimental tests along the combustor height above the air distributor when firing the selected biomass fuels. In addition, concentrations as well as temperatures were detected along the combustor height and in the flue gas at the cyclone outlet (see Fig.1.) For each test run, the value of excess air in the flue gas was determined using the O2 and CO concentrations at the cyclone outlet. For measuring the gas concentrations (CO, NO, and O2) and temperature, the Testo-350XL was employed. They were measured along axial directions in the conical SFBC, as well as at the exit of an ash-collecting cyclone downstream from the combustor. The relative measurement errors were of 0.5% for the temperature, 5% for CO ranged from 100-2000 ppm, 10% for higher than 2000 ppm, 5% for NO and 0.2% for O2. Chromelalumel thermocouples were fixed at difference levels along the combustor height and at the cyclone outlet to monitor the temperatures (in relative error of about 1%) in the flue gas. Percent excess air (EA) was selected to be an independent variable in this work, while the fuel feed rate (FR) was adjusted at a constant value, of 45 kg/h, in
9
all the test runs. The detail investigations, of the axial profiles in the conical SFBC were carried out for four values of excess air, of about 20, 40, 60, and 80%, which (at fixed value of secondary air: SA) were ensured by corresponding percent of primary air (PA). For these four test series, CO, NO and O2 concentrations were also recoded in dry flue gas at the cyclone outlet with the aim to characterize emission performance of the combustor. In addition, fly ash was sampled at cyclone exit to determine unburned carbon in the ash, which together with CO emission was used to quantify the combustion efficiency. 3 Results and Discussion 3.1 Proximate analysis and the ultimate analysis The results of the ultimate analyses and the low heating value (LHV) are provided in table 1. The Leucaena leucocephala exhibited the quite highest C content, and the highest LHV. Table 1 also shows that Leucaena leucocephala has 0.26% sulfur content. As expected, the sulfur content in the biomass is lower than 0.4%, which indicates these materials should be treated with great caution, due to the emission of pollutant gas (SOx) and corrosion problems of the equipment. Among the biomass samples in this study, only the N content is higher than 0.9%, therefor its contribution to NOx emission from combustion processes will be higher than the contribution of the others. This is an important issue to be considered because the NOx formation depends on both fuel and thermal conditions. Thermal NOx has significance at temperature above 1540°C [13]. In fluidized beds, the combustion occurs at temperature between 850°C and 950°C, consequently, the thermal NOx production is not significant in these combustion processes. However, Qian et al. [14] reported results of high nitrogen content biomass emission in pilot scale vortexing fluidized bed combustor and concluded that there is no obvious relation between NO emission and fuel-N content. They speculated that the chemical structure of the fuel may be an important factor that should also be evaluated.
Table 1 Proximate analysis and the ultimate analysis of Leucaena leucocephala Ultimate
Analysis (wt% as-received basis)
Proximate LHV(kJ/kg)
Leucaena leucocephala C H O N S
44.18 6.37 42.25 2.01 0.26
W A
6.96 4.93 17,000
3.2 TGA of Leucaena leucocephala The combustion mechanisms of Leucaena leucocephala can be explained according to thermogravimetric (TG) and the first derivative of TG (rate of weight-change, DTG) curves, which represent the combustion characteristics of the fuel, as shown in Fig. 2.; these results is clear that the devolatilization of Leucaena leucocephala started at around 200-400°C, volatile and char combustion took place at around 400800°C, and at around 800°C, no further changes in weight were observed, implying that devolatilization and combustion of biomass with high volatile matter content, such as Leucaena leucocephala, occurred instantaneously with feeding into the combustor and exposure to high combustor temperature (more than 1000°C).
Figure 2 TG and DTG profiles of Leucaena leucocephala
10
3.3 Axial temperature and gas concentration profiles in the SFBC The axial temperature and concentration profiles in the SFBC of Leucaena leucocephala was burned in SFBC are shown in Fig. 3(a). Leucaena leucocephala has four value of excess air, of 20, 40, 60, and 80%. As seen in Fig. 3 (a), the profiles were rater uniform. All the temperature profiles showed small negative gradient in the bed region due to the influence of the secondary air. However, for the applied operating condition, the profiles showed quite similar axial gradients at any fixed point on the centerline. The bed temperature was found to decrease by about 80°C, when excess air increased from 20-80%. In distinct test runs, the axial temperature maximum was found at nearly the same level 3.2 m above the air distributor, despite the axial velocity component varied with variation of EA. The maximum temperature was rather high, ranging from 1100 and 800 °C, when excess air varied from20 and 80%. As can be seen in Fig.3 (b), the axial concentrations were noticeably influenced by the operating condition, particularly, in the bed region. Because of the elevated temperature and the air deficiency in the bed, the effects of secondary air were stronger when testing the combustor at EA=20% compared to those for other test runs. However, at level more than 2.9 m, the regaining of the concentration (due to air staging) occurred quite rapidly 3.4 Emission prifiles in the SFBC Fig. 4 depicts the axial CO (Fig.4a) and NO (Fig. 5b) concentration profiles in the conical SFBC for the same operating condition, as Fig. 3. Due to the high volatile matter and small amount of ash in cofiring, the fuel devolatilization occurred primarily in the swirling fluidized bed. However, responding to the secondary air injection, CO concentration along the combustor axis reduced at significant rate in the region of Z=0.5-1.2 m, mainly, via their homogeneous reactions with O2. The increase of EA resulted in the lower peak of CO occurring in the bed region, due to enhancing of the secondary (CO oxidation) reaction. The axial NO concentration profiles revealed three specific regions along the combustor height. In the
first region, below the level of Z=0.5 m (including the dense bed and splash zones), NO was basically formed from volatile-NH3, a major precursor of NO formation in biomass combustion [15]. In the second region, of Z=0.21.2 m, the chemical reactions responsible for NO decomposition, such as catalytic reduction of NO by CO (on chars surface) and also reaction of NO with NH3 at oxygen deficiency, prevailed the NO formation, which resulted in reduction of NO. At levels higher than 1.2 m (the third region), the diminishing of NO concentration occurred at a quite low rate compared to that in the second region, likely, due to the lowered CO in the freeboard region 3.5 Combustion Efficency in the conical SFBC As shown by analysis of fly ash (collected at the cyclone) for unburned carbon, this conical SFBC secures quite high fuel-burnout rate. Depending in excess air, the unburned carbon content in the fly ash was in the range from 3-13%, the minimum being found for EA=80%. Table 2 shows the combustion heat losses and combustion efficiency (all as percent LHV) for the four EA values. As seen in Table 2, high combustion efficiency, 96.33% could be achieved when cofiring in this combustor at EA =80% 4 Conclusions The Leucaena leucocephala can be effectively utilized through burning in a conical swirling fluidized bed combustor. But this paper has more effectively when biomass is cofiring. This innovative combustion technique has been successfully tested for 45kg/h cofiring at different values of excess air of 20-80%. The specific conclusions derived from this study are as follow: - The combustion profile can be categorized into four stages: moisture removal (110°C); devolatilization (200400°C); char combustion (400-800°C) and residue decomposition (800°C). - Low heating value (LHV) was found to be 17 MJ/kg hence it was mixed with rice husk. - CO and NO were found to be reducing significantly, resulting in quite low CO and NO emission from the 11
reactor within 300-400 ppm and 100-200 ppm respectively. - High combustion efficiency, 96.33%, is achievable when burning the cofiring in the proposed SFBC at 50 kg/h feed rate and excess air of 80%. 5 Acknowledgements The authors wish to acknowledge sincerely the financial support from Faculty of Engineering, King Mongkut's Institute of technology Ladkrabang (KMITL), Thailand.
(a)
(a)
(b) Figure 4. Effects of excess air on the axial CO (a) and NO (b) concentration profiles in the conical SFBC cofiring 55 kg/h Table 2 Heat losses and combustion efficiency (%) of the conical SFBC cofiring 55 kg/h at difference values of percent excess air
(b) Figure3. Axial temperature (a) and concentration (b) profiles in the SFBC cofiring 45 kg/h at different values of excess air.
%EA 20 40 60 80
UC 8.91 5.88 13.06 3.42
quc 10.025 6.400 15.400 3.630
CO 181.8 150.8 119.0 67.4
qic 0.06229 0.06567 0.05188 0.04170
ŋเฉลี่ย 89.91 93.53 84.55 96.33
6 References Amrit, S., Wanphut, S., and Panmanus, S. 2015. Some Physical and Combustion Characteristic of Leucaena leucocephala Pellet. Proceeding of the 8th TSAE International Conference: Agricultural and Food Engineering Outlook on Sustainable Future, 127-132. 17-19 March 2015.Bangkok Thailand.
12
Natarajan, E., and Nordin, A. 1998. Overview of combustion and gasification of rice husk in fluidized bed reactor, Biomass Bioenergy 14, 533-546. Anthony, E.J. 1995. Fluidized bed combustion of alternative solid fuels: status, success and problems of technology, Prog. Energy Combust. Sci 21, 239-268. Fabriozio, S., and Riccardo, C. 2004. Fluidized bed combustion of alternative solid fuels: Exp. Therm, Fluid Sci 28, 691-699. Armesto, L., Bahillo, A., Veijonen, K., and Cabanillas, A. 2002. Combustion behavior of rice husk in a bubbling fluidized bed, Biomass Bioenergy 23, 171179. Eaimsa-ard S, Kaewkohkiet Y, Thianpong C, Promvonge P. 2008. Combustion behavior in a dual-staging vortex rice husk combustor with snail entry. Int. Commum. Heat Mass Transfer 35, 1134-1140. Madhiyanon T, Lapirattanakun A, Sathitruangsuk P, Soponronnarit S. 2006. A novel cyclonic fluidizedbed combustor (CFBC): Combustion anf thermal efficiency, temperature distribution, combustion intensity, and emission of pollutants. Combust. Fame 146, 232-245. Kuprianov VI, Kaewklum R, Sirisomboon K, Arromdee P, Chakritthakul S. 2010. Combustion and emission characteristics f a swirling fluidized-bed combustor burning moisturized rice husk. Appl. Energy 8, 28992906. Thakunmahachai, B.1993. Production of Activated Carbon from Palmyra Palm Shell in Fluidized Bed, M.Sc. graduate school Chulalongkorn University. Ackerman, F., and Fermandes de Almeida, P.E., Iron and charcoal: The industrial fuelwood crisis in Minas Gerais, Energy policy, 1990. Antal, M.J., and Gronl, M. 2003. The art, science and technology of charcoal production, Industrial and Engineering Chemistry Research 42, 1619-1640.
Kaewklum R, Kuprianov VI. 2010. Experimental studies on a noval swirling fluidized-bed combustor using an annular spiral air distributor. Fuel 89, 43-52. Basu, P. 2006. Combustion and Gasification in Fluidized beds, Taylor and Francis Group, 473. Qian, F.P., Chyang, C.S., Huang, K.S., and Tso, J. 2011. Combustion and NO emission of high nitrogen content biomass in a pilot-scale vortexing fluidized bed combustor, Technol 102, 1892-1898. Werther, J., Saenger, M., and Siagi, Z. 2000. Combustion of agricultural residues, Progress in Energy and Combustion Science 26, 1-27
13
Assessment of Biomass Residues Potential from Plantation Areas in Southern Thailand Using GIS
EE-03
Pattaraanong KONGCHOUY1*, Warunee TIA1, Adisak NATHAKARANAKULE2 and Somchart SOPONRONNARIT2 1
Division of Energy Management Technology, School of Energy, Environment and Materials, King Mongkut’s University of Technology Thonburi. 2 Division of Energy Technology, School of Energy, Environment and Materials, King Mongkut’s University of Technology Thonburi
Abstract Most of biomass power generation in Thailand is generated from agro-industrial wastes such as bagasse and rice husk. To achieve the target of Thailand's Alternative Energy Development Plan (AEDP: 2015-2036) for biomass power generation, this study assessed the potential of biomass residues from plantation areas in southern Thailand using geographic information system (GIS). The data of agricultural land use in southern Thailand and the rates of residues produced from crops were analyzed to identify the energy potential of biomass residues in term of types, quantities and mapping. The results found that 25.08 million rais or 95% of total plantation area in the southern Thailand is used for planting para-rubber, oil palm, rice, coconut, coffee, rambutan, and mangosteen. Three types of biomass residues were estimated: (a) oil palm and coconut fronds; (b) biomass from pruning of para-rubber, coffee, rambutan, and mangosteen trees; and (c) straw from rice field. Total energy potential of overall unused crop residues in southern Thailand was 2,900.32 ktoe/y, which was mainly contributed from oil palm fronds (2,127.86 ktoe/y). The results of energy potential mapping showed that the areas with high energy intensity of annual crop residues were Krabi, Chumphon and Surat Thani provinces. Keywords: Biomass residues, Plantation areas, Geographic information system (GIS)
1 Introduction Thailand’s energy supply in 2015 still depended on fossil fuel of which nearly 60% had to be imported (DEDE, 2015). To improve the energy security and reduce CO2 emission, Thai government has proposed the Alternative Energy Development plan (AEDP 2015) for increasing the renewable energy consumption. Biomass has high potential for using as renewable energy source, which had been targeted for generating 5570 MW electric power and 22,100 ktoe of heat in 2036 (Land Development Department, 2016). At present, agroindustrial residues have been utilized as fuel for both heating and electricity generation. Based on the land use database, Thailand has the agricultural area of 168,878,255 rais or 52.66% of the total land area (Ministry of Agriculture and Cooperatives of Thailand, 2015). Therefore, biomass from residues of agricultural crop should be considered to increase the potential sources for energy production. According to the distribution of crop residues over large geographical
areas, thus the geography information system (GIS) has been widely used in many studies to identify the location and assess their potential (Abolina et al., 2015; Fernandes and Costa, 2010). Furthermore, GIS can be applied for supporting the regional forest management to assess the available biomass production (Zambelli et al., 2012) and assessing the other renewable energy resource potential (Sánchez-Lozano et al., 2016; Cavazzi and Dutton, 2016; Hoesen and Letendre, 2010; Byrne et al., 2007). The previous researches on the potential assessment of crop residues in Thailand had been focused only on some specific crop residues such as rice straw (Gadde et al., 2009) and biomass residues from the five economic crops (rice, sugarcane, corn, potato, and oil palm) (Khidhathong et al., 2014). All types of agricultural crop residues based on regional agricultural area, however, were not yet well and detailed assessed. Thus, this study aimed to assess the biomass residues potential in term of types, quantities, seasonal availability (monthly yield) and
14
mapping based on the plantation areas in southern 2.2 Assessment of unused agricultural crop residues potential Thailand using GIS. Plantation areas of seven crops were determined 2 Materials and Methods based on the data of Land Development Department. The procedure used in this study was divided into 2 main parts: 1) assessment of unused agricultural crop residues potential; and 2) Spatial distribution of agricultural crop residues. 2.1 Characteristics of the study area Southern Thailand has a total area of 44,196,992 rais of which consists of 14 provinces, namely Krabi, Chumphon, Trang, Narathiwat, Nakhon Si Thammarat, Pattani, Phang Nga, Phatthalung, Phuket, Yala, Ranong, Songkhla, Satun and Surat Thani as shown in Figure 1. According to the data of land utilization from Land Development Department, about 60% of total land area or 26,404,282 rais is used for agriculture, 95% of which grows para-rubber (62.7%), oil plam (16.6%), rice (8.1%), coconut (4.5%), coffee (1.7%), rambutan (1.4%), and Figure 2 Plantation areas of seven crops in 14 provinces mangosteen (0.1%). Thus, the plantation areas of these of southern Thailand. seven crops were used as study area for assessing Types, yield and low heating value of these seven crop potential of biomass crop residues in southern Thailand. residues were identified by using the available data from Figure 2 showed the plantation of the seven crops in literature and field surveys as shown in Table 1. In order each province, all of which was planted oil palm and to estimate the overall potential of agricultural crop para-rubber tree. Surat Thani had the highest plantation residues in each province and southern Thailand, the area, which was mostly used for para rubber and oil yields and low heating value of agricultural crop residues palm plantation. in Table 1 were converted to the same moisture content of 33% w.b., which can be normally used as fuel in biomass power plant (Tangmonotieanchai, 2014). Then the potential of agricultural crop residues of each province was estimated using the following equations: BR
E
Figure 1 Map of southern Thailand.
PA ,
PA ,
Y
Y
UF 100 UF 100
(1) LHV
(2)
where BRj was crop residues potential of province j (ton/y), PAi,j was plantation areas (rais) of crop i in province j, Yi was residue yield of crop i (ton/rai), and UFi was unused residue factor of crop i (%), Ej was energy potential of crop residues of province j (MJ/y) and LHVi
15
was low heating value of crop residue i at moisture content of 33% w.b. The assessment of the availability of agricultural crop residues was conducted based on three scenarios of the unused percentage, namely a) 100%, b) 75% and c) 50%. In addition, seasonal crop residues were also estimated in term of monthly yields. Table 1 Data of agricultural crop residues Economic plant
a
Oil palm Pararubber Coconut Rice Coffee Rambutan
Crop Residue type Frond Branch Frond Straw Branch Branch
Number Residue of trees Yield per rai (ton/rai/y) (trees/rai) 22a 1.900a b 70 1.750b 22a N/A 50b 25b
1.160a 0.525d 0.243b 0.425b
Moisture content (% w.b.)
LHV (MJ/kg)
33.3a 55.0c
11.11a 6.57c
33.3a 10.0d 55.0e 55.0e
11.25a 12.33d 6.57e 6.57e
Source: (Tangmanotieanchai, 2014). The data was collected from field survey and the amount of residue yield had been adjusted based on 55.0%w.b. c Source: (Department of Alternative Energy Development and Efficiency, 2012). d Source: (Department of Alternative Energy Development and Efficiency, 2011) e Moisture content and low heating value of coffee, rambutan and mangosteen branch were assumed to be the same as pararubber branch. b
2.3 Spatial distribution of agricultural crop residues Spatial availability of crop residues was done using GIS. Two digital maps at 1:50,000 scale from Land Development Department, which were topographic map and plantation area map of 7 crop types (para-rubber, oil plam, rice, coconut, coffee, rambutan, and mangosteen), were overlayed to identify the shapefiles and plantation areas, and the results were then mapped with the assessment results of available crop residues in each province in southern Thailand.
3 Results and Discussions 3.1 Agricultural crop residues potential The results of agricultural crop residues potential in southern Thailand was shown in Table 2. It showed that oil palm frond had the highest residue yield even through its plantation area was less than para rubber, because it had to be cut two fronds per tree every two weeks during harvesting oil palm fruit (Tangmanotieanchai, 2014). While the branches of para rubber, coffee, rambutan and mangosteen were come from tree pruning. However, the monthly yield of coconut frond and para rubber branch was also obtained. According to the harvest season of rice crop, rice straw was available during February to May and October to November. Pruning brunch of coffee, rambutan and mangosteen trees were done in January, February, June, July and August. Based on the 100%, 75% and 50% of unused crop residues, the total crop residues in the southern region was 11.34, 8.71 and 5.67 million tons per year, respectively. Table 3 showed the energy potential of agricultural crop residues among which oil palm frond was ranked the highest. The total energy potential based on 3 scenarios of unused residues were 2,900.32, 2,213.60 and 1,450.65 ktoe/y in scenario a, b and c, respectively. According to the field survey in the southern region, most of the crop residues were still unused, thus it had potential to be utilized as renewable energy source. The estimated results of crop residues (at 100% of unused) and energy potential of each province was shown in Figure 3 and Figure 4, respectively, of which Surat Thani had the highest potential of 2.57 Mt/y or 675.82 ktoe/y. About 74% of total potential was in the provinces of Surat Thani, Chumpon, Krabi and Nakhon Si Thammarat, which are the contiguous areas. Figure 5 showed the monthly energy potential of the scenario of 100% unused residues in the southern region, which had the highest potential in June and July. The variation of total energy potential was in the range of 188.62 - 232.46 ktoe/month
16
Table 2 Crop residues potential (at moisture content of 33.33% w.b.) in southern Thailand at various unused factor. Unused (%) 100 75 50
Oil palm frond (t/y) 8,087,004 6,065,253 4,043,502
Para-rubber branch (t/y) 233,042 182,617 116,521
Coconut frond (t/y) 1,369,687 1,083,923 684,844
Rice straw (t/y) 1,449,276 1,201,329 724,638
Rambutan branch (t/y) 95,077 85,944 47,539
Coffee branch(t/y) 88,187 66,214 44,094
Mangosteen branch(t/y) 20,482 20,246 10,241
Total (t/y) 11,342,755 8,705,526 5,671,378
Table 3 Energy potential from agricultural crop residues in the southern Thailand at various unused factor. Unused (%) 100 75 50
Oil palm frond (ktoe/y) 2,127.86 1,595.89 1,063.93
Para-rubber branch (ktoe/y) 60.10 45.08 30.05
Coconut frond (ktoe/y) 364.97 288.82 182.98
Rice straw (ktoe/y)
Figure 3 Potential of unused crop residues (100% scenario) in 14 provinces of southern Thailand.
294.87 244.42 147.43
Rambutan branch (ktoe/y) 24.52 18.39 12.26
Coffee branch (ktoe/y) 22.72 17.04 11.36
Mangosteen branch (ktoe/y) 5.28 3.96 2.64
Total (ktoe/y) 2900.32 2213.60 1450.65
Figure 5 Monthly energy potential of unused crop residues (100% scenario) in southern Thailand. 3.2 Spatial distribution of agricultural crop residues The result of mapping crop residues (in term of energy density) with agricultural maps for 14 provinces of southern Thailand was shown in Figure 6. The area of which high energy intensity of annual crop residues located in Krabi (0.307 toe/rai/y), Chumporn (0.256 toe/rai/y) and Surat Thani (0.144 toe/rai/y).
Figure 4 Energy potential of unused crop residues (100% scenario) in 14 provinces of southern Thailand. 17
Figure 6 Distribution map of available crop residue in southern Thailand. 4 Conclusions Based on the scenario of 100%, 75% and 50% of unused crop residues, the total potential of agricultural crop residues from 95% of plantation areas in southern Thailand were 11.34 (or 2,900.32 ktoe/y), 8.71 (or 2,213.60 ktoe/y) and 5.67 million ton per year (or 1,450.65 ktoe/y), respectively. The oil palm frond ranked the highest potential (about 82% of the total) among the studied crop residues. Surat Thani had the highest monthly potential of 2.57 Mt/y or 675.82 ktoe/y. About 74% of total potential was located in the provinces of Surat Thani, Chumpon, Krabi and Nakhon Si Thammarat. In addition, Krabi, Chumpon and Surat Thani province, which are contiguous area, had also the high energy intensity of annual crop residues. 5 Acknowledgements The authors would like to acknowledge Department of Land Development for providing the digital maps and also the farm owners for facilitating the field survey. Financial support provided by The Thailand Research Fund is gratefully acknowledged.
6 References Abolina, E., Volk, T.A., Lasdina, D. 2015. GIS based agricultural land availability assessment for the establishment of short rotation woody crops in Latvia. Biomass and Bioenergy 72, 263-272. Byrne, J., Zhou, B.S., Hughes, K. 2007. Evaluation the potential of small-scal renewable energy options to meet rural livelihoods needs: A GIS- and lifecycle cost-based assessment of Western Chinaâ&#x20AC;&#x2122;s options, Energy Policy 35, 4391-4401. Cavazzi, S., Dutton, A.G. 2016. An Offshore Wind Energy Geographic Information system (OWE-GIS) for assessment of the UKâ&#x20AC;&#x2122;s offshore wind energy potential. Renewable Energy 87, 212-228. Department of Alternative Energy Development and Efficiency (DEDE). 2015. Energy Balance of Thailand 2015(preliminary). Available at: http://www.dede.go.th/download/state_59/Energy%20Balance%20of%20Thai land2015.pdf. Accessed on 10 July 2016. Gadde, B., Menke, C., Wassmann, R. 2009. Rice straw as a renewable energy source in India, Thailand, and the Philippines: Overall potential and limitations for energy contribution and greenhouse gas mitigation. Biomass and Bioenergy 33, 1532-1546. Hoesen, J.V., Letendre, S. 2010. Evaluating potential renewable energy resources in Poulney, Vermont: A GIS- based approach to supporting rural community energy planning. Renewable Energy 35, 2114-2122. Land Development Department. 2016. Geographic Information System. Available at: http://www.ldd.go. /web_OLP/result/thailand49_50s.pdf. Accessed on 20 July 2016. Khidhathong, P., Wangjiranrian, W., Suriyawong, A. 2014. A study on spatial potential of biomass for electricity generation. Journal of Energy Research. 11 (JanuaryJune), p. 63-76. Ministry of Energy. 2015. Alternative Energy Development Plan: AEDP2015. Available at: http://www.eppo.go.th/images/POLICY/ENG/AEDP2015ENG.pdf. Accessed on 20 July 2016.
18
Sanchez-Lozano, J.M., Garcia-Casxles, M.S., Lamata, M.T. 2016. GIS-based onshore wind fram site selection using Fuzzy Multi-Criterria Decision Marking methods.Evaluation the case of Southern Spain. Applied Energy 171, 86-102. Tangmanotieanchai, S., Tai, W., Soponronnarit, S. 2014. Feasibility Study of Using Oil Palm and Coconut Fronds for Electricity Generation.Journal of Research and Development King Mongkutâ&#x20AC;&#x2122;s University of Technology Thonburi 37, 199-213. Zambelli, P., Lora, C., Spinelli, R., Tattoni, C., Vitti, A., Zatelli, P. 2012. A GIS decision support system for regional forest management to assess biomass availability for renewable energy production. Environmental Modelling & Software 38, 203-213.
19
EE-04
GIS-BASED Assessment of Fast-Growing Tree for Biomass Power Generation in Thailand’s Unsuitable Area for Planting Economic Crops Thanarat PRATUMWAN1*, Warunee TIA1, Somchart SOPONRONNARIT2 and Adisak NATHAKARANAKULE2 1
Division of Energy Management Technology, School of Energy, Environment and Materials, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Bangmod, Toongkru, Bangkok, 10140, Thailand. 2 Division of Energy Technology, School of Energy, Environment and Materials, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Bangmod, Toongkru, Bangkok, 10140, Thailand. Corresponding author: Thanarat PRATUMWAN. E-mail: thanarat.p@mail.kmutt.ac.th
Abstract In order to decrease the carbon dioxide emission from power generation, the Thailand’s Alternative Energy Development Plan (AEDP: 2015-2036) has targeted to generate the power of 5,570 MW from biomass. This paper assessed the potential of power generation from fast-growing tree species (Acacia auriculiformis) using geographic information system (GIS). To avoid negative impact on food security, the unsuitable area for planting the major economic crops excluding forest and irrigated area (UEC-FI area) were considered as the plantation area for this fast-growing tree. In addition, the UEC-FI area that located in the agricultural land reform zone (UECFI-ALR area), which is managed by government, was also assessed. Using GIS, plantation data of Acacia auriculiformis and Thailand’s maps of unsuitable zones for planting the six economic crops (rice, tapioca, sugar cane, maize, rubber and oil palm), agricultural land reform areas, soil series, isohyet, forest protected and irrigated areas were analyzed. The results found that the UEC-FI area of 12,527,600 rais (2.09 million hectares), of which is the UEC-FI-ALR area of 4,835,085 rais (0.81 million hectares), can be utilized for planting the fast-growing trees; and the potential of biomass yield were found to be 41.75 Mt/y for UEC-FI areas and 16.11 Mt/y for UECFI-ALR areas. Based on the direct-fired biomass electricity generating system with overall efficiency of 18% and 21%, the estimated biomass production from UEC-FI area could be used to generate the electricity of 18,895 GWh/y and 22,045 GWh/y with capacity about 2.87 GW and 3.35 GW, respectively; and the electricity of 7,292 GWh/y and 8,508 GWh/y with capacity about 1.11 GW and 1.29 GW, respectively, could be generated using the estimated biomass from UEC-FI-ALR area. Keywords: Biomass power generation, fast-growing tree, geographic information system (GIS), Acacia auriculiformis
1 Introduction The largest share of global energy-related CO2 emissions comes from power generation sector (IEA, 2015). Thus, many countries, which are fossil fuel-based electricity generation, had targeted an increasing share of renewable energy in their power generation (REN21, 2015). About 87% of total generated electricity in Thailand in 2015 (DEDE, 2015) was from fossil fuels. These fossil fuel-based power plants, therefore, are main contribution of country’s CO2 emission. In Thialand biomass has high potential as renewable energy sources for power generation, thus the government has set a target of 5,570 MW installed capacity of biomass power generation in the Thailand’s Alternative Energy Development
Plan (AEDP: 2015-2036) (Ministry of Energy, 2015). At present, major biomass source that used for electricity generation is agro-industrial biomass residues (DEDE, 2015). To increase the electricity generation potential, the other biomass sources such as the energy crop and agricultural crop residues should be considered. However, the agricultural crop residues are not widely used because they are low energy density and dispersed source which causes the problems in handling, transport and storage. Therefore, the fast-growing tree species for a short rotation high-density energy plantation should be studied to offer as an additional biomass feedstock. Various fast-growing tree species had been tested in plantation field to evaluate the biomass production
20
under varieties of planting conditions (Aravanpoulos, 2010; Chand and Singh, 2003; Junior et al., 2016; Haruthaithanasan et al., 2010). According to the competition of agricultural land usage between food and energy crop, therefore, the land usage for the energy plantation had been suggested to be cultivated on poor agricultural potential or degraded land such as the agricultural land contaminated with cadimium (Schreurs, et al., 2011). The study of electricity generation potential from energy cultivation in Thailand had been conducted by utilizing the degraded land (Haruthaithanasan et al., 2014) and unsuitable areas for planting the main six economic crops (Pratumwan et al., 2015). The degraded land in severe and critical level of agricultural land reform area without irrigation system for planting the five fast-growing tree species, excluding the area of six economic crops (Rice, Corn, Sugarcane, Cassava, Para-rubber tree and Oil palm), had only 4.4 million rais which could be generated the total power capacity of 2,283.8 MW (Haruthaithanasan et al., 2014). While the unsuitable areas for planting the main six economic crops (namely rice, tapioca, sugar cane, maize, rubber and oil palm), excluding the irrigation system and forest areas, were assessed for planting the Napier grass, which had the total installed capacity potential of 1,108 MW and was lower than AEDP target (Pratumwan et al., 2015). Geographic Information System (GIS) has utilized for assessing the potential of electricity generation from fast growing plant such as the evaluation of power generation potential from fast growing tree plantation on degraded land in Thailand (Haruthaithanasan et al., 2014) and the assessment of electricity generation potential from Napier grass plantation on unsuitable areas for planting the main six economic crops in Thailand (Pratumwan et al., 2015) To increase the biomass power generation potential, this study was to assess the power generation potential of planting the fast-growing tree on the unsuitable area for planting the mian six economic crops using geographic information system (GIS). Acacia auriculiformis is a multipurpose drought-tolerant tree that is well-known as
fast growing tree for energy plantation in Thailand. It can tolerant to different soil conditions and water supply. In addition, plantation of Acacia auriculiformis in degraded land can improve soil physio-chemical properties as well (Haruthaithanasan et al., 2010). Thus, Acacia auriculiformis tree was choosen as the fast-growing tree specie in this study. 2 Materials and Methods The potential of power generation from Acacia auriculiformis was assessed using GIS-based approach. The assessment procedure had divided into 3 steps as shown in Fig.1. Step 1: Identification of plantation areas for Acacia auriculiformis To avoid negative impact on food security, the unsuitable area for planting the main six economic crops, excluding forest protected and irrigated areas (UEC-FI area), were utilized for identifying plantation area of Acacia auriculiformis. In addition, the UEC-FI area located in the agricultural land reform zone (UEC-FI-ALR area), which is managed by government, was also studied. Data used for identification of plantation area and evaluation of annual biomass yield were digital map data at scale of 1:50,000 as shown in Table 1 and criteria of planting Acacia auriculiformis were shown in Table 2. Acacia auriculiformis plantation was managed as shortrotation coppice and was cut every third year; its yielding per cutting cycle (3 years) was shown in Table 2 (Haruthaithanasan et al., 2014). Net heating value (LHV, dry basis) of its biomass varies among 18,168-18,657 kJ/kg (Haruthaithanasan et al., 2010). Step 2: Estimating biomass production of Acacia auriculiformis Biomass production from Acacia auriculiformis was estimated based on the data of Haruthaithanasan et al. (2014) as shown in Table 2. According to the limitation of the relationship between plantation factors and average annual yield of Acacia auriculiformis wood, all plantation factors were assumed to have equal weight for yield estimation.
21
Figure 1 Overview of assessment procedure for power and electricity generation potential from Acacia auriculiformis. Table 1 Digital maps at 1:50,000 scale for identifying the plantation area of Acacia auriculiformis. Map Data Soil series map Map of unsuitable area for the six economic crop zones (rice, tapioca, sugar cane, maize, rubber and oil palm)
Sources Land Development Department Agricultural Land Reform Office Royal Irrigation Department Royal Forest Department Meteorological Department
Map of agricultural land reform areas Map of irrigation areas Map of forest protected areas Isohyet map
Table 2 The criteria for planting Acacia auriculiformis (Haruthaithanasan et al., 2014). Description 1. Soil series
Factors of plantation
1.1 Soil Fertility 1.2 Soil pH 1.3 Soil Depth 1.4 Land slope (%) 1.5 Electrical conductivity (ECe) 2. Rain fall Average annual rainfall 3. Yield at 45% w.b. (ton/rai) per 3 year cutting cycle
High suitable High 5.5-8.0 > 100 cm 0-12 < 4 ds/m > 1600 mm. 15
22
Medium suitable Medium 4.0-5.5 50-100 cm 12-20 4-8 ds/m 1,200-1,600 mm. 12
Low suitable Low < 4.0 25-50 cm 20-35 8-16 ds/m 900-1,200 mm. 10
Step 3: Assessment of power and electricity generation potential Preliminary assessment of power and electricity generation potential from Acacia auriculiformis wood was calculated using equation (1) and (2), respectively, with the following assumption: - Preliminary assessment of power and electricity generation potential from Acacia auriculiformis wood was calculated using equation (1) and (2), respectively, with the following assumption: - Acacia auriculiformis wood at 45% w.b. (Haruthaithanasan et al., 2014, Haruthaithanasan et al., 2010) has low heating value of 9.05 MJ/kg. - Based on a plant capacity factor of 75%, the estimated annual operation was 6,570 hours (Delivand et al., 2010). The power and electricity generation from Acacia auriculiformis was estimated by F × × LHV (1) P= 3.6× H E=P×H
(2)
Where, P was power generation capacity (MW); F was fuel consumption rate (ton/y); η was overall efficient of the power plant (decimal); LHV was low heating value (MJ/kg); H was operating hours per year (h/y); E was the amount of annual electricity production (kWh/y)
auriculiformis in Table 2, the results found that the UECFI area of 12,527,600 rais (2.09 million hectares) and UECFI-ALR area of 4,835,085 rais (0.81 million hectares) met the planting criteria at low suitable level. Fig. 5 and Fig. 6 shown the spatial distribution maps of Acacia auriculiformis plantation areas on UEC-FI area and UEC-FIALR area, respectively, most of which still spreaded in the north-eastern part of Thailand. 3.2 Biomass and Power Potential Using the yield of Acacia auriculiformis at low suitable level (Haruthaithanasan et al., 2014), the UEC-FI area and the UEC-FI-ALR area can be used to produce the annual biomass feedstock of 41,758,666 ton/y and 16,116,950 ton/y, respectively. The power and electricity generation potential estimated from these amount of biomass based on the overall efficiency of 18% and 21% of smallscale biomass power plant (direct-fired boiler and steam turbine), were assessed as shown in Table 3. The biomass produced from the UEC-FI area could be generated of 18,895 GWh/y and 22,045 GWh/y of electricity with the capacity about 2.87 GW and 3.35 GW, respectively, which was higher than the AEDP target. For the case of UEC-FIALR area, the electricity potential was of 7,292 GWh/y and 8,508 GWh/y with the capacity of 1.11 GW and 1.29 GW, respectively, which was about 60% and 23% of AEDP target.
4 Conclusion The UEC-FI of 12,527,600 rais (2.09 million hectares), 3 Results and Discussion of which one-third of the area (4,835,085 rais or 0.81 3.1 Planting areas for Acacia auriculiformis million hectares) was located in UEC-FI-ALR area, was About 19,583,400 rais (3.26 million hectares) or 14.3 % of Thailand’s agricultural land was unsuitable for planting identified using GIS-based assessment. These two the six economic crops. Fig. 2 showed the spatial identified areas can be utilized for planting fast-growing distribution of the unsuitable areas for the six economic tree (Acacia auriculiformis), the amount of biomass crops (UEC area). Approximately 50% of them were produced from which had the power generation located in the north-eastern region of Thailand. The potential lower than the AEDP target. remaining UEC area after subtraction with the forest protected and irrigated area (UEC-FI area) was 15,607,123 rais (see Fig. 3) of which only 5,614,689 rais (see Fig. 4) was located in agricultural land reform zone (UEC-FI-ALR area). Based on the 3 level criteria for planting Acacia 23
5 Acknowledgements The authors would like to acknowledge Land Development Department, Royal Forest Department, Royal Irrigation Department and Meteorological Department for providing the digital map data. Financial support provided by The Thailand Research Fund (TRF) is gratefully acknowledged.
Figure 2 Map of unsuitable areas for planting the six economic crops (UEC area) in Thailand.
Figure 5 Map of Acacia auriculiformis plantation location on UEC-FI area.
Figure 3 Map of UEC-FI area.
Figure 6 Map of Acacia auriculiformis plantation location on UEC-FI-ALR area.
Figure 4 Map of UEC-FI-ALR area. 24
Table 3 Potential of electricity generation using Acacia auriculiformis wood. Plantation Wood1 Production Electricity generation (MWh/y) Areas
area (ton/year) (rais) UEC-FI area 12,527,600 41,758,666 UEC-FI-ALR area 4,835,085 16,116,950 Remark: 1= woodproduction at moisture content of 45 % w.b. η = overall efficient of the power plant.
6 References Agricultural Land Reform Office. 2014. Geographic Information Technology Department. Digital Map of Agricultural Land Reform area. Delivand, K.M., Barz,M. and Gheewala, S.H. 2011. Logistics cost analysis of rice straw for biomass power generation in Thailand, Jurnaol of Energy 36, 14351441. Energy Policy and Planning Officer. Energy Statistics of Thailand 2015. Department of Energy Policy and Planning Officer, Ministry of Energy. Available at: http://www4.dede.go.th/dede/images/stories/stat_de de/sit_58/sit_jan_may.pdf. Accessed on 5 July 2016 Gomez, A., Rodrigues, M., Montanes, C., Dopazo, C. and Fueyo, N. 2010. The potential for electricity generation from crop and forestry residues in Spain. Journal of Biomass & Bioenergy 34, 703-719. Haruthaithanasan, M., Patumsawad, S., Poolsiri, R., Vanichsent, T., Junkhiaw, S., Supamitmongkol, W., Nilpunt, S., Pisapage, S., Premsamai, S., and Thanawat, A. 2014. The Potential of Degraded Land for Fast Growing Tree Plantation for Power Generation. Available at: http://www.trf.or.th/index.php?option=com_conten t&view=article&id=8276:rdg56d0003&catid=336:201511-10-10-42-32&Itemid=436. Accessed on 26 June 2016. Haruthaithanasan, M., Luangviriyasaeng, V., Poolsiri, R., Puangchit, L., Lertsuchatavanich, U., Vischuveskamin, A. and Haruthaithanasan, K. 2010. Development of Acacia Genus planting on degraded land for power generation, Kasetsart Agricultural and Agro-Industrial
η=18% 18,895,779 7,292,919
η=21% 22,045,095 8,508,406
Power generation (MW) η=18% 2,876.07 1,110.03
η=21% 3,355.42 1,295.04
Product Improvement Institute (KAPI), Kasetsart Unicersity. IEA, International Energy Agency. 2015. World Energy Outlook Special Report. Available at: file:///H:/WEO/WEO2015SpecialReportonEnergyandCli mateChange.pdf. Accessed on 10 April 2016. Land Development Department. 2014. Ministry of Agriculture and Cooperatives, Digital map of the six economic crop zones (rice, tapioca, sugar cane, maize, rubber and oil palm) and Soil series. Land Development Department, Land Use for Agricultural. 2014. Available at: http://www.ldd.go.th/ldd/Strategy/2555/strategics_25 55-2559.pdf. Accessed on 22 December 2014. Longh, H., Li, X., Wang, H. and Jia, J. 2013. Biomass Resources and Their Bioenrgy Potential Estimation: A Review, Journal of Renewable and Sustainable Energy Reviews 26, 344-352. Lourinho, G. and Brito, P. 2015. Assessment of biomass energy potential in a region of Portugal (Alto Alentejo). Journal of Energy 81, 189-201. Meteorological Department. 2014. Ministry of Information and Communication Technology, Available at: http://www.tmd.go.th/info/info.php?FileID=1. Accessed on 16 June 2014 Meteorological Department. 2014. Meteorological Development Office, Isohyet map. Ministry of Energy, Biomass. 2015. Available at: http://www.eppo.go.th/power/powerN/PICP/File/(14). pdf. Accessed on 16 June 2015 Energy Policy and Planning Officer. Energy Statistics of Thailand 2014.
25
Department of Energy Policy and Planning Officer, Ministry of Energy, 26-27. Murayama Y. and Khwanruthai B. 2011. Site suitability evaluation for ecotourism using GIS&AHP: A case study of Surat thani province, Thailand. Procedia of Social and Behavioral Sciences 21, 269-278. Niblick, B., Monnell, J.D., Zhao, X. and Landis, A.E. 2012. Using geographic information systems to assess potential biofuel crop production on urban marginal lands, Journal of Applied Energy103, 234-242. Office of the National Economic and Social Development Board. 2016. National Social and Economic Development Plan No. 11 (2012-2016). Available at: http://www.nesdb.go.th/main.php?filename=develop _issue. Accessed on 28 May 2016. Pratumwan, T., Tia, W., Soponronnarit, S. and Nathakaranakule, A. 2015, 102-107. GIS-based assessment of Napier grass potential for electricity generation in Thailand: A case study of unsuitable area for planting economic crops. Proceeding of the 16th TSAE National Conference on Bangkok International Trade & Exhibition Centre (BITEC). 17-19 March 2015. REN21, Renewable Energy Policy Network for the 21st Century. 2015. Renewable global status report. Royal Irrigation Department. 2014. Geographic Information Technology Department. Digital Map of Irrigation area. Royal Forest Department. 2014. Ministry of Natural Resources and Environment. Digital amp of forest area. Sawangpol, K., Tia, W. and Chaiprasert, P. 2013. A Feasibility Study of Power Generation Using Biogas from Cellulosic Materials, Journal of Research and Development (KMUTT) 36, 478-492. Schreurs, E., Voets, T. and Thewys, T. 2011. GIS-based assessment of the biomass potential from phytoremediation of contaminated agricultural land in the Campine region in Belgium, Journal of Biomass and Bioenergy 35, 4469-4480.
Vihervaara, P., Marjokorpi, A., Kumpula, T., Walls, M. and Kamppinen, M. 2011. Ecosystem service of fastgrowing tree plantation: A case study on integrating social valuations with land use change on Uruguay. Journal of Forest Policy and Economics 14, 58-68.
26
EE-05
The study of microwave and hot air drying on mechanical properties of oil palm timbers Panya Dangvilailux, Jarruwat Charoensuk* Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok 10520, Thailand. Corresponding author Jarruwat Charoensuk. E-mail: jarruwat.ch@kmitl.ac.th
Abstract Experiments of oil palm wood drying using microwave oven combine hot air, which oil palm wood was most doing not benefit. A chamber with the size of 500 × 1000 × 1000 mm3 is made of stainless steel type 316 using 4 magnetrons (100-1000w/unit). Materials preparation was oil palm wood, which is selected based on the timber from the stem up to 3 meters for over 20 years with the size of 5mm x 250mm, 2.5mm (thickness). The saw pattern oil palm stems were Cobweb sawing. The sample of oil palm wood is hot air oven baked at 105°C for initial moisture content by control moisture content of oil palm wood is between 8 to 12% of a standard timber. The study was three methods of experiments with a microwave drying with at 1200, 1,600 and 2000W, hot air at the wind speed of 2.1 m/s, the temperature at 65 and 95 ºC and fixed microwave power level at 1600W, hot air at the temperature of 65 and 95 ºC .The result of fixed microwave drying, the temperature at 65 to 10±2%Db, the drying time 1,200 min, the highest temperature within 59.35C, the results of mechanical properties have compressive parallel to grain, shear strength parallel and static bending properties, modulus of rupture (MOR) and modulus of elasticity (MOE) were 17.01, 0.5437, 34.18 and 3437.56 MPa, respectively. The twist and shrink less. This timber can be used for interior or type of furniture. Keywords: Oil Palm Wood, Microwave Drying, Hot Air Drying, Oil Palm Timber, Mechanical Properties
1 Introduction Timber is very important in the wood products industry and commonly used structural engineering material. Wood is a renewable material that can be used in a wide variation of products and applications. To get the highest possible value out of the wooden products it is important, prior to the use, to be able to characterize and sort the wood according to its specific properties. The earlier a correct classification can be done the better the remaining production chain can be adapted to the specified end product.[1] An incorrect moisture content can result in mold growth,[2] checks, twisting, shrinkage or swelling[3]. This research studied the effect of drying of oil palm timber (OPT) with microwave and hot air. The oil palm (Elaeis guineensis) is grown extensively in Southeast Asia and Equatorial Africa and it produces more oil per area than any other plant[4] Lots of oil palm woods (OPW) are available annually because the oil palm trees lifespan is about 25 to 30 years. Basically, the producer countries have been facing a serious environmental
problem concerning to the solid biowaste handling of oil palm industry, particularly the oil palm trunk after replanting activity. It is predicted that more than 20 million cubic meter biomass from oil palm trunk are available annually.[5] In Thailand, four methods of replanting have already been adopted, such as pushfelled and windrow or burn, chip and windrow or burn, drops drilling chemicals and use to burn for electricity, is shown in Fig.1-4. The tree trunk usually takes between five to six years to decompose.[6] These replanting methods were created to very significant air pollution. The total biomass of 95 million tons are generated annually.[7] The purpose of this research is the oil palm trunks used and add value by processing the timbers, our work will focus on the effect of microwave drying and hot air drying technologies on the kinetics rate and physical, mechanical of the oil palm timber.
27
Figure 1 push-felled and windrow or burn
2 Materials and Methods 2.1 Oil Palm Trunk Processing In material preparation, all selected oil palm trees were felled manually using the chainsaw. In order to get the homogeneous lumbers, the bottom part of the trunk was marking of vascular bundles distribution at the transverse section. This was determined initially the oil palm wood zoning. Moreover, eight trees were sawn and processed into lumber. Oil palm trees were felled and the stems were cut shortly to 3.0 m long logs and transverse section of oil palm trunk (Fig.5). All of the trees were taken from replanting age (25-year-old) oil palm plantation in Chumphon, Thailand and the properties of the wood were shown in at table 1.
Figure 2 as push-felled chip and windrow or burn
Figure 3 drill to drops of chemicals
Figure 5: Oil palm trunk at transverse section consists of the main part of the trunk and the cortex and bark.[5] This study was to design of sawing the pattern by cobweb sawing, (Fig.6) depend on the trunk condition. Lumbering process of oil palm trunk using the chainsaw is presented.[8].The specimen wood has the dimension of 5mm x 250mm, 2.5mm (thickness). They were soaked in hot water at 85oC for 20 min.The OPT was held at an initial temperature of 28oC and a moisture content of 197 Âą 3.4% (dry basis). Table 1. The properties of oil palm lumber[8] The properties of the lumber Natural specific gravity Dry specific gravity Wet specific gravity Moisture content Absorption
Figure 4 oil palm trunks to use of burn for electricity 28
value 0.71-0.76 0.39-0.41 0.65-0.67 80-90% 60-70%
Cob sawing(CS) Figure 6 Sawing patterns were called cobweb sawing[8] 2.2 Experimental Apparatus The Chamber of drying with microwave drying and hot air is shown in Fig.7. It has the dimension of a 500 × 1,000 × 1,000 mm3 was made of stainless steel type 316, 1mm thick with 4 magnetrons and electrical heater. It had a microwave power level of the power output of 100 – 4,000W at the frequency of 2,450MHz. The electrical heater of hot air had a maximum power output of 5,000W but controlled at 40 to 180oC by a thermostat and equipped with a blower to create air speed of 2.00m/s. A circulating fan was installed, distributing hot air and waves in the heating chamber.
The test in the drying of the OPT involved examination of the effects on various parameters on drying kinetics. The results are divided into; physical properties of moisture content recommended by ASTM D 2395-14 (Standard methods of testing density and specific gravity of wood and wood-based materials),[9] mechanical properties (compressive parallel to grain, shear strength parallel and static Bending) recommended by ASTM D143-14 (Standard methods of testing small clear specimens of timber).[10] The moisture Content (MC) of the OPT was calculated using this formula equation (1)[11] MC(%)
M ini M o 100 Mo
(1)
where MC, M ini , and Mo are the average moisture content of specimen at the time of the test (kg water/ kg dry mass), initial mass, oven-dry mass, respectively.
3 Results and Discussion The drying of OPT can be a time-consuming process. The timber industry has been using several methods to reduce the drying time of timber for many years; these include drying the wood at elevated temperatures in conventional ovens or kilns, drying in radio frequency or microwave ovens, or a combination of the two. Little attention has been given to quantifying the effect of drying method on the mechanical properties of the wood, especially where this involves microwave energy with its interior to exterior heating characteristics. In this study, oil palm timber was dried to pre-determined moisture contents using several drying methods. 3.1 Desorption Rate and Temperature in Wood During Drying During drying process in the conventional oven at Figure 7 Apparatus of the chamber drier in this study o 105 C about 72 hour, the sample of OPT was initial 2.3 Method of OPT Specimens Test Conditions moisture content 190 ± 3.4%db is reduced down to 8 to The test conditions were 1200W, 1600W and 2,000W 12% Db (standard). for microwave heating mode, 65oC and 95oC for the hot air and 1600W at 65oC and 1600W at 95 for combined Microwave and hot air at. One batch of OPT had 9 pieces. One heating cycle was completed when the final moisture content reached 10 ± 2% db. 29
Figure 8 Moisture content and temperature with time of (a) Microwave drying (b) Hot air drying and (c) Microwave combined with hot air drying Figure 8 shows the moisture content profiles and temperature profiles with respect to elapsed times as parameters of the microwave, hot air and Microwave combined with hot air. Fig.8a found that at a high microwave power level, the moisture content profile of decreases fastest and temperature profile of the OPT continuously rises faster than that in the case of low microwave power level. The temperature profiles within the OPT rise up rapidly to 71.6oC, 73.36oC and 81.23oC for powers of 1200, 1600 and 2000 W, respectively, during 0 to 280 min. The moisture
content profile of decreases fasts to 10Âą2%Db, the drying time 280, 200 and 160 min for powers of 1200, 1600 and 2000W, respectively. For microwave power level at 2000W has burn and shrinkage increased of OPT. Fig.8b found that at a high hot air, the moisture content profile of decreases fastest and temperature profile of the OPT continuously rises faster than that in the case of low hot air. The temperature profiles within the OPT rise up slower to 48.65oC and 67.66oC for the temperature of hot air at 65oC and 95oC, respectively, during 0 to 2,940 min. The moisture content profile of decreases slow to 10 Âą 2% Db, the drying time 2,940 and 1,920 min for the temperature of hot air at 65oC and 95oC, respectively. Fig.8c found that in the case of fixed microwave power level at 1600W, parameters of hot air temperature at 65oC and 95oC, that at a combine microwave power and high hot air, the moisture content profile of decreases fastest and temperature profile of the OPT continuously rises faster than that in the case of fixed microwave power and low hot air to 59.35oC and 73.39oC for material temperature of fixed microwave power level at 1600W, hot air temperature at 65oC and 95oC, respectively, during 0 to 1,200 min. The moisture content profile of decreases slow to 10 Âą 2% Db, the drying time 1,200 and 840 min for the temperature of hot air at 65oC and 95oC, respectively. 3.2 Impact of Drying Method on the Mechanical Properties of OPB Considering the effect on the strength of specimens from these three methods, it was found that the combined of microwave drying and hot air to higher mechanical strength than microwave drying and hot air, respectively. Table 2 shows the results of compressive parallel to grain, shear strength parallel and static bending of dried OPT. The results show that an increase in microwave power level effect to internal burn and reduces the strength of the dried timber. The dried specimens in hot air at high temperature have higher of shrinkage as compared with those obtained from the hot air at low temperature, raise the strength of the dried
30
timber. Finally, the specimen found that in the case of the combine of microwave drying and hot air present the best mechanical properties compared to microwave drying and hot air. Table 2 summarized the mechanical properties of OPT according to the conditions of combine of microwave drying and hot air at fixed microwave power level at 1600W, hot air temperature at 65ď&#x201A;°C, compressive parallel to grain, shear strength parallel and static Bending of MOR and MOE were 17.01, 0.5437, 34.18 and 3437.56 MPa, respectively. Table 2 Effect of using heat technique experimenter on OPB for Mechanical Properties Incident hot air Compressi Shear power (oC) ve parallet strength level (W) to grain parallel (MPa) (MPa) 1200 13.57 0.4302 1600 18.98 0.5207 2000 11.12 0.5140 65 9.62 0.2208 95 6.185 0.3741 65 17.01 0.5437 1600 95 9.82 0.4938
Static Bending MOR MOE (MPa) (MPa) 16.28 16.48 14.05 11.55 16.46 34.18 27.85
1062.35 1995.22 1726.67 1201.28 1523.95 3437.56 3275.96
procedure when the air stream easily evaporates moisture from the OPT. 3.The effects of fixed microwave power level, at temperature 65, the moisture content profile of decreases slow and temperature profile of the OPT continuously rises slowly. The reason is high hot air temperature, convective drying is strong while the microwave energy is still supplied. For the moisture content profile, in the early stages of drying, the large moisture content corresponds to a higher dielectric loss factor. A majority of the microwave can be absorbed within OPT.[13] 4.The effect on the strength of specimens from OPT, it was found that the combined of microwave drying at 1600W and hot air at 65C to highest mechanical strength than microwave drying and hot air, respectively. This knowledge is fundamental to understanding the drying process using combined microwave energy and convection in understanding the basis of drying in porous media of oil palm timber. The twist and shrink less. This timber can be used for interior or type of furniture.
5 Acknowledgements The authors gratefully acknowledge the financial 4 Conclusions support provided by the Office of National Research The experiment of microwave drying, hot air and Council of Thailand (NRCT) and King Mongkut's Institute combine of microwave drying and hot air drying has been of Technology Ladkrabang, and knowledge of analyzing using the OPT with the size of 5mm x 250mm, 2.5 mm properties oil palm wood provided under Research (thickness). The following paragraph summarizes the Center of Microwave Utilization in Engineering at conclusion of this study. Thammasat University. 1. The effects of high microwave power level, the moisture content profile of decreases fast and 6 References temperature profile of the OPT continuously rises fast. S. Grundberg, An X-ray LogScanner â&#x20AC;&#x201C; a Tool for Control of This is because in the case of dielectric properties of the Sawmill Process, Lule University of Technology, wood, which would correlate to microwave energy Skellefte (1999). absorbed and depends on the changing in the S. Geving, J. Holme. The drying potential and risk for configuration of the electric field in the OPT due to the mold growth in compact wood frame roofs with builtvariation of moisture contents.[12] in moisture, J. Build. Phys. Pp 249 (2010). 2. The effects of high hot air, the moisture content B. Esping, Tr torkning grunder torkning, Stockholm.Effects profile of decreases fast and temperature profile of the on microwave measurements and simulations when OPT continuously rises fast. This is because, in hot air collecting data close to edges of wooden boards drying, the drying rate was more in the beginning of the (1992). 31
Poku, K.. Small-scale palm oil processing in Africa. FAO agricultural services bulletin, 148 (2002). Erwinsyah. Improvement of Oil PalmWood Properties Using Bioresin, Institute for logging operations and forestry technology Faculty of Forest, Geo and Hydro Sciences Technical University of Dresden (2008). Biomass Now - Sustainable Growth and Use Edited by Miodrag Darko Matovic, ISBN 978-953-51-1105-4, 552 pages, Publisher: InTech (2013). MPOB, 2012 Malaysia Palm Oil Board (MPOB) Overview of the Malaysian oil palm industry (2012). http://econ.mpob.gov.my/economy/Overview 2011_update.pdf (assessed 2 July 2016) J.Charoenatkul, A.madsalae, The use of Palm Wood in the work engineering. Rajamangala University of technology Srivijaya (2008). ASTM-Standard. Annual book of American Standard Testing Methods (ASTM-Standards), Designation: D2395 – 14, Standard test methods for density and specific gravity (relative density) of wood and woodbased materials, ASTM, USA, 1–13 (2014). ASTM-Standard. Annual book of American Standard Testing Methods (ASTM-Standards), Designation: D143 – 14, Standard test methods for small clear specimens of timber. ASTM, USA, 1–31 (2014). Sahbi, O.; Lamine, H.; Soufien, A.; Sadoth, S. T.; Ali, B.; Ahmed, K. Modeling of combined microwave and convective drying of wood: Prediction of mechanical behavior via internal gas pressure. Drying Technology, 33, 1234–1242 (2015) Ratanadecho, P.; Aoki, K.; Akahori, M. Influence of irradiation time, particle sizes and initial moisture content during microwave drying of multi-layered capillary porous materials. ASME Journal Heat Transfer, 124(1), 151–161 (2002). Rattanadecho, P.; Vongpradubchai, S.. Microwave and Hot Air Drying of Wood Using a Rectangular Waveguide. Drying Technology, 29: 451–460 (2011)
32
Biodiversity of lipid producing-bacteria isolated from palm oil industry in the south of Thailand
EE-06
Atipan Saimmai1,2, Surawat Chingjit1, Natthaporn Rattanapan1, Wiboon Riansa-ngawong3, Suwit Jitpukdee4, Chanika Saenge Chooklin4, Kanokrat Saisa-ard5, Suppasil Maneerat6 and Paweena Dikit7,* 1
Faculty of Agricultural Technology, Phuket Rajabhat University, Muang, Phuket 83000, Thailand. 2 Andaman Halal Science Center, Phuket Rajabhat University, Mang, Phuket 83000, Thailand. 3 Faculty of Agro-Industry, King Mongkut's University of Technology North Bangkok, Prachinburi 25230, Thailand. 4 Faculty of Science and Fisheries Technology, Rajamangala University of Technology Srivijaya, Trang campus, Trang 92150, Thailand. 5 Faculty of Science and Technology, Suratthani Rajabhat University, Mueang, Surat Thani, 84100 Thailand. 6 Department of Industrial Biotechnology, Faculty of Agro-Industry, Prince of Songkla University, Hat Yai, Songkhla, 90112 Thailand. 7 Faculty of Science and Technology, Songkla Rajabhat University, Mueang, Songkhla 90000, Thailand. Corresponding author: Paweena Dikit. E-mail: paweena_aom@hotmail.com
Abstract In this study, the phylogenetic diversity of lipid producing-bacteria isolated from samples collected from palm oil industry in southern of Thailand have been investigated. From 328 bacterial isolates, 43 strains were identified as potential lipid biomass producing-bacteria by using total lipids measurement. The amount of lipid yield and lipid content was ranging between 1.07-4.64 g/l and 13.30-48.59%, respectively. The identification of the selected bacterial strains was conducted by biochemical test and 16S rRNA gene sequence analysis. The studies reveal that the selected bacterial strains were belonging to 20 different genera distributed among Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes and Proteobacteria division in Eubacteria and Archaea. Among the selected bacterial lipid-producing isolates, 10 bacterial isolates were found to be the prominent lipid-producers with Bacillus subtilis TN1 as the most potential isolate with lipid content 48.59% followed by Arthrobacter humicola TN2 (45.62%), Acinetobacter calcoaceticus TP2 (40.78%), Rhodococcus opacus SN6 (35.78%) and Acinetobacter calcoaceticus PP2 (32.04%). There is also no correlation between bacterial cell growth and lipid yield from selected bacterial isolated strains. Keywords: Biodiversity, Lipid production, Bacteria, Phylogenetic; Palm oil industry
1 Introduction The widespread use of petroleum-based fuels raises the pollution problems and concern about global warming (El-haj et al. 2015). This has stimulated the recent interest to develop renewable energy sources such as biodiesel. Biodiesel is made from biolipids, such as triacylglycerols with ethanol or methanol through a transesterification reaction (Wang et al. 2014). Traditionally biodiesel is obtained from vegetable oils, animal fats, waste cooking oil and greases (trap grease, float grease). However, current biodiesel production is not economically competitive with petroleum-based fuel because of the high cost of the feedstocks, which accounts for 70-75% of the total cost of biodiesel production (Wang et al., 2014). Therefore, it is necessary
to exploit a cheaper and more sustainable means for lipid production. Microbial lipids produced by oleaginous microorganisms involving yeasts, moulds and algae, have been well studied because they can accumulate a large number of lipids (Liang and Jiang, 2013). However, the bulk lipid production from them has been hampered by the slow growth rates and complicated regulation mechanisms of these organisms (Meng et al. 2010). Bacteria could be an alternative fatty acid producer because they have rapid growth rates, uncomplicated to upscale and facile to control the production condition (Alvarez, 2010; Li et al. 2012; Liang et al. 2013; Katayama et al. 2014; Wang et al. 2014; El-haj et al. 2015). Many researches are described on lipid-producing bacteria, however to the best of our
33
knowledge; this is the first report that describes the biodiversity of oleaginous bacteria isolated from palm oil contaminated samples. The objective of this research was to screening and identifies lipid-producing bacteria isolated from palm oil industry samples in southern Thailand.
Determination of lipid content The bacterial cells in the culture broth were collected and wash three times with deionized water. The washed cells were dried at 105ºC until their weight was constant. Total lipids in the cells were extracted according to the methods of Folch et al. (1956).
2 Materials and Methods 2.1 Sample collection and bacteria isolation Soil and water samples, collected from palm oil contaminated soils and water of oil refinery industries situated in the south of Thailand, have been serially diluted and plated onto minimal salt medium (MSM) (Saimmai et al. 2012) by spread plate method. Plates were incubated at room temperature (30±3°C) for 7 days. Morphologically distinct colonies were re-isolated by transfer onto fresh MSM agar plates at least three times to obtain pure cultures and subsequently Gram-stained. Pure cultures of the isolates were maintained on MSM agar slants and were subcultured every 15 days. 2.2 Screening of the oleaginous bacteria Of the oleaginous microorganisms obtained, all of isolates were activated on nutrient broth (NB) and shaken (150 rpm) at 30°C for 24 h. A 100-μl sample of each cell culture was transferred to 5 ml of MSM in a rotary shaker at 30°C and 150 rpm for 24 h, where triplicate samples were set up to determine biomass and lipid content. 2.3 Identification of selected lipid-producing bacteria The selected strains were identified first based on morphological and physiological characteristics (Holt et al. 1994), 16S rRNA gene sequencing, and BLAST analysis (DNA Data Bank of Japan: http://www.ncbi.nlm. nih.gov/ BLAST/) as reported by Saimmai et al. (2012). The 16S rRNA gene was amplified using Com primers as previously reported (Saimmai et al. 2012). 2.4 Analytical methods Determination of biomass For determination of the biomass, bacterial suspensions were centrifuged using Hettich centrifuge at 10,000×g for 20 min at 4ºC and cell pellets obtained after centrifugation were dried at 105ºC overnight.
3 Results and Discussion 3.1 Isolation and screening of lipid producingbacteria In total, 328 bacterial isolates were obtained from soil, sediment and water samples collected from various palm oil mill located in the south of Thailand. Hence, 65 isolates from 5 factory samples in Chumphon Province, 34 isolates from 8 factory samples in Krabi Province, 62 isolates from two factory samples in Satun Province, 58 isolates from one factory samples in Songkhla Province, 71 isolates from 11 factory samples in Surat Thani Province, and 38 isolates from three factory samples in Trang Province. Sixty six percent of the bacterial isolates (216 of 328) were Gram-negative (data not shown). It has previously been reported that most bacteria isolated from sample sites with a history of contamination by hydrocarbon or its byproducts and other immiscible substrate are Gram-negative (Saisa-ard et al. 2013; 2014). This may be a characteristic that contributes to the survival of these populations in such harsh environments (Bicca et al. 1999). Ten isolates were identified as potential lipid producing-bacteria by using total lipids measurement (Table 1). Lipid yield and lipid content of all the isolates ranged between 1.07-4.64 g/l and 13.30-48.59%, respecttively. It can be categorized into 5 groups on the basis of their lipid content obtained from bacterial cells (Table 1). These are Group I with production range of < 20.0% (LO2, LO6, LO10 and PP2); Group II with produc-tion range of 20.0-25.0% g/l (LO3, LO7, PP4, PP5, PP6, PT1, PT5, PT5, SN1, SN5, SN9, TN6, TN7, TP4 and TP6); Group III with production range of 25.1-30.0% (LO8, LO9, PP1, PP7, PP8, PT2, PT3, PT4, SN2, SN4, SN8, TP1, TP3 and TP5); Group IV with production range of 30.1-40.0% (LO1, LO4, LO5,
34
PP2, SN3, SN6 and SN7); and Group V with production range of > 40.0 (TN1, TN2 and TP2). Out of these 29 lipid producing-bacteria, 10 were found to be the prominent producers of lipid whose production more than 30% with isolate TN1 as the most potential producer with lipid content of 48.59%, followed by isolate TN2 (45.62%), TP2 (40.78%), SN6 (35.78%), and PP2 (32.04%) after cultivation at 30°C, 150 rpm for 48 h. In terms of biomass yield, there are no relations between lipid yield and biomass could be observed. Biomass yield of all the isolates ranged from 4.56 to 12.25 g/l and the highest dry cell weight could be found from isolate LO4 followed by isolate LO3 (11.74 g/l), PT3 (11.25 g/l), TP4 (10.91 g/l) and PP8 (10.89 g/l), respectively after cultivation at 30°C, 150 rpm for 48 h (Table 1).
3.2 Identification, taxonomy and phylogeny of the lipid-producing bacteria All of the 43 selected isolates present in this study were chemoheterotrophs, the morphology of colonies and cells as well as their physiological and biochemical characteristics were tested (data not shown). The final identification of all selected isolates was accomplished Table 1 Characterization of lipid producing-bacteria by combining the alignment results of 16S rRNA gene isolated from palm oil contaminated samples collected sequence analysis with biochemical and physiological from palm oil industry in the south of Thailand. characteristics. Their sequences were assigned with the NCBI database and the nearest 16S rRNA gene sequences relative in GenBank are shown in Table 2. Table 2 Phylogenetic analysis of the lipid producing bacteria isolated from palm oil industry in south of Thailand.
35
n-alkanes, olive oil, orange waste, succinate and valerate (Kosa and Ragauskas, 2011; Sriwongchai et al. 2012). Strains SN3, LO8 and TP1 shown 99-100% of similarity to the genues Dietzia, Gordonia and Mycobacterium. All of them are come from actinomycetes, which biosynthesis and accumulation of lipid seems to be a common feature of bacteria belonging in this group (Alvarez and Steinbchel, 2002; Liang and Jiang, 2013). The remaining 7 isolates strains, PP7; TN4; TP8; PT7; LO6; LO10 and PP2 were similar to the genus Agrobacterium, Ochrobactrum, Micrococcus and Vibrio with sequence similarity ranging from 99-100%, 16S rRNA gene analysis of 43 lipid-producing bacteria respectively (data not shown). To the best of our isolated from palm oil industry in southern Thailand knowledge, we are the first group to describe the genus reveal that all of the isolates affiliation can divide to five Agrobacterium, Ochrobactrum, Micrococcus and Vibrio to bacterial phylogenetic groups: Actinobacteria, Archaea, the list of lipid-producing bacteria. All of them have been Bacteroidetes, Firmicutes and Proteobacteria. The described as surface active compound-producing bacteria presences of 20 bacterial genera from the 43 isolates which difference structure such as rhamnolipids from suggest that there is a wide biodiversity of lipid-producing Ochrobactrum anthropi 2/3 (Noparat et al. 2014) and bacteria from palm oil industry in the south of Thailand. trehalose from Micrococcus luteus BN56 (Tuleva et al. Acinetobacter, Bacillus, Pseudomonas, Rhodococcus and 2009). The genus Agrobacterium has been report as oil Serratia are the best known bacterial groups for lipid degradation bacteria with biosurfactant production production and they were also the most commonly (Saimmai et al. 2012). The genus Vibrio has been represented genera in our screening (Alvarez, 2010; Kosa described as EPS-producing strains which a good and Ragauskas, 2011; Liang and Jiang, 2013). The majority emulsification activity in several species such as Vibrio of the isolated strains belonged to the genus Bacillus (13 harveyi (Bramhachari and Dubey, 2006), Vibrio furnissii strains), Acinetobacter (6 strains), Rhodococcus (5 strains), (Bramhachari et al. 2007), Vibrio campbellii and Vibrio Pseudomonas (4 strains), Streptomyces (4 isolates), fortis (Kavita et al. 2013). Marinobacter (3 strains) and Serratia (3 strains), they are frequently isolated from oil-contaminated environments 4 Conclusions In this study, 43 lipid-producing bacterial isolates were and many strains belonging to these genera have been demonstrated to be efficient hydrocarbon degraders and isolated from samples contaminated with palm oil biosurfactant-producing bacteria (Ruggeri et al. 2009; collected from palm oil industry in the south of Thailand. The phylogenetic position of all bacterial isolates was Saisa-ard et al. 2013; 2014). Strains TN2, LO7, PP5 and LO12 exhibited high evaluated by 16S rDNA gene sequence analysis. The similarity (99-100%) with the genus Arthrobacter, production of lipid was determined on bacterial isolates Corynebacterium, Agrobacterium and Escherichia, representative of 20 different bacterial genera distributed respectively. These genuses have previously been among Actinobacteria, Archaea, Bacteroidetes, Firmicutes described as being able to produce lipid by using various and Proteobacteria. The findings of this study added 4 substrates viz. acetate, citrate, fructose, glucose, glycerol, new genera to lipid-producing bacteria. Among them, Bacillus subtilis TN1, newly isolated for lipid production, 36
environment. International Journal of Current produced the highest lipid content of 48.59% after Microbiology and Applied Sciences 4, 950-961. cultivation at 30°C, 150 rpm for 48 h. The distribution of the selected bacterial genuses divides into 20 different Folch, J.M., Lees, M., Stanly, H.S. (1956) A simple method for the isolation and quantification of total lipids from bacterial genera indicating that there is a wide animal tissues. The Journal of Biological Chemistry biodiversity of lipid-producing bacteria in palm oil 226, 497-509. industry samples. Overall, the new lipid-producing bacterial isolates featured in this work display important Holt, J.G., Kreig, N.R., Sneath, P.H.A., Stanley, J.T., William, S.T. (1994) Bergeyâ&#x20AC;&#x2122;s manual determinative characteristics for the future development of bacteriology. William and Wilkins, Baltimore. economically efficient industrial-scale biotechnological Katayama, T., Kanno, M., Morita, N., Hori, T., Narihiro, T., processes. Mitani, Y., Kamagata, Y. 2014. An oleaginous bacterium 5 Acknowledgements that intrinsically accumulates long-chain free fatty We are grateful to Suratthani Rajabhat University for acids in its cytoplasm. Applied and Environmental providing a scholarship to Kanokrat Saisa-ard. This work Microbiology 80, 1126-1131. was also financially supported by Phuket Rajabhat Kavita, K., Mishra, A., Jha, B. 2013. Extracellular polymeric University. substances from two biofilm forming Vibrio species: characterization and applications. Carbohydrate 6 References Polymers 94, 882-888. Alvarez, H.M. 2010. Biotechnological production and Kosa, M., Ragauskas, A.J. 2011. Lipids from heterotrophic significance of triacylglycerols and wax esters. In: microbes: advances in metabolism research. Trends in Timmis, K.N. (Ed.), Handbook of Hydrocarbon and Biotechnology 29, 53-61. Lipid Microbiology (pp. 2995-3002). Berlin: Springer Li, S.L., Lin, Q., Li, X.R., Xu, H., Yang, Y.X., Qiao, D.R., Cao, Berlin Heidelberg. Y. 2012. Biodiversity of the oleaginous microorganisms Alvarez, H.M., Steinbchel, A. 2002. Triacylglycerols in in Tibetan Plateau. Brazilian Journal of Microbiology prokaryotic microorganisms. Applied Microbiology and 43, 627-634. Biotechnology 60, 367-376. Liang, M.H., Jiang, J.G. 2013. Advancing oleaginous Bicca F.C., Fleck L.C., Ayub M.A.Z. (1999) Production of microorganisms to produce lipid via metabolic biosurfactant by hydrocarbon degrading Rhodococcus engineering technology. Progress in Lipid Research 52, ruber and Rhodococcus erythropolis. Revista de 395-408. Microbiologia 30, 231-236. Meng, X., Yang, J., Cao, Y., Li, L., Jiang, X., Xu, X., Liu, W., Bramhachari, P.V., Dubey, S.K. 2006. Isolation and Xian, M., Zhang, Y. 2010. Increasing fatty acid characterization of exopolysaccharide produced by production in E. coli by simulating the lipid Vibrio harveyi strain VB23. Letters in Applied accumulation of oleaginous microorganisms. Journal Microbiology 43, 571-577. of Industrial Microbiology and Biotechnology 38, 919Bramhachari, P.V., Kishor, P.B.K., Ramadevi, R., Kumar, R.B., 925. Rao, R., Dubey, S.K. 2007. Isolation and Noparat, P., Maneerat, S., Saimmai, A. 2014. Utilization of characterization of mucous exopolysaccharide (EPS) palm oil decanter cake as a novel substrate for produced by Vibrio furnissii strain VB0S3. Journal of biosurfactant production from a new and promising Microbiology and Biotechnology 17, 44-51. strain of Ochrobactrum anthropi 2/3. World Journal El-haj, M., Olama, Z., Holail, H. 2015. Biodiversity of of Microbiology and Biotechnology 30, 865-877. oleaginous microorganisms in the Lebanese 37
Ruggeri, C., Franzetti, A., Bestetti, G., Caredda, P., La Colla, P., Pintus, M., Sergi, S., Tamburini, E. 2009. Isolation and characterisation of surface active compoundproducing bacteria from hydrocarbon-contaminated environments. International Biodeterioration and Biodegradation 63, 936-942. Saimmai, A., Kaewrueng, J., Maneerat, S. 2012. Used lubricating oil degradation and biosurfactant production by SC-9 consortia obtained from oil contaminated soil. Annals of Microbiology 62, 17571767. Saisa-ard, K., Maneerat, S., Saimmai, A. 2013. Isolation and characterization of biosurfactants-producing bacteria isolated from palm oil industry and evaluation for biosurfactants production using low-cost substrates. Biotechnologia: Journal of Biotechnology, Computational Biology and Bionanotechnology 94(3), 275-284. Saisa-ard, K., Saimmai, A., Maneerat, S. 2014. Characterization and phylogenetic analysis of biosurfactant-producing bacteria isolated from palm oil contaminated soils. Songklanakarin Journal of Science and Technology 36, 163-175. Sriwongchai, S., Pokethitiyook, P., Pugkaew, W., Kruatrachue, M., Lee. H. 2012. Optimization of lipid production in the oleaginous bacterium Rhodococcus erythropolis growing on glycerol as the sole carbon source. African Journal of Biotechnology 11, 1444014447. Tuleva, B., Christova, N., Cohen, R., Antonova, D., Todorov, T., Stoineva, I., 2009. Isolation and characterization of trehalose tetraester biosurfactants from a soil strain Micrococcus luteus BN56. Process Biochemistry 44, 135-141. Wang, B., Rezenom, Y.H., Cho, K.C., Tran, J.L., Lee do, G., Russell, D.H., Gill, J.J., Young, R., Chu, K.H. 2014. Cultivation of lipid-producing bacteria with lignocellulosic biomass: Effects of inhibitory compounds of lignocellulosic hydrolysates. Bioresource Technology 161, 162-70.
Wang, B., Rezenom, Y.H., Cho, K.C., Tran, J.L., Lee, D.G., Russell, D.H., Gill, J.J., Young, R., Chu, K.H. 2014. Cultivation of lipid-producing bacteria with lignocellulosic biomass: Effects of inhibitory compounds of lignocellulosic hydrolysates. Bioresource Technology 161, 162-170.
38
Development of Spatial Decision Support Tool for Road Re-Alignment and Crop Management in Oil Palm Plantation
EI-01
Ahmad Fikri Abdullah* and Nurul Azimah Wagiman1 1
Department of Biological and Agricultural Engineering, Faculty of Engineering, Universiti Putra Malaysia. Corresponding author: Ahmad Fikri Abdullah. E-mail: ahmadfikri@upm.edu.my
Abstract Oil palm replanting is very important to improve oil palm productivity and cost effectiveness. One of the essential elements in oil palm replanting activity is re-alignment of the road network and the improvement of crop management. Planning a road re-alignment is essential to ensure the fruit collection effectiveness. In this research, the technology of Interferometric Synthetic Aperture Radar (IFSAR) has been used to produce a slope map. From the slope map, a contour map has been generated to create a terracing line. Terracing has been constructed at areas that have a slope more than 6Ë&#x161; to 25Ë&#x161;. Meanwhile for the non-terrace area, planting blocks had been generated with length of 1000 meter and width of 320 meter. The main road for the oil palm replanting is at the interval of each block. The collection roads were located at interval of 160 meter of the planting block. Collaboration of Model Builder in ArcGIS and python language have been used to produce an automated system on creating a road re-alignment and oil palm planting block at the oil palm replanting area. The model builder had combined all the workflow to automate the road re-alignment and crop management system. The Add-In toolbar in the ArcGIS was finally generated by manipulate the python script in the model builder. Keywords: Road re-allignment, planting block, crop management
1 Introduction Oil palm (Elaeis guineensis) was first introduced to Malaysia as an ornamental plant in 1870. Since 1960, planted area for oil palm had increased at a rapid pace. Contrary to NGOsâ&#x20AC;&#x2122; claim that millions of hectares of rainforest are filled annually for oil palm, the fact is that Malaysia's oil palm area stood at 5 mil ha, an increase of only 4.36 mil ha in the last 35 years (MPOB, 2012). Oil palm is one of the leading vegetable oil producer. Onequarters of global and approximately 60 per cent of international trade had consumed vegetable oil palm. Common products used all over the world such as margarine, baked goods and sweets, detergents and cosmetics are extracted from oil palm. An estimated 74 per cent of global palm oil usage is for food products and 24 per cent is for industrial purposes (Moran, 2011). Oil palm replanting is usually carried out after 25 to 30 years economic life span. Replanting is one of the practical strategies to improve oil palm productivity. It provides opportunities for estate to correct past mistakes
in layout, drainage and planting density, it also enables the use of the latest generation of planting materials together with the improved agronomic. Through a proper management and planning of replanting, the planters can estimate the budget or expenses for new planting or replanting as seedlings, fertilizers, terraced, agricultural roads length, drainage and other plantation needs. Plantation planning and design can help the planters to visualize topographic of the plantation area, determine the potential planting area, slope estimation, accurate estimation of plantation perimeters (Fook L.K., 2009, Arthur Tatnall, 2007). A planning of agriculture road system had been proposed for a better harvesting and transportation. There is a need to modernize the management of oil palm estates in Malaysia using the spatial technologies including Remote Sensing, Geographic Information System (GIS), Global Positioning System (GPS) and Decision Spatial Support Tools to enable reliable, cost effective and timely data collection and analysis, thus
39
supporting more accurate decision-making. Remote sensing data such as Airborne Interferometric Synthetic Aperture Radar (IFSAR) are applied as spatial layers in spatial decision support system. From this data, Digital Elevation Map (DEM) is generated using Geographic Information System (GIS) software such as ArcGIS, Quantum GIS and MapInfo Professional. Airborne Interferometric Synthetic Aperture Radar (IFSAR) is flexible in system development and near weather-independent operation. This technology have a capability to penetrate cloud and able to produce a versatile map product (Shafri, H., 2013, Jusoff, K., 2009, Nordiana, 2008). Universiti Putra Malaysia is conducting a research project to explore the potential of decision spatial support tools for oil palm plantation management. The management is facing a problem to manage the road realignment which is previously not considering the slope of the plantation area which indirectly effect the management effectiveness. The roads that have been construct by management previously had led to difficulties in transportation and harvesting management. The hilly roads also effects on high fuel consumption and low working effectiveness. This research is focus on the automation of road re-alignment network design base on slope map. It is important to improve the cost and time effectiveness in oil palm management (Desa Ahmad, J. J., 2011). 1.1 Objective The objectives of this research are to generate an oil palm plantation road re-alignment network design based on slope map, to improve and automate the road re-alignment processes in oil palm replanting road re-alignment network design development and to establish a spatial-based tool to support decision making in oil palm replanting system especially in the development of road re-alignment network design. 2 Materials and Methods 2.1 Study Area This research was done at Bukit Tambun, Melaka. The coordinate of this area is 3°53'2"N and 102°31'56"E.
2.2 ArcGIS 10.2 ArcGIS is a smart GIS software and work efficiently in organization. ArcGIS can integrate mapping and spatial analysis into the system and reporting systems without customization. ArcGIS can be deploy on-premises or in the cloud. This software able to create, manage data, maps and analytical models. 2.3 Python and model builder Python is the scripting language of choice for the ArcGIS platform. Model Builder is an application in ArcGIS used to create, edit, and manage models (ArcGIS, 2004). Models are workflows that string together sequences of geoprocessing tools, feeding the output of one tool into another tool as input. Model Builder can also be thought of as a visual programming language for building workflows. Model builder is part of the ArcGIS geoprocessing framework. The main advantage of using the model builder for GIS work is that the processes can be automated without using any code. Another advantage is that model builder can save GIS process and rerun the model at any time. This is particularly good to make adjustments to the process/analysis. Rather than redoing the entire analysis, model builder can simply change 1 parameter and rerun the model to produce new results. Figure 2 show the example of model builder concept. Python is integrated with models builder by making the script into a script tool and adding the script tool to a model. These are used when Python or other scripting language logic is needed to enhance a model or to access an external package or program from within ArcGIS. 2.4 Data Analysis Figure 1 show the model builder process flow for creating a terrace road. There are three colors in the model builder process flow which are blue, orange, and green that referred to input, process, and output respectively. The input for this model is Digital Terrain Model (DTM) from Interferometric Synthetic Aperture Radar (IFSAR) data. From the DTM data, slope map had
40
been generated. The pattern of slope in Bukit Tambun is observed from this slope map. After the slope map genaration, raster calculator was used to classify the slope map into 2 categories which are less than 6 degree and more than or equal 6 degree. This is because terracing is constructed at slope of 6 degree. The main objective of this reclassification of the slope map is to generate a polygon that act as a boundary of the terrace road. The output of the boundary was used to overlay with the slope map to generate a contour barrier tool. The output from this tool is the terrace road.
Figure 1 Model for creating terrace road. When the terrace road was generated, the copy parallel function was used based on the editted line to copy the existing terrace road parallelly as shown at Figure 2. Table 1 shows the parameters that were used for copying the line. This process is important to maximize the planting density at the particular area.
Figure 2 Boundary of the terrace road
Table 1 Distances between terrace and planting point distances. Slope (degree) 6-10 11-15 16-20 21-25
Parameter Distances between Planting point distances terrace (m) (m) 7.73 8.75 7.85 8.61 8.05 8.40 8.31 8.14
After terrace road was created, topology modelling are needed to make sure all the roads line are error free and not intersect. From the topology tools, a rule was added so that the model can detect the error in the layer automatically. Figure 3 show the process flow of rules added in topological modelling.
Figure 3 Process flow of rules added in topological modelling To construct a road network, a fishnet was generated from the slope map layer. The line from the fishnet indicates the planting block and roads at the non-terrace area. The length and width of the planting block were 1000 meter and 300 meter respectively. The road system on non-terraced area with straight planting is 160m intervals (20 palms) for collection roads and 320m (40 palms) for main roads. On the terraced area, collection roads generally vary between 16-22 palms apart. After that, the output from edited topology layer was overlay with the fishnet and the erase tool was executed. The aim of this process is to delete the overlay line within fishnet and topology layer. Figure 4 show the model to create the road network.
41
calculated by dividing the terreace length with plating plant distant for 148/ha. Each group of slope had the total length of terrace road shown on Table 2. The total planting block for the flat area is 132 block and each block is 32 hectar in area. So, the total area for planting block is 4224 hectar. Figure 5 show the the slope map of Bukit Tambun, Melaka. The highest slope of the area is 80Ë&#x161;. From the map, it was observed that the hiily area was located at the middle of the area. Figure 4 Model to create the road network. Table 2 Plant density 2.5 Python Add In Parameter Add In toolbar was created in ArcGIS software from Slope (degree) Length of terrace road (m) Number of oil the model builder that has been built before. PythonWin palm 6-10 21854.654 2497 software has been installed to create the python add in 11-15 36733.54 4266 wizard. This python add in is automate the road 16-20 34712. 51 4132 re-alignment process and planting block pattern. The 21-25 43484.42 5342 toolbar was filled with three button which represents the different process and output. The button that consist in the new toolbar are terrace, road topology, and road network. Python scripts for these three buttons were referred from the model builder script. The script from model builder was imported to the PythonWin software in order to recall the road re-alignment process. 3 Results and Discussion 3.1 Data Overview The road network was generated as the final output of the analysis. From the road network, planting density of the oil palm plantation area was calculated. Besides that, model builder for the oil palm plantation road re-alignment and Python add in also had been generated to automate the re-alignment process. 3.2 Road Network for Oil Palm Plantation area. Figure 5 show the final output of Oil Palm Palnatation Road Re-Alignment. The road was construct at two area which area at flat plantation area and terrace plantation area. The length and width of the flat area road networt were 1000 meter and 160 meter respectively. Table 2 show the total length of the terrace road. From the length of the terrace road, planting density had been
Figure 5 Oil Palm Plantation Road Re-Alignment. Figure 6 show the new add in toolbar built in ArcGIS software. This toolbar allow to automate the process of oil plantation road re-alignment process based on slope map. User need to insert the input data such as Ditigal Terrain Model to initiate the proceses.
42
Figure 6 Road Network Add-In Toolbar. 4 Conclusions From this research study, it can be concluded that spatial-based tool are important to support decision making in oil palm plantation. In this research study, spatial based tools had been created successfully by using python scripting language in ArcGIS 10.3. This spatial-based tool was able to make decision making on creating a road network in oil palm replanting area. Besides that, a map of Road Network in oil palm replanting area also has been generated from integration of model builder in ArcGIS software. In this case, Interferometric Synthetic Aperture Radar (IFSAR) data is the most important element in order to generate a slope map of the oil palm replanting area. This slope map is one of the guideline to create a road network in the oil palm plantation area. The integrations of model builder in ArcGIS and python had generated a system that can improve and automate the road re-alignment process in oil palm replanting development. This system can help the oil palm plantation management to reduce the cost. Besides that, this system also helpful to manage the oil palm plantation road re-alignment planning effectively.
Fook, L. K. (2009). A Spatial Decision Support Tool for Oil Palm Plantation Management. Pertanika J. Sci. & Technol., 21-24. Jusoff, K. (2009). Sustainable Management of a Matured Oil Palm Plantation in UPM Campus, Malaysia Using Airborne Remote Sensing. ResearchGate, 195-198. Moran, L. S. (2011). Oil palm plantations: threats and opportunities for. UNEP Global Environmental Alert Service (GEAS), 2. MPOB. (2012). palm oil fact slides. Retrieved Oktober 12, 2015, from MPOB website: http://www.mpoc.org.my/Corporate_Profile.aspx Nordiana, A. A. (2008). MPOB Geospatial Products and Mapping Services for Oil Palm Plantation Management. Mpob Information Series, 1-3. Shafri, H. (2013). Application of Lidar and optical data for oil palm plantation management in Malaysia. ResearchGate, 1, 13.
5 References Arthur Tatnall, S. B. (2007). Experiences in Building and Using Decision-Support Systems in Postgraduate University. Interdisciplinary Journal of Information, Knowledge, and Management, 34. Dekstop Arcgis. (2014). Retrieved from arcmap. Desa Ahmad, J. J. (2011). Development of a mechanization selection system for oil palm plantations with alternative planting patterns. Journal of Oil Palm Research, 990-998. 43
Rapid Nutrient Mapping System for Oil Palm Plantation
EI-02
M.H. Ezrin1*, W. Aimrun2, A.F.Abdullah2 and S. Khairunniza-Bejo2 1
Smart Farming Technology Research Center. Department of Biological and Agricultural Engineering Faculty of Engineering,Universiti Putra Malaysia,Serdang, Selangor D.E.,MALAYSIA. 2
Corresponding author: M.H. Ezrin. E-mail: xxx ezrin@upm.edu.my
Abstract Site specific management can potentially improve both economic and ecological outcomes in agriculture. Effective site specific management requires strong and temporally consistent relationship among identified management zones; underlying soil physical, chemical and biological parameters; and crop yield. Those requirements are possible to be obtained through the use of specific equipment and state-of-the art technology. This study was carried out to develop an on-the-go system to provide accurate soil nutrient map by using an electrical conductivity sensor in oil palm plantation. The result from this study has proven the merit of the developed system in terms of its performance and its reliability. The soil nutrient map produced via this system was almost similar to a kriging map produced via ArcGIS software and it was shown to be reliable for use in the site specific application for best management practices. This finding shows that the soil nutrient such as potassium (K) and phosphorus (P) to be predicted and the variability map was possible to be produced in realtime basis without engaging any tedious work in the field. The use of this mapping system as a basis of identifying the soil nutrient variability proved to be a good technique for the oil palm industry to better manage their plantation. Keywords: Apparent Soil Electrical Conductivity (ECa), Potassium (K), Phosphorus (P), Oil Palm Plantation, Variability Map
1 Introduction Being a perennial tree crop, oil palm is an ideal tree for sustainable agricultural cropping systems. One of the major influences affecting oil palm yield is lack of soil nutrient. For the small agricultural area, monitoring the soil nutrient changes is feasible as it is possible to take large number of samples to measure. However, for the large scale of plantation areas, collecting of the soil samples by using traditional methods are very tedious and time consuming. With the emerging of apparent electrical conductivity (ECa) sensor that can measure the soil properties as on-the-go, it is believed that the aforementioned problem could be solved. Study carried out by Mutert (1999) on the topsoil (0 â&#x20AC;&#x201C; 30 cm) characteristics of eight soil types commonly used for oil palm in Southeast Asia where all of these soils have a pH less than 5.0 with the six of them have low to very low contents of nitrogen (N), available phosphorus (P) and exchangeable potassium (K) while half of them
have low contents of exchangeable Magnesium (Mg) when evaluated for fertility parameters with regard to oil palm. Available P is an essential element for plant growth and is important for root growth during the early growth stages (Rankine & Fairhurst, 1999). Meanwhile exchangeable K is important for proper stomata function in the leaf and also needed by oil palm tree in a large amount (UexkĂźll & Fairhurst, 1999). ECa map can be the best option for some researchers in describing the soil condition. Detailed soil zoning map can be produced from ECa sensor where this sensor collected data at every one meter and delineated rapidly with higher contrast (Aimrun et al., 2009). Kitchen et al. (2005) proved that soil ECa can assist as a soil quality indicator for soil productivity where they found ECa and soil properties correlated with yield. Hence, soil ECa sensor can be a very practical implement in mapping different soil properties in the particular areas as the soil ECa can be measured quickly with the exact location.
44
2 Materials and methods 2.1 Site description The research was conducted at the Jendarata oil palm plantation which is under the management of United Plantation Berhad. This plantation was located in the district of Teluk Intan, Perak on latitude 30 52’ N and longitude 101001’E where it covers about 5941 ha of total area which is estimated to produce 160000 tons fresh fruit bunch per year. For this study, only 3.6 ha of the area were chosen as experimental lot with 536 of oil palm trees planted in the area. Oil palm tree at the age of 3 years was selected as during this age with the stem of the palm is not well established so that the respond of the FFB to the soil nutrients can be monitored in short term period. The dominant soil type in this study area is Jawa series. The Jawa series is a fine, mixed, isohyperthermic and brown family of Sulfik Tropaquept (Paramananthan, 2000). This type of soils are poorly drained, have brown colored B horizons and a sulfuric horizon at depth of 50 to 100 cm. 2.2 Soil ECa measurement The ECa data was measured by using Veris 3100 soil electrical conductivity sensor. The sensor which is integrated with DGPS has three pairs of coulterelectrodes to determine soil ECa. The coulters penetrate the soil surface into a depth of 6 cm. One pair of electrodes functioned to emit an electrical current into the soil, while the other two pairs detect decreases in the emitted current due to the transmission through soil. The depth of measurement is based upon the spacing of the coulter-electrodes. The center pair, situated closest to the emitting coulter-electrodes, integrates resistance between depths of 0 to 30 cm (Shallow ECa) while the outside pair integrates between 0 to 90 cm (Deep ECa). Output from the data logger reflected the conversion of resistance to conductivity. A Differential Global Positioning System (DGPS) Trimble AgGPS132 with sub-meter accuracy was used to geo-reference ECa measurements on real time basis by using the OmniSTAR DGPS System. The soil ECa data obtained from the sensor was used to generate the variability map by using ArcGIS 10.1.
2.3 Soil sampling The soil sampling was carried out by using soil auger and each position of sampling point was determined by using DGPS. The sampling points were semi-grid where it was collected in the same zone to take into account the spatial differences in soil fertility within the field. Samples were taken from different depth, 0–15 cm, 15–30 cm and 30-45cm. The greatest quantity of roots were found between soil depths of 20 and 60 cm, and most of the absorption of nutrients had been shown to be through the quaternaries and absorbing tips of primaries, secondary and tertiaries to this depth (Zuraidah et al., 2012). 2.4 Data analyses Soil ECa, available P and exchangeable K data values were analysed by statistical software for their statistics description, correlation and regression. The stepwise linear regression was implemented by using SPSS software to analyze all the data. The coefficient of determination (R2) measures how well the regression line approximates the real data points. An R2 of 1.0 indicates that the regression line perfectly fits the data. Besides, the Pearson’s correlation was also executed to indicate the strength and direction of linear relationship between soil ECa and both available P and exchangeable K. They were also interpolate and mapped using ArcGIS 10.1 for spatial variability description by using geometric interval classification approach. From the analysis, shallow ECa was found to have a strong relationship at depth of 0–15 cm with both available P and exchangeable K with R2=0.222 and 0.139, respectively. The shallow ECa is the most reliable parameter to be used as an indicator in Jawa series compared to deep ECa. The best model to predict available P and exchangeable K using ECa sensor was shown below:P = 3.782 (ecas) + 24.77 (1) K = 0.022 (ecas) + 0.628 (2) 2.5 Program Development The MATLAB software version 7.4.0 was used to develop the application program. It was designed to
45
produce the nitrogen variability map during on-the-go measurement of soil ECa. The program was developed to plot the P and K in real time basis and the plotting map to be displayed on the robust computer screen mounted in a tractor cab. The coordinates of plotted data point were retrieved from DGNSS which was connected to the robust computer. The developed program was facilitated with interpolation function to generate the variability map based on the plotting data obtained from the ECa sensor. This function provides three selection methods; automatic interpolation, equal interval and K-means, and also a manual interpolation which allows user to insert the desired minimum and maximum range. The program was mounted as a very user-friendly tool with interactive GUI for user to access as shown in Figure 3. It is a simple system with many selections of panels and easy to use.
Figure 1 Graphical User Interface (GUI) of the developed program. 2.6 System Setup The developed system consist of various devices such DGNSS, ECa sensor, a robust computer, a software and a tractor integrated as a system to provide the necessary information as shown in Figure 4. The DGNSS and ECa sensor were connected to the robust computer which mounted in the tractor cabin. The developed program was installed in the robust computer as a tool or software to synchronize the DGNSS and ECa sensor. The data obtained from the system will appear
automatically as a map based in the software when the synchronization was successful. The tractor was a prime mover to pull the ECa sensor for data acquisition task within the paddy field. All the electronic devices were supplied by the 12 volts power source from the tractorâ&#x20AC;&#x2122;s battery.
Figure 2 A diagram of the developed system comprising of various devices. 3 Results and Discussion - A Validity Test The ECa data obtained from the sensor were integrated over a soil depth of 30 cm and 90cm for shallow ECa (ECas) and deep ECa (ECad), respectively. The total number of ECa data points was 2,460 for the whole study area. The number of data is dependent on the speed of the tractor and the condition of the soil surface. The logging interval of one second, a slow drive can collect more data points (Aimrun et al, 2004). Table 1 shows the descriptive statistics of soil ECa. The values of ECas (mS/m) were found to be 5.10, 135.00 and 19.77 for minimum, maximum and mean value, respectively. The value of ECad (mS/m) was slightly higher compared to ECas values; it was 1.40, 41.70 and 7.44 for minimum, maximum and mean value, respectively. The coefficient of variation (CV) for ECas and ECad were 51.25 % and 39.38 %. This means ECas reading varies more than ECad. The variability of ECas may be caused by the difference of soil textures in the soil profile to a depth of 90 cm (Aimrun et al., 2011).
46
Table 1 Descriptive statistics for ECas and ECad in the experimental area Description Number of Data Min Max Mean Range Std. Deviation Variance Coefficient of Variation (C.V.)
ECas (mS/m) 2460 5.10 135.00 18.77 129.90 9.62 92.41 51.25
the data from predicted P and K because it was based on the sampling points collected in grid line of the experimental area. The mean values of actual P and K were found to be 94.48 and 1.03 for available P and exchangeable K, respectively. The mean values of actual P and K were almost similar compare to predicted P and K. The C.V. for actual P and K were 20.15% and 18.44% for available P and exchangeable K, respectively. The lower value of C.V. shows that the actual P and K are less varied than the predicted P and K. It can be explained that the number of data points will influence the hypothesis.
The descriptive statistics of predicted P and K content in the experimental area is shown in Table 2. The predicted P and K were derived by the developed system and the numbers of data were obtained from the ECa sensor. The developed system was field tested during the soil sampling task. The C.V. was 37.97 % and 20.19% for available P and exchangeable K in the entire experimental area, respectively. It can be explained that the system has predicted heterogeneous P and K contents in the study area. The actual macro nutrient of P and K was also measured for verification purposes. The numbers of data to measure P and K were 176 as shown in Table 3. The number of data was smaller compared to
Table 2 Descriptive statistics for predicted P and K in the experimental area. Description Number of Data Min Max Mean Range Std. Deviation Variance Coefficient of Variation (C.V.)
Predicted Ava. P (mg/kg) 2460 44.06 535.34 95.75 491.28 36.36 1321.77 37.97
Table 3 Descriptive statistics for actual P and K in the experimental area. Description Number of Data Min Max Mean Range Std. Deviation Variance Coefficient of Variation (C.V.)
ECad (mS/m) 2460 1.40 41.70 7.44 40.30 2.93 8.60 39.38
Actual Ava. P (mg/kg) 176 56.09 182.50 94.48 126.41 20.93 438.151 22.15
47
Predicted Exc. K (cmol/kg) 2460 0.74 3.60 1.04 2.86 0.21 0.045 20.19 Actual Exc. K (cmol/kg) 176 0.09 1.92 1.03 0.73 0.19 0.039 18.44
In relation to that, classification approach using raster calculator, by doing spatial analysis for calculating the variables and to produce map was carried out. The map was used to compare the ECa spatial distribution to the map produced from the developed system. The map was classed into 4 zones which means more manageable and easy to compare between the maps. The ECa zones were 1) very low, 2) low, 3) moderate and 4) high. The ECas was not considered in this comparison purpose since the reference model that has been used in this study was only significant to the ECad. According to the map in Figure 5(a), the kriging map produced via ArcGIS software was almost similar to the map produced by the developed system in Figure 5(b). The areas in both maps were mostly occupied by low ECad. The moderate ECad seemed to be concentrated in the south and was scattered in the middle part of the study area. Furthermore, the highest ECad zone was not able to distinguish in the variability maps. The similarity between both maps in Figure 5 shows that the developed system was able to produce an accurate soil ECa map and reliable to define the ECa zones very quick.
(b) Figure 3 Kriging map of soil ECad produced from (a) ArcGIS 9.2 and from (b) the developed system. - B Reliability Test The developed system has successfully produced the P and K maps based on 2460 soil ECa data points as shown in Figure 6(a) and 6(b) for available P and exchangeable K, respectively. According to the map in figure 6(a), the study area mostly occupied with higher level of available phosphorus as shown in Figure 6(a). Some of the study areas were found to be occupied with moderate level of the phosphorus content. The available P is slightly varied compare to the variation of exchangeable K as shown in the Figure 6 and in the Table 2. The map in the Figure 6(b) shown that the study area is slightly homogenous and it is also verified that the C.V for the exchangeable K is lower which is only 20.19%. The maps in the Figure 6 show that the developed system is reliable to produce nutrient variability maps that possible to be used by the oil palm planter.
(a)
48
(a)
area. The map of exchangeable potassium was also being produced as shown in Figure 7(b). According to the map, the exchangeable potassium seems to be homogeneous for the entire study area. Some of the area was occupied with high level of exchangeable potassium. The maps in the Figure 7 shows that the area was not varied and the C.V. is lower as mentioned in the Table 3 In this study, the patterns of the predicted P and K maps in Figure 6 were not much different compared to the actual NPK maps in Figure 7. The developed system also produced the predicted map of the available phosphorus in the study area where most of the area was found to have low level of available phosphorus as shown in Figure 6(b). From the study, it was shown that the predicted P and K map can be interpreted as similar to the actual P and K map.
(b) Figure 4 Variability maps of available phosphorus (a), and exchangeable potassium (b) produced by the developed system. The actual nutrient maps were also produced by the ArcGIS software as shown in Figure 7 for comparison purposes. The maps were based on 176 data points and the kriging technique was used to produce the variability maps. According to the map in Figure 7(a), the high level of available phosphorus was found being occupied in most of the area and small portion of the area was occupied with moderate level of the phosphorus. However, the variation of available phosphorus was lesser compared to the variation predicted P in the study
(a)
49
6 REFERENCES Mutert, E., 1999. Better Crops International volume 13 (1), 36 – 38. Rankine, I., and Fairhurst, T. (199). Management of phosphorus, potassium and magnesium in mature oil palm. Better Crops International, volume 13 (1), 1015. Uexkull, B.H.R. Von and Fairhurst, T.H. (1999). Some Nutritional Disorders in Oil Palm. Better Crops International, volume 13(1), 16-21. Aimrun, W., Amin, MSM, and Ezrin, M.H., 2009. Small Scale Variability of Apparent Electrical Conductivity within a Paddy Field. Applied and Environmental Soil (b) Science. Volume 2009. Figure 5 Variability maps of actual available phosphorus Paramathan, S., 2000. Soils of Malaysia. Academy of (a), and exchangeable potassium (b) of the Science Malaysia, Param Agriculture Soil Surveys. study area. Zuraidah, Y., Ahmad tarmizi, M. Mohd Haniff, H., Abd Salim, S., 2012. Oil Palm Adaptation to Compacted 4 CONCLUSIONS Alluvuial Soil (Typic Endoaquepts) in Malaysia. Journal This study was carried out in order to develop onof Oil Palm Research Volume 24, December 2012, the-go mapping system to measure the nutrient level in 1533 – 1541. oil palm plantation in real time basis. The result of this study showed that the developed system is capable to Kitchen, N.R., K.A. Sudduth, D.B. Myers, S.T. Drummond, and S.Y. Hong. 2005. Delineating productivity zones predict exchangeable K and available P and possible to on claypan soil fields using apparent soil electrical produce nutrient map and can be interpreted as good as conductivity. Computers and Electronics in Agriculture actual measurement of P and K. The map is reliable to (In press). assist the oil palm planters to manage their plantation better and indirectly will optimize the cost of production Amin MSM, Aimrun W, Eltaib SM, Chan CS (2004). Spatial soil variability mapping using electrical conductivity and reduce the environmental degradation by applying sensor for precision farming of rice. Inter. J. Engine. optimum quantity of the required nutrients. Technol., 1(1): 47–57. Aimrun W, M.S.M.Amin and H.Nouri (2011). Paddy Field 5 Acknowledgment Zone Characterization Using Apparent Electrical The authors would like to express their gratitude to Conductivity for Rice Precision Farming. Int. Journal of Ministry of Education Malaysia for granted the project Agri. Research, 6(1): 10-28. under Long-Term Research Grant Scheme (LRGS) and to Universiti Putra Malaysia and many other people who have contributed to the present work.
50
Oil Palm Fresh Fruit Bunches (FFB) Harvesting Model
EI-03
Muhamad Saufi Mohd Kassim1*, Wan Ishak Wan Ismail1, and Siti Khairunniza Bejo1 1
Department of Biological and Agricultural Engineering, Faculty of Engineering, University Putra Malaysia, 43400 UPM Serdang, Selangor,Malaysia. Corresponding author: Muhamad Saufi Mohd Kassim. E-mail: saufi@upm.edu.my
Abstract Oil palm fresh fruit bunches (FFB) need to be harvested at the optimum maturity stage to optimise the quality of palm oil. Currently the oil palm harvester manually determines the FFB maturity based on natural indicators such as FFB color appearance and number of FFB loose fruit drops under the tree. During executing the harvesting operation the harvester need to search for a ripe FFB and at the same time carrying the harvesting pole. Tedious harvesting operation degrades the consistency of their judgement. A harvesting model was developed to manage the FFB maturity information .the model was validate and have a coefficient of determination of R2= 0.95. The processed information enables the development of a map displaying the location of FFB and the maturity stages. The developed map can be used as a support system in harvesting operation. The harvesting model can be a support system enables site specific harvesting at optimum maturity stage, overcome losses due uncollected loose fruit, potential application to eliminate FFB screening process at oil palm mill level and potential tool to predict FFB yield as well as plantation resources management. Keywords: Site Specific Harvesting, Pattern Recognition, Image Processing, Oil Palm
1 Introduction In the standard operating procedure, maturity of Oil Palm FFB is highly related with numbers of loose fruits detached from the oil palm FFB. This is use as a sign to harvest the FFB and has a drawback because uncollected loose fruit is one of the factors contributed to the losses in Malaysian Oil Palm industries. Sime Darby Plantation (2008) reported for every uncollected loose fruit per tree per year, the company will potentially lose almost RM 11 million in income. Thus, a new kind of monitoring system is required to determine maturity stages of oil palm to avoid losses due to loose fruit (Osborne et al., 1992). Each oil palm tree potentially produced 10-12 FFB/tree annually. Female inflorescence takes between 4.5 to 6 months to develop from anthesis to ripeness. The synthesis of the oil in mesocarp occurs from 15 to 16 weeks after anthesis and completed in about 20 to 22 weeks. In order to maximise the oil extraction rate, the FFB should be harvested at its peak of ripeness. The harvesting frequency was scheduled within 10-12 days interval. In every cycle of harvesting operation, farmer
does not have any information on how many bunches and which oil palm trees will be harvested. During executing the harvesting operation the harvester will carry a sickle attached to bamboo or aluminium pole for palm tree over 12 m height and chisel for shorter palm. They will move to each tree searching for ripe fruit (including tree without ripe FFB) and used their own experience to guess the maturity stage based on the natural indicators. Tedious harvesting task force them to lose their judgment consistency and concentration. Their task will be easy if they know the exact location of ripe FFB. A reliable FFB maturity stage determination system and its specific location will be very useful towards better oil palm crop management system. Farmer can schedule and execute targeted harvesting effectively if they know the location of ripe FFB. Worker salary per harvested bunch and total count of bunches can be easily projected before completing the task and yield for every harvesting cycle easily justified after completing the harvesting operation. Accurate yield estimation will be very useful to plan labor and machinery requirement, monetary budget, oil
51
palm mill capacity and various oil palm plantation management aspect. The objectives of this research were to develop a FFB growth monitoring system to determine the harvesting date of particular FFB at particular oil palm tree and the projection of the expected FFB yield of the particular oil palm tree.
acceptable accuracy and possible for a practical use to estimate FFB ripeness, but the cost for the equipment is not affordable, even for bigger plantation. As stated by Osborne et al., a new kind of maturity determination is required that is simple and affordable. Color of oil palm FFB remains one the important factor which determines the grade and quality of the palm oil. Malaysian Palm Oil Board (MPOB) established four classes of FFB maturity stages by referring to the surface color of the FFB. The classes are unripe, under ripe, optimally ripe and over ripe. The unripe class exhibits purplish black color. Meanwhile under ripe and optimally ripe classes appear reddish black and reddish orange in color respectively. The overripe class exhibits almost entire FFB reddish orange coloration. Color of matured FFB was not a constant feature and varies between individual palms and between geographic areas (Arokiasamy, 1968). Most researchers select the surface color of the FFB as the feature to establish the relationship. The surface of the FFB comprises many colors, which most researcher account that as single feature by taken the mean value of the colors. Therefore the colors of the surface must be separate into groups of color that can distinguish the FFB feature such as fruitlet, green spine, blunt spine, trilobes flower and many more. Each of these feature have a significant effect towards the FFB maturity. The statistical analysis can be used to determine the significant of these features in determining the maturity stages especially the analysis of variance (ANOVA). Further the Duncan test can be used to compare the mean in order to select the best group of mean value to establish the relationship of color and ripeness. The equation can then be determined from the result. Commonly the linear regression and multiple linear regressions were used to represent the relationship.
2 Literature Review In oil palm industries, the price of the FFB fluctuates depending on various parameters of which the important parameter is Oil Extraction Rate (OER). Well manage harvesting operation will increase the OER. To have a better oil palm plantation management, a comprehensive tool is required to get the information of oil palm plantation. Software based management of harvesting operation will be a practical solution. Development of software to determine the maturity stage of the oil palm FFB required an extensive amount of input data. The best solution to get the input data was from an imaging device. Nowadays, the research on ripeness sensing of oil palm FFB becomes more and more popular. Stepwise Discriminate Analysis for color grading of oil palm was developed in 2001. This technology was based on palm oil quantification by using a computer vision model in order to grade oil palm FFB. It simply links the oil contents and color for FFB ripeness determination. However, this invention is too expensive to be provided. Abdullah et al. (2001) developed tomographic radar imaging that focused on image acquisition technology to map the moisture content of oil palm FFB. Wan Ishak et al. (2000) studied the Red (R), Green (G) and Blue (B) color vision system, where R band had better discriminating feature to determine the ripeness of FFB. In recent years, hyperspectral imaging was introduced in the ripeness estimation of oil palm FFB. Junkwon et al. (2009) developed weight and ripeness estimation from hyperspectral imaging and he compared the result with 3 Materials and methods Panasonic DMC-TZ10 camera with embedded global RGB color images. Junkwon et al. concluded that ripeness estimation using hyper spectral imaging achieved positioning system (GPS) receiver was used to acquire the 52
FFB images. Each oil palm trees, female inflorescences at anthesis and FFBs under study were tagged and given an individual identity for data recording and retrieval purposes. The images of FFB were acquired in autofocus mode, independent of specific weather condition, time of acquisition, and distance from the object of interest and camera or FFB orientation. This approach was considered to ease the image acquisition process where it can be carry out by unskilled worker at any time during day light. 3.1 Image Acquisition This research was carried out at the Universiti Putra Malaysia oil palm field at the coordinate of 2°58’47.97"N and 101°43’44.77"E. Sixty oil palm trees with the age of five years were selected to be monitored. In this research a fruiting cycle of oil palm FFBs was observed within the period of fruit development starting from the early FFB development until the day of harvesting. Oil palm FFB takes 17 to 24 weeks to ripen from the anthesis stage to maximum oil content synthesis. According to Corley and Tinker, anthesis of normal FFB inflorescence starts when the trilobes flower open and after anthesis the trilobes flower change to purplish color. Anthesis in normal inflorescence usually lasts for 36-48 hour but may extend to a week. Based on this information image acquisition was carried out in three days interval to acquire the images of FFB spanning from the inflorescence stage to harvesting stage. 3.2 FFB images grouping based on maturity stages A complete FFB development from anthesis to harvesting was monitored. The images contain a physical appearance of FFB from early development until the
days of harvesting (Full Set FFB). Determination of Full Set FFB maturity stages was manually measured from the recorded data during monitoring process. The date of image acquisition of opened trilobes flower where anthesis stage begins was recorded as the date of maturity stage in week 0 to indicate the beginning of the FFB development. The last image in the Full Set FFB images will be the image of FFB before harvesting takes place. It can be on the same day of harvest or within three days before harvesting (three days interval image acquisition). The Full Set FFB was grouped into 25 groups based on the 25 level of maturity stages. Each group was named as W0 until W24 to indicate level of maturity in week. More than hundred samples of images for each level of maturity stages were acquired to be process. 3.3 Digital image processing Three physical appearance of the oil palm FFB were considered as feature to determine the maturity stages namely Fruitlet, Green sharp spines (The bract of oil palm female flower) and Brownish blunt spines (the end of flower spikelet). Figure 1 shows the difference of physical appearance of oil palm FFB 10E in three different maturity stages. The green arrow pointed to Fruitlet, the blue arrow pointed to the Green spine and the red arrow pointed to the Blunt spine. These three features will changed either in colour, size or length as the oil palm FFB grow to matured stage. Based on the visual appearance the easiest feature to evaluate is the colour. The images were processed to extract the colour information to investigate the maturity stages. The colours in the images were separated using image clustering technique.
53
Figure 1 Physical appearance of oil palm FFB fruitlet, sharp spine and Blunt spine 3.4 Image clustering The images were clustered using K-means clustering technique to separate the maturity features into a measureable form. This process was performed to separate the colours in order to remove the unwanted objects and measure the exact colour space value of selected feature that represents maturity features rather than analyse the color space of the whole FFB. The FFB images were in Red, Green and Blue (RGB) colour space. In this process the RGB colour images were converted
into HSV (Hue, Saturation and Value) colour space. The Hue colour component of the images were then underwent the image clustering process. Figure 2 shows the example of the clustered images. It shows the images of three main features namely Fruitlet (FT), Green Spine (GS) and Brown Spine (BS). In order to establish the relationship of Hue colour component value and maturity stages, each group of maturity stages were gone through the Statistical analysis.
Figure 2 Clustered images of FFB in Hue color component. 4 Results and Discussion Statistical result from ANOVA and Duncan Test were observed, the mean Hue value was plotted versus the maturity stages. Figure 3 shows the plotted mean hue for images of Green Spine (GS), Fruitlet (FT) and Blunt Spine (BS). The plotted graph showed that the relationships were not linear for all three clusters. The plotted graph
for the mean Hue of FT, GS and BS can be divided into three sections. The first section was from week 0 to 5 named as First Major Growth Stages (FMGS), second section was from week 6 to 14 named as the Second Major Growth Stages (SMGS) and the third section from week 15 to 24 named as Third Major Growth Stages (TMGS).
54
Figure 3. Graph of the relationship of Hue value and maturity stages. Through images observation, it was found out that the FMGS was the period of the beginning of the anthesis stage in week 0 where the trilobes flower emerged and changes the color from red to black to the formation of the fruitlet in week 5. SMGS was the period of the fruitlet development from tiny black color to purplish black. During this period (week 6 to 14), it was very difficult to differentiate the maturity stages since all fruitlet appear black in color the only different was the fruitlet sizes. TMGS (week 15 to 24) was where the beginning of the
fruitlet color changes from purplish black to yellowish red. This is the period of the synthesis of oil in the fruitlet mesocarp, as the oil accumulate the color of the fruitlet also changes. 4.1 FFB growth model by using Hue color space Table 1 tabulated the obtained Linear Regression Model (LR) and Multiple Regression Model (MLR) equation for the FFB Growth Model based on the mean Hue value from each FFB maturity features namely GS, FT and BS.
Table 1 The obtaind Hue color component equation for FFB Growth Model. Growth Stages FMGS (Week 0 to 5) SMGS (Week 6 to 14) TMGS (Week 15 to 22) Growth Stages FMGS (Week 0 to 5) SMGS (Week 6 to 14) TMGS (Week 15 to 22)
GS Model y = -326.98x+ 39.76 y = 597.69x - 64.05 y = -215.69x + 43.38
R2 0.77 0.88 0.94
Linear equation Model FT Model R2 BS Model y = 38.07x- 23.2 0.91 y = 110.8x - 17.88 y = -160.08x+ 118.52 0.62 y = 297.61x- 63.37 y = 50.91x - 19.18 0.96 y = 98.18x- 6.2 Multiple Linear Regression Model (MLR) y = 2.52 - 14.28(GS) + 3.09(BS) + 1.54(FT) y = 12.7 + 6.84(GS) + 6.23(BS) â&#x20AC;&#x201C; 7.80(FT) y = 7.94 â&#x20AC;&#x201C; 2.28(GS) + 0.32(BS) + 13.95(FT)
4.2 Data Validation In the validation process a sets of oil palm FFB were chosen. The accuracies of the validation data were measured in two aspects, the difference between the predicted value and the actual value and the measure of coefficient of determination, R2 of the predicted value as compared to the actual value. Figure 4 shows the sample of the graph of Predicted Maturity Stage and
R2 0.92 0.82 0.22
Actual Maturity Stage of oil Palm FFB from tree P9. Six FFB from oil palm P9 was chosen namely FFB 9H, 9I, 9J, 9K, 9L and 9M. Random samples of FFB images were drawn from each FFB samples. Extracted Hue value from the images samples were feed to the models. As a result, Hue based models has a coefficient of determination, R2 = 0.92 in determining the maturity stages of FFB taken from oil palm tree P9.
55
Figure 4 Plot of actual maturity stage vs predicted maturity stage of FFB samples from oil palm tree P9. 4.3 Harvesting Data Predicted maturity stage value from this model can be used to determine how many days left before harvester can execute the harvesting operation, by using Equation 1. and enabled site specific harvesting since the
image data embedded with GPS location. Efficient yield recording since maturity stages and harvesting time is known.Consequently this finding will help increase oil palm production. -------- Equation 1
DOHSDN = DOASDN + (DOFFB - (W*7)) Where: DOH= Date of Harvest (DD/MM/YYYY) DOA= Date of Image Acquisition (DD/MM/YYYY) DOFFB= Days of FFB Development (Days) W= Predicted age of FFB in week (W*7)= Predicted age of FFB in days SDN= Serial Date Number (Days), 01/01/0000 = 1
A digital map plotting the variability of FFB yield can be produced using any GIS software. In the form of digital map the user can visualize the yield variability and easily understand the graphic representation. Figure 5 shows the yield map of the oil palm in this research field. It shows a yield decreasing pattern from the north to the south of the research field. Based on the information from the digital map proper action can be carried out to rectify the yield variability. Figure 5 Map of yield variability of the research area. 4.4 Harvesting Map Based on information from the model a harvesting schedule can be tabulated. Table 2 shows an example of tabulated harvesting date and the GPS location of the particular tree, also the identity of the tagged FFB. 56
5 Conclusions The developed models to predict the growth stages of FFB utilize the information of the processed FFB digital images. The models can promote towards better plantation management. In term of introducing the site specific oil palm harvesting that will save more time in roaming and searching the ripe FFB. Possible daily harvesting schedule since maturity level and specific location were known. Have a potential to skip grading operation at mill level since maturity stages were confirmed at field level. These advantages will increases oil palm production productivity for the whole plantation in Malaysia. Findings from this research will lead to the path of realization of the robotic harvesting system. Since the developed models solve the detection of FFB maturity level, location of matured FFB and initial information of the exact location of FFB. The reliability of this support system depends on the The GPS location of each oil palm tree helps user to availability of the data. The data must constantly deliver find the specific location of the FFB to speed up the to the computer support system. Data collection is a harvesting operation. A map of harvesting point can be continuous operation along the economic lifetime of the generated based on the information generated in the tree. Since the development to ripeness took about six harvesting schedule. User can plan the harvesting route months, this developed system must have a data within efficiently. Figure 6 shows the example the generated a cycle of six month. Application to bigger scale harvesting map based. plantation will increase this burden. An automated system for data collection process needs to be developed in the form of robotized equipment carrying the tools to collect the data for bigger size plantation. Table 2. Harvesting schedule for May 2011
HARVESTED FFB EASTING a NORTHING b DATE 3-May-11 16M 414930.1 329808.2 3-May-11 20L 414929.1 329771.2 7-May-11 19J 414928.6 329780.0 10-May-11 59S 414900.6 329744.9 11-May-11 17P 414929.1 329798.1 14-May-11 16L 414930.1 329808.2 17-May-11 62F 414892.7 329731.5 18-May-11 60I 414900.6 329737.0 24-May-11 22O 414922.1 329756.9 24-May-11 62G 414892.7 329731.5 25-May-11 19K 414928.6 329780.0 25-May-11 20I 414929.1 329771.2 25-May-11 40K 414906.7 329741.2 29-May-11 20K 414929.1 329771.2 31-May-11 59R 414900.6 329744.9 Grid map reference system. a The grid numbers on the east-west (horizontal) axis. b The grid numbers on the north-south(vertical) axis
Figure 6. Generated harvesting map for May 2011
6 References Sime Darby Plantation, 2008. Loose fruit vs lost income. Bimothly Report No. Vol 2/6, Seedlink. Osborne, D. J., J. Henderson and R.H.V. Corley, 1992. Controlling fruit-shedding in the oil palm. Endeavour, 16(4): 173-177. Abdullah, M.Z., L.C. Guan and B.M.N. Mohd Azemi, 2001. Stepwise discriminant analysis for colour grading of oil palm using machine vision system. Food Bioprod. Process., 79(4): 223-231.
57
Junkwon, P., T. Takigawa, H. Okamoto, H. Hasegawa, M. Koike, K. Sakai et al., 2009. Potential application of color and hyperspectral images for estimation of weight and ripeness of oil palm (elaeis guineensis jacq. var. tenera). Agric. Inform. Res., 18(2): 72-81. Arokiasamy, M., 1968. Investigation into the Oil Content of Oil Palm Fruit Bunches. Proceeding of Malaysian Oil Palm Conference. (P.D.Turner, Ed). Incorporated Society of Planter, Kuala Lumpur, 136-140. Corley, R. and Tinker, P. 2003. The Oil Palm. World Agriculture Series. 4th edn. Blackwell Publishing,Oxford, 42 p.
58
Color values models for determination of citric acid in pineapple
PHF-02
Ravipat Lapcharoensuk1* Teeramit Aimwongsa2, Aumnuai Kaeynok2, Noppadon Phannote2 and Dimae Kasetyangyunsapa2. 1
Curiculum of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkutâ&#x20AC;&#x2122;s Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok 10520, Thailand. 2 Division of Agricultural Engineering, Faculty of Science and Technology, Rajamangala University of Technology Tawan-ok, Bangpha, Sriracha, Chonburi 20110, Thailand. Corresponding author: Ravipat Lapcharoensuk. E-mail: ravipat.la@kmitl.ac.th
Abstract Citric acid is important chemical properties of pineapple which is used for deciding quality in pineapple industry. Nowadays titratable acidity analysis is standard method for determination of citric acid. This method is difficultly, used long time and destectively. This research aims to study establishment of color value models for determination of citric acid in pineapple. The 225 samples of Smooth Cayenne (Pattavia) pineapple were collected from difference markets around Chonburi province (100 samples) and commercial orchard at 5 difference maturity (125 samples). Color values of pineapple flesh were recorded on CIE system (L*, a* and b* values). Citric acid was measured by AOAC titratable analysis. Multiple linear regressions (MLR) were used to establish color values models for determination of citric acid. The best prediction results showed that rval was 0.63; SEP was 0.11 and bias was -0.01. This finding indicates possibility of application of color of pineapple flash to evaluate citric acid of pineapple. Keywords: Pineapple, Citric acid, Color, Multiple linear regressions.
1 Introduction Pineapple (Ananas Comosus L.) is commercial agricultural product of Thailand what is consumed in its fresh state or in processed products. Pattavia cultivar pineapple (Smooth Cayenne) is one of popular varieties in Thailand. One of the most important chemical properties of pineapple is citric acid. Citric acid is main indicator which is always used to decide a quality of pineapple. Nowadays titratable acidity analysis is standard method for determination of citric acid. This method is difficultly, used long time and destectively. Nowadays, non-destructive evaluation for agricultural products and food is popular because this technique is rapid, reduced time, environment friendly and low cost. Many researches have been studied non-destructive quality evaluation of pineapple such as near-infrared (NIR) spectroscopy (Srivichien et al., 2015; Chia et al., 2012; Walsh et al., 2000), acoustic and ultrasound technique (Chyung, 2000; Valente et al., 2001;
Boonmung, 2006; Pathaveerat et al., 2008) and X-ray images (Haff , 2006). High performance of evaluation of citric acid in fruits by non- destructive technique have been reported in previous researches such as mango (Marques et al., 2016), passion fruit (Oliveira et al., 2014) and bayberry fruit (Xie et al., 2011). Nevertheless, the instruments for these techniques are expensive and difficult for using in fieldwork. The one of interested technique, can resolves about high cost of instrument and the instrument is able to be carried to fieldwork, is handheld colorimeter. Color values and chemical component are used to create model with multivariate mathematical method. Many methods are interested for establishing the model such as multiple linear regression (MLR), partial least squares regression (PLSR), principle component regression (PCR), and artificial neural network (ANN). Lapcharoensuk and Sirisomboon (2015) reported possibility of using the model of color values created by MLR method for assessing whiteness and transparency of
59
2.3 Citric acid Citric acid was assessed using the mixed juice from 5 pieces of pineapple flesh at the same positions which were used to record the color of flash. Titratable acidity was assayed based on the method of Hajar et al. (2012). Briefly, 5 ml of pineapple juice contained in a 50-ml Erlenmeyer flask, titrated with 0.1 N NaOH to the end point (indicated by phenolphthalein) and expressed as a percentage of citric acid (g citric acid/100 g fresh weight). Measurements were performed in triplicate at each position, and then they were averaged. 2.4 Data analysis and models establishment The outlier data of color values (L*, a* and b*) and 2 Materials and Methods citric acid of pineapple were checked using equation (1) 2.1 Pineapple samples (Posom et al., 2016). Pineapple samples (Ananas comosus cv. Smooth (X -X̅ ) i (1) ≥± 3 Cayenne or Pattavia) were collected from 2 sources what SD were the commercial orchard (125 samples) and where Xi is the measured value of sample i. X̅ and SD difference markets (100 samples) in Chonburi province, Thailand. The samples from the commercial orchard are the mean and standard deviation of the measured were randomly harvested at 5 difference maturities values of all samples, respectively. If the equation is which were 130, 140, 150, 160 and 170 days after initial satisfied, the sample was identified an outlier. The color values models were developed using three blooming. The pineapple samples from markets were gathered 5 times from various markets which numbers of groups of data which were commercial orchard (CMO), samples per each time were 20 samples. Each difference markets (DFM) and combination of both experiment day samples were transported to post groups (COM). In order to establish the models, two harvest laboratory, division of agricultural engineering, formulas of color values (table 1) were fitted using faculty of science and technology, Rajamangala multiple linear regressions (MLR) technique. The samples University of Technology Tawan-ok, Chonburi province, were assigned to calibration and validation sets. The Thailand. Before each experiment, the samples were eighty presents of samples were used as calibration set kept at 25 oC to regulate temperature of pineapple to be for establishing the multiple linear regressions model and the remainder samples (20%) were defined to validation room temperature. set. The calibration set was used to develop models and 2.2 Color values The color of pineapple flesh were recorded on CIE full cross-validation method was used to calculate error (L*, a* and b* value) system. Colorimeter (R-10, Konika of models. The created models were then used to Minota, Japan) was used to measure color of pineapple. predict the dependent variable in the validation group. The L*, a* and b* values were collected at five positions Models development and prediction process was done (72 apart) at the aquatorial part of the fruit. The figure 1 using ‘The Unscramble’ software (version 9.8, Norway). shows five positions of color value measurement on The performance of determination of citric acid in pineapple flesh. Measurements were performed in pineapple using the color values model was evaluated in triplicate at each position, and then they were averaged. term of correlation coefficient of calibration (rcal) and milled rice. The prediction of maturity index of mango using the models of color values, were developed by used MLR, PLSR and PCR techniques, was reported by Jha et al. (2007). Therefore the study about prediction of citric acid of pineapple by model of color values is interesting. The objectives of the research were to develop the mathematical models using MLR technique to correlate the color values with citric acid of pineapple. This information is useful for breeders and postharvest technologists as well as distributor, market agent, importer and exporters of pineapples.
60
validation (rval), standard error of calibration (SEC), standard error of prediction (SEP) and bias.
Figure 1 shows five position of color value measurement on pineapple flesh. Table 1 Color values models for predicting citric acid in pineapple. Formula Variables 1 L*, a*, b* 2 L*, a*, b*, L*a*, L*b*, a*b*, L*2, a*2, b*2
a
Modelsa Citric acid = c1L*+c2a*+c3b*+d Citric acid = c1L*+c2a*+c3b*+c4 L*a*+c5 L*b*+c6a*b*+c7L*2+c8a*2+c9b*2+d
c1, c2 c3 c4 c5 c6 c7 c8, c9 are regressions coefficient and the d is intercepts. values of pineapple flesh and citric acid. Variance of 3 Results and Discussion ambient light intensity, were not controlled between The minimum (Min), maximum (Max), mean, and experiments, might be main effect to variance in color standard deviation (SD) of citric acid in pineapple of 3 measurement and error of citric acid prediction. In groups of data were showed in the table 2. The range in practice, control of ambient light is difficultly. However citric acid of CMO group was between 0.16 and 0.85 black cover might be used to close sample between while the DFM was 0.35 and 0.98. The COM group was color measurements for control condition. The results of combined using CMO and DFM groups showed range the COM2 model showed its highest prediction ability of among 0.16 and 0.98. The SD values for calibration set of all models (rval = 0.63; SEP = 0.11; Bias = -0.01). The all group was more than validation set. The SD value was results of the all models except the CMO model created calculated for explaining the amount of variation or using the formula No.2 indicated its better prediction dispersion from average what indicated the ability than that the formula No.1. The MLR formula of comprehensiveness of data in calibration models. COM2 model is shown in equation 2. The scatter plots of The table 3 showed statistical results of prediction reference data (X) and prediction data (Y) were showed citric acid using color values models. The rval values of in the Figure 2. all models were between 0.43 and 0.63. These results demonstrated moderate correlation between color Citric acid=-0.012L*-0.036a*+0.023b*-0.002L*a*+0.001L*b*+0.005a*b*-0.0001L*2-0.003a*2-0.001b*2+0.477 (2)
61
Table 2 Minimum (Min), maximum (Max), mean, and standard deviation (SD) of citric acid (g citric acid/100 g fresh weight) in pineapple of 3 groups of data. group CMO DFM COM
Number of sample 97 77 174
Calibration Min Max
Mean
SD
0.16 0.35 0.16
0.50 0.62 0.55
0.16 0.13 0.16
0.85 0.98 0.98
Number of sample 24 18 42
Validation Min Max
Mean
SD
0.25 0.44 0.25
0.52 0.62 0.56
0.15 0.12 0.14
0.80 0.81 0.81
Table 3 Statistical results of prediction citric acid using color values models. Model CMO1 CMO2 DFM1 DFM2 COM1 COM2
rcal 0.44 0.68 0.40 0.54 0.37 0.53
rval 0.56 0.43 0.52 0.61 0.57 0.63
SEC 0.14 0.11 0.12 0.11 0.15 0.13
62
SEP 0.13 0.14 0.09 0.09 0.12 0.11
Bias -0.01 -0.01 -0.00 -0.01 -0.02 -0.01
Figure 2 The scatter plots of reference data (X) and prediction data (Y) of citric acid of pineapple (g citric acid/100 g fresh weight). (a) CMO1; (b) CMO2; (c) DFM1; (d) DFM2; (e)COM1; (f) COM2. Haff, R. F., Slaughter, D. C., Sarig, Y., Kader, A. 2006. X-ray 4 Conclusions assessment of translucency in pineapple. Journal of The model developed by the data from combination Food Processing and Preservation 30, 527–533. of commercial orchard and difference markets using formula No. 2 showed the best prediction results for Jha, S. N., Chopra, S., Kingsly, A. R. P. 2007. Modeling for nondestructive evaluation of maturity of mango. citric acid of pineapple. The study reveal that color Journal of food engineering, 78, 22-26. values on CIE (L*a*b*) of pineapple can be substituted in the multiple linear equation to determine citric acid in Lapcharoensuk, R., Sirisomboon P., 2015. Alternative method for measurement of pineapple. It could be an alternative technique use to whiteness and transparency of rice using evaluate citric acid in pineapple. mathematical model of color values. Paper 5 Acknowledgements presented at the 8th Thailand society of The authors gratefully acknowledge the financial agricultural engineering (TSAE) international support provided by Rajamagala University of Technology conference. Tawan-ok under research budget of 2014. The opinions Marques, E. J. N., Freitas, S. T., Pimentel M. F., Pasquini C. expressed in this research article are the authors’ alone. 2016. Rapid and non-destructive determination of quality parameters in the ‘Tommy Atkins’ mango 6 References using a novel handheld near infrared spectrometer. Boonmung, S., Chomtee, B., Kanlayasiri, K. 2006. Food Chemistry, 197(B), 1207-1214. Evaluation of agricultural neural networks for Oliveira, G. A., Castilhos, F., Renard, C. M. G. C., Bureau, S. pineapple grading. Journal of Texture Studies 37, 568– 2014. Comparison of NIR and MIR spectroscopic 579. methods for determination of individual sugars, Chia, K. S., Rahim, H. A., Rahim, R. A. 2012. Prediction of organic acids and carotenoids in passion fruit. Food soluble solids content of pineapple via non-invasive Research International, 60, 154-162. low cost visible and shortwave near infrared Pathaveerat, S., Terdwongworakul, A., Phaungsom-but, A. spectroscopy and artificial neural network. Biosystems 2008. Multivariate data analysis for classification of Engineering 113(2), 158-165. pineapple maturity. Journal of Food Engineering, 89, Chyung, A. 2000. Evaluating the internal quality of pineapple by acoustics. ASAE paper No. 00613. 63
Posom, J., Shrestha, A., Saechua, W., Sirisomboon, P. 2016. Rapid non-destructive evaluation of moisture content and higher heating value of Leucaena leucocephala pellets using near infrared spectroscopy. Energy, 107, 464-472. Srivichien, S., Terdwongworakul, A., Teerachaichayut S., 2015. Quantitative prediction of nitrate level in intact pineapple using Vis–NIRS. Journal of Food Engineering 150, 29-34. Valente, M., Duprat, F., Grotte, M., Lasaygues, P. 2001. Non-destructive evaluation of firmness of fresh pineapple by acoustic method. Acta Horticulturae 562, 391–396. Walsh, K. B., Guthrie, J. A., Burney, J. 2000. Application of commercially available, low-cost, miniature NIR spectrometers to the assessment of the sugar content of intact fruit. Australian Journal of Plant Physiology 27, 1175–1186. Xie, L., Ye, X., Liu, D., Ying, Y. 2011. Prediction of titratable acidity, malic acid, and citric acid in bayberry fruit by near-infrared spectroscopy. Food Research International, 44, 2198-2204.
64
Physicochemical Properties of Pineapple at Difference Maturity
PHF-03
Ravipat Lapcharoensuk1* Noppadon Phannote2 and Dimae Kasetyangyunsapa2. 1
Curriculum of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkutâ&#x20AC;&#x2122;s Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok 10520, Thailand. 2 Division of Agricultural Engineering, Faculty of Science and Technology, Rajamangala University of Technology Tawan-ok, Bangpha, Sriracha, Chonburi 20110, Thailand. Corresponding author: Ravipat Lapcharoensuk. E-mail: ravipat.la@kmitl.ac.th
Abstract Physicochemical properties are used to specify the quality of pineapple. Physicochemical properties of pineapple usually change among difference maturities. The purpose of this research is study of physicochemical properties of pineapple at difference maturity. In addition, correlations of all physicochemical properties were investigated. The 125 pineapple samples were randomly harvested at 130, 140, 150, 160 and 170 days after initial blooming. The correlations among physicochemical properties were also studied. The physical properties (size, weight, volume, and apparent density) changed until 140 days of harvested and did not differ over 140 days. Lightness (L*), greenness (-a*) and yellowness (b*) of pineapple fruit increased according harvested day while pineapple flesh deceased. The chemical properties of pineapple (total soluble solid content, titratable acidity, and the ratio of Total soluble solid content to titratable acidity) except the pH value differed significantly among harvested days. Physical properties of pineapple (GMD, weight, volume and apparent density) correlated obviously among themselves (r > 0.73) Color of pineapple flesh correlated with total soluble solid which showed correlation coefficient (r) between 0.80 and -0.55. It is important information for better understanding the agricultural products physiochemical properties events, and guiding the right fruit harvest and postharvest practice for distributors, market agents, importers, and exporters. Keywords: Pineapple, Physicochemical, Maturity
1 Introduction Pineapple (Ananas comosus L.) is an important fruit planted extensively in tropical and subtropical regions (Shamsudin et al., 2007). Thailand is one of the most pineapple producers in the world. One of the more popular pineapple varieties in Thailand is Pattavia (Smooth Cayenne). Physicochemical properties are used to specify the quality of fruits. The changes in physicochemical properties usually occur during fruit maturation. Several researchers studied on physicochemical properties of agricultural products at difference maturities such as coconut water (Tan et al., 2016), longan (Shi et al., 2016), Pomegranate fruit (Fawole et al., 2013) and Pomelo (Sirisomboon et al., 2012). It is important information for better understanding the agricultural products physiochemical properties events, and guiding the right fruit harvest
and postharvest practice for distributors, market agents, importers, and exporters. Therefore this research aims to study the changes of physicochemical properties of pineapple at difference maturity. In addition, correlations of all physicochemical properties were investigated. 2 Materials and Methods 2.1 Pineapple samples All pineapple (Ananas comosus cv. Smooth Cayenne or Pattavia) samples were collected from the commercial orchard in Chonburi province, Thailand. The samples (n=125) were harvested at 130, 140, 150, 160 and 170 days after initial blooming which the number of fruits for each harvested day were 25 samples. The pineapples were then delivered to post harvest laboratory, division of agricultural engineering, faculty of science and technology, Rajamangala University of Technology
65
Suspended particles in juice ware removed by sieving through cheesecloth. Handheld refract meter (Master-M, Atago, Japan) was used to assess total soluble solid content of pineapple juice which was expressed in %Brix. TSS analysis was done three duplicate per sample. 2.5 pH pH of pineapple juice were determined by pH meter (HI98107, HANNA). The average values of three replications were reported. 1 (1) 2.6 Tittratable acidity (TA) GMD=(a×b×c) 3 The pineapple juice from squeezing by domestic where GMD is geometric mean diameter (in cm), a is the height of fruit (in cm), b is equatorial width juicer in TSS assessment session was divided to use perpendicular to a (in cm) and c is perpendicular to a evaluation of tritratable acidity. Titratable acidity of each pineapple was assayed based on the method of Hajar et and b (in cm). Each fruit was weighed using a digital electric balance al. (2012). Briefly, 5 ml of pineapple juice contained in a (PL3002, METTLER TOLEDO, Switzerland max weight 3100 50-ml Erlenmeyer flask, titrated with 0.1 N NaOH to the end point (indicated by phenolphthalein) and expressed g with a 0.01 g resolution). as a percentage of citric acid (g citric acid/100 g fresh m V= w (2) weight). ρw 2.7 The ratio of Total soluble solid content to where V is volume of pineapple (in cm3), mw is mass of titratable acidity (RTT) fruit (in g) weighed in water and ρw is the density of The ratio of Total soluble solid content to titratable water (approximately 1 g/cm-3). acidity was calculated as: The apparent density of each pineapple fruit was TSS (4) RTT= determined using equation follow: TA Tawan-ok, Chonburi province, Thailand. Before each experiment assessment, the fruits were kept at 25oC to regulate temperature of pineapple to be room temperature. 2.2 Size, weight, volume and apparent density The size of each pineapple fruit was reported on geometric mean diameter (GMD). The GMD value can be expressed as:
ρ=
ma V
(3)
where ρ is apparent density of pineapple (in gm-3) and ma is mass of pineapple weighted in air (in g). 2.3 Color of fruit and flesh The color of fruit and flesh of each pineapple were recorded on CIE (L*, a* and b* value) system. Colorimeter (R-10, Konika Minota, Japan) was used to measure color of pineapple. The L*, a* and b* values were collected at five positions (72 apart) at the aquatorial part of the fruit which points of color of flesh measurement were also the fruit. Measurements were performed in triplicate at each position, and then they were averaged. 2.4 Total soluble solid content (TSS) Pineapple flesh from the 5 positions of color measurement was squeezed with domestic juicer.
2.8 Statistical analysis The mean and standard deviation of physicochemical properties were calculated. The mean of physicochemical properties were compared by One-way ANOVA and Dancan’s multiple range tests at 95% confidence interval. The correlation coefficients among the physicochemical properties were calculated with confident level of 95%. 3 Results and Discussion Table 1 showed changing of physical properties (GMD, weight, volume and apparent density) of pineapple at difference maturity. The results showed that the physical properties increased significantly up until 140 days of harvested and did not differ significantly over 140 days.
66
Color of fruit and flesh at difference maturity are exhibited in the table 2. The color of fruit did notchange before 150 days of harvested. The L* and b* values increased dramatically after 150 days of harvested, while the L* values differ slightly. Lightness (L*), greenness (-a*) and yellowness (b*) of pineapple fruit increased according harvested day. Color of flesh changed significantly according harvested day. The L* did not differ among harvested days. However the a* and b* value of pineapple flesh decreased significant among harvested days. Pineapple flesh showed decreasing of lightness (L*), greenness (-a*) and yellowness (b*) among harvested day. Results of considering the change of chemical properties of pineapple at difference maturity are presented in table 3. The results regarding the change
observed in the chemical properties of pineapple at different harvested day showed that the TSS increased significantly up until 150 days of maturity and remained constant after 150 days. The results were consistent with previous researches (Boonmung et al., 2006; Saradhuldhat and Paull, 2007; Shamsudin et al., 2007) that TSS increase at the early ripening stage and it gradually increased on late stage of a pineapple fruit development. The TA of pineapple increased between 130 to 150 days and reduced subsequently. Saradhuldhat and Paull (2007) also presented there was a decrease in TA of pineapple after being peak. The pH of pineapple juice did not change significantly among harvested days. The RTT of pineapple increased significantly according harvested days.
Table 1 size, weight, volume and apparent density of pineapple at difference maturity. Harvested day Geometric mean diameter Weight Volume (days) (cm) (g) (cm3) 130 802.93 303.71a 872 320a 11.4 1.5a b b 140 14.0 4.2 1311.60 425.01 1272 456b 150 12.8 1.9ab 1250.60 547.07b 1256 524b 160 1201.00 388.23b 1224 382b 12.7 1.5ab 170 12.6 2.1ab 1216.40 579.61b 1200 558b Mean sharing the same latter in a column are not significantly (p>0.05) different from one
Apparent density (kg•cm-3) 0.94 0.10a 1.09 0.35b 0.99 0.53b 0.98 0.14b 1.03 0.16b
Table 2 color fruit and flesh of pineapple at difference maturity. Harvested day Color of fruit (days) L* a* b* L* 130 -2.6 1.3a 9.1 1.1a 75.0 1.6a 35.3 4.5a 140 35.4 4.6a -3.8 0.8a 9.9 1.9a 72.4 1.9ab 150 34.9 5.4a -4.7 1.3b 10.9 3.1a 71.7 1.6b b b b 160 -4.6 2.8 14.8 5.8 71.4 4.5b 39.0 7.5 170 39.9 6.6b -3.7 5.7ab 16.9 7.3b 70.4 10.6b Mean sharing the same latter in a column are not significantly (p>0.05) different from on
67
Color of flesh a* -12.0 1.0a -11.8 0.7a -10.3 0.6bc -10.5 0.7b -9.9 1.0c
b* 31.8 2.8a 30.2 1.7b 27.2 1.1c 24.9 1.8d 26.9 3.7c
Table 3 Total soluble solid content and citric acidity of pineapple at difference maturity. TA (g citric acid/100 g fresh weight) 130 7.0 1.8a 4.0 0.3c 0.4 0.2a 140 8.4 2.4b 3.8 0.2ab 0.5 0.1b c a 150 3.8 0.2 0.6 0.1c 13.4 2.6 160 13.6 1.9c 3.7 0.1a 0.6 0.1bc 170 14.0 1.8c 3.9 0.2bc 0.5 0.1b Mean sharing the same latter in a column are not significantly (p>0.05) different from one Harvested day (days)
TSS (%Brix)
pH
RTT 20.8 6.0ab 17.8 2.0a 21.5 3.0b 25.8 6.0c 30.0 10.3d
the b* value of flesh (r = 0.51). This indicated that, as the pineapple fruit greenness increased, the flesh yellowness increased. The a* and b* value of flesh correlated with TSS (r = 0.80 and -0.55). This indicated that the change of TSS might be monitored by color of flesh. The TSS correlated positively with the TA and the TA correlated negatively with the pH.
Correlations of among physicochemical properties of pineapple show in table 4. The GMD correlated positively with weight and volume (r = 0.76 and 0.73 respectively). The weight correlated positively with volume (r = 0.94). This indicated that, as the size of pineapple fruit increased, the weight and volume also increased. The apparent density did not correlate with each other properties. The a* value of fruit related positively with
Table 4 Correlation coefficient (r) of among physicochemical properties of pineapple. GMD Properties GMD 1.00 Weight 0.76 Volume 0.73 Apparent density 0.06 L*ex -0.30 a*ex -0.24 b*ex -0.05 L*in -0.07 a*in -0.17 b*in -0.08 TSS -0.02 TA 0.18 pH -0.19 RTT -0.22 in - pineapple fruit ex - pineapple flesh
Weight 1.00 0.94 0.10 -0.33 -0.33 -0.02 -0.12 -0.01 -0.26 0.17 0.33 -0.28 -0.17
Volume 1.00 -0.15 -0.30 -0.24 -0.01 -0.11 -0.02 -0.22 0.16 0.32 -0.28 -0.19
Density 1.00 0.00 -0.13 -0.02 -0.03 0.02 -0.08 -0.03 -0.03 0.00 0.03
L*ex 1.00 0.41 0.49 -0.17 0.37 0.03 0.30 -0.01 0.06 0.37
a*ex 1.00 0.21 -0.20 0.15 0.51 -0.08 -0.13 0.23 0.02
4 Conclusions The physical properties changed until 140 days of harvested and did not differ over 140 days. Color of fruit and flesh changed at difference maturity. Lightness (L*), greenness (-a*) and yellowness (b*) of pineapple fruit increased according harvested day while pineapple flesh
b*ex 1.00 -0.27 0.45 -0.08 0.35 0.00 -0.02 0.39
L*in 1.00 -0.46 0.05 -0.41 -0.07 0.07 -0.38
a*in 1.00 -0.47 0.80 0.38 -0.13 0.51
b*in 1.00 -0.55 -0.39 0.31 -0.18
TSS 1.00 0.64 -0.43 0.45
TA 1.00 -0.71 -0.36
pH 1.00 0.32
RTT 1.00
deceased. Chemical properties of pineapple except the pH value changed among harvested days. Physical properties of pineapple (GMD, weight, volume and apparent density) correlated obviously among themselves (r > 0.73) Color of pineapple flesh correlated with total soluble solid which showed correlation
68
coefficient (r) between 0.80 and -0.55. It is important Sirisomboon, P., Theamprateep, C.. 2012. Physicochemical and textural properties of pomelo information for better understanding the agricultural (Citrus maxima Merr. Cv. Kao Nam Pueng) fruit products physiochemical properties events, and guiding at preharvest, postharvest and during the the right fruit harvest and postharvest practice for commercial harvest period. Philipp. Agric. Sci., distributors, market agents, importers, and exporters. 95(1), 43-52. 5 Acknowledgements Tan, T. C., Cheng, L. H., Bhat, R., Rusul, G., Easa A. M. The authors gratefully acknowledge the financial 2014. Composition, physicochemical pro-perties and support provided by Rajamagala University of Technology thermal inactivation kinetics of polyphenol oxidase Tawan-ok under research budget of 2014. The opinions and peroxidase from coconut (Cocos nucifera) water expressed in this research article are the authors’ alone. obtained from immature, mature and overly-mature 6 References coconut. Food Chemistry, 142, 121-128 Boonmung, S., Chomtee, B., Kanlayasiri, K. 2006. Evaluation of agricultural neural networks for pineapple grading. Journal of Texture Studies 37, 568– 579. Fawole, O. A., Opara, U. L., 2013 Changes in physical properties, chemical and elemental composition and antioxidant capacity of pomegranate (cv. Ruby) fruit at five maturity stages. Scientia Horticulturae, 150, 37-46. Hajar, N., Zainal, S., Nadzirah, K. Z., Siti Roha, A. M., Atikah, O., & Tengku Elida, T. Z. M. (2012). Physicochemical properties analysis of three indexes pineapple (Ananas Comosus) peel extract variety N36. APCBEE Procedia, 4, 115-121. Saradhuldhat, P., Paull, R. E., 2007. Pineapple organic acid metabolism and accumulation during fruit development. Scientia Horticulturae 112, 297–303. Shamsudin, R., Daud, W. R. W., Takriff, M. S., Hassan, O. 2007. Physicochemical properties of the josapine variety of pineapple fruit. International Journal of Food Engineering, 3. Shi, S., Wei, Liu, W. L., Shu, B., Wei, Y., Jue, D., Fu, J., Xie, J., Liu, C. 2016. Physico-chemical properties of longan fruit during development and ripening. Scientia Horticulturae, 207, 160-167. Sirisomboon, P., Lapcharoensuk, R. 2012. Evaluation of the physicochemical and texture properties of pomelo fruit following storage. Fruits, 67(6), 399-414.
69
PHF-04
Preparation of Tri-phala Waste for Gallic Acid Production by Solid State Fermentation from Aspergillus niger ATCC 16888 Pattarabhorn Pakaweerachat1*, Teerin Chysirichote1 1
Department of Food Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang, Chalongkrung 1, Chalongkrung Rd., Ladkrabang, Bangkok 10520 Thailand. Corresponding author: Pattarabhorn Pakaweerachat. E-mail: pattarabhorn.p@rmutk.ac.th
Abstract This research aims to study the preparation conditions of Tri-phala waste for gallic acid production in solid-state fermentation (SSF) of Aspergillus niger ATCC 16888. The studied conditions of the SSF for gallic acid production included 1) initial moisture content of Tri-phala waste at 50, 55, 60 and 65% and 2) inoculum size of A. niger spores 1x105, 5x105 and 1x106 spores g-1dry substate The SSF was performed at 30ºC for 96 h. The results indicated that the highest specific growth rate as 0.066±0.004 h-1 was obtained from the SSF conducted on 55% moisture Tri-Phala waste with the inoculum size 5x105 spores g-1dry substate Within the same initial moisture content of Thi-phala waste, the highest specific growth rate when inoculating 5x105 spores g-1dry substate was significantly higher than the other inoculum sizes. The highest tannase production rate was obtained when preparing the waste at 55% moisture content and inoculating A. niger 5x105 spores g-1dry substate as 0.005±0.000 h-1. The gallic acid mostly increased during 36-48 h and the maximum of gallic acid production was 11.49±0.39%. Keywords: Tri-phala, Solid-state fermentation, Aspergillus niger
1 Introduction Tri-phala is one of the herbal medicine formulas found in Thailand and India. It consists of three herbs; Emblica officinalis, Terminalia chebula Retz. var. chebula and Terminalia bellerica (Gaertn.) Roxb (Frawley, 2003). There are many evidences showing its properties of a cancer inhibition (Sandhya and Mishra, 2006), an inflammation (Sandhya et al., 2006; Rasool and Sabina, 2007; Madani and Jain, 2008) and an antioxidation (Naik et al., 2005; Koppikar et al., 2014). Moreover, it has been used for lowering sugar and lipid levels in blood (Rajan and Antony, 2008; Maruthappan and Shree, 2010). The active compounds found in Tri-phala, such as flavonoids and tannins have high-water solubility and strong electronegativity properties. Tannins are natural polyphenols that are mainly found in secondary metabolites of plant. They form complex compounds by binding to proteins. Hydrolysable tannins can be divided into two types, 1) gallotannin, which releases gallic acid, and 2) ellagitannin, which releases ellagic acid after hydrolysis. Non-
hydrolysable tannins have very complex molecules, called polymeric polyphenols (Swain and Bate-Smith, 1962; Bhat et al., 1998; Khanbabaee and Van, 2001; Adamczyk et al., 2011; Chávez-González et al., 2014). Besides chemical hydrolysis, biotechnological degradation is one of the efficient ways to degrade high molecular weight tannins to smaller ones that have important biological activities such as a gallic acid. Pharmaceutical industries have been uses a gallic acid as a precursor in many productions of medicines such as Trimethoprim and Amoproxin (Ow and Stupans, 2003). In cosmetic industries, a gallic acid is used as an astringent to reduce pore sizes of skin. Also, it is used as an antioxidant agent for oil products in food industries (Ow and Stupans, 2003; Pinto et al., 2001). The abilities of each type of microorganisms to assimilate tannins are different. For example, yeasts are able to degrade only gallotannins efficiently but bacteria can degrade both gallotannins and ellagitannins. However, fungi degrade these two different types of tannins (gallotannins and ellagitannins) more efficient than bacteria do (Bhat etal., 1998; ChávezGonzález et al., 2014). Well-known enzymes involved in
70
the degradation of gallotannins are tannases, removing esters links of gallotannins. Tannases can be obtained from microbial, plant or animal sources but the microbial source is the most important (Aguilar et al., 2007). It has been reported that tannase could hydrolyze gallotannins, releasing gallic acid and glucose (Jana et al., 2012; Chávez-González et al., 2014). The purposes of this study were to determine the preparation conditions of Tri-phala waste for gallic acid production by solid state fermentation of Aspergillus niger ATCC 16888. 2 Materials and Methods 2.1 Microorganism A.niger ATCC 16888 used in this study was cultured on potato-dextrose agar (PDA) for 3-5 d at 30๐C. Fresh spores were scraped with sterilized water. The number of spores in the suspension was counted using a neubuacer haemacytometer. Concentration of spore suspension was then adjusted to 1×105 spores mL−1. Spore suspension was freshly prepared before used. 2.2 Solid substrates Tri-phala waste was dried in a hot-air oven at 60 °C for 24 h and ground to fine particles (<600 micron). Its moisture contents were analyzed and recorded. Then, it was stored at room temperature for further studies. Its contents of moisture were adjusted into 50, 55, 60 and 65% for each experimental condition. 2.3 Solid state fermentation (SSF) 30 g dried Tri-phala waste powder was transferred into 250 ml erlenmeyer flask (8 flasks for 8 sampling times) and inoculated the spore of A. niger with the specified numbers (1x105, 5x105 and 1x106 spores g-1dry ๐ substate). The SSF were studied at 30 C for 96 h. One flask were sampled every 12 h, and dried in a hot-air oven at 60°C for 24 h and ground into homogeneous powder for analysis. 2.4 Analytical procedures 2.4.1 Glucosamine quantification 10 mg dry fermented substrate was hydrolyzed with 1 mL of 60% sulfuric acid for 24 h at room temperature.
Then the samples were diluted with water to reduce the sulfuric acid concentration to 0.5 mol L-1. Each solution was heated at 121ºC for 1 h. Each hydrolysate was neutralized with 1 mol L-1 NaOH and then brought to 100 mL with water. A sample of each solution (0.5 mL) was then mixed with 0.5 mL 5% NaNO2 and 0.5 mL 5% KHSO4. And then 0.6 mL of each supernatant was mixed with 0.2 mL of 12.5% NH4SO3NH2 and shaken for 3 min. For the colorimetric assay, 0.2 mL of 0.5% methyl-2benzothiazolinone hydrazone hydrochloride (MBTH) was added to each mixture, which was then boiled for 3 min, immediately cooled to room temperature, and then 0.2 mL of 0.5% FeCl3.6H2O was added. After standing for 30 min, the absorbance of each mixture was measured at 650 nm using a spectrophotometer. (Chysirichote, 2013) The rate of growth is exponential. Growth curves were using logistic equation which is the most frequently used model describing the kinetics of fungal growth in SSF. This model is based on the concept that SSF is a contact process limited by available surface area. (HamidiEsfahani et al., 2004) dX X X 1 dt X max
(1)
X is microbial biomass, t is time, μ is the specific growth rate, Xmax is the maximum possible microbial biomass. 2.4.2 Tannase assay Tannase activity was estimated by a modified method of Sharma et al. (2000) based on the formation of chromogen between gallic acid (released by action of tannase on tannic acid) and rhodanine (2-thio-4ketothiazolidine). 50 μL of the enzyme extract was added to 1 mL of a 0.3 mM tannic acid in 0.1 M acetate buffer (pH 5.0). After incubation at 30°C for 30 min, reaction was stopped by addition of 0.2 mL of 2 M HCl. Blank was prepared by adding 50 μL of the enzyme extract to the same reaction mixture already containing the HCl. 100 μL of each reaction mixtures or blank was added with 150 μL of rhodanine solution (0.667% in methanol). The mixture was mixed and incubated for 5 min at 30°C. After
71
that, 2.25 mL of 0.5 M KOH solution was added and stand for 20 min. The absorbance was measured at 520 nm. The concentration of gallic acid was calculated from standard curve which prepared by using standard solution of gallic acid (tannase activity was expressed in units per gram dry substrate (U g-1dry substate)). (Virun, 2008) 2.4.3 Gallic acid determination Analyses were carried out using an HPLC system with a Water 717 plus autosampler. Method employed a binary gradient of eluent A: 0.1% acetic acid in water and eluent B: acetonitrile. The gradient program was as follows: Flow rate 1 mL min−1. Detection at 280 nm, column: phenomenex and injection volume: 10 μL. The results were analyzed as average values ± standard deviations reported. Analysis of variance (ANOVA) at the 5% significance level was used to analyze the data. 3 Results and Discussion 3.1 Effects of moisture content and inoculum size on the growth of A. niger The growths of A. niger are shown in Figure 1 reporting as glucosamine contents in dry fermented Triphala waste. It was significantly increasing by time passed
in SSF process. The maximum glucosamine yield 50.00±1.37 mg g-1dry substate was obtained when cultivating A. niger with the initial number of spore 5x105 spores g1 dry substate on 55% moisture Tri-phala waste for 96 h. The initial numbers of affected the fungal growth in SSF because a low inoculum size may be insufficient to initiate the growth of fungi and longer time is required for the fungi to multiply to adequate amount for substrate utilization and production of desired product (Ramachandran et al., 2004; Ang, 2013). However, a large inoculum loading may result in a competitive inhibition on fungi growth (Ellaiah et al., 2002; Kunamneni et al., 2005; Ang, 2013), and decrease metabolic activity due to fast depletion of nutrients (Patel et al., 2009).
Figure 1. Glucosamine content of A. niger on Tri-phala waste at moisture content 50%, 55%, 60% and 65%. Cultivated with different inoculum sizes
Table 1 Specific growth rates and tannase production rates of A. niger in the SSF of Tri-Phala waste. Moisture content of Tri-phala (%) 50
Inoculum size Specific growth rate (spores g-1dry substate) (h-1) * 1x1055 0.043±0.002cdbc 5x106 0.048±0.001cde 1x105 0.043±0.001b 55 1x105 0.054±0.005a 5x106 0.066±0.004b 1x105 0.056±0.003bc 60 1x105 0.049±0.003b 5x106 0.053±0.004b 1x105 0.053±0.004de 65 1x105 0.036±0.003de 5x106 0.036±0.003e 1x10 0.034±0.004 * Different superscript letters in the column represent the statistic difference
The initial moisture is also one of the important factor in SSF, the result was corresponding to the researches of Perez-Guerra et al., 2003; Rodriguez-Leon et al. (2008)
Tannase production rate (h-1) * 0.002±0.001cde 0.003±0.001bcbcde 0.002±0.000bc 0.003±0.001a 0.005±0.000de 0.001±0.001b 0.003±0.001b 0.004±0.000bcd 0.002±0.001bc 0.003±0.001cde 0.002±0.001e 0.001±0.000
and Ang (2013) reporting that the desirable moisture content of solid matrix oscillated about 70% depends on both the type of fungus and solid substrate used.
72
Selvakumar et al. (1998) also reported that the optimum initial moisture content for the growth of A. niger on tea waste about 60% and found that the growth decreased when initial moisture content was lower than 45%. The specific growth rates of A. niger on Tri-phala waste during fermenting in different conditions shown in Table 1 indicated that the maximum of specific growth rate was 0.066±0.004 h-1 at moisture content 55% and 5x105 spores g-1dry substate .This study is consistent with the study of Asha et al. (2015), showing A. niger S14 for SSF with wheat bran as substrate. The maximum specific growth rate of A. niger on wheat bran was 0.0549 h-1 and the lowest specific growth rate as 0.034±0.004 h-1 obtained from the preparation condition of initial moisture content 65% of Tri-Phala powder and 1x106 spores g-1dry substate. The specific growth rate calculated from the same initial moisture content of substrate were not significantly different between 1x105 , 5x105 and 1x106 spores g-1dry substate. It shows that the initial moisture has more effect on fungi growth than inoculum size. 3.2 Effect of moisture content and inoculum size on tannase activity The tannase activities of A. niger on Tri-phala waste shown in Figure 2 shows that they were not significantly different in all preparation conditions except the maximum tannase activity at 0.326±0.044 U g-1dry substate after SSF of A. niger 5x105 spores g-1dry substate on Tri-phala waste at moisture content 55% for 72 h that was significantly different from 65% moisture conditions and 55% moisture with 1x106 spores g-1dry substate The highest rates of tannase production were found at 24 h, 12 h, 12-24 h and 12-36 h for the runs with 50, 55, 60 and 65% initial moisture content of substrate respectively, and then the rates gradually decreased. The highest rate was obtained when preparing the waste at 55% moisture content and inoculating spore 5x105 spores g-1dry substate. This highest tannase production rate may cause the highest rate of growth because tannase digested the tannin to gallic acids which was a carbon source for metabolism of fungi (Virun, 2008). The lowest tannase production rate obtained from the preparation
condition of initial moisture content 65% of Tri-Phala powder and 1x106 spores g-1dry substate was 0.001±0.000 h-1 (Table 1).
Figure 2 Tannase activity of A. niger on Tri-phala waste at moisture content 50%, 55%, 60% and 65%. Cultivated with different inoculum sizes. 3.3 Effect of moisture content and inoculum size on gallic acid content The gallic acid contents of A. niger on Tri-phala waste are shown in Figure 3. The maximum gallic acid content 11.49±0.39% was obtained from the SSF of Tri-phala waste at initial moisture content 55% and inoculum size 5x105 spores g-1dry substate. This value is not significantly different from the initial moisture content 60% and inoculum size 5x105 spores g-1dry substate but it is significantly higher than the others. However, the gallic acid mostly increased during 36-48 h except in the waste with 65% moisture content that showed very low in the gallic acid production.
Figure 3 Gallic acid content of A. niger on Tri-phala waste at moisture content 50%, 55%, 60% and 65%. Cultivated with different inoculum sizes. 4 Conclusions The optimized SSF condition in this study was the initial moisture of Tri-phala at 55% and the initial spore
73
inoculum size of 5x105 spore g-1dry substate. The maximum specific growth rate at 0.066 h-1 and gallic acid content was 11.49±0.39%.
in the biomass of Monascus ruber. Journal of Chemical engineering of Japan 46, 695-698. Ellaiah, P., Adinarayana, K., Bhavani, Y., Padmaja, P., Srinivasulu, B. 2002. Optimization of process 5 Acknowledgements parameters for glucoamylase production under The author would like to thank you the Institute of solid state fermentation by a newly isolated Thai Traditional Medicine, Department for Development Aspergillus species. Journal of Process Biochemistry of Thai Traditional Medicine and Alternative Medicine, 38, 615-620. Ministry of Public Health, Thailand for providing the Frawley, D. 2003. Ayurvedic healing, A comprehensive facilities to carry this research. guide. (2nd ed). Delhi: Montilal Banarsidass. Hamidi-Esfahani, Z.; Shojaosadati, S.A.; Rinzema, A. 2004. 6 References Modelling of simultaneous effect of moisture and Adamczyk, B., Adamczyk, S., Smolander, A., Kitunen, V. temperature on A. niger growth in solid-state 2011. Tannic acid and Norway spruce condensed fermentation. Journal of Biochemical Engineering 21, tannins can precipitate various organic nitrogen 265 - 272. compounds. Journal of Soil Biology and Biochemistry Jana, A., Maity, C., Halder, S.K., Mondal, K.C., Pati, B.R., 43, 628 - 637. Mohapatra, P.K.D. 2012. Tannase production by Aguilar, C.N., Rodríguez, R., Gutiérrez, S.G., Augur, C., Penicillium purpurogenum PAF6 in solid state Favela, T.E., Prado-Barragán, L.A. 2007. Microbial fermentation of tannin-rich plant residues fooling tannases: advances and perspectives. Journal of OVAT and RSM. Journal of Applied Biochemistry and Applied Microbiology and Biotechnology 76, 47–59. Biotechnology167,: 1254–69. Asha, A., Imelda, J., Paul, R., Neetha, S.D. 2015. Growth Khanbabaee, K., Van, R.T. 2001. Tannins: classification kinetic profiles of Aspergillus niger S14 a mangrove and definition. Journal of Natural Product Reports 18, isolate and Aspergillus oryzae NCIM 1212 in solid 641 - 649. state fermentation. Journal of Fisheries and Koppikar, J.S., Suresh, D.J., Prasad, P.D., Nivedita, M.J., Aquaculture 62, 100-106. Vitthal, B.A., Asmita, A.W., Abhay, M.H. 2014. Triphala, Ang, T.N. 2013. Production of laccase enzyme using an Ayurvedic formulation improves the antioxidant rice husk as substrate in fungal solid-state status on TNBS induced IBD in rats, European Journal fermentation. PhD dissertation. Kuala lumpur, of Integrative Medicine 6, 646-656. Malaysia: Department of Environmental Kunamneni, A., Permaul, K., Singh, S. 2005. Amylase Biotechnology, University of Malaya Kuala lumpur. production in solid state fermentation by the Bhat, T.K., Singh, B., Sharma, O.P. 1998. Microbial thermophilic fungus Thermomyces lanuginosus. degradation of tannins - A current perspective. Journal of Bioscience Bioengineering 100, 168-171. Journal of Biodegradation 9, 343–357. Madani, A, Jain, S.K. 2008 Anti-Salmonella activity of Chávez-González, M.L., Guyotb, S., Rodríguez-Herrera, R., Terminalia belerica: in vitro and in vivo studies. Indian PradoBarragán, A., Aguilar, C.N. 2014. Production Journal Exp Biology 46, 817-821. profiles of phenolics from fungal tannic acid Maruthappan, V, Shree, K.S. 2010. Hypolipidemic activity biodegradation in submerged and solid-state of haritaki (Terminalia chebula) in atherogenic diet fermentation. Journal of Process Biochemistry 49, induced hyperlipidemic rats. Journal of Advanced 541–546. Pharmacotechnology Research 1, 229-235. Chysirichote, T. Reiji, T., Kazuhiro, A., Kazuhisa, O. 2013. Effects of starch and protein on glucosamine content 74
Naik, G.H., Priyadarsini, K.I., Bhagirathi, R.G., Mishra, B., Mishra, K.P., Banavalikar, M.M., Mohan, H. 2005. In vitro antioxidant studies and free radical reactions of triphala, an ayurvedic formulation and its constituents. Journal of Phytother Research 9, 582586. Ow, Y.Y., Stupans, I. 2003. Gallic acid and gallic acid derivatives : Effects on drug metabolizing enzymes. Journal of Current Drug Metabolism4, 241-248. Patel, H., Gupte, A., Gupte, S. 2009. Effect of different culture conditions and inducers on production of laccase by a basidiomycete fungal isolate Pleurotus ostreatus HP-1 under solid state fermentation. Journal of BioResources 4, 268-284. Perez-Guerra, N., Torrado-Agrasar, A., Lopez-Macias, C., Pastrana, L. 2003. Main characteristics and applications of solid substrate fermentation. Elec. Journal of Agriculture Food Chemical 2, 343-350. Pinto, G.A.S., Leite, S.G.F., Terzi, S.C., Couri, S. 2001. Selection of tannase-producing Aspergillus niger strains. Journal of Microbiology 32, 24-36. Rajan, S.S., Antony, S. 2008. Hypoglycemic effect of Triphala on selected non insulin dependent Diabetes mellitus subjects. Journal of Ancient Science of Life 27, 45-49. Ramachandran, S., Patel, A. K., Nampoothiri, K. M., Francis, F., Nagy, V., Szakacs, G., Pandey, A. 2004. Coconut oil cake a potential raw material for the production of alpha-amylase. Journal of Bioresource Technol. 93, 169-174. Rasool, M., Sabina, E.P. 2007. Anti inflammatory effect of the Indian Ayurvedic herbal formulation Triphala on adjuvant-induced arthritis in mice. journal Phytotherapy Research 21, 889-894. Rodriguez-Leon, J. Soccol, A., Pandey, C., Rodriguez, D.E.2008. Factors affecting solid-state fermentation. New Delhi: Asiatech Publishers, Inc.
Swain, T., Bate-Smith, E.C. 1962. Flavonoid compounds. In: Florkin M, Mason H.S, editors. Comparative biochemist, a comprehensive treaty, Vol. III: constituents of life part A (pp. 755â&#x20AC;&#x201C;809). New York: Academic Press. Sharma, S., Bhat, T.K., Dawra, R.K. 2000. A spectrophotometric method for assay of tannase using rhodanine. Journal of Analytical Biochemistry 279, 85 - 89. Selvakumar, P., Ashakumary, L., Pandey, A. 1998. Biosynthesis of glucoamylase from Aspergillus niger by solid-state fermentation using tea waste as the basis of a solid substrate. Journal of Bioresource Technology 65, 83-85. Virun, V. 2008. Optimization for Tannase Production from Dryed Longan Seed Power by Aspergillus niger 56MS1. Thesis the Degree of master of science in biotechnology, the graduate school, Chiang Mai University.
75
PHF-05
A Study of the Influence of Sugarcane Variety on Sugar Content Prediction using Shortwave Near-infrared Spectroscopy Kittisak Phetpan, Vasu Udompetiakul*, Panmanas Sirisomboon Curriculum of Agricultural Engineering, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok 10520, Thailand. Corresponding author: Vasu Udompetiakul. E-mail: kuvasu@gmail.com
Abstract The purpose of this study was to investigate the influence of sugarcane variety on sugar content prediction of sugarcane using shortwave near-infrared spectroscopy. Two commercial sugarcane varieties (LK9211 and Khonkaen 3) were used. Fifty-two internode samples were collected for each variety. Each sample was scanned at the middle point using a spectrometer that covers the range of 600-1100 nm, and was later correlated with its sugar content. Partial least squares (PLS) calibration for sugar content based on two spectral ranges (605-1070 nm and 800-900 nm) were compared. The spectroscopic model from each variety data was called either LK92-11 model or Khonkaen 3 model, while that of the pooling data was called global model. The optimum results were obtained from the range of 800-900 nm for LK92-11, Khonkaen 3 and global models giving coefficients of determination (R2) of 0.865, 0.852 and 0.787, and root mean square errors of cross-validation (RMSECV) of 0.71, 0.57 and 0.74 Brix, respectively. The original data were then randomly splited into calibration and test sets. LK92-11, Khonkaen 3, and global calibration models were re-developed for model validation. The results expressed that the LK92-11 and Khonkaen 3 models were not valid for using by different variety. However, the global model gave satisfying results with R2 values of 0.756, 0.732 and 0.741, and root mean square error of prediction (RMSEP) of 0.62, 0.82 and 0.72 Brix for predicting of LK92-11, Khonkaen 3 and Global data, respectively. These results demonstrated the influence of variety on the sugar content prediction using spectroscopic means. Keywords: Sugarcane, Soluble solids content, Near-infrared spectroscopy
1 Introduction Sugarcane industry has been regarded as one of Thailand’s largest industries with more than 3.5 million tons of annual exporting sugar (International Trade Centre, 2016). In attempting to improve sugarcane productivity, there is a growing interest in adoption of precision agriculture (PA) technology (Wrigley and Moore, 2006; Nawi et al., 2013a). PA is a tool that leads to higher farm profits with providing site-specific variability data for crop input management (Wrigley and Moore, 2006). However, for the situation of current PA application in sugarcane industry, Bramley (2009) cited by Nawi et al. (2013b) mentioned that PA could be able to only monitor the yield but had no ability to measure its quality. Of course, not only the yield map is useful for sugarcane field management, but also the quality map. In addition,
measurement of quality level leads to many more advantages such as optimizing the harvest schedules for maximum returns in the crushing season (Staunton et al., 2011; Nawi et al., 2014) and helping the industry to assess the performance of varieties and crop classes (Lawes and Lawn, 2005; Nawi et al., 2014). In Thailand, sugar content is used as qualitative indicator of sugarcane. With the need of in-field measurement, alternative technologies which were reviewed by Nawi et al. (2014) are electronic refractometer, microwave and portable spectrometer. One of the most promising technologies is the portable spectrometer known as spectroscopic methods. Spectroscopic methods are well known as a fast, lowcost and non-destructive technique and have been applied in the sugarcane industry to predict sugar content in several forms of sample such as clarified juice 76
(Berding et al., 1991), stalk cross-section and stalk skin (Nawi et al., 2013a, 2013b) with good prediction performance. However, their experiments were still based on laboratory circumstance. Hence, Nawi et al. (2014) also reviewed regarding in-field measurement for monitoring quality in the sugarcane industry and concluded that using the portable visible and shortwave near-infrared (VNIR) spectrometer and scanning the samples in form of stalk are the best approach for field uses. Moreover, they recommended the need to be carried out for in-field measurement that was influence of sugarcane variety. Therefore, the aim of this study was to investigate the influence of sugarcane variety on sugar content prediction of sugarcane using shortwave nearinfrared (SW-NIR) spectroscopy. 2 Materials and Methods 2.1 Sample preparation The sugarcane stalks of 2 commercial varieties, LK 9211 and Khonkaen 3, were collected from Nakhon Ratchasima Sugarcane Experiment Station, Nakhon Ratchasima, Thailand at maturity stage of 11 months after planting. They were grown under the same crop management scheme. At 11-month state, physical appearance of the sugarcane stem is similar to that of the harvesting stage at around 12 months (Cane and Sugar Promotion Center Region 4, 2016) with a better range of sweetness for the experiment. Fifty-two internode samples were collected for each variety. 2.2 Spectral acquisition A portable near-infrared instrument (FQA-NIRGUN, Fantec, Japan) with the interaction mode from 600 to 1100 nm at 2 nm intervals was used to acquire NIR spectra of the samples. The influence of ambient light on the acquired spectra was eliminated by using a protecting cover while conducting of the NIR scanning. Each internode was scanned by the NIR instrument at its middle position, then was cut into individual piece. The experiment was performed at room temperature (25±1C). 2.3 Soluble solids ( Brix) measurement
After spectral acquisition, each internode was squeezed to extract its juice for Brix measurement. The juice from each one was kept in aluminum container, stirred and immediately poured onto a digital refractometer (Pocket PAL-1 Refractometer, ATAGO, Japan). Typically, standard sweetness quality of sugarcane is defined by CCS value (Commercial Cane Sugar) which is derived from Brix, Pol, and fiber content (Nawi et al., 2013a, 2013b). Since, further work of this research has been planned to propose quality spatialvariability maps of the field with simple indicators, only Brix value is adequate to be the qualitative indicator for mapping. 2.4 Development of calibration and validation models Prior to calibration, the spectra data used for model development were pre-treated using a savitsky-golay first and second derivative, multiplicative scatter correction (MSC) and standard normal variate (SNV) for the optimal performance of spectra. MSC was found to be best one and used for calibration. The Unscrambler X 10.3 (Camo, Norway) was used for the spectral pre-processing and for model development. Two ranges of spectra were used for calibration. One is a range of 605-1070 nm which is the full range of the spectrometer. The other is that of 800-900 nm, which was indicated by Travers et al. (2014) that it appeared more relevant to soluble solids content prediction. So, partial least squares (PLS) calibration for sugar content based on these two spectral ranges were compared. The spectroscopic model from each variety data was called either LK92-11 model or Khonkaen 3 model, while that of the pooling data was called global model. In this context, full cross-validation was used to evaluate the quality of each model, as indicated by the coefficient of determination (R2) and root mean square error of crossvalidation (RMSECV). From the comparison, the spectral range of 800-900 nm gave better quality for all models. So, this range was then used to construct the PLS model for studying the Influence of sugarcane variety on sugar content prediction.
77
External validation was used as a key to study the influence of sugarcane variety. The original data of each variety was randomly splited into two sets; two-thirds of data was used for the calibration set and one-thirds of data for the test set. LK92-11 and Khonkaen 3 models were re-developed and then validated using the test set data. The global model was re-constructed using both calibration sets and then validated using three test-set data obtained from LK92-11, Khonkaen 3 and global (LK92-11 and Khonkaen 3 were combined). Of course, the influence of sugarcane variety on sugar content prediction using SW-NIR models were considered by R2 value and root mean square error of prediction (RMSEP). 3 Results and Discussion
The summary of statistical information for calibration and test set data of internode samples is shown in Table 1. Figure 1 shows the averaged spectrum of the two sugarcane varieties. There were two ranges of spectrum used for calibration. Its raw absorbance spectra having full (605-1070 nm) and selected (800-900 nm) ranges are shown in Fig. 1(a) and (c), respectively. Obvious difference of spectrum for different sugarcane variety could be seen in the range of 605 to 730 nm (Fig. 1(a)). This difference was probably caused by existence of a chlorophyll absorption peak ~680 nm (Travers et al., 2014). MSC method was used to pre-treating of the raw spectra. Shapes of full and selected ranges pre-treated are shown in Fig. 1(b) and (d), respectively.
Table 1 Summary of statistical information of internode samples. Data set
models LK92-11 Calibration Khonkaen 3 Global LK92-11 Test set Khonkaen 3 Global Note: SD = Standard deviation
N 52 52 104 35 35 70
Cross-validation Max Mean Min 26.20 22.53 19.90 25.90 22.21 19.90 26.20 22.37 19.90 26.20 22.68 19.90 25.90 22.23 19.90 26.20 22.45 19.90
78
SD 1.66 1.30 1.50 1.82 1.14 1.52
N 17 17 34
Max 25.50 25.10 25.50
Test set Mean 22.17 22.20 22.19
Min 19.90 19.90 19.90
SD 1.63 1.14 1.45
Figure 1 Averaged spectrum of two sugarcane varieties for (a) raw absorbance spectra of 605-1070 nm; (b) raw absorbance spectra of 605-1070 nm pre-treated with MSC; (c) raw absorbance spectra of 800-900 nm and (d) raw absorbance spectra of 800-900 nm pre-treated with MSC. The external validation technique was used to study A comparison of spectroscopic models constructed from 2 ranges is shown in Table 2. The optimum results the influence of sugarcane variety on sugar content were obtained from the range of 800-900 nm for all prediction. The result in Table 3 indicated that the LK92models giving the R2 values of 0.787 to 0.865 and 11 model and Khonkaen 3 prediction models could not RMSECV values of 0.57 to 0.74 ď&#x201A;°Brix. In addition, a be used in the cross variety. However, the global model 2 number of latent variables (LVs) used for PLS calibrations gave satisfied results with R values of 0.756, 0.732 and with the range of 800-900 nm were distinctly less than 0.741, and RMSEP values of 0.62, 0.82 and 0.72 ď&#x201A;°Brix for that of 605-1070 nm. This was done to ensure that the predicting of LK92-11, Khonkaen 3 and Global data, selected spectral range is relevant to the sugar content respectively. prediction according to Travers et al. (2014). Table 2 The results of spectroscopic models constructed from two ranges of spectra. Model LK92-11 Khonkaen 3 Global LK92-11 Khonkaen 3 Global
Range (nm)
Pretreatment
N
605-1070
MSC
52
800-900
MSC
52
LVs
R2c
RMSEC (%Brix)
R2cv
8 5 10 3 3 3
0.806 0.846 0.811 0.865 0.852 0.787
0.73 0.51 0.65 0.61 0.5 0.69
0.683 0.781 0.692 0.823 0.811 0.76
RMSECV (%Brix) 0.95 0.62 0.83 0.71 0.57 0.74
Table 3 The results of external validation for studying the influence of sugarcane variety on sugar content prediction. Calibration set Model
Range (nm) Pretreatment
N
LVs
R2c
A predict B 3 0.884 B predict A 2 0.764 Global predict A 800-900 MSC Global predict B 70 3 0.793 Global predict A+B Note: A = LK92-11, B = Khonkaen 3, Global = Pooling of LK92-11 and Khonkaen 3
79
Test set RMSECV (%Brix) 0.77 0.59 0.77
N
34
R2p 0.478 0.43 0.756 0.732 0.741
RMSEP (%Brix) 1.14 0.94 0.62 0.82 0.72
Staunton, S., Donald, D., Pope, G. 2011. Estimating 4 Conclusions sugarcane composition using ternary growth This study has demonstrated that the specific variety relationships. Proceedings of the Australian Society of spectroscopic models could not be able to predict sugar Sugar Cane Technology 33, 1-8. content of the other variety.This confirmed that variety of sugarcane affects sugar content prediction using Berding, N., Brotherton, G.A., Skinner, J.C. 1991. Near infrared reflectance spectroscopy for analysis of shortwave near-infrared spectroscopy. However, a global sugarcane from clonal evaluation trials: II. Expressed model gave satisfying results for sugar content prediction juice. Crop Sciences 31, 1024-1028. and needs for the application on the in-field quality Lawes, R.A., Lawn, R.J. 2005. Applications of industry measurement. information in sugarcane production systems. Field 5 Acknowledgement Crops Research 92, 353-363. The authors acknowledge the Nakhon Ratchasima Cane and Sugar Promotion Center Region 4. 2016. Sugarcane Experiment Station, Nakhon Ratchasima, Classification of cane variety. Available at: Thailand for supporting sugarcane samples and working http://oldweb.ocsb.go.th/udon/Udon4/p10_smai.htm. area at the experiment station. Accessed on 9 July 2016. Travers, S., Bertelsen, M.G., Petersen, K.K., Kucheryavskiy, 6 References S.V. 2014. Predicting pear (cv. Clara Frijs) dry matter International Trade Centre. 2016. Market analysis and and soluble solids content with near infrared research. Available at spectroscopy. LWT-Food Science and Technology 59, http://www.trademap.org/Country_SelProduct.aspx. 1107-1113. Accessed on 30 June 2016. Wrigley, T., Moore, S. 2006. Public Environment Report. Canegrowers, Brisbane, Australia. Nawi, N.M., Chen, G., Jensen, T. 2013a. Visible and shortwave near-infrared spectroscopy for predicting sugar content of sugarcane based on a cross-section scanning method. Journal of Near Infrared Spectroscopy 21, 289-297. Nawi, N.M., Chen, G., Jensen, T., Mehdizadeh, S.A. 2013b. Prediction and classification of sugar content of sugarcane based on skin scanning using visible and shortwave near infrared. Biosystems Engineering 115, 154-161. Bramley, R.G.V. 2009. Lessons from nearly 20 years of precision agriculture research, development, and adoption as a guide to its appropriate application. Crop & Pasture Science 60, 197-217. Nawi, N.M., Chen, G., Jensen, T. 2014. In-field measurement and sampling technologies for monitoring quality in the sugarcane industry: a review. Precision Agriculture 15, 684-703. 80
PHF-07
Feasibility study of evaluation of ammonium laurate soap content in natural rubber latex by near infrared spectroscopy Jiraporn Onmankhong1*, Panmanas Sirisomboon 1
Curriculum of Agricultural Engineering, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkutâ&#x20AC;&#x2122;s Institite of Technology Ladkrabang, Bangkok, 10520 Corresponding author: Jiraporn Onmankhong. E-mail: jiraporn.j1088@gmail.com
Abstract The objectives of this research are to evaluate the ammonium laurate soap content in natural rubber latex by near infrared (NIR) spectroscopy. The NIR instruments, which were used in the research, was FT-NIR spectrometer (12500-4000 cm-1). Sample of concentrated latex were collected from the factory of the Thai Rubber Latex Corp. (Thailand) PCL, in the Nong District, Cholburi Province, Thailand. For ammonium laurate soap content evaluation, the concentration of ammonium laurate soap in concentrated latex sample was be adjusted for eleven levels in the range of 0.01-0.10%w/w. The NIR scanning was done immediately after adding of ammonium laurate. The best model was developed using the partial least squares regression (PLSR) from the spectra, which were pretreated using the first derivative + straightline subtration method, where the coefficient of determination (R2) was 0.82, the standard error of estimation (RMSEE) was 0.0113%, the root mean square error of cross validation (RMSECV) was 0.0165%, bias for model prediction was -0.0001% and residual prediction deviation (RPD) was 1.52. Therefore, this technique could not be used for estimation of ammonium laurate soap content of the concentrated latex. Keywords: ammonium laurate soap, near infrared (NIR) spectroscopy, concentrated latex
1 Introduction Natural rubber field latex is the raw material for various rubber processes such as making of latex gloves, condoms, nipples, catheters, foam mattresses and pillows, latex thread for clothing (underwear, socks, brassieres etc.), adhesive for shoes and other items such as casting of dolls, masks etc [Sirisomboon et al, 2013]. Field latex is converted to concentrated latex in a concentrated latex factory. During the concentrated latex processes, some of concentrated latex form the flocs and coagulum. By adding of ammonium laurate, the problem is solved. Mechanical stability time (MST), foaming height and viscosity were significantly altered by added ammonium laurate soap [Dilkushi Silva et al, 2009]. Stability of the latex which is a unique property has been the major problem when latex is subjected to different mechanical actions. However, the products factory requires the MST of concentrated latex to be
reduced for forming. Therefore, the factory needs to measure the ammonium laurate soap content in the latex. However, there is no reference or standard method for measuring it. The near infrared (NIR) spectroscopy can provide rapid results in seconds, with an accuracy. The method is environmentally friendly because it requires no chemicals. The NIR spectroscopy is currently one of the approaches best suited for industry requirements, especially for quality analysis and process control. The objective of our work was to study the application of NIR spectroscopy to evaluate the ammonium laurate soap content in natural rubber concentrated latex. 2 Materials and Methods 2.1 Samples
81
Samples of concentrated latex were collected from the factory of the Thai Rubber Latex Corp. (Thailand) PCL, in the Nongyai District, Cholburi Province, Thailand. Calculated amount of 15% ammonium laurate soap in aqueous solution was added into the 100 g concentrated latex to adjust the ammonium laurate soap concentration at different levels of approximately 0.00, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 0.09, 0.10% w/w. After that the sample was stired thoroughly by hand and scanned with NIR radiation. 2.2 NIR scanning Each latex sample was scanned in a quartz cup with the diameter of 4.3 cm and the hight of 5.3 cm by scanning through the bottom of cup immediately after the addition of 15% ammonium laurate soap and stirring. The NIR instruments used in this research was FT-NIR spectrometer (MPA, Bruker, Germany) (12500-4000 cm-1) where the reference material was gold. The gold plate was scanned for background before scanning of each sample. 2.3 Data analysis The original and pre-treated spectral data and chemical data were used to develop the predicting model for ammonium laurate soap content using partial least squares regression (PLSR). The pre-treatments of the spectra were the no spectral data preprocessing, constant offset elimination, straight line subtraction, vector normalization (SNV), min-max normalization, multiplicative scattering correction, first derivative, second derivative, first derivative + straight line subtraction, first derivative + vector normalization (SNV), first derivative + MSC. The model performance was determined by the coefficient of determination (R2), root mean squares error of estimation (RMSEE), root mean square error of cross validation (RMSECV), bias, and ratio of prediction to deviation (RPD). All data analysis and model developmemt were performed by OPUS solfwere version 7.0 (Bruker, Germany)
3 Results and Discussion The maximum (Max), minimum (Min), mean and standard deviation (SD) of the ammonium laurate soap content in natural rubber concentrated latex are shown in Table 1. Figures 1 shows the average absorbance of spectrum of natural rubber concentrated latex samples contained ammonium laurate soap. There were 4 dominant absorption regions in the spectrum at 8316, 6888, 5824 and 5176 cm-1. In the measured range 12500-4000 cm-1, water absorption due to the vibration of Oâ&#x20AC;&#x201C;H bonds can be found at approximately 6888 and 5176 cm-1 [Sompiw, 2015]. However, according to Martin Zimmer et al. (2010), the peak in the 8316 and 5824 cm-1 region was associated with C-H in the pure rubber. Figures 2 shows the regression coefficient plot of the PLSR model for the ammonium laurate soap of the natural rubber latex. The signal at about 6989, 6904, 6850, 6410, 5037 and 4890 cm-1 appeared to have a strong effect on the both the ammonium laurate soap model. According to Workman and Weyer. (2008), the absorbance band at 6989, 6904, 6850, 6410, 5037 and 4890 cm-1 region was associated with N-H in the ammonium laurate soap which was indicated. [https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/Compound/Ammoniu m_laurate#section=Top] that was in the ammonium laurate soap chemical structure. The X-loading weights plot for the prediction models of ammonium laurate soap in natural rubber latex is shown in Figure 3. The X-loading spectra of the first three PLS factors show the vibration bands relevant to the ammonium laurate soap prediction which were located at 5886, 5268 and 5068 cm-1. These bands were associated with concentrated latex, ammonium laurate soap and water which related to the C-H bands of concentrated latex [Sompiw, 2015] and C=O in the ammonium laurate soap which was indicated. [https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/Compound/Ammoniu m_laurate#section=Top] that was in the ammonium laurate soap chemical structure, and O-H bands of water [Workman and Weyer, 2008], respectively.
82
Figures 4(a)-4(b) shows the scatter plots of prediction model of calibration and validation, respectively, for the of ammonium laurate soap in natural rubber latex. The plots are useful for illustrating the precision of model. The model developed from 7 PLS factor using raw spectra in the region of 6102-4242.9 cm-1. It provided a coefficient of determination (r2) of 0.42, RMSECV of 0.019%, bias of 0.00105% and residual prediction Figure 2 Regression coefficient plot of the optimum model for the ammonium laurate soap of the deviation (RPD) of 1.32. Williams has indicated that an R2 natural rubber latex. of 0.42 implies that a model not usable in NIRS calibration. In addition, he also indicated that an RPD of 1.32 implies that the model can not be recommended. The results show that the better models for predicting the ammonium laurate soap of natural rubber latex from first derivative + straight subtraction spectral preprocessing. The model was developed from 7 factors (PLS vectors) r2, RMSECV, bias and RPD were 0.56, 0.0165%, -0.0001% and 1.52, respectively. Williams suggested that, with an r2 of 0.56, the model had poor Figure 3 X-loading weight plots of optimum models for ammonium laurate soap in natural rubber correlation and reasons should be researched. latex. Table 1 Statistical values of ammoniumlaurate soap content in natural rubber latex. Samples for model Number of samples 39 development.
Min (%) Max (%) 0.007 0.09
Mean (%) SD 0.047 0.025
(a)
Figure 1 Averaged NIR spectra of natural rubber concentrated latex with ammonium laurate soap. (b)
Figure 4 Scatter plots of prection model for ammonium laurate soap. a) calibration plot b) validation plot 83
Table 2 Results of the PLS regression for ammonium laurate soap content in natural rubber latex. Preprocessing Raw spectra First derivative +Straightline subtraction
Regions
PLS Factor
Calibration R2
Prediction
RMSEE
r2
RMSECV
Bias
RPD
-3
6102-4242.9
7
0.83
0.0114
0.42
0.019
(x10 ) 0.105
7306-4597.7
5
0.82
0.0113
0.56
0.0165
-0.1
1.32 1.52
Sirisomboon, P., Deeprommit, M., Suchaiboonsiri, W. Lertsri, W. 2013. Shortwave near infrared spectroscopy for determination of dry rubber content and total solids content of Para rubber (Hevea brasiliensis) latex. Journal of Near Infrared Spectroscopy. 21 (4), pp. 269-279. Sompiw. A. 2015. Nondestructive Evaluation Technique for Viscosity, Alkalinity and Potassium Hydroxide Number of Concentrated Para Rubber Latex by Near 5 Acknowledgments infrared Spectroscopy. Master thesis, Department The authors would like to thank the Thai Rubber Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, King Latex Corp. (Thailand) PCL for rubber latex samples. This Mongkut’s Institite of Technology Ladkrabang. research is a part of the research granted by Thailand Williams, P. 2009. Influence of water on prediction of Research fund (Grant number : RDG 5950011). Therefore, composition and quality factors: the aquaphotomics the authors thank them for financial support. Also the of low moisture agricultural materials," Journal of Near appreciation is conveyed to the Near Infrared Infrared Spectroscopy. 17, pp. 315–328. Spectroscopy Research Center for Agricultural Product Workman, J., Weyer, L., 2008. Practical Guide to and Food in King Mongkut’s institute Technology Interpretive Near-Infrared Spectroscopy, Taylor & Ladkrabang for instrument. Francis Group : USA. Zimmer, M., Birmann, K., Rentsch, J., 2010 “Online 6 References process control of alkaline texturing baths with nearDilkushi Silva, K.M., Walpalage, S. 2009. Effect of Added infrared spectroscopy” Vibrational Spectroscopy 53, Ammonium Laurate Soap on Naatural Rubber Latex. pp. 269-273. Journal of Rubber Research. 12 (2), pp. 59-70. National Center for Biotechnology Information. 2016. Ammonium Salt. Available at : https://pubchem.ncbi. nlm.nih.gov/compound/Ammonium_laurate#section= Top. Accessed on 7 August 2008. 4 Conclusion From the results presented in this study, NIR spectroscopy could not be used to estimate the ammonium laurate soap of concentrated latex in factory. The model developed from concentrated latex samples with first derivative + straight subtraction spectra performed not so well and the reason should be researched.
84
Near Infrared Spectral and Physicochemical Characteristic of Durian Pulp at Different Maturities
PHF-08
Phalanon Onsawai1* and Panmanas Sirisomboon1 1
Curriculum of Agricultural Engineering, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok 10520, Thailand. Corresponding author: Phalanon Onsawai. E-mail: phalanon.onsawai@hotmail.com
Abstract The near infrared spectral and physicochemical (color (L* a* b*), soluble solids content (SSC), moisture content (MC), dry matter (DM) and texture (average force (AF), toughness (T), penetrating force (PF) and penetrating energy (PE)) properties of Durian pulp at different maturities were investigated. The 25 fruits were randomly harvested at each 10 days, starting from 80 days until 127 days after onset of fruit development covering six levels of maturity (80, 90, 100, 110, 120 and 127 days). The fruits were kept for 3 days at room temperature for their ripeness and the pulps were evaluated for the properties. The spectra obtained by FT-NIR spectrometer showed the dominant peaks at 10245-10221, 8362-8346, 6888, 5569 and 5160 cm-1 (976-978, 11961198, 1452, 1796 and 1938 nm), by the shortwave diode array spectrometer at 746 and 975 nm and by longwave diode array spectrometer at 1432, 1727 and 1875 nm. The peaks at 746, 976-978, 1196-1198, 1432 and 1452, and 1938 was the vibration bands of H2O at 760, 970, 1190, 1450 and 1940 nm which were shifted. The peaks at 1796 nm were the vibration of cellulose and at 1727 and 1875 nm was the absorption bands of starch. The result showed that the a*, b*, SSC and DM increased and L* and MC decreased when the harvesting dates increased. The AF and PE during 80-110 days did not change significantly. The T and PF decreased significantly during 80120 days. However, the values during 120-127 days were not significantly different. Keywords: Durian pulp, Near infrared, Physicochemical
1 Introduction Durian, regarded as the King of fruits in South East Asia, is a tropical fruit with a characteristic thorn-covered husk, large size and strong odour (Paengkanya and Soponronnarit, 2015). Export of durian from Thailand is the largest proportion of production (Cunningham, 2000). Fruit firmness and texture are important attributes that define eating quality of durian fruit (Nanthachai, 1994). Electrical impedance spectroscopy (EIS) has been of interest as a technique for assessment of durian. EIS is considered to be a rapid and easy technique for measurement. (Kuson and Terdwongworakul, 2013). Visible spectroscopy range was reported as a potential non-destructive method for classification of durian maturity (Timkhum amd Terdwongworakul, 2012). Measurements of frequency response to force vibration and an ultrasonic response were carried out in the region between the spines in the middle part of durian with an
accuracy of 90% in maturity determination (Kongrattanaprasert et al, 2001). The changes in physicochemical properties of longan fruits (‘cv. Shixia’) after post-anthesis were investigated over two different year seasons, with the aim to identify a reliable maturity index for harvest (Shia et al, 2016). The NIR spectrometer was used as a non-invasive technique for estimating maturity of mango. (Jha et al, 2014) The regression model for predicting maturity of mango provided r2 of 0.74 and Root mean squared error of prediction (RMSEP) of 0.305%. NIR spectroscopy evaluates the interactions between the electromagnetic radiation in the NIR region (780–2500 nm) and the materials under investigation, especially agricultural produces and food. The NIR spectroscopic technique can provide rapid but its accurate and reproducibility equivalent to much more time consuming reference methods. In addition, NIR spectrometer provides low cost per test, low labour
85
2.3 Physicochemical of Durian Pulp 2.3.1 Color measurement Then the pulp was measured for colour (CIE L*a*b*) with 3 replicates per sample with spectrophotometer (MiniScan XE Plus, Hunter Lab, USA) using observer angle of 10° and illuminant of D65. Durian pulp colour was measured based on the CIE L* a* b* tri-stimulus colour 2 Materials and Methods space, which is an international standard for colour 2.1 Samples measurement. The CIE L*a*b* colour space is comprised Durian trees of the ‘Monthong’ cultivar were of a luminance component L* (from black to white), and randomly selected in orchards in eastern Thailand. Fruit two chromatic components of a* (from green to red) and growth was followed by tagging flowers from the b* (from blue to yellow). selected trees when onset of fruit development was 2.3.2 soluble solids measurement observed. A set of 25 fruit was randomly harvested each The 1:3 mixture of blended Durian pulp sample: 10 days starting from 80 days until 127 days after onset distilled water was thoroughly mixed and then of fruit development covering six levels of maturity (80, centrifuged (Spectrafuge 7M, Labnet, Edison, NJ) at 6000 90, 100, 110, 120 and 127 days). The harvested samples rpm for 10 min. Then, the supernatant was dropped into from the six intervals provided a variation in maturity the sample hole of a digital refractometer (Pal-1, Atago, from the immature to the over-mature stages and Saitama, Japan) to measure the soluble solids (SS) brought to Near Infrared Spectroscopy Research Center content of the blended sample. The pulp SS content for Agricultural Product and Food in King Mongkut’s was calculated by multiplying the obtained reading by 4. Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok, Thailand. 2.3.3 Dry matter measurement The fruits were kept for 3 days at room temperature After scanning, the eighty gram of Durian pulp was before experiment. blended (Oku San No, Malaysia) for 1 minutes for soft 2.2 Near-infrared spectroscopy experiment pulp and 2 minutes for hard pulp. The moisture content The Durian pulp sample was measured for spectral of a 5 g durian mash sample was analyzed by hot air data with FT-NIR spectrometer (MPA, Bruker, Germany) in oven (ULM 500, Memmert, USA) at the temperature of reflection mode on 12,500-4,000 cm-1 (800-2500 nm) with 60±2ºC till constant weight was reached. The moisture resolution was 16 cm-1, accumulating 32 scans per content (MC) was calculated from equation. spectrum using gold as a background. The scanning was W1 W2 x100 (1) done twice per sample. All experiments were performed MC % W1 where W1 is original weight (g) and W2 is oven dry at room temperature (27±1 °C). Shortwave VIS-NIR diodearray spectrometer (FQA-NIR Gun, Fantec, Japan) in weight (g). interaction mode at 600-1100 nm with a resolution of 2 The dry matter (DM) was calculated from moisture nm and longwave NIR diode-array spectrometer content using the equation. (MicroNIR, JDSU, USA) in reflection mode at 1150-2150 DM % 100 MC (2) nm (Integration time of 1000 ms and number of scans 5000 with a resolution of 7 nm) The scanning was done 2.3.4 texture measurement Puncture tests were carried out on samples using twice per sample There were 149 samples (298 spectra) in total. All experiments were performed at room Texture Analyzer, (TA HD Plus, Texture Analyzer, Stable Micro System, London, UK). A stainless steel plunger with temperature (27±1 °C). flat end (5 mm diameter) attached to the load cell was costs and no chemicals (Onsawai and Sirisomboon 2014). Therefore, the objective of this work was to study the near Infrared spectral and physicochemical characteristic of Durian pulp at different maturities. This information will be useful for researchers, farmers and international trade.
86
100 Days
120 Days
127 Days 5569
90 Days
110 Days
600
1
0 12500 11500 10500
9500
8346
8362
0.5
90
100
110
120
127
975
80
650
700
750
800
850
900
950
1000 1050 1100
Wavelength (nm) 10245 10221
Log(1/R)
1.5
80 Days
6888
2
5160
3 Results and Discussion
2.5 2.3 2.1 1.9 1.7 1.5 1.3 1.1 0.9 0.7 0.5
746
Log(1/R)
used to penetrate the pulp sample with a deformation speed of 1 mm/s and 10 mm depth.
8500
7500
Wavenumber (cm-1)
6500
5500
4500
3500
Figure 2 Average NIR spectra of Durian pulp from different maturity samples (80, 90, 100, 110, 120 and 127 days after fruit onset) obtained from shortwave VIS-NIR diode array spectrometer. The average raw NIR spectra of Durian pulp covering six levels of maturity (80, 90, 100, 110, 120 and 127 days) obtained over a wavelength range between 600-1100 nm by shortwave VIS-NIR diode array spectrometer is shown in Figure 2. This figure displays peaks at 746 and 975 nm which was due to the absorption band associated with the third overtone of O-H stretching of H2O (Osborne and Fearn, 1986), (760 nm) and the absorption band of second overtone associated with O-H stretching of H2O (Osborne and Fearn, 1986), (typically found at 970 nm.
Log(1/R)
Figure 1 Average NIR spectra of Durian pulp from different maturity samples (80, 90, 100, 110, 120 and 127 days after fruit onset) obtained from FT-NIR spectrometer. The average raw NIR spectra of Durian pulp covering six levels of maturity (80, 90, 100, 110, 120 and 127 days) obtained over a wavenumber range between 12500-3500 cm-1 by shortwave FT-NIR spectrometer is shown in Figure 1. This figure displays peaks at 10245-10221, 83628346, 6888, 5569 and 5160 cm-1 (976-978, 1196-1198, 1452, 1796 and 1938 nm). The peak at 10245-10221 cm-1 (around 970 nm) related to O-H stretching of H2O 1.8 80 90 100 1875 1.6 (Osborne and Fearn, 1986), at 8362-8346 cm-1 (1198-1196 110 120 127 1.4 1439 nm related to Heavy water, formally called deuterium 1.2 1 oxide (2H2O or D2O) (typically found at 1190 nm) 0.8 (Workman and weyer 2007), at 6888 cm-1 (1452 nm) 0.6 0.4 related to O-H stretching (1450 nm) of starch or H2O 0.2 -1 (Osborne and Fearn, 1986), at 5569 cm (1796 nm) 0 1100 1300 1500 1700 1900 2100 related to C-H Wavelength (nm) stretching of cellulose (Osborne and Fearn, 1986), (typically found at 1780 nm), and at 5160 cm-1 (1938 nm) Figure 3 Average NIR spectra of Durian pulp from different maturity samples (80, 90, 100, 110, related to O-H stretching + O-H deformation of H2O 120 (Osborne and Fearn, 1986), (typically found at 1940 nm). and 127 days after fruit onset) obtained from longwave NIR diode-array spectrometer. The average raw NIR spectra of Durian pulp covering six levels of maturity (80, 90, 100, 110, 120 and 127 days) obtained over a wavelength range between 1150-2150 nm by longtwave NIR diode-array spectrometer is shown in Figure 3. This figure displays peaks at 1439 and 1875 87
nm. The peak at 1439 nm (shifted from 1450 nm) due to the absorption band associated with the third overtone of O-H stretching of H2O (Osborne and Fearn, 1986), and at 1875 nm is due to the absorption band of second overtone associated with O-H stretching + 2 x C-O stretching of starch (Osborne and Fearn, 1986), (typically found at 1900 nm). Table1. Statistics of average spectrum of Durian pulp samples from different maturity (80, 90, 100, 110, 120 and 127 days after fruit onset). FT-NIR maturity 80 90 100 110 120 127
6888 cm-1 (1451 nm)
1.225a 1.140b 1.063cd 1.040d 1.020d 1.099bc
shortwave VISNIR longwave NIR 975 nm 1439 nm 1.811c 1.203a 1.839c 1.126b 2.188ab 1.051c 2.241a 1.002d 2.172ab 1.038c 2.036b 1.065c
From Table 1, absorption value of peaks at 1451 nm (FT-NIR) and 1439 nm (long wave) which are water band (Osborne and Fearn, 1986), decreased with increasing harvesting dates. These results were similar to MC. It can be seen that absorption value of water band increased with increasing MC. For absorption value of shortwave VIS NIR at peaks of 975 nm did not relate on harvesting dates. This might be because in long wavelength, the
lower order of overtone and combination of NIR vibration, the NIR absorptibility was higher than in shortwave region, the higher order of overtone. This leaded to the broad and high band of water in longwave region in the spectra of Durian pulp. Table 2 shows that the a*, b*, and DM increased and L* and MC decreased when the harvesting dates was increased. The yellowness (b*) had the highest value at 40.67 with the maturity stage of 127 days. Fruit pulp colour depends on the durian cultivar, varying between pale to deep yellow. Yellow pulp colour is often due to carotenoids. (Wei et al, 2014) It could be seen that at the maturity stages of 80, 90 and 100 days the Durian fruit were not riped. However, the stage of 110 days should be the proper ripen stage for harvesting where the dry matter reached 33%. The Monthong Durian pulp at proper maturity stage for harvesting contains 32% dry matter (Siriphanich and Jerapat, 2005). Table 3 shows that the AF and PE during 80-110 days did not change significantly. The T and PF decreased significantly during 80-120 days. All texture properties during 120-127 days were not significantly different. The results of texture properties were related with the results of MC and DM from table 2 for the values of MC and DM were not significantly different after 120-127 days.
Table2. Statistics of color, soluble solids, moisture and dry matter content of Durian pulp samples from different maturity (80, 90, 100, 110, 120 and 127 days after fruit onset). maturity 80 90 100 110 120 127
L* 86.97 ±2.91a 85.96 ±3.60ab 85.36 ±3.60bc 86.27 ±2.25ab 85.02 ±2.01bc 84.12 ±2.92c
color a* -0.15 ±0.95c -0.19 ±0.62c 0.55 ±1.16b 0.14 ±0.87bc 1.08 ±0.81a 1.36 ±0.91a
b* 22.11 ±4.60d 26.61 ±4.92c 33.72 ±4.96b 35.76 ±4.28b 39.76 ±3.61a 40.67 ±4.85a
88
soluble solids SSC 13.2 ±0.56e 17.2 ±6.16de 24.9 ±9.27c 19.3 ±4.47d 34.9 ±11.36a 30.5 ±6.17b
moisture MC 87.4459 ±2.32a 82.3230 ±4.95b 68.8831 ±7.04c 66.3005 ±4.45d 61.2229 ±2.67e 60.5029 ±2.36e
dry matter DM 12.5541 ±2.32e 17.6770 ±4.95d 31.1169 ±7.04c 33.6995 ±4.45b 38.7771 ±2.67a 39.4972 ±2.36a
Table 3. Statistics of texture properties of Durian pulp from different maturity (80, 90, 100, 110, 120 and 127 days after fruit onset) texture Matu-rity IF RF AF RD T PF PE 80 3.067 ±1.46bc 23.645 ±8.60a 4.313 ±1.92a 5.979 ±1.76a 63.554 ±31.70a 17.472 ±7.47a 68.596 ±37.93a 90 4.897 ±4.62ab 18.089±12.34ab 5.065 ±4.59a 5.343 ±2.52ab 42.053 ±33.95b 13.628 ±9.30ab 77.177 ±72.62a 100 4.157 ±3.87ab 13.554±11.87bc 3.681 ±3.96a 5.184 ±2.62ab 34.57 ±40.17b 11.733±10.45bc 64.229 ±71.17a 110 5.469 ±4.43a 19.886 ±13.33a 5.635 ±4.45a 4.578 ±1.96b 41.126 ±28.26b 16.280±11.65ab 99.632 ±81.00a 120 2.174 ±2.90c 8.085 ±9.85cd 1.625 ±2.09b 5.364 ±1.56ab 27.244±41.66bc 6.785 ±9.74cd 30.428 ±46.59b 127 1.110 ±0.89c 3.828 ±3.51d 0.700 ±0.76b 6.004 ±1.79a 13.278 ±12.57c 2.618 ±3.20d 9.475 ±13.43b *AF = Average force, IF = Initial firmness, RF = Rupture force, RD = Rupture distance, T = Toughness, APF = Average penetrating force and PE = Penetrating energy
4 Conclusions The raw NIR spectra from longwave FT-NIR and longwave NIR diode-array spectrometer at wavenumber of 6888 cm-1 and at wavelength of 1439 nm, respectively, related to H2O. Meanwhile, shortwave VISNIR did not related on H2O band. The moisture content (MC) can be used to classify the durian maturity. MC decreased with increasing harvesting dates. Therefore, the absorption band at 6888 cm-1 and at 1439 nm of FT-NIR and longwave NIR diode-array spectrometers, respectively, could be applied for pulp maturity. In addition, properties of Durian pulp including dry matter (DM) and yellowness value related to with the maturity of Durian pulp. For DM and yellowness values increased with increasing harvesting dates. Texture properties can also classify the maturity of Durian pulp from 80-110 days. This information is very useful to researchers, farmers, exporters, importers, international trade, and so on. 5 References Cunningham, T., 2000. Durian market report. Project ALA97/68, Upland Development Programme in Southern Mindanao, Philippines (UDP). Jha, S.N., Narsaiah, K., Jaiswal, P., Bhardwaj, R., Gupta, M., Kumar, R., Sharma, R., 2014. Nondestructive prediction of maturity of mango using near infrared spectroscopy, Journal of Food Engineering, 124, 152– 157. Kongrattanaprasert, W., Arunrungrusmi, S., Pungsiri, B., Chamnongthai, K., Okuda, M., 2001. Nondestructive
maturity determination of durian by force vibration and ultrasonic, International Journal of Uncertainty, Fuzziness and Knowledge-Based Systems, 9 (6), 703– 719. Kuson, P., Terdwongworakul, A., 2013. Minimallydestructive evaluation of durian maturity based on electrical impedance measurement, Journal of Food Engineering, 116, 50–56. Nanthachai, S., 1994. Durian: fruit development, postharvest physiology, handling and marketing in ASEAN. ASEAN Food Handling Bureau, Kuala Lumpur, p. 150 Onsawai, P., Sirisomboon, P., 2015. Determination of dry matter and soluble solids of Durian pulp using diffuse reflectance near infrared spectroscopy, J. Near Infrared Spectrosc, 23, 167–179. Osborne, B. G., and Fearn, T., 1986. “Near infrared spectroscopy in food analysis (1st published, pp. 117)”, Longman Science & Technical, UK. Paengkanya, S., Soponronnarit, S., Nathakaranakule, A., 2015. Application of microwaves for drying of durianchips food and bioproducts processing, 96, 1– 11. Shia, S., Wanga, W., Liua, L., Shua, B., Weia, Y., Juea, D., Fuc, J., Xiea, J., Liuc, C., 2016. Physico-chemical properties of longan fruit during development and ripening, Scientia Horticulturae, 207, 160–167. Siriphanich, J., Jerapat, S., (2005). Use of dry matter as maturity index in Kradum durians (DurioZibethinusMurr.) Information and Technology for
89
Sustainable Fruit and Vegetable Production FRUTIC 05, 12. 16 September 2005, Montpellier France. Timkhum, P., Terdwongworakul, A., 2012. Non-destructive classification of durian maturity of ‘Monthong’ cultivar by means of visible spectroscopy of the spine, Journal of Food Engineering, 112, 263–267. Wei, X., Chen, C., Yu, Q., Gady, A., Yu, Y., Liang, G., Gmitter, F.G., 2014. Comparison of carotenoid accumulation and biosynthetic gene expression between Valencia and Rohde Red Valencia sweet oranges, Plant Sci, 227, 28–36. Workman, J., Lois weyer, J.R., 2007. “Parctical Guide to interpretive Near-Infrared Spectroscopy”. Taylor and Francis Group, USA, pp.240-262.
90
PHF-09
The Preliminary Study of Using Near-Infrared Hyperspectral Imaging Technique for Predicting Moisture Content of Para Rubber Cup Lump Natrapee Nakawajana1*, Anupun Terdwongworakul2, Amornrit Puttipipatkajorn3, Amorndej Puttipipatkajorn4 1
Curriculum of Agricultural Engineering, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok, 10520. 2 Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering at Kamphaengsaen, Kasetsart University, Kamphaengsaen, Nakhon Pathom, 73140. 3 Department of Computer Engineering, Faculty of Engineering at Kamphaengsaen, Kasetsart University, Kamphaengsaen, Nakhon Pathom, 73140. 4 Department of Food Engineering, Faculty of Engineering at Kamphaengsaen, Kasetsart University, Kamphaengsaen, Nakhon Pathom, 73140. Corresponding author: Natrapee Nakawajana. E-mail: natrapee.na@kmitl.ac.th
Abstract The preliminary study of using near-infrared hyperspectral imaging technique for predicting moisture content of Para rubber cup lump in the spectral range of 900 – 1700 nm by reflectance mode was conducted. A set of 81 samples were prepared to obtain a variations in moisture content at the conditions of 3 different temperatures (20 °C, 30 °C and 40 °C) and storage day of 1, 2 and 3 days after harvest. The calibration models for quantitative analysis of moisture content were established by partial least squares regression (PLSR). The PLSR models based on spectra at 20 °C, 30 °C and 40 °C gave correlation coefficients of 0.882, 0.927, and 0.776 and root mean square error of prediction (RMSEP) of 2.440%, 2.237%, and 3.252% respectively. However, the performance of PLSR model based on original spectra from all temperatures showed correlation coefficients of 0.938 and low root mean square error of prediction (RMSEP) of 2.055%. It can be concluded that the all temperature PLSR model offered better compensation for the temperature variations in the samples. Finally, the results suggested that the near-infrared hyperspectral imaging can be potentially used to determine the moisture content of Para rubber cup lump in fast and non-destructive fashion. Keywords: Para rubber cup lump, near-infrared hyperspectral imaging
1 Introduction Para rubber is an important community crop. Thailand can produce a Para rubber approximately 3 million tons per year. During the year 2007 to 2011, the production has been increased from 3,056,005 to 3,569,033 million tons, which is 16.8% increase. The most exported type of Para rubber is block rubber followed by ribbed smoked sheet rubber, a concentrated latex, a rubber compund and other types respectively (Rubber Research Institute, 2012). The export of block rubber has increased from 950,574 tons to 1,574,605 tons from the year 2009 to 2014 (The Thai Rubber Association, 2015). Over the year, the market price of block rubber was decreased, the price of latex was down, and hence, Thai farmer received less money from selling latex. To
compensate with less money, farmer choose to produce Para rubber cup lump because of the easier processes. Para rubber cup lump is the main raw material for producing the block rubber. The adventages of Para rubber cup lump are low cost and less labor intensive. Para rubber cup lump can be classified into 3 types according to moisture content. First type is 45 to 55% of moisture content, second type from 35 to 45% of moisture content and third type less than 35% of moisture content. Price of Para rubber cup lump increases with decreasing of moisture content. Colour of Para rubber cup lump changes from milky white to brown as moisture content decreases. Generally, moisture content of Para rubber cup lump was estimated by visual consideration of middle-man, thus, farmer will
91
get the money by middle-man estimation. This is the result why farmer will not get a fair price. Near infrared (NIR) spectroscopy has been used extensively to estimate Para rubber quality. Rittiron et al. (2010) reported that using handheld NIR spectrometer could be useful as an evaluation of moisture content of rubber sheet. The NIR technique has been used for the evaluation of dry rubber content of field and concentrated latex of Para rubber by diffuse reflectance in range 1100 – 2500 nm (Sirisomboon et al., 2013a) and short wavelength NIR spectra at 700 – 950 nm (Sirisomboon et al., 2013b). Furthermore, iInagaki et al. (2013) predicted Para rubber quality by using Ultra violet (UV)-NIR in range 370 – 1085 nm in transmittance mode. However, the technique takes only few point of sample, therefore, the sample did not cover all the area inspected and the analysis showed the error. Near-Infrared Hyperspectral Imaging (NIR-HSI) can examine layers of sample. Each hyperspectral image is represented by 3-D spectral data cube or hypercube. It is thus advantageous over conventional imaging or spectroscopy technique in quality and safety inspection of food and agricultural products (Noh and Lu, 2007). This technique would be more precise since more samples can be taken. NIR-HIS technique has not been applied much to agricultural products in Thailand. Moreover, the study of moisture content of Para rubber cup lump by using this technique has not been reported. Hence, the aim of this study was to apply this technique to predict accurately the moisture content of the Para rubber cup lump. 2 Materials and Methods A set of 81 samples were prepared at conditions of 3 different temperatures (20°C, 30°C and 40°C) and storage day of 1, 2 and 3 days after harvest from the trees for moisture content variations and for the temperature variations in the samples. 2.1 Measurement of Near-Infrared Hyperspectral Imaging
Each samples of Para rubber cup lumps was subjected to NIR absorbance using spectral camera NIR (VLNIR-CL-100-N17E, SPECIM SisuCHEMA, Spectral Imaging Ltd., Oulu, Finland), a spectral camera (VLNIR spectral Camera, Spectral Imaging Ltd., Oulu, Finland) for the spectral range of 900 – 1700 nm in reflectance mode and the software used for analysis spectral data was the Prediktera Evince programme (UmBio, Umeå, Sweden) as showed in Figure 1.
Figure 1 Schematic of the hyperspectral imaging system in the spectral range of 900 – 1700 nm. Before the NIR-HSI measurement, each sample was kept in water baht for adjustment of the constant temperature (20°C, 30°C and 40°C). Each individual sample was scanned in the range of 900 – 1700 nm with a scanning speed 9.69 mm/s. The distance between sample and camera lens was 200 mm. Each Para rubber cup lump was placed on the transportation plate with the surface up and then moved to the area under the spectral camera to scan line by line. The hyperspectral image obtained the data from 3 axes, 320 pixels in X-axis, 350 pixels in Y-axis and 256 bands in λ axis as showed in Figure 2. 2.2 Determination of Moisture Content The Para rubber cup lump which was subjected to measuring the absorbance spectra by NIR-HIS was cut off only at the surface of sample approximately 10 mm thick, sliced into 2 mm thick shredes and then dried to a constant weight in the hot air oven at 80◦C for 18 h.
92
3 Results and discussion 3.1 Spectral features of Para rubber cup lump The average absorbance spectra of 81 samples are shown in Figure 3. The spectra of Para rubber cup lumps showed the same trend but different absorbance values because of different quantity of moisture content in each sample. The average absorbance spectra of Para rubber cup lump revealed 2 important peaks at 1200 and 1450 nm. The absorbance at 1200 nm is the absorbance of polyisoprene, which is an important component of rubber. The absorbance peak of the polyisoprene at Figure 2 Illustration of Hyperspectral image. The moisture content (MC) of Para rubber in wet basis 1202 was used to evaluate the dry rubber content of was expressed as equation 1, where A is the original mass field and concentrated latex of Para rubber by of the Para rubber (in grams) and B is the dried mass (in Sirisomboon et al. (2013a). Furthermore, the absorbance peak at 1450 nm was assigned to water band (Osborne grams). and Fearn, 1986). This peak was related to the moisture A B %MC 100 (1) content in Para rubber cup lamp. These prominent peaks A were in agreement with the report by Sirisomboon et al. 2.3 Data Analysis Para rubber cup lump samples were divided into 2 (2013a), which stated that the water bands were groups namely a calibration set with 54 samples and a apperent at approximately 1450 and 1920 nm in the prediction set of 27 samples. Both sets covered identical concentrated latex and the field latex. variations, uniform distribution of the moisture content values (Table 1). The original spectra were considered and identified for the region of interest and then the average spectra were calculated from the region that was selected. These average spectra were the representative spectra of the samples. This gave only one spectrum per sample. The data analysis was performed using the Unscrambler v.9.8 (Camo, Oslo, Norway). Partial Least Squares Regression (PLSR) models were established and the optimal number of factors was achieved by full cross Figure 3 The average absorbance spectra of Para rubber cup lump validation. The original absorbance spectra were used as independent variable and moisture content dependent 3.2 Spatial distribution image of moisture content in variable. The statistics for assessment of performance Para rubber cup lump. consisted of the correlation coefficient of prediction (Rp) Figure 4 shows the spatial distribution image of and the root mean square error of prediction (RMSEP). moisture content in Para rubber cup lump, which was stored for 1, 2 and 3 days after harvest from the trees at 30°C. 93
Table 1 Moisture content of Para rubber cup lump in calibration set and prediction set. Set
Temperatures (°C)
Minimum values
Maximum values
No. of samples
Calibration
20 30 40 20 30 40
16.16 15.36 19.68 19.38 20.48 22.35
38.23 38.22 43.17 35.82 36.29 38.00
18 18 18 9 9 9
Prediction
Mean±standard deviation 26.65 ± 5.97 26.86 ± 6.19 27.91 ± 6.34 27.89 ± 5.13 27.78 ± 5.61 28.31 ± 5.56
was corresponded with moisture content range of the sample that was measured. The moisture content of sample in the first day of storage was 29.36 – 38.22%, the second day from 23.11 – 27.32% and the third day was 15.36 – 26.22%. 3.3 Prediction of moisture contents using full spectral range. Descriptive statistical values of the moisture content of Para rubber cup lump of the calibration set 54 samples and the prediction set 27 samples are expressed in Table 1. The moisture contents in calibration set covered the prediction set and similar to the dictribution of moisture content in both sets as shows in Figure 1. The performance of models are shown in Table 2. The best performance of model was built from the sample sets of all temperature (20°C, 30°C and 40°C) and used to predict the prediction set that was composed of the samples from every temperature. Figure 4 The distribution image of moisture content in Para rubber cup lump at 30°C, storage day of 1, 2 and 3 days after harvest from the trees. The results showed the moisture content of 1 day storage after harvesting was higest and followed by 2 and 3 days, respectively.The distribution image of moisture content was created by principal component analysis of the spectrum of each pixel in the image, to visualize the spatial distribution of moisture content within the samples. The moisture content is representd by the colour in Figure 4. Different moisture contents from high to low were shown in different colour from red to orange. From the scale of colour, the moisture range of scale colour
Table 2 Statistic of calibration models of the Para rubber cup lump with original spectra. Model No. of PC Rp RMSEP (%) All temp. 2 0.938 2.055 20°C 2 0.882 2.440 30°C 2 0.927 2.237 40°C 2 0.776 3.252 All temp. = PLSR model based on original spectra from all temperatures Rp = Correlation coefficients of prediction RMSEP = Root mean square error of prediction
The performance of PLSR model from all temperatures showed correlation coefficients of 0.938 and RMSEP of 2.055% followed by the PLSR model from
94
sample set at 30°C showing Rp of 0.927 and RMSEP 2.237%. The PLSR model from sample set at 20°C obtained Rp of 0.882 and RMSEP 2.440% and for PLSR model from sample set at 40°C, Rp of 0.776 and RMSEP 3.252% were given. The aforementioned result suggested that the model that built from the sample sets in all temperatures could compensate for the temperature variations in the samples better. The scatter plot of the measured percentage of moisture content against the predicted percentage of moisture content by the model based on original spectra from all temperatures is shown in Figure 5. The predicted moisture content was compared with the measured moisture content in the prediction set of 27 samples Para rubber cup lump (Rp of 0.938 and RMSEP 2.055%). The prediction value of moisture content was scatted around to the target line that meant the prediction was precise.
Figure 5 Prediction plot of the moisture content predicted by the model based on original spectra from all temperatures. 4 Conclusions The calibration models for quantitative analysis of moisture content were established by PLSR. The PLSR models based on spectra at 20°C, 30°C and 40°C gave correlation coefficients of 0.882, 0.927 and 0.776 and RMSEP of 2.440%, 2.237% and 3.252% respectively. However, the performance of PLSR model based on original spectra from all temperatures showed better
correlation coefficients of 0.938 and RMSEP of 2.055%. This meant that the all-temperature PLSR model offered better compensation for the temperature variation in the samples. In conclusion, the near-infrared hyperspectral imaging can be potentially used to determine the moisture content of Para rubber in range of temperature from 20 - 30°C in fast and non-destructive fashion. However, this study is one part of the reseach for prediction of the dry rubber content by non destructive techniques. Although, the number of samples used in this study was low but the results was promising. This means it is possible to improve the prediction model by increasing the number of samples for increasing the precision of prediction model. This study will be benefit for the farmer in the selling of Para rubber cup lump by measuring the moisture content to estimate the cost. 5 Acknowledgements The research work has been financially supported by the Thailand Research Fund (TRF) (RDG5950019). 6 References Inagaki T, Sirisimboon P, Liu C, Thanapase W, Tsuchikawa S. 2013. High accuracy rapid prediction and feasibility of on-site nondestructive estimation of Para rubber quality by spectroscopic methods. Journal of Wood Science 59, 119–126 Noh H.K., Lu R. 2007. Hyperspectral laser-induced fluorescence imaging for assessing apple fruit quality. Postharvest Biology and Technology 43, 193–201. Osborne, B.G., Fearn, T., Hindle, P.H. 1993. Practical NIR spectroscopy with applications in food and beverage analysis. (2nd ed.). Longman Science & Technology. New York: John Wiley and Sons Inc. Rittiron, R., Tiammueng, C., Saehea, J., Sabchuangchote, S. 2010. Moisture content analyzer for raw rubber sheet by handheld near infrared spectrometer. In: Saranwong, S., Kasemsumran, S., Thanapase, W., Williams (Eds). Near Infrared Spectroscopy: Proceedings of the 14th International Conference, 1079–1085. IM Publications LLP, UK.
95
Rubber Research Institute. 2012. Academic data on rubber in 2012, Department of agriculture, Ministry of Agriculture and Cooperatives, Bangkok. Sirisomboon, P., Kaewkuptong, A. and Williams, P. 2013a. Feasibility study on the evaluation of the dry rubber content of field and concentrated latex of Para rubber by diffuse reflectance near infrared spectroscopy, Journal of Near Infrared Spectroscopy, 21, 81â&#x20AC;&#x201C;88. Sirisomboon, P., Deeprommit, M., Suchaiboonsiri, W. and Lertsri, W. 2013b. Shortwave near infrared spectroscopy for determination of dry rubber content and total solids content of Para rubber latex, Journal of Near Infrared Spectroscopy, 21(4), 269â&#x20AC;&#x201C;279. The Thai Rubber association. 2015. Thai Rubber Statistics. Available at: http://www.thainr.com/en/?detail=statthai. Accessed on 20 July 2015.
96
Performance evaluation and economic analysis of fruit peeler
PHF-10
Bandit THONGSROY1 and Vinai KLAJRING1 1
Curriculum of Agricultural Engineering, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok 10520, Thailand. Corresponding author: Bandit THONGSROY. E-mail: bandit_072@hotmail.com
Abstract This research presents the Performance evaluation and economic analysis of fruit peeler for improving the fruit production and reducing the working time consumption due to the lack of labors. After primary testing and foible amend that arise. The performance testing the fruit peeling machine using samples, Holland variety of papaya and Sun Lady variety of cantaloupe were used as the raw materials. Only papayas and cantaloupes that were of suitable size and shape were selected to be peeled by the automatic peeler. The speed of the blade sets at 0.34, 0.37, 0.40 m s-1, fruit rotating at 180, 200, 220 rpm, speed blade 1200 rpm, the pressure air in peeling papaya and cantaloupe at 1.8, 2.0 kg/cm2. A set of 12 fruits (peeling up - down) was determined the efficacy (Effect Throughput Capacity) loss after peeling up and down which checked by percentage of weight. The results show that the suited adjustments of the Fruit Peeling for papaya and cantaloupe were blade rotating at 0.37 m s-1, fruit rotating at 200 rpm, the weight of peeled fruit at 84.43±0.90% and 79.44±1.63%, the peeling time at 23.42±0.05 and 22.69±0.10 second per unit and the capacity of peeling at 158 and 159 fruits per hour. The papaya and cantaloupe were peeled by fruit peeler faster than labors for 2.35 and 1.02 times respectively. The result of engineering economic analysis of the fruit peeler for peeling papaya and cantaloupe found that if the cost of peeling was 1 baht per unit and peeling for 300 days, the payback period was 4 months and the breakeven point was 17490 and 17441 fruits per year respectively. Keywords: Peeling Machine; Performance Evaluation; Economic Analysis
1 Introduction Papaya is one of Thailand’s important economic plants, widely known to natives and foreigners [1]. With a botanical name of Carica papaya L. [2], papaya is classified under ‘fruit and vegetable’ category. It can be grown in any part of the country and can be eaten ripe or raw. Cantaloupe, Cucumis melo L. var. cantaloupensis [3], is not a native plant but is currently in increasingly high demand in supermarkets and local markets because it has thick flesh, wonderful aroma, and great sweetness. Ripe cantaloupes stay ripe, not becoming rotten, for a long time, so they can be transported to far places and sustain only a few losses. Cantaloupe is still quite expensive in Thailand [4] because of limited growing areas mostly due to import seeds being expensive and inadequately available. Having developed an automatic bi-directional peeler for both kinds of fruits, Bandit and
Vinai [5] did a primary test on it and found that it was able to peel 158 papayas or 159 cantaloupes in an hour. An efficient peeler can save time and labor which is currently lacking in supply. This paper reports a further development of the peeler by the authors in order to make it perform even better. The developed peeler was tested and an economic analysis of it was done. 2 Materials and Methods In this study, the following materials, machines, and methods were used. 2.1 Materials 1) Papayas of Holland variety 2) Cantaloupes of Sunlady variety 2.2 Testing Equipment The following equipment were used: a fruit peeling machine (or automatic peeler); a vernier caliper, Absolute Digimatic 12in; a dial thickness gauge, Tec lock SM-12; an electronic compact scale, SF-400A 10 Kg; a clamp meter
97
capacity of the peeler in kilograms of fruit per hour and the peeling time in seconds per fruit were determined. 2.5 Test procedure Papayas and cantaloupes were measured and weighed. The settings of the automatic peeler were adjusted: rotational speeds of the blade, blade set mover, and fruit mover as well as pneumatic pressure. A fruit was fixed firmly to the fruit mover with the pneumatic clamp, then the peeler was turned on and its operation was timed. After the peeling operation finished, the unpeeled top and bottom of the fruit needed to be cut manually. The peeled fruit was then measured and weighed, and the thicknesses of the cut peels were measured. All of these measured values were used in the calculation of the peelerâ&#x20AC;&#x2122;s capacity (Fig. 2). Peeler capacity calculation: Effect Throughput Capacity= 1 hour/peeling time (Minute per Fruit) (1) Loss after peeling = Weight after peeling - Weight Figure 1 Fruit peeling machine [5] before peeling (2) 2.3 Evaluation of manual peeling (%) Percent weight after peeling= (Weight before A test on manual peeling by 3 human peelers was (3) performed in order to find the following: peeling time, peeling/ Weight after peeling) x100 Electrical power used = IVt/1000 (4) cut peel thickness, and preparation and peeling costs. Where I is electric current (A), V is electric potential Thirty papayas and thirty cantaloupes were obtained, weighed, and their diameters measured before they were (V), and t is operation time (hr). peeled. As the peelers were peeling, they were timed. 2.6 Engineering economic analysis Wanchai and Cha-um [6] have explained that Then, the peeled fruits were weighed, and their peeled diameters and the cut peel thickness were measured engineering economic analysis is an analysis for selection of a service or project based on economical use of and recorded. resources, good value for the amount of investment, and 2.4 Evaluation of automatic peeler Papayas and cantaloupes with proper shapes were lowest possible cost. Only the cost of materials was selected for peeling. The settings of the peeler were as included in the cost of construction of the automatic follows: blade set mover rotational speed of 0.34, 0.37, peeler in this study. All of the costs considered were the 0.40 m s-1, (bi-directional); fruit mover rotational speed of following. 1. Initial cost such as costs of land and machinery 180, 200, and 220 rpm; blade rotational speed of 1,200 rpm; and pneumatic pressures of 1.8 and 2.0 kg/cm2 for used. 2. Operating cost of peeling operation. papaya and cantaloupe, respectively. A fruit was peeled - Fixed cost that did not vary with the amount of in the up direction then replaced by another fruit which was peeled in the down direction. This up and down peeling production such as depreciation and missed peeling steps were repeated 3 times for 6 fruits. The investment opportunity costs. 322, Fluke USA; a tachometer, digicon DT- 250TP; a stopwatch; Casio; a fruit knife; a kitchen knife; and a plastic tray.
98
- Variable cost that varied with the amount of production such as electricity cost that increased with the number of fruits peeled. 3. The total cost of the fruit peeling process was calculated by the following equation, Where
AC = FC+VC AC = total cost of fruit peeling process (baht/year), FC = depreciation cost of the automatic peeler (D) + cost of missed investment opportunity (R), VC = labor cost (W) + electricity cost (E) + maintenance cost (M). Depreciation cost
D = (P-S)/L. Missed investment opportunity cost Where P = Cost of purchase or construction of the automatic peeler (baht), L = Lifetime of the automatic peeler = 10 years, R = Missed investment opportunity cost per year (baht/year), I = Interest rate of 10% per year. 4. Break-even point Blank and Turquin (1988) have proposed the following equation for finding break-even point [7], BEP = FC/(SU-VC), Where BEP = Break-even point (unit), FC = Fixed cost (baht), SU = Selling price per unit (baht/unit), VC = Variable cost per unit (baht/unit). 5. Payback period PBP = MC/P, Where PBP = Payback period (year), MC = Construction cost (baht), P = Profit (baht). 2.7 Statistical analysis The experiment was designed according factorial analysis in Complete Randomized Design (CRD). The relationships between the rotational speeds of the blade set and fruit movers and the peeling time and weight percentage of peeled fruit as well as the relationship
between the rotational speed of the blade set mover and the rotational speed of the fruit mover that affected the peeling time and weight percentage of peeled fruit were statistically analyzed by two-way ANOVA with a general linear model and Duncan’s multiple range test (DMRT) using a computer program called IBM SPSS Statistics v. 19.
Figure 2 A papaya and cantaloupe peeled by the automatic peeler 3 Results and discussion 3.1 Comparison between manual and automatic peeling of papaya Table 1 A comparison between manual and automatic peeling of papaya in terms of peeling time, cut peel thickness, and weight percentage of peeled fruit. Method Manual peeling Automatic peeling
Peeling time Cut peel Weight percentage (S) thickness (mm) of peeled fruit (%) 55.25 1.88 85.96 23.42
2.45
84.43
A comparison test between manual peeling and automatic peeling, with the automatic peeler’s blade set mover’s speed adjusted to 0.37 m s-1 and fruit mover’s speed adjusted to 200 rpm, showed that the automatic peeler was able to peel fruits 2.35 times faster than the human did. 3.2 Comparison between manual and automatic peeling of cantaloupe
99
Table 2 A comparison between manual and automatic peeling of cantaloupe in terms of peeling time, cut peel thickness, and weight percentage of peeled fruit. Method Manual peeling Automatic peeling
22.85
9.03
Weight percentage of peeled fruit (%) 70.21
22.69
6.08
79.44
Peeling time Cut peel (S) thickness (mm)
turned out to be 311 baht per day, 4 months, and 17,441 fruits per year, respectively, compared to a manual peeling rate of 162 fruits per hour by 1 human peeler for 300 baht per day. Table 3 Construction cost of fruit peeling machine prototype.
A comparison test between manual peeling and automatic peeling, with the speed of the automatic peeler’s blade set mover adjusted to 0.37 m s-1 and fruit mover speed adjusted to 200 rpm, showed that the automatic peeler was able to peel fruits 1.02 times faster than the human did. 3.3 Results of engineering economic analysis 3.3.1 Results of engineering economic analysis on manual and automatic peeling of papaya Calculated from the following parameter values: the cost of the automatic peeler prototype of 86,976 baht (Table 3), the peeler’s lifetime of 10 years, interest rate of 10%, labor cost of 1 human controller of 300 baht per day, peeling rate of 158 fruits per hour, electrical power consumption of 0.142 kW-hr, daily operating time of 8 hours, and annual operating days of 300 days, the operating cost, payback period, and break-even point turned out to be 310 baht per day, 4 months, and 17,490 fruits per year, respectively, compared to a manual peeling rate of 65 fruits per hour by 1 human peeler for 300 baht per day. 3.3.2 Results of engineering economic analysis on manual and automatic peeling of cantaloupe Calculated from the following parameter values: the cost of the automatic peeler prototype of 86,976 baht (Table 3), the peeler’s lifetime of 10 years, interest rate of 10%, labor cost of 1 human controller 300 baht per day, peeling rate of 159 fruits per hour, electrical power consumption of 0.152 kW-hr, daily operating time of 8 hours, and annual operating days of 300 days, the operating cost, payback period, and break-even point
Item 1. Electric motor and Pneumatic Components 2. Materials 2.1 Main frame 2.2 Power transmission unit 2.3 other devices 3. Fabrication by skilled labor Total
Cost (Baht) 47,000 3,500 2,000 29,476 5,000 86,976
3.4 Statistical analysis results - Results pertaining to papaya peeling Table 4 Weight percentage of peeled fruit, peeling time, and rotational speed of blade set mover for Speed of blade set Weight percentage Peeling time mover (m s-1) of peeled fruit (%) (s) 0.34 86.74±0.55a 24.28±0.10a 0.37 84.43±0.90c 23.42±0.05b 0.40 85.57±0.85b 22.51±0.09c papaya peeling In the same column, same letter that follows numbers signify no statistically significant difference at α=0.05.
As can be seen in Table 4 two-way anova showed that the rotational speeds of blade set mover and fruit mover were not correlated in terms of weight percentage of peeled fruit and peeling time. However, different blade set mover’s speeds resulted in statistically different weight percentage of peeled fruit and peeling time at 95% confidence interval, while different fruit mover’s speed did not result in any differences. - Results pertaining to cantaloupe peeling
100
Table 5 Weight percentage of peeled fruit, peeling time, with a linear speed of the blade set mover at 0.37 m s -1 and rotational speed of blade set mover for cantaloupe and a rotational speed of the fruit mover at 200 rpm. peeling The weight percentage of peeled fruit was 79.44±1.63% Speed of blade set and the peeling time was 22.69±0.10 seconds per fruit. Weight percentage of mover Peeling time (s) An engineering economic analysis showed that the peeled fruit (%) (m s-1) operating cost was 1 baht per fruit, and for a daily 0.34 81.99±2.23b 23.29±0.07a operating time of 8 hours and annual operating days of 0.37 79.44±1.63c 22.69±0.10b 300 days, the payback period was 4 months and the 0.40 84.73±2.74a 21.79±0.08c In the same column, same letter that follows numbers signify break-even point was 17,441 fruits per year. no statistically significant difference at α=0.05.
5 References As can be seen in Table 5 two-way anova showed Kasetsart, University.2546. Production economics and that the rotational speeds of blade set mover and fruit Papaya marketing. Bangkok: Applied economics mover were not correlated in terms of weight percentage research center. of peeled fruit and peeling time. However, different Wikipedia.2016.Papaya. blade set mover’s speeds resulted in statistically http://en.wikipedia.org/wiki/Papaya [10/June/2016] different weight percentage of peeled fruit and peeling Wikipedia.2016.Cantaloupe. time at 95% confidence interval, while different fruit http://en.wikipedia.org/wiki/Cantaloupe mover’s speed did not result in any differences. [10/June/2016] Benefits of cantaloupe. 2553. 4 Conclusion http://www.siamdara.com/ColumnGirl.asp?cid=1651, This study is a development of an automatic fruit [10/ June /2016] peeling machine. For papayas, the machine was able to peel them completely (except the top and the bottom Thongsroy, B. and Klajring, V. (2015). Development of fruit peeling machine using a two-way blade. The 8th of the fruits) with a linear speed of the blade set mover International Conference on Agricultural Engineering, at 0.37 m s -1 and a rotational speed of the fruit mover at 17-19 March, 2015, Bitec Bang-na Exhibition Centre, 200 rpm. The weight percentage of peeled fruit was Bangkok, Thailand. 84.43±0.90% and the peeling time was 23.42±0.05 seconds per fruit. An engineering economic analysis Wanchai, C. and Chaum, P.2538. Engineering Economics. Publisher, Chulalongkorn University, Bangkok. showed that the operating cost was 1 baht per fruit, and for a daily operating time of 8 hours and annual Blank, L.T. and Tarquin, A.J. 1998. Engineering Economy. Mc Graw Publishing, Singapore. operating days of 300 days, the payback period was 4 months and the break-even point was 17,490 fruits per Petroht, l. Angsuchot, S. Chamniprasat, A. 2550. Statistics for the research technique using SPSS. Bangkok: year. Mission Media. For cantaloupes, the machine was able to peel them completely (except the top and the bottom of the fruits)
101
PHF-12
Extraction of glucosinolates and their conversion into sulforaphane via the addition of exogenous myrosinase Patsaporn Pongmalai1,*, Sakamon Devahastin1, Naphaporn Chiewchan1, Somchart Soponronnarit2 1
Advanced Food Processing Research Laboratory, Department of Food Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Tungkru, Bangkok 10140, Thailand. 2 Division of Energy Technology, School of Energy, Environment and Materials, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Tungkru, Bangkok 10140, Thailand. Corresponding author: Patsaporn Pongmalai. E-mail: septimus-heep@hotmail.com
Abstract Since the hydrolysis of glucosinolates into sulforaphane via the action of the endogenous enzyme myrosinase is generally quite ineffective, an idea to first extract glucosinolates from their source and later convert these compounds into sulforaphane via the use of exogenous myrosinase is proposed. A suitable extraction condition to maximize glucosinolates yield from cabbage outer leaves, which were used as a source of the compounds, was first determined; ultrasound-assisted extraction in combination with vacuum microwave-assisted extraction (UAE+VMAE) was used for the extraction. A suitable condition for the conversion of glucosinolates into sulforaphane via the addition of exogenous myrosinase from mustard seeds was then investigated. UAE for 40 min and VMAE (after UAE) for 2 min as applied to steamed cabbages proved to result in the highest recovery of glucosinolates. The suitable condition for the conversion of glucosinolates in the extract into sulforaphane was the use of an enzyme-to-substrate ratio of 1:100 at the reaction temperature of 30°C for 2 h. Keywords: Mustard seeds; Sulforaphane; Ultrasound-assisted extraction; Vacuum microwave-assisted extraction
1 Introduction Sulforaphane has recently received considerable attention due to its anticarcinogenic activity. Sulforaphane ([1 – isothiocyanato – 4 - (methylsulfinyl) butane]) is a bioactive compound within the isothiocyanates group and is produced via the hydrolysis of glucoraphanin, which is a glucosinolate commonly found in Brassica vegetables, by the enzyme myrosinase (Zhen-Xin et al., 2012). Glucosinolates, which naturally reside in plant cell vacuoles, are chemically stable and biologically inactive. The hydrolysis of glucosinolates by endogenous myrosinase, which is located in myrosin cells, would take place when plant tissues are disrupted by such actions as chopping or cooking (Shen et al., 2010). For this reason, there is a high possibility that endogenous myrosinase would be inactivated by the temperature/pressure increase that takes place during the required processing of a vegetable (Verkerk and Dekker, 2004; Rungapamestry et al., 2006; Ghawi et al., 2012).
Since endogenous hydrolysis of glucosinolates during processing may be inefficient, a means to first extract glucosinolates from their sources was investigated; exogenous hydrolysis could then be later conducted in a more efficient fashion. Based on our preliminary study, ultrasound-assisted extraction followed by vacuum microwave-assisted extraction (UAE+VMAE) resulted in a higher glucosinolates content than those extractable via other tested extraction methods, including ultrasoundassisted extraction followed by microwave-assisted extraction (UAE+MAE) and VMAE alone due to the combined effect of acoustic cavitation and microwave irradiation under vacuum condition. Steaming prior to UAE+VMAE was also noted to help inactivate endogenous myrosinase and hence inhibit the conversion of glucosinolates into sulforaphane; a larger amount of glucosinolates was therefore left for the extraction. The extraction condition for UAE+VMAE that should be used to extract glucosinolates from the steamed cabbages has not been established, however.
102
After extraction exogenous myrosinase would be added to a glucosinolates extract to convert these compounds into sulforaphane. However, an effective hydrolysis would not take place if a suitable condition for the hydrolysis reaction has not been established. It is important to note that the conversion of glucosinolates into sulforaphane depends on various factors that influence the activity of myrosinase, including temperature, time, pH as well as ratio of enzyme to substrate (Zhen-Xin et al., 2012). Shen et al. (2010), for example, studied the conversion of glucoraphanin into sulforaphane via the application of endogenous and exogenous myrosinases. Only 35% conversion rate was rendered by the endogenous hydrolysis at an enzyme/substrate ratio of 0.33 g/mL, reaction temperature of 25 °C, reaction time of 8 h, pH 4.0 and in the presence of ascorbic acid at 0.02 mg/g. On the other hand, the hydrolysis of glucoraphanin by exogenous myrosinase led up to 68% conversion, which was accomplished at an enzyme/substrate ratio of 0.001 g/mL, reaction temperature and time of 35 °C and 3 h, pH 5 and in the presence of 0.02 mg/g ascorbic acid. Therefore, endogenous and exogenous hydrolyses of glucoraphanin require different optimum conditions. Guo et al. (2013) more recently recommended that the optimum condition for isothiocyanates production from broccoli sprouts was an incubation temperature of 40 °C for 3 h with the addition of 0.02 mmol EDTA and 0.16 mg of ascorbic acid to 4 mL of phosphate-citrate buffer solution at pH 4. Ghawi et al. (2013) also mentioned that the optimum condition for the hydrolysis of glucosinolates via the addition of myrosinase from mustard seeds was the temperature of 30 °C for 5 h. Despite some existing studies on the condition for glucosinolates conversion, limited information is so far available regarding a suitable condition for the conversion of extracted glucosinolates (and not those in the native form) into sulforaphane via the addition of exogenous myrosinase. Based on the above-mentioned arguments, the aim of this study was to first determine a suitable condition
for the extraction of glucosinolates from steamed cabbages via the use of UAE+VMAE. A suitable condition for the conversion of the extracted glucosinolates into sulforaphane via the use of exogenous myrosinase from mustard seeds, which is a good source of myrosinase, was then determined. 2 Material and methods 2.1 Materials Outer leaves of cabbage (Brassica oleracea L. var. capitata) were obtained from Pakklong Talad market in Bangkok; the leaves were kept at 4 °C until the time of an experiment. Before starting of each experiment, the leaves were washed with tap water and drained on a screen to get rid of excess water. White mustard seeds were obtained from Tone Brothers Inc. (Ankeny, IA). 2.2 Methods 2.2.1 Steaming Fresh leaves of cabbages were placed on a screen and steamed in a water bath (Heto, AT 110, Allerod, Denmark) at 100 °C for 2 min to inactivate endogenous myrosinase prior to the extraction. After steaming the leaves were immediately cooled in cold water at 4 °C. The leaves were then chopped with an electric chopper (Moulinex, DPA141, Ecully, France) for 2 min to obtain an average size of cabbages of 1.7-2.5 mm. 2.2.2 UAE+VMAE Five g of steamed cabbages was dispersed in 50 mL of deionized water (DI water), which was used as an extraction solvent, in a 250-mL beaker. The whole content was placed in an ultrasonic bath (Elma, Elmasonic P, Singen, Germany) containing 1 L of distilled water and sonicated at a frequency of 37 kHz and a set power of 320 W for 40 min; this condition was selected as the condition that yielded an extract with the highest glucosinolates content (Pongmalai et al., 2015). An ultrasonically extracted sample was then placed in a round-bottom flask, which was contained in the cavity of a domestic microwave oven (Samsung, GE-872D, Port Klang, Malaysia), which was modified for VMAE as detailed in Hiranvarachat et al. (2015). VMAE was
103
conducted at a set power of 180 W and an absolute pressure of 70 kPa. After extraction the sample was filtered through a filter paper to separate the cabbages from the extract. 2.2.3 Exogenous hydrolysis of the extract Grounded mustard seeds were added to the extract, which was contained in a 250-mL Erlenmeyer flask, at the ratio of 1:100 or 1:50. The flask was covered at the top with a 5×5 cm aluminum foil and placed into a shaking (at 100 rpm) water bath (GFL-Gesellschaft für Labortechnik mbH, D-30938, Burgwedel, Germany) where the hydrolysis reaction was allowed to take place either at 30 or 37 °C. In this study, the pH of the extract was not adjusted since the pH of DI water (extraction solvent) was around 6.3, which is in the range of a suitable pH (≈ 5-7) for the hydrolysis reaction of glucosinolates into sulforaphane (Redovniković et al., 2008). After the hydrolysis the mixture of the extract and mustard seeds was filtered through a filter paper. The filtrate was concentrated using a rotary evaporator (Buchi, R-215, Flawil, Switzerland) at 50 °C for 30 min before being diluted with 2 mL of acetonitrile. A diluted sample was kept at -18 °C in a vial until further analysis. 2.2.4 Determination of sulforaphane content - Preparation of extract from fresh cabbages Sulforaphane extract was prepared using the method described by Tanongkankit et al. (2011). Five g of fresh cabbages was extracted two times with 50 mL of dichloromethane, which was combined with 2.5 g of sodium sulfate anhydrous. The dichloromethane fraction was dehydrated using the rotary evaporator at 50 °C for 10 min. The residue was then dissolved in 2 mL of acetonitrile. A diluted sample was kept at -18 °C in a vial until further analysis. - Quantification of sulforaphane The determination of the sulforaphane content was performed following the method of Pongmalai et al. (2015). Two mL of an extract (either from the fresh cabbages or from the hydrolysis reaction) was introduced to Oasis HLB, 3cc column (Waters, Milford, MA). The eluate was purged with N2 for 10 min and dissolved with
0.5 mL of 1% (v/v) acetic acid. The whole content was filtered through a 0.2-μm nylon filter. Ten μL of the filtrate was injected into Xselect CSH C18 HPLC column (4.6 mm×250 mm) (Waters, Milford, MA) with 15% acetonitrile and 85% of 1% (v/v) acetic acid as a mobile phase; its flow rate was set at 1.2 mL/min. A UV detector at a wavelength of 254 nm was used for detecting sulforaphane. The sulforaphane content was calculated from a standard curve of sulforaphane (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO), which was prepared at the concentrations of 0-50 μg/mL. 2.2.5 Statistical analysis The experimental data were subject to the analysis of variance (ANOVA) and are presented as mean values with standard deviations. Differences between the mean values were established using Duncan’s new multiple range tests; the differences were considered at a confidence level of 95%. All statistical analyses were performed using SPSS® software (version 17, SPSS Inc., Chicago, IL). All experiments were performed at least in duplicate. 3 Results and discussion To reduce the variability of the experimental data due to the variation in the raw material, normalized compound contents are reported in this study. The normalized glucosinolates and sulforaphane contents are defined as the contents of glucosinolates and sulforaphane in an extract at any instant to those extractable from the fresh cabbages. Based on our previous study (Pongmalai et al., 2015), UAE should be conducted for 40 min to extract glucosinolates from cabbage outer leaves. In the present study, experiments were further conducted to determine the optimum condition for the VMAE that would be used after the UAE. The maximum value of the normalized glucosinolates content extractable via VMAE (after UAE) for 4 min was noted to be higher than those obtained from MAE (after UAE) for 4 min and VMAE alone for 8 min (data not shown). This superior performance is due to the combined effect of acoustic cavitation during UAE and of
104
vacuum during VMAE that helped modify the cabbage structure, leading therefore to the enhanced transport of glucosinolates into the extraction solvent, and to the reduced boiling temperature of the solvent as well as to limit the oxygen content in the system. The lower mixture temperature and oxygen content might have helped reduce both the thermal and oxidative degradation of glucosinolates. Losses of glucosinolates during the extraction due to the hydrolysis reaction by endogenous myrosinase were still taken place since the native myrosinase was not completely inactivated. It was therefore of interest to determine if inactivation of myrosinase prior to the extraction would be helpful. Fig. 1 shows the evolutions of the normalized glucosinolates contents of the extracts from fresh and steamed cabbages as well as of the mixture temperature during UAE+VMAE. The normalized glucosinolates content extractable from steamed cabbages increased to the maximum value within only 2 min during VMAE (after UAE) and was higher than that obtained in the case of fresh cabbages. This is because endogenous myrosinase was completely inactivated during steaming; the hydrolysis reaction of glucosinolates into sulforaphane did not occur and hence the reduced loss of glucosinolates during the extraction.
compounds into sulforaphane. Normalized sulforaphane contents of the extracts after reacting with mustard-seed exogenous myrosinase at different enzyme-to-substrate ratios and reaction temperatures and time are presented in Fig. 2. At an enzyme-to-substrate ratio of 1:100 and reaction temperature of 30°C, the normalized sulforaphane content continuously increased until reaching its maximum value of around 0.48 when the reaction time was 2 h. After 2 h the normalized sulforaphane content decreased. This is probably because glucoraphanin, which is the substrate of the hydrolysis reaction, started to deplete beyond 2 h; more sulforaphane production was therefore not possible. The decrease in the sulforaphane content during the latter period was, on the other hand, due to the oxidation of sulforaphane during prolonged exposure to oxygen (Pongmalai et al., 2015).
Figure 2 Normalized sulforaphane contents of extracts after reacting with exogenous myrosinase from mustard seeds. () Enzyme to substrate ratio of 1:100 and reaction temperature of 30°C; () Enzyme to substrate ratio of 1:100 and reaction temperature of 37°C; () Enzyme to substrate ratio of 1:50 and reaction temperature of 30°C and () Enzyme to substrate ratio of 1:50 and reaction temperature of 37°C. At an enzyme-to-substrate ratio of 1:100 and reaction Figure 1 Evolutions of normalized glucosinolates temperature of 37 °C, the normalized sulforaphane content and temperature during UAE+VMAE. () Glucosinolates content of extract from content at the reaction time of 1 h was higher than that fresh leaves; () Glucosinolates content of at 30 °C. This is because an increase in the temperature extract from steamed leaves and () Mixture helped speed up the reaction rate during the hydrolysis. (cabbages + DI water) temperature. However, no significant differences in the sulforaphane After extraction exogenous myrosinase was added formation were observed between the reaction into the glucosinolates extract to convert the temperatures of 30 and 37°C at 2 h. After 2 h the 105
normalized sulforaphane content also decreased due to the oxidation reaction. At an enzyme-to-substrate ratio of 1:50 and a reaction time of 30°C, the normalized sulforaphane content at 1 h was significantly higher than that when using an enzymeto-substrate ratio of 1:100 (at the same reaction temperature) since a larger amount of myrosinase was available; a more rapid hydrolysis reaction to convert glucosinolates into sulforaphane thus occurred. The content still increased to its highest value at about 2 h. However, there were no significant differences in the maximum sulforaphane contents (around 0.48) between using enzyme-to-substrate ratios of 1:100 and 1:50 at a reaction temperature of 30°C. This is again because of the limited content of the substrates to be converted into sulforaphane. After 2 h the normalized sulforaphane content decreased. At an enzyme-to-substrate ratio of 1:50 and reaction temperature of 37°C, the maximum content of sulforaphane was not different from that observed at other conditions.
5 Acknowledgements The authors express their sincere appreciation to the Thailand Research Fund (TRF, Grant no. RTA5880009) for supporting the study financially.
6 References Ghawi, S.K., Methven, L., Rastall, R.A., Niranjan, K. 2012. Thermal and high hydrostatic pressure inactivation of myrosinase from green cabbage: A kinetic study. Food Chemistry 131, 1240-1247. Ghawi, S.K., Methven, L., Niranjan, K. 2013. The potential to intensify sulforaphane formation in cooked broccoli (Brassica oleracea var. italica) using mustard seeds (Sinapis alba). Food Chemistry 138, 1734-1741. Guo, Q., Guo, L., Wang, Z., Zhuang, Y., Gu, Z. 2013. Response surface optimization and identification of isothiocyanates produced from broccoli sprouts. Food Chemistry 141, 1580-1586. Hiranvarachat, B., Devahastin, S., Soponronnarit, S. 2015. Comparative evaluation of atmospheric and vacuum microwaveassisted extraction of bioactive compounds from fresh and dried Centella asiatica L. leaves. International Journal of Food Science and Technology 4 Conclusion 50, 750-757. The extraction of glucosinolates from cabbage outer leaves was first investigated to maximize the extraction Pongmalai, P., Devahastin. S., Chiewchan, N., Soponronnarit, S. 2015. Enhancement of microwaveyield. A suitable condition for the conversion of assisted extraction of bioactive compounds from glucosinolates into sulforaphane via the addition of cabbage outer leaves via the application of ultrasonic exogenous myrosinase from mustard seeds was then pretreatment. Separation and Purification Technology determined. VMAE (after 40-min UAE) for 4 min led to a 144, 37-45. higher content of glucosinolates than other extraction conditions due to the combined effect of acoustic Redovniković, I.R., Glivetić, T., Delonga, K. Vorkapić-Furač, cavitation and microwave irradiation at a lower J. 2008. Glucosinolates and their potential role in temperature. Steamed cabbages extracted via VMAE plant. Periodicum Biologorum 110, 297-309. (after UAE) for 2 min gave the highest normalized Rungapamestry, V., Duncan, A.J., Fuller, Z. Ratcliffe, B. glucosinolates content. The suitable condition for the 2006. Changes in glucosinolate concentrations, conversion of glucosinolates in the extract into myrosinase activity, and production of metabolites of sulforaphane was at an enzyme-to-substrate ratio of glucosinolates in cabbage (Brassica oleracea Var. 1:100 at the reaction temperature of 30°C and reaction capitata) cooked for different durations. Journal of time of 2 h. Agricultural and Food Chemistry 54, 7628-7634. Shen, L., Su, G., Wang, X., Du, Q. Wang, K. 2010. Endogenous and exogenous enzymolysis of 106
vegetable-sourced glucosinolates and influencing factors. Food Chemistry 119, 987-994. Tanongkankit, Y., Chiewchan, N. Devahastin, S. 2011. Evolution of anticarcinogenic substance in dietary fibre powder from cabbage outer leaves during drying. Food Chemistry 127, 67-73. Verkerk R., Dekker, M. 2004. Glucosinolates and myrosinase activity in red cabbage (Brassica oleracea L. Var. Capitata f. rubra DC.) after various microwave treatments. Journal of Agricultural and Food Chemistry 52, 7318-7323. Zhen-Xin, G.U., Qiang-Hui, G.U.O., Ying-Juan, G.U. 2012. Factors influencing glucoraphanin and sulforaphane formation in Brassica plants: A review. Journal of Integrative Agriculture 11, 1804-1816.
107
Reduction of Phosphate Soaking Time for Shrimp Product using Pulsed Vacuum Condition
PHF-13
Rosita Baka1, Thiranan Kunanopparat2*, Suwit Siriwattanayotin1 1
Department of Food Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Tungkru, Bangkok 10140, Thailand. 2 Pilot Plant Development and Training Institute, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Tungkru, Bangkok 10140, Thailand. Corresponding author: Thiranan Kunanopparat. E-mail: thiranan.kun@kmutt.ac.th
Abstract Soaking process is the process that improves functional properties of exported shrimp products using phosphate compound. However, soaking at atmospheric pressure takes a long time to reach the desirable yield and properties of soaked shrimp. Therefore, the objective of this work was to reduce the soaking time of peeled and deveined tail-off shrimp. Firstly, the effect of pulsed vacuum (PV) on soaking time and quality of soaked was studied. Then, the effect of PV on quality of cooked soaked shrimp was determined. For PV condition, shrimp was soaked with phosphate under vacuum pressure (15kPa) and then atmospheric pressure (101 kPa) for 7 and 3 min of each cycle, respectively. The result showed that soaked shrimp using PV reached equilibrium absorption faster than ATM. PV used only 3 h (18 cycles) to reach a stable absorption compared to ATM which used 7 h. In addition, soaked shrimp using PV tended to have 2% higher soaking yield than ATM at equilibrium absorption, while phosphate content was in stardard for exported frozen shrimp products. This may be explained by infiltration and force diffusion of PV. However, after cooking no difference in product yield of cooked shrimp between PV and ATM was observed. This may be associated with cooking loss due to infiltration moisture of PV. For cooked shrimp, no difference in texture between PV and ATM was observed. Therefore, PV can be applied for soaking shrimp. PV not only reduced soaking time, but also improved soaking yield of soaked shrimp. Keywords: Shrimp, Soaking Process, Pulsed Vacuum
1 Introduction Exported shrimp product is one of the main seafood products of Thailand. In 2015, Thailand exported shrimp product worth 0.62 billion US Dollar (Office of Agricultural Economics, 2015). One of the important steps to prepare the frozen raw and cooked shrimp product is the soaking process which is used to improve functional properties of shrimp using phosphate compound. Normally, in seafood industry shrimp is soaked for 5-10 h under atmospheric pressure at 4ºC (Lopkulkiaert et al., 2009). However, this soaking condition takes a long time to reach the desirable yield and properties of soaked shrimp, leading to the low production capacity and high production cost. Many soaking conditions were proposed to reduce soaking time (Cael, 2012; Jantranit, 2008). Vacuum tumbling at 16 rpm was used to soake shrimp, but this condition resulted in a loss of protein in soaked shrimp (Cael, 2012). In addition, combination of vacuum pressure
(5kPa) and positive pressure (200-600 kPa) was able to reduce soaking time and improve soakig yield of white shrimp (Jantranit, 2008). Vacuum pressure could reduce the internal gas volume and positive pressure allowed more water to penetrate into shrimp. However, phosphate content in shrimp may exceed the maximum level of stardard (Jantranit, 2008). However, no research studied the effect of pulsed vacuum (PV) on soaking time and yield of shrimp. PV is the technique that used the alternation of cycles under vacuum and then atmospheric pressure conditions. Deumier et al. (2003) studied the effect of PV on the marinated chicken fillet. PV increased salt gain, decreased water loss, thus increasing mass yield with uniform distribution in marinated meat. Moreover, this study demonstrated that PV conditon with a long vacuum phase (7 min) and a shorter atmospheric pressure phase (3 min) enhanced the effect of PV on mass transfers.
108
Pulsed vacuum cycle (Figure 1B) is defined as the sum of the time (t0) required to obtain a Pv pressure, the time during which the Pv pressure is maintained in the tank (t1), of the time required to reestablish atmospheric pressure conditions (t2) and of the time that atmospheric pressure was maintained (t3) (Deumier et al., 2003a and Deumier et al., 2003b). The cycle ratio (CR) represents the ratio of t1:t3. This ratio increases as the vacuum processing time increases relative to that of the atmospheric pressure phase during the same cycle. Shrimp in this study was soaked with PV in cycle ratio 7:3 at 4-8ยบC compared to ATM. 2.3 Determination of raw shrimp quality In this study, shrimp freshness was controlled by using raw shrimp with 2 days of strorage time. Then, 2 Materials and Methods freshness in terms of volatile base nitrogen (TVB-N) and 2.1 Shrimp and soaking compound water holding capacity (WHC) was determined. Pacific white shrimp (Litopenaeus vannamei) was used TVB-N was analyzed by Conway's method (Hasegawa, in form of peeled and deveined tail-off shrimp with 210- 1987). Nitrogen compounds including Trimethylamine 220 pieces kg-1. Shrimp and mix-phosphate was received (TMA), Dimethylamine (DMA) and Amine (NH ) was 3 from local seafood factory. Shrimp was kept in cool detected. These nitrogen compounds exist after shrimp storage (ice). Food grade of mix phosphate was used to death, and increase with storage time (Benjakul, 2011). soak shrimp. Firstly, nitrogen compounds in shrimp was extracted with 2.2 Experimental apparatus tricholroacetic acid. Then, extracted solution was put in The experimental apparatus is shown in Figure 1A. A the outer ring of Conway plate. Boric salt with the motor with paddle was used to created agitation in indicator was put in the inner ring. All solutions in system and placed on stainless steel tank, which Conway plate were incubated at 37ยบC for the reaction. connected with vacuum pump (Franklin Electric, Finally, inner ring solution was titrated with hydrocloric E2M866700, England). Vacuum pump was used to create acid to find TVB-N. vacuum condition in soaking system. Shrimp was soaked WHC is other key parameter that presents the and agitated at 20 rpm in soaking solution with a 1:1.2 amount of water that structure of shrimp can hold. The ratio by weight of shrimp and soaking solution that sample was determined by centrifution (HITACHI, includes sodium di-polyphosphate, sodium tripolyphosphate and citrate. Therefore, the objective of this work was to reduce the soaking time of peeled and deveined tail-off shrimp. Firstly, shrimp freshness in terms of volatile base nitrogen (TVB-N) and water holding capacity (WHC) was determined to check the raw shrimp quality. In addition, shrimp freshness was controlled by using shrimp with 2 days of storage time. Then, the effect of PV on soaking time and shrimp quality in terms of yield, moisture and phosphate content was studied. For PV condition, shrimp was soaked with phosphate under vacuum pressure (15kPa) and then atmospheric pressure (101 kPa) for 7 and 3 min of each cycle, respectively. Finally, the effect of PV on cooked shrimp quality in terms of yield and texture was determined.
109
Figure 1 Schematic diagram of the experimental design (A) and vacuum cycles (B). CR22N, Japan) at 9,000 rpm, 4C for 10 min (Wongngam, exported frozen shrimp products, phosphate content -1 2007) Then, sample was dried to determine moisture should not be over than 5,000 mg kg (Jantranit, 2008). content by hot-air oven (MEMMERT, Germany) at 105ºC 2.5 Determination of the effect of PV on cooked shrimp for 24 h to calculate WHC (%) as follows: M To determine the effect of PV on finished product, WHC % 100 (1) M shrimp after soaking at different soaking time was cooked where Mi = initial moisture content of raw shrimp (%), by steaming at 100ºC until its core temperature reached Mc = moisture content after centrifuge (%) 70ºC (about 7 min) (Wongngam, 2007). Then, cooking 2.4 Determination of the effect of PV on soaked yield, product yield and texture of cooked shrimp were shrimp determined. Shrimp was soaked under PV and ATM at 4-8ºC until Cooking yield defined as the yield at cooking step soaking yield reached equilibrium. Then, soaking yield, which can be calculated by weight of shrimp before and moisture content and phosphate content of soaked after cooking. Product yield defined as total yield which shrimp at different soaking times were determined can be calculated based on the weight after cooking and Soaking yield was calculated by the difference in bweight of raw shrimp. Cooking yield and product yield mass of shrimp before and after soaking as follows: were calculated as follows: W Soaking yield % 100 (2) Cooking yield % 100 (3) where Wi = initial weight of raw shrimp and, Ws = weight after soaking Moisture content of soaked shrimp was determined by drying sample in the hot-air oven (MEMMERT, Germany) at 105ºC for 24 h (AOAC, 1995). Phosphate content of soaked shrimp at different soaking times was determined. Samples were made into dry-ash with zinc oxide. Then, dry-ash was mixed with ammonium molybdate in ascorbic acid to react with phosphate. The samples were changed into Molybdenum blue complex which can be detected at 823 nm (AOAC, 1995). Next, the phosphate content expressed as P2O5 was calculated using the standard curve. According to the stardard of
Product yield %
W W W
100
(4)
where Wc = weight after cooking Texture is one of attributes that customers need. Texture of cooked shrimp was determined by shearing test using texture analyzer (Stable Micro Systems, TA.XT.plus, England) with Warner-Blatzler probe. Cooked shrimp was cut down at second segment with 2 mm s-1 of probe speed to determine shearing force (Wongngam, 2007). 2.6 Statistical analysis Statistical analysis was performed by SPSS17. Analysis of variance (ANOVA) was performed following Duncan
110
(Duncan, 1955) new multiple range test (p< 0.05). All experiments were conducted in three replications. 3 Results and Discussion 3.1 Quality of raw material Shrimp quality especially freshness may affect the soaking yield and soaking time due to muscle integrity change of shrimp during storage (Rattanasatheirn, 2008). Therefore, in this study shrimp freshness was controlled by using raw shrimp with 2 days of storage time. Shrimp freshness in terms of total volatile base nitrogen (TVB-N) and water holding capacity (WHC) was determined as shown in Table 1. TVB-N of all samples was in range of 3.6-4.6 mg·N 100g-1 sample. This result was in the same range as previous study which reported that TVB-N of marine shrimp (P. monodon) was in acceptable range of 6.7-33.5 mg·N 100g-1 for 0-25 h of stoage time (Ali et al., 2010). In addition, no difference in TVB-N of all samples used in this study was observed. For WHC, all samples had WHC in range of 40-44% and there was no difference in WHC of all samples. Therefore, all shrimp used in this study was fresh and had no different freshness in terms of TVBN and WHC. Table 1 Total volatile base nitrogen (TVB-N) and water holding capacity (WHC) of raw shrimp
Test 1 2 3 Average
TVB-N (mg·N 100g-1 sample) 3.59±1.21a 4.30±0.48a 4.59±2.95a 4.17±1.89
WHC (%) 41.58±2.55a 40.11±5.00a 41.18±4.72a 41.18±1.78
3.2 Effect of pulsed vacuum on soaked shrimp To study the effect of PV condition on soaking time and shrimp qualities in terms of soaking yield, moisture and phosphate content, shrimp was soaked under ATM and PV conditions until it reached equilibrium absorption. For PV condition, vacuum pressure (15kPa) and then atmospheric pressure (101 kPa) was used to soak shrimp for 7 and 3 min of each cycle, respectively. Soaking solution of both conditions was controlled at 4-8oC. Figure 2A showed soaking yield of shrimp for ATM and PV as a function of soaking time and PV soaking cycle. ATM soaking condition was used 7-10 h to reach the equilibrium absorption with 123.3% soaking yield. PV was used only 18 cycles or 3 h to reach the equilibium absorption with 125.6% soaking yield. Therefore, PV led to gain 2% higher soaking yield and take shorter soaking time than ATM. This may be explained by the moisture infiltration and force diffusion of PV, resulting in an increase in diffusion rate of soaking solution (Deumier et al., 2003a and Deumier et al., 2003b).
111
Figure 2 ATM and PV soaking conditions on soaking yield (A), moisture content (B) and phosphate content (C) of soaked shrimp. Soaking yield of shrimp increased because shrimp protein for ATM condition at longer soaking (Wongngam, absorbed soaking solution consisting of water and 2007). Figure 2C showed phosphate content in soaked phosphate compound. Therefore, moisture content of soaked shrimp was determined to confirm an increase in shrimp. For ATM and PV, phosphate content reached soaking yield of shrimp. In addition, phosphate content in stable about 1,800-2,000 mg kg-1 at 3 h and 8 cycles (1.5 soaked shrimp was analyzed to ensure that its content is h), respectively. No significant differcence in phosphate the regulation. content between ATM and PV was observed. However, Moisture content of shrimp for ATM and PV presented phosphate content of shrimp using PV tended to be as shown in Figure 2B. For ATM, moisture content of higher than ATM. In addition, phosphate content of shrimp reached stable at 87.07% after soaking for 7 h. For shrimp using PV and ATM was in the stardard of exported PV, moisture content of shrimp started to stable and frozen shrimp products which should not over the reached at 87.02% after soaking for 18 cycles (3 h). No regulation at 5,000 mg kg-1 (Jantranit, 2008). significant differcence in moisture content between ATM Morever, it can be noticed that phosphate content and PV was observed but %soaking yield between ATM for both ATM and PV started to stable faster than and PV was different. This may be due to loss of soluble moisture content. For example, for ATM phosphate 112
content reached stable at 5 h while moisture content was stable at 7h. This may be explained by high molecular weigth of phosphate compared to water. So, water could diffuse deeply into shrimp due to its low molucualr weight (Wongngam, 2007). 3.3 Effect of pulsed vacuum on cooked shrimp Besides exported soaked shrimp, cooked shrimp is one of the important exported products. Quality of cooked shrimp was determined to study the effect of PV on finished product. Therefore, soaked shrimp was cooked by steaming at 100ÂşC until its core temperature reached 70ď&#x201A;°C. Then, cooking yield, product yield and texture of cooked shrimp were determined. Cooking yield of shrimp with different soaking time for ATM and PV showed in Figure 3A. Cooking yield defined as weight of cooked shrimp divided by weight of soaked shrimp. The result showed that cooking yield of PV tended to be lower than ATM for all soaking times. So, high soaked yield of shrimp using PV could not remain in cooked shrimp. This may be explained by that the infiltration moisture of PV may not bind with protein and may easily loss during cooking. Therefore, to keep high cooking yield in case of cooked shrimp, this study suggested that PV may be applied for batter coated shrimp products such as tempura in order to prevent loss of infiltration moisture in cooked shrimp by batter coating.
Then, product yield defined as weight of cooked shrimp divided by weight of raw shrimp was determined to study the effect of PV on yield of finished product. As shown in Figure 3B, there was no difference in product yield between ATM and PV. For both ATM and PV, product yield increased with soaking time and reached stable at 3 h and 8 cycles (1.5 h), respectively. Changes in product yield for ATM and PV were well correlated with changes in phosphate content (Figure 2C), because after phosphate content reached stable, product yield did not increase. This can be explained by that during cooking, protein denaturation resulted in moisture loss, phosphate can reduce moisture loss by improving water holding capacity of shrimp (Wongngam, 2007). Therefore, for cooked shrimp the proposed soaking time is time required until phosphate in shrimp reached contant. Finally, texture of cooked shrimp was determined by shearing test to study the effect of PV on sensory properties of finished product. As shown in Figure 4, there was no difference in texture of cooked shrimp between ATM and PV. This result confirmed that PV can be applied for shrimp product without changing product texture. Therefore, PV can be used to reduce soaking time and increase yield for soaked shrimp product, while yield of finished product (cooked shrimp) remained as the same as ATM soaking condition.
113
Figure 3 ATM and PV soaking conditions on cooking yield (A) and product yield (B) of cooked shrimp. product (cooked shrimp) remained as the same as ATM soaking condition. To keep the high product yield in case of cooked shrimp, this study suggested that PV may be applied for batter coated shrimp products such as tempura in order to prevent loss of infiltration moisture in cooked shrimp by batter coating.
Figure 4 ATM and PV soaking conditions on texture of cooked shrimp.
5 Acknowledgements This research was funded by “The Thailand Research Fund (TRF)” under the master class project “Research and researchers for Industries (RRI)”. Commenting on the report findings, The Thailand Research Fund is not necessarily always agree.
4 Conclusions In this study, PV was used to reduce soaking time of shrimp in order to improve production capacity. The result showed that PV can reduce soaking time and improve 2% soaking yield compared to ATM. In addition, phosphate content in soaked shrimp was in the stardard for exported frozen shrimp. Moreover, there was no difference in texture of finished product (cooked shrimp) between ATM and PV. However, after cooking there was no difference in product yield of cooked shrimp between ATM and PV. This may be associated with loss of infiltation moisture of PV during cooking. Therefore, PV can be used to reduce soaking time and increase yield for soaked shrimp product, while yield of finished
6 References Ali, M.Y., Sharif, M.I., Adhikary, R.K. and Faruque, M.O. 2010. Post mortem variation in Total Volatile Base Nitrogen (TVB-N) and Trimethylamine Nitrogen (TMAN) between Galda (Macrobrachium rosenbergii) and Bagda (Penaeus monodon), University J. Zool. Rajshahi University 28, 7-10. AOAC, Official Methods of Analysis of AOAC International. 1995, AOAC International: 16th ed. Washington, D.C. Benjakul, S. 2011. Chemical and Quality of marine animal. Odian Store, Bangkok Cael, M.D. 2012. Vacuum Tumbling for the Incorporation of Phosphates in Gulf Shrimp. Master Louisiana State University.
114
Deumier, F., Bohuon, P., Trystram, G., Saber, N., Collignan, A. 2003a. Pulsed vacuum brining of poultry meat: experimental study on the impact of vacuum cycles on mass transfer. Journal of Food Engineering 58, 7583. Deumier, F., Trystram, G., Collignan, A., GuĂŠdider, L., Bohuon, P. 2003b. Pulsed vacuum brining of poultry meat: interpretation of mass transfer mechanisms. Journal of Food Engineering 58, 85-93. Duncan, D. B. 1955. Multiple range and multiple FTests. Biometrics 11, 1-42. Hasagawa, H. 1987. Laboratory manual on analytical methods and procedures for fish and fish products. Marine Fisheries Research Department. SEAFDEC. Singapore. Jantranit, S. 2008. Optimization of Phoshate Soaking Process to Enhance Water Uptake in White Shrimp. Master of Engineering dissertation. Department of Food Engineering, King Mongkut's University of Technology Thonburi. Lopkulkiaert, W., Prapatsornwattana, K., Rungsardthong, V. 2009. Effects of sodium bicarbonate containing traces of citric acid in combination with sodium chloride on yield and some properties of white shrimp (Penaeus vannamei) frozen by shelf freezing, air-blast and cryogenic freezing. LWT - Food Science and Technology 42, 768-776. Office of Agricultural Economics. 2015. Export statistics of Thailand. Available at: http://www.oae.go.th/ oae_report/export_import/export.php. Accessed on 30 May 2015. Rattanasatheirn, N., Benjakul, S., Visessanguan, W., Kijroongrojana, K. 2008. Properties, Translucence, and Microstructure of Pacific White Shrimp Treated with Mixed Phosphates as Affected by Freshness and Deveining. Journal of Food Science 73, 31-40. Wongngam, W. 2007. Yield improvement of frozen cooked tailed-on shrimp product. Master of Engineering, King Mongkut's University of Technology Thonburi. 115
Effect of Drying Temperature and Feed Rate on Drying Characteristics on Quality of Parboiled Rice Using Coaxial Impinging Stream Dryer
PHF-14
Ponlakrit Kumklam1*, Somkiat Prachayawarakorn2, Sakamon Devahastin3 and Somchart Soponronnarit1 1
Division of Energy Technology, School of Energy, Environment and Materials, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Bangkok 10140, Thailand. 2 Department of Chemical Engineering, Faculty of Enginering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Bangkok 10140, Thailand. 3 Advanced Food Processing Research Laboratory, Department of Food Engineering, Faculty of Enginering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Bangkok 10140, Thailand.
Abstract Parboiled paddy is a high surface moisture particulate material. Impinging stream dryer (ISD) belong to a unique class of dryers that rapidly removing surface moisture of particulate materials. The main objective of this work was to study the effect of drying air temperatures and paddy feed rates on various quality parameters of parboiled paddy. The qualities were considered in terms of head rice yield and color. The paddy was dried from the initial moisture content of 55.4±0.1% (d.b.) to 22.0% (d.b.) using inlet drying air temperatures of 150, 170 and 190 ºC, inlet air velocity of 25 m/s, impinging distance of 5 cm and paddy feed rates of 50, 110 and 160 kg(dry solid)/h. After impinging stream drying, the paddy was ventilated by ambient air until the final moisture content was reduced to 16% (d.b.). The result showed that the moisture reduction of the paddy depended on both the drying air temperatures and paddy feed rates. Moisture reduction of paddy during drying was increased with decreasing paddy feed rate. The head rice yield of the paddy was decreased with decreasing moisture content and increasing paddy feed rate. Keywords: Impinging stream drying, parboiled paddy, Head rice yield
1 Introduction Impinging stream dryer (ISD) belongs to a class of flash dryer for removing moisture from particles within a short period of time. The principle of an ISD is two or more gas streams that impinge at high velocity in the opposite direction, at least one stream carrying wet particles. The area at the midpoint of two streams calls an impingement plane (Tamir, 1994). The collision of oppose streams produces high shear and intent turbulence which leads to intensify heat and mass transfer. Choicharoen et al. (2010) studied the performance of a coaxial two-impinging stream dryer and evaluated its performance using soy residue (okara) as a test material. It was found that an increase in the inlet air temperature, inlet air velocity and particle flow rate led to an increase in the volumetric water evaporation rate. Nimmol et al. (2012) investigated a combination of ISD and pneumatic dryer for drying paddy and found that the dryer could
reduce the moisture content of paddy by 6.6-9.2%(d.b.). The head rice yield decreased with an increase in paddy feed rate because higher feed rate let to more collision among paddy kernels and hence a higher possibility of kernel breakage. Swasdisevi et al. (2013) applied an ISD to the drying of paddy. The quality of paddy in terms of head rice yields was excessively low. The rapid moisture removal produces large stresses inside the kernel, causing the crack formation and corresponding head rice yield reduction. Although ISD results in higher drying rate, but it is improper for drying paddy. On the other hand, the parboiled paddy was harder kernel than paddy since the starch gelatinization taking place during parboiling process changes the physical properties of paddy. Pruengam et al. (2014) primarily studied the use of an ISD to dry parboiled paddy and found that the head rice yield could be almost the same as that obtained from before drying. From this work, it indicates that the ISD may
116
possibly be an alternative to other grain dryers such as LSU dryer, circulating batch dryer and fluidized bed dryer that are commercially used. However, the full investigation for drying parboiled paddy by ISD has not yet been studied for designing the pilot scale ISD. The important problem for drying parboiled paddy by ISD is involved with the collision of paddy kernel in the impinging zone since the air velocity in the ISD is rather high as compared to those velocities that used in the aforementioned grain dryers. With high air velocity, the kernels will also move with high velocity and when they impact amongst themselves, their momentum during collision is high, which may produce the crack on the paddy kernel, resulting in the head rice yield reduction. The frequency of collision of particle is depended on the air velocities, impinging distance and particle concentration in the impinging zone. In this article, we were therefore interested in the study of effects of feed rate, number of drying cycles and drying temperature on the drying kinetics and parboiled rice quality evaluated by the head rice yield. 2 Materials and Methods 2.1 Sample procrument The long-grain paddy (RD41) with high amylose content was used as a test material. The paddy was harvested in April 2016 from Chainat province, Thailand. The moisture content of paddy as received was around 14%(d.b.). 2.2 Parboiling of paddy Paddy was soaked in water at temperature of 65 ºC for 5 h. After draining, the soaked paddy was stored in basket at ambient environment for an hour prior to streaming. The saturated steam at temperature of 103 ºC was used to steam the soaked paddy for 20 min after which it was ventilated by ambient air for 10 min. The moisture content of the parboiled paddy after ventilation was approximately 55%(d.b.). 2.3 Drying system A schematic diagram of the coaxial impinging stream dryer is shown in Fig 1. The dryer consists of a drying
chamber made of stainless steel with inner diameter of 0.25 m and has a volume of 0.018 m3. The inlet pipe of the drying chamber is 0.038 m in diameter. The impinging distance between face of inlet pipes was 5 cm. A high pressure blower rated at 5.5 kW supplied the air to the system. The air velocity of 25 m/s was used in this study. The paddy feeder driven by the DC motor of which its rotation was controlled by the voltage regulator and the three paddy feed rates of 50, 110 and 160 kgdry solid/h were used. The drying air is heated by two electric heaters, each rate at 6 kW, which were controlled by two proportional–integral–differential (PID) controllers (Omron, model ESCN-RMTC-500, Japan). The inlet air temperatures of 150, 170 and 190 ºC were used in this study. The hot air temperature was measured at point A and B (see figure1) which was recorded continuously by K-type thermocouples connected to a data logger (Yokogawa, Model FX1010, Japan). The high pressure blower and the electric heaters were first switch on. After the air temperature reached the desired temperature, the parboiled paddy was fed into the drying system. The sample was collected at the dryer exit and some amounts of dried paddy was taken to determine the moisture content and quality of parboiled paddy. The remaining sample was dried again in the ISD, which was called drying cycle. The dried paddy leaving from the each drying cycle still had high moisture content and could not keep for a long period of time. Thus, the sample was ventilated by ambient air for 2-3 days until the final moisture content of paddy reached around 16%(d.b.). The dried paddy was kept in seal plastic bags for 14 days prior to quality analysis. 2.4 Head rice yield evaluation 130 g parboiled paddy was dehusked by a hulling machine (Ngeksenghuat, Model P-1, Bangkok, Thailand) and milled for 40 s using a miller (Ngeksenghuat, Model K-1, Bangkok, Thailand). Head rice yield was then separated from brokens using an indent cylindrical separator. The head rice yield was defined as the mass of unbroken parboiled rice kernels divided by the mass of brown rice before milling. In this study, the head rice
117
yield was based on brown rice which namely HRYbr. All experiments were conducted in three replicates and the average value was reported. 2.5 Moisture content evaluation The moisture content of samples was determined by the standard oven method. Three 30 g samples were dried in hot air oven at 103 ยบC for 72 h, according to AACC method (AACC, 1995). All experiment were Figure 2 Effect of operating parameters on moisture content at drying temperature of 150ยบC performed in triplicate and average value is reported. 2.6 Dehulled kernel evaluation Two hundred dried parboiled paddy kernels were randomly selected from each experiment condition and speculated the dehulled kernels by the naked eyes. The dehulled kernel was reported as percentage.
Figure 1 A schematic diagram of an ISD 3 Results and Discussion 3.1 Reduction of moisture content Figure 2 shows the effects of particle feed rates and number of drying cycles on the moisture content of parboiled. Increase in the number of drying cycles led to an increase in the moisture content reduction. This is probably due to the fact that increase in the number of drying cycles leads to grains more contacting the drying air, resulting in more evaporation of moisture. The effect of paddy feed rate on moisture content reduction is also depicted in Figure 2 It was observed that the decrease of paddy feed rate resulted in more moisture content reduction. This is because the humidity of drying air in the drying chamber increases with increased particle feed rate and this causes the smaller water vapor concentration difference between the paddy surface and drying air, thereby allowing slower rate of drying.
Figure 3 Effect of operating parameters on moisture content at paddy feed rate of 50 kgdrysolid/h The effected of drying air temperature on the moisture content reduction is shown in Figure 3 It was observed that an increase in the drying air temperature provided faster moisture content reduction, as expected. This is due to the fact that a higher inlet drying air temperature caused a lager difference between the drying temperature and the particle surface temperature, which is the driving force for the evaporation of moisture from particle surface. 3.2 Head rice yield Figure 4 shows the relationship between moisture content and HRYbr at different inlet drying air temperatures. It is clear that the HRYbr decreased with the decreased moisture content. This is because a lager reduction of moisture content during drying led to produce higher moisture gradient-induced stresses inside the kernels and the corresponding larger number of fissured kernels during drying, Hence, when the kernels were milled, the fissured kernels were broken (Nimmol et al., 2012). In addition the effect of moisture-induced stresses, the HRYbr also decreased with an increase in the paddy feed rate. This is because a higher feed rate led to more particles entering the system, hence more
118
collisions among kernels getting a higher possibility of kernel breakage.
the drying temperatures and paddy feed rates significantly affected the moisture content and head rice yield. The moisture content and head rice yield reductions were increased with the increased drying temperature. Increase in paddy feed rate resulted in lower moisture evaporation rate and lower head rice yield. The percentage of dehulled kernels was depended on the number of drying cycles and paddy feed rate at giving drying temperature.
Figure 4 Variation in head rice yield of parboiled paddy at drying temperature of 170ºC 3.3 Percentage of dehulled kernels Figure 5 shows the percentage of dehulled kernel at different drying cycles, paddy feed rates and drying temperatures. The percentage of dehulled kernel increased with the increased number of drying cycle. The dehulled kernel is produced by the collision amongst the kernels. After 5 drying cycles, the percentages of dehulled kernels were in the range of 50-60%. At a given drying air temperature, the percentage of dehulled kernels was higher at lower paddy feed rate. This is due to the fact that the potential of air stream to carry the particle generally increases with decrease in the particle feed rate. Hence, at the low paddy feed rate, parboiled paddy kernels was move at higher velocity than that at the high paddy feed rate. Hence, the shear force acting on the parboiled paddy surface became higher at the low paddy feed rate, resulting in the husk splitting from the brown rice kernel.
5 Acknowledgements The authors express their sincere appreciation to the Thailand Research Fund (TRF), the Research Chair Grant of the National Science and Technology Development Agency (NSTDA) and King Mongkut’s University of Technology Thonburi for their financial support.
6 References AACC. 1995. Approved Methods of the American Association of Cereal Chemists (9th ed.). St. Paul: American Association of Cereal Chemists, Inc. Choicharoen, K., Devahastin, S., Soponronnarit, S. (2010). Performance and energy consumption of an impinging stream dryer for high-moisture particulate materials. Drying Technology 28, 20–29. Nimmol, C., Sathapornprasath, K., Devahastin, S. (2012). Drying of High-Moisture Paddy Using a Combined Impinging Stream and Pneumatic Drying System. Drying Technology 30, 1854–1862. Pruengam, P., Soponronnarit, S., Prachayawarakorn, S., Devahastin, S. (2014). Rapid Drying of Parboiled Paddy Using Hot-Air Impinging Stream Dryer. Drying Technology 32, 1949-1955. Swasdisevi, T., Devahastin, S., Thanasookprasert, S., Soponronnarit, S. (2013). Comparative Evaluation of Hot-Air and Superheated-Steam Impinging Stream Figure 4 Variation in percentage of dehulled kernels at Drying as Novel Alternatives for Paddy Drying. Drying drying temperature of 150ºC Technology 31, 717-725. 4 Conclusions Tamir, A. (1994). Impinging-stream reactors. Elsevier. The effects of drying temperatures and paddy feed Amsterdam. rates on the drying kinetics, head rice yield and dehulled kernels were investigated on this work. It was found that
119
Effect of a Combined Microwave and Fluidized Bed Drying on Drying Kinetics and Qualities of the Parboiled Rice
PHF-15
Eleeyah SANISO1*, Somkiat PRACHAYAWARAKORN2, Thanit SWASDISEWI3, Somchart SOPONRONNARIT1 1
Division of Energy Technology, School of Energy, Environment and Materials, King Mongkut's University of Technology Thonburi, 126 Pracha-Uthid Road, Bang Mod, Thung khru, Bangkok 10140, Thailand 2 Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkutâ&#x20AC;&#x2122;s University of Technology Thonburi, 126 Pracha-Uthid Road, Bang Mod, Thung khru, Bangkok 10140, Thailand 3 Division of Thermal Technology, School of Energy, Environment and Materials, King Mongkut's University of Technology Thonburi, 126 Pracha-Uthid Road, Bang Mod, Thung khru, Bangkok 10140, Thailand Corresponding author: Eleeyah SANISO. E-mail: eleeyah.s@mail.kmutt.ac.th
Abstract In general process, the parboiled rice production is divided into three steps: i.e. soaking, steaming and drying. However, there are too many steps in the procedue. Therefore, the aim of this work was to investigate the combined steaming and drying step in one process by applying microwave heating for the parboiled rice production. The effects of microwave (MW) combined with a batch hot air fluidized bed (FB) drying for drying kinetics and quality of parboiled rice were investigated. The experiments were carried out at an initial paddy (Suphanburi 1) moisture content (MC) of 47% d.b., bed height of 10 cm, drying air temperatures in a range of 110-150°C, a fixed microwave power density of 2 W/g-wet paddy and inlet superficial air velocity of 3 m/s. The results showed that the drying time to reach the intermediate MC of 22% d.b. was about 2.5-5 min and 3-6 min in microwave combined with fluidized bed (MWFB) drying and fluidized bed drying, respectively. The results of MWFB drying higher degree of starch gelatinization (DG) than that of FB drying. Whiles, the head rice yield (HRY) obtained from the MWFB drying was different from that of FB drying, and the whiteness value of the MWFB drying was lower than that obtained from the FB drying. Keywords: Drying, Parboiled rice, Fluidized bed, Microwave, Rice qualily
1 Introduction Parboiled rice is a hydrothermal treatment for improving the storage stability (Hapsari et al., 2016), the quality of rice and obtaining a higher milling yield. The parboiled rice production is divided into three steps: i.e. soaking, steaming, and drying (Velupillai et al., 1989; Hapsari et al., 2016; Buggenhout et al., 2014; Sittipod and Shi, 2016). After steaming, the MC of parboiled rice in range of 45-55% d.b., it should be dried before storage and milling. The fluidized bed dryer (FB) has an effective means in drying and can apply to dry paddy and parboiled rice. For example, Tirawanichakul et al. (2004) studied the effect of FB drying air temperature on various quality parameters. The results showed that the head rice yield was significantly related to the inlet drying temperature and initial moisturte content (MC) while the whiteness
was slightly decreased with an increase in drying air temperature and initial MC. The thermal analysis of differential scanning carolimeter (DSC) also showed that partial gelatinization occurred during drying at higher temperatures. While, Rordprapat et al. (2005) investigated the comparison between FB paddy drying using hot air (HA) and superheated steam (SHS) in terms of drying kinetics and qualities. It was found that, the drying rate of paddy dried by SHS were lower than those dried by HA. However, the HRY of paddy dried by SHS was higher than that dried by HA. It was also found that the values of whiteness of paddy dried by SHS were lower than those dried by HA. Finally, the gelatinization occurred in SHS drying was higher than that in HA drying. To combined steaming and drying step in one process, the MWFB is applied to the drying process for producing the parboiled rice. It is because of microwave
120
(MW) drying is an important factor that affects the drying kinetics and qualities of food products. The MWFB drying has been studied with many products, including parboiled wheat (Kahyaoglu et al. 2012), carrot (Stanisławski, 2005), peppercorns (Kaensup and Wongwises, 2004), soybeans (Zare and Ranjbaran, 2012). They were found that the microwave-assisted spouted bed (MWSPB) and MWFB drying could shorten the drying time by at least 60% and 98% than FB alone. In addition, the MWFB creates a bright yellow color of peppercorn, which is desirable for consummer. In previous work, it can be seen that a MWFB drying technique exhibits significant advantages over conventional drying method. It can shorten process time, provides high drying rate and improves the product quality. Therefore, the aim of this work was to investigate a combined steam and drying step into one process using microwave heating and fluidized bed drying for parboiled rice production. Drying kinetics and quality of parboiled rice in terms of head rice yield, whiteness and degree of starch gelatinization were investigated. 2 Materials and Methods 2.1 Experimental set-up A schematic diagram of a MWFB dryer shows in Figure 1. The system consists of five major components: a cylindrical drying chamber made from stainless steel with an inner diameter of 21 cm and height of 150 cm, a 19 kW electric heater which was controlled by PID temperature controller with an accuracy of ±1°C, a backward-curved blade centrifugal fan, which was driven by a 3 hp motor and 5 magnetrons, each rated at 800 W for generating MW in the drying chamber. 2.2 Materials Long-grain Suphanburi 1 paddy variety with an amylose content (27%) was used in this study. The paddy had already been stored at ambient temperature for 6 months with initial moisture content of 12-13% d.b. Paddy was cleaned and soaked in a water bath at temperature of 70°C for 5 h, which is below the the
gelatinization temperature, in order to avoid splitting of the husk (Bhattacharya, 2013; McIlroy et al. 1992). The MC of paddy after soaking was approximately 47% d.b. After draining water, the paddy was dried in a FB and MWFB dryer at temperatures of 110, 130, 150°C, MW power density of 2 W/g-wet paddy, inlet superficial air velocity of 3 m/s, a bed height of 10 cm and recycled air fraction of 0.8. After drying, the paddies were divided into 2 portions. The first sample was tempered for 30 min and the second one did not temper. After that, the samples were gently dried in shade to obtain MC of 1416% d.b. The parboiled rice was kept in a cool storage at 4-6°C for 2 weeks before analysing the qualities in terms of HRY, whiteness value and degree of starch gelatinization.
Figure 1 A schematic diagram of MWFB dryer. 2.3 Moisture content determination The MC of a paddy was determined by the oven method, according to the American Association of Cereal Chemists method (AACC, 1995). The samples weight of 30 g were put into a hot air oven (ULE500, Memmert, Schwabach, Germany) and dried for 72 hours at 103±2°C until obtaining the constant weight. Each measurement was performed in triplicate tests and reported the average value. 2.4 Head rice yield evaluation The dried parboiled rice (150 g) was dehusked using a hulling machine (Ngeksenghuat, model P-1, Bangkok, Thailand) and milled to remove bran using a miller (Ngeksenghuat, model K-1, Bangkok, Thailand). These
121
samples were graded using an indent cylindrical separator (Ngeksenghuat, model I-1, Bangkok, Thailand) and then the HRY were determined. The HRY was calculated by the mass of parboiled rice that was remained as head rice after complete milling (the kernel length of at least 3/4 or 75% of the whole kernel length) divided by the mass of the original parboiled rice (Bhattacharya, 2013). An experiments were performed in duplicate and reported the average value. 2.5 Determination of whiteness The whiteness value of the parboiled rice was examined by a Kett digital whiteness tester (model C-300, Japan). Before measuring it was calibrated with a standard white plate having a standard value of 86.3. The milled parboiled rice were randomly selected and filled in a glass sample cup and its whiteness was measured. Each measurement was performed in 10 replicates and an average value is reported. 2.6 Degree of starch gelatinization DG of parboiled rice was characterized by the Differential Scanning Calorimeter (DSC) (Perkin Elmer, model DSC-7, Norwalk, USA). A sample was ground into powder using the ultra-centrifugal mill and sieved through a 0.25-mm screen. 3 mg flour sample was put into an aluminum sample pan and mixed with 10 ml distilled water. The pan was then hermetically sealed and kept at room temperature for 1 h. After that, the pan was heated from 40 to 110°C at a scanning rate of 10°C/min. Each test was carried out with an empty pan as a reference. The DSC profiles were described as the onset (To), peak (Tp), conclusion (Tc) temperature and enthalpy of gelatinization (∆H), were recorded. The DG was calculated by the following equation (Bhattacharya, 2013): H % DG 1 100 H C
(1)
Where ∆H is the enthalpy change of starch in dried rice (J/g dry matter) and ∆Hc is the enthalpy change of starch in raw rice (J/g dry matter). An experiments were performed in duplicate and reported the average value. 2.7 Statistical analysis
The experimental data were analyzed by the oneway analysis of variance (ANOVA) and a Duncan’s multiple range test to compare the means at a confidence level of 95%. 3 Results and Discussion 3.1 Drying kinetics and grain temperatures The paddy samples had an initial MC of 47±1% d.b. When the paddy sample was dried by FB and MWFB, the MC of parboiled rice was decreased with an increase in drying time wheres the grain temperature increased with an increase in drying time as shown in Figures 2 and 3.
Figure 2 Moisture content of paddy (Suphanburi 1) drying by FB and MWFB at different drying air temperature (Tinlet=110, 130, 150°C/PMW=2W/gwet paddy). As expected, at the same drying method (FB or MWFB) the rate of MC reduction increased with an increase in the drying temperature because of an increase in drying temperature led to an increase in the moisture diffusivity of parboiled rice, which resulted in faster migration of moisture to the parboiled rice grain surface. To compare FB and MWFB drying, it was found that the rate of moisture reduction of MWFB drying was higher than that of FB drying at the same drying temperature because of the MW would penetrate to the core of parboiled rice grain and it was created a large vapor pressure difference between the center and the surface
122
of the parboiled rice. In addition, the drying times obtained by the MWFB drying were lower than that of the FB drying. The temperature evolution of paddy is shown in Figure 3. At the beginning of drying, the temperature increased gradually. However, the temperature of MWFB drying was higher than that of FB drying because water in parboiled rice could absorb electromagnetic well leading to a high parboiled rice temperature. Consequently, the grain temperature of parboiled rice of MWFB drying was increased rapidly compared with FB drying.
Figure 3 Grain temperatures of paddy (Suphanburi 1) drying by FB and MWFB at different drying air temperature (Tinlet=110, 130, 150°C/PMW=2W/gwet paddy). 3.2 Head rice yield Table 1 shows the effect of the FB and MWFB drying on parboiled rice on HRY. It can be seen that the HRY was increased with an increase in drying temperature for both tempering and non-tempering process. However, the HRY of the tempered parboiled rice was higher than that of non-tempered parboiled rice for all drying temperatures because the drying process creates inhetrently gradient of MC, causing the development of stresses inside the parboiled rice grain and subsequent crack formation. However, the crack formation in the parboiled rice may recover after tempering since the
starch molecules can move and seal the cracks (Cnossen et al., 2003). Table 1 Head rice yield of parboiled rice (Suphanburi 1) drying by FB and MWFB (at MC after drying in range of 2022% d.b.) Head rice yield (%) Tempering No tempering FB110°C 59.59±0.74a 54.94±0.83b c FB130°C 68.83±0.31 64.30±0.28c FB150°C 70.66±0.61de 68.48±0.64e b FB110°C+MW 60.85±0.57 54.09±0.85a d FB130°C+MW 70.40±0.58 67.21±0.48d FB150°C+MW 71.13±0.39e 69.24±0.69e Different superscripts in the same column indicate significant difference at p<0.05., MW=4,000W(t180s) Samples test
Figure 4 Head rice yield of parboiled rice (Suphanburi 1) drying by FB and MWFB at different drying air temperature (Tinlet=110, 130, 150°C/PMW=2W/gwet paddy) (T=tempering). Figure 4 shows the effect of MWFB drying with tempering on the HRY. It is seen in this figure that the HRY of parboiled rice was higher than FB drying. This is due to the fact that during the MWFB drying, the grain temperature was more rapidly increased. As a result, the rice starch could be gelatinized with a faster rate than that from FB drying, thus resulting in a higher % DG for MWFB drying. The gelatinization helps merge the cracks inside the parboiled rice. As shown in Figure 4, the
123
maximum HRY of parboiled rice was obtained by MWFB at temperatures of 150 ºC. However, the HRY of parboiled rice with tempering obtained both FB and MWFB drying at the drying temperature of 130 and 150°C and final moisture content of 20-22% d.b. was obtained from the MWFB was not different from that of FB drying. 3.3 Whiteness Figure 5 shows the whiteness of the parboiled rice dried by MWFB with tempering and non-tempering steps. It was found that the whiteness decreased with an increase in drying temperature and drying time, due to the higher grain temperature and longer drying time leading to a higher rate of Maillard reaction (Elbert, et al. 2001), resulting in bowner colour of parboiled rice product (Soponronnarit et al., 1998).
Figure 5 Whiteness value of parboiled rice (Suphanburi 1) drying by MWFB at different drying air temperature (Tinlet=110, 130, 150°C/PMW=2W/gwet paddy) (T=tempering, NT=non-tempering). Figure 6 shows the whiteness of the parboiled rice dried with FB and MWFB with including tempering process. It was found that the whiteness of MWFB drying was lower than that of FB drying at the same drying
temperature and drying time because the parboiled rice grain temperature of MWFB drying was higher than that of FB drying. Therefor, MWFB drying were provided more mallard browning reactions than that FB drying.
Figure 6 Whiteness value of parboiled rice (Suphanburi 1) drying by FB and MWFB at different drying air temperature (Tinlet=110, 130, 150°C/PMW=2W/g wet paddy) (T=tempering). 3.4 Degree of starch gelatinization Table 2 shows the DG of parboiled rice after FB and MWFB drying. It was found that the DG was increased with an increase in drying temperature for both FB and MWFB drying. However, the DG of MWFB drying was higher than that of FB dryingat the same temperature because MW generates volumetric heating of the parboiled rice by altering the electromagnetic field to interact with the water molecules in parboiled rice. As a result, the increase in temperature in the center of the parboiled rice, thus, MWFB drying was rapidly increasing the grain temperature due to the higher of DG.
124
Table 2 Degree of starch gelatinization of parboiled rice (at MC after drying in range of 18-23% d.b.) Temperature (°C) ∆H (J/g) DG (%) Onset Peak Conclusion Raw rice 71.50±0.10 77.70±0.10 83.00±0.60 8.17±0.01 FB110°C_T 76.75±0.05 81.60±0.10 88.75±0.55 6.91±0.06 15.48±0.69a FB130°C_T 77.80±0.30 82.85±0.05 89.00±0.00 4.82±0.28 41.07±3.29b FB150°C_T 78.35±0.35 84.30±0.00 89.20±0.20 3.63±0.19 55.63±2.32c FB110°C+MW_T 77.45±0.45 83.25±0.25 87.90±0.90 4.51±0.16 44.80±2.03b FB130°C+MW_T 78.15±0.55 83.90±0.40 86.35±0.65 3.23±0.38 60.53±4.54d FB150°C+MW_T 78.75±0.95 88.05±0.15 90.20±1.00 1.21±0.09 85.25±1.06e Means with the same superscript in a column do not differ significantly from one another (p > 0.05)., MW=4,000W(t180s), T=Tempering Samples test
Buggenhout, J., Brijs, K., Oevelen, J.V., Delcour, J.A. 2014. Milling breakage susceptibility and mechanical properties of parboiled brown rice kernels. LWT Food Science and Technology 59(1), 369-375. Cnossen, A.G., Jimenez, M.J., Siebenmorgen, T.J. 2003. Rice fissuring response to high drying and tempering temperatures. Journal of Food Engineering 59(1), 6169. Hapsari, A.H., Kim, S.J., Eun, J.B. (2016). Physical characteristics of parboiled Korean glutinous rice (Olbyeossal) using a modified method. LWT - Food Science and Technology 68, 499-505. McIlroy, D., Jacops, L., Kempen, J., Trim, A. 1992. Process for par-boiling rice. US.Pat. 5,130,153. Sittipod, S., Shi, Y.C. 2016. Changes of starch during 5 Acknowledgements parboiling of rice kernels. Journal of Cereal Science The authors express their sincere appreciation to the 69, 238-244. office of the Higher Education Commission, Thailand. Rordprapat, W., Nathakaranakule, A., Tia, W., Also, the authors thanks to The Thailand Research Fund Soponronnarit., S. 2005. Comparative study of (TRF) and The “Research Chair Grant” National Science fluidized bed paddy drying using hot air and and Technology Development Agency (NSTDA), Thailand, superheated steam. Journal of Food Engineering for their financial support. 71(1), 28–36. Soponronnarit, S., Srisubati, N., Yoovidhya, T. 1998. Effect 6 References of temperature and relative humidity on yellowing AACC. 1995. Approved method of the American rate of paddy. Journal of Stored Products Research association of cereal chemists (9th ed.). MN: American 34(4), 323–330. Association of Cereal Chemists: St. Paul. Tirawanichakul, S., Prachayawarakorn, S., Varanyanond, Bhattacharya, K. R. 2013. Rice quality: A guide to rice W., Tungtrakul, P., Soponronnarit, S. 2004. Effect of properties and analysis. Cambridge: Woodhead fluidized bed drying temperature on various quality Pubishing Limited. 4 Conclusions From the experimental study, it was found that the decrease of the MC of parboiled rice on the MWFB drying was more than in FB drying because of the MW would penetrate to the core of the parboiled rice due to increase the drying temperature led to an increased the moisture diffusivity of parboiled rice. As a result, the MWFB were higher DG than the FB drying. Accordingly, the HRY of parboiled rice dried by the MWFB became higher than the FB drying. While, the whiteness value of milled parboiled rice dried in MWFB was lower than that in FB drying. From this study, it recommended that the MWFB drying are appropriate for novel parboiled rice processing.
125
attributes of paddy. Drying Technology 22(7), 17311754. Velupillai, L., Verma, L.R., Tsangmuichung, M. 1989. Process for parboiling rice. US.Pat. 4,810,511. StanisĹ&#x201A;awski, J. 2005. Drying of diced carrot in a combined microwave-fluidized bed dryer. Drying Technology 23(8), 1711-1721. Kaensup, W., Wongwises, S. 2004. Combined microwave/fluidized bed drying of fresh peppercorns. Drying Technology 22(4), 779-794. Zare, D., Ranjbaran, M. 2012. Simulation and validation of microwave-assisted fluidized bed drying of soybeans. Drying Technology 30(3), 236-247. Kahyaoglu, L.N., Sahin, S., Sumnu, G. 2012. Spouted bed and microwave-assisted spouted bed drying of parboiled wheat. Food and bioproducts processing 90(2), 301-308.
126
Effect of Parboiling Conditions on Quality of RD31 Parboiled Rice
PHF-16
Natawut Neamsorn1, Chouw Inprasit2, Anupun Terdwongworakul1* 1
Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering at Kamphaeng Saen, Kasetsart University Kamphaeng Saen Campus, Nakhon Pathom, 73140. 2 Department of Food Engineering, Faculty of Engineering at Kamphaeng Saen, Kasetsart University Saen Campus, Nakhon Pathom, 73140. Corresponding author: Anupun Terdwongworakul. E-mail: xxx neamsorn@gmail.com
Abstract The purpose of this research was to study the effect of parboiling conditions on head rice yield (HRY) and color value of RD31 parboiled rice. RD31 paddy was soaked at 2 different temperatures and 3 periods of soaking time before being steamed at 3 steaming temperatures and 3 steaming periods. Drying was carried out by solar drying until moisture content of parboiled rice reached 13±1% wb. The results showed that at high soaking temperature (70°C), soaking time had strong negative correlation (correlation coefficient of -0.986) with HRY of parboiled rice. However, at low soaking temperature (60°C), the highest HRY was found at 7 hr of soaking and the lowest HRY was found at 6 hr of soaking. It was observed that soaking conditions (temperature and time) and steaming conditions (temperature and time) had negative influence on lightness (L*) of rice. However, soaking temperature and steaming conditions (temperature and duration) yielded positive effect on redness (a*) and yellowness (b*). Keywords: Parboiled, RD31, Quality
1 Introduction Rice is one of stable food of the world especially in south Asia. Generally, rice could be directly consumed in two types which are normal rice (brown or milled rice) and parboiled rice. Basically, parboiled rice is pre-cooked rice and one fifth of the world’s rice is parboiled (Bhattacharya, 2011). In 2015, Thailand export 9.80 million tonnes of rice, worth 155,912 million baht (Agricultural statistics of Thailand, 2016), and parboiled rice accounts for approximately 20 percent of total rice exported income at 30,194.5 million baht (Information and Communication Technology Center. Office of Permanent Secretary Ministry of Commerce, 2016). The top two exported rices of Thailand are in form of 100% milled white rice and parboiled rice and the major export destinations of Thailand’s parboiled rice are West Africa and South Africa. Parboiled rice is a product from hydrothermal process of paddy rice named parboiling which involved soaking, steaming and drying. Parboiling improves various properties of rice, for example higher milling yield, longer
shelf life and better nutrition values (Gariboldi, 1975). For parboiled rice trading, the quality indexes, which affect the value of parboiled rice, are its shape, size and color. Although shape and size of parboiled rice are easy to quantify by conventional machines, the color of parboiled rice is more difficult for grading as the surface color does not represent actual quality. Color changing of rice from white to brown (amber) during parboiling is mainly affected by (1) diffusion of bran pigment to kernel and (2) non-enzymatic browning due to Millard reaction. Two main factors which affect the color changing of parboiled rice are soaking and steaming. Generally, parboiling with a high temperature produces deeper and darker in color at the surface than at low temperature. The objective of this research was to invesgitate the effect of soaking and steaming conditions on quality of Thai parboiled rice (RD31 variety).
127
2 Materials and Methods 2.1 Effect of soaking conditions for parboiling before and after gelatinization level on moisture content The RD31 rough rice which was obtained from local rice trader in Nakhon Sawan province was cleaned and the impurities; e.g. stones, straw and dust, were removed. Rough rice sample (20 gram) was placed in percolated bag and soaked in warm water with temperature controlled at 60°C, 70°C, 80ºC. The temperature between 70°C to 80°C is considered to cause gelatinization of high amylose rice (Luh, 1991). The maximum soaking dutarion was 7 hours. Moisture content of soaked rough rice at different soaking temperatures was determined every hour by hot air oven method adopted from ASAE.S352.2 (ASAE Standards, 1998) 2.2 Preparation of parboiled rice sample for milling and color measurement Rough rice sample (5 kg) was soaked in warm water at controlled temperature of 60°C and 70°C and soaking duration at 6, 7 and 8 hours. Soaking temperature and duration were chosen based on result of previous experiments. Paddy rice in each soaking condition was steamed at different temperature (100°C, 105°C and 110°C) and different time (10, 15 and 20 min). Moisture content of steamed rough rice was reduced close to 13% by solar drying. 2.3 Milling yield Obtained parboiled rice from each parboiling conditions was de-husked by small scale rice hulling machine (NW150, Natrawee technology Co., Ltd, Thailand). A friction milling machine (N/A, Sinthawee garage, Thailand) was used for whitening and sorting brown parboiled rice and a cylinderal separator (TW02, Natrawee technology Co., Ltd, Thailand) was used for sorting the parboiled rice into whole and broken rice. Milling yield was expressed as percentage of weight of total obtained whole (milled) rice per weight of rough rice (Luh, 1991). Prepared parboiled rice was then stored in airtigthed polyethelene bag for at least 24 h before further experiments.
2.4 Color measurement Color value was measured by colorimeter (Spectroguide Gardner GmbH, Columbia, OH, USA). Illumainant/observer was set at D65/10° and instrument geometry was set at 45°/0°. Color measurement was performed directly on the whole kernels of parboiled rice. The color value was expressed in CIE L*a*b* color space. Each experiment was replicated three times and average value was used in data analysis. 3 Results and Discussion 3.1 Change in moisture content as affected by soaking conditions before and after gelatinization level The initial moisture content of RD31 rough rice was 12.39% wb and the changing of moisture content in rough rice kernel for 7 hour soaking period was showed in Figure 1. For all soaking temperature, hydration rate of rough rice was rapidly increase in first hour of soaking. This may be due to high absorption of dry husk and amount of water filled in the void between husk and endosperm of rough rice (Chakraverty and Singh, 2014). At temperatures (60°C and 70°C) lower than gelatinizetion level (80°C), hydration rate was high during the first hour of soaking and after the first hour the moisture absorption rate increased gradually. The curves of two lower temperatures (60°C and 70°C) increased in the same trend after the first hour and kept increasing parallel to each other. However, at temperature above gelatinization point (between 70°C and 80°C), hydration rate still increased in soaking duration. The further increasing of water absorption may be due to volume expansion of starch in rice kernel and partly splitting of rice hull. Therefore, the soaking temperature above gelatinization temperature was not desireable in parboiling of RD31 rough rice and precluded from the later experiment.
128
Figure 1 Change in moisture content of RD31 rough rice at various temperatures. 3.2 Head rice yield as affected by parboiling conditions The average percentage of head rice yield (HRY) of parboiled rice which was obtained in this research was 77.44-78.86 %. The HRY of parboiled rice was affected by both soaking and steaming conditions. The HRY of parboiled rice at different soaking conditions were shown in Table 1. The lowest HRY was 77.44% obtained from soaking condition of 60°C soaking temperature and 6 hr soaking duration. The HRY significantly increased when soaking temperature increased from 60°C to 70°C. However, the effect of soaking durations on HRY at two soaking temperatures were different. At 60°C soaking temperature, the HRY significantly increased when soaking duration increased from 6 to 7 hour and the HRY gradually decreased at 8 hour soaking period. In contrast, at 70°C, soaking duration had strong negative correlation (correlation coefficient of -0.986) with the HRY.The highest HRY was found at 6 hour soaking time. Effect of soaking duration on the decreasing of HRY at high soaking temperature (70°C) was due to hull breakout and excessive moisture in outer layer which led to distortion of rice kernel (Gariboldi, 1975). Table 1 Head rice yield of parboiled rice and soaking conditions. Soaking time (hr) 6 7 8 Aa Ab 60°C 77.44±0.66 78.24±0.55 78.13±0.54Ab 70°C 78.61±0.40Bb 78.42±0.54Bb 78.07±0.50Ba A,B Values in a column followed by different letters are significantly different (P<0.05). a,b Values in a raw followed by different letters are significantly different (P<0.05). Soaking temp
The HRY of parboiled rice at different steaming conditions were shown in Table 2. The HRY which was obtained from steaming temperature at 100°C and 105°C for three steaming durations (10, 15 and 20 mimute) were not significantly different (at p<0.05). However, at 110°C of steaming, the HRY of parboiled rice showed significant decrease from 78.37% to 77.86% for 10 to 20 minutes steaming duration. This was due to extream deformation of rice kernel which was steamed at high temperature and long duration (Islam et al., 2004). This result also agreed with the report on brown rice parboiling by (Parnsakhorn and Noomhorm, 2008). Table 2 Head rice yield of parboiled rice and steaming conditions. Steaming time (min) Steaming temp 10 15 20 ns 100°C 78.06±0.82 77.98±0.66 78.08±0.64 105°C ns 78.46±0.57 78.18±0.82 78.25±0.45 a ab 78.11±0.38 77.86±0.67b 110°C 78.37±0.56 a,b Values in a row followed by different letters are significantly different (P<0.05). ns Values in row are not significantly different at (p<0.05).
3.3 Effect of milling time on color parameters The color parameters of parboiled rice at three milling times were shown in Table 3. The lightness (L*) increased with milling time since at longer milling time, the bran and yellow pigment in outer layer of rice kernel was more removed. Table 3 Color parameters of parboiled rice at different milling times. Color parameters Milling time L* a* b* a a 20 s 57.18±3.10 1.97±0.52 18.45±1.02a 30 s 57.50±2.67a 1.77±0.48b 18.25±1.02b b c 40 s 58.45±3.09 1.56±0.58 17.73±1.14c a,b,c Values in a column followed by different letters are significantly different (P<0.05).
Soaking treatments affected the color of parboiled rice as shown in Tables 4 and 5. From Table 4, the color of parboiled rice at 70°C soaking temperature was siginificantly darker than at 60°C soaking temperature
129
(p<0.05) due to lower value of lightness (L*) and higher value of redness (a*) and yellowness (b*). Table 4 Color parameters of parboiled rice at various soaking temperatures. Color parameters Soaking temp L* a* b* 60°C 57.71±2.42a 1.57±0.51a 17.84±1.15a 70°C 56.52±2.67b 1.98±0.52b 18.44±0.96b a,b Values in a column followed by different letters are significantly different at (P<0.05).
The soaking duration also had influence on lightness of parboiled rice. Longer soaking duartion made rice kernel darker. The lightness value (L*) decreased siginificantly (p<0.05) with increasing soaking duration. However, there was no significanty difference of redness value (a*) for three soaking durations. Table 5 Color parameters of parboiled rice at various soaking times. Color parameters Soaking time L* a* b* 6 hr 58.31±3.20a 1.76±0.58ns 18.07±1.78a 7 hr 57.67±2.94b 1.78±0.52ns 18.22±1.05b 8 hr 57.13±2.75c 1.78±0.57ns 18.14±1.05a a,b,c Values in a column followed by different letters are significantly different (P<0.05). ns Values in a column are not significantly different (P<0.05).
Tables 6 and 7 showed the effece of steaming treatment on parboiled rice’s color value in the same way of soaking treatment. By increasing steaming temperature and steaming duration, the lightness value (L*) of parboiled decreased whareas color value (a* and b*) increased significantly (p<0.05). These results were in agreement with previous reports (Bhattacharya and Subba Roa, 1966; Bhattacharya, 1996; Islam et al., 2004). Therefore, RD31 parboiled rice discoloration was closely related to high steaming temperature and long steaming duration. Table 6 Color parameters of parboiled rice at various steaming temperatures.
Steaming
Color parameters L* a* b* temp a a 100°C 58.62±2.98 1.52±0.45 17.66±1.02a b b 105°C 57.71±3.03 1.76±0.54 18.13±1.02b c c 110°C 56.81±2.71 2.04±0.53 18.63±1.06c a,b,c Values in a column followed by different letters are significantly different (P<0.05).
Table 7 Color parameters of parboiled rice at various steaming time. Color parameters Steaming time L* a* b* 10 min 58.39±2.82a 1.62±0.48a 17.81±1.07a 15 min 57.65±3.04b 1.75±0.52b 18.09±1.00b 20 min 57.07±3.00c 1.95±0.61c 18.53±1.11c a,b,c Values in a column followed by different letters are significantly different (P<0.05).
4 Conclusions The soaking and steaming treatments in parboiling process changed physicochemistry of RD31 rice kernel. At 60°C soaking temperature soaking duration had positive effect on the HRY. However, soaking duration had negative influence on the HRY at 70°C soaking temperature. Steaming duration only had negative influence on the HRY at high steaming temperature (110°C). Soaking and steaming conditions had negative influence on the lightness value (L*) of rice, soaking temperature and steaming conditions (temperature and duration) yield positive effect on redness (a*) and yellowness (b*) of parboiled rice. 5 Acknowledgements The authers acknowledge Kasetsart university research and development institute for the research development fund, 2015. 6 References Agricultural statistics of Thailand, 2016. Agricultural statistics of thailand 2015, in: Office of Agricultuaral Economics, Ministry of Agriculture and Cooperative, (Ed.), Bangkok, p. 215.
130
ASAE Standards, 1998. Moisture measurements-unground grain seeds, Moisture relationships of grains. ASAE, St. Joseph, MI. Bhattacharya, K.R., 2011. Rice quality: A guide to rice properties and analysis, (1st ed.), Woodhead Publishing Limited, Cambridge, UK. Bhattacharya, K.R., Subba Roa, P.V. 1966. Effect of processing conditions on quality of parboiled rice Journal of agricultural and food chemistry 14, 476479. Bhattacharya, S. 1996. Kinetics on colour changes in rice due to parboiling Journal of food engineering 29, 99106. Chakraverty, A., Singh, R.P., 2014. Postharvest technology and food process engineering, CRC Press. Gariboldi, F., 1975. Rice parboiling, Food and Agriculture Organization of the United Nations. Information and Communication Technology Center. Office of Permanent Secretary Ministry of Commerce, 2016. Thailand rice export by destination/ parboield rice. Islam, M.R., Shimizu, N., Kimura, T. 2004. Energy requirement in parboiling and its relationship to some important quality indicators Journal of food engineering 63, 433-439. Luh, B.S., 1991. Rice, volume 2: Utilization, (2nd ed.), Springer Science & Business Media, NY. Parnsakhorn, S., Noomhorm, A. 2008. Changes in physicochemical properties of parboiled brown rice during heat treatment Agricultural engineering international: The cigr e-journal 10, 20.
131
Influence of Microwave Applicator Position of Fluidized Bed Drying on Quality of Partially Parboiled Rice
PHF-17
Theerasak Srimitrungroj1,*, Somchart Soponronnarit1, Somkiat Prachayawarakorn2 and Adisak Nathakaranakule1 1
School of Energy, Environment and Materials, King Mongkut's University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Bangkok 10140, Thailand. 2 Department of Chemical Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Bangkok 10140, Thailand. Corresponding author: Theerasak Srimitrungroj. E-mail: trsmhe@gmail.com
Abstract This article presents the feasible of partially parboiled rice production by the microwave-hot air fluidized bed dryer. In this study, the effects of microwave applicator installed position on the drying kinetics and head rice yield of paddy. The Supanburi 1 paddy with initial moisture content of 14% d.b. was soaked in hot water at constant temperature of 70°C for 5 h, then the 45-50% d.b. was dried by a microwave-hot air fluidized bed dryer using a superficial air velocity of 5.5 m/s and hot air temperatures of 130°C. A static bed height was fixed at 10 cm and the microwave power was fixed at 800 W with a frequency of 2.45 GHz. The microwave was installed at positions of 3 cm, called “dense zone” and 24 cm, called “dilute zone” above distributor plate. The experimental results showed that the installation of microwave for dilute zone led to higher head rice yield. For the color of paddy from the dilute zone will darker than dense zone microwave installed, if we comparing microwave hot air drying with conventional hot drying, we found that the product will be darker as well. Keywords: paddy, microwave-hot air fluidized bed dryer, head rice yield.
1 Introduction Normally, the commercial process to produce the parboiled rice is devided into 3 steps: Soaking or Steeping, Steaming and Drying. The first step is to soak the paddy in water at 70°C for 3-6 hours or 80°C for 1-3 hours until the rice properly absorbed the water. For gelatinization, this step will water is filled into the gap between the husk and the seed. The starch seed will be swelled and the volume is increased then kept the seed in the airtight container about 4-8 hours before to the next streaming process. In the streaming process, the paddy is heated in order to gelatinize. The last step is to dry the rice, after streaming step the rice has the high moisture content around 45-50% d.b. at the high moisture level it needs to reduce the moisture content of the rice to 14-16% d.b. drying the rice can be done by shade drying or hot air. Fluidization technique is an effective drying method; the contact of the paddy with the hot air (medium), this
behavior in fluidization enables good thermal transport inside the system and good heat transfer between the bed and its medium, using a high-temperature air fluidized bed drying technique for paddy has been proven to affect to a higher degree of gelatinization if the moisture content of the sample and the temperature are sufficiently high and the heating time is long enough (Rattanamechaiskul et al., 2013). There are several foods such as vegetables and pasta that have been dried successfully by microwave drying which has several advantages such as relatively low energy consumption, low processing time and high product quality (Orsat et al., 2007), microwave energy generates rapid volumetric heating of the material by altering the electromagnetic field to interact primarily with the water molecules and ions in food materials (Datta, 2001). From the reason are mentioned above, the aim of this study was to investigate the effect of microwave applicator position of hot air fluidzed bed drying on the
132
head rice yield, color and white belly of partially parboiled rice. 2 Materials and Methods 2.1 Methodology A MicroWave Hot Air, MWHA batch fluidized bed dryer system was designed by the dimensions are listed in Table 1 and the system is shown in Figure 1, consisting of a 12 kW electrical heater controlled by a ProportionalIntegral-Derivative, PID controller with accuracy of ±1°C, a cylindrical drying chamber with a diameter of 20 cm, a centrifugal fan with backward-curved blades driven by a Figure 2 Wavegiude position of the microwave 1.5 kW motor. applicator
Figure 1 A schematic diagram of a batch microwave hot air fluidized bed dryer. Figure 2 show the transmissioning of microwave energy from magnetron 800 W, 2.45 GHz applicator were supplied through each rectangular tubes waveguide on the wall of the drying chamber. For the applicator system was equipped with corrugated plate at two ends for electromagnetic leakage protection. The sizing of rectangular tubes waveguide has width A, height B, length C, applicator MWHA. No.1 position 3 cm: D and applicator MWHA. NO. 2 position 24 cm: E. Table 1 Rectangular tube wavegiude dimension Dimension cm
A 7
B 3
C 20
D 3
E 24
Figure 3 Microwave applicator installations for the dense zone and the dilute zone. Figure 3 show that during MWHA fluidize bed dryer operating, a paddy with a high densely packed will sink to the dense zone at 3 cm above distributor plate whereas a paddy with a loosely packed will floating in dilute zone at 24 cm above distribution plate, thus the bed can be considered to exhibit the fluid behavior. 2.2 Materials The experimental was carried out as follows. The Suphanburi 1 paddy variety with an apparent amylose content of 22-23%, obtained from the Rice Research Institute in Ratchaburi Province, Thailand. The paddy with initial moisture content of 14% d.b. was soaked in hot water at constant temperature of 70°C for 5 hours. The moisture content of paddy after soaking ranged between 45-50% d.b. after which the water was drained and the
133
grain was tempered in insulated vessel for 5 hours then take the grain into the 2 kg of zip lock plastic bag for maintains the moisture of soaked rice after that leave the zip lock plastic bag which contains the soaked rice about 5 hours in the room temperature, then the 2 kg paddy from the process as mention above was dried in the fluidized bed dryer using temperatures of 130°C, air velocity of 5.5 m/s and a bed height of 10 cm, the desired moisture content after microwave fluidized bed drying was 22±1.0% d.b. with tempering conditions. In the tempering step, the sample was tempered for 30 min in order to reduce moisture stresses created during drying, then the sample was measured grain temperature, the sample was collected in a wellinsulated container. Grain temperature and drying media temperature were measured by type K Chromel-Alumel thermocouples connected to a data logger with an accuracy of ±1°C. After drying, paddy kernels were gently ventilated by ambient air until their moisture content reached 16% d.b., the product from above conditions were kept in cool storage at 4–6°C for 2 weeks before quality analysis. All experiments were carried out in three duplicated were reported. 3 Quality Evaluation 3.1 Moisture content The moisture content of paddy was determined by drying paddy in a hot air oven at a temperature of 103°C for 72 hours, according to the approved method of the AACC method (AACC, 1995). 3.2 Head Rice Yield evaluation 250g sample was dehusked by a rubber roller, polished by a Satake rice polisher and graded by a rice grader to determine the Head Rice Yield (HRY). In this study, the HRY is defined as milled rice having kernel length at least 75% of its original length. Note that, the HRY of the refference rice in this study are the paddy before the soaking just 20% due to the poor quality of that rice (i.e., stored for a long time) while
the HRY for the conventional reference rice between 4045%. 3.3 White belly Paddy kernels having an opaque white area of more than 50% of the total area are categorized into the white belly paddy category, according to the Thai rice standard (Ministry of Commerce Thailand, 1997). 3.4 Color Color of polished waxy rice was measured by HunterLab ColorFlex (Reston, VA) using a D65 light source, large viewing area and the observer angle of 10°. Before each color measurement, the spectrophotometer was calibrated with a standard white plate (L* = 93.19, a* = -1.12, b* = 1.33). The color values were expressed as L* (lightness/ darkness), a* (redness/greenness) and b* (yellowness/ blueness). The Whiteness Index (WI) was then calculated by the following equation (Chen et al., 1999): 0.5 WI 100 (100 L*)2 ( a*)2 ( b*)2 (1) 4 Results and Discussion 4.1 Drying kinetics Figure 4 represents typical drying curves. As expected, the drying time decreased when combined of MicroWavwe with Hot Air fluidized bed drying (MWHA). The drying time by the microwave assisited fluidized bed drying compared to the conventaional Hot Air (HA) fluidized bed drying was reduced with the addition of microwave energy into the dryer system. This means that the absorption of microwave energy in the fluidized bed drying are promoted which effect to the grain temperature increases will faster than the conventaional Hot Air (HA) fluidized bed drying. On the other hand, fluidization or air flow is essential to remove the moisture that accumulates on the surface of the particles under the created extra internal movement as well as providing uniformity of drying among the particles (Feng and Tang, 1998). The maximum grain temperature profile for the MWHA. NO. 1 or dense zone could be explained by the authors opinion that more microwave energy aborbed by
134
a paddy with a densely packed as sink down in the dense zone, thus the heat and mass transfer rates between the paddy kernels and drying medium are higher than the loosely packed of paddy floating in the dilute zone or MWHA. NO. 2. The higher heat and mass transfer phenomenon in the dense zone will pushes the moisture from inside kernel toward the surface leading to grain temperature increased rapidly (see Figure 5)
Figure 4 Relationship between moisture ratio and drying time of paddy dried by MWHA and HA at drying temperature of 130oC.
Figure 5 Relationship between grain temperature and drying time of paddy dried by MWHA and HA at drying temperature of 130oC. 4.2 Head rice yield Figure 6 the relationship between HRY and drying time of partieally parboiled rice at various drying conditions, the results showed that the general trends are similarly by at the 4 min of drying time are get the highest of HRY for all of drying conditions. It was found that the drying in the dilute zone by MWHA. NO. 2 were got the highest HRY about 40%.
The higher of HRY occuring at the dilute zone than the dense zone could be explained by the slowly increasing of grain temperature which reducing the paddy moisture gradient of the kernel; these gradients led to development of stress inside the kernels which damaged the kernels.
Figure 6 Relationship between HRY and drying time of paddy dried by MWHA and HA at drying temperature of 130oC. 4.3 White belly White belly is considered as a poor characteristic of paddy caused by incomplete gelatinization of rice starch. From the Figure 7 shows the white belly of reference rice, hot air dried rice, and microwave hot air dried rice.
Figure 7 Relationship between white belly and drying time of paddy dried byo MWHA and HA at drying temperature of 130 C. The result shows that the percentage of white belly was 16% for the reference rice (before soaking). After drying, the white belly was lower in the MWHA drying than in conventionl HA drying. From these results, it is indicated that drying of paddy in the MWHA produce
135
higher degree of starch gelatinization than the HA drying. drying. For the color of paddy from the dilute zone will Consequently, the head rice yield in the MWHA was darker than dense zone microwave installed From this study, it recommended that the optimal higher than that in HA drying. The reduction of white belly was was resulted from condtiond of partially parboiled rice was: drying with the gelatinization process. The trends of decreasing white MWHA at dilute zone with 130°C until final moisture belly of paddy dried by MWHA were similar to those content 20% d.b. and 40% HRY. This condition revealed dried in dense zone and dilute zone. At the end of suitable quality. drying, white belly was less than 2% for all drying conditions by MWHA which is an acceptable level for 6 Acknowledgements The authors express their sincere appreciation to the commercial partially parboiled rice. National Science and Technology Development Agency 4.4 Color (NSTDA) and the Faculty of Engineering at King Mongkut's University of Technology North Bangkok for supporting the study financially. 7 References AACC 1995. Approved method of the American association of cereal chemists (9th Eds.). In: American Association of Cereal Chemists St. Paul. Chen, J.J., Lu, S., Lii, C.Y. 1999. Effect of milling methods on the physicochemical characteristics of waxy rice in Taiwan. Cereal Chemistry Journal 76, 796-798. Figure 8 Whiteness Index, WI for continuuso microwave Datta, A. K. 2001. Mathematical modeling of microwave hot air fluidized bed drying at 130 C. processing of foods: an overview. In: Food processing Figure 8 showed the relationship between the drying operation modeling: design and analysis, Irudayyaraj time and WI value after drying. It was found that trend of (Ed.), (pp. 147-187). Marcel Dekkar, Inc. WI of the MWHA drying was lower than of HA drying Feng, H., Tang, J. 1998. Microwave finish drying of diced because the higher of grain temperature in the MWHA apple slices in a spouted bed. Journal of Food than the HA drying. Science, 63(4), 679-683. MWHA. NO. 2 drying in the dilute zone reduced WI Ministry of Commerce, Thailand, Thai Standard Rice. from 65.64% to 62.34% whilst the HA drying reduced WI Available from from 69.02% to 63.4%, this effect led to faster http://203.151.17.19/document/grain/english/standard acceleration of browing reaction. .htm 1997, last revised on 20 June 2002. Orsat, V., Yang, W., Changrue, V., Raghavan, G.S.V., 2007. 5 Conclusions Microwave-assisted drying biomaterials. Food and From the experimental study on partially parboiled Bioproducts Processing 85 (C3), 255-263. rice final moisture content, head rice yield and color Rattanamechaiskul, C., Soponronnarit, S., using the combined of microwave hot air (MWHA) Prachayawarakorn S., and Tungtrakul, P. 2103. Optimal fluidized bed drying, considering from product quality. Operating Conditions to Produce Nutritious Partially With regard to drying efficiency, MWHA greatly reduced Parboiled Brown Rice in a Humidified Hot Air Fluidized drying time but head rice yield increase while the color Bed Dryer. Drying Technology 31(4), 368-377. will be deepen as compared to conventional hot air (HA) 136
Study of Influence of Soaking Conditions for Microwave Treatment on Parboiled Rice Qualities
PHF-18
Chanida Bupata1, Siwalak Pathaveerat1* 1
Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering at Kamphaengsaen, Kasetsart University-Kamphaengsaen Campus, Nakhon Pathom, 73140. Corresponding author: Siwalak Pathaveerat. E-mail: fengslp@ku.ac.th
Abstract Parboilling was a process of improving the milled rice yield. The microwave treatments on soaking operation were studied to analyze the qualities of parboiled rice. The power levels of microwave energy were used 3 levels: 400, 440 and 480 W. Rice variety with low amylose content (Koa Dok Mali 105) was used, at the initial moisture content of 12 ď&#x201A;ą 1% (d.b). The samples were soaked, while used energy from microwave heating for 10 min after that microwave power was switched off and the sample was retained in microwave chamber for 10 min. The sample was removed from microwave to ambient temperature for 10 min. This cycle was repeated for 4, 5 and 6 times. After that, the sample was steamed at 1000C for 5 min, then shaded for drying until final moisture content approximately 13 ď&#x201A;ą 1% (d.b) and tempering for 7 days before milling. The head rice yield, white belly, whiteness and color (L, a, b) of parboiled rice were measured and compared with conventional parboiled rice processes. The microwave heating energy level has increased head rice yield, while white belly decreased. Also, the color value of parboiled milled rice was slightly darker than that of the conventional processes. The microwave heating energy level at 440 W and 5 cycles of heating gave the highest values of head rice yield white belly and color. The microwave heating process is promising for improvement of parboiled milled rice qualities. Keywords: Parboiled rice, Microwave, Rice quality
1 Introduction Rice is an important exporting product of Thailand, in terms of white or raw (meaning nonparboiled) and parboiled rice. Approximately 25% of the world food market is production from Thailand. Parboiling is a hydrothermal treatment for improving rice quality, which can be performed on a paddy or brown rice. It consists of three stages including soaking, steaming, and drying (Taghinezhad et al., 2015). The purpose of parboiling process is to gelatinize the starch, transforming the crystalline structure of the starch into amorphous one, which improves the hardness to the grain (Ejebe et al., 2015). Moreover, parboiled rice has high nutritional value and resistance to spoilage by insects and mold. The soaking is an important step for rice parboiling. The soaking time depend on soaking temperature, higher the soaking temperature lower the time for needed to achieve the absorb water to the core of kernel. It has been suggested that starting soaking at 75oC the
demonstrated the fastest time for achievement of the absorb water (Bhattacharya, 1985; Velupillai and Verma, 1989). A common problem found during the process is using high temperature and pressure, and longer processing time, can darken the grains (Bhattacharya, 1985; Ejebe et al., 2015) The soaking process, which allows water to seep into the kernel until saturated requires more energy and a longer time to soak the grains, it is necessary to establish optimum conditions to achieve a high qualities of product while saving energy and less-time consuming. Velupillai et al. (1989) suggested techniques to avoid a loss of free water during soaking and to save on time and energy consumption, starch gelatinization can be achieved by exposing rough rice with enough amount of water added to microwave energy. Bhattacharya and Ali (1985) provide the possibilities for the application of microwave treatment in parboiled rice process.
137
A microwave is commonly used for cooking and food processing. The advantage of a microwave is that its energy provides high heating rate without surface changes of food such as rice. This will lead to the improvement of physical and chemical properties, optimization of cooking condition (save energy and time), and preserving of nutritional and sensory properties (Kaasova et al., 2001). The efficiency of soaking is improved by microwave heating for reduction of soaking time. Therefore an objective of this study is to evaluate the influence of soaking condition by microwave treatment on some physical changes in parboiled rice. 2 Materials and Methods 2.1 Materials The microwave oven parameters: SamSumg GE711K, frequency 2450 MHz, power output 800 W, oven cavities 330*211*309 mm, volume 20 l. The low amylose content paddy of Jasmine rice, Khao Dawk Mali 105 (KDML 105) variety from Chonburi province, Thailand was used in the experiments. 2.2 Parboiling procedure The sample was submitted to processing which included a soaking with microwave heating, a tempering of moisture equilibration and a steaming. At the beginning, each sample was measured for initial moisture content using Riceter F-512 Kett Moisture Meter. A 450 g sample of paddy was heated in the microwave oven which according to the method of Kaasova et al. (2001). power output used was 400, 440 and 480 W for 10 min. After reaching of time, power was switched off and the sample was retained in the oven for 10 min, then removed from the oven, mixed, cooled to ambient temperature for 10 min and returned to the oven. This cycle of heating, mixing and cooling were repeated 3 levels: 4, 5 and 6 times. The different temperatures of soaking time were showed in Table 1. After soaking the water was drained and tempering for 1 h, it was steamed for 5 min , then was dried in the shade to final moisture content of 131% (d.b.). The samples were kept in seal
with the plastic bag for 7 days before qualities evaluations. Table 1 Soaking and steaming conditions for parboiling. Soaking condition Power Heating output (W) cycle * PR1 400 6 PR2 440 6 PR3 440 5 PR4 480 5 PR5 480 4 *PR means parboiled rice process Sample code
Steaming condition T t (min) (C) 100 5 100 5 100 5 100 5 100 5
2.3 Evaluation of physical properties The moisture content of the sample was determined follow method of Julino (1985) hot air oven at 130C and 120 min. Physical properties were determined in terms of head rice yield, white belly, whiteness and color value (L, a, b), which all these factors were compared to the reference sample (unparboiled rice and conventional parboiled rice process). The samples were milling using a Satake roll huller (THU-35 A) and then polished by Satake polisher (TM. 05) for 90 s. Whole and broken grain were separated by Satake rice grader (TRG. 05A). The method of rice mill was followed with the guideline of the Ministry of Agriculture and Cooperatives, Thailand. The head rice yield was expressed in percentage, which calculated from the weight of whole grain divided by the weight of paddy sample. White belly was normally found at the core of rice kernel as opaque white spot, it was checked by using light. The whiteness of sample was measured by Satake whiteness meter. A color meter (Konica Minolta, CR-10) was used to measure the color value (L, a, b) of the whole kernel, that L-value expresses the lightness value, a and b value are red/green and yellow/blue respectively. All data were analyzed using SPSS software. Duncan’s multiple range tests were used to determine the differences between treatments mean value at a confidence level of 95%.
138
3 Results and Discussion The soaked paddy by microwave heating was made to migrate of water into the grain, that cause of changed moisture content. The result showed, the initial moisture content of sample increased with increasing the microwave power level and cycle of heating. The moisture content of all sample increases rapidly from initial value 12% to 44% after soaking. The PR 4 had the highest value of moisture content was 45%. From the appearance of grain was de-shaping occurred, swell and split grain, when it had the moisture content above 40%. Therefore, this effected to head rice yield and white belly as shown in Table 2. The parboiling process improves milling quality of paddy, so making it to hardness during milling. The head rice yield was increased significantly (p0.05) from 44.24% in unparboiled rice to the range of 62.00-65.08% in parboiled rice. These results correspond with the reported of Sareepuang et al. (2008). This procedure made to the stronger structure of starch, which resulted from gelatinization process. The higher head rice yield value was 65.09% in PR 5 as shown in Table 2. Head rice yield of sample as compared to a conventional process, it had approached value. White belly in grain is the important quality indicator in rice, which causes breakage in grain. Appropriate soaking procedure and enough heated in steam, it made
water absorbed into the core of grain complete and help to eliminate chalkyness. The white belly varied from 0.33-4.50%. There was no difference between treatment samples and conventional process, but not agree in unparboiled rice. The power heating and cycle of heating show significantly influence (p0.05) on white belly rice for all conditions as shown in Table 2. The PR 2 was the lowest white belly rice value, 0.33%. The color of parboiled rice change from white to yellow depends on processing factors including soaking temperature, steaming and heating time (Parnsakhorn and Noomhorm, 2008). Discoloration of rice as a result of parboiling process is another important indicator, which affects to market value and consumer acceptability (Ejebe et al., 2015). From the appearance of grain color, it was observed that all treatment showed translucence and yellow grain. The whiteness of parboiled rice decrease while color (b-value) increased by increase power heating. PR 6 had highest L-value and there were not the significant difference between treatments. The bvalue of parboiled rice had ranged from 16.11-18.45, that was higher b-value at PR 2. The color (b-value) and whiteness of parboiled rice were the significant difference with unparboiled rice as shown in Table 3. This result was in agreement with the report by Sareepuang et al. (2008). Due to treatment, discoloration occurs which decrease the whiteness.
Table 2 The qualities as affected by soaking with microwave. Soaking condition of parboiled rice PR 1 PR 2 PR 3 PR 4 PR 5 HRY (%) 62.00b c 62.08bc 64.02ab 60.98c 65.08a White belly (%) 1.25c 0.33c 1.33c 1.50c 4.50b MC (% d.b.) 40.89 43.42 39.50 44.94 35.06 Values within a row followed by the same letter are not significantly different (p0.05) HRY = Head rice yield, MC = Final moisture content after soaking. Qualities
Conventional 64.74ab 0c 43.85
Unparboiled 44.24d 13.33a -
Conventional 33.98b 63.24b 13.51c
Unparboiled 45.85a 72.89a 9.82d
Table 3 The whiteness and color value as affected by soaking with microwave heating. Qualities
PR 1 PR 2 PR 3 PR 4 PR 5 Whiteness 31.43c 28.35d 31.65c 29.48d 33.28b L-value 61.28bc 60.00c 60.63bc 60.05c 61.92b b a b b b-value 16.43 18.45 16.12 17.07 16.38b Values within a row followed by the same letter are not significantly different (p0.05).
139
4 Conclusions Effect of microwave heating in soaking procedure on qualities of KMDL 105 parboil rice was investigated. There was found that the power heating and duration of heating significantly affect to head rice yield, white belly, whiteness, and color. In this study, the product was translucent and light yellow kernel. According to the process, it provided the qualities of output in the same way in conventional product and commercial product. Soaking during microwave heating have advantages in terms of reducing soaking duration, which faster than conventional process. In the other hand, it could be applied to instead of complicated process. Based on the results, the optimum conditions for soaking by microwave treatment in this study are as follow: power output was 440 W for 5 cycles of heating. 5 Acknowledgements The author gratefully acknowledges the Kasetsart University Doctoral Degree Scholarships for financial support to this work.
National Buureau of Agricultural Commodity and Food Standards, 2003. Thai Hom Mali Rice: TAS. 4000-2003, Bangkok, Thailand: Ministry of Agricultural and Cooperatives. Parnsakhorn, S., Noomhorm, A. 2008. Changes in physicochemical properties of parboiled brown rice during heat treatment. Agricultural Engineering International-CIGR E journal. Sareepuang, K., Siriamornpun, S., Wiset, L., Meeso, N. 2008. Effect of soaking temperature on physical, chemical and cooking properties of parboiled fragrant rice. World Journal of Agricultural Science 4(4), 409-415. Taghinezhad, E., Khoshtaghaza, M. H., Minaei, S., Latifi, A. 2015. Effect of soaking temperature and steaming time on the quality of parboiled iranian paddy rice. International Journal of Food Engineering 11(4), 547556. Velupillai, L., Verma, L. R. 1989. United States, Patent No. 4,810,511.
6 References Bhattacharya, K. R. 1985. Parboiling of Rice. In: American Association of Cereal Chemists. (pp. 289-348) . Minnesota: St.Paul Inc. Bhattacharya, K. R., Ali, S. 1985. Changes in rice during parboiling and properties of parboiled rice. In: RiceChemistry and Technology (2nd ed.). (pp. 105-167). Minnesota: St. Paul Inc. Ejebe, C., Danbaba, N., Ngadi, M. 2015. Effect of steaming on physical and thermal properties of parboiled rice. European International Journal of science anf Technology 4, 71-80 . Juliano, B. 1985. Rice Chemistry and Technology (2nd ed.). The American Association of Cereal Chemists. Minnesota: St. Paul Inc. Kaasova, J., Kadlec, P., Bubnik, Z., Pour, V. 2001. Microwave treatment of rice. Czech Journal of Food Sciences 19(2), 62-66. 140
Grain separation in an axial flow corn shelling unit
PHF-19
W. Srison1, 2*, S. Chuan-Udom1, 2 1
Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering, Khon Kaen University, Khon Kaen, 40002 Thailand. Applied Engineering for Important Crops of the North East Research Group, Khon Kaen University, Khon Kaen, 40002 Thailand.
2
Corresponding author: W. Srison. E-mail: s.waree1519@gmail.com
Abstract The shelling and grain separation behavior of an axial flow corn sheller influences the performance of both the corn shelling and cleaning units. The objective of this research was to study the grain separation in an axial flow corn shelling unit. Concave rod clearance (CR) was chosen as the test factor, because this had the most effect on the behavior of grain separation. The results of the behavior of cumulative separated grain in an axial flow corn shelling unit were analyzed separately in two zones: the feeding zone and the separating zone. Most of grain was separated from the husks and cobs, and passed through the lower concave in the feeding zone. The remaining grain was separated at the separating zone. The cumulative separated grain increased linearly, as the shelling unit length increased within the feeding zone. However in the separating zone, the separated grain increased as the length of the shelling unit and the CR increased. The cumulative separated husks and cobs increased rapidly as the shelling unit length and the CR increased. The cumulative separated grain and the cumulative separated husks and cobs were represented by a 2-degree polynomial equation. Keywords: axial flow corn shelling unit, concave, concave rod clearance, grain separation
141
Effect of Heat Treatment on Increases GABA (γ-aminobutyric acid) Content in Germinated Paddy
PHF-20
Jakkrawut Techo1*, Somkiat Prachayawarakorn2, Sakamon Devahastin3, Somchart Soponronnarit1, Ladda Wattanasiritham4, Ratiya Thuwapanichayanan5 1
Division of Energy Technology, School of Energy, Environment and Materials, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha-Uthit Road, Bang Mod, Thung khru, Bangkok 10140, Thailand. 2 Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha-Uthit Road, Bang Mod, Thung khru, Bangkok 10140, Thailand. 3 Department of Food Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha-Uthit Road, Bang Mod, Thung khru, Bangkok 10140, Thailand. 4 Institute of Food Research and Product Development, Kasetsart University 50 Ngamwongwan Road, Chatuchak, Bangkok 10900, Thailand. 5 Department of Farm Mechanics, Faculty of Agriculture, Kasetsart University, 50 Ngamwongwan Road, Chatuchak, Bangkok 10900, Thailand. Corresponding author: Jakkrawut Techo. E-mail: jakkrawut_engineering@hotmail.com
Abstract Germinated brown rice is a well-known functional food since it is a good source of gammaaminobutyric acid (GABA), which is claimed to exhibit many health-related benefits, including anti-anxiety, anticonvulsive and anti-hypertensive effects. However, the level of GABA in naturally-derived rice is too low to exhibit any physiological activity. Any means, in particular a physical means that involves no chemical and/or biochemical interventions, that could lead to an increase in the GABA level is therefore desired. The present work investigated the feasible use of combined heat treatment and hypoxic state germination to increase the level of GABA in Thai paddy variety. Suphanburi 1 paddy variety was soaked in water to obtain the moisture content of 45-47% dry basis (d.b.), after which it was thermally stimulated in an impinging stream dryer (ISD) at temperatures of 130-190oC. The stimulated paddy was kept in a closed glass jar to allow hypoxic state germination until the germination percentage reached 95%. Finally, the paddy was dried in a tray dryer at 45oC to 22% (d.b.), after which it was ventilated at ambient condition to 16% (d.b.). Upon stimulation and hypoxic state germination, a significant increase in the GABA level was observed. The germination percentage of the paddy prepared by all treatments increased to the maximum value of 95% at 48 h of the germination time. The increased levels of GABA obtained via soaking in combination with heat and hypoxic state treatment (S-ISD-H) except S-ISD180-H and S-ISD190-H were higher than that obtained via conventional soaking (S) and soaking in combination with hypoxic state treatment (S-H) germination. The highest GABA content was detected in GP prepared by S-ISD170-H method, which was 49.70 mg/100 g. Keywords: GABA, Germinated paddy, Germination, Impinging stream dryer
1 Introduction Gamma-aminobutyric acid (GABA) is well known to be produced during seed germination (Cho and Lim 2016). Previous studies have reported the accumulation of GABA in germinated seed, such as in barley grains (Makoto et al., 2007; Chung et al., 2009), millet (Bai et al., 2009; Li et al., 2015), wheat (Youn et al., 2011), adzuki bean (Liao et al., 2013) and rice (Varanyanond et al., 2005; Roohinejad et al., 2009). Among seeds in the
world, rice is the main staple food for human consumption which is higher proportion than wheat and maize (Müller-Fischer, 2013). Germinated rice is conventionally generated by soaking brown rice in water for a certain time until its embryo begins to bud, preferably to a length of 0.5–2 mm. (Thuwapanichayanan et al., 2015). Many researchers have reported that the GABA contents in germinated rice were 3-8 times higher
142
than in the un-germinated one (Oh and Choi, 2000; Oh, 2003; Lee et al., 2007) GABA is a four-carbon non-protein amino acid that is produced primarily by the decarboxylation of L-glutamic acid, catalyzed by glutamate decarboxylase (GAD, EC 4.1.1.15) (Choi et al., 1998; Shelp et al., 1999). It has been reported that GABA assists blood flow in brain improving memory functions, inhibits cancer cell proliferation and lowers blood pressure (Kalueff & Nutt, 1996; Al-Wadei et al., 2011; Matsuo et al., 2012). As mentioned above, GABA is a compound which exhibits beneficial effect on human health. However, the level of GABA in naturally-derived rice is too low to exhibit any physiological activity. Therefore, physiological stresses (i.e. hypoxia, cold shock, heat shock and darkness) have been applied to increase GABA levels in germinated grains during germination. Several studies have attempted to increase GABA levels in seeds by combined treatment of anaerobic and heat processes. The use of soaking combined with anaerobic condition and heat stress using the hot air at a temperature of 120oC for 30 s resulted in higher GABA content in wheat than the combined treatment of soaking and anaerobic condition (Youn et al., 2011). Moreover, germinated paddy prepared by combination of soaking, anaerobic and heat treatment (SAH) using the fluidized bed dryer (FBD) at 120oC for 30 s showed the highest GABA content when compared with the samples prepared by soaking combined with anaerobic condition and conventional method (Thuwapanichayanan et al., 2015). These studies indicated that heat treatment is one of the important methods which could increase the amount of GABA. Impinging stream dryer (ISD) is a novel technique. Nimmol and Devahastin (2010) found that the dryer could reduce the moisture content of paddy by 3.4-7.7% (d.b.) within a very short period of time (ď ž2 s). However, there is no report on the using of rapidly heat technique for increasing the GABA level during germination period of paddy. Therefore, the objective of this work was to investigate the effect of rapidly heat
treatment by ISD on the accumulation of GABA in rice and the number of germinated rice. 2 Materials and Methods 2.1 Material 2.1.1 Raw paddy Suphanburi 1 paddy variety obtained from Chaijalearn Limited Partnership; Supanburi Province, Thailand was used in this study. The paddy was harvested in March 2015 and had already been stored for 1 month before germination study. The initial moisture content of the paddy as received was approximately 14% on a dry basis (db). 2.1.2 Impinging stream dryer (ISD) ISD was applied for heat treatment during the germination step. A schematic diagram of an impinging stream dryer used hot air as the drying medium is shown in Fig. 1 (Pruengam et al., 2014). The impinging distance of 0.05 m, inlet superficial air velocity of 30 m/s and paddy feed rate of 80 kgdry_paddy/h were used.
Figure 1 Schematic diagram of hot air ISD: (1) highpressure blower; (2) electric heaters; (3) globe valves; (4) hopper and star feeder; (5) drying chamber; (6) cyclone; (7) temperature data logger (Pruengam et al., 2014). 2.2 Method 2.2.1 Preparation of germinated paddy (GP) sample - Conventional soaking (S) Cleaned paddy was soaked in the water bath at 35oC for 12, 24, 36, and 48 h to promote germination, using a grain to water ratio 1:2 (w/v). The water was changed
143
every 4 h. At every soaking time, the GP was also sampled to determine the germination percentage. The paddy was soaked until its germ length was about 1 mm, which took around 48 h. When the germination was extended from 48 to 60 h, the germination percentage did not change. - Soaking in combination with hypoxic state treatment (S-H) Cleaned paddy was soaked in a water bath at 35oC for 12 h, using a grain to water ratio 1:2 (w/v). After soaking, the water was drained off and then the sample was placed into the hermetically sealed glass jar to produce hypoxic state with various ratio of paddy per glass jar of 1:4, 1:2, 3:4 and 4:4 (v/v) for 36 h. The sample which has the highest germination percentage was selected to germinate; the germination under hypoxic state was extended to 48 h. - Soaking in combination with heat and hypoxic state treatment (S-ISD-H) Cleaned paddy was soaked in a water bath at 35oC for 12 h, using a grain to water ratio 1:2 (w/v). The water was drained off and the GP was rapidly heated using the ISD at various temperatures of 130, 140, 150, 160, 170, 180 and 190oC. After heat treatment, the GP was cooled down to ambient temperature by soaking it in water after which the sample was germinated under the aforementioned hypoxic state for 12, 24 36 and 48 h. At the the predetermined germination time, it was sampled to determine germination percentage. - Inhibition of germination GP was dried by a conventional hot air drying at a temperature of 45oC and at a superficial air velocity of 1 m/s to inhibit germination. One kg GP was dried to final moisture content of 16% (db). The sample was kept in cold storage at 4â&#x20AC;&#x201C;6oC until further analysis. - The percentage of germination The germination percentage was determined as described in Chungcharoen et al (2012). - GABA content determination The GABA content of the dried GP prepared by S, S-H and S-H was analysed according to the procedure
reported by Lin and Wang. (1980). All experiments were performed in duplicate. 3 Results and Discussion Fig. 2 shows the germination percentage of paddy soaked in a water bath at 35oC for 12 h and kept in hypoxic state at various ratio of paddy per glass jar of 1:4, 1:2, 3:4 and 4:4 (v/v) for 36 h. It was found that the percentage of germination decreased with increasing the ratio of paddy per glass jar. The ratio of paddy per glass jar of 3:8 (v/v) was the ratio that could obtain 95% of germination and this ratio was used in further experiment.
Figure 2 Percentage of germination of paddy at various ratio of paddy per glass jar.
Figure 3 Percentage of germination of paddy prepared by S, S-H and S-ISD-H method - Effect of stress condition on GABA content The percentages of germination of paddy prepared by all treatment methods, S, S-H and S-ISD-H, were increased to the maximum value of 95% at 48 h of the germination process as shown in Fig 3. When the germination was extended from 48 to 60 h, the germination percentage did not change. However, Chungcharoen et al. (2012) found that the germinated
144
paddy (Chai Nat 1) required 60 h to obtain 95% of germination and it started unchanging when germination time was longer than 60 h. The GABA content of paddy before germination in this study was about 2.88 ± 0.21 mg/100 g DW. It was increased with increasing germination time for all treated samples as shown in Fig 4. However, the GABA content was unchanged after 48 h. Moreover, GP prepared by S-ISD-H method had higher GABA content than that prepared by S-H and S alone except for the S-ISD180-H and S-ISD190-H samples. The highest GABA content was found in the GP prepared by S-ISD170-H method, which was 49.70 mg/100 g DW. However, the GABA contents in the GP prepared by S-ISD150-H and S-ISD160-H methods were insignificantly different from that in the GP prepared by S-ISD170-H method whereas the GABA contents in the GP prepared by S-ISD180-H and S-ISD190-H methods became lower. The difference in GABA content in the samples prepared by S-ISD-H method might be due to the difference in their seed temperatures. After the GP was heated by ISD at various temperatures of 130, 140, 150, 160, 170, 180 and 190oC, the seed temperatures were 34.5, 36, 38, 39.5, 40.5, 42 and 43oC, respectively, as presented in Fig 5. Zhang et al. (2007) reported that the GAD had an optimum temperature of 40oC. Therefore, the GP prepared by S-ISD170-H method had the highest GABA content. These results showed that the soaking combined with heat treatment at the appropriate temperature and hypoxic state could increase the GABA content in GP when compared to S and S-H method. Similar results were observed by Thuwapanichayanan et al. (2015) who reported that GP prepared by combined treatment of soaking, anaerobic treatment and heat process (SAH) presented the highest GABA content, followed by GP prepared by combined treatment of soaking and anaerobic treatment (SA) and GP prepared by soaking alone (S). Heat stress is one of the environmental factors that rapidly increased cellular levels of Ca2+. Increasing of cytosolic Ca2+ resulted in the stimulation of calmodulin-dependent GAD activity and GABA synthesis (Kinnersley & Turano, 2000).
Figure 4 GABA content in GP prepared by different methods
Figure 5 Seed temperature after heat treatment. 4 Conclusions Combination of soaking, rapid heat treatment by ISD at the appropriate temperatures of 150-170oC and hypoxic state provided the highest GABA content in GP. The GABA contents in GP prepared by S-ISD150-H, S-ISD160-H and S-ISD170-H methods increased 16.62, 17.15 and 17.26 times as compared to that of the un-germinated paddy, respectively. ISD is the heating technique that reduces time consuming during the production of germinated rice. Therefore, this technique might be served to use in the commercial production. 5 Acknowledgements The authors express their sincere appreciation to Nakhon Sawan Rajabhat University’s Academic Development Scholarship, King Mongkut’s University of Technology Thonburi (KMUTT) and Thailand Research Fund for their financial support. The authors also thank to the Institute of Food Research and Product
145
Development (IFRPD), Kasetsart University (KU) for support the equipments to determine GABA content of the samples. 6 References Al-Wadei, H. A. N., Ullah, M. F., & Al-Wadei, M. (2011). GABA (gamma-aminobutyric acid), a non-protein amino acid counters the ss-adrenergic cascadeactivated oncogenic signaling in pancreatic cancer: A review of experimental evidence. Molecular Nutrition & Food Research 55, 1745–1758. Bai, Q. M., Chai, G. Z., Cao, X., Li, Y., L, K. (2009). Effects of components in culture medium on glutamate decarboxylase activity and γ-aminobutyric acid accumulation in foxtail millet (Setaria italica L.) during germination. Food Chemistry 116, 152-157. Cho, H. D. and Lim, T. S. (2016). Germinated brown rice and its bio-functional compounds. Food Chemistry 196, 259-271. Choi, S. Y., Bahn, J. H., Jeon, S. G., Chung, Y. M., Hong, J. W., Ahn, J. Y., Hwang, E. J., Cho, S. W., Park, J. K. and Baek, N. I. (1998). Stimulatory effects of ginsenoside on bovine brain glutamate decarboxylase. Journal of biochemistry and molecular biology 31, 233-239. Chung, H. J., Su, H. J., Hong, Y. C., Seung, T. L. (2009). Effects of steeping and anaerobic treatment on GABA (γ-aminobutyric acid) content in germinated waxy hull-less barley. Food Science and Technology 42, 1712–1716. Chungcharoen, T., Somkiat P., Somchart S., Patcharee T. (2012). Effect of Drying Temperature on Drying Characteristics and Quality of Germinated Rices Prepared from Paddy and Brown Rice. Drying Technology; An International Journal 30, 1844 -1853. Kalueff, A., & Nutt, D. J. (1996). Role of GABA in memory and anxiety. Depression and Anxiety, 4(3), 100–110. Kihara, M., Okada, Y., Iimure T., Ito, K. (2007). Accumulation and degradation of two functional constituents, GABA and -Glucan, and their varietal differences in germinated barley grains. Breeding Science 57, 85–89.
Kinnersley, M. A. and Turano, J. F. (2000). Gamma Aminobutyric Acid (GABA) and Plant Responses to Stress. Critical Reviews in Plant Sciences 19(6), 479-509. Lee, Y. R., Kim, J. Y., Woo, K. S., Hwang, I. G., Kim, K. H., Kim, K. J. and Jeong, H. S. (2007). Changes in the chemical and functional components of Korean rough rice before and after germination. Food Science and Biotechnology 16, 1006–1010. Li, Y., Bai, Q., Jin, X., Wen, H. and Gu, Z. (2015). Effects of cultivar and culture conditions on γ-aminobutyric acid accumulation in germinated fava beans (Vicia faba L.). Journal of the Science of Food and Agriculture 90, 52-57. Liao, C. W., Wang, Y. C., Shyu, T. Y., Yu, C. R. and Ho, C. K. (2013). Influence of preprocessing methods and fermentation of adzuki beans on γ-aminobutyric acid (GABA) accumulation by lactic acid bacteria. Journal of functional foods 5, 1108-1115. Matsuo, A., Sato, K., Park, E. U., Nakamura, Y. and Ohtsuki, K. (2012). Control of amylase and protease activities in a phytase preparation by ampholyte-free preparative isoelectric focusing for unrefined cereal-containing bread. Journal of Functional Foods 4, 513–519. Müller-Fischer, N. (2013). Agricultural sustainability. In G. S. Bhullar & N. K. Bhullar (Eds.), Nutrient-focused processing of rice (pp. 197–220). London: Elsevier Inc. Nimmol, C. and Devahastin, S. (2010). Evaluation of performance and energy consumption of an impinging stream dryer for paddy. Applied Thermal Engineering 30, 2204-2212. Oh, H. S. (2003). Stimulation of γ-aminobutyric acid synthesis activity in brown rice by chitosan/glutamic acid germination solution and calcium/calmodulin. Journal of Biochemistry and Molecular Biology 36(3), 319-325. Oh, S. H. and Choi, W. G. (2000). Production of the quality germinated brown rice containing high γ-aminobutyric acid by chitosan application. Korean Society for Biotechnology and Bioengineering Journal 15, 615– 620 (in Korean).
146
Pruengam, P., Somchart S., Somkiat P., Devahastin S. (2014). Rapid Drying of Parboiled Paddy Using Hot Air Impinging Stream Dryer. Drying Technology; An International Journal 32, 1945 -1955. Roohinejad, S., Omidizadeh, A., Mirhosseini, H., Saari, N., Mustafa, S., Yusof, R. M. and Abd Manap, M. Y. (2009). Effect of pre-germination time of brown rice on serum cholesterol levels of hypercholesterolaemic rats. Journal of the Science of Food and Agriculture 90, 245–251. Shelp, B. J., Bown, A. W., & McLean, M. D. (1999). Metabolism and functions of gamma-aminobutyric acid. Trends in Plant Science 4, 446–452. Thuwapanichayanan, R., Umaporn Y., Donludee J., Soponronnarit, S., Prachayawarakorn, S. (2015). Enhancement of γ-aminobutyric acid in germinated paddy by soaking in combination with anaerobic and fluidized bed heat treatment. Food and Bioproducts Processing 95, 55-62. Varanyanond, W., Tungtrakul, P., Surojanametaku, V., Watanasiritham, L., Luxiang, W. (2005). Effects of water soaking on gamma-aminobutyric acid (GABA) in germ of different Thai rice varieties. Kasetsart Journal (Natural Science) 39, 411-415. Youn, Y. S., Park, J. K., Jang, H. D., Rhee, Y. W. (2011). Sequential hydration with anaerobic and heat treatment increases GABA (γ-aminobutyric acid) content in wheat. Food Chemistry 129, 1631-1635. Zhang, H., Yao, Y. H., Chen, F. and Wang, X. (2007). Purification and characterization of glutamate decarboxylase from rice germ. Food Chemistry 101, 1670-1676. Zhou, Z., Robards, K., Helliwell, S. and Blanchrad, C. (2002). Composition and functional properties of rice. International Journal of Food Science and Technology 37, 849–868.
147
PHF-21
Combined Use of Plasticizer, Charge Modifying Agent and Homogenization to Improve Mechanical Properties of Chitosan Films Sarinya Prateepchanachai1*, Sakamon Devahastin2, Wasina Thakhiew3, Somchart Soponronnarit1 1
Energy Technology Division, School of Energy, Environment and Materials, King Mongkutâ&#x20AC;&#x2122;s University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Tungkru, Bangkok 10140, Thailand. 2 Advanced Food Processing Research Laboratory, Department of Food Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkutâ&#x20AC;&#x2122;s University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Tungkru, Bangkok 10140, Thailand. 3 Department of Nutrition, Faculty of Public Health, Mahidol University, 420/1 Rajavithi Road, Rachathewi District, Bangkok 10400, Thailand. Corresponding author: Sarinya Prateepchanachai. E-mail: sarinya_prateep@hotmail.com
Abstract One reason for limited use of biodegradable packaging films is their poor mechanical properties, especially in terms of the ability to elongate. In this study, combined use of a plasticizer (glycerol), charge modifying agent (salt) and high-pressure homogenization to prepare a chitosan film-forming solution prior to drying was investigated to improve the mechanical properties of the resulting films. Glycerol was added to the film-forming solution at 0 or 25% (w/w chitosan), while salt was added at a concentration of 0, 5, 10 or 15 mM. Two-stage high-pressure homogenization at 0 (no homogenization) or 10/5 MPa was then applied to homogenize the film-forming solution. The treated film-forming solution was dried by hot air drying at 40oC to cast a film. Mechanical properties in terms of the tensile strength and percent elongation of the films were assessed. Zeta potential and viscosity of the film-forming solutions were also measured and the results were used to explain the observed mechanical property results. A film with the best mechanical properties (tensile strength of 50 MPa and percent elongation of 47) was derived from the solution that contained 25% (w/w) glycerol and 15 mM salt and was homogenized at 10/5 MPa. Keywords: Elongation, Glycerol, Hot air drying, Salt, Tensile strength, Viscosity, Zeta potential
1 Introduction During the past decade, biopolymer-based packagings, especially packaging films, have attracted significant attention as an alternative to nonbiodegradable plastic packagings due to the many advantages of the former in various applications. Among the various types of biomaterials that can be used to prepare films, chitosan is one of the most interesting biomaterials due to its several advantages, including good film-forming ability, biocompatibility and biodegradability (Dutta et al., 2004; Hoven et al., 2007). Chitosan is a chitin derivative and can be derived from many living organisms such as shellfish, insects and mushrooms (Shahidi et al., 1999; Hoven et al., 2007; Souza et al., 2010). Despite their potential, chitosanbased packaging films nevertheless suffer from their
inferior ability to elongate when compared with synthetic plastic films. Several investigators have attempted to improve the mechanical properties, in particular the percent elongation, of chitosan films in many ways. Adding a plasticizer into a film-forming solution is one of the simplest methods to enhance the ability of the resulting film to elongate (Bourtoom et al., 2008; Bajdik et al., 2009; Cerqueira et al., 2012). Plasticizer is believed to help reduce intermolecular forces and thus increase the mobility of the polymer chains, resulting in the improved flexibility and extensibility of the films (Thakhiew et al., 2010; Harmoudi et al., 2014). Other possible improvement methods include the use of high-pressure homogenization to prepare a filmforming solution. The high pressure in such a case would help reduce the droplet size of an added plasticizer,
148
which can then be more readily inserted between the polymer chains and hence the improved plasticization capability of the plasticizer (Kang and Min, 2010; Thakhiew et al., 2015). Another attractive alternative that can possibly be used to improve the film mechanical properties is the modification of the film molecular structure. Charge modifying agent, for example, can possibly be added to a film-forming solution to modify the charge of the chitosan chains prior to the final film formation step (drying). Sodium chloride is among a common salt that can be added to induce an increase in the positive charge density of the amino group within a chitosan chain to increase its ionic strength (Cho et al., 2006; Costa et al., 2015). The higher ionic strength would in turn help elevate the electric charge repulsion between chitosan chains, allowing them to stretch and hence the improved ability of the resulting film to elongate. Since a study on the combined use of plasticizer and charge-modifying agent as well as high-pressure homogenization to prepare a chitosan film-forming solution and of the effect of this combination on the properties of the resulting films is still lacking, the objective of this work was to investigate the effects of the above-mentioned film-forming solution preparation procedures on the mechanical properties (tensile strength and percent elongation) of the obtained films. Zeta potential and viscosity of each film-forming solution were also measured to quantify the changes in the charge density and structure of chitosan chains. 2 Materials and Methods 2.1 Materials Chitosan powder (molecular weight of 900 kDa and degree of deacetylation of 90.2%) was purchased from S.K. Profishery Co., Ltd. (Samut Sakhon, Thailand). Glycerol and acetic acid were obtained from Ajax Finechem Pty Ltd. (Seven Hills, Australia) and Merck (Darmstadt, Germany), respectively. Sodium chloride was purchased from Chemipan Corporation Co., Ltd. (Bangkok, Thailand).
2.2 Preparation and characterization of film-forming solutions Chitosan film-forming solution was prepared based on the suggested methods of Thakhiew et al. (2015) with appropriate modification as shown in Figure 1. Firstly, NaCl at a concentration of 0, 5, 10 or 15 mM was dissolved in 1% (v/v) acetic acid solution under constant stirring at 300 rpm via the use of a magnetic stirrer (Framo®-Gerätechnik, M21/1, Eisenbach, Germany) at room temperature for 2 min. The concentration of NaCl was limited at 15 mM; beyond this concentration the film would have the thickness higher than the desired value of 15 μm. Chitosan powder was then added to the solution at 1.5% (w/v) while stirring continued at 700 rpm for 6 h. It was noted that the addition of NaCl into the acetic acid solution before adding the chitosan powder was done to prevent agglomeration of chitosan powder with NaCl. Glycerol was then added at either 0% or 25% (w/w chitosan); stirring then continued at 500 rpm at room temperature for another 1 h. After mixing the filmforming solution was homogenized via the use of a twostage high-pressure homogenizer (GEA NiroSoavi S.P.A. NS2006L, Parma, Italy) at either 0 (no homogenization) or 10/5 MPa. The homogenized solution was centrifuged at 19,414× g for 15 min via a refrigerated centrifuge (Hitachi, Himac CR21, Ibaraki, Japan) to remove undissolved impurities. Zeta potential measurement was conducted to evaluate the effect of NaCl addition on the surface charge of chitosan chains. The zeta potential of a filmforming solution was measured via the use of Zetasizer NANO-ZS (Malvern Instrument, Worcestershire, UK) according to the suggested method of Vagas et al. (2011) with some modification. A sample was measured at 25 oC using a scattering angle of 90o. The viscosity of a film-forming solution was measured according to the suggested method of Pang and Li (2014) with some modification. The viscosity measurement was made at 25oC using a rotational rheometer (Thermo Fisher Scientific, Haake Mars III, Karlsruhe, Germany) at shear rates of 0 to 100 s-1.
149
2.3 Preparation and characterization of chitosan films Each prepared solution (16 g) was poured onto an acrylic plate with the dimensions of 13Ă&#x2014;10 cm to cast a film. Drying was conducted at an air temperature of 40 oC and air velocity of 0.25 m/s (Thakhiew et al., 2010) until the film reached a moisture content of approximately 14% (d.b.); the moisture content was evaluated by the AOAC standard method 934.06. The film was then conditioned for at least 48 h prior to further characterization in a desiccator containing a saturated solution of sodium chloride, which produces the relative humidity of 75% (an average relative humidity of the environment in Thailand) (Thakhiew et al., 2010). Mechanical properties of the films, in terms of the tensile strength and percent elongation, were determined by a texture analyzer (Stable MicroSystem, TA.XT. Plus, Surrey, UK) according to the ASTM standard method D882 (ASTM, 2010).
Figure 1 Overall experimental program
3 Results and Discussion The zeta potential and viscosity of the film-forming solutions as well as the tensile strength and percent elongation of chitosan films are listed in Table 1. 3.1 Zeta potential of film-forming solutions The effect of glycerol addition on the zeta potential of the film-forming solutions is given in Table 1. The addition of glycerol reduced the zeta potential of the solution with no NaCl and without homogenization. On the other hand, the combined use of glycerol with homogenization enhanced the zeta potential of the solution. At the same concentration of NaCl and without high-pressure homogenization, the addition of glycerol did not significantly affect the zeta potential of the filmforming solution. The addition of NaCl had a significant influence on the zeta potential of the solution. It was observed that, in all cases, the zeta potential of the solution tended to be increase with the concentration of NaCl. This might be becaused the addition of NaCl could increase number of positive ions such as Na+, leading to the solution with the higher charge and hence the higher zeta potential. In all cases, use of high-pressure homogenization reduced the zeta potential of the solution. This is probably because the high turbulence and shear rate produced during the high-pressure homogenization could break the chitosan chains and decrease the size of the glycerol droplets (Thakhiew et al., 2015; Flores et al., 2016). The chitosan chains with lower molecular weight might have more interactions with the negative ions from NaCl and glycerol, leading to partially neutralized chitosan charge and the decreased net solution charge. 3.2 Viscosity of film-forming solutions The effect of glycerol on the viscosity values is listed in Table 1. It was found that in all cases, the addition of glycerol led to a decrease in the viscosity of the solution. This is probably because of the lubrication effect of glycerol, which helped reduce the resistance between the chitosan chains. In all cases, the viscosity of the solution tended to decrease with added NaCl, except in the case of the
150
solution with added glycerol and without to the increased electrostatic repulsion between the homogenization. The reason for this observation is still polymer chains and unfolding of the coiled structure into unclear. the extended linear chains (Chen et al., 1996; Tsaih and In all cases, the viscosity of the solution decreased Chen 1997). The greater electric repulsion between the with the use of using the high-pressure homogenization. chitosan chains might help prevent chain aggregation, This might be related to the shear-thinning behavior of leading the chains to exhibit more expanded structure. the chitosan solution (Vargas et al., 2011). The external This modified structure in turn resulted in enhanced force applied to the film-forming solution probably chain flexibility and hence the higher percent elongation breakup the chitosan chain, causing the rearrangement of of the films. the polymer network when subject to the high-pressure The tensile strength of the chitosan films without the homogenization (Flores et al., 2016). addition of glycerol and NaCl decreased with the use of 3.3 Film mechanical properties the high-pressure homogenization. This is probably The effect of glycerol on the tensile strength and because the intense mechanical forces that were percent elongation of chitosan films is listed in Table 1. In produced during the high-pressure homogenization led all cases, the addition of glycerol led to a decrease in the to degraded polymer chains. The decrease in the tensile strength and increase in the percent elongation. molecular weight of the chitosan molecules led to the This is because of the expected lubrication and decreased film internal resistance, resulting in the plasticization effect of glycerol. Glycerol could penetrate decreased tensile strength of the films (Thakhiew et al., through the polymer matrix and interfere with the 2015). chitosan chains, decreasing the intermolecular attraction Finally, the use of high-pressure homogenization did and increasing the polymer mobility, leading to the films not have a significant effect on the percent elongation of that were more flexible (Thakhiew et al., 2010). the film, except for the film with 25% (w/w) glycerol and The addition of NaCl did not significantly affect the 10 mM NaCl. The increase of the film elongation is tensile strength of the chitosan films. On the other hand, probably because the high-pressure homogenization the addition of NaCl led to increased percent elongation process helped induce random breakdown of the of the films, except for the film with no glycerol. This is covalent bonds within the chitosan molecules and probably because the positive charge of the amino reduce the droplet size of glycerol as mentioned earlier groups of the chitosan chains interacted with Na+, leading Table 1 Zeta potential, viscosity, tensile strength and percent elongation values of chitosan films prepared at various conditions Glycerol concentration (% w/w chitosan)
NaCl concentration (mM) 0 5
0 10 15
Homogenization pressure (MPa)
Zeta potential (mV)
Viscosity (Pa.S) at 100 s-1
0 10/5 0 10/5 0 10/5 0 10/5
105.6 ± 3.0CD 89.1 ± 3.1A 110.3 ± 5.5,D 103.6 ± 3.8 BC 122.4 ± 4.6E 91.8 ± 4.6A 118.3 ± 2.3E 99.5 ± 4.1B
0.83 ± 0.03H 0.51 ± 0.01E 0.66 ± 0.04G 0.40 ± 0.02BC 0.65 ± 0.03G 0.40 ± 0.04BC 0.61 ± 0.03FG 0.37 ± 0.01AB
151
Tensile strength Percent elongation (MPa) (%) 60.6 ± 3.9F 53.1 ± 4.7DE 57.8 ± 4.2EF 55.5 ± 3.2DEF 57.2 ± 4.7EF 54.0 ± 1.7DE 55.8 ± 4.9DEF 49.8 ± 2.0CD
15.1 ± 2.8A 14.8 ± 0.8A 21.8 ± 2.3B 21.1 ± 1.7B 27.5 ± 1.9D 24.1 ± 1.9BC 28.4 ± 1.5DE 26.9 ± 1.3CD
Glycerol concentration (% w/w chitosan)
NaCl concentration (mM)
Homogenization pressure (MPa)
Zeta potential (mV)
Viscosity (Pa.S) at 100 s-1
Tensile strength Percent elongation (MPa) (%)
0 88.3 ± 3.4A 0.52 ± 0.06E 38.9 ± 3.4A 31.0 ± 2.4E B BC BC 10/5 99.2 ± 3.7 0.40 ± 0.02 45.5 ± 2.5 34.2 ± 2.2F 0 105.6 ± 4.8CD 0.57 ± 0.01F 45.0 ± 0.4ABC 36.5 ± 2.3FG 5 A A ABC 10/5 91.8 ± 2.7 0.35 ± 0.04 43.6 ± 0.5 39.4 ± 1.7GH 25 0 107.5 ± 4.4CD 0.63 ± 0.05G 42.1 ± 4.0AB 36.8 ± 2.5FG 10 B D ABC 10/5 98.9 ± 4.8 0.46 ± 0.02 44.2 ± 4.1 41.0 ± 2.5H 0.65 ± 0.03G 45.7 ± 4.9BC 44.7 ± 2.5H 0 125.0 ± 3.6E 15 E CD CD 10/5 121.3 ± 3.8 0.42 ± 0.04 49.8 ± 4.5 47.4 ± 2.2H Same letters in the same column mean that the values are not significantly different at 95% confidence level (p > 0.05) 0
4 Conclusions The improvement of the mechanical properties of chitosan films by addition of glycerol (at a concentration of 0 or 25% w/w chitosan) and NaCl (at a concentration of 0, 5, 10 or 15 mM) as well as the use of two-stage high-pressure homogenization at 0 and 10/5 MPa was investigated. The percent elongation of the films increased with the addition of NaCl. Two-stage highpressure homogenization probably decreased the molecular weight of the chitosan chains as well as the glycerol droplet size, which in turn helped to increase the plasticization ability of the films and hence the higher percent elongation. Chitosan films prepared with glycerol and NaCl at the concentrations of 25% and 15 mM and homogenization at 10/5 MPa had the highest percent elongation of about 47% and tensile strength of around 50 MPa. 5 Acknowledgements The authors express their sincere appreciation to the Thailand Research Fund (TRF; Grant number RTA5880009). 6 References American Society for Testing and Materials (ASTM), 2010. Standard test methods for tensile properties of thin plastic sheeting (D882-10). Annual Book of ASTM Standards, Philadelphia, PA. Association of Official Analytical Chemists (AOAC). 1995. Moisture in cheese (Vacuum oven method). Official
Methods of Analysis of AOAC International, 14th ed. Washington, DC. Bajdik, J., Marciello, M., Caramella, C., Domján, A., Süvegh, K., Marek, T., Pintye-Hódi K. 2009. Evaluation of surface and microstructure of differently plasticized chitosan films. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 49, 655-659. Bourtoom, T. 2008. Plasticizer effect on the properties of biodegradable blend film from rice starch-chitosan. Songklanakarin Journal of Science and Technology 30, 149-165. Cerqueira, M.A., Souza, W.S., Teixeira, J.A., Vicente, A.A. 2012. Effects of interactions between the constituents of chitosan-edible films on their physical properties. Food and Bioprocess Technology 5, 3181-3192. Chen, R.H., Tsaih, M.L., Lin, W-C. 1996. Effect of chain flexibility of chitosan molecules on the preparation, physical, and release characteristics of the prepared capsule. Carbohydrate Polymers 31, 141-148. Cho, J., Heuzey, M.C., Bégin, A., Carreau, P.J. 2006. Viscoelastic properties of chitosan solutions: Effect of concentration and ionic strength. Journal of Food Engineering 74, 500-515. Costa C.N., Teixeira, V.G., Delpech, M.C., Souza, J.V.S., Costa, M.A.S. 2015. Viscometric study of chitosan solutions in acetic acid/sodium acetate and acetic acid/NaCl. Carbohydrate Polymers 133, 245-250.
152
Dutta, P.K., Dutta, J., Tripathi, V.S. 2004. Chitin and chitosan: Chemistry, properties and applications. Journal of Scientific & Industrial Research 63, 20-31. Flores, Z., Martín, D.S., Villalobos-Carvajal, R., TabiloMunizaga, G., Osorio, F., Leiva-Vega, J. 2016. Phys icochemical characteriz ation of chitosan-based coating-forming emulsion s: Effect of homogenizatio n method and carvacrol content. Food Hydrocolloids 61, 851-857. Harmoudi, H., Gaini, L., Daoudi, E., Rhazi, M., Boughaleb, Y., Mhammedi, M.A., Migalska-Zalas, A., Bakasse, M. 2014. Removal of 2,4-D from aqueous solutions by adsorption processes using two biopolymers: Chitin and chitosan and their optical properties. Optical Materials 36, 1471-1477. Hoven, V.P., Tangpasuthadol, V., Angkitpaiboon, Y., Vallapa, N., Kiatkamjornwong, S. 2007. Surface-charged chitosan: Preparation and protein adsorption. Carbohydrate Polymers 68, 44-53. Kang, H.J., Min, S.C. 2010. Potato peel-based biopolymer film development using high-pressure homogenization, irradiation, and ultrasound. LWT Food Science and Technology 43, 903-909. Shahidi, F., Arachchi, J.K.V., Jeon, Y. 1999. Food applications of chitin and chitosans. Trends in Food Science & Technology 10, 37-51. Souza, B.W.S., Cerqueira, M.A., Martins, J.T., Casariego, A., Teixeira, J. A., Vicente, A.A. 2010. Influence of electric fields on the structure of chitosan edible coatings. Food Hydrocolloids 24, 330-335. Thakhiew, W., Devahastin, S. and Soponronnarit, S. 2010. Effects of drying methods and plasticizer concentration on some physical and mechanical properties of edible chitosan films. Journal of Food Engineering 99, 216-224.
Thakhiew, W., Champahom, M., Devahastin, S., Soponronnarit, S. 2015. Improvement of mechanical properties of chitosan-based films via physical treatment of film-forming solution. Journal of Food Engineering 158, 66-72. Tsaih, M.L., Chen, R.H. 1997. Effect of molecular weight and urea on the conformation of chitosan molecules in dilute solutions. International Journal of Biological Macromolecules 20, 233-240. Vargas, M., Perdones, A., Chiralt, A., Cháfer, A., GonzálezMartínez, C. 2011. Effect of homogenization conditions on physicochemical properties of chitosanbased film-forming dispersions and films. Food Hydrocolloids 25, 1158-1164.
153
CFD simulation of multi-stage drying of parboiled paddy kernels in an impinging stream dryer
PHF-22
Patiwat Khomwachirakul1*, Sakamon Devahastin2, Thanit Swasdisevi3, Somchart Soponronnarit1 1
Division of Energy Technology, School of Energy, Environment and Materials, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Tungkru, Bangkok 10140, Thailand. 2 Advanced Food Processing Research Laboratory, Department of Food Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Tungkru, Bangkok 10140, Thailand. 3 Division of Thermal Technology, School of Energy, Environment and Materials, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Tungkru, Bangkok 10140, Thailand. Corresponding author: Patiwat Khomwachirakul. E-mail: pati_sdt@hotmail.com
Abstract Although it has been shown that impinging stream drying (ISD) can be an attractive alternative for parboiled paddy drying, single stage ISD is not adequate due to the higher moisture nature of paddy. Proper design of a multi-stage impinging stream dryer is, however, not straightforward. In the present study, simulation of heat and mass transfer was conducted as a starting point for the design of a multi-stage impinging stream dryer for parboiled paddy. The simulation was used to predict the mean parboiled paddy moisture content and temperature during seven cycles of ISD at inlet air temperatures of 130, 150 and 170 ◦C; parboiled paddy feed rate of 40 kgdry paddy/h; inlet air velocity of 20 m/s and impinging distance of 5 cm. During each cycle the paddy was tempered for 4 min, after which the paddy was again fed back into the dryer. The results showed that the model gave predictions that were in good agreement with the experimental mean parboiled paddy moisture content data. The simulated results revealed that the moisture reduction rate of the parboiled paddy depended both on the inlet drying air temperature and number of drying cycles. Keywords: CFD, Flash drying, Heat and mass transfer, Impinging stream drying
1 Introduction Impinging stream drying (ISD) has proven to be an energy efficient alternative for removing surface moisture from a particulate material (Kudra and Mujumdar, 1989 and 2007). The principle of ISD is based on collision of opposite streams of gas; either one or more streams carry a wet material to be dried (Tamir, 1994). Collision of opposite streams promotes excellent conditions for heat, mass and momentum transfer between the drying medium and particles. Due to the complicated particle behavior and interactions in the drying chamber, it is very difficult to obtain detailed information on the drying characteristics of particles within an impinging stream dryer. Numerical simulation has therefore become an important tool for the study of ISD. Choicharoen et al. (2012), for example, simulated the flow and drying characteristics of high-moisture particles in an impinging
stream dryer by computational fluid dynamics (CFD) model. The effects of inlet air temperature, inlet air velocity, particle flow rate and impinging distance on the transport and performance behavior of dryer were investigated. In all cases, the only single-stage drying of particles was considered. The results showed that the CFD model could be successfully used to predict the mean particle moisture content, air humidity ratio and particle mean residence time. Nevertheless, as in the work of Choicharoen et al. (2012) previous ISD studies focused on their attention only single-stage drying, which is inadequate when higher-moisture particles are to be dried. For parboiled paddy, which contains high moisture, multi-stage ISD is needed if the moisture content of the paddy is to be reduced to a safe storage level. In the present work, CFD simulation was conducted simulated the heat and mass transfer during multi-stage ISD of parboiled paddy. Simulated mean parboiled paddy
154
g dup 18 CD Re moisture content and temperature during seven cycles ug u p g i p 2 of ISD at various inlet air temperatures, inlet air velocities p dt p d p 24 (7) and impinging distances were compared with the The relative Reynolds number (Re) and drag corresponding experimental data. coefficient (CD) are described in detail by Choicharoen et al. (2012). 2 Mathematical Model Heat and mass transfer within particles The governing equations that were used for the The simulated heat and mass transfer within simulation are as follows. parboiled paddy kernels consists of two stages during 2.1 Gas-phase equations each drying cycle. Continuity equation: Drying stage (Meeso et al., 2007) ui M m Heat transfer t xi (1) T k T 2 T for 0 r R (8) Momentum equations: 2
p
t
u j uiu j P x j t xi xi
p
ρp cp r 2
p
p
r r
- Mass transfer
u u j g M F t i x x j i
2 M p 2 M p for 0 r Rp Deff 2 t r r r
M p
(2)
Initial conditions Tp T0 at t 0, M p M 0 at t 0, Boundary conditions
Energy Equation: cpT cp uiT k T xi xi xi t
M h
(3)
Species (water) equation:
C u i C D t Sc t t xi xi
p
0 r Rp 0 r Rp
Tp
C Mm xi
(4) where Mm, MF, and Mh are mass, momentum and energy source terms, respectively. Turbulence model: Realizable k- model was used to represent the gasphase turbulence. The realizable k- equations can be expressed as (Choicharoen et al., 2012):
(9) (10) (11)
0 at t 0, r 0 r Tp Vp M p kp hc Tg Tp ρp hfg r Ap t
(12)
at
(13)
t 0, r Rp
M p r Deff
0 M p r
at t 0,
(14)
r 0
hm M e M s
at
t 0, r Rp
(15)
Tempering In this stage, the heat and mass transfer equations are (5) as Eqs. (8) and (9) but the following initial and boundary t ui conditions. x j x j t xi (6) Initial conditions 2 (16) Tp T r at t 0, 0 r R C2 C1 C3 Gb k k (17) M p M r at t 0, 0 r R 2.2 Particle-phase equations Boundary conditions The motion of individual particles was calculated by Tp Newton’s second law of motion, which is written as 0 at t 0, r 0 (18) r (Choicharoen et al., 2012): k kui t xi x j
t k Gk Gb k x j
p
p
155
Tp r M p r M p r
0
at t 0,
r Rp
(19)
0
at t 0,
r 0
(20)
0
at t 0,
r Rp
(21)
The moisture diffusion coefficient during all stages given by: E0 Deff D0 exp RTp
(22)
The paddy properties and correlations for heat and mass transfer coefficients are shown in Table 1 and Table 2, respectively. Table 1 Properties of paddy used for simulation kp
Expression 1110+44.8Mw (Meeso et al., 2007) 0.0863+0.00134Mw (Meeso et al., 2007)
p
(552+282Mp)/(1-(0.623-0.25Mp)) (Meeso et al., 2007)
hfg
(2502-2.386(Tp_av-273.15))(1+2.496exp(-21.733Mp) 103 (Madhiyanon et al., 2006) 6 10-6 20580
Property cp
D0 E0
monodisperse dimension and was in spherical shape; particle-wall interaction was considered; but particleparticle interaction was neglected, paddy did not change in shape during/after collision with the wall, the shrinkage of the paddy kernels was neglected during drying process; heat and mass transfer within the paddy kernels were considered only in radial direction. The impinging stream dryer of Choicharoen et al. (2012) was used for the simulation (see Figure 1). For the gas phase, the PISO algorithm was used for coupling between the pressure and velocity terms. The spatial discretization was performed using the power-law scheme for the conservation equations. For the particle phase, the particle equations were solved using RungeKutta scheme. The parboiled paddy was dried for up to seven cycles. During each cycle the paddy was tempered for 4 mins; after that the paddy was again fed back into the dryer. A grid number of 22714 was used in this study; the selection was based on the grid independence test. The simulation conditions are listed in Table 3.
Table 2 Correlations for heat and mass transfer coefficients Property Expression Me
hc Nu
hm Sh
D
1 2.386 n(1 RH ) 0.01 4.723106 (Tg 273.15)
Figure 1 Schematic diagram of the simulated dryer (Choicharoen et al., 2012).
(Meeso et al., 2007) Nukg/dp (Choicharoen et al., 2012) 2+0.6Re1/2Pr1/3 (Choicharoen et al., 2012) (Sh/dp) D (Choicharoen et al., 2012) 2+0.6Re1/2Sc1/3 (Choicharoen et al., 2012) 4.56 10-9 Tg1.5 (Rahimi et al., 2010)
Table 3 Simulation conditions Parameter
3 Model Assumptions and Simulation Conditions The following assumptions were adopted in the present study: air was an ideal gas; properties of air, including viscosity, thermal conductivity and heat capacity, were specified as a polynomial function of temperature (Frydman et al., 1998); heat loss through the dying chamber wall was neglected; parboiled paddy had 156
Particle diameter (mm) Restitution coefficients Inlet air temperature (°C) Inlet air velocity (m/s) Particle mass flow rate (kgdry solid/h) Impinging distance (cm) Number of drying cycles Time step (s)
3.9
Experimental data Pruengam et al. (2014) 3.9
130,150,170 20, 30 40
130,150,170 20, 30 40
5, 15 7 0.0005
5, 15 7 -
CFD model
5 Results and Discussion 5.1.1 Drying kinetics of parboiled paddy Figure 2 show the drying curves of parboiled paddy undergoing ISD for 7 cycles. The drying air velocity and impinging distance were varied to investigate the drying kinetics of parboiled paddy. It is seen that the mean moisture content of paddy decreased with an increase in the number of drying cycle in all cases, as expected. Regarding the effects of impinging distance and inlet air velocity, it was found that there were almost no differences in the mean moisture content of paddy in all cases. This is because the mean residence time of the particles in each cycle was not significantly different at different impinging distances and inlet air velocities (see Figure 3).
Mean residence time (s)
4 Boundary Conditions At the inlets, the flow of gas was assumed to be uniform. The turbulence intensity was assumed to be 5%. At the wall no-slip boundary condition was assumed for the gas phase. The outlet was assumed to be at an atmospheric pressure.
5 4 3 2 1 0 1
2
3
4
Case
Figure 3 Mean residence time of particles in each cycle. Case 1 = Inlet air velocity of 20 m/s and impinging distance of 5 cm; Case 2 = Inlet air velocity of 20 m/s and impinging distance of 15 cm; Case 3 = Inlet air velocity of 30 m/s and impinging distance of 5 cm; Case 4 = Inlet air velocity of 30 m/s and impinging distance of 15 cm. Figure 4 shows a comparison between the simulated and experimental results of the mean parboiled paddy moisture content at different inlet air temperatures and numbers of drying cycles. When the feed flow rate, inlet air velocity and impinging distance were fixed, it is seen that an increase in the inlet air temperature led to a faster decrease in the mean parboiled paddy moisture content, as expected. This is because the temperature difference between the drying air and particle surface at a higher temperature is larger than that at a lower temperature, therefore a larger driving force for heat (and mass) transfer. At each inlet air temperature, an increase in the number of drying cycles led to a decrease in the mean parboiled paddy moisture content as discussed earlier. When comparing the simulated results with the experimental data, it was found that the CFD model gave predictions that are in good agreement with the experimental data. The mean moisture content as predicted by the CFD model differed from the experimental results by only. + 8% Figure 2 Simulated effects of inlet air velocity and Figure 5 shows the simulated mean parboiled paddy impinging distance on mean moisture content o of parboiled paddy at air temperature of 130 C temperature at different inlet air temperatures and and particle mass flow rate of 40 kgdry solid/h. numbers of drying cycles. It is seen that the mean parboiled paddy temperature was rather low at the first 157
drying cycle. This is because the moisture content of parboiled paddy was still high (see Figure 4).
Figure 5 Simulated mean parboiled paddy temperature at different inlet air temperatures and numbers of drying cycles. 6 Conclusions CFD model was used to predict the heat transfer and drying characteristics of parboiled paddy during multistage ISD at different conditions. Simulated mean parboiled paddy moisture content and temperature during seven cycles of ISD were analyzed and compared with the experimental data. CFD model gave predictions that are in good agreement with the experimental data. The moisture reduction rate and temperature of the parboiled paddy depended both on the inlet drying air temperature and number of drying cycles. The effects of inlet air velocity and impinging distance on the mean moisture content of parboiled paddy were found to exert any effect on the mean paddy moisture content in all cases.
Figure 4 Comparison between simulated and experimental mean moisture contents of parboiled paddy at different inlet air temperatures and numbers of drying cycles. At each inlet air temperature, an increase in the 7 Acknowledgements Authors express their sincere appreciation to the number of drying cycles led to an increase in the mean parboiled paddy temperature. This is because of the Thailand Research Fund (TRF, Grant no. RTA5880009) for longer time the parboiled paddy was in the system, supporting the study financially. resulting in the higher accumulated energy within the - Nomenclature kernels. The moisture content of the paddy was also = Particle area (m2) lower and hence no evaporative cooling effect that = Heat capacity (J/kg K) could help maintain the lower kernel temperature like = Drag coefficient during the first cycle of drying. For the effect of the inlet = Turbulence model constants air temperature, it was found that an increase in the inlet = Particle diameter (m) air temperature led to an increase in the mean parboiled = Diffusion coefficient in gas phase (m2/s) paddy temperature, as expected. = Effective diffusion coefficient (m2/s) = Pre-exponential factor (m2/s) = Activation energy for diffusion (J/mol K) = Gravitational acceleration (m/s2) = Heat transfer coefficient (W/m2 K) = Latent heat of vaporization (J/kg) = Mass transfer coefficient (m/s) = Turbulence kinetic energy (m2/s2) = Gas phase thermal conductivity (W/m K) = Particle thermal conductivity (W/m K) = Equilibium moisture content (decimal d.b.) 158
= Moisture content of particle (decimal d.b.) = Source term in momentum balance - equation = Source term in energy balance equation = Source term in mass balance equation = radial distance (m) = Universal gas constant (J/mol K) = Particle radius (m) = Time (s) = Gas temperature (K) = Particle temperature (K) = Mean particle temperature (K) = Gas velocity (m/s) = Particle velocity (m/s) = Gas-phase velocity component (m/s) = Volume of particle (m3) = Coordinates (m) - Greek Letters = Energy dissipation rate (m2/s3) = Gas dynamic viscosity (kg/m s) = Turbulent viscosity (kg/m s) = Gas density (kg/m3) = Particle density (kg/m3) = Turbulent Prandtl number for k = Turbulent Prandtl number forď Ľ = Turbulent Prandtl number - Dimensionless Numbers Nu = Nusselt number Pr = Prandtl number Re = Reynolds number Sc = Schmidt number Sct = Turbulent Schmidt number Sh= Sherwood number
Frydman, A., Vasseur, J., Moureh, J., Sionneau, M., Tharrault, P. 1998. Comparison of superheated steam and air operated spray dryers using computational fluid dynamics. Drying Technology 16, 1305-1338. Kudra, T., Mujumdar, A.S. 1989. Impingement stream dryers for particles and pastes. Drying Technology 7, 219-266. Kudra, T., Mujumdar, A.S. 2007. Impinging stream dryers. In Handbook of Industrial Drying, 3rd ed.; Mujumdar, A.S. (Ed.); CRC Press: New York; 479-488. Madhiyanon, T., Techaprasan, A., Soponronnarit, S. 2006. Mathematical models based on heat transfer and coupled heat and mass transfer for rapid high temperature treatment in fluidzed bed: Application for grain heat disinfestations. International Jounal of Heat and mass Transfer 49, 2277-2290. Meeso, N., Nathakaranakule, A., Madhiyanon, T., Soponronnarit, S. 2007. Modelling of far-infrared irradiation in paddy drying process. Journal of Food Engineering 78, 1248-1258. Pruengam, P., Soponronnarit, S., Prachayawarakorn, S., Devahastin, S. 2014. Rapid drying of parboiled paddy using hot air impinging stream dryer. Drying Technology 32, 1949-1955. Rahimi, A., Niksiar, A. 2010. Mathematical modeling and simulation of drying of a single wet particle in a coaxial impinging stream dryer. Chemical Engineering Communications 197, 692-708. Tamir, A. 1994. Impinging-stream reactors: Fundamentals and applications; Elsevier: Amsterdam.
8 References Choicharoen, K., Devahastin, S., Soponronnarit, S. 2012. Numerical simulation of multiphase transport phenomena during impinging stream drying of a particulate material. Drying Technology 30, 1227-1237.
159
The Study machine separate of nut and kernel palm by Hydro-cyclone
PHF-23
Panya Dangviluilux1*, Dithaporn Thungsotanon and Chompoonud Kulketwong Department Engineering, King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang, Prince of Chumphon Campus, Thailand. Corresponding author: Panya Dangviluilux. E-mail: kdpanya@hotmail.com
Abstract This research studied the effect of separation of palm kernels and shells. The studied article encompasses development of hydro-cyclone for separation of solid two types. The upper hydro-cyclone tank is made of steel with the size of the diameter of 50 cm, the height of cyclone cylinder 100 cm and thickness of 3 mm. The below cyclone tank had a the frustum the size of the top diameter of 50 cm and bottom diameter of 16 cm, height of 100 cm and a thickness of 3 mm. Outlet pipe had a diameter of 16 cm. The experiment was designed to use at the speed of pump with 680, 710, 760, 800, 845, 885, 930 and 1000 rpm. The speed of the pump, less than 680 rpm, will not be able to suck water for separator kernel and oil palm shell into the system of Hydro-cyclone. The results of the highest separation efficiency of 90.42% were obtained at a speed of 930 rpm with corresponding results of 129.21 kg in kernel purity, 5.69 kg shell recovery. The overall separation efficiency of 90.42% was much higher than that for high speed at 1000 rpm and the efficiency of 53.39%. Keywords: oil palm fruit; palm kernels; palm shells, hydro-cyclone, shaker machine
1 Introduction Hydro-cyclone, also known as liquid cyclones, is an important device for centrifugal density for separation (Fig.1). It has been widely used for separation due to the advantages of its low cost for operating and maintenance, high throughput, low floor space requirement etc [1,2]. It separates solid and liquid or liquid and liquid or solid and solid by the difference in density between the fluid and the material to be separated in this equipment. The wall of cyclone machine is stationary and rotation is initiated by the pressurized fluid flow. Hydro-cyclone separation mechanism is used. In a system with a solid one or two type depending on the fluid to flow through the pipes by applying pressure from the pump into the entrance hydro-cyclone called Feed Inlet, then the principle of rotation, causing centrifugal force. Liquid or solid with a density less than moves in the direction of rotation to the center of the hydrocyclone will flow out the top called overflow of solid material with a density greater moves in the direction of spin out. the center of the hydro-cyclone will flow out through the bottom underflow. Which factors affect the separation depends on the pressure inside. Hydro-
cyclones are many factors. That depends on the ratio of the geometry and directly related to the rate of inflow of hydro-cyclone [3-8]. This rotational motion causes relative movement of suspended materials or particles in the fluid, permitting separation of these materials.
Figure 1 Principles of hydro-cyclone The influence of centrifugal force moves the less dense particles move radially for the overflow, forming an outer vortex, as shown in Figure 1.
160
Oil palm (Elaeis guineensis) is grown extensively in Southeast Asia and Equatorial Africa and it produces more oil per area than any other plant [9]. There are two types of oil that can be obtained from the oil palm: palm oil from the flesh of the fruit (mesocarp), and palm kernel oil from the seed or kernel. The sizes of the oil palm fruits depend mainly on the thickness of the shell, depending on the species. The interior is divided into made up of three major layers: an outer the mesocarp can produce crude palm oil, a middle the shell has a high heating value, which encloses the kernel can produce palm kernel oil. The kernel consists of a small embryo embedded in a mass of hard oily endosperm. The thickness of the shell is thick with three characteristics high thickness (Dura), no shell (Pisifera) and appropriate and have been popular (Tenera) [10]. A report from the Ministry of Agriculture Disclosure of the crop of the oil palm of that now. Increased throughout the year 2015 with an area of 4,400,589 hectares of oil palm yield increase over the 2014 area of 4,148,168 hectares, representing a 6.09 percent yield, as well as a growing trend throughout. The objective of this work is to examine the effects of separation of palm kernels and shells thus to the variable the speed of Naka pump to the efficiency of hydro-cyclone. 2 Materials and Methods 2.1 Oil Palm Shell (OPS) and Oil Palm Kernal (OPK) The oil palm nuts (OPN) used in this study were collected from a KMITL prince of Chumphon oil palm research group in Chumphon, Thailand. The samples were manually cleaned to remove foreign matter, and immature nuts. The size and grime of shells and kernels were evaluated at initial moisture content found to be 12% dry basis (d.b.). The moisture content of the samples was determined by using the AOAC official method 92540 (AOAC, 2002). The experiment was used to oil palm nut of Tenera, more elliptical in shape, as shown in Figure 2. The oil palm nut through a crack in Fig 2a by hammer mill type, whereas the shell are
semicircular in shape but with the greater tendency to abgadt to being flat (Fig 2b) and the palm kernels are smooth and nearly spherical (Fig 2c). Mechanical properties of the palm nut were as presented in Table 1. The masses of the Tenera nuts were 3.84 g, 2.02 of OPS and 1.82 of OPK. Mean sphericity of the Tenera palm nut was 83.37%, 57.61% of OPS and 89.43 of OPK. This experiment giving a total weight of 100 kg. The kernels were separated from the shells by hand picking. A sample of the ratio used in the experiments of 50% of kernels and 50% of oil palm shells.
(a)
(b)
(c)
Figure 2 oil palm nut of Tenera (a) cracked palm nuts (mixture of palm kernels and shells); (b) palm kernels and (c) palm shells Table 1 Physical property of oil palm nuts with an average moisture content of 12%d.b. for nuts, 10.6%d.b. for shells and 13.9% d.b. for kernels. Parameter Mean Size, mm Aver. Mass (g) Sphericity (%)
Mean values OPS OPK 19.5x13.4x 7.3 ď&#x192;&#x2020;14.7 2.02 1.82 57.61 89.43
OPN ď&#x192;&#x2020;21.5 3.84 83.37
2.2 Experimental Apparatus Hydrocyclone will generally have an important component. Sections include 1.) Vortex finder 2.) Underflow orifice 3.) Feed Inlet 4.) Cylindrical section and 5.) Frustum of the Conical section. By the various components of the hydro-cyclone shown in Figure 3. The dimensions of hydro-cyclones used in the experimental work were shown in Table 2.
161
(a) Figure 3 Geometry of hydro-cyclone Table 2 The geometry of the hydrocyclones considered D(cm) 50
W/D 0.2
H/D 0.32
D1/D 0.32
D2/D 0.32
ď ą(°) 6
L/D 2
L1/D 0.32
L2/D 2
D is the diameter of the cyclone cylinder (cm). W is the width of the inlet pipe. H is the height of the inlet pipe. D1 is the diameter of the outlet (Overflow). D2 is the diameter of the outlet (Underflow). L is the length of the Frustum. L1 is the length of the Vortex finder inner. L2 is the length of the cyclone cylinder. L3 is the length of the Underflow. The upper hydro-cyclone tank is made of steel with the size of the diameter of 50 cm, the height of cyclone cylinder 100 cm and thickness of 3 mm. The below cyclone tank had a the frustum the size of the top diameter of 50 cm and the bottom diameter of 16 cm, height of 100 cm and a thickness of 3 mm. Outlet pipe had a diameter of 16 cm. Naka pump is centrifugal pump type which is driven by motor 10 hp at 1450 rpm. It was controlled speed by the inverter. The experiment was designed to use at the speed of with 680, 710, 760, 800, 845, 885, 930 and 1000 rpm.
(b)
(c)
Figure 4 Experimental set of of hydro-cyclone a) The structure experimental set of hydrocyclones b) Structure of water tank fill kernel and palm shell and the Naga pump c) The characteristics of separation and palm kernel shell system using of hydro-cyclone. This experimental apparatus is shown in Fig.4. Diameter cylindrical tanks are 50 cm of hydro-cyclone with two symmetrical rectangular inlets (16 cm x 10 cm). The hydro-cyclone designed was used to separation shell and kernel of inlet water by Naga pump. 3 Results and Discussion - The palm kernel and shell separator, The experiment was performed to evaluate of the separation in terms of its capacity and its the effectiveness of separation with valency to kernel and oil palm shell purity, kernel and oil palm shell recovery and
162
separation efficiency. The separator was designed to run at 7 different speeds. About 680 - 930 rpm of the Naka pump. It was used the separator, palm kernel and shell mixture was taken from the quantity collected from KMITL prince of Chumphon oil palm research group. Table 3 The experiment relationships of speed and flow rate of the water inside the system hydro-cyclone. Speed of pump (rpm) less than 680 680 710 760 800 845 885 930 1000
flow rate(L/min) Underflow 0 135.6 222.6 270.4 283.9 295.2 322.2 337.6 181.4
flow rate(L/min) Overflow 0 10.3 20.7 34.5 37.2 41.7 48.5 57.2 273.3
Table 3 found that at a high speed of pump at 930 rpm can suck water increased the flow rate to 337.6 l/min and 57.2 l/min for underflow and overflow, respectively. Which, high speed of pump at 1000 rpm can suck water increase than 930 rpm but the flow rate of water much to overflow than at 930 rpm and flow rate of water less to underflow than at 930 rpm, 273.3 l/min and 181.4 l/min, respectively. Table 4 Performance data for palm kernel and shell separator. The highest separation efficiency of 90.42% was obtained at a speed of 930 rpm with corresponding results of 129.21 kg in kernel purity, 5.69 kg shell recovery. The overall separation efficiency of 90.42% was much higher than that of high speed at 1000 rpm, the efficiency of 53.39% (Table 4).
4 Conclusions On the basis of the physical property of kernels and This experiment the set speed to be reaches before oil palm shells, a separator was designed and tested in releasing the mixture from the tank. The sample was the experiment. At the speed of pump of 930 rpm at manually loaded into the tank at the feed chute was overflow pipe, kernel purity was 90.42%, shell recovery opened to allow the steady flow of the mixture into the 5.69 kg, kernel recovery 7.81 kg, shell purity 79.07%. The separating reliever at table 3 and table 4. Naka pump has separation rate was 1342.7 kg/hr which is far above at the speed less than 680 rpm. Naka pump will not be 1000 rpm, 1715 kg/hr of separation rate. able to suck water for separator kernel and oil palm shell into the system of Hydro-cyclone. Table 4 Performance data for palm kernel and shell separator, of oil palm nuts with an average moisture content of 12%d.b. for nuts, 10.6%d.b. for shells and 13.9% d.b. for kernels at 10 min. Speed of pump (rpm) 680 710 760 800 845 885 930 1000
Underflow Kernel recovery Shell purity (kg) (kg) 0.52 3.91 2.22 23.64 1.81 37.39 2.99 42.69 4.60 52.22 6.75 74.56 7.81 79.07 3.74 27.64
Overflow Kernel purity (kg) Shell recovery (kg) 8.12 37.93 48.25 62.26 76.73 113.60 129.21 130.84
163
0.05 0.30 0.25 0.32 0.85 1.97 5.69 123.76
Seperation ezciency, %
Feed rate (kg/hr)
79.84 85.76 86.94 85.78 86.62 89.75 90.42 51.39
75.6 384.5 526.2 649.6 806.4 1181.3 1342.7 1715.9
5 Acknowledgements The authors gratefully acknowledge the financial support provided by the Office of National Research Council of Thailand (NRCT) and King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang. 6 References XU Ji-run. Study on forced vortex and internal losses in hydrocyclone [D]. Shenyang: Northeastern University, 1989: 21−45. (in Chinese) PANG Xue-shi. Technology and application of hydrocyclone [M]. Beijing: China Petrochemical Press, 2011: 18−45. (in Chinese) Dahlstrom, D.A., 1949, “Cyclone OperationFactors and Capacities on Coal Refuse Slurries”,Trans. AIME, Vol. 184, pp. 31-44. Gelder, A.L., 1952, “Model Tests with Hydrocyclones”, Proc. 8th Int. Congr. Theor. and Appl. Math., pp. 4752. Rouse, B.D., Clayton, J.S., and Brooker, G.F., 1987, “Confirmation of Modeling Techniques for Small Diameter Cyclones”, Proceedings of the 3rd International Conference on Hydrocyclones., pp. 7-20. Plitt, L.R., 1976, “A Mathematical Model of the Hydrocyclone Classifier”, CIM Bull, Vol. 69, pp. 114123. Trawinski, H., 1958, “Naherungssatze zur Berechnung Wichtige. Betriebsdaten for Hydrocyclone and Zenrtifugen”, Chem. Ing. Tech., Vol. 30, pp. 85-95. Bradley, D., 1965, The Hydrocyclone, Pergamon Press, London. Poku, K. (2002). Small-scale palm oil processing in Africa. FAO agricultural services bulletin, 148. C. O. Akubuo ; B. E. Eje. (2002). Palm Kernel and Shell Separator. Biosystems Engineering (2002) 81 (2), pp193-199
164
PHF-24
Study of Oxygen Transport through a PET Bottle Containing Model Beverage Arisara Yotsiri, Nawapat Kimhantmal, Kuson Bawornruttanaboonya*, Tipaporn Yoovidhya and Sakamon Devahastin Advanced Food Processing Research Laboratory, Department of Food Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Tungkru, Bangkok 10140, Thailand. Corresponding author: Kuson Bawornruttanaboonya. E-mail: kuson_b@windowslive.com
Abstract The aim of this work was to study the evolutions of the oxygen concentration in both the headspace and beverage regions of a PET bottle. Attempts were also made to determine how much oxygen could transport through a more permeable polyethylene cap in comparison to that through PET, especially as a function of the storage temperature. Water was used as a model beverage due to its simplicity. A mathematical model that can be used to predict the oxygen concentration evolutions was proposed and validated against our own experimental data during 100-day storage at different temperatures (35, 45 and 55°C). The model was able to predict the oxygen concentrations in both regions. When increasing the storage temperature from 35 to 45 and 55 °C, the percentage of oxygen transport into the headspace region through a bottle cap when compared to that through the PET bottle increased from 52 to 68%. Keywords: Diffusion; Dissolved oxygen; Headspace; Oxygen Permeability; Storage
1 Introduction Oxygen transport behavior is one of the factors influencing the selection of a packaging material for food (Ahrne et al., 1997; Moyssiadi et al., 2004). This is because oxygen is the main cause of oxidation reactions, which affect food quality, leading, for example, to altered flavor, color and taste of the food (Adoua et al., 2010). While metal cans and glass containers require sealing compounds and plastisols, respectively, to be hermetically sealed, the sealing of plastic bottles is mostly based on plug seals; their caps may have no additional sealing materials. Hermetic sealability of plastic bottles may therefore be compromised. In general, low oxygen permeability is a desirable property of a packaging material, especially in the case of hermetically sealed packages for beverages. Polyethylene terephthalate (PET) is widely used as a material for beverage containers, including bottles, due to its low oxygen permeability. Nevertheless, oxygen transmission rate (OTR) increases with the temperature (Yuniarto et al., 2014). Nevertheless, since other more oxygen-permeable materials, including polyethylene (PP), are generally used
to make bottle caps, the possibility of oxygen to transport through this more permeable route is also high. To save experimental cost and time, several mathematical models that can be used to predict the oxygen transport behavior through a plastic bottle are available (e.g., Bacigalupi et al., 2013; Profaizer, 2006). However, no prior work has investigated how much oxygen could transport through a more permeable cap (made, for example, from PP) in comparison to that through PET, especially as a function of the storage temperature. In this work, a mathematical model that can be used to predict the evolutions of the oxygen concentrations in both the headspace and beverage regions was proposed and validated against our own experimental data. The model was then used to analyze the oxygen transport through a PET bottle and its PP cap at different storage temperatures; water was used as a model beverage to simplify the analysis because water has no reaction with oxygen and the properties of water are well established.
165
Dissolved oxygen concentration was determined by the Winkler method (Winkler, 1888). About 300 cm3 of tested water was poured into a 300-cm3 BOD bottle; 1 cm3 of 36.4% (w/v) manganese sulfate solution as well as 1 cm3 of 65% (w/v) alkaline iodide solution were then added. The mixture was then left until brown precipitates were observed. One cm3 of concentrated sulfuric acid was added into the mixture and about 201 cm3 of the mixture was transferred to a flask. The mixture 2.2 Chemicals Manganese sulfate monohydrate (MnSO4·H2O), was titrated with 0.0025 N sodium thiosulfate solution sodium hydroxide (NaOH), potassium iodide (KI), sulfuric until the color became light yellow. About 2-3 drops of acid, potassium biiodate (KH(IO3)2) were purchased from starch indicator were added into the yellow mixture. Carlo Erba (Milan, Italy). Sodium thiosulfate When the starch indicator was added, the color of the (Na2S2O3·5H2O) and soluble starch were purchased from mixture changed from light yellow to dark blue. The dark Carlo Erba (Milan, Italy). Salicylic acid was purchased from blue solution was again titrated with 0.0025 N sodium thiosulfate solution until the color of the solution May and Baker (London, UK). become colorless. 2.3 Beverage preparation 3 Since 1 cm of 0.0025 N sodium thiosulfate solution is A preformed bottle was blown by a blow molding -1 -3 machine (SIDEL, SBO 20, Octeville-sur-Mer, France) to the equivalent to 1 mg L or 0.001 kg m of oxygen that desired dimensions. The bottle was then rinsed with hot dissolves in the -3 sample, the dissolved oxygen water. Fresh water was pasteurized at 135 °C using a concentration (kg m ) of the sample is the total volume pasteurizer (Integra, 140/50 PS-137/190 A-R, of sodium thiosulfate solution that was used in the first Samutprakarn, Thailand) and filled into the bottle at a and second titrations. temperature around 90 °C by a filler (BC Technology, 2.6 Determination of oxygen permeability of PET Oxygen permeability was calculated from the oxygen Magic HF, Cuggiono, Italy. After capping via the use of a capper (Arol, TSI-Euro PK “L.E.S”, Canelli, Italy), the bottle transmission rate (OTR) as shown in Eq. (1). OTR was and its content was cooled in a cooling tunnel (FMI, C33- measured using ASTM F 1307-02 method (McKeen, 2012) 168-1, Milan, Italy). The final product temperature was by a coulometric sensor (Illinois Instruments, Oxygen Permeation Analyzer 8001, Johnsburg, Illinois) at 35±2, around 35-37 °C. 2.4 Determination of headspace oxygen 45±2 and 55±2 °C and 65±5% relative humidity. concentration Filled bottles were stored at 35, 45 and 55 °C. One (1) bottle was taken out for the analysis at every 5 days over a period of 60 days, then every 10 days until 100 days. 3 Mathematical model development A three-dimensional model based on Fick’s law of Each bottle was immediately punctured at its shoulder with a needle of 0.55 mm in diameter and 25 mm in diffusion was used to simulate the transport of oxygen length to measure the oxygen concentration in the through the PET bottle and its cap. The geometry and headspace region using a portable gas analyzer (PBI dimensions of the simulated bottle are shown in Fig. 1. Dandenser, CheckPoint, Ringsted, Denmark) with an The total volume of the bottle is 350 cm3 and the surface area is 445.5 cm2. The bottle was made of PET, accuracy of 0.25%. 2.5 Determination of dissolved oxygen concentration while the cap was made of PP.
2 Material and Methods 2.1 Materials Preformed PET bottles were purchased from Precision Plastic Co., Ltd. (Ayutthaya, Thailand). After blow molding, each bottle was 69.3 mm in diameter and 207 mm in the total height. The bottle had the PCO1810 neck finish.
166
diffusion coefficient of oxygen through air in the headspace region (m-2 s-1) and is the diffusion -2 -1 coefficient of oxygen in the water (m s ). 3.2.2 Initial and boundary conditions The initial oxygen concentrations at 3 storage temperatures as well as boundary conditions needed to solve Equation (2) and (3) are as follow: Initial conditions (at t = 0): - T = 35 °C: = 8.00 mol m-3 Figure 1 Simulated PET bottle = 0.12 mol m-3 3.1 Model assumptions - T = 45 °C: To simplify the analysis, the following assumptions = 7.98 mol m-3 were made: = 0.13 mol m-3 - Oxygen diffusivity is constant at a given - T = 55 °C: temperature. = 7.88 mol m-3 - Time required for the water temperature to reach = 0.13 mol m-3 storage temperature is negligible when compared with Boundary conditions (Bacigalupi et al., 2013): the total storage time. The energy equation is - Headspace region: therefore not required. - Volume of both phases (water and headspace) (4) , , are constant. where , is given by: - Temperature is constant during the whole storage period. , (5) - Bottle thickness is uniform. - No flow and chemical reaction take place within (6) , the bottle. where is the total molar flux of oxygen to headspace 3.2 Oxygen transport model region (mol m-2 s-1); P is the oxygen permeability of the 3.2.1 Model equation -1 -1 -1 Oxygen transport from the surrounding into the water bottle (mol m s Pa ); is the bottle thickness (mm); are the external and internal partial and , , and headspace regions was modeled using the following is the total pressures of oxygen, respectively; oxygen balance equations. pressure in the bottle (Pa); is the molar In the headspace region: 2 2 2 concentration of oxygen in the headspace region (2) 2 2 2 (mol m-3); MW is the molecular weight of oxygen In the water region: (g mol-1) and ρ is the density of oxygen (g m-3). 2 2 2 - Water region: (3) 2 2 2 (7) , where is the molar concentration of oxygen in the headspace (mol m-3), is the molar concentration where is the total molar flux of oxygen into the water is the (mol m-2 s-1); of dissolved oxygen in the water (mol m-3), is the molar concentration of oxygen 167
in the water (mol m-3) and is the oxygen solubility in the water (mol m-3 Pa-1). - Headspace-water interface: (8)
(9) where and are the total molar flux of oxygen from the headspace region into the water and the total molar flux of oxygen from the water to the headspace region (mol m-2 s-1), respectively. All the parameters used in the simulation are listed in Table 1.
Table 1 Parameters used in the simulation
Parameter Thickness of bottle (x, m) Partial pressure of oxygen outside bottle ( , Pa ) Total pressure within bottle ( , Pa) Molecular weight of oxygen (MW , kg kmol-1) Density of oxygen at 35°C (ρ , kg m-3) Density of oxygen at 45°C (ρ , kg m-3) Density of oxygen at 55°C (ρ , kg m-3) Oxygen permeability of PET at 35°C ( , mol m-1 s-1 Pa-1) Oxygen permeability of PET at 45°C ( , mol m-1 s-1 Pa-1) Oxygen permeability of PET at 55°C ( , mol m-1 s-1 Pa-1) Oxygen solubility in water at 35°C ( , mol m-3 Pa-1) Oxygen solubility in water at 45°C ( , mol m-3 Pa-1) Oxygen solubility in water at 55°C ( , mol m-3 Pa-1) Oxygen diffusion coefficient in air at 35°C ( , m2 s-1) Oxygen diffusion coefficient in air at 45°C ( , m2 s-1) Oxygen diffusion coefficient in air at 55°C ( , m2 s-1) Oxygen diffusion coefficient in water at 35°C ( ′ , m2 s-1) Oxygen diffusion coefficient in water at 45°C ( ′ , m2 s-1) Oxygen diffusion coefficient in water at 55°C ( ′ , m2 s-1)
Value 3×10-4 2.13×104 7.80×104 32 1.30 1.22 1.20 1.17×10-17 1.59×10-17 2.01×10-17 1.03×10-5 8.83×10-6 7.58×10-6 2.21×10-5 2.33×10-5 2.45×10-5 2.95×10-9 3.65×10-9 4.35×10-9
3.3 Model implementation The model equations, along with the initial and boundary conditions, were solved using the finite element method through the use of COMSOL MultiphysicsTM version 4.3 (Comsol AB, Stockholm, Sweden). The bottle geometry was drawn by SolidWorks 2014 (Dassault Systèmes SolidWorks Corp., Waltham, MA). Different mesh elements were tested to obtain meshindependent solution. The differences in the average oxygen concentration in both the headspace and water regions between using 43,892 and 182,993 elements were negligible. Different time steps (60 vs. 86,400 s) were also tested and the time step of 86,400 s (1 day) was noted to be adequate to simulate the transport process.
Reference This work This work This work This work This work This work This work This work This work This work Izagirre et al. (2007) Izagirre et al. (2007) Izagirre et al. (2007) Denny (1993) Denny (1993) Denny (1993) Denny (1993) Denny (1993) Denny (1993)
4.1 Evolution of oxygen concentrations Figure 2 shows transported oxygen concentration in both water and headspace regions. The dissolved oxygen concentration continuously increased until 60 days and then remained almost unchanged up to 100 days of storage (Figure 2(a)). When increasing the storage temperature, the dissolved oxygen concentration was noted to be lower due to the decreased solubility of oxygen in the water. In the case of the oxygen concentration in the headspace region, the value continuously increased during 100 days of storage at all temperatures as is seen in Figure 2(b). An increase in the storage temperature led to an increase in the oxygen concentration in the headspace region due to the
4 Results and discussion 168
and experimental values were at the initial storage time as the experimental water temperatures had not yet reached the simulated temperatures. Figure 4 shows the experimental and predicted oxygen concentrations in the headspace regions at different temperatures. The model could not at all predict the evolution of the oxygen concentration in the headspace region. The error is attributed to the assumption of neglected oxygen transmission through the cap, leading to the much lower predicted oxygen transport to the headspace region. This error did not occur to the predictions in the water region because oxygen transferred to the water only through bottle surface and air-water interface, not through the cap. For this reason, the oxygen permeability of the whole bottle (PET bottle and PP cap) was estimated by fitting the simulated oxygen concentrations in the headspace region to those obtained experimentally; the fitted oxygen permeability values at 35, 45 and 55°C are 2.64 ×10-17, 7.43×10-17 and 1.10 ×10-16 mol m-1 s-1 Pa-1, respectively. These values are obviously higher than those belonging to the PET bottle, indicating that oxygen could more easily transport through the PP cap, especially at higher storage temperatures. With the fitted Figure 2 Evolutions of (a) dissolved oxygen concentra- permeability values, the model could adequately predict tion and (b) oxygen concentration in headthe evolution of the headspace oxygen concentration as space region. shown in Figure 5. 4.2 Predicted oxygen transport behavior To validate the proposed model, the simulated and experimental oxygen concentration evolutions at storage temperatures of 35, 45 and 55°C were compared as shown in Figure 3. Initially, the cap of the bottle was assumed to be impermeable because it has a small area when compared with the surface area of the bottle; oxygen transport was therefore only through the body of the bottle. The measured oxygen permeability at 35, 45 and 55°C were noted to be 1.20×10-17, 1.59×10-17 and 2.01×10-17 mol m-1 s-1 Pa-1, respectively. These values are similar to the values reported by Schmid et al. (2012). The model adequately predicted the dissolved oxygen concentration with the maximum difference of less than 10%. The maximum differences between the simulated increased permeability of oxygen through the headspace (Brown et al., 2005).
169
Figure 3 Experimental and predicted dissolved oxygen concentrations at (a) 35°C; (b) 45°C and (c) 55°C Table 2 presents the simulated percentage increase of the oxygen concentration in the headspace region after 100-day storage at different temperatures. The increase through both the PET bottle and PP cap is reported; the percentage increase of oxygen concentration is defined as the ratio of the transported oxygen through PET bottle or PP cap to the total amount of oxygen in the headspace region. Oxygen transmission via PET was.
Figure 4 Experimental and predicted oxygen concentrations in headspace region at (a) 35°C; (b) 45°C and (c) 55°C when using measured oxygen permeability values found to be very small when compared with that through the PP cap due to the higher oxygen permeability of PP. This result agrees with that of Van Bree et al. (2010) who reported the oxygen permeability value of PP cap and PET bottle at 22 °C as 2.487×10-16 and 2.758×1017 mol m-1 s-1 Pa-1, respectively.
170
Comparison between the simulated and experimental results showed high accuracy of prediction of the oxygen concentrations in both the headspace and water regions at any storage temperatures. The simulated results indicated that the transported oxygen through the PP cap was higher than that through the PET body, although the former has a much smaller surface area. When increasing the storage temperature from 35°C to 55°C, the percentage of transported oxygen through the PP cap into the headspace region as compared with that through PET increased from 52% to 68%. 6 Acknowledgements The authors express their sincere appreciation to the Thailand Research Fund (TRF, Grant number RTA5880009) as well as the Food and Drug Administration of Thailand for supporting the study financially. The authors are also grateful to T.C. Pharmaceutical Industries Co., Ltd., for its support with the production of bottled water as well as for allowing the use of some laboratory facilities.
Figure 5 Experimental and predicted oxygen concentrations in headspace region at (a) 35°C; (b) 45°C and (c) 55°C when using fitted oxygen permeability values Table 2 Simulated increase of oxygen concentration through different routes Storage temperature (°C) 35 45 55
Percentage of O2 increase Through PET 47 32 32
Through PP cap 52 68 68
5 Conclusion A mathematical model was developed to predict the oxygen transport through a PET bottle and its cap.
7 References Adoua, R., Mietton-Peuchot, M., & Milisic, V. 2010. Modeling of oxygen transfer in wines. Chemical Engineering Science 65, 5455-5463. Ahrne, L.M., Oliveira, F.A.R., Manso, M.C., Drumond, M.C., Oste, R., & Gekas, V. 1997. Modelling of dissolved oxygen concentration during storage of package liquid foods. Journal of Food Engineering 34, 213-224. Bacigalupi, C., Lemaistre, M.H., Boutroy, N., Bunel, C., Peyron, S., Guillard, V., & Chalier, P. 2013. Changes in nutritional and sensory properties of orange juice packed in PET bottles: An experimental and modelling approach. Food Chemistry 141, 3827-3836. Brown, T.L., LeMay, H.E., Bursten, B.E., Murphy, C., Woodward, P., & Stolzfus, M.E. 2005. Chemistry: The central science. (10th ed.). New York: Pearson Education. Denny, M. 1993. Air and water: The biology and physics of life’s media, Princeton: Princeton University Press. Izagirre, O., Bermejo, M., Pozo, J., & Elosegi, A. 2007. Rivermet: An Excel-based tool to calculate river
171
metabolism from diel oxygen-concentration curves. Environmental Modelling and Software 22, 24-32. Moyssiadia, T., Badeka, A., Kondyli, E., Vakirtzi, T., Savvaidis, I., & Kontominas, M.G. 2004. Effect of light transmittance and oxygen permeability of various packaging materials on keeping quality of low fat pasteurized milk: Chemical and sensorial aspects. International Dairy Journal 14, 429-436. Profaizer, M. 2006. Shelf life of PET bottles estimated via a finite elements method simulation of carbon dioxide and oxygen permeability. Proceedings of the shelf life international meeting, pp. 1-6. Valdisotto, Italy. Schmid, M., Mßller, K., Sängerlaub, S., Huber, C., & Fritsch, K. 2012. Temperature-dependent oxygen permeation through PET/MXD6-barrier blend bottles with and without oxygen absorber. Proceedings of the 5th International Symposium on Food Packaging, pp. 161-167. Berlin, Germany. Van Bree, I., Meulenaer, B.D., Samapundo, S., Vermeulen, A., Ragaert, P., Maes, K.C., Baets, B.D., & Devlieghere, F. 2010. Predicting the headspace oxygen level due to oxygen permeation across multilayer polymer packaging materials: A practical software simulation tool. Innovative Food Science and Emerging Technologies 11, 511-519. Winkler, L.W. 1888. The determination of dissolved oxygen in water. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 21, 2843-2846. Yuniarto, K., Welt, B.A., Purwanto, A., Purwadaria, H.K., Abdellatief, A., Purwanto, Y.A., Sunarti, T.C., & Purwanto, S. 2014. Effect of plasticizer on oxygen permeability of cast polylactic acid (PLA) films determined using dynamic accumulation method. Journal of Applied Packaging Research 5, 51-55.
172
PHF-25
Use of Non-Static Drying Procedures to Reduce Non-Uniform Deformation of a Solid Food and Its Monitoring via Image-Based Parameters Maturada Jinorose1*, Nattawut Sukkapat1, Benjaporn Tangnobnom1, Pakorn Onsumlee1, Pongsatorn Thongnuch1, Sakamon Devahastin2 1
Department of Food Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkutâ&#x20AC;&#x2122;s Institute of Technology Ladkrabang, 1 Soi Chalongkrung 1, Ladkrabang, Bangkok 10520, Thailand. 2 Advanced Food Processing Research Laboratory, Department of Food Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkutâ&#x20AC;&#x2122;s University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Bangkok 10140, Thailand. Corresponding author: Maturada Jinorose. E-mail: maturada.ji@kmitl.ac.th
Abstract Deformation is among the most important changes a solid food experiences during drying. This change usually results from the loss of moisture from the food matrix. As the rates of moisture loss at different locations within a sample are not equal, uniform deformation rarely takes place; a more extensive deformation indeed occurs at a position that experiences more rapid drying. To reduce non-uniform deformation, moisture gradientinduced stress must somehow be relaxed. Flipping or rotating a food sample during drying to allow all surfaces to experience similar time-averaged drying condition was proposed to help relax the stress and hence the nonuniform deformation. The capability of such techniques were investigated and the resulting deformation behavior was monitored through the use of selected image-based parameters, namely, normalized changes of the projected area and fractal dimension of the sample images as well as the rectangularity. Agar cubes were used as a test material and allowed to undergo hot air drying at 50°C. The results showed that flipping the cubes led to less non-uniform deformation. Normalized change of the fractal dimension was noted to be the most suitable parameter to describe non-uniform deformation of the agar cubes. Keywords: Image analysis, Moisture gradients, Non-static drying, Agar, Shrinkage, Stress
1 Introduction It is well recognized that food suffers both physical and chemical changes during drying, due mainly to the applied heat and moisture removal (Sokhansanj and Jayas, 2006). These changes are most of the time undesirable and may adversely affect the consumer acceptance of the products, especially when the changes involve such apparent characteristics of food as color, shape and size (Jinorose et al, 2009). Deformation is among the most important changes a solid food experiences during drying. The change usually results from the loss of moisture from the food matrix. Deformation may be uniform if the rates of moisture loss at different locations within the matrix are equal. Unfortunately, uniform deformation rarely takes place as such rates are usually not equal (Aguilera and Stanley, 1999). A more extensive deformation occurs at a position
that experiences more rapid drying. To reduce nonuniform deformation, moisture gradients and indeed moisture gradient-induced stress must somehow be relaxed. Flipping or rotating a food sample during drying to allow all surfaces to experience similar time-averaged drying condition may be an alternative to help relax the moisture gradients and thus reduce the non-uniform deformation. This reduction could be possible as a particular surface experiencing higher level of heat and hence higher rate of moisture removal is being refreshed after a drying interval has elapsed. Since traditional methods that have been used to monitor deformation, including liquid displacement method, which results in the volumetric shrinkage data, cannot be effectively used to monitor non-uniform deformation, which does not involve only the change of volume but also change of shape (Devahastin et al.,
173
2004; Panyawong and Devahastin, 2007), an alternative Sampling was made at every 1 h to measure the evaluation or at least a monitoring method is required. moisture content as well as for image acquisition. Image analysis is a potential method for tackling such a limitation of the traditional evaluation and/or monitoring methods. It is necessary, however, to first determine which image-based parameters have an adequate capability to undertake the required task. In this study, investigation of the capability of selected non-static drying procedures, namely, flipping and rotating a solid food sample, on moisture gradient (a) Flipping directions (or moisture gradient-induced stress) relaxation and subsequent reduction of non-uniform deformation was performed. Selected image-based indicators were also tested to determine whether they can be used to monitor the non-uniform deformation behavior of a solid (b) Rotation directions food sample undergoing different drying procedures. Figure 1 Flipping and rotation directions of a sample 2 Materials and Methods during non-static drying. 2.1 Agar gel preparation 2.3 Image acquisition Agar (3 % w/w) was soaked in distilled water at room Images were captured in a self-made image temperature (25°C ± 2°C) for 1 h. The mixture was heated acquisition set-up (Figure 2) consisting of a 31x31x28-cm using a water-bath at 95°C. After stirring the mixture in the light box, 6500-K light source (Fluorescent lamp, Philips, water bath for 1 h, the mixture was poured into a TL-E Super 80, Thailand) and CCD digital camera silicone mold to form the cubes (1.9x 1.9x1.9 cm). The (Samsung Digimax NV3, Korea), which was placed at the cubes were removed from the mold after 40 min; the top of the box. A sample was placed on a platform, cubes were kept at 4±1°C for 12 h prior to being used. which is located 15 cm from the base of the box on a 2.2 Drying experiments black background. Acquired images were transferred to a A convective hot air tray dryer (Kluay Nam Thai PC for further analysis by our own image acquisition Trading Group Co., Ltd., Bangkok, Thailand) was used for algorithms. the drying experiments. Drying was conduced at a drying air temperature of 50°C and an air velocity of 1±0.1 m/s until the moisture content of a sample was lower than 20 % (d.b.). Different modes of drying were assessed, namely, static drying as well as non-static drying where a sample was flipped or rotated during drying. In the case of nonstatic drying, flipping and rotation of a sample was made at every 30-min interval. In the case of flipping, a sample was flipped at every 30 min in the directions shown in Figure 2 Image acquisition system. (1) CCD camera; (2) Figure 1(a). In the case of rotation, a sample was rotated circular fluorescent lamp; (3) sample; (4) light box; (5) platform with black background; (6) clockwise, as show in Figure 1(b), at every 30 min. USB cable; and (7) PC. 174
2.4 Image analysis All image analysis algorithms were developed on MATLAB® 2012b (Mathworks, Inc., Natick, MA). Each image was first cropped to 700x700 pixel (without any change of the dimension and color depth). Segmentation was performed using Otsu’s thresholding algorithm (Otsu, 1979) in combination with the ‘greythresh’ function of MATLAB to convert an RGB image to a binary image. Projected area, perimeter, major axis, minor axis and equivalent diameter of a sample were extracted using ‘regionprops’ function. Fractal dimension of a sample image was calculated using the box counting method (Jinorose et al., 2014). Rectangularity (RTY) was calculated as described by Igathinathane et al. (2008) using the following equation: (1)
placed on a balance (Shimadzu, UX3200G, Japan). A sample was then submerged into the liquid. The sample volume was calculated as: (3) where V is the volume of the sample (cm3), F is the buoyancy force (shown as weight change in g), ρ is density of working liquid. 3 Results and Discussion 3.1 Deformation description feasibility of imagebased parameters Prior to drying agar cubes suffered no deformation as shown in Figure 3(a). Upon drying, as expected, the cubes started to deform. After 8 h of drying at 50°C, the cubes suffered extensive deformation as can be seen in Figure 3(b); deformation was obviously non uniform and the cubes became very distorted.
where Aef is the area of the smallest ellipse that can cover the rectangular object of interest (pixels), a is the major axis of the ellipse (pixels), b is the minor axis of the ellipse (pixels), Hb is the height of the bounding rectangle (pixels) and Wb is the width of the bounding rectangle (pixels). 2.5 Moisture content determination A sample was dried in a hot air oven (Memmert, UM500, Germany) at 105±2°C until its mass was constant according to AOAC Method 984.25 (AOAC, 2000). Before Figure 3 Deformation of agar cubes after drying for 8 h. (a) Before drying; (b) after drying and after drying, the sample was weighed using a 4-digit To determine which image-based parameters would digital balance (Yamato Electronic Balance, HB-120, Japan). The moisture content of the sample was be capable of monitoring non-uniform deformation, only the results of the static drying experiments were first calculated from: assessed. The evolutions of the image-based parameters, (2) namely, projected area, perimeter, major axis, minor axis, where mi and mbd are the masses of the sample before equivalent diameter, Feret’s diameter, fractal dimension drying and after drying (bone-dry mass of the sample), and rectangularity are shown in Figure 4. In the present respectively. case, agar cubes first suffered uniform deformation 2.6 Volume determination before it started to deform non-uniformly. This implies Volume of the sample was calculated using liquid that if any image-based parameters are to be capable of displacement method with petroleum ether as the monitoring the change of shape (which is more relevant working liquid as per the method described by Sahin and to the non-uniform deformation) and not the change of Sumnu (2006). A beaker with petroleum ether was size (which is more relevant to the uniform deformation), 175
such parameters should remain more or less unchanged during the initial non-uniform deformation period. As can be seen in Figure 4, the normalized changes of all image-based parameters, except for fractal dimension and rectangularity, during the static drying experiments decreased until the X/X0 had reached around 0.05 (which corresponds to the drying time of around 5 h as depicted in the drying curve (static drying case) shown in Figure 5. This means that only fractal dimension and rectangularity exhibit potential for monitoring the non-uniform Figure 5 Drying curves of agar cubes undergoing deformation of agar cubes in our subsequent work. Note different drying schemes. that the projected area, major and minor axes, perimeter and Feretâ&#x20AC;&#x2122;s diameter are all the parameters that mainly describe the dimension and size; on the other hand, fractal dimension and rectangularity are the parameters that have been widely used to describe the shape (Igathinathane et al., 2008; Jinorose et al. 2014; Kerdpiboon et al., 2007; Stienkijumpai et al. 2016). When the changes of the image-based parameters are plotted against the volumetric shrinkage as shown in Figure. 6, it is seen that the size-related parameters changed almost linearly with the shrinkage during the Figure 6 Normalized changes of image-based parameters as a function of volumetric shrinkage of uniform deformation period, while the shape-related agar cubes during static drying. Value = Value parameters remained almost unchanged. The shapeof parameter of interest; 0 = initial value Value related parameters started to experience some changes = Value of parameter of interest; 0 = initial value. only after the sample started to deform non-uniformly, which took place after drying for 5 h (corresponded to 3.2 Effect of non-static drying on deformation behavior of agar gel the â&#x2C6;&#x2020;V/V0 value above 0.9 as seen in Figure 6 During drying it was observed that the apparent characteristics of a sample as viewed from different sides were different. This is most probably because different sides of the sample were differently exposed to the drying air and hence exhibited different rates of moisture loss (and moisture gradient-induced stress), leading as a consequence to different patterns of deformation as can be seen in Figure 7. The effects of flipping and rotating a sample were determined and the results were compared with that obtained by static drying (i.e., drying with no Figure 4 Normalized changes of image-based sample flipping or rotation). parameters as a function of moisture ratio of Figure 5 shows the drying curves of a sample agar cubes during static drying. Value = Value undergoing drying of various schemes. During the first of parameter of interest; 0 = initial value. 176
5 h the moisture content rapidly decreased; afterwards, the moisture content decreased more slowly towards the equilibrium values. Flipping or rotating did not significantly result in accelerated drying. When considering the deformation of the sample, on the other hand, flipping resulted in the least deformation. The sample undergoing static drying suffered more deformation, as expected (see Figure. 7a and 7b). This is because flipping helped exposing all faces of the sample to heat in a more uniform fashion. Initially, a particular surface of the sample might have exposed to a higher level of heat; moisture removal from that sample surface would then be higher, leading to higher moisture gradient-induced stress. By flipping the sample, a surface with extensive exposure to the heat would be switched. The generated moisture gradient-induced stress would then be relaxed. As the stress was continuously relaxed throughout the whole drying process, less stress was accumulated and hence the lower level of deformation. It is surprising to note, however, that rotating the sample led to a higher level of deformation than static drying. This is because static drying involved no movement of the sample, leading to the sample adhering to the drying tray. Such an adherence resulted in the sample being able to withstand the change of shape as the bottom part of the sample stuck to the tray and retarded the change of the sample shape (Figure 7c).
initial period of drying (moisture ratio of higher than around 0.5), the differences in the fractal dimension changes were not significant among the different samples; the rates of change were almost linear with the change of the moisture ratio. Beyond this initial period, however, the changes of the fractal dimension of the different samples started to be different. The sample undergoing flipping experienced a rather constant rate of change of the fractal dimension, while the samples undergoing static drying as well as rotation experienced non-constant rate of changes of the fractal dimension. The samples undergoing rotation suffered the most obvious change of the fractal dimension, which implies that such a sample suffered the most extensive nonuniform deformation. This illustrates that the normalized change of the fractal dimension could be used to monitor non-uniform deformation.
Figure 8 Normalized changes of fractal dimension as a function of moisture ratio of agar cubes undergoing different drying schemes at 50°C.
Figure 7 Deformation of agar cubes after drying at 50°C for 8 h. (a) Static drying; (b) drying with flipping and (c) drying with rotation. When considering the normalized changes of the Figure 9 Normalized changes of rectangularity as a function of moisture ratio of agar cubes fractal dimension (Figure 8), it is seen that the changes of undergoing different drying schemes at 50°C. the fractal dimension of the different samples undergoing Figure 9 shows the normalized changes of the different drying schemes were quite dissimilar, especially rectangularity of the samples undergoing different drying during the latter part of the drying process. During an schemes. The changes of the rectangularity could also be 177
used to monitor the non-uniform deformation but only when such a deformation was extensive, i.e., toward the end of the drying process. In addition, the changes of this parameter could not be used to well distinguish the different deformation patterns. Just for comparison, the normalized changes of the projected area of the different samples are depicted in Fig. 10. It is seen that such a change could not be used to distinguish the different samples undergoing different drying schemes. This is because the different drying schemes did not differently affect the sample perimeter, which is the determining factor influencing the projected area. This phenomenon was noted despite the fact that the deformation patterns as observed visually were quite different. This implies that the projected area is not an adequate parameter to describe non-uniform deformation, which took place in the present case.
5 Acknowledgements The authors express their sincere appreciation to the Thailand Reserch Fund (TRF; Grant No. TRG 5880109) for supporting the study financially through its New Researcher Grant awarded to Author Jinorose.
6 References Aguilera, J.M. and Stanley, D.W. 1999. Microstructural Principles of Food Processing and Engineering (2nd ed.). Gaithersburg, MD: Aspen Publication. AOAC. 2000. Official Methods of Analysis (17th ed.). Gaithersburg. MD: Association of Official Analytical Chemists. Devahastin, S., Suvarnakata, P., Soponronnarit, S., Mujumdar, A.S. 2004. A comparative study of lowpressure superheated steam and vacuum drying of a heat sensitive materials. Drying Technology 22(8), 1845-1867. Igathinathane, C., Pordesimo, L.O., Columbus, E.P., Batchelor, W.D., Methuku, S.R. 2008. Shape identification and particles size distribution from basic shape parameters using ImageJ. Computer and Electronics in Agriculture 63, 168-182. Jinorose, M., Devahastin, S., Blacher, S., LÊonard, A. 2009. Apllication of image analysis in food drying. In: Ratti, C. (Ed.), Advances in Food Dehydration (pp. 63-95). Boca Figure 10 Normalized changes of projected area as a function of moisture ratio of agar cubes Rota: CRC Press. undergoing different drying schemes at 50°C. Jinorose, M., Prachayawarakorn, S., Soponronnarit, S. 2014. A novel image-analysis based approach to 4 Conclusions evaluate some physicochemical and cooking In this study, attempts were made to identify properties of rice kernels. Journal of Food Engineering appropriate image-based parameters that can be used to 124, 184-190. monitor non-unform deformation of a solid food (agar cubes). Three modes of drying, including static drying as Kerdpiboon, S., Devahastin, S., Kerr, W.L. 2007. Comparative fractal characterization of physical well as drying with flipping and with rotation of a sample changes of different food products during drying. during the whole course of drying, were also assessed as Journal of Food Engineering 83, 570-580. a means to reduce non-uniform deformation. Normalized changes of fractal dimension of the sample images were Otsu, N. 1979. A thresholding selection method from gray-level. IEEE Transactions on System, Man and noted to be able to monitor non-uniform deformation of Cybernetics SMC-9. 62-66. the agar cubes. Flipping the cubes throughout the course of drying led to the samples with less non-uniform Panyawong, S., Devahastin, S. 2007. Determination of deformation of a food product undergoing different deformation. 178
drying methods and conditions via evolution of a shape factor. Journal of Food Engineering 78(1), 151161. Sahin, S., Sumnu, S.G. 2006. Physical Properties of Foods. New York: Springer Publishing. Sokhansanj, S., Jayas, D.S. 2006. Drying of foodstuffs. In: Mujumdar, A.S. (Ed), Handbook of Industrial Drying (3rd ed.) (pp. 522â&#x20AC;&#x201C;546). Boca Rota: CRC Press. Stienkijumpai, A., Jinorose, M., Devahastin, S. 2016. Quantification of non-uniform deformation of shrinkable materials during drying via digital image analysis. In: Proceedings of the 20th International Drying Symposium (IDS 2016), D-6-5. 7-10 August 2016, Gifu, Japan.
179
PHF-26
Development of composite fruit and vegetable-based wafer as a novel healthy snack Varunee Khongdeesamers, Luxsika Ngamwonglumlert*, Sakamon Devahastin and Naphaporn Chiewchan
Advanced Food Processing Research Laboratory, Department of Food Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Tungkru, Bangkok 10140, Thailand. Corresponding author: Luxsika Ngamwonglumlert. E-mail: solu_ping@hotmail.com
Abstract Composite fruit- and vegetable-based wafer is proposed as a novel healthy snack. Two papaya leathers and one layer of ivy gourd wafer were combined in a sandwich-like fashion to produce a wafer. Maltodextrin and glycerine were used to enhance the properties of papaya leathers, while egg albumin and sucrose were added to modify the texture and improve the taste of the ivy gourd wafer. Composite wafer was prepared by drying at 60 °C to a water activity of 0.4±0.01. Increased maltodextrin content increased the hardness, adhesiveness, cohesiveness and chewiness of papaya leathers, while increased glycerine content decreased their water activity. Higher egg albumin content lowered the moisture content of ivy gourd wafer, while higher sucrose content increased its water activity and lightness, greenness and yellowness values. Formulation comprising papaya puree: maltodextrin: glycerine and ivy gourd wafer: egg albumin: sucrose of (80:5:15): (90:10:0) yielded a composite wafer of the highest quality. Keywords: Additives, Composite wafer, Fruits and vegetables, Healthy snack, Hot air drying, Physical properties
1 Introduction Worldwide snack consumption has steadily increased with the annual growth rate of about 2% (Nielsen, 2014). Nevertheless, it is well recognized that consumption of snacks adversely affects consumer’s health since most available snacks (e.g., potato chips and other fried and extruded snacks) are high in fat and are usually produced from starch-based ingredients, which in turn lead to excessive calorie intake. Healthy snacks are therefore of interest, especially among health-conscious consumers. Unfortunately, not many varieties of healthy snacks are so far available in the market. To fulfill the fast-changing need of consumers, especially younger consumers, a novel healthy snack consisting of fruit leathers and vegetable wafer is proposed in this work. Two papaya leathers and one layer of ivy gourd wafer are combined in a sandwich-like fashion to produce a composite wafer. Since fruit leathers that are available in the market contains large amounts of sugars, pectin and cellulosic substances, their surface are rather sticky (Kingsly et al., 2007; Torley et al., 2008), and may be inappropriate for use as is as the outer layers of a composite wafer.
Selected additives were then tested to modify the properties of the papaya leathers. Maltodextrin, which normally acts as a thickening agent and stabilizer (Gabas et al., 2007; Novel, 2005), was reported to reduce the stickiness and increase the stability of fruit leathers during storage. Valenzuela and Aguilera (2015a) and Valenzuela and Aguilera (2015b), for example, studied the addition of maltodextrin into fruit leathers produced from apple puree. The results showed that maltodextrin helped increase the glass transition temperature and decrease the stickiness of the product. However, addition of maltodextrin caused an increase in the hardness of the product. Appropriate maltodextrin content that should be added into the papaya leathers must therefore be investigated. An ability to control the water activity of the leathers is required to prevent moisture migration from the leathers to the vegetable wafer in order to avoid the sogginess of the latter. Use of glycerine, which is a humectant that can help decrease the product water activity (Jungermann, 1991; Sloan et al., 1997), as another additive in the papaya leathers was therefore attempted. Gusman and Hegarty (2000) indeed reported that
180
glycerine could reduce the moisture content as well as water activity of dried raisins. Karimi et al. (2013) later investigated the effect of different humectants (sorbitol, glycerine, propylene glycol and polysorbate 60) on the characteristics of dough and flat bread and found that the products added with glycerine had a lower water activity than those added with the other tested humectants. For the ivy gourd wafer, the use of flour was avoided in order not to add much calorie to the composite wafer. No addition of flour nevertheless resulted in the ivy gourd wafer not puffed. To aid puffing and hence improve the texture, in particular the crispness, of the ivy gourd wafer, addition of egg albumin was attempted. Several investigators have indeed reported the use of egg albumin as a puffing (or foaming) agent to improve the texture of a variety of fruit- and vegetable-based wafers. Thuwapanichayanan et al. (2008), for example, investigated the effect of egg albumin on the texture of banana foams. It was noted that increased egg albumin content resulted in an increase in the degree of puffing of the banana foams. However, use of egg albumin in a vegetable wafer without flour has never been investigated. In this work, a novel healthy snack consisting of fruit leathers as outer layers and a vegetable wafer without flour as an inner layer is proposed. Fruit leathers were prepared from papaya since it contains high vitamin C, folate, fiber, vitamin A and minerals (i.e., magnesium, potassium, copper) and is also a widely available fruit in the tropical region, including Thailand. Vegetable wafer was, on the other hand, produced from ivy gourd, which is a highly nutritious and inexpensively available vegetable. The effects of maltodextrin and glycerine addition to the papaya leathers as well egg albumin addition to the ivy gourd wafer on selected properties of each portion as well as of the composite wafer were investigated.
2 Materials and Methods 2.1 Materials and ingredients Fresh papaya (Carica papaya L., cv. Holland) and Ivy gourd leaves (Coccinia grandis Voigt) were obtained from a local market and kept at 4 °C until the time of an experiment. Maltodextrin (DE 10-12), glycerine and egg albumin were purchased from Thai Food and Chemical Co., Ltd. (Bangkok, Thailand). Salt, sucrose and citric acid were purchased from a local market. 2.2 Production of papaya leathers, ivy gourd wafer and composite wafer Both papaya leathers and ivy gourd wafer were at first independently produced to assess which formulation would yield the final product that had the best possible properties and quality (i.e., water activity, moisture content, color and texture). Only the formulations that gave both fruit leathers and wafer with water activity equal to 0.4 were selected to later produce the composite wafer. Note that the water activities of papaya leathers and ivy gourd wafer after drying need to be the same in order to avoid moisture migration between the two portions. If the water activity was higher than 0.4, ivy gourd wafer would not be crispy. 2.2.1 Papaya leathers (outside layer) A papaya was peeled, seeded and cut into small pieces. Papaya puree was prepared from the fresh papaya using a blender (Mara, KF 1692, Bangkok, Thailand) at 2000 rpm for 4 min. The puree was filtered through a cheese cloth; the total soluble solids content was maintained at about 12° Brix. The puree was mixed with maltodextrin and glycerine at different ratio as shown in Table 1. Table 1 Composition of papaya leathers of each formulation Formulation (i) (ii) (iii)
Concentration (% w/w) Papaya puree Maltodextrin Glycerine 80 5 15 80 10 10 80 15 5
Note that the percentage of both maltodextrin and glycerine in each formulation was varied based on the 181
preliminary results. When the percentage of maltodextrin was higher than 15% (w/w), the texture of papaya leathers after drying was too hard. In contrast, when the percentage of maltodextrin was lower than 5% (w/w), no effect of maltodextrin was observed. For glycerine, when the percentage of glycerine was higher than 15% (w/w), the surfaces of papaya leathers after drying were too sticky. In contrast, when the percentage of glycerine was lower than 5% (w/w), no effect of glycerine was observed. After mixing the above-mentioned ingredients, the mixture was added with salt (0.3% w/w) and citric acid (0.3% w/w). Salt and citric acid were added to adjust the taste of the puree to satisfy the need of consumers; the selection of both the salt and citric acid concentrations was based on the preliminary sensory test on 10 untrained panelists. The whole mixture content was stirred at 90 °C for 2 min in a stainless steel pot. The mixture was eventually poured into a rectangular mold (dimensions 13×13×8 mm) made of stainless steel. The rectangular sample was then placed on a baking paper and dried by hot air oven (Memmert, ULM600II, Schwabach, Germany) at 60 °C. The water activity of the final product was measured using a water activity meter (Novasina, LabMaster-aw, Lachen, Switzerland) at 25 °C and moisture content was gravimetrically determined at 70 °C at a vacuum pressure of 900 mbar for 24 h. The color (in terms of L*, a*, b*) and texture of the dried samples were also evaluated. 2.2.2 Ivy gourd wafer (inside layer) Ivy gourd leaves were washed under running tap water and blanched in hot water for 1 min. After blanching, the leaves were immediately cooled in melting ice-water for 5 min and drained on a screen for 2 min to remove excess water. The leaves were blended using the blender at 2,000 rpm for 4 min to obtain the chopped leaves with the particle size in the range of 1.52.5 mm before mixing with egg albumin at different ratios. Sucrose was added to increase the sweetness of ivy gourd wafer. The compositions of ivy gourd wafer are as shown in Table 2.
Table 2 Composition of ivy gourd wafer of each formulation Formulation (a) (b) (c)
Concentration (% w/w) Ivy gourd puree Egg albumin Sucrose 90 10 0 90 8 2 90 5 5
The content of ivy gourd puree was fixed at 90% (w/w), while the percentage of egg albumin and sucrose was varied based on the preliminary results. When egg albumin was added at more than 10% (w/w), the foaming ability of egg albumin no longer increased. On the other hand, when the percentage of egg albumin was lower than 5% (w/w), the foaming .ability of eggalbumin was negligible. For sucrose, the concentration of sucrose was varied in the range of 0 to 5% (w/w). When the percentage of sucrose was higher than 5% (w/w), the taste of ivy gourd wafer after drying was too sweet. The whole content was mixed for 20 min in a mixer (KitchenAid, 5K5SS, Benton Harbor, MI). The mixture was eventually poured into a rectangular mold (dimensions 13×13×12 mm) made of stainless steel. The rectangular mixture was placed on a baking paper and dried by hot air oven at 60 °C. The water activity and moisture content of the final product were measured. The color (in terms of L*, a*, b*) and texture of the wafer were also evaluated. 2.2.3 Composite wafer After producing papaya leathers and ivy gourd wafer, the potential formulations that yielded good properties were selected to produce a composite wafer. The potential formulations were firstly selected by using water activity as an indicator since water activity value is the main factor affecting the texture of a composite wafer. As mentioned earlier, water activities of both papaya leathers and ivy gourd wafer should be around 0.4. To produce a composite wafer, the mixture of papaya puree, maltodextrin and glycerine was poured into a rectangular mold before pre-drying by hot air oven at 60 °C until the moisture content of papaya leathers reached around 12% (d.b.). In the meantime, ivy gourd puree was
182
mixed with egg albumin and sucrose and the mixture poured into a rectangular mold. Pre-dried leather and a piece of ivy gourd puree were combined to form a composite wafer by placing a piece of ivy gourd puree between two sheets of pre-dried papaya leathers. The composite wafer was later dried at 60 °C until its water activity reached around 0.4. The water activity and moisture content of the composite wafer (final product) were measured; the texture of the composite wafer was also assessed. A composite wafer cannot be produced from dried papaya leathers and dried ivy gourd wafer since it was not possible to adhere dried leathers to a dried wafer. Thus, papaya leathers and ivy gourd wafer cannot be independently prepared in practice. 2.3 Color determination The color of dried papaya leathers and ivy gourd wafer was measured using a spectrophotometer (HunterLab, ColorQuest XE, Reston, VA). The color parameters, namely, L* (lightness/darkness), a* (redness/greenness) and b* (yellowness/blueness) were measured. The measuring head was equipped with a large viewer (1 inch in diameter); diffuse illumination with 10° viewing geometry was used along with a D65 light source. A color measurement was performed at five positions of a sample and the average value is reported. 2.4 Texture analysis Texture analysis was carried out using a texture analyzer (TA.XT.Plus, Stable Micro System, Surrey, UK). The texture of papaya leathers was evaluated according to the method of Huang and Hsieh (2005). Texture profile analysis (TPA), which simulates two bites of a sample, was performed; TPA was used to evaluate the texture of papaya leathers because the hardness, adhesiveness, cohesiveness, chewiness and springiness affect the texture of papaya leathers. A cylindrical probe with a diameter of 50 mm was used for the TPA at a test speed of 0.5 mm/s; each compression was made to 50% of an original sample thickness. The texture of an ivy gourd wafer was evaluated according to the method of Bourne (2002). A
compression test was used to determine the texture of ivy gourd wafer because the hardness and crispness mostly influence the texture of a wafer. Compression test was performed using a 5-mm spherical probe. A sample was placed on a hollow plate base. The probe was then set to travel at a constant speed of 2 mm/s until the sample was cracked. The hardness of the wafer was determined by measuring the maximum force needed to break the sample, while the crispness was determined by the number of peaks in a forcedeformation curve at the threshold force value of 10 g force. Texture analysis was performed in duplicate on each sample. 2.5 Statistical analysis The data were analyzed and are presented as mean values with standard deviations. The differences among mean values were established using the Tukey’s pairwise comparison test at a confidence level of 95%. Experimental data were subject to the analysis of variance (ANOVA), which was conducted to determine the effects of maltodextrin and glycerine in the papaya leathers and the effects of egg albumin and sucrose in the ivy gourd wafer on the water activity, moisture content, color and texture of the samples. Minitab® version 15.1.0.0 was used to perform all the statistical calculations. 3 Results and discussion 3.1 Papaya leathers 3.1.1 Drying of papaya leathers Maltodextrin and glycerine, which were added into papaya puree, affected the drying time and water activities as well as moisture contents of the mixture of papaya puree (before drying) and dried leathers. The results showed that water activity and moisture content of the mixture decreased with increasing glycerine content. The mixture obtained from formulation (i), which contained the highest glycerine content, had the lowest water activity and moisture content (0.92±0.01 and 167.13±0.71% d.b., respectively), while the mixture obtained from formulation (iii), which contained the
183
lowest glycerine content, had the highest water activity and moisture content (0.98±0.01 and 192.99±0.85% d.b., respectively). These may be due to the role of glycerine as a humectant. Since the water activity and moisture content of the mixture of formulation (i) were the lowest, it required shorter drying time than those of formulations (ii) and (iii). Time to dry the mixture to the desired water activity (about 0.4) was 360, 480 and 570 mins for formulations (i), (ii) and (iii), respectively. Dried papaya leathers produced from formulations (i), (ii) and (iii) had the water activities of 0.39±0.01, 0.40±0.01 and 0.43±0.01, respectively. Their values corresponded to the moisture contents of 11.90±0.46% (d.b.), 12.14±0.05%
(d.b.) and 13.36±0.13% (d.b.), respectively. The mixture that contained higher maltodextrin content (formulations (ii) and (iii)) required longer drying time than that contained lower maltodextrin content (formulation (i)). Addition of maltodextrin caused an increase in the hardness and cohesiveness of the mixture and these might be barrier of water diffusion from inside to surface of a sample, leading to decreased drying rate and longer drying time. 3.1.2 Texture of papaya leathers The texture of dried papaya leathers is reported in terms of the hardness, adhesiveness, cohesiveness, springiness and chewiness as listed in Table 3.
Table 3 Textural characteristics of papaya leathers Adhesiveness Hardness Cohesiveness Springiness (-) (mm) (N) (Nmm) c a b (i) 62.51±1.65 6.60±0.26 0.87±0.01 0.93±0.01a b b ab (ii) 89.32±2.16 17.42±3.35 0.91±0.01 0.95±0.00a (iii) 145.59±9.46a 20.26±1.77b 0.94±0.01a 0.88±0.04a Different superscripts in the same column indicate that the values are significantly different (p ≤ 0.05) Formulation
The hardness of formulation (i) was lower than those of other formulations; the hardness of formulation (iii) was the highest, possibly due to the effect of maltodextrin that solidified the structure of the leathers. Adhesiveness of formulation (i) was lower than those of other formulations because of the hygroscopic properties of glycerine, which led to the decrease in the stickiness of the product. When it comes to the results of cohesiveness and chewiness, formulation (iii) exhibited the highest values of these textural characteristics because maltodextrin became harder after drying, which in turn affected the cohesiveness and chewiness. The springiness was, on the other hand, lower because when the maltodextrin content increased, the product became harder and hence less flexible. The cohesiveness of formulation (i) was the lowest, again because of the hygroscopic properties of glycerine, which resulted in the leathers holding more water and hence the decreased cohesiveness.
Chewiness (Nmm) 50.64±2.87b 76.73±2.72b 121.00±11.46a
3.1.3 Color of papaya leathers The color parameters (L*, a* and b*) were determined in order to evaluate the color of papaya leathers after partial drying. The results showed that the lightness (L*) of formulation (i) was slightly higher than those of other formulations. The yellowness (b*) of formulation (i) was also slightly higher than those of formulations (ii) and (iii). Statistically speaking, however, the lightness and yellowness of papaya leathers of different formulations were not significantly different. In contrast, the redness (a*) of formulations (i), (ii), and (iii) varied with the drying time, which was related to the maltodextrin content. When the maltodextrin content increased, the drying time was longer, which decreased the lightness, redness and yellowness. On the other hand, when the glycerine content increased, the redness increased due to the shorter required drying time and hence a better maintenance of the red papaya color. At the end, formulations (i) and (ii) were selected as mentioned earlier because the leathers of these
184
formulations were not hard and exhibited good color. Their water activities were also not higher than 0.4.
decreased the hardness but increased the crispness of the wafer.
Table 4 Color of papaya leathers
Table 5 Textural characteristics of ivy gourd wafer
Color parameter Formulation L* a* b* (i) 37.40±0.03a 29.63±0.25a 18.24±0.64a (ii) 36.42±0.10a 27.98±1.10b 17.89±0.03a (iii) 36.42±0.10a 26.06±0.11c 17.71±0.11a Different superscripts in the same column indicate that the values are significantly different (p ≤ 0.05)
Hardness Crispness (N) (Number of peaks) (a) 0.59±0.31b 4±1a b (b) 1.12±0.06 4±1a (c) 2.76±0.03a 2±1a Different superscripts in the same column indicate that the values are significantly different (p ≤ 0.05)
3.2 Ivy gourd wafer 3.2.1 Drying of ivy gourd wafer Sucrose content was the main factor affecting the drying time and water activity as well as moisture content of dried ivy gourd wafer. The results showed that the drying time of formulation (c) was much longer than that of formulations (a) and (b) due to the higher sucrose content of formulation (c). Upon drying sucrose crystallized on the ivy gourd wafer surface and retarded the movement of water from within the wafer structure (Rahman, 2012), leading to the reduced drying rate. The time needed to dry the mixture of ivy gourd puree was 160, 170 and 180 min for formulations (a), (b) and (c), respectively. Water activities of dried ivy gourd puree were 0.39±0.01, 0.39±0.01 and 0.41±0.01 for formulations (a), (b) and (c), respectively. Their values corresponded to the moisture contents of 7.00±0.05% (d.b.), 7.54±0.09% (d.b.) and 7.67±0.09% (d.b.), respectively. 3.2.2 Texture of ivy gourd wafer The texture of ivy gourd wafer is reported in terms of the hardness and crispness as shown in Table 5. The results showed that the hardness of formulation (c) was the highest. This is most probably because more sucrose crystallized on the surface of the product during the drying process (Rahman, 2012). The crispness of formulation (c) was also lower than those of other formulations due to the decreased drying rate brought about by sucrose. Ivy gourd was not crispy because of the higher amount of water in its structure. In contrast, when the egg albumin content increased, the structure of the product became more porous, which in turn
3.2.3 Color of ivy gourd wafer The results showed that the greenness (a*) of formulation (a) was slightly higher than those of formulations (b) and (c). The greenness of formulation (c) was the lowest because of the longer drying time due to higher sucrose content. When adding more sucrose, the drying rate became lower and the drying time was longer. The yellowness (b*) of formulation (a) was slightly higher than those of formulations (b) and (c). Statistically speaking, however, the greenness and yellowness of ivy gourd wafer of different formulations were not significantly different. On the other hand, the lightness (L*) of formulations (a), (b) and (c) decreased with the drying time. All the color results are listed in Table 6. At the end, formulations (a) and (b) were selected because the wafer of these formulations were crispy and exhibited good color. Their water activities were also not higher than 0.4.
Formulation
Table 6 Color of ivy gourd wafer Color parameter L* a* b* (a) 45.65±0.08a -5.20±0.02a 8.53±0.02a (b) 44.06±0.09ab -4.99±0.12a 8.10±0.33a (c) 43.80±0.01b -4.69±0.03a 8.01±0.18a Different superscripts in the same column indicate that the values are significantly different (p ≤ 0.05)
185
Formulation
170 min for formulation (4). Note again that it was not possible to separately prepare ivy gourd wafer and simply sandwiched it with two papaya leathers as the dried wafer would not stick to the leathers. The water activities of the final products of formulations (1), (2), (3) and (4) were 0.39±0.01, 0.40±0.01, 0.40±0.01 and 0.41±0.01, respectively. Their values corresponded to the moisture contents of 9.13±0.09% (d.b.), 9.72±0.05% (d.b.), 9.69±0.06% (d.b.) and 9.94±0.06% (d.b.), respectively. 3.3.2 Texture of composite wafer The texture of a composite wafer is reported in terms Table 7 Formulations of composite wafers of the hardness, adhesiveness, cohesiveness, springiness Pre-dried papaya Mixture of ivy gourd and chewiness. The results are given in Table 8. leathers puree Formulation Hardness, cohesiveness and chewiness of formulation (4) (Papaya puree: (Ivy gourd puree: Egg were noted to be higher than those of other Maltodextrin: Glycerine) albumin: Sucrose ) formulations due to the effect of maltodextrin, which (1) 80 : 15 : 90 90 : 10 : 0 made the structure of the wafers more solid-like. Sucrose (2) 80 : 15 : 90 90 : 8 : 2 (3) 80 : 10 : 10 90 : 10 : 0 decreased the drying rate of the product and made the (4) 80 : 10 : 10 90 : 8 : 2 hardness of this formulation higher than that of other 3.3.1 Drying of composite wafer formulations. Adhesiveness and springiness of all Time required to dry a composite wafer depended on formulations were not significantly different. the composition ratio of both papaya leathers and ivy Overall, formulation (1) was of the highest quality gourd puree. Composite wafers were produced from because it was not too hard, less sticky and the ivy gourd papaya puree, which was partially dried as follows: 200 layer was still crispy. Formulations (2) and (3) were not min for formulation (1); 190 min for formulation (2); 320 hard, less sticky and the ivy gourd layer was slightly min for formulation (3) and 310 min for formulation (4). crispy. Formulation (4) was of the poorest texture Then, ivy gourd puree was poured onto one papaya because it was too hard, stickier and the ivy gourd layer leather and sandwiched with another papaya leather and was not crispy. dried further as follows: 160 min for formulation (1); 170 min for formulation (2); 160 min for formulation (3) and 3.3 Composite wafer A composite wafer was made from two sheets of predried papaya leathers and one layer of ivy gourd puree. Formulations (i) and (ii) of papaya leathers and formulations (a) and (b) of ivy gourd puree were selected to produce a composite wafer. The third formulations of papaya leathers and ivy gourd wafer were not selected because the water activities of the formulations were higher than 0.4. Moreover, formulation (c) of ivy gourd wafer was not crispy. The formulations of composite wafers are given in Table 7.
Table 8 Textural characteristics of composite wafers Adhesiveness Hardness Cohesiveness Springiness (N) (-) (mm) (Nmm) (1) 119.77 ± 17.98a 4.27 ± 0.72a 0.52 ± 0.05a 0.80 ± 0.06a (2) 125.09 ± 18.41a 4.42 ± 0.66a 0.55 ± 0.04a 0.77 ± 0.05a (3) 127.08 ± 20.13a 4.55 ± 0.65a 0.56 ± 0.05a 0.75 ± 0.06a a a a (4) 147.54 ± 12.12 4.76 ± 0.55 0.70 ± 0.06 0.70 ± 0.08a Different superscripts in the same column indicate that the values are significantly different (p ≤ 0.05) Formulation
186
Chewiness (Nmm) 62.88 ± 4.46a 66.90 ± 6.25a 75.12 ± 8.79a 88.60 ± 10.53a
The photographs of the papaya leathers, ivy ground and yellowness of the leathers decreased. On the other hand, when the glycerine content increased, the water wafer and composite wafer are shown in Figure 1. activity of the leathers decreased. For ivy gourd wafer, when the egg albumin content increased, the moisture content of the wafer decreased but the values of lightness, greenness and yellowness increased. When the sucrose content increased, the water activity of the wafer increased, resulting in the wafer becoming not crispy. At the end, the recommended formulation for the (a) preparation of a composite wafer was the use of papaya puree: maltodextrin: glycerine as well as ivy gourd puree: egg albumin: sucrose at (80:5:15): (90:10:0). This formulation was noted to yield the wafer of the highest quality because the wafer was not too hard, less sticky and the ivy gourd layer was still crispy as desired. Sensory evaluation is needed to confirm the instrumental results (b) reported here, however. 5 Acknowledgements The authors express their sincere appreciation to the Thailand Research Fund (TRF, Grant number RTA5880009) for supporting the study financially. (c) Figure 1 Photographs of the (a) Papaya leathers; (b) Ivy ground wafer and (c) Composite wafer 4 Conclusion Fruit- and vegetable-based composite wafer is proposed as an alternative healthy snack in this work. A wafer was prepared by adhering two papaya leathers and one ivy gourd puree layer together; the two portions were dried until reaching a water activity of 0.4±0.01, which corresponds to a moisture content of 9.6±0.3% (d.b.). The effects of maltodextrin and glycerine were studied to find the best formulation of papaya leathers, while the effects of egg albumin and sucrose were studied to find the best formulation of ivy gourd puree. The results showed that when the maltodextrin content increased, the hardness, adhesiveness, cohesiveness and chewiness increased but the values of lightness, redness
6 References Bourne, M.C. 2002. Food Texture and Viscosity: Concept and Measurement. (2nd ed.). London: Academic Press. Gabas, A.L., Telis, V.R., Sobral, P.J., Telis-Romero, J. 2007. Effect of maltodextrin and arabic gum in water vapor sorption thermodynamic properties of vacuum dried pineapple pulp powder. Journal of Food Engineering 82, 246–252. Gusman, M.A., Hegarty, E. 2000. Method for improving the softness of raisins, US. Patent No. 6,103,285. Huang, X., Hsieh, F.H. 2005. Physical properties, sensory attributes, and consumer preference of pear fruit leather. Journal of Food Science 70, E177–E186. Jungermann, E. 1991. Introduction. In: Jungermann, E., Sonntag, N.O. (Eds.), Glycerine: A key cosmetic ingredient (pp. 1-7). New York: Marcel Dekker. Karimi, M., Sahraiyan, B., Naghipour, F., Sheikholeslami, Z., Davoodi, G.M. 2013. Functional effects of different humectants on dough rheology and flat bread
187
(Barbari) quality. International Journal of Agriculture and Crop Sciences 5, 1209–1213. Kingsly, R.P., Goyal, R.K., Manikantan, M.R. Ilyas, S.M. 2007. Effects of pretreatments and drying air temperature on drying behavior of peach slice. International Journal of Food Science and Technology 42, 65–69. Nielsen, 2014. Snack Attack: What Consumers Are Reaching for Around the World September 2014. The Nielsen Company, 1–21. Novel, T.R., Parker, R., Brownsey, G.J., Farhat, T.A., Macnaugtan, W., Ring, S.G. 2005. Physical aging of starch, maltodextrin, and maltose. Journal of Agricultural and Food Chemistry 53, 8580–8585. Rahman, A. 2012. Effect of sucrose levels on drying rate and some quality characteristics of tamarind (Tamarindus indica) leathers. Journal of Science and Technology 13, 75–84. Sloan, A.E., Schlueter, D., Labuza, T.P. 1977. Effect of sequence and method of addition of humectants and water on aw lowering ability in and IMF system. Journal of Food Science 42, 94–96. Thuwapanichayanan, R., Prachayawarakorn, S., Soponronnarit, S. 2008. Drying characteristics and quality of banana foam. Journal of Food Engineering 86, 573–583. Torley P. J., De Boer J., Bhandari B.R., Kasapis S., Shrinivas P., Jianget B. 2008. Application of the synthetic polymer approach to the glass transition of fruit leathers. Journal of Food Engineering 86, 243–250. Valenzuela, C., Aguilera, J.M. 2015a. Effects of maltodextrin on hygroscopicity and crispness of apple leathers. Journal of Food Engineering 144, 1–9. Valenzuela, C., Aguilera, J.M. 2015b. Effects of different factors on stickiness of apple leathers. Journal of Food Engineering 149, 51–60.
188
PHF-27
Color and pH Stability of Natural Green Colorant Produced from Centella asiatica L. Leaves: Effects of Pretreatment Methods Luxsika Ngamwonglumlert, Sakamon Devahastin* and Naphaporn Chiewchan
Advanced Food Processing Research Laboratory, Department of Food Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Tungkru, Bangkok 10140, Thailand. Corresponding author: Sakamon Devahastin. E-mail: sakamon.dev@kmutt.ac.th
Abstract During the past few years, there has been an increasing demand for natural colorants to replace synthetic colorants due to health consciousness of consumers. Chlorophylls, which exhibit green color in nature, are the most abundant pigment and are be used to produce a natural green colorant. However, chlorophylls are easily degraded both by enzymes and/or acidic condition, restating in an undesirable color of the colorant. To enhance the stability of chlorophylls, pretreatment methods, which are steaming as well as zinc- and copperchlorophylls complexations, are here proposed. The effects of these pretreatments on the color of the pretreated natural chlorophylls source, i.e., Centella asiatica L. leaves, was then investigated. Stability of the color of the subsequent chlorophylls extract was also evaluated against an acidic condition. Steaming and copper-chlorophylls complexation yielded the leaves that had similar green shade with the untreated leaves, while zinc-chlorophylls complexation yielded yellow-green leaves. The chlorophylls extracts prepared from the untreated and steamed leaves had lower stability to acidic condition (pH 3) than that from the leaves undergone zinc- and copper-chlorophylls complexations. Keywords: Acidic condition, Copper ions, Metallo-chlorophylls complexes, Steaming, Zinc ions
1 Introduction During the past few years, the use of natural colorants as food additives has gained increasing popularity due to the increased health awareness of consumers. Although many synthetic food colorants, which possess higher stability, more diverse hue and vibrant color, are permitted in foods under the Food and Drug Administration (FDA) regulations (Harp and Barrows, 2015), their consumption has been reported to be related to many adverse health effects such as attention deficit hyperactivity disorder behavior in children (McCann et al., 2007). Natural colorants can be produced through extraction of pigments from a natural source. Among many types of pigments, chlorophylls are the most wildly distributed pigment in nature and are responsible for the characteristic green color of green leaves. Nevertheless, instability of chlorophylls extract during food processing, especially to pH changes, leads to undesirable color of a final product. For this reason, use of chlorophylls extract
as a natural green colorant is still limited. Chlorophylls are highly sensitive to acidic condition since the structure of chlorophylls, which is porphyrins or closed ring tetrapyroles chelated with a centrally located magnesium ion (Marquez and Sinnecker, 2008), can change to pheophytin due to the loss of central magnesium ion with the replacement by hydrogen ions from acids. Besides acids, Mg-dechelatase, which is an enzyme found in algae and plants, can also induce the change of chlorophylls structure, leading to the color loss. A number of researchers has applied various methods to enhance the stability of chlorophylls. Since enzymes and acids are the major factors affecting the loss of chlorophylls color, blanching has been widely tested to inactivate enzymes involving in the change of the chlorophylls color (Bahçeci et al., 2005). Olivera et al. (2008), for example, reported that blanching could preserve the greenness of Brussels sprouts during storage at -18 °C for 8 months, while the color the un-blanched
189
sample was lost. However, blanching cannot solve the problem of color change due to an acidic condition. Insertion of metal ions into the chlorophylls structure to create metallo-chlorophyll complexes has been proposed to help increase the pH stability of chlorophylls (Marquez and Sinnecker, 2008; Aparicio-Ruiz et al., 2011). Zinc or copper ions can be used to replace the central magnesium ion in the chlorophylls structure, resulting in the formation of zinc- or copper-chlorophylls complexes, which is more pH stable. Although the thermal stability of zinc- or copper-chlorophylls complexes has been investigated, the stability of these complexes against pH change is not well established. Centella asiatica L. leaves, which are widely available in Thailand, were used to produce natural green colorant in a form of chlorophylls extract in this work. The leaves were pretreated by different pretreatment methods (i.e., steaming as well as zinc and copper ions complexations) prior to the extraction. The effects of pretreatment methods on the color (in terms of L*, h* and ∆E*) and pH stability of the chlorophylls extracts obtained from different pretreatment methods were evaluated. 2 Material and methods 2.1 Materials and reagents Centella asiatica L. leaves were purchased from a local market in Bang Bon, Bangkok and stored at 4 °C until the time of an experiment. The storage time was no longer than 3 days in any cases. The leaves were washed with tap water to remove dirt and soil before the start of each experiment. Zinc chloride was purchased from Ajax Finechem (Taren Point, Australia), while copper chloride was purchased from Quality Reagent Chemical (Auckland, New Zealand). Ethanol was purchased from RCI Labscan (Samutsakorn, Thailand). All chemical reagents were of analytical grade. 2.2 Pretreatment methods Prior to the extraction, the leaves were pretreated by one of the following methods: (I) steaming for 3 min; (III) zinc-chlorophylls complexation and (IV) copperchlorophylls complexation.
The processes of forming zinc- or copper-chlorophylls complexes were those of Özkan and Bilek (2015) with some modification. The leaves were first chopped by an electric chopper (Moulinex, DPA141, Ecully, France) to an average size of 3 mm. The chopped leaves were mixed with 300 ppm of zinc chloride solution in the case of zinc-chlorophylls complexes preparation or 300 ppm of copper (II) chloride solution in the case of copper-chlorophylls complexes preparation at a fixed sample-to-ion solution ratio of 1:4. The mixture was adjusted to pH 7 by adding 1 N citric acid or 1 N sodium hydroxide solution and then heated at 110 ºC for 15 min in an autoclave (Hirayama, HVE-50, Saitama, Japan). All pretreated leaves were pressed to remove excess water prior to chlorophylls extraction. The color (in terms of L*, h* and ∆E*) of the pretreated leaves was evaluated and compared to that of the untreated leaves (control sample). 2.3 Chlorophylls extraction Ultrasonic-assisted extraction was employed to extract chlorophylls from both the untreated and pretreated leaves according to the suggested procedures of Cha et al. (2010) with some modification. About 10 g of the leaves was suspended in 200 mL of pure ethanol. The mixture was subject to sonication in an ultrasonic bath (Elma, Elmasonic E-100, Singen, Germany) for 10 min at a frequency of 37 kHz and a set power of 500 W; the content was then shaken in a shaker (New Brunswick Scientific, G24 Environmental Incubator Shaker, Edison, NJ) at 150 rpm at 30°C for 30 min. The mixture was filtered through Whatman No. 1 filter paper; the residue was added with 200 mL of fresh ethanol to repeat the extraction for 3 times. The extract was concentrated using a rotary evaporator (Buchi, R-215, Flawil, Switzerland) at 50°C for 35 min. The final volume of a concentrated extract was finally adjusted to 10 mL.
190
2.4 pH stability evaluation A concentrated extract was diluted in distilled water at an extract-to-distilled water ratio of 1:50. Each diluted extract was assessed for its stability against an acidic condition. The pH of a diluted extract was adjusted to 3 by the addition of 1 N citric acid solution. Each adjusted extract was then left for 60 min at room temperature. The color (in terms of L*, h* and ∆E*) of the pH-adjusted extract was evaluated at 0 and 60 min and compared with that of the extract without pH adjustment (control sample). 2.5 Color measurement The color of leaves and diluted extracts was measured in the CIELAB color space via the use of a spectrophotometer (HunterLab, ColorQuest XE, Reston, VA, USA). The measurement was performed in a transmittance mode for the leaves and reflectance with excluded specular mode for the extracts using a simulated D65 illuminant and 10° observer angle. Lightness (L*), greenness (-a*), and yellowness (b*) of the leaves and their extracts were measured. Hue angle (h*) and total color difference (∆E*) were also calculated as described in Equations (1) and (2), respectively. ∗
∗
tan
∗
)
(1)
(2) where Li* and L0*are the lightness of an extract at any time and that of a control sample at initial time; ai* and a0* are the redness/greenness of an extract at any time and that of a control sample at initial time; bi* and b0* are the yellowness/blueness of an extract at any time and that of a control sample at initial time. 2.6 Statistical analysis The experimental data were subject to the analysis of variance (ANOVA) and are presented as mean values with standard deviations. Differences between the mean values were established using the least significant difference (LSD) tests; the differences were considered at a confidence level of 95%. All statistical analyses were performed using a statistical program Minitab (version 16). All experiments were performed at least in duplicate. ∆
∗
∗
∗
∗
∗
∗
∗
3 Results and discussion 3.1 Color of the leaves The color (in terms of L*, h* and ∆E*) of the leaves as affected by the pretreatment methods is given in Table 1. The results showed that both the untreated and all pretreated leaves exhibited shades of greenness, which could be observed from the h* values. Hue angle of the leaves pretreated by zinc-chlorophylls complexation was significantly different when compared with the h* value of the untreated leaves and the leaves pretreated by other methods. The leaves pretreated by zincchlorophylls complexation had the lowest hue angle (100.59 ± 1.56), which represents the shade of yellowgreen color. Table 1 Color of untreated leaves and those pretreated by different methods Color value L* h* ∆E* a a NT 40.17 ± 1.43 116.49 ± 1.34 ST 23.17 ± 0.54b 119.15 ± 3.45a 18.52 ± 2.03b ZN 23.14 ± 0.37b 100.59 ± 1.56b 20.41 ± 2.15ab CU 21.43 ± 0.05c 113.10 ± 2.98a 21.71 ± 2.18a No pretreatment (NT), Steaming (ST), Zinc-chlorophylls complexation (ZN), Copper-chlorophylls complexation (CU). Different letters in the same column indicate that values are significantly different (p < 0.05). Treatment
In terms of L* value, all pretreated leaves had lower L* values than the untreated one. This might be because of the removal of air in the fine porous structure of the leaves during steaming and heating, resulting in the change of the surface reflecting property and hence the decreased L* value (Ngo and Zhao, 2005). No significant differences in the ∆E* values were observed. 3.2 pH stability of chlorophylls extracts The pH stability of the diluted chlorophylls extracts in terms of L*, h* and ∆E* is illustrated in Figure 1.
191
loss of the central magnesium ions with the replacement by hydrogen ions from acids (Healton and Marangoni, 1996). Thus, h* values of the diluted extract from the untreated and steamed leaves decreased. Hue angle of the diluted extracts from the leaves pretreated by zinc- and copper-chlorophylls complexations did not change after pH adjustment due to their higher stability. Since the structure of chlorophylls are closed ring tetrapyroles chelated with the central ion through covalent bond as shown in Figure 2 (Marquez and Sinnecker, 2008), the stability of chlorophylls could be enhanced by replacing the central magnesium ions with other metal ions that possess more close value of electronegativity (EN) with the hydrogen ions.
Figure 2 Basic structure of chlorophylls pigment (Marquez and Sinnecker, 2008) Since EN of zinc and copper ions are closer to that of Figure 1 Color stability of diluted chlorophylls extracts hydrogen ions, zinc- and copper-chlorophylls complexes against acidic condition (pH 3). No pretreat- are more stable than magnesium-chlorophylls comment (NT), Steaming (ST), Zinc-chlorophylls complexation (ZN), Copper-chlorophylls plexes, which are the native structure of chlorophylls. complexation (CU). However, change in the central ions of the chlorophylls Lightness of the diluted extracts from both the structure led to the change in the color shade of untreated and pretreated leaves only slightly changed chlorophylls. Replacement of the central ions with zinc after pH adjustment and the after pH-adjusted extracts ions affected the change in the green shade of had been left for 60 min. On the other hand, h* values chlorophylls more than the replacement with copper of the diluted extracts from the untreated leaves and the ions. Color shade of the diluted extract of zincleaves pretreated by steaming significantly changed after chlorophylls complexes was yellow-green as it had h* pH adjustment. This is due to the transformation of the value of 89.85Âą 0.64. native chlorophylls structure from porphyrins to pheophytin, which exhibits olive brown color, due to the 192
4 Conclusion The effects of pretreatment (i.e., steaming as well as zinc- and copper-chlorophylls complexations) on the color of Centella asiatica L. leaves were investigated. The color stability of the chlorophylls extracts obtained from the leaves pretreated by different methods was assessed against an acidic condition (pH 3). Untreated leaves and the leaves pretreated by steaming and copper-chlorophylls complexations had similar shade of greenness, while the leaves pretreated by zincchlorophylls complexations exhibited the shade of yellow-green. The chlorophylls extracts had similar shades of color with those of their leaves. Zinc- and copper-chlorophylls complexes were more stable to acidic condition than the native chlorophylls. Shade of color of the diluted extracts from the leaves pretreated by zinc- and copper-chlorophylls complexations did not change after pH adjustment. 5 Acknowledgements The authors express their sincere appreciation to the Thailand Research Fund (TRF, Grant no. RTA 5880009) for supporting the study financially. Author Ngamwonglumlert thanks the Royal Golden Jubilee (RGJ) Ph.D. Program of the TRF and the Petchra Pra Jom Klao Ph.D. Research Scholarship of King Mongkut's University of Technology Thonburi for supporting her doctoral study. 6 References Aparicio-Ruiz, R., Riedl, K.M., Schwartz, S.J. 2011. Identification and quantification of metallochlorophyll complexes in bright green table olives by high-performance liquid chromatrography-mass spectrometry quadrupole/time-of-flight. Journal of Agricultural and Food Chemistry 59, 11100–11108. Bahçeci, K.S., Serpen, A., Gökmen, V. Acar, J. 2005. Study of lipoxygenase and peroxidase as indicator enzymes in green beans: Change of enzyme activity, ascorbic acid and chlorophylls during frozen storage. Journal of Food Engineering 66, 187–192.
Cha, K.H., Lee, H.J., Koo, S.Y., Song, D.G., Lee, D.U. Pan, C.H. 2010. Optimization of pressurized liquid extraction of carotenoids and chlorophylls from Chlorella vulgaris. Journal of Agricultural and Food Chemistry 58, 793–797. Fellows, P. 2000. Food Processing Technology – Principles and Practice. (2nd ed.). Boca Raton: CRC Press. Harp, B.P. Barrows, J.N. 2015. US regulation of color additives in foods. In: Scotter, M.J. (Ed.) Colour Additives for Foods and Beverages (pp. 75–88). Cambridge: Woodhead Publishing Co. Healton, J.W., Marangoni, A.G. 1996. Chlorophyll degradation in processed foods and senescent plant tissues. Trends in Food Science and Technology 7, 8– 15. Marquez, U.M.L., Sinnecker, P. 2008. Chlorophylls in foods: Sources and stability. In C. Socaciu (Ed.) Food Colorants: Chemical and Functional Properties (pp. 195–212), Boca Raton: CRC Press. McCann, D., Barrett, A., Cooper, A., Crumpler, D., Dalen, L., Grimshaw, K., Kitchin, E., Lok, K., Porteous, L., Prince, E., Sonuga-Barke, E., Warner, J., Stevenson, J. 2007. Food additives and hyperactive behaviour in 3-yearold and 8/9-year-old children in the community: A randomised, double-blinded, placebo-controlled trial. Lancet 370, 1560–1567. Ngo, T., Zhao, Y. 2005. Retaining green pigments on thermally processed peels-on green pears. Journal of Food Science 70, C568–C574. Olivera, D.F., Viña, A.Z., Marani, C.M., Ferreyra, R.M., Mugridge, A., Chaves, A.R., Mascheroni, R.H. 2008. Effect of blanching on the quality of Brussels sprouts (Brassica oleracea L. gemmifera DC) after frozen storage. Journal of Food Engineering 84, 148–155. Özkan, G., Bilek, S.E. 2015. Enzyme-assisted extraction of stabilized chlorophyll from spinach. Food Chemistry 176, 152–157.
193
Study of Factors Affecting Stability of Yanang Juice in Canned Bamboo Shoot in Yanang Juice Process
PHF-28
Chanthima Phungamngoen1*, Sunee Eadmusik1, Suttiluk Chenin1, Sawanit Aichayawanich2 1
Faculty of Agro Industry, King Mongkut’s University of Technology North Bangkok, Prachinburi, Thailand. Faculty of Industial Technology and Management, King Mongkut’s University of Technology North Bangkok, Prachinburi, Thailand.
2
Corresponding author: Chanthima Phungamngoen. E-mail: chanthima.p@agro.kmutnb.ac.th
Abstract The objectives of this project was to study the factors affecting constant of Yanang juice on the processing canned bamboo shoots in Yanang juice. The percentage of layering, color, and viscosity of Yanang juice were evaluated. The result showed that increasing amount of stabilizer with glutinous rice flour (0.3-0.9 %w/v) was not sufficient to higher stability in Yanang juice; adding CMC and Xanthan gum 0.03-0.09 %w/v can increase stability of Yanang juice, decreasing the percentage of layering and produce more viscosity. Color of samples after heating sterilization, it was not depended on a type and quantity of stabilizer. Comparing with fresh samples by percentage of layering, viscosity, and color, adding Xanthan gum 0.03 %w/v, the samples was higher constancy but viscosity was not different from fresh Yanang juice. Consequently, this project was continued to study the potential of producing canned foods by retort sterilization at 121C, pressure 15 psi, F0 5 minutes. The sterilized samples were higher constancy, viscosity was still similar to fresh samples, and the color was significantly different from fresh samples. However, the changing color of the samples would be transformed under non-enzymatic browning reaction while providing high heat in the retort. Keywords: Canning, Stabilizer, Sterilization
1 Introduction Bamboo shoots are seasonal delicacies in mainland Thailand and other East-Asia regions. Bamboo shoots are one of very low calorie vegetables (Pongdee and Gatsorn, 2014). Bamboo hearts are also rich in B-complex group of vitamins such as thiamin, riboflavin, niacin, vitamin B-6 (pyridoxine), and pantothenic acid those are essential for optimum cellular enzymatic and metabolic functions (Suwankanid et al. 2006; Pongdee and Gatsorn, 2014). While eating bamboo shoot should be aware of the fact that they compose of taxiphyllin, a toxic cyanogenic glycoside (Yiumhan, 2010). Cyanide alkaloids inhibit cytochrome-oxidase, an important enzyme in cellular respiration. Treating in salted boiling water readily degrades these toxic compounds. One of the good ways to reduce toxic inside bamboo shoot is cooking with Yanang juice (Suwankanid et al. 2006; Pongdee and Gatsorn, 2014). Yanang is a species of flowering plant native to mainland Southeast Asia and used particularly in the
cuisines of northeast Thailand and Laos. In the Isan culture of northeast Thailand, the leaves are used in the preparation of “Kaeng no mai” that includes bamboo shoots, Yanang juice, chilis, salt and sometimes oyster mushrooms, cha-om. Yanag juice is used to make the broth, primarily as a thickening agent rather than for its flavor (Pongdee and Gatsorn, 2014). This juice may be prepared from scratch, from fresh leaves. Therefore bamboo shoot is mainly consumed cook by heating with Yanang juice. They are also often processed with sterilization process to extend shelf life of the product. During thermal processing and storage, quality changes may occur causing from the nonenzymatic browning reaction and nutritional degradation including low stability of Yanang juice. Separation of Yanang juice into an aqueous phase and pigment phase is commonly occurred and this leads an unacceptably physical defect of processed Yanang juice. The stability of juice or emulsion depends on many factors such as heating, processing time, types and concentration of stabilizer
194
(Phungamngoen et al. 2004; Awuah et al. 2007) Previous research works have demonstrated that various stabilizing agents could stabilize juice for example carboxymethyl cellulose (Marshall and Arbuckle, 1996; Phungamngoen et al., 2004), xanthan gum (Marshall and Arbuckle, 1996; Panda, 2010) and glutinous rice flour (Suwankanid et al. 2006). As mentioned above, there are many work studies on stability of juice. However, no information is so far available on the effect of types and concentration of stabilizing agents on stability of sterilized Yanang juice. Therefore the objective of this work was to study effect of types and concentration of stabilizer on some physical properties and biological properties of sterilized Yanang juice were studied. 2 Materials and Methods 2.1 Sample preparation Fresh bamboo shoots were purchased from a local market. The bamboo shoot was washed, peeled, and slided with dimensions of 3×10 cm. A slided bamboo shoot was blanched in boiling water for 15 min. After blanching, the sample was immediately cooled in cold water at 4–5 °C to remove the accumulated heat in the sample. Yanang leafs were purchased from a local market. The ratio between Yanang leafe and water was 1:6 and then sample were mixed at 7000 rpm for 1 min. Glutinous rice flour 0.3-0.9 %w/v, CMC and Xanthan gum 0.03-0.09 %w/v was added while the samples were heated and stirred continuously until sample temperature reached 80 °C for 2 min. 2.2 Retort processing Approximately 500 g of sample (bamboo shoot and Yanang juice at the ratio 1:1.5 was filled in a can of size 307×409. The samples were drained and filled with Yanang juice maintaining a headspace of 5 mm. The cans were fixed with thermocouple glands (Ellab, Denmark), and the thermocouple probe (Ellab, Denmark) was inserted through it. The can fitted with a thermocouple at cold point of the can. The cans were exhausted in
steam for 10 minutes to remove the residual air, and immediately double seamed. The sealed cans were loaded inside the horizontal still retort (Patkol, Thailand) and processed at temperatures of 121 ± 1 °C (pressure 15 psi) to the standardized F0 value of 5 minutes. Timetemperature data were collected during heat processing using an Ellab data recorder (CTF 9008, Ellab, Denmark). The heat penetration characteristics were determined using a mathematical method. After heating processing, the cans were cooled for 20 minutes in running cool water, and the data logger was recorded. 2.3 Percentage of layering To evaluate the percentage of layering, the sterilized samples were kept at room temperature ( 30 °C) for 3 days and determined the percentage of layering following the method described as follow; % PL =
x 100
(1)
2.4 Determination of physical properties Color of samples was measured in a Hunter colorimeter (Hunter Lab, Model Colorflex 45/0, Virginia) Reflection spectra were registered and Hunter Lab color parameters for 10° vision angle and D65 illuminant (L * :brigthness, a * :redness, b * :yellowness) were calculated. Measurements were done in triplicate on each of two subsamples. The apparent viscosity of the sample was determined at 25°C using Brookfield viscometer, Model LVDV-II+ Pro (Brookfield laboratories, Massachusetts) at 100 rpm (spindle #0). All determinations were made in at least triplicate and the results were expressed as the mean values. 2.5 pH and microbiological analysis The pH was determined using a Schott Grate pH meter (CG841, Germany). Microbiological analysis conducted on these containers showed their safety for thermal processing. The viable microbial numbers were enumerated by pour plating onto Plate Count Agar (PCA, Difco, USA) incubated at 37 C for 48 h for total bacteria and onto Potato Dextrose Agar (PDA, Difco, USA) incubated at 30oC for 72 h for yeasts and molds. The
195
finial products were sent to The Institute of Food Research and Product Development (IFRPD) of Kasetsart University to investigate flat sour bacteria (mesophile and thermophile). 2.6 Statistical analysis All the experiments were carried out in triplicates for canned bamboo shoot in Yanang juice obtained from adding stabilizing agents. Significant differences between means were determined using statistical package for social science (SPSS). Significance of differences was defined at p < 0.05. 3 Results and Discussion 3.1 Retort processing of canned bamboo shoot Figure 1 shows the temperature profiles of sample during sterilization process were divided into 3 steps, i.e., come up time, heating and cooling. Thermocouples are placed at the cold point inside cans with the slowest heating point (data not shown). The initial temperature of the samples prior to heating was approximately 60 °C. The come-up time of the retort (the time from initiation of heating until the target retort temperature was reached) was 15 minutes. The results showed that temperature of sample increased continuously as the heating time increased and approached the set target value (F0 = 5 minutes) within 56 minutes. During heating process, the heat transfer in products was conduction and convection (Potter and Hotchkiss, 1998). Conduction, heat moves from one particle to another in more or less straight lines. Convection heating is much more rapid, Yanang juice is heated more quickly than the pieces of bamboo shoots (Awuah et al., 2007). After heating process, the cans cooled with spray water making 20 minutes pass during cooling process from 121 °C to a temperature below 40°C.
Figure 1 Temperature profile at cold piont of canned bamboo shoot in Yanang juice during sterilization process in retort. 3.2 Physical properties of sterilized Yanang Juice 3.2.1 Percentage of layering Table 1 Precentage of layering of sterilized Yanang juice. Type of stabilizer Control (no adding)
Concentation (%w/v)
Layering (%)
-
86.18±0.21a
0.3 14.59±1.53bc Glutinous rice flour 0.6 21.61±7.64b 0.9 21.35±0.38b 0.03 13.50±2.12bc CMC 0.06 0.00±0.00d 0.09 0.00±0.00d 0.03 21.63±10.20b 0.06 15.86±2.04b Xanthan gum 0.09 6.73±1.40cd Values in the same column with different superscripts mean that the values are significantly different (p<0.05)
Table 1 shows percentage of layering (%PL) of Yanang juice as added stabilizing agents. The result showed that the %PL of sample increased as the total amount of stabilizer increased. Adding CMC exhibited the same trend by adding Xanthan gum. However using Xanthan gum showed higher %PL than using CMC. This was because CMC can caused an increase in viscosity of water phase therefore decreased the gravitational separation of the pigment phase (Autapab and Charoenkul, 2012).
196
Table 2 Color of sample with different conditions. Color Concentation (%w/v) L* a* b* no ghi 0.3 11.63±0.39 0.28±0.01 11.05±0.76cdefg Glutinous rice 0.6 12.55±0.06jkl 0.69±0.01bcdef 12.18±0.61abc flour ghi bcde 13.31±0.54 0.78±0.11 13.31±1.03a 0.9 0.03 15.19±0.30c 0.51±0.01cdefgh 9.83±0.43fghij CMC 0.06 15.23±0.15c 0.37±0.14efghi 9.75±0.03fghij cd defghi 0.09 14.79±0.03 0.38±0.08 11.06±0.32cedfg 0.03 13.83±0.08efg 0.19±0.11ghi 10.62±0.27defgh Xanthan b cdefg 0.06 16.30±0.07 0.54±0.08 10.90±0.08cdefg Gum 0.09 17.31±0.56a 0.23±0.92abc 13.10±0.57ab Values in the same column with different superscripts mean that the values are significantly different (p<0.05). Type of Stabilizer
Table 2 shows studying effect of types and concentration of stabilizing agents on color of Yanang juice after heating. The results showed that all stabilizers were not observed for the color change of sample after heat treatment. High temperature and long time of sterilization process result in high dark green color of Yanang juice. The sterilizing process caused nonenzymatic browning reactions leading to low lightness value and high redness and yellowness values when compare with fresh Yanang juice. Table 3 Viscosity of sterilized Yanang juice. Type of stabilizer Control (no adding)
Concentation (%w/v)
Viscosity (cP)
-
52.40±0.20def
0.3 41.95±0.78hij Glutinous rice flour 0.6 48.50±4.67efgh 0.9 56.85±0.64bcd 0.03 56.45±1.20bcd CMC 0.06 59.05±3.18bc 0.09 61.95±1.90b 0.03 51.70±10.89defg Xanthan gum 0.06 85.40±1.27a 0.09 Not detected Values in the same column with different superscripts mean that the values are significantly different (p<0.05)
E* 16.04±0.81efghij 17.51±0.38bcdef 18.84±1.11bc 18.10±0.48bcde 18.08±0.11bcde 18.47±0.16bcd 17.44±0.24bcdefg 19.62±0.11ab 21.49±0.06a
two unmixable. Adding Xanthan gum in the food system showed higher viscosity than those adding CMC and Glutinous rice flour. 3.3 pH and microbiological study of Thai canned food Table 4 shows the pH and microbiological of canned food. A canned bamboo shoot, net weight was approximately 500 g. The pH values of the samples were varied in the range of 6.46 acts as a low acid food. The results showed that all microbiology tested were less than standard (Japan National Standard, 2004) and no indicated flat sour bacteria could be detected after sterilization. Table 4 Properties of canned food after sterilization at 121oC, 15 psi, F0 = 5 min. Properties Weight pH Bacteria Yeast Mold Flat sour bacteria NF = not found
Canned bamboo shoot in Yanang juice 500 g 6.34 <10 CFU/g <1 CFU/g <1 CFU/g NF
4 Conclusions Factors affecting constant of Yanang juice on the Table 3 shows viscosity of sterilized Yanang juice. All samples with stablizer exhibited high viscosity than that processing canned bamboo shoots in Yanang juice were of sterilized fresh Yanang juice. This was because all investigated. The results showed that types and stabilizers act to help maintain a stable juice between concentration of stabilizing agents had a significant effect 197
on percentage of layering (% PL), viscosity and color of Panda, H. 2010. The complete book on gums and stabilizers for food industry. Asia Pacific Business Press sterilized Yanang juice. It was found that using adding Inc. India. 440 pages. Xanthan gum 0.03%w/v in Yanang juice during preparation process was selected to improve the quality of Phungamngoen, C., Chiewchan N., Siriwatanayothin S. 2004. Effect of some stabilizers on the quality of canned bamboo shoot in Yanang juice. canned high fat coconut milk. J KMUTT’s Res Dev 27, 5 Acknowledgements 376–390. This research was funded by King Mongkut’s Pongdee, J., Gatsorn N. 2014. Effect of stabilizer on University of Technology North Bangkok. Contract no. quality of canned bamboo shoot in Yanang juice. KMUTNB-GOV-58-42.3. Bechelor project. Department of Agro-Industry. King Mongkut’s University of Technology North Bangkok. 6 References 84 pages. Autapab, D., Charoenkul, N. 2012. Chemical Properties of Rajan, S., Kulkarni, V.V., Chandirasekaran, V. 2014. Carbohydrate-Hydro Colriol and Industrial Preparation and storage stability of retort processed application. Carbohydrate Technology. King Mongkut’s Chettinad chicken. Journal of Food Science and University of Technology Thonburi. Available at: Technology 51, 173-177. http://eu.lib.kmutt.ac.th/elearning/Courseware/BCT61 Ravi Shankar, C.N., Srinivasa Gopal, T.K., Vijayan, P.K. 2002. 1/chapter4.html. Accessed on 23 June 2013. Studies on heat processing and storage of seer fish Awuah, G., Ramaswamy, H., Economides, A. 2007. curry in retort pouches, Packaging Technology and Thermal processing and quality: Principles and Science 15, 3-7. overview. Chemical Engineering and Processing 46, Suwankanid, C., Chaungchaichana, V., Srisupho, S. 2006. 584-602. Production of Bamboo shoot and Yanang Juice in Chiewchan, N., Phungamngoen, C., Siriwattanayothin, S. Suitable Packaging. Ratchapat Saundusit university. 72 2006. Effect of homogenizing pressure and sterilizing pages. condition on quality of canned high fat coconut milk. Wasantiwong, K., Surarakdisai, K., Bonchakul, S. 2011. Journal of Food Engineering 73, 38–44. Effect of lethalities of the thermal process (F0) levels Herson, A.C., Hulland, E.D. 1980. Canned food. Iurchill on Canned Num Phrik Kapi. SDU Reseach Journal 3, livingstone. New York. 75-85. Holdsworth, S.D. 1997. Thermal processing of packed Yiumhan, P., 2010. Determination Cyanide content in foods. Blackie Academic and Professional Co. Inc. New Bamboo shoot by Spectrophotometry technique. York. Master project Factory of Science. Khonkaen Japan National Standard, 2004. Canned ready to eat University. 52 pages. food. Database of National Food Institute, Bangkok, Thailand. Marshall, R.T., Arbuckle, W.S. 1996. Ice cream. 5th ed., Chapman & Hall, New York. 349 pages. Mohan, C.O., Ravishankar, C.N., Srinivasa Gopal, T.K., Bindu, J. 2008. Thermal processing of prawn 'kuruma' in retortable pouches and aluminium cans. International Journal of Food Science and Technology 43, 200-207. 198
PHF-29
Effects of the Revolution Speed on Yield of Crude Jatropha Oil from a Jatropha Screw Press Expeller Isara Chaorakam1,*, Anek Sukcharoen1, Kittidet Poniyom1, Penjit Srinopakhun2, Sombat Chinawong3 1
ศูนย์เครื่องจักรกลการเกษตรแห่งชาติ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตกําแพงแสน 2 ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ 3 ภาควิชาพืชไร่นา คณะเกษตร กําแพงแสน
ABSTRACT The performance of a jatropha screw press expeller was evaluated at the National Agricultural Machinery Center (NAMC), Kasetsart University, Kamphaeng Saen Campus, Thailand during 2011-2012. This model of jatropha screw press expeller was designed and fabricated by the National Metal and Materials Technology Center (MTEC), Thailand. The trial was conducted using three revolution speeds at 13.3, 20 and 30 rpm. Jatropha curcas L. is a perennial plant belonging to the Euphorbiaceae family and is gaining more attention for biodiesel production and as a source of good quality protein for livestock after detoxification processing. Dried jatropha seed samples (10 kg) were prepared with three replications. Significant variables of the experiment were considered. The performance of the screw press expeller was unsatisfactory at a high revolution speed, as this resulted in a high oil content left in the jatropha seedcake. On the other hand, the capacity of the machine increased under high speed due to the typical design of the machine, and was the significant variable in this specific experiment. Key words: evaluation, jatropha, screw press expeller, performance
199
PM-01
Performance of the Climate Control System for Drying and Storing Agricultural Products Chatchawal Nimrotham1*, Roongrojana Songprakorp1, Sirichai Thepa1,Veerapol Monyakul2 1
Division of Energy Technology, School of Energy, Environment and Materials, KingMomgkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha-Uthit Road, Bang Mod, Thungkhru, Bangkok, 10140, Thailand. 2 Pilot Plant Development and Training Institute, King Mongkut'sUinversity of Technology Thonburi (BangKhunThien), 49 SoiThianThale 25, Bang KhunThian Chai Thale Road, Tha Kham, BangKhunThian, Bangkok 10150, Thailand. Corresponding author: Chatchawal Nimrotham. E-mail: Nimrotham@yahoo.com
Abstract The purpose of this research was to control the temperature (29-31C),relative humidity (40-60%RH), moisture condensation rate and specific energy consumption in drying chamber and in storage room by using climate control system cooperated with air conditioning system in order to preserve the agricultural products and to prevent them contaminated from aflatoxin. The system consists of the humidity control system (ultrasonic), air-conditioner, temperature and relative humidity sensor, heating coil, and microcontroller unit. For this process, the temperature of the surface evaporator coil is decreased to the dew point temperature, making water vapor in the air condensed to be water drops. The relative humidity is decreased to presetpoint and, heating coil will control temperature to a desired set point. In the experiment, the temperature is kept constant at 30C and the relative humidity is set at 40%RH, 50%RH and 60%RH, respectively. The result showed that the climate control unit could work well with the air-conditioning system and could control temperature in the range of 29-31C and relative humidity in the range of 40 - 60%RH which is suitable for drying specified agricultural products. Keyword: Drying,Storage, Relative humidity control, Moisture condensation rate, Dehumidification
1 Introduction Thailand locates near the equator and hence the climate of Thailand is tropical. The annual average temperature is 27C and the relative humidity is in a range of 40-80% RH. (J. Khedari et al., 2002). The high humidity in the air affects on dried agricultural products such as red chillies, red onions and dried garlics, which the fungieasily takes place causing these products to have low quality. Normally, a chilli selling price is high when compared to other agricultural products. It is an essential ingredients for cooking Asian cruisines, especially Thai food. Dried chillies, red onions, and garlic are herb and are a common mixture of Thai food for adding the taste like Thai curry. Dried chilies, powdered chillies and chilli sauce are often likely to be contaminated with the fungi and Aflatoxin (Fatih Ozbey and Bulent Kabak., 2012) (Shahzad et al. 2013), which grow well in temperature of 25-36C with relative humidity of 70-90% RH. (J.P.F. D’Mello et al. (1997)). They can potentially cause
consumers health problembadly. In a survey of food toxinsin Thailand, aflatoxin is reportedly found in dried peanuts, dried pepper, chili powder, garlics, onions and spices (Chakhriya Chalad and Sunanta Khongsai, 2011) These agriculatural products are mostly contaminated with aflatoxin B1, of which, the quantities are higher than the regulation of aflatoxin in food specified by the Ministry of Public Health (MOPH) (not exceed 20 ppb). The fungi detected in dried chillies, bean and corn is likely to be a toxic of Aflatoxin which impacts on consumer health. Aflatoxin formed in the fungi like Aspergillus flavus and Aspergillus parasiticus is mainly classified into four types: Aflatoxin B1, Aflatoxin B2, Aflatoxin G1 and Aflatoxin G2 (Michael J. Sweeney and Alan D.W. Dobson, 1998). If a quantity of this toxic group is accumulated in humans or animals enough to some extent, it will damage the gastrointestinal system causing lung abnormal, liver or kidney cancer (Hussein S. Hussein et al.,2001) .There have been reported that the relative
200
humidity level in the air can affect the growth of fungi. The research of Arundel was found that the fungi in the air grew well at relative humidity higher than 60% as shown in Figure 1. (Anthony V Arundel, 1986) When the relative humidity is higher, it can be seen that theamount of fungi and bacteria increase.The fungi and bacteria cannot grow when the humidity is in the range of 40-60%. Therefore, the relative humidity must be kept in this range for foods to be safe from fungi. As a result, the water activity (aw) in food is equal to the relative Figure 2 Cooling process and Dehumidification. humidity in the air. Control of relative humidity in the air is implemented by using vapor compressionsystem cooperated with an inverter unit in the Climate Controller System (CMU). (Thammanoon Sookchaiya et al., 2010) When the temperature of surface cooling coils decreases to the dewpoint, making water vapor in the air condensed to be water drops as shown in Figure 3. The amount of moisture condensed rate is more or less depends on the temperature of cooling surface coils, dew point temperature, the surface area of coil and air flow rate through the cooling coil surface. Figure 1 The range of the fungi growth in the air (Anthony V Arundel, 1986). The objective of this research was to control relative humidity and temperature (29-31) in storage and drying room, to evaluate the moisture condense rate of Climate Figure 3 Condensation on the surface cooling coil. Controller system. 2.2 Details and SystemOperation 2 Materials and Methods The operation can be explained by the diagram 2.1 Dehumidification shown in Fig. 4 showing the internal working system Dehumidification in this study depended on climate controlled by Micro Controller Unit (MCU) which trancontroller system or cooling process in evaporator set of smitsthe orders to the inverter to control the temperair-conditioner. The type of dehumidification or cooling ature and relative humidity inside storage and drying process can be described as shown in Figure 1. This is room. The MCU measures the temperature and the based on the principle that the condensation of drop relative humidity (Texp,%RH exp) inside the room and water at cooling coil reduces the temperature inside the compares the values with the preset relative humidity storage-drying room. As a result, the relative humidity of and temperature before the operation (Tset,% RHset).If the the air is low. relative humidity and temperatures exceed the setting values, MCU unit will turn on the compressor until the temperature and humidity are equal to the setting points and then the speed of the compressor begins to decline. 201
If the relative humidity in the air is lower than the preset value, the MCU will order the ultrasonic to operate in order to increase the quantity of water vapor in the air until it reaches the setting and then ultrasonic turns off. If the relative humidity in an air increases, the compressor will work longer. If the room temperature drops, the MCU will order the heating coils to operate to raise the temperature inside the room again until getting the preset range.
Figure 4 Functional diagram with MCU and DSP (Thammanoon Sookchaiya et al, 2010) As shown in Figure. 4, the performance assessment of the relative humidity and temperature controlled in the drying and storage room will use the condensed water on the cooling coils in air conditioning system being analyzed as follows: Moisture Condensation Rate (MCR) (Giovanni Angrisani et al. (2012))
Figure 5 shows adiagram of experimental devices for controlling humidity and temperature in the drying room of 16 m2 in size. The equipment climate control system in the air is installed with air conditioning system (12000BTU/hr), ultrasonic humidifier unit, heater coil (2kW). The inverter and MCU control the compressor of air conditioning system. (Thammanoon Sookchaiya et al.,2010) The testing was carried out durings 12AM - 8AM, in which, the outdoor temperature and outdoor relative humidity are highest in a day as shown Fig.6.The experiment is to control relative humidity in the room at 45%, 50% and 55%RH, with ambient temperature in a range of 28-31C. The temperature and relative humidity in the testing room is recorded using a data logger Wisco DL 2000 every second minute. The velocity of air into or out of the cooling coils is measured using Anemometer AM 4206 at 3m/s. The performance assessment of water vapor extraction in the air follows the equation (1-3), air flow rate through the cooling coil of 1,080kg /hr, the testing room is located at Rajabhat Rajanagarindra University in Chachoengsao province.
(1) MCR = mae (ei ea ) x 3600kg water/hr where MCR is the moisture condensation rate maeis rate of mass flow through the cooling coils ei is moisture entering cooling coils ratio eais moisture exiting cooling coils ratio The specific moisture condensation rate (SMCR) can be calculated as (Tao Zhang et al. (2012)) (2) SMCR= mae ( ei ea ) 3600 kgwater/kWh
Air-conditioner Climate controller system
Wnet
The specific energy consumption (SEC) can be calculated as kJ/kg (3) SEC = [Wnet 3600] [ mae ( ei ea )]
Where, Wnetis energy consumption 2.3 Experiment
Figure 5 Schematic diagram of the experimental setup
202
3 Results and Discussion Prior to experimentation, the outdoor weather conditions in the changes of temperature and humidity in the air every two minutes for 24 hours have ebeen recorded. The recorded outdoor relative humidity and temperature over 24 hours is depicted in Figure 7 As expressed, the maximum relative humidity occurs when the air temperature is at a minimum during time 5AM7AM. The results of relative humidity and temperature outdoor measured throughout 24 hours, shown in Fig.7, express that the maximum relative humidity, 80 %RH, occurs when the air temperature is minimum at 26ď&#x201A;°Cduring 5AM-6AM. On the other hand, the relative humidity value is minimum while the temperature is at maximum, especially during the afternoon (1PM-3PM) as in Fig. 7.The relative humidity is 50 %RH and temperature is at 32ď&#x201A;°C. After 3PM, it can be noted that the relative humidity is increasing since temperature is decreasing owing to the night time. These time periods are defined as period of testing time.
(a)
(b)
Figure 6 Profile of air temperature, relative humidity in Chachoengsao province. (C) The experimentalresults on the working with relative Figure 7 The relative humidity of the air at temperature of 28-30oC with the relative humidity setpoints humidity and temperature controlled by the proposed of (a)55%RH (b) 50%RH and (c) 45%RH climate control system together with air conditioning From Fig.7,there were 720 records of temperature system are shown in Figure 7 The test results are and relative humidity.From Fig.7(a), it can be seen that at obatained during 0AM-8AM. 55 %RH setpoint the system can hold the average temperature at 29.12ď&#x201A;°C while the maximum relative humidity of 56.82 %RH and the minimum of 53%RH, 55.03 %RH in average can be obtained.For a lower %RH 203
setpoint (50%RH), Fig.7(b), the relative humidity is in between 48.2%RH and 52.32%RH, at the average temperature of 29.32oC.In Fig. 7 (C), it showsthat the relative humidity controlled at the lowest (45%RH), the average is 45.8%RH with a minimum at 43.70 %RH and maximum at 47%RH at the same average temperature of 29.32oC. The average of temperature and relative
humidity in air is then used to calculate the moisture condensation rate (MCR) of air through the cooling coil in the air conditioning system as well as the energy consumption. The results givethat for the%RH setpoints at 55, 50 45%RH, MCR are 4.32, 4.75 5.83kgwater/h, SMCR is 3.6, 4.75 and 7.29kgwater/kWh and energy consumption is 1 0.75 and 0.49 MJ/kg, respectively.
Table 1 Experimental results of relative humidity and temperature control Experiment 45 %RH 50 %RH 55 %RH
Temperature Tout Tab Tset 30 29.30 15 30 29.32 15 30 29.12 16
% Relative Humidity RHab RHset RHout 70 46 79 71 51 80 70 56 71
Humidity ratio in out 0.0122 0.0082 0.0128 0.0084 0.0136 0.0081
4 Conclusions The climate control system in conjunction with air conditioning system is adopted to control temperature and relative humidity in drying and storage roomas desired conditions. The experimental results show that with the proposed system, the air relative humidity in the drying and storage room can be controlled with in 1.5 %RH from the set values of relative humidity at 55 50 and 45 %RH. The calculated moisture condense rates at the specified conditions are 4.32, 4.75 and 5.83 kgwater/h.The corresponding power consumptions are 1 0.75 and 0.49 MJ/kg, respectively. Controlling the air humidity results in the agricultural products stored in the room having lower water activity (aw) and fungi can not grow, which is essential in preventing Aflatoxin. 5 Acknowledgements The authorsare deeply grateful to the Energy Policyand Planning Office (EPPO), Ministry of Energy, Thailand for research funding. 6 References Anthony V Arundel.1986. Indirect Health Effects of Relative Humidity in Indoor Environments. Environment Health Perspective.65. 351-361 Chakhriya Chalad and Sunanta Khongsai. 2011. Micro organisms and Aflatoxin in Food Sold in Trang
MCRkgwater/h SMCRkgwater/kWh SECMJ/kg 4.32 4.75 5.83
3.6 4.75 7.29
1 0.75 0.49
Province. Journal of Rajamangala University of Technology Srivijaya. 4(2) : 56-69 Fatih Ozbey and Bulent Kabak. 2012. Natural cooccurrence of aflatoxins and ochratoxin A in spices. Food Control. Vol28. 354- 360. Giovanni Angrisani, Francesco Minichiello, Carlo Roselli, Maurizio Sasso. 2012. Experimental analysis on the dehumidification and thermal performance of a desiccant wheel. Applied Energy. Vol92. 573-572 Hussein S. Hussein, Jeffrey M. Brasel. 2001. Toxicity metabolism and impact of mycotoxins on hu-mans and animals. Toxicology. Vol 167. 101–134. J.P.F. D’Mello and A.M.C. Macdonald. 1997.Mycotoxins Animal Feed Science Technology Vol 69. 157-156. J. Khedari , A. Sangprajak and J. Hirunlabh, 2002, Thailand climatic zones. Renewable Energy, Vol 25, 267–280. Michael J. Sweeney and Alan D.W. Dobson. 1998. Review Mycotoxin production by Aspergillus Fusarium and Penicillium Species. International Journal of Food Microbiology .Food Control. 43. 141-143. Shahzad ZafarIqbal, Muhammad Ra fique Asi, Mohammad Zuber, Javed Akhtar and Muhammad Saif. 2013. Natural occurrence of aflatoxin sando chratoxin A in commercial chilli and chilli sauce samples. Food Control. Vol30. 621-625.
204
Tao Zhang, Xiaohua Liu, Jingjing Jiang, Xiaoming Chang, Yi Jiang. 2008. Experimental analysis of an internallycooled liquid desiccant dehumidifier. Building and Environment. Vol63. 7-9 Thammanoon Sookchaiya, VeerapolMonyakul and SirichaiThepa, 2010, Assessment of the thermal environment effects on human comfort and health for the development of novel air condtioning system in tropical regions, Energy and Buildings, Vol 42, 1692â&#x20AC;&#x201C; 1702
205
Examining How Agricultural Mechanization Was Won in Japan
PM-02
NOBUTAKA ITO 1
Faculty of Engineering, Chiang Mai University 239 Huay Kaew Rd. Suthep, Muang Chiang Mai 50200 Thailand
2
Corresponding author: NOBUTAKA ITO. E-mail: ito@eng.cmu.ac.th
Abstract Agriculture is one of the most important primary industries in most of the countries not only in Asia, but also in the world from the viewpoint of qualified food production with safety and quality enough to be competitive in the market. In Japan rice mechanization was mainly developed based on a small scale rice farming, It is meaningful to know and learn why it was highly developed and accomplished successfully in negotiating the problem of income increase of the farmers to promote the mechanization even under the policy of rice production control which has been continued almost more than half century since 1960 up to now due to the overproduction caused by the high-tech machine development and the reduction of domestic rice consumption, In this paper the historical and technological background of mechanization is introduced and discussed how it was negotiated and overcome including the national policy what should be done or shouldn't be done to make it successful promotion. In addition the importance of national agricultural policy is emphasized to show the direction to go correctly. Keywords: Japanese Agricultural mechanization, Historical background, Rice agriculture, High tech agriculture
1 Introduction After the world war II, US came to Japan and occupied Okinawa. In addition GHQ (General Head Quarter) was settled in Tokyo and controlled everything for seven years. One of the significant revolutionary events that US forced the Government of Japan was to release the farmlands owned by landowners and to provide them to the peasants with cheaper price almost equal to nothing, who had very small scale farmland and used to be hired by the landowner as the daily laborers. It looked good and epochal policy change from the democratic viewpoint so as the wealth should not concentrated to landowner and the rich because most of the peasants were poor due to less income to live on their own farm and enough to take care of family. In addition they had difficulty even for their children to complete the higher education especially in case of many numbers of them, therefore one of the most important maximum tasks for farmers is to increase the total income how it can be done. Unfortunately as far as
they are engaged in small scale farming, there may be upper limit of negotiation to overcome this issue in spite of a lot of effort making. On the other hand Japan was facing two issues to access 1) the rapid promotion of economy and its stabilization based on the industrialization and 2) the food production increase enough to feed the people under poverty and hunger. Rice was picked up and positioned as one of the most important main staple key food crops in Japan by the national government, therefore rice agriculture was exceptionally treated and actively promoted as one of the main national agricultural policy. In those days in 1950s, the rice agriculture was still depending mainly based on man power and animal power. Most of the farm operations were manually done from the stage of seed sowing, nursery plant growing, transplanting, weeding, fertilizer application to the stage of post harvesting such as processing and shipment to the government. After a while, three operations of transplanting, weeding and harvesting were coming up as the strong demands from farmerâ&#x20AC;&#x2122;s side for mechanization
206
from the viewpoint of releasing them from heavy physical labor work due to the difficulty in keeping the waist bending for a long time duration. The land preparation before rice transplanting such as tillage and puddling was completed by use of animal power mostly cow. Garden tractor such as Merry tiller and Sima was imported from USA and Switzerland respectively in which both of them were walk behind type machines with gasoline engine mounted as the first model of hand tractor which was popularly named power tiller later. In Thailand it was called Iron Buffalo which released buffalo from animal power farming. Then the rotary tiller was developed instead of pulling type tillage machine like plow which has been used as the most typical tilling equipment in Europe and US. The main background reason why the rotary was popularly accepted and took over the market might be depending on the continuous wide area coverage in one pass operation and simple mechanism of itself, so to speak the speedy operation in spite of the shallow depth of tillage. Later the gasoline engine as the prime mover was replaced by Diesel engine due to low price of fuel and its consumption compared to gasoline. Diesel engine is still mounted on most of the machines as the main power source even though some of them are being replaced by hybrid one from the eco-friendly point of view with less CO2 production. Most of the walk-behind type machines are mostly changed to the riding type ones. This means basically the drastic change from walking to riding. Now the time has come to the robotic machine going autonomously which is not necessary to ride even for operator, therefore the era is now coming to shift from riding to no riding which means no need to ride because the machine goes alone autonomously without driver. Technology has been developed and innovated rapidly in recent two to three decades. Now the time has come that the space technology should be necessarily applied to agriculture for food security especially focusing on safety and quality management in addition to enough
production to cover the drastically increasing world population. (Figure 1 and Figure 2) FARM MECHANIZATION STEPS POWER BASED 1. Man powered 2. Animal powered 3. Mechanical powered
Sickle, Hoe Pulling tool Power tiller, Tractor
OPERATION & MACHINE BASED 1. Walk behind machine Power tiller 2. Riding type machine Tractor, Combine, 3. Non-riding machine Automatic guidance AUTOMATED / AUTONOMOUS GUIDANCE BASED 1. Programmed (Assisted) Guidance Control 2. Sensor based Intelligent Guidance machine 3. Autonomous Guidance control by GPS/GIS
Figure 1 Farm mechanization steps classification MECHANIZATION BACKGROUND POST WWII Land release to peasant Food shortage Wheat import Rice Production increase
Social needs for food production National policy & leadership Transplanting Weed control Harvesting Bush cutting
Small tools for man & animal power Small power tiller development Priority order of Hard work Transplanter Herbicide for Weed control Binder, Thresher, Harvester, Tractor, Combine Riding type 4 WD tractor Combine harvester Straw processor
Figure 2 Mechanization background needs & steps 2 Rice Agriculture As already mentioned above, two things were aimed to achieve the targets: 1) to produce and supply food (mainly rice as staple food resource) enough to feed domestically first and 2) to promote the industrialization for making Japan as technology oriented country enough to maintain the powerful economy and its constant stability due to less amount of resources production. It can be found and understood from the facts that most of the raw materials come from outside including energy and food resources except rice. Basing on the import of raw materials from outside and export the value added products by highly advanced technologies, the powerful stability of national economy has been promoted
207
strongly up to now and this strategic policy must be continued toward the future. It can be said that the rapid development of industrialization accelerated the speed of farm mechanization, however the economic level of farmers were not enough to buy the tremendously expensive machines almost the same price of one passenger car. In case of car it can be used every day through whole year, but the availability of farm machinery is extremely less and limited just the season only, therefore the same price makes it different for farmers. One of the most important conditions to make farmers possible to purchase machines without difficulty is the income increase of them. Normally the preferred mechanization should follow the feed forward system concept by use of mutual relationship of increase between production and income by scale up of farming. It can be explained as follows that the production must be increased first, then the income can be increased in proportion to production, therefore the additional income increase can make farmers to scale up the agricultural business, then more production and income can be expected. Together with the scale up of farming, mechanization becomes needed. Simply to say the mechanization can be promoted based on the cyclic promotion of increase between production and scale up of farming, therefore the farmers must be rich economically enough to purchase the agricultural machines. How it can be done was a big problem. The farmer's choice was to find the part time / side job and increase the total income. If the farmer can get an additional side job he can get a constant additional amount of salary per month naturally. This amount of additional income makes farmer rich enough to buy machines. Even in Thailand some of the farmers go to Bangkok and work as taxi driver in off season of farming, however the part time job income should be stable and secured through whole year such as contract based salary. Figure 4 shows the 9 items to interfere the rice agriculture promotion by production control. It can be obviously found how much importantly and seriously the rice agriculture can be damaged, therefore this poor
policy shouldn't be applied except inevitable special case. NATIONAL AGRICULTURAL POLICY Production control due to Overproduction & Consumption decrease Part-time farmer increase due to low income caused by small scale family farming Full time / Part time =15% / 85%
Subsidy and support by Government To keep rice price high for farmers Consumer has to pay tax & buy expensive rice Most of tax go to support farmers Simple Machine Development Governmental Recommendation to develop simple machine, but No needs from both of farmers & industry
Figure 3 Rice agriculture change and National government policy “Stupid 9” in PRODUCTION CONTROL • • • • • • • • •
No long term policy No R&D Technology innovation No future successors are grown up No image up of agriculture No Agri. - business opportunity No encouragements to farmers No contribution to consumers No useful usage of budget No promotion of national economy
Figure 4 "Stupid 9" items in Rice production control 2.1 Small Scale Farming The average scale of rice farming in main land of Japan is much smaller compared to Europe and US nearly equal to one hectare or so in which the paddy field size is 100 m x 100 m =10,000m2. In addition the paddy field was not collected in the same territorial property. Even in case the total owned area is around something like that they were divided into small sections and located separately at random here and there. It became a big obstacle to promote the mechanization for large scale farming. Some of the farmers couldn't get in
208
their own paddy field easily and ask permission from the neighbor paddy field owner to go through. In addition the farm work operation must be always prepared and completed earlier than the neighbor farmers, otherwise no more opportunities come for completing the farm operation on time if missed once. The ratio of the percentage of professional farmers to part time farmers is almost 15 % to 85 %, therefore the majority is the part time farmers who are comparatively richer than professional ones due to the additional income obtained from part-time side job which makes them easier to buy machines. It can be therefore popularly seen in harvesting season of rice that many small combines are under harvesting operation in each individual part-time farmer's paddy field. This shows the difficulty for them to share the machine cooperatively because each of them wants to complete the operation timely on time on weekends or holidays. Part-time farmers are amateurs, not professionals, therefore they prefer more expensive machine equipped with automatic control system. Needless to say the automated one is more expensive than the one not equipped. It is obvious that the cheaper machines are mostly preferred, however especially part-time farmers prefer the automated one due to the lack of agricultural knowledge. One time in the past the national government requested the related industries to provide the machine with automated function removed for the purpose of lowering the price, however the majority of part-time farmers preferred the automated ones irrespective to the higher price. In addition even for the industry no needs were found to manufacture the unwelcome machines. Then this project was completely collapsed and stopped. Getting together with technology development and improvement of stable purchasing power of part-time farmers due to the excess income, the mechanization has been rapidly promoted. The acceptance of highly automated expensive machines by part-time farmers played an important role in improving the technology and quality level of products enough to compete in the world
market. This is good from the viewpoint of great achievement by injury. On the other hand two serious problems came out as follows. They are: 1) overproduction of rice with highly promoted mechanization and 2) the rice consumption decrease due to the reduction of rice eating population by the daily life change of style, especially younger generation who prefers modern fast foods such as bread & butter with milk, hamburger etc. to originally traditional ones like rice. Rice mechanization technology has been developed and innovated, however the environment surrounding rice agriculture was getting worse. The central government made the decision to control the total production of rice for keeping the rice price higher for farmers to get the same level of income, otherwise the rice price might be dropped drastically down and farmers become more difficult to live on farm if they are allowed freely to produce rice as it was before, however this governmental decision was a big mis-judgment of strategic policy setting, because the production control shouldn't be done for longer time. It must be just only for short term. In case of longer time settlement of this policy no business activity expansion could be found and all of the business related to rice agriculture were stopped and forbidden even research and development. The production control policy discouraged not only the farmers but also the industries because no business opportunities related to rice agriculture were lost. It made a big image down of agriculture as the hopeless primary industry sector, therefore no farmers were encouraged and hopeless, then no future successors were grown up. Farming population reduced drastically and more than a half of them are aged more than 65 years old impossible to engage physically in farming. National government finally made a decision to stop the production control policy within five years. This is not an active decision making by government, but the government was reluctantly forced to stop it, because no meaning could be found for further continuity except more demerits. The rice agriculture was completely destroyed by this stupid policy continued for almost a
209
half century. The most important point of the big mistake done by government was the protection of farmers by providing the subsidy under production control. It is not necessary to protect farmers, but agriculture must be protected strongly by technology innovation. The further detailed explanation is shown as follows. Protection of agriculture means that the agricultural products must be made more value added and high quality with reasonable price in addition to safety guaranteed for strengthening the competitiveness in the market. It is obviously well known that the production control shouldn't be applied for further improvement of the overproduction condition. It is a common sense that it shouldn't be continued for a longer time. The author can't understand why the government has continued such a stupid policy. No merits could be found to continue for more than 50 years. It is generally said that almost 4 trillion JPY was put for supporting agriculture to obtain a production of 8 trillion JPY. Most of the tax paid by the people belonging to the different sector from agriculture goes to support agriculture and the consumer has been forced to buy the expensive rice. This shows the meaning that the consumers have been forced to pay tax double or twice. First they pay tax to the government, however most of them go to agricultural sector for support. Secondly they are forced to buy more expensive rice additionally. It was a real fact that production control narrowed the road for budget acquisition to the related ministry and organization because of no activities needed under production control, therefore the government had to find and set some suitable target for the purpose of getting the budget. They set the emerging project for effective use of wetland paddy field under production control of rice, therefore it was extremely crisp bad description as explanation for better understanding of the reason why the project must be named for emergency. There could be found no consistency in logic in the relationship between the emergency project to develop new technology and the production control of rice because the policy and the objective of emergency project
promotion do not match conflicting with each other. It can be simply, but honestly explained that no possibilities of application of those newly developed technologies can be found under production control policy of rice. 2.2 Production Control (Fig.3 & Fig.4) Rice production control has been continued almost more than half century. It is normally known that this policy shouldn't be continued for longer time. It must be the temporary access to get out the bad economic condition, otherwise the business may be getting worse due to no income caused by production control. In addition it looks funny and unbelievable to support farmers without production activity. Support and subsidy should be actively done for encouraging farmers. Huge amount of subsidy was put in agriculture especially to support farmers economically by use of tax paid by the consumers, therefore the consumer was forced to pay tax double in addition to the purchase of expensive rice caused by production control. The followings were not actively promoted once the national policy was officially determined and shown such as research, technology development & innovation related to rice production. Then the amount of subsidy budget must be increased year by year. Farmers were forced to change the crops from rice to the others, otherwise the less amount of subsidy was provided. However the recommended crops such as soybean and wheat are not so much competitive and they needed the support too. In Thailand, the tax is imposed to the farmland owner if he/she is not growing anything and leaving it abandoned. This is the correct way to follow. By the production control policy the farmers were mentally discouraged and lost the hope to future rice agriculture, therefore the population of farmer was decreased annually and no future successor are grown up. More than a half of rice farmer population is aged over 65 years old and it became for them impossible to work physically anymore, therefore the production policy was finally decided to stop. Furthermore this policy lowered the image and impression of agriculture as the business and it became
210
no attractive job for younger generation. Needless to say the agricultural products are not competitive in the world market due to no strategy to make and promote agriculture for important sector of primary industry. How could it be done in this case? The following is the author's opinion. Under the situation of the overproduction and consumption decrease, the government should make efforts to find new market to increase the demand and consumption. 2.3 Simple Machine Development (Figure 3) Based on the rapidly promoted industrialization, new technologies were developed and innovated. Land reclamation project was also actively promoted under the leadership of national government for the purpose of making easier for the irrigation and drainage. Not only the shape but also the size of paddy field were neatly rearranged by collecting many various kinds of small paddy fields and making it the rectangular one to be suited with the large scale rice mechanization such as (100m x 50m) and (100m x 30m) mostly. Due to the low income of rice farmer, the possibility of getting a part time job for additional stable income increase was looked for, therefore the percentage of the part time farmers and full time ones are 85% and 15% respectively. This increase of part time farmers promoted the mechanization due the additional income increase, however the government didn't understand what is needed for both of the agricultural machinery industries and farmers as follows. It was understood that the price up of machines was caused by the additional device attachment for fully automation, therefore the cheaper price machine development was recommended and proposed without mounting these devices. Unfortunately this proposal was quitted in two to three years. Because majority of farmers are part timers and not professionals, therefore they wanted the automated machines for industries they didn't want to sell the wanted machines as far as the user's need in spite of expensive price. 2.4 Brand Product Development It is already emphasized that the production control should be stopped as soon as possible and promoted to
find the new market how the consumption and the demand could be increased for further promotion of rice agriculture. The above mentioned is the basic principle of economics to control the overproduction caused by the decrease of consumption and demand. The production control is one of the final choices to follow when no other ways could be found and even under this condition the duration should be limited as shorter as possible, otherwise it leads to the bankruptcy. The main reason why Japanese government could continue this policy is due to the utilization of the tax as already mentioned above. It is normally impossibly difficult for most of the private industry sectors to introduce the production control and keep the condition continuously for a long time. The following shows the importance of quick decision making and access based on the certainly outlook and judgment. It can be found from the fact what is going on outside Japan that the delayed decision making may possibly lead the farmers and national agriculture to the wrong direction with big loss and damage. Products must be value added by new technology development and innovation. For example SAKE and NIHONSHU are originally the same, however the former one is modified and improved foreign brand and the latter one is Japanese brand. Same thing can be found in case of beef, WAGYU and ĺ&#x2019;&#x152;ç&#x2030;&#x203A; respectively. The continuous effort to make the products to be grown up for a famous brand brings the successful result. It should be noted that success result doesn't come automatically without making effort from active own will. One of the most important things we learn from this fact is not to give up so easily and make effort to challenge for farmers and agriculture. The reasons why the production control has been continued more than a half century was mainly to protect small scale rice agriculture, therefore the government didn't want to do anything especially for rice production, even export and import. This attitude seemed to be conservative and not fair from the viewpoint of opening the market toward the future, therefore the minimum access rice import was forced to
211
setting and high quality control of products. Sooner or later this must be accomplished completely to achieve the final target under the condition of continuous business expansion and stability as far as agriculture is considered as one of the most important primary industry business sectors. Mechanization has therefore two important roles to play in production process: 1) 3 Role of Mechanization enough amount of production to access the demand to The final goal of mechanization to achieve is the supply timely with less energy, labor forces, higher product production with high quality controlled and productivity, low reasonable price by the application of safety guaranteed under the condition of minimum highly advanced precise control of operation with high energy saving and production cost, which can be accuracy and 2) satisfying the required condition of qualified enough to be competitive in the world market. uniform, value added, higher quality control with safety 3.1 Background guaranteed. It is already discussed as mentioned above Some of the group members of policy makers are that the upper limit could be found to satisfy the above insisting to provide the subsidy grant to the farmers who requirements as far as the farming scale is small, are still following production control and leaving the therefore it should be scaled up to make the final paddy field abandoned without cultivation. What is the products more competitive in the world market for the main reason why they strongly insist something like this survival as business industry. even after the final decision was already made by the 3.3 Agricultural Production System Shift central government how and which way the agriculture The past mechanization was developed based on the should be oriented from the growth strategic viewpoint MPS (mass production system) and most of the products for economic promotion. Subsidy grants to farmers have were mainly used for processed foods not for fresh been used politically always in the return of getting the market ones, therefore the agricultural production vote in the next election formerly, however it looks system has been changed from mass production system funny to see even now some of the politicians are still to FMS (flexible manufacturing system) already applied sticking to relentless for having such a way of thinking like car industry in recent three decades by mounting seemed to be mostly less effective anachronism. It is highly computerized hardware and software as well. obviously known that the production process must be There can be seen one of the most important different followed starting from man power, animal power, points in the subjective products between agriculture mechanical power not only agriculture, but also in the and industry. The industrial products are all normalized other industrial sectors. and standardized, however none of them can be found 3.2 Food Production Requirement for agricultural ones, in which they are all different in Then it must be unmanned and autonomously color, maturity, softness and hardness, size and location robotized at the final ultimate stage for highly uniform, of fruit hanging. Cereal crops like rice and wheat are quality and safety controlled products production with almost the same even for the different kinds of variety inexpensive price having more competitive marketing like Indica, Javanica and Japonica, They can be handled share in the world market for anyone can buy easily. It is using the same machine even though the minor part of naturally well known that there are two key factors mechanism may be changed or modified to meet the necessary to satisfy the basic requirements for marketing individual condition of properties of their own, therefore share expansion, in which they are reasonable price the cereal crops can be treated suited for mass Japan even though a huge amount of cars was exported to US. One of the village chiefs wanted to support the active rice farmers for more productions, however he was not elected in the next election. This shows even the leader can be resigned by the political majority irrespective to the main content of idea.
212
production system. On the other hand the vegetables and fruits have more wide range of category level even for the same kinds of fruit variety. In case of fruit harvesting, the past mechanical system followed to shake the trunk and limb to force all the fruits drop down and the selection was done after fruit collection, therefore some of the fruits were damaged and their level of maturity were different. Some of them were enough matured, but the others were not reached at the desired level expected, therefore two combined system was applied, firstly harvest all fruits and separate later. 3.4 Ultimate Stage of Mechanization (Figure 1) Naturally the harvested fruits are used mostly for processing, not fresh market due to the damage and the difference of maturity level. Harvesting operation by robot follows the different way of procedure, in which machine vision (robotic eye) system identifies and confirms the specified, required condition which fruit should be qualified enough to satisfy for harvest and only the qualified fruits are targeted and harvested. Robotic harvesting can identify and select the target fruit before harvest, therefore the system procedure is completely opposite compared to the past mechanical harvest and the productivity can be improved form the viewpoints of time, energy and total loss saving in additional operation for selection and value added product production in post harvest stage of procedure for fresh market. This is the reason why the agricultural robotization has been promoted especially for FMS suited minority crops like fruits and vegetable. The technology level for robotization is almost enough from the viewpoint of technologically feasible, however not from the one of socially acceptable yet due to product liability issue. This means that for further promotion of agricultural robotization, the technology must be an Appropriate Technology enough to satisfy two conditions mentioned above: 1) Technologically feasible and 2) Socially acceptable especially for mobile robotic machines like tractor and combine harvester going autonomously by itself, because once something like a serious accident occurred once, it may lead to the fatal
one, then the another problem may come out for compensation by whom and how it can be covered. It can be simply summarized that the role of mechanization is to achieve the final target of enough amount of production and supply of food with cheaper price and higher level of safety and quality guaranteed timely on demand to cover the issue of rapidly increasing human population worldwide. More precise control of operation must be needed to cover by the application of high technology to increase the productivity in total loss reduction such as separation and selection in post harvest which is not needed if the primary production could be completed before harvest such as the harvesting operation based on the identification and confirmation of target fruit before harvest. Then most of the additional operations in post harvest operation can be reduced in addition to the improvement of productivity by total loss reduction. 4 Conclusion The following conclusive summary could be derived from the discussion and the learning from the lesson how the agricultural mechanization was won successfully in Japan as the result fortunately under the long term of production control policy of rice continued more than a half century. - The strong social needs of increasing rice production as the main staple food was one of the first priority for national government to feed the people facing the hungry just after the World War II, however such an production exceeding greater than supply was neither expected and nor considered. - The policy was not suitably chosen, but laid so as to control the total production of rice to keep the rice price higher enough for farmers to live on farming in addition to the support of subsidy grant which was originally paid by the national tax payer of citizens, therefore the consumers were forced to pay double for tax first and to buy expensive rice for food second. - A very difficult situation was made by this policy setting even for the government, because the production
213
control means no needs for active budget proposal for nothing to produce except the subsidy grant for support. It looked funny and difficult in general to see the budget proposal for no production and maintenance of farmland not only in agriculture, but also in the other industry sector. Basically the farmland must be maintained under the responsibility of the individual landowner and the tax shouldn't be used for subsidy grant for the purpose of no production activity as the old saying says that the person not engaged with working equally shouldn't be allowed to eat. It looks difficult to understand why the farmers are supported in such a way without working even for farmland maintenance of their own. Thai national government policy is completely opposite and forces the farmers to pay tax if no cultivation is done and the farmland is left abandoned without growing anything. The farmland can be maintained better by cultivation than the one without cultivation. In addition more fees are needed for maintenance for the non-cultivated abandoned one. Production control should be applied just only for short term, not for loner one, otherwise the budget source must be exactly expected like tax with guaranteed. Huge amount of budget was put for promoting agriculture for the past five decades, however nothing beneficial could be obtained except the lesson learning that it shouldn't be repeated again. It is really the worst policy only for discouraging farmers with no more encouragement even in spiritually. - In parallel with the rapidly industrialization, mechanization has been much promoted, however the role of part-time farmers played to agricultural mechanization was great and important. The additional increase of monthly salary income obtained from side job made them rich not only to take care of family, but also enough to buy expensive automated machines personally. The demand to highly automated machines and functions from part time farmers forced the industry to develop the new path for robotization of agricultural machinery to compete and overcome for glorious victory in the world market.
- The global eyes on the community based agricultural mechanization toward the future robotization should be grown up and equipped for the achievement of regional economic promotion and sustainable development together with their constant stability, therefore the discussion focusing on the other type of agriculture such as hobby agriculture and environmental priority preservation agriculture was not done in this paper. - The population increase of part-time farmers with monthly salary payment guaranteed may have an important key for accelerating the speed of mechanizetion due to the increased income enough to buy machines comparatively easier, therefore the part-time job should be promising a whole year stable employment based on the contract, not seasonal and temporary ones. In concluding this section the following is the real background of high-tech machine development. It was unfortunate that high tech agricultural machine development project named â&#x20AC;&#x153;Emergent projectâ&#x20AC;? was started simply due to the difficulty for the related ministry to propose and get annual budget once the production control policy was officially settled as the policy. Because it means that no more reason to make budget proposal for no activities. It can be found that this new project was not started purely based on the future aspect discussion of national agriculture promotion viewpoint. The related section was forced to find how to get and keep the same level of budget as it was provided before under production control of rice. Most of the people were wondering how those developed technologies could be extended to the production controlled / almost abandoned paddy field on site. It was however fortunate to find the possibility that they could be possibly applied for Technology Transfer & Human Resources Development in collaboration & competition to ASEAN Economic Community for regional economy vitalization and peace keeping in Asia as one of the "ASEAN plus 3" countries. It should be keep in mind that this time the good result was derived how to apply
214
them, however needless to say the span strategic policy Nobutaka Ito (2016) Summarized wrap up, International Workshop on Climate Change Impact on Agriculture, should be prepared always IBIS Hotel, June 9-10, 2016, organized by Chiang Mai 5 Acknowledgment University, Thailand. The author would like to express his sincere thanks and appreciation to Dr. Nat Vorayos, Dean of Faculty of Engineering, Chiang Mai University, Dr. Komgrit Leksakul, Director of Research Administration Center, Chiang Mi University, Dr. Sermkiat Jomjunyong, Former Vice President of Research & Academic Services, Chiang Mai University, Thailand for their strong support and continuous encouragement in providing the valuable opportunity to join and present a paper. 6 References Nobutaka Ito (2015), How ASEAN Economic Community should play the Role for Asia Sustainability, Proceedings of The 5th International Conference on Green and Sustainable Innovation ICGSI 2015, p.O124, November 7 - 10, Pattaya, Thailand, Nobutaka Ito (2015), How much FEE we can pay for Sustainable Society Building, The 3rd International Conference on Sustainable Agriculture, Food and Energy, 17-20 November 2015, Nong Lam University, Hochiminh city, VIETNAM Sermkiat Jomjunyong & Nobutaka Ito: Rice is a Strategic Key Resource for ASEAN Economic Community (2016), Journal of Agriculture, Special issue, Faculty of Agriculture, Vol. 32, p. 35 ~ 42, January 2016. Nobutaka Ito (2016), Technology Overview for Asia Sustainability, the 2nd Asian International Workshop 2016 on Advanced Plasma Technology and Application, Major topics: Plasma Technology for Agriculture, Bio and Medicine, Abstract: page 23, Eastin Tan Hotel, Chiang Mai, Thailand, 22nd ~ 23rd, February 2016
215
PM-03
Mechanizing Paddy Transplanting Based SRI Muhammad Razif Mahadi1*, Aimrun Wayayok1, Muhammad Aslam Ujang1 1
Department of Biological and Agricultural Engineering, Faculty of Engineering, Universiti Putra Malaysia. Corresponding author: Muhammad Razif Mahadi. E-mail: razifman@upm.edu.my
Abstract System of Rice Intensification (SRI) focuses on planting of paddy on the field based on single seedling as the technique would allow for better root growth and more trees are developed. Then the seedlings are usually planted on the field with spacing from 25 mm to 50 mm between rows and inter rows. Originally SRI is implemented manually, which is laborious and time consuming. A total solution is currently under development at the Department of Biological and Agricultural Engineering. Initially, a dedicated SRI tray was developed and successfully patented. The tray consists of 914 cavities that have been optimized for single seedling growth. Next, an automated system is currently developed to automate the system, which would allow the seedling process to be done with the aid of a machine rather than manual. This paper describes the development works of mechanizing paddy transplanting based on SRI method. Keywords: Paddy; SRI; SRI-tray
1 Introduction In order to improve the production capacity of rice, innovation in the method of planting paddy on the field is required. Past studies indicated that single seedling transplanting produced better yield (Barison and Uphoff, 2010). According to Uphoff (2003), this method is gaining momentum and credence as probably 500,000 farmers in more than 20 countries are now using this method in raising their rice production, thereby reducing external inputs and production costs. Planting system based single seedling is also known as System of Rice Intensification (SRI). It is an alternative method for cultivating paddy, which has shown higher yield compared to conventional practice. Other than higher yield, the method also promotes less usage of seeds, less water requirement on the field, and applicable to any varieties of rice (Rahman 2015). In addition, the SRI practice is also environmental friendly. In more than 50 countries that have applied SRI, it was reported that a rate 30-50 percent decrease in water was used compared to growing the same varieties on the same soil under flooded conditions (Danielle, 2014). The major aim of SRI is to increase yield of field production
and the strategy is focused on adjusting the management practices, whereas seeds are planted at nursery and then transplanted on the field. A major factor to be considered, single seedling transplanting works by changing the management of the plants, soil, water and nutrients utilized in paddy rice production. Specifically, it involves transplanting single young seedlings with wider spacing, carefully and quickly into fields that are not kept continuously flooded, and whose soil has more organic matter and is actively aerated. These practices improve the growth and functioning of rice plants root systems and enhance the number and diversity of the soil biota that contribute to plant health and productivity (Stoop et al., 2002; Mishra et al., 2006; Uphoff et al., 2011). However, a seedling of this characteristic can only be obtained through the use of a convenient method such as the single seedling nursery tray. This tray is considered to be one of the innovations thereby enhancing the production of exactly one young, delicate, root free and healthy seedling in an independently separated media with a spacing of 15 x 15mm. Basically, the single seedling tray is a device for germinating paddy seeds.
216
Initially the seeds are incapsulated in a media for growth, then the mixture of seed and media are placed into the cavities of the tray (Bashar et al., 2014). The growth is monitored closely while they are in the nursery. Once the seedling growth has achieved the required limit, they will be transplanted on the field. Researchers at the Department of Biological and Agricultural Engineering, Universiti Putra Malaysia, has taken the SRI concept further by incorporated the best of SRI into a new mechanized system. A specific type single seedling paddy tray has been successfully designed and patented (Patent IP2013700745) (Wayayok et al., 2013). This tray is used as a new way of implementing SRI through mechanization. Here the tray has already been designed with a single cavity to accommodate single seedling. While the original SRI is laborious, the upgraded version developed here would reduce the burden on labor. Key to the development of mechanization concept based on SRI is on the development of a system to automate the process of placing the individual seed to the germination cells. The tray is the essential component in implementing this technique and to fully mechanized the system, firstly an automated seed placement mechanism is required. Because of the size and the number of individual cavities within a tray, there is a challenge in placing the seeds. If done manually, the process will be laborious. But there is an opportunity to fully mechanized the proces since the tray has provided a uniform structure. A viable approach is to develop a precise positioning mechanism that is able to position the seed automatically. 1.1 Objective The objective of this paper is to describe the development of paddy seedling germination system based on SRI.
2.1 Patented SRI Tray The patented single seedling nursery tray has a length of 635mm, width of 335mm and height of 40mm with open cavities dimensions; 15 mm x 15 mm. Every cavity is separated by a thin plate with thickness of 1mm with height at 30mm. A unique feature added to the tray is the sliding base plate that can be used to support/hold and quick released of the seedling for transplanting on the field (Figure 1).
Figure 1 The patented SRI Single Seedling Nursery Tray 2.2 Developed Seedling Germination Conveyor System An automated conveyor developed by Firdaus et al., (2015) that consisted of three stages (Figure 2). Stage 1 was the process of filling the tray with media to half of the cavity depth. The second stage 2 was the process of filling and inserting the seed into each cavity of the. The final stage was intended burying the seed with soil media in the cavity. Tray would stop exactly at the position to make sure the process ran smooth. Figure below shows the general motion concept of the automated conveyor. Initially, tray would enter the conveyor. The position sensor would sense the presence of the conveyor and send the signal to the stopper to stop the tray at the correct position and prepared for soil or seed placement. After each process was completed, the tray would move forward to the next stage and then the entire process would be repeated.
2 Materials and Methods The design for a seed placement system is based on two essential components, the tray for the seed to be germinated on a conveyor system that would be used to automate the placement. 217
any moment, it has a displacement ‘x’, velocity ‘v’ and acceleration ‘a’.
Figure 2 Stages on the conveyor systems. 2.3 Design Consideration for the Seed Placement System The requirement for this system is to make sure that the tray is at the right position at every stage. While the tray moves from one stage to another a stopper would be added. Another requirement was to move the positioning plate up and down. For this, several ideas had be synthesized. After some reviews on the mechanism, there were many ways to overcome this problem. But different method had shown different constraint. For example using cylinder to lift the plate, the design could increase cost of fabrication because cylinder and compressor are very expensive. Since what the design required is to have a quick return up and down movement, this can be accomplished by applying a scotch yoke mechanism. In scotch-york, the disk that provides rotational movement can be powered a motor, but at the same time a linear movement is translated due a slotted bracket. In general a scotch yoke mechanism is a combination of number of bodies assembled in such a way that the motion is used to convert the rotary motion into linear motion. As the crank rotates, the fixed link slides produced a linear motion. Between a scotch yoke mechanism and a slider crank mechanism, there is lesser moving parts and the movement is smoother. This mechanism is most commonly used in control valve actuators in high pressure oil and gas pipelines. The wheel revolves at ω radian/sec and the pin forces the yoke to move up and down. The shaft slides in the slot and the yoke oscillates up and down in the vertical direction only. The motion of shaft is simple harmonic motion. The rotation is measure from the horizontal position so the angle rotated in time t is ωt radian. At
Figure 3 General concept of skotch –york mechanism. 3 Results and Discussion 3.1 Conceptual Design of the Seed Placement System A conceptual design of the seed placement was developed by synthesizing several potential ideas. Upon evaluation, it was decided that the general form of the seeding mechanism should resemble a gantry configuretion with a single axis, operating on the vertical axis. The gantry would also hold other components such as the motors, controllers and the tray stopper. It was also determined that the overall dimensions of the gantry would be 1050 mm (height), 1300 mm (length) and 220 mm (width). Figure 4 shows the 3D model of the gantry system for the seed placement.
Figure 4 Conceptual design of the one-axis gantry for seed placement
218
Figure 5 shows the fabricated version of the gantry. In order to provide vertical movement, a Scotch-York mechanism concept was applied. An advantage of this mechanism, the motor would only rotate in one direction, but the vertical linear motion can go up and down without having the need for reverse polarity control on the motor. This would simplify the control algorithm and the system would be simple to maintain.
While the mechanical movement had been confirmed, simulations of movement with various angular velocities were determined. When the angular velocity was 10 rad/s, the component took more than 9.5 second to reach the a quarter cycle or half of the vertical movement (Figure 7). If the angular velocity was 20 rad/s, it took about 5 second to reach position (Figure 8). If the angular velocity was 30 rad/s the time for the system to reach half cycle or the complete vertical movement was only 9 seconds (Figure 9). Based on this analysis and the motor used for this test, the angular speed of 30 rad/s or equivalent to 286.48 RPM can be achieved, but more precise movement a high speed motor is recommended. Figure 10 shows the synchronization between the angular position of the disk to the displacement of the rod
Figure 5 Fabricated version of the gantry system 3.2 Positioning Analysis Figure 6 shows the position of top dead end and Figure 7 Displacement of the vertical axis based on bottom dead end respectively. Using a Vernier caliper to angular speed of 10 rad/s measure the top dead end and bottom dead end, the results were 360 mm for the top dead end and 460 mm for the bottom dead end and thus the actual displacement was 100 mm. Upon comparison between the designed and fabricated parts, both measurements confirmed the intended measurement.
Figure 8 Displacement of the vertical axis based on angular speed of 20 rad/s
Figure 6 Position of (a) Top dead end, (b) Bottom dead end on the scotch-york mechanism 219
Figure 9 Displacement of the vertical axis based on angular speed of 30 rad/s
Figure 10 Synchronization between the displacement and the scotch-york mechanism 4 Conclusions A seed placement system that can accommodate the requirement of the patented SRI tray is currently in progress. The current version concentrates on the mechanical parts to allow for automated seeding system to be established. There are several weaknesses that can be improved such as the height of the gantry may need to be lowered in order to improve stability and the base of the gantry may need to be adjustable. The next evolution is on the implementation of automation instrumentation on the system. 5 References Barison, J. and Uphoff, N. 2010. Rice yield and its relation to root growth and nutrient-use efficiency under SRI and conventional cultivation: an evaluation in Madagascar. Paddy and Water Environment, 9 (11): 65-78. Bashar, Z. U., Wayayuk, A., Amin, M.S.M., and Mahadi, R.M. 2014. Quality seed: An innovative sorting technique to
sustainable, uniform and effective seedling establishment in nursery for System of Rice Intensification. Journal of Agricultural Science, 6(7): 185-193. Mishra, B., Viraktamath, B., Ilyas Ahmed, M., Ramesha, M., and Vijayakumar, C. 2003. Hybrid rice research and development in India. In S. Virmani, C. Mao, & B. Hardy (Eds.), Hybrid rice for food security, poverty alleviation, and environmental protection. (pp. 265283). Proceedings of the 4th International Symposium on Hybrid Rice, 14-17 May 2002, Hanoi, Vietnam. Los BaĂąos (Philippines), International Rice Research Institute. Stoop, W.A., Uphoff, N., Kassam, A. 2002. A review of agricultural research issues raised by the system of rice intensification (SRI) from Madagascar: opportunities for improving farming systems for resource-poor farmers. Agricultural Systems, 71(3): 249-274. Uphoff, N. 2003. Higher yields with fewer external inputs: The System of Rice Intensification and potential contributions to agricultural sustainability. International Journal of Agricultural Sustainability, 1(1): 38-50. Uphoff, N., Kassam, A. and Harwood, R. 2011. SRI as a methodology for raising crop and water productivity: productive adaptations in rice agronomy and irrigation water management. Paddy and Water Environment, 9(1): 3-11. Mohd-Rosli, M-F, Mahadi, M.R. (2015). Initial Design of an Automated Systems for Paddy Seedling Placement in Germination Tray. Jurnal Teknologi, page 5. Wayayok A et al. (20140. Extensive usage of UPS SRI Single Seedling Nursery Tray. Lab 2 Market Executive Program, Universiti Putra Malaysia. Page 1-8.
220
SWE-01
Evaluation of Irrigation Area Potential of Mun River Basin, Northeast Region, Thailand Duangthip Rukanee1*, Songvoot Sangchan1 1
Faculty of engineering, King Mongkutâ&#x20AC;&#x2122;s Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok, 10520. Corresponding author: Duangthip Rukanee. E-mail: rukanee@gmail.com
Abstract At the present, water shortage for agricultural areas is still a major problem in Northeast region, Thailand. This study was to evaluate the potential irrigation area. Mun river basin was selected as the study area. The main factors were considered include: suitability area, water budget topography, land use, specific yield of runoff and etc. Geographic Information System (GIS) has been used for making the maps showing potential level of each factors in Mun river basin areas. From data collection, total area of Mun river basin is 70,279 km2. The entire basin can be classified in term of agricultural land, forest land, residential, water resources and other area and these classification were 73%, 31%, 3%, 1.5% and 6.3%, respectively. By used weighting method (10 to 20) and suitability score (1 to 4) of each criterions for evaluation of suitability area. The total score for land use, rainfall/ETo, specific yield, percentage of slope, soil salinity and distance from the river were 5, 4.98, 1.5, 3.38, 4.99 and 2.12. From the results of evaluation suitability area and using potential level maps, it will be served as a guide for planning the irrigation project in Mun river basin area. Keywords: potential irrigation area, suitability area, GIS
1 Introduction Water is an important element of all living things i.e. man, crops, and animals. As a matter of fact, water is an essential factor used for household consumption an agricultural purpose. The expansion and development of the community in relation to rapid social and economic growth results in an increase in needs for water. Dam construction is one way of water storage for agricultural purpose. However, feasibility study must be conducted for the assessment of appropriateness of the area where dam or irrigational project will be constructed. Mun river basin is in lower northeastern Thailand covering an area of 70,279 square kilometers having 14 tributaries. An amount of rainfall in this area is 1,296 mm. per year. Aside from being the forest and residential area, Mun river basin is an agricultural area covering 51,250.60 square kilometers but the water sources there only cover an area of 801.24 square kilometers. This study aimed to assess potential of the irrigational area in Mun river basin. GIS was used for indicating various indexes in the form of map. Results of the study
would be basic data for a planner of an irrigational project in Mun river basin. 2 Related Theories and Conceptual Framework 2.1 An amount of water needed by crops An amount of water needed by crops can be measured in many ways. Examples are using a bucket measuring water needed by crops, investigation of an amount of moisture in the soil, and investigation of an experimental plot. Each method has both advantages and disadvantages. Thus, the selection of each method depends on correct details, expenses, crop types, and other components. However, it is difficult to measure an amount of water needed by each crop type in all climate conditions, soil types, etc. At present, the computation of an amount of water needed by the reference crop is popular (Potential Evapotranspiration, ETp) in which the rate of an amount of water needed by a reference crop depends on the climate condition around the crop. The empirical formula used for the computation of ETp value needs
221
as the rate of water needed by the crop and an amount of rain. 2.3.4 An amount of specific yield It is an amount of rainfall in the river basin has a direct effect on an amount of water in the water source used for irrigation. Thus, to find the relationship of an ET = ETp x Kc (1) amount of water source in each period of time (statistical Where data) it must take at least 5 years for the accuracy. The ET = Evapotranspiration (mm/day) specific yield is the value of an average amount of water Kc = Crop coefficient in the water source occurring per a time unit per water ETp = Potential Evapotranspiration (mm/day) 2.2 Estimating the appropriates of an irrigational catchment area. This value will be variant based on the topographic condition of the water catchment area (isoarea The level of an irrigational area is based on the score yield). of total appropriateness of each weight factor in 2.3.5 The level of salinity in the area The soil in the area must be good at moisture accordance with the equation (2). holding, water drainage and a low level of ground water ∑ (2) table. In addition it must not be an acid or alkaline soil Where and the soil surface must not be eroded easily. S = The weight score of total appropriateness Wi = Weight of variable i 2.3.6 Regarding the current distance from the Fi = The score of appropriateness of factor water source of the irrigational site, it is found that the N = A number of factors 2.3 Factors on the estimation of appropriateness of irrigational site is not more than 6 kilometers away from a stream. an irrigational area 2.4 Principles of the consideration on an irrigational 2.3.1 Land Use project laying This must take consideration on size of the area The irrigational project is an agency and structure where crops are grown and a plan of the cultivation of each kind of crop. These data is essential to the providing water supply for cultivation and drainage. All estimation of needs for water of the crop. The planning irrigational projects have main component as follows: of land used can help effective existing water source water source, land, crops, project head, water supply system, and drainage system. Aside from the provision of using. water for cultivation, some irrigational project may have 2.3.2 Sloping A good irrigational area must have a smooth sloping; additional activities such as water storage and flood too much sloping may cause a problem in water prevention. The contemplation of an irrigational project drainage and erosion during the rainfall as well as needs to rely on various statistical data before the ineffective water supply. An appropriate area for the project implementation. The irrigational project is usually constructed in an arid area where it is far away from a big project site should have 0.1-5 percent sloping. 2.3.3 An amount of rainfall and respiration of the water source. reference crop An amount of rainfall during the cultivation season is not beneficial to all crops. The crops will store eater in the root in the level which is not dangerous to the crop. The ratio of rain used depends on many elements such data on climate conditions include that of Thornthwait, Blaney-Criddle, Makkink, Jensen-Haise, and Penman. To choose which formula must take consideration on job type, correctness of data, a tool used for measuring data, etc. To find an amount of water needed by any crop type, the equation (1) as shown below can be employed:
222
2.5 Conceptual Framework
3 Results and Discussions According obtained data used for the consideration of the irrigational project in terms of engineering, agriculture, and environment by using the (2) equation analysis, The study score of appropriateness of the irrigational area traits are shown in Table 1.
Figure 1 Conceptual Framework Table 1 Determination of weighting and score of appropriateness of the irrigational area Weight of the variable 15
Ranking
Variable
1
Land use
2
An amount of rainfall/an amount of ETo (mm.)
20
3
Specific Yield (Litre/second/km2)
20
Paddy field Crop Perennial Forest area and others
Total
4 3 2 1
1.01 0.88 1.60 1.49
More than 30 20-30 10-20 Less than 10
4 3 2 1
0.12 0.25 0.24 0.89
0-5 5-10 10-15 15-30
4 3 2 1
1.93 0.68 0.29 0.48
Total Percentage of sloping (percent)
Total score
4.7-5.2 4.2-4.7 3.7-4.2 3.2-3.7 Total
4
Score ranking based on appropriateness 4 3 2 1
Determined criteria
15
Total
3.94 0.90 0.01 0.15 5.00
4.98
1.5
3.38
223
Ranking
Variable
5
Level of soil salinity (percent)
Weight of the variable 20
Less than 1 1-10 10-50 More than 50
Score ranking based on appropriateness 4 3 2 1
0-3 3-6 6-9 More than 9
4 3 2 1
Determined criteria
Total 6
Distance of the stream (km)
10
Total
3.1 Land use The Mun river basin covers an area of 70,279 km2. This included forest are, agricultural area, residential area, and water source (15,425.72 km2, 51,250.64 km2, 1,559.17km2, and 801.24 km2, respectively), including an area for doing other activities (3,147.22 km2). According to Table 1, it was found that the highest score of the variable of hand use is rice growing (3.94) and followed by crop growing (0.90).
Total score 4.49 0.45 0.04 0.01 4.99 0.81 0.63 0.42 0.26 2.12
reach 3.7 â&#x20AC;&#x201C; 4.2 mm. (1.60 score), followed by 1.49, 1.01, and 0.88, respectively (Total score = 4.98).
Figure 3 Ratio of an amount of rainfall 3.3 An amount of specific yield of water in water source Figure 4 Shows that an average amount of water in water source of Mun river basin was 19,500 cubic meters per year. Based on the specific yield computation, it was equivalent to 38.87 liter/second/km2. Regarding Table 1, it was found that the score of an amount of specific yield of water in the water source was mostly more than 30 liters/second/ km2 and its score was equivalent to 0.12. An amount of specific yield was 20-30 liter/second/km2 and its score was equivalent to 0.24. Besides, an amount of specific yield was 10 liter/second/km2 and its score was equivalent to 0.89. The total score of an amount of specific yield was equivalent to 1.5.
Figure 2 Land use in Mun river basin 3.2 Ratio of an amount of rainfall and respiration of the reference crop According to climate data of Metrology Department, the distribution of rainfall range from 800 to 2,500 mm. and an average amount of rainfall was 1,266.1 mm. Respiration of the reference crop was obtained from the computation of climate data from equation (1) of Penman â&#x20AC;&#x201C; Monteith. The ratio of an amount of rain and respiration of the reference crop indicated an amount of water obtained from the nature and a tendency of needed for water of the crops in the study area. According to Table 1, it was found that a level of an amount of specific yield of water in the amount of rainfall and respiration of the reference crop Figure 4 An water source 224
3.4 Percentage of sloping in the area According to Figure 5, the sloping percentage in the area had an effect on the investment of the water supply system. Hence, sloping percentage must be considered as one factor. It can be seen that the area mostly had the sloping percentage at 0-5, followed by 5-10%, 1015%, and 15-30% respectively. According to Table 1, it was found that the score of sloping percentage in the study area has the sloping percentage at 0-5 which is equivalent to 1.93 score. The sloping percentage of the 5-10 area has 0.687 score. The sloping percentage of the 10-15 area has 0.29 score. The sloping percentage of the 15-30 area has 0.48 score. As a whole, the total score of sloping percentage is equivalent to 3.38.
Figure 5 Sloping percentage of the area 3.5 Salinity level of the area According the map of alkaline soil in northeastern Thailand of the Land Development Department, salt deposit was mostly found on the soil for less than 1 percent in the area coving 23,459.21 km2. This was followed by 1-10 percent coving an area of 2,335.35 km2; 10-50 percent covering an area of 207.25 km2; and more than 50 percent coving an area of 68.11 percent, respectively. As a whole, the salt deposit appears in the area of 26,069.92 km2. In other words, most of the alkaline soil areas were found in Nakhon Ratchasrima, Buriram, Roi-Et, Mahasarakham, and Khon Kaen provinces. The determination of area potential was classified into 4 parts: more than 50%, 10-50%, 1-10%, and less than 1% (Figure 6). According to Table 1, it was found that the levels of salinity in the soil are as followed: less than 1 percent (score = 4.49); 1-10 percent (score = 0.49); 10-50 percent (score = 0.04); and more than 50 percent (score = 0.01).
As a whole, the score of the level of soil salinity is equivalent to 4.99.
Figure 6 The level of soil salinity in the area 3.6 Distance from the stream or water source According to the map showing distance from the stream or water source, the study area condition in Mun river basin in mostly not more than 15 km. except in some parts (15-20 km.). Based on an analysis of the current irrigational area it was found that the irrigational area is for away from the stream for not more than 6 km. (Figure 7). According to Table 1, it was found that the score of the distance from the stream in the study area (0.3 km.) is 0.81; 3-6 km. is 0.63; 6-9 km. is 0.42; and more than 9 km. is 0.26. The total score of the level of soil salinity is equivalent to 2.12.
Figure 7 Distance from the stream or water source 4 Conclusions Regarding the contemplation of the irrigational area, various factors must be taken into consideration i.e. land use; an amount of rainfall; respiration of the reference crop; an amount of specific yield of water in the water source; sloping percentage of the area; the level of soil salinity; and distance from the stream or water source, respectively. The level of factor value appropriate with a guideline for irrigational area laying was classified into 4 levels: 1) inappropriate, 2) low level of appropriateness, 3) moderate level of appropriateness, and 4) high level of appropriateness.
225
According to results of the study, it was found that Nakhon Ratchasrima province has a highest level of the appropriateness, followed by Buriram and Surin province, respectively. This is because these provinces have 8002,500 mm. of an amount of rainfall and its sloping percentage is 5-10 or 23.16 percent covering an area of 16,276.62 km2. In addition, the percentage of soil salinity in these provinces is less than 1 except the area close to Khon Kaen and Chaiyaphum provinces (1-10 percent). Results of the study can be the data used for decisionmaking of the agricultural project in Mun river basin planner. 5 Acknowledgement This study could be made into shape due to kind support of Land Development Department and Royal Irrigation Department. Also thanks agricultural Engineering Division, Faculty of Engineering, King Mongkutâ&#x20AC;&#x2122;s Institute of Technology Ladkrabang for the provision of convenience to the researcher. 6 References Allen., R.G., L.S. Pereira., D. Raes. and M.Smith. 1998. Crop evapotranspiration guidelines for computing crop water requirements. Rome : Food and Agriculture Organization of the United Nations, Inc. Chang, Kang-tsung. 2002. Introduction to Geographic Information Systems. The McGraw-Hill Companies, Inc. Americas. Jensen., M.E., R.D. Burman. and R.G.AllenEds. 1989. Evapotranspiration and Irrigation Water Requirements. New York: American Society of Civil Engineers, Inc. Plisquellec, H., C.M. Burt and H.W. Wolter. 1994. Modern Water Control in Irrigation: Concepts, Issues and Applications. The World Bank., Washington D.C. Salman, A.Z., E.K. Al-Karablieh and F.M. Fisher. 2001. An inter seasonal agricultural water allocation system (SAWAS). Agricultural Systems 68, 233-252. Sethi, L.N., D.N. Kumar, S.N. Panda and B.C. Mal. 2002. Optimal crop planning and conjunctive use of water resources in a coastal river basin. Water Resource Management 16, 145-169. 226
NATIONAL CONFERENCE
227
TEE-01
การหาสภาวะที่เหมาะสมของการปรับสภาพฟางข้าวด้วยด่าง ณัฐพร ชัชวาลธาตรี1*, ธิราพร จุลยุเสน1 1
สาขาวิชาวิศวกรรมเกษตร, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี, นครราชสีมา, 30000 ผู้เขียนติดต่อ: ณัฐพร ชัชวาลธาตรี E-mail: chat.natthaporn@gmail.com
บทคัดย่อ ฟางข้าวเป็นวัสดุประเภทลิกโนเซลลูโลสที่มีโครงสร้างซับซ้อนประกอบด้วย 3 องค์ประกอบหลักคือ เซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส และลิกนิน การใช้ฟางข้าวเป็นวัตถุดิบสําหรับการผลิตน้ําตาลกลูโคสจําเป็นต้องมีการปรับสภาพเพื่อกําจัดลิกนินออก เนื่องจากลิกนิน เป็นตัวหลักในการขัดขวางการทํางานของเอนไซม์ที่ใช้ในการย่อยสลายเซลลูโลส งานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาหาสภาวะที่ เหมาะสมของการปรับสภาพฟางข้าวด้วยด่างโดยใช้วิธีการพื้นผิวผลตอบที่มีการออกแบบการทดลองแบบบ็อกซ์-เบห์นเคน และสร้าง แบบจําลองสําหรับทํานายปริมาณ glucan ในฟางข้าวที่ถูกปรับสภาพ ฟางข้าวถูกนํามาปรับสภาพด้วย 1-5% (w/v) NaOH ที่อุณหภูมิ 30-70°C เป็นเวลา 1-3 h ฟางข้าวก่อนและหลังการปรับสภาพถูกนํามาวิเคราะห์หาองค์ประกอบทางเคมีโดยใช้วิธีมาตรฐานของ National Renewable Energy Laboratory (NREL) พบว่าสภาวะที่เหมาะสมในการปรับสภาพฟางข้าวคือ ความเข้มข้น 1.2% (w/v) NaOH ที่อุณหภูมิ 70°C เป็นเวลา 1.7 h ทําให้ได้ปริมาณ glucan เท่ากับ 31% และ 55% ของน้ําหนักฟางข้าวก่อนและหลัง การปรับสภาพตามลําดับ ค่าความคลาดเคลื่อนของปริมาณ gluan ที่ได้จากการทดลองเทียบกับจากแบบจําลองอยู่ระหว่าง 0-2.6% แสดงให้เห็นว่าแบบจําลองสามารถนํามาใช้ในการทํานายปริมาณglucan ในฟางข้าวที่ถูกปรับสภาพได้ คําสําคัญ: ฟางข้าว, การปรับสภาพด้วยด่าง, กลูแคน
Optimization of alkali pretreatment of rice straw Natthaporn Chatchavanthatri1*, Tiraporn Junyusen1 1
School of Agricultural Engineering, Suranaree University of Technology, Nakhon Ratchasrima, 30000 Corresponding author: Natthaporn Chatchavanthatri. E-mail: chat.natthaporn@gmail.com
Abstract Rice straw is a lignocellulosic material which has a complex structure consisting of three main components including cellulose, hemicellulose and lignin. The use of rice staw as a raw material for glucose production, pretreatment is required to remove lignin which results in enhancing the glucose yield. The aims of this study were to optimize the alkali pretreatment condition of rice straw using Response Surface Methodology (RSM) with a Box-Behnken design and to develop the mathematical model for prediction of glucan yield in pretreated rice straw. Rice straw was pretreated with 1–5% (w/v) NaOH at 30–70°C for 1–3 h. The chemical compositions of native and pretreated rice straw were analyzed using standard methods of National Renewable Energy Laboratory (NREL). The results showed that desirable glucan yield of 31% and 55% based on original and pretreated of rice straw, respectively was achieved using the condition of 1.2% (w/v) NaOH, 70°C and 1.7 h. Percent error of glucan yield between experimental and model values ranged from 0–2.6%. Thus, it suggests that the developed model can be used to predict the amount of glucan in pretreated rice straw. Keywords: Rice straw, Alkali pretreatment, Glucan
1 บทนํา ฟางข้าวเป็นวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร เกษตรกรมักจะนําฟาง ข้าวไปใช้ทําปุ๋ย อาหารสัตว์ เครื่องใช้จักรสาน หรืออาจทําลายด้วย การเผาทิ้ง แต่หากมีการนําฟางข้าวมาเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์เพิ่ม
มูลค่า (value added products) ซึ่งนอกจากจะช่วยเพิ่มมูลค่า ให้กับฟางข้าวแล้วยังช่วยลดปัญหามลพิษให้กับสิ่งแวดล้อมด้วย ฟางข้าวจัดเป็นวัตถุดิบชีวมวลประเภทลิกโนเซลลูโลสที่มีโครงสร้าง ซับซ้อนและแข็งแรง ประกอบด้วย เซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส และ
228
เย็นและสูญญากาศ (Freeze dryer) จากนั้นถูกนํามาเก็บไว้ในตู้ดูด ความชื้น (Dessicator) 2.3 การหาส่วนประกอบ (Compositions analysis) ฟางข้าว (Native rice straw) และฟางข้าวที่ผ่านการปรับ สภาพ (Pretreated rice straw) ถูกนํามาหาส่วนประกอบทางเคมี ด้วยวิธีของ National Renewable Energy Laboratory (NREL) ดังนี้ ฟางข้าว(native rice straw) ขนาดน้อยกว่า 1.7 mm ถูกมา สกัดแบบต่อเนื่องด้วยน้ําเป็นเวลา 12 h และถูกสกัดต่อด้วยเอทา นอล 95% เป็นเวลา 12 h ฟางข้าวที่ผ่านการสกัดแล้ว (Extracted rice straw) จะถูกระเหยน้ําออกที่อุณหภูมิห้องก่อนเก็บไว้ใน ภาชนะปิดสนิท Extracted rice straw และ Pretreated rice straw ถูกนํามา ย่อยด้วยกรดซัลฟูริกเข้มข้น (72% H2SO4) ที่อุณหภูมิ 30°C เป็น เวลา 1 h จากนั้นเติมน้ํากลั่นเพื่อเจือจางกรดซัลฟูริกให้มีความ เข้มข้น 4% นําของผสมเข้าหม้อนึ่งฆ่าเชื้อ (Autoclave) ที่อุณภูมิ 121°C ความดัน 15 psi เป็นเวลา 1 h จากนั้นนํามากรองเพื่อแยก ของแข็งและของเหลว ส่วนที่เป็นของแข็งจะถูกทําให้เป็นกลางด้วย น้ํากลั่น แล้วมาอบแห้งที่อุณหภูมิ 105°C เป็นเวลา 4 h และนําไป เผาที่ 520°C เป็นเวลา 18 h เพื่อหาปริมาณลิกนิน (Acid insoluble lignin, AIL) และส่วนที่เป็นของเหลวจะถูกแบ่งเพื่อใช้ หาปริ ม าณน้ํ า ตาลและปริ ม าณลิ ก นิ น ที่ ล ะลายในกรด (Acid soluble lignin, ASL) การหาปริมาณน้ําตาล ของเหลวถูกนํามา ปรับสภาพให้เป็นกลางด้วย แคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) และ นํ าไปหาปริ มาณน้ํ าตาลด้ วยเครื่ องไอออนโคมาโตกราฟฟี (Ion chromatography) สําหรับการหาปริมาณลิกนิน (Acid soluble lignin) ของเหลวจะถูกนําไปหาค่าการดูดกลืนแสงด้วยเครื่องสเปก โตรโฟโตมิเตอร์ (Spectrophotometer) 2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.4 ก า ร อ อ ก แ บ บ ก า ร ท ด ล อ ง แ ล ะ วิ เ ค รา ะห์ ท า ง ส ถิ ติ 2.1 การเตรียมฟางข้าว (Rice straw preparation) (Experiment design and statistic analysis) ฟางข้าว (Native rice straw) ถูกนํามาบดและคัดแยกขนาดให้ การศึกษาหาสภาวะที่เหมาะสมของการปรับสภาพฟางข้าวด้วย มีขนาดน้อยกว่า 1.7 mm จากนั้นฟางข้าวจะถูกเก็บไว้ในภาชนะ ด่างจะใช้การออกแบบการทดลองแบบ Box-Behnken โดยใช้ พลาสติกปิดสนิทสําหรับรอการทดลองในขั้นต่อไป โปรแกรม Minitab Version 16 ซึ่งมีปัจจัย 3 ปัจจัยได้แก่ ความ 2.2 การปรับสภาพ (Pretreatment) เข้มข้นของด่าง อุณหภูมิ และเวลา รูปแบบการทดลองจะมีทั้งหมด ฟางข้าว (Native rice straw) ขนาดน้อยกว่า 1.7 mm ถูก 15 การทดลอง ดังแสดงใน Table 1 ผลการทดลองที่ได้ จะถูก นํามาปรับสภาพด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์ความเข้มเข้น 1-3% (3% นํามาวิเคราะห์หาความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรต้น (ความเข้มข้น solid loading) ที่อุณหภูมิ 30-70°C เป็นเวลา 1-3 h ใน shaking ของด่าง อุณหภูมิ และเวลา) และตัวแปรตาม (ปริมาณกลูแคน) water bath ที่มีความเร็วรอบ 100 rpm จากนั้นนําของผสมมา รวมทั้งสร้างสมการทางคณิตศาสตร์เพื่อใช้ในการทํานายปริมาณ กรองด้วย gooch crucible ขนาด pore size 13 μm ฟางข้าวที่ กลูแคนที่ได้จากการปรับสภาพฟางข้าวด้วยด่าง ผ่านการปรับสภาพ (Pretreated rice straw) ถูกทําให้เป็นกลาง ด้วยน้ําสะอาดและผ่านการอบแห้งด้วยเครื่องทําแห้งภายใต้ความ
ลิ ก นิ น การนํ า วั ต ถุ ดิ บ ลิ ก โนเซลลู โ ลสมาใช้ ใ นกระบวนการที่ เกี่ยวข้องกับการย่อยสลาย (hydrolysis) ด้วยเอนไซม์จะต้องมีการ ปรับสภาพ (pretreatment) วัตถุดิบก่อน (Cara et al., 2006) ซึ่ง การปรั บ สภาพจะมี ทั้ ง ทางด้ า นกายภาพ เคมี และชี ว ภาพ จุดประสงค์ของการปรับสภาพนั้นเพื่อเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบ ภายในโครงสร้างของพืชส่งผลให้ความสามารถในการทํางานของ เอนไซม์เพิ่มขึ้นเพื่อนําไปใช้ในกระบวนการต่อไป (Mosier et al., 2005) การปรับสภาพวัตถุดิบทางเคมีโดยใช้ด่างเป็นวิธีที่ไม่ซับซ้อน อี ก ทั้ ง ยั ง ช่ ว ยเพิ่ ม รู พ รุ น และพื้ น ที่ ผิ ว ภายในวั ตถุ ดิ บ เนื่ อ งจาก วัตถุดิบจะเกิดการบวมพอง ทําให้ค่า degree of polymerization ลดลง ส่งผลให้โครงสร้างและพันธะที่เชื่อมต่อกันอยู่ระหว่างลิกนิน และเฮมิเซลลูโลสถูกทําลาย (Balat et al., 2008) ซึ่งช่วยกําจัด ลิกนินที่ห่อหุ้มเซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลส เนื่องจากลิกนินเป็นตัว หลักในการขัดขวางการทํางานของเอนไซม์ที่ใช้ในการย่อยสลาย เซลลูโลส อย่างไรก็ตามการปรับสภาพในสภาวะที่มีความรุนแรงต่ํา อาจกําจัดลิกนินออกไปได้เพียงบางส่วน ส่งผลให้การทํางานของ เอนไซม์ไม่เต็มประสิทธิภาพ หรือการปรับสภาพในสภาวะที่มีความ รุ นแรงสู งเกิ นไปอาจทํ าลายเซลลู โลสบางส่ วน ทํ าให้ ได้ ผลผลิ ต น้ําตาลกลูโคสในปริมาณต่ํากว่าที่ควร การหาสภาวะที่เหมาะสมใน การปรับสภาพจึงมีความสําคัญอย่างยิ่ง เพื่อจะสามารถช่วยเพิ่ม ผลผลิตน้ําตาลกลูโคสได้มากขึ้น ดั ง นั้ น งานวิ จั ย นี้ จึ ง มี วั ต ถุ ป ระสงค์ เ พื่ อ ศึ ก ษาหาสภาวะที่ เหมาะสมของการปรับสภาพฟางข้าวด้วยด่างโดยใช้วิธีการออกแบบ การทดลองแบบบ็อก-เบห์นเคน (Box-Behnken) และสร้างสมการ ทางคณิตศาสตร์สําหรับทํานายปริมาณน้ําตาลกลูโคสที่ได้จากการ ย่อยสลายเซลลูโลสด้วยกรด
229
Table 1 Box-Behnken experimental design.
3 ผลและวิจารณ์ 3.1 ส่วนประกอบทางเคมีของฟางข้าว (Chemical compositions of rice straw) การวิเคราะห์หาส่วนประกอบทางเคมีของฟางข้าวด้วยวิธีของ NREL (Sluiter et al., 2011) พบว่าฟางข้าวก่อนการปรับสภาพ (native rice straw) มีปริมาณกลูแคน (glucan) ไซแลน (xylan) ลิกนิน (lignin) เถ้า (ash) และ extractives โดยเฉลี่ยเท่ากับ 34.4 18.3 13.5 15.8 และ 12.2% ตามลําดับ ดังแสดงใน Table 2 จาก ผลการทดลองนี้สอดคล้องกับผลงานวิจัยของนักวิจยั หลายท่าน เช่น Kim et al. (2012) ได้รายงานว่าฟางข้าวมีปริมาณกลูแคน ไซแลน
และลิกนิน โดยเฉลี่ยเท่ากับ 36.5 20.8 และ 16.9% ตามลําดับ อย่างไรก็ตาม Deng et al. (2007) และ Sangnark et al. (2004) พบว่าฟางข้าวมีปริมาณกลูแคนเฉลี่ยสูงถึง 44.0% ปริมาณไซแลน และลิ ก นิ น เฉลี่ ย ประมาณ 20.1-26.0% และ 18.0-19.0% ตามลําดับ ทั้งนี้วิธีการทดลองและวัตถุดิบเริ่มต้นของแต่ละงานวิจัย อาจมีความแตกต่างกัน ซึ่งส่งผลให้ปริมาณส่วนประกอบทางเคมี ของฟางข้าวแตกต่างกันไป 3.2 ผลกระทบของการปรับสภาพฟางข้าวด้วยด่าง (Effect of alkali pretreatment of rice straw) 3.2.1 การเปลี่ ย นแปลงส่ ว นประกอบทางเคมี (Chemical compositions change) Table 3 แสดงปริมาณของแข็ง ลิกนิน และเถ้าที่ถูกกําจัดออก จากฟางข้ าวโดยการปรั บสภาพด้ วยด่ างมี ค่ าอยู่ ระหว่ าง 27.655.1% 20.1-65.1% และ 30.4-81.2% ตามลํ า ดั บ จากผลการ ทดลองแสดงให้เห็นได้ว่า ปริมาณส่วนประกอบที่ถูกกําจัดออกนี้ แปรผันโดยตรงกับระดับความรุนแรงของสภาวะการปรับสภาพ ซึ่งสอดคล้องกับผลงานวิจัยของ Kim et al. (2012) และ Ko et al. (2009) โดยได้รายงานว่าการเพิ่มความรุนแรงของสภาวะในการ ปรับสภาพด้วยด่าง เช่น เพิ่มความเข้มข้นของด่างส่งผลให้ลิกนินถูก กํ าจั ดออกได้ มากขึ้ น การปรั บสภาพวั ตถุ ดิ บ ด้ วยด่ างที่ มี ค วาม เข้มข้นปานกลาง แต่ใช้อุณหภูมิสูงและเวลานาน ทําให้ลิกนินถูก กําจัดออกมากขึ้นเช่นกัน Zhu et al. (2005) ได้ศึกษาผลของเวลา ที่ใช้ในการปรับสภาพวัตถุดิบด้วยด่างที่ความเข้มข้นเท่ากันพบว่า เวลามีผลต่อการกําจัดลิกนินออกด้วย
Table 2 Chemical compositions of rice straw. All values are calculated as percent dry-weight of original biomass. Biomass Rice straw
Glucan 34.4 ± 1.3
Compositions (%) Lignin 13.5 ± 0.1
Xylan 18.3 ± 2.9
Ash 15.8 ± 0.1
Extractives 12.2 ± 2.0
Table 3 The solid, lignin and ash removal of pretreated rice straw. NaOH (%) 3.0 1.0 3.0 5.0 1.0 5.0 5.0
Temperature (°C) 50.0 70.0 70.0 50.0 50.0 50.0 70.0
Time (h)
Solid 44.7 42.8 50.4 50.8 38.0 41.1 47.0
2.0 2.0 1.0 3.0 3.0 2.0 1.0
230
Removal (%) Lignin 47.0 45.6 58.3 55.0 32.7 41.8 46.7
Ash 60.9 70.1 76.2 73.5 61.5 47.8 63.3
NaOH (%) 3.0 5.0 3.0 1.0 3.0 3.0 1.0 3.0
Temperature (°C) 70.0 50.0 50.0 30.0 30.0 30.0 30.0 50.0
Time (h)
Solid 51.8 55.1 45.1 31.4 31.7 37.2 27.6 44.8
3.0 2.0 2.0 1.0 1.0 3.0 2.0 2.0
3.3 การหาสภาวะที่เหมาะสมในการปรับสภาพฟางข้าวด้วยด่าง (Optimization of alkali pretreatment of rice straw) งานวิจัยนี้ได้ออกแบบการทดลองแบบ Box-Behnken ผลการ ทดลองที่ได้ถูกนํามาวิเคราะห์หาความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรต้น (ความเข้ ม ข้ น ของด่ า ง อุ ณ หภู มิ และเวลา) และตั ว แปรตาม (ปริมาณกลูแคน) ดังแสดงใน Table 4 สภาวะการปรับสภาพฟาง ข้าวที่ 1% NaOH 30ºC 2 h ทําให้ได้ปริมาณ glucan สูงที่สุด เท่ากับ 33.9% ของน้ําหนักฟางข้าวก่อนปรับสภาพ การปรับสภาพ ฟางข้าวที่ 5% NaOH 70ºC 2 h พบว่ามีปริมาณ glucan เหลือ เพียง 28.1% ของน้ําหนักฟางข้าวก่อนปรับสภาพ นั่นแสดงให้เห็น ว่า glucan บางส่วนถูกทําลายไประหว่างการปรับสภาพ อย่างไรก็
Removal (%) Lignin 65.1 65.0 47.0 28.0 32.2 39.2 20.1 47.0
Ash 74.6 81.2 64.7 51.8 41.3 50.2 34.4 61.9
ตามเมื่อเทียบกับน้ําหนักฟางข้าวหลังการปรับสภาพพบว่าปริมาณ glucan ที่ได้สูงที่สุดเท่ากับ 62.6% การปรับสภาพทําให้โครงสร้าง ที่แข็งแรงของฟางข้าวถูกทําลาย ลิกนินและเฮมิเซลลูโลสถูกกําจัด ออกซึ่งมีผลทําให้ปริมาณ glucan ของน้ําหนักฟางข้าวหลังการปรับ สภาพเพิ่มมากขึ้น ผลการทดลองนี้สอดคล้องกับงานวิจัยของ Kim et al. (2012) ซึ่งพบว่าปริมาณ glucan ที่ได้หลังจากการปรับ สภาพนั้ นขึ้ นอยู่ กั บความรุ นแรงของสภาวะการปรั บสภาพ การ วิเคราะห์หาสภาวะที่เหมาะสมของการปรับสภาพฟางข้าวด้วยด่าง สามารถสร้างสมการทํานายปริมาณ glucan เมื่อเทียบกับน้ําหนัก ของฟางข้าวก่อนการปรับสภาพ (1) และเมื่อเทียบกับน้ําหนักของ ฟางข้าวหลังการปรับสภาพ (2) ได้ดังนี้ (1) (2)
โดย Y คือ ปริมาณ glucan, X1 คือ ความเข้มข้นของด่าง, X2 คือ อุณหภูมิ และ X3 คือ เวลา ปริมาณ glucan ที่ได้จากการ ทดลองเมื่อเปรี ยบเทียบกับค่าที่ ได้จากการทํานายโดยใช้สมการ ข้างบนนี้มีความคลาดเคลื่อนอยู่ระหว่าง 0-2.6% จากการหาสภาวะ Table 4 Experimental factors and glucan yield. NaOH (%)
Temperature (°C)
Time (h)
3.0 1.0 3.0 5.0 1.0 5.0 5.0
50.0 70.0 70.0 50.0 50.0 30.0 50.0
2.0 2.0 1.0 3.0 3.0 2.0 1.0
ที่ เหมาะสมของการปรั บสภาพฟางข้ าวด้ วยด่ างพบว่ าที่ สภาวะ 1.2% NaOH 70ºC 1.7 h ทําให้ได้ปริมาณ glucan เท่ากับ 31% และ 55% ของน้ําหนักฟางข้าวก่อนการปรับสภาพและหลังการ ปรับสภาพตามลําดับ % Glucan
base on pretreated solid Experimental Predicted 53.6 53.6 55.7 54.9 56.5 56.3 56.8 55.8 50.6 50.2 48.3 49.1 52.8 53.3
231
base on original rice straw Experimental Predicted 29.7 29.7 31.9 31.3 28.1 28.4 28.0 27.7 31.4 31.3 28.5 29.1 28.0 28.1
NaOH (%)
Temperature (°C)
Time (h)
3.0 5.0 3.0 1.0 3.0 3.0 1.0 3.0
70.0 70.0 50.0 50.0 30.0 30.0 30.0 50.0
3.0 2.0 2.0 1.0 1.0 3.0 2.0 2.0
% Glucan base on pretreated solid Experimental Predicted 58.3 59.5 62.6 62.4 53.6 53.6 48.2 49.2 48.4 47.1 47.3 47.5 46.8 47.0 53.6 53.6
4 สรุป การปรับสภาพด้วยด่างมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างทาง เคมีของฟางข้าว ปริมาณของแข็ง ลิกนิน และเถ้าที่ถูกกําจัดออก ขึ้นอยู่กับระดับความรุนแรงของสภาวะการปรับสภาพที่ใช้ อย่างไร ก็ตามที่สภาวะการปรับสภาพที่ไม่รุนแรงส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลง ปริมาณ glucan เพียงเล็กน้อย สภาวะที่เหมาะสมของการปรับ สภาพฟางข้าวด้วยด่างคือ 1.2% NaOH ที่อุณหภูมิ 70°C เป็นเวลา 1.7 h ซึ่งทําให้ได้ปริมาณ glucan เท่ากับ 55% ของน้ําหนักฟาง ข้าวหลังการปรับสภาพ ปริมาณ glucan ที่ได้จากการทดลอง เปรี ย บเที ย บกั บ ค่ า ที่ ไ ด้ จ ากการทํ า นายโดยใช้ ส มการมี ค วาม คลาดเคลื่อนอยู่ระหว่าง 0-2.6% 5 กิตติกรรมประกาศ คณะผู้วิจัยขอขอบพระคุณศูนย์ความเป็นเลิศด้านชีวมวล และ มหาวทิยาลัยเทคโนโลยีสุรนารีที่ได้สนับสนุนงบประมาณที่ใช้ในการ วิจัย รวมทั้งสถานที่และอุปกรณ์ต่างๆ 6 เอกสารอ้างอิง Balat, M., Balat, H., Öz, C. 2008. Progress in bioethanol processing. Progress in Energy and Combustion Science 34, 551-573. Buranov, A. U., Mazza, G. 2008. Lignin in straw of herbaceous crops. Journal of Industrial crops and products 28, 237-259. Cara, C., Ruiz, E., Ballesteros, I., Negro, M., and Castro, E. 2006. Enhanced enzymatic hydrolysis of olive tree wood by steam explosion and alkaline peroxide delignification. Process Biochemistry 41, 423-429. Cheng, J., Su, H., Zhou, J., Song, W., Cen, K. 2011. Microwave-assisted alkali pretreatment of rice straw to promote enzymatic hydrolysis and hydrogen
base on original rice straw Experimental Predicted 28.1 28.8 28.1 27.7 29.7 29.7 33.1 33.3 32.8 32.2 29.7 29.4 33.9 34.3 29.7 29.7
production in dark- and photo-fermentation. Journal of Hydrogen energy 36, 2093-2101. Deng, L., Wang, Y., Zhang, Y., Ma, R. 2007. The enhancing of ammonia pre-treatment on the fermentation of rice straw hydrolysate to xylitol. Journal of Food biochemistry 31, 195-205. Johar, N., Ahmad, I., Dufresne, A. 2012. Extraction, pretreatment and characterization of cellulose fibres and nanocrystals from rice straw. Journal of Industrial Crops and Products 37, 93–99. Kim, I.G., Han, J.I. 2012. Optimization of alkaline pretreatment conditions for enhancing glucose yield of rice straw by response surface methodology. Journal of Biomass and Bioenergy 46, 210–217. Ko, J.K., Bak, J.S., Jung, M.W., Lee, H.J., Choi, I.G., Kim, T.H. 2009. Ethanol production from rice straw using optimized aqueous-ammonia soaking pretreatment and simultaneous saccharification and fermentation processes. Journal of Bioresource Technology 100, 4374–4380. Liang, Y.G., Cheng, B., Si, Y.B., Cao, D.J., Nie, E., Tang, J., Liu, X.H., Zheng, Z., Luo, X.Z. 2014. Physicochemical changes of rice straw after lime pretreatment and mesophilic dry digestion. Journal of Biomass and Bioenergy 71, 106–112. Mosier, N., Wyman, C., Dale, B., Elander, R., Lee, Y. Y., Holtzapple, M., and Ladisch, M. 2005. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology 96, 673-686.
232
Sangnak, A., Noomhorm, A. 2004. Chemical, physical and baking properties of dietary fiber prepared from rice straw. Journal of Food research international 37, 66â&#x20AC;&#x201C;74. Sluiter, A., Hames, B., Ruiz, R., Scarlata, C., Sluiter, J., Templeton, D., Crocker, D. 2011. Determination of structural carbohydrate and lignin in biomass. National Renewable Energy Laboratory, July. Report no.TP-510-42618. Zhu, S., Wu, Y., Yu, Z., Chen, Q., Wu, G., Yu, F., Wang, C., Jin, S. 2006. Microwave-assisted alkali pre-treatment of wheat straw and its enzymatic hydrolysis . Journal of Biosystems engineering 94, 437â&#x20AC;&#x201C;442.
233
TEE-02
ผลของการทําแห้งแบบลมร้อน ฮีทปั๊มและห้องควบคุมสภาวะอากาศที่มีต่อคุณภาพของฝอยทองกรอบ ธัชพงษ์ พงศ์สุทธิยากร1*, วสันต์ อินทร์ตา1, พิมพ์เพ็ญ พรเฉลิมพงศ์1, Amrit Shrestha2 1
ภาควิชาวิศวกรรมอาหาร คณะวิศวกรรมศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง, กรุงเทพฯ, 10520 ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร คณะวิศวกรรมศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง, กรุงเทพฯ, 10520 ผู้เขียนติดต่อ: ธัชพงษ์ พงศ์สุทธิยากร E-mail: tpsky.7@gmail.com
2
บทคัดย่อ ฝอยทองเป็นขนมไทยที่ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลาย ฝอยทองมีส่วนประกอบคือไข่แดงและน้ําตาลเป็นหลัก เนื่องจากมี อายุการเก็บที่สั้นจึงนํามาอบให้สามารถเก็บได้นานขึ้น โดยทั่วไปการอบแห้งฝอยทองทําให้สี เนื้อสัมผัส กลิ่นและความกรอบของ ฝอยทองมีการเปลี่ยนแปลง ในงานวิจัยนี้ได้ศึกษาการอบแห้งด้วยลมร้อน ฮีทปั๊ม และห้องควบคุมสภาวะอากาศ มีเปรียบเทียบอัตรา การทําแห้ง, ค่าวอเตอร์แอคติวิตี้, ค่าผลได้หลังการทําแห้ง, ค่าสี, ค่าเนื้อสัมผัส, ซอร์ฟชันไอโซเทอร์มของน้ําและคุณภาพทางประสาท สัมผัส ผลของการประเมินทางประสาทสัมผัสพบว่าความชอบโดยรวมของฝอยทองอบแห้งด้วยฮีทปั๊มมีค่าสูงที่สุดและแตกต่างกันอย่าง มีนัยสําคัญ (p≥0.05) เมื่อเทียบกับการอบลมร้อนและห้องควบคุมสภาวะอากาศ คําสําคัญ: ฝอยทองกรอบ, อบกรอบ, ฮีทปั๊ม
Effect of hot air, heat pump and aircontrol room drying on qualities of crispy foi-thong Thadchapong PONGSUTTIYAKORN1*, Wasan INTA1, Pimpen PORNCHALOEMPONG1, Amrit SHRESTHA2 1
Department of Food Engineering Faculty of Engineering King Mongkut's Institute of Technology Lat Krabang, Bangkok, 10520. 2 Department of Agricultural Engineering Faculty of Engineering King Mongkut's Institute of Technology Lat Krabang, Bangkok, 10520. Corresponding author: Thadchapong PONGSUTTIYAKORN. E-mail: tpsky.7@gmail.com
Abstract Foi-thong is a famous dessert in Thailand. The main ingredients of foi-thong are egg yolk and sugar. Due to the short shelf-life, drying of foi-thong is necessary to store for long time. However, drying causes change in color, texture, smell and crispiness of foi-thong. In this study, drying rate, water activity, yield, color, texture, water sorption isotherm and sensory evaluation of foi-thong prepared by three different drying process, hot air, heat pumps and air control room (ACR), are compared. The sensory evaluation showed the overall likness of foithong dried with heat pumps is higher and significantly different (p≥0.5) compared to hot air and ACR drying. Keywords: Foi-Tong Crispy, Drying, Heat Pump
1 บทนํา ฝอยทองเป็ น ขนมไทยที่ ไ ด้ รั บ ความนิ ย มอย่ า งแพร่ ห ลาย ฝอยทองมีส่วนประกอบคือไข่แดงและน้ําตาลเป็นหลักซึ่งมีผลต่อ การเก็บรักษา ฝอยทองสดจะมีอายุการเก็บรักษาที่อุณหภูมิห้องได้ 3 วันแต่ถ้าหากเก็บในตู้เย็นจะสามารถเก็บรักษาได้นาน 20 วั น เนื่ อ งจากมี อายุ ก ารเก็ บ ที่ สั้ น ไม่ เ หมาะกั บ การบรรจุ ส่ ง ภายใน ประเทศหรือส่งออกภายนอกประเทศ จึงนําวิธีการถนอมอาหารมา ใช้กับฝอยทองให้สามารถเก็บได้นานขึ้น วิธีการที่เลือกใช้คือการ อบแห้งให้กรอบ ซึ่งเรียกว่าฝอยทองกรอบ
Figure 1 Crispy foi thong by Rinthaidessert
234
โดยการอบฝอยทองกรอบทั่วไปใช้การอบแห้งแบบถาดด้วยลม ร้องที่อุณหภูมิ 80-90 องศาเซลเซียส ทําให้สีและกลิ่นของฝอยทอง นั้นเปลี่ยนไป สามารถยึดอายุการเก็บได้ประมาณ 6 เดือน แต่ยัง ประสบแก้ปัญหาด้านคุณภาพความกรอบที่แตกง่ายต่อการขนส่ง และเพิ่มอายุของสินค้าให้นานขึ้น สําหรับการอบแห้งแบบอุณหภูมิสูงจะทําให้สูญเสียคุณค่าทาง อาหารได้ง่ายและสิ้นเปลืองพลังงานมากกว่าการอบที่อุณหภูมิต่ํา แต่การอบที่อุณหภูมิสูงจะใช้เวลาน้อยกว่าการอบที่อุณหภูมิต่ํา ใน การอบที่อุณหภูมิสูงที่นิยมใช้กับฝอยทองเป็นตู้อบแบบถาด และ การอบที่อุณหภูมิต่ําใช้กันทั่วไปเป็นฮีทปั๊ม Teeboonma et al. (2003) ได้เพิ่มประสิทธิภาพการอบแห้ง มะละกอและมะม่วงแช่อิ่มโดยใช้ปั๊มความร้อน ทําให้ทราบผลของ อุณหภูมิและอัตราการไหลของอากาศที่เหมาะสมมีผลต่อคุณสมบัติ ทางกายภาพของผลิตภัณฑ์ มะละกอแช่อิ่มอบแห้งที่อุณหภูมิ 55๐C ความเร็วลม 20.72 kg/h และมะม่วงแช่อิ่มอบแห้งที่อุณหภูมิ 55๐C ความเร็วลม 30.88 kg/h ได้ผลิตภัณฑ์ที่ดีที่สุด Phoungchandang et al. (2008) ได้ศึกษาการอบแห้งหม่อน ด้วยวิธีอบแห้งแบบถาดและปัม๊ ความร้อน โดยปั๊มความร้อนสามารถ ช่วยลดเวลาในการอบแห้งและรักษารูตินได้มากขึ้น จีระนันท์ (2552) ได้ศึกษาแบบจําลองการทําแห้งแครอทสด และแครอทที่ผ่านการลวก ทําแห้งด้วยเครื่องทําแห้งแบบใช้ลมร้อน และปั๊มความร้อน พบว่าแครอทที่ทําแห้งด้วยปั๊มความร้อนมีอัตรา การทําแห้งมากกว่า ค่า E * ของสีน้อยที่สุดและมีปริมาณสาร β-carotene มากที่สุด ในงานวิจัยานี้จึงได้ทําผลิตภัณฑ์ตัวอย่างฝอยทองมาพัฒนาด้าน คุณภาพการอบเพื่อแก้ปัญหาที่ประสบอยู่ โดยทําการเปรียบเทียบ วิธีการที่ใช้อยู่ปัจจุบันคือการใช้ตู้อบลมร้อน กับเครื่องฮีทปั๊มและ ห้ อ งควบคุ ม สภาวะอากาศ มี ก ารตรวจวั ด คุ ณ ภาพค่ า ปริ ม าณ ความชื้น อัตราการทําแห้ง ค่าวอเตอร์แอคติวิตี้ ค่าผลได้หลังการทํา แห้ง สี ค่าเนื้อสัมผัส ซอร์ฟชันไอโซเทอร์มของน้ํา และการทดสอบ ทางประสาทสัมผัส
Figure 2 Foi thong fresh 2.2 วิธีการทําแห้ง ในงานวิ จั ยได้ แ บ่ ง การทํ า แห้ ง เป็ น 3 การทดลอง คื อ การ อบแห้งที่ ใช้ตู้อบลมร้ อนในการอบแห้งที่ทํากันทั่วไปของการอบ กรอบฝอยทอง การอบแห้งที่ใช้เครื่องฮีทปั๊ม และการอบแห้งที่ใช้ ห้ องควบคุ มสภาวะอากาศ โดยใช้ ฝอยทอง 5.5 g ใช่ พิมพ์ ทรงกระบอกสูง 2.4 cm เส้นผ่านศูนย์กลาง 2.75 cm
Figure 3 Foi thong in mold 2.2.1 การอบแห้งด้วยตู้อบลมร้อน ในการอบด้วยวิธีนี้จะนําฝอยทองที่ใส่พิมพ์มีผี่งลมก่อนเป็นเวลา 60 min แล้วนําเข้าอบที่ตู้อบลมร้อนที่อุณหภูมิ 85±3๐C ความชื้น สัมพัทธ์ที่ 20±5%RH ความเร็วลม 1.07 m/s เป็นเวลา 55 min
2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 ฝอยทองสด ฝอยทองสดที่ ใช้ ในการทดลองนํ ามาจากร้ านริ นขนมไทย มี กระบวนการผลิตโดย นําไข่แดงของไข่เป็ ดมาโรยในน้ําเชื่อมที่ มี ความเข้มข้น 58 %Brix ขนาดเส้นมีความหนา 0.6 mm พักไว้ 1 คืนก่อนนํามาทดลอง Figure 4 Hot air dryer used in the experiment 235
2.2.2 การอบแห้งด้วยเครื่องฮีทปั๊ม นําฝอยทองที่ใส่พิมพ์มาอบในเครื่องฮีทปั๊ม WRH-100B (IKE Group, China) ที่อุณภูมิ 64±3๐C ความชื้นสัมพัทธ์ 20±5%RH ความเร็วลม 1.04 m/s เป็นเวลา 30 min แล้วนําพิมพ์ออก อบต่อ อีก 110 min
ตําแหน่ง แล้วนําเข้าตู้อบ (oven) ที่อุณหภูมิประมาณ 105 องศา เซลเซี ยส อบจนกระทั่ งตัวอย่างมีน้ํ าหนั กคงที่ และชั่ งน้ํ าหนั กที่ แน่นอนของตัวอย่างหลังการอบ เพื่อนําไปคํานวณหาค่าปริมาณ ความชื้นฐานเปี ยก ( . . ) และความชื้นฐานแห้ ง ( . . ) (AOAC 950.46B:1995) ดังสมการต่อไปนี้ %M .C.wb
m0 m1 100 m0
(1)
% M .C.db
m0 m1 100 m1
(2)
= เปอร์เซ็นต์ความชื้นฐานเปียก % . . = เปอร์เซ็นต์ความชื้นฐานแห้ง = น้ําหนักตัวอย่างก่อนการอบแห้ง ที่อุณหภูมิ 105 องศาเซลเซียส (กรัม) m1 = น้ําหนักตัวอย่างหลังการอบแห้ง ที่อุณหภูมิ 105 องศาเซลเซียส (กรัม) 2.3.2 อัตราการทําแห้ง ในการหาอัตราการทําแห้งเริ่มจากชั่งน้ําหนักถาดเปล่า และวัด พื้นที่ถาดซึ่งเป็นพื้นที่ที่เกิดการระเหย นําฝอยทองออกจากพิมพื แล้วมาเรียงบนถาดให้เต็มพื้นที่ บันทึกน้ําหนักตัวอย่างทุก 10 min สําหรับการทําแห้งด้วยตู้อบลมร้อนและฮีทปั๊ม ในส่วนการทําแห้ง ด้วยห้องควบคุมอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์จะบันทึกน้ําหนัก ตัวอย่างทุก 30 min จนกระทั่งตัวอย่างมีน้ําหนักคงที่ เพื่อนําไป สร้างกราฟความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการทําแห้ง และความชื้นฐาน แห้ง (Cakmak และคณะ, 2016) สามารถคํานวณอัตราการทําแห้ง ได้จากสมการ โดย %
Figure 5 Heat pump machine used in the experiment 2.2.3 การอบแห้งด้วยห้องควบคุมสภาวะอากาศ ในการอบแห้งด้วยวิธีนี้จะนําฝอยทองที่ใส่พิมพ์มีผี่งลมก่อนเป็น เวลา 60 min แล้วนําเข้าห้องควบคุอุสภาวะ(Air control room: ACR) ที่อุณภูมิ 25±5๐C ความชื้นสัมพัทธ์ 20±2%RH และมี ความเร็วลม 0.38 m/s อบแห้งเป็นเวลา 26 hr
R
. .
W s dm A dt
(3)
โดย R = อัตราการแห้งหรืออัตราการระเหย (kg/m2hr) A = พื้นที่ผิวที่เกิดการระเหย (m2) Figure 6 Air control room used in the experiment 2.3 การตรวจวัดคุณภาพ ในงานวิจั ยนี้มีการตรวจวัดคุ ณภาพด้ วยกั น 8 ด้าน คื อ การ อัตราการทําแห้ง, ค่าวอเตอร์แอคติวิตี้, ค่าผลได้หลังการทําแห้ง, ค่า สี, ค่าเนื้อสัมผัส, ซอร์ฟชันไอโซเทอร์มของน้ํา และคุณภาพทาง ประสาทสัมผัส 2.3.1 ปริมาณความชื้น นําผลิตภัณฑ์อาหารก่อนและหลังการทําแห้งมาหาค่าความชื้น โดยบดตัวอย่างให้เป็นชิ้นเล็กๆ ชั่งน้ําหนักด้วยเครื่องชั่งทศนิยม 4
Ws
= น้ําหนักของแข็งของตัวอย่าง (kg)
dm = มวลของน้ําที่ระเหยต่อหนึ่งหน่วยเวลา (kg/hr) dt
2.3.3 ค่าวอเตอร์แอคติวิตี้ นําฝอยทองที่ผ่านการทําแห้งทั้ง 3 การทดลองมาวัดค่าวอเตอร์ แอคติวิตี้ โดยสุ่มตัวอย่างในประมาณ 5 กรัม จํานวน 3 ซ้ํา วัดหา ค่าวอเตอร์แอคติวิตี้จากเครื่อง Aqualab LITE (Decagon,USA)
236
2.3.4 ค่าผลได้หลังการทําแห้ง นําค่าของน้ําหนักฝอยทองที่ได้ทั้งก่อนการทําแห้ง และหลังการ ทําแห้งในแต่ละการทดลอง มาคํานวณหาค่าผลได้ ดังนี้ Yield %
w2 100 w1
(4)
โดย w1 = มวลของผลิตภัณฑ์ทําแห้งก่อนการทําแห้ง (g) w2 = มวลของผลิตภัณฑ์ทําแห้งหลังการทําแห้ง (g) 2.3.5 ค่าเนื้อสัมผัส นําฝอยทองที่ผ่ านการทํ าแห้ งทั้ ง 3 การทดลองมาวัดค่าเนื้ อ สัมผัสโดยใช้เครื่องวัดเนื้อสัมผัส (Texture Analyzer TA.HD.Plus, UK) หาค่าความกรอบ เพื่อจําลองลักษณะการบริโภคผลิตภัณฑ์ ใน วั ด ใช้ ส แตนเลสสตี ล ทรงกระบอกมี เ ส้ น ผ่ า นศู น ย์ ก ลาง 40 มิลลิเมตร เคลื่อนด้วยความเร็วคงที่ 1 มิลลิเมตรต่อวินาที ทํา 5 ชุด ต่อการทดลอง 2.3.6 ค่าสี นําฝอยทองที่ผ่านการทําแห้งทั้ง 3 การทดลองมาวัดค่าสี โดย สุ่ มตั วอย่ างในประมาณ 3 กรั ม จํ านวน 3 ซ้ํ า ด้ วยเครื่ องวั ดสี ColorFlex EZ Spectrophotometer (HunterLab, USA) ใช้ มาตราฐานสีแบบ CIE L*a*b* 2.3.7 ซอร์ฟชันไอโซเทอร์มของน้ํา นําผลิตภัณฑ์อาหารแห้งหลังการทําแห้ง 5 กรัม มาไว้ในสภาวะ ที่มีความชื้นสัมพัทธ์สมดุลอยู่ในช่วง 11 – 82 เปอร์เซ็นต์ สร้าง สภาวะเหล่านี้ด้วยการใช้สารละลายเกลืออิ่มตัวที่เตรียมจาก เกลือ ลิเทียมคลอไรด์ (LiCl) เกลือโพแทสเซียมอะซิเตต (CH3COOK) เกลือแมกนีเซียมคลอไรด์ (MgCl2) เกลือแมกนีเซียมไนเตรต (Mg(NO3)2) เกลือโพแทสเซียมไอโอไดด์ (KI) เกลือโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) และเกลือโพแทสเซียมคลอไรด์ (KCl) โดยนําไปละลายในน้ํา กลั่น ซึ่งดัดแปลงจาก (Muzaffar และ Kumar, 2016) นํา สารละลายเกลือแต่ละชนิดใส่ในแต่ละเดซิเคเตอร์ และเก็บรักษาไว้ ที่อุณหภู มิห้อง จนกระทั่ งผลิ ตภั ณฑ์ มีน้ําหนักคงที่ (ประมาณ 3 สั ป ดาห์ ) เพื่ อ นํ า ไปสร้ า งกราฟความสั ม พั น ธ์ ร ะหว่ า งปริ ม าณ ความชื้นฐานแห้ง กับความชื้นสัมพัทธ์สมดุล จาก 5สมการ เพื่อหา สมการที่เหมาะสมกับผลิตภัณฑ์มากที่สุด โดยมีสมการดังต่อไปนี้ 1. สมการ Henderson model (5) a w 1 exp A T M eB 2. สมการ Modified Henderson model (6) a w 1 exp A T C M eB 3. สมการ Modified-Chung-Pfost model A (7) exp B M a exp w
T C
e
4. สมการ Halsey model A M eB a w exp R T
(8)
5. สมการ Modified Halsey model (9) a w exp exp A C T M e B ซึ่งเพื่อหาสมการที่เหมาะสมกับผลิตภัณฑ์มากที่สุด สามารถ ประเมินได้จากค่าสั มประสิทธิ์การตัดสิ นใจ (coefficient of determination; R2) ที่มีค่าสูงที่สุดของแต่ละสมการ จากสมการ SSE (10) R2 1 SST
โดยค่าการประมาณความคลาดเคลื่อนมาตรฐานของสมการ ถดถอย (Standard Error of Estimate; SEE) สามารถคํานวณได้ จากสมการดังต่อไปนี้ 2 (11) SEE yi yi และค่าความแปรปรวนทั้งหมดของข้อมูล (Total sum of squares; SST) สามารถคํานวณได้จากสมการดังต่อไปนี้ 2 (12) SST yi yˆ i เมื่อ y = ค่าปริมาณความชื้นฐานแห้งที่ได้จากการทดลอง y = ค่าปริมาณความชื้นฐานแห้งเฉลี่ยของผลการทดลอง yˆ i = ค่าปริมาณความชื้นฐานแห้งที่ได้จากการคํานวณ 2.3.8 คุณภาพทางประสาทสัมผัส การตรวจประเมิ นคุ ณภาพทางประสาทสั มผั สของฝอยทอง กรอบด้วยวิธีการให้คะแนนความชอบ 9 ระดับ (9- Point Hedonic Test) ให้คะแนนความชอบตามลักษณะคุณภาพสี, กลิ่น, รสชาติ, เนื้อสัมผัส และความชอบรวม โดยใช้ผู้ทดสอบ 50 คน เสิร์ฟที่ อุณหภูมิห้อง วิเคราะห์ผลเปรียบเทียบด้วยวิธี One-way ANOVA i
i
3 ผลและวิจารณ์ การอบแห้งฝอยทองที่ในการตรวจวัดฝอยทองทั้ง 3 แบบได้ผล การตรวจดังนี้ 3.1 ปริมาณความชื้น จากการศึกษาพบว่าความชื้นเริ่มต้นก่อนการอบแห้งฝอยทอง และความชื้นหลังการอบแห้งฝอยทอง เป็นตั้งตารางที่ 1 Table 1 Show moisture content of drying process Drying Process Hot Air Heat Pumps ACR
237
Before 15.87±0.50 15.71±0.62 15.87±0.50
Moisture content %M.C.wb 1.39±0.03 2.69±0.03 4.20±0.33
%M.C.db 1.42±0.03 2.77±0.03 4.39±0.36
จากตารางที่ 1 จะเห็นว่าค่าความชื้ นเริ่มต้นของการอบแห้ ง ทั้ง 3 แบบมีค่าใกล้เคียงกัน แต่หลังการอบแห้งของการอบแห้งด้วย ตู้อบลมร้อมมีค่าเปอร์เซ็นต์ความชื้นฐานเปียกและฐานแห้งมีค่า ต่ําสุดคือ 1.39±0.03 และ 1.42±0.03 ตามลําดับ รองมาเป็นของ ฮีทปั๊มคือ 2.69±0.03 และ 2.77±0.03 ตามลําดับ และสูงสุดคือ ห้ อ งควบคุ ม สภาวะอากาศคื อ 4.20±0.33 และ 4.39±0.36 ตามลําดับ 3.2 อัตราการทําแห้ง จากการศึกษาอัตราการทําแห้งเป็นอัตราการระเหยของน้ําต่อ เวลา ถูกแสดงในรูปกราฟของความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการทํา แห้งกับเปอร์เซ็นต์ความชื้นฐานแห้งแสดงในรูปที่ 7
จากตารางที่ 2 แสดงให้ เ ห็ น ค่ า วอเตอร์ แ อคติ วิ ตี้ ก่ อนการ อบแห้งมีค่าใกล้เคียงกัน สําหรับหลังการอบแห้งค่าวอเตอร์แอคติ วิตี้ของการอบด้วยตู้อบลมร้อนมีค่าต่ําสุดคือ 0.17±0.001 รองมา เป็นของฮีทปั๊มคือ 0.27±0.009 และสูงสุดคือห้องควบคุมสภาวะ อากาศ 0.37±0.002 3.4 ค่าผลได้หลังการทําแห้ง จากการศึกาน้ําหนักของฝอยทองอบกรอบและนํามาคํานวนหา ค่าผลได้หลังการทําแห้งพบว่าของตู้อบลมร้อนกับเครื่องฮีทปั๊มมีค่า ใกล้เคียงกันคือ 85.68 และ 85.26 ตามลําดับ ส่วนผลได้หลังการ ทําแห้งของห้องควบคุมสภาวะอากาศคือ 90.27 พบว่าการอบด้วย ตู้อบลมร้อนกับเครื่องฮีทปั๊มสามารถดึงน้ําออกได้มากกว่าการอบ ด้วยห้องควบคุมสภาวะอากาศ 3.5 ค่าเนื้อสัมผัส การศึกษาเนื้อสัมผัสของฝอยทองหลังการอบแห้งทั้ง 3 แบบถูก แสดงในตารางที่ 3 Table 3 show Texture of drying process
Figure 7 Shows drying rate of 3 drying process จากรูปที่ 7 แสดงให้เห็นอัตราการทําแห้งของการอบแห้งทั้ง 3 แบบ การอบด้วยตู้อบลมร้อนมีอัตราการทําแห้งที่เร็วที่สุดเริ่มที่ 3.5 ในช่วนแรกมีอัตราการทําแห้งที่เร็วและค่อยๆช้าลงจนเกือบคงที่ รองลงมาเป็นฮีทปั๊มที่มีอัตราการทําแห้งที่ค่อนข้างคงที่โดยเริ่มจาก 1 สุดท้ายเป็นห้องควบคุมสภาวะอากาศที่มีอัตราการทําแห้งที่ช้า ที่สุดเริ่มที่ 0.3 3.3 ค่าวอเตอร์แอคติวิตี้ ในการศึ กษาค่ า วอเตอร์ แอคติ วิ ตี้ ของฝอยทองทั้ ง ก่ อนการ อบแห้งและหลังการอบแห้ง ถูกแสดงในตารางที่ 2 Table 2 Show water activity of drying process Drying Process Hot Air Heat Pumps ACR
Drying Process Hot Air Heat Pumps ACR
Fracturability 19.92 18.86 16.65
ค่าความแข็งของฝอยทองหลังอบด้วยห้องควบคุมสภาวะอากาศ มีค่ามากที่สุดคือ 78.73 รองมาเป็นเครื่องฮีทปั๊มคือ 37.77 และ ตู้อบลมร้อนคือ 34.21 ตามลําดับ ส่วนค่าความกรอบที่วัดได้มีค่า มากสุดเป็นการอบด้วยวิธีตู้อบลมร้อนคือ 19.92 รองมาเป็นเครื่อง ฮีทปั๊มคือ 18.86 และห้องควบคุมสภาวะอากาศคือ16.65 ตามลําดับ 3.6 ค่าสี ได้ มี การศึ กษาค่ าสี ของฝอยทองที่ ผ่ านการอบแห้ งเที ยบกั บ ฝอยทองสด โดยแสดงค่าสีในตารางที่ 4
Water activity Before 0.80±0.002 0.82±0.004 0.80±0.002
Texture Hardness 34.21 37.77 78.73
After 0.17±0.001 0.27±0.009 0.37±0.002
238
Table 4 Show the color of Foi-Tong drying process Color
Drying Process
L* a* b* Fresh Foithong 62.92±1.39 16.60±1.14 65.53±1.80 Hot Air 72.39±1.72 15.66±0.86 59.56±2.38 Heat Pumps 71.60±0.49 16.06±0.19 59.9±2.06 ACR 69.82±1.61 15.91±0.62 61.38±2.06 *Different letters in the same column indicate significate differences (p≥0.05)
ในตารางที่ 3 ค่า ∆E การอบด้วยห้องควบคุมสภาวะอากาศมีค่า น้อยที่สุดคือ 8.13±2.45 มีความใกล้เคียงกับฝอยทองสดมากที่สุด รองมาเป็ น การอบด้ ว ยเครื่ อ งฮี ท ปั๊ ม คื อ 10.49±0.84 มี ค วาม ใกล้เคียงกับฝอยทองสดรองลงมาและตู้อบลมร้อนคือ 11.29±2.74 มีความใกล้เคียงกับฝอยทองสดน้องที่สุด ซึ่งสีของฝอยทองที่อบด้วย
∆E
Color
11.29±2.74a 10.49±0.84a 8.13±2.45a
ห้องควบคุมสภาวะอากาศมีสีอ่อนขึ้นน้อยที่สุดและอบด้วยตู้อบลม ร้อนมีสีที่อ่อนขึ้นมากที่สุด 3.7 วอเตอร์ซอร์ฟชันไอโซเทอร์ม จากการศึกษาวอเตอร์ซอร์ฟชันไอโซเทอร์มของฝอยทองหลัง 2 การอบแห้งที่ได้ทําการทดลอง พบว่าค่า R ทั้ง 5 สมการของการ อบแห้งแต่ละกระบวนการถูกแสดงในตารางที่ 5
Table 5 Show R-Square of water sorption isotherm in drying process Drying Process Hot Air Heat Pumps ACR
Henderson model 0.9388 0.9062 0.9129
Modified Henderson model 0.9388 0.9062 0.9129
R2 Modified-Chung-Pfost model 0.9167 0.8905 0.9071
Halsey model 0.9754 0.9528 0.9655
Modified Halsey model 0.9754 0.9528 0.9655
ค่า R 2 ของสมการของ Halsey model และ Modified Halsey model มีค่ามากที่สุดใน 5 สมการ ถูกแสดงในตารางที่ 5 ของการอบแห้งทั้ง 3 กระบวนการ แต่เนื่องจากความซับซ่อนของ สมการ Halsey model มีน้อยกว่าจึงเลือกค่าจากสมการ Halsey model โดยแสดงในรูปกราฟของความสัมพันธ์ของค่า ค่าวอเตอร์ แอคติวิตี้และค่าเปอร์เซ็นต์ความชื้นฐานแห้ง ของการอบด้วยตู้อบ ลมร้อน เครื่องฮีทปั๊มและห้องควบคุมสภาวะอากาศแสดงในรูปที่ 8 9 และ 10 ตามลํ าดั บ ลั กษณะของเส้ นกราฟทั้ ง 3 สภาวะการ อบแห้งมีความชันเพิ่มขึ้นเมื่อระดับความชื้นสัมพัทธ์เพิ่มขึ้นเล็กน้อย Figure 8 Show water sorption isotherm of hot air drying เส้ น กราฟแอดซอร์ ปชั นไอโซเทอร์ มมี ความชั น มาก แสดงว่ า by Halsey model equations ฝอยทองนเป็นผลิตภัณฑ์ที่ไวต่อความชื้นสัมพัทธ์ในอากาศที่เพิ่มขึ้น ซึ่งลักษณะแอดซอร์ปชันไอโซเทอร์มดังกล่าวเป็นสมบัติของอาหาร ที่มีปริมาณน้ําตาลสูง ดังนั้นอาหารที่ไวต่อการ ดูดความชื้นเมื่อมี ความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยจะทําให้ปริมาณ ความชื้นในอาหาร เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว (นิธิยา, 2553) ในรูปที่ 8 แสดงค่าเปอร์เซ็นต์ความชื้นฐานแห้งและค่าวอเตอร์ แอคติวิตี้ของการอบด้วยตู้อบลมร้อน โดยมีค่าความชื้นเพิ่มขึ้นจาก 2.49±0.11 เป็น 18.07±0.08 และค่าวอเตอร์แอคติวิตี้เพิ่มขึ้นจาก 0.22±0.07 เป็น 0.87±0.04 239
Figure 9 Show water sorption isotherm of Heat Pumps drying by Halsey model equations ในรูปที่ 9 แสดงค่าเปอร์เซ็นต์ความชื้นฐานแห้งและค่าวอเตอร์ แอคติวิตี้ของการอบด้วยเครื่องฮีทปั๊ม โดยมีค่าความชื้นเพิ่มขึ้นจาก 2.99±0.05 เป็น 18.06±0.04 และค่าวอเตอร์แอคติวิตี้เพิ่มขึ้นจาก 0.22±0.08 เป็น 0.84±0.06
ในรูปที่ 10 แสดงค่าเปอร์เซ็นต์ความชื้นฐานแห้งและค่าวอเตอร์ แอคติ วิ ตี้ ข องการอบด้ ว ยห้ อ งควบคุ ม สภาวะอากาศ โดยมี ค่ า ความชื้นเพิ่มขึ้นจาก 2.49±0.06 เป็น 18.07±0.07 และค่าวอเตอร์ แอคติวิตี้เพิ่มขึ้นจาก 0.22±0.07 เป็น 0.84±0.05 3.8 ผลการทดสอบทางประสาทสัมผัส ศึกษาการทดสอบกับฝอยทองหลังอบแห้งเป็นเวลา 1 สัปดาห์ ทดสอบคุ ณภาพทางประสาทสั มผั สด้ านลั กษณะที่ ปรากฏคื อสี , กลิ่น, รสชาติ, เนื้อสัมผัส และภาพรวมของฝอยทองกรอบ โดยใช้ ผู้เชี่ยวชาญฝอยทองกรอบจํานวน 10 คน ด้วยวิธีการใช้สเกลแบบ 9 จุด ประมวลผลด้วยวิธีทางสถิติ และแปลผลอย่างมีหลักเกณฑ์ด้วย วิธี One-way ANOVA แสดงในตารางที่ 6 และแสดงในรูปที่ 11
Figure 10 Show water sorption isotherm of air control room drying by Halsey model equations Table 6 Show statistical analysis hedonic test was analyzed by ANOVA Drying Process Hot Air Heat Pumps ACR
Color 6.84±1.43b 7.64±1.08a 7.26±1.03ab
Quality Attribute Taste Texture b 6.50±1.63 6.50±1.40a 7.28±1.18a 6.72±1.34a 6.82±1.13ab 6.48±1.49a
Flavor 5.74±1.71c 7.90±1.02a 6.88±1.44b
* Different letters in the same column indicate significate differences (p≥0.05)
240
Overall 6.46±1.49b 7.54±0.99a 6.80±1.01b
กรอบที่แตกยากขึ้นในการขนส่ง ยังช่วยให้ฝอยทองกรอบมีสีและ ยอมรับของผู้บริโภคที่ดีขึ้น 5 กิตติกรรมประกาศ ผู้วิจัยขอขอบคุณ กรมส่งเสริมอุตสาหกรรมภาค 9 และร้านริน ขนมไทยที่ให้การสนับสนุนงานวิจัย ขอบคุณพนักงานร้านรินขนม ไทยที่ให้ข้อมูลเบื้องต้นและช่วยในการงานวิจัย ขอบคุณน้องในห้อง วิจัยที่ช่วยในการเก็บข้อมูล Figure 11 Show graph sensory evaluation of Foi-Thong Crispy ผลคะแนนความชอบค่าสีของการอบด้วยตู้อบลมร้อน เครื่องฮีท ปั๊มและห้องควบคุมสภาวะอากาศคือ 6.84±1.43, 7.64±1.08 และ 7.26±1.03 ตามลําดับ โดยผลคะแนนมีความต่างกันทางสถิติ ผล คะแนนความชอบค่ากลิ่นของการอบด้วยตู้อบลมร้อน เครื่องฮีทปั๊ม และห้องควบคุมสภาวะอากาศคือ 5.74±1.71, 7.90±1.02 และ 6.88±1.44 ตามลําดับ โดยผลคะแนนมีความต่างกันทางสถิติ ผล คะแนนความชอบค่ารสชาติของการอบด้วยตู้อบลมร้อน เครื่องฮีท ปั๊มและห้องควบคุมสภาวะอากาศคือ 6.50±1.63, 7.28±1.18 และ 6.82±1.13 ตามลําดับ โดยผลคะแนนมีความต่างกันทางสถิติ ผล คะแนนความชอบค่าเนื้อสัมผัสของการอบด้วยตู้อบลมร้อน เครื่อง ฮีทปั๊มและห้องควบคุมสภาวะอากาศคือ 6.50±1.40, 6.72±1.34 และ 6.48±1.49 ตามลําดับ โดยผลคะแนนไม่มีความต่างกันทาง สถิติ และผลคะแนนความชอบค่าภาพรวมของการอบด้วยตู้อบลม ร้อน เครื่องฮีทปั๊มและห้องควบคุมสภาวะอากาศคือ 6.46±1.49, 7.54±0.99 และ 6.80±1.01 ตามลํ าดั บ โดยผลคะแนนมี ความ แตกต่างกันอย่างมีนัยสําคัญทางสถิติ ผลคะแนนที่อบด้วยเครื่องฮีท ปั๊มได้คะแนนมากที่สุดทั้ง 5 การทดสอบ 4 สรุป จากการศึกษาคุ ณภาพของฝอยทองกรอบที่ ผ่านการอบด้วย ตู้อบลมร้อน เครื่องฮีทปั๊ม และห้องควบคุมสภาวะ พบว่าการใช้ เครื่องฮีทปั๊มในการอบฝอยทองให้คุณภาพใกล้เคียงกับการอบด้วย ตู้อบลมร้อนเกือบทุกอย่างยกเว้นการทดสอบทางประสาทสัมพัทธ์ และค่าสีที่ให้ผลที่ดีกว่า ซึ่งสามารถแก้ปัญหาด้านคุณภาพ ความ
6 เอกสารอ้างอิง จีระนันท์ วงศ์วทัญญ. 2552. การพัฒนากระบวนการทําแห้งแค รอทแบบใช้ลมร้อนและแบบลดความชื้นโดยใช้เครื่องสูบความ ร้อน. วิทยานิพนธ์วิทยาศาสตรมหาบัญฑิต. จังหวัดขอนแก่น : บัณฑิตวิทยาลัย, มหาวิทยาลัยขอนแก่น. นิธิยา รัตนาปนนท์. 2553. เคมีอาหาร. กรุงเทพมหานคร: สํานักพิมพ์โอเดียนสโตร์. Khalid Muzaffar, Pradyuman Kumar. 2016. Moisture sorption isotherms and storage study of spray dried tamarind pulp powder. Powder Technology 291, 322327. Ruken Seyda Cakmak, Onur Tekeo_glu, Hamza Bozkır, Ahsen Rayman Ergün, Taner Baysal. 2016. Effects of electrical and sonication pretreatments on the drying rate and quality of mushrooms. LWT - Food Science and Technology 69, 197-202. S. Phoungchandang, L. Tochip and V. Srijesdaruk.. 2008. White Mulberry Leaf Drying by Tray and Heat Pump Dehumidified Dryers. World Journal of Agricultural Sciences 4 (S), 844-851. Syarifah Nor Faizah Syed Abdul Rahman, Radziah Wahid, Norazah Ab Rahman. 2015. Drying Kinetics of Nephelium Lappaceum (Rambutan) in a Drying Oven. Procedia - Social and Behavioral Sciences 195, 2734 – 2741 U. Teeboonma, J. Tiansuwan, S. Soponronnarit. 2003. Optimization of heat pump fruit dryers. Journal of Food Engineering 59, 369–377.
241
TEE-03
วิจัยและพัฒนาโรงอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์แบบมีความร้อนร่วมสําหรับการลดความชื้นผลิตผลเกษตร ปรีชา อานันท์รัตนกุล1*, วิบูลย์ เทเพนทร์1 ,นิทัศน์ ตั้งพินิจกุล1 ,สุเทพ กสิกรรม1 , จิรวัสส์ เจียตระกูล1 , กอบชัย ไกรเทพ1 1
กลุ่มวิจัยวิศวกรรมหลังการเก็บเกี่ยว สถาบันวิจัยเกษตรวิศวกรรม กรมวิชาการเกษตร 50 ถ.พหลโยธิน ลาดยาว จตุจักร กรุงเทพฯ 10900 ผู้เขียนติดต่อ: ปรีชา อานันท์รัตนกุล E-mail: Sullus2005@yahoo.com
บทคัดย่อ โรงอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์ไม่สามารถใช้งานได้ในช่วงที่มีฝนตกหรือไม่มีแสงแดด โครงการวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์ เพื่อวิจัย และพัฒนาโรงอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์แบบมีความร้อนร่วมจากเตาชีวมวลที่เหมาะสมสําหรับกลุ่มเกษตรกร โรงอบแห้งที่พัฒนาขึ้น มีขนาดกว้าง 6.0 เมตร ยาว 6.0 เมตร สูง 2.0 เมตร โครงสร้างโรงอบใช้เหล็กกล่อง หลังคาและผนังทั้ง 4 ด้าน ทําด้วยพลาสติกโปร่งใส โพลีคาร์บอเนต ด้านหน้าภายในโรงอบติดตั้งชุดแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อไฟโดยใช้ท่ออลูมิเนียมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 15 เซนติเมตร ยาว 1.50 เมตรจํานวน 12 ท่อ ติดตั้งเรียงแถวในแนวตั้ง คิดเป็นพื้นที่ผิวชุดแลกเปลี่ยนความร้อน 8.5 ตารางเมตร เตาชีว มวลเพื่อเป็นแหล่งความร้อนให้ชุดแลกเปลี่ยนความร้อนเป็นแบบที่มีตะกรับไฟอยู่ด้านบนของเตาใช้แกลบ ซังข้าวโพด หรือชีวมวลอื่นๆ เป็นเชื้อเพลิง มีอุปกรณ์สําหรับป้อนและถ่ายขี้เถ้าเป็นชุดเดียวกัน ผนังด้านท้ายโรงอบติดตั้งพัดลมดูดอากาศเส้นผ่านศูนย์กลาง 18 นิ้ว จํานวน 2 ชุด เพื่อดูดอากาศภายนอกให้ไหลผ่านชุดแลกเปลี่ยนความร้อนทําให้อุณหภูมิในโรงอบสูงขึ้น ภายในโรงอบมีชั้นสําหรับวาง ถาดใส่ผลผลิตที่จะอบขนาด 0.9 ตารางเมตร จํานวน 5 ชั้น มี 4 ชุด จํานวน 3 แถว ผลการทดสอบโรงอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์ ร่วมกันพลังงานความร้อนจากเตาชีวมวล พบว่า สามารถสร้างอุณหภูมิในห้องอบได้ 50.5 องศาเซลเซียส ในขณะที่อุณหภูมิกลางแดด 37.0 องศาเซลเซียส ผลการทดลองอบแห้งมะขาม กล้วย และดีปลี พบว่า สามารถลดความชื้นได้ดีกว่าเมื่อเทียบกับการตากแดด โดย ใช้แกลบ 9.7-10.2 กิโลกรัม/ชั่วโมง คําสําคัญ: โรงอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์
RESEARCH AND DEVELOPMENT OF COMBINE HEAT SOURCE SOLAR HUT DRYER FOR AGRICULTURAL PRODUCT Preecha Ananratanakul1*, Viboon Thepent1 Nitat Tangpinijkul1, Suthep Kasigum1, Jirawat Chiatrakul1 and Kobchai Kraithep1 Department of Agriculture, 50 Phaholyothin Rd., Ladyao, Chatuchack, Bangkok. 10900, Thailand. Corresponding author: Preecha Ananratanakul. E-mail: Sullus2005@yahoo.com
Abstract Solar dryer cannot be operated during rainy day or without sunshine. This research project aim to research and development on combine heat source solar hut dryer used for farmer’s group. The developed dryer hut has size of 6 m length, 6 m width and 2 m height. The structure of dryer was made of squared tubes iron frame, the roof and wall were made from cleared LDPE. There was heat exchanger unit made of 12 aluminum pipes, 15 cm in diameter and 1.5 m length arranged in vertical direction calculate into surface area of 8.5 m2. Biomass furnace was heat source for heat exchanger unit; the fired grate was on top of the furnace. Rice husk, corn cob or another biomass was used as fuel for the furnace and used the same mechanism for feeding fuel and discharge ash. At the opposite wall side of heat exchanger unit, there were two 18 inches in diameter propeller fan using for discharge air from the dryer. There were 5 trays of 0.9 m2 surface area 4 sets in three rows. From the test result of the prototype dryer with addition heat source from biomass furnace, it was found that the temperature inside of dryer was 50oC while the outside temperature was 37oC. The prototype could be used to dry tamarind, banana and long pepper; and could dry faster when compare with sun drying usinh rice husk 9.7-10.2 kg/hr. Keywords: Solar hut dryer, Combine heat source
242
1 บทนํา ประเทศไทยมีศักยภาพในการใช้พลังงานแสงอาทิตย์เนื่องจากมี แสงอาทิตย์เกือบตลอดปี โดยมีค่าพลังงานแสงอาทิตย์ประมาณ 17 เมกกะจูล/วัน/ตารางเมตร ซึ่งมีศักยภาพเพียงพอที่จะนํามาใช้งาน ในรูปของความร้อนในการอบแห้งผลิตผลเกษตร ซึ่งเป็นที่นิยมทํา กันโดยทั่วไปในระดับชาวบ้านและระดับอุตสาหกรรมคือการตาก แห้ง ทั้งนี้เพราะง่ายและสิ้นเปลืองค่าใช้จ่ายน้อย แต่มีข้อจํากัดคือ ผลิ ตภั ณฑ์ ที่ ไ ด้ ไม่ ถู กสุ ขลั กษณะมี การปนเปื้ อน จากฝุ่ นละออง รวมทั้งมีแมลงรบกวน และยังมีปัญหาอันเนื่องมาจากฝนตกทําให้ไม่ สามารถตากแห้งได้ การใช้เครื่องอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์ใน ประเทศไทยมีมานานแล้ว แต่ยังไม่แพร่หลาย เนื่องจากผลงานวิจัย ส่ วนมากเป็ นเครื่ องอบแห้ งเพื่ ออุ ตสาหกรรมขนาดกลาง ทํ าให้ ต้นทุนในการก่อสร้างค่อนข้างสูง โรงอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์ แบบเรือนกระจกที่ใช้หลักการของเรือนกระจก กล่าวคือ เมื่อรังสี ดวงอาทิ ต ย์ ส่ ง ผ่ า นกระจกหรื อ พลาสติ ก ใสเข้ า ไปภายในแล้ ว เปลี่ยนเป็นความร้อน และแผ่รังสีอินฟราเรดออกมา แต่ไม่สามารถ ผ่านกระจกหรือพลาสติกออกมาข้างนอกได้ ทําให้อากาศภายในโรง อบร้อนขึ้น ทําให้ไม่ต้องใช้แผงรับแสงอาทิตย์สามารถลดค่าใช้จ่าย ในการการก่อสร้างลงได้ อุณหภูมิของอากาศภายในโรงอบแห้งตอน กลางวั นจะอยู่ ในช่ วง 40-70 Oซ ขึ้ นอยู่ กั บอุ ณหภู มิ ของอากาศ ภายนอกหรืออากาศแวดล้อม เป้าหมายหลักของเทคโนโลยีการ อบแห้งด้วยพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อช่วยลดต้นทุน ลดปริมาณการ ใช้ พลั งงานไฟฟ้ าและน้ํ ามั นเชื้ อเพลิ ง เพื่ อเป็ นการส่ งเสริ มและ ผลักดันในการนําเทคโนโลยีการอบแห้งด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ไป ใช้ให้เกิดความแพร่หลายมากยิ่งขึ้น ทางกรมพัฒนาพลังงานทดแทน และอนุ รั กษ์ พลั งงานกระทรวงพลั งงาน จึ งได้ จั ดตั้ ง “โครงการ สนับสนุนการลงทุนติดตั้งใช้งานโรงอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์” ซึ่งให้การสนับสนุนเงินลงทุนในการติดตั้งใช้งานโรงอบแห้งพลังงาน แสงอาทิตย์ มี 3 ขนาด คือ (1) 6.00 x 8.20 เมตร (2) 8.00 x 12.40 เมตร และ (3) 8.00 x 20.80 เมตร ปัญหาของการใช้งานโรง อบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์คือ ไม่สามารถใช้งานได้ในช่วงที่มีฝนตก และช่วงกลางคืน ประกอบกับสภาวะภูมิอากาศในปัจจุบันได้มีการ เปลี่ ย นแปลงไป ฤดู ฝ นปี นี้ ฝ นมาล่ า กว่ า ปกติ เกษตรกรและ ผู้ประกอบการแปรรูปผลผลิตเกษตรอบแห้งประสบปัญหาผลผลิต ไม่ แห้ งเสี ยหาย ดั งนั้ น จึ งจํ าเป็ นต้ องมี การวิ จั ยและพั ฒนาโรง อบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์แบบมีพลังงานความร้อนร่วมจากเตาชีว มวล เพื่อให้สามารถใช้งานได้ในช่วงเวลาที่ไม่มีแสงอาทิตย์ เช่ น ตอนกลางคื นหรือฝนตก จะสามารถทําให้สามารถปฏิบัติงานได้ ตลอด 24 ชั่วโมง เพื่อให้อุณหภูมิภายในโรงอบเหมาะสมกับการ อบแห้งผลิตภัณฑ์แต่ละชนิด รวมทั้งเพิ่มประสิทธิภาพในการลด ความชื้นได้อีกด้วย
2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 หัวข้อย่อย 1) วัสดุอุปกรณ์สําหรับสร้างเครื่องต้นแบบ 2) ดีปลี มะขาม กล้วยน้ําว้า 3) เครื่องชั่งน้ําหนักขนาด 100 กิโลกรัม 4) เครื่ อ งชั่ ง น้ํ า หนั ก แบบดิ จิ ต อลพิ กั ด 2 กก. ทศนิ ย ม 2 ตําแหน่ง 5) เครื่องวัดความเร็วรอบ 6) เครื่องวัดกระแสไฟฟ้าแบบดิจิตอล (Digital Amp Meter) 7) นาฬิกาจับเวลา 8) เครื่องบันทึกอุณหภูมิแบบหลายจุด 9) เครื่องวัดความชื้นสัมพัทธ์ 2.2 วิธีดําเนินงาน โครงการวิจัยและพัฒนาโรงอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์แบบมี ความร้อนร่วมสําหรับการลดความชื้นผลิตผลเกษตรจะใช้โรงอบ แสงอาทิตย์ขนาด 6 x 6 เมตร ในการศึกษา ที่ผนังของโรงอบมีพัด ลมขนาด 14 นิ้ว จํานวน 2 ตัว ติดอยู่สําหรับดูดความชื้นออก ความ ร้อนที่ผ่านท่ออลูมิเนียมซึ่งทําหน้าที่เป็นชุดแลกเปลี่ยนความร้อน ติ ดตั้ งภายในโรงอบฝั่ งตรงข้ ามกั บพั ดลมได้ จากเตาชี วมวลที่ จะ ออกแบบขึ้น โดยมีขั้นตอนและวิธีดําเนินการดังนี้ 1) ออกแบบเตาชี ว มวลสํ า หรั บ เป็ น ความร้ อ นเสริ ม ในโรง อบแห้ งพลั งงานแสงอาทิ ตย์ โดยความร้ อนที่ได้ จากเตาลมร้ อน เชื้อเพลิงชีวมวลนํามาผ่านชุดแลกเปลี่ยนความร้อนที่ออกแบบให้ เหมาะสมกับขนาดของโรงอบภายในโรงอบมีพัดลมสําหรับระบาย ความชื้นออก 2) สร้ างต้ นแบบ และทดสอบเก็ บข้ อมู ลประสิ ทธิ ภาพของ เครื่องต้นแบบ 3) ปรับปรุงเครื่องต้นแบบและทดสอบ 4) วิเคราะห์และประเมินผล รายงาน 2.3 สถานที่ทําการทดลองและเก็บข้อมูล - กลุ่ มวิ จั ยวิ ศวกรรมหลั งการเก็ บเกี่ ยว อํ าเภอคลองหลวง จังหวัดปทุมธานี - จังหวัดสุพรรณบุรี - สํานักวิจัยและพัฒนาวิทยาการหลังการเก็บเกี่ยวและแปรรูป ผลิตผลเกษตร 3 ผลและวิจารณ์ ได้ออกแบบสร้างโรงอบแสงอาทิตย์ขนาด 6x6x2 เมตร ที่ผนัง ของโรงอบด้ านหลั งมี พัดลมขนาด 14 นิ้ ว จํ านวน 2 ตั ว ติ ดอยู่ สําหรับดูดความชื้นออก ผนังด้านหน้ามีชุดแลกเปลี่ยนความร้อน แบบท่อไฟติดตั้งอยู่ภายในโรงอบ ใช้ท่ออลูมิเนียมทําหน้าที่เป็นชุด
243
แลกเปลี่ ยนความร้ อน ความร้ อนได้ จากเตาชี วมวลที่ ออกแบบ พัฒนาขึ้น การออกแบบชุ ดแลกเปลี่ ยนความร้ อน มี ข้ อกํ าหนดในการ ออกแบบดังนี้ 1) กําหนดให้เวลาที่ใช้ในการเผาไหม้แกลบ 5 นาที 2) ความหนาแน่นกองของแกลบ 120 กก./ม3 3) อากาศที่ใช้ในการเผาไหม้มากกว่าอากาศที่ได้ในการเผาไหม้ จริงตามทฤษฎี 110% 4) อากาศแวดล้อมมีอุณหภูมิเฉลี่ย 27 องศาเซลเซียส และ ความชื้นสัมพัทธ์เฉลี่ย 80% ค่าความร้อนจําเพาะของอากาศมีค่า 1.013 กิโลจูล/กก.-oซ ปริมาตรจําเพาะของอากาศ 1.14 กก./ม3 5) อุณหภูมิลมร้อนที่ใช้ในการลดความชื้น 50oซ 6) กําหนดให้ประสิทธิภาพเตาลมร้อนมีค่า 45% 7) 7. ความเร็วลมเหนือถาดใส่ผลผลิต 0.25 ม./วินาที 8) ปริมาณลมที่ต้องการไหลผ่านภายในโรงอบ = พื้นที่หน้าตัด โรงอบ X ความเร็วลม = 6 ม. X 2 ม. X 0.25 ม./วินาที = 3 ม.3/วินาที ปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการลดความชื้นในโรงอบ = 3 ม.3/วินาทีX1.14 กก. อากาศแห้ง / ม.3X1.031 กิโลจูล/ กก.-oซX(50–27) oซ = 81 กิโลวัตต์ กําหนดให้ประสิทธิภาพเตาลมร้อนมีค่า 45% ดังนั้น ขนาดเตาที่ต้องการ คือ = 180 กิโลวัตต์ ต้องใช้แกลบ = (180 กิโลวัตต์X3600 วินาที/ชั่วโมง)/(15.5 เมกกะจูล/กก.X1000 กิโลจูล/เมกกะจูล) = 42 กก./ชม. ปัดค่าเป็น 40 กก./ชม. ในการออกแบบใช้ตะกรับเตาอยู่ด้านบนและวางในแนวระดับ และใช้เวลาในการเผาไหม้ 5 นาที ดังนั้นปริมาตรแกลบที่อยู่บนตะกรับเตา = (40 กก./ชม./60 นาที/ชม.) / 120 กก./ม.3 X 5 นาที = 0.028 ลูกบาศก์เมตร กําหนดให้ความหนาแกลบบนตะแกรงเผาไหม้ = 10 ซม. ดังนั้น พื้นที่ตะกรับเตา = 0.28 ม.2 ชุดป้อนแกลบขับด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าสามารถปรับอัตราการไหล ของแกลบได้ โดยการตั้ งเวลาเปิ ดปิ ด และชุ ดป้ อนแกลบนี้ จะทํ า หน้าที่ดันขี้เถ้าที่เกิดจากการเผาไหม้ออกจากเตาด้วย ออกแบบชุดแลกเปลี่ยนความร้อน UA Tm = mCpT (1) U = สัมประสิทธิ์การนําความร้อน A = พื้นที่แลกเปลี่ยนลมร้อน = พื้นที่ผิวของท่อ = DLN
N = จํานวนท่อ D = เส้นผ่านศูนย์กลางท่อ L = ความยาวท่อ Tm = Log mean ของผลต่างของอุณหภูมิอากาศในท่อและนอก ท่อไฟ = [(Th1–Tc2)–(Th2–Tc1)]/ln [(Th1–Tc2)/ (Th2–Tc1)] m = อัตราการไหลของอากาศที่ใช้ในการลดความชื้น, กก. อากาศแห้ง/ชม. Cp = ค่าความร้อนจําเพาะของอากาศ = 1.013 กิโลจูล/กก.-oซ T = ผลแตกต่างของอุณหภูมิลมเข้า และออก = 50-27ซ กําหนดให้ Th1 = อุณหภูมิลมร้อนจากเตาเข้า = 800oซ Th2 = อุณหภูมิลมออกปล่องควัน = 300oซ Tc1 = อุณหภูมิอากาศแวดล้อม = 27oซ Tc2 = อุณหภูมิลมร้อนที่ใช้อบ = 50oซ U = 45 วัตต์/ม2-oซ Tm = [(800–50)–(300–27)]/ln[(800–50)/(300–27)] = 472oซ จากสมการ (1) 180 กิโลวัตต์ X1000 = (45 วัตต์/ม2-oซ) AX472 oซ A = 8.5 ตารางเมตร เลือกใช้ท่ออลูมิเนียมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.15 เมตร. ยาว 1.50 เมตร จํานวน 12 ท่อ คิดเป็นพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อน 8.5 ตารางเมตร ชุดแลกเปลี่ยนความร้อนที่ต่อเข้ากับเตาลมร้อนใช้เชื้อเพลิงชีว มวลที่ อ อกแบบขึ้ น มี ก ารจั ด เรี ย งตามที่ แ สดงในรู ป ที่ 1 ชุ ด แลกเปลี่ยนความร้อนนี้จะต่อเข้ากับเตาลมร้อนที่อยู่นอกโรงอบดัง แสดงในรูปที่ 2 เขม่าและควันไฟจะถูกพัดลมดูดผ่านชุดแลกเปลี่ยน ลมร้อนและเป่าทิ้งไปข้างนอกโรงเรือน ทําให้อากาศร้อนภายใน โรงเรือนสะอาด
244
ทดลองใช้แกลบสําหรับเตาลมร้อนเพื่อเสริมอุณหภูมิภายในโรงอบ ทั้งสิ้น 6.8 กิโลกรัม คิดเป็นอัตราการเผาไหม้ 9.7 กิโลกรัม/ชั่วโมง ตารางที่ 1 แสดงการเปรียบเทียบอุณหภูมิ และความชื้นสัมพัทธ์ อากาศภายในกับภายนอกโรงอบต้นแบบ และความชื้นมะขามที่ เวลาต่างๆ เวลา 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00
รูปที่ 10 แสดงชุดแลกเปลี่ยนความร้อนที่ต่อเข้ากับเตาลมร้อนใช้ เชื้อเพลิงชีวมวล
เวลา 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00
รูปที่ 2 ต้นแบบโรงอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์ร่วมกับเตาลมร้อน เชื้อเพลิงชีวมวล
นอกโรงอบ อุณหภูมิ ความชื้น อุณหภูมิในร่ม, ความชื้น กลางแดด, สัมพัทธ์ องศาเซลเซียส มะขามฝัก, % องศาเซลเซียส % 30.0 61.0 27.0 20.78 32.5 55.5 28.0 20.35 35.5 50.0 29.0 19.72 36.0 49.5 30.0 19.09 37.0 47.0 31.0 18.56 37.5 45.0 31.0 17.88 35.0 46.5 31.0 17.51 ในโรงอบต้นแบบ อุณหภูมิ ความชื้นสัมพัทธ์ ความชื้น องศาเซลเซียส % มะขามฝัก, % 44.5 35.0 20.78 47.5 26.5 20.11 48.0 23.5 19.53 46.0 26.0 18.77 50.5 18.5 18.58 49.5 18.5 17.43 46.5 19.5 16.05
ตารางที่ 2 แสดงการเปรียบเทียบอุณหภูมิ และความชื้นสัมพัทธ์ อากาศภายในกับภายนอกโรงอบต้นแบบ และความชื้นกล้วยที่เวลา ต่างๆ โดยใช้แกลบสําหรับเตาลมร้อน 204 กิโลกรัม เฉลี่ยเท่ากับ 10.2 กิโลกรัม/ชั่วโมง
รูปที่ 3 แบบทางวิศวกรรมแสดงขนาดของเตาลมร้อนเชื้อเพลิงชีว มวลที่ออกแบบ ผลการทดลองลดความชื้นมะขามฝักเปรียบเทียบการตากแดด และการอบในโรงอบต้นแบบ โดยวัดอุณหภูมิ และความชื้นสัมพัทธ์ อากาศภายนอกและภายในโรงอบต้นแบบแสดงในตารางที่ 1 ในการ 245
เวลา
อุณหภูมิ กลางแดด Oซ
9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00
33.9 35.4 45.2 41.4 44.0 43.0 40.1
นอกโรงอบ ความชื้น อุณหภูมิ สัมพัทธ์ % ในร่ม, Oซ วันที่ 1 63.4 30.7 58.3 31.6 36.7 33.1 40.7 32.3 36.7 33.6 36.7 32.5 47.4 29.5
ความชื้น กล้วย, % 70.84 -
เวลา 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 เวลา 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00
นอกโรงอบ อุณหภูมิ ความชื้น อุณหภูมิ กลางแดด, oซ สัมพัทธ์ % ในร่ม oซ วันที่ 2 37.6 51.0 30.9 37.3 52.2 27.7 37.8 52.1 29.5 36.9 53.2 29.2 36.7 51.5 29.5 34.1 58.7 28.7 36.9 50.7 28.2 ในโรงอบต้นแบบ อุณหภูมิ ความชื้น สัมพัทธ์ % องศาเซลเซียส 39.0 49.0 38.8 49.8 39.2 49.7 37.7 52.0 38.3 49.0 34.0 55.3 38.8 47.4
ความชื้น กล้วย, % 62.27 ความชื้น กล้วย, % 59.08 -
เวลา 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00
เวลา
9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00
32.5 30.0 32.5 35.5 36.0 37.0 32.5
เวลา
อุณหภูมิ องศาเซลเซียส
9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00
47.5 44.5 47.5 48.0 46.0 50.5 47.5
ความชื้น สัมพัทธ์,%
อุณหภูมิ ในร่ม, oซ
วันที่ 3 55.5 28.0 61.0 27.0 55.5 28.0 50.0 29.0 49.5 30.0 47.0 31.0 55.5 28.0 ในโรงอบต้นแบบ ความชื้นสัมพัทธ์,% วันที่ 3 26.5 35.0 26.5 23.5 26.0 18.5 26.5
ความชื้น กล้วย, % 70.84 -
ผลการทดลองอบมะขามและกล้วย (ตารางที่ 1 และ 2) พบว่า โรงอบแห้ งต้ นแบบสามารถลดความชื้ นได้ เร็ วกว่ าการตากแดด โดยใช้เชื้อเพลิงแกลบสําหรับเตาลมร้อนเพื่อเพิ่มอุณหภูมิอบแห้ง 9.7-10.2 กก./ชม. สําหรับผลการอบแห้งดีปลีก็เช่นเดียวกันดัง แสดงในตารางที่ 3 ตารางที่ 3 แสดงการเปรียบเทียบอุณหภูมิ และความชื้นสัมพัทธ์ อากาศภายในกับภายนอกโรงอบต้นแบบ และความชื้นดีปลีที่เวลา ต่างๆ โดยใช้แกลบสําหรับเตาลมร้อน 140 กิโลกรัม เฉลี่ยเท่ากับ 10 กก./ชม.
นอกโรงอบ อุณหภูมิ กลางแดด o ซ
ในโรงอบต้นแบบ อุณหภูมิ ความชื้น องศาเซลเซียส สัมพัทธ์ % 34.5 63.1 36.4 57.5 50.0 30.9 44.6 37.0 47.8 33.1 46.1 34.9 43.1 43.0
เวลา
ความชื้น กล้วย, % 47.50 25.22 ความชื้น กล้วย, % 36.45 20.04 36.45
246
อุณหภูมิกลาง แดดองศา เซลเซียส
9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00
33.9 35.4 45.2 41.4 44.0 43.0 40.1
9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00
37.6 37.3 37.8 36.9 36.7 34.1 36.9
นอกโรงอบ ความชื้น อุณหภูมิในร่ม สัมพัทธ์ % องศาเซลเซียส วันที่ 1 63.4 58.3 36.7 40.7 36.7 36.7 47.4 วันที่ 2 51.0 52.2 52.1 53.2 51.5 58.7 50.7
ความชื้น ดีปลี, %
30.7 31.6 33.1 32.3 33.6 32.5 29.5
40.4 -
30.9 27.7 29.5 29.2 29.5 28.7 28.2
26.27 16.51
เวลา 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00
ในโรงอบต้นแบบ อุณหภูมิ ความชื้น กลางแดด สัมพัทธ์ % องศาเซลเซียส วันที่ 1 34.5 63.1 36.4 57.5 50.0 30.9 44.6 37.0 47.8 33.1 46.1 34.9 43.1 43.0 วันที่ 2 39.0 49.0 38.8 49.8 39.2 49.7 37.7 52.0 38.3 49.0 34.0 55.3 38.8 47.4
ความชื้น ดีปลี, % 40.4 -
(1) ติดตั้งเข้ากับเตาลมร้อนเชื้อเพลิงชีวมวล
22.08 12.30
(2) มีพัดลมดูดอากาศร้อนผ่านชุดแลกเปลี่ยนและ เป่าออกนอกโรงอบ
รูปที่ 5 ชุดแลกเปลี่ยนความร้อน 4 สรุป โรงอบแห้งที่พัฒนาขึ้นมีขนาดกว้าง 6.0 เมตร ยาว 6.0 เมตร สูง 3.50 เมตร โครงสร้างโรงอบใช้เหล็กกล่อง หลังคาและผนังทั้ง 4 ด้าน ทําด้วยพลาสติกโปร่งใสโพลีคาร์บอเนต ด้านหน้าภายในโรง อบติดตั้งชุดแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อไฟโดยใช้ท่ออลูมิเนียม ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 15 ซม. ยาว 1.50 เมตรจํานวน 12 ท่อ ติดตั้งเรียงแถวในแนวตั้ง คิดเป็นพื้นที่ผิวชุดแลกเปลี่ยนความร้อน 8.5 ตารางเมตร เตาชี ว มวลเพื่ อ เป็ น แหล่ ง ความร้ อ นให้ ชุ ด แลกเปลี่ยนความร้อนเป็นแบบที่มีตะกรับไฟอยู่ด้านบนของเตา มี พื้นที่ตะกรับเตา = 0.28 ตารางเมตร ใช้แกลบ ซังข้าวโพด หรือชีว มวลอื่นๆ เป็นเชื้อเพลิง มีอุปกรณ์สําหรับป้อนและถ่ายขี้เถ้าเป็นชุด เดี ย วกั น ผนั ง ด้ า นท้ า ยโรงอบติ ด ตั้ ง พั ด ลมดู ด อากาศเส้ น ผ่ า น ศูนย์กลาง 18 นิ้ว จํานวน 2 ชุด เพื่อดูดอากาศภายนอกให้ไหลผ่าน รูปที่ 4 แสดงการติ ด ตั้ ง ชุ ด แลกเปลี่ ย นความร้ อ นภายในโรง ชุดแลกเปลี่ยนความร้อนทําให้อุณหภูมิในโรงอบสูงขึ้น ภายในโรง อบมีชั้นสําหรับวางถาดใส่ผลผลิตที่จะอบขนาด 0.9 ตารางเมตร อบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์ จํานวน 5 ชั้น มี 4 ชุด จํานวน 3 แถว ผลการทดสอบโรงอบแห้ง พลั งงานแสงอาทิ ตย์ ร่ วมกั นพลั งงานความร้ อนจากเตาชี วมวล 247
พบว่ า สามารถสร้ า งอุ ณ หภู มิ ในห้ อ งอบได้ 50.0 oซ ในขณะที่ อุณหภูมิกลางแดด 37.0oซ ผลการทดลองอบแห้ งมะขาม กล้วย และดีปลี พบว่า สามารถลดความชื้นได้ดีกว่าเมื่อเทียบกับการตาก แดด โดยใช้แกลบ 9.7-10.2 กิโลกรัม/ชั่วโมง 5 เอกสารอ้างอิง วิบูลย์ เทเพนทร์ 2557. รางานโครงการวิจัยและพัฒนาชุดเครื่องมือ และกระบวนการแปรรูปมะขามเปรี้ยว สําหรับกลุ่มเกษตรกร สถาบันวิจัยเกษตรวิศวกรรม กรมวิชาการ เกษตร (2557) เวียง อากรชี วิบลู ย์ เทเพนทร์ อัคคพล เสนาณรงค์ ปรีชา อานันท์ รัตนกุล อนุชา เชาว์โชติ และอนุสรณ์ พินสิริกุล 2552. รายงาน วิจัยโครงการวิจัยและพัฒนาโรงอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์ และความร้อนร่วมสําหรับการลดความชื้นผลิตผลเกษตร. สถาบันวิจัยเกษตรวิศวกรรม กรมวิชาการเกษตร บงกช ประสิทธิ์ และสุขฤดี นาถกรณกุล. วิทยาลัยพลังงานทดแทน มหาวิทยาลัยนเรศวร พิษณุโลก. “การใช้เครื่องพลังงาน แสงอาทิตย์แบบอุโมงค์ แปรรูปผลิตผลทางการเกษตรร่วมกับ ระบบแก๊สซิไฟเออร์” การประชุมเชิงวิชาการเครือข่ายพลังงาน แห่งประเทศไทย ครั้งที่ 3 โรงแรมใบหยกสกาย ระหว่างวันที่ 23-25 พฤษภาคม 2550 กรุงเทพฯ สุขฤดี นาถกรณกุล และบงกช ประสิทธิ์. วิทยาลัยพลังงาน ทดแทน มหาวิทยาลัยนเรศวร พิษณุโลก. “เครื่องอบแห้ง พลังงานแสงอาทิตย์ร่วมกับแก๊สชีวภาพ” การประชุมเชิง วิชาการเครือข่ายพลังงานแห่งประเทศไทย ครัง้ ที่ 1 โรงแรม แอมบาสซาเดอร์ จอมเทียน จังหวัดชลบุร.ี ระหว่างวันที่ 11-13 พฤษภาคม 2548 นิรนาม 2547. รายงานวิจัย การพัฒนา สาธิตและเผยแพร่เครื่องอบ แห้งพลังงานแสงอาทิตย์สําหรับผลิตผลทางการเกษตร. กรม พัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงานร่วมกับ ภาควิชา ฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศิลปากร
248
TEE-04
การศึกษาผลร่วมของความร้อนและวัตถุกนั เสียต่อความต้านทานความร้อนของสปอร์ของ Clostridium sporogenes PA3679 และการนําไปใช้เพื่อกําหนดการฆ่าเชื้อเครื่องดื่มที่มีความเป็นกรดต่ํา อธิคม มาศรีนวล1*, ชัยรัตน์ ตั้งดวงดี1, ทิพาพร อยู่วิทยา1 1
ภาควิชาวิศวกรรมอาหาร คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี แขวงบางมด เขตทุง่ ครุ กรุงเทพฯ 10140 ผู้เขียนติดต่อ: อธิคม มาศรีนวล E-mail: poom_atk@yahoo.com
บทคัดย่อ ปัญหาของผู้ประกอบการขนาดกลางและขนาดเล็กในการผลิตเครื่องดื่มที่มีความเป็นกรดต่ํา (มีค่า pH มากกว่า 4.6) ในภาชนะปิดสนิท คือ ไม่สามารถทําลายสปอร์ของจุลินทรีย์ที่เป็นอันตรายที่อาจปนเปื้อนอยู่ในอาหารซึ่งต้องใช้ความร้อนสูงกว่า อุณหภูมิน้ําเดือดได้ เนื่องจากขาดเครื่องฆ่าเชื้อภายใต้ความดัน (Retort) ที่มีราคาแพง จึงคาดหวังว่าการใช้วิธีการฆ่าเชื้อแบบ ผสมผสาน (Hurdle technology) คือใช้ผลร่วมของหลายวิธีการ (เช่น การใช้วัตถุกันเสีย และความร้อน) จะสามารถบรรลุ วัตถุประสงค์ดังกล่าวได้ งานวิจัยนี้จึงศึกษาผลร่วมของการใช้ความร้อนระดับพาสเจอไรซ์ และวัตถุกันเสีย ในการฆ่าเชื้อเครื่องดื่มที่เป็น กรดต่ําที่มีค่า pH ต่างกัน (4.7 และ 7) โดยใช้สปอร์ของ Clostridium sporogenes PA3679 แทนสปอร์ของ Clostridium botulinum ซึ่งเป็นสปอร์ของจุลินทรีย์เป้าหมายสําหรับการฆ่าเชื้ออาหารที่มีความเป็นกรดต่ํา เนื่องจาก C. botulinum เป็นอันตราย มาก และ C. sporogenes เป็นสายพันธุ์ใกล้เคียงที่มีความทนทานต่อความร้อนมากกว่า C. botulinum ผลการทดลองพบว่าการใช้ วัตถุกันเสีย 2 ชนิดได้แก่ โซเดียมเบนโซเอท และ โปแตสเซียมซอร์เบท ในปริมาณสูงสุดที่กฎหมายอนุญาตให้ใช้ได้ในเครื่องดื่ม คือ 200 ppm ไม่มีผลที่ชัดเจนในการช่วยลดความต้านทานต่อความร้อนของสปอร์ของ C. sporogenes ในการฆ่าเชื้อด้วยความร้อนระดับ พาสเจอไรซ์ (95 และ 100°C) และพบว่าการกําหนดกระบวนการฆ่าเชื้อด้วยความร้อนที่จะทําให้เครื่องดื่มที่เป็นกรดต่ําในภาชนะปิด สนิทปลอดภัยจะต้องใช้เวลาในการฆ่าเชื้อนานมาก ถึง 14.7 h /95oC ที่ pH 7.0 หรือ 7.4 h/95oC ที่ pH 4.7 คําสําคัญ: คลอสตริเดียม สปอโรจิเนส, เครื่องดื่มที่มีความเป็นกรดต่ํา, โซเดียมเบนโซเอท, โปแตสเซียมซอร์เบท
Combined Effects of Heat and Preservatives on Thermal Resistance of Clostridium sporogenes PA3679 spores and Their Uses in Establishment of Process for Low-acid Drinks Atikom Masrinual1*, Chairath Tangduangdee1, Tipaporn Yoovidyha1 1
Department of Food Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Bangkok 10140. Corresponding author: Atikom Masrinual. E-mail: poom_atk@yahoo.com
Abstract Small and medium size enterprises (SME) are constantly experiencing problem with the production of low-acid drinks having pH higher than 4.6 in hermetically sealed containers. This is because of the lack of appropriate equipment (retort) to destroy heat-resistant spores. It was hypothesized that hurdle technology, which combines the use of various methods for food preservation may be utilized instead of the use of a retort. This work aimed at studying the feasibility of using combined effect of heat and preservative to treat low-acid drinks having pH of 4.7 or 7. Clostridium sporogenes PA3679 was used as a non-pathogenic surrogate of C. botulinum. Sodium benzoate and potassium sorbate, the two preservatives that are allowed in beverages, were used at the maximum allowable concentration of 200 ppm. It was found that there were no significant synergistic effects of the preservatives and pasteurization temperature (95 and 100oC) on the inactivation of C. sporogenes PA3679 spores. To commercially sterilize the low-acid drinks in hermetically sealed containers, an unrealistically long process of 14.7 h/95oC at pH 7.0 or 7.4 h/95oC at pH 4.7 is required. Keywords: Clostridium sporogenes, Low-acid drinks, Potassium sorbate, Sodium benzoate
249
1 บทนํา อาหารที่มีความเป็นกรดต่ํา หมายถึงอาหารที่มีค่า pH มากกว่า 4.6 และมีค่า water activity มากกว่า 0.85 การผลิตอาหารกลุ่มนี้ ในภาชนะปิดสนิทมีความเสี่ยงสูงจากการเป็นสภาวะที่เหมาะต่อ การเจริญของ Clostridium botulinum ซึ่งสามารถสร้างสปอร์ที่ ทนต่อความร้อนสู ง จําเป็นต้ องใช้ ความร้อนสู งระดั บสเตอริไลซ์ (สูงกว่า 100 oC) เพื่อทําลายสปอร์เพราะถ้าสปอร์เหลือรอดจากการ ฆ่าเชื้ อที่ไม่ เพี ยงพอ จะเจริ ญเป็นเซลล์และสร้ างสารพิษที่ ทําให้ ผู้บริโภคเสียชีวิตได้ ตามที่ สํ า นั ก งานคณะกรรมการอาหารและยา กระทรวง สาธารณสุข ได้ออกประกาศกระทรวงสาธารณสุข (ฉบับที่ 356) พ.ศ. 2556 เรื่อง เครื่องดื่มในภาชนะบรรจุที่ปิดสนิท โดยอนุญาตให้ ใช้ กรดเบนโซอิค หรือกรดซอร์บิก หรือเกลือของกรดทั้งสอง เป็น วัตถุกันเสียได้ในปริมาณไม่เกิน 200 ส่วนในล้านส่วน ทําให้ ผู้ประกอบการขนาดกลางและขนาดเล็กที่ต้องการจะผลิตเครื่องดื่ม ชนิดที่เป็นกรดต่ําบรรจุในภาชนะปิดสนิท และไม่สามารถฆ่าเชื้อ ผลิตภัณฑ์โดยใช้อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิน้ําเดือดได้ สนใจที่จะใช้ วิธีการฆ่าเชื้อแบบผสมผสาน (Hurdle technology) คือใช้ผลร่วม ของ Hurdles (วัตถุกันเสีย ความร้อน ความเป็นกรด-ด่าง ฯลฯ) หลายตัวแทนการใช้ความร้อนสูงระดับสเตอริไลซ์เพียงวิธีเดียวซึ่ง ต้องใช้เครื่องฆ่าเชื้อภายใต้ความดัน (Retort) นอกจากเครื่องจักรนี้ จะมีราคาแพงแล้ว การใช้งานก็มีความยุ่งยากที่จําเป็นต้องมีผู้รู้มา ดูแลและควบคุม งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาผลร่วมของการใช้วัตถุกัน เสียและความร้อนระดับพาสเจอไรซ์ เพื่อนําไปกําหนดกระบวนการ ฆ่าเชื้อเครื่องดื่มชนิดที่มีความเป็นกรดต่ําบรรจุในภาชนะปิดสนิทที่ สามารถเก็บรักษาไว้ที่อุณหภูมิห้องได้นานโดยไม่ต้องแช่เย็น วัตถุ กันเสียที่ใช้คือโซเดียมเบนโซเอทและโปแทส เซียมซอร์เบทที่ระดับ ความเข้ มข้ น สู ง สุ ดที่ อ นุ ญ าตให้ ใช้ ไ ด้ ใ นเครื่ อ งดื่ ม (200 ppm) อ้างอิงตามประกาศกระทรวงสาธารณสุข (ฉบับที่ 356) พ.ศ. 2556 ส่วนความร้อนใช้อุณหภูมิ 2 ระดับ คือ 95 และ 100oC โดยศึกษา จากค่ า ความต้ า นทานต่ อ ความร้ อ นของสปอร์ ข องจุ ลิ น ทรี ย์ เป้ าหมาย คื อ Clostridium botulinum แต่ เนื่ องจากความเป็ น อั นตรายสู งของแบคที เรี ยตั วนี้ จึ งใช้ แบคที เรี ยใกล้ เคี ยงในสกุ ล เดี ยวกั นที่ สร้ างสปอร์ ได้ เหมื อนกั น สามารถทนต่ อความร้ อนได้ มากกว่ า และไม่ เ ป็ น อั น ตรายมาใช้ แ ทน ตั ว ที่ นิ ย มใช้ กั น คื อ Clostridium sporogenes PA3679 (Brown et al., 2011) โดยศึกษาความต้านทานต่อความร้อนในรูปของค่า D (Decimal reduction time) ของสปอร์ของจุลินทรีย์นี้ในสารละลาย Phosphate buffer ที่ค่าความเป็นกรด-ด่าง 2 ค่า คือ pH 4.7 และ 7
ค่า D คือเวลาที่ต้องใช้ในการลดจุลินทรีย์หรือสปอร์ของ จุลินทรีย์ลงร้อยละ 90 ของจํานวนเริ่มต้น ดังนั้นถ้าค่า D สูง หมายความว่าจุลินทรียหรือสปอร์นั้นทนต่อความร้อนได้สูง ทั้งนี้ ต้องเปรียบเทียบที่อุณหภูมิเดียวกัน ซึ่งในการกําหนดกระบวนการ ฆ่าเชื้อที่ใช้สปอร์ของ Clostridium sporogenes เป็นเป้าหมาย จะ ใช้กระบวนการ 5D (Naim et al., 2008) เนื่องจากให้ประสิทธิภาพ ในการฆ่าเชื้อสูงกว่ากระบวนการ 12D ที่มีสปอร์ของ Clostridium botulinum เป็นเป้าหมาย 2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 สารเคมีและอาหารเลี้ยงเชื้อ สารละลายฟอสเฟตบัฟเฟอร์ที่ใช้คือ M/15 Sorensen’s phosphate buffer (Mah et al., 2008) ซึ่งมีวิธีการเตรียมดังนี้ ชั่งสาร Na2HPO4 5.675 g และ KH2PO4 3.63 g ผสมลงในน้ํากลั่น 1 L สารละลายที่ได้จะมีค่า pH เท่ากับ 7.0 (หากต้องการทําการ ทดลองที่ค่า pH อื่นให้ทําการปรับกรดโดยใช้กรดซิตริกจนได้ค่า pH ที่ต้องการ) นําสารละลายฟอสเฟตบัฟเฟอร์ที่ได้ไปฆ่าเชื้อด้วยเครื่อง autoclave ที่อุณหภูมิ 121oC เป็นเวลา 15 min หลังจากนั้นเก็บ สารละลายที่เตรียมได้ไว้ในตู้เย็นที่อุณหภูมิ 4oC จนกว่าจะใช้งาน วัตถุกันเสียที่ใช้คือ โซเดียมเบนโซเอทและโปแทสเซียมซอร์เบท ที่ระดับความเข้มข้น 200 ppm เมื่อคํานวณเป็นตัวกรด ใน การศึกษาผลร่วมของวัตถุกันเสียและความร้อน ทําโดยเติมวัตถุกัน เสียลงใน M/15 Sorensen’s phosphate buffer ก่อนนําไปฆ่า เชื้อที่อุณหภูมิ 121oC เป็นเวลา 15 min อาหารเลี้ยงเชื้อที่ใช้คือ อาหารเลี้ยงเชื้อสําเร็จรูป AK agar#2 (Sporulating agar) (Difco, MD, USA) อาหารเลี้ยงเชื้อสําเร็จรูป Reinforced clostridial medium (Difco, MD, USA) อาหาร เลี้ยงเชื้อ Reinforced clostridial agar เป็นอาหารที่ดัดแปลงจาก Reinforced clostridial medium โดยการเติม Agar technical (Difco, MD, USA) ลงไปเพื่อให้อาหารเปลี่ยนสภาพเป็นอาหารแข็ง 2.2 การเตรียมสปอร์ของ Clostridium sporogenes ในการทดลองนี้ใช้สปอร์ของ Clostridium sporogenes NCA3679 (ATCC7955) ซึ่งสั่งซื้อมาจาก American Type Culture Collection (ATCC; Manassas, VA, USA) วิธีการเตรียม สปอร์ดัดแปลงจากวิธีของ Hassan และ Ramaswamy (2011) เริ่มจากเพิ่ มจํานวนเชื้ อด้วยอาหาร Reinforced clostridial medium แล้วบ่มที่ 37oC เป็นเวลา 48 h หลังจากนั้นกระตุ้นให้ เชื้อสร้างสปอร์โดยใช้อาหาร AK agar#2 (Sporulating agar) แล้ว บ่มที่อุณหภูมิ 37oC เป็นเวลา 7 d ที่สภาวะไม่มีออกซิเจน หลังจาก นั้นตรวจสอบการสร้างสปอร์ของเชื้อโดยใช้กล้องจุลทรรศน์ แยก สปอร์ออกจากผิวหน้าอาหารเลี้ยงเชื้อโดยใช้น้ํากลั่นที่ผ่านการฆ่า
250
อย่างชัดเจนในทุกๆ สภาวะของการทดลอง ดังผลการทดลองใน Table 1 สําหรับโซเดียมเบนโซเอทนั้น ช่วงความเป็นกรด-ด่าง ที่ใช้ ในการทดลองนั้นไม่ใช่ช่วงที่มีประสิทธิภาพสูงสุด จึงทําให้ไม่ส่งผล ในการไปลดความต้ านทานความร้ อนของสปอร์ สํ าหรั บโปแท สเซียมซอร์เบท Smooth และ Pierson (1981) รายงานว่าเมื่อใช้ โปแทสเซียมซอร์เบทในปริมาณ 5,200 ppm ที่ pH 5.7 สามารถ ยับยั้งการงอกของสปอร์ของ C. botulinum 62A แต่เนื่องจากเป็น ปริ ม าณที่ สู ง กว่ า ที่ ก ฎหมายอนุ ญ าตมาก ผู้ ป ระกอบการจึ ง ไม่ สามารถที่จะนํามาใช้ในการผลิตจริงได้ คณะผู้วิจัยจึงมุ่งเน้นที่การ ลดค่าความต้านทานความร้อนเพื่อให้สามารถทําลายสปอร์ได้ง่าย ขึ้น แต่จากผลการทดลองพบว่าการใช้วัตถุกันเสียไม่ส่งผล แต่ปัจจัย ที่ส่งผลต่อค่าความต้านทานความร้อนของสปอร์อย่างชัดเจนคือ อุณหภูมิและค่าความเป็นกรด-ด่าง โดยการเพิ่มอุณหภูมิ มีผลไปลด ค่าความต้านทานต่อความร้อนของสปอร์อย่างชัดเจน ซึ่งสอดคล้อง กับรายงานของ Ocio et al. (1994) ดังแสดงใน Table 2 ที่ pH 4.7 พบว่าค่า D ที่อุณหภูมิ 95 และ 100oC คือ 89.14 และ 33.88 min ตามลําดับ ขณะที่ ที่ pH 7.0 ค่า D ที่อุณหภูมิ 95 และ 100oC คือ 176.54 และ 79.57 min ตามลําดับ นอกจากนี้พบว่า การลดค่าความเป็นกรด-ด่าง ส่งผลต่อการลดค่าความต้านทานต่อ ความร้ อนอย่ างชั ดเจนเช่ นกั น ซึ่ งผลการทดลองที่ ได้ เป็ นไปใน แนวทางเดียวกับ Santos (1992) และ Naim et al. (2008) ดัง แสดงใน Table 2 คือ ที่ 95oC ค่า D ที่ pH 4.7 และ 7.0 คือ 89.14 และ 176.54 min ตามลําดับ ที่ 100oC ค่า D ที่ pH 4.7 และ 7.0 คือ 33.88 และ 79.57 min ตามลําดับ 3.2 การกําหนดกระบวนการฆ่าเชื้อที่เหมาะสม จากผลการทดลองพบว่าค่า D95 และ D100 มีค่าสูง นั่นคือสปอร์ มีความต้านทานต่อความร้อนที่อุณหภูมิ 95 และ 100oC ได้มาก (ทําลายยาก) ซึ่งหากจะกําหนดกระบวนการฆ่าเชื้อด้วยความร้อน โดยใช้กระบวนการ 5D จะใช้เวลานานมาก ยกตัวอย่างเช่น ค่า D95 ของสปอร์ของ C. sporogenes PA3679 ที่ pH 7.0 และ pH 4 คือ 176.54 และ89.14 min ตามลําดับ เมื่อคํานวณโดยใช้กระบวนการ 5D จะเท่ากับ 882.7 และ 445.7 min ตามลําดับ ซึ่งหมายความว่า 3 ผลและวิจารณ์ ต้องฆ่ าเชื้อที่ 95oC เป็นเวลา 14.7 h (882.7 min) สํ าหรั บ 3.1 การหาค่าความต้านทานความร้อนของสปอร์ที่สภาวะต่างๆ ผลิตภัณฑ์ที่มีค่า pH 7 และ 7.4 h (445.7 min) สําหรับผลิตภัณฑ์ จากการศึ กษาผลร่ วมของความร้ อน และวัตถุกั นเสีย ต่ อค่ า ที่มีค่า pH 4.7 จึงจะสามารถลดจํานวนสปอร์ลงได้ 5 log และทํา ความต้านทานความร้อนของสปอร์ของ C.sporogenes PA3679 ให้ผลิตภัณฑ์นั้นปลอดภัยต่อผู้บริโภคได้ พบว่า ทั้งโปแทสเซียมซอร์เบทและโซเดียมเบนโซเอทไม่มีผลในการ ไปลดความต้านทานต่อความร้อนของสปอร์ของ C. sporogenes
เชื้ อ เทลงบนผิ ว หน้ า และขู ด เบาๆด้ ว ยแท่ ง แก้ ว ปลอดเชื้ อ นํ า สารละลายสปอร์ที่ได้ไปให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 85oC เป็นเวลา 15 min เพื่อทําลายเซลล์ หลังจากนั้นปั่นเหวี่ยงแยกสปอร์และล้างด้วย น้ํากลั่น 3 ครั้งที่ความเร็วรอบ 4000 g เป็นเวลา 15 min ที่ อุณหภูมิ 4oC และเก็บสปอร์ในน้ํากลั่นที่อุณหภูมิ 4oC 2.3 การหาค่าความต้านทานความร้อนของสปอร์ ค่าความต้านทานความร้อนของสปอร์หาได้จากวิธีการ TDT tube (Stumbo, 1965) โดยนําสปอร์ใส่ในสารละลาย M/15 Sorensen’s phosphate buffer ที่ปรับค่า pH และเติมวัตถุกัน เสียตามสภาวะที่กําหนด เจือจางให้ได้จํานวนสปอร์เริ่มต้นประมาณ 104 CFU mL-1 และแบ่งใส่หลอดแก้วขนาดเล็กหลอดละ 1.3 mL จํานวน 5 หลอด ต่อ 1 สภาวะการทดลอง ปิดหลอดทดลองด้วย อลูมินัมฟอยด์และปิดทับอีกชั้นด้ วยฝาพลาสติก หลังจากนั้นนํ า หลอดทดลองไปให้ ค วามร้ อ นที่ อุ ณ หภู มิ 95 และ100 oC เก็ บ ตั วอย่ างที่ เวลาต่ างๆกั นมาแช่ น้ํ าแข็ งอย่ างรวดเร็ วแล้ วนํ าไปหา จํานวนสปอร์ที่เหลือรอด 2.4 การออกแบบการทดลอง การทดลองนี้ทําขึ้นเพื่อศึกษาผลของปัจจัยร่วมคือ อุณหภู มิ และวั ตถุ กั นเสี ยต่ อค่ า ความต้ า นทานความร้ อนของสปอร์ ของ C. sporogenes PA3679 ในฟอสเฟตบัฟเฟอร์ที่ค่าความเป็น กรด-ด่าง 4.7 และ 7.0 โดยอุณหภูมิที่ศึกษาคือ 95 และ 100oC และวัตถุกันเสียที่ใช้คือ โปแตสเซียมซอร์เบท 200 ppm โซเดียม เบนโซเอท 200 ppm และโปแตส เซียมซอร์เบท 100 ppm ร่วมกับโซเดียมเบนโซเอท 100 ppm ในแต่ละสภาวะทําการทดลอง อย่างน้อย 3 ซ้ํา และตรวจสอบจํานวนสปอร์ที่เหลือรอดโดยวิธีทาง จุลชีววิทยา โดยใช้การนับจํานวนแบบ pour plate ในอาหารเลี้ยง เชื้อ Reinforced clostridial agar และบ่มที่อุณหภูมิ 37oC เป็น เวลา 48 h หลังจากนั้นนําจํานวนสปอร์ที่เหลือรอด ไปหาค่า D ที่ สภาวะต่างๆ โดยการพลอตระหว่างค่า log ของจํานวนสปอร์ที่ เหลือรอดหลังได้รับความร้อน กับ เวลาในการให้ความร้อน และ กําหนดกระบวนการฆ่าเชื้อที่เหมาะสมด้วยกระบวนการ 5D
251
Table 1 Combined effects of heat and preservatives on the thermal resistance of Clostridium sporogenes PA3679 in phosphate buffer pH 4.7 and 7 pH
4.7
7.0
Preservatives
D-value (minute) 95°C
100°C
de
g
No preservative
89.14 ± 2.85
PS (200 ppm)
82.91 ± 1.95
SB (200 ppm)
92.11 ± 11.23
34.05 ± 4.03
PS (100 ppm) + SB (100 ppm)
85.82 ± 10.70
34.60 ± 4.77
No preservative
176.54 ± 16.88
79.57 ±14.33
PS (200 ppm)
137.21 ± 6.91
76.64 ±7.53
SB (200 ppm)
146.88 ± 10.76
def d
33.88 ± 4.04
g
32.33 ± 3.14
g
de a
c
c b
PS (100 ppm) + SB (100 ppm) 161.26 ± 14.19 PS = Potassium sorbate; SB = Sodium benzoate a Values in the same column with different uppercase letters are significantly different (p<0.05).
g def
ef f
70.79 ±1.92
ef
76.11 ±7.99
Table 2 Effects of temperature and pH on heat resistance 6 เอกสารอ้างอิง ประกาศกระทรวงสาธาณสุข ฉบับที่ 349. 2556. เรื่องวิธีการผลิต of C. sporogenes PA3679 pH D-value (minute) เครื่องมือเครื่องใช้ในการผลิตและการเก็บรักษาอาหารใน 95°C 100°C ภาชนะบรรจุที่ปดิ สนิทชนิดที่มีความเป็นกรดต่ํา และชนิดที่ 4.7 89.14±2.85 33.88±4.04 ปรับกรด. 7.0 176.54±16.88 79.57±14.33 ประกาศกระทรวงสาธารณสุข ฉบับที่ 356. 2556. เรื่องเครื่องดื่มใน ภาชนะบรรจุที่ปดิ สนิท. 4 สรุป ศิ ว าพร ศิวเวชช. 2546. วัตถุเจือปนอาหารเล่ม 1.นครปฐม: โรง การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าการใช้วัตถุกันเสีย (โซเดียมเบนโซ พิมพ์ศูนย์ส่งเสริมและฝึกอบรมการเกษตรแห่งชาติ. เอทและโปแทสเซียมซอร์เบท) ในปริมาณที่กฎหมายกําหนด (200 ppm) ร่วมกับความร้อนในระดับพาสเจอไรซ์ ต้องใช้เวลาในการให้ Brown, J. L., N., Tran-Dinh., B., Chapman. 2011. Clostridium sporogenes PA3679 and its uses in the ความร้อนยาวนานมาก ถึง 14.7 h /95oC ที่ pH 7.0 หรือ 7.4 deviation of thermal processing schedules for low h/95oC ที่ pH 4.7 จึงจะทําให้ผลิตภัณฑ์ที่มีความเป็นกรดต่ําบรรจุ acid shelf stable foods and as a research model for ในภาชนะปิดสนิทปลอดภัยต่อผู้บริโภค ซึ่งไม่สามารถนําไปใช้งาน proteolytic Clostridium botulinum. Journal of Food ได้จริง เพราะนอกจากจะได้ผลิตภัณฑ์ที่ไม่มีคุณภาพแล้วยังเป็นการ Protection 75, 779-792. สิ้นเปลืองพลังงานอย่างมาก ดังนั้นกระบวนการผลิตที่เหมาะสม สําหรับผลิตภัณฑ์เครื่องดื่มที่มีความเป็นกรดต่ําบรรจุในภาชนะปิด Hassan, H.F., Ramaswamy, H.S. 2010. Heat resistance of G. stearothermophilus and C. sporogenes in carrot and สนิท คือฆ่าเชื้อด้วยอุณหภูมิสูงภายใต้ความดันและเก็บรักษาไว้ที่ meat alginate purees. Journal of Food Processing and อุณหภูมิห้อง หรือ ฆ่าเชื้อด้วยอุณหภูมิระดับพาสเจอไรซ์และเก็บ Preservation 35, 376-385. รั ก ษาโดยการแช่ เ ย็ น เพื่ อ ให้ มั่ น ใจว่ า ผลิ ตภั ณ ฑ์ ป ลอดภั ย จาก Mah, J.H., Kang, D.H., Tang J. 2008. Effects of mineral on Clostridium botulinum sporulation and heat resistance of Clostridium sporogenes. Internation Journal of Food Microbiology 5 กิตติกรรมประกาศ 128, 385-389. ขอขอบพระคุ ณ สํ า นั ก งานคณะกรรมการอาหารและยา กระทรวงสาธารณสุข ที่ให้ทุนสนับสนุนการทําวิจัย และสถาบัน Naim, F., Zareifard, M.R., Zhu, S., Huizing, R.H., Graboeski, S., Marcotte, M. 2008. Combined effects of heat, nisin อาหาร กระทรวงอุตสาหกรรมที่เอื้อเฟื้อสถานที่ทําวิจัย 252
and acidification on the inactivation of Clostridium sporogenes spores in carrot-alginate particles: From kinetics to process validation. Food Microbiology 25, 936-941. Ocio, M.J., Sanchez, T., Fernandez, P.S., Rodrigio, M., Martinez, A. 1994. Thermal resistance characteristics of PA3679 in the temperature range of 110-121°C as affected by pH, type of acidulant and substrate. International Journal of Food Microbiology 22, 239247. Oloyede, O.B., Scholefield, J. 1994. Inhibition of Bacillus spores by combinations of heat, potassium sorbate, NaCl and pH. World Journal of Microbiology and Biotechnology 10, 579-582. Santos, M.H.S., Kalasic, H.N., Goti, A.C., Enguidanos, M.R. 1992. The effect of pH on the thermal resistance of Clostridium sporogenes (PA3679) in asparagus puree acidified with citric acid and glucono-δlactone. International Journal of Food Microbiology 16, 275-281. Smooth, L.A., Pierson, M.D. 1981. Mechanisms of sorbate inhibition of bacillus cereus T and Clostridium botulinum 62A spore germination. Applied and Environmental Microbiology 42, 477-483. Stumbo, C.R. 1965. Thermobacteriology in Food Processing. Amherst, Massachusetts: Academic press.
253
TEE-05
การผลิตเอทิลเอสเทอร์จากกรดไขมันปาล์มแบบต่อเนื่องด้วยท่อผสมแบบสถิต ดุลยาวัชร์ พันธุ์ยูโซ๊ะ*, ศุภกร กลิ่นดี, ทนงศักดิ์ ประสิทธิ์ และ กฤช สมนึก ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ จังหวัดสงขลา 90110 ผู้เขียนติดต่อ: ดุลยาวัชร์ พันธุ์ยูโซ๊ะ E-mail: sol_sassyboy@hotmail.com
บทคัดย่อ งานวิจัยนี้เป็นการศึกษาการผลิตเอทิลเอสเทอร์จากกรดไขมันปาล์ม (palm fatty acid distillate, PFAD) ด้วยปฏิกิริยา เอสเทอริฟิเคชัน ซึ่งกรดไขมันปาล์มเป็นผลพลอยได้จากกระบวนการกลั่นบริสุทธิ์ (refined palm oil, RPO) ถูกนํามาใช้เป็นวัสดุใน การผลิตไบโอดีเซล การศึกษาการผลิตไบโอดีเซลจากกรดไขมันปาล์มด้วยปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันแบบต่อเนื่องด้วยท่อผสมแบบสถิต โดยแปรค่าปริมาณเอทานอล 100, 120, 140, 160, 180 และ 200 vol.% ปริมาณกรดซัลฟิวริก 2.5, 5.0 และ 10.0 vol.% และ ระยะการผสม 1-5 m ควบคุมอุณหภูมิที่ 60°C จากผลการศึกษา พบว่าสามารถลดค่าความเป็นกรดของกรดไขมันปาล์มจาก 244 mgKOH g-1 จนมีค่าน้อยกว่า 3 mgKOH g-1 ที่เงื่อนไขปริมาณเอทานอล 160 vol.%, กรดซัลฟิวริก 10 vol.% และที่ระยะการ ผสม 3 m ค่าความเป็นกรดเริ่มเข้าสู่สภาวะสมดุล แสดงว่ากรดไขมันอิสระ (free fatty acid, FFA) ซึ่งเป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่ของ กรดไขมันปาล์มได้เปลี่ยนไปเป็นเอทิลเอสเทอร์ด้วยระบบแบบต่อเนื่องด้วยท่อผสมแบบสถิต คําสําคัญ: ไบโอดีเซล, กรดไขมันปาล์ม, เอทานอล, กระบวนการแบบต่อเนื่อง, เอสเทอริฟิเคชัน
Continuous ethyl ester production process from palm fatty acid distillate with using static mixer Dunyawat Phanyusoh*, Suppakorn Klindee, Tanongsak Prasit and Krit Somnuk Department of Mechanical Engineering Prince of Songkla University 90110 Corresponding author: Dunyawat Phanyusoh. E-mail: sol_sassyboy@hotmail.com
Abstract In this study, the continuous ethyl ester production process from palm fatty acid distillate (PFAD) was studied by esterification reaction. The by-product from refined palm oil production process, PFAD was used as the raw material for biodiesel production. The continuous biodiesel production from PFAD was studied by following condition: 100, 120, 140, 160, 180, and 200 vol.% of ethanol, 2.5, 5.0, and 10.0 vol.% of sulfuric, acid and 1-5 m of static mixer in length at 60°C. The results showed that the acid value of PFAD was reduced from 244 mgKOH.g-1 to less than 3 mgKOH.g-1 when the condition: 160 vol.% of ethanol, 10 vol.% of sulfuric acid was used. Moreover, the trend line of free fatty acid (FFA) conversion was steadily reduced when the mixture flowed through the 3 meters in length of static mixer. Therefore the FFA content in the PFAD was converted to ethyl ester by continuous a single-step esterification reaction. Keywords: biodiesel, palm fatty acid distillate, ethanol, continuous production, esterification
1 บทนํา ปัจจุบันราคาเชื้อเพลิงฟอสซิลภายในประเทศมีราคาลดลง เพื่อ เป็ นการรองรั บสภาวะราคาเชื้ อเพลิ งฟอสซิ ลที่ สู งขึ้ นในอนาคต เหมื อนกั บที่ เคยเกิ ดขึ้ นในอดี ต จึ งได้ มี การค้ นคว้ าวิ จั ยเกี่ ยวกั บ พลังงานทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิล ไบโอดีเซลจึงเป็นทางเลือกหนึ่งที่ ผลิตจากทรัพยากรหมุนเวียน ที่มีอยู่ภายในประเทศไทย ซึ่งไบโอ ดีเซลมีคุณสมบัติการเผาไหม้ใกล้เคียงกับน้ํามันดีเซล สามารถใช้
ทดแทนกั น ได้ โ ดยไม่ ต้ อ งปรั บ แต่ ง เครื่ อ งยนต์ เป็ น มิ ต รกั บ สิ่ ง แวดล้ อ มและลดการปล่ อ ยก๊ า ซที่ เ ป็ น พิ ษ ต่ อ สิ่ ง แวดล้ อ ม (Demirbas, 2009; Silva et al., 2011; Liu et al., 2015; Thanh et al., 2015; Theam et al, 2015) ในกระบวณการผลิตไบโอ ดีเซลในประเทศไทยนิยมใช้นํ้ามันปาล์มดิบเป็นวัตถุดิบหลัก ดังนั้น การนําน้ํามันปาล์มดิบมาผลิตเป็นไบโอดีเซลมากเกินไป จะทําให้ ปริมาณน้ํามันปาล์มในตลาดการค้ามีปริมาณลดลงจนถึงขาดแคลน
254
ได้ดังที่เคยเกิดเหตุการณ์ดังกล่าว จึงได้จึงมีการศึกษาผลิตภัณฑ์ผล พลอยได้ จากกระบวนการกลั่ นบริ สุ ทธิ์ น้ํ ามั นปาล์ มดิ บ คื อ กรด ไขมันปาล์ม (palm fatty acid distillate, PFAD) เพื่อใช้ในการ นํามาผลิตไบ-โอดีเซล ซึ่งกรดไขมันปาล์มเป็นวัตถุดิบที่มีราคาต่ําที่ สามารถผลิตเป็นไบโอดีเซลได้ แต่กรดไขมันปาล์มมีกรดไขมันอิสระ (free fatty acid, FFA) ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลัก จึงจําเป็นต้อง เปลี่ยนกรดไขมันอิสระให้เป็นเอสเทอร์ด้วยกระบวนการเอสเทอริฟิ เคชันโดยใช้กรดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (Lucena et al., 2011; Zanuttini et al., 2014; Soysuwan and Somnuk, 2015) งานวิ จัยนี้ใช้เอทานอลในการผลิตไบโอดีเซลจากกรดไขมันปาล์ม แม้ปัจจุบันราคาเอทานอลภายในประเทศแพงกว่าเมทา-นอล และความสามารถในการทําปฏิกิริยาของเอทานอลด้อยกว่าเมทา นอล (Lucena et al., 2011) แต่เอทานอลสามารถผลิตได้ ภายในประเทศ ไม่ ต้ องนํ าเข้ ามาจากต่ างประเทศ เป็ นการเพิ่ ม ทางเลือกในการผลิตไบโอดีเซลจากทรัพยากรที่มีภายในประเทศ ไทย และเอทิ ล เอสเทอร์ มี เ ลขซี เ ทนสู ง กว่ า เมทิ ล เอสเทอร์ (Zanuttini et al., 2014)
ความยาว 15 mm เส้นผ่านศูนย์กลาง 10 mm อิลิเมนต์ชนิดนี้ เรียกว่า twisted-ribbon (Somnuk et al., 2013) 2.3 วิธีการทดลอง 2.3.1 ปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันแบบต่อเนื่อง การทดลองปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันแบบต่อเนื่องด้วยท่อผสม แบบสถิต ชุดทดสอบแสดงดัง Figure 2 เริ่มต้นนํากรดไขมัน-ปาล์ม มาละลายโดยให้ความร้อน จากนั้นตวงกรดไขมันปาล์มที่ละลาย แล้วปริมาณ 2000 mL ลงในถัง T1 แล้วอุ่น PFAD ด้วย ฮีตเตอร์ แบบจุ่ม (immersion heater) และควบคุมอุณหภูมิของ PFAD ไว้ ที่ 60oC temperature control (TC) กวนกรดไขมัน-ปาล์มโดยใช้ ใบกวนแบบ six-blade turbine impeller และหมุนด้วยความเร็ว รอบ 300 rpm จากนั้นเติมเอทานอลตามปริมาณที่แปรค่า (100200 vol.%) ลงไป ขณะเดียวกันเติมกรดซัลฟิวริกในถัง T2 ซึ่ง ติดตั้งให้กรดซัลฟิวริกเข้าไปผสมที่ระยะ 1 m เมื่อสารผสมระหว่าง กรดไขมันปาล์มและเอทานอลมีอุณหภูมิถึง 60°C เริ่มทําการปั๊ม สารผสมเข้าไปในท่อ static mixer ด้วยอัตราการไหล 30 L hr-1. จากนั้นปั๊มกรดซัลฟิวริกด้วยอัตราการไหลซึ่งแปรค่าตามปริมาณที่ กําหนด (2.5-10.0 vol.%) เข้าไปผสม ปล่อยให้ปฏิกิริยาเอสเทอริฟิ 2 อุปกรณ์และวิธีการ เคชันดําเนินไปเป็นเวลา 1 min จากนั้นเก็บสารตัวอย่างน้ํามันลด 2.1 วัสดุ กรดที่ตําแหน่งระยะการผสม 5, 4, 3, 2 และ 1 m ตามลําดับ และ กรดไขมันปาล์ม (palm fatty acid distillate, PFAD) มีกรด นํ า ไปแช่ ใ นน้ํ า เย็ น อุ ณ หภู มิ 0°C ทั น ที เ พื่ อ หยุ ด ปฏิ กิ ริ ย า ไขมันอิสระเป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่ ซึ่งมีองค์ประกอบต่างๆแสดง (Soysuwan and Somnuk, 2015) ตัวอย่างน้ํามันลดกรด มี ใน Table 1 Composition of PFAD ลักษณะทางกายภาพคือ เป็น ลักษณะดัง Figure 1(c) จากนั้นนําน้ํามันลดกรดไปล้างด้วยน้ําร้อน ของแข็งที่อุณหภูมิห้อง 30°C และมีจุดหลอมเหลวที่อุณหภูมิ 43°C เพื่อล้างเอทานอล กรดซัลฟิวริ ก และสิ่งเจือปนอื่นๆที่ตกค้างใน ดัง Figure 1(a) และ 1(b) ตามลําดับ (Soysuwan and Somnuk, ตัวอย่างออก จะได้ไบโอดีเซลจาก กรดไขมันปาล์มจากกระบวนการ 2015) สํ าหรั บสารเคมี ที่ใช้ ในเกรดเชิ งการค้ า คื อ กรดซั ลฟิ วริ ก เอสเทอริฟิเคชันขั้นตอนเดียวดัง Figure 1(d) (99% commercial grade) และ เอทานอล (99% commercial grade) Table 1 Composition of PFAD. Fatty acid Free fatty acid (FFA) Mono-glyceride Di-glyceride Tri-glyceride Ester
Compostion (wt.%) 90.417 5.041 2.437 1.231 0.874
(a)
2.2 ท่อผสมแบบสถิต สําหรับการออกแบบท่อผสมแบบสถิตในระดับห้องปฏิบัติการ ใช้ท่อสแตนเลสขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 10 mm และทํา การติดตั้งแผ่นบิดภายในที่สร้างขึ้นจากสแตนเลส 304L ความหนา 1 mm แต่ละอิลิเมนต์มีอัตราส่วน ความกว้างต่อความยาวเท่ากับ 1.5 บิดให้เป็นเกลียวทํามุม 180o เชื่อมกันต่อโดยทํามุม 90o มี
(b)
(c)
(d)
Figure 1 (a)o PFAD at room temperature, (b) PFAD at 43 C, (c) cude biodiedel and waste, and (d) biodiesel form PFAD.
255
(flask) จากนั้นหยดไอโซโพรพานอลเพื่อลดความหนืดของน้ํามัน และหยดฟีนอล์ฟทาลีน 5-8 หยด จากนั้นเริ่มเปิดวาล์วของบิวเรต เพื่อหยดสารละลาย acid value ลงไปจนกระทั่งเปลี่ยนสี แล้ว นํามาคํานวณหาค่าความเป็นกรด จากสมการที่ 1 Acid Value
.
(1)
โดยที่ m คือ มวลของน้ํามันไบโอดีเซล (g), V คือ ปริมาตรของ สารละลาย acid value (mL), N คือ จํานวนโมลของ KOH Figure 2 Schematic diagram of the continuous ethyl ester production with static mixer. (S: sampling position, T1: PFAD mixed ethanol tank, T2: sulfuric acid tank, T3: product tank, P1: PFAD mixed ethanol pump, P2: sulfuric acid pump, HT: heater, V: valve, TC: temperature control, SM: static mixer). 2.4 การวิเคราะห์ตัวอย่าง 2.4.1 เทคนิค thin layer chromatography และ flame ionization detector การวิเคราะห์องค์ประกอบในน้ํามันจะใช้เทคนิค thin layer chromatography และ flame ionization detector (TLC/FID) โดยใช้เครื่อง Itronscan MK-6 และ Chromarods type S-III quartz rod (Mitsubishi Kagaku latron) มีขั้นตอนการวิเคราะห์ ดังนี้ คือ จะต้องนําน้ํามันตัวอย่างมาทําละลายกับ เฮกเซนก่อนที่จะ หยดสารตัวอย่างลงบน chromarod หลังจากนั้นนํา chromarod ไปแช่ในภาชนะที่ผสมสารเฮกเซน ไดเอทิล-อีเทอร์และกรดฟอร์มิก ในอัตราส่ วน 50:20:0.3 โดยปริมาตร รอจนสารเคลื่อนที่ไป ประมาณ 8 cm จึงนํา chromarod ไปแช่ในภาชนะที่ 2 ซึ่งผสม สารเฮกเซนกับเบนซีนในอัตราส่วน 1:1 โดยปริมาตร รอจนสาร เคลื่อนที่ได้ 10 cm จากนั้นนํา chromarod ไปอบด้วยเครื่อง rod dryer TK-8 ที่อุณหภูมิ 110°C ประมาณ 10 min แล้วจึงนํา chromarod ไปวิเคราะห์หาปริมาณกรดไขมันอิสระ ไตรกลีเซอไรด์ ไดกลีเซอไรด์ โมโนกลีเซอไรด์ และเอสเทอร์ ด้วยวิธี flame ionization detection (S. Natthapon and S. Krit, 2015) โดยใช้ ก๊าซไฮโดรเจนที่มีอัตราการไหล 165 mL min-1 และอากาศที่ อัตราการไหล 2 L min-1 2.4.2 เทคนิคการไทเทรต การวิเคราะห์หาค่าความเป็นกรด (acid value) ของน้ํามัน วิธีการไทเทรต (titration) ใช้สารละลายผสมระหว่างโพแทสเซียมไฮ ดรอกไซด์ (KOH) กับสารละลายไอโซโพรพานอล (2-propanal) ใน อัตราส่วน 5 g (KOH) ต่อ 100 mL (2-propanal) และใช้ฟีนอล์ฟ ทาลีนเป็นอินดิเคเตอร์ การไทเทรตจะเริ่มโดยการใส่น้ํามันไบโอ ดีเซลที่ได้จากปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันที่ล้างแล้วลงในขวดรูปชมพู่
3 ผลและวิจารณ์ สําหรับการทดลองปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันแบบต่อเนื่องด้วย ท่อผสมแบบสถิต โดยแปรค่าปริมาณเอทานอล 100, 120, 140, 160, 180 และ 200 vol.% ปริมาณกรดซัลฟิวริก 2.5, 5.0 และ 10.0 vol.% อุณหภูมิของกรดไขมันปาล์มผสมเอทานอล 60°C เก็บ ตัวอย่างที่ระยะผสม 5, 4, 3, 2, และ 1 m ตามลําดับ จาก Figure 3, 4, 5, 6, 7 และ 8 ได้แสดงการแปรค่ากรด ซัลฟิวริกที่ 2.5, 5.0 และ 10.0 vol.% ควบคุมปริมาณเอทานอล 100, 120, 140, 160, 180 และ 200 vol.% ตามลําดับ พบว่าที่ เงื่อนไขปริมาณเทนอล 100, 120 และ 140 vol.% ปริมาณกรด ซัลฟิวริก 5.0 และ 10.0 vol.% ลดค่าความเป็นกรดได้น้อยกว่าที่ เงื่อนไขปริมาณกรดซัลฟิวริก 2.5 vol.% ซึ่งที่เงื่อนไขกรดซัลฟิวริก 2.5 vol.% ที่ระยะการผสม 5 m ได้ค่าความเป็นกรดน้อยกว่า 9 mgKOH g-1 จากปริมาณกรดซัลฟิวริกที่เพิ่มมากขึ้นทําให้สารผสมที่ อยู่ในท่อมีอุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือดของเอทานอล (78°C) ส่งผลให้เอ ทานอลเกิดการระเหยกลายเป็นไอ สังเกตุได้จากเกิดไอของสารขณะ เก็ บตั วอย่ าง การทํ าปฏิ กิ ริ ยาเอสเทอริ ฟิ-เคชั นทํ าได้ ด้ อยกว่ าที่ อัตราส่ วนโดยปริมาตรของ PFAD:เอทานอล ต่ํากว่าหรือเท่ากั บ 1:1.4 และที่ปริมาณกรดซัลฟิวริก 2.5 vol.% เป็นสภาวะที่สามารถ ลดค่าความเป็นกรดของกรดไขมันปาล์มจาก 244 mgKOH g-1 เหลือต่ํากว่า 11 mgKOH g-1 ที่ทุกระยะการผสม 1-5 m สําหรับเงื่อนไขปริมาณเอทานอล 160, 180 และ 200 vol.% พบว่าที่เงื่อนไขปริมาณกรดซัลฟิวริก 2.5 และ 5.0 vol.% ลดค่า ความเป็นกรดได้น้อยกว่าเงื่อนไขปริมาณกรดซัลฟิวริก 10.0 vol.% ซึ่งที่เงื่อนไขกรดซัลฟิวริก 10.0 vol.% ที่ระยะการผสม 5 m ได้ค่า ความเป็นกรดน้อยกว่า 3 mgKOH g-1 จากอัตราส่วนโดยปริมาตร ของ PFAD:เอทานอล สูงกว่าหรือเท่ากับ 1:1.6 การใช้ปริมาณกรด ซัลฟิวริกที่เพิ่มมากขึ้นช่วยกระตุ้นปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันทําให้ FFA เปลี่ยนเป็นเอสเทอร์มากขึ้น ค่าความเป็นกรดลดลงได้ดีกว่า และที่ปริมาณกรดซัลฟิวริก 10.0 vol.% เป็นสภาวะที่สามารถลด ค่าความเป็นกรดเหลือต่ํากว่า 3 mgKOH g-1 ที่ทุกระยะการผสม 2-5 m
256
ในการทดลองปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันแบบต่อเนื่องด้วยท่อ ผสมแบบสถิตยังพบว่าการเพิ่มปริมาณเอทานอล ช่วยลดค่าความ เป็นกรดของกรดไขมันปาล์มได้ดีขึ้น แต่การใช้ปริมาณของเอทานอลที่มากถือเป็นการสิ้นเปลือง และการเพิ่มปริมาณกรดซัลฟิวริก แม้เป็นการช่วยกระตุ้นปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชัน แต่การใช้ปริมาณ กรดที่มากไปทําให้เอทานอลที่กําลังทําปฏิกิริยาเกิดการเดือดและ ระเหยกลายเป็นไอเนื่องจากปฏิกิริยาคายความร้อน ส่งผลให้ค่า ความเป็นกรดของกรดไขมันปาล์มลดลงได้น้อยกว่าในกรณีเงื่อนไข ที่ไม่ทําให้เอทานอลเดือด ดังนั้นควรเลือกเงื่อนไขที่ใช้ปริมาณเอทา นอลที่น้อยที่สุด แต่สามารถลดค่าความเป็นกรดได้ใกล้เคียงหรือ เท่ากับเงื่อนไขที่ใช้ปริมาณเอทานอลมากกว่า และควรเลือกเงื่อนไข Figure 5 Conversion of acid value during the esterificaที่ ใช้ ปริ มาตรกรดซั ลฟิ ริ กที่ มากที่ สุ ด ที่ ไม่ ทําให้ เอทานอลเดื อด tion with 140 vol.% ethanol. ดังนั้นเงื่อนไขที่เหมาะสม คือ ปริมาณเอทานอล 160 vol%. และ กรดซัลฟิวริก 10 vol%.
Figure 6 Conversion of acid value during the esterification with 160 vol.% ethanol. Figure 3 Conversion of acid value during the esterification with 100 vol.% ethanol.
Figure 7 Conversion of acid value during the esterification with 180 vol.% ethanol. Figure 4 Conversion of acid value during the esterification with 120 vol.% ethanol
257
Ethanol (vol.%)
Figure 8 Conversion of acid value during the esterification with 200 vol.% ethanol. Table 2 Acid value of ethyl ester form PFAD by a singlestep esterification. Ethanol (vol.%) 100
120
140
160
180
Length of static mixer (m) 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 0 1 2
Sulfuric acid (vol.%) 2.5 vol.% 5.0 vol.% 10.0 vol.% 140.250 140.250 140.250 10.202 33.705 53.779 10.728 21.634 38.029 10.651 23.475 37.582 9.618 22.591 38.213 8.542 21.994 36.796 140.862 140.862 140.862 6.292 18.067 13.593 7.207 8.795 12.012 7.778 6.922 11.530 7.148 7.759 12.561 7.720 12.690 12.520 140.070 140.070 140.070 8.029 11.539 24.575 8.394 8.823 15.926 7.121 9.495 11.840 7.166 9.673 13.559 8.488 9.031 12.643 139.896 139.896 139.896 5.392 6.328 2.202 6.946 5.911 2.523 8.054 5.420 2.116 7.851 5.430 2.091 8.052 5.798 2.328 141.443 141.443 141.443 4.646 3.976 4.107 6.103 5.653 2.637
Length of static Sulfuric acid (vol.%) mixer (m) 2.5 vol.% 5.0 vol.% 10.0 vol.% 6.944 5.539 2.513 3 6.885 5.869 2.904 4 6.202 5.293 2.900 5 140.250 140.250 140.250 200 0 4.776 4.509 2.651 1 6.920 6.355 2.455 2 6.799 6.383 1.979 3 6.657 5.645 2.451 4 5.997 6.264 2.161 5 Note: 244 mgKOH g-1 of initial acid value in PFAD.
4 สรุป กรดไขมันปาล์มซึ่งมีปริมาณกรดไขมันอิสระเป็นองค์ประกอบ ส่วนใหญ่มีความจําเป็นต้องเปลี่ยนกรดไขมันอิสระให้เป็นเอส-เทอร์ การทดลองปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันแบบต่อเนื่องด้วยท่อผสมแบบ สถิต โดยแปรค่าปริมาณเอทานอล 100-200 vol.% ปริมาณกรด ซัลฟิวริก 2.5-10.0 vol.% อัตราการไหล 30 L hr-1 ควบคุม อุณหภูมิที่ 60°C และระยะการผสม 1-5 m จากผลการทดลอง พบว่า ที่เงื่อนไขปริมาณเอทานอล 160, 180 และ 200 vol.% กรด ซัลฟิวริก 10 vol.% ลดค่าความเป็นกรดของกรดไขมันปาล์มจาก 244 mgKOH g-1 จนเหลือค่าความเป็นกรดต่ํากว่า 3 mgKOH g-1 และที่ระยะการผสม 3 m ค่าความเป็นกรดจะเข้าสู่สภาวะสมดุล หมายความว่าปริมาณเอทานอล 160 vol.% เพียงพอสําหรับ เปลี่ยนกรดไขมันอิสระให้เป็นเอทิลเอส-เทอร์หรือไบโอดีเซลแล้ว 5 กิตติกรรมประกาศ คณะผู้ วิ จั ย ขอขอบคุ ณ สํ า นั ก นโยบายและแผนพลั ง งาน กระทรวงพลั ง งาน ที่ ไ ด้ ส นั บ สนุ น ทุ น วิ จั ย และขอขอบคุ ณ มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ ที่สนับสนุนสถานที่ในการทําวิจัยและ สนั บสนุ นทุ นวิ จั ยที่ ได้ รั บทุ นอุ ดหนุ นการวิ จั ยจากมหาวิ ทยาลั ยสงขลานครินทร์ สัญญาเลขที่ ENG570563S 6 เอกสารอ้างอิง Demirbas, A. 2009. Progress and recent trends in biodiesel fuels. Energy Conversion and Manafement 50, 14-34. Liu, W., Yin, P., Liu, X., Zhang, S., Qu, R. 2015. Biodiesel production from the esterification of fatty acid over organophosphonic acid. Journal of Industrial an Engineering Chemistry 21, 893-899. Lucena, I.L., Saboya, R.M.A., Oliveira, J.F.G., Rodrigues, M.L., Torres, A.E.B., Cavalcante Jr., C.L., Parente Jr.,
258
E.J.S., Silva, G.F., Fernandes, F.A.N. 2011. Oleic acid esterification with ethanol under continuous water removal conditions. Fuel 90, 902–904. Silva, G.F., Camargo, F.L., Ferreira, A.L.O. 2011. Application of response surface methodology for optimization of biodiesel production by transesterification of soybean oil with ethanol. Fuel Processing Technology 92, 407413. Somnuk, K., Smithmaitrie, P., Prateepchaikul, G., 2013. Optimization of continuous acid-catalyzed esterification for free fatty acids reduction in mixed crude palm oil using static mixer coupled with highintensity ultrasonic irradiation. Energy Conversion and Management 68, 193–199. Soysuwan, N. and Somnuk K. 2015. Optimization of methyl ester production from palm fatty acid distillate using single-step esterification: a response surface methodology approach. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences 10, 16. Thanh, L.T., Okitsu, K., Sadanaga, Y., Takenaka, N., Maeda, Y., Bandow, H. 2015. A two-step continuous ultrasound assisted production of biodiesel fuel from waste cooking oils: A practical and economical approach to produce high quality biodiesel fuel. Bioresource Technology 101, 5394-5401. Theam, K.L., Islam, A., Lee, H.V., Taufiq-Yap, Y.H. 2015. Sucrose-derived catalytic biodiesel synthesis from low cost palm fatty acid distillate. Process Safety and Environmental Protection 95, 126-135. Zanuttini, M.S., Pisarello, M.L., Querini, C.A. 2014. Butia Yatay coconut oil: Process development for biodiesel production and kinetics of esterification with ethanol. Energy Conversion and Management 85, 407–416.
259
TEE-06
การใช้พลังงานไฟฟ้าในกระบวนการผลิตของโรงสีข้าว อนุวัฒน์ ภาชนะวรรณ์1 และ สมชาย ชวนอุดม1,2* 1
Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering, Khon Kaen University, Khon Kaen, 40002, Thailand. 2 Applied Engineering for Important Crops of the North East Research Group. ผู้เขียนติดต่อ: สมชาย ชวนอุดม E-mail: somchai.chuan@gmail.com
บทคัดย่อ ปัจจุบันโรงสีข้าวได้มีการพัฒนาปรับปรุงขนาดและระบบการสีข้าว ส่งผลให้โรงสีมีการใช้พลังงานไฟฟ้าในกระบวนการแปร รูปข้าวเปลือกเพิ่มขึ้น ดังนั้น การหาการใช้พลังงานไฟฟ้าในกระบวนการสีข้าวของโรงสีจึงเป็นแนวทางที่ช่วยให้ทราบถึง ปริมาณการใช้ พลังงานไฟฟ้าของอุปกรณ์และต้นทุนในการผลิตข้าวภายในโรงสี จากการสํารวจโรงสีข้าวในเขตภาคตะวันออกเฉียงเหนือจํานวน 10 โรง และทํา การวิเคราะห์ พบว่า โรงสีมีความต้องการกํ าลัง ไฟฟ้าเฉลี่ยสูงสุ ด 362 กิโลวั ตต์ ปริมาณการใช้พลังงานไฟฟ้ าเท่ ากั บ 1,183,271 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อปี การใช้พลังงานต่อปริมาณการผลิตเท่ากับ 19.50 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อตัน ส่งผลให้โรงสีต้องจ่ายค่า พลังงานไฟฟ้าเฉลี่ยเท่ากับ 4,901,301 บาทต่อปี และมีค่าพลังงานไฟฟ้าต่อปริมาณการผลิตเฉลี่ยเท่ากับ 82.19 บาทต่อตัน โดย ปริมาณการใช้ไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงไปตามคุณภาพข้าวและปริมาณข้าวที่ต้องการผลิต รวมทั้งขนาดกําลังไฟฟ้าของอุปกรณ์ภายในโรงสี การขัดขาวมีการใช้พลังงานสูงสุดร้อยละ 33.17 รองลงมาคือการขัดมันมีการใช้พลังงานร้อยละ 21.60 ส่วนการแยกรํา หยาบ อุปกรณ์อื่นๆ ระบบอากาศอัด การกะเทาะ การแยกแกลบ การแยกรําอ่อน และตะแกรงทําความสะอาด มีการใช้พลังงานคิด เป็นร้อยละ 11.68, 8.86, 6.67, 6.54, 5.72, 4.75 และ 1.01 ตามลําดับ ดังนั้นแนวทางในการพัฒนาหรือปรับปรุงพลังงานไฟฟ้าของ โรงสี ควรมุ่งเน้นไปที่อุปกรณ์ที่มีการใช้พลังงานไฟฟ้าสูงก่อน โดยแนวทางอนุรักษ์พลังงานไฟฟ้าของโรงสีประกอบด้วย การอนุรักษ์ พลังงานในระบบส่งจ่ายไฟฟ้า ระบบมอเตอร์ไฟฟ้า และระบบผลิตอากาศอัด ซึ่งสามารถลดค่าพลังงานไฟฟ้าเฉลี่ยได้ 64,579.66, 104,929.38 และ 23,192.85 บาทต่อปี ตามลําดับ คําสําคัญ: โรงสีข้าว, การใช้พลังงานไฟฟ้า, กระบวนการสี
Electrical Energy Consumption of Process of Rice Mills Anuwat Pachanawan1 and Somchai Chuan-Udom1,2* 1
Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering, Khon Kaen University, Khon Kaen, 40002, Thailand. 2 Applied Engineering for Important Crops of the North East Research Group. Corresponding author: somchai.chuan@gmail.com
Abstract Modern rice mills have increased in size and now operate with improved technological milling systems. This analysis of the electrical energy consumption (EEC) of process of rice mills can be used as a guideline to determine the EEC and cost of each individual operational section. Ten rice mills in Northeastern Thailand were studied. The results showed that each rice mill required on average a maximum EEC at 362 kW, EEC usage at 1,183,271 kWh/yr, and an energy usage per production volume of 19.50 kWh/T. The average annual cost for EEC was 4,901,301 THB, and the electrical energy cost was 82.19 THB per ton of rice production. This EEC was dependent on rice quality, production quantity, and the wattage of the electrical machines operated in the rice mills. The whitening polishing process used the highest EEC at 33.17%, with 21.60% EEC used for mist polishing. Removing the bran, tooling operations, suction (aspirated), hulling, husk separation, meal separation, and the sieve separator consumed energy percentages of 11.68, 8.86, 6.67, 6.54, 5.72, 4.75, and 1.01%, respectively. The improvement of the EEC in rice mills must focus on the tooling operations which have the highest energy consumption. There are many areas where energy can be saved in rice mills, including the power supply systems, the motor systems, and the compressed air operation systems that can be reduced average cost 64,579.66, 104,929.38 and 23,192.85 THB per year, respectively. Keywords: Rice mills, Electrical energy consumption, Tooling process
260
TEE-07
อิทธิพลของสภาวะการอบแห้งต่อคุณภาพของรําข้าวระหว่างการเก็บรักษา ศิรดา สังสินชัย1, สาธิต ทัศนเอกจิต1, ชลิดา เนียมนุ้ย1*, สมชาติ โสภณรณฤทธิ2์ และสักกมน เทพหัสดิน ณ อยุธยา3 1
ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์50 ถ.งามวงศ์วานลาดยาวจตุจักรกรุงเทพฯ 10900 สาขาวิชาเทคโนโลยีพลังงานคณะพลังงาน, สิ่งแวดล้อมและวัสดุมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรีถนนประชาอุทิศเขตทุ่งครุกรุงเทพฯ 3 ภาควิชาวิศวกรรมอาหารคณะวิศวกรรมศาสตร์มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรีถนนประชาอุทิศเขตทุ่งครุกรุงเทพฯ 10140 ผู้เขียนติดต่อ: ชลิดา เนียมนุ้ย E-mail: fengcdni@ku.ac.th
2
บทคัดย่อ วัตถุประสงค์ของงานวิจัยนี้เพื่อศึกษาผลของสภาวะการอบแห้งต่อจลนพลศาสตร์การอบแห้งและคุณภาพของรําข้าว ระหว่างการเก็บรักษาเป็นเวลา 90 วัน โดยใช้อากาศร้อนและไอน้ําร้อนยวดยิ่งเป็นตัวกลางในการอบแห้งที่อุณหภูมิ 120 140 และ 160ºC โดยมีความชื้นสุดท้ายเท่ากับ 4 และ 6% (มาตรฐานแห้ง) พบว่าการอบแห้งด้วยไอน้ําร้อนยวดยิ่งให้อัตราการอบแห้งที่สูงกว่า อากาศร้อนทุกอุณหภูมิอบแห้ง และอัตราการอบแห้งสูงขึ้นเมื่อเพิ่มอุณหภูมิการอบแห้ง เมื่อระยะเวลาเก็บรักษาเพิ่มขึ้นพบว่าปริมาณ กรดไขมันอิสระและค่าเปอร์ออกไซด์มีค่าสูงขึ้นโดยเป็นไปตามจลนพลศาสตร์ปฏิกิริยาอันดับศนย์และอันดับหนึ่ง ตามลําดับ นอกจากนี้ พบว่าการอบแห้งด้วยไอน้ําร้อนยวดยิ่งที่อุณหภูมิ 140ºC และมีความชื้นสุดท้ายเท่ากับ 4% (d.b.)เป็นสภาวะที่เหมาะสมในการอบแห้ง เพื่อยืดอายุการเก็บรักษารําข้าว คําสําคัญ: รําข้าว เอนไซม์ไลเปส ไอน้ําร้อนยวดยิ่ง
Influence of drying conditions on quality of rice bran during storage Sirada Sungsinchai1, Satit Tussanaekgajit1, Chalida Niamnuy1*, Somchart Soponronnarit2 and Sakamon Devahastin3 1
Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, Kasetsart University, 50 Ngam Wong Wan Rd, Lat Yao, Chatuchak, Bangkok 10900. 2 Energy Technology Division, School of Energy, Environment and Materials, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Pracha U-tid Rd., ThungKhru, Bangkok 10140. 3 Department of Food Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Pracha U-tid Rd., ThungKhru, Bangkok 10140. Corresponding author: Chalida Niamnuy. E-mail: fengcdni@ku.ac.th
Abstract The objective of this work was to study the effect of drying conditions on drying kinetic and qualities of rice bran during storage of 90 days. Hot air and superheated steam drying were used as the drying mediums at drying temperature of 120, 140 and 160ºC. The final moisture contents were 4 and 6% (d.b.). The superheated steam resulted in higher drying rate than hot air drying and the drying rate increased with an increase of the drying temperature. Longer time of storage showed the higher free fatty acid and peroxide value, which follow to the zero-order and first-order reaction kinetics, respectively. In addition, the superheated steam drying at temperature of 140ºC and final moisture content 4%(d.b.) as the sutible conditions for drying for shelf-life extensionof rice bran. Keywords: Lipase enzyme, Rice bran, Superheated steam
1 บทนํา ข้าวเป็นผลิตผลทางการเกษตรที่สําคัญของประเทศไทย หลัง กระบวนการสีจะได้รําข้าวเป็นผลพลอยได้ในปริมาณสูง ในรําข้าวมี สารสําคัญที่เป็นประโยชน์ต่อร่างกาย อาทิ ไขมัน โปรตีน เส้นใย วิตามิน และแร่ธาตุต่างๆ เป็นต้นการนํารําข้าวมาสกัดเป็นน้ํามันรํา ข้ า วเพื่ อบริ โภคและเป็ นอาหารเสริ มเป็ น ที่ รอมรั บและนิ ยมใน
ปัจจุบัน เนื่องจากน้ํามันรําข้าวมีกรดไขมันชนิดไม่อิ่มตัวปริมาณสูง อีกทั้งยังมีสมบัติเป็นสารต้านอนุมูลอิสระ (antioxidant) และช่วย ลดความเสี่ยงในการเป็นโรคหัวใจและไขมันอุดตันในเส้นเลือดได้ (Salunkhe et al., 1992) อย่ างไรก็ ตาม มี ความจํ าเป็ นต้ องยั บยั้ งการทํ างานหรื อการ ทําลายสภาพธรรมชาติของเอนไซม์ไลเปสและลดความชื้นในรําข้าว
261
เนื่องจากเอนไซม์ไลเปส(lipase enzyme) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ไฮโดรไลซิสทําให้มีกรดไขมันอิสระในรําข้าวหลังการสีเพิ่มขึ้นอย่าง รวดเร็ว ส่งผลให้เกิดการสูญเสียน้ํามันในขั้นตอนการทําให้น้ํามัน บริสุทธิ์ (Salunkhe et al., 1992) ดังนั้นในงานวิจัยนี้จึงศึกษา อิทธิพลของสภาวะการอบแห้งต่อจลนพลศาสตร์การอบแห้งและ คุณภาพของรําข้าวระหว่างการเก็บรักษา ได้แก่ กรดไขมันอิสระ และค่ า เปอร์ อ อกไซด์ รวมถึ ง การพั ฒ นาแบบจํ า ลองทํ า นาย จลนพลศาสตร์การเปลี่ยนแปลงคุณภาพดังกล่าวในระหว่างการเก็บ รักษาของรําข้าวด้วย 2 อุปกรณ์และวิธีการ นํารําข้าวหอมมะลิ 105 จากโครงการส่วนพระองค์ สวน จิตรลดา จังหวัดกรุงเทพมหานคร ปริมาณ 160 กรัม มาอบแห้ง ด้วยเครื่องอบแห้งแบบถาดโดยใช้อาการร้อน (Hot air; HA) และไอ น้ําร้อนยวดยิ่ง (Superheated steam; SS) ที่อุณหภูมิ 120 140 และ 160ºC วิเคราะห์ปริมาณความชื้นที่เวลาต่างๆตามวิธีการของ AOAC (1995) อบแห้งกระทั่งรําข้าวมีความชื้นสุดท้ายเท่ากับ 4 และ 6% (d.b.) นํารําข้าวหลังการอบแห้งที่สภาวะต่างๆไปเก็บ รักษาในถุงพอลิโพรไพลีน (Polypropylene) ที่อุณหภูมิห้องและ ความชื้นสัมพัทธ์เท่ากับ 76% เก็บตัวอย่างทุกๆ 15 วัน เป็นเวลา 90 วัน นํามาวิเคราะห์คุณภาพของน้ํามันรําข้าว ได้แก่ปริมาณกรด ไขมันอิสระและค่าเปอร์ออกไซด์ตามวิธีการของ Hu et al. (1996) และ ACOS (2004) และทําการศึกษาจลนพลศาสตร์การ เปลี่ยนแปลงของกิจกรรมเอนไซม์ไลเปส กรดไขมันอิสระ และค่า เปอร์ออกไซด์โดยใช้ความสัมพันธ์เชิงเส้นตามปฏิกิริยาอันดับศูนย์ (Zero Order Reaction) ปฏิกิริยาอันดับหนึ่ง (First Order reaction) และปฏิกิริยาอันดับสอง (Second Order Reaction) ด้วยเทคนิคความถดถอยแบบเชิงเส้น (linear regression) 3 ผลและวิจารณ์ จากการศึกษาจลนพลศาสตร์การอบแห้งใน Figure 1 พบว่ารํา ข้าวมีความชื้นเริ่มต้นประมาณ 8-9% (d.b.) เมื่อทําการอบแห้ง ด้วยอากาศร้อนที่อุณหภูมิ 120 140 และ 160ºC ให้ได้ความชื้น สุดท้าย 6% (d.b.) ใช้เวลา 10 3 และ 2 นาที ตามลําดับ และที่ ความชื้นสุดท้าย 4% (d.b.) ใช้เวลา 43 15 และ 4 นาที ตามลําดับ สําหรับการอบแห้งด้วยไอน้ําร้อนยวดยิ่งที่อุณหภูมิ 120 140 และ 160ºC ที่ความชื้นสุดท้าย 6% (d.b.) ใช้เวลา 13 6 และ 4 นาที ตามลําดับ และที่ความชื้นสุดท้าย 4% (d.b.) ใช้เวลา 21 11 และ 3 นาที ตามลําดับ โดยในช่วงแรกของการอบแห้งด้วยไอน้ําร้อนยวด ยิ่ง มีการควบแน่นของไอน้ําที่ผิวรําข้าวส่งผลให้มีความชื้นเพิ่มขึ้น เล็กน้อยทุกอุณหภูมิอบแห้งซึ่งสอดคล้องกับงานวิจัยของ Iyota et
al. (2001) เมื่อพิจารณาที่อุณหภูมิอบแห้งเดียวกัน พบว่าอัตราการ อบแห้งเพิ่มขึ้นเมื่อใช้อุณหภูมิการอบแห้งสูงขึ้น
Figure 1 Drying kinetic of rice bran during hot air and superheated steam drying at temperature of 120 140 and 160ºC. พิจารณา Figure 2 พบว่าการอบแห้งด้วยไอน้ําร้อนยวดยิ่ง มี แนวโน้ มการเพิ่ มขึ้ นของกรดไขมั นอิ สระต่ํ ากว่ าการอบแห้ งด้ วย อากาศร้อน และพบว่าที่ความชื้นสุดท้าย 4% (d.b.) มีแนวโน้มใน การเพิ่มขึ้นของกรดไขมันอิสระต่ํากว่าที่ความชื้นสุดท้าย 6% (d.b.) ทั้งนี้เนื่องจากการได้รับความร้อนในระหว่างการอบแห้งนานกว่า นั่นเอง เมื่อพิจารณาค่าเปอร์ออกไซด์ระหว่างการเก็บรักษาใน Figure 3 พบว่าการอบแห้งด้วยไอน้ําร้อนยวดยิ่งมีแนวโน้มของค่าเปอร์ ออกไซด์เพิ่มขึ้นต่ํากว่าในกรณีการอบแห้งด้วยอากาศร้อน เนื่องจาก ค่าเปอร์ออกไซด์เป็นค่าที่แสดงถึงปริมาณออกไซด์ที่มีอยู่ในน้ํามัน รําข้าวซึ่งบ่งบอกอัตราการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของกรดไขมัน อันเป็นสาเหตุของการเกิดกลิ่นหืนโดยปฏิกิริยาออกซิเดชันจะเกิด ขึ้นกับกรดไขมันที่ไม่อิ่มตัวและถูกเร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ไลพอกซี จีเนสในรําข้าว
262
Figure 2 Free fatty acid of rice bran dried using (a) hot air and (b) superheated steam drying during storage.
R2 ในช่วง 0.27-0.65 ดังนั้นจลนพลศาตร์การเปลี่ยนแปลงของกรด ไขมันอิสระจึงเป็นไปตามปฏิกิริยาอันดับศูนย์ (Zero Order Reaction) เมื่ อพิ จารณาจลนพลศาตร์ การเปลี่ ยนแปลงค่ าเปอร์ ออกไซด์พบว่าปฏิกิริยาอันดับศูนย์มีค่า R2 ในช่วง 0.76-0.85 โดย ปฏิกิริยาอันดับหนึ่งมีค่า R2 ในช่วง 0.86-0.97 และปฏิกิริยาอันดับ สองมีค่า R2 ในช่วง 0.01-0.57 ดังนั้นจลนพลศาตร์การเปลี่ยนแปลง ของค่ า เปอร์ อ อกไซด์ จึ ง เป็ น ไปตามปฏิ กิ ริ ย าอั น ดั บ หนึ่ ง (First Order Reaction) ตารางที่ 2แสดงค่าคงที่ของปฏิกิริยาอันดับศูนย์ (k) ของการ เปลี่ยนแปลงกรดไขมันอิสระอยู่ในช่วง 0.466-0.660 จากผลการ ทดลองเห็นได้ว่ารําข้าวที่ผ่านการอบแห้งด้วยไอน้ําร้อนยวดยิ่งที่ อุณหภุมิ 140ºC มีค่าคงที่ของปฏิกิริยาต่ํากว่าที่สภาวะอื่นๆโดยมี ค่าคงที่ของปฏิกิริยาเท่ากับ 0.470 (% linoleic day-1) แต่มีค่าสูง กว่ า รํ า ข้ า วที่ ผ่ า นการอบแห้ ง ด้ ว ยไอน้ํ า ร้ อ นยวดยิ่ ง ที่ อุ ณ หภู มิ 160ºC ความชื้นสุดท้าย 4% (d.b.) เล็กน้อย ทั้งนี้เนื่องมาจาก ในช่วง 0-60 วันแรก พบว่าที่อุณหภูมิ 140ºC มีความชื้นเพิ่มขื้นสูง กว่า จึงส่งผลต่อการเพิ่มขึ้นของกรดไขมันอิสระทําให้ค่าคงที่ของ ปฏิกิริยามีค่าสูงนั่นเองเมื่อพิจารณาค่าคงที่ของปฏิกิริยาอันดับหนึ่ง (k) ของการเปลี่ยนแปลงค่าเปอร์ออกไซด์อยู่ในช่วง 0.035-0.045 จากผลการทดลองเห็นได้ว่ารําข้าวที่ผ่านการอบแห้งด้วยไอน้ําร้อน ยวดยิ่งที่อุณหภูมิ 140ºC ความชื้นสุดท้าย 4% (d.b.) มีค่าคงที่ของ ปฏิ กิ ริ ย าสู ง กว่ า สภาวะอื่ น ๆโดยมี ค่ า คงที่ ข องปฏิ กิ ริ ยาเท่ า กั บ 0.0452 (day-1)
4 สรุป การอบแห้งรําข้าวด้วยไอน้ําร้อนยวดยิ่งให้อัตราการอบแห้งสูง กว่าการอบแห้งด้วยอากาศร้อน และอัตราการอบแห้งสูงขึ้นเมื่อเพิ่ม อุ ณ หภู มิ ก ารอบแห้ ง การอบแห้ ง ด้ ว ยไอน้ํ า ร้ อ นยวดยิ่ ง แสดง แนวโน้มการเพิ่มขึ้นของกรดไขมันอิสระและค่าเปอร์ออกไซด์ต่ํากว่า การอบแห้ งด้ วยอากาศร้ อนตลอดระยะเวลาการเก็ บรั กษาการ เปลี่ยนแปลงของกรดไขมันอิสระเป็นไปตามปฏิกิริยาอันดับศูนย์ และการเปลี่ ยนแปลงของค่ าเปอร์ ออกไซด์ เป็ นไปตามปฏิ กิ ริ ยา Figure 3 Peroxide value of rice bran dried using (a) hot อันดับหนึ่ง และการอบแห้งด้วยไอน้ําร้อนยวดยิ่งที่อุณหภูมิ 140ºC air and (b) superheated steam drying during ค่าความชื้นสุดท้าย 4% (d.b.) เป็นสภาวะที่เหมาะสมที่สุดในการ storage. ตารางที่ 1 แสดงจลนพลศาตร์การเปลี่ยนแปลงกรดไขมันอิสระ อบแห้งรําข้าวเพื่อความคงตัวของคุณภาพรําข้าวในระหว่างการเก็บ พบว่าปฏิกิริยาอันดับศูนย์มีค่า R2 ในช่วง 0.89-0.93 โดยปฏิกิริยา รักษา อันดับหนึ่งมีค่า R2 ในช่วง 0.70-0.90 และปฏิกิริยาอันดับสองมีค่า
263
Table 1 Kinetic reaction of free fatty acid and peroxidevalue in rice bran oil during storing. FFA (% linoleic) PV (meq kg-1) Drying M.C. Temp. (ºC) method (%, d.b.) R02 R12 R22 R02 R12 HA 120 4 0.93 0.81 0.46 0.84 0.86 HA 140 4 0.89 0.70 0.27 0.81 0.90 HA 160 4 0.90 0.78 0.45 0.85 0.91 HA 120 6 0.92 0.83 0.50 0.84 0.92 HA 140 6 0.89 0.77 0.44 0.81 0.90 HA 160 6 0.89 0.66 0.30 0.84 0.92 SS 120 4 0.93 0.83 0.49 0.77 0.97 SS 140 4 0.93 0.82 0.47 0.76 0.88 SS 160 4 0.91 0.77 0.43 0.77 0.95 SS 120 6 0.93 0.90 0.65 0.78 0.97 SS 140 6 0.91 0.77 0.43 0.76 0.96 SS 160 6 0.91 0.74 0.33 0.77 0.95 R02, R12 and R22 refer to the correlation coefficient values of zero, first and second order reaction, respectively.
R22 0.19 0.17 0.29 0.34 0.27 0.32 0.55 0.01 0.45 0.57 0.53 0.44
Table 2 Reaction rate constant of free fatty acid and peroxide value in rice bran oil during storing Drying method Temp. (ºC) HA HA HA HA HA HA SS SS SS SS SS SS
120 140 160 120 140 160 120 140 160 120 140 160
FFA (% linoleic)
M.C. (%, d.b.)
Zero order reaction
4 4 4 6 6 6 4 4 4 6 6 6
Y=0.653x Y=0.633x Y=0.612x Y=0.660x Y=0.624x Y=0.628x Y=0.503x Y=0.470x Y=0.466x Y=0.516x Y=0.481x Y=0.508x
5 กิตติกรรมประกาศ ผู้วิจัยขอขอบคุณมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ที่ให้การสนับสนุน ทุนวิจัยในการวิจัยนี้ 6 เอกสารอ้างอิง AOAC, 1995. Official Method of Analysis, Th ed., William, S., Ed Washington, DC., Official Method Cd3d-63, Sampling and Analysis of Commercial Fat and Oil. AOCS, 2004. Official Methods and Recommended Practices of the American Oil Chemists’ Society; American Oil Chemists’ Society: Champaign.
k (%linoleic day-1) 0.653 0.633 0.612 0.660 0.624 0.628 0.503 0.470 0.466 0.516 0.481 0.508
PV (meq kg-1)
First order reaction Y=0.041x Y=0.039x Y=0.039x Y=0.038x Y=0.039x Y=0.038x Y=0.035x Y=0.045x Y=0.036x Y=0.035x Y=0.035x Y=0.036x
k (day-1) 0.041 0.039 0.039 0.038 0.039 0.038 0.035 0.045 0.036 0.035 0.035 0.036
Hu, W., Wells, I.H., Shin, T.S., Godber, J.S. 1996. Comparison of Isopropanol and Hexane for Extraction of Vitamin E and Oryzation from Stabilized Rice Bran. Journal of the American Oil Chemists Society 73, 1653-1656. Iyota, H., Nishimura, N., Onuma, T., Momura, T. 2001.Drying of Slice Raw Potatoes in Superheated Steam and Hot Air. Drying Technology 19, 1411-1424. Salunkhe, D.K., Chavan, J.K., Adsule, R.N.,Kadam, S.S. 1992.World Oilseeds Chemistry Technology and Utilization. Van Nostrand Reinhold, New York.
264
TEI-01
การพัฒนาระบบติดตามและวัดน้ําหนักแบบทันทีสาํ หรับงานเก็บเกี่ยวอ้อย จันทร์เพ็ญ โตสูงเนิน1, ขวัญตรี แสงประชาธนารักษ์1* และ เสรี วงส์พิเชษฐ1 1
ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น จังหวัดขอนแก่น 40002 ผู้เขียนติดต่อ: ขวัญตรี แสงประชาธนารักษ์ E-mail: khwantri@kku.ac.th
บทคัดย่อ งานวิจัยนี้ทําการศึกษาการพัฒนาระบบติดตามและวัดน้ําหนักแบบทันที (Real Time Measurement and Tracking System) สําหรับงานเก็บเกี่ยวอ้อย โดยใช้ไฟไนต์เอลิเมนต์จําลองพฤติกรรมของน้ําหนักบรรทุกที่กระทําต่อโครงรถบรรทุกสิบล้อ ระหว่างการทํางานเก็บเกี่ยวอ้อย เพื่อกําหนดตําแหน่งติดตั้งชุดอุปกรณ์ติดตามและวัดน้ําหนักแบบทันที จากนั้นออกแบบและสร้าง เซนเซอร์ติดตามและวัดน้ําหนัก โดยใช้สเตรนเกจและวงจรที่สอดคล้องกับรายละเอียดจําเพาะของตําแหน่งติดตั้งบนโครงรถ แล้ว ดําเนินการสอบเทียบ (Calibration) ชุดอุปกรณ์ติดตามและวัดน้ําหนัก โดยใช้เครื่องทดสอบทางกล (UTM) ผลการศึกษา พบว่า ควรติดตั้งเซนเซอร์ติดตามและวัดน้ําหนัก ณ ตําแหน่งที่มีระยะห่างจากปลายด้านหน้าของโครงรถ 557.9 เซนติเมตร สูงจากฐานโครงรถ 21.9 เซนติเมตรโดยตําแหน่งนี้เกิดความเค้นสูงสุด เท่ากับ 7.64 MPa และควรออกแบบชุด อุปกรณ์ที่มีลักษณะเป็นสลักเกลียว (bolt) ให้สอดคล้องกับขนาดรูบนโครงรถ โดยเลือกใช้สเตรนเกจแบบแผ่นฟิล์มบาง ต่อวงจรแบบ ฟลูบริดจ์ (full bridge) จากผลการสอบเทียบ (Calibration) พบว่า ชุดอุปกรณ์ฯสามารถผลิตสัญญาณไมโครสเตรน (X) โดยแปรค่า ตามน้ําหนักบรรทุก (Y) และมีความสัมพันธ์เป็นสมการเส้นตรง (Y = 6036.4X-12565และ R² = 0.9061) คําสําคัญ: โครงรถบรรทุกสิบล้อ(Chassis),ชุดอุปกรณ์วัดน้ําหนัก (Weight monitoring),สมการสอบเทียบ (Calibration)
Abstract This paper examined the development of a real-time weight measurement system for sugarcane harvesting. Finite element simulation of the behavior of the load of harvested sugarcane in the binbox acting on the truck chassis was established. The position of the weight sensors was determined using stress distribution results, and the weight sensors were then designed and constructed. A testing unit representing the truck chassis was constructed for the calibration of the weight sensors. The results showed that sensors should be installed for weight measurements at the position 557.9 cm horizontally displaced from the front end of chassis and 21.9 cm verically displaced from the bottom of the chassis, where the maximum stress was 7.64 MPa. The designed weight sensor consisted of four strain gauges attached to the end of two 30 mm diameter bolts. All strain gauges were wired into a Wheatstone bridge circuit (full bridge). From the calibration results, the linear relationship between the produced signals from sensor (X) and weight (Y) was determined at Y = 6036.4X – 12565, and R² = 0.9061. Keywords: Chassis, Weight monitoring, Calibration, Truck
265
TEI-02
การจําลองระบบออกแบบเส้นทางของรถแทรกเตอร์อัตโนมัติเพื่อการเลี้ยวกลับรถทีห่ ัวแปลง ธีรวัฒน์ เจเถื่อน1*, พยุงศักดิ์ จุลยุเสน1, คธา วาทกิจ1, จรูญศักดิ์ สมพงศ์1 1
สาขาวิชาวิศวกรรมเกษตร สํานักวิชาวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี จ.นครราชสีมา 30000 ผู้เขียนติดต่อ: ธีรวัฒน์ เจเถื่อน E-mail: teerawat_po_7@windowslive.com
บทคัดย่อ การเลี้ยวกลับรถที่หัวแปลงเป็นภาระงานที่สําคัญ เพราะลักษณะแปลงเกษตรในประเทศไทยมีขนาดเล็ก ทําให้ผู้ขับขี่รถ แทรกเตอร์ต้องทําการเลี้ยวกลับหัวแปลงบ่อยครั้ง การพัฒนาระบบออกแบบเส้นทางเลี้ยวกลับรถที่หัวแปลงแบบอัตโนมัติเป็นการเพิ่ม ความสามารถในการทํางานแก่รถแทรกเตอร์เกษตร ระบบออกแบบเส้นทางจะออกแบบเส้นทางเลี้ยวกลับรถที่หัวแปลงแบบหางปลา เพราะใช้พื้นที่หัวแปลงน้อย เส้นทางเลี้ยวกลับรถแบบหางปลาประกอบด้วยเส้นทางย่อย 5 เส้นทาง คือ ส่วนโค้งเปลี่ยนขาเข้า ส่วนโค้ง วงกลมขาเข้า ส่วนโค้งวงกลมถอยหลัง ส่วนโค้งวงกลมขาออก และส่วนโค้งเปลี่ยนขาออก ส่วนโค้งเหล่านี้ถูกออกแบบโดยอาศัย ความสัมพันธ์ระหว่าง เรขาคณิตของรถแทรกเตอร์ ความเร็วในการเคลื่อนที่ และระยะห่างระหว่างแถวพืช สมรรถนะการทํางานของ ระบบออกแบบเส้นทางเลี้ยวกลับรถถูกจําลองสถานการณ์โดยใช้โปรแกรม LabVIEW ผลการจําลองพบว่ารถแทรกเตอร์สามารถเลี้ยว กลับหัวแปลงได้อย่างถูกต้อง คําสําคัญ: รถแทรกเตอร์อัตโนมัติ, การเลี้ยวกลับรถหัวแปลง, การเลี้ยวกลับรถแบบหางปลา
SIMULATION OF A TRAJECTORY PLANNER OF AUTONOMOUS TRACTOR FOR HEADLAND TURNING OPERATION Teerawat J-thaun1*, Payungsak Junyusen1, Kata Vatakit1 , Charoonsak Somphong1 1
School of Agricultural Engineering, Inatitute of Engineering, Suranaree University of Technology, Nakhon Ratchasima, 30000
Corresponding author: Teerawat J-thaun. E-mail: teerawat_po_7@windowslive.com
Abstract Headland turning is an important agricultural operation because of the small-scale agricultural field in Thailand, thus, the operator makes the turns frequently. The development of the trajectory planner for automatic headland turning enchances the working capability of the agricultural tractor. The planner employed the fish-tail headland turning because of the less headland area use. The fish-tail turning consisted of five paths, i.e., two arcs of clothoid and three arcs of circle. These paths were generated based on the relationship among the tractor’s geometry, the ground speed and the crop row distance. The performance of the planner was verified through computer simulation using LabVIEW programming. The simulation results showed that the tractor could turn at the headland precisely. Keywords: Autonomous tractor, Headland turning, Fish-tail turning
1 บทนํา ปั จ จุ บั น แรงงานวั ย หนุ่ ม สาวจากภาคเกษตรหลั่ ง ไหลสู่ ภาคอุตสาหกรรมการผลิตและบริการอย่างต่อเนื่อง เพราะแรงงาน เหล่านี้เห็นว่าการทํางานการเกษตรเป็นงานที่เหน็ดเหนื่อย ต้อง พึ่งพาธรรมชาติ และมีรายได้ที่ไม่แน่นอน ส่งผลให้จํานวนแรงงาน ในภาคเกษตรลดลง และแรงงานที่ทํางานอยู่มีอายุสูงขึ้น ปัญหา เหล่านี้จะทําให้ความเข้มแข็งของภาคเกษตรมีแนวโน้มถดถอยลง แนวทางหนึ่งที่จะสามารถช่วยให้การเกษตรกลายเป็นอาชีพที่ได้รับ
ความสนใจมากกว่าปัจจุบันคือ การนําเทคโนโลยีทางด้านวิศวกรรม อิเล็กทรอนิกส์ คอมพิวเตอร์ และระบบสารสนเทศ มาประยุกต์ใช้ ในการเกษตร ซึ่ ง เรี ย กว่ า การเกษตรแม่ น ยํ า (Precision agriculture) เทคโนโลยีนี้สามารถช่วยเหลือเกษตรกรในด้านต่างๆ เช่น ลดความเหน็ดเหนื่อยในการทํางาน ลดต้นทุนในการผลิต และ ทําให้การทํางานการเกษตรเป็นงานที่ ทําได้ง่าย ซึ่ งสามารถช่วย ดึ ง ดู ด ความสนใจของแรงงานวั ย หนุ่ ม สาวให้ หั น กลั บ มาสนใจ การเกษตรอีกครั้งได้การเพิ่มขึ้นของประชากร การลดลงของพื้นที่
266
เกษตรกรรม และการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อม เป็นปัจจัย หลักที่ทําให้การทําเกษตรแบบดั้งเดิมที่มีการใช้แรงงานคนหรือสัตว์ ไม่สามารถตอบสนองต่อความต้องการอาหารและพลังงานที่เพิ่มขึ้น ได้ รถแทรกเตอร์จึงถูกนําเข้าใช้แทนแรงงานคนและสัตว์ เพราะ สามารถนําไปประยุกต์ใช้งานได้หลากหลาย โดยมีบทบาทสําคัญใน การเพิ่มผลผลิต ลดระยะเวลาการทํางาน และลดการใช้แรงงานด้วย รถแทรกเตอร์ ถู ก นํ า มาใช้ ในทุ ก ขั้ น ตอนของกระบวนการผลิ ต ทางการเกษตร ตั้งแต่การเตรียมดิน การปลูก การอารักขาพืช การ เก็บเกี่ยว ตลอดจนการขนส่งผลผลิต รถแทรกเตอร์จึงถือเป็นต้น กําลังหลักในการประกอบอาชีพเกษตรกรรม แต่ประสิทธิภาพการ ทําเกษตรไม่ได้ขึ้นอยู่กับศักยภาพของรถแทรกเตอร์เพียงอย่างเดียว ปัจจัยอีกอันหนึ่งที่มีผลไม่แพ้กันก็คือเกษตรกรผู้ใช้รถแทรกเตอร์ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการทํางานสูงสุดเกษตรกรจะต้องมีความ เชี่ยวชาญในการใช้ รถแทรกเตอร์ต่อพ่ วงเครื่ องมือเกษตรได้เป็ น อย่างดี แต่ในบางครั้งถึงแม้เกษตรกรจะมีความชํานาญเป็นอย่าง มาก หากเกษตรกรต้องทํางานอยู่บนรถแทรกเตอร์เป็นเวลานาน อาจทํ าให้ ร่ างกายเกิ ดความเมื่ อยล้ าและอ่ อนเพลี ย ส่ งผลทํ าให้ ประสิ ทธิ ภ าพการทํ า งานลดลง นอกจากนี้ ใ นบางสถานการณ์ เกษตรกรต้องเผชิ ญกั บอั นตรายจากสารเคมี ที่มีอยู่ ในปุ๋ยและยา ปราบศัตรูพืช เพื่อสร้างความปลอดภัยและความสะดวกสบายใน การทํ า งานให้ แ ก่ เ กษตรกร จึ ง มี ค วามพยายามในการพั ฒ นา เครื่องจักรกลเกษตรให้สามารถทํางานได้อย่างอัตโนมัติ งานวิจัยเกี่ยวกับแทรกเตอร์อัตโนมัติเกิดขึ้นอย่างแพร่หลายใน ต่างประเทศ(Keicher et.al., (2000), Reid et.al., (2000), Torii, (2000)) เพราะว่ ามี การนํ าเอาอุ ปกรณ์ ไฮดรอลิ คและอุ ปกรณ์ อิ เ ลคทรอนิ ก ส์ มาใช้ ค วบคุ ม การทํ า งานของเครื่ อ งยนต์ ระบบ ถ่ายทอดกําลัง และระบบอื่นๆ ของรถแทรกเตอร์มากขึ้น รวมไปถึง การประยุกต์ใช้เซ็นเซอร์ต่างๆ เช่น เลเซอร์เซ็นเซอร์ กล้องวิดีโอ CCD และระบบระบุพิกัดบนพื้นโลก (Global Positioning System, GPS) มาใช้ในการเกษตร ปัจจัยเหล่านี้เอื้ออํานวยต่อการ พั ฒ นาเทคโนโลยี สํ า หรั บ การสร้ า งรถแทรกเตอร์ อั ต โนมั ติ (Autonomous tractor) ได้ง่ายขึ้น แต่รถแทรกเตอร์อัตโนมัติที่ถูก พัฒนาขึ้ นมาใช้ ในพื้ นที่เกษตรกรรมของต่ างประเทศไม่ สามารถ นํ า มาใช้ กั บ พื้ น ที่ เ กษตรกรรมของประเทศไทยได้ อ ย่ า งเต็ ม ประสิ ท ธิ ภ าพ เพราะความแตกต่ า งกั น ของสภาพภู มิ ป ระเทศ ภู มิ อากาศ และเทคโนโลยี สนั บสนุ น ดั งนั้ นงานวิ จั ยเกี่ ยวกั บรถ แทรกเตอร์อัตโนมัติควรได้รับการพัฒนาให้เหมาะสมกับสภาวะการ ทําการเกษตรและเทคโนโลยีของแต่ละประเทศ การพัฒนาฟังก์ชั่นการทํางานแก่รถแทรกเตอร์เกษตรอัตโนมัติ เป็นการเพิ่มความสามารถให้แก่ตัวรถแทรกเตอร์เกษตรอัตโนมัติให้ สามารถปฏิ บั ติงานได้ หลากหลายมากขึ้ น เช่ นการพั ฒนาระบบ
วางแผนเส้นทางให้รถสามารถเคลื่อนที่ไปยังเป้าหมายที่ตั้งไว้ได้ การ เลี้ยวกลับรถที่หัวแปลงก็เป็นฟังก์ชั่นหนึ่งที่สามารถพัฒนาต่อยอด ให้ เ หมาะสมกั บ สภาวะการทํ า การเกษตรของประเทศ เพราะ ลักษณะแปลงเกษตรในประเทศไทยมีขนาดเล็ ก ทําให้ ผู้ขับขี่ รถ แทรกเตอร์ต้องทําการเลี้ยวกลับหัวแปลงบ่อยครั้ง ลักษณะการเลี้ยว กลั บหั วแปลงที่ ผู้ ขับใช้ มีรู ปแบบหลากหลายขึ้ นอยู่ กั บภาระการ ทํางานแสดงดัง Figure 1 การเลี้ยวกลับหัวแปลงแบบหางปลาเป็น รูปแบบหนึ่งที่ผู้ ขับรถแทรกเตอร์ เกษตรนิ ยมใช้ เพราะเหมาะกั บ ภาระงานที่ต้องกลับรถเมื่อแถวถัดไปอยู่ใกล้กันเช่นการยกร่องปลูก ด้วยผานยกร่อง การฉีดพ่นสารเคมี เป็นต้น และใช้พื้นที่กลับเลี้ยว หัวแปลงน้อย
Figure 1 Loop turn and reverse turn การกลับเลี้ยวหัวแปลงแบบหางปลาได้มีการวิจัยและพัฒนา อย่ า งต่ อ เนื่ อ ง เพื่ อ ให้ ค รอบคลุ ม ทุ ก ลั ก ษณะแปลงเกษตร Christophe et al. (2009) ได้นําเสนอวิธีการออกแบบเส้นทาง เลี้ยวกลับหัวแปลงแบบหางปลา การออกแบบเส้นทางเลี้ยวกลับหัว แปลงเริ่มจากการออกแบบเส้นทางจาก B ไป P1 โดยใช้คุณสมบัติ ของเส้นโค้งแบบ Clothoid ต่อมาออกแบบเส้นทางจาก P1 จนถึง P2 โดยใช้คุณสมบัติของโค้งวงกลม สุดท้ายออกแบบเส้นทางจาก P2 ไป C โดยใช้คุณสมบัติของ เส้นโค้งแบบ Clothoid ดังแสดงใน Figure 2
Figure 2 Fish-tail maneuver(Christophe et al. (2009))
267
2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 แบบจําลองการเคลื่อนที่ของรถแทรกเตอร์เกษตร การเคลื่อนที่ของรถแทรกเตอร์เกษตร เป็นการเคลื่อนที่แบบ น็อนโฮโลโนมิค(Nonholonomic motion) เพราะการเปลี่ยนแปลง ตําแหน่งของรถนั้น รถไม่สามารถเคลื่อนที่ไปยังตําแหน่งที่ต้องการ ได้โดยตรง เนื่องจากรถไม่สามารถเคลื่อนที่ไปในทุกทิศทางได้อย่าง อิสระ แต่การเปลี่ยนแปลงตําแหน่งของรถนั้นจะขึ้นอยู่กับมุมของ การเลี้ยว และความเร็ว ที่ป้อนให้แก่รถ สมมติให้การเคลื่อนที่ล้อทั้ง สี่ไม่เกิดการลื่นไถล Figure 3 แสดงแบบจําลองเรขาคณิตของรถ แทรกเตอร์ ซึ่งมีสมการการเคลื่อนที่ดังสมการที่ (1) ถึง (4)
Figure 3 Kinematic model of a farm tractor x
dx V cos dt
(1)
y
dy V sin dt
(2)
d V tan dt L
(3)
r
tan L
(4)
2.2 การสร้างเส้นทางเลี้ยวกลับรถหัวแปลงแบบหางปลา
Figure 4 Fish-tail maneuver เส้นทางการเลี้ยวกลับหัวแปลงแบบหางปลาประกอบไปด้วย เส้นทางย่อย 5 เส้นทาง แสดงดัง Figure 4 เริ่มจากเส้นทางโค้ง
เปลี่ยนขาเข้า (จาก ไป ) เส้นทางโค้งวงกลมขาเข้า (จาก ไป ) เส้นทางโค้งวงกลมถอยหลัง (จาก ไป ) เส้นทางโค้ง วงกลมขาออก (จาก ไป ) และเส้นทางโค้งเปลี่ยนขาออก (จาก ไป C )ก่อนทําการสร้างเส้นทางผู้ใช้งานโปรแกรมต้อง ป้อนข้อมูลดังนี้ ∆ , , , , , , , ,
Figure 5 Flow chart Diagram of Path fish-tail turning เมื่อ คือ ระยะเริ่มต้นจากจุดศูนย์กลางเพลาล้อหลังถึงจุด (0,0) บนแกน X(m) คือ ระยะเริ่มต้นจากจุดศูนย์กลางเพลาล้อหลังถึงจุด (0,0) บนแกน Y(m) คือทิศทางของหน้ารถเริ่มต้นเทียบกับแกนอ้างอิง x (deg) คือมุมการหักเลี้ยวเริ่มต้น (deg) คือมุมการหักเลี้ยวสูงสุด (deg) คืออัตราการหักเลี้ยว (deg s-1) คือระยะห่างระหว่างร่องพืช (m) หลังจากป้อนข้อมูลที่จําเป็นโปรแกรมจะทําการสร้างเส้นทาง โดยอัตโนมัติตามผังการทํางาน (Figure 5) หลังจากสร้างเส้นทางจะ ได้ข้อมูลออกมา 3 ค่า คือ ตําแหน่งตัวรถ มุมเลี้ยว และทิศทางหน้า รถเทียบกับแกนอ้างอิง X ที่เวลาต่างๆ 2.3 แบบจําลองของรถแทรกเตอร์เกษตร การจํ า ลองสถานการณ์ ก ารเคลื่ อ นที่ ของรถแทรกเตอร์ บ น เส้นทางที่ออกแบบ ได้ทําการสร้างแบบจําลองรูปลักษณ์สองมิติของ รถแทรกเตอร์ (Figure 6) ก่อนทําการสร้างได้เก็บค่าระยะห่างของ เพลาล้อหน้าและเพลาล้อหลัง (L = 1.47 m) ระยะห่างจุดหมุนของ ล้ อหน้ าทั้ งสอง ( S 0.93 m) ความยาวเพลาล้ อหลั ง ( H 0.93 m ) ของรถแทรกเตอร์ มีจุด O เป็นจุดอ้างอิงตําแหน่งรถ จากพฤติกรรม ของรถทั่วไปสามารถแบ่งตัวรถออกเป็น 3 ส่วน ส่วนที่หนึ่งตัวรถ ส่ ว นที่ ส องล้ อ หน้ า ซ้ า ย และส่ ว นที่ ส ามล้ อ หน้ า ขวา การทํ า ให้
268
แบบจําลองรูปลักษณ์สองมิติของรถแทรกเตอร์เคลื่อนที่ได้นั้น ต้อง นําทฤษฏีการย้ายแกนและทฤษฏีการหมุนแกนประกอบกับข้อมูล ตําแหน่งตัวรถ ( X , Y ) มุมเลี้ยว ( ) และทิศทางหน้ารถเทียบกับ แกนอ้างอิง X ( ) มาประมวลผลให้แบบจําลองสองมิติเคลื่อนที่ และเปลี่ยนทิศทาง
2.5 การกําหนดเงื่อนไขของการจําลองสถานการณ์ จากพารามิเตอร์ที่มีผลต่อเส้นทาง เมื่อค่าพารามิเตอร์เปลี่ยนไป เส้นทางการเคลื่อนที่ก็เปลี่ยนแปลงไปตามข้อมูลที่ผู้ใช้ป้อนให้แก่ โป รแ ก รม ก ร ณี อ อ ก แ บ บ เ ส้ น ท า ง ใ ห้ ร ถ คั น เดิ ม ข้ อ มู ล ∆ , , , , , , , , , จะมี ค่ าคงที่ แต่ มี ค่ า ระยะห่างระหว่างร่องพืช ( D ) ที่เปลี่ยนแปลงไปตามลักษณะแปลง เกษตร ในการจํ า ลองสถานการณ์ เ พื่ อ ดู ก ารเคลื่ อ นที่ ข องรถ แทรกเตอร์เกษตรบนเส้นทางการเคลื่อนที่นั้น ได้ทําการสมมติให้ ค่าพารามิเตอร์มีค่าดัง Table 1 และสมมติค่าระยะห่างระหว่างร่อง พืช ( D ) สองกรณี(ตามการทํางานในแปลงเกษตร) คือ กรณีที่รถ แทรกเตอร์เกษตรกลับหัวแปลงเข้าร่องเดิม ( D 0 m ) และกรณีที่ รถแทรกเตอร์เกษตรกลับหัวแปลงเข้าร่องถัดไป ( D 1 m ) Table 1 Conditions of simulation Variable ∆
Figure 6 Two-dimensional models of tractors. 2.4 โปรแกรมจําลองการเคลื่อนที่ของรถแทรกเตอร์เกษตรบน เส้นทางเลี้ยวกลับหัวแปลงแบบหางปลา เมื่อสร้างโปรแกรมออกแบบเส้นทางเลี้ยวกลับหัวแปลงแบบหาง ปลา และโปรแกรมจําลองการเคลื่อนที่ของรถแทรกเตอร์เกษตร ต่อมาได้นําแบบจําลองรถแทรกเตอร์เกษตรมาจําลองสถานการณ์ การเคลื่ อนที่ บนเส้ นทางเลี้ ยวกลั บหั วแปลงแบบหางปลาเพื่ อดู พฤติกรรมของรถแทรกเตอร์เกษตรบนเส้นทางที่ออกแบบไว้ และ ทําการออกแบบหน้าจอแสดงผลข้อมูลและรับค่าข้อมูลจากผู้ใช้เพื่อ ความสะดวกในการใช้งาน Figure 7 แสดงตัวอย่างหน้าจอแสดงผล
dimension 0.01 s 0m 0m 0o 0o 1.47 m 0.5 m s-1 20o s-1 40o
3 ผลและวิจารณ์ 3.1 การเคลื่อนที่ของรถแทรกเตอร์ การออกแบบเส้นทางการเคลื่อนที่ทําให้ทราบถึงการเคลื่อนที่ ของรถแทรกเตอร์เกษตรบนเส้นทางการเคลื่อนที่ โดย Figure 8 จะ เห็ น การเคลื่ อ นที่ ข องรถแทรกเตอร์ เ กษตรเมื่ อ เคลื่ อ นที่ จ าก จุดเริ่มต้น B ไปยังตําแหน่ง s1 ตอนเริ่มต้นมุมเลี้ยวจะมีค่าเป็น 0 องศา เมื่อเคลื่อนที่ผ่านเส้นทางโค้งเปลี่ยนขาเข้า (เส้นทึบ) มุมเลี้ยว จะเพิ่ ม ขึ้ น ด้ ว ยอั ต ราคงที่ เมื่ อ เข้ า สู่ เ ส้ น ทางโค้ ง วงกลมขาเข้ า (เส้นประสี่เหลี่ยม) มุมเลี้ยวจะคงที่ (เท่ากับ f ) จนถึงตําแหน่ง s1 เมื่อรถถึงตําแหน่ง s1 รถจะหยุดการเคลื่อนที่เพื่อทําการหัก เลี้ ยวพ่ ว งมาลั ยมาที่ มุ ม - f แล้ ว เคลื่ อนที่ ถอยหลั ง เพื่ อเข้ า สู่ เส้นทางโค้งวงกลมถอยหลังมุมเลี้ยวจะคงที่ (เท่ากับ - f ) จนถึง ตําแหน่ง s2 ดังแสดงใน Figure 9
Figure 7 Front panal
269
จากการจําลองสถานการณ์ทําให้ทราบว่า เมื่อรถเคลื่อนที่ตาม เส้นทางที่ระบุเงื่อนไขตาม Table 1 แล้วกําหนดระยะห่างระหว่าง ร่องพืช ( D ) เท่ากับ 1 m ใช้ระยะหัวแปลง 3.41 m และระยะทาง ที่ต้องใช้สําหรับการเลี้ยวกลับหัวแปลงแบบหางปลา ( l ) เท่ากับ 6.57 m แสดงดัง Figure 11
Figure 8 The movement of tractor on the path to
Figure 11 Fish-tail maneuver D=1 เมื่อรถเคลื่อนที่ตามเส้นทางที่ระบุเงื่อนไขตาม Table 1 และ กําหนดระยะห่างระหว่างร่องพืช ( D ) เท่ากับ 0 m ใช้ระยะหัว แปลง 3.46 m และระยะทางที่ต้องใช้สําหรับการเลี้ยวกลับหัว แปลงแบบหางปลา ( l ) เท่ากับ 6.58 m แสดงดัง Figure 12 Figure 9 The behavior of tractor on the path
to
เมื่อรถถึงตําแหน่ง รถจะหยุดการเคลื่อนที่เพื่อทําการหัก เลี้ยวพ่วงมาลัยมาที่มุม แล้วเคลื่อนที่ไปข้างหน้าเข้าสู่เส้นทาง โค้งวงกลมขาออก(เส้นประสี่เหลี่ยม)และเข้าสู่เส้นทางโค้งเปลี่ยนขา ออก (เส้นทึบ) เพื่อเข้าสู่แถวพืชแถวถัดไป ดังแสดงใน Figure 10
Figure 10 The behavior of tractor on the path 3.2 เส้นทางการเคลื่อนที่
to
C
Figure 12 Fish-tail maneuver D=0 3.3 ทิศทางของรถแทรกเตอร์ จาก Figure 13 แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่างทิศทาง หน้ารถเทียบกับแกนอ้างอิง X กับระยะการเคลื่อนที่บนแกนอ้างอิง X โดยเส้นทึบแสดงเส้นความสัมพันธ์เมื่อกําหนด D=0 m และ เส้นประแสดงเส้นความสัมพันธ์เมื่อกําหนด D=1 m เมื่อสังเกตเส้น ความสัมพันธ์ในช่วงแรกและช่วงสุดท้ายก่อนขึ้นร่องใหม่ของการ
270
เคลื่อนที่เส้นจะทับกันพอดี มีเพียงช่วงปลายที่ไม่ทับกัน เหตุผลที่ ข้อด้อยของการสร้างเส้นทางเลี้ยวกลับหัวแปลงแบบหางปลาวิธีนี้ เป็นเช่นนี้เพราะช่วงโค้งส่วนเปลี่ยนขาเข้าและโค้งส่วนเปลี่ยนขา เพราะการสร้างเส้นทางต้องอาศัยความสัมพันธ์ของวงกลมสามวง ออกเมื่อใช้รถแทรกเตอร์คันเดิมและกําหนดพารามิเตอร์เหมือนกัน เพือ่ สร้างเส้นทางโค้งวงกลมขาเข้า (จาก ไป ) เส้นท ทางโค้ง จะทําให้เส้นทางทั้งสองกรณีทับกันพอดีแต่เส้นทางโค้งวงกลมทั้ง วงกลมถอยหลัง (จาก ไป ) และเส้นทางโค้งวงกลมขาออก สามเส้ นทางนั้ นจะเปลี่ ยนแปลงไปตามระยะห่ างระหว่ างร่ องที่ (จาก ไป ) ทําให้มุมเลี้ยวของรถแทรกเตอร์มีค่าคงที่ส่งผลให้ กําหนด ต้องทําการเปลี่ยนมุมเลี้ยวของรถแทรกเตอร์ก่อนทําการเคลื่อนที่ บนเส้นทางโค้งวงกลมถอยหลัง(เปลี่ยนมุมเลี้ยวที่ตําแหน่ง ) และ เส้นทางโค้งวงกลมขาออก (เปลี่ยนมุมเลี้ยวที่ตําแหน่ง ) 4 สรุป จากผลการดําเนินการจะเห็นว่าโปรแกรมจําลองการเคลื่อนที่ ของรถแทรกเตอร์เกษตรบนเส้นทางเลี้ยวกลับหัวแปลงแบบหาง ปลาสามารถสร้ า งเส้ น ทางและจํ า ลองสถานการณ์ ไ ด้ ทํ า ให้ คาดการณ์ระยะหัวแปลงที่ต้องเผื่อพื้นที่ไว้สําหรับการกลับเลี้ยวหัว แปลงแบบหางปลาได้ ข้อมูลตําแหน่งตัวรถ ( X , Y ) มุมเลี้ยว ( ) และทิศทางหน้ารถเทียบกับแกนอ้างอิง X ( ) ที่ได้จากโปรแกรม สามารถนําไปเป็นส่วนหนึ่งของฟังก์ชั่นการสั่งการให้รถแทรกเตอร์ เกษตรอัตโนมัติให้สามารถกลับเลี้ยวหัวแปลงแบบหางปลาได้
Figure 13 Heading angle D=0 and D=1 3.4 มุมเลี้ยวของรถแทรกเตอร์ จาก Figure 14 แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่างมุมการหัก เลี้ยวกับระยะการเคลื่อนที่บนแกนอ้างอิง X โดยเส้นทึบแสดงเส้น ความสัมพันธ์เมื่อกําหนด D=0 m และเส้นประแสดงเส้น ความสัมพันธ์เมื่อกําหนด D=1 m เมื่อดูเส้นความสัมพันธ์จะเห็นว่า 5 เอกสารอ้างอิง มีความคล้ ายคลึ งกั นแต่ ตําแหน่ งการเปลี่ ยนมุ มเลี้ยวจาก ไป กิจไพบูลย์ ชีวพันธุศรี (2554). LabVIEWซอฟท์แวร์เพื่อการพัฒนา ระบบการวัดและควบคุม. กรุงเทพมหานคร: ซีเอ็ด-ยูเคชั่น. - จะไม่ทับกัน เพราะตําแหน่งเปลี่ยนมุมเลี้ยวจะอยู่ที่ตําแหน่ง Christophe Cariou., Roland Lenain.,Benoit Thuilot., s1 และตําแหน่ง ตําแหน่งทั้งสองถูกกําหนดโดยเส้นทางโค้ง Philippe Martinet.,2009. Motion planner and lateralวงกลมทั้งสามเส้นทาง ซึ่งเส้นทางโค้งวงกลมจะเปลี่ยนแปลงไปตาม longitudinal controllers for autonomous maneuvers ระยะห่างระหว่างร่องที่กําหนด of a farm vehicle in headland. Robotics and Automation (ICRA), IEEE International Conference Keicher, R. and Seufert, H.,2000. Automatic guidance for agricultural vehicles in Europe. Computers and Electronics in Agriculture,25 (1-2), 169–194. Reid, J.F., Zhang, Q., Noguchi, N. and Dickson, M., 2000. Agricultural automatic guidance research in North America. Computers and Electronics in Agriculture, 25 (1-2), 155–167. Torii, T.,2000. Research in autonomous agriculture vehicles in Japan. Computers and Electronics in Figure 14 Steering angle D=0 and D=1 Agriculture,25 (1-2), 133–153. เมื่อพิจารณาการเปลี่ยนมุมเลี้ยวที่ตําแหน่ง และตําแหน่ง เพื่อทําการหักมุมเลี้ยวจาก ไป - และจาก - ไป ตามลํ า ดั บ ทํ า ให้ เ กิ ด ช่ ว งเวลาที่ ร ถต้ อ งสู ญ เสี ย มากกว่ า กรณี เคลื่ อนที่ ถอยหลั งแล้ วทํ าการหั กเลี้ ยวพวงมาลั ยจนสุ ด ซึ่ งเป็ น 271
TEI-03
ระบบผลิตน้ําร้อนร่วมพลังงานแสงอาทิตย์แบบตัวรับพาราโบล่า-ฮีตเตอร์ไฟฟ้าแบบอัตโนมัติ คนธรส ถินสูงเนิน1*, บุญชนิต ศรีชอบธรรม1, ลักส์ติยา ศรีบุญ1, จันทร์จิรา ประทุมพงษ์1, กระวี ตรีอํานรรค1 และ เทวรัตน์ ตรีอํานรรค2 1
สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกล สํานักวิชาวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี,นครราชสีมา,30000 2 สาขาวิชาวิศวกรรมเกษตร สํานักวิชาวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี,นครราชสีมา,30000 ผู้เขียนติดต่อ: คนธรส ถินสูงเนิน E-mail: kontaroszz@gmail.com
บทคัดย่อ บทความนี้นําเสนอ การพัฒนาระบบผลิตน้ําร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ร่วมกับฮีตเตอร์แบบอัตโนมัติ ระบบประกอบด้วยถัง เก็บน้ําร้อนหุ้มฉนวนที่ควบคุมระดับน้ําด้วยวาล์วลูกลอย แผงรับรังสีความร้อนจากดวงอาทิตย์แบบรางพาราโบล่า ฮีตเตอร์ไฟฟ้าขนาด 1,000 Wในถังน้ํา ปั๊มน้ําและตัวควบคุมอุณหภูมิน้ํา ระบบจะทํางานโดยตัวควบคุมจะตรวจสอบพลังงานของแผงรับแสงอาทิตย์ว่า เพียงพอต่อการผลิตน้ําร้อนหรือไม่ หากเพียงพอการผลิตน้ําร้อนจะใช้พลังงานแสงอาทิตย์ก่อนเสมอ หากไม่เพียงพอ ระบบจะสลับการ ทํางานไปใช้ฮีตเตอร์ไฟฟ้าช่วยในการผลิตน้ําร้อนการทดสอบระบบที่พัฒนาขึ้นใช้การทดลองผลิตน้ําร้อนอุณหภูมิ 70oC ช่วงเวลา 13.00 น. – 15.00 น.3 แบบ คือ แบบใช้แสงอาทิตย์อย่างเดียว แบบทํางานร่วมกันอัตโนมัติ และแบบใช้ฮีตเตอร์ไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว พบว่าอุณหภูมิน้ําที่ได้จากระบบทําความร้อน และน้ําในถังเก็บน้ําร้อนมีค่าเฉลี่ยเป็น 68.2oC กับ 48.1oC, 70.3oC กับ 66.6oC และ 22.8oC กับ 67.5oC ตามลําดับ โดยที่การทํางานแบบทํางานร่วมกันอัตโนมัติ และแบบใช้ฮีตเตอร์ไฟฟ้าเพียงอย่างเดียวใช้พลังงานไฟฟ้า 2,160 kJ และ 2,520 kJในเวลา 2 ชั่วโมงตามลําดับ คําสําคัญ: น้ําร้อน, พลังงานแสงอาทิตย์, ระบบอัตโนมัติ
Automatic Combination of Parabolic Solar collector – Electric Heater Hot Water Production System KontarosTinsungnoen1*, BoonchanidSrichobtham1, LaktiyaSriboon1, Janjira Prathumpong1, Krawee Treeamnuk1,Tawarat Treeamnuk2 1
School of Mechanical Engineering Institue of Engineering Suranaree University of technology,NakhonRatchasima, 30000. School of Agricultural EngineeringInstitue of Engineering Suranaree University of technology,NakhonRatchasima, 30000.
2
Corresponding author: KontarosTinsungnoen. E-mail: kontaroszz@gmail.com
Abstract This article was to present the automatic combination of parabolic solar collector – electric heater hot water production system. The system consists of insulated hot water tank controlled water level by floating valve, parabolic solar collectingtrough, 1,000 W of electric heater in tank, water pump and water temperature controller. The system operates by measuring and verification the sufficientenergy of solar collector for the hot water production. If the energy is insufficient the controller will switches the heat source for hot water production to electric heater.Testing of the developed system by produce a 70oC of hot water on 13.00 – 15.00 pm period time of the day in 3 experiments include of only solar energy, automatically combination of solar energy – electric heater and only electric heater.The results found the average temperature of produced hot water and water in the tank in 3 experiments were 68.2oC 48.1oC, 70.3oC 66.6oC and 22.8oC 67.5oC respectively. The automatically combination of solar energy – electric heater and only electric heater consume 2,160 kJ และ 2,520 kJof energy respectively. Keywords: Hot water, Solar energy, Automatic system
272
1 บทนํา น้ําร้อนถือว่ามีบทบาทในการดํารงชีวิตของมนุษย์อย่างมากทั้ง ในภาคอุตสาหกรรม ภาคเกษตรกรรม และภาคครัวเรือน ส่วนใหญ่ ใช้ระบบไฟฟ้าในการทําความร้อน แต่เนื่องจากประเทศไทยตั้งอยู่ใน เขตภูมิอากาศร้อนชื้นได้รับความร้อนจากรังสีดวงอาทิตย์ตลอดทั้งปี จึงมีแนวคิดที่จะนําแสงอาทิตย์มาใช้ในการทําน้ําร้อนเพราะเป็น พลังงานสะอาดและไม่มีวนั หมด ในปัจจุบันมีเทคโนโลยีการทําน้ําร้อนโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์ โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า ตัวรับรังสีดวงอาทิตย์ (solar collector) เป็ นการดู ดกลื นความร้ อนจากดวงอาทิ ตย์ โดยถ่ ายเทความร้ อน ให้แก่ของไหล(Working fluid) ที่วิ่งอยู่ภายในท่อ สามารถแบ่ง ประเภทตามรูปแบบการรวมรังสีคือ 1.แบบรวมรังสีเป็นจุด (pointfocus solar collector) ได้แก่ ระบบรวมรังสีเข้าหอรับแสง (central receiver system) และจานรวมรังสีเป็นจุด (parabolic dishes) 2.แบบรวมรังสีเป็นเส้น (line-focus solar collector) ได้แก่ เลนส์สะท้อนรวมรังสี (fresnel collector) และ จานรวมรังสี เป็นเส้น (parabolic trough collector)(García, A., et al., 2010 และ หริรักษ์, 2556) ทุกประเภทที่กล่าวมานั้นสามารถทําน้ําร้อนที่ อุณหภูมิสูงได้ทั้งสิ้นแต่เนื่องจากระบบที่ต้องการทําการทดสอบนี้ ต้ องการทํ าน้ํ าร้ อนที่ อุ ณหภู มิ ไม่ สู ง (ประมาณ 70oC) ดั งนั้ นจึ ง เลือกใช้ตัวรับรังสีดวงอาทิตย์แบบจานรวมรังสีเป็นเส้น นอกจาก เหตุผลข้างต้นแล้วยังมีเหตุผลอื่นๆที่นํามาประกอบการพิจารณา เลื อกประเภทของตั วเก็ บรั งสี คื อ จานรวมรั งสี แบบเส้ นสามารถ ติ ดตั้ งได้ ง่ ายไม่ ซั บซ้ อน ประหยั ดพื้ นที่ และใช้ งบประมาณไม่ สู ง เหมาะสําหรับนําไปประยุกต์ใช้กับภาคเกษตรกรรม แต่เนื่องจากบางเวลาความเข้มของรังสีดวงอาทิตย์ไม่เพียงพอ ต่ อการผลิ ตน้ํ าร้ อน งานวิ จั ยนี้ จึ งมุ่ งที่ จะสร้ างระบบการทํ างาน ร่วมกันแบบอัตโนมัติระหว่างระบบการทําน้ําร้อนโดยใช้พลังงาน แสงอาทิตย์กับฮีตเตอร์ไฟฟ้า เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการทําน้ํา ร้อนและยังช่วยลดการใช้ไฟฟ้าอีกทางหนึ่งด้วย
- แผ่นอลูมิเนียมดัดโค้งเป็นรูปพาราโบลา (no.3 ใน Figure 1) เพื่ อใช้ เป็ นแผงสะท้ อนแสงอาทิ ตย์ ไปยั งแนวโฟกั สซึ่ งติ ดตั้ งท่ อ ทองแดงทาสีดําที่มีน้ําไหลอยู่ภายในท่อ (no.2 ใน figure 1) ติดตั้ง thermocouple สําหรับวัดอุณหภูมิของน้ําในระบบรับแสง (T2) และเชื่อมต่อท่อน้ํานี้ระหว่างแผงทั้ง 3 แผงด้วยข้องอ (no.4 ใน figure 1) - กล่องควบคุม (no.5 ใน Figure 1) ประกอบด้วยวงจร magnetic relay และ thermostat รับค่าอุณหภูมิ T1 และ T2 และมีการทํางานดัง figure 2 Table 1 Specification defined of system Design specification Storage tank capacity Absorber tube diameter Collector length Collector aperture area Electric heater power pumppower Working fluid Volume flow rate
15.0 l 2/8 inch 6m 3 m2 1,000 W 40 W water 33.746 ml/s
Figure 1 Elements of the parabolic trough solar collector system ระบบต้นแบบนี้กําหนดให้ทําอุณหภูมิในช่วง 60–70oC เริ่มต้น 2 อุปกรณ์และวิธีการ การทํางานด้วยการวัดอุณหภูมิของน้ําในถังที่ตําแหน่ง T2 หากมีค่า 2.1 การทํางานของเครื่องต้นแบบและการออกแบบสร้าง ไม่ ถึ ง 70 oC ระบบจะตรวจสอบอุ ณ หภู มิ ข องท่ อ น้ํ า ที่ แ ผงรั บ ระบบต้ น แบบในงานวิ จั ยนี้ เป็ น ระบบเปิ ด ประกอบไปด้ ว ย แสงอาทิตย์T1หากมีค่ามากกว่าหรือเท่ากับ 75oC จะสั่งให้ปั๊มส่งน้ํา อุ ป กรณ์ ทํ า น้ํ า ร้ อ น 2 ชนิ ด คื อ ตั ว เก็ บ รั ง สี ด วงอาทิ ต ย์ (Solar จากถังเก็บน้ําไปยังแผงรับแสงอาทิตย์และจะส่งกลับเข้าสู่ถังเก็บน้ํา collector) และฮี ต เตอร์ ไ ฟฟ้ า (Heater) ขนาด 1000 Wโดยมี หากพบว่าไม่เป็นไปตามเงื่อนไข ระบบจะสั่งการให้ฮีตเตอร์ไฟฟ้า ส่วนประกอบดัง figure 1และ table 1 เริ่มทํางาน และทําการวัดอุณหภูมิของน้ํา จนกระทั่งน้ํามีอุณหภูมิ - ถังเก็บน้ําเพื่อใช้หมุนเวียนในระบบ (no.1 ใน figure 1) น้ําใน ไม่ ต่ํ าว่ า 70oC ระบบจะหยุ ดทํ างานและสามารถนํ าน้ํ าไปใช้ ใน ถังถู กสูบหมุนเวียนในระบบด้ วยปั๊ มที่ติดตั้ งอยู่ ภายในและติ ดตั้ ง กิจกรรมต่างๆได้ ดัง figure 2 Thermocouple Type K สําหรับวัดอุณหภูมิของน้ําในถัง (T2) ควบคุมระดับน้ําด้วยวาล์วเติมน้ําแบบลูกลอย 273
3 ผลและวิจารณ์ 3.1 ผลการทดสอบระบบผลิตน้ําร้อนด้วยฮีตเตอร์ไฟฟ้าเพียง อย่างเดียว จากfigure 3 แสดงอุณหภูมิที่ตําแหน่ง T1 คืออุณหภูมิของน้ํา ในระบบ T2คื อ อุ ณ หภู มิ ข องน้ํ า ในถั ง เก็ บ น้ํ า และ Power คื อ กําลังไฟฟ้าที่ใช้ทําน้ําร้อน เริ่มตั้งแต่เวลา 16.40 – 18.40 น. โดย ปล่อยให้ระบบทํางานเองโดยอัตโนมัติและทําการบันทึกผล จาก กราฟจะเห็นว่าอุณหภูมิของน้ําในระบบลดลงเรื่อยๆตามอุณหภูมิ ของอากาศในเวลาที่ ทดสอบ อุ ณหภู มิสูงสุ ดภายในถั งเก็ บอยู่ ใน ช่วงเวลา 17.00 – 17.20 น. หลังจากช่วงเวลาดังกล่าวระบบ สามารถรั กษาระดั บอุ ณหภู มิของน้ํ าในถังเก็ บไว้ ที่ 70oC และใช้ กําลังไฟฟ้าลดลงเนื่องจากพลังงานความร้อนที่สะสมในน้ําดัง figure 4 จะเห็นว่าฮีตเตอร์ทํางานสูงสุดที่เวลา 16.50 น. ใช้กําลังไฟฟ้า ป้อนเข้า 1.2 kW หลังจากนั้นจะลดการทํางานลงอย่างต่อเนื่อง อุณหภูมิเฉลี่ยตลอดการทดสอบคือ 67.46oC Figure 2 Flow chart of the control system 2.2 ขั้นตอนการทดสอบ ทําการทดสอบระบบในเดือน กุมภาพันธ์ 2559โดยวางแผงรับ แสงอาทิตย์ไปทางทิศใต้ ในมุมที่สามารถรับแสงอาทิตย์ได้มากที่สุด (เอียงทํามุม 14 องศากับแนวระดับ) ช่วงเวลาทําการทดสอบระบบ คือ 13.00 – 15.00 น. ทําการวัดค่าอุณหภูมิที่ตําแหน่ง T1 และ T2 วัดความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ด้วยเครื่องมือวัด solar power meter ยี่ ห้อ tenmarsรุ่ น TM-208 และจดบั นทึ กมิ เตอร์ ไฟฟ้ า (no.6ใน Figure 3 Temperature and Power under difference time of the day inonly electric heater system. Figure 1) ทุกๆ 10 นาที แบ่งการทดสอบออกเป็น 3 กรณี คือ 1) ใช้ระบบทําน้ําร้อนด้วยฮีตเตอร์ไฟฟ้าอย่างเดียว 2) ใช้ระบบทําน้ํา ร้อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์เพียงอย่างเดียว 3)ใช้ระบบทําร้อน ด้วยแสงอาทิตย์ร่วมกับไฟฟ้า ในการทดสอบมี การติ ดมิ เตอร์ ไฟฟ้ าสํ าหรับอ่ านค่ าพลั งงาน ไฟฟ้าที่ใช้ในการทําความร้อน (Qelec) จาก eq (1) Pelec (kW hr)(3,600 sec/hr)
(1)
การทดสอบระบบที่ 2 และ 3 คํานวณค่าความร้อนที่น้ําได้รับ จากแสงอาทิตย์ เป็น Qsolar เมื่อถังบรรจุน้ําปริมาณ 12 liter จาก eq (2) (Sheng, 1993) Qsolar mC(T2 T1 )
(2)
เมื่อ C คือความจุความร้อนจําเพาะของน้ํา (kJ/kg·oC) T1, T2 คื อ อุ ณ หภู มิ ข องน้ํ า ในระบบและอุ ณ หภู มิ ข องน้ํ า ในถั ง เก็ บ ตามลําดับ (oC)
Figure 4 effect of heat gain on difference time inonly electric heater system. 3.2 ผลการทดสอบระบบผลิตน้ําร้อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ เพียงอย่างเดียว จากfigure 5 แสดงอุณหภูมิที่ตําแหน่ง T1 และ T2 ทําการ ทดสอบและจดบันทึกผลตั้งแต่เวลา 13.00 – 15.00 น. จะเห็นได้ว่า อุณหภูมิทั้งสองตําแหน่งมีแนวโน้มในทิศทางเดียวกัน นั่นคือแปร
274
ผันตามความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ในเวลาที่ทําการทดสอบ โดยแปลง ให้อยู่ในรูปของกําลังงาน จะเห็นได้ว่าในช่วงที่ทดสอบนั้นมีกําลัง งานสูงเฉลี่ย 3.04 kW ทํางานต่อเนื่องตลอดช่วงเวลาที่ทดสอบ อุณหภูมิที่ทําได้นั้นไม่คงที่เป็นผลจากความไม่สม่ําเสมอของความ เข้มรังสีดวงอาทิตย์แต่อย่างไรก็ตามอุณหภูมิเฉลี่ยของระบบตลอด การทดสอบเท่ ากั บ 68.15oC ซึ่ งใกล้เคี ยงกั บระบบที่ ใช้ ฮี ตเตอร์ ไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว และความร้อนสะสมในน้ํายังมีค่าสูงดังแสดง ใน figure 6 Figure 7 Heat gain and Solar power under difference Time in only solar collector system. 3.3 ผลการทดสอบระบบผลิตน้ําร้อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ ร่วมกับไฟฟ้า จาก figure 8 แสดงผลการทดสอบระบบผลิ ตน้ํ า ร้ อนด้ ว ย พลั งงานแสงอาทิ ตย์ ร่ วมกั บไฟ้ ฟ้ า จะเห็ นว่ าอุ ณหภู มิ ของน้ํ าใน ระบบแปรผั นตลอดเวลาเป็ นผลเนื่ องจากการใช้ ระบบพลั งงาน แสงอาทิ ต ย์ ใ นการให้ ค วามร้ อ น อุ ณ หภู มิ เ ฉลี่ ย ของระบบคื อ 70.31oC เมื่อเปลี่ยนมาใช้ระบบร่วมแล้วพบว่ากําลังไฟฟ้าที่ใช้ทําน้ํา Figure 5 Temperature and Power under difference time ร้อนลด เฉลี่ยใช้กําลัง 0.66 kW of the day in only solar collector system.
Figure 6 effect of heat gain on difference time in only solar collector system. เมื่อเปรียบเทียบ figure 4 กับfigure 6 จะเห็นว่าความชันของ กราฟระบบที่ ใช้ ฮี ตเตอร์ ไฟฟ้ า ค่ ามากกว่ าแบบใช้ พลั งงานแสง อาทิตย์เป็นผลมาจากความไวในการตอบสนองของระบบฮีตเตอร์ ไฟฟ้าคือเริ่มทํางานและร้อนทันทีที่อุณหภูมิไม่ถึงค่าที่ตั้งไว้ ส่วน ระบบแสงอาทิ ต ย์ มี ขั้ น ตอนการทํ า งานที่ ซั บ ซ้ อ นกว่ า ทํ า ให้ ไ ม่ สามารถตอบสนองได้เร็วเท่าแบบฮีตเตอร์ไฟฟ้า แต่จะสังเกตได้ว่า ความร้อนสะสมในน้ําของระบบผลิตน้ําร้อนที่ใช้แสงอาทิตย์สูงกว่า แบบใช้ฮีตเตอร์ไฟ้ฟ้าและมีแนวโน้มสูงขึ้นเรื่อยๆ เมื่อพิจารณาความ ร้อนกับกําลังที่ใช้ในการทําน้ําร้อนของระบบแสงอาทิตย์ใน figure 7 จะเห็นว่าความร้อนที่น้ําได้รับแปรผันไปตามความเข้มของรังสี ดวงอาทิตย์
Figure 8 Temperature and Power under difference time of the day in Hybrid system. จาก figure 9 จะเห็นได้ว่ามีการทํางานสลับกันระหว่างฮีตเตอร์ ไฟฟ้าและระบบแสงอาทิตย์ ระบบแสงอาทิตย์ให้ความร้อนสะสม เฉลี่ย 1,153.68 kJ ระบบฮีตเตอร์ไฟฟ้าให้ความร้อนสะสมเฉลี่ย 1,758.46 kJ และจะสั งเกตเห็ นอี กว่ าที่ เวลา 13.00 –13.40 น. มีรังสีดวงอาทิตย์มีกําลังงานที่ค่อนข้างสูงแต่น้ําไม่ได้รับความร้อน จากรั ง สี ด วงอาทิ ต ย์ เ ป็ น ผลมาจากการตอบสนองของระบบ แสงอาทิ ต ย์ ที่ มี ค วามซั บ ซ้ อ นมากกว่ า ทํ า ให้ ใ ช้ เ วลาในการเริ่ ม กระบวนการช้ากว่า ดังจะเห็นได้จาก figure 10
275
ร้อนหรือไม่ หากเพียงพอการผลิตน้ําร้อนจะใช้พลังงานแสงอาทิตย์ ก่อนเสมอ หากไม่เพียงพอ ระบบจะสลับการทํางานไปใช้ฮีตเตอร์ ไฟฟ้าช่วยในการผลิตน้ําร้อนการทดสอบระบบที่พัฒนาขึ้นใช้การ ทดลองผลิตน้ําร้อนอุณหภูมิ 70oC ช่วงเวลา 13.00 น. – 15.00 น. 3 แบบ คื อ แบบใช้ แสงอาทิ ตย์ อย่ างเดี ยว แบบทํ างานร่ วมกั น อัตโนมัติ และแบบใช้ฮีตเตอร์ไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว พบว่าอุณหภูมิ น้ําที่ได้จากระบบทําความร้อน และน้ําในถังเก็บน้ําร้อนมีค่าเฉลี่ย เป็น 68.2oC กับ 48.1oC, 70.3oC กับ 66.6oC และ 22.8oC กับ o Figure 9 Accumulative heat gain and Solar power under 67.5 ตามลําดับ โดยที่การทํางานแบบทํางานร่วมกันอัตโนมัติ และ แบบใช้ฮีตเตอร์ไฟฟ้าเพียงอย่างเดียวใช้พลังงานไฟฟ้า 2,160 kJ difference Time in Hybrid system. และ 2,520 kJ ในเวลา 2 ชั่วโมงตามลําดับ 5 กิตติกรรมประกาศ งานวิจัยนี้สําเร็จลงโดยได้รับความร่วมมือจากหลายหน่วยงาน ขอบพระคุณสาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกลและสาขาวิชาวิศวกรรม เกษตรและอาหาร สํ า นั ก วิ ช าวิ ศ วกรรมศาสตร์ มหาวิ ท ยาลั ย เทคโนโลยีสุรนารี ที่ให้การสนับสนุนและอํานวยความสะดวกในการ ทําวิจัยในครั้งนี้ Figure 10 Heat gain and Solar power under difference Time in Hybrid system. Table 2 Comparative of Temperature and Accimulative heat gain for testing. solution Use electric heater 1000 W Use Solar trough collector system Hybrid system
T1,avg (8C)
T2,avg (8C)
22.85
67.46
68.15
48.08
70.31
66.62
Qaccum (kJ) Electric Solar heater collector 1,689.23 -
11,536.80
1,758.46 1,153.68
4 สรุป การพั ฒนาระบบผลิตน้ําร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ร่วมกับฮี ต เตอร์แบบอัตโนมัติ ระบบประกอบด้วยถังเก็บน้ําร้อนหุ้มฉนวนที่ ควบคุมระดับน้ําด้วยวาล์วลูกลอย แผงรับรังสีความร้อนจากดวง อาทิตย์แบบรางพาราโบล่า ฮีตเตอร์ไฟฟ้าขนาด 1,000 W ในถังน้ํา ปั๊มน้ําและตัวควบคุมอุณหภูมิน้ํา ระบบจะทํางานโดยตัวควบคุมจะ ตรวจสอบพลังงานของแผงรับแสงอาทิตย์ว่าเพียงพอต่อการผลิตน้ํา
6 เอกสารอ้างอิง Fernández-García, A., et al. "Parabolic-trough solar collectors and their applications." Renewable and Sustainable Energy Reviews 14.7 (2010): 1695-1721. Hsieh, Jui Sheng.1993. Engineering thermodynamics. Prentice Hall. Incropera, Frank P. 2013. Foundations of heat transfer. Wiley หริรักษ์ ควรประดิษฐ์. 2556. การพัฒนาเครื่องอบแห้งพลังงาน รังสีอาทิตย์แบบจานรวมรังสีในกระบวนการอบแห้งผลิตภัณฑ์ ทางการเกษตร. ปริญญานิพนธ์ กศ.ม. (อุตสาหกรรมศึกษา). กรุงเทพมหานคร: บัณฑิตวิทยาลัย, มหาวิทยาลัยศรีนครินทร วิโรฒ.
276
TEI-04
การพัฒนาอุปกรณ์ตรวจวัดดัชนีพชื พรรณสําหรับการประเมินความอุดมสมบูรณ์ของพืช ธนพัต สุขเจริญ1, วันรัฐ อับดุลลากาซิม1* 1
ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร คณะวิศวกรรมศาสตร์ กําแพงแสน มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ จ.นครปฐม 73140 ผู้เขียนติดต่อ: วันรัฐ อับดุลลากาซิม E-mail: fengwra@ku.ac.th
บทคัดย่อ ความสมบูรณ์ของพืชนิยมประเมินจากดัชนีพืชพรรณซึ่งอาศัยหลักการตรวจวัดความแตกต่างการสะท้อนแสงในช่วงคลื่น ต่างๆ งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาอุปกรณ์ตรวจวัดดัชนี normalized difference vegetation index (NDVI) แบบกล้องเดี่ยว ซึ่งอาศัยค่าการสะท้อนแสงในช่วงคลื่นอินฟราเรดย่านใกล้ (NIR) และคลื่นสีน้ําเงิน (Blue) จึงทําการปรับแต่งกล้องถ่ายภาพดิจิตอลโดย เปลี่ยนฟิลเตอร์หน้าช่องรับแสงเป็นฟิลเตอร์แบบ dual-band ซึ่งมีคุณสมบัติยอมให้เฉพาะคลื่น NIR ที่ความยาวคลื่น 740 nm และ แสงสีน้ําเงินที่ความยาวคลื่น 440 nm ผ่านได้ โดยในการวิเคราะห์ภาพใช้วิธีคํานวณสองแบบ คือจากค่าเฉลี่ยฮิสโตแกรม (NDVIH) และค่าเฉลี่ยรวมพิกเซล (NDVIP) ในการศึกษาได้เปรียบเทียบกับการใช้ดัชนี Excess Green ที่อาศัยผลต่างของการสะท้อนคลื่นสีแดง (R) สีเขียว (G) และสีน้ําเงิน (B) ซึ่งตรวจวัดได้ด้วยกล้องดิจิตอลปกติแล้วนํามาคํานวณแบบไม่ normalize (ExG) กับแบบ normalize (ExGn) การทดลองทําโดยตรวจวัดการเจริญเติบโตของอ้อยในพื้นที่ปลูกขณะอายุ 3 เดือน เปรียบเทียบกับค่า NDVI จริงที่ได้จาก เครื่องวัดมาตรฐาน (Greenseeker) ผลการทดลองพบว่าค่า NDVI จริงผันแปรอยู่ระหว่าง 0.14–0.69 ในขณะที่ NDVIH ให้ค่าระหว่าง –0.045–0.025 และ NDVIP มีค่าระหว่าง –0.054–0.017 คลาดเคลื่อนจากค่าจริงที่ RMSE เท่ากับ 0.0899 และ 0.0987 ตามลําดับ แต่ทั้งสองพารามิเตอร์มีแนวโน้มสัมพันธ์กับค่า NDVI จริงที่ R2=0.6211 และ 0.5435 ตามลําดับ ส่วนค่า ExG และ ExGn มีแนวโน้ม สัมพันธ์กับค่า NDVI จริงที่ R2=0.6749 และ 0.6779 ตามลําดับ แสดงให้เห็นว่าหลักการตรวจวัดในการศึกษานี้สามารถจับความ แตกต่างของการเจริญเติบโตของอ้อยได้ระดับหนึ่ง อย่างไรก็ตามยังมีความคลาดเคลื่อนที่ทําให้แปลผลผิดพลาดซึ่งต้องปรับแก้ต่อไป คําสําคัญ: การตรวจวัดพืช, ดัชนีพืชพรรณ, อ้อย
Development of a Vegetation Index Monitoring Device for the Assessment of Plant Health Tanapat Sookchalearn1, Wanrat Abdullakasim1* 1
Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering at Kamphaeng Saen, Kasetsart University, Nakhon Pathom 73140 Thailand Corresponding author: Wanrat Abdullakasim. E-mail: fengwra@ku.ac.th
Abstract The plant health is typically quantified by vegetation indices which rely on the measurement of spectral reflectance at different wavelengths. The objective of this study was to develop a single camera for measuring the normalized difference vegetation index (NDVI) which requires reflectance of near-infrared (NIR) and blue (Blue) in the calculation. The device consists of a digital camera replaced with a dual-band filter which allows the transmittance of NIR (740 nm) and Blue (440 nm). Two image analysis methods, i.e. using the average from histogram (NDVIH) and from entire pixels (NDVIP) have been compared. The Excess Green Index (ExG) and its normalized variant (ExGn) obtained from another digital camera were determined in the study. Measurement of vegetation indices has been carried out in a sugarcane field at 3 months after planting. The observed values were compared with actual NDVI measured by a commercial handheld crop sensor (Greenseeker). The results showed the actual NDVI ranged from 0.14–0.69, while NDVIH varied from –0.045–0.025 and NDVIP varied from – 0.054–0.017, giving an RMSE of 0.0899 and 0.0987 respectively. However, both parameters tended to correlate with actual NDVI at R2 of 0.6211 and 0.5435 respectively. The ExG and ExGn correlate with actual NDVI at R2 of 0.6749 and 0.6779 rexpectively. Crop measurents in this study indicated a possibility to distinguish growth status. However, remarkable errors existed and hence further corrections are required. Keywords: Crop monitoring, Vegetation index, Sugarcane
277
1 บทนํา ประเทศไทยมีการผลิตพืชไร่เศรษฐกิจที่สําคัญหลายชนิด เช่น ข้าว อ้อย มันสําปะหลัง ข้าวโพด ทั้งผลิตเพื่อเป็นอาหาร พลังงาน หรือแปรรูปเป็นวัตถุดิบเพื่อสนับสนุนอุตสาหกรรมต่อเนื่องต่างๆ ทั้งภายในและส่งออกไปยังต่างประเทศ การผลิตพืชเศรษฐกิจใน อนาคตมี แนวโน้ มที่ จะพั ฒนารู ปแบบไปอยู่ ในลั กษณะของการ เพาะปลูกบนพื้นที่ขนาดใหญ่ มีความเป็นอุตสาหกรรมมากขึ้น และ มีความต้องการที่มุ่งเน้นไปในด้านเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตและ การบริหารจัดการ รวมถึงความต้องการทํานายคาดการณ์อนาคต เช่น การพยากรณ์ปริมาณผลผลิต เป็นต้น แนวคิดของการเกษตร แม่นยํา (Precision agriculture) จึงเข้ามามีบทบาทสําคัญต่อ การเกษตรของประเทศไทยในอนาคต เนื่องจากการเกษตรแม่นยํา จะเน้นการปฏิบัติต่อดินและพืชอย่างถูกต้องตรงจุด ทั้งตําแหน่งใน แปลงเพาะปลูก เวลา และวิธีการ ซึ่งหมายถึงผู้ปฏิบัติจะต้องทราบ ข้อมูลลักษณะความผันแปรของพื้นที่และการเจริญเติบโตของพืช อย่ า งเพี ย งพอ จึ ง จะสามารถวางแผนจั ด การได้ อ ย่ า งถู ก ต้ อ ง เทคโนโลยีการตรวจวัดดินและพืชจึงเป็นองค์ประกอบสําคัญของ การเกษตรแม่นยําเพื่อที่ให้ได้มาซึ่งข้อมูลเกี่ยวกับความผันแปรของ พื้นที่นั้น ในด้านการตรวจวัดพืช มีการค้นคว้าวิจัยเพื่อที่จะประเมินการ เจริญเติบโตของพืชด้วยวิธีการต่างๆ เทคโนโลยีหนึ่งที่มีการศึกษา และนํ ามาประยุ กต์ ใช้ อย่ างกว้ างขวางคื อการตรวจวั ดระยะไกล (Remote sensing) ซึ่งอาศัยดัชนีพืชพรรณ (Vegetation index) ที่คํานวณจากระดับการสะท้อนสเปกตรัมในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ เป็นค่าบ่งชี้ระดับความอุดมสมบูรณ์ของพืช มีดัชนีพืชพรรณหลาย ตัวที่ถูกคิดค้นขึ้นและนํามาประยุกต์ใช้เพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆ กัน เช่ น การตรวจวั ดการเจริ ญเติ บโตของพื ชชนิ ดใดชนิ ดหนึ่ ง การ ตรวจจับสภาวะเครียดของพืชจากปัจจัยใดปัจจัยหนึ่ง การประเมิน ความหนาแน่นของต้นพืชหรือวัชพืช การจําแนกชนิดของพืชที่ปลูก ในพื้นที่หนึ่งๆ หรือการจําแนกลักษณะการใช้พื้นที่ เป็นต้น Bannari และคณะ (1995) ได้ทําการประมวลดัชนีพืชพรรณที่ ถูกคิดค้นขึ้นระหว่างปี 1972–1994 จํานวน 35 ตัว โดยจําแนกเป็น First generation indices จํานวน 25 ตัว และ Second generation indices จํานวน 10 ตัว พบว่าโดยทั่วไปการใช้ดัชนีพืช พรรณสามารถบ่ งบอกความสมบู รณ์ ของพื ชได้ ดี กว่ า การใช้ ค่ า สะท้อนสเปกตรัมเพียงความยาวคลื่นเดียว อย่างไรก็ตามการแปล ผลค่าดัชนี พืชพรรณแต่ละตัวนั้นจะต้องแปลผลเป็นการจําเพาะ สําหรับแต่ละกรณี ไม่สามารถกําหนดค่าที่เป็นมาตรฐานที่ให้จะผล ถูกต้องกับทุกกรณีได้ เนื่องจากมีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่อค่าดัชนีพืช พรรณที่ จ ะคํ า นวณได้ เช่ น สภาพบรรยากาศ การสอบเที ย บ เซ็ น เซอร์ ทั ศ นวิ สั ย ของเซ็ น เซอร์ มุ ม กระทบของแสงอาทิ ต ย์
ความชื้น สี และความสว่างของดิน เป็นต้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน พื้นที่ที่มีพืชหลายชนิดและวัตถุแวดล้อมหลากหลายปะปนกันใน พิกเซลของภาพจะเพิ่มความซับซ้อนในการแปลผล โดยจากการวิจัย แสดงให้เห็นว่าการใช้ดัชนีในกลุ่ม Second generation indices จะช่ วยลดอิ ทธิพลของปั จจั ยรบกวนดังกล่ าวได้ ดีกว่ า Daughtry และคณะ (2000) พยายามประเมินระดับคลอโรฟิลล์ในข้าวโพดจาก ค่าการสะท้อนสเปกตรัม พบว่าดัชนี Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index (MCARI) และ NIR/Green เป็นค่าชี้วัดปริมาณคลอโรฟิลล์ที่ดี แต่อาจได้ได้รับอิทธิพลจากการ สะท้อนของดิน ในขณะที่ดัชนี Optimized Soil-Adjusted Vegetation Index (OSAVI) และ NIR/Red สามารถลดอิทธิพลจาก การสะท้ อ นของดิ น ได้ จึ ง ใช้ ดั ช นี ทั้ ง สองกลุ่ ม ร่ ว มกั น ทํ า นาย คลอโรฟิลล์ทําให้ได้ผลลัพธ์ถูกต้องมากขึ้น Hunt และคณะ (2006) ใช้ดัชนี Normalized Green–Red Difference Index (NGRDI) ที่ ได้จากภาพถ่ายทางอากาศในการประเมินน้ําหนักแห้งและปริมาณ ไนโตรเจนในถั่วเหลือง อัลฟัลฟ่า และข้าวโพด พบว่าพืชทั้งสาม ชนิดมีค่า NGRDI เพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามน้ําหนักแห้งในช่วง 0– 120 g m-2 แต่สําหรับถั่วเหลืองและข้าวโพดเมื่อน้ําหนักแห้งสูงกว่า 150 g m-2 พบว่าค่า NGRDI ไม่เพิ่มขึ้นแต่กลับคงที่ นอกจากนั้น พบว่าค่า NGRDI ไม่สัมพันธ์กับปริมาณไนโตรเจนในข้าวโพด สรุป ได้ว่าดัชนี NGRDI สัมพันธ์กับน้ําหนักแห้งของพืชในช่วงก่อนที่ทรง พุ่มจะเจริญเติบโตเต็มที่ หลังจากนั้นไม่สามารถใช้ประเมินปริมาณ คลอโรฟิลล์ได้ ในขณะที่ Meyer และ Camargo Neto (2008) ทําการศึกษาเปรียบเทียบดัชนี Excess Green – Excess Red (ExG – ExR) กับดัชนี ExG และ Normalized Difference Index (NDI) ร่วมกับ Otsu thresholding method ในการประเมินความ หนาแน่นของพืชที่ปลูก โดยตัดแยกภาพพืชออกจากพื้นหลังที่เป็น วัชพืช เศษตอซัง และดิน พบว่าดัชนี ExG – ExR และ ExG มี คุณภาพใกล้เคียงกันในกรณีของแปลงถั่วเหลืองที่มีพื้นหลังเป็นดิน ว่างเปล่า แต่ดัชนี ExG – ExR จะให้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดโดยเฉพาะ อย่างยิ่งในสภาพที่แปลงถูกปกคลุมด้วยเศษตอซังของฟางข้าวสาลี ในจํ านวนดั ชนี พืชพรรณที่ มี หลากหลาย ดั ชนี Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) ซึ่งถูกคิดค้นครั้งแรกโดย Rouse และคณะ (1974) ได้ถูกนํามาประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางใน การตรวจวัดความสมบูรณ์ของพืชทั้งในพื้นที่ระดับใหญ่และในระดับ แปลงเพาะปลูก ตัวอย่างเช่นในการสํารวจทางภูมิศาสตร์สารสนเทศ Julien และคณะ (2011) ใช้ดัชนี NDVI ในการติดตามการ เปลี่ ย นแปลงของความอุ ด มสมบู ร ณ์ ข องพื ช ที่ ป กคลุ ม เหนื อ คาบสมุทรไอบีเรียในช่วงปี 1981–2001 ในขณะที่ Kitchen และ คณะ (2010) ใช้ค่า NDVI ในการประเมินระดับไนโตรเจนใน ข้าวโพดเพื่อการจัดการธาตุอาหาร Jansen และคณะ (2014) ยังใช้
278
ดัชนี Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), ร่วมกับ Leaf Water Index (LWI) และ Cercospora Leaf Spot Index (CLSI) ช่วยในการประเมินระดับความรุนแรงของโรค Cercospora ในหัวผักกาดหวานที่อยู่ระหว่างการทดลองปรับปรุง พั นธุ์ ซึ่ งพบว่ าให้ ผลสอดคล้ องกั บการประเมิ นด้ วยผู้ เชี่ ยวชาญ เทคนิคดังกล่าวจึงทําให้สามารถประเมินความรุนแรงของโรคได้ รวดเร็วยิ่งขึ้น สําหรับการผลิตอ้อย Gunnula และคณะ (2011) ศึกษาพบ ความสัมพันธ์ระหว่างลักษณะการผันแปรของค่า NDVI ของอ้อย กับปริมาณน้ําฝนในพื้นที่ภาคตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศ ไทย ส่วน Lofton และคณะ (2012) ใช้ดัชนี NDVI ประเมิน ศักยภาพปริมาณผลผลิตอ้อย โดย Begue และคณะ (2010) พบว่าช่วงเวลาที่เหมาะสมในการทํานายปริมาณผลผลิตอ้อยด้วย ค่า NDVI จากภาพถ่ายดาวเทียมคือระยะเวลาสองเดือนก่อนเริ่ม การเก็บเกี่ยว ซึ่งสอดคล้องกับ Mutanga และคณะ (2013) งานวิจัยเกี่ยวกับการประยุกต์เทคนิคการตรวจวัดระยะไกลในการ เพาะปลู ก อ้ อยส่ ว นหนึ่ ง ได้ ถู ก รวบรวมไว้ โ ดย Abdel-Rahman และ Ahmed (2008) การหาค่าดัชนีพืชพรรณต้องการเครื่องมือตรวจวัดสเปกตรัมซึ่ง ปัจจุบันในต่างประเทศมีผู้ผลิตเซ็นเซอร์ในเชิงพาณิชย์หลายราย ซึ่ ง อุ ป กรณ์ ดั ง กล่ า วยั ง คงมี ร าคาค่ อ นข้ า งสู ง งานวิ จั ย นี้ มี วัตถุประสงค์เพื่อศึกษาความเป็นไปได้ที่จะพัฒนาอุปกรณ์ตรวจวัด ดัชนีพืชพรรณจากอุปกรณ์ที่สามารถหาได้ในประเทศและมีต้นทุน การผลิตต่ํากว่า โดยเปรียบเทียบค่าดัชนีที่ได้กับเครื่องวัดมาตรฐาน
คลื่น VIS ผ่านได้เท่านั้น มาเป็นฟิลเตอร์กรองแสงแบบ dualband (R2007, Rosco, USA.) ที่ยอมให้เฉพาะคลื่นแสงสีน้ําเงิน (440 nm) และคลื่นอินฟราเรดย่านใกล้ NIR (740 nm) ผ่านได้ โดยเปอร์เซ็นต์การส่งผ่านคลื่นทั้ งสองช่วงคลื่นสูงสุดเท่ ากั บ 53 และ 67% ตามลําดับ Figure 1(a) แสดงสมบัติเชิงแสงของฟิลเตอร์ R2007 อ้างอิงข้อมูลจากผู้ผลิต และ Figure 1(b) การสะท้อน สเปกตรัมจริงเมื่อทดสอบด้วยเครื่อง VIS-NIR spectrometer (USB2000, Ocean Optics) สําหรับดัชนี ExG จะอาศัยการ สะท้อนคลื่นในช่วง VIS กล่าวคือสเปกตรัมของสีแดง (R) เขียว (G) และน้ําเงิน (B) เท่านั้น โดยในการทดลองตรวจวัดค่า ExG ใช้กล้อง ถ่ายภาพดิจิตอลธรรมดาอีกตัวหนึ่ง (PowerShot A490, Canon)
2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 ดัชนีพืชพรรณและการพัฒนาอุปกรณ์ตรวจวัด การวิจัยนี้ได้ศึกษาดัชนีพืชพรรณ 2 ดัชนี คือ normalized difference vegetation index (NDVI) และดัชนี Excess Green Index (ExG) ในการคํานวณดัชนี NDVI นั้นจะอาศัยค่าการสะท้อน คลื่นในช่วง visible (VIS) และ near-infrared (NIR) โดยตามปกติ สําหรับช่วงคลื่น VIS จะได้สเปกตรัมสีแดง (Red) ที่ความยาวคลื่น ในช่วง 650–700 nm ซึ่งต้องติดตั้งกล้อง 2 ตัว (Dual camera system) เพื่อรับการสะท้อนค่า Red ตัวหนึ่งและ NIR อีกตัวหนึ่ง เนื่องจากในการวิเคราะห์ภาพทั้ง Red และ NIR จะอยู่ใน band เดียวกัน แต่ในการศึกษานี้ต้องการใช้กล้องเพียงตัวเดียว สําหรับ คลื่น VIS จึงใช้สเปกตรัมในช่วงสีน้ําเงิน (Blue) ที่ความยาวคลื่น 440 nm แทน การพัฒนาอุปกรณ์วัดดัชนี NDVI ทําโดยนํากล้อง ถ่ายภาพดิจิตอล (Lumix DMC-FS6, Panasonic) มาปรับแต่งโดย เปลี่ยนฟิลเตอร์บริเวณด้านหน้าช่องรับแสงจากฟิลเตอร์ชิ้นเดิมซึ่ง จะกรองคลื่น NIR ออกแล้วยอมให้คลื่นแสงเฉพาะช่วงความยาว
Figure 1 Spectral characteristics of Rosco R2007 dualband filter: (a) provided by the manufacturer, and (b) tested using VIS-NIR spectrometer. 2.2 การทดลองวัดดัชนีพืชพรรณในพื้นที่ปลูกอ้อย การศึกษาได้ทําการทดลองในพื้นที่ปลูกอ้อย ต.พระแท่น อ.ท่ามะกา จ.กาญจนบุรี (Lat 14o 0105.3N Long 99o 4802.9E) ซึ่งปลูกอ้อยพันธุ์ K84-200 ขณะอายุ 3 เดือนหลัง ปลู ก ทํ าการกํ าหนดขอบเขตของการบั นทึ กภาพโดยวางกรอบ สี่เหลี่ยมสีขาวขนาด 58x75 cm บนแปลง จากนั้นบันทึกภาพด้วย กล้องทั้งสองตัวที่ระยะความสูงจากพื้นดิน 1.0 m ซึ่งจะครอบคลุม พื้ น ที่ ข องกรอบที่ กํ า หนดพอดี จากนั้ น ใช้ เ ครื่ อ งวั ดดั ช นี NDVI มาตรฐาน handheld crop sensor (Greenseeker, Trimble, USA) ทําการวัดค่าจริง ณ ตําแหน่งเดียวกัน ในการทดลองได้ เปลี่ยนตําแหน่งที่ตรวจวัดให้ได้ค่า NDVI ที่แตกต่างกันรวมทั้งหมด 50 ตําแหน่ง (Figure 2)
279
Figure 2 NDVI measurements in sugarcane field using a Greenseeker crop sensor. 2.3 การวิเคราะห์ภาพ การวิ เ คราะห์ ภ าพทํ า โดยการโปรแกรมด้ ว ย Image Processing ToolboxTM สําหรับ MATLAB ในการคํานวณดัชนี NDVI ได้ทดลองคํานวณโดยใช้ค่า NIR และ Blue ที่อ่านได้จากสอง วิธีคือ อ่านจากค่าเฉลี่ยฮิสโตแกรม และคิดจากค่าเฉลี่ยของพิกเซล ทั้งหมด ดังสมการที่ (1) และ (2) ตามลําดับ NIRH BlueH (1) NDVI H NIRH BlueH
NDVI P
NIRP BlueP NIRP BlueP
r g b
R* R* G * B* G* R* G * B* B* R* G * B*
และ R*
R G B , G* , B* Rm Gm Bm
n
i1
โดยที่ NDVIObserved คือค่าดัชนี NDVI ที่ได้จากกล้อง Lumix DMC-FS6 และ NDVIActual คือค่าดัชนี NDVI ที่ได้จากเครื่องวัด Greenseeker 3 ผลและวิจารณ์ ผลการวัดดัชนี NDVI และ excess green ในแปลงอ้อยพบว่ามี การกระจายของข้อมูลและค่าเฉลี่ยสรุปได้ดัง Table 1 Table 1 Results of vegetation indices measurement.
(2)
โดยที่ NIRH และ BlueH คือค่าการสะท้อนคลื่น NIR และคลื่นสีน้ํา เงินที่ได้จากค่าเฉลี่ยฮิสโตแกรมตามลําดับ และ NIRP และ BlueP คือค่าการสะท้อนคลื่น NIR และคลื่นสีน้ําเงินที่ได้จากค่าเฉลี่ยของ พิกเซลตามลําดับ สําหรับดัชนี ExG คํานวณได้จากการอ่านค่าสีแดง (R) สีเขียว (G) และสีน้ําเงิน (B) จากแต่ละพิกเซลในภาพ นํามาหาค่าเฉลี่ย แล้วทดลองคํานวณด้วยวิธีการ 2 วิธี ตามสมการที่ (3) และ (4) (3) ExG 2G R B ExGn 2 g r b (4) โดยที่
เมื่อ Rm, Gm และ Bm คือค่าสูงสุดของสีแดง เขียว และน้ําเงิน ตามลําดับ ซึ่งตามสเกลในระบบ RGB มีค่าเท่ากับ 255 การประเมิ นความถู กต้ องของค่ าที่ ตรวจวั ดจะประเมิ นจาก สัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ของสมการถดถอยเชิงเส้น (Coefficient of determination, R2) และค่ารากที่สองของความคลาดเคลื่อนกําลัง สองเฉลี่ย (Root mean square error. RMSE) ซึ่งคํานวณได้จาก สมการที่ (5) n 1 (5) RMSE (NDVIObserved NDVIActual )2
Index NDVIActual NDVIH NDVIP ExG ExGn
Range 0.140 – 0.690 –0.045 – 0.025 –0.054 – 0.017 0.0396 – 0.2226 0.0404 – 0.2388
MeanSD 0.392 0.148 –0.012 0.016 –0.019 0.017 0.0970 0.043 0.1093 0.050
โดยปกติค่า NDVI จะผันแปรได้ระหว่าง –1 ถึง +1 โดยค่าติด ลบมักจะเป็นค่าสะท้อนของน้ําหรือหิมะ ส่วนพื้นดินค่าอาจจะผัน แปรอยู่ระหว่าง –0.1 ถึง +0.1 กล่าวคือมีค่าเข้าใกล้ 0 และบริเวณ ที่มีพืชสีเขียวปกคลุมจะมีค่าดัชนีเป็นบวก โดยที่ค่า NDVI จะสูงขึ้น ตามความหนาแน่ นและความสมบู รณ์ ของพื ช เมื่ อพิ จารณาค่ า NDVIH และ NDVIP แสดงให้เห็นว่าค่าที่ได้จากอุปกรณ์ที่สร้างขึ้น (Lumix DMC-FS6 ร่วมกับ R2007 filter) ยังมีความคลาดเคลื่อน อยู่มากเมื่อเปรียบเทียบกับค่าจริง ดังนั้นถ้านําค่า NDVI ไปแปลผล จะได้ ว่าพื้ นที่ที่ทําการตรวจวัดเป็นพื้ นดินเป็นส่ วนใหญ่ทั้งที่บาง พื้นที่มีต้นอ้อยปกคลุม อย่างไรก็ตามเมื่อสร้างกราฟความสัมพันธ์ พบว่ า ระหว่ า งค่ า NDVIH และ NDVIP กั บ ค่ า NDVIActual ความสัมพันธ์มีแนวโน้มเป็นเส้นตรง แสดงว่าค่าทั้งสองมีแนวโน้มไป ในทางเดียวกับค่าจริง กล่าวคืออุปกรณ์ที่สร้างขึ้นสามารถตรวจจับ ความแตกต่างของระดับความหนาแน่นหรือความสมบูรณ์ในบริเวณ พื้นที่ได้จากการใช้ข้อมูลการสะท้อนของ NIR และ Blue โดย ความสัมพันธ์ของ NDVIH มีค่า R2=0.6211 และ RMSE=0.0899 (Figure 3a) สูงกว่าของ NDVIP ซึ่งมีค่า R2=0.5435 และ
280
RMSE=0.0987 (Figure 3b) แสดงว่าการคํานวณจากฮิสโตแกรมให้ ผลลัพธ์ที่ถูกต้องกว่าการหาค่าเฉลี่ยจากพิกเซล ความคลาดเคลื่อนของค่า NDVI ที่ได้จากอุปกรณ์ตรวจวัดอาจ เป็นผลมาจากสาเหตุหลายประการ ปกติในการคํานวณดัชนี NDVI ในส่วนของคลื่น VIS จะใช้สเปกตรัมสีแดงซึ่งมีการศึกษาวิจัยพบว่า การใช้สเปกตรัมสีแดงจะให้ความแตกต่าง (contrast) ของสีที่ ชัดเจนกว่าการใช้สีน้ําเงิน เนื่องจากสีน้ําเงินไม่ได้ถูกดูดกลืนโดย คลอโรฟิลล์เพียงอย่างเดียว แต่ถูกดูดกลืนโดย anthocyanins ด้วย (Gitelson และคณะ, 2001; Merzlyak และคณะ, 2003; Merzlyak และคณะ, 2008) นอกจากนั้นการกระเจิงแสงสีน้ําเงินใน ชั้นบรรยากาศยังอาจมีผลรบกวนในการตรวจวัดด้วย สาเหตุอีก ประการหนึ่งคือฟิลเตอร์ Rosco R2007 ที่นํามาใช้ในครั้งนี้เมื่อ นํ ามาทดสอบการส่งผ่ านสเปกตรั มดั งที่ แสดงใน Figure 1 สังเกตเห็นว่าฟิลเตอร์ยังไม่สามารถกรองคลื่นในช่วงความยาวคลื่น อื่นที่ไม่ต้องการได้อย่างสมบูรณ์ โดยเฉพาะในย่ านสี น้ําเงิน และ เปอร์เซ็นต์การส่งผ่านทั้งย่าน Blue และNIR อยู่ที่ 53 และ 67% ตามลําดับ ซึ่งยังค่อนข้างต่ํา ปัจจัยดังกล่าวข้างต้นจึงอาจส่งผลต่อ contrast ของสเปกตรัมเมื่อนํามาคํานวณดัชนี NDVI จึงยังไม่ สามารถจําแนกความแตกต่างของการเจริญเติบโตของอ้อยได้อย่าง ชัดเจน อย่างไรก็ตามถ้าต้องการใช้สีแดงแทนสีน้ําเงิน จะต้องใช้ เซ็นเซอร์รับภาพ NIR และ Red แยกจากกัน (dual camera system) นอกจากนั้นช่วงการเจริญเติบโตของพืชยังอาจมีผลต่อค่า NDVI ที่ได้จากการตรวจวัดด้วย Gitelson และคณะ (1996) พบว่าดัชนี NDVI ที่ ใช้ คลื่ นสี แดงจะใช้ ได้ ดี กั บพื ชในขณะที่ มี ปริ มาณ chlorophyll-a ในระดับต่ํา (3–5 g cm–2) ซึ่งหมายถึงระยะแรก ของการเจริญเติบโต ในขณะที่สเปกตรัมสีเขียว (520–630 nm) จะ ตอบสนองต่อระดับ chlorophyll-a ในช่วง 0.3–45 g cm–2 ดังนั้นการใช้ดัชนีตัวอื่นเช่น Green NDVI จะให้การตอบสนองที่ ดีกว่าสําหรับระยะหลังของการเจริญเติบโตของพืชเมื่อทรงพุ่มปก คลุมพื้นดินเต็มที่แล้ว
Figure 3 Comparisons of NDVI values measured by Greenseeker crop sensor and by Lumix DMCFS6 camera as calculated based on: (a) histogram, and (b) averaged pixel values. ในส่วนของดัชนี excess green เมื่อวิเคราะห์ความสัมพันธ์เชิง เส้นกับค่า NDVI ที่แท้จริงจากเครื่องวัดมาตรฐาน พบว่าดัชนี ExG มีค่า R2=0.6749 (Figure 4a) ใกล้เคียงกับดัชนี ExGn ซึ่งมีค่า R2=0.6779 (Figure 4b) การวิเคราะห์ดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าดัชนี excess green ที่คํานวณด้วยวิธีการทั้งสองมีแนวโน้มไปในทาง เดียวกันกับค่า NDVI แต่ยังมีอิทธิพลจากปัจจัยอื่นร่วมด้วยเช่นกัน การปรับปรุงดัชนีตรวจวัด เช่น ExG–ExR อาจให้ผลลัพธ์ที่ดีข้ึน (Meyer และ Camargo Neto, 2008) ซึ่งต้องการศึกษาในครั้ง ต่อไป
281
Figure 4 Comparison of NDVI measured by Greenseeker crop sensor and (a) ExG, and (b) ExGn 4 สรุป การศึกษานี้ได้พัฒนาการอุปกรณ์ตรวจวัดดัชนีพืชพรรณแบบ กล้องเดี่ยวเพื่อวัดค่า Blue-NDVI และเปรียบเทียบกับการใช้ดัชนี Excess Green Index ผลการทดลองตรวจวัดการเจริญเติบโตของ อ้อยพบว่า อุปกรณ์ที่สร้างขึ้นให้แนวโน้มความสัมพันธ์กับค่า NDVI จริงอยู่ในระดับ 0.50 < R2 < 0.70 แสดงถึงความเป็นไปได้ที่จะ ตรวจจับความแตกต่างของการเจริญเติบโตของอ้อยด้วยเทคนิค ตรวจวัดดังกล่าว แต่อย่างไรก็ตามผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่ายังมี ความคลาดเคลื่ อนจากปัจจัยต่างๆ ซึ่ งต้ องศึ กษาวิ จัยในขั้นตอน ต่อไป 5 กิตติกรรมประกาศ งานวิ จั ยนี้ ได้ รั บทุ นอุ ดหนุ นจากสถาบันวิ จั ยและพั ฒนาแห่ ง มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ (KURDI) ซึ่งคณะผู้วิจัยขอขอบคุณมา ณ โอกาสนี้ 6 เอกสารอ้างอิง Abdel-Rahman E. M., Ahamed, F. B. 2008. The application of remote sensing techniques to sugarcane (Saccharum spp. hybrid) production: a review of the
literature. International Journal of Remote Sensing 29(13), 3753–3767. Bannari, A., Morin, D., Bonn, F. 1995. A review of vegetation indices. Remote Sensing Reviews 13, 95– 120. Begue, A., Lebourgeois, V., Bappel, E., Todoroff, P., Pellegrino, A., Baillarin, F., Siegmund, B. 2010. Spatiotemporal variability of sugarcane fields and recommendations for yield forecast using NDVI. International Journal of Remote Sensing 31, 5391– 5407. Daughtry, C. S. T., Walthall, C. L., Kim, M. S., Brown de Colstoun, E., McMurtrey III, J. E. 2000. Estimating corn leaf chlorophyll concentration from leaf and canopy reflectance. Remote Sensing of Environment 74, 229– 239. Gitelson, A. A., Kaufman, Y. J., Merzlyak, M. N. 1996. Use of a green channel in remote sensing of global vegetation from EOS-MODIS. Remote Sensing of Environment 58(3), 289–298. Gitelson, A. A., Merzlyak, M. N., Chivkunova, O. B. 2001. Optical properties and non-destructive estimation of anthocyanin content in plant leaves. Photochemistry and Photobiology 74, 38–45. Gunnula, W., Kosittrakun, M., Righetti, T. L., Weerathaworn, P., Prabpan, M. 2011. Normalized difference vegetation index relationships with rainfall patterns and yield in small plantings of rain-fed sugarcane. Australian Journal of Crop Science 5(13), 1845–1851. Hunt, E. R. JR., Cavigelli, M., Daughtry, C. S. T., McMurtrey III, J., Walthall C. L. 2005. Evaluation of digital photography from model aircraft for remote sensing of crop biomass and nitrogen status. Precision Agriculture 6, 359–378. Jansen, M., Bergsträsser, S., Schmittgen, S., Müller-Linow, M., Rascher, U. 2014. Non-invasive spectral phenotyping methods can improve and accelerate Cercospora disease scoring in sugar beet breeding. Agriculture 4, 147–158.
282
Julien, Y., Sobrino, J. A., Mattar, C., Ruescas, A. B., Jimenez-Munoz, J. C., Soria, G., Hidalgo, V., Atitar, M., Franch, B., Cuenca, J. 2011. Temporal analysis of normalized difference vegetation index (NDVI) and land surface temperature (LST) parameters to detect changes in the Iberian land cover between 1981 and 2001. International Journal of Remote Sensing 32(7), 2057–2068. Kitchen, N. R., Sudduth, K. A., Drummond, S. T., Scharf, P. C., Palm, H. L., Roberts, D. F., Vories, E. D. 2010. Ground-based canopy reflectance sensing for variable-rate nitrogen corn fertilization. Agronomy Journal 102(1), 71–84. Lofton, J., Tubana, B. S., Kanke, Y., Teboh, J., Viator, H., Dalen, M. 2012. Estimating sugarcane yield potential using an in-season determination of normalized difference vegetative index. Sensors 12, 7529–7547. Merzlyak, M. N., Solovchenko, A. E., Gitelson, A. A. 2003. Reflectance spectral features and non-destructive estimation of chlorophyll, carotenoid and anthocyanin content in apple fruit. Postharvest Biology and Technology 27, 197–211. Merzlyak, M. N., Chivkunova, O. B., Solovchenko, A. E., Naqvi, K. R. 2008. Light absorption by anthocyanins in juvenile, stressed, and senescing leaves. Journal of Experimental Botany 59(14), 3903–3911. Meyer, G. E., Camargo Neto, J. 2008. Verification of color vegetation indices for automated crop imaging applications. Computers and Electronics in Agriculture 63, 282–293. Mutanga, S., van Schoor, C., Olorunju, P. L., Gonah, T., Ramoelo, A. 2013. Determining the best optimum time for predicting sugarcane yield using hypertemporal satellite imagery. Advances in Remote Sensing 2, 269–275. Rouse, J. W., Haas, R. H., Scheel, J. A., Deering, D. W. 1974. Monitoring vegetation systems in the great plains with ERTS. Proceedings of the 3rd Earth Resource Technology Satellite (ERTS) Symposium, Vol. 1, pp. 48–62. 283
TEI-05
ต้นแบบเครื่องวัดความพรุนด้วยการลดลงของความดัน วรินทร์ คูหามณีโชติ1, ภวินท์ ธัญภัทรานนท์1*, วัชรพล ชยประเสริฐ1 1
ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร, คณะวิศวกรรมศาสตร์ กําแพงแสน, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตกําแพงแสน, นครปฐม, 73140 ผู้เขียนติดต่อ: ภวินท์ ธัญภัทรานนท์ E-mail: fengpwt@ku.ac.th
บทคัดย่อ ความพรุนสามารถถูกวัดโดยการทดสอบความดัน (pressurization test) 2 ครั้ง โดยในครั้งที่ 1 ภาชนะว่างเปล่าและใน ครั้งที่ 2 มีวัสดุทดสอบอยู่ภายใน เมื่อความดันอากาศภายในภาชนะถูกทําให้สูงขึ้นถึงค่าคงที่ค่าหนึ่ง แล้วอากาศถูกปล่อยให้รั่วไหลออก จากภาชนะ ความดันจะลดลงในลักษณะเป็นเส้นโค้งที่มีค่าลดลงแบบเอกซ์โพเนนเชียล (exponential decay) นอกจากนี้ ความดัน ภายในภาชนะว่างเปล่าจะลดลงด้วยอัตราที่ช้ากว่าความดันภายในภาชนะมีวัสดุ ปริมาตรช่องว่างอากาศภายในภาชนะที่มีวัสดุสามารถ ถูกคํานวณได้จากสัดส่วนของอัตราการลดลงของความดันที่แตกต่างกันนี้ ในงานวิจัยนี้ ต้นแบบเครื่องวัดความพรุนที่ใช้หลักการ ดังกล่าวเป็นพื้นฐานการทํางานถูกสร้างขึ้น ซึ่งประกอบด้วยระบบการทํางาน 2 ระบบ คือ ระบบจ่ายอากาศประกอบด้วย ภาชนะบรรจุ วัสดุทดสอบ, ปั๊มอัดอากาศ, วาล์วควบคุมทิศทางการไหล และวาล์วระบาย, และระบบควบคุมประกอบด้วย ไมโครคอนโทรเลอร์ และ รีเลย์ เครื่องดังกล่าวสามารถทําการทดสอบความดันและคํานวณค่าความพรุนได้โดยอัตโนมัติ เครื่องจะคํานวณค่าครึ่งชีวิตความดัน (pressure half-life หรือ PHL) จากเส้นโค้งการลดลงของความดัน ผู้วิจัยทดสอบการทํางานของเครื่องโดยทําการทดลองวัดความพรุน ของวัสดุรูปทรงเรขาคณิต 2 แบบ คือ วัสดุทรงกลมจํานวน 123,400, 9,435 และ 24 ชิ้น ซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.35 (0.01), 5.94 (0.01) และ 37.86 (0.19) mm, ตามลําดับ, และวัสดุทรงกระบอกจํานวน 17 ชิ้น ซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 21.91 (1.43) mm ยาว 134.02 (0.24) mm เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีวัดขนาดโดยตรง ค่าความพรุนของวัสดุทั้ง 4 ชนิดนี้ ที่วัดได้จาก เครื่องมีความคลาดเคลื่อนสัมบูรณ์เฉลี่ย 2.64%, 2.02% และ 3.72%, และ 2.45% ตามลําดับ ผลการวัดดังกล่าวแสดงให้เห็นว่า เครื่องวัดความพรุนที่ถูกสร้างขึ้นในงานวิจัยนี้ให้ความถูกต้องของการวัดในระดับที่น่าพอใจ คําสําคัญ: ความพรุน, เครื่องวัด, การทดสอบความดัน, ค่าครึ่งชีวิตความดัน
A prototype of a porosity measuring apparatus using the pressure decay principle Warin Koohamaneechote1, Pawin Thanpattranon1*, Watcharapol Chayaprasert1 1Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering at Kamphaengsaen, Kasetsart University – Kamphaengsaen Campus, Nakorn Phatom, 73140. Corresponding author: Pawin Thanpattranon. E-mail: fengpwt@ku.ac.th
Abstract Porosity can be measured by performing pressurization tests twice. In the first test, the sample chamber is empty, while it is filled with the sample material in the second one. When the air pressure inside the sample chamber is increased to a specified value and then released from the chamber, it decreases as an exponential decay curve. In addition, the pressure decay rate of the empty chamber is greater than that of the one filled with the sample. The air volume inside the chamber filled with the sample can be calculated from the ratio of pressure decay rates from the two pressurization tests. In this study, a prototype of a porosity measuring apparatus was developed based on the described principle. The prototype consisted of two primary working systems. The air supply system included a sample chamber, an air pump, a directional valve and a relief valve. The control system has a microcontroller and relays. The prototype could perform pressurization tests and calculate porosity automatically. It then calculated pressure half-life (PHL) values of pressure decay curves. Its accuracy was evaluated by measuring porosities of three sizes of spherical samples with diameters of 2.35 (0.01), 5.94 (0.01) and 37.86 (0.19) mm, respectively, and one size of cylindrical samples with a diameter of 21.91 (1.43) mm and a height of 134.02 (0.24) mm. The numbers of the sample pieces were 123,400, 9,435 284
and 24, and 17, respectively. When compared to direct dimensional measurements, the pressure decay method yielded average absolute errors of 2.64%, 2.02% and 3.72%, and 2.45%, for the small, medium and large spearical samples, and the cylindrical sample, respectively. This result showed that the porosity measuring apparatus developed in the present study provided satisfactorily accurate measurements. Keywords: porosity, measuring apparatus, pressurization test, pressure half-life
1 บทนํา ความพรุนรวม (total porosity) คือ สัดส่วนของปริมาตร ช่องว่าง (pore volume) ที่รวมถึงรอยแตก (crack), โพรงช่องว่าง (vugs), ช่องว่างระหว่างผลึกและภายในผลึก (inter- and intracrystalline spaces) ต่อ ปริมาตรรวมของวัสดุพรุน ความพรุนยัง ผล (effective porosity, ) หรือเรียกอีกอย่างว่า ความพรุน จลนศาสตร์ (kinematic porosity) ถูกนิยามว่าเป็นสัดส่วนของ บริเวณของปริมาตรช่องว่างที่ซึ่งน้ําสามารถแพร่เข้าไปได้ (pore space, Vp) กับปริมาตรรวม (bulk volume, Vb) ดังนั้น ความพรุน ยังผลจะมีค่าน้อยกว่าความพรุนรวม (Glover, 2001; Argonne Nationnal Laboratory, 2016) ความพรุนยังผล สามารถหาได้ จากสมการที่ 1
V1 V = 2 PHL1 PHL 2
(3)
หากโครงสร้ า งปิ ด เป็ น วั ส ดุ ที่ มี ป ริ ม าตรที่ ท ราบค่ า แน่ น อน ปริมาตรของวัสดุที่อยู่ภายในโครงสร้างปิดในการทดสอบ P-t test ครั้งที่ 2 (Vs) สามารถหาได้จากสมการที่ 4 PHL2 Vs = 1 V1 PHL1
(4)
และยังสามารถพิสูจน์ต่อไปได้ว่า ความพรุนยังผลคือ อัตราส่วนร้อย ละของค่า PHL ของการทดลองครั้งที่ 2 ต่อค่า PHL ของการ ทดลองครั้งที่ 1 PHL 2 (5) ε= ×100% PHL1
ในงานวิจัยนี้ ต้นแบบเครื่องวัดความพรุนที่ใช้หลักการดังกล่าว เป็นพื้นฐานการทํางานถูกสร้างขึ้น ผู้วิจัยทดสอบการทํางานของ Vb Chayaprasert et al. (2014) อธิบายการวัดปริมาตรและความ เครื่องโดยทําการทดลองวัดปริมาตรของวัสดุรูปทรงเรขาคณิตและ พรุนโดยใช้หลักการเปรียบเทียบอัตราการลดลงของความดันว่า เปรียบเทียบค่าปริมาตรที่ได้กับวิธีการวัดขนาดโดยตรง หลักการพื้นฐานของวิธีนี้คือ การทดสอบความดัน (pressurization 2 อุปกรณ์และวิธีการ test) แบบ pressure decay (P-t) test การทดสอบ P-t test ทําได้โดยอัดอากาศเข้าสู่ภายในโครงสร้างปิดจนกระทั่งถึงความดัน 2.1 อุปกรณ์ เครื่องวัดความพรุนประกอบด้วย 2 ระบบคือ ระบบจ่ายอากาศ เริ่มต้นค่าหนึ่งแล้วหยุดอัดอากาศ ในขณะที่อากาศจะรั่วออกตาม (air supply system) และระบบควบคุม (control system) รอยรั่วบนโครงสร้าง ความดันภายในโครงสร้างปิดจะเปลี่ยนแปลง ดังแสดงใน Figure 1 ระบบจ่ายอากาศประกอบด้วย ภาชนะบรรจุ ไปตามสมการที่ 2 วัสดุทดสอบ (sample chamber) เป็นขวดอลูมิเนียมทรงกระบอก p p t = ti (2) ปริมาตร 1,772 ml ภายนอกถูกหุ้มด้วยฉนวนฟอลย์กันความร้อน 2 PHL (foil-bubble insulation), ปั๊มอัดอากาศ (air-pump) (ACO-9905, โดยที่ pt คือ ความดันภายในโครงสร้างปิดที่เวลาใดๆ (Pa), pi คือ Guangdong Hailea Group Inc., Guangdong, China), เซ็นเซอร์ ความดันเริ่มต้น (Pa), t คือ เวลา (s) และ PHL คือ pressure half- วัดความดัน (pressure sensor) (PSE-550, SMC Co., Ltd., life หรือค่าครึ่งชีวิตความดัน (s) ซึ่งถูกนิยามเป็น ระยะเวลาที่ความ Tokyo, Japan), วาล์วควบคุมทิศทางการไหลขาเข้า (inlet ดันภายในโครงสร้ างปิดลดลงเหลือครึ่งหนึ่งของความดันเริ่มต้ น solenoid valve) (HVB112-6N-5, CKD Corp., Aichi, Japan), ทั้งนี้ PHL มีความสัมพันธ์แบบแปรผันตรงกับปริมาตรช่องว่าง วาล์วควบคุมทิศทางการไหลขาออก (outlet solenoid valve) ภายในโครงสร้างปิด เมื่อทําการทดสอบ P-t test จํานวน 2 ครั้ง (VX2332V, SMC Co., Ltd., Tokyo, Japan), วาล์วควบคุมอัตรา โดยให้ครั้งที่ 1 ไม่มีวัสดุอยู่ภายในโครงสร้างปิด (ปริมาตรช่องว่าง การไหล (relief valve) (AS 1200, SMC (Thailand) Ltd., อากาศภายในโครงสร้างปิด = V1) และครั้งที่ 2 มีวัสดุที่ต้องการวัด Pathum Thani, Thailand), ท่อลม PU (polyurethane) เส้นผ่าน ปริมาตรบรรจุอยู่ (ปริมาตรช่องว่างอากาศภายในโครงสร้างปิด ศูนย์กลางใน 4.76 mm (3/16” × 20M, อุตสาหกรรมท่อน้ําไทย = V2) จากสมการที่ 2 สามารถพิสูจน์ได้ว่า ปริมาตรที่ได้จากการ จํากัด, กรุงเทพมหานคร, ไทย) และข้อต่อ 3 ทาง (manufacturer ทดสอบ P-t test ทั้ง 2 ครั้ง จะมีความสัมพันธ์ดังสมการดังต่อไปนี้ unknown) โดยที่ อุ ป กรณ์ ทั้ ง หมดนี้ ถู ก บรรจุ อ ยู่ ใ นกล่ อ งโฟม ε=
Vp
×100%
(1)
285
(polystyrene insulator) ระบบควบคุมทําหน้าที่ควบคุมขั้นตอน การทํางานของเครื่องวัดความพรุน, ประมวลผล และบันทึกและ แสดงผลการวั ด ซึ่ ง ประกอบด้ ว ย ไมโครคอนโทรลเลอร์ (microcontroller) (Mega 2560, Arduino LLC, Ivrea, Italy), รีเลย์ (relay) (SRD-05VDC-SL-C, Ningbo Songle Relay Co., Ltd., Zhejiang, China) และแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า (power supply) 24 VDC (KV-U2, Keyence Corp., Osaka, Japan)
Figure 1 Porosity measuring apparatus. เครื่องวัดความพรุนสามารถทําการทดสอบ P-t test ได้โดย อั ตโนมั ติ ซึ่ งลํ าดั บขั้ นตอนการทดสอบแต่ ละครั้ งมี รายละเอี ยด ดังต่อไปนี้ 1. วาล์ วควบคุ มทิ ศทางการไหลขาเข้ าจะถู กเปิ ดและปั๊ มอั ด อากาศเข้าสู่ภาชนะบรรจุวัสดุทดสอบอย่างต่อเนื่อง 2. เครื่ องวั ดความพรุ นจะตรวจสอบความดั นภายในภาชนะ จนกระทั่งมีค่าสูงกว่าความดันเริ่มต้นที่กําหนดไว้ (เช่น 3,000 Pa) เมื่อความดันเกินค่าที่กําหนดไว้ วาล์วควบคุมทิศทางการไหลขาเข้า จะถูกปิดและปั๊มหยุดอัดอากาศ จากนั้น หน่วงเวลา 30 s 3. เมื่อสิ้นสุดการหน่วงเวลา วาล์วควบคุมทิศทางการไหลขา ออกจะถู กเปิ ด เพื่ อระบายอากาศออกจากภาชนะ ในขณะที่ อากาศถูกระบายออก ความดันภายในภาชนะจะถูกบันทึกทุกๆ 1 s 4. เมื่อความดันภายในภาชนะต่ํากว่า 500 Pa วาล์วควบคุมทิศ ทางการไหลขาออกจะถูกปิดและหยุดการบันทึกค่าความดัน 5. ค่าความดันที่บันทึกไว้จะถูกประมวลผลและแสดงค่า PHL ออกทางจอภาพ โปรแกรมของระบบควบคุมถูกเขียนด้วย LabVIEW (LabVIEW 2015, National Instument Co., Texas, USA) การหาความพรุน ของตัวอย่าง 1 ตัวอย่างจําเป็นต้องทําการทดสอบ P-t test อย่าง น้อย 2 ครั้ง โดยในการทดสอบครั้งที่ 1 ภาชนะไม่มีวัสดุทดสอบอยู่ ภายใน และในครั้งที่ 2 วัสดุทดสอบถูกบรรจุอยู่ในภาชนะจนเต็ม จากนั้น ความพรุนจะถูกคํานวณโดยใช้สมการที่ 5 แผนการทดลอง ผู้วิจัยทดลองเพื่อประเมินความถูกต้องของเครื่องวัดความพรุน โดยเปรียบเทียบค่าความพรุนที่ได้จากเครื่ องกับวิธีการวัดขนาด
โดยตรง (dimensional measurement) เงื่อนไขการทดลองถูก สรุปอยู่ใน Table 1 วัสดุทดสอบที่ใช้ในงานวิจัยนี้มีลักษณะเป็นทรง กลมตัน 3 ขนาดคือ เส้นผ่านศูนย์กลาง 2.35 (±0.01), 5.94 (±0.01) และ 37.86 (±0.19) mm จํานวน ~123,400, 9,435 และ 24 ชิ้ น ตามลํ า ดั บ และทรงกระบอกตั น ซึ่ ง มี ข นาดเส้ น ผ่ า น ศูนย์กลาง 21.91 (±1.43) mm ยาว 134.02 (±0.24) mm จํานวน 17 ชิ้น ขนาดของวัสดุทดสอบถูกวัดโดยใช้เวอร์เนีย (ความ ละเอียดของการวัด = 0.05 mm) (vernier caliper, Mitutoyo Corp., Kawasaki, Japan) และไมโครมิเตอร์ (ความละเอียดของ การวัด = 0.001 mm) (micrometer, Mitutoyo Corp., Kawasaki, Japan) PHLempty (PHL ของผลการทดสอบความดันกับ ภาชนะว่างเปล่า) ของแต่ละเงื่อนไขการทดลองสามารถปรับตั้งค่าได้ โดยปรั บตั้ งวาล์ วปรั บอั ตราการไหลจนกระทั้ งค่ า PHLempty อยู่ ในช่วง ±10 s ของค่าเงื่อนไขที่กําหนดไว้ ผู้วิจัยทําการทดลองกับ วัสดุทรงกลมขนาดเล็กที่ทุกความดันเริ่มต้นและทุก PHLempty จน เสร็จสมบูรณ์ จากนั้นจึงทําการทดลองกับวัสดุทรงกลมขนาดกลาง และใหญ่ และวัสดุทรงกระบอก ตามลําดับ Table 1 Experimental conditions for evaluating the accuracy of the porosity measuring apparatus. PHLempty ~60, ~120 and ~180 (s) Initial pressure Number of samples Sample (Pa) (pieces) S sphere ~123,400 M sphere 9,435 2,000 and 3,000 L sphere 24 Cylinder 17
ผู้ วิ จั ย ใช้ ค่ า เปอร์ เ ซ็ น ต์ ค วามคลาดเคลื่ อ นสมบู ร ณ์ (APE, Absolute Percentage Error) แสดงถึงความถูกต้องของผลการวัด ความพรุน ซึ่งสามารถคํานวณได้จากสมการที่ 6 (Makridakis et al., 1995; Hyndman et al., 2006) APE=
ε ref -ε mea ×100 ε ref
(6)
โดยที่ Ɛref และ Ɛmea คือ ความพรุนที่วัดได้จากวิธีการวัดขนาด โดยตรง และวัดได้จากเครื่องวัดควาพรุน (%) ตามลําดับ 3 ผลและวิจารณ์ Table 2 เปรียบเทียบผลการวัดความพรุนระหว่างเครื่องวัด ความพรุนและวิธีการวัดขนาดโดยตรง ความพรุนของวัสดุทดสอบ ต่างๆ มีค่าอยู่ระหว่าง 50-60% ที่เงื่อนไขการทดลองส่วนใหญ่ APE มีค่าไม่เกิน 5% มีเพียง 4 เงื่อนไขการทดลองที่ให้ค่า APE อยู่ ในช่วง 5-8% Leclaire et al. (2003) ได้พัฒนาอุปกรณ์วัดความ
286
พรุนของวัสดุ ซึ่งใช้หลักการพื้นฐานของ gas pycnometer และทํา การวัดความพรุนของวัสดุหลายประเภทเช่น น้ําตาลทราย, ทราย และเม็ดดิน เป็นต้น เมื่อเปรียบเทียบผลการวัดกับวิธีการแทนที่ด้วย น้ํา (water displacement) ผลการวั ดความพรุ นมีค่ าความ คลาดเคลื่อนทั้งหมดไม่เกิน ±5% Chantalak (2014) พัฒนา เครื่องวัดความพรุนที่ใช้หลักการเดียวกับการศึกษาครั้งนี้ ซึ่งเครื่อง ดังกล่าวให้ความคลาดเคลื่อนของผลการวัดไม่เกิน ±5% เมื่อ เปรียบเทียบกับวิธีการวัดขนาดโดยตรง อีกทั้ง เครื่องวัดความพรุน สามารถทําการทดสอบ P-t test แต่ละครั้งได้แบบอัตโนมัติ ซึ่งผู้ใช้งานไม่จําเป็นต้องมีความเข้าใจในหลักการทํางานมากนัก ดั งนั้ น ผลการทดสอบการทํ างานของเครื่ องวั ดความพรุ นที่ ถู ก พัฒนาจึงอยู่ในระดับที่น่าพอใจ ผู้วิจัยได้ทําการวิเคราะห์ความแปรปรวนทางเดียว (one-way ANOVA) เพื่อประเมินผลกระทบของปัจจัยชนิดของวัสดุทดสอบ, PHLempty และความดันเริ่มต้น (Table 3, 4 และ 5 ตามลําดับ)ค่า APE เฉลี่ยของวัสดุทรงกลมขนาดเล็ก, กลาง และใหญ่, และ
ทรงกระบอกคือ 2.64, 2.02, 3.72 และ 2.45% ตามลําดับ ซึ่งจาก ผลการวิเคราะห์ความแปรปรวน ค่า APE เฉลี่ยนี้ไม่แตกต่างกัน อย่างมีนัยสําคัญ (P > 0.05) ค่า APE เฉลี่ยของ PHLempty ที่ระดับ ~60, ~120 และ ~180 s คือ 4.06, 2.33 และ 1.73% ตามลําดับ ซึ่งจากผลการวิเคราะห์ความแปรปรวน ค่า APE เฉลี่ยนี้ไม่แตกต่าง กันอย่างมีนัยสําคัญ (P > 0.05) ผลการวิเคราะห์ทั้ง 2 นี้ บอกอย่าง เป็นนัยว่า ชนิดของวัสดุทดสอบ และระดับ PHLempty ไม่มีผลต่อ ความถูกต้องของการวัดความพรุนด้วยเครื่องที่ถูกพัฒนาขึ้น ซึ่ ง สอดคล้องกับผลการวิเคราะห์ของ Chantalak (2014) อย่างไรก็ ตาม ค่า APE เฉลี่ยของความดันเริ่มต้นที่ระดับ 2,000 และ 3,000 Pa (3.63 และ 1.78% ตามลําดับ) มีความแตกต่างกันอย่างมี นัยสําคัญ (P < 0.05) ซึ่งบอกอย่างเป็นนัยว่า ความดันเริ่มต้นมีผล ต่อความถูกต้องของการวัดความพรุน ทั้งนี้ Chantalak (2014) สรุปว่าความดันเริ่มต้นไม่มีผลต่อความถูกต้องของการวัดความพรุน ด้วยวิ ธีเปรี ยบเทียบอั ตราการลดลงของความดั น ซึ่ งผู้ วิจั ยยั งไม่ สามารถหาสาเหตุของข้อสรุปที่แตกต่างกันนี้
Table 2 Porosity measurement results. PHLempty (s)
Initial pressure (Pa) 2,000
~60 3,000
2,000 ~120 3,000
2,000 ~180 3,000
Sample S sphere M sphere L sphere Cylinder S sphere M sphere L sphere Cylinder S sphere M sphere L sphere Cylinder S sphere M sphere L sphere Cylinder S sphere M sphere L sphere Cylinder S sphere M sphere L sphere Cylinder
287
Ɛmea (%) [SD] 48.95 [0.99] 39.03 [0.82] 58.29 [1.40] 53.53 [1.07] 52.06 [0.08] 42.26 [0.11] 63.93 [0.13] 57.58 [0.14] 51.25 [0.14] 41.55 [0.49] 57.28 [1.38] 53.04 [0.15] 51.40 [0.38] 41.82 [0.33] 62.30 [0.41] 55.66 [0.36] 52.22 [0.31] 42.84 [0.31] 63.48 [0.38] 56.11 [0.35] 51.77 [0.14] 41.29 [0.08] 62.61 [0.53] 54.68 [0.20]
Ɛref (%) [SD] 52.66 [0.67] 41.57 [0.21] 61.52 [0.93] 55.14 [5.09] 52.66 [0.67] 41.57 [0.21] 61.52 [0.93] 55.14 [5.09] 52.66 [0.67] 41.57 [0.21] 61.52 [0.93] 55.14 [5.09] 52.66 [0.67] 41.57 [0.21] 61.52 [0.93] 55.14 [5.09] 52.66 [0.67] 41.57 [0.21] 61.52 [0.93] 55.14 [5.09] 52.66 [0.67] 41.57 [0.21] 61.52 [0.93] 55.14 [5.09]
APE (%) 7.05 6.10 5.25 2.92 1.15 1.67 3.93 4.42 2.68 0.04 6.88 3.81 2.39 0.59 1.27 0.95 0.85 3.05 3.19 1.76 1.71 0.67 1.78 0.83
Table 3 Result of one-way ANOVA on the effect of types of samples on APE. Between Groups Within Groups Total
Sum of Squares 9.378 85.138 94.516
df 3 20 23
Mean Square 3.126 4.257
F .734
Sig. .544
Mean Square 11.734 3.383
F 3.468
Sig. .050
Mean Square 20.572 3.361
F 6.121
Sig. .022
Table 4 Result of one-way ANOVA on the effect of PHLempty on APE. Between Groups Within Groups Total
Sum of Squares 23.468 71.048 94.516
df 2 21 23
Table 5 Result of one-way ANOVA on the effect of initial pressure on APE. Between Groups Within Groups Total
Sum of Squares 20.572 73.944 94.516
df 1 22 23
http://web.ead.anl.gov/resrad/datacoll/porosity.htm. 4 สรุป Accessed 2 June 2016. ผู้วิจัยได้พัฒนาต้นแบบเครื่องวัดความพรุนด้วยการลดลงของ ความดัน วัสดุทดสอบ 4 ชนิด (วัสดุทรงกลมขนาดเล็ก, กลาง และ Chantalak, A., 2014. Development of the porosity measuring method by complarisons of pressure ใหญ่และวัสดุทรงกระบอก) ถูกวัดความพรุน ที่ 6 เงื่อนไขการ decay rates (In Thai: การพัฒนาวิธีการวัดความพรุนด้วย ทดลอง (3 ระดับ PHLempty × 2 ระดับความดันเริ่มต้น) ความพรุน วิธีการเปรียบเทียบอัตราการลดลงของความดัน) ของวัสดุทดสอบทั้ง 4 ชนิด มีค่าอยู่ระหว่าง 50-60% ซึ่งค่า APE Nakhonpathom, Thailand: Kasetsart University, ส่วนใหญ่มีค่าไม่เกิน 5% ดังนั้น ต้นแบบเครื่องวัดความพรุน Department of Agricultural Engineering. สามารถวั ด ความพรุ น ได้ อ ย่ า งถู ก ต้ อ งในระดั บ ที่ น่ า พอใจและ เทียบเคียงได้กับเครื่องวัดความพรุนในงานวิจัยที่มีมาก่อนหน้านี้ Chayaprasert, W., Chantalak, A., Sukcharoen, A., 2014. Porosity measurement of granular materials by อย่ างไรก็ ตาม ผู้ วิ จั ยพบว่ าปั จจั ยความดั นเริ่ มต้ นมี ผลต่ อความ comparisons of air pressure decay rates. Transection ถูกต้องของการวัดความพรุนอย่างมีนัยสําคัย (P < 0.05) ซึ่งยังไม่ of ASABE 57, 1431-1440. สามารถสรุปสาเหตุได้ นอกจากนี้ วัสดุที่ถูกนํามาใช้ในการศึกษา ครั้งนี้เป็นเพียงวัสดุที่รูปทรงเลขาคณิตเท่านั้น ในการศึกษาลําดับ Glover, P., 2001. Porosity. In MSc Petroluem Geology, 4353. University of Aberdeen, UK: Department of ต่อไป ผู้วิจัยจะทดสอบหาความพรุนกับวัสดุที่มี รูปทรงไม่สม่ําเสมอ Geology and Petroleum Geology. (irregular shape) ด้วยต้นแบบเครื่องวัดความพรุน Hyndman, J.R., Koehler, B.A., 2006. Another Look at 5 กิตติกรรมประกาศ Measures of Forecast Accuracy. International journal ผู้ วิ จั ย ขอขอบคุ ณ ภาควิ ช าวิ ศ วกรรมเกษตร และฝ่ า ย of forecasting 22, 679-688. เครื่องจักรกลเกษตรแห่งชาติ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขต Leclaire, P., Umnova, O., 2003. Porosity measurement by กําแพงแสน สําหรับความอนุเคราะห์สถานที่, สาธารณูปโภค, comparison of air volumes. American Institute of อุปกรณ์การทดลอง และความอนุเคราะห์อื่นๆ Physics 74, 1366-1370. Makridakis, S., Hibon, M., 1995. Evaluating Accuracy (or 6 เอกสารอ้างอิง Error) Measures. Fontainebleau, France: INSEAD Argonne Nationnal Laboratory, 2016. Porosity. Available Technology Management. at: 288
TPHF-02
การสร้างและทดสอบระบบทําความเย็นแบบดูดซึมโดยใช้ซีโอไลท์กับน้ํา แบบทํางานไม่ต่อเนื่องสําหรับถังบรรจุน้ํานมดิบ ธีรศักดิ์ ศรีมิตรรุ่งโรจน์1*, พันคํา ศรีอุทัย1, พชร จุ้ยพลอย1, นิติธร คงแก้ว1,ธฤต รัตนมณี1, ปรเมศ อึงบวรตระกูล1 1
กลุ่มวิจัยและพัฒนางานวิศวกรรมขนถ่ายวัสดุและโลจิสติกส์ ภาควิชาวิศวกรรมขนถ่ายวัสดุและโลจิสติกส์ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยี พระจอมเกล้าพระนครเหนือ 1518 ถ.พิบูลสงคราม เขตบางซื่อ กรุงเทพฯ 10800 ผู้เขียนติดต่อ: ธีรศักดิ์ ศรีมิตรรุ่งโรจน์ E-mail: Theerasak.s@eng.kmutnb.ac.th
บทคัดย่อ งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาศักยภาพของระบบทําความเย็นแบบดูดซึมโดยใช้ซีโอไลท์กับน้ํา สําหรับถังบรรจุน้ํานมดิบ อีกทั้งยังสามารถพัฒนาเพื่อเพิ่มมูลค่าสินค้าทางการเกษตรให้กับเกษตรกรโคนม และงานอื่นที่เกี่ยวข้องได้อีกด้วย การพัฒนาระบบทําความเย็นแบบดูดซึมโดยใช้ซีโอไลท์และน้ําสําหรับถังบรรจุน้ํานมดิบสามารถลดอุณหภูมิของน้ํานมดิบที่ใช้ ในการทดลองจากอุณหภูมิปกติของประเทศไทยซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ทําให้จุลินทรีย์ และแบคทีเรียเจริญเติมโตได้ดีลดลงให้เหลือต่ํากว่าหรือ เท่ากับ 4oC เพื่อยับยั้งการเพิ่มจํานวนของจุลินทรีย์ ผลของการทดลองพบว่าความดันสุญญากาศที่ใช้ในการทดลอง 0.65 bar 0.75 bar และ 0.80 bar มีผลต่ออุณหภูมิของน้ําและ ตัวอีแวปโปเรเตอร์โดยตรง คือ ถ้าใช้ความดันสุญญากาศต่ําระบบก็จะสามารถทําความเย็นได้มากกว่าใช้ความดันสุญญากาศ ที่สูง และจาก การทดลองของน้ําและน้ํานมดิบทุกค่าความดันที่ใช้ในการทดลองจะใช้เวลาที่ระยะหนึ่งจากนั้นเวลาและอุณหภูมิมีแนวโน้มคงที่เป็นเส้นตรง คําสําคัญ: ซีโอไลท์, ทําความเย็นแบบดูดซึม
Development of Absorption Refigeration System by Zeolite and Water for the Raw Milk Tank Theerasak Srimitrungroj1*, Pankam Sri-U-Thai1, Pachara Juyploy1, Nithitorn Kongkaew1, Tarit Rattanamanee1, Poramate Uengbowontrakoon1 1
Research and Development of Materials Handling and Logistics Engineering Laboratory Center (MHLELC), Department of Materials Handling and Logistics Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s University of Technology North Bangkok, 1518 Piboonsongkram Rd, Bangsue Bangkok 10800 Thailand. Corresponding author: Theerasak Srimitrungroj. E-mail: Theerasak.s@eng.kmutnb.ac.th
Abstract The purpose of this research is the potential development of Absorption Refrigeration System by use Zeolite and Water for the raw milk tank. And it can develop for increase the agriculture product value to rancher or relate. The Development of Absorption Refrigeration System by use Zeolite and Water for the raw milk tank can reduce temperature of water and the raw milk that use in the experimentation, form the normal temperature of Thailand that made microorganism and bacteria grow up well, reduce temperature as low as 4 O C for inhibit increasing of microorganism. The result is the Vacuum Pressure that use in the experimentation0.65 bar, 0.75 bar and 0.80 bar effect to temperature of water and evaporator, its mean if we use the Vacuum Pressure that very less, the system can made the coldness more than use higher. And from the experimentation of water and the law milk, every pressure that use in the experimentation will use one term, and then time and temperature incline to the constant will be straight line. Keywords: Zeolite, Adsorption Refrigeration
289
1 บทนํา การผลิตน้ํานมดิบให้มีคุณภาพดีนั้นขึ้นอยู่กับการจัดการฟาร์ม และการปฏิบัติกับน้ํานมโดยตรง โรงงานหรือกระบวนการแปรรูปไม่ สามารถทําให้น้ํานมดิบที่มีคุณภาพต่ํากลับเป็นผลิตภัณฑ์นมที่มี คุณภาพดีได้ ซึ่งในสภาวการณ์ปัจจุบันประเทศไทยประสบปัญหา เกี่ยวกับคุณภาพของน้ํานมดิบที่ไม่มีคุณภาพในหลายพื้นที่ และ บางครั้งก็มีการตรวจพบก่อนที่จะมีการบริโภคจึงต้องทําการทิ้งนม ดั งกล่ าว สาเหตุ สํ าคั ญประการหนึ่ งที่ ทํ าให้ น้ํ านมพร้ อมดื่ มหรื อ ผลิตภัณฑ์นมไม่มีคุณภาพคือ การที่มีน้ํานมดิบที่ใช้ในการแปรรูปมี ปริมาณจุลินทรีย์ปนเปื้อนสูงกว่ามาตรฐาน โดยปกติน้ํานมดิบที่ผ่านการรีดอย่างถูกสุขลักษณะจากแม่วัวที่ มีสุขภาพสมบูรณ์ ในชั้นแรกอาจถือได้ว่าเป็นน้ํานมดิบที่มีคุณภาพ แต่ ทั้ งนี้ ถ้ าระยะเวลาในการขนส่ งน้ํ านมดิ บจากเกษตรกรมายั ง โรงงานเพื่อทําการแปรรูป เป็นระยะเวลาที่ยาวนานและน้ํานมดิบมี อุณหภูมิ ณ อุณหภูมิบรรยากาศปกติ คุณภาพของน้ํานมดิบอาจ เปลี่ยนแปลง และน้ํานมนี้อาจกลายเป็นอาหารที่ไม่เหมาะสมในการ บริโภค อันเนื่องมาจากปริมาณของจุลินทรีย์ที่เกินมาตรฐาน แนวทางการแก้ปัญหาวิธีหนึ่งที่คณะผู้วิจัยสนใจคือ การพัฒนา ระบบทําความเย็นแบบดูดซึมโดยใช้ซีโอไลท์กับน้ําสําหรับถังบรรจุ น้ํานมดิบ (ชัยวัฒน์ อยู่หนูและคณะ 2546) เพื่อใช้ลดอุณหภูมิ น้ํานมดิบในถังบรรจุและขนถ่ายก่อนทําการขนส่ง ให้อยู่ที่อุณหภูมิ เป้าหมายอย่างรวดเร็วทั้งนี้อุณหภูมิเป้าหมายที่เหมาะสมจะอยู่ที่ ประมาณ 4 OC เพราะในสภาวะนี้จุลินทรีย์จะเจริญเติบโตได้ช้ามาก ทําให้สามารถรักษาคุณภาพน้ํานมให้มีคุณภาพดีได้ 1.1 การทบทวนวรรณกรรมที่เกี่ยวข้อง การทําความเย็นน้ํานมดิบภายในถังบรรจุ และขนถ่ายน้ํานมดิบ ขนาดมาตรฐาน 40 Liter จากอุณหภูมิตั้งต้น 39oC ให้มีอุณหภูมิ 4oC ภายใน 45 min แต่ยังไม่สามารถลดอุณหภูมิของน้ํานมดิบให้ เป็น 4oC ภายใน 45 min (ชัยวัฒน์ อยู่หนูและคณะ 2546) แต่การ ใช้ซีโอไลท์ 13X เป็นสารดูดซับในระบบทําความเย็นกับน้ํา ซึ่งจาก ผลการทดลองพบว่าสามารถลดอุณหภูมิตั้งต้นของสารทดสอบจาก 280oC ให้เป็น 70oC ได้ภายใน 20 min (Wei-Dong Wu et al., 2009) และซีโอไลท์ 13X ถูกนําไปใช้ในการระบายความร้อน สํ า หรั บ เครื่ องยนต์ ของระบบทํ า ความเย็ นในรถบรรทุ ก พบว่ า ประสิทธิภาพการระบายความร้อนมีแนวโน้มที่ดี (Wei-Dong Wu et al., 2011) โดยทั้ง 3 งานวิจัยข้างต้น กําหนดการถ่ายโอนความ ร้อนเป็นแบบการพาความร้ อนแบบธรรมชาติ และอยู่ในสภาวะ ความดันบรรยากาศ แต่ในระบบระบายความร้อนของชุดเซลล์สุริยะ ด้วยซีโอไลท์ 13X กับ Cacl2 ใช้การลดความดันระบบระบายความ ร้อนนี้ลงเหลือ 0.87 bar เพื่อทําให้ระบบระบายความร้อนทํางานมี ประสิทธิภาพมากขึ้น (K.C. Chan et al., 2012)
1.2 วัตถุประสงค์ของการวิจัย เพื่อศึกษา ออกแบบ สร้างชุดระบบทําความเย็นแบบดูด ซึ ม โดยใช้ ซี โ อไลท์ กั บ น้ํ า สํ า หรั บ ถั ง บรรจุ น้ํ า นมดิ บ เพื่ อ ใช้ ล ด อุณหภูมิของน้ํานมดิบในถังบรรจุ และขนถ่ายขนาดมาตรฐาน 40 Liter จากอุณหภูมิตั้งต้น 33 OC ให้มีอุณหภูมิ 4 OC ก่อนทําการ ขนส่ง และวิเคราะห์คุณภาพน้ํานมดิบด้านสุขศาสตร์ของน้ํานมดิบ ที่ผ่านการลดอุณหภูมิโดยระบบทําความเย็นแบบดูดซึมโดยใช้ซี โอไลท์กับน้ําที่สร้างขึ้น และทําการเปรียบเทียบกับคุณภาพน้ํานม ดิบที่ไม่ผ่านการลดอุณหภูมิ โดยใช้วิธีทดสอบด้วยน้ํายาเมธิลีนบลู และวิธีสแตนด์ดาร์ดเพลทเคาท์ 1.3 ขอบเขตของการวิจัย ทําการพัฒนาและออกแบบสร้างชุดระบบทําความเย็นแบบดูด ซึ มโดยใช้ ซี โอไลท์ กั บ น้ํ า ให้ ส ามารถลดอุ ณ หภู มิ น้ํ า นมดิ บจาก อุณหภูมิตั้งต้น 33oC ให้มีอุณหภูมิ 4oC ในเวลา 45 min กับถัง น้ํานมดิบขนาดมาตรฐาน 40 Liter ทํางานภายใต้ความดันที่ต่ํากว่า ความดันบรรยากาศคือ 0.65 bar 0.75 bar และ 0.80 bar และ เป็นแบบทํางานไม่ต่อเนื่อง โดยกําหนดให้การถ่ายโอนความร้อน เป็นแบบการพาความร้อนแบบธรรมชาติ 2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 อุปกรณ์ที่ใช้ดําเนินการวิจัย 2.1.1 ซีโอไลท์ (Zeolite) สารดูดซับซีโอไลท์ 13X ถูกใช้เป็นสารดูดซับของระบบทําความ เย็นในงานวิจัยนี้ ซึ่งซีโอไลท์ 13X มีลักษณะเป็นผลึกแข็ง มีรูพรุน หรื อโพรงที่ ต่อเชื่ อมกั นอย่ างเป็นระเบี ยบในสามมิ ติขนาดตั้ งแต่ 2-10 อังสตรอม (Wei-Dong Wu et al., 2011) 2.1.2 น้ํานมดิบ (Raw Milk) ในงานวิจัยนี้น้ํานมดิบถูกใช้เป็นสารทดลองในการรักษาระดับ อุณหภูมิให้เท่ากับ 4oC ด้วยระบบทําความเย็นในงานวิจัยนี้ น้ํานม ดิบเป็นของเหลวซึ่งมีสารต่างๆ หลายชนิดปะปนกันอยู่ในน้ํานม บางส่วนที่เป็นสารละลาย เช่น น้ําตาล เกลือแร่ต่างๆ บางส่วนอยู่ใน รูปสารแขวนลอย เช่น เคซี น และบางส่ วนอยู่ ในรู ปอิ มัลชัน คื อ ไขมันกระจายในน้ํานมสดมีค่า PH อยู่ระหว่าง 6.5-6.6 โดยปกติ น้ํานมดิบที่ผ่านการรี ดอย่ างถู กสุ ขลักษณะจากแม่ วัวที่ มีสุขภาพ สมบูรณ์ ในชั้นแรกอาจถือได้ว่าเป็นน้ํานมดิบที่มีคุณภาพ แต่ทั้งนี้ ถ้าระยะเวลาในการขนส่งน้ํานมดิบจากเกษตรกรมายังโรงงานเพื่อ ทําการแปรรูป เป็นระยะเวลาที่ยาวนานและน้ํานมดิบมีอุณหภูมิ ณ อุณหภูมิบรรยากาศปกติ คุณภาพของน้ํานมดิบอาจเปลี่ยนแปลง และน้ํ า นมนี้ อาจกลายเป็ นอาหารที่ ไม่ เหมาะสมในการบริ โภค อันเนื่องมาจากปริมาณของจุลินทรีย์ที่เกินมาตรฐาน
290
2.1.4 ระบบทําความเย็นแบบดูดซึมโดยใช้ซีโอไลท์กับน้ํา ในงานวิจัยนี้ระบบทําความเย็นแบบดูดซึมโดยใช้ซีโอไลท์กับน้ํา ใช้ลดอุณหภูมิน้ํานมดิบในถังบรรจุและขนถ่ายน้ํานมดิบตามขนาด มาตรฐาน 40 Liter ภายหลังทําการรีด ระบบทําความเย็นเป็นแบบ อั ด ไอซึ่ ง เป็ น ระบบที่ มี ก ารใช้ ง านอย่ า งแพร่ ห ลาย โดยการลด อุณหภูมิน้ํานมดิบใช้การจุ่มตัวดึงความร้อนลงในถังบรรจุน้ํานมดิบ โดยตรง ในการทํ างานของระบบทํ าความเย็นไม่ สามารถทํางาน แบบต่อเนื่องได้ ต้องทําการติดตั้งฮีตเตอร์เพื่อทําให้สารทําความเย็น ระเหยกลายเป็นไอและย้อนกลับไปยังตัวดูดซับด้านถังน้ํานมฉะนั้น การทํ า งานของระบบทํ า ความเย็ น แบบดู ด ซึ ม จะทํ า งานเป็ น แบบต่อเนื่องได้ และระบบทําความเย็นสามารถเคลื่อนย้ายได้ไม่ ติดตั้งตายตัว ส่วนประกอบต่างๆ ของระบบทําความเย็นแบบดูดซึม โดยใช้ซีโอไลท์กับน้ําสําหรับถังบรรจุและขนถ่ายน้ํานมดิบแสดงใน (Figure 1) และระบบทําความเย็นแบบดูดซึมโดยใช้ซีโอไลท์กับน้ํา เครื่องที่ใช้สําหรับทดสอบแสดงใน (Figure 2) 2.1.5 ระบบทําความเย็นต้นแบบที่ใช้ในงานวิจัย ก. ในการคํานวณเพื่อหาพื้นที่ในการแลกเปลี่ยนความร้อน ให้ เป็นการพาความร้อนแบบธรรมชาติ โดยน้ํานมดิบมีอุณหภูมิลดจาก 39oC เป็น 4oC ในเวลา 45 min จะต้องใช้พื้นที่ในการแลกเปลี่ยน ความร้อนเท่ากับ 0.19 m2 ข. ส่ วนประกอบของชุ ดทดลองที่ มี การสั มผั ส กั บ น้ํ านมดิ บ โดยตรง ได้ทําการเลือกวัสดุที่ไม่ก่อให้เกิดการปนเปื้อน โดยใช้วัสดุ แตนเลสเกรด 316 ที่มีพื้นที่ในการแลกเปลี่ยนความร้อนเท่ากับ 0.19 m2 ค. วัสดุท่ีนํามาเป็นฉนวนคือ แอร์โรแฟลกซ์ ชนิดแผ่นมาหุ้มถัง น้ํ า นมเพื่ อ ป้ องกั น การรั บ ความร้ อ นจากภายนอกขณะทํ า การ ทดสอบ ซึ่งมีค่าสัมประสิทธิ์การนําความร้อนต่ํา และคงที่ตลอดอายุ การใช้งาน มีความคงทนต่อสภาวะอากาศต่างๆ ได้ดี 2.2 วิธีดําเนินการวิจัย การทดลองระบบทําความเย็นเพื่อเก็บข้อมูลการทํางานของ ระบบทํ าความเย็ น ได้ ทํ าการทดสอบโดยทํ า การเปิ ดสวิ ตช์ ปั๊ ม สุญญากาศจนความดันลดต่ําลงถึง 0.65 bar 0.75 bar และ 0.80 bar ทําการทดลองทั้งสามระดับของความดัน ในการเปรียบเทียบ การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปโดยจับเวลาในการทดสอบ 45 min พร้อมทั้งวัดอุณหภูมิของน้ํานมตามช่วงเวลาที่ผ่านไป (Figure 3)
อย่างรวดเร็วของจุลินทรีย์ ซึ่งระบบทําความเย็นที่สร้างขึ้นเป็นแบบ ดู ดซึ ม หลั งจากนั้ นนํ าไปทํ าการทดสอบการทํ าดึ งความร้ อนใน ห้ องปฏิ บั ติ การและในสภาวะการทํ า งานจริ ง พร้ อมทั้ ง ทํ า การ ตรวจสอบน้ํานมดิบที่ทําความเย็น เปรียบเทียบกับน้ํานมดิบที่ไม่ได้ ทําความเย็นในห้องปฏิบัติการ
Figure 1 Schematic of absorption refigeration system by zeolite and water for the raw milk tank
Figure 2 Absorption refigeration system by zeolite and water for the raw milk tank
3 ผลและวิจารณ์ ในงานวิจัยนี้ ได้ทําการศึกษาออกแบบ สร้าง และทดสอบระบบ Figure 3 Expermental of absorption refigeration system by zeolite and water for the raw milk tank ทําความเย็นสําหรับถังบรรจุและขนถ่ายน้ํานมดิบ เพื่อใช้สําหรับลด อุณหภูมิน้ํานมดิบภายหลังทําการรีดนมเพื่อยับยั้งการเพิ่มจํานวน 291
3.1 การทํางานของระบบทําความเย็น ทําการทดลองโดยใช้น้ํานมดิบที่อุณหภูมิ 33oC โดยทดลองลด ระดับของความดันที่ 0.65 bar 0.75 bar และ 0.80 bar ตามลําดับ จากการทดลองของน้ํานมดิบทุกค่าความดัน จะใช้เวลาที่ระยะ หนึ่งจากนั้นไม่ว่าเวลาเปลี่ยนไปนานเท่าไรอุณหภูมิมีแนวโน้มว่าค่า จะคงที่ตลอดสังเกตได้จากความชันและแนวโน้มของกราฟ ฉะนั้น การออกแบบเครื่องที่ใช้งานจริงควรใช้เวลาที่อยู่ในค่าแนวโน้มนี้ ด้วย ถ้าออกแบบให้เครื่องทํางานนานเกินไปก็จะเป็นการสิ้นเปลือง พลังงานแสดงใน (Figure 4) 3.2 ผลการตรวจสอบคุณภาพน้ํานมดิบ จากการทดสอบระบบทําความเย็นเพื่อลดอุณหภูมิน้ํานมดิบ ภายหลังทําการรีดและเก็บรักษาน้ํานมดิบในระหว่างการขนส่งไว้ที่ อุณหภูมิต่ํานั้น ได้ทําการเก็บตัวอย่างน้ํานมดิบเพื่อนํามาวิเคราะห์ ผลตรวจสอบว่าการรักษาคุณภาพน้ํานมดิบสามารถรักษาคุณภาพ น้ํานมดิบได้ดี เมื่อเปรียบเทียบกับน้ํานมดิบที่ไม่ได้มีการทําความ เย็น โดยในการวิเคราะห์แบ่งเป็น 2 ส่วน ดังนี้ 3.2.1 การตรวจสอบด้วยน้ํายาเมธิลีนบลู เป็นการวิเคราะห์คุณภาพน้ํานมดิบเพื่อกําหนดราคารับซื้อโดย สหกรณ์ โดยการเทียบเกรดน้ํานมดิบจากเวลาที่น้ํายาเมธีลีนบลู เปลี่ยนสี ซึ่งเมธีลีนบลูเป็นสารที่ใช้สําหรับวัดระดับการเจริญเติบโต ของจุ ลิ นทรี ย์ที่ มี อยู่ ในน้ํ านมดิ บ จุ ลิ นทรี ย์ จะไปลดปริ มาณของ
ออกซิเจนในน้ํานมซึ่งจะทําให้มีการเปลี่ยนสีของเมธีลีนบลู โดยที่จะ เปลี่ยนสีของเมธีลีนบลูจากสีน้ําเงินให้เป็นไม่มีสี ดังนั้นระยะเวลาที่ ใช้ในการเปลี่ยนสีนี้จะผันแปรตามปริมาณจุลินทรีย์ที่อยู่ในน้ํานม ดิ บ ถ้ าในน้ํ านมมี ปริ มาณจุ ลิ นทรี ย์มากสี ก็ จะเปลี่ ยนเร็ วแต่ ถ้ามี ปริมาณน้อยสีก็จะเปลี่ยนช้า [1] การกําหนดราคารับซื้อน้ํานมดิบ นั้นหากเกษตรกรสามารถผลิตน้ํานมดิบที่มีคุณภาพดีคือปริมาณ จุลินทรีย์น้อยก็จะได้ผลตอบแทนจากการเพิ่มราคารับซื้อจากราคา กลาง และหากน้ํานมดิบมีคุณภาพต่ําคือปริมาณจุลินทรีย์มากก็จะ ถูกตัดราคารับซื้อจากราคากลาง การเทียบเกรดของน้ํานมดิบจาก เวลาในการเปลี่ ยนสี ของน้ํ ายาเมธี ลี นบลู และราคาในการรั บซื้ อ น้ํานมดิบแสดงดังตารางที่ 4.8 และผลการวิเคราะห์ตัวอย่างน้ํานม ดิบจากการทดสอบการทําความเย็นแสดงใน (Table 1)
Figure 4 Time to refrigerant raw milk at 0.65 bar, 0.75 bar and 0.80 bar
Table 1 The analysis of raw milk with methylene blue Date/Time
Raw Milk Sample
Morning 14/05/2558 Evening 14/05/2558 Morning 15/05/2558 Evening 15/05/2558
Not Refigerant Refigerant Not Refigerant Refigerant Not Refigerant Refigerant Not Refigerant Refigerant
Raw Milk Sample After Milk Time Grade 7.35 2 7.50 1 18.00 1 18.30 1 7.45 1 8.00 1 18.45 1 19.00 1
Raw Milk Sample Before Sale Grade Changed Time Grade 9.00 3 +1 9.00 1 20.00 2 +1 20.00 1 11.00 3 +2 11.00 1 20.00 2 +1 20.00 1 -
Table 2 The analysis of raw milk with standard plate count Raw Milk Sample After Milk Date/Time
Raw Milk Sample Time
Morning 14/05/2558 Evening
Not Refigerant Refigerant Not Refigerant
7.35 7.50 18.00
Number of Microorganism 241,000 155,000 148,000
292
Raw Milk Sample Before Sale Time 9.00 9.00 20.00
Number of Microorganism 368,000 162,000 623,000
Number of Microorganism Changed 127,000 7,000 475,000
Raw Milk Sample After Milk Date/Time
Raw Milk Sample Time
14/05/2558 Morning 15/05/2558 Evening 15/05/2558
Refigerant Not Refigerant Refigerant Not Refigerant Refigerant
18.30 7.45 8.00 18.45 19.00
Number of Microorganism 180,000 182,000 168,000 223,000 137,000
3.2.2 การตรวจสอบด้วยวิธสแตนดาร์ดเพลทเคาท์ เป็ น การวิ เ คราะห์ คุ ณ ภาพน้ํ า นมดิ บ จากการปนเปื้ อ นของ จุลินทรีย์ในน้ํานมปริมาณ 1mm ด้วยการนับจํานวนจุลินทรีย์ด้วย การเพาะเชื้อในจานเพาะเชื้อ ซึ่งทําได้โดยนําตัวอย่างน้ํานมดิบทํา การเจือจางและบ่มเชื้อไว้ที่อุณหภูมิ 32oC เป็นเวลา 48 hr แล้ว ตั ว อย่ า งที่ เ จื อ จางมาทํ า การนั บ จํ า นวนจุ ลิ น ทรี ย์ แ ละผลการ วิเคราะห์ตัวอย่างน้ํานมดิบจากการทดสอบการทําความเย็นแสดงใน (Table 2) 4 สรุป ในการดําเนิ นงานวิจั ย ได้ทําการศึ กษาออกแบบ สร้าง และ ทดสอบระบบทําความเย็นสําหรับถังบรรจุและขนถ่ายน้ํานมดิบ เพื่อใช้สําหรับลดอุณหภูมิน้ํานมดิบภายหลังทําการรีดนมเพื่อยับยั้ง การเพิ่มจํานวนอย่างรวดเร็วของจุลินทรีย์ ซึ่งระบบทําความเย็นที่ สร้างขึ้นเป็นแบบดูดซึม หลังจากนั้นนําไปทําการทดสอบการทํา ความเย็นในห้องปฏิบัติการและในสภาวะการทํางานจริง พร้อมทั้ง ทําการตรวจสอบน้ํานมดิบที่ทําความเย็น เปรียบเทียบกับน้ํานมดิบ ที่ ไ ม่ ไ ด้ ทํ า ความเย็ น ในห้ อ งปฏิ บั ติ ก าร สามารถสรุ ป ผลการ ดําเนินงานได้ดังนี้ 4.1 การทํางานของระบบทําความเย็น ในการทดสอบระบบทําความเย็นในสภาวะการทํางานจริงนั้น พบว่า เวลาในการทําความเย็นน้ํานมดิบต่ํากว่า 45 min ซึ่งมีปัจจัย ที่ ทํ าให้ เวลาที่ ใช้ ต่ํ ากว่ าที่ ได้ ออกแบบไว้ คื อ อุ ณหภู มิ ตั้ งต้ นของ น้ํานมดิบก่อนการทําความเย็นต่ํากว่าค่าที่ใช้ในการคํานวณ 3-4oC 4.2 ผลการตรวจสอบคุณภาพน้ํานมดิบ ในการวิ เ คราะห์ น้ํ า นมดิ บ ในห้ อ งปฏิ บั ติ ก ารพบว่ า การลด อุณหภูมิน้ํานมดิบภายหลังการรีดและการเก็บรักษาน้ํานมดิบไว้ที่ อุณหภูมิต่ําขณะทําการขนส่ง สามารถรักษาคุณภาพน้ํานมดิบได้ โดยสามารถยับยั้งการเพิ่มจํานวนของจุลินทรีย์อย่างรวดเร็ว ซึ่ง จํานวนจุลินทรีย์ในน้ํานมดิบที่ผ่านการทําความเย็นเพิ่มขึ้นเพียง เล็กน้อย (เพิ่มขึ้นประมาณร้อยละ 0.55 ถึง 82.22 ) เมื่อทําการ
Raw Milk Sample Before Sale Time 20.00 11.00 11.00 20.00 20.00
Number of Microorganism 316,000 356,000 195,000 593,000 153,000
Number of Microorganism Changed 136,000 174,000 27,000 370,000 16,000
เปรียบเทียบกับน้ํานมดิบที่ไม่มีการทําความเย็น (เพิ่มขึ้นประมาณ ร้อยละ 55.55 ถึง 1133.33) 5 กิตติกรรมประกาศ งานวิจัยนี้ สําเร็จและลุล่วงไปได้ด้วยดี ขอขอบพระคุณคณะ วิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนคร เหนือ ในการสนับสนุนงบประมาณในการทําวิจัย ภาควิชาวิศวกรรม ขนถ่ายวัสดุและโลจิสติกส์ ในด้านสถานที่ในการจัดทํางานวิจัย จน ทําให้งานวิ จั ยฉบั บนี้ เสร็จสมบู รณ์ หากงานวิ จั ยนี้ มีข้อผิ ดพลาด ประการใด ทางคณะผู้จัดทําขอรับไว้เพื่อปรับปรุงแก้ไขต่อไป 6 เอกสารอ้างอิง ชัยวัฒน์ อยู่หนู, ภาวณี นรัตถรักษา, เทียมเพ็ชร อโณทัย, สุขแสง พนมรุ้ง. 2546. การออกแบบระบบทําความเย็นสําหรับถังบรรจุ และขนถ่ายน้ํานมดิบ. รายงานการประชุมวิชาการเครือข่าย วิศวกรรมเครื่องกลแห่งประเทศไทย ครั้งที่ 17 ประจําปี 2546. ชลบุร:ี ภาควิชาวิศวกรรมเคมี สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้า พระนครเหนือ. 15–17 ตุลาคม 2546, ปราจีนบุร.ี Wei-Dong Wu, Hua Zhang, Da-Wen Sun. 2009. Mathematical simulation and experimental study of a modified zeolite 13X-water adsorption refigeration module. Applied Thermal Engineering 29, 645–651. Wei-Dong Wu*, Hua Zhang*, Chuan-lin Men. 2011. Performance of a modified zeolite 13X-water adsorptive cooling module powered by exhaust waste heat. International Journal of Thermal Sciences 50, 2042-2049. K.C. Chan, Christopher Y.H. Chao, G.N. Sze-To, K.S. Hui. 2012. Performance predictions for a new zeolite 13X/CaCl2 composite adsorbent for a adsorption cooling system. International Journal of Heat and Mass Transfer 55, 3214–3224.
293
TPHF-03
ความเสี่ยงของผู้บริโภคในการรับสารตะกัว่ จากไข่เยี่ยวม้า เบญจวรรณ วานมนตรี1*, เทวรัตน์ ตรีอํานรรค1, กระวี ตรีอํานรรค2 1
สาขาวิชาวิศวกรรมเกษตร สํานักวิชาวิศวกรรมศาสตร์, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี, จังหวัดนครราชสีมา 30000 สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกล สํานักวิชาวิศวกรรมศาสตร์, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี, จังหวัดนครราชสีมา 30000 ผู้เขียนติดต่อ: เบญจวรรณ วานมนตรี E-mail: B50168157@hotmail.com
2
บทคัดย่อ การศึกษาความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนของโลหะหนัก จากการรับสารตะกั่วในไข่เยี่ยวม้าตามท้องตลาดจํานวน 4 เครื่องหมาย การค้า และไข่เยี่ยวม้าที่ผลิตด้วยกระบวนการเพิ่มความดันไฮโดรสแตติก ระดับความดัน 4 bar เป็นเวลา 12 วัน ทําการแยกไข่ขาว และไข่แดงของตัวอย่างไข่เยี่ยวม้าออกจากกัน หลังจากนั้นทําการสกัดด้วยสารละลายกรดไนตริกความเข้มข้นร้อยละ 65 แล้ววิเคราะห์ หาปริมาณตะกั่วโดยใช้ Inductively Couple Plasma Mass Spectrometer (ICP-MS) ผลจาการวิเคราะห์พบว่าตัวอย่างไข่เยี่ยวม้า ที่ประกอบด้วยไข่ขาวและไข่แดง มีปริมาณตะกั่วสูงสุดอยู่ที่ 1.0412 และ 0.6480 ppm ตามลําดับ จัดว่าอยู่ในระดับที่ไม่เป็นอันตราย ต่อมนุษย์ เนื่องจากเป็นการปนเปื้อนตามธรรมชาติและมาตรฐานผลิตภัณฑ์ชุมชน (มผช.) ได้กําหนดปริมาณตะกั่วในไข่เยี่ยวม้าไม่ควร เกิน 2 mg kg-1 คําสําคัญ: ตะกั่ว, ไข่เยี่ยวม้า, ความเสี่ยง
The risk of the consumer to get the lead from century eggs Benjawan Vanmontree1*, Tawarat Treeamnuk1, krawee Treeamnuk2 1
School of Agricultural Engineering, Suranaree University of Technology, Nakhon Ratchasima 30000 School of Mechanical Engineering, Suranaree University of Technology, Nakhon Ratchasima 30000
2
Corresponding author: Benjawan Vanmontree. E-mail: B50168157@hotmail.com
Abstract A study of the risk of contamination by heavy metals from lead exposure in preserved egg. The preserved eggs of 4 bands from market and produced by the high hydrostatic pressures up to 4 bars for 12 days were used in this studied. The samples of all preserved eggs, which were separated the albumen and yolks, were extracted with 65 percent concentration of nitric acid. The Inductively Couple Plasma Mass Spectrometer (ICPMS) was used to analyze amount of lead in the samples. The result indicated that the highest amount of lead content in albumen and yolk was 1.0412 and 0.6480 ppm, respectively. So, it was not harmful to humans because the community standard specified the amount of lead in the preserved egg should not exceed 2 mg kg-1 Keywords: Lead, preserved egg, risk
1 บทนํา ไข่เป็ดเป็นสินค้าด้านการเกษตร ที่มีความสําคัญทางเศรษฐกิจ ชนิ ดหนึ่ งของประเทศไทย เนื่ องจากมี ปริ มาณผลผลิ ตมากกว่ า 6,047,001 ฟอง จากเกษตรกรผู้เลี้ยงเป็ด 101,652 ครัวเรือนโดยมี พื้นที่ในบริเวณภาคกลาง เป็นแหล่งผลิตที่สําคัญของประเทศ มี ปริมาณผลผลิตเฉลี่ยมากถึง 3,362,879 ฟองต่อวันของปริ มาณ ผลผลิตทั้งหมด (สาวิตรี, 2557) ปัจจุบันไข่เป็ดได้เข้ามามีบทบาทใน ตลาดส่งออกเพิ่มมากขึ้น เนื่องจากสามารถนําไปใช้ประโยชน์ในงาน อุตสาหกรรมต่างๆ ได้หลายประเภท โดยเป็ดมีการให้ผลผลิตไข่ เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เมื่อระบบสืบพันธุ์เจริญเต็มที่ผลผลิตไข่สูงสุด (Peak)
ประมาณ 85-95% อายุประมาณ 28-30 สัปดาห์ เป็ดจะให้ผลผลิต ไข่ประมาณ 1 ปี ทําให้สามารถป้อนผลผลิตสู่ตลาดทั้งภายในและ ภายนอกประเทศในรูปแบบของไข่เป็ดสดตลอดทั้งปี สําหรับการ บริ โ ภคไข่ เ ป็ ด ของคนไทยนิ ย มนํ า มาทํ า ขนมไทย ด้ ว ยสมบั ติ เฉพาะตัวของไข่เป็ดเป็นตัวยึดเกาะวัตถุดิบอื่นได้ดี ทําให้เนื้อสัมผัส ของอาหารละเอียดนิ่ม มีรสชาติดีสีผลิตภัณฑ์อาหารดูน่าบริโภคขึ้น แต่ถ้าหากนึกถึงการบริโภคไข่เป็ดในรูปแบบอื่น ที่เป็นการยืดอายุ การเก็บรักษาและนิยมกันมากที่สุดคือ การทําไข่เค็ม ไข่เยี่ยวม้า เนื่องจากสามารถเก็บรักษาได้นานถึง 3 เดือน ซึ่งวิธีการดังกล่าวมี กระบวนการแปรรูปหลากหลายวิธีเช่น การพอกด้วยดินสอพอง
294
การแช่ในสารละลายและการประยุกต์ใช้วิธีการแช่ร่วมกับการพอก ดินสอพอง โดยกระบวนการแปรรูปไข่เป็ดสดเป็นไข่เยี่ยวม้า มีวิธีที่ น่าสนใจได้แก่ การแช่ในสารละลายด่าง เพราะเป็นกระบวนการที่ ประหยัด มีต้นทุนการผลิตไม่สูง ง่ายต่อกระบวนการผลิต สามารถ ผลิตได้สูงต่อครั้ง ใช้ระยะเวลาเร็วกว่าการพอกไข่เยี่ยวม้า ปัจจุบันมี การประยุ กต์ ใช้ ความดั นสู งรวมกั บการแช่ ไข่ ในสารละลายด่ าง โดยความดันมีผลต่อการแพร่โมเลกุลน้ําหรือสารละลายเข้าสู่เปลือก ไข่เป็ด ทําให้ไข่อยู่ในสภาวะความดันที่ต่างกันด้วยการอัดอากาศ เข้าไปในช่องว่างเหนือผิวสารละลาย จึงเกิดความดันในสารละลาย เพิ่มขึ้นเป็นการย่นระยะเวลากระบวนการผลิตไข่เยี่ยวม้า และเร่ง การแปรสภาพของไข่เยี่ยวม้า (ณัฐดนัยและสุวรรณ,2554; เบญจ วรรณและเทวรัตน์, 2558) ถึงแม้ว่าไข่เยี่ยวม้าจะเป็นผลิตภันฑ์ อาหารที่นิยมบริโภคแต่ก็มีผู้บริโภคบางกลุ่มเกิดความไม่มั่นใจเรื่อง การปนเปื้อนของสารตะกั่ว ทั้งนี้เนื่องจากผู้ผลิตบางรายได้ทําการ เติมออกไซด์ของตะกั่ว หรือสารตะกั่วลงในส่วนผสมของสารละลาย และ สารเคลือบผิวที่ใช้ทําไข่เยี่ยวม้า เพื่อให้ไข่ขาวนั้นแข็งตัวได้ อย่างสม่ําเสมอ ส่งผลให้พบว่ามีสารตะกั่วปนเปื้อนอยู่ในไข่เยี่ยวม้า สารตะกั่วจัดเป็นสารโลหะหนักที่มีพิษและมักสะสมอยู่ในเนื้อเยื่อ ต่ างๆ โดยเฉพาะตั บ ไต กระดู ก กล้ ามเนื้ อและระบบประสาท ส่วนกลาง ทําให้เกิดโรคเรื้อรังต่างๆ ปวดศีรษะ ความจําเสื่อม โลหิต จาง ควบคุมการทรงตัวไม่ได้ และเสียชีวิตในที่สุด โดยมาตรฐาน ผลิตภัณฑ์ชุมชน (2546) ได้กําหนดให้มีการปนเปื้อนของสารตะกั่ว ในไข่ เ ยี่ ย วม้ า ได้ ไ ม่ เ กิ น สองมิ ล ลิ ก รั ม ต่ อ น้ํ า หนั ก หนึ่ ง กิ โ ลกรั ม ผู้บริโภคสามารถสังเกตไข่เยี่ยวม้าที่ปนเปื้อนสารตะกั่วได้โดยดูจาก ไข่ ขาวซึ่ งจะมี สี ดํ ามากกว่ าปรกติ และดู ขุ่ นไม่ เหมื อนไข่ เยี่ ยวม้ า ทั่วๆ ไป ดังนั้นเพื่อเป็นการเพิ่มความมั่นใจให้กับผู้บริโภค ผู้วิจัยจึงได้ทํา การตรวจสอบหาปริมาณของสารตะกั่วที่ปนเปื้อนในไข่เยี่ยวม้าจาก การสุ่มผลิตภัณฑ์ที่วางขายทั่วไปในท้องตลาดเปรียบเทียบกับไข่ เยี่ยวม้าที่ควบคุมกระบวนการผลิตโดยไม่เติมสารตะกั่ว
ดันอยู่ที่ระดับ 4 bar (C) Relay เป็นอุปกรณ์อิเล็กทอนิกส์ทําหน้าที่ เป็นสวิตซ์ตัดต่อวงจรโดยใช้แม่เหล็กไฟฟ้า (D) Switching แปลง ไฟฟ้าจาก 220 V เป็น 12 V (E) Ball Valve เป็นตัวปรับลดความ ดัน (F) หน้าแปลนฝาปิดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 42 cm ความ หนาหน้าแปลน 1 cm ทําจากสแตนเลส (G) ตะแกรงสแตนเลส ใช้ สําหรับกดไข่เป็ดไม่ให้ลอยขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 32 cm สูง 32 cm และชุดปั๊มลมสําหรับเพิ่มแรงดันเข้าถัง
Figure 1 High hydrostatic pressure tanks
2.2 ไข่เยี่ยวม้าตามท้องตลาด สุ่มซื้อตัวอย่างผลิตภัณฑ์แปรรูปไข่เยี่ยวม้าจากห้างสรรพสินค้า และร้านสะดวกซื้อจํานวน 4 ผลิตภัณฑ์ โดยระบุชื่อทางการค้าดังนี้ MK1 MK2 MK3 และ MK4 ตามลําดับผลิตภัณฑ์ดังกล่าวมีการระบุ ช่วงควรบริโภคภายใน 30 วัน จํานวน 3 ผลิตภัณฑ์ และแบบไม่ ระบุอายุการเก็บรักษาจํานวน 1 ผลิตภัณฑ์ 2.3 ไข่เป็ดสด ใช้ไข่เป็ดสดสําหรับการผลิตไข่เยี่ยวม้าด้วยวิธี Hydrostatic ที่ ระดับความดัน 4 bar เป็นเวลา 12 วัน โดยใช้ไข่เป็ดจํานวน 60 ฟองต่อโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) 240g โซเดียมคลอไรด์ (NaCl) 600g และน้ําเปล่า 6,000ml เป็นชุดควบคุมซึ่งไม่มีการเติมสาร ตะกั่วในกระบวนการผลิต 2 อุปกรณ์และวิธีการ การศึกษาความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนของโลหะหนักจากการรับ 2.4 วิธีดําเนินการวิจัย สารตะกั่ วในไข่ เยี่ ยวม้ าตามท้ องตลาดและไข่ เยี่ยวม้าที่ ผลิตด้ วย 2.4.1 การตรวจวัดปริมาณตะกั่ว ชั่งน้ําหนักไข่เยี่ยวม้าที่ทําการแยกไข่ขาวและไข่แดงออกจากกัน กระบวนการเพิ่มความดันไฮโดรสแตติกระดับความดัน 4 bar เป็น ประมาณ 0.5g ใส่ในหลอดตัวอย่างของเครื่องย่อยสลายตัวอย่าง เวลา 12 วัน ประกอบด้วยวัสดุและอุปกรณ์ที่สําคัญดังต่อไปนี้ ดัวยไมโครเวฟ เติมกรดไนตริกความเข้มข้นร้อยละ 65 ลงในหลอด 2.1 ถังความดันไฮโดรสแตติกขนาด 36 ลิตร ถังความดันที่ใช้ในงานวิจัยนี้ประกอบด้วยส่วนประกอบหลักดัง ตัวอย่างรอจนปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์ นําหลอดย่อยตัวอย่าง แสดงใน Figure 1 (A) Directional control valve เป็นอุปกรณ์ใช้ บรรจุในเครื่องย่อยสลายตัวอย่างด้วยระบบไมโครเวฟ และทําการ ควบคุมการเปิดปิดจ่ายแรงดันเข้าสู่ถังความดัน (B) Pressure ย่อยตัวอย่างด้วยโปรแกรมดังแสดงในTable 1 โดยใช้อัตราความ -1 switch เป็นตัวควบคุมการจ่ายแรงดันเข้าสู่ตัวถังซึ่งกําหนดให้ความ ดัน 0.3 bar s และอุณหภูมิ 250°C หลังจากกระบวนการย่อย 295
สิ้นสุดลงและทิ้งไว้ให้เย็นที่อุณหภูมิห้อง นําหลอดย่อยตัวอย่าง ออกและถ่ ายสารลายตั วอย่ างใส่ ขวดวั ดปริ มาตรขนาด 25 ml หลังจากนั้นนําไปวิเคราะห์หาโลหะหนักด้วย ICP-MS (Pettine, M., et al. 2007) โดยมีขั้นตอนการเตรียมสารละลายมาตรฐานจาก สารละลายมาตรฐานความเข้มข้นของตะกั่ว 1000 ppm หลังจาก นั้นทําการเจือจาง ทั้งหมด 8 ความเข้มข้นคือ 0.5, 1, 5, 10, 20, 30, 40 และ 50 ppb ขั้นถัดมาเตรียมกรดไนตริกความเข้มข้น ร้อยละ 5 ในการทดสอบเครื่องและฉีดล้าง การวิเคราะห์หาความ เข้มข้นของตะกั่วในตัวอย่างสามารถคํานวณได้จากสมการ (1) CD V Pb (1) wt.sp. เมื่อ Pb คือปริมาณสารตะกั่วในตัวอย่าง mg kg-1 C คือความ เข้มข้นของตะกั่วในตัวอย่างลบความเข้มข้นของตะกั่วในแบลงค์ mg l-1, D คือแฟคเตอร์ของการเจือจาง, V คือปริมาตรของ สารละลายตัวอย่าง ml, wt.sp. คือน้ําหนักตัวอย่าง g Table 1 The decomposed program with microwaves. Step 1 2 3
Power (w) 1500 1500 0
Ramping Time (s) 30 -
Holding Time (s) 10 10
2.4.2 การวิเคราะห์ด่างทั้งหมด (Total alkalinity) ทําการวิเคราะห์ด้วยการนําไข่เยี่ยวม้าแยกไข่ขาวไข่แดงออก จากกันบดให้ละเอียดอย่างละ 5 g มาผสมกับน้ํากลั่นจํานวน 10 ml หลังจากนั้นทําการดูดตัวอย่างที่เตรียมไว้จํานวน 10 ml แล้วใส่ ลงในขวดรูปชมพู่ขนาด 250 ml พร้อมทั้งทําการหยด ฟีนอฟทาลีน อินดิเคเตอร์ลงไป 3 หยด จากนั้นทําการไทเทรตด้วยสารละลาย มาตรฐานไฮโดรคลอริก 0.1 N จนถึงจุดยุติสารละลายจะเกิดเป็นสี ชมพูอ่อน ทําการบันทึกผลของปริมาณไฮโดรคลอริกที่ใช้ไป พร้อม ทั้งนําค่าที่ได้มาคํานวณปริมาณด่างเป็นเปอร์เซ็นต์ (2) N V MV 100 Alkalinity (2) 10 1000 เมื่อ N คือนอร์มัลของด่างที่ใช้ในการไทเทรต, V คือปริมาณของด่าง ที่ใช้ในการไทเทรตจนถึงจุดยุติมีหน่วยเป็น ml, MW คือน้ําหนัก โมเลกุลของโซเดียมไฮดรอกไซด์ซึ่งมีค่าเท่ากับ 39.99, 100 คือคิด เป็ นร้ อยละ, 10 คื อปริ มาณของไข่ เยี่ ยวม้ าที่ ใช้ ในการไทเทรตมี หน่วยเป็น ml, 1000 คือการเปลี่ยน mg Equivalent เป็น g Equivalent
2.4.3 การหาค่าความแข็งแรงของเจลไข่เยี่ยวม้า ทําได้โดยใช้เครื่องวัดเนื้อสัมผัสอาหาร Texture Analyser ยี่ห้อ Stable micro system รุ่น TA-XT plus (Chunbao Li, 2010) ทดสอบทางกลโดยการวัดค่าแรงกด Uniaxial compression ด้วยหัวกด Spherical probe part No. P/0.25S Crosshead speed 0.8 mm s-1 กดลงไปเป็นระยะ 70 mm บนบริเวณด้าน แหลมของไข่เยี่ยวม้าที่เตรียมไว้ 2.4.4 การวิเคราะห์ทางสถิติ ภายหลังจากการะบวนการตรวจวัดค่าลักษณะทางกายภาพและ เคมีของไข่เยี่ยวม้า จากนั้นนําผลที่ได้มาวิเคราะห์ความแปรปรวน ANOVA โดยใช้โปรแกรม IBM SPSS statistics version 14 ที่มา หาวิ ทยาลั ยเทคโนโลยี สุ รนารี ได้ จั ดซื้ อลิ ขสิ ทธิ์ ทํ าการวิ เคราะห์ เปรียบเทียบเชิงพหุคูณแบบ Duncan’s multiple range test (DMRT) ที่ระดับนัยสําคัญ 0.05 2.4.5 การวิเคราะห์เชิงภาพถ่าย วัดค่าสีด้วยระบบวิเคราะห์เชิงภาพถ่าย ทําการทดสอบความ เข้ มแสง ณ ตํ าแหน่ งที่ กํ าหนดจากนั้ นปรั บโหมดกล้ องฟั งก์ ชั่ น Macro มีค่ารูรับแสงที่ f = 1.8 speed 1/2000 ไม่มีการซูมภาพไม่ ใช้ แฟลช 3968×2976 pixels จั ดเก็ บไฟล์ ภาพในรู ปแบบ JPEG และนํามาวิเคราะห์เชิงภาพถ่ายโดยใช้โปรแกรมอิมเมจเจ (ImageJ 1.42q, USA) ในรูปฮิสโตแกรมของสีที่แสดงในระบบ RGB 3 ผลและวิจารณ์ 3.1 การตรวจหาปริมาณตะกั่ว ก่ อ นการตรวจวั ด หาปริ ม าณตะกั่ ว ในไข่ เ ยี่ ย วม้ า ด้ ว ยการ วิเคราะห์เทคนิค Standard addition ICP-MS โดยใช้สารละลาย มาตรฐานตะกั่วที่มีความเข้มข้นทราบค่าแน่นอน 9 ความเข้มข้นคือ 0.5, 1, 5, 10, 20, 30, 40 และ 50 ppb เพื่อสร้างกราฟมาตรฐาน ตะกั่วในการวิเคราะห์ดัง Figure 2
Figure 2 Calibration curve for lead concentration. เมื่อนําตัวอย่างไข่ขาวและไข่แดงของไข่เยี่ยวม้า มาตรวจสอบ หาปริมาณตะกั่ว พบว่ามีการปนเปื้อนของสารตะกั่วในไข่ขาวและไข่ แดงทุกตัวอย่างที่ทําการตรวจสอบ โดยมีค่าไม่เกินค่ามาตรฐานที่
296
กําหนดมาตรฐานผลิ ตภั ณฑ์ ชุ มชน (มผช.) จากผลการวิ เคราะห์ ผลิตภัณฑ์ MK2 มีปริมาณของการปนเปื้อนสูงที่สุดคือ 1.0412 mg kg-1 Table 2 ส่วนในไข่แดงนั้นพบว่ามีการปนเปื้อนของสารตะกั่ว ในผลิตภัณฑ์จากท้องตลาดอยู่เพียงหนึ่งผลิตภัณฑ์คือ MK2 0.4088 mg kg-1 Table 3 และพบปริมาณของสารตะกั่วในชุดควบคุม 0.6480 mg kg-1 จึงเป็นที่น่าสังเกตว่าถึงแม้ในกระบวนการผลิตไม่ มีการเติมสารตะกั่วเข้าไป แต่ถ้าหากมีการปนเปื้อนในวัตถุดิบ เช่น ไข่ เ ป็ ด แหล่ ง น้ํ า ดิ น พองก็ อ าจจะส่ ง ผลให้ มี ป ริ ม าณตะกั่ ว ใน
ผลิ ตภั ณฑ์ ซึ่ งในชุ ดควบคุ มได้ ควบคุ มน้ํ าที่ นํ ามาใช้ ในการผลิ ต ดังนั้นที่มาของสารตะกั่วจากการตรวจพบอาจมีสิ่งปนเปื้อนจากไข่ เป็ ด สด หรื อ สารเคมี ที่ ใ ช้ สํ า หรั บ การวิ เ คราะห์ ห าปริ ม าณสิ่ ง ปนเปื้อนของสารตะกั่วที่ระดับความเที่ยงของวิธีวิเคราะห์ (%RSD) สามารถยอมรับได้โดยผลการวิเคราะห์อยู่ในระดับหนึ่งส่วนในล้าน ส่วน ppm ควรมีค่า (%RSD) อยู่ในช่วง 1-10 % (สวรินทร์และ นงนุช, 2555)
Table 2 The lead content found in albumen of the preserved egg. Samples preserved egg MK1 MK2 MK3 MK4 4bar12day
The reading from the standard curve. (mg l-1) 2.4210 8.6590 2.0690 2.2690 4.1190
Weight (g) 0.6810 0.5328 0.6798 0.7992 0.5500 Mean SD %RSD
Lead content (mg kg-1) 0.0990 1.0412 0.0587 0.0695 0.0374 0.0374 0.4366 1.6719
Table 3 The lead content found in yolk of the preserved egg. samples preserved egg MK1 MK2 MK3 MK4 4bar12day
The reading from the standard curve. (mg l-1) 2.6380 5.7720 1.3350 2.1660 8.2520
weight (g) 0.7586 0.8053 1.2217 0.8842 0.5300 Mean SD %RSD
Lead content (mg kg-1) 0.0000 0.4088 0.0000 0.0000 0.6480 0.2114 0.3015 1.4266
ตามลําดับ ขณะที่การผลิตไข่เยี่ยวม้าด้วยกระบวนการอัดความ ดันสูง 4 bar 12 วัน พบว่าร้อยละความเป็นด่างทั้งหมดในไข่ขาว และไข่แดงของไข่เยี่ยวม้า อยู่ช่วง 0.30-0.32 และ 0.09-0.10 ตามลําดับ ซึ่งจะพบว่าการผลิตไข่เยี่ยวม้าภายใต้สภาวะความดัน ทําให้ไข่ขาวมีปริมาณความเป็นด่าง
3.2 ลักษณะทางกายภาพและเคมี จาการตรวจสอบลักษณะทางกายภาพและเคมีไข่เยี่ยวม้า ตามท้ องตลาดและชุ ดควบคุ ม พบว่ าปริ มาณด่ างทั้ งหมดใน ไข่ ข าวและไข่ แ ดงจากชุ ด ผลิ ต ภั ณ ฑ์ ต ามท้ อ งตลาด มี ค่ า ไม่ แตกต่างกันทางสถิติ Table 4 โดยที่ร้อยละความเป็นด่างทั้ง หมดของไข่ขาวและไข่แดงอยู่ในช่วง 0.09-0.11 และ 0.06-0.10 Table 4 The physical characteristics of the preserved egg. Samples preserved egg MK1 MK2
Total alkalinity (%) Albumen 0.10±0.02a 0.11±0.02a
Yolk 0.07±0.03a,b 0.10±0.02a,b
297
Texture (N) 2.58±0.69b 2.24±0.89a,b
Total alkalinity (%)
Samples preserved egg
Albumen MK3 0.09±0.03a MK4 0.10±0.01a 4bar12day (แบบนึง่ สุก) 0.30±0.07b 4bar12day (แบบดิบ) 0.32±0.09b a-e different letters in the same column indicate significant differences (p<0.05).
ทั้งหมดสูงกว่าผลิตภัณฑ์ในท้องตลาด (Wang et al. 2013) หากพิจารณาความแข็งแรงเจลไข่ เยี่ ยวม้าตามท้องตลาดอยู่ ช่วง 1.19-2.58 N ในขณะที่ระดับความดัน 4 bar 12 วัน แบบผ่านการ นึ่งสุกมี ค่าเฉลี่ยอยู่ที่ 1.21 Nนอกจากนี้ลักษณะทางกายภาพด้านสี เมื่อตรวจวิเคราะห์เชิงภาพถ่ายที่จัดเก็บไฟล์ภาพในรูปแบบ JPEG โดยใช้โปรแกรมอิมเมจเจ (ImageJ) ในรูปฮีสโตแกรมของสีที่แสดง ในระบบ RGB (Pascale et al. 2002-2003) พบว่าไข่เยี่ยวม้าอยู่ใน เฉดสีน้ําตาล หรือถ้าสังเกตด้วยตาเปล่าจะมีไข่ขาวสีคล้ายน้ําชา ดัง แสดงใน Table 5 นอกจากนี้ ป ริ ม าณตะกั่ ว ที่ ต รวจพบทั้ ง 4
Yolk 0.10±0.03b 0.06±0.01a 0.10±0.04a,b 0.09±0.02a,b
Texture (N) 1.19±0.67a 2.07±1.12a,b 1.21±0.23a -
เครื่องหมายการค้าและไข่เยี่ยวม้าที่ผลิตด้วยกระบวนการเพิ่มความ ดัน 4 bar เป็นเวลา 12 วัน มีค่าไม่เกิน 2 mg kg-1 Table 2,3 จัดว่าอยู่ในระดับที่ไม่เป็นอันตรายต่อร่างกายมนุษย์ เนื่องจากเป็น การปนเปื้อนตามธรรมชาติ และมาตรฐานผลิตภัณฑ์ชุมชน (มผช.) ได้ กํ าหนดไว้ สํ าหรั บไข่ เยี่ ยวม้ าที่ มี ปริ มาณตะกั่ วปนเปื้ อนเกิ น กําหนด เนื่องมาจากผู้ผลิตมีการเติมออกไซด์ของตะกั่ว เพื่อควบคุม ความเป็นกรดด่างให้คงที่ จึงทําให้ไข่ขาวแข็งตัวได้สม่ําเสมอ ส่งผล ให้พบตะกั่วในรูปของซัลไฟด์ ปนเปื้อนอยู่ในไข่เยี่ยวม้า สังเกตุจาก ไข่ขาวมีสีดํามากผิดปกติและมีสีขุ่นเข้ม
Table 5 The visual characteristics of preserved egg. Samples preserved egg
R
Histogram G
Color
B
MK1
125.99
107.27
78.95
Brown
MK2
144.92
129.54
101.87
Brown
MK3
137.66
128.35
107.60
Brown
298
Characteristics of preserved egg
Samples preserved egg
R
Histogram G
Color
B
MK4
148.11
129.74
97.94
Brown
4bar12day (แบบนึง่ สุก)
105.62
68.70
29.29
Brown
4bar12day (แบบดิบ)
45.67
29.61
19.07
Brown
Characteristics of preserved egg
เบญจวรรณ วานมนตรี, และเทวรัตน์ ตรีอํานรรค. 2558. การ 4 สรุป ตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงภายในไข่เยี่ยวม้าที่ผลิตภายใต้ ไข่เยี่ยวม้าที่วางจําหน่ายในท้องตลาดมีความปลอดภัยสําหรับ สภาวะความดันสูงเทียบกับผลิตภัณฑ์ตามท้องตลาด. รายงาน การบริโภค เนื่องจากการปนเปื้อนของสารตะกั่วไม่เกินค่ามาตรฐาน การประชุมวิชาการสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ที่กําหนด โดยผลิตภัณฑ์จากท้องตลาด MK2 ตรวจพบปริมาณการ ครั้งที่ 16 ประจําปี 2558, 475-479. 17-19 มีนาคม 2558, ปนเปื้อนสูงสุด อย่างไรก็ตามการตรวจสอบสิ่งปนเปื้อนของสาร กรุงเทพมหานคร. ตะกั่วในไข่เยี่ยวม้า ยังไม่พบความสัมพันธ์ของปริมาณสารตะกั่วกับ สวรินทร์ สินะวิวฒ ั น์, และนงนุช เมธียนต์พิริยะ. 2555.การศึกษา ลักษณะทางกายภาพและเคมี ของไข่เยี่ยวม้าที่ทําการตรวจสอบ เปรียบเทียบวิธีเตรียมตัวอย่างข้าวเพื่อทดสอบสารหนูอนินทรีย์. 5 กิตติกรรมประกาศ วารสารวิชาการกรมวิทยาศาสตร์บริการ 1(1), 110-121. คณะผู้วิจัยขอขอบคุณ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี จังหวัด สาวิตรีบุญเพชร.2557.ปศุสัตว์:ข้อมูลเกษตรกรผู้เลีย้ งเป็ดไข่เป็น นครราชสีมา ที่ได้อนุเคราะห์สถานที่ เครื่องมือและอุปกรณ์ในการ การค้ารายอําเภอ. แหล่งข้อมูล:http://ict.dld.go.th/ ศึกษาวิจัยครั้งนี้ th2/images/stories/stat_web/yearly/2557/busi/region/ duck2_busi_region.pdf เข้าถึงเมื่อ 18/01/58 6 เอกสารอ้างอิง สํานักงานมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม. (2546) มาตรฐาน ณัฐดนัย ตัณฑวิรุฬห์, และสุวรรณ หอมหวน. 2554. ออกแบบและ ผลิตภัณฑ์ชุมชนไข่เยี่ยวม้า.แหล่งข้อมูล: http://tcps.tisi. สร้างอุปกรณ์สําหรับเร่งกระบวนการผลิตไข่เยี่ยวม้าในระดับ go.th/pub%5Ctcps149_46.pdf เข้าถึงเมื่อ 18/01/58 อุตสาหกรรม, การประชุมวิชาการ.วารสารวิทยาสาร Danny Pascale, A Review of RGB Color Space, The กําแพงแสน 9,1: 27-40. BabelColor Company, 2002-2003. 299
Chunbao Li, Peilei Shi, Chang Xu, Xinglian Xu, Guanghong Zhou. 2010. Tracing processes of rigor mortis and subsequent resolution of chicken breast muscle using a texture analyzer. J. Food Engineering. 100: 388â&#x20AC;&#x201C;391. Pettine, M., et al., Dissolved inorganic carbon effect in the determination of arsenic and chromium in mineral waters by inductively coupled plasma-mass spectrometry. Analytica Chimica Acta, 2007. 599: p. 191-198. Xiaotuo Wang, Zhenjiang Gao, Hongwei Xiao, Yaweisubsequent resolution of chicken breast muscle using a texture analyzer. J. Food Engineering. 100: 388â&#x20AC;&#x201C;391.
300
TPHF-04
การวิเคราะห์คุณภาพน้ํามันมะพร้าวผ่านกรรมวิธีและน้ํามันรําข้าวทอดซ้ําด้วยเนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี วสันต์ อินทร์ตา1*, พิมพ์เพ็ญ พรเฉลิมพงศ์1, ปานมนัส ศิริสมบูรณ์2 1
ภาควิชาวิศวกรรมอาหาร คณะวิศวกรรมศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง เลขที่ 1 ถนนฉลองกรุง แขวงลาดกระบัง เขตลาดกระบัง,กรุงเทพมหานคร,10520 2 หลักสูตรวิศวกรรมเกษตร ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง เลขที่ 1 ถนนฉลองกรุง แขวงลาดกระบัง เขตลาดกระบัง,กรุงเทพมหานคร,10520 ผู้เขียนติดต่อ: วสันต์ อินทร์ตา E-mail: deawkmitl@gmail.com
บทคัดย่อ วัตถุประสงค์บทความวิจัยนี้เพื่อศึกษาการวิเคราะห์คุณภาพน้ํามันทอดซ้ํา ในตัวอย่างน้ํามันมะพร้าวผ่านกรรมวิธีและน้ํามัน รําข้าว ด้วยเทคนิคเนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี (NIRS) เพื่อวิเคราะห์ค่าที่แสดงการเสื่อมคุณภาพของน้ํามันทอดซ้ํา ได้แก่ ปริมาณสาร โพลาร์ทั้งหมด (TPM) ปริมาณกรดไขมันอิสระ (FFA) และค่าเปอร์ออกไซด์ (PV) ใช้ช่วง Wavenumber ระหว่าง 12500-3600 cm-1 ด้วย เครื่อง FT-NIR Spectrometer โดยวิธีสะท้อนแบบแพร่ (Diffuse reflectance) สร้างแบบจําลองโดยใช้วิธี Partial least square (PLS) regression และวิธีการพิสูจน์แบบไขว้ ผลการทดลองให้ค่าสัมประสิทธิ์การตัดสินใจ (R2) ระหว่างค่าการทํานายด้วย NIR และค่าที่วัดได้ใน ห้องปฏิบัติการ สูงที่สุด และค่ารากที่สองของการพิสูจน์แบบไขว้ (RMSECV) ต่ําที่สุด ในตัวอย่างน้ํามันมะพร้าวผ่านกรรมวิธีทอดซ้ํา คือ 0.954, 0.8540 สําหรับปริมาณ TPM 0.956, 0.043 สําหรับปริมาณ FFA และ 0.978, 0.037 สําหรับค่า PV และในตัวอย่างน้ํามันรําข้าว ทอดซ้ํา คือ 0.972, 0.501 สําหรับปริมาณ TPM 0.927, 0.015 สําหรับปริมาณ FFA และ 0.983, 0.034 สําหรับค่า PV คําสําคัญ: เนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี, น้ํามันมะพร้าวผ่านกรรมวิธี, น้ํามันรําข้าว, ปริมาณกรดไขมันอิสระ, ค่าเปอร์ออกไซด์, ปริมาณสารโพลาร์ ทั้งหมด, น้ํามันทอดซ้ํา
Quality Evaluation of Used Refined coconut oil and Rice Bran oil by Near Infrared Spectroscopy Wasan INTA1*, Pimpen PORNCHALOEMPONG1, Panmanas SIRISOMBOON2 1
Departmen of Food Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok 10520, Thailand. 2 Curriculum of Agricultural Engineering,1Departmen of Machanical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang,Bangkok 10520, Thailand. Corresponding author: Wasan INTA. E-mail: deawkmitl@gmail.com
Abstract The aim of this research was to determine the quality of the used oil can be determined by three parameters, total polar compound (TPM), free fatty acid (FFA) and peroxide value (PV) of used refined coconut oil and rice bran oil using near infrared spectroscopy (NIRS). The samples were scanned with Fourier transform near infrared (FT-NIR) spectroscopy using wavenumber range 12500-3600 cm-1 (800-2778 nm). The calibration models were developed by partial least square (PLS) regression and validated by full cross validation. For the quality evaluation of used refined coconut oil, the coefficient of determination (R2) and root mean squared error of cross validation (RMSECV) of optimum model were found to be 0.954, 0.854 for TPM, 0.956, 0.043 for FFA and 0.978, 0.037 for PV. Similarly, R2 and RMSECV of optimum model for used rice bran oil wave found to be 0.972, 0.501 for TPM, 0.927, 0.015 for FFA and 0.983, 0.034 for PV. Keywords: Near Infrared Spectroscopy, refined coconut oil, rice bran oil, fatty acid, peroxide value, total polar compound, used frying Oil
301
1 บทนํา การทอด เป็นวิธีการที่นิยมใช้กันโดยทั่วไปในการเตรียมอาหาร เช่น ขนมขบเคี้ยว มันฝรั่งแผ่น โดนัท และเฟรนซ์ฟราย เป็นต้น เนื่ องจากเป็ นวิ ธี ที่ ง่ าย รวดเร็ ว และราคาไม่ แพง อาหารที่ ผ่ าน กระบวนการทอดมีกลิ่นที่เป็นเอกลักษณ์ สีสวย และมีเนื้อสัมผัส กรอบ การทอดจึ งเป็ นวิ ธี ที่ใช้ ตั้ งแต่ ระดั บครั วเรื อน ร้ านอาหาร ตลอดจนในระดับอุตสาหกรรม Choo Lum Ng et al. (2011); Wei-an Chen et al. (2012) น้ํามันหรือไขมันที่ใช้ทอดอาหารจํานวนหลายครั้งที่อุณหภูมิสูง อย่างต่อเนื่อง เป็นระยะเวลานาน และน้ํามันเมื่อสัมผัสออกซิเจน และน้ําที่ระเหยออกจากอาหารจึงทําให้เกิดปฏิกิริยาพื้นฐาน เช่น ปฏิ กิ ริ ยาไฮโดรไลซี ส ปฏิ กิ ริ ย าออกซิ เ ดชั น ที่ อุ ณ หภู มิ สู ง และ ปฏิกิริยาพอลิเมอร์ไรเซชัน เกิดสารประกอบที่แตกต่างกันมากกว่า 400 ชนิด โดย 220 ชนิดที่เป็นสารที่ระเหยได้ สารประกอบเคมีที่ เกิดขึ้น ได้แก่ กรดไขมันอิสระ แอลกอฮอล์ สารประกอบที่เป็นวง ไดเมอร์ และพอลิ เมอร์ ซึ่ งส่ งผลให้ คุ ณภาพน้ํ ามั นเสื่ อมลง เช่ น น้ํ ามั นมี สี ดํ าคล้ํ า มี กลิ่ นเหม็ นหื น จุ ดเกิ ดควั นต่ํ าลง มี ฟองมาก เหนียวหนืดขึ้น คุณค่าทางโภชนาการของน้ํามันลดลง และส่งผล เสียสุขภาพต่อมนุษย์ Choo Lum Ng et al. (2011) ปัจจัยที่มีผล ต่อการเร่งการเสื่ อมคุณภาพของน้ํ ามั นทอดซ้ํา ได้ แก่ อั ตราการ หมุนเวียนของน้ํามัน ระยะเวลาและอุณหภูมิที่ทอดอาหาร ความชื้น ในอาหาร ออกซิ เจนที่ สั มผั สกั บน้ํ ามั นในระหว่ างการทอดทอด อาหาร จํานวนครั้งของการทอด ปริมาณและชนิดของกรดไขมันไม่ อิ่มตัวในน้ํามันปริมาณน้ําเป็นต้น E. Choe and D.B. Min (2007) การตรวจสอบการเสื่อมเสียของน้ํามันทอดซ้ําถือเป็นสิ่งสําคัญ ต้องมีการควบคุมน้ํามันทอดอาหารเพื่อความปลอดภัยของผู้บริโภค และเป็นการควบคุมคุณภาพของอาหารทอด ทิพยเนตร (2551) วิ ธีการวั ดเพื่ อบ่ งบอกคุ ณภาพน้ํ ามั นทอดซ้ํ าในปั จจุ บั นแบ่ งตาม ขนาดของสถานประกอบการ เช่ น สถานประกอบการประเภท ร้านอาหารทั่วไป นิยมใช้ดัชนีบ่งบอกคุณภาพน้ํามันโดยการสังเกต การเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ เช่น สีที่คล้ําขึ้นของน้ํามัน การเกิด ฟอง ความหนืดที่เพิ่มขึ้น หรือรสชาติของอาหารที่เปลี่ยนแปลงไป ปัจฉิมาภรณ์ และคณะ (2549) ส่วนการวัดคุณภาพน้ํามันทอดใน โรงงานอุตสาหกรรมส่วนใหญ่นิยมใช้การตรวจวัดทางเคมี เช่น การ วัดปริมาณปริมาณสารโพลาร์ทั้งหมด กรดไขมันอิสระ และค่าเปอร์ ออกไซด์ เป็นต้น แต่การตรวจวัดทางเคมีเป็นวิธีการวัดที่สิ้นเปลือง สารเคมี แ ละค่ า ใช้ จ่ า ยในการวิ เ คราะห์ ต้ อ งวั ด โดยผู้ ที่ มี ค วาม เชี่ยวชาญ รวมทั้งใช้เวลานานในการวัด Jose A et al. (2007) เทคนิคเนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี (NIRS) เป็นเทคนิคที่ ยอมรั บ อย่ า งกว้ า งขวางในอุ ต สาหกรรมเกษตรและอาหาร ใช้ ตรวจสอบทํานายค่าปัจจัยคุณภาพของวัตถุดิบและผลิตภัณฑ์ของ
อาหารหลายชนิด สามารถวัดองค์ประกอบต่างๆ การวัดครั้งเดียว เป็นวิธีการตรวจสอบแบบไม่ทําลาย ไม่สร้างมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม และสามารถตรวจสอบได้ อย่ างรวดเร็ ว นอกจากนี้ เทคนิคเนี ยร์ อิ นฟราเรดสเปกโทรสโกปี เป็ นวิ ธีการวั ดในอุ ดมคติ สํ าหรั บการ แบ่งกลุ่มของคุณภาพอย่างรวดเร็ว ปานมนัส (2556); วิชัย และ คณะ (2552); Samira Kazemi et al. (2005) มีการพัฒนาการ ตรวจวัดด้วยวิธี NIRS ในการทํานายองค์ประกอบทางเคมีที่ เปลี่ยนไปของน้ํามันทอดซ้ํา เช่น การตรวจวัดปริมาณกรดไขมัน อิสระ ปริมาณสารโพลาร์ทั้งหมด และค่าเปอร์ออกไซด์ ในน้ํามัน ทอดอาหาร ในน้ํามันชนิดต่างๆ เช่น น้ํามันถั่วเหลือง น้ํามันมะกอก และน้ํามันพืชชนิดอื่นๆ แต่จากตรวจเอกสารงานวิจัยที่เกี่ยวข้องไม่ พบงานวิจัยใดที่ศึกษาการเปลี่ยนแปลงคุณภาพน้ํามันทอดซ้ําของ น้ํ ามั นมะพร้ าวผ่ านกรรมวิ ธี และน้ํ ามั นรํ าข้ าวที่ สั มพั นธ์ กั บการ ตรวจวัดด้วย NIRS ซึ่งเป็นน้ํามันที่กําลังได้รับความนิยมใช้ใน อุตสาหกรรมอาหารทอดของประเทศไทย ดังนั้นการศึกษานี้จึงเป็น การศึกษาเพื่อหาความเป็นไปได้ในการวัดคุณภาพน้ํามันทอดซ้ํา ได้ แก่ ปริ มาณกรดไขมั นอิ สระ ปริ มาณสารโพลาร์ ทั้งหมด และ ปริมาณเปอร์ออกไซด์ ในน้ํามันทั้ง 2 ชนิดด้วยเทคนิค NIRS และ เพื่อนําไปใช้เป็นเกณฑ์ในการพิจารณาคุณภาพน้ํามันทอดซ้ําโดยใช้ ดัชนีชี้วัดหลายตัวร่วมกัน 2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 ตัวอย่างน้ํามันทอดซ้ํา เก็บตัวอย่างน้ํามันทอดซ้ํา 2 ชนิด ได้แก่ น้ํามันรําข้าวยี่ห้อคิง ผลิตจากบริษัท น้ํามันบริโภคไทย จํากัด กรุงเทพมหานคร ประเทศ ไทย และน้ํามันมะพร้าวผ่านกรรมวิธียี่ห้อ เนเจอร์ไรฟ์ ผลิตจาก บริษัท Good Me จํากัด ทอดอาหารแบบน้ํามันท่วมที่อุณหภูมิ ระหว่าง 180–200°C เก็บตัวอย่างน้ํามันเริ่มต้นและน้ํามันที่ผ่าน กระบวนการทอดทุกๆ 30 นาที รวมจํานวน 60 ตัวอย่าง โดยเก็บ ตัวอย่างน้ํามันในขวดแก้วสีชาปิดสนิทปริมาตร 100 ml เก็บรักษา ในตู้แช่เยือกแข็งที่อุณหภูมิ -20°C ก่อนนําตัวอย่างมาตรวจ วิเคราะห์ 2.2 ปริมาณสารโพลาร์ทั้งหมด วัดค่าปริมาณสารโพลาร์ทั้งหมดในตัวอย่างน้ํามันทอดซ้ําด้วย อุปกรณ์ Cooking Oil Tester (รุ่น Testo 270, Germany) ทําการ สอบเที ยบอุ ปกรณ์ ด้ วยน้ํ ามั นที่ มี ค่ าปริ มาณสารโพลาร์ ทั้ งหมด เท่ากับร้อยละ 3.5 ± 0.5 (%TPM) วัดตัวอย่างขณะตัวอย่างมี อุณหภูมิมากกว่า 50°C ทําการวัดตัวอย่างจํานวนตัวอย่างละ 3 ซ้ํา 2.3 การวิเคราะห์ด้วยวิธีทางเคมี การวิ เคราะห์ คุ ณภาพน้ํ ามั นทางเคมี ตามวิ ธี การของ AOAC (1990) สําหรับการวัดปริมาณกรดไขมันอิสระ (Ca 5a-40) และ
302
ปริมาณเปอร์ออกไซด์ (Cd 8-53) ปริมาณกรดไขมันอิสระหาโดย การไทรเทรตกับสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์เข้มข้น 0.01 N และ สําหรับปริมาณเปอร์ออกไซด์ไทรเทรตกับสารละลายฟีนอฟทาลีน วิเคราะห์ตัวอย่างละ 3 ซ้ํา 2.4 การวัดสเปกตรัมของตัวอย่าง ตัวอย่างน้ํามันทอดซ้ําทั้ง 2 ชนิด ตรวจวัดตัวอย่างน้ํามันชนิด ละจํานวน 60 ตั วอย่ าง ด้ วยเครื่ อง FT-NIR spectrometer (Bruker, Germany) แสดงดัง Figure 1 ซึ่งการสแกนมีลักษณะการ วัดแบบ Diffuse Reflectance ที่ช่วงคลื่นระหว่าง 12500– 3600 cm-1 (800-2778 nm) จํานวนสแกนเพื่อหาสเปกตรัมเฉลี่ยเท่ากับ 64 สเปกตรัม ตรวจวัดทุก 16 cm-1 ก่อนสแกนเขย่าขวดตัวอย่าง เบาๆ เพื่ อ ให้ น้ํ า มั น เป็ น เนื้ อ เดี ย วกั น เทตั ว อย่ า งใส่ ใ นควอตซ์ ทรงกระบอก (Quarts) วางบนหน้าจอ โดยการทดลองทั้งหมด ดําเนินการที่อุณหภูมิ 25±2°C
แบบไขว้ (RMSECV) อัตราส่วนระหว่างค่าความผิดพลาดเฉลี่ยกับ ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐาน (RPD) และความผิดพลาด (Bias)
3 ผลและวิจารณ์ 3.1 ค่าทางเคมีที่ตรวจวัด TPM เกิดจากการแตกตัวของไตรกลีเซอไรด์ในน้ํามัน ใน ระหว่างการทอด น้ํามันจะเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง เช่น การเกิดออกซิเดชัน พอลิเมอร์ไรเซชัน และไฮโดรไลซิส เป็นต้ น Martina Hein et al. (1998) ปริมาณของ TPM ในน้ํามันทอดซ้ํา จะเพิ่มมากขึ้นตามระยะเวลาที่ให้ความร้อนแก่น้ํามัน Houhoula et al. (2002) โดยน้ํามันมะพร้าวผ่านกรรมวิธีที่ทดลองเมื่อทอด อย่างต่อเนื่องพบว่า ปริมาณเพิ่มสูงขึ้นถึงร้อยละ 44.5 ส่วนน้ํามัน รําข้ าวพบว่าปริ มาณเพิ่ มสู งขึ้นถึ งร้ อยละ 22.0 ซึ่งตามประกาศ กระทรวงสาธารณสุข (ฉบับที่ 283) พ.ศ.2547 เรื่อง กําหนด ปริมาณสารโพลาร์ในน้ํามันที่ใช้ทอดเพื่อจําหน่ายได้ให้มีปริมาณ สารโพลาร์ได้ไม่เกินร้อยละ 25 ของน้ําหนัก FFA จะมีการสะสมในน้ํามันเพิ่มขึ้นเมื่อทําการทอดอาหารอย่าง ต่อเนื่องเป็นระยะเวลานาน Che Man and Jaswir (2000); Tyagi and Vasishtha (1996) โดยน้ํามันมะพร้าวผ่านกรรมวิธีมีการ เปลี่ยนแปลงอยู่ในช่วงระหว่างร้อยละ 0.01 ถึง 0.80 ส่วนน้ํามันรํา ข้าวมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ในช่วงระหว่างร้อยละ 0.28 ถึง 0.62 ตาม ประกาศกระทรวงสาธารณสุขเกี่ยวกับคุณภาพน้ํามันปรุงอาหาร ใหม่ที่ผ่านกรมวิธีการผลิตต้องมีค่าความเป็นกรดไม่เกิน 0.6 การเปลี่ยนแปลงค่า PV เป็นค่าที่ใช้วัดอัตราการเกิดปฏิกิริยา ออกซิ เ ดชั น ของลิ พิ ด เกิ ด จากปฏิ กิ ริ ย าออกซิ เ ดชั น ระหว่ า ง ออกซิเจนกับกรดไขมันชนิดไม่อิ่มตัว ณ ตําแหน่งพันธะคู่ โดยน้ํามัน ทอดซ้ําทั้ง 2 ชนิด มีการเปลี่ยนแปลงค่าเปอร์ออกไซด์ระหว่างการ ทอดเพิ่มขึ้นช่วงแรกของการทอดหลังจากนั้นจะลดลงเมื่อทอดอย่าง Figure 1 Spectra measurement of sample by FT-NIR ต่อเนื่องจนคงที่ ซึ่งสอดคล้องกับผลการทดลองของ สุนิสา (2553) spectrometer. ที่ทดสอบคุณภาพน้ํามันรําข้าวและน้ํามันชนิดอื่นๆ ในการทอดไก่ 2.5 การวิเคราะห์ข้อมูลและการสร้างแบบจําลอง สเปกตรั มของตั วอย่ างถู กวิ เคราะห์ โดยใช้ โปรแกรม OPUS พบว่า เมื่อทอดอย่างค่า PV เพิ่มขึ้นในช่วงแรกและลดลงเมื่อทอด เวอร์ชัน 7.0 การสร้างแบบจําลองโดยใช้วิธี Partial least squares อย่างต่อเนื่องต่อเนื่องจนคงที่ จากประกาศกระทรวงสาธารณสุข (PLS) regression และวิธีการพิสูจน์แบบไขว้ (Cross validation) ฉบับที่ 205 (พ.ศ. 2543) เรื่อง น้ํามันและไขมัน มีค่าเปอร์ออกไซด์ ประเมิ น ความแม่ น ยํ า และเลื อ กแบบจํ า ลองที่ ดี ที่ สุ ด จากค่ า คิดเป็นมิลลิกรัมสมมูลย์ต่อน้ํามันและไขมัน 1 กิโลกรัมได้ไม่เกิน 10 สัมประสิทธิ์การตัดสินใจ (R2) ค่าเฉลี่ยกําลังสองของการทํานาย ข้อมูลทางเคมีที่ทําการตรวจวัดทั้งหมดแสดงใน Table 1
303
Table 1 Statical data of the chemical determination of used refined coconut oil and rice bran oil. Sample
Parameter
Refined coconut oil
Total polar material (%) Free fatty acid (%) Peroxcide Value (mg O2 kg-1) Total polar material (%) Free fatty acid (%) Peroxcide Value (mg O2 kg-1)
Rice bran oil
Number of samples 60 60 60 60 60 60
3.2 สเปกตรัมของตัวอย่าง สเปกตรั มที่ ได้ จากค่ าการดู ดกลื นแสงย่ า น NIR ช่ วง -1 Wavenumber ระหว่าง 12000-3600 cm พบว่า สเปกตรัมเฉลี่ย ของตัวอย่างน้ํามันทอดซ้ําทั้ง 2 ชนิด มีลักษณะสเปกตรัมใกล้เคียง กัน ที่พีคช่วง 5570-6195 cm-1 เช่น พีคของ C–H methyl C–H และที่พีคขนาดเล็กในช่วง 4860-4862 cm-1 เช่น พีคของ C–H aromatic C–H แสดงถึงสเปกตรัมที่เสื่อมคุณภาพของน้ํามันทอด ซ้ํา ซึ่งมีช่วงพีคที่ใกล้เคียงกับผลการทดลองของ Jose A. Gerde et al. (2011) และรวมถึง Büning-Pfaue and Kehraus (2001) ที่ รายงานว่า ช่วงพีคของน้ํามันเสื่อมเสียอยู่ในช่วง 5263-5556 cm-1 (1800-1900 nm) และ 4650-5000 cm-1 (2000-2150 nm) ตามลํ าดั บ สเปกตรั มเฉลี่ ยของน้ํ ามั นมะพร้ าวผ่ านกรรมวิ ธีและ น้ํามันรําข้าวที่ผ่านการทอดซ้ําถูกแสดงไว้ใน Figure 2
Figure 2 NIR spectra of used refined coconut oil and rice bran oil. 3.3 ผลการทํานายปริมาณ TPM ด้วย NIRS ค่าการทํานายและการเปรียบเทียบผลการทํานายด้วย NIRS และการวัดปริมาณ TPM โดยใช้อุปกรณ์ Cooking Oil Tester (รุ่น Testo 270) Figure 3a และ Figure 3b แสดงเส้นสมการ
Min 34.0 0.01 0.40 9.50 0.28 0.31
Values Max 44.50 0.80 15.97 22.20 0.62 12.96
Mean±SD 38.20±4.00 0.40±0.21 9.95±3.16 11.40±5.03 0.45±0.06 8.15±2.89
ถดถอยของน้ํามันมะพร้าวผ่านกรรมวิธีทอดซ้ํา จัดการสเปกตรัม เบื้องต้นของตัวอย่างด้วยวิธี Constant offset elimination และ น้ํ า มั น รํ าข้ าวที่ ผ่ า นการทอดซ้ํ า จั ดการสเปกตรั มเบื้ องต้ นของ ตัวอย่างด้วยวิธี Straight line subtraction ตามลําดับ ช่วงพีค สูงสุดของตัวอย่างน้ํามันทอดซ้ําถูกนํามาสร้างสมการอยู่ระหว่าง 6094-9404 cm-1 ซึ่งเป็นช่วงพีคของ 2 × C–H str.+ C–H def. สํ าหรั บน้ํ ามั นมะพร้ าวผ่ านกรรมวิ ธี ส่ วนน้ํ ามั นรํ าข้ าวที่ พี คช่ วง 4598-6102 cm-1 ซึ่งเป็นช่วงพีคของ C–H str. First overtone Osborne and Feam (1986) ผลการทํานายด้วย NIRS ให้ความ แม่นยําในระดับที่สามารถใช้ในการประยุกต์ใช้ส่วนใหญ่ รวมถึงการ ประกันคุณภาพในน้ํามันทอดซ้ําทั้ง 2 ชนิด Williams (2007) Figure 4a และ Figure 4b แสดงกราฟค่าระหว่าง Regression coefficient ของแบบจําลองที่ดีที่สุดของการทํานายปริมาณ TPM ของตั วอย่ างน้ํ ามั นทอดซ้ํ า ด้ วย NIRS ค่ าพี คสู งสุ ดที่ สั มพั นธ์ กั บ แบบจํ า ลองซึ่ ง ชี้ ใ ห้ เ ห็ น การสั่ น ของพั น ธะเคมี ข องตั ว อย่ า งซึ่ ง เรียงลําดับจาก Wavenumber ที่มีค่า Regression coefficient สูงสุดไปยังค่าที่น้อยกว่า พบว่าการสั่นสะเทือนของ N–H str. First overtone (6982 cm-1) มีผลสูงสุดต่อการทํานายปริมาณ TPM ของน้ํามันมะพร้าวผ่านกรรมวิธีทอดซ้ํา และการสั่นสะเทือนของ S–H str. First overtone (5735 cm-1) มีผลสูงสุดต่อการทํานาย ปริมาณ TPM ของน้ํามันรําข้าวทอดซ้ํา Figure 5a และ Figure 5b แสดงค่า X-loading ของแบบ จําลองที่ทํานายปริมาณ TPM ของตัวอย่างน้ํามันทอดซ้ําด้วย NIRS ค่าพีคสูงสุดที่สัมพันธ์กับแบบจําลองซึ่งชี้ให้เห็นการสั่นของพันธะ เคมี ของตั วอย่ างซึ่ งเรี ยงลํ าดั บจาก Wavenumber ที่ มี ค่ า X-loading สู งสุ ดไปยั งค่ าที่ น้ อยกว่ า พบว่ าการสั่ นสะเทื อนของ C–H str. First overtone (4946 cm-1) มีผลสูงสุดต่อการทํานาย ปริมาณ TPM ของน้ํามันมะพร้าวผ่านกรรมวิธีทอดซ้ํา และการ สั่นสะเทือนของ C–H str. First overtone (5797 cm-1) มีผลสูงสุด ต่อการทํานายปริมาณ TPM ของน้ํามันรําข้าวทอดซ้ํา
304
Table 2 Result of partial least square regression for total polar material of used oil samples using full cross validation. Sample
Rank
Refined coconut oil Rice bran oil
6 8
Pretreatment Constant offset elimination Straight line subtraction
a
2
R 0.954 0.972
validation RMSECV RPD 0.854 4.66 0.501 5.97
Bias -0.0226 0.0047
b
Figure 3 Comparison of the %TPM of used oil samples predicted by near infrared (NIR) spectroscopy (Y axis) and measured by cooking oil tester (X axis).
a
b
a
b
Figure 5 X-loading plot of %TPM of used oil samples model 305
3.4 ผลการทํานายปริมาณ FFA ด้วย NIRS ค่าการทํานายและการเปรียบเทียบผลการทํานายด้วย NIRS และการวัดปริมาณ FFA ด้วยวิธีการไทรเทรต แสดงเส้นสมการ ถดถอยของน้ํามันมะพร้าวผ่านกรรมวิธีทอดซ้ํา Figure 6a และ น้ํ า มั น รํ า ข้ า วที่ ผ่ า นการทอดซ้ํ า Figure 6b จั ด การสเปกตรั ม เบื้องต้นของตัวอย่างด้วยวิธี No spectral data preprossing และ Min-Max normalization ตามลําดับ ช่วงพีคสูงที่สุดของตัวอย่างที่ ถูกนํามาสร้างสมการอยู่ระหว่าง 7498-9404 cm-1 สําหรับน้ํามัน มะพร้าวผ่านกรรมวิธี ส่วนน้ํามันรําข้าวพีคช่วง 5592-7205 cm-1 ซึ่งเป็นช่วงพีคของ 2 × C–H str.+ C–H def. Osborne and Feam (1986) ผลการทํานายด้วย NIRS ความแม่นยําสามารถใช้ใน การประยุกต์ใช้ส่วนใหญ่ รวมถึงการประกันคุณภาพในน้ํามันทอด ซ้ําทั้ง 2 ชนิด Williams (2007) Figure 7a และ Figure 7b แสดงกราฟค่าระหว่าง Regression coefficient ของแบบจําลองที่ดีที่สุดของการทํานายปริมาณ FFA ของตั ว อย่ า งน้ํ า มั น ทอดซ้ํ า ด้ ว ย NIRS พี ค สู ง สุ ด ที่ สั ม พั น ธ์ กั บ
แบบจํ า ลอง ซึ่ ง ชี้ ให้ เห็ น การสั่ น ของพั น ธะเคมี ข องตั ว อย่ า งซึ่ ง เรียงลําดับจาก Wavenumber ที่มีค่า Regression coefficient สูงสุดไปยังค่าที่น้อยกว่า พบว่าการสั่นสะเทือนของ C–H str. second overtone (8749 cm-1) มีผลสูงสุดต่อการทํานายปริมาณ FFA ของน้ํามันมะพร้าวผ่านกรรมวิธีทอดซ้ํา และการสั่นสะเทือน ของ C–H str. First overtone (5865 cm-1) มีผลสูงสุดต่อการ ทํานายปริมาณ FFA ของน้ํามันรําข้าวทอดซ้ํา Figure 8a และ Figure 8b แสดงค่า X-loading ของ แบบจําลองที่ทํานายปริมาณ FFA ของตัวอย่างน้ํามันทอดซ้ําด้วย NIR พีคสูงสุดที่สัมพันธ์กับแบบจําลองซึ่งชี้ให้เห็นการสั่นของพันธะ เคมี ของตั วอย่ างซึ่ งเรี ยงลํ าดั บจาก Wavenumber ที่ มี ค่ า X-loading สูงสุดไปยังค่าที่น้อยกว่า พบว่าการสั่นสะเทือนของ C– H str. First overtone (5675 cm-1) มีผลสูงสุดต่อการทํานาย ปริมาณ FFA ของน้ํามันมะพร้าวผ่านกรรมวิธีทอดซ้ํา และการ สั่นสะเทือนของ C–H str. First overtone (5869 cm-1) มีผลสูงสุด ต่อการทํานายปริมาณ FFA ของน้ํามันรําข้าวทอดซ้ํา
Table 3 Result of partial least square regression for free fatty acid of used oil samples using full cross validation. Sample Refined coconut oil Rice bran oil
Rank 8 7
Pretreatment No spectral data preprossing Min-Max normalization
a
R2 0.956 0.927
validation RMSECV RPD 0.043 4.78 0.015 3.71
Bias 0.0013 -0.0001
b
Figure 6 Comparison of the %FFA of used oil samples predicted by near infrared (NIR) spectroscopy (Y axis) and measured by laboratory (X axis).
306
a
b
Figure 7 Regression coefficient plot of %FFA of used oil samples model.
a
b
Figure 8 X-loading plot of %FFA of used oil samples model. แบบจํ า ลอง ซึ่ ง ชี้ ให้ เห็ น การสั่ น ของพั น ธะเคมี ข องตั ว อย่ า งซึ่ ง 3.5 ผลการทํานายค่า PV ด้วย NIRS ค่าการทํานายและการเปรียบเทียบผลการทํานายด้วย NIRS เรียงลําดับจาก Wavenumber ที่มีค่า Regression coefficient และการวัดค่า PV ด้วยวิธีการไทรเทรต แสดงเส้นสมการถดถอย สูงสุดไปยังค่าที่น้อยกว่า พบว่าการสั่นสะเทือนของ O–H str. First ของน้ํามันมะพร้าวผ่านกรรมวิธีทอดซ้ํา Figure 9a และน้ํามันรํา overtone (7035 cm-1) มีผลสูงสุดต่อการทํานายค่า PV ของน้ํามัน ข้าวที่ ผ่านการทอดซ้ํา Figure 9b จั ดการสเปกตรัมเบื้องต้ นของ มะพร้าวผ่านกรรมวิธีทอดซ้ํา และการสั่นสะเทือนของ N–H sym. น้ํ ามั นมะพร้ าวผ่ านกรรมวิ ธี และน้ํ ามั นรํ าข้ าวด้ วยวิ ธี Min-Max Str. + amide II (4975 cm-1) มีผลสูงสุดต่อการทํานายค่า PV ของ normalization และ First derivative + MSC ตามลําดับ ช่วงพีค น้ํามันรําข้าวทอดซ้ํา สูงที่สุดของตัวอย่างน้ํามันทอดซ้ําถูกนํามาสร้างสมการอยู่ระหว่าง Figure 11a และ Figure 11b แสดงค่า X-loading ของ -1 6094-7506 cm สําหรับน้ํามันมะพร้าวผ่านกรรมวิธี ส่วนน้ํามันรํา แบบจําลองที่ทํานายค่า PV ของตัวอย่างน้ํามันทอดซ้ําด้วย NIRS ข้าวพีคช่วง 4242-5454 cm-1 ซึ่งเป็นช่วงพีคของ N–H str. First พีคสูงสุดที่สัมพันธ์กับแบบจําลองซึ่งชี้ให้เห็นการสั่นของพันธะเคมี overtone Osborne and Feam (1986) ผลการทํานาย PVด้วย ของตัวอย่างซึ่งเรียงลําดับจาก Wavenumber ที่มีค่า X-loading NIRS ความแม่นยําดีเยี่ยม ใช้ได้กับทุกการประยุกต์ใช้ในน้ํามันทอด สูงสุดไปยังค่าที่น้อยกว่า พบว่าการสั่นสะเทือนของ O–H str. First ซ้ําทั้ง 2 ชนิด Williams (2007) overtone (7020 cm-1) มีผลสูงสุดต่อการทํานายค่า PV ของน้ํามัน Figure 10a และ Figure 10b แสดงกราฟค่ าระหว่ าง มะพร้าวผ่านกรรมวิธีทอดซ้ํา และการสั่นสะเทือนของ N–H sym. Regression coefficient ของแบบจําลองที่ดีที่สุดของการทํานาย Str. + amide II (4970 cm-1) มีผลสูงสุดต่อการทํานายค่า PV ของ ค่า PV ของตัวอย่างน้ํามันทอดซ้ํา ด้วย NIRS พีคสูงสุดที่สัมพันธ์กับ น้ํามันรําข้าวทอดซ้ํา 307
Table 4 Result of partial least square regression for peroxide value of used oil samples using full cross validation. Sample Refined coconut oil Rice bran oil
Rank
Pretreatment
3 8
Min-Max normalization First derivative + MSC
a
2
R 0.978 0.983
validation RMSECV RPD 0.037 6.72 0.034 7.55
Bias -0.0013 -0.0001
b
-1
Figure 9 Comparison of the PV (meq O2 kg ) of used oil samples predicted by near infrared (NIR) spectroscopy (Y axis) and measured by laboratory (X axis).
a
b
-1
Figure 10 Regression coefficient plot of PV (meq O2 kg ) of used oil samples model.
a
b
-1
Figure 11 X-loading plot of PV (meq O2 kg ) of used oil samples model. 308
Houhoula D.P., Oreopoulou V. and Tzia C. 2002. A kinetic 4 สรุป study of oil deterioration during frying and a ผลที่ได้จากการศึกษาครั้งนี้ แสดงให้เห็นว่ามีความเป็นไปได้ใน comparison with heating. J. Am. Oil Chem 79, 133การประยุกต์ใช้ NIRS ในการตรวจวัดคุณภาพน้ํามันทอดซ้ําทั้ง 2 137. ชนิ ด ได้ แก่ น้ํ ามั นมะพร้ าวผ่ านกรรมวิ ธี และน้ํ ามั น รํ าข้ าว ซึ่ ง สามารถตรวจวัดปริมาณสารโพลาร์ทั้งหมด ปริมาณกรดไขมันอิสระ Jose A. Gerde, Connie L. Hardy, Charles R. Hurburgh Jr and Pamela J. White. 2007. Rapid Determination in และค่าเปอร์ออกไซด์ แทนวิ ธีการแบบดั้งเดิมที่มีขั้นตอนยุ่งยาก frying Oils with Near-Infrared Spectroscopy. Journal of สิ้นเปลืองสารเคมี และค่าใช้จ่าย แต่งานวิจัยนี้ควรมีตัวอย่างมากขึ้น the American oil Chemists 84, 519-522. สําหรับพัฒนาแบบจําลองที่ครอบคลุมและใช้งานได้จริง Martina Hein, Hariette Henning and Heinz-Dieter Isengard. 5 เอกสารอ้างอิง 1998. Determination of total polar parts with new ทิพยเนตร อริยปิติพันธ์. 2558. อันตรายของน้าํ มันทอดซ้ํา. methods for the quality survey of frying fats and oils. แหล่งข้อมูล: http://www.Nutritionthailand.or./ Talanta 42, 447-454. scripts/natmagazine_content.asp. เข้าถึงเมื่อ 14 มิถุนายน Osborne, B.G., Fearn and T. 1986. Near Infrared 2559. Spectroscopy in Food Analysis. (1st Ed.). UK: Longman ปัจฉิมาภรณ์ อุดมคุณ และคณะ. 2549. ดัชนีชี้วัดคุณภาพน้ํามันที่ Science and Technical. เหมาะสมสําหรับการประเมินคุณภาพน้ํามันทอด. การประชุม Samira Kazemi, Ning Wang, Michael Ngadi and Shiv O. ทางวิชาการของมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ ครัง้ ที่ 44 สาขา Prasher. 2005. Evaluation of Frying Oil Quality Using อุตสาหกรรมเกษตร สาขาเศรษฐศาสตร์ สาขาบริหารธุรกิจ, VIS/NIR Hyperspectral Analysis. Agricultural Engineering 35-45. กรุงเทพฯ: มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์. International 7, 1-12. ปานมนัส ศิริสมบูรณ์. 2558. เทคโนโลยีเนียร์อินฟราเรดสเปกโทรส Tyagi V.K., and Vasishtha A.K. 1996. Changes in the โกปีสําหรับผลิตภัณฑ์เกษตรและอาหาร ตอนที่ 1. แหล่งข้อมูล: characteristics and composition of oils during deep-fat http://www.foodnetworksolution.com frying. J. Am. Oil Chem 73, 499-506. /new_and_article/0298. เข้าถึงเมื่อ 14 มิถุนายน 2559. WEI-AN CHEN, CHIWWEI P. CHIU, WEI-CHIH CHENG, CHAOAOAC American Oil Chemists’ Society. 1990. The official KAI HSU and MENG-I KUO. 2013. Total Polar methods methods and recommended practices. (4th Compounds and Acid Values of Repeatedly Used ed.), Champaign, IL.: AOCS. Flying Oils Measured by Standard and Rapid Methods. Büning-Pfaue, H., Kehraus, and S. 2001. Application of Journal of Food Drug Analysis 21, 58-65. near infrared spectroscopy (NIRS) in the analysis of Williams, P. 2007. Near-Infrared Tecnology-Gutting the frying fats. EUr.J.Lipid Sci. Technol 103, 793-797. Best Out of Light. (5th Ed.). Canada: PDK Grain.5 Che Man Y.B. and Jaswir I. 2000. Effact or rosemary and sage extracts on frying performance of refined, bleached and deodorized (RBD) plam olein during deep-fat frying. Food Chem 69, 301-307. Choo Lum Ng, Randy L. Wehling and Susan L. Cuppett. 2011. Near-Infrared Spectroscopic Determination of Degradation in Vegetable Oils Used to Fly Varios Foods. Juurnal of Agricultural and Food Chemistry 59, 12286-12290. E. CHOE and D.B. MIN. 2007. Chemistry of Deep-fat Frying Oils. Journal of food Science 72, 77-86. 309
TPHF-05
ผลกระทบของปัจจัยการสกัดต่อสารพอลิแซ็กคาไรด์และสารประกอบฟีนอลลิกทั้งหมดจากเห็ดหูหนูดํา ปทุมภรณ์ มะโนวรรณ์1*, มาฤดี ผ่องพิพัฒน์พงศ์1, ลัดดา วัฒนศิริธรรม2 1
ภาควิชาวิศวกรรมอาหาร คณะวิศวกรรมศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง, กรุงเทพมหานคร, 10520 2 ฝ่ายเคมีและกายภาพอาหาร สถาบันค้นคว้าและพัฒนาผลิตภัณฑ์อาหาร มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์, กรุงเทพมหานคร, 10903 ผู้เขียนติดต่อ: ปทุมภรณ์ มะโนวรรณ์ E-mail: phueng.manowan@gmail.com
บทคัดย่อ เห็ดหูหนูดําเป็นเห็ดที่มีราคาถูก แต่ประกอบด้วยสารพอลิแซ็กคาไรด์ที่มีคุณค่าทางโภชนาการในปริมาณสูงและมีฤทธิ์ทาง เภสัชวิทยา งานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาวิธีการสกัดสารพอลิแซ็กคาไรด์จากเห็ดหูหนูดําด้วยคลื่นอัลตร้าโซนิค และศึกษาถึง ผลกระทบของปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับการสกัดต่อคุณสมบัติของสารสกัดที่ได้ เช่น ปริมาณสารพอลิแซ็คคาไรด์ สารประกอบฟีนอลลิก ทั้งหมด และค่าสีของสารสกัดเห็ด การศึกษานี้ใช้น้ําเป็นตัวกลางการสกัดและใช้คลื่นอัลตร้าโซนิคที่ความถี่ 45 kHz อัตราส่วนของเห็ด ต่อน้ําเท่ากับ 1:20 โดยน้ําหนัก ส่วนปัจจัยที่ศึกษาประกอบด้วย ขนาดเห็ด อุณหภูมิ และระยะเวลาการสกัด การทดลองอาศัยแผนการ ทดลองลองแบบบ๊อกซ์-เบห์นเคน จากการศึกษาพบว่าปัจจัยที่ส่งผลกระทบต่อปริมาณสารพอลิแซ็คคาไรด์สูงสุดคืออุณหภูมิการสกัด ส่วนระยะสกัดและขนาดเห็ดมีผลรองลงมาตามลําดับ ปริมาณสารพอลิแซ็กคาไรด์ที่ได้สูงสุดมีค่า 16.55 g 100g-1เห็ดหูหนูแห้ง โดยทํา การสกัดที่สภาวะขนาดเห็ด 0.40 mm อุณหภูมิการสกัด 75 °C และเวลาการสกัด 6 hr. นอกจากนั้นพบว่าเมื่อเพิ่มระยะเวลาการสกัด มีผลให้ปริมาณสารประกอบฟีนอลลิกทั้งหมดที่ได้เพิ่มสูงขึ้น ขณะที่การเพิ่มอุณหภูมิการสกัดทําให้ปริมาณสารประกอบฟีนอลลิก ทั้งหมดลดลง คําสําคัญ: เห็ดหูหนูดํา, พอลิแซ็กคาไรด์, การสกัด, เห็ด, อัลตร้าโซนิค
Effect of Extraction Parameters on Polysaccharide and Total Phenolic Content from Auricularia Polytricha Patumporn Manowan1*, Maradee Phongpipatpong1, Ladda Wattanasiritham2 1
Department of Food Engineering Faculty of Engineering, King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok, 10520 2 Food Analytical Chemistry Institute of Food Research and Product development, Kasetsart University, Bangkok, 10903 Corresponding author: Patumporn Manowan. E-mail: phueng.manowan@gmail.com
Abstract Auricularia polytricha (A. polytricha) is considered to be an inexpensive mushroom but it contains high amounts of polysaccharides which have pharmacological properties that benefit for health. The objective of this study was to investigate the effects of extraction parameters, including size, extraction temperature and time, on the characteristics of the extract from A.polytricha. The extraction was performed in an ultrasonic bath with 45 kHz and water was employed as solvent with the solid to solvent ratio of 1:20. The experiment trials were conducted based on Box-Behnken design and the extracts were analyzed for polysaccharides and total phenolic content and color. The results showed that the most significant effect on polysaccharides content was extraction temperature, while extraction time and size showed respectively effect. The maximum amount of polysaccharide was 16.55 g per 100 g of A.polytricha found at the extraction condition of 0.400 mm in size, 75°C and 6 hr. It was also found that an increase in extraction time provided an increase in polyphenol content, whereas an increase in extraction temperature caused a decrease in total phenolic content. Keywords: Auricularia Polytricha, Polysaccharide, Extraction, Mushroom, Ultrasonic
310
1 บทนํา เห็ ด เป็ น สารอาหารที่ มี คุ ณ ค่ า ทางโภชนาการสู ง และมี สารประกอบที่มีฤทธิ์ทางด้านเภสัชวิทยา สามารถต้านจุลินทรีย์และ ไวรัส ต้ านการเกิ ดเนื้ องอก ต้านภู มิแพ้ มี การนําไปใช้ เป็นยาแก้ อักเสบ ป้องกันระบบหลอดเลือดแข็งตัว ช่วยลดน้ําตาลในกระแส เลือด ป้องกันสารพิษแก่ตับ เห็ดจึงเป็นที่นิยมมากต่อการบริโภค และนํามาใช้ในงานด้านเภสัชกรรมโดยเฉพาะในแถบประเทศเอเชีย (Lindequist, et al., 2005 and Xu, et al., 2011) สารประกอบ สําคัญในเห็ดที่มีฤทธิ์ทางเภสัชวิทยาคือสารพอลิแซ็กคาไรด์ เห็ดแต่ ละชนิดมีฤทธิ์ทางเภสัชวิทยาที่ต่างกัน (Zhang, et al., 2007) พอ ลิแซ็กคาไรด์ที่มีอยู่ในเห็ดมีลักษณะเป็นไบโอโพลิเมอร์ เช่น กลุ่ม เบต้ากลูแคน หรือเฮทเทอร์โรพอลิแซ็กคาไรด์ ซึ่งเป็นที่นิยมนํามา บริโภคเป็นอาหารเพื่อสุขภาพและจําหน่ายทางการค้าเพื่อแสดง คุณสมบัติต้านมะเร็ง สร้างภูมิคุ้มกันเป็นต้น (Giavasi, 2014) ประเทศไทยมีสภาพภูมิอากาศแบบร้อนชื้น มีความหลากหลาย ในทรัพยากรเห็ดเป็นอย่างมาก เช่น เห็ดฟาง เห็ดนางรม เห็ดนางรม เห็ดนางฟ้า เห็ดเป๋าฮื้อ เห็ดหูหนู เห็ดยานางิ เห็ดหลินจือ เห็ดเข็ม เงิ นเห็ ดเข็ มทอง เป็ นต้ น เห็ ดมี ลั กษณะของดอก ก้ านดอก และ ผลผลิต เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ ความชื้นสัมพัทธ์ และแสง ซึ่ง เห็ดแต่ละชนิดที่ปริมาณการปลูกและราคาการจําหน่ายที่แตกต่าง กัน สําหรับเห็ดหูหนูดําจัดว่าเป็นเห็ดเศรษฐกิจของประเทศอย่าง หนึ่ง มีราคาจําหน่ายเห็ดสดประมาณ 29.67 Baht Kg-1 และ จําหน่ายเห็ดแห้งประมาณ 400 Baht Kg-1 ซึ่งเห็ดชนิดนี้มีราคา จําหน่ายต่ําสุดเมื่อเปรียบเทียบกับเห็ดชนิดอื่น อีกทั้งยังสามารถให้ ผลผลิ ต ได้ ต ลอดทั้ ง ปี ยิ่ ง กว่ า นั้ น เห็ ด หู ห นู ดํ า ยั ง มี คุ ณ ค่ า ทาง โภชนาการสูง ประกอบด้วย คาร์โบไฮเดรต กรดอะมิโน แร่ธาตุและ วิตามิน จึงมีการนํามาแปรรูปเป็นอาหารที่หลากหลายชนิดและใน เห็ ดหู หนู ดํ าเมื่ อนํ าสกั ดแยกส่ วนประกอบออกมาพบว่ า มี พอลิ แซ็กคาไรด์ที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพรวมทั้งฤทธิ์เภสัชวิทยาเช่น ภาวะ น้ําตาลในเลือดต่ํา มีฤทธิ์ต้านการแข็งตัวของเลือด มีฤทธิ์ต้านเนื้อ งอกและสร้างภูมิคุ้มกันโรคต่างๆ อีกทั้งพอลิแซ็กคาไรด์ยังมีฤทธิ์ ต้านอนุมูลอิสระอีกด้วย (Zeng, et al., 2012) ดังนั้นจึงควรได้มี การส่งเสริมเพื่อนําเห็ดหูหนูดํามาใช้ประโยชน์เพื่อสุขภาพและนํามา แปรรูปเพื่อเพิ่มมูลค่าให้กับเห็ดหูหนูดํามากขึ้น การสกัดเป็นการแปรรูปวิธีหนึ่งที่นํามาใช้ในการสกัด สารสําคัญ ออกจากวัตถุดิบ การสกัดอาศัยต้องอาศัยตัวทําละลายที่เหมาะสม โดยทั่วไปการสกัดสารประกอบที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพจากอาหารและ ผลิตผลจากธรรมชาติด้วยวิธีแบบดั้งเดิม เช่น การสกัดแบบไหลวน หรือSoxhlet และการแช่ หรือMaceration ซึ่งใช้เวลาการสกัดที่ นานใช้ ป ริ ม าณตั วทํ าละลายที่ ม ากและต้ น ทุ น สู ง มี ก ารพั ฒ นา เทคนิ คใหม่ เข้ า มาช่ ว ยในการสกั ด เช่ น การนํ า คลื่ น อั ล ตร้ า โซ
นิคหรือคลื่นไมโครเวฟเข้ามาช่วยในการสกัด รวมทั้งการใช้ความดัน สูงช่วยการสกัด ซึ่งมีข้อได้เปรียบกว่าวิธีการสกัดแบบดั้งเดิม ใน ด้ า นระยะเวลาสกั ดที่ สั้ น ลง ใช้ และใช้ ตั วทํ า ละลายที่ น้ อยกว่ า นอกจากนั้ น ยั ง มี ร ายงานการสกั ด ด้ ว ยคลื่ น อั ล ตร้ า โซนิ ค มี ข้ อ ได้เปรียบสําคัญคือมีต้นทุนการผลิตต่ํากว่าวิธีอื่น (Angela and Meireless, 2009 and Dong, et al., 2014) การนําคลื่นอัลตร้าโซ นิคมาช่ วยในการสกั ดอาศัยคลื่นเสี ยงที่ มีความถี่ ในช่ วง 20-100 kHZ เนื่องจากคลื่นอัลตร้าโซนิคช่วยทําให้ตัวทําละลายสามารถ แทรกซึมเข้าไปในวัสดุที่นํามาสกัดได้ดียิ่งขึ้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพ การถ่ายเทมวลสารเพิ่มสูงขึ้น ปัจจุบันมีการนําคลื่นอัลตร้าโซนิค มา ประยุ กต์ ใช้ ในอุ ตสาหกรรมอาหารเพิ่ มมากขึ้ น เช่ น ใช้ เร่ งการ ปฏิกิริยาการเกิดออกซิเดชัน ปฏิกิริยาการบ่มของผลิตภัณฑ์หมัก กระบวนการสเตอริไลซ์ การสกัด การตกผลึก เป็นต้น (Mason and Lorimer, 1988) แต่อย่างไรก็ตามการนําคลื่นอัลตร้าโซนิคมา ประยุ กต์ ใช้ ในการแปรรู ปอาหารให้ เกิ ดประโยชน์ จํ าเป็ นต้ องมี ความรู้ความเข้าใจถึงผลกระทบของปัจจัยที่เกี่ยวข้องต่อการใช้งาน เป็นสําคัญ ดังนั้นในงานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาวิธีการสกัดสาร พอลิ แซ็ กคาไรด์ ด้วยคลื่ นอั ลตร้ าโซนิ คและศึกษาผลกระทบของ ปั จจั ยการสกั ดต่ อปริ มาณสารพอลิ แซ็ กคาไรด์ ปริ มาณฟี นอลิ ก ทั้งหมด และค่าสีของสารสกัดทีได้จากเห็ดหูหนูดํา 2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 การเตรียมวัตถุดิบ เห็ดหูหนูดํา (A. polytricha) ที่ใช้ในการศึกษาเป็นเห็ดหูหนูสด จากฟาร์มในเครือของกรมวิชาการเกษตร กรุงเทพมหานคร นํามา ล้างและอบแห้งด้วยตู้อบลมร้อน ที่อุณหภูมิ 60 ◦C เป็นเวลา 11 hr. หลังจากนั้นนําเห็ดหูหนูดําแห้งที่ได้ มาลดขนาดด้วยเครื่องบด แบบ Hammer Mill แล้วร่อนผ่านตะแกรงขนาด 20 40 60 mesh (หรือขนาดอนุภาคเฉลี่ย 0.841 0.4 0.25 mm) ตามลําดับ ตัวอย่ างที่ผ่ านการลดขนาดถู กเก็บในถุงพลาสติกโพลีเอธิ ลินปิ ด สนิทที่อุณหภูมิ 4 °C ก่อนนํามาใช้ในการสกัด 2.2 ขั้นตอนการสกัดด้วยคลื่นอัลตร้าโซนิค นําเห็ดหูหนูดําแห้งที่บดแล้วมาเติมน้ําที่อัตราส่วนเห็ดหูหนูดํา แห้ง:น้ํา 1:20 โดยน้ําหนัก จากนั้นนํามาปั่นผสมด้วยเครื่องผสม แบบโฮโมจิไนซ์ (Ultra – turrax T25, Ika group, Germany) ที่ ความเร็ว 13,500 rpm เป็นเวลา 2 min ก่อนนํามาสกัดด้วยเครื่อง อัลตร้าโซนิค (Crest model-2800P, Crest ultrasonic Co., Ltd., Thailand) ที่ความถี่ 45 kHz ปรับค่าอุณหภูมิและเวลาตาม แผนการทดลอง (แสดงในข้อ 2.3) เมื่อสิ้นสุดกระบวนการสกัด นําไปปั่นเหวี่ยงด้วยเครื่องเซนติฟิวส์(Kubota3700, Kubota
311
corporation, Tokyo) ที่ความเร็วรอบ 10,000 g เป็นเวลา 30 min แยกส่วนใสใส่ขวดแก้วเก็บรักษาที่อุณหภูมิ 4°C ก่อนนําไปวิเคราะห์ คุณสมบัติสารสกัดที่ได้ 2.3 แผนการทดลอง การทดลองเพื่อศึกษาผลกระทบของปัจจัยการสกัดเห็ดหูหนูดํา ด้วยคลื่ นอัลตร้าโซนิ ก ใช้ แผนการทดลองแบบบ๊ อกซ์ -เบห์ นเคน (Box-Behnken) ปัจจัยที่ศึกษาประกอบด้วย 3 ปัจจัย คือ อุณหภูมิ การสกัด เวลาการสกัด และขนาดของเห็ดหูหนูดําแห้ง แต่ละปัจจัย แบ่งเป็น 3 ระดับ(แสดงในตารางที่ 1) ตารางที่ 1 ปัจจัยและระดับของปัจจัยที่ใช้ในการทดลอง ระดับ
ปัจจัย อุณหภูมิการสกัด (°C) ขนาดของเห็ดหูหนูแห้ง(mm) ระยะเวลาในการสกัด (hr.)
X1 X2 X3
-1 45 0.84 3.0
0 60 0.40 4.5
1 75 0.25 6.0
2.4 การวิเคราะห์คุณสมบัติของสารสกัดจากเห็ดหูหนูดํา 2.4.1 ปริมาณพอลิแซ็กคาไรด์ (Dubois, et al., 1956) นําสารสกัดที่ได้ 500 μl ผสมกับสารละลายฟีนอล 5% 500 μl จากนั้นเติมกรดซัลฟูริกเข้มข้น 2.5 ml ผสมให้เข้ากันด้วย Vortex mixer จากนั้นทิ้งไว้ที่อุณหภูมิห้องเป็นเวลา 10 min นําไปวัดการ ดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่น 490 nm คํานวณปริมาณพอลิแซ็กคา ไรด์ที่ได้โดยเปรียบเทียบกับกราฟของสารละลายกลูโคสมาตรฐาน 2.4.2 สารประกอบฟีนอลิกทั้งหมด (Ozyurek, et al., 2014) นําสารสกัดที่ได้ 100 μl ผสมกับ 0.2 N Folin -Cioalteu 625 μl จากนั้นเติมน้ํากลั่น 340 μl นําไปผสมให้เข้ากันด้วย Vortex mixer และทิ้งไว้ที่อุณหภูมิห้อง 8 min จากนั้นเติม 7.5%NaHCO3 500 μl เขย่าและบ่มที่อุณหภูมิ 40°C เป็นเวลา 30นาที และทิ้งให้ เย็นที่อุณหภูมิห้อง จากนั้นนําไปวัดการดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่น
765 nm คํานวณปริมาณพอลิฟีนอลทั้งหมดที่ได้โดยเปรียบเทียบ กับกราฟของสารละลายกรดแกลลิกมาตรฐาน 2.4.3 ค่าสี วิเคราะห์โดยใช้เครื่องวัดสี Colorimeter (Tri - Stirnulus Colori - meter) โดยวิเคราะห์ค่า L* คือค่าความสว่าง, a*คือค่า แทนสีแดง- สีเขียว และ b*คือค่าแทนสีเหลือง-สีน้ําเงิน ทํา 3 ซ้ํา 2.5 การวิเคราะห์ผลการทดลองทางสถิติ ผลการทดลองที่ได้นํามาวิเคราะห์พื้นผิวตอบสนองและอาศัย สมการโพลีโนเมียลอันดับสอง เพื่ออธิบายความสัมพันธ์ระหว่างตัว แปรที่ศึกษากับคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ ดังนี้ β0+β1X1+β2X2+β3X3+β11 + β22 +β33 + (1) β12X1X2+β13X1X3+β23X2X3 เมื่อ xi คือ ปัจจัยที่ศึกษา (x1 = อุณหภูมิการสกัด, x2= ขนาดของ เห็ดหูหนูดํา, x3 = ระยะเวลาการสกัด) y คือคุณสมบัติของสารสกัดที่ได้ (เช่น ปริมาณพอลิแซ็กคาไรด์ สารประกอบฟีนอลลิกทั้งหมด ค่าสี L*,a*,b*) βi คือ สัมประสิทธิ์ของค่าตัวแปรในสมการ 3 ผลการทดลองและวิจารณ์ จากการวิ เ คราะห์ พ บว่ า เห็ ด หู ห นู ส ดมี ค่ า ความชื้ น 85.7% หลังจากการอบแห้งเป็นระยะเวลา 11 hrs ปริมาณความชื้นลดลง เหลือ 1.2 ก่อนนําไปบดลดขนาดและคัดขนาดด้วยตะแกรงร่อน มาตรฐาน 20 40 และ 60 mesh ได้เป็นขนาดอนุภาคเฉลี่ย 0.841 0.4 0.25 mm ตามลําดับ เมื่อนําตัวอย่างเห็ดหูหนูดําแห้งที่ผ่าน การบดมาทําการสกั ดด้วยคลื่นอั ลตร้ าโซนิคโดยผ่านตัวกลางน้ํ า และนําสารสกัดที่ได้ไปวิเคราะห์ค่าคุณสมบัติต่าง ผลการทดลองที่ ได้แสดงในตารางที่ 2
ตารางที่ 2 ผลการวิเคราะห์สารสกัดจากเห็ดหูหนูดําด้วยคลื่นอัลตร้าโซนิคที่สภาวะต่างๆ ลําดับ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
ปัจจัยที่ศึกษา x1 x2 45 0.84 45 0.25 75 0.84 75 0.25 45 0.40 45 0.40 75 0.40 75 0.40 60 0.84 45 0.84 45 0.25
x3 4.5 4.5 4.5 4.5 3.0 6.0 3.0 6.0 3.0 4.5 4.5
ปริมาณพอลิแซ็กคาไรด์ (g 100g-1) 5.89 6.00 11.64 11.76 4.16 3.07 10.45 16.55 6.90 6.89 7.83
สารประกอบฟีนอลลิก ทั้งหมด(mg g-1) 1.94 2.17 1.17 1.44 1.40 1.62 1.28 1.14 1.38 1.74 1.31
312
L* 69.69 76.26 74.11 70.94 68.83 78.33 70.78 67.50 80.76 67.11 73.07
ค่าสี a* 4.42 1.58 1.23 1.22 4.27 -1.31 1.27 2.06 -0.81 2.90 1.60
b* 20.66 16.65 17.09 16.10 20.89 19.60 17.41 18.10 10.61 19.42 16.75
ลําดับ 12 13 14 15
ปัจจัยที่ศึกษา x1 x2 75 0.84 75 0.25 45 0.40 45 0.40
x3 4.5 4.5 3.0 6.0
สารประกอบฟีนอลลิก ทั้งหมด(mg g-1) 1.79 1.42 1.28 1.66
ปริมาณพอลิแซ็กคาไรด์ (g 100g-1) 8.70 6.01 7.02 6.34
L* 76.94 83.81 78.96 78.80
ค่าสี a* 0.65 -1.48 -0.10 0.26
b* 16.09 7.77 13.63 14.13
เมื่อนํามาวิเคราะห์ ความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ ในรูปแบบ และผลทางสถิติที่ได้แสดงในตารางที่ 3 ค่าสหสัมพันธ์ทางสถิติที่ได้ สมการโพลีโนเมียลอันดับสอง (สมการที่ 1) ค่าสัมประสิทธิ์ตัวแปร อยู่ในเกณฑ์ดี ตารางที่ 3 ค่าสัมประสิทธิ์ของตัวแปรในสมการโพลีโนเมียลอันดับสองที่ใช้อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างค่าตัวแปรกับตัวแปรตอบสนอง ค่าสัมประสิทธิข์ องตัวแปร
ปริมาณพอลิแซ็กคาไรด์ สารประกอบฟีนอลลิก (g 100g-1) ทั้งหมด(mg g-1) 40.0104 1.1502 β0 -0.9418 -0.0016 β1 -5.2473 -3.5407 β2 -0.0928 0.7288 β3 0.0074 0.0001 β11 13.2572 3.6237 β22 0.0001 -0.0480 β33 -0.1028 -0.0129 β12 -0.0159 0.0347 β23 0.0013 -0.0040 β13 R2 0.9364 0.7780 S.E. 1.4461 0.2316 p-value ** * หมายเหตุ สัญลักษณ์แสดงนัยสําคัญทางสถิติ *สําหรับ p<0.1, **สําหรับ p<0.05
3.1 ปริมาณพอลิแซ็กคาไรด์ ผลวิเคราะห์ปริมาณพอลิแซ็กคาไรด์ที่ได้จากสารสกัดจากเห็ดหู หนูดํามีค่าอยู่ในช่วง 3.06 – 16.55 กรัมต่อ100 กรัมเห็ดหูหนูดํา แห้ง (แสดงในรูปที่ 1) จากการศึกษาพบว่าการเพิ่มอุณหภูมิการ สกัดมีผลให้ปริมาณพอลิแซ็กคาไรด์ที่สกัดได้มีค่าเพิ่มมากขึ้นอย่างมี นัยสําคัญ ขณะที่การเพิ่มระยะเวลาการสกัดในช่วง 3-6 hrโดยใช้ อุ ณ หภู มิ ก ารสกั ด ที่ ค่ า ต่ํ า ในช่ ว ง 45-60oC ไม่ ส่ ง ผลกระทบต่ อ ปริมาณสารพอลิแซ็กคาไรด์ที่ได้มากนัก แต่เมื่อใช้อุณหภูมิการสกัด ที่สูงขึ้นมากกว่า 60oC พบว่าเมื่อใช้ระยะเวลาการสกัดเพิ่มขึ้น มีผล ให้ได้ปริมาณพอลิแซ็กคาไรด์เพิ่มมากขึ้นด้วย ส่วนผลของขนาดเห็ด พบว่ าเมื่ อใช้ ขนาดเห็ ดที่ เล็ กลงมี ผลให้ ได้ ปริ มาณของสารพอลิ แซ็กคาไรด์เพิ่มขึ้นเล็กน้อย ดังแสดงในรูปที่ 1 ปริมาณพอลิแซ็กคา ไรด์ที่ได้สูงสุดมีค่า 16.55 กรัมต่อ 100 กรัมเห็ดหูหนูดําแห้ง โดย ทําการสกัดด้วยคลื่นอัลตร้าโซนิกที่อุณหภูมิ 75oC เป็นเวลา 6 hr ซึ่งสอดคล้องกับรายงานวิจัยของJiangwei, et al. (2011) ที่พบว่า
L* -85.7973 3.1813 43.7377 28.2132 -0.0242 -30.0936 -1.6541 0.5888 -10.7947 -0.1420 0.9371 2.1728 **
ค่าสี a* 54.5020 -1.0654 -16.4622 -7.9361 0.0068 13.1056 0.2189 -0.1909 3.2792 0.0708 0.8502 1.1498 *
b* 128.3567 -2.5252 -35.2970 -13.9535 0.0201 16.8525 1.1665 -0.1413 5.8474 0.0220 0.8083 2.6500 *
อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในช่วงในช่วงอุณหภูมิ 60 – 80°C ส่งผลให้ ปริมาณพอลิแซ็กคาไรด์เพิ่มขึ้นและเมื่ออุณหภูมิ 90 -100 °C ไม่มี ผลกระทบต่อปริมาณพอลิแซ็กคาไรด์ที่สกัดได้ 3.2 ปริมาณสารประกอบฟีนอลิกทั้งหมด ผลการวิเคราะห์สารประกอบฟีนอลลิกทั้งหมดที่สกัดได้พบว่ามี ค่าอยู่ในช่วง1.14 – 2.17 มิลลิกรัมสมมูลย์ของแกลลิคต่อกรัมเห็ดหู หนูดําแห้ง จากการศึกษาพบว่าเมื่อเพิ่มอุณหภูมิการสกัดมีผลให้ ปริมาณสารฟีนอลลิกที่ได้มีค่าลดลง ซึ่งได้ผลตรงกันข้ามกับปริมาณ สารพอลิ แซ็ กคาไรด์ ที่มีค่ าเพิ่ มขึ้ น ทั้ งนี้ การเพิ่มอุ ณหภู มิภายใต้ สภาพการสั่นสะเทือนจากปรากฎการณ์แคปวิเทชั่นของคลื่นอัลตร้า ซาวน์อาจส่งผลให้สารประกอบฟีนอลลิกเกิดการสลายตัวง่ายขึ้น ปริ ม าณฟี น อลลิ ก ที่ ไ ด้ จึ ง มี ค่ า ลดลง แต่ อ ย่ า งไรก็ ต ามการเพิ่ ม ระยะเวลาการสกั ดมี ผ ลให้ ส ารประกอบฟี น อลลิ ก มี ค่ า เพิ่ มขึ้ น ขณะที่การลดขนาดของเห็ดมีผลให้ได้ปริมาณสารประกอบฟีนอล ลิกเพิ่มขึ้น (ดังแสดงในรูปที่ 2) ปริมาณสารประกอบฟีนอลลิก
313
ทั้งหมดที่ได้มีค่าสูงสุด 2.17 มิลลิกรัมสมมูลย์ของแกลลิคต่อกรัม เห็ดหูหนูดําแห้ง เกิดขึ้นที่สภาวะการสกัดเมื่อใช้เห็ดหูหนูดําที่ มี ขนาดเล็ก 0.25 mm อุณหภูมิการสกัดที่ 45oC เป็นระยะเวลา 6 hr.
รูปที่ 1 กราฟความสัมพันธ์อุณหภูมิการสกัด เวลาการสกัดและ ปริมาณพอลิแซ็กคาไรด์ที่สกัดได้: 1-a) เห็ดหูหนูดําแห้ง ขนาด 0.25 mm, 1-b) เห็ดหูหนูดําแห้งขนาด 0.40 mm และ 1-c)เห็ดหูหนูดําแห้งขนาด 0.84 mm 3.3 ค่าสี ค่าสามารถแสดงแสดงเป็นค่า L*, a* และ b* จากการทดลอง พบว่าการเปลี่ยนแปลงของสีในสารสกัดส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากค่า L* (ความสว่าง) และค่า b* (ความเป็นสีเหลือง) เป็นสําคัญ ค่า a* (ความเป็นสีแดง) มีการเปลี่ยนแปลงไม่มากนัก ผลการวิเคราะห์ค่า ความสว่าง (L*) ของสารสกัดจากเห็ดหูหนูดําทีได้ มีค่าอยู่ในช่วง 60.65 ถึ ง 83.61 และค่ าความเป็ นสี เหลื องอยู่ ในช่ วง 7.77 ถึ ง
20.89 ดังแสดงในรูปที่ 3 ซึ่งจากรูป 3-a แสดงให้เห็นว่าเมื่อเพิ่ม อุณหภูมิส่งผลให้เกิดความเปลี่ยนแปลงค่าความสว่างลดลง ในขณะ ที่ การเพิ่ มระยะเวลาการสกั ด ไม่ ค่ อยส่ ง ผลกระทบต่ อค่ า ความ เปลี่ยนแปลงของค่าความสว่างของสารสกัดที่ได้อย่างมีนัยสําคัญ และในรูป 3 –b แสดงให้เห็นว่าเมื่อเราเพิ่มอุณหภูมิทําให้ค่าความ เป็นสีเหลืองลดลง ในขณะที่เมื่อเพิ่มเวลาในช่วง 45 – 60 °C มี ผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงค่าความเป็นสีเหลืองเพียงเล็กน้อย แต่เมื่อเพิ่มเวลาในช่วงอุณหภูมิ 60 – 70 °C ทําให้ค่าความเป็นสี เหลืองลดลง ดังนั้นเนื่องจากแนวโน้มของผู้บริโภคต้องการให้สีของ ผลิตภัณฑ์ออกน้ําตาลดํา ดังนั้นสภาวะการสกัดที่ให้ค่าสีเข้มและ ออกน้ํ าตาลดํ า คื อ เมื่ อใช้ เห็ ดหู หนู ดํ าที่ มี ขนาดเล็ ก 0.84 mm อุณหภูมิการสกัดที่ 75°C เป็นระยะเวลา 6 hr
รูปที่ 2 กราฟความสัมพันธ์ขนาดของเห็ดหูหนูดําแห้ง เวลาการ สกัดและสารประกอบฟีนอลลิกทั้งหมดที่สกัดได้:
314
of Sugars and Related Substances. Analytical Chemistry, 350-356. Dong, Z., Gu, F., Xu, F. and Wang, Q. 2014. Comparison of four kinds of extraction techniques and kinetics of microwave-assisted extraction of vanilla planifolia Andrews. Food Chemistry, 54-61. Giavasis, L. 2014. Bioactive fungal polysaccharides as potential functional ingredients in food and nutraceuticals. Current Opinion in Biotechnology, 162173. Jiangwei, M., Zengyong, Q. and Xia, X. 2011. Optimisation of extraction procedurece for black fungus polysaccharides and effect of the polysaccharides on blood lipid and myocardium antioxidant enzymes activities. Carbohydrate Polymers, 1061-1068. Lindequist, U., Niedermeyer, T.H.J and Julich, W.D. 2005. The Pharmacological Potential of mushrooms. eCAM 3, 285-299. Mason, T.J and Lorimer, J.P. 1988. Sonochemistry: theory, applications and uses of ultrasound in chemistry, 137 รูปที่ 3 กราฟความสัมพันธ์อุณหภูมิการสกัด เวลาการสกัดและ -150. ค่าสีที่สกัดได้ :3-a) ค่าสีความสว่าง และ 3-b) ค่าสีเหลือง Ozyurek, M., Bener, M., Guclu, K. and Apak, R. 2014. Antioxidant/antiradical properties of microwave4 สรุป assisted extracts of three wild edible mushrooms. ในการสกัดพอลิแซคคาร์ไรด์จากเห็ดหูหนูดํา พบว่าปัจจัยที่มี Food Chemistry, 323-331. ผลต่อการสกัดมากที่สุด คืออุณหภูมิการสกัด ส่วนระยะเวลาการ สกัดและขนาดของเห็ดหูหนูดํามีผลรองลงมาตามลําดับ สําหรับ Tao, Y., Zhang, Z. and Sun, D.W. 2014. Kinectic modeling of ultrasound-assisted extraction of phenolic สารประกอบฟี น อลลิ ก ทั้ ง หมด พบว่ าปั จ จั ย ที่ ส่ ง ผลต่ อ compounds from grape marc: Influence of acoustic สารประกอบฟีนอลลิกคือ ระยะเวลาการสกัดและขนาดของเห็ดหู energy density. Ultrasonics Sonochemistry, 1461-1469. หนู ดํา การเพิ่ มอุ ณหภู มิสกั ดมี ผลให้ ปริ มาณสารฟี นอลลิ กลดลง Xu, X., Yan, H., Chen, J. and Zhang, X. 2011. The อย่างมีนัยสําคัญ ซึ่งสภาวะการสกัดเห็ดหูหนูดําที่ให้ปริมาณสารพอ Bioactive proteins from mushrooms. Biotechnology ลิแซ็กคาไรด์สูงสุด เกิดขึ้นที่สภาวะการสกัดด้วยคลื่นอัลตร้าโซนิคที่ Advances, 667-674. ความถี่ 45 kHz ใช้เห็ดที่มีขนาด 0.40 mm. อัตราส่วนน้ําต่อเห็ดหู Zeng, W.C., Zhang, Z., Gao, H., Jia L.R. and Chen, W.Y. หนูแห้ง 1:20 โดยน้ําหนัก อุณหภูมิสกัดที่ 75°C เป็นเวลา 6 hr. 2012. Characteriazation of antioxidant polysaccharides from Auricularia auricular using microwave-assisted 5 เอกสารอ้างอิง extraction. Carbohydrate Polymers, 694-700. Angela, M. and Meireless, A. 2009. Extracting Bioactive Zhang, M., Cui, S.W., Cheung, C.P.K. and Wang, Q. 2007. Compounds for Food Products: Theory and Antitumor polysaccharides from mushrooms: a review Applications 2, 137-211. on their isolation process, structural characteristics Dubois, M., Gilles, K.A., Hamiltion, J.K., Rebers, P.A. and and antitumor activity. Trends in Food Science & Smith, F. 1956. Colorimetric Method for Determination Technology18, 4-19. 2-a) เห็ดหูหนูดําแห้งขนาด 0.25 mm, 2-b) เห็ดหูหนูดําแห้ง ขนาด 0.40 mm
315
TPHF-06
การศึกษาการอบแห้งยางแผ่นด้วยลมร้อนในอุโมงค์ลมแบบเปิด ภูชิสส์ ตันวาณิชกุล1*, กฤช ตราชู2 1
หน่วยวิจัยและตรวจสอบคุณภาพผลผลิตเกษตรและอาหารแบบไม่ทําลาย, สาขาวิศวกรรมหลังการเก็บเกี่ยวและแปรสภาพ, คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลอีสาน วิทยาเขตขอนแก่น, จังหวัดขอนแก่น , 40000 2 สาขาวิชาเทคโนโลยีอุตสาหการ, คณะครุศาสตร์อุตสาหกรรม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลอีสาน วิทยาเขตขอนแก่น, จังหวัดขอนแก่น, 40000 ผู้เขียนติดต่อ: ภูชิสส์ ตันวาณิชกุล E-mail: dr.bhuchiss@gmail.com
บทคัดย่อ การศึกษาการอบแห้ง ยางแผ่น ด้ ว ยลมร้อนภายในอุ โมงค์ ลมแบบเปิ ด มี วัตถุ ประสงค์ เพื่อศึ กษาความสัมพั นธ์ ระหว่ า ง อุณหภูมิลมร้อน ความเร็วลม ความชื้นยางแผ่น และเวลาที่ใช้ในการอบแห้ง ในการทดลองแผ่นยางถูกแขวนในแนวตั้งขนานไปกับ ทิศทางลมภายในอุโมงค์ลมแบบปลายเปิดสองด้าน อากาศแวดล้อมภายนอกถูกดูดเข้าอุโมงค์ลมด้วยพัดลม ความเร็วลมในการทดลอง ถูกควบคุมที่ 0.6 m/s และ 0.9 m/s โดยประมาณ ภายในอุโมงค์ลมติดตั้งฮีทเตอร์แบบแท่งเพื่อทําอากาศร้อน อุณหภูมิลมร้อน ทดสอบควบคุมอยู่ที่ 45oC, 55oC และ 65oC ตามลําดับ เครื่องชั่งดิจิตอลถูกติดตั้งภายในอุโมงค์ลมเพื่อบันทึกน้ําหนักยางตลอด ระยะเวลาการทดลอง ผลการทดลองพบว่า แผ่นยางสดที่ผลิตจากสวนจะมีความชื้นเริ่มต้นประมาณ 30% ความชื้นสมดุลน้อยกว่า 2% ในการ ทดสอบพบอัตราการอบแห้งคงที่ อัตราการอบแห้งแบบลดลงในช่วงแรกและช่วงสอง อัตราการอบแห้งแปรผันตามอุณหภูมิอบแห้ง ระยะเวลาที่ใช้ในการอบแห้งแปรผกผันต่อความเร็วลม การอบแห้งที่ความเร็วลมสูงจะส่งผลทําให้อัตราการอบแห้งลดลงในช่วงแรก เป็นไปอย่างรวดเร็ว เมื่อความชื้นสัมพัทธ์อากาศสูงจะทําให้ความชื้นจะย้อนกลับเข้าไปเพิ่มน้ําหนักให้แก่ยางแผ่นได้ ผลจากการคํานวณตามแบบจําลองทางคณิตศาสตร์พบว่า การลดลงของความชื้นสอดคล้องกับการลดลงของความชื้นจาก การทดลองทั้งช่วงอัตราการอบแห้งลดลงช่วงแรกและช่วงสอง นอกจากนี้ค่าสัมประสิทธ์การแพร่ของความชื้นแปรผันตามอุณหภูมิ อบแห้ง คําสําคัญ: แบบจําลองทางคณิตศาสตร์, การอบแห้งด้วยลมร้อน, ค่าสัมประสิทธ์การแพร่
The Study of Natural Rubber Hot Air Drying in Open Wind Tunnel Bhuchiss Tanwanichkul1*, Krit Tashoo2 1
Center of Research and Product Non-Destructive Testing, Post-Harvest and Processing Engineering, Faculty of Engineering, Rajamangala University of Technology Isan, Khonkaen Campus, Thailand, 40000. 2 Department of Industrial Technology, Faculty of Technical Education, Rajamangala University of Technology Isan, Khonkaen Campus, Thailand, 40000. Corresponding author: Bhuchiss Tanwanichkul. E-mail: dr.bhuchiss@gmail.com
Abstract The study of natural rubber hot air drying in open tunnel, the objective is to study the relationship between air temperatures, air velocity, rubber moisture and drying time. In experiments, rubber sheet are hang in vertical and parallel with air flow direction in a wind tunnel with open sides. External (ambient) air is sucked into the wind tunnel with blower. The air velocity in the experiments was controlled at 0.6 m/s and 0.9 m/s approximately. Rod Heaters were installed in wind tunnel for heating drying air. Air temperature was controlled at 45oC, 55oC and 65oC respectively. Digital balancing scale was installed inside the wind tunnel for weight collecting during the experiment.
316
The results showed that the initial moisture content of fresh rubber sheet produced from plant is about 3% and equilibrium moisture content is less than 2%. The constant drying rate, the first falling and second falling rate were found in the experiment. The drying rate is proportional to the drying temperature. The drying time is inversely proportional to the wind speed. Drying at high wind speeds will effects to the early period of the drying, the rubber moisture is fast decrease. In high relative air humidity condition, the moisture diffuses back into the rubber sheet and weight increase. The mathematical model was formed from relationship of factors. It was found that reducing humidity levels from the model were corresponded to the ones from experiments in both first and second drying stages. Furthermore, diffusion coefficient varies to drying temperature. Keywords: Mathematical model, Hot air drying, Diffusion coefficient
1 บทนํา ยางพารามีบทบาทสําคัญต่อชีวิตความเป็นอยู่ของชาวสวนยาง ของประเทศไทยและยังเป็นพืชเศรษฐกิจที่รัฐบาลประกาศให้เป็น พืชยุทธศาสตร์สําคัญของการพัฒนาประเทศ ซึ่งประเทศไทยเป็น 1 ใน 3 ของผู้ผลิตยางพารารายใหญ่ของโลก (อินโดนีเซีย ไทย และ มาเลเซีย) ในปี พ.ศ. 2557 ทั้งสามประเทศมีเนื้อที่ปลูกประมาณ 46.72 ล้านไร่ หรือคิดเป็น 60% ของพื้นที่ปลูกของโลก และมี ผลผลิตประมาณ 8.21 ล้านตันหรือคิดเป็น 67% ของผลผลิตทั้ง โลก ในขณะที่ประเทศไทยผลิตยางได้ 4.20 ล้านตัน (สถานการณ์ สินค้าเกษตรที่สําคัญและแนวโน้มปี, 2558) หนึ่งในการแปรรูปที่ สําคัญคือ ยางแผ่นรมควัน ซึ่งเป็นวิธีการอบแห้งในโรงรมควันโดย การใช้ไม้ฟืนเป็นแหล่งเชื้อเพลิง ปัญหาของการผลิตแผ่นยางรมควัน ที่พบในประเทศไทยคือ แผ่นยางแห้งช้ากว่าปกติ มีราขึ้นบนแผ่น ยางรมควัน มีฟองพุพองเล็ก ๆ หรือมีฟองอากาศใหญ่ บนแผ่นยาง มีจุดด่างดํา สกปรก มีสีสนิม บนแผ่นยาง รวมถึงแผ่นยางสีคล้ํ า เหนี ยวและเยิ้ ม ซึ่ งปัญหาดั งกล่ าวข้ างต้ น เกิ ดจากกระบวนการ ตั้งแต่การผลิตยางแผ่นดิบ จนถึงกระบวนการรมควันภายในโรง รมควัน (เสาวนีย์ ก่อวุฒิกุลรังสี, 2541) สําหรับการศึกษาปัญหา จากการรมควัน ไพโรจน์ คีรีรัตน์ (2545-46) ทําการศึกษาการ รมควันของโรงรมสหกรณ์กองทุนสวนยางบางแห่งจากทั้งหมด 669 โรงทั่วประเทศ พอจะประเมินได้ว่า การรมควันยางแผ่นปัจจุบันมี ประสิทธิภาพการใช้ความร้อนเพียง 10% เท่านั้น จึงจําเป็นต้อง ปรั บปรุ งเพื่ อเพิ่ มประสิ ทธิ ภาพ ดั งนั้ นการศึ กษาจลศาสตร์ การ อบแห้งแผ่นยางจึงมีความสําคัญต่อการปรับปรุงกระบวนการผลิต ให้มีประสิทธิภาพ การรมควั นยางแผ่ นมี ลั กษณะเป็ นการอบแห้ งแบบชั้ นบาง (Thin layer drying) ซึ่งงานวิจัยเกี่ยวข้องวัสดุด้านการเกษตร โดย ทําการทดสอบอยู่ในช่วงอุณหภูมิ 50oC - 70oC ล้วนมีแบบจําลอง ทางคณิ ตศาสตร์ของอัตราส่วนความชื้นแปรผั นตามฟั งก์ ชันเอ็ ก โปเนนเชียล Ibrahim Doymaz (2006) ทําการศึกษาการอบแห้ง มะเขือเทศ โดยแบ่งการอบแห้งออกเป็นสองชุด ได้ค่าสัมประสิทธิ์
การแพร่มีค่าเท่ากับ 5.65-7.53x10-10m2s-1 สําหรับมะเขือเทศแช่ สารละลาย และ 3.91-6.65x10-10m2s-1 สําหรับมะเขือธรรมดา ผล จากแบบจําลองของ Page สอดคล้องผลการทดลองที่สุด (Ibrahim Doymaz et al, 2005) ในขณะที่การอบใบพลาสลี่ พบว่า แบบจําลองคณิตศาสตร์ของ Midilli and Kucuk อธิบายได้ สอดคล้องกับการทดลองมากที่สุด โดยอุณหภูมิที่ดีที่สุดสําหรับสี ใบพลาสลี่จากการอบแห้งเท่ากับ 60oC สําหรับ Nalan A. Akgun and Ibrahim Doymaz (2004) ทําการอบ Olive cake จาก ความชื้นเริ่มต้น 44.78±0.5% มาตรฐานเปียก เหลือเพียง 5% มาตรฐานเปียก โดยใช้อุณหภูมิอบแห้ง 50oC - 110oC พบว่า แบบจํ า ลองทางคณิ ต ศาสตร์ ที่ ดี ที่ สุ ด ในการอธิ บ ายอั ต ราส่ ว น ความชื้นคือ Logarithm Model ขณะที่มีการศึกษาการอบแห้ง Green beans ด้วยลมร้อน พบว่าแบบจําลองคณิตศาสตร์ที่อธิบาย ดีที่สุดคือ แบบจําลองของ (Page Ibrahim Doymaz, 2004) วัตถุประสงค์ของงานศึกษาเพื่อศึกษาจลศาสตร์การอบแห้งแผ่น ยางด้วยลมร้อนเพื่ออธิบายอัตราการลดลงของความชื้นในแผ่นยาง ที่ อุ ณ หภู มิ แ ละความชื้ น สั มพั ทธ์ จะได้ ตั วแปรในการอบแห้ ง ที่ เหมาะสมสําหรับยางแผ่น 2 อุโมงค์ลมและวิธีการทดสอบ 2.1 อุโมงค์ลมทดสอบการอบแห้งและอุปกรณ์ประกอบ ในการศึ ก ษาการอบแห้ ง ของแผ่ น ยางกระทํ า ในอุ โ มงค์ ล ม ทดสอบ อุโมงค์ลมที่ใช้ในการทดสอบมีขนาดพื้นที่หน้าตัด 5050 cm2 ทําจากสังกะสีแผ่นพับขึ้นรูป ปลายด้านหนึ่งติดตั้งพัดลมดูด อากาศซึ่งสามารถปรับความถี่การหมุนของใบพัดได้ ส่วนปลายอีก ด้ านหนึ่ งติ ดตั้ งฮี ทเตอร์ ช นิ ดครี บเพื่ อแลกเปลี่ ยนความร้ อนแก่ อากาศขนาด 9,000 วัตต์ โดยมีการติดตั้งชุดควบคุมอุณหภูมิ อากาศ ภายในมีชุดจัดระเบียบลม (Straightener) ติดตั้งไว้ภายใน จํานวน 2 ชุด เพื่อลดความปั่นป่วนของอากาศภายใน ดัง Figure 1
317
Figure 1 Open wind tunnel with instruments for drying application in the experiment บริเวณทดสอบภายในอุโมงค์ลมติดตั้งเครื่องชั่งดิจิตอลเพื่อทํา การบั น ทึ ก น้ํ า หนั ก ตลอดช่ ว งเวลาการทดสอบด้ ว ยระบบ คอมพิวเตอร์ พิกัดสูงสุดของน้ําหนักเครื่องชั่ง 5 kg ที่ความละเอียด 1 g สําหรับการวัดอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศ ได้ใช้ เทอร์โมคัปเปิลชนิด K เชื่อมต่อเข้ากับเครื่องวัด/บันทึกอุณหภูมิ (Temperature Data Logger) การวัดอุณหภูมิอากาศนั้นสามารถ ทําการวัดได้โดยตรง ขณะที่การวัดความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศ ทํา ได้โดยวัดอุณหภูมิกระเปาะเปียกและอุณหภูมิกระเปาะแห้งแล้วทํา การแปลงเป็ น ความชื้ น สั ม พั ท ธ์ ไ ด้ โ ดยการใช้ Psychrometric Chart หรือการคํานวณได้โดยสมการของคุณสมบัติอากาศชื้น 2.2 วิธีการทดสอบและการเตรียมวัสดุ ในกระบวนการทดสอบ ยางแผ่ น สดจากสวนยางถู ก แบ่ ง ออกเป็ นสองส่ วน ส่ วนแรกนํ ามาตั ดเป็ นแผ่ นขนาด 20x20 cm. จํานวน 4 แผ่น เพื่อทําการทดสอบในอุโมงค์ลม แผ่นยางถูกแขวน ในแนวตั้งไว้กับโครงซึ่งติดตั้งบนเครื่องชั่งดิจิตอล ซึ่งทําการบันทึก น้ําหนักยางตลอดเวลาการทดสอบ โดยแขวนในลักษณะขนานกับ ทิศทางการเคลื่อนที่ของลม หยุดการทดสอบเมื่อน้ําหนักยางแผ่น ทดสอบไม่เปลี่ยนแปลง ยางส่วนที่สองสําหรับหาความชื้นเริ่มต้น โดยทําการตัดยางให้ เป็ น ชิ้ น เล็ ก ขนาดประมาณ 5x5 mm2 บรรจุ เ ต็ ม ในกระป๋ อ ง อะลูมิเนียมทดสอบความชื้น จํานวน 3 กระป๋อง แล้วนําไปอบด้วย ตู้อบความชื้นที่อุณหภูมิ 103C เป็นเวลา 72 h โดยก่อนและหลัง เข้าตู้อบความชื้น ทําการชั่งน้ําหนักยางด้วย เครื่องชั่งดิจิตอล พิกัด สูงสุด 1.5 kg ที่ความละเอียด 0.01 g เพื่อคํานวณหาความชื้น เริ่มต้นโดยทําการเฉลี่ยจากกระป๋องทั้งหมด 3 แบบจําลองคณิตศาสตร์ 3.1 ความชื้นและอัตราการอบแห้งยางแผ่น จากการทดลองพบอัตราการอบแห้งลดลงสองช่วง คือ อัตรา การอบแห้งลดลงช่วงแรก (First falling rate period) และอัตรา การอบแห้งช่วงที่สอง (Second falling rate period) โดยอัตรา การอบแห้งลดลงช่วงแรกนั้น เกิดจากการแพร่ของน้ําจากภายใน
แผ่นยางเคลื่อนที่มาถึงที่ผิวและเกิดการระเหยของน้ําออก อัตรา การระเหยของน้ําขึ้นอยู่กับกลไกการพามวลระหว่างพื้นผิวของแผ่น ยางกับอากาศอบแห้ง สําหรับอัตราการอบแห้งลดลงช่วงที่สอง การ เคลื่อนที่ของน้ําจะถูกควบคุมโดยการแพร่แต่เพียงอย่างเดียวและ ถือว่าความต้านทานของการถ่ายเทมวลที่ผิวมีค่าน้อยมาก ดังนั้น ความชื้นที่ผิวจะเข้าสู่สมดุลกับอากาศแวดล้อมที่ใช้ในการอบแห้ง ในงานวิจัยนี้สมมติค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของความชื้นในช่วงอัตรา การอบแห้งลดลงทั้งสองช่วงมีค่าคงที่และสามารถอธิบายกลไกการ เคลื่อนที่ของน้ําโดยใช้กฏข้อที่สองของ Fick ด้วยยางแผ่นมีลักษณะ เป็นแผ่นบาง สามารถเขียนได้ดังสมการที่ (1) M 2M D 2 t x
(1)
การถ่ายเทมวลของน้ําจากผิวแผ่นยางสู่อากาศ สามารถคํานวณ อัตราการแพร่ความชื้นที่ผิวของแผ่นยาง โดยสมการที่ (2) D
M k (M S M eq ) x
(2)
เนื่องจากยางมีลักษณะเป็นแผ่นบาง (Slab) และขณะอบแห้ง เนื้อยางมีการหดตัวน้อย จึงไม่พิจารณาการหดตัวในการคํานวณ แบบจํ า ลองใช้ ก ารวิ เ คราะห์ เ ชิ ง ตั ว เลขด้ ว ยเทคนิ ค Finite difference ในการแก้ปัญหา
Figure 2 Scheme of layer division (Rubber slab) for Diffusion coefficient calculation จาก Figure 2 กําหนดตําแหน่งศูนย์กลางและตําแหน่งผิวนอก สุดของแผ่นยาง คือ x0 และ L ตามลําดับ โดยแบ่งจํานวน node ออกเป็น i 0 ถึง i N โดยระยะระหว่างหนึ่ง node มีค่า เท่ากับ x ความชื้นเริ่มต้นได้จากการทดสอบยางแผ่นจากตู้อบความชื้น นํามากําหนดเงื่อนไขขอบเขตเริ่มต้น เป็นดังสมการที่ (3) M ( x,0) M in (3) การเปลี่ยนแปลงความชื้นที่ node ที่ i 1 ถึง N 1 ที่เวลา ใดๆ ภายในเนื้อยางแผ่นหาได้จากสมการ (1) เมื่อเขียนในรูปของ
318
central finite difference จะได้ดังสมการที่ (4) และใช้วิธี Explicit Solution มาแก้ปัญหา โดยกําหนดให้อัตราส่วนของ ∆ ∆ มีค่าน้อย กว่า 0.5 Dt M i ,t 1 M i ,t 2 ( M i 1,t 2 M i ,t M i 1,t ) (4) x ความชื้นที่ node ที่ i N หรือที่ตําแหน่งผิวนอกสุดแผ่นยาง สามารถหาได้ จากสมการที่ (2) โดยเขี ยนในรู ปของ finite difference ได้ดังสมการที่ (5) M i ,t 1
kx M eq D kx ( 1) D
M i 1,t
(5)
คํ านวณใกล้ เคี ยงกั บค่ าที่ ได้ จากการทดลอง ซึ่ งพิ จารณาจากค่ า Mean residual square มีค่าน้อยกว่า 0.02 จึงจะถือได้ว่าค่า สัมประสิทธิ์การแพร่เป็นค่าที่ยอมรับได้ โดยค่า Mean residual square : MRS คํานวณได้ดังนี้ (model experiment) 2 MRS (10) n เมื่อ n = จํานวนผลการทดลองความชื้น 3.2 สัมประสิทธิ์การถ่ายเทมวล (Mass transfer coefficient) พิจารณาคุณสมบัติของอากาศร้อน สมการการถ่ายเทมวลแบบ บังคับสําหรับแผ่นกว้าง (Finite slab) (11) Sh 0.664 Re1/ 2 Sc1/ 3
บริ เ วณจุ ด ศู น ย์ ก ลางของแผ่ น ยาง x0 สามารถหาค่ า การ เปลี่ยนแปลงของความชื้นที่ตําแหน่ง i 0 ที่เวลาใดๆ ได้จาก สมการที่ (1) ให้อยู่ในรูปของ finite difference ได้ดังนี้ M 0,t 1 M 0,t
2 Dt
x 2
( M 1,t M 0,t )
(6)
สมการ (4), (5) และ (6) สามารถทํานายการเปลี่ยนแปลง ความชื้นที่ตําแหน่งต่างๆ ( i 0 ถึง i N ) ณ ที่เวลาใดๆ ค่าความชื้นเฉลี่ยที่เกิดขึ้นภายในยางแผ่นซึ่งสามารถหาได้ด้วย สมการต่อไปนี้ M
1 M i ,t dx L
(7)
สมการ (7) สามารถใช้เทคนิคอินทริเกรตเพื่อหาค่าเฉลี่ยโดยใช้ วิธี Trapezoidal method ได้ดังสมการที่ (8) M
M 0 ,t 1 h( M 2,t M 3,t 2 L M N ,t ... M N 1,t ) 2
vL Sc Di
(12)
Re
(13)
จากค่ าเรย์ โนลด์ Re และค่ าชมิด Sc จากสมการ (12-13) ตามลําดับ สามารถหาค่าเชอร์วูด Sh จากสมการที่ (11) และ สัมประสิทธิ์การถ่ายเทมวล k ได้ดังสมการที่ (14) k
Sh Di L
(14)
ขั้ น ตอนกระบวนการทางคอมพิ ว เตอร์ เ พื่ อ คํ า นวณหาค่ า สั ม ประสิ ท ธิ์ ก ารแพร่ ข องน้ํ า D ในเนื้ อ ยางแผ่ น แสดงได้ ดั ง Figure 3
(8)
Start
Input data: N,p
การหาค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของน้ําในเนื้อยางแผ่น เริ่มจาก Calculate: drying condition การคํานวณในช่วงอัตราการอบแห้งลดลงช่วงแรก โดยคํานวณหาค่า จากสมการถ่ายเทมวล และค่าสมมติ D ลงไป โดยกําหนด k For t= 0, t, T Assume new D เงื่อนไขสภาวะเริ่มต้นที่เวลาเท่ากับศูนย์ ความชื้นแต่ละโหนดในเนื้อ For i=1 to N ยางมีค่าเท่ากับความชื้นเริ่มต้น เมื่อผ่านการอบแห้งที่ระยะเวลา t ใดๆ ความชื้นแต่ละโหนดจะลดลงตามเวลา คํานวณดังสมการ (4), Calculate: local moisture content (5) และ (6) และคํานวณหาความชื้นเฉลี่ยในแผ่นยาง ณ เวลา ใดๆ Calculate: average moisture content โดยสมการ (8) คอมพิวเตอร์จะทําการคํานวณซ้ํารอบจนกระทั่ง สิ้นสุดช่วงเวลาอบแห้งช่วงแรกและนําค่าความชื้นแต่ละโหนดจาก No If MRS 0.002 การอบแห้ งช่ วงแรกเป็ นความชื้ นเริ่ มต้ นในการอบแห้ งช่ วงสอง Yes ซึ่งช่วงสองเงื่อนไขขอบเขตที่ผิวนอกแผ่นยางจะเปลี่ยนไปเป็น Stop M ( R, t ) M eq (9) ในการคํานวณอัตราการอบแห้งช่วงสอง โปรแกรมจะคํานวณ Figure 3 Computational procedures for moisture conเหมือนการอบแห้งช่วงแรก ซึ่งจะต้องเปลี่ยนค่าสัมประสิทธิ์การ tent calculation confirming with statistical value. แพร่ ของน้ํ าในเนื้ อยางที่ เพื่ อทํ าให้ ความชื้ นเฉลี่ ยจากโปรแกรม 319
4 ผลการทดลอง 4.1 การเปลี่ยนแปลงความชื้นของแผ่นยาง จากการทดลองอบแห้งแผ่นยางด้วยลมร้อนภายใต้อุโมงค์ลม แบบเปิ ด โดยทํ าการควบคุ ณอุ ณหภู มิอากาศอยู่ ในช่ วงระหว่ าง 45oC – 65oC และความเร็วลม 0.6 m/s และ 0.9 m/s อากาศ แวดล้อมถูกดูดเข้ามาในอุโมงค์ลมและทําอากาศร้อนโดยฮีทเตอร์ ผลการทดลองพบว่าที่ความเร็วลม 0.9 m/s อุโมงค์ลมไม่สามารถ ควบคุมอุณหภูมิลมร้อนได้เกิน 55oC ดังนั้นจึงได้ผลการทดสอบ 5 ชุดการทดลอง (ประกอบด้วย 3 และ 2 ชุด สําหรับความเร็วลม 0.6 และ 0.9 m/s ตามลําดับ) โดยมีรายละเอียด ปัจจัยของการอบแห้ง และความชื้นสําหรับยางแผ่น ดังแสดงใน Table 1 ผลการทดลองเมื่อพล๊อตความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการอบแห้ง กับความชื้นของยางแผ่น พบว่ามีช่วง 1) อัตราการอบแห้งคงที่ (Constant rate) ซึ่งเป็นช่วงที่มีน้ําเกาะที่ผิวแผ่นยางเป็นจํานวน มากซึ่งเป็นช่วงแรกๆของการทดลอง และมีช่วง 2) อัตราการ อบแห้งแบบลดลงในช่วงแรก (First falling rate) ซึ่งช่วงนี้เกิดการ ระเหยที่ผิวของยางแผ่นเป็นไปอย่างรวดเร็ว และมีช่วง 3) อัตราการ อบแห้งแบบลดลงในช่วงสอง (Second falling rate) โดยอัตราการ อบแห้ งช่ วงนี้ จะเป็ นไปอย่ างช้ าๆ รอยต่ อระหว่ างช่ วงอั ตราการ อบแห้งลดลงช่วงแรกและช่วงสองจะมีค่าความชื้นวิกฤตเทียมของ ยางแผ่น ดังแสดงใน Figure 4
(A)
(B)
Figure 4 hot air drying behavior consist of constant rate, first and second falling rate with flow (A) 0.6 and (B) 0.9 m/s respectively. Table 1 Drying parameters (controlled and uncontrolled) and the experiment results (Moisture content) Air temperature (C)
Air flow
Thickness
(m/s)
(mm)
Wind tunnel
Ambient
Wind tunnel
Ambient
initial
equilibrium
1
0.6
3
45
23.1 – 33.2
18.6 – 30.1
43.4 – 84.4
42.7
1.8
2
0.6
4
56
20.4 – 31.4
11.2 – 17.3
41.0 – 97.3
29.2
1.7
3 4
0.6 0.9
4 3
64 45
22.0 – 31.7 21.2 – 30.4
8.8 – 16.5 14.3 – 22.5
41.5 – 81.1 39.6 – 76.0
23.4 27.1
0.9 2.1
5
0.9
3
54
19.2 – 29.4
6.5 – 16.1
29.8
0.4
Set
Relative humidity (%)
4.2 สัมประสิทธิ์การแพร่ของน้ําในเนื้อยางแผ่น ในการคํานวณค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ เริ่มพิจารณาจากช่วง อัตราการการอบแห้งลดลงช่วงแรก โดยในช่วงนี้ปริมาณน้ําในเนื้อ ยางแผ่นค่อนข้างสูงและปริมาณส่วนใหญ่อยู่ที่ผิวยางแผ่น จากชุด ทดลองที่ 1, 2 และ 3 ลมร้อนอุณหภูมิ 45oC, 56oC และ 64oC ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทมวล ( k ) ไอน้ําที่ผิวแผ่นยางกับลมร้อนมี ค่ า 0.0444 m/s, 0.0447 m/s และ 0.0553 m/s ตามลํ า ดั บ สําหรับชุดทดลองที่ 4 และ 5 ลมร้อนอุณหภูมิ 45oC และ 54oC ค่า
36.2 – 77.1 สัมประสิทธิ์การถ่ายเทมวล ( k )
Moisture content (%)
ค่าเท่ากับ 0.0678 m/s และ
0.0714 m/s ตามลําดับ ทํานายความชื้นที่ผิวแผ่นยางจากสมการของ Fick ในช่วงอัตรา การอบแห้งลดลงช่วงแรก สําหรับอัตราการอบแห้งลดลงช่วงที่สอง ความชื้นที่ผิวยางแผ่นเข้าสู่สมดุลกับลมร้อนที่ใช้ในการอบแห้ง จาก การทดลองพบว่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของน้ําแปรผันตามอุณหภูมิ ดัง Table 2
320
Table 2 Diffusion coefficient from the experiment Set
Drying temperature (°C)
(C)
2
Diffusion coefficicent (m /s) -11
1
45
1.1010
2
56
1.9010
3
64
1.6510
4
45
1.9010
5
54
2.2510
-11 -11 -11 -11
4.3 การเปลี่ยนแปลงความชื้น การทํานายผล และค่าทางสถิติ การเปรียบเทียบระหว่างผลการทดลองกับผลการทํานายด้วย สมการคณิตศาสตร์ของการเปลี่ยนแปลงของความชื้นภายในเนื้อ Figure 5 ยางตลอดช่วงเวลาการอบแห้ง ทั้งในช่วงอัตราการอบแห้งลดลง ช่วงแรกและช่ วงที่ สอง ที่ อุณหภูมิอบแห้งต่ างๆ กั น ดั งแสดงใน Figure 5 – 6
Moisture content of rubber sheet comparing with mathematical model owith flow o0.6 m/s at drying temperature (A) 45 C, (B) 56 C and (C) 64oC (A)
(A)
(B) (B)
Figure 6 Moisture content of rubber sheet comparing with mathematical modelo with flow 0.9o m/s at drying temperature (A) 45 C and (B) 54 C ซึ่งผลของความสัมพันธ์ดังกล่าวพบว่าอัตราการอบแห้งลดลงทั้ง ช่วงแรกและช่วงที่สองสอดคล้องกับผลการทํานายทางคณิตศาสตร์ และมีค่า Mean residual square ต่ํากว่า 0.002 ทุกค่าผลการ ทดลอง ดังแสดงใน Table 3
321
Table 3 Mean residual square (MRS) statistical value of moisture content from experiment and perdicted Set 1
Drying temperature (°C) 45
2
2
Diffusion coefficicent (m /s)
MRS (<0.002)
-11
56
1.1010 -11 1.9010
2.978x10 -5 4.192x10
-5
3 4
64 45
1.6510 -11 1.9010
-11
3.259x10 -5 6.283x10
5
54
2.2510
-11
1.129x10
-5
-4
5 สรุป ปัจจัยที่มีผลกระทบต่ออัตราการอบแห้งขึ้นกับ 1) ปัจจัยสภาวะ แวดล้อม เช่น ความชื้นเริ่มต้นของแผ่นยางที่แตกต่างกัน ในแต่ละ ชุดการทดลอง ความหนาของแผ่นยางที่แตกต่างกันจากสองแหล่ง ผลิต และ 2) ปัจจัยจากตัวแปรควบคุม เช่น อุณหภูมิอบแห้งที่ สูงขึ้นจะทําให้อัตราการอบแห้งเร็วขึ้น ความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศ มีผลต่อการอบแห้งอย่างมากโดยเฉพาะช่วงอัตราการอบแห้งลดลง ที่แผ่นยางมีความชื้นต่ํา พบว่าเมื่อความชื้นสัมพัทธ์อากาศสูงจะทํา ให้ความชื้นย้อนกลับเข้าไปเพิ่มน้ําหนักให้แก่ยางแผ่นได้ ขณะที่การ อบแห้งที่ความเร็วลมสูงจะส่งผลทําให้อัตราการอบแห้งลดลงใน ช่วงแรกลดลงอย่างรวดเร็ว จากการทํานายผลจากแบบจําลองทางคณิตศาสตร์ด้วยเทคนิค Finite difference สามารถอธิบายผลการทดลองได้สอดคล้องทั้ง การอบแห้งช่วงอัตราการอบแห้งลดลงช่วงแรกและช่วงสอง โดย พิจารณาจากค่า Mean Residual Square ที่น้อยกว่า 0.002 เป็น เกณฑ์มาตรฐาน ผลจากแบบจําลองสรุปได้ว่า ค่าสัมประสิทธิ์การ ถ่ายเทมวล ( k ) และค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ (Diffusion coefficient) แปรผันตามอุณหภูมิอบแห้ง ระยะเวลาที่ใช้ในการอบแห้งจะมีความแตกต่างกัน การอบแห้ง ที่ความเร็วลมสูงจะใช้เวลาอบแห้งสัน้ ลง ซึ่งมีผลกระทบในช่วงอัตรา การอบแห้งลดลงช่วงแรก ส่วนในช่วงสองมีผลแตกต่างกันไม่มากนัก และระยะเวลาทั้งหมดสําหรับการอบแห้งในแต่ละชุดทดลอง จะมี ค่ามากที่สุดไม่เกิน 3 วัน ซึ่งใช้ระยะเวลาน้อยกว่าวิธีการรมควัน ตามปกติที่ใช้ระยะเวลา 4 – 5 วัน
ไพโรจน์ คีรีรัตน์, 2545, “การเพิ่มประสิทธิภาพการรมควันยางแผ่น (ตอนที่ 1)”, ข่าว สวป. ยางพารา, ปีที่ 1, ฉบับที่ 2 ประจําเดือนกันยายน 2545, หน้า 2. ไพโรจน์ คีรีรัตน์, 2545, “การเพิ่มประสิทธิภาพการรมควันยางแผ่น (ตอนที่ 1)”, ข่าว สวป.ยางพารา, ปีที่ 1, ฉบับที่ 3 ประจําเดือน พฤษจิกายน 2545, หน้า 2. ไพโรจน์ คีรีรัตน์, 2546, “การเพิ่มประสิทธิภาพการรมควันยางแผ่น (ตอนที่ 1)”, ข่าว สวป.ยางพารา, ปีที่ 1, ฉบับที่ 4 ประจําเดือน เมษายน 2546, หน้า 2. Ibrahim Doymaz, 2006, “Air–drying characteristics of tomatoes”, Journal of Food Engineering, Vol.78, pp. 1291-1297. Ibrahim Doymaz, Nurcan Tugral, Mehmet Pala, 2005, “Drying characteristics of dill and parsley leaves”, Journal of Food Engineering, Vol.77, pp. 559-565. Nalan A. Akgun, Ibrahim Doymaz, 2004, “Modeling of olive cake thin – layer drying process”, Journal of Food Engineering, Vol.68, pp. 455-461. Ibrahim Doymaz, 2004, “Drying behavior of green beans”, Journal of Food Engineering, Vol.69, pp. 161-165.
6 เอกสารอ้างอิง สถานการณ์สินค้าเกษตรที่สาํ คัญและแนวโน้มปี 2558, สํานักวิจัย เศรษฐกิจการเกษตร สํานักงานเศรษฐกิจการเกษตร เสาวนีย์ ก่อวุฒิกุลรังสี, 2541, “ยางแผ่นรมควัน”, วารสารยางและ พอลิเมอร์, ปีที่ 2, ฉบับที่ 2 เมษายน – มิถุนายน 2541, หน้า 7.
322
TPHF-07
การพัฒนาช่องคายกากของเครื่องสกัดน้าํ มันแบบเกลียวอัดสําหรับเมล็ดมะคาเดเมียแตกซีก ชัยวัฒน์ เผ่าสันทัดพาณิชย์1*, วิบูลย์ ช่างเรือ2 1
ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, เชียงใหม่, 50200 ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, เชียงใหม่, 50200 ผู้เขียนติดต่อ: ชัยวัฒน์ เผ่าสันทัดพาณิชย์ E-mail: paosantadpanich@yahoo.co.th
2
บทคัดย่อ งานวิจัยนี้มีจุดประสงค์ เพื่อศึกษาพัฒนาช่องคายกากและปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการบีบอัดน้ํามันของเมล็ดมะคาเดเมียแตก ซีก ปัจจัยที่ศึกษามี 3 ปัจจัย ได้แก่ ขนาดรูช่องคายกาก 5, 8, 10 mm อุณหภูมิกระบอกอัด 40, 50, 60oC และความเร็วรอบเกลียว อัด 24, 36, 48 rpm ผลการทดสอบ พบว่าที่ระดับอุณหภูมิ 60oC กับระดับความเร็วรอบ 24 rpm ให้ค่าปริมาณน้ํามันและ ประสิทธิภาพสูงที่สุดอย่างมีนัยสําคัญทางสถิติ รวมทั้งค่าเฉลี่ยกลุ่มอุณหภูมิ 60oC และค่าเฉลี่ยกลุ่มความเร็วรอบ 24 rpm ต่างก็ให้ ค่าที่สูงที่สุดเช่นกัน จากนั้นก็ทดสอบใช้ปัจจัยควบคุมคืออุณหภูมิที่ 60oC พบว่าที่ระดับขนาดรู 5 mm กับความเร็วรอบ 24 rpm ให้ ค่าปริมาณน้ํามันและประสิทธิภาพสูงที่สุดอย่างมีนัยสําคัญทางสถิติ ทั้งค่าเฉลี่ยกลุ่มขนาดรู 5 mm และค่าเฉลี่ยกลุ่มความเร็วรอบ 24 rpm ต่างก็ให้ค่าที่สูงที่สุดเช่นกัน จึงสรุปผลทดสอบได้ว่า ปัจจัยที่เหมาะสมให้ประสิทธิภาพสูงสุดและมีปริมาณน้ํามันมากสุดคือที่ระดับ อุณหภูมิ 6 oC ความเร็วรอบ 24 rpm และขนาดรูคายกาก 5 mm ได้ประสิทธิภาพการสกัดน้ํามันสูงสุดที่ 52.04% มีปริมาณน้ํามัน ตกค้างในกากมะคาเดเมียต่ําสุด 20.8% ผลสูญเสียการสกัด 24.15% โดยมีความสามารถเฉลี่ย 0.82 kg hr-1 คําสําคัญ: ช่องคายกาก, เครื่องสกัดน้ํามัน, เครื่องเกลียวอัด, มะคาเดเมียแตกซีก
Development of a Sludge Outlet of Screw Press Oil Expeller for Broken Macadamia Nut Chaiwat Paosantadpanich1*, Viboon Changrue2 1
Agricultural Engineering Division, Faculty of Engineering, Chiang Mai University, Chiang Mai, 50200 Agricultural Engineering Division, Faculty of Engineering, Chiang Mai University, Chiang Mai, 50200
2
Corresponding author: Chaiwat Paosantadpanich. E-mail: paosantadpanich@yahoo.co.th
Abstract The objective of this research was to study of a sludge outlet and investigate the effects of factors affecting on oil expelling for broken macadamia nut. Studied factors had 3, such as; hole size of sludge outlet: 5, 8 and 10 mm, temperature of cylinder: 40, 50 and 60oC, rotating speed of screw: 24, 36 and 48 rpm. The results showed that temperature at 60oC and rotating speed at 24 rpm, were significantly (P≤ 0.05), had the highest quantity and efficiency of expelling. Also mean of temperature at 60oC group and mean of rotating speed 24 rpm had the highest value Form the study of controlled temperature at 60oC, the results showed that hole size of sludge outlet at 5 mm and rotating speed at 24 rpm, were significantly (P≤ 0.05), had the highest quantity and efficiency of expelling. Also mean of hole size of sludge outlet at 5 mm and mean of rotating speed 24 rpm had the highest value. In conclusion, the experiment showed that the optimum is temperature at 60oC, rotating speed at 24 rpm and hole size of sludge outlet at 5 mm. The efficiency was highest at 52.04%, total fat in macadamia sludge was lowest at 20.8%, percentage of loss was 24.15%. With the work capacity is 0.82 kg hr-1. Keywords: Sludge Outlet, Oil Expeller, Screw Press, Broken Macadamia Nut
1 บทนํา ปัจจุบันพื้นที่เพาะปลูกมะคาเดเมียทั่วประเทศรวมประมาณ 20,000 ไร่ และมี การขยายพื้นที่เพิ่มขึ้ นปี ละประมาณ 1,500 – 2,000 ไร่ มะคาเดเมียเป็นพืชผลที่มีศักยภาพสูงในทางเศรษฐกิจ
และมีอนาคตทางอุตสาหกรรมที่สําคัญ พื้นที่ที่เหมาะสมต่อการ เพาะปลูกจะเป็นบนพื้นที่สูงซึ่งมีความสูงจากระดับน้ําทะเลตั้งแต่ 700 เมตรขึ้นไป อุณหภูมิอยู่ระหว่าง 10 – 30 oC ความชื้นสัมพัทธ์ ไม่ต่ํากว่า 70% ต้องการปริมาณน้ําฝนอย่างน้อยเฉลี่ย 1,000 mm
323
yr-1 มะคาเดเมียติดผลเป็นช่อ ทรงผลป้อม มีเปลือกชั้นนอกหนาสี เขียว ภายในเป็นเมล็ดกะลาแข็ง (Shell) มีสีน้ําตาล ห่อหุ้มส่วนเนื้อ ในเมล็ด (Kernel) ซึ่งเป็นเนื้อแน่นสีขาว ดังแสดงใน Figure 1 มี รสชาติมันและกรอบ บริโภคได้ทั้งแบบดิบ หรือแปรรูปเป็นของขบ เคี้ยว ขนม และอาหารได้หลายชนิด เช่น อบ คั่ว ทอด คลุกเกลือ เคลือบน้ําตาล เคลือบช็อคโกแลต ใช้เป็นส่วนผสมหรือโรยหน้าคุกกี้ เค้ก ไอศกรีม อาหารประเภทยํา และอื่นๆ การแปรสภาพมะคาเด เมียเพื่อให้ได้เนื้อในเมล็ดที่มีคุณภาพจะต้องผ่านกระบวนการต่างๆ ดังนี้ 1) การกะเทาะเพื่อลอกเปลือกเขียว ซึ่งจะต้องทําภายใน 24 ชั่วโมงหลังจากการเก็บเกี่ยวผลแก่ 2) การคัดขนาดและแยกเมล็ดที่ เสื่อมคุณภาพ 3) การอบแห้งให้ได้ความชื้นเนื้อในไม่เกิน 2% และ 4) การกะเทาะกะลาแข็งเพื่อแยกเนื้อใน จากผลการศึกษารวบรวมข้อมูลการแปรสภาพมะคาเดเมีย ของ กลุ่มวิสาหกิจชุมชนแปรรูปมะคาเดเมียดอยช้าง จังหวัดเชียงราย พบว่า ในการกะเทาะกะลา จะได้ส่วนเนื้อในที่เต็มเม็ดประมาณ 61.5% และจําหน่ายได้ราคาสูงถึง 1,000 baht kg-1 หากเป็นเม็ดที่ แตกซีกครึ่งราคาจะลดลงเป็น 800 baht kg-1 ส่วนเม็ดที่แตกถึง 3 ใน 4 ส่วน ราคาก็ตกต่ําเหลือเพียง 300 - 400 baht kg-1 ยิ่งเม็ด แตกหั กเป็ นชิ้ นเล็ กชิ้ นน้ อยจนละเอี ยด ก็ ยิ่ งมี ราคาต่ํ าลงไปอี ก หรือไม่มีมูลค่าเลยหากเสื่อมคุณภาพจนไม่สามารถนําไปแปรรูปเป็น ผลิตภั ณฑ์อื่นๆได้ ดังนั้นเกษตรกรจึ งมีความต้องการเครื่องสกั ด น้ํามันมะคาเดเมียขนาดเล็กที่เหมาะสมใช้ได้เองในชุมชน แต่ยังขาด องค์ความรู้ที่ดีในการสกัดน้ํามัน
Figure 1 Fresh macadamia nut with structure การวิ จั ยศึ กษาวิ ธี การสกั ดน้ํ ามั นมะคาเดเมี ยจากเมล็ ดด้ อย คุณภาพ (อาทิตย์ และคณะ, 2552) ด้วยวิธีการบีบอัดโดยเครื่อง ไฮดรอลิกอัด และสกัดโดยใช้ตัวทําละลายปิโตรเลียมอีเทอร์ พบว่า วิ ธี การบี บอั ดให้ ปริ มาณสารสกั ดน้ อยกว่ าการสกั ดโดยใช้ ตั วทํ า ละลายปิโตรเลียมอีเทอร์ คือ 24% และ 41.22% ตามลําดับ และ ได้วิเคราะห์หาองค์ประกอบที่เป็นกรดไขมัน พบว่าน้ํามันของเมล็ด ด้อยคุณภาพจากสถานีทดลองเกษตรที่สูงภูเรือ มีกรดไขมันที่เป็น
องค์ประกอบอยู่ 11 ชนิด ส่วนใหญ่เป็นกรดไขมันชนิดไม่อิ่มตัวมาก ที่สุด ประมาณ 80% ซึ่งเป็นไขมันที่มีประโยชน์ต่อร่างกายอย่าง มาก และมีกรดไขมันชนิดอิ่มตัว ซึ่งเป็นไขมันอันตรายต่อร่างกาย ประมาณ 20% เท่านั้น ดังนั้นน้ํามันมะคาเดเมียจึงเป็นน้ํามันที่มี ประโยชน์ต่อร่างกายมากที่สุดชนิดหนึ่ง และที่สําคัญมีกรดไขมันที่มี ประโยชน์อย่างยิ่ง 3 ชนิด คือ โอเมก้า 9 โอเมก้า 6 และโอเมก้า 3 ซึ่งก็คือ Oleic acid (C18:1) Linoleic acid (C18:2) และ Linolenic acid (C18:3) โดยพบปริมาณโอเมก้า 9 มากที่สุดคือ 53.69% รองลงมาเป็นปริมาณ Palmitoleic acid (C16:1) มี 18.38% ส่วนปริมาณโอเมก้า 6 และ โอเมก้า 3 พบมี 2.57% และ 3.89% ตามลําดับ ซึ่งพบว่าน้ํามันมะคาเดเมีย มีส่วนคล้ายซีบรัม (Sebum) ของผิวหนังมนุษย์ช่วยให้ผิวหนังไม่เหี่ยวย่น เต่งตึง และมี โอเมก้า 3 ช่วยบํารุงร่างกายในด้านต่างๆ และลดคลอเลสเตอรอล อีกทั้งช่วยชะลอป้องกันการเจริญของเซลล์มะเร็งได้ด้วย การวิ จั ยศึ กษาวิ ธี การสกั ดน้ํ ามั นมะคาเดเมี ยจากเมล็ ดด้ อย คุณภาพ (อาทิตย์ และคณะ, 2552) ด้วยวิธีการบีบอัดโดยเครื่องไฮ ดรอลิกอัด และสกัดโดยใช้ตัวทําละลายปิโตรเลียมอีเทอร์ พบว่า วิ ธี การบี บอั ดให้ ปริ มาณสารสกั ดน้ อยกว่ าการสกั ดโดยใช้ ตั วทํ า ละลายปิโตรเลียมอีเทอร์ คือ 24% และ 41.22% ตามลําดับ และ ได้วิเคราะห์หาองค์ประกอบที่เป็นกรดไขมัน พบว่าน้ํามันของเมล็ด ด้อยคุณภาพจากสถานีทดลองเกษตรที่สูงภูเรือ มีกรดไขมันที่เป็น องค์ประกอบอยู่ 11 ชนิด ส่วนใหญ่เป็นกรดไขมันชนิดไม่อิ่มตัวมาก ที่สุด ประมาณ 80% ซึ่งเป็นไขมันที่มีประโยชน์ต่อร่างกายอย่าง มาก และมีกรดไขมันชนิดอิ่มตัว ซึ่งเป็นไขมันอันตรายต่อร่างกาย ประมาณ 20% เท่านั้น ดังนั้นน้ํามันมะคาเดเมียจึงเป็นน้ํามันที่มี ประโยชน์ต่อร่างกายมากที่สุดชนิดหนึ่ง และที่สําคัญมีกรดไขมันที่มี ประโยชน์อย่างยิ่ง 3 ชนิด คือ โอเมก้า 9 โอเมก้า 6 และโอเมก้า 3 ซึ่งก็คือ Oleic acid (C18:1) Linoleic acid (C18:2) และ Linolenic acid (C18:3) โดยพบปริมาณโอเมก้า 9 มากที่สุดคือ 53.69% รองลงมาเป็นปริมาณ Palmitoleic acid (C16:1) มี 18.38% ส่วนปริมาณโอเมก้า 6 และ โอเมก้า 3 พบมี 2.57% และ 3.89% ตามลําดับ ซึ่งพบว่าน้ํามันมะคาเดเมีย มีส่วนคล้ายซีบรัม (Sebum) ของผิวหนังมนุษย์ช่วยให้ผิวหนังไม่เหี่ยวย่น เต่งตึง และมี โอเมก้า 3 ช่วยบํารุงร่างกายในด้านต่างๆ และลดคลอเลสเตอรอล อีกทั้งช่วยชะลอป้องกันการเจริญของเซลล์มะเร็งได้ด้วย การวิจั ยออกแบบและสร้างเครื่องบี บอั ดน้ํ ามันจากเมล็ ดพื ช แบบเกลี ยวเดี่ ยว ตลอดจนศึ กษาสภาวะการทํ างานที่ เหมาะสม (ชลิตต์ และคณะ, 2548) ทําการทดลองบีบอัดวัตถุดิบจํานวน 5 ชนิด คือ เมล็ดทานตะวันกะเทาะเปลือก เมล็ดงาขาว เมล็ดถั่วลิสง เมล็ดฟักทอง และเนื้อมะพร้าวขูดตากแห้ง โดยนําวัตถุดิบไปบีบอัด ที่ความเร็วรอบของเกลียวแตกต่างกัน พร้อมกับเลือกขนาดช่องคาย
324
กากที่เหมาะสมไปพร้อมๆกันด้วย ใช้ต้นกําลังมอเตอร์ไฟฟ้าเฟส เดียว ขนาด 1.5 hp ทดรอบด้วยเฟืองขนาดอัตราทด 1:7 เป็นตัวส่ง กําลังขับชุดเกลียวบีบอัด และปรับค่าความเร็วรอบของมอเตอร์ ไฟฟ้าด้วยชุดอินเวอร์เตอร์ จากการศึกษา ได้ใช้ความเร็วรอบของ เกลียวบีบอัด 5 ระดับ และกําหนดขนาดของช่องคายกากเป็น 4 ขนาด พบว่า เมล็ดทานตะวันกะเทาะเปลือกที่ความเร็วรอบ 15 rpm ช่องคายกากขนาด 8 mm เมล็ดงาขาวที่ความเร็วรอบ 15 rpm ช่องคายกากขนาด 10 mm เมล็ดถั่วลิสงที่ความเร็วรอบ 15 rpm ช่องคายกากขนาด 10 mm เมล็ดฟักทองที่ความเร็วรอบ 15 rpm ช่องคายกากขนาด 8 มิลลิเมตร และเนื้อมะพร้าวขูดตากแห้ง ที่ความเร็วรอบ 15 rpm ช่องคายกากขนาด 14 mm ได้ปริมาณ น้ํามันมากที่สุด คือ 53, 41, 28, 40, และ 60 % ตามลําดับ และได้ สมรรถนะอัตราการผลิต 2.10, 1.70, 0.75, 2.20 และ 5.52 kg hr-1 ตามลําดับ ทั้งนี้ได้ควบคุมอุณหภูมิของน้ํามันขณะบีบอัดไม่ให้ร้อน เกิน 60 oC เพื่อควบคุมคุณภาพของน้ํามันให้มี สี กลิ่น รส และ คุณสมบัติด้านโภชนาการอยู่ครบถ้วนตามธรรมชาติ การวิจัยศึกษาการบีบน้ํามัน โดยวิธีการอัดด้วย สกรู (Screw Presses) (สุชาติ และสุนินทร์, 2537) โดยการบีบน้ํามันจากงาดํา งาขาว และมั สตาร์ ด ผลจากการทดสอบบี บมั สตาร์ ดปรากฏว่ า สามารถผลิตน้ํามันได้ 2.54 kg hr-1 โดยป้อนวัตถุดิบ 7.25 kg hr-1 ประสิทธิภาพของเครื่อง 69% ผลจากการทดสอบบีบงาดําปรากฏ ว่า สามารถผลิตน้ํามันได้ 0.93 kg hr-1 โดยต้องป้อนวัตถุดิบ 7.27 kg hr-1 ประสิทธิภาพของเครื่อง 25% ผลจากการทดสอบบีบงาขาว ปรากฏว่า สามารถผลิตน้ํามันได้ 1.08 kg hr-1 โดยต้องป้อนวัตถุดิบ 7.39 kg hr-1 ประสิทธิภาพของเครื่อง 53% เครื่องที่ทดสอบจะใช้ พลังงานคิดเป็นค่ากระแสไฟประมาณ 1.84 baht hr-1 การศึกษา และออกแบบช่องคายกากให้เหมาะสมกับแรงดันใน กระบอกอัดสําหรับหีบน้ํามันเมล็ดมะแตกและเมล็ดมะเยาหิน (ณัฐ พล และดามร, 2554) เครื่องหีบน้ํามันที่ใช้ในการทดสอบ ทํางาน โดยใช้สกรูอัด รับกําลังขับมาจากมอเตอร์ไฟฟ้าขนาด 1/4 hp และ ปรับความเร็วรอบด้วยอินเวอร์เตอร์ผ่านชุดพูเล่ย์ ความเร็วรอบที่ใช้ ในการหีบน้ํามันคือ 30 และ 40 rpm ช่องคายกากที่ใช้ในการ ทดสอบ ออกแบบให้ช่องคายกากเป็นรูปวงแหวน มีขนาดช่องคาย ของกากเท่ากับ 1, 2, 3 และ 4 mm และวัดแรงดันในการบีบอัด โดยออกแบบให้ อุ ป กรณ์ วั ดแรงดั น ติ ดตั้ ง กั บ หั วรั บแรงอั ดที่ อยู่ บริเวณส่วนปลายของกระบอกอัด เพื่อนําค่าแรงดันที่ได้ไปวิเคราะห์ หาความเหมาะสมของแรงดันกับช่องคายกาก จากการทดสอบที่ สภาวะต่างๆ พบว่าเมล็ดมะแตกควรเลือก ความเร็วรอบที่ 30 rpm และช่องคายกากขนาด 2 มิลลิเมตร มีค่าแรงดันในกระบอกอัด เท่ากับ 4.01 MPa และเมล็ดมะเยาหินควรเลือก ความเร็วรอบที่
30 rpm และช่องคายกากขนาด 3 mm มีค่าแรงดันในกระบอกอัด เท่ากับ 1.38 MPa การออกแบบและพัฒนาเครื่องสกัดน้ํามันแบบเกลียวอัดขนาด เล็ก (Small scale screw press oil expeller) สําหรับเมล็ดปาล์ม น้ํามัน และเมล็ดถั่วเหลือง (Olaniyan et al., 2012) มี ส่วนประกอบที่สําคัญได้แก่ 1) เกลียวตัวหนอน (worm shaft) 2) กระบอกอัด (cylindrical barrel) 3) กรวยป้อน (feeding hopper) 4) เกียร์ทดรอบ (gear reduction box) 5) ช่องคายกาก (cake outlet) 6) ถาดรองรับกาก (cake tray) 7) ช่องปล่อยน้ํามัน (oil outlet) และ 8) แท่นโครงเครื่อง (main frame) ต้นกําลังใช้ มอเตอร์ไฟฟ้า 3 เฟส ขนาด 15 hp รูปแบบกระบอกอัด ยาว 500 mm มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายในขนาด 100 mm ความหนา 15 mm รูปแบบเกลียวตัวหนอน เป็นแบบระยะพิทช์ลดลง และความ ลึ กร่ องเกลี ยวลดลง โดยมี ความยาว 730 mm และส่ วนปลาย เกลียวจะมีขนาดยอดเกลียวที่ได้ระยะห่างจากผนังกระบอกอัด 1.5 mm ผลจากการทดลอง ปรากฏว่า ได้เปอร์เซ็นต์ของน้ํามันจาก ผลผลิต (oil yield), ประสิทธิภาพการสกัด (extraction efficiency) และเปอร์เซ็นต์ผลสูญเสียการสกัด (extraction loss) สําหรับเมล็ดปาล์มคือ 13.48, 22.79 และ 7.41% ตามลําดับ และ สําหรับเมล็ดถั่วเหลือง คือ 9.47, 36.55 และ 7.95% ตามลําดับ 2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 มะคาเดเมียแตกซีก เนื้อมะคาเดเมียแตกซีกได้จากกลุ่มวิสาหกิจชุมชนชุมชนแปรรูป มะคาเดเมียดอยช้าง จังหวัดเชียงราย มีความชื้นเริ่มต้น 2.02%wb มีปริมาณน้ํามันรวม 67.02% 2.2 ส่วนประกอบของเครื่อง ส่วนประกอบโครงสร้างเครื่องสกัดน้ํามันแบบเกลียวอัดต้นแบบ ดังแสดงใน Figure 2 มีส่วนประกอบสําคัญคือ
Figure 2 Structure of screw press oil expeller
325
1) ตัวเกลียวอัด แบบระยะพิทช์คงที่ 16 mm และเพิ่มขนาด เส้นผ่านศูนย์กลางของเพลา จากด้านต้นเกลียวเริ่มที่ 11.70 mm ถึงด้านปลายเกลียวสิ้นสุดที่ 18.60 mm โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลาง ยอดเกลียวคงที่ 26 mm ยาว 118 mm ดังแสดงใน Figure 3
2.3 การทดสอบเพื่อหาปัจจัยที่เหมาะสมต่อการบีบอัดน้ํามัน หลังจากติดตั้งระบบการทํางานของเครื่องสกัดน้ํามันต้นแบบ เสร็จแล้ว ดังแสดงใน Figure 6 มีอุปกรณ์ร่วม ได้แก่ (d1) (b)
All dimentions are in millimetre
(d2)
(c) (a)
Figure 3 Structure of screw shaft with constant pitch 2) กระบอกอัด แบบเส้นผ่านศูนย์กลางภายในคงที่ 27 mm ยาว 122 mm ดังแสดงใน Figure 4
All dimentions are in millimetre
Figure 4 Structure of cylindrical barrel with constant diameter 3) ตัวช่องคายกาก แบบทรงกระบอกเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 27 mm ยาว 53 mm มีรูคายกากออกตามแนวรัศมี จํานวน 2 รู ที่ จะศึกษามี 2 แบบ คือ แบบขนาดรู 8 และ 10 mm ดังแสดงใน Figure 5
All dimentions are in millimetre
Figure 6 System work of screw press with compound equipments; (a) motor 1 hp. (b) reduction gear ;ratio 60:1 (c) invertor (d1, d2) heater with controller 1) เครื่องสกัดน้ํามันต้นแบบ ที่มีส่วนสําคัญทั้ง 3 ส่วน ดังแสดง ใน Figure 3 – 5 2) ต้นกําลัง เป็นมอเตอร์ไฟฟ้าขนาด 1 hp ส่งแรงขับผ่านชุด เกียร์ทด อัตรา 60 : 1 ดังแสดงใน Figure 6; (a) และ (b) ตามลําดับ 3) อุปกรณ์ชุดอินเวอร์เตอร์ ใช้ปรับความเร็วรอบมอเตอร์ไฟฟ้า ส่งแรงผ่านชุดเกียร์ทด ไปขับตรงหมุนเพลาตัวเกลียวอัด ของเครื่อง สกัดน้ํามันต้นแบบ ดังแสดงใน Figure 6; (c) 4) อุปกรณ์ชุดควบคุมและจ่ายความร้อน ขนาด 200 watt ดัง แสดงใน Figure 6; (d1), (d2) จากนั้ น ทํ า การทดสอบการสกั ด น้ํ า มั น มะคาเดเมี ย ด้ ว ย เครื่องต้นแบบ ดังแสดงใน Figure 7-9 โดยศึกษา 3 ปัจจัย คือ ปัจจัยอุณหภูมิกระบอกอัด 3 ระดับคือ ที่ 40, 50 และ 60oC ปัจจัย ความเร็วรอบเกลียวอัด 3 ระดับคือ ที่ 24, 36 และ 48 rpm และ ปัจจัยขนาดรูคายกาก 3 ระดับคือ ที่ 5, 8 และ 10 mm 2.3.1 การทดสอบเพื่ อ หาอุ ณ หภู มิ แ ละความเร็ ว รอบที่ เหมาะสมต่อการบีบอัดน้ํามัน โดยทดสอบอุณหภูมิกระบอกอัด 3 ระดับคือ ที่ 40, 50 และ o 60 C กับความเร็วรอบเกลียวอัด 3 ระดับคือ ที่ 24, 36 และ 48 rpm ทําการทดสอบครั้งละ 200 g จํานวน 3 ซ้ํา
Figure 5 Structure of sludge outlet; (a) holes 8 mm, (b) holes 10 mm 326
2.3.2 การทดสอบเพื่อหาขนาดรูคายกากและความเร็วรอบที่ 3 ผลและวิจารณ์ เหมาะสมต่อการบีบอัดน้ํามัน 3.1 ผลการทดสอบเพื่ อ หาอุ ณ หภู มิ แ ละความเร็ ว รอบที่ โดยทดสอบขนาดรูคายกาก 3 ระดับคือ ที่ 5, 8 และ 10 mm เหมาะสมต่อการบีบอัดน้ํามัน กับความเร็วรอบเกลียวอัด 3 ระดับคือ ที่ 24, 36 และ 48 rpm ทํา ตัวแปรควบคุมในการทดสอบ ใช้ช่องคายกากขนาดรู 8 mm การทดสอบครั้งละ 200g จํานวน 3 ซ้ํา จากผลการทดสอบนี้ชี้ให้เห็นว่าอุณหภูมิความร้อนกระบอกอัดกับ ความเร็วรอบเกลียวอัด มีผลต่อปริมาณน้ํามันที่บีบได้ ดังแสดงใน Table 1 และมีผลต่อประสิทธิภาพการสกัด ดังแสดงใน Table 2 Table 1 Effect of cylinder temperature and rotating speed of screw on oil quantity; g Temperature
Figure 7 Experiment on oil expelling by screw press oil expeller
Rotating speed of screw 24 rpm 36 rpm 48 rpm Mean 40oC 60.903 c 44.727 d 31.487 e 45.706 c 50oC 69.337 bc 59.590 c 42.763 de 57.230 b o 60 C 93.300 a 75.423 b 74.490 b 81.071 a Mean 74.513 a 59.913 b 49.580 c Values follow by the same letter are not significantly difference at 95% confidence level , by DMRT
จากผลการทดสอบ Table 1 พบว่าที่ระดับอุณหภูมิกระบอก อัด 60oC กับระดับความเร็วรอบเกลียวอัด 24 rpm ให้ค่าปริมาณ น้ํามันสูงที่สุดอย่างมีนัยสําคัญทางสถิติ คือ 93.30g. Table 2 Effect of cylinder temperature and rotating speed of screw on efficiency of expelling;%) Rotating speed of screw 24 rpm 36 rpm 48 rpm Mean 40oC 30.440 bc 22.360 cde 15.740 e 22.847 c 50oC 34.653 b 29.790 bcd 21.367 de 28.603 b 60oC 46.627 a 37.673 ab 37.233 b 40.511 a Mean 37.240 a 29.941 b 24.780 b Values follow by the same letter are not significantly difference at 95% confidence level , by DMRT Temperature
Figure 8 Checking temperature of macadamia oil at exit
Figure 9 Sludge of macadamia at sludge outlets
จากผลการทดสอบ Table 2 พบว่า ที่ระดับอุณหภูมิกระบอก อั ด 60 oC กั บ ระดั บ ความเร็ ว รอบเกลี ย วอั ด 24 rpm ให้ ค่ า ประสิทธิภาพสูงที่สุดอย่างมีนัยสําคัญทางสถิติ คือ 46.63% จากผลตรวจวิเคราะห์ทางเคมีของตัวอย่างกากมะคาเดเมีย ณ ความเร็วรอบเดียวกันที่ 24 rpm ในแต่ละระดับอุณหภูมิคือ จาก 60, 50 และ 40oC พบว่ามีปริมาณน้ํามันตกค้างในกาก มีค่าเรียง จากน้อยไปมาก คือ 25.75, 34.11 และ 50.04% ตามลําดับ ดังนั้น จึงเลือกใช้ระดับอุณหภูมิกระบอกอัดที่ 60oC เพื่อใช้ทดสอบต่อไป 3.2 ผลการทดสอบเพื่อหาขนาดรูคายกากและความเร็วรอบที่ เหมาะสมต่อการบีบอัดน้ํามัน
327
ตัวแปรควบคุมในการทดสอบ ใช้อุณหภูมิความร้อนกระบอกอัด 60 C จากผลการทดสอบนี้ชี้ให้เห็นว่าขนาดรูคายกากกับความเร็ว รอบเกลียวอัด มีผลต่อปริมาณน้ํามันที่บีบได้ ดังแสดงใน Table 3 และมีผลต่อประสิทธิภาพการสกัด ดังแสดงใน Table 4 o
Table 3 Effect of hole size of sludge and rotating speed of screw on oil quantity; g Hole size Rotating speed of screw of sludge 24 rpm 36 rpm 48 rpm Mean 5 mm. 104.08 a 96.65 ab 81.84 bcd 94.191 a 8 mm. 93.30 abc 75.42 de 74.49 de 81.071 b 10 mm. 98.93 a 78.37 cd 60.35 e 79.220 b Mean 98.771 a 83.483 b 72.228 c Values follow by the same letter are not significantly difference at 95% confidence level , by DMRT
ความเร็วรอบเกลียวอัดที่ 24 rpm ใช้ขนาดรูคายกากที่ 5 mm จะ ได้ปริมาณการบีบน้ํามันได้มากที่สุดที่ประสิทธิภาพการสกัดเฉลี่ย สูงสุด 52.04% มีปริมาณน้ํามันตกค้างอยู่ในกากน้อยที่สุด 20.8% ผลสูญเสียการสกัดเฉลี่ย 24.15% โดยมีความสามารถเฉลี่ย 0.82 kg hr-1 4.2 ข้อเสนอแนะ 1) ควรอบแห้งไล่ความชื้นเมล็ดมะคาเดเมียแตกซีกก่อนทําการ สกัดน้ํามัน เช่น เข้าตู้อบลมร้อน ที่อุณหภูมิ 70 oC ประมาณ 30 min 2) เนื่องจากเครื่องสกัดน้ํามันแบบเกลียวอัดต้นแบบ มีขนาด เล็ก สะดวกใช้ และมีความเร็วรอบเกลียวอัดที่ต่ําระดับ 24 rpm จึง มีความสามารถทํางานที่ 0.82 kg hr-1 ซึ่งเกษตรกรผู้ใช้จะสามารถ ใช้ทํางานได้สูงสุดถึง 8.2 kg day-1 หากเพิ่มจํานวนเครื่องสกัด น้ํามัน ก็จะสามารถเพิ่มกําลังการผลิตได้ตามต้องการ
จากผลการทดสอบ Table 3 พบว่าที่ระดับขนาดรูคายกาก 5 mm กับระดั บความเร็วรอบเกลียวอัด 24 rpm ให้ค่าปริมาณ น้ํามันสูงที่สุดอย่างมีนัยสําคัญทางสถิติ คือ 104.08g.
5 กิตติกรรมประกาศ ผู้เขียนขอขอบพระคุณ อ.ดร. วิบูลย์ ช่างเรือ ที่ให้คําแนะนําใน การแก้ไขปัญหาต่างๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างดําเนินการทดลอง พร้อมทั้ง Table 4 Effect of hole size of sludge and rotating speed ตรวจแก้ไขบทความนี้ให้จนกระทั่งเสร็จสมบูรณ์ ผู้เขียนขอกราบ ขอบพระคุณเป็นอย่างสูงไว้ ณ โอกาสนี้ ขอขอบคุณ อ. ทวีชัย นิมา of screw on efficiency of expelling;%) แสง ที่ได้อนุเคราะห์สนับสนุนทั้งแนวคิดการดําเนินงาน รูปแบบ Hole size Rotating speed of screw of sludge 24 rpm 36 rpm 48 rpm Mean เครื่องสกรูอัดต่างๆ ที่ได้ให้ใช้ศึกษาในเบื้องต้น ตลอดจนวัสดุต่างๆ 5 mm. 52.043 a 48.323 ab 40.893 bcd 47.087 a ในการปรั บ ปรุ งต้ น แบบ ขอขอบคุ ณ คุ ณ ฉั ตรสุ ดดา เชิ ง อั ก ษร 8 mm. 46.627 abc 37.673 de 37.233 de 40.511 b สํานักวิจัยและพัฒนาการเกษตรเขตที่ 1 ที่ได้เสียสละเวลาให้ความ 10 mm. 49.450 a 39.163 cd 30.177 e 39.597 b อนุเคราะห์และคําแนะนําในการวิเคราะห์ทางสถิติ
Mean 49.373 a 41.720 b 36.101 c Values follow by the same letter are not significantly difference at 95% confidence level , by DMRT
จากผลการทดสอบ Table 4 พบว่าที่ระดับขนาดรูคายกาก 5 mm กับระดับความเร็วรอบเกลียวอัด 24 rpm ให้ค่าประสิทธิภาพ สูงที่สุดอย่างมีนัยสําคัญทางสถิติ คือ 52.04% จากผลตรวจวิเคราะห์ทางเคมีของตัวอย่างกากมะคาเดเมีย ณ ความเร็วรอบเดียวกันที่ 24 rpm พบว่า ที่ระดับขนาดรูคายกาก 5 mm จะมีค่าปริมาณน้ํามันตกค้างในกากน้อยที่สุด คือ 20.80% และในระดับขนาดรูคายกาก 8 mm และ 10 mm มีปริมาณน้ํามัน ตกค้างในกากสูงขึ้นค่าใกล้เคียงกัน คือ 25.75% และ 25.71% 4 สรุปและข้อเสนอแนะ 4.1 สรุป ได้ปัจจัยที่เหมาะสม มีประสิทธิภาพสูงสุดและให้ปริมาณการ บีบน้ํามันได้มากที่สุด ในการสกัดน้ํามันด้วยเครื่องสกัดน้ํามันแบบ เกลี ย วอั ด ต้ น แบบ คื อ ที่ ร ะดั บ อุ ณ หภู มิ ก ระบอกอั ด 60 oC ใช้
6 เอกสารอ้างอิง อาทิตย์ และคณะ. 2552. การศึกษาปริมาณกรดไขมันของแมคคา เดเมีย. วารสารวิทยาศาสตร์เกษตร ปีที่40 ฉบับที่ 3 (พิเศษ) กันยายน-ธันวาคม 2552. หน้า 157-160. ชลิตต์ และคณะ. 2548. เครื่องบีบน้ํามันจากเมล็ดพืชแบบเกลียว เดี่ยว. เอกสารรวมบทคัดย่องานวิจัย, สถาบันวิจัยและพัฒนา มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี, หน้า 92. สุชาติ ไพศาลภูมิ และ สุนินทร์ กิติ. 2537. รายงานการวิจัยเรื่อง การศึกษาบีบน้าํ มันพืชแบบอัดสกรู.ภาควิชาวิศวกรรมเครื่อง กล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, 155 หน้า. ณัฐพล วิชาญ และ ดามร บัณฑุรัตน์. 2554. “การออกแบบช่อง คายกากของเครื่องหีบน้ํามันแบบสกรูอัดสําหรับมะแตกและมะ เยาหิน.” การประชุมวิชาการมหาวิทยาลัยกรุงเทพ. 143-152. แหล่งข้อมูล:http://www.proceedings.bu.ac.th /…/apc? เข้าถึงเมื่อ ตุลาคม 2556.
328
ศจี น้อยตั้ง. 2552. “ทางเลือกใหม่ของพืชน้าํ มันเพื่อการนํามาใช้ ประโยชน์.” บทความเผยแพร่ความรู้ด้านเทคโนโลยีชีวภาพ ลําดับที่ 5 เดือนพฤษภาคม สถาบันเทคโนโลยีชีวภาพและ วิศวกรรมพันธุศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย. แหล่งข้อมูล: http://www.ibge.chula.ac.th/English /article/fd052009oil.html เข้าถึงเมื่อ ตุลาคม 2556. Olaniyan et al. 2012. “Design, Development and Testing of a Screw Press Expeller for Palm Kernel and Soybean Oil Extraction.” International Conference of Agricultural Engineering CIGR-AgEng, Valencia,Spain. 9 pp. [Online]. Available: http://www.cigr.ageng2012. org/images/fotosg/table_137_c1748.pdf. Accessed on October 2013.
329
TPHF-08
ระดับความสุกและอุณหภูมิพัฟฟิงที่เหมาะสมของการผลิตกล้วยน้ําว้าและกล้วยหอมกรอบ สุรพิชญ์ ทับเที่ยง1*, สมเกียรติ ปรัชญาวรากร2, สมชาติ โสภณรณฤทธิ์3 1
ภาควิชาวิทยาศาสตร์ประยุกต์และสังคม วิทยาลัยเทคโนโลยีอุตสาหกรรม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ 1518 ถนนประชาราษฎร์ สาย 1 แขวงวงศ์สว่าง เขตบางซือ่ กรุงเทพมหานคร 10800 2 ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี 126 ถนนประชาอุทิศ แขวงบางมด เขตทุ่งครุ กรุงเทพมหานคร 10140 3 สายวิชาเทคโนโลยีพลังงาน คณะพลังงานสิ่งแวดล้อมและวัสดุ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี 126 ถนนประชาอุทิศ แขวงบางมด เขตทุ่งครุ กรุงเทพมหานคร 10140 ผู้เขียนติดต่อ: สุรพิชญ์ ทับเที่ยง E-mail: Surapit_t@yahoo.com; Ohmpare@hotmail.com
บทคัดย่อ ผลิตภัณฑ์กล้วยกรอบผลิตมาจากกล้วยหลายชนิด เช่น กล้วยน้ําว้า กล้วยหอม เป็นต้น กล้วยกรอบที่วางจําหน่ายทั่วไปมัก แปรรูปด้วยการทอดจึงทําให้มีน้ํามันคงค้างอยู่มากดังนั้นการแปรรูปด้วยการพัฟจึงเป็นวิธีที่น่าสนใจ อย่างไรก็ตามผลของระดับความสุก ของกล้วยทั้งสองพันธุ์ยังไม่มีรายงานวิจัย ดังนั้นในการทดลองนี้จึงมีความสนใจศึกษาผลของระดับความสุกและอุณหภูมิพัฟฟิงที่ใช้แปร รูปต่อคุณภาพของกล้วยกรอบ ในการทดลองนํากล้วยที่มีความสุกในช่วง 16-17, 20-21 และ 24-25°Brix มาหั่นขวางให้มีความหนา 2.5 mm หลังจากนั้นอบแห้ง 3 ขั้นตอน ขั้นตอนแรกนํากล้วยมาอบแห้งด้วยลมร้อนที่อุณหภูมิ 90°C จนความชื้นของกล้วยลดลงถึง 35 - 40% มาตรฐานแห้ง (d.b.) จากนั้นนํากล้วยมาพัฟฟิงโดยลมร้อนที่อุณหภูมิ 130 150 และ 170°C เป็นเวลา 2 min ขั้นตอน สุดท้ายนํากล้วยมาอบแห้งโดยลมร้อนร้อนที่อุณหภูมิ 90°C อีกครั้งจนกระทั่งความชื้นเหลือไม่เกิน 4% d.b. ผลการทดลองพบว่าระดับ ความสุกส่งทําให้มีการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมีซึ่งส่งผลต่อไปยังคุณภาพของกล้วยกรอบ เมื่อระดับความสุกมากขึ้นทําให้ กล้วยหอมมีปริมาตรลดลงแต่กล้วยน้ําว้ามีปริมาตรมากที่สุดที่ความสุก 20-21ºBrix เมื่อระดับความสุกมากขึ้นทําให้ปริมาณเพคตินใน กล้วยลดลงส่งผลให้กล้วยกรอบมีเนื้อสัมผัสที่แข็งลดลง นอกจากนี้กล้วยน้ําว้ามีเนื้อสัมผัสที่แข็งกว่ากล้วยหอมกรอบที่ระดับความสุก เดียวกันเพราะว่ามีปริมาณเพคตินและสตาร์ชมากกว่า อย่างไรก็ตามกล้วยกรอบมีสีน้ําตาลคล้ํามากขึ้นเมื่อระดับความสุกมากขึ้น เนื่องจากน้ําตาลกลูโคสและฟรุกโตสมีปริมาณมากขึ้น นอกจากนี้ระดับอุณหภูมิพัฟฟิงที่สูงขึ้นส่งผลให้กล้วยมีปริมาตรเพิ่มขึ้นและเนื้อ สัมผัสมีความแข็งลดลงแต่ผลิตภัณฑ์เกิดสีน้ําตาลมากขึ้นเพราะอุณหภูมิที่สูงเร่งปฏิกิริยาการเกิดสีน้ําตาลได้ดี ดังนั้นระดับความสุกของ กล้วยหอมและกล้วยน้ําว้าที่เหมาะสม คือ 16-17 และ 20-21°Brix ตามลําดับ ส่วนอุณหภูมิพัฟฟิงที่เหมาะสมสําหรับกล้วยหอมและ กล้วยน้ําว้าเท่ากับ 130 และ 150°C ตามลําดับ คําสําคัญ: กล้วยกรอบ, ระดับการสุก, พัฟฟิง, เนื้อสัมผัส, สายพันธุ์กล้วย
Optimal Degree of Ripeness and Puffing Temperature of the Production of Crisp Numwa and Homtong Banana Surapit Tabtiang1*, Somkiat Prachayawarakorn2 Somchart Soponronnarit3 1
Department of social and applied science, College of Industrial Technology, King Mongkut's University of Technology North Bangkok, 1518 Pracharat Sai 1 Road, Wongsawang, Bangkok 10800, Thailand 2 Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Tungkru, Bangkok 10140, Thailand 3 Energy Technology Division, School of Energy, Environment and Materials, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, 126 Pracha u-tid Road, Thung Khru, Bangkok 10140, Thailand Corresponding author: Surapit Tabtiang. E-mail: Surapit_t@yahoo.com; Ohmpare@hotmail.com
330
Abstract The crisp banana product was processed from many kinds of banana such as Numwa banana and Homtong banana. Crisp banana products usually processed by frying therefore high amount of oil contains in product, so the puffing is processed by way of interest. However, the effect of degrees of ripeness on banana quality was not also reports. Therefore, in this study, it is interesting to study the effects of banana ripeness and puffing temperature on quality of crisp banana. The fresh banana, which had total soluble solids in range of 16-17, 20-21 and 24-25°Brix, were cut across into 2.5 mm thickness after drying in 3 steps. The first step, the bananas slices were dried by hot air at temperature of 90°C until their moisture content reached to 35-40% dry basis (d.b.), then it were puffed by hot air at temperature of 130, 150 and 170°C for 2 min. Finally, it was dried by hot air at 90°C again until their moisture content was not more than 4% d.b. The results showed that the degree of ripeness affected on chemical composite that influenced on the quality of banana product. Higher degree of ripeness linearly decreased the volume of Homtong banana, however, Numwa banana was highest volume at the medium ripeness, 20-21ºBrix. In addition, higher degree of ripeness of banana provided lower amount of pectin content that affected on texture which induced the lower hardness. In addition, crisp Numwa banana had lower volume and harder texture than Homtong banana. It is related with higher amount of pectin and starch content of Numwa banana than those Homtong bananas. However, crisp bananas had more brown skin as higher degree of ripness due to the amount of glucose and fructos. Higher puffing temperatures resulted that the crisp bananas are increased in volumetric and lower hard texture. However, banana products had more brown colour because of the higher temperature accelerates the browning reaction. Thus, the ripening of Homtong and Numwa banana were a reasonable of 16-17 and 20-21°Brix, respectively, and puffing temperature operated at 130 and 150°C, respectively. Keywords: crisp banana, ripeness, puffing, texture, banana variety.
1 บทนํา ผลิตภัณฑ์กล้วยกรอบเป็นผลิตภัณ์อาหารว่างชนิดหนึ่งที่มีขาย ตามท้ องตลาด การแปรรู ปกล้ วยกรอบมั กใช้ การทอดส่ งผลให้ ผลิตภัณฑ์กล้วยกรอบมีน้ํามันคงค้างอยู่มากซึ่งอาจส่งผลเสียต่อ สุ ข ภาพของผู้ บ ริ โ ภคหากบริ โ ภคมากเกิ น ไป การอบแห้ ง เป็ น ทางเลือกหนึ่งที่นํามาใช้แปรรูปกล้วยโดยใช้การอบแห้งด้วยลมร้อน ที่อุณหภูมิระหว่าง 70 - 90°C อย่างไรก็ตามผลิตภัณฑ์กล้วยอบแห้ง มีระดับการหดตัวที่สูง (Hofsetz et al., 2007) การหดตัวของกล้วย ระหว่างการอบแห้งเนื่องจากกล้วยมีการสูญเสียน้ําทําให้เซลล์เกิด การหดตัวและส่งผลให้โครงสร้างภายในยุบตัวตามมา วิ ธี ลดการหดตั วของผลิ ตภั ณฑ์ สามารถนํ าเทคนิ คพั ฟฟิ งมา ประยุ กต์ ใช้ ร่ วมกั บการอบแห้ งด้ วยลมร้ อนที่ อุ ณหภู มิ ต่ํ าเพราะ เทคนิคพัฟฟิงทําให้อาหารมีอุณหภูมิภายในเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ดังนั้นน้ําภายในอาหารจึงเดือดและระเหยอย่างรวดเร็วทําให้เกิดไอ น้ําแรงดันสูงออกแรงดันให้โครงสร้างขยายตัว (Saca and Lozano, 1992; Varnalis et al., 2001; Torreggiani et al., 1995) ผลของ ปริมาตรอาหารที่ขยายตัวทําให้ โครงสร้างภายในมี ความพรุนสู ง ดังนั้นอาหารจึงมีเนื้อสัมผัสที่กรอบมากขึ้น (Tabtiang et al., 2012) อย่างไรก็ตามเทคนิคพัฟฟิงภายใต้ระดับอุณหภูมิสูงส่งผลให้ ผลิตภัณฑ์มีคุณภาพสีที่ด้อยเนื่องจากผลิตภัณฑ์เกิดสีน้ําตาลคล้ํา มากขึ้น (Varnalis et al., 2004) ในงานวิจัยพัฟฟิงมักจะกําหนด
ระดั บความสุ กของกล้ วยที่ ใช้ พั ฟฟิ ง ต่ อคุ ณภาพของผลิ ตภั ณฑ์ Tabtiang et al. (2012) ศึกษาการพัฟกล้วยน้ําว้าที่ระดับความสุก อยู่ในช่วง 21-23°Brix นอกจากนี้ Raikham et al. (2013) ผลิต กล้วยหอมกรอบโดยใช้ระดับความสุกระหว่าง 16-18°Brix มี งานวิจัยไม่มากนักที่ศึกษาผลของระดับความสุกต่อคุณภาพของ ผลิตภัณฑ์กรอบ Tabtiang et al. (2016) ศึกษาผลของระดับความ สุกต่อคุณภาพของกล้วยน้ําว้ากรอบ ระดับความสุกที่แตกต่างกันทํา ให้องค์ประกอบทางเคมีของกล้วยต่างกันซึ่งส่งผลต่อคุณภาพของ กล้วยกรอบในด้านต่างๆ ทั้งสีและเนื้อสัมผัส 2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 กล้วยและการเตรียม กล้ ว ยน้ํ า ว้ า และกล้ ว ยหอมสดที่ ใ ช้ สํ า หรั บ อบแห้ ง ถู ก แบ่ ง ออกเป็น 3 ระดับความสุก คือ16-17, 20-21 และ 24-25°Brix นํา กล้วยมาหั่นขวางที่ความหนา 2.5 mm และลวกด้วยน้ําร้อนที่ 95°C เป็นเวลา 30 sec การลวกช่วยให้เซลล์มีความยืดหยุ่นมากขึ้น จึงช่วยส่งเสริมการขยายตัวของปริมาตรในระหว่างขั้นตอนการพัฟ (Varnalis et al., 2001) การหาความชื้นเริ่มต้นของกล้วยแผ่นก่อน อบแห้งใช้วิธีการอบแห้งตามมาตรฐาน AOAC (1995)
331
2.2 กระบวนการอบแห้งหลายขั้นตอน ขั้ น ตอนการอบแห้ ง ประกอบด้ ว ย 3 ขั้ น ตอน ขั้ น ตอนแรก อบแห้งกล้วยด้วยลมร้อนที่อุณหภูมิ 90°C ภายใต้ความเร็วลม 2 msec-1 จนปริมาณความชื้นของกล้วยลดลงถึง 35-40% d.b. หลังจากนั้นนํากล้วยมาพัฟฟิงโดยลมร้อนที่อุณหภูมิ 130 150 และ 170°C เป็นเวลา 2 min ขั้นตอนสุดท้ายนํากล้วยแผ่นอบแห้งด้วย ลมร้อนที่อุณหภูมิ 90°C อีกครั้ง จนกระทั่งความชื้นสุดท้ายไม่เกิน 4% d.b. 2.3 อัตราส่วนปริมาตร ตัวอย่างกล้วยกรอบ 15 ชิ้น ถูกนํามาหาอัตราส่วนปริมาตรโดย ใช้วิธีการแทนที่ในของแข็งด้วยเม็ดทรายละเอียด (Raikhamh et al., 2013) ซึ่งปริมาตรกล้วยคํานวณโดยใช้สมการต่อไปนี้ V
M b M s b M v M s
b
(1)
เมื่อ Mb คือ น้ําหนักของภาชนะที่บรรจุ เม็ดทรายละเอียด จน เต็ม, Mv คือ น้ําหนักของภาชนะเปล่า, Ms+b คือ น้ําหนักของ ภาชนะที่บรรจุ เม็ดทรายละเอียด และกล้วยแผ่น, Ms คือ น้ําหนัก ของกล้วยแผ่นและ b คือ ความหนาแน่นของ เม็ดทรายละเอียด. การหาอัตราส่วนปริมาตรหาได้จากอัตราส่วนระหว่างปริมาตร ของกล้วยอบแห้งต่อปริมาตรของกล้วยสดดังสมการที่ (2) % volumetric ratio = V 100 (2) Vi
เมื่อ และ คือ ปริมาตรของกล้วยสดและปริมาตรของ กล้วยอบแห้งตามลําดับ 2.4 การวัดสี การวัดสีของกล้วยแผ่นใช้เครื่องวัดสีของอาหาร (Colour Flex, Hunter Lab, UK) ทําการวัดค่าสีของกล้วยแผ่นในแนวระนาบและ แสดงค่าสีในเทอมของค่าความสว่าง (Lightness : L), ค่าความเป็น สีแดงและสีเขียว (Redness, a) และค่าความเป็นสีเหลืองและน้ํา เงิน (Yellowness : b) ในการทดสอบใช้กล้วยแผ่นจํานวน 15 ชิ้น ต่ อสภาวะการอบแห้ ง จากนั้ นนํ าค่ าสี ที่ วัดได้ มาคํ านวณหาการ เปลี่ยนแปลงสีโดยรวม (ΔE) จากสมการที่ (3) E ( L L0 ) 2 (a a0 ) 2 (b b0 ) 2
(3)
2.5 การวัดเนื้อสัมผัส การทดสอบด้านเนื้อสัมผัสของกล้วยกรอบจะใช้เครื่องทดสอบ เนื้อสัมผัส (TA-XT2i, Stable Micro Systems Texture, UK) ทดสอบด้วยแรงกดโดยใช้หัวกดแบบตัด (HDP-BSK type) ทําการ ทดลองโดยใช้กล้วย 15 ชิ้น ต่อสภาวะการอบแห้ง การพิจารณา คุณภาพด้านเนื้อสัมผัสของกล้วยแผ่นพิจารณาจากค่าความแข็ง (hardness) และความชันเริ่มต้น (initial slope)
2.6 การวิเคราะห์ทางสถิติ ข้อมูลการวิเคราะห์คุณภาพกล้วยพัฟด้านต่างๆ จากการทดลอง ได้แก่ สี อัตราส่วนปริมาตรและเนื้อสัมผัสนํามาวิเคราะห์ผลทาง สถิติด้วยโปรแกรม SPSS® โดยทําการวิเคราะห์ผลด้วยสถิติ ANOVA (Analysis of variance) ด้วยวิธี Turkey’s multiple range test เพื่อเปรียบเทียบค่าเฉลี่ยเชิงพหุที่ระดับความเชื่อมั่น 95% 3 ผลและวิจารณ์ 3.1 องค์ประกอบทางเคมีในกล้วยที่ระดับความสุกต่างๆ ระดับความสุกส่งผลต่อองค์ประกอทางเคมีของกล้วย กล้วยที่ ระดับความสุก 16-17ºBrix ซึ่งเป็นระดับความสุกน้อยที่สุดในช่วง การทดลองพบว่ามีปริมาณของสตาร์ชและเพคตินสูงสุดทั้งกล้วย น้ําว้าและกล้วยหอมแต่น้ําตาลโมเลกุลเดี่ยวทั้งสองชนิด (กลูโคส และฟรุ ก โตส) กลั บ มี ป ริ ม าณน้ อ ยที่ สุ ด ดั ง แสดงในตารางที่ 1 อย่างไรก็ตามสตาร์ชและเพคตินเกิดการสลายตัวเมื่อระดับความสุก มากขึ้นส่งผลให้ปริมาณของโพลิเมอร์ทั้งสองมีแนวโน้มลดลง แต่ ปริ ม าณน้ํ า ตาลโมเลกุ ล เดี่ ย วทั้ ง สองชนิ ด กลั บ มี ป ริ ม าณสู ง ขึ้ น เนื่องจากสตาร์ชบางส่วนสลายตัวเป็นน้ําตาลโมเลกุลเดี่ยว (Fuwa et al., 1979) องค์ประกอบทางเคมีของกล้วยที่แตกต่างกันของแต่ ละระดับความสุกจะส่งผลต่อคุณภาพของกล้วยกรอบซึ่งจะกล่าวใน หัวข้อถัดไป 3.2 ผลของระดับความสุกต่อคุณภาพของกล้วยกรอบ รูปที่ 1 แสดงผลของระดับความสุกต่ออัตราส่วนปริมาตรของ กล้ วยน้ํ าว้าและกล้วยหอมกรอบเมื่ อใช้ อุณหภู มิพัฟฟิงที่ 150ºC เมื่อพิจารณากล้วยน้ําว้าพบว่ากล้วยมีปริมาตรน้อยที่สุดที่ระดับ ความสุก 16-17°Brix เนื่องจากกล้วยมีปริมาณเพคตินสูงสุดที่ระดับ ความสุกนี้ดังแสดงในตารางที่ 1 เพกตินเป็นส่วนประกอบที่สําคัญ ของโครงสร้างเซลล์ในชั้น middle lamella ซึ่งช่วยเชื่อมเซลล์ให้ ติดกัน (Mahapatra et al., 2010) ดังนั้นปริมาณของเพคตินที่ สู ง ขึ้ น ทํ า ให้ โ ครงสร้ า งกล้ ว ยมี ค วามแข็ ง แรงมากขึ้ น ส่ ง ผลให้ โครงสร้างขยายตัวได้ยากในขณะพัฟฟิง (Tabtiang et al., 2016) เมื่อระดับการสุกมากขึ้นพบว่ ากล้วยน้ําว้ามีปริมาตรมากขึ้ น เพราะเพคตินบางส่วนที่อยู่ในเนื้อเยื่อเสื่อมสลาย อย่างไรก็ตามที่ ความสุกระยะ 24-25°Brix พบว่ากล้วยน้ําว้ากลับมีปริมาตรลดลง แม้ว่าจะมีปริมาณเพคตินต่ําที่สุด สาเหตุอาจเนื่องมาจากน้ําตาลใน กล้วยมีปริมาณมากเกินไปและอาจไปขัดขวางการเกิด เจลาติไนซ์ ของสตาร์ชส่งผลให้ชั้นผิวปิดที่ช่วยกักไอน้ําในช่วงพัฟฟิงไม่สมบูรณ์ กล้วยจึงพองตัวไม่ดี (Antonio et al., 2001) อย่างไรก็ตามกล้วย หอมกลั บ มี ก ารปริ ม าตรสู ง สุ ด ที่ ร ะดั บ ความสุ ก น้ อ ยที่ สุ ด (16-17ºBrix) ถึงแม้ว่าที่ระดับความสุกนี้จะมีมีปริมาณเพคตินสูงว่า
332
ระดั บความสุ กอื่ นแต่ เมื่ อเปรี ยบเที ยบกั บกล้ วยน้ํ าว้ าก็ พบว่ า มี ปริมาณเพคตินใกล้เคียงกับในกล้วยน้ําว้าที่ระดับความสุก 20-21 ºBrix ซึ่งให้ปริมาตรสูงสุด เมื่อความสุกมากขึ้นพบว่ากล้วยหอมมี ปริมาตรลดลงถึงแม้ว่าจะมีปริมาณเพคตินลดลงเนื่องจากน้ําตาลใน กล้วยมีปริมาณมากเกินไปจึงส่งผลให้กล้วยพองตัวไม่ดี นอกจากนี้ เมื่อพิจารณาเปรียบเทียบสายพันธ์ของกล้วยพบว่าที่ระดับความสุก เดียวกันกล้วยหอมมีปริมาตรมากกว่ากล้วยน้ําว้าสาเหตุเพราะว่า กล้วยหอมมีปริมาณเพคตินน้อยกว่ากล้วยน้ําว้าจึงทําให้พองตัวได้ดี ขณะพัฟฟิง รูปที่ 2 แสดงผลของระดับความสุกต่อความแข็งของกล้วยน้ําว้า และกล้วยหอมกรอบเมื่อใช้อุณหภูมิพัฟฟิงที่ระดับ 150ºC เนื้อสัมผัสของกล้วยน้ําว้าและกล้วยหอมมีความแข็งมากที่สุดที่ ระดับความสุก 16-17°Brix เมื่อระดับความสุกมากขึ้นพบว่าเนื้อ สัมผัสของกล้วยมีความแข็งลดลงสาเหตุเพราะว่าเพคตินบางส่วนใน เนื้อเยื่อของกล้วยเกิดการสลายตัวจึงทําให้กล้วยสดมีเนื้อสัมผัสที่ นิ่มขึ้น (Redgwell et al, 1981) ซึ่งส่งผลให้เนื้อสัมผัสของกล้วย กรอบมี เนื้ อสัมผั สที่ แข็งลดลง นอกจากนี้ ระดับความสุกที่ สูงขึ้ น ส่งผลให้ความชันเริ่มต้นมีค่าลดลงดังแสดงในรูปที่ 3 เนื่องจาก ปริ ม าณเพคติ น ที่ ล ดลงทํ า ให้ ผ นั ง เซลล์ แ ตกออกและทํ า ให้ ค่ า turgidity ลดลง นอกจากนี้ John and Marchal (1995) รายงาน ว่ าปริ มาณของสตาร์ ชส่ งผลต่ อค่ า firmness ของเนื้ อสั มผั สเมื่ อ ปริมาณสตาร์ชลดลงเนื่องจากการสลายตัวจะทําให้ค่า firmness ของเซลล์ลดลงซึ่งส่งผลให้ความต้านทานต่อแรงกดจากภายนอก ลดลงด้วย
นอกจากนี้ระดับความสุกยังส่งผลต่อคุณภาพสีของกล้วยกรอบ ดังแสดงในรูปที่ 4 เมื่อระดับความสุกมากขึ้นทําให้กล้วยหอมกรอบ มีคุณภาพสีด้อยลงซึ่งกล้วยกรอบจะมีสีน้ําตาลบนผิวมากขึ้นรวมทั้ง มีรอยไหม้บางส่วนที่ระดับความสุกสูงสุด (24-25°Brix) ดังแสดงใน รูปที่ 4 (a) – (c) การเกิดสีน้ําตาลเพิ่มขึ้นทําให้กล้วยหอมกรอบที่มี ความสุกมากมีค่า ∆E ที่สูงขึ้นตามไปด้วยดังแสดงในรูปที่ 5 ความ ไวต่อการเกิดสีน้ําตาลเกี่ยวข้องกับปริมาณของน้ําตาลโมเลกุลเดี่ยว ซึ่งเป็นสารตั้งต้นที่สําคัญของการเกิดปฏิกิริยาเมลลาร์ด เมื่อระดับ ความสุกเพิ่มทําให้กล้วยมีปริมาณน้ําตาลโมเลกุลเดี่ยวเพิ่มขึ้นดัง แสดงในตารางที่ 1 จึ งส่ ง ผลให้ กล้ วยแผ่ นเกิ ดสี น้ํ าตาลมากขึ้ น หลังพัฟฟิง (Tabtiang et al., 2012) ส่วนกล้วยน้ําว้ากรอบให้ผล การทดลองเป็นไปในแนวทางเดียวกันแต่การเกิดสีน้ําตาลจะน้อย กว่ ากล้ วยหอมในระดั บความสุ กเดี ยวกั นเนื่ องจากกล้ วยน้ํ าว้ ามี ปริมาณน้ําตาลโมเลกุลเดี่ยวน้อยกว่าดังนั้นกลวยน้ําว้าจึงมีค่า ∆E น้อยกว่ากล้วยหอมที่ระดับความสุกเดียวกันด้วยดังแสดงในรูปที่ 5 จากข้อมูลการทดลองพบว่าระดับความสุกส่งผลต่อคุณภาพของ กล้ วยกรอบทั้ งสองสายพั นธุ์ กล้ วยน้ํ าว้ ากรอบที่ ระดั บความสุ ก 20-21ºBrix มีปริมาตรสูงสุดโดยที่คุณภาพสียอมรับได้ดังแสดงใน รูปที่ 4 (f) ส่วนกล้วยหอมกรอบที่ระดับความสุ กต่ําสุ ด (16-17ºBrix) พบว่ากล้วยมีปริมาตรสูงสุดโดยที่กล้วยมีสีน้ําตาล น้อยกว่าระดับความสุกอื่นๆ ดังนั้นระดับความสุกที่จะนําไปศึกษา ผลของอุณหภูมิพัฟฟิงต่อจะใช้ในระดับความสุกของกล้วยทั้งสอง สายพันธุ์ดังที่ได้กล่าวมาข้างต้น
Table 1 Chemical composite in banana as various ripening levels. Banana variety Numwa Homtong
Ripeness (ºBrix) 16-17 20-21 24-25 16-17 20-21 24-25
Starch (g/g dry mass ) 0.813 0.650 0.515 0.361 0.170 0.090
Pectin (g/g dry mass ) 0.359 0.196 0.123 0.201 0.094 0.039
333
Fructose (g/g dry mass ) 0.039 0.052 0.083 0.053 0.129 0.154
Glucose (g/g dry mass ) 0.044 0.058 0.094 0.053 0.133 0.144
Figure 1 effect of banana ripening level on volume ratio.
Figure 2 effect of banana ripening level on hardness.
Figure 3 effect of banana ripening level on initial slope. 3.3 ผลของระดับอุณหภูมิพัฟฟิงต่อคุณภาพของกล้วยกรอบ รูปที่ 6 แสดงผลของอุณหภูมิพัฟฟิงต่อคุณภาพของกล้วยหอม ในเทอมของอัตราส่วนปริมาตร ความแข็งและสี อุณหภูมิพัฟฟิงส่ง ผลอย่ า งมี นั ย สํ า คั ญ ต่ อ อั ต ราส่ ว นปริ ม าตร กล้ ว ยมี อั ต ราส่ ว น ปริมาตรต่ําสุดเมื่อพัฟฟิงที่อุณหภูมิ 130ºC อุณหภูมิพัฟฟิงที่สูงขึ้น
ช่วยให้ปริมาตรมากขึ้น สาเหตุจากอุณหภูมิที่สูงขึ้นทําให้เกิดการ ถ่ายโอนพลังงานความร้อนให้กล้วยมากขึ้นดังนั้นอุณหภูมิภายใน กล้วยจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วส่งผลให้น้ําในกล้วยระเหยได้เร็วขึ้น และสร้างความดันไอที่สูงขึ้นทําให้เกิดการขยายปริมาตรมากขึ้น (Raikham et al., 2013) ส่วนผลของอุณหภูมิต่อกล้วยน้ําว้ากรอบ พบว่าให้ผลที่เป็นไปในแนวทางเดียวกับกล้วยหอมกรอบแต่กล้วย น้ําว้าจะมีปริมาตรน้อยกว่ากล้วยหอมในทุกระดับอุณหภูมิพัฟฟิง สาเหตุเพราะว่ากล้วยน้ําว้ามีปริมาณเพคตินและสตาร์ชมากกว่า กล้วยหอม การขยายปริมาตรของกล้วยพัฟเมื่ออุณหภูมิพัฟฟิงสูงขึ้นทําให้ void area fraction มีเปอร์เซ็นเพิ่มขึ้นดังแสดงในตารางที่ 2 ซึ่ง void area fraction ที่เพิ่มขึ้นบ่งบอกว่าความพรุนตัวของโครงสร้าง กล้วยเพิ่มขึ้นดังนั้นจึงทําให้เนื้อสัมผัสของกล้วยมีความแข็งลดลง เนื่ องจากโครงสร้ างภายในมี ความแน่ นเนื้ อต่ํ า กล้ วยจึ งมี ความ ต้านทานต่อแรงกระทําภายนอกที่ใช้ตัดกล้วยแผ่นลดลงดังแสดงใน รูปที่ 6 ซึ่งกล้วยหอมมีเนื้อสัมผัสที่แข็งลดลงอย่างมีนัยสําคัญเมื่อ อุณหภูมิพัฟฟิงเพิ่มจาก 130 เป็น 170°C นอกจากนี้อุณหภูมิพัฟฟิงยังส่งผลกระทบต่อสีของกล้วยกรอบ ดังแสดงในรูปที่ 4 กล้วยหอมกรอบมีสีน้ําตาลเล็กน้อยเมื่อพัฟที่ อุณหภูมิ 130°C (รูปที่ 4 (d)) และสีน้ําตาลปรากฏบนพื้นผิวกล้วย มากขึ้นเมื่อใช้ระดับอุณหภูมิพัฟฟิงสูงขึ้นดังแสดงในรูปที่ 4 (a) และ (e) การเกิดสีน้ําตาลมากขึ้นส่งผลให้ค่า ∆E เพิ่มสูงขึ้นดังแสดงใน รู ปที่ 6 สาเหตุ จากอุ ณหภู มิพัฟฟิ งที่ สู งขึ้ นเร่ งปฏิ กิ ริ ยาสี น้ํ าตาล (Raikhamh et al., 2013) ระดับอุณหภูมิพัฟฟิงที่สูงกว่า 130°C ทํ าให้ กล้ วยหอมมี สี น้ํ าตาลคล้ํ ามากเกิ นไปซึ่ งอาจส่ งผลต่ อการ ยอมรั บของผู้ บริ โภค ส่ วนผลของอุ ณหภู มิพัฟฟิ งต่ อสี ของกล้ วย น้ําว้ามีแนวโน้มเหมือนกับกล้วยหอมทอง อย่างไรก็ตามถ้าเปรียบเทียบสีของกล้วยระหว่างกล้วยน้ําว้า (20-21°Brix) และกล้วยหอม (16-17°Brix) พบว่าสีของกล้วยหอม จะมีสีคล้ํามากกว่ากล้วยน้ําว้าที่อุณหภูมิพัฟฟิงเท่ากันดังแสดงใน รูปที่ 4 (a) และ (f) ถึงแม้ว่าจะมีปริมาณน้ําตาลโมเลกุลเดี่ยว ใกล้เคียงกัน ทั้งนี้น่าจะมีสาเหตุมาจากเอนไซม์ที่เหลือหลังจากการ ลวกด้วยน้ําร้อนในกล้วยหอมยังมีอยู่มากจึงเร่งให้เกิดสีน้ําตาลคล้ํา มากกว่ากล้วยน้ําว้า
334
Figure 4 effect of banana ripening level on colur of puffed banana. Table 2 percent of void area fraction of crisp Homtong banana at various puffing temperature Ripening level (ºBrix) 16-18
Puffing temperature (ºC) 130 150 180
%Void area fraction 41.4 45.7 52.3
Figure 6 effect of puffing temperature on volume ratio, hardness and colour of puffed homtong banana.
Figure 5 effect of banana ripening level on ∆E
4 4 สรุปผล ระดับความสุก สายพันธุ์และอุณหภูมิพัฟฟิงส่งผลกระทบต่อ คุณภาพกล้วยพัฟ ระดับความสุกที่มากขึ้นทําให้กล้วยมีปริมาณของ สตาร์ ช และเพคติ น ลดลงส่ ง ผลให้ เ นื้ อ สั ม ผั ส มี ค วามแข็ ง ลดลง อย่างไรก็ตามกล้วยน้ําว้ามีเนื้อสัมผัสที่แข็งกว่ากล้วยหอมเนื่องจาก มีปริมาณของเพคตินและสตาร์ชที่สูงกว่า ระดับการสุกที่สูงขึ้นทํา ให้ กล้ วยมี ปริ มาณน้ํ าตาลโมเลกุ ลเดี่ ยวมากขึ้ นจึ งส่ งผลให้ กล้ วย กรอบเกิดสีน้ําตาลมากขึ้นหลังจากพัฟฟิงและกล้วยน้ําว้าให้คุณภาพ สีที่ดีกว่ากล้วยหอมที่ระดับความสุกเดียวกัน นอกจากนี้อุณหภูมิ พั ฟฟิ งที่ สู งขึ้ นยั งช่ วยให้ กล้ วยแผ่ นมี ปริ มาตรมากขึ้ นและมี เนื้ อ สัมผัสที่ แข็งลดลง อย่างไรก็ตามอุ ณหภูมิพัฟฟิงที่ สูงขึ้นส่ งผลให้ กล้วยเกิดสีน้ําตาลบนผิวมากขึ้นและเกิดรอยไหม้บริเวณขอบเมื่อใช้ อุณหภูมิสูงสุดสาเหตุเนื่องจากว่าอุณหภูมิที่สูงขึ้นเร่งปฏิกิริยาการ เกิดสีน้ําตาล ดังนั้นสภาวะการแปรรูปที่เหมาะสมของกล้วยน้ําว้า คือ ความสุกที่ระยะ 20-21 °Brix และอุณหภูมิพัฟฟิงที่ 150°C ส่วน
335
กล้วยหอมใช้ความสุกที่ระยะ 16-17°Brix และอุณหภูมิพัฟฟิงที่ 130°C 5 กิตติกรรมประกาศ ผู้ เขี ย นขอขอบคุ ณ โครงการส่ ง เสริ ม การวิ จั ย ในอุ ด มศึ ก ษา (HERP) ภายใต้ สํานักงานคณะกรรมการการอุ ดมศึกษาและ มหาวิ ท ยาลั ย เทคโนโลยี พ ระจอมเกล้ า พระนครเหนื อ ที่ ใ ห้ ทุ น สนับสนุนโครงการวิจัยตาม “สัญญาเลขที่ KMUTNB-GEN-58-01” และสํานักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย (สกว.) 6 เอกสารอ้างอิง Antonio, G.C., Alive, D.G., Azoubel, P.M., Murr, F.E.X and Park, K.J. 2008. Influence of Osmotic Dehydration and High Temperature Short Time Processes on Dried Sweet Potato (Ipomoes batatas Lam.), Journal of Food Engineering 84, 375-382. AOAC. 1995. Official Methods of Analysis (15thed.). Washington, DC, USA: Association of Official Analytical Chemists. Fuwa, H., Sugimoto, Y., Takaya, T. 1979. Scaning electron microscopy of starch granules, with or without amylase attack, Carbohydrate Research 70, 233-235. Hofsetz, K., Lopez, C.C., Hubinger, M.D., Mayor, L., Sereno, A.M. 2007. Change in the physical properties of bananas on applying HTST pulse during air drying, Journal of Food Engineering 83, 531-540. Purlis, E. 2010. Browning development in bakery product. Journal of Food Engineering 99, 169-175. Raikham, C., Prachayawarakorn, S., Nathakaranakule, A., Soponronnarit, S. 2013. Optimum conditions of fluidized bed puffing for producing crispy banana. Drying Technology 31, 726-739. Redgwell, R.J., Melton, L.D. and Brasch, D.J. 1992. Cell wall dissolution in ripening kiwifruit (Actinidia delicosa): solubilisation of pectic polymers. Plant Physiology 98, 71-81 Saca, A.S., Lozano, E.J. 1992. Explosion puffing of bananas. International Journal of Food Science and Technology 27, 419-426.
Tabtiang, S., Prachayawarakorn, S., Soponronnarit, S. 2012. Effects of osmotic treatment and superheated steam puffing temperature on drying characteristics and textural properties of banana slices. Drying Technology 30, 20-28. Torreggiani, D., Toledo, R.T., Bertolo, G. 1995. Optimization of vapor induced puffing in apple dehydration. Journal of Food Science 60, 181-185. Varnalis, A.I., Brennan, J.G., MacDougall, D.B. 2001. A proposed mechanism of high- temperature puffing of potato. Part I. the influence of blanching and drying conditions on the volume of puffed cubes. Journal of Food Engineering 48, 361-367. Varnalis, A.I., Brennan, J.G., MacDougall, D.B., Gilmour, S.G. 2004. Optimization of high temperature puffing of potato cubes using response surface methodology. Journal of Food Engineering 61, 153-163.
336
TPHF-09
การศึกษาปัจจัยของการกลัน่ น้ํามันหอมระเหยจากโรสแมรี่ โดยใช้เครื่องกลั่นแบบหอกลั่นทรงกรวย นฤเบศร์ หนูใสเพ็ชร1* วิวัฒน์ คล่องพานิช2 สิทธิชัย วงศ์หน่อ3 1,2,3
สาขาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยนอร์ท-เชียงใหม่ อ.หางดง จ.เชียงใหม่ 50230 ผู้เขียนติดต่อ: นฤเบศร์ หนูใสเพ็ชร E-mail: narubet@northcm.ac.th
บทคัดย่อ การวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาปัจจัยที่มีผลต่อการกลั่นน้ํามันหอมระเหยจากโรสแมรี่ โดยเครื่องกลั่นแบบหอกลั่นทรง กรวยขนาดบรรจุ 100 ลิตร ซึ่งเป็นการกลั่นโดยอาศัยไอน้ําเป็นตัวพาน้ํามันหอมระเหย ใช้แก๊สหุงต้มเป็นเชื้อเพลิงให้ความร้อน เครื่อง กลั่นลักษณะนี้มีใช้ในเชิงพาณิชย์ของอุตสาหกรรมขนาดเล็ก โดยได้ทําการศึกษาการกลั่นน้ํามันหอมระเหยจากใบและต้นของโรสแมรี่ ซึ่งเป็นน้ํามันหอมระเหยที่มีความต้องการสูงและราคาแพง จากการทดสอบอุณหภูมิภายในถังกลั่นโดยเฉลี่ย 4 ระดับ คือ 80 85 90 และ 95oC และอัตราการไหลของน้ําหล่อเย็นที่หอกลั่น 4 ระดับ คือ 400 300 200 และ 100 ลิตรต่อชั่วโมง พบว่าอุณหภูมิภายในถัง กลั่น 85oC และอัตราการไหลของน้ําหล่อเย็น 200 ลิตรต่อชั่วโมง มีความเหมาะสมกับการกลั่นโรสแมรี่ โดยใช้เวลาในการกลั่นโดย เฉลี่ย 6 ชั่วโมง และเมื่อคิดจุดคุ้มทุนพบว่าสามารถคืนทุนได้ภายใน 35 ครั้งของการกลั่น คําสําคัญ: การกลั่นน้ํามันหอมระเหย, โรสแมรี่, หอกลั่นทรงกรวย
Study of Factor for Rosemary Essential Oil by using Cone Shape Distillery type Narubet Nusaipetch1* Wiwat Klongpanich2 and Sitthichai Wongnor3 1,2,3
Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, North-Chiang Mai University, Hangdong Chiang Mai 50230
Corresponding author : narubet Nusaipetch. E-mail: narubet@northcm.ac.th
Abstract This research aims to study the factors for the distillation of essential oil of rosemary by distillation cone shape type of100 liters size. Liquid Petroleum Gas is Fuel. This distillery is of the commercial use for small industries. The essential oils from leaves and stems of rosemary has a high demand and is expensive. Testing temperature inside the tank was 4 levels which were 80, 85, 90 and 95oC and the flow rate of the coolant was 4 levels which were 400, 300, 200 and 100 liters per hour. The result showed that the optimum temperature inside the tank was 85 oC and water coolant flow rate of 200 liters per hour which took average of 6 hours distillation. The break even point was achieved after 35 batches. Keywords: Essential Oil, Distillation, Rosemary, Cone Shape Condenser
1 บทนํา โรสแมรี่ เ ป็ น พื ช ที่ มี ชื่ อ วิ ท ยาศาสตร์ ว่ า Rosemarinus officinalis L. เป็นพืชที่ปลูกมากในประเทศแถบทะเลเมดิเตอร์เร เนียนแต่ปัจจุบันพบมากในแถบอเมริกาเหนือ โดยส่วนใหญ่นําใบ และลําต้นมาสกัดเอาน้ํามันหอมระเหยมาใช้ประโยชน์ทั้งในรูปแบบ ของยา เครื่องสําอาง และอาหาร (Boutekedjiret et al., 2003) ในประเทศไทยมี การทดลองปลู กในพื้ นที่ สู งทางภาคเหนื อของ ประเทศ แต่ยังไม่เป็นที่แพร่หลายมากนัก ส่วนใหญ่แล้วนํามาใช้ ประโยชน์ในผลิตภัณฑ์เครื่องสําอาง และการบําบัดเป็นหลัก ใน ระยะหลังมีการผลิตน้ํามันหอมระเหยในเชิงพาณิชย์มากขึ้น จึงมี การส่งเสริมการปลูกเพื่อนํามาสกัดเป็นน้ํามันหอมระเหย อย่างไรก็
ตามวัตถุดิบที่นํามาสกัดราคาค่อนข้างสูงจึงทําให้ผลิตภัณฑ์มีราคา สูงตามไปด้วย การสกัดด้วยวิธีการกลั่นด้วยไอน้ําก็เป็นวิธีหนึ่ง ที่มี ขั้นตอนการสกัดไม่ยุ่งยาก และต้นทุนไม่สูงมาก ทั้งนี้จําเป็นอย่าง ยิ่งที่จะต้องหาปัจจัยที่เหมาะสมในการกลั่น เพื่อที่จะให้คุ้มค่ากับ การลงทุนมากที่สุด จึงเป็นที่มาของหัวข้อที่จะทําการศึกษาวิจัย ต่อไป 2 อุปกรณ์และวิธีการ เครื่องกลั่นน้ํามันหอมระเหยแบบหอกลั่นทรงกรวย(ภาพที่ 2) มีปริมาตรบรรจุ 100 ลิตร โดยสามารถบรรจุวัตถุดิบได้ตั้งแต่ 20 ถึง 50 กิโลกรัม ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของพืชวัตถุดิบแต่ละชนิด
337
ถังกลั่นถูกออกแบบให้สามารถเคลื่อนย้ายได้สะดวก ทั้งนี้เนื่องจาก บางครั้งอาจต้องนําเครื่องกลั่นไปใช้ในพื้นที่แปลงปลูกเพื่อประหยัด ค่ าขนส่ งวั ตถุ ดิ บ โดยใช้ แก๊ สหุ งต้ มเป็ นเชื้ อเพลิ ง ให้ ความร้ อน เครื่องกลั่นมีอุปกรณ์หลักดังนี้ คือ 1. ชุดหม้อต้ม 2. ฝาครอบและหอกลั่น 3. ชุดน้ําหล่อเย็น 4. หัวเตาแก๊สให้ความร้อน 5. หลอดกรวยแก้วแยกสาร อุน้ําจะถูกต้มจนกระทั่งเดือดที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส โดย เติมน้ําลงในหม้อต้ม 30 ลิตร และบรรจุวัถุดิบลงบนตะแกรงที่อยู่ เหนื อระดั บน้ํ าขึ้ นมา หลั งจากเปิ ดให้ เครื่ องทํ างานน้ํ าจะเดื อด ภายใน 30 นาที ใช้เวลาในการกลั่นประมาณ 6 ชั่วโมง น้ํามันหอม ระเหยที่อยู่ในพืชวัตถุดิบถึงจะสกัดออกมาจนหมด ไอน้ําที่ระเหยไป ก็จะเป็นตัวพาน้ํามันหอมระเหยขึ้นไปด้านบน เมื่อไปปะทะกับหอ กลั่ นทรงกรวย ที่ มี น้ํ าหล่ อเย็ น ที่ ไหลอยู่ ภายใน ทํ า ให้ ไอน้ํ าที่ มี อุณหภูมิสูงกว่าเกิดการกลั่นตัวเป็นหยดน้ําและไหลออกมายังช่อง ทางออกของน้ํามันหอมระเหยซึ่งรวมอยู่กับน้ํา ไหลลงมายังกรวย แยกสาร (ภาพที่ 3) แล้วทําการแยกน้ํามันหอมระเหยออกจากน้ํา อีกครั้งหนึ่ง อย่างไรก็ตามแม้ว่าน้ําจะเดือดที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส แต่เมื่อกลั่นไปสักระยะเวลาหนึ่งจะมีความร้อนสะสมพอที่จะทําให้ ไอน้ํ า พาน้ํ า มั นหอมระเหยที่ อยู่ พื ชวั ตถุ ดิ บออกมาได้ ดั ง นั้ น ไม่ จําเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิไว้ที่จุดเดือดของน้ําตลอดเวลา สามารถ ปรับลดการให้ความร้อนลงมาได้ ทําให้ประหยัดพลังงานได้อีกทาง หนึ่ง (นฤเบศร์และคณะ, 2552) แต่ทั้งนี้ต้องอาศัยการทดลองและ ประสบการณ์การกลั่นหลายๆ ครั้ง ถึงจะทราบปัญหาเหล่านี้ได้ซึ่ง ขึ้ นอยู่ กั บชนิ ดของวั ตถุ ดิบด้ วย ในส่ วนของน้ํ าหล่ อเย็ น ถื อว่ ามี ความสําคัญมากอีกเช่นกัน เพราะต้องอาศัยการแลกเปลี่ยนความ ร้อน เพื่อให้เกิดการกลั่นตัวของไอน้ํา ดังนั้นการออกแบบถังเก็บ น้ําวนให้กลับมาใช้ใหม่ โดยอาศัยปั๊มน้ําจึงเป็นเรื่องสําคัญไม่น้อย อุณหภูมิของน้ําในถังน้ําหล่อเย็นไม่ควรจะเกิน 400C ในกรณีที่อยู่ ใกล้แหล่งน้ําธรรมชาติ สามารถสูบน้ําขึ้นมาใช้แล้วปล่อยน้ําคืนสู่ แหล่งธรรมชาติได้ โดยได้ทําการทดสอบการกลั่นต้นและใบของโรสแมรี่ (ภาพที่ 1) ที่มีความชื้นเริ่มแรกอยู่ระหว่าง 82-86 เปอร์เซ็นต์มาตรฐานเปียก โดยบรรจุวัตถุดิบลงในถังกลั่นที่มีตะแกรงรองรับอยู่ ซึ่งตะแกรงวาง อยู่เหนือระดับน้ําภายในถังกลั่น
Figure 1 Leaves and stem of rosemary
Figure 2 cone shape distillery type unit
Figure 3 Separation of essential oils จากการทดสอบการกลั่ นต้ นและใบของโรสแมรี่ โดยมี การ ควบคุมปัจจัยหลักที่ใช้ในการทดสอบ คือ อุณหภูมิของถังกลั่นและ อัตราการไหลของน้ําหล่อเย็นที่หอกลั่น ใช้ปริมาณตัวอย่างๆละ 5
338
กิโลกรัม ทําการกลั่น 3 ซ้ํา ในแต่ละช่วงอุณหภูมิและอัตราการไหล จากศึกษาเอกสารที่เกี่ยวข้อง(Malekydozzadeh et al. , 2012) พบว่าปริมาณน้ํามันหอมระเหยที่มีอยู่ในใบและลําต้นของโรสแมรี่มี ค่าอยู่ระหว่าง 0.5 ถึง 1.5 เปอร์เซ็นต์โดยน้ําหนักต่อปริมาตร ใน ขั้ น ต้ น จึ ง ได้ มี ก ารทดสอบหาอุ ณ หภู มิ ภ ายในถั ง กลั่ น ก่ อ น โดย ขั้ น ตอนแรกได้ เ ปิ ด แก๊ ส หุ ง ต้ ม เพื่ อ ให้ ค วามร้ อ นแก่ ถั ง กลั่ น จน อุณหภูมิถึงจุดเดือดที่ 1000C แล้วค่อยๆ ลดลงมาจนถึงจุดที่ เหมาะสมที่สุด โดยใช้ค่าชี้วัด คือ ปริมาณน้ํามันหอมระเหยของโรส แมรี่ เมื่อได้ค่าของอุณหภูมิที่เหมาะสมในการกลั่นแล้ว จึงทําการ ทดสอบหาอัตราการไหลของน้ําที่นําไปแลกเปลี่ยนความร้อนที่หอ กลั่นต่อ โดยหอกลั่นลักษณะนี้จะป้อนน้ําหล่อเย็นสวนทางกับการ ไหลของน้ํามันหอมระเหย ทําให้เวลาในการแลกเปลี่ยนความร้อน ยาวนานขึ้ น เป็ นการเพิ่มสมรรถนะในการกลั่น โดยการทดสอบ คํานึงถึงความสามารถของเครื่องสูบน้ํา และอุณหภูมิของน้ําเป็น หลัก โดยให้เครื่องสูบทํางานในระดับที่สามารถทํางานได้ดี และ ควบคุมอุณหภูมิของน้ําหล่อเย็นไม่ให้เกิน 400C โดยเฉลี่ย 3 ผลและวิจารณ์ จากการทดสอบหาอุณหภูมิภายในถังที่เหมาะสมกับการกลั่น ต้นและใบของโรสแมรี่ โดยทําการทดสอบการกลั่นที่ช่วงอุณหภูมิ 4 ระดับ คือ 80 85 90 และ 950C พบว่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจาก 80 จนถึง 850C ปริมาณของน้ํามันหอมระเหยมีแนวโน้มเพิ่มขึ้น ทั้งนี้ เนื่องมาจากน้ํามันหอมระเหยที่มีอยู่ในใบและลําต้นของโรสแมรี่ได้ ถูกพาออกมาโดยไอน้ํา และตัวน้ํามันหอมระเหยเองก็กลั่นตัวได้ดีใน อุณหภูมิระดับนี้ หลังจากนั้นเมื่ออุณหภูมิภายในถังสูงขึ้น ปริมาณ น้ํามันหอมระเหยจะค่อยๆ ลดลง (ภาพที่ 4) ทั้งนี้เนื่องจากจุดเดือด ของน้ํามันหอมระเหยซึ่งต่ํากว่าน้ํา ทําให้ไอน้ําไม่สามารถพาน้ํามัน หอมระเหยออกมาได้ อีกทั้งน้ํามันหอมระเหยได้ระเหยตัวไปอย่าง รวดเร็วจนไม่สามารถกลั่นตัวเป็นของเหลวได้ ทําให้ได้ปริมาณของ น้ํามันหอมระเหยลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นจนถึงใกล้ๆ จุดเดือดของ น้ํา ซึ่งสอดคล้องกับงานวิจัยของ Boutekedjiret et al., 2003 อย่ า งไรก็ ต ามการควบคุ ม อั ต ราการไหลของน้ํ า หล่ อ เย็ น ก็ มี ความสํ าคั ญมากเช่ นเดี ยวกั น เนื่ องจากอั ตราการไหลของน้ํ าที่ เหมาะสมจะทํ าให้ การแลกเปลี่ ยนความร้ อนเป็ นไปด้ วยดี การ ทดสอบครั้งนี้ได้ทําการทดสอบที่อัตราการไหล 4 ระดับ คือ 100 200 300 และ 400 ลิตรต่อชั่วโมง โดยการทดสอบได้ใช้อุณหภูมิ 85 0C ตลอดการทดสอบ จากการทดสอบหาอัตราการไหลของน้ํา หล่อเย็นที่เหมาะสมพบว่า เมื่อปรับอัตราการไหลของน้ําลดลงจาก 400 ลงมาจนถึง 100 ลิตรต่อชั่วโมง จะได้ปริมาณน้ํามันที่เพิ่มขึ้น อย่างต่อเนื่อง ทั้งนี้เนื่องจากเมื่อการไหลของน้ําหล่อเย็นเป็นไป อย่ า งช้ า ๆ ทํ า ให้ ก ารแลกเปลี่ ย นความร้ อ นเป็ น ไปอย่ า งมี
ประสิทธิภาพ ทําให้การกลั่นตัวของไอน้ําที่พาน้ํามันหอมระเหย ออกมาเป็นไปด้วยดี แต่มีข้อจํากัดคือเครื่องสูบน้ําไม่สามารถปรับ ให้มีอัตราการไหลน้อยๆ ได้ เนื่องจากเกิดการปิดท่อทางออกมาก เกิ นไป ทํ าให้ เครื่ องสู บเกิ ดการเสี ยหายได้ การทดสอบครั้ งนี้ จึ ง จํากัดอัตราการไหลต่ําสุดเพียง 200 ลิตรต่อชั่วโมง
การคํานวณจุดคุ้มทุน ต้นทุนราคาเครื่องกลั่น 68,000 บาท ค่าวัตถุดิบ 50 กก.x 80 บาท = 4,000 บาท ค่าแก๊สในการกลั่นที่อุณหภูมิ 850C สิ้นเปลืองแก๊ส 2 กก. x 25 บาท/กก. = 50 บาท เวลาที่ใช้ในการกลั่น 6 ชั่วโมง กําลังมอเตอร์ของเครื่องสูบน้ํา 150 วัตต์ = 0.15 กิโลวัตต์ x 3 บาท/กิโลวัตต์-ชม.x 6 ชม. = 2.70 บาท ต้นทุนในการกลั่นต่อครั้ง 4,000+50+2.7 = 4,052.70 บาท ราคาขาย 10,000 บาท ต่อลิตร ในการกลั่นแต่ละครั้งจะได้ 0.6 ลิตร = 6,000 บาท ดังนั้นการกลั่นแต่ละครั้งจึงคิดเป็นผลกําไร = 6,000 - 4052.70 = 1,947.30 บาท จํานวนครั้งในการกลั่น = 68,000/1,947.30 = 34.92 หรือ 35 ครั้ง จึงคืนทุน 4 สรุป จากการทดสอบหาปั จจั ยที่ เหมาะสมในการกลั่ นน้ํ ามั นหอม ระเหยจากใบและลํ าต้ นของโรสแมรี่ ที่ มี ค วามชื้ นเริ่ มแรกอยู่ ระหว่ า ง 82-86 เปอร์ เ ซ็ น มาตรฐานเปี ย ก พบว่ า อุ ณ หภู มิ ที่ เหมาะสมในการกลั่นเฉลี่ยที่ 850C ใช้เวลาในการกลั่นครั้งละ 6
339
ชั่วโมง โดยมีอัตราการไหลของน้ําหล่อเย็น 200 ลิตรต่อชั่วโมง และ หากบรรจุวัตถุดิบเต็มปริมาตรบรรจุได้ 50 กิโลกรัม สามารถคืนทุน ภายใน 35 ครั้งของการกลั่น 5 กิตติกรรมประกาศ ขอขอบคุณบริษัทเนเจอรัล เชียงใหม่ จํากัด ที่สนับสนุนวัตถุดิบ ในการทดสอบ และมหาวิ ทยาลั ยนอร์ ท-เชี ยงใหม่ ที่ สนั บสนุ น เครื่องมือและสถานที่ในการศึกษาวิจัย 6 เอกสารอ้างอิง นฤเบศร์ หนูใสเพ็ชร, อุดม รินคํา. 2555. การทดสอบและ ประเมินผลเครื่องกลั่นน้ํามันหอมระเหยขนาดเล็กแบบหอกลั่น ทรงกรวย. วารสารวิทยาศาสตร์เกษตร 43(3) พิเศษ, 31-34 C. Boutekedjiret, F. Bentahar, R. Belabbes, J.M. Bessiere. 2003. Extraction of rosemary essential oil by steam distillation and hydrodistillation. 18, 481-484 M. Malekydozzadeh, P. Khadiv-Parsi, Sh. Rezazadeh, H. Abolghasemi, Z. Salehi, Q. Li. 2012 Application of Multistage Steam Distillation Column for Extraction of Rosemarinuse officinialis L. 9(4) 54-64
340
TPHF-10
สมบัติทางกายภาพและลักษณะทางประสาทสัมผัสของบะหมี่เสริมแป้งเมล็ดบัว ณัฐจรีย์ จิรัคคกุล1* 1
สาขาวิชาอุตสาหกรรมเกษตร คณะวิทยาศาสตร์ประยุกต์และวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น วิทยาเขตหนองคาย จังหวัดหนองคาย 43000 ผู้เขียนติดต่อ: ณัฐจรีย์ จิรัคคกุล E-mail: artnaruk@hotmail.com, pnatch@kku.ac.th
บทคัดย่อ เมล็ดบัว มีฤทธิ์ในการต้านอนุมูลอิสระ โดยเฉพาะเมล็ดบัวไทยมีสารต้านอนุมูลอิสระมากกว่าเมล็ดบัวจีนถึง 6 เท่า แต่เมล็ด บัวจะมีเป็นฤดูกาล และไม่นิยมบริโภคโดยทั่วไป ดังนั้นการใช้ประโยชน์จากเมล็ดบัวจึงควรใช้ในรูปแบบผงที่ง่ายต่อการใช้ โดยโดย สามารถใช้เป็นส่วนผสมในการแปรรูปอาหาร เช่นการใช้แป้งเมล็ดบัวทดแทนแป้งสาลีในการทําอาหาร เป็นต้น จึงเป็นทางเลือกในการ เพิ่มคุณค่าทางโภชนาการอีกทางหนึ่ง โดยผลิตภัณฑ์ที่ได้รับการเลือกคือ บะหมี่ เนื่องจากบะหมี่เป็นอาหารที่นิยมบริโภคโดยทั่วไป สามารถใช้แป้งจากเมล็ดบัวทดแทนแป้งสาลีบางส่วนได้ โดยในการทดลองใช้แป้งเมล็ดบัวที่ผ่านและไม่ผ่านความร้อนทดแทนแป้งสาลี ในการผลิตบะหมี่ 5%, 10% และ 15% พบว่าบะหมี่ที่ทดแทนด้วยแป้งเมล็ดบัวที่ผ่านความร้อน 5% มีสมบัติทางกายภาพ ประกอบด้วย ร้อยละผลผลิต ร้อยละการสูญเสีย สี hardness adhesiveness cohesiveness และลักษณะทางประสาทสัมผัสด้าน ความชอบประกอบด้วย สี กลิ่น รสชาติ เนื้อสัมผัส และความชอบโดยรวม ไม่แตกต่างจากสูตรควบคุมที่ระดับความเชื่อมั่น 95% ผล การทดลองที่ได้นี้สามารถนําไปประยุกต์เพื่อเพิ่มมูลค่าให้กับผลิตภัณฑ์อาหารจากแป้งชนิดอื่นๆ ได้ต่อไป คําสําคัญ: บะหมี่, แป้งเมล็ดบัว, ลักษณะทางประสาทสัมผัส, สมบัติทางกายภาพ
Physical properties and sensory evaluation of noodle substituted with lotus seed flour Natcharee Jirukkakul1* 1
Department of Agro-Industry, Faculty of Applied Science and Engineering, Khon Kaen University, Nong Khai Campus, Nong Khai 43000
Corresponding author: Natcharee Jirukkakul. E-mail: artnaruk@hotmail.com, pnatch@kku.ac.th
Abstract Lotus (Nelumbo nucifera) seed is the one of antioxidant source. Especially, Thai lotus seed has 6 times higher antioxidant than Chinese lotus seed. The lotus seed is the seasonal produce which was not general consumption. Therefore, the lotus seed application should be convenient usage form such as powder which can be added in the recipe instead some part of wheat flour. There was the alternative way for increased nutrition of food. The noodle was selected because it was popular food and it made from wheat flour. The wheat flour was insteaded with 5%, 10% and 15% of heated lotus seed flour and unheated lotus seed flour in noodle recipe. The results showed the physical properties which consisted of %yield, %loss, color, hardness, adhesiveness, cohesiveness and sensory evaluation (color, odor, flavor, textute and overall acceptance) of the noodle substituted with 5% heated lotus seed flour and control noodle was not significant difference at 95% confidence. The experiments can be applied for increased valuation to other starch food. Keywords: Noodle, Lotus seed flour, Sensory evaluation, Physical properties
1 บทนํา บะหมี่เป็นอาหารเส้นที่ประขาชนในประเทศอาเซียน เช่น ไทย เวียดนาม ลาว พม่า มาเลเซีย สิงคโปร์ นิยมบริโภคเป็นประจํารอง จากแหล่งพลังงานหลักคือข้าวและขนมปัง บะหมี่จึงอุดมไปด้วย คาร์โบไฮเดรตจากแป้งสาลี ในแต่ละประเทศจะมีการเพิ่มส่วนผสม เพื่อให้มีลักษณะเฉพาะ มีชื่อเรียกแตกต่างกันไปในแต่ละประเทศ
นอกจากนี้ ยั งมี การปรั บปรุ งคุ ณสมบั ติ เพื่ อเป็ นทางเลื อกให้ กั บ ผู้บริโภค เช่น บะหมี่ฟักทอง บะหมี่เส้นปลา บะหมี่ใบเตย เป็นต้น บั วมี การเพาะปลู กมากในพื้ นที่ ชุ่ มน้ํ า พบได้ ทั่วไปในบ่ อ บึ ง และแหล่ งน้ํ าธรรมชาติ เป็ นที่ รู้ จั กและบริ โภคโดยทั่ วไปในทวี ป เอเชีย แต่บัวไทยมีสารต้านอนุมูลอิสระมากกว่าบัวจีน 5-6 เท่า มี ความหนืดน้อยกว่า ทนความร้อนมากกว่า เมื่อแป้งแตกตัว ความ
341
หนืดก็ไม่เปลี่ยนแปลง ทําให้ช่วยย่นระยะเวลาในการประยุกต์ทํา เป็นผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ หากมองในเชิงพาณิชย์ แป้งเมล็ดบัวสายพันธุ์ ไทยเกิดได้ แต่จะอยู่ในลักษณะของแป้งทําขนมเพื่อสุขภาพ เกรดสูง ราคาแพง เนื่องจากเมล็ดบัวไทยมีปริมาณน้อย เจ้าของบ่อบัวมักจะ ตัดขายดอกมากกว่าที่จะรอจนได้เมล็ดบัวที่มีขนาดเล็กกว่าของจีน ผู้บริโภคไม่นิยม แต่หากเราสามารถพิสูจน์ถึงคุณค่าของเมล็ดบัว ไทยที่ส่งผลดีต่อสุขภาพ รับกระแสอาหารเพื่อสุขภาพ จะทําให้เกิด ความต้องการเมล็ดบัวไทย ผู้ผลิตก็พร้อมที่จะนําออกมาวางขาย ที่ สํ าคั ญ กระแสความสนใจบั วไทย และเมล็ ดบั วไทยก็ จะมากขึ้ น งานวิ จั ยที่ จะช่ วยเพิ่ มขนาดเมล็ ดบั วไทยหรื องานวิ จั ยต่ าง ๆ ที่ เกี่ยวข้องก็จะมีมากขึ้นตามมา (กรุงเทพธุรกิจ, 2558) ยังไม่มีการนําแป้งเมล็ดบัวมาแปรรูปเป็นบะหมี่เพื่อสุขภาพมา ก่อน จึงเป็นทางเลือกหนึ่งที่น่าสนใจ นอกเหนือจากความแปลกใหม่ ยังมีคุณค่าทางโภชนาการ เหมาะสําหรับผู้บริโภคที่สนใจในสุขภาพ สามารถแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์แห้งซึ่งสามารถขนส่งเพื่อจําหน่ายใน พื้นที่ห่างไกลและสามารถเก็บรักษาไว้ได้นานอีกด้วย 2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 การเตรียมแป้งเมล็ดบัว เมล็ดบัว (Nelumbo nucifera) จัดหาได้จากตลาดชุมชนใน จังหวัดหนองคาย จากนั้นนําเมล็ดบัวมาแกะเยื่อหุ้มเมล็ดออกนํา ส่วนหนึ่ง ไปให้ความร้อนในน้ําเดือดเป็นเวลา 15 นาที (Narklaor et al., 2011) นําไปอบให้แห้งที่อุณหภูมิ 60 องศาเซลเซียส เป็น เวลา 8 ชั่วโมง จากนั้นทําการบดด้วย hammer mil รูขนาด 80 mesh จะได้แป้งเมล็ดบัวที่ผ่านและไม่ผ่านความร้อน เก็บแป้งที่ได้ ใส่ถุงซิป เก็บที่อุณหภูมิห้อง 2.2 การเตรียมเส้นบะหมี่ เส้นบะหมี่เตรียมได้จากวิธีของ Jirukkakul (2014) โดยการ แทนที่ส่วนผสมแป้งสาลีด้วยแป้งเมล็ดบัว 10, 20 และ 30% เมื่อ นวดส่วนผสมให้เข้ากันเป็นเวลา 10-15 นาที แล้ว ทําการพักไว้ 30 นาที นําโดว์ไปรีดเป็นแผ่นและตัดด้วยเครื่องตัดบะหมี่ ใช้แป้งสาลี โรยป้องกันการเกาะติดกัน 2.3 การวิเคราะห์สมบัติด้านการปรุงสุกของเส้นบะหมี่ ผลผลิตที่ได้และการสูญเสียที่เกิดขึ้นสามารถตรวจสอบได้จาก วิธีของ Lu et al. (2009) โดยการชั่งน้ําหนักบะหมี่เริ่มต้น (A) และ นําไปลวกในน้ําเดือดเป็นเวลา 3 นาที นําไปผ่านน้ําเย็นเป็นเวลา 30 วินาที เมื่อสะเด็ดน้ําแล้ว นําเส้นบะหมี่มาชั่งน้ําหนัก (B) ส่วนน้ําที่ ได้จากการลวกให้นําไปอบแห้งระเหยน้ําออกด้วยตู้อบอุณหภูมิ 105 องศาเซลเซียส จากนั้นชั่งน้ําหนักของที่เหลือจากการอบแห้ง (C) ผลผลิตที่ได้สามารถหาได้จากสูตร cooking yield = (B-A)/B
×100, และการสูญเสีย cooking loss = C/A × 100 ทําการ ทดลอง 3 ซ้ํา แล้วรายงานผลค่าเฉลี่ย 2.4 การวิเคราะห์เนื้อสัมผัสของเส้นบะหมี่ เส้ นบะหมี่ ที่ ผ่ านการลวกแล้ วจะนํ ามาแช่ น้ํ ากลั่ น 20 องศา เซลเซียส 250 มล. เป็นเวลา 3 นาที และเทน้ําออก ปล่อยให้สะเด็ด น้ํา 5 นาที นําไปวิเคราะห์เนื้อสัมผัสด้วยเครื่อง Texture Anslyzer โดยนําบะหมี่ยาว 5 ซม. 3 เส้น วางขนานกัน แต่ละเส้นห่างกัน 0.5 ซม. บนเพลทโลหะเรียบ ทําการกดอัดตัวอย่าง 2 ครั้ง ลึก 25% ของความหนาตัวอย่าง ด้วยหัวกด R/36R ความเร็ว 0.8 มม./วินาที แรง 5.0 กรัม ทําการวิเคราะห์ 3 ซ้ําต่อตัวอย่าง จะได้กราฟระหว่าง แรงและเวลา ในกราฟจะบ่งบอกถึงค่า hardness, adhesiveness และ cohesiveness ข้อมูลทั้งหมดจะนํามาหาค่าเฉลี่ยและรายงาน ผล (Zhou et al., 2013) 2.5 การวิเคราะห์สีของเส้นบะหมี่ สีของเส้นบะหมี่วิเคราะห์ได้ด้วยเครื่องวัดสี color meter ทํา การวัด 3 ครั้ง รายงานผลเป็นค่าเฉลี่ยในระบบ Hunter Lab 2.6 การวิเคราะห์ทางประสาทสัมผัสของเส้นบะหมี่ เส้นบะหมี่ทุกตัวอย่างจะได้รับการวิเคราะห์ทางประสาทสัมผัส จากผู้ทดสอบชิมที่ได้รับการฝึกฝนแล้วจํานาน 30 คน โดยวิเคราะห์ ด้าน เนื้อสัมผัส สี กลิ่น รสชาติ และการยอมรับโดยรวม ตัวอย่าง ทั้งหมดจะได้รับการเปรียบเทียบกับเส้นบะหมี่ที่ไม่ได้ถูกทดแทน ด้วยแป้งเมล็ดบัว ผลที่ได้จะแสดงในรูปแบบคะแนน 1-9 (1 ไม่ชอบ มากที่สุด ถึง 9 คือชอบมากที่สุด) 3 ผลและวิจารณ์ 3.1 การวิเคราะห์สมบัติด้านการปรุงสุกของเส้นบะหมี่ ผลผลิตที่ได้และการสูญเสียที่เกิดขึ้น พบว่าไม่แตกต่างกันในทุก สูตร มีร้อยละผลผลิตอยู่ในช่วง 47.22-63.10% และร้อยละการ สูญเสียอยู่ในช่วง 2.97-3.09% ซึ่งร้อยละผลผลิตที่เพิ่มขึ้นเกิดจาก การอุ้มน้ําของโพลิแซคคาไรด์ที่เกิดการพองตัวเมื่อได้รับความร้อน (Zhou et al., 2013) ค่าร้อยละการสูญเสียจากการทดลองมีค่าต่ํา กว่าบะหมี่แป้งมันสําปะหลัง (Charles et al., 2007) บะหมี่แป้ง มันฝรั่ง (Silva et al., 2013) และบะหมี่ผงบุก (Zhou et al., 2013)
342
กล้วย (Saifullah et al., 2009) แต่มีค่าความเป็นสีเหลืองต่ํากว่า บะหมี่ฟักทอง (Jirukkakul, 2014)
Figure 1 Cooking yield and cooking loss of noodle substituted with lotus seed flour 3.2 การวิเคราะห์เนื้อสัมผัสของเส้นบะหมี่ เส้นบะหมี่จะถูกนําไปวิเคราะห์เนื้อสัมผัสด้วยเครื่องวิเคราะห์ เนื้อสัมผัส Texture Analyser แบบ Texture Profile Analyzer (TPA) พบว่ าบะหมี่ เสริ มแป้ งเมล็ ดบั วที่ ผ่ านความร้ อนมี ค่ า hardness ไม่ต่างจากบะหมี่สูตรควบคุมอย่างมีนัยสําคัญทางสถิติ (p<0.05) ในขณะที่บะหมี่เสริมแป้งเมล็ดบัวที่ไม่ผ่านความร้อน 5% และ 10% มีค่าน้อย และมากกว่าบะหมี่สูตรควบคุมตามลําดับ ส่วนค่า adhesiveness และ cohesiveness ของทุกตัวอย่างมีค่า ใกล้เคียงกัน
Figure 2 Texture of noodle substituted with lotus seed flour 3.3 การวิเคราะห์สีของเส้นบะหมี่ ความสว่ างของบะหมี่ เสริ มแป้ งเมล็ ดบั วผ่ านความร้ อนมี ค่ า มากกว่าบะหมี่เสริมแป้งเมล็ดบัวไม่ผ่านความร้อน และบะหมี่เสริม แป้งเมล็ดบัวผ่านความร้อน 5% มีค่าไม่ต่างจากสูตรควบคุม เมื่อ เพิ่มปราณแป้งเมล็ดบัวจะส่งผลให้ความสว่างของบะหมี่ลดลง โดย บะหมี่เสริมแป้งเมล็ดบัวไม่ผ่านความร้อน 15% มีความสว่างต่ําสุด ค่าความเป็นสีแดงมีค่าเพิ่มขึ้นตามปริมาณแป้งเมล็ดบัว โดยบะหมี่ เสริมแป้งเมล็ดบัวไม่ผ่านความร้อนมีค่าความเป็นสีแดงมากกว่า บะหมี่เสริมแป้งเมล็ดบัวผ่านความร้อนทุกตัวอย่าง ส่วนค่าความ เป็ น สี เ หลื อ งของบะหมี่ เ สริ ม แป้ ง เมล็ ด บั ว ผ่ า นความร้ อ นมี ค่ า ใกล้เคียงกับบะหมี่สูตรควบคุมซึ่งมีค่ามากกว่าบะหมี่เสริมแป้งเมล็ด บัวไม่ผ่านความร้อน สีของบะหมี่ที่ได้มีค่าใกล้เคียงกับบะหมี่แป้ง
Figure 3 Color of noodle substituted with lotus seed flour 3.4 การวิเคราะห์ทางประสาทสัมผัสของเส้นบะหมี่ การวิเคราะห์ทางประสาทสัมผัสด้าน เนื้อสัมผัส สี กลิ่น รสชาติ และการยอมรั บ โดยรวมของบะหมี่ เ สริ ม แป้ ง เมล็ ด บั ว พบว่ า ความชอบด้ าน กลิ่ น รส และเนื้ อสั มผั ส ไม่ แตกต่ างกั นอย่ างมี นัยสําคัญ (p<0.05) ทุกสูตร แต่ความชอบด้านสี และความชอบ โดยรวมของบะหมี่ เ สริ ม แป้ ง เมล็ ด บั ว ที่ ผ่ า นความร้ อ นมี ค่ า ไม่ แตกต่างจากสูตรควบคุมอย่างมีนัยสําคัญ โดยบะหมี่เสริมแป้งเมล็ด บัวที่ผ่านความร้อน 5% มีค่าใกล้เคียงกับบะหมี่สูตรควบคุมมาก ที่สุด ซึ่งสอดคล้องกับการวัดสีด้วยเครื่องวัดสี และการวัดเนื้อสัมผัส ด้วยเครื่องวัดเนื้อสัมผัส
Figure 4 Sensory evaluation of noodle substituted with lotus seed flour 4 สรุป บะหมี่ เสริ มแป้ งเมล็ ดบั วมีค่ าร้อยละผลผลิตและร้ อยละการ สู ญเสี ยไม่ แตกต่ างกั น ในขณะที่ บะหมี่ เสริ มแป้ งเมล็ ดบั วที่ ผ่ าน ความร้อนมีค่า hardness ไม่แตกต่างจากสูตรควบคุม เมื่อพิจารณา ถึงค่าสี พบว่าบะหมี่เสริมแป้งเมล็ดบัวที่ผ่านความร้อน 5% มีค่า ความสว่างและค่าสีแดงไม่ต่างจากสูตรควบคุม นอกจากนั้นผลการ ยอมรับของผู้บริโภคที่มีต่อบะหมี่เสริมแป้งเมล็ดบัวที่ผ่านความร้อน
343
5% มีค่าไม่แตกต่างจากบะหมี่สูตรควบคุมในทุกปัจจัยการทดสอบ ดังนั้นปริมาณที่เหมาะสมในการเสริมแป้งเมล็ดบัวในบะหมี่คือแป้ง เมล็ดบัวที่ผ่านความร้อน 5% 5 กิตติกรรมประกาศ ขอขอบคุณกลุ่มวิจัยเศรษฐกิจการค้าระหว่างประเทศอินโดจีน ที่ให้การสนับสนุนงบประมาณงานวิจัยครั้งนี้
Zhou, Y., Cao, H., Hou, M., Nirasawa, S., Tatsumi, E., Foster, T.J. and Cheng, Y. 2013. Effect of konjac glucomannan on physical and sensory properties of noodles made from low-protein wheat flour. Food Research International 51, 879-885.
6 เอกสารอ้างอิง กรุงเทพธุรกิจ, 2558. เมล็ดบัวไทยอุดมสารต้านอนุมูลอิสระ. [online]: http://www.bangkokbiznews.com, 13/10/2015. Charles, A.L., Huang, T.C., Lai, P.Y., Chen, C.C., Lee, P.P. and Chang, Y.H. 2007. Study of wheat flour-cassava starch composite mix and the function of cassava mucilage in Chinese noodles. Food Hydrocolloids 21, 368-378. Jirukkakul, N. 2014. Potential use of pumpkin flour instead of wheat starch in a noodle product. Proceedings of the International conference on From Senses to Quality: What can sensory evaluation bring to quality control?, 63-65. 24-28 July 2014. HoChiMinh city, Vietnam. Lu, Q., Guo, S. and Zhang, S. 2009. Effects of flour free lipids on textural and cooking qualities of Chinese noodles. Food Research International 42, 226-230. Narklaor, D., Sangnark, A. and Limroongreungrat, K. 2011. Improvement in Quality of Jackfruit Seed Flour by Pregelatinization. Burapha Sci. j. 16, 12-21. Saifullah, R., Abbas, F.M.A., Yeoh, S.Y. and Azhar, M.E. 2009. Utilization of green banana flour as a functional ingredient in yellow noodle. International Food Research Journal 16, 373-379. Silva, E., Birkenhake, M. Scholten, E., Sagis, L.M.C. and Linden, E. 2013. Controlling rheology and structure of sweet potato starch noodles with high broccoli powder content by hydrocolloids. Food Hydrocolloids 30, 42-52.
344
TPHF-11
การอบแห้งรังไหมด้วยเครื่องอบแห้งแบบปั๊มความร้อน: จลนพลศาสตร์การอบแห้งและสมบัตเิ ชิงกล กลยุทธ ดีจริง1*, กมล พลคํา1, ศิริ ดวงพร2 1
สาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏมหาสารคาม จังหวัดมหาสารคาม 44000 2 สาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยราชภัฏอุดรธานี จังหวัดอุดรธานี 41000 ผู้เขียนติดต่อ: กลยุทธ ดีจริง E-mail: konlatikdee@gmail.com
บทคัดย่อ งานวิ จั ย นี้ มี วั ต ถุ ป ระสงค์ เ พื่ อ ศึ ก ษาการอบแห้ ง รั ง ไหมด้ ว ยเครื่ อ งอบแห้ ง แบบปั๊ ม ความร้ อ น ซึ่ ง จะพิ จ ารณาด้ า น จลนพลศาสตร์การอบแห้ง และสมบัติเชิงกลของเส้นไหมดิบ ในการทดลองใช้อุณหภูมิอบแห้งเท่ากับ 60°C เพื่อลดความชื้นรังไหมจาก ความชื้นเริ่มต้นประมาณ 245 %dry basis (db) จนเหลือความชื้น 3 ระดับ คือ 10, 20 และ 30 %db การศึกษาแบบจําลองทาง คณิตศาสตร์การอบแห้งรังไหมมี 6 แบบจําลอง ซึ่งประกอบด้วยแบบจําลองของ Lewis, Henderson and Pabis, Page, Modified page, Wang and Singh, Logarithmic และ Midilli ด้านคุณภาพรังไหมที่ศึกษาได้แก่ค่าการสาวง่าย ขนาดเส้นไหม ค่าความเหนียว และเปอร์เซ็นต์การยืดตัวของเส้นไหมดิบ จากการทดลองพบว่าแบบจําลองของ Wang and Singh สามารถอธิบายจลนพลศาสตร์การ อบแห้งได้ดีที่สุด ผลการทดสอบสาวไหมพบว่ารังไหมที่ผ่านการอบแห้งทุกเงื่อนไขมีค่าเปอร์เซ็นต์การสาวง่าย และขนาดเส้นไหมดิบไม่ แตกต่างกันอย่างไรก็ตามรังไหมแห้งมีค่าทั้งสองสูงกว่ารังไหมสด ด้านสมบัติเชิงกลพบว่ารังไหมที่มีความชื้น 10 %db มีค่าความเหนียว และการยืดตัวของเส้นไหมต่ําที่สุด นอกจากนี้เส้นไหมของรังไหมแห้งจะมีค่าสมบัติเชิงกลมากกว่าเส้นไหมจากรังสด คําสําคัญ: รังไหม, จลนพลศาสตร์การอบแห้ง, สมบัติเชิงกล
Cocoon drying using heat pump dryer: drying kinetics and mechanical property Konlayut Deejing1*, Kamon Ponkham1, Siri Doungporn2 1
Program of Physics, Faculty of Science and technology, Rajabhat Maha Sarakham University, Maha Sarakham, 44000, Thailand. 2 Program of Physics, Faculty of Science, Udon Thani Rajabhat University, Udon Thani, 41000, Thailand. Corresponding author: Konlayut Deejing. E-mail: konlatikdee@gmail.com
Abstract This research work aims to study the mechanical properties of cocoon drying and drying kinetics using a heat pump dryer. The experiment used drying temperature of 60oC with various mathematic models such as Lewis, Henderson and Pabis, Page, Modified Page, Wang and Singh, Logarithmic and Midilli model and was compared. Moreover, the initial moisture content of fresh cocoon was 245% dry basis (db), and then the initial moisture content was then reduced to 3 different final moisture contents of 10, 20 and 30% db by drying process. The reelability, size, elongation and tenacity of raw silk were also investigated. The experimental results showed Wang and Singh model were evaluated for describing the drying kinetics of dried cocoon better than other mathematic models. However, the reelability and size of raw silk obtained from dried cocoon and different moisture content were not significantly different but it was higher than the fresh cocoon. The results from mechanical properties showed that, the dried cocoon was higher than fresh cocoon and dried cocoon with 10%db. It was also found that, the dried cocoon was on the lower side in tenacity and it elongated. Keywords: cocoon, drying kinetics, mechanical properties
1 บทนํา เกษตรกรประสบคือการสาวไหมซึ่งเกษตรกรไม่สามารถนํารังไหมที่ เกษตรกรไทยประกอบอาชี พการเลี้ ยงไหมมาเป็ นเวลานาน ผลิตได้จํานวนมากไปสาวได้ในแต่ละวัน และจะต้องรีบสาวไหมให้ โดยเฉพาะการเลี้ ยงแบบพื้ นบ้ าน กระบวนการผลิ ตผ้ าไหมของ เสร็จก่อนที่ดักแด้ในรังไหมกลายผีเสื้อแล้วเจาะรังไหมออกมา ซึ่ง เกษตรกรมี ปั ญ หาและอุ ป สรรคหลายอย่ า ง หนึ่ ง ในปั ญ หาที่ เป็นเหตุให้รังไหมเสียหายไม่สามารถสาวเป็นเส้นไหมได้ เกษตรกร 345
จึงได้นํารังไหมมาทําแห้งด้วยวิธีการตากแดดเพื่อให้ดักแด้ในรังไหม ตายเป็นการป้องกันการเจาะรังไหม และรักษาสภาพรังไหมสําหรับ เก็บไว้สาวรังไหมในระยะยาว Singh (2011) ได้ศึกษาการอบรัง ไหมด้วยเครื่องอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์ โดยไม่ให้รังไหมได้รับ รังสีอาทิตย์โดยตรง รังไหมจะได้รับความร้อนจากอากาศร้อนที่ส่ง มาจากเครื่องทําความร้อนแสงอาทิตย์ (solar air heater) อุณหภูมิ อากาศร้อนอยู่ในช่วง 50 - 75oC ผลการศึกษาพบว่าเส้นไหมมี คุณภาพใกล้เคียงกับเส้นไหมของรังไหมที่อบด้วยเครื่องอบแห้งจาก พลังงานไฟฟ้า แต่วิธีนี้มีข้อจํากัดคือความไม่แน่นอนของสภาพ ภูมิอากาศโดยเฉพาะในฤดูฝนที่สภาพอากาศไม่เหมาะสม การอบแห้ ง รั ง ไหมวิ ธี หนึ่ ง คื อใช้ เครื่ องอบแห้ ง แบบลมร้ อน อุณหภูมิที่ใช้อบแห้งมีหลายระดับ เช่นอยู่ในช่วง 110 – 55oC, 7555oC และ 98-60oC (Lee, 1999) ข้อด้อยของเครื่องอบแห้งชนิดนี้ คือในด้านความสิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้า เนื่องจากเป็นเครื่องที่ใช้ พลังไฟฟ้าให้กับชุดขดลวดความร้อนแล้วใช้พัดลมเป่าลมร้อนเข้าสู่ ห้องอบแห้ง ซึ่งมีประสิทธิภาพการใช้พลังงานต่ําเครื่องอบแห้งแบบ ปั๊ มความร้ อนเป็ น ที่ มี ศั กยภาพการประหยั ดพลั ง งาน สามารถ ควบคุ มอุ ณ หภู มิ อบแห้ งและความชื้ นอากาศ จึ งสามารถสร้ า ง สภาวะของการอบแห้งได้อย่างกว้างขวาง นอกจากนี้ความร้อนจาก อากาศแฝงและความร้อนสัมผัส หลังการอบแห้งสามารถนํากลับคืน มาใช้ ประโยชน์ ทํ าให้ สมรรถนะทางความร้ อนที่ ดี ขึ้ น จากการ เปรียบเทียบสมรรถนะเครื่องอบแห้งแบบลมร้อนกับแบบปั๊มความ ร้อนพบว่าเครื่องอบแบบปั๊มความร้อนประหยัดพลังงานได้ 40% มี ประสิทธิภาพการอบแห้งที่สูง และมีค่าใช้จ่ายในการดําเนินการที่ ถูกกว่าเครื่องอบแห้งแบบลมร้อน (Colak และ Hepbasli, 2009, Goh et al., 2011) ดังนั้นวัตถุประสงค์ของงานวิจัยนี้เพื่อศึกษาการอบรังไหมโดยใช้ เครื่องอบแห้งแบบปั๊มความร้อนที่มีต่อจลนพลศาสตร์การอบแห้ง และคุณภาพรังไหม
หลั งการอบแห้ งแต่ ละเงื่ อนไขนํ าไปทดสอบการสาวรั งไหมและ ทดสอบสมบัติเชิงกลของเส้นไหมดิบ 2.2 การวิเคราะห์แบบจําลองทางคณิตศาสตร์ ข้อมูลปริมาณความชื้นของรังไหมระหว่างการทดลองเปลี่ยนให้ อยู่ในรูปค่าอัตราส่วนความชื้น (MR) ที่เวลาใดๆ ดังสมการที่ (1) แล้ววิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างค่าอัตราส่วนความชื้นกับเวลา การอบแห้ง โดยใช้เทคนิคการวิเคราะห์แบบสมการถดถอยแบบไม่ เป็นเชิงเส้น (Non-linear Regression) ด้วยแบบจําลองทาง คณิตศาสตร์ 7 แบบจําลองแสดงดัง Table 1 ซึ่งมีดัชนีบ่งบอก ความแม่นยําในการทํานายค่าอัตราส่วนความชื้นคือ ค่าสัมประสิทธิ์ การตัดสินใจ (R2) ค่าการลดลงไคกําลังสอง (2) และค่ารากที่สอง ของความคลาดเคลื่อนกําลังสองเฉลี่ย (RMSE) สามารถคํานวณได้ ดังสมการ (2)-(4) M Me MR= t (1) Mi Me
2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 การอบแห้งรังไหมด้วยเครื่องอบแห้งแบบปั๊มความร้อน รังไหมที่ใช้ในการศึกษาคือพันธุ์ทับทิมสยาม คัดเลือกรังไหมที่มี ความสมบูรณ์เช่น ไม่เป็นรังเจาะ รังบุบ รังเปื้อน เป็นต้น โดยอบรัง ไหมด้ ว ยเครื่ อ งอบแห้ ง แบบปั๊ ม ความร้ อ น ที่ อุ ณ หภู มิ 60oC ความเร็วอากาศร้อนในห้องอบแห้งเท่ากับ 0.5 ms-1 ทําการอบรัง ไหมจากความชื้นเริ่มต้น 245 %db จนเหลือความชื้นเท่ากับ 10, 20 และ 30 %db. ระหว่างทําการอบแห้งบันทึกน้ําหนักตัวอย่าง ทุกๆ 20 นาที ด้วยตาชั่งระบบดิจิตอลความละเอียด 0.01 g เพื่อ วิเคราะห์ปริมาณความชื้นรังไหมระหว่างการทดลอง ตัวอย่างรังไหม
Table 1 Mathematical model. (Artnaseaw, 2010)
N MRexp,i xMRpre,i i=1 R2 = N N 2 MRexp,i 2 MR pre,i i=1 i=1
= 2
N i=1
2
(2)
(MR exp,i -MR pre,i ) 2
(3)
N-z 0.5
1 (4) RMSE= (MRpre,i -MR exp,i ) 2 N i=1 เมื่อ Mi คือความชื้นเริ่มต้น, Mt คือความชื้นที่เวลาใดๆ, Me คือ ความชื้นสมดุล, MRexp, i คืออัตราส่วนความชื้นจากการทดลอง, MRpre, i คืออัตราส่วนความชื้นจากการทํานาย, N คือจํานวนข้อมูล จากการทดลอง และ Z คือ จํานวนค่าคงที่ของสมการ N
Model no. Model Name Equation 1 Lewis MR=exp(-kt) 2 Page MR=exp(-ktn) 3 Modified page MR=exp[-(kt)n] 4 Henderson and Pabis MR=a exp(-kt) 5 Wang and Singh MR=1+at+bt2 6 Logarithmic MR=a exp(-kt)+c 7 Midilli et al. MR=a exp(-ktn)+bt k = drying constant (min-1), n = drying index, and a, b and c =model parameters
346
2.3 การสาวทดสอบรังไหม การสาวทดสอบรังไหมที่ผ่ านการอบแห้งแต่ละเงื่ อนไขจะใช้ วิธีการสาวทดสอบรังไหมกลุ่ม ใช้รังไหมจํานวน 50 รัง ในแต่ครั้งที่ ทดสอบสาวไหม และจํานวนรังไหมในพวงสาวเท่ากับ 10 รัง ทําการ สาวทดสอบโดยใช้เครื่องสาวไหมแบบอัตโนมัติ ด้วยวิธีทดสอบของ ศูนย์หม่อนไหมเฉลิมพระเกียรติฯ นครราชสีมา จากนั้นวิเคราะห์ค่า เปอร์เซ็นต์การสาวง่าย(reelability) ซึ่งจะแสดงถึงความยากง่าย ของการสาวไหม พิ จ ารณาจากขณะทํ าการสาวไหมนั้ น รั งไหม ทดสอบมีการขาดร่วงหรือป้อนรังไหมบ่อยครั้งหรือไม่ ค่าเปอร์เซ็นต์ การสาวง่ายคํานวณได้จากสมการที่ (5) RN %reelability= x100 (5) FN เมื่อ RN คือ จํานวนรังไหมที่สาวได้ และ FN คือ จํานวนครั้งที่ป้อน รังไหม เส้ นไหมดิ บที่ ได้จากการสาวรังไหม ก่ อนนํ าไปหาขนาดและ ทดสอบสมบั ติ เ ชิ ง กลจะนํ า มาปรั บ สภาพในห้ อ งปฏิ บั ติ ก ารที่ อุณหภูมิ 25±2°C และความชื้นสัมพัทธ์ 65±4% เป็นเวลา 24 ชั่วโมง เพื่อให้เส้นไหมมีในคุณลักษณะที่เหมาะสมต่อการทดสอบ 2.4 การวิเคราะห์ขนาดเส้นไหมดิบ การวัดขนาดเส้นไหมดิบของรังไหมที่ผ่านการอบแห้งในแต่ละ เงื่อนไขจะอยู่ในหน่วยดีเนียร์ (denier) หรือเรียกว่าความหนาแน่น เชิงเส้น (linear density) ซึ่งเป็นความสัมพันธ์ของมวลเส้นไหม (g) ต่อความยาวเส้นไหม 9,000 m เส้นไหมดิบที่ผ่านการปรับสภาพ นํามาทําเป็นเข็ดไหมทดสอบด้วยเครื่องกรอที่มีเส้นรอบวง 1.125 m จํานวนรอบการกรอเส้นไหมเท่ากับ 100 รอบ จากนั้นชั่งน้ําหนัก เข็ดไหมทดสอบเพื่อหาขนาดเส้นไหมซึ่งคํานวณได้ดังสมการที่ (6) W D= x9000 (6) L เมื่อ D คือ ขนาดเส้นไหม (den), W คือ น้ําหนักเส้นไหม (g) และ L คือ ความยาวเส้นไหม (m) 2.5 การทดสอบสมบัติเชิงกล การทดสอบสมบัติเชิงกลของเส้นไหมดิบของรังไหมที่ผ่านการ แห้ง โดยนําเข็ดไหมที่ทราบขนาดมาทดสอบแรงดึงของเส้นไหมด้วย เครื่อง tensile testing machine (Lloyd LR5k ) กําหนดระยะเกจ เท่ า กั บ 100 mm และความเร็ ว ที่ ใ ช้ ใ นการดึ ง เท่ า กั บ 300 mm.min-1 ทดสอบภายใต้สภาวะบรรยากาศที่อุณหภูมิ 25±2°C และความชื้นสัมพัทธ์ 65±4% บันทึกข้อมูลแรงดึงสูงสุดและระยะ ยืดของเส้นไหมที่จุดขาด คํานวณหาค่าความเหนียว(tenacity) และ เปอร์ เ ซ็ น ต์ ก ารยื ด (elongation) ดั ง สมการที่ (7) และ (8) ตามลําดับ
tenacity=
F D
(7)
L f -L o x100 (8) Lo เมื่อ F คือแรงดึงเส้นไหมสูงสุด (kgf), Lo คือ ความยาวเส้นไหมก่อน ดึง (mm) และ Lf คือ ความยาวเส้นไหมที่จุดขาด (mm) %elongation=
3 ผลและวิจารณ์ 3.1 คุณลักษณะการอบแห้งรังไหม ผลจากการอบแห้งรังไหมมีความชื้นเริ่มต้น 245 %db ด้วย เครื่องอบแห้งแบบปั๊มความร้อน ทําการทดลองจนกระทั่งรังไหมมี ความชื้นเท่ากับ 10, 20 และ 30%db เวลาที่ใช้ในการอบแห้ง เท่ากับ 960, 840 และ 760 นาที ตามลําดับ เส้นโค้งของการ เปลี่ยนแปลงอัตราส่วนความชื้นระหว่างการอบแห้ง ดังแสดงดัง Figure 1 จากความสั ม พั น ธ์ ร ะหว่ า งอั ต ราการอบแห้ ง กั บ อั ต ราส่ ว น ความชื้น แสดงดัง Figure 2 พบว่าระยะเริ่มต้นของการอบแห้งรัง ไหมจะเป็นช่วงอัตราการอบแห้งคงที่ เนื่องจากอัตราการแพร่มวล ความชื้นมาทดแทนยังบริเวณผิวหน้าวัสดุเท่ากับอัตราการระเหย ของน้ําที่ผิวหน้าวัสดุไปยังอากาศ การอบแห้งช่วงนี้จึงเป็นช่วงอัตรา การทําแห้งคงที่ และเมื่อระยะเวลาอบแห้งยาวนานขึ้น ความชื้น ของรังไหมต่ําลงจนถึงอัตราส่วนความชื้นประมาณ 0.7 จะเป็นช่วง อัตราการอบแห้งลดลง เนื่องจากอัตราการเคลื่อนที่ของน้ําภายใน วัสดุที่แพร่มาแทนที่ผิวหน้าช้ากว่าอัตราการระเหยของน้ําที่ผิวหน้า วัสดุไปยังอากาศ และอัตราการถ่ายเทมวลน้ําจากรังไหมไปยัง อากาศภายนอกรังไหมจะลดลง 3.2 แบบจําลองทางคณิตศาสตร์ของการอบแห้ง การศึกษาแบบจาลองทางคณิตศาสตร์การอบแห้งรังไหมด้วย เครื่องอบแห้งแบบปั๊มความร้อนทั้ง 7 แบบจําลอง ซึ่งประกอบไป ด้วยแบบจําลองทางคณิตศาสตร์ของ Lewis, Henderson and Pabis, Page, Modified page, Wang and Singh Logarithmic และ Midilli ผลการวิเคราะห์ทางสถิติของแบบจําลองการอบแห้ง และค่าคงที่ของแบบจําลอง แสดงดังใน Table 2 พบว่าแบบจําลอง ของ Wang and Singh สามารถทํานายลักษณะการอบแห้งรังไหม ได้เหมาะสมที่สุด เนื่องจากมีค่า R2 สูงที่สุด 2และRMSE ต่ําที่สุด โดยมีค่ า R2, 2 และRMSE เท่ากับ 0.99887, 0.00999 และ 0.00010 ตามลํ า ดั บ ผลวิ จั ยสอดคล้ อ งกั บ Singh (2012) ที่ ไ ด้ ศึกษาแบบจําลองทางคณิตศาสตร์สําหรับการอบแห้งรังไหมโดยใช้ อากาศร้อนจากพลังงานแสงอาทิตย์และรังไหมไม่ได้รับรังสีอาทิตย์ โดยตรง ซึ่งพบว่าแบบจําลองของ Wang and Singh มีความ เหมาะสมในการทํานายการอบแห้งรังไหม
347
ค่าคงที่แบบจําลอง Wang and Singh ที่ได้จากการวิเคราะห์ เมื่อนํามาแทนค่าในแบบจําลองทางคณิตศาสตร์ Wang and Singh ซึ่งมีรูปแบบของสมการ MR = 1+at+bt2 แล้วจะได้สมการหาค่า อัตราส่วนความชื้นรังไหมที่เวลาใดๆ ดังนี้ MR = 1-0.001537t + 0.000001t2 ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนความชื้นรังไหมที่ได้ จากการ ทํานายด้วยแบบจําลองของ Wang and Singh (MR = 1 0.001537t + 0.000001t2) กับค่าอัตราส่วนความชื้นที่ได้จากการ ทดลอง มีความสัมพันธ์ใกล้เคียงกับเส้นทวนสอบความแม่นยําแสดง Figure 2 Relationship between drying rate and moisture ดัง Figure 3 ratio.
Figure 1 Drying characteristics of cocoon.
Figure 3 Comparison of experimental moisture ratio with predicted moisture ratio from the Wang and Singh model.
Table 2 Statistical results obtained from various mathematical models. Model Name Newton Page Modified page Henderson and Pabis Wang and Singh Logarithmic Midilli et al.
Model constants
R2 0.96652 0.98519 0.99730 0.97701 0.99887 0.99829 0.99748
k=0.002095 k=0.000502, n=1.216880 k=0.002077, n=1.376322 a=1.084513, k=0.002287 a= -0.001537, b= 0.000001 a=1.445968, k=0.001215, c=-0.419619 a=1.029783, k=0.001827, n=0.960414, b=-0.000258
3.3 การทดสอบการสาวรังไหม การวิเคราะห์เปอร์เซ็นต์การสาวง่าย พบว่ารังไหมที่อบแห้งจน เหลือความชื้น 10, 20 และ 30%db มีค่าการสาวง่ายไม่แตกต่าง กัน เมื่อเปรียบเทียบค่าเปอร์เซ็นต์สาวง่ายระหว่างรังไหมแห้งกับรัง ไหมสด พบว่ารังไหมแห้งมีค่าเปอร์เซ็นต์สาวง่ายมากกว่ารังไหมสด อย่างมีนัยสําคัญ (p<0.05) แสดงดัง Table 3 สอดคล้องกับผลวิจัย ของ วรพจน์ (2553) ซึ่งพบว่าคุณภาพรังไหมรังการอบแห้งมี แนวโน้มดีขึ้น โดยรังไหมสาวง่ายขึ้นและมีเศษไหมลดน้อยลง 3.4 ขนาดเส้นไหมดิบ
RMSE 0.05439 0.03618 0.01545 0.04507 0.00999 0.01231 0.01491
2 0.00308 0.00142 0.00026 0.00221 0.00010 0.00017 0.00026
ขนาดเส้นไหมดิบที่สาวได้จากรังไหมอบแห้งที่มีความชื้น 10, 20 และ 30%db พบว่าเส้นไหมดิบมีขนาดไม่แตกต่างกัน เมื่อ เปรียบเทียบกับเส้นไหมที่สาวได้จากรังไหมสด พบว่าเส้นไหมดิบ จากรังไหมแห้งมีขนาดที่ใหญ่กว่าอย่างมีนัยสําคัญ (p<0.05) แสดง ดัง Table 3 จากผลการวิเคราะห์ขนาดเส้นไหมที่อยู่ในความ หนาแน่นเชิงเส้น ซึ่งเป็นความสัมพันธ์ของมวลต่อความยาว แสดง ให้เห็นว่าเส้นไหมดิบจากรังไหมแห้งจะมีน้ําหนักมากกว่ารังไหมสด Figure 4 แสดงลักษณะเส้นไหมดิบจากการสาวรังไหมอบแห้งและ
348
รังไหมสด จะเห็นได้ว่าเส้นไหมดิบจากรังไหมอบแห้ง (Figure 4b-c) มีเซริซินเคลือบติดที่มากกว่าเส้นไหมที่สาวได้จากรังสด (Figure 4a) 3.5 การทดสอบสมบัติเชิงกล ผลการทดสอบสมบัติเชิงกลได้แก่ ความเหนียวและการยืดตัว ของเส้นไหมดิบจากรังไหมที่ผ่านการอบแห้งแต่ละเงื่อนไขแสดงดัง Table 4 พบว่ารังไหมที่อบแห้งจนเหลือความชื้น 10%db เส้นไหม ดิ บมี ค่ าความเหนี ยวและเปอร์เซ็ นต์ การยื ดตั วน้ อยกว่ ารั งไหมที่ ความชื้น 20 และ 30 %db เมื่อเปรียบเทียบกับรังไหมสด พบว่า เส้นไหมของรังไหมแห้งมีค่าความเหนียวและเปอร์เซ็นต์การยืดตัว มากกว่าอย่างมีนัยสําคัญ (p<0.05)
b
c
Table 3 Reeling results. Cocoon moisture Reelability Size of raw silk (den) content (%db) (%) 10 96.00±2.00b 18.86±1.42b b 20 96.67±3.10 18.61±1.11b b 30 94.00±1.00 18.21±1.61b Fresh 78.67±0.242a 15.25±1.51a Different superscripted letters in the same column indicate that values are significantly different (p<0.05)
Table 4 Mechanical properties of raw silk. Cocoon moisture Tenacity (g.den-1) Elongation (%) content (%db) 10 3.69±0.16b 26.04±1.15b c 20 3.83±0.14 27.31±1.05c 30 3.84±0.15c 27.29±1.09c a Fresh 3.43±0.24 21.89±3.32a Different superscripted letters in the same column indicate that values are significantly different (p<0.05)
a
Figure 4 Morphologies of raw silk obtained from cocoon different moisture content (scale bar: 10 m): (a) fresh (245% db), (b) 30% db, (c) 10% db 4 สรุป การอบแห้ ง รั ง ไหมด้ ว ยเครื่ อ งอบแห้ ง แบบปั๊ ม ความร้ อ นที่ อุณหภูมิ 60oC แบบจําลองทางคณิตศาสตร์ของการอบแห้งรังไหม ด้ วยเครื่ องอบแห้ งแบบปั๊ มความร้ อนที่ มี ความเหมาะสมในการ ทํ า นายคุ ณ ลั ก ษณะการอบแห้ ง รั ง ไหมได้ เ หมาะสมที่ สุ ด คื อ แบบจําลองทางคณิตศาสตร์ของ Wang and Singh รังไหมอบแห้ง ที่มีความชื้น 10, 20 และ 30%db สามารถสาวรังไหมได้ง่ายและ ขนาดเส้ นไหมดิ บมี ค่ าไม่ แตกต่ างกั น(p>0.05) เช่ นเดี ยวกั บด้ าน สมบัติเชิงกลรังไหมที่อบแห้งจนมีความชื้นทั้ง 3 ระดับนั้นมีค่าความ เหนียวและการยืดตัวแตกต่างกันเล็กน้อย เมื่อเปรียบเทียบกับรัง ไหมสดแล้วนั้นรังไหมอบแห้งสามารถสาวง่ายกว่ารังไหมสด และรัง ไหมอบแห้งจะให้เส้นไหมดิบซึ่งมีขนาด ความเหนียวและการยืดตัว มากกว่ารังไหมสดอย่างมีนัยสําคัญ (p<0.05) อย่างไรก็ตามแม้ว่า การอบแห้งรังไหมจนเหลือความชื้น 10, 20 และ 30%db จะมี คุณภาพที่ใกล้ เคียงกั น แต่ ระดั บความชื้นของรังไหมนั้นมี ผลต่ อ ระยะเวลาการเก็บรักษารังไหมเช่นกัน
349
5 กิตติกรรมประกาศ ขอขอบคุ ณ มหาวิ ท ยาลั ย ราชภั ฏ มหาสารคาม ที่ ไ ด้ ใ ห้ ก าร สนั บสนุนงบประมาณ รวมทั้ งศู นย์หม่อนไหมเฉลิ มพระเกี ยรติ ฯ จังหวัดนครราชสีมา ที่ให้ความอนุเคราะห์เครื่องมือในการทดสอบ คุณภาพรังไหม 6 เอกสารอ้างอิง วรพจน์ รักสังข์. 2553. โครงการวิจัยและพัฒนาตู้อบรังไหมขนาด เล็กเพื่อเกษตรกรรายย่อย. กรมหม่อนไหม. แหล่งข้อมูล: http://www.qsds.go.th/research/ abstract.php?r_id=127. เข้าถึงเมื่อ 1 มิถุนายน 2559. Artnaseaw, A., Theerakulpisut. S., Benjapiyaporn, C. 2010. Drying characteristics of Shiitake mushroom and Jinda chili during vacuum heat pump drying. Food and Bioproducts Processing 88, 105–114. Colak, N., Hepbasli, A. 2009. A review of heat pump drying: Part1–Systems, models and studies. Energy Conversion and Management 50, 2180–2186. Lee, Y.W 1999. Silk Reeling and Testing Manual. food and agricultural Organization of United Nation, Rome, Italy. Singh, P.L. 2011. Silk cocoon drying in forced convection type solar dryer. Applied Energy 88, 1720– 1726.
350
TPHF-12
ชุดลําเลียงวัสดุลอยน้าํ สําหรับระบบคัดแยกคุณภาพมังคุดโดยความถ่วงจําเพาะ ปรีดาวรรณ ไชยศรีชลธาร1*, จิรวัสส์ เจียตระกูล1, อนุชิต ฉ่ําสิงห์1, ชูศักดิ์ ชวประดิษฐ์1 1
กลุ่มวิจัยวิศวกรรมหลังการเก็บเกี่ยว, สถาบันวิจัยเกษตรวิศวกรรม, ปทุมธานี, 12120 ผู้เขียนติดต่อ: ปรีดาวรรณ ไชยศรีชลธาร E-mail: jasmine.1100@hotmail.com
บทคัดย่อ มังคุดเป็นไม้ผลเมืองร้อนที่มีรสชาติอร่อยและมีความต้องการจากตลาดต่างประเทศสูง มาตรฐานการส่งออกมังคุดคุณภาพ กําหนตให้ต้องคัดมังคุดเนื้อแก้วออก ผู้ประกอบการส่งออกมังคุดโดยทั่วไปคัดคุณภาพตามมาตรฐานด้วยวิธีความถ่วงจําเพาะซึ่งเป็นการ คัดมังคุดเนื้อแก้วออกจากมังคุดเนื้อปกติครั้งละหลายผลแบบดั้งเดิมด้วยความถ่วงจําเพาะของน้ําหรือสารละลายเช่นน้ําเกลืออย่างไม่ ต่อเนื่อง ระบบคัดแยกคุณภาพของผลมังคุดโดยค่าความถ่วงจําเพาะของสารละลายเป็นต้นแบบที่ควบคุมความถ่วงจําเพาะของ สารละลายในการคัดแยกให้คงที่และเป็นการคัดแยกอย่างต่อเนื่อง การพัฒนาระบบคัดแยกคุณภาพมังคุดในส่วนของชุดลําเลียงมังคุดที่ ลอยน้ําออกจากถังคัดแยก โดยในการทดสอบเบื้องต้นมุมกองของมังคุดคือ 35 องศา แต่ได้ออกแบบมุมใบตักให้มุมกองเป็น 60 องศา เพื่อให้มังคุดไหลออกจากชุดลําเลียงได้หมดก่อนใบตักจะพลิกกลับไปด้านหลัง ชุดลําเลียงมังคุดลอยน้ํามีลักษณะเป็นกรงกระรอก ทรงกระบอกติดใบตักมังคุดในแนวเฉียงตามมุมที่กําหนด มังคุดที่ตักขึ้นมาแล้วจะเคลื่อนที่ตามใบตักไปทางด้านข้าง ออกจากถังคัดได้ พอดี กรงกระรอกทรงกระบอกขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 29 cm. ยาว 44 cm. ติดใบตัก 2 ใบ ขนาดกว้าง 7 cm. ทํามุมเฉียงหรือมุมเท 60 องศา มอเตอร์เกียร์ขนาด 120 วัตต์ และควบคุมความเร็ว 60 rpm. สามารถลําเลียงมังคุดได้ 280 kg./hr. คําสําคัญ: มุมกอง, กรงกระรอก, ใบตัก
Floating Materials Conveyor in Quality Grading System of Mangosteen by Specific Gravity Preedawan Chaisrichonlathan1*, Jirawat Chiatrakul1, Anuchit Chamsing1, Chusak Chavapradit1 1
Post-harvest Engineering Research Group, Agricultural Engineering Research Institute, Department of Agriculture, Pathumthani 12120.
Corresponding author: Preedawan Chaisrichonlathan. E-mail: jasmine.1100@hotmail.com
Abstract Mangosteens are tropical delicious fruits with excessive export obligation. Sorting out of translucent fruits is national standard of quality mangosteens for export. Exporters in general perform grading of translucent and normal fresh mangosteens by conventional specific gravity method which is batch type bulk grading by water or saline solution. Quality grading system of mangosteen by specific gravity of solution aspired at possibility of continuous grading with constant specific gravity value of solution. Development of floating material conveyor in this system was attained normal fresh mangosteens from grading tank. Based on angle of repose of fresh mangosteens was assessed to be 35 degrees, two curved type conveyor flights were 60 degrees of angle and designed to shove all fetched fruits out at the lateral side of the conveyor. Seven centimeters width flights were installed obliquely outside of squirrel cage cylinder of floating material conveyor. Cylindrical conveyor was 29 cm. in diameter and 44 cm. in length. 120 watts of motor and 60 rpm in speed were utilized for grading rate of 280 kgs/hr. Keywords: angle of repose, squirrel cage, flight
1 บทนํา ในปี พ.ศ. 2558 มั งคุดมีผลผลิ ต 199,876 ตั น ปริมาณการ ส่งออกเท่ากับ 178,689 ตัน มีมูลค่า 4,349 ล้านบาท (สํานักงาน เศรษฐกิจการเกษตร, 2559) จํานวนผลมังคุดเฉลี่ย 15 ผลต่อ
กิโลกรัม มังคุดส่งออกคิดเป็นจํานวนประมาณ 2,680 ล้านผล การ ส่งออกมังคุดที่มีปริมาณสูงมาก ทําให้การตรวจสอบเพื่อจัดการ ปัญหามังคุดเนื้อแก้วเชิงพาณิชย์มีความสําคัญตามแนวนโยบาย ส่งเสริมการส่งออกมังคุดคุณภาพดีเพื่อเพิ่มมูลค่าการส่งออก เครื่อง
351
คั ดแยกคุ ณภาพผลมั งคุ ดที่ มี ประสิ ทธิ ภาพการคั ดแยกสู งจึ งจะ สามารถควบคุมและจัดการปัญหามังคุดเนื้อแก้วเชิงพาณิชย์ได้ การส่งออกมังคุดไปยังต่างประเทศส่วนมากมีการคัดคุณภาพ ตามมาตรฐานโดยวิธีความถ่วงจําเพาะ แต่สําหรับญี่ปุ่นจําเป็นต้อง ผ่านการอบไอน้ําเพื่อกําจัดแมลงศัตรูพืชของมังคุดด้วย ชั้นคุณภาพ มังคุดขึ้นอยู่ลักษณะภายนอกและลักษณะภายในเช่น ลักษณะเนื้อ แก้ว และ/หรือยางเหลืองในผลมีได้ไม่เกิน 5, 10, 20 เปอร์เซ็นต์ ของจํานวนผลหรือน้ําหนัก สําหรับมังคุดชั้นพิเศษ ชั้นหนึ่ง และชั้น สองตามลําดับ โดยผลมังคุดเพื่อการส่งออกควรมีขนาดประมาณ 70-100 g. ต่อผล (สํานักงานมาตรฐานสินค้าเกษตรและอาหาร แห่งชาติ, 2556) อาการเนื้อแก้วของผลมังคุด เกิดจากก่อนเก็บ เกี่ยวต้นมังคุดดูดน้ําและส่งเข้าไปที่ผลมากจนทําให้เซลล์แตก การ คัดแยกคุณภาพมังคุดด้วยความถ่วงจําเพาะ หรือความหนาแน่นได้ นํ า ไปใช้ ใ นการตรวจสอบคุ ณ ภาพเพื่ อ การรั บ ซื้ อ ผลมั ง คุ ด จาก เกษตรกรเพื่อการส่งออก โดยเฉพาะไปยังประเทศญี่ปุ่นซึ่งมีความ ต้องการมังคุดคุณภาพ 100 เปอร์เซ็นต์ โดยในทางปฏิบัติ หลังการ รับซื้อจะมีการผ่าผลตรวจคุณภาพภายในทุกผล แล้วปิดด้วยเทป แช่เย็น และทําการบรรจุเพื่อการส่งออก (Chaisrichonlathan and Noomhorm, 2011) สถาบันวิจัยเกษตรวิศวกรรมได้ศึกษา และพัฒนาต้นแบบเครื่อง คัดแยกคุณภาพมังคุดโดยค่าความถ่วงจําเพาะของสารละลายในการ แยกคัดมังคุดแบบไม่ทําลาย อาศัยหลักการทํางานด้วยคุณสมบัติ ความถ่วงจําเพาะโดยผลมังคุดจะถูกป้อนแบบต่อเนื่องเข้าสู่ถังคัด แยกซึ่งบรรจุสารละลายที่ใช้คัดแยก มังคุดเนื้อแก้วให้จมลง ส่วน มังคุดเนื้อปกติจะลอยและถูกพาไปยังทางออก กลไกควบคุมแบบ ย้อนกลับถูกออกแบบให้ควบคุมการไหลของสารละลายตัวกลางใน การคัดแยกให้มีค่าความถ่วงจําเพาะคงที่ด้วยอุปกรณ์ควบคุมแบบ เสียงซึ่งติดตั้งในถังคัดแยก ชุดควบคุมความถ่วงจําเพาะแบบเสียง ลอยอย่างอิสระในอุปกรณ์ป้องกันคลื่นกระเพื่อม สัญญาณจากชุด ควบคุมถูกส่งไปวิเคราะห์และประมวลผลด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ เมื่อค่าความถ่วงจําเพาะของสารละลายที่ใช้คัดแยกสูงขึ้นเนื่องจาก ฝุ่นและสิ่งสกปรกที่ติดมากับผลมังคุด อุปกรณ์ควบคุมจะสั่งให้เปิด โซลินอยด์วาล์วให้ดูดสารละลายจากถังสแตนเลสบรรจุสารละลาย เข้ามาปรับค่าความถ่วงจําเพาะจนถึงค่าที่กําหนดไว้ (ชูศักดิ์และ คณะ, 2554) ต้นแบบเครื่องคัดแยกคุณภาพมังคุดได้ถูกทดสอบเชิง พาณิชย์โดยสํานักวิจัยและพัฒนาการเกษตรเขตที่ 6 กรมวิชาการ เกษตร ในโครงการทดสอบเครื่องคัดแยกคุณภาพมังคุดโดยความ ถ่ วงจํ าเพาะเชิ งพาณิ ชย์ และสํ ารวจความคิ ดเห็ นหลั งการสาธิ ต ให้กับผู้ประกอบการส่งออกมังคุดสดจํานวน 100 คน พบว่าส่วน ใหญ่มีความเห็นว่าเครื่องดังกล่าวมีประโยชน์ เนื่องจากเครื่องมีการ ควบคุมความถ่วงจําเพาะทําให้สามารถคัดแยกมังคุดเนื้อดีออกจาก
มังคุดเนื้อแก้วได้ดีกว่าการคัดแยกด้วยสารละลายแบบเดิมซึ่งต้องใช้ คนปรับความถ่วงจําเพาะของสารละลายในแต่ละรอบการคัดแยก และมีข้อเสนอให้ปรับปรุงเครื่องให้มีข้อจํากัดลดลง เช่น ควรพัฒนา รูปแบบการขนย้ายผลผลิตออกจากถังคัดแยกซึ่งเดิมใช้ตะกร้าตักผล มังคุดในแต่ละรอบการคัดแยกให้สามารถดําเนินการอย่างต่อเนื่อง ควรพัฒนาทั้งระบบลําเลียงผลมังคุดในส่วนป้อนเข้าถังคัดแยกและ ระบบลําเลียงมังคุดเนื้อแก้วที่จมและระบบลําเลียงมังคุดเนื้อปกติที่ ลอยในสารละลายหลังการคัดแยก และเพิ่มความถูกต้องแม่นยํา ของการคัดแยกมากขึ้น รายงานนี้ นํ าเสนอการพั ฒนาชุดลํ าเลียงวั สดุลอยน้ํ าสํ าหรั บ ระบบคัดแยกคุณภาพมังคุดโดยความถ่วงจําเพาะ เพื่อให้ต้นแบบ เครื่องคัดแยกคุณภาพผลมังคุดสามารถทํางานแบบอัตโนมัติ และมี ประสิทธิภาพการคัดแยกมากขึ้น 2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 การออกแบบและสร้าง การออกแบบต้นแบบระบบคัดแยกคุณภาพมังคุดในส่วนของชุด ลําเลียงมังคุดที่ลอยน้ําออกจากถังคัดแยก โดยทดสอบมุมกองของ มังคุด จํานวน 100 ผล นํามังคุดวางให้ขั้วมังคุดอยู่ด้านล่างเมื่อปรับ มุมของกระดาน พื้นกระดานทําจากแผ่นสแตนเลส ค่ อยๆ ยก กระดานด้านหนึ่งขึ้นและบันทึกมุมที่มังคุดเริ่มไหลลง (ภาพที่ 1) ถั งไฟเบอร์ คั ดแยกมั งคุ ดด้ านที่ มี ช่ องน้ํ าล้ นไหลออก และมี แรงดันน้ําใกล้ผิวน้ํา เพื่อให้มังคุดลอยไปทางด้านนี้มีช่องทางออก กว้าง 450 mm. และลึก 400 mm. จึงออกแบบชุดลําเลียงมังคุด ลอยน้ํามีลักษณะเป็นกรงกระรอกทรงกระบอกติดใบตักมังคุดใน แนวเฉียงตามมุมที่กําหนด มังคุดที่ตักขึ้นมาแล้วจะเคลื่อนที่ตามใบ ตักไปทางด้านข้าง ออกจากถังคัดได้พอดี กรงกระรอกทรงกระบอก ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 290 mm. ยาว 440 mm. ติดใบตัก 2 ใบ ขนาดกว้าง 70 mm. เฉียงตามองศาที่กําหนด ทดสอบหมุนกรง กระรอกด้วยมือ (ภาพที่ 2) คํานวณขนาดมอเตอร์เกียร์ที่จะใช้โดยคิดน้ําหนักกรงกระรอกส แตนเลส น้ําหนักมังคุด และน้ําหนักแรงต้านของน้ํา รวมทั้งหมด 6 kg. ความเร็วการหมุนที่ต้องการ 60 rpm. คํานวณกําลังมอเตอร์ที่ ต้องใช้ตามสูตร 1 – 4 ได้ 53.57 W. จากการสํารวจมอเตอร์เกียร์ที่ มีจําหน่ายมีขนาด 60 W. และ 120 W. ซึ่งราคาไม่ต่างกันมาก จึง เลือกใช้มอเตอร์เกียร์ขนาด 120 W. และอุปกรณ์ควบคุมความเร็ว ติดตั้งอุปกรณ์ทั้งหมดในถังไฟเบอร์ คัดแยกมั งคุ ด (ภาพที่ 3) ซึ่ ง สามารถบรรจุมอเตอร์เกียร์ด้านข้างและมีฝาปิด ปุ่มปรับความเร็ว อยู่ด้านบน และทําการทดสอบการลําเลียงมังคุด (ภาพที่ 4)
352
2
6 kg. x 9.8 m/s
= 58.80 N
(1)
58.80 N. x (290 /(1000 x 2)) m. = 8.53 N.m 2 = 2 x (22/7) x (60 rpm./60 s/min.) = 6.28 rad/s.
= 8.53 N.m. x 6.28 rad/s. = 53.57 W. แรง หน่วย N. โดย มวล หน่วย kg. ความเร่ง หน่วย m/s2 ทอร์ ค หน่วย N.m. รัสมีของการหมุน หน่วย m. ความเร็วเชิงมุม หน่วย rad/s. ความถี่การหมุน หน่วย rev/s.
(2) (3) (4) Figure 3 Installation’s position of the conveyor in grading bin.
กําลัง หน่วย W.
Figure 1 Mangosteens’ angle of repose measurement.
Figure 2 Preliminary test of squirrel cage conveyor
Figure 4 The conveyor operation testing with fruit 2.2 การทดสอบเพื่อปรับมุมใบตัก ทําการทดสอบมุมใบตักด้วยมุม 30, 45, 60 องศา วัดจาก แนวนอนตามแกนใบตัก และโดยกําหนดความเร็วมอเตอร์ 60 rpm. เพื่อให้สัมพันธ์กับการเคลื่อนที่ของมังคุดที่ลอยตามกระแสน้ําในถัง คัดแยก ทําการทดสอบมังคุด 100 กิโลกรัม และจับเวลาตั้งแต่เริ่ม กระบวนการคัดแยกจนระบบลําเลียงวัสดุลอยน้ําทําการลําเลียง มังคุดส่วนลอยออกจากถังคัดแยกหมด ทําการชั่งน้ําหนักมังคุด ลอยน้ํา นํามาคํานวณความสามารถในการทํางานคือน้ําหนักมังคุด ส่วนลอยน้ําหารด้วยเวลาในการดําเนินการคัดแยก 3 ผลและวิจารณ์ 3.1 ผลการออกแบบและสร้าง ในการออกแบบชุดลําเลียงวัสดุลอยน้ํา อาศัยข้อมูลพื้นฐานมุม กองของมังคุดบนแผ่นสแตนเลส พบว่า โดยเฉลี่ยการวางผลมังคุด ให้ขั้วมังคุดอยู่ด้านล่างแล้วค่อยปรับมุมของกระดาน มังคุดมีมุม กองที่ 30 องศา จึงใช้ข้อมูลดังกล่าวในการออกแบบสร้างต้นแบบ ชุดลําเลียงวัสดุลอยน้ํา และจากการออกแบบ สร้าง และทดสอบต้นแบบชุดลําเลียง วัสดุลอยน้ําโดยใช้มือหมุนเบื้องต้น (Figure 2) พบว่า ผลมังคุดจะ ไหลออกจากใบตั กได้ หมดหากไม่ ใช้ ความเร็ วเกิ น 60 rpm. นํ า ข้อมูลที่ได้ไปใช้ในการคํานวณขนาดมอเตอร์
353
3.2 ผลการทดสอบเพื่อปรับมุมใบตัก ผลการทดสอบปรับมุมใบตักด้วยมุม 30, 45, 60 องศา วัดจาก แนวนอนตามแกนใบตัก ความเร็ว 60 rpm. พบว่า มุมที่เพิ่มขึ้นจะ ทําให้มังคุดไหลออกจากใบตักได้เร็วขึ้น จากการทดสอบกับการ เคลื่อนที่ของมังคุดที่ลอยตามกระแสน้ําในถังคัดแยก พบว่ามุมที่ 30 และ 40 องศา ผลมังคุดลอยน้ําเฉลี่ย 5-10% ไหลออกจากใบตัก ไปทางด้านข้างของถังคัดแยกไม่ทัน และถูกชุดลําเลียงกรงกระรอก พลิกกลับ เกิดการขัดกันของผลมังคุด แต่ที่มุม 60 องศา ผลมังคุด สามารถไหลออกจากใบตักได้ทั้งหมด และมีความสามารถในการ ทํางาน 280 kg./hr. 4 สรุป ชุดลําเลียงวัสดุลอยน้ําแบบกรงกระรอกทรงกระบอกติดใบตัก ทํามุม 60 องศา ความเร็วในการหมุน 60 rpm. สามารถตักมังคุด ลอยน้ําได้ 280 kg.hr. 5 เอกสารอ้างอิง สํานักงานเศรษฐกิจการเกษตร. 2559. สถิติข้อมูลการผลิตและการ ส่งออกมังคุด. แหล่งข้อมูล : http://www.oae.go.th/oae_report/export_import/expo rt_result.php เข้าถึงเมื่อ 10 สิงหาคม 2559. สํานักงานมาตรฐานสินค้าเกษตรและอาหารแห่งชาติ. 2556. มาตรฐานสินค้าเกษตร มกษ. 2-2556 มังคุด. ประกาศในราช กิจจานุเบกษา ฉบับประกาศและงานทั่วไป เล่ม 131 ตอนที่ 31 ง วันที่ 13 กุมภาพันธ์ 2557 แหล่งข้อมูล : http://www.oae.go.th/oae_report/export_import/expo rt_result.php เข้าถึงเมื่อ 10 สิงหาคม 2559. Chaisrichonlathan, P. and Noomhorm, A. 2011. Effects of harvesting seasons and maturity stages on internal characteristics of the mangosteen having different surface propertie. International Journal of Food Science and Technology 46, 717-723. ชูศักดิ์ ชวประดิษฐ์, ปรีดาวรรณ ไชยศรีชลธาร, สุภัทร หนูสวัสดิ์ และยงยุทธ คงซ่าน. 2554. การใช้อินฟราเรดในการควบคุม เครื่องคัดแยกคุณภาพมังคุดโดยความถ่วงจําเพาะ. รายงานการ ประชุมวิชาการสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ครัง้ ที่ 12 ประจําปี 2554. ชลบุรี: โรงแรมชมจันทร์พัทยารีสอร์ท. 31 มีนาคม – 1 เมษายน 2554, ชลบุรี.
354
TPM-01
วิจัยและพัฒนาเครื่องหยอดปุ๋ยอ้อยแบบผสมแม่ปุ๋ยภายในตัวเอง ขนิษฐ์ หว่านณรงค์1* อัคคพล เสนาณรงค์1 เวียง อากรชี1 วีระ สุขประเสริฐ1 อาธร พรบุญ1 1
สถาบันวิจัยเกษตรวิศวกรรม กรมวิชาการเกษตร กรุงเทพฯ 10900 ผู้เขียนติดต่อ: ขนิษฐ์ หว่านณรงค์ E-mail: lovelynid@hotmail.com
บทคัดย่อ กรมวิชาการเกษตรได้ออกคําแนะนําการใส่ปุ๋ยตามค่าวิเคราะห์ดินสําหรับอ้อย โดยมีอัตราการใส่ปุ๋ยที่ผสมแม่ปุ๋ยแล้วตั้งแต่ 10-87 กิโลกรัม/ไร่ ขึ้นกับความอุดมสมบูรณ์ของดิน แต่ปัจจุบันเกษตรกรไม่สามารถปฏิบัติตามคําแนะนําดังกล่าวได้ เนื่องจากเครื่อง หยอดปุ๋ยอยู่ในปัจจุบันจะหยอดปุ๋ยได้ปริมาณเดียว หรือเปลี่ยนอัตราหยอดได้เล็กน้อยโดยการเปลี่ยนเฟืองโซ่ ดังนั้นสถาบันวิจัยเกษตร วิศวกรรม จึงได้พัฒนาเครื่องหยอดปุ๋ยแบบผสมแม่ปุ๋ยภายในตัวเองสําหรับอ้อยแบบ 2 แถว ติดพ่วงรถแทรกเตอร์ขนาด 60 แรงม้าขึ้น ไป เพื่อเลือกเปลี่ยนอัตราการหยอดปุ๋ยได้กว้าง โดยไม่ต้องคํานวณและผสมปุ๋ยไว้ก่อนล่วงหน้า ลดปัญหาปุ๋ยจับตัวเป็นก้อนและการแยก ชั้นของปุ๋ยเมื่อต้องผสมทิ้งไว้นาน เครื่องหยอดปุ๋ยแบบผสมแม่ปุ๋ยภายในตัวเอง มีส่วนประกอบหลักคือ ถังใส่ปุ๋ย 3 ถัง สําหรับใส่แม่ปุ๋ย 3 ชนิด ชุดกําหนดอัตราปุ๋ยแบบเฟืองจักรยาน สามารถปรับอัตราหยอดได้ตั้งแต่ 10-40 กิโลกรัม/ไร่ ตามคําแนะนําการใส่แม่ปุ๋ยตามค่า วิเคราะห์ดินสําหรับอ้อย ท่อนําปุ๋ย ขาไถเปิดร่องดิน ใบมีดตัดใบอ้อย และล้อควบคุมการปล่อยปุ๋ย จาการทดสอบในแปลงอ้อยที่มีระยะ ปลูก 1.8 m พบว่า มีความสามารถการทํางานเฉลี่ย 7.19 ไร่/ชั่วโมง ที่ความเร็วการเคลื่อนที่ของรถแทรกเตอร์เฉลี่ย 1.02 m/s ประสิทธิภาพการทํางานเฉลี่ย 87.23% ความสิ้นเปลืองน้ํามันเชื้อเพลิงเฉลี่ย 0.67 ลิตร/ไร่ ความคลาดเคลื่อนของอัตราการหยอดปุ๋ย จากค่าที่ตั้งไว้เท่ากับ 2.70% คําสําคัญ: เครื่องหยอดปุ๋ยอ้อย แม่ปุ๋ย การใส่ปุ๋ยตามค่าวิเคราะห์ดิน
Research and Development of a Granular Fertilizer Applicator for Sugarcane with an NPK Customizing Unit Khanit Wannaronk1 Akkapol Senanarong1 Weang Arekornchee1 Weera Sukprasert1 Artonn Pornboon1 1
Agricultural Engineering Research Institute, Department of Agriculture, Bangkok 10900. Corresponding author: Khanit Wannaronk. E-mail: lovelynid@hotmail.com
Abstract The Department of Agriculture (DOA) has issued the site-specific fertilizer recommendations for sugarcane by applying the bulk-blended fertilizer rate of 10-87 kg/rai depending on soil fertility. Farmers can not follow this instruction, since the fertilizer applicator was fixed in a single rate or slightly change the rate by changing new sprocket. Thus, the Agricultural Engineering Research Institute (AERI) has developed a two-row sugarcane fertilizer applicator attached with a 4-wheel tractor (60 hp up) for NPK granulated fertilizer costumizing unit. It provides a wide range of application rate according to fertilizer recommendations from DOA without calculating and mixing fertilizer beforehand which reduces clumping and separation of mixed fertilizer. The prototype consisted of three hoppers, metering mechanisms which provide NPK fertilizer application rate 10-40 kg/rai, straw cutting disk (toothed edge), delivery tube, reaper and ground wheel. Testing was conducted in sugarcane field with row spacing of 1.8 m. Testing results showed that average field capacity was 7.19 rai/h, at average travelling speed of tractor 1.02 m/s, average field efficiency was 87.23%, average fuel consumption was 0.67 lit/rai and applicator error was 2.7%. Keywords: Sugarcane fertilizer applicator, NPK granulated fertilizer, Site-specific NPK fertilizer recommendations
355
และค่าแรงงานในการผสมปุ๋ยเพิ่ม และทําเกิดความยุ่งยากในการ 1 บทนํา ปัจจุบันประเทศไทยมีความต้องการการใช้ปุ๋ยเคมีเพิ่มขึ้นทุกปี ใส่ปุ๋ย โดยในช่วงปี 2552-2557 มีปริมาณการนําเข้าปุ๋ยเคมีปีละประมาณ 3.83-5.42 ล้านตัน มูลค่า 42,666-66,103 ล้านบาท (สํานักงาน เศรษฐกิจการเกษตร, 2558) เกษตรกรส่วนใหญ่จะพิจารณาใช้ปุ๋ย ตามปัจจัยด้านราคาปุ๋ยเคมี ราคาผลผลิต พื้นที่เพาะปลูก ปริมาณ ผลผลิต (พรรณพิมล, 2558) ซึ่งไม่ได้คํานึงถึงปริมาณธาตุอาหารที่มี อยู่ดั้งเดิมในดิน จึงทําให้เกษตรกรใช้ปุ๋ยในอัตราและสูตรเหมือนกัน ทั่วทั้งแปลง ซึ่งอาจไม่ตรงต่อความต้องการของพืช ยิ่งไปกว่านั้นการ ใส่ปุ๋ยมากเกินไปนอกจากจะทําให้สิ้นเปลืองค่าใช้จ่ายแล้ว ยังทําให้ เกิดโรคและแมลงระบาดมากขึ้น (ทัศนีย์, 2555) ตั้งแต่ปี 2540 เป็นต้นมา มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ ได้พัฒนา เทคโนโลยีการใช้ปุ๋ยที่มีความแม่นยําสําหรับข้าว ข้าวโพด และอ้อย Figure 1 A sugarcane fertilizer applicator for bulkต่อมาได้เรียกว่า เทคโนโลยี “ปุ๋ยสั่งตัด” โดยนําข้อมูลพันธุ์พืช แสง blended fertilizer อุณหภูมิ ปริมาณน้ําฝน ชุดดิน และ เอ็น-พี-เค ในดินในขณะนั้น มา คณะผู้วิจัยจึงมีแนวคิดที่จะพัฒนาเครื่องหยอดปุ๋ยอ้อยแบบผสม กําหนดคําแนะนําการใช้ปุ๋ย โดยใช้แม่ปุ๋ยDAP (18-46-0), KCl (0- แม่ปุ๋ยภายในตัวเองติดพ่วงรถแทรกเตอร์ โดยแยกแม่ปุ๋ยทั้ง 3 ชนิด 0-60) และ (NH4)2SO4 (46-0-0) ที่มีจําหน่ายในท้องตลาดมาผสม ใส่ ในแต่ ละถั งแยกกั น เพื่ อลดปั ญหาปุ๋ ยจั บตั วเป็ นก้ อนช่ วยลด กัน (ทัศนีย์, 2555) ต้ น ทุ น และขั้ น ตอนในการผสมปุ๋ ย ตามค่ า วิ เ คราะห์ ดิ น ด้ ว ย กรมวิชาการเกษตรได้ออกคําแนะนําการใส่ปุ๋ยตามค่าวิเคราะห์ แรงงานคน โดยยังสามารถใส่ปุ๋ยได้ครอบคลุมตามอัตราการใส่ที่ ดินสําหรับอ้อย โดยใส่ปุ๋ย (NH4)2SO4 (46-0-0) อัตรา 10-22 แนะนําโดยกรมวิชาการเกษตรเหมือนเดิม กิโลกรัม/ไร่ ใส่ปุ๋ย DAP (18-46-0) อัตรา 13-26 กิโลกรัม/ไร่ และ ใส่ปุ๋ย KCl (0-0-60) อัตรา 10-40 กิโลกรัม/ไร่ ขึ้นกับระดับความ 2 อุปกรณ์และวิธีการ อุดมสมบูรณ์ของดิน (กรมวิชาการเกษตร, 2553) โดยเกษตรกรต้อง 2.1 2.1 เครื่องหยอดปุ๋ยอ้อยแบบผสมแม่ปุ๋ยภายในตัวเอง นําปุ๋ยแต่ละชนิดมาผสมกัน อัตราหยอดมีช่วงกว้างตั้งแต่ 10-87 มีส่วนประกอบหลักคือ ถังใส่แม่ปุ๋ย 3 ถัง ชุดกําหนดอัตราปุ๋ย กิโลกรัม/ไร่ ทําให้เกษตรกรไม่สามารถปฏิบัติตามคําแนะนําปุ๋ยที่ได้ แบบเฟื องจั กรยาน ชุ ดเกลี ยวลํ าเลี ยงปุ๋ ย ใบมี ดตั ดใบอ้ อยแบบ พัฒนาขึ้นมาได้ เนื่องจากเครื่องหยอดปุ๋ยอยู่ในปัจจุบันจะใส่ปุ๋ยได้ กงจักร (Figure 2) ซึ่งช่วยลดแรงตัดใบอ้อยทั้งแรงในแนวราบ ปริมาณเดียว หรือเปลี่ยนอัตราหยอดได้เล็กน้อยโดยการซื้อเฟืองโซ่ แนวดิ่ ง และแรงบิ ด ได้ ดี ก ว่ า เมื่ อ เที ย บกั บ แบบใบตั ด เรี ย บ มาเปลี่ยน (Bianchini et al, 2014) ท่อนําปุ๋ย ขาไถเปิดร่องดิน และล้อ สถาบั นวิ จั ยเกษตรวิศวกรรม ได้ พัฒนาเครื่ องหยอดปุ๋ ยผสม ควบคุมการปล่อยปุ๋ย หลักการทํางานเหมือนเครื่องฝังปุ๋ยอ้อยที่ สําหรับอ้อยแบบ 2 แถว ติดพ่วงรถแทรกเตอร์ขนาด 60 แรงม้า ขึ้น เกษตรกรใช้โดยทั่วไป คือ ใช้ล้อขับเป็นตัวควบคุมการปล่อยปุ๋ย ไป (Figure 1) เพื่อใส่ปุ๋ยตามค่าวิเคราะห์ดิน โดยเกษตรกรต้องผสม ขณะที่รถแทรกเตอร์เคลื่อนที่ไปข้างหน้า ล้อขับจะสัมผัสดินทําให้ ปุ๋ยตามค่าวิเคราะห์ดินและคลุกเคล้าให้เข้ากันก่อนจึงนํามาใส่ใน กลไกการปล่อยปุ๋ยทํางาน ทําให้ปุ๋ยทั้ง 3 ชนิด ไหลมาตามท่อนําปุ๋ย เครื่ อ งนี้ สามารถเลื อ กเปลี่ ย นอั ต ราหยอดได้ ค รอบคลุ ม ตาม เข้าสู่ร่องดินที่ขาไถเปิดไว้ ปุ๋ยจะถูกฝังที่ความลึกประมาณ 10-30 คํ า แนะนํ า ของกรมวิ ช าการเกษตร 10-87 กิ โ ลกรั ม /ไร่ มี cm ขึ้นกับสภาพดิน ส่วนประกอบหลักคือ ถังใส่ปุ๋ย 2 ถัง ชุดกําหนดอัตราปุ๋ยแบบเฟือง จักรยานซึ่ง ใบมีดตัดใบอ้อยแบบกงจักร ท่อนําปุ๋ย ขาไถเปิดร่องดิน และล้อควบคุมการปล่อยปุ๋ย (ขนิษฐ์ และคณะ, 2557) อย่างไรก็ ตามการใส่ปุ๋ยโดยใช้เครื่องหยอดปุ๋ยนี้ ต้องผสมปุ๋ยข้างนอกและต้อง ผสมให้เข้ากัน โดยต้องคํานึงถึงความเข้ากันได้ ไม่ทําปฏิกิริยากันจน เป็นเหตุให้คุณภาพของปุ๋ยผสมต่ําลง และไม่ผสมและทิ้งไว้นานจน เกิดความชื้นทําให้ปุ๋ยจับตัวเป็นก้อน (caking) ซึ่งทําให้ต้องเสียเวลา 356
2.2 ขั้นตอนการทดสอบ การทดสอบอั ต ราการหยอดปุ๋ ย ในห้ อ งปฏิ บั ติ ก าร ใช้ ปุ๋ ย (NH4)2SO4 (46-0-0) ปุ๋ย DAP (18-46-0) และ ปุ๋ย KCl (0-0-60) ความหนาแน่นเฉลี่ย เท่ากับ 0.70, 0.91 และ 1.03 g/cm3 ตามลําดับ ดําเนินการสอบเทียบอัตราหยอดของปุ๋ยทั้ง 3 ชนิด ที่ อัตราทดเฟืองต่างๆ ในห้องปฏิบัติการ จํานวน 3 ซ้ํา โดยหมุนล้อ ขับจํานวน 10 รอบ และชั่งน้ําหนักปุ๋ยที่ได้ การทดสอบภาคสนาม ดํ า เนิ น การที่ แ ปลงอ้ อ ยปลู ก ของ เกษตรกร อ. ท่าม่วง จ. กาญจนบุรี อ้อยอายุ 1 เดือน สภาพแปลง ฉีดยาคุมหญ้าไว้จึงไม่มีวัชพืชขึ้น ระยะห่างระหว่างแถวอ้อยราว 1.8 m ความชื้นของดิน 6.82% db ความหนาแน่นดินสภาพแห้ง 1.751 g/cm3 ใส่ปุ๋ยตามที่เกษตรกรใช้อยู่ คือปุ๋ยสูตร 24-12-24 จํานวน 54 kg/ไร่ ใช้รถแทรกเตอร์คูโบต้า รุ่น M9540 ขนาด 95 แรงม้า เป็นต้นกําลัง เลือกใช้เกียร์ 4 ต่ํา ความเร็วรอบของ เครื่องยนต์ราว 1300 rpm ความเร็วการเคลื่อนที่ของรถแทรกเตอร์ ราว 1 ms-1 ทดสอบหาความเปอร์เซ็นต์ความคลาดเคลื่อนของอัตราการ หยอดปุ๋ย (applicator error) ที่เกิดจากการลื่นไถลระหว่างล้อขับ กับพื้นดิน เทียบกับอัตราหยอดที่ตั้งไว้ โดยใช้สูตร
Figure 2 A straw cutting disk (toothed edge) ออกแบบชุ ดกําหนดอั ตราปุ๋ยแบบเฟืองจั กรยาน ซึ่ งสามารถ เปลี่ยนอัตราหยอดของแม่ปุ๋ยแต่ละถังได้โดยง่าย ใช้เฟืองโซ่จักรยาน ยี่ห้อ SHIMANO 8 speed จํานวน 3 ชุด สําหรับขับชุดเกลียว ลําเลียงแม่ปุ๋ยแต่ละถัง ซึ่งเกลียวลําเลียงเป็นแบบ Double flight single pitch ระยะพิตซ์ของเกลียวสั้นทําให้ปุ๋ยไหลลื่น ปริมาณปุ๋ย ลงได้ ส ม่ํ า เสมอ คํ า นวณอั ต ราหยอดให้ ส ามารถหยอดปุ๋ ย ได้ ครอบคลุมตามอัตราที่แนะนําโดยกรมวิชาการเกษตร โดยใส่ปุ๋ย (NH4)2SO4 (46-0-0) อัตรา 10-22 กิโลกรัม/ไร่ ใส่ปุ๋ย DAP (18อัตราหยอดที่ตงั้ ไว้ – อัตราหยอดจริง 100 %คามคลาดเคลื่อน 46-0) อัตรา 13-26 กิโลกรัม/ไร่ และใส่ปุ๋ย KCl (0-0-60) อัตรา อัตราหยอดที่ตั้งไว้ เนื่องจากปัจจัยที่มีผลต่อความคลาดเคลื่อนของอัตราการใส่ปุ๋ย 10-40 กิโลกรัม/ไร่ โดยใช้ชุดเฟืองโซ่สับจานหน้าขนาด 28, 38 และ 48 ฟัน และชุดเฟืองโซ่ดุมล้อหลังจักรยานขนาด 11, 13, 15, คือ ล้อขับที่อาจเกิดจากการลื่นไถล ดังนั้นการตั้งอัตราหยอดใน แปลง ต้องทําการวัดเส้นรอบวงจริงที่เกิดขึ้นในแปลง โดยวัดความ 18, 21, 24, 28 และ 32 ฟัน (Figure 3) ยาวของระยะทางที่ล้อหมุนไป 5 รอบ จํานวน 3 ซ้ํา นํามาเฉลี่ยเพื่อ หาเส้นรอบวงจริง และนําไปคํานวณปริมาณแม่ปุ๋ย (กรัม) NPK ที่ ต้องปรับเพื่อให้ได้อัตราปุ๋ยที่ต้องการ จากสูตร ปริมาณแม่ปุ๋ย (กรัม) = [อัตราปุ๋ยที่ต้องการ (kg/ไร่) x ความ กว้างแถวปลูก (m) x จํานวนรอบหมุน x เส้นรอบวงจริง (m) x 1000] / 1600 จากนั้นเลือกเฟืองขับละเฟืองตาม ที่จ่ายแม่ปุ๋ย NPK ได้ ใกล้เคียงกับปริมาณปุ๋ย (กรัม) ที่ได้จากการคํานวณ โดยหมุนล้อขับ จํานวน 10 รอบ และชั่งน้ําหนักแม่ปุ๋ยที่ได้ และนํามาคํานวณหา อัตราหยอดที่ตั้งไว้ จากสูตร อัตราปุ๋ยที่ตั้งไว้ (kg/ไร่) = ปริมาณแม่ปุ๋ยที่ชั่งได้ (กรัม) x 1600/ [ความกว้างแถวปลูก (m) x จํานวนรอบหมุน x เส้นรอบวง จริง (m) x 1000] หาอัตราการหยอดจริง โดยใช้ผ้ารองเป็นระยะทาง 5 m รองปุ๋ย ที่ออกมาจากถังใส่ปุ๋ย ผ่านท่อนําปุ๋ยทั้ง 3 ท่อ (Figure 4) นําปุ๋ยที่ ได้มาชั่งน้ําหนัก ทําซ้ํา 3 ครั้ง คํานวณหาอัตราหยอดจริง Figure 3 Metering mechanisms 357
ทดสอบการทํางานภาคสนาม โดยทดสอบหาความสามารถการ ทํางาน ประสิทธิภาพการทํางานเชิงพื้นที่ และการสิ้นเปลืองน้ํามัน เชื้อเพลิง ตามวิธีของ RNAM Test Code (RNAM, 1995) วิเคราะห์ ข้อมูลผลการทดสอบ
Figure 4 Testing for applicator error
3 ผลและวิจารณ์ 3.1 ผลการสอบเทียบอัตราหยอดปุ๋ยในห้องปฏิบัติการ จากการสอบเทียบอัตราหยอดของปุ๋ยทั้ง 3 ชนิด ที่อัตราทด เฟื องต่ างๆ ในห้ องปฏิ บั ติ การ สามารถคํ านวณและแสดงได้ ดั ง Table 1 จะเห็นว่าอัตราหยอดครอบคลุมตามคําแนะนําของกรม วิชาการเกษตรได้ ที่แนะนําให้ใส่ปุ๋ย (NH4)2SO4 (46-0-0) อัตรา 1022 กิโลกรัม/ไร่ ใส่ปุ๋ย DAP (18-46-0) อัตรา 13-26 กิโลกรัม/ไร่ และใส่ปุ๋ย KCl (0-0-60) อัตรา 10-40 กิโลกรัม/ไร่ อัตราการใส่ปุ๋ย ที่คํานวณได้ในตารางนี้ สามารถนําไปใช้อ้างอิงในการเลือกเฟือง เพื่ อ ให้ ไ ด้ อั ต ราจ่ า ยปุ๋ ย ที่ ต้ อ งการที่ ร ะยะปลู ก อ้ อ ยต่ า งๆของ เกษตรกร ทั้งนี้อัตราการใส่ปุ๋ยในตาราง สามารถเปลี่ยนแปลงได้เมื่อ เปลี่ยนยี่ห้อปุ๋ยหรือความหนาแน่นของปุ๋ยดังนั้นการใช้เครื่องหยอด ปุ๋ยนี้ ควรสอบเทียบอัตราจ่ายปุ๋ยของเครื่องก่อนใช้งานจริง และ ต้องมีการสอบเทียบในแปลงทดสอบอีกครั้งหนึ่ง เนื่องจากในดินที่มี ความชื้นล้อขับปุ๋ยอาจเกิดการลื่นไถลได้ถึง 10%
Table 1 Fertilizer application rate (kg/rai) at different row spacing
358
ต้องเท่ากับ 58.53 kg/ไร่ เพื่อให้ได้ธาตุอาหารตามเดิมที่เกษตรกร ต้องการ ทําการสอบเทียบอัตราจ่ายปุ๋ยของเครื่องหยอดก่อนใช้งานจริง อีกครั้งหนึ่ง เนื่องจากในดินที่มีความชื้นล้อขับปุ๋ยอาจเกิดการลื่น ไถล โดยวัดเส้นรอบวงจริงของล้อขับในแปลงได้เท่ากับ 1.91 เมตร จากเดิมที่เส้นรอบวงอยู่ที่ 1.87 เมตร ดังนั้นรถแทรกเตอร์มีการลื่น Table 2 Requirement of fertilizer rate (kg/rai) ไถลเฉลี่ย (skid) เท่ากับ -2.25% ซึ่งเกิดจากแรงเสียดทานในระบบ Required element rate Mixed fertilizer rate การส่งกําลังจากล้อขับไปที่ชุดโซ่ขับเกลียวลําเลียงปุ๋ย ทําให้ล้อขับ (kg/rai) (kg/rai) หมุนไม่คล่องตัว ทําการเลือกเฟืองขับโซ่จักรยานใหม่ให้ได้อัตรา N P2O5 K2O 46-0-0 18-46-0 0-0-60 หยอดใกล้เคียงกับอัตราที่เกษตรกรต้องการ โดยใช้เส้นรอบวงจริง 13 6.5 13 22.73 14.13 21.67 จาก Table 2 พบว่าถ้าจะใช้เครื่องหยอดแม่ปุ๋ย ต้องเลือกเฟือง ของล้อขับมาคํานวณอัตราการใส่ปุ๋ยใหม่ อัตราหยอดรวมที่ต้อง ให้ได้อัตราหยอดของถังปุ๋ย N (ปุ๋ย 46-0-0) ให้ได้อัตราหยอด 22.7 เท่ากับ 61.94 kg/ไร่ และสุ่มวัดอัตราปุ๋ยที่จ่ายจริงจากการรองรับ kg/ไร่ ถังปุ๋ย P (ปุ๋ย 18-46-0) ให้ได้อัตราหยอด 14.13 kg/ไร่ ถังปุ๋ย ปุ๋ยในแปลง ได้ผลดัง Table 3 K (ปุ๋ย 0-0-60) ให้ได้อัตราหยอด 21.67 kg/ไร่ อัตราหยอดรวมที่ Table 3 Results of applicator error
3.2 ผลการทดสอบภาคสนาม ผลการทดสอบประสิทธิภาพการหยอดปุ๋ย ดําเนินการทดสอบในแปลงอ้อยของเกษตรกร ซึ่งที่ใช้ปุ๋ยสูตร สําเร็จ 24-12-24 อัตรา 54 kg/ไร่ ในการใส่ปุ๋ยอ้อยปลูกครั้งที่ 1 ดังนั้นจึงคํานวณอัตราการผสมแม่ปุ๋ยใหม่ได้ดัง Table 2
Fertilizer 46-0-0 18-46-0 0-0-60 Total
Required Fertilizer rate (kg/rai) 22.73 14.13 21.67 58.53
New calibration fertilizer rate (kg/ rai) 23.56 15.34 23.04 61.94
จากตารางพบว่ า อั ตราการหยอดจริ งเฉลี่ ย ที่วัดได้ ในแปลง เท่ากับ 60.27 kg/ไร่ ซึ่งมีค่าน้อยกว่าอัตราหยอดที่ตั้งไว้ 61.94 kg/ ไร่ อยู่ 1.67 kg/ไร่ คิดเป็นค่าความคลาดเคลื่อนของอัตราการหยอด ปุ๋ยรวมเท่ากับ 2.70% ทั้งนี้อาจเกิดจากล้อขับเกิดการลื่นไถลมาก น้อยแตกต่างกัน ตามสภาพแปลงที่มีความชื้นไม่เท่ากัน จนอาจทํา ให้ดินไปสะสมอยู่ที่ล้อขับเป็นจํานวนเพิ่มมากขึ้นดังแสดงใน Figure 5
Actual fertilizer rate in field (kg/ rai) 22.84 15.19 22.24 60.27
Applicator error (%) 2.58 2.46 2.98 2.70
3.3 ผลการทดสอบภาคสนาม ผลการทดสอบความสามารถการทํางาน จากการทดสอบการทํ า งานในแปลงพบว่ า เครื่ องต้ น แบบ สามารถทํางานได้ดี ฝังปุ๋ยได้ลึกราว 10-15 cm Figure 6 เป็นการ ทํางานของเครื่องต้นแบบ Table 4 แสดงผลการทดสอบ ความสามารถการทํางาน
Figure 6 Operation of the prototype Figure 5 Accumulative soil on drive wheel
359
มี ส่ ว นส่ ง เสริ ม ให้ โ ครงการวิ จั ย นี้ ดํ า เนิ น งานจนเป็ น ผลสํ า เร็ จ ซึ่งคณะผู้วิจัยขอขอบคุณมา ณ โอกาสนี้
Table 4 Results of capacity testing Area (rai) Field capacity (rai/h) Travelling speed (m/s) Field efficiency (%) Fuel consumption(l/rai)
Plot 1 3.88 6.92 1.00 85.49 0.67
Plot 2 4.66 7.07 1.02 85.63 0.60
Plot 3 3.11 7.56 1.03 90.58 0.64
เฉลี่ย 7.19 1.02 87.23 0.64
จากตาราง พบว่าความสามารถการทํางานเฉลีย่ 7.19 ไร่/ชั่วโมง ที่ความเร็ วการเคลื่ อนที่ ของรถแทรกเตอร์ เฉลี่ ย 1.02 m/s ประสิทธิภาพการทํางานเฉลี่ย 87.23% ความสิ้นเปลืองน้ํามัน เชื้อเพลิงเฉลี่ย 0.67 ลิตร/ไร่ ทั้งนี้ความสารถการทํางานที่ค่อนข้าง สูง เพราะแปลงทดสอบเป็นแปลงที่ไม่มีวัชพืช และมีถนนสําหรับ กลับหัวงานเพียงพอ อย่างไรก็ตามผู้วิจัยจําเป็นต้องทดสอบในแปลง อ้อยตอที่มีใบอ้อยอยู่ในแปลง เพื่อหาความสามารถในการทํางานใน สภาพต่างๆเพิ่มเติม 4 สรุป เครื่องหยอดปุ๋ยอ้อยแบบผสมแม่ปุ๋ยภายในตัวเอง เหมาะสม สําหรั บเกษตรกรที่ ให้ ปุ๋ ยตามค่ าวิเคราะห์ ดิน โดยสามารถเลื อก เปลี่ยนอัตราหยอดได้ครอบคลุมอัตราการใช้ปุ๋ยอ้อยที่แนะนําโดย กรมวิชาการเกษตร โดยแม่ปุ๋ยทั้ ง 3 ชนิด ที่อยู่ในถังจะไหลตาม อัตราที่ตั้งไว้ โดยไหลมารวมกันที่ท่อนําปุ๋ย และถูกฝังลงในดิน ปุ๋ยที่ จ่ายออกมาแม้จะไม่รวมเป็นเนื้อเดียวกัน แต่รากพืชที่กระจายอยู่จะ สามารถหาอาหารได้ทั่วถึง ซึ่งอาจต้องศึกษาถึงผลกระทบด้านการ เจริญเติบโตของพืชเพิ่มเติม เครื่องต้นแบบแม้จะไม่สามารถใส่ปุ๋ยได้ อย่างแม่นยําเนื่องจากระบบการขับลูกหยอดปุ๋ยเป็นแบบเฟือง แต่ สามารถเลื อ กอั ต ราการใส่ ปุ๋ ย ได้ ใกล้ เ คี ย งคํ า แนะนํ า ค่ า ความ ผิดพลาดของอัตราการหยอดปุ๋ยที่เกิดจากการลื่นไถลระหว่างล้อขับ กับพื้นดิน สามารถแก้ ไขได้โดยการสอบเที ยบอัตราการใส่ปุ๋ยใน แปลงอี กครั้ งหนึ่ ง เพื่ อให้ ได้ อั ตราหยอดใกล้ เคี ยงกั บที่ ต้ องการ เครื่องหยอดปุ๋ยนี้ จะมีส่วนสนับสนุนให้เกษตรกรหันมาใช้ปุ๋ยเคมี ตามค่ า วิ เ คราะห์ ดิ น มากขึ้ น ซึ่ ง ถื อเป็ น การทํ า การเกษตรแบบ แม่นยําแบบหนึ่ง ทําให้เกิดการใช้ปุ๋ยอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุ ด และลดการสูญเสียทรัพยากรได้
6 เอกสารอ้างอิง กรมวิชาการเกษตร. 2553. คําแนะนําการใช้ปุ๋ยกับพืชเศรษฐกิจ. กลุ่มวิจัยปฐพีวิทยา สํานักวิจัยและพัฒนาปัจจัยการผลิตทาง การเกษตร กรมวิชาการเกษตร. กรุงเทพฯ. ขนิษฐ์ หว่านณรงค์ อัคคพล เสนาณรงค์ พินิจ จิรัคคกุล เวียง อากร ชี และอุทัย ธานี. 2557. รายงานวิจัยกิจกรรมทดสอบและ พัฒนาเครื่องหยอดปุ๋ยสําหรับปุ๋ยผสม. สถาบันวิจัยเกษตร วิศวกรรม กรมวิชาการเกษตร. ทัศนีย์ อัตตะนันทน์. 2555. การจัดการธาตุอาหารเฉพาะที่สําหรับ ข้าวโพด. แหล่งข้อมูล : http://www.ssnm.agr. ku.ac.th/main/Manage/Corn.htm. เข้าถึงเมื่อ 14 เมษายน 2557. พรรณพิมล ฉัตราคม. 2558. ความต้องการใช้ปุ๋ยในการเกษตรของ ประเทศไทย. ส่วนวิจัยครัวเรือนเกษตรการจัดการฟาร์มและ ปัจจัยการผลิต สํานักวิจัยเศรษฐกิจการเกษตร. แหล่งข้อมูล : http://www.oae.go.th/ewt_news. php?nid=684&filename=index. เข้าถึงเมื่อ 18 พฤษภาคม 2558. สํานักงานเศรษฐกิจการเกษตร. 2558. ปริมาณและมูลค่าการนําเข้า ปุ๋ยเคมีสูตรที่สําคัญ ปี 2552-2557 แหล่งข้อมูล : http://www.oae.go.th/download/FactorOfProduct/ Fertilizer_value49-54.html. เข้าถึงเมื่อ 18 พฤษภาคม 2558. Bianchini, A.; Daniel D. Valadão Junior; Rodrigo P. Rosa; Frederick Colhado and Rodrigo F. Daros. 2014. Soil chiseling and fertilizer location in sugarcane ratoon cultivation. Eng.Agríc. Jaboticabal, vol.34 no.1 p. 57-65. RNAM (1995). Test Codes and Procedures for Farm Machinery. Technical Series, No.12, Regional Network for Agricultural Machinery, Bangkok, Thailand.
5 กิตติกรรมประกาศ โครงการวิจัยนี้เริ่มดําเนินการจนบรรลุวัตถุประสงค์ได้โดยได้รับ การสนั บสนุ นจาก โรงงานน้ํ าตาลพิ ษณุ โลก อํ าเภอบางกระทุ่ ม จังหวัดพิษณุโลก และ บริษัท ก. แสงยนต์ ลูกแก จํากัด ที่ได้ให้ คําปรึกษาแนะนําต่างๆ ที่เป็นประโยชน์ต่อการศึกษาวิจัย อีกทั้งยัง ช่วยประสานงานในการจัดหาแปลงทดสอบ นอกจากนี้ยังมีผู้ที่ได้ให้ ความช่วยเหลือสนับสนุนในด้านต่างๆแต่มิได้เอ่ยนามไว้ ซึ่งล้วนแต่ 360
TPM-02
การจําลองพฤติกรรมการไหลของดินผ่านไถดินดานด้วยโปรแกรมทางพลศาสตร์ของไหลเชิงคํานวณ เกรียงไกร รายณะสุข1*, กันญา โกสุมภ์1, สามารถ บุญอาจ1 1
สาขาวิชาวิศวกรรมเกษตร สํานักวิชาวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี ตําบลสุรนารี อําเภอเมืองนครราชสีมา จังหวัดนครราชสีมา 30000
บทคัดย่อ การใช้เครื่องมือไถเตรียมดินจุดประสงค์เพื่อต้องการทําให้ดินในแปลงเพาะปลูกเกิดการวิบัติ พฤติกรรมขณะเกิดการวิบัติดิน เป็นจุดหนึ่งที่น่าสนใจ การเปลี่ยนแปลงรูปร่างดินและการวิบัติดิน ขึ้นอยู่กับสมบัติของดินและวิธีการออกแรงกระทําต่อดิน พฤติกรรม การไหลของดินผ่านไถดินดานและลักษณะดินที่ถูกกระทําให้แตกตัวยังมีความซับซ้อนอยู่มาก ในการพัฒนาแบบจําลองให้มีความ แม่นยํานั้น จําเป็นต้องมีข้อมูลการทดสอบไถดินดานที่ค่าความหนาแน่นดินต่างๆ กันเป็นจํานวนมาก แต่ในทางปฏิบัติไม่สามารถทําได้ เนื่องจากข้อจํากัดในด้านการเตรียมพื้นที่ทดสอบ ระยะเวลา และความเสียหายที่จะเกิดขึ้นกับไถดินดานและอุปกรณ์ต่างๆ การศึกษา เรื่อง การจําลองพฤติกรรมการไหลของดินผ่านไถดินดาน โดยใช้โปรแกรม ANSYS CFX เป็นการศึกษาที่นําเอาพลศาสตร์ของไหลเชิง คํานวณมาประยุกต์ใช้กับคอมพิวเตอร์ เพื่อทํานายพฤติกรรมการไหลของดินที่ไหลผ่านไถดินดาน โดยที่ค่าความเร็วของวัสดุไหลผ่านไถ ดินดานคงที่ ความหนาแน่นคงที่ และนําค่าที่ได้มาสร้างแบบจําลองการทํานายแรงที่กระทํา นําไปสู่การพัฒนาแบบจําลองไถดินดานที่ เหมาะสม โดยทําการจําลองลักษณะการไหลของดิน การจําลองการวิบัติดินที่เกิดจากไถดินดานหน้าแคบรูปทรงตัว C L และขาเอียง วัสดุ (Material) ที่ไหลผ่านมีค่าความหนาแน่น 1,800 kg cm-3 ค่าความเร็วที่ไหลผ่านไถดินดาน 3 km hr-1 ผลการศึกษา พบว่า การ จําลองการวิบัติของดินมีลักษณะดินถูกกระทําให้แตกตัวออก มีการเปลี่ยนรูปดินไหลออกด้านข้างของไถดินดาน เกิดรูปแบบการเฉือน ในแนวระนาบ การแตกตัวของดินเริ่มจากปลายไถดินดาน คําสําคัญ: พลศาสตร์ของไหลเชิงคํานวณ, การจําลอง, ไถดินดาน
Flow behavior simulation of soil through subsoiler with computational fluid dynamics programming. Kriengkrai Rayanasuk1*, Kanya Kosum1, Samart Bun-art1 1
School of Agricultural Engineering, Institute of Engineering, Suranaree University of Technology, Tumbon Suranaree, Amphoe Meung Nakhon Ratchsima, Changwat Nakorn Ratchasima, 30000. Corresponding author: Kriengkrai Rayanasuk. E-mail: ms201108@gmail.com
Abstract The using soil tillage tool in agricultural field wants for soil failure. Behavior of soil failure: soil deformation and soil failure depend on soil properties and action force method. Flow behavior of soil through subsoiler is much more complex and flow of soil is lifting. To develop an accurate of model, the experimental data at very shape of subsoiler are needed. But it can’t be done in the practices, due to restrictions on the damage that would occur with the subsoiler and equipment. This research aimed to study the flow behavior simulation of soil through subsoiler with ANSYS CFX programming. The computational fluid dynamics (CFD) is used predict the soil flow through subsoiler at subsoiler operating speed constant. Analysis of three subsoilers is shapes namely C shape, L shape and sloping shape. The results of build force prediction model to improve model is suitable for subsoiler. In study flow failure, soil failure from narrow subsoiler in soil. The subsoiler is speed 3 km hr-1. The results show, the soil failure is lateral deformation of subsoiler. Keywords: Computational Fluid Dynamics, Modeling, Subsoiler
1 บทนํา คุณสมบัติทางพลศาสตร์ของดิน เป็นคุณสมบัติที่แสดงให้เห็นได้ ด้วยการทําให้ดินเกิดการเคลื่อนตัว ในขณะเดียวกันอนุภาคเม็ดดิน ที่ เ รี ย งตั ว กั น อยู่ อ ย่ า งหลวมๆ ก็ จ ะถู ก อั ด ตั ว ทํ า ให้ ดิ น บริ เ วณ
ดังกล่าวมีความต้านทานต่อการวิบัติสูงขึ้น หรือกล่าวคือดินมีความ แข็งแรงสูงขึ้น ผลจากการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของดิน เราสามารถ อธิบายได้ด้วยสมการทางคณิตศาสตร์ โดยใช้พารามิเตอร์หลายตัว
361
ในการวิเคราะห์ ซึ่งจะได้จากการวัดหาค่าคุณสมบัติทางพลศาสตร์ ของดิน (อนุตร, 2551) พลศาสตร์ของไหลเชิงคํานวณ คือการวิเคราะห์ปรากฏการณ์ที่ เกี่ยวกับการไหลต่างๆ การถ่ายเทความร้อน การแพร่กระจายของ อนุภาค รวมถึงการเกิดปฏิกิริยาเคมีต่าง ๆ โดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย หาผลเฉลยและจํ าลองพฤติ กรรมที่ เกิ ดขึ้ น หรื ออาจกล่ าวได้ ว่ า พลศาสตร์ของไหลเชิงคํานวณคือวิธีเชิงตัวเลขสําหรับการไหล โดยมี สมการนาเวียร์-สโตกส์ (Navier-Stokes Equation) เป็นสมการ สําหรับการแก้ไขปัญหาของไหลแบบมีค่าความหนืด (กีรติ, 2553) การวิเคราะห์ผลของของไหลภายในแบบจําลองของระบบการ วิเคราะห์ด้วยหลักการทางพลศาสตร์ของไหลเชิงคํานวณ ซึ่งในการ จําลองผลเราใช้เงื่อนไขขอบเขต (Boundary Condition) เช่น ความเร็วและความดัน ที่ได้จากการวัดจริงจากต้นแบบ โดยอาศัย การสร้างปริมาตรควบคุม (Control Volume) ให้กับแบบจําลอง เพื่อให้ง่ายต่อการคํานวณ ในการหาผลเฉลยโดยใช้สมการทางคณิ ศาสตร์ ซึ่งอยู่ในกรอบของสมการอนุรักษ์มวล และสมการโมเมนตัม ตลอดจนสมการพลังงาน (วีระยุทธ, 2557) การใช้เครื่องมือไถเตรียมดินที่ใช้กันอยู่ทั่วไปโดยเฉพาะไถดิน ดานมีการใช้กันอย่างแพร่หลาย มีทั้งไถแบบขาเอียง ขารูปตัว C ขา รูปตัว L มีทั้งรูปแบบที่ไม่สั่นสะเทือน และสั่นสะเทือนทั้งโครงขาไถ มีการผลิตออกมาใช้งานอย่างแพร่หลายของบริษัทเอกชนในหลายๆ แห่ ง แต่ ปั ญหาที่ พบประการหนึ่ งคื อ รู ปทรงของไถดิ นดานของ เกษตรกรที่ใช้กันอยู่และของบริษัทเอกชนที่ผลิตออกมาแต่ละแห่ง ไม่เหมือนกัน รูปทรงขาไถดินดานที่แตกต่างกันจะส่งผลให้เกิดแรง เสียดทานของดินที่กระทําต่อเครื่องมือแตกต่างกัน เนื่องจากมีความ หลากหลายของรูปทรงขาไถดินดานที่ใช้ในปัจจุบันที่ยังไม่มีความ เหมาะสมนั้น ซึ่งจะส่งผลต่อต้นกําลังที่ใช้ การใช้กําลังที่เกินความ จํ า เป็ น มี ก ารใช้ แ รงฉุ ด ลากมาก มี อั ต ราการสิ้ น เปลื อ งน้ํ า มั น เชื้อเพลิงที่มากขึ้น ตลอดจนอายุของการใช้งานของรถแทรกเตอร์ก็ จะน้อยลง จากปัญหาดังกล่าวจึงเป็นที่มาของการจําลองพฤติกรรมการ ไหลของดินผ่านไถดินดานด้วยวิธีทางพลศาสตร์ของไหลเชิงคํานวณ โดยเฉพาะการศึกษาเรื่องการวิบัติของดิน (Soil Failure) เพื่อใช้ใน การทํานายพฤติกรรมการไหลของดิน ความเร็วของดินที่ไหลผ่าน เพื่อนําไปออกแบบเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของไถดินดานและลดแรง ฉุดลาก (Draft) กําลังงานที่ใช้ (Power Requirement) และลด ปัญหาการบดอัดของดิน (Soil Compaction) อันจะนําไปสู่การ ปรับปรุงไถดินดานต้นแบบต่อไป
2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 ศึกษาลักษณะรูปทรงขาไถดินดาน ไถดินดานมีรูปทรงลักษณะทางกายภาพสูงประมาณ 60-100 cm มีทั้งลักษณะรูปทรงขาตรงหรือขาตัว L ลักษณะรูปทรงขาโค้ง หรือขาตัว C และลักษณะรูปทรงขาเอียงหรือ Slope ดังแสดงใน Figure 1
Figure 1 Subsoilers Shape: A) L Shape B) C Shape C) Slope Shape 2.2 การดําเนินการออกแบบขาไถดินดาน ขาไถดินดานที่ใช้ในการออกแบบเพื่อใช้ในการจําลองพฤติกรรม การไหลผ่านของดินมีความสูง 450 mm มีความหนา 50 mm และ มีมุมจิกดิน 30° โดยดําเนินการในโปรแกรม Solid Works ดังแสดง ใน Figure 2
Figure 2 Model of Subsoiler 2.3 ดําเนินการสร้างแบบจําลองการไหล - นํ า เข้ า ข้ อมู ลขาไถดิ นดานที่ ไ ด้ ออกแบบไว้ จ ากโปรแกรม SolidWorks - สร้างแบบจําลอง โดยใช้โปรแกรม ANSYS CFX เริ่มจากการ กําหนด Fluid Domain โดยให้ของไหลมีความต่ อเนื่ องโดย พิจารณาจากความเร็ว ความดัน ความหนาแน่น ความหนืดของของ ไหล กําหนดให้เป็นการไหลผ่านภายนอกผิว (External flow) คือ ให้ ของไหลไหลผ่ านบริ เวณรอบๆ หรื อท่ วมผิ วของขาไถดิ นดาน กําหนด Materials ที่เป็นของไหลที่ความหนาแน่น 1,800 kg m-3 - สร้าง Meshing และ Boundary Conditions เพื่อใช้ในการ กําหนด Inlet Outlet Opening Wall และ Symmetry Plane เงื่อนไขขอบเขตของของไหลที่ขอบทางเข้า (Inlet) ให้มีความเร็ว 3 km hr-1 ที่ขอบทางออก (Outlet) ให้มีความดัน 0 Pa ที่ขอบผนัง
362
(Wall) ไม่มีการลื่นไถล (No Slip Wall) และราบเรียบ ดังแสดงใน Figure 3
Figure 3 Boundary Conditions for Fluid Flow Analysis through Subsoiler - หาผลเฉลย (Solution) ของการทํางานโดยการใช้สมการทาง คณิตศาสตร์ - การแสดงผล (Results) ในรูปแบบ Graphic 3D สามารถ แสดงผลแบบ Contour และ Streamline 3 ผลและวิจารณ์ จากผลการจําลองโดยใช้โปรแกรมทางด้านพลศาสตร์ของไหล เชิงคํานวณ ค่าความเร็วสูงสุดเกิดขึ้นที่บริเวณใต้ไถดินดาน ผลที่ได้ จากการจําลองที่แสดงในรูปแบบ Contour และ Stremline ของไถ ดินดานในรูปทรงต่างๆ มีผลดังใน Table 1
Figure 5 Velocity Streamline of L Shape
Figure 6 Velocity Streamline of Slope Shape
Table 1 Value of velocity according to the slope of Subsoiler’s part. Shape C L Slope
Contour 0.8958 0.9390 0.9232
Velocity (m s-1) Stremline 0.8980 0.9402 0.9232
Average 0.8969 0.9396 0.9232
ผลของการวิเคราะห์แบบ Graphic 3 D Analysis รูปแบบการ แสดงผลเชิงตัวเลขทางพลศาสตร์ของไหลสามารถแสดงผลของค่า ความเร็ว (velocity) ในที่นี้เป็นการแสดงรูปแบบ stremline และ Figure 7 Velocity Contour of C Shape contour ดังแสดงใน Figure 4, 5, 6, 7, 8 และ 9
Figure 8 Velocity Contour of L Shape Figure 4 Velocities Streamline of C Shape 363
Figure 9 Velocity Contour of Slope Shape จากรูปการไหลของวัสดุผ่านไถดินดานทั้ง 3 รูปแบบ จะมีค่า ความเร็วสูงสุดที่บริเวณใต้ไถดินดาน วัสดุไหลออกด้านข้างของไถ ดินดาน สามารถนําค่าที่ได้ไปคํานวณหากําลังที่ต้องการได้ ต่อไป 4 สรุป จากผลการจํ าลองพฤติ กรรมการไหลของดิ นผ่ านไถดิ นดาน พบว่า การวิบัติของดินที่ความหนาแน่นมีลักษณะดินที่ถูกกระทําให้ แตกตัวเป็นลักษณะการเปลี่ยนรูปดินด้านข้างของไถดินดาน เกิด รูปแบบการเฉือนแนวระนาบ การแตกตัวของดินเริ่มจากปลายขาไถ โดยไถดินดาน C Shape มีความเร็วในการเคลื่อนที่ผ่านดินน้อยสุด รองลงมา Slope Shape และ L Shape ตามลําดับ 5 กิตติกรรมประกาศ ขอขอบคุณ ว่าที่ร้อยโท ดร.คงเดช พะสีนาม ที่ให้คําปรึกษา และแนะนําการใช้โปรแกรม ANSYS 6 เอกสารอ้างอิง กีรติ สุลักษณ์. 2553. พลศาสตร์ของไหลเชิงคํานวณ. สาขาวิชา วิศวกรรมเครื่องกล สํานักวิชาวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัย เทคโนโลยีสุรนารี. วีระยุทธ หล้าอมรชัยกุล. 2557. การคํานวณผลทางพลศาสตร์ของ ไหล Computational Fluid Dynamics. วิศวสารลาดกระบัง 31(4), 1-6. อนุตร จําลองกุล. 2551. ทฤษฎีของระบบดิน-เครื่องจักรกล. ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัย เทคโนโลยีราชมงคลธัญบุร.ี Steven C. Chapra and Raymond P. Canale. 2010. Numerical Methods for Enginees. McGraw-Hill, Singapore. Xiaolin Chen and Yijiun Liu. 2015. Finite Element Modeling and Simulation with ANSYS Workbench. CRC Press, New York. 364
TPM-03
การวิจัยและพัฒนาเครื่องปลิดและเก็บใบอ้อยแบบกึ่งอัตโนมัติ วิชัย โอภานุกุล1*, ตฤณสิษฐ์ ไกรสินบุรศักดิ์1, อานนท์ สายคําฟู1, วีระ สุขประเสริฐ1 1
สถาบันวิจัยเกษตรวิศวกรรม กรมวิชาการเกษตร จตุจักร กรุงเทพฯ 10900 ผู้เขียนติดต่อ: วิชัย โอภานุกุล E-mail: wichaio@hotmail.com
บทคัดย่อ การเผาใบอ้อยนับว่าเป็นปัญหาใหญ่ของไทย สํานักงานคณะกรรมการอ้อยและน้ําตาลทราย (สอน.) พบว่ามีอ้อยไฟไหม้ถูก ส่งเข้าโรงงานน้ําตาลเพิ่มขึ้นทุกปี ในฤดูการผลิตปี 57/58 มีจํานวน 69.05 ล้านตัน หรือคิดเป็น 65.38% จากผลผลิตอ้อยทั้งประเทศ 105.96 ล้านตัน ด้วยเหตุดังกล่าว สถาบันวิจัยเกษตรวิศวกรรมจึงดําเนินการวิจัยต้นแบบเครื่องปลิดและเก็บใบอ้อยแบบกึ่งอัตโนมัติ เพื่อใช้แก้ปัญหาการเผาใบอ้อยก่อนเก็บเกี่ยว การใช้งานนํามาพ่วงกับรถแทรกเตอร์ขนาดเล็กวิ่งเข้าไปในร่องอ้อยก่อนเก็บเกี่ยว เหมาะ กับอ้อยที่มีระยะแถว 120 cm ขึ้นไป มีส่วนประกอบที่สําคัญ ได้แก่ (1) โครงเครื่อง (2) ระบบส่งกําลังด้วยสายพาน (3) ลูกปลิดใบอ้อย (4) เกลียวส่งใบอ้อย (5) ห้องม้วนใบ ความสามารถในการทํางานเฉลี่ย 1 ไร่/ชั่วโมง ใช้น้ํามันเชื้อเพลิงเฉลี่ย 1 ลิตร/ไร่ เครื่องมีขนาด โดยรวม (กว้างxยาวxสูง) 80x150x150 cm น้ําหนัก 130 kg และราคา 35,000 บาท คําสําคัญ: อ้อย, ใบอ้อย, เครื่องปลิดใบอ้อย
Research and Development of a Sugarcane-leaf Harvester Wichai Opanukul1*, Tinnasit Kaisinburasak1, Arnon Saicomfu1, Weera Sukpraseart1 1
Agricultural Engineering Research Institute, Department of Agriculture, Jatujak Bangkok, 10900 Corresponding author: Wichai Opanukul. E-mail: wichaio@hotmail.com
Abstract The practice of claring sugarcane fields with fire is an important problem in Thailand. Office of the Cane and Sugar Board (OCSB) reported that the burnt sugarcane increased every year. In the Annual report 2014/15, approximately 69.05 million tons of burnt sugarcane or 65.38% of the total crop were devlivered to suger mills. The problem of sugarcane fire leaded to invent a sugarcane-leaf harvester by Agricultural Engineering Research Institute. Its components are transmission pulley, cutter, screw conveyor and roller chamber. The sugarcane-leaf harvester was hitched with a small tractor and required the distance of each sugarcane row more than 120 cm to harvest sugarcane leaf. The performance test results indicated that the harvest capacity and fuel consumption of the machine were 1 rai.hr-1 and 1 l.rai-1, respectively. Furthermore, the dimensions, weight and cost of machine were 80(W)x150(L)x150(H) cm, 130 kg and 35,000 baht, respectively. Keywords: Sugarcane, Sugarcane-leaf, Sugarcane-leaf Harvester
1 บทนํา อ้ อ ยเป็ น หนึ่ ง ในพื ช เศรษฐกิ จ หลั ก ของไทย สํ า นั ก งาน คณะกรรมการอ้อยและน้ําตาลทราย สอน. (2558) ได้รายงานผล การสํารวจประจําปี 2557/58 โดยใช้ดาวเทียมประกอบการเก็บ รายละเอียดภาคพื้นดิน มีพื้นที่ปลูก 47 จังหวัด จํานวน 8.46 ล้าน ไร่ แบ่งเป็นพื้นที่ปลูกส่งโรงงานน้ําตาลในประเทศ 47 แห่ง รวม 8.12 ล้านไร่ และพื้นที่ปลูกทําพันธุ์จํานวน 336,286 ไร่ อ้อยเป็น วัตถุดิบของอุตสาหกรรมอ้อยและน้ําตาลที่มีความสําคัญต่อระบบ เศรษฐกิจของประเทศ 3 ประการ คือ ข้อที่ 1 มีการบริโภคน้ําตาล ในประเทศปีละประมาณ 1.6-1.7 ล้านตัน คิดเป็นมูลค่า 1.7-1.9
หมื่นล้านบาท ข้อที่ 2 ส่งออกน้ําตาลจําหน่ายในตลาดโลกปีละกว่า 3 ล้านตัน นํารายได้เข้าประเทศ 2-3 หมื่นล้านบาทต่อปี ทําให้ ประเทศไทยเป็นผู้ส่งออกน้ําตาลใหญ่อันดับ 3 ของโลก รองจาก บราซิ ล สหภาพ ยุ โรป แต่ บางปี จะเป็ นอั นดั บ 4 รองจาก ออสเตรเลีย โดยมีสดั ส่วนการตลาด 9.5% ของโลก มีตลาดที่สําคัญ คือ อินโดนีเซีย ญี่ปุ่น เกาหลีใต้ ข้อที่ 3 เกษตรกรผู้ปลูกอ้อยจะมี รายได้จากการจําหน่าย ประมาณ 30,000 ล้านบาท คิดเป็น 4% ของรายได้ภาคการเกษตรทั้งหมด กิจกรรมการผลิตอ้อยเริ่มตั้งแต่ การเตรียมดิน การปลูก ดูแลรักษาให้น้ําให้ปุ๋ย และการเก็บเกี่ยว หรื อการตั ดอ้ อย ซึ่ งสถานการณ์ การเก็ บเกี่ ยวในปั จจุ บั น สอน.
365
(2553) รายงานว่าการเผาอ้อยมีแนวโน้มเพิ่มมากขึ้นทุกปี ในฤดูการ เก็บเกี่ยว 2553/54 มีปริมาณอ้อยถูกไฟไหม้ส่งเข้าโรงงานน้ําตาล ทั่วประเทศมากกว่า 4 ล้านตัน หรือประมาณ 61% ซึ่งอ้อยที่ถูกไฟ ไหม้เหล่านี้จะสูญเสียน้ําหนัก อีกทั้งยังมีกระทบกับสภาพแวดล้อม และทําให้สภาพดินสูญเสียความสมบูรณ์ ต้องเสียค่าใช้จ่ายการปลูก และดู แลอ้ อยรุ่ นต่ อไปเพิ่ มขึ้ น จนถึ งยั งมี วัชพื ชขึ้ นในแปลงอ้ อย เนื่องจากไม่มีเศษซากปกคลุมดิน เกิดการระบาดของแมลงศัตรูอ้อย ได้ง่าย และทําให้เกษตรกรผู้ปลูกมีรายได้ลดลง ไม่เป็นที่ต้องการ ของโรงงานน้ําตาล เนื่องจากจะทําให้ขบวนการผลิตน้ําตาลทําได้ ยากขึ้ น เกิ ด การปนเปื้ อ นของแบคที เ รี ย ทํ า ให้ เ กิ ด ปั ญ หาใน ขบวนการผลิตและต้องเสียค่าใช้จ่ายเพื่อแก้ปัญหาเพิ่มขึ้นส่งผลให้ การหีบอ้อยทําได้ช้าลง รวมทั้งทําให้เกิดปัญหาสิ่งแวดล้อมตามมา อีกมากมาย สุรพล และคณะ (2536) ได้รายงานว่าการเผาใบอ้อยทําให้มี ผลกระทบตามมาคือ ต้องใช้สารเคมีกําจัดวัชพืชมากขึ้นเนื่องจากไม่ มีใบอ้อยคลุมดินและเกิดการตกค้างของสารเคมีกําจัดวัชพืชสูงขึ้น ทําให้สูญเสียน้ําหนักมากกว่าอ้อยตัดสดและทําให้ปริมาณการใช้น้ํา เพิ่มขึ้น การเผาใบอ้อยทําให้อ้อยตอตายมากกว่าอ้อยตัดสด และ อ้อยตอที่รอดจะมีลําแคระแกร็นใบเหลือง ต้องเสียค่าใช้จ่ายในการ ให้ น้ํ า อ้ อ ยตอเพิ่ ม ขึ้ น เนื่ อ งจากไม่ มี ใ บอ้ อ ยคลุ ม ดิ น ช่ ว ยรั ก ษา ความชื้น ทั้งนี้การเผาอ้อยยังทําเกิดปัญหาไฟฟ้าขัดข้อง ในระบบส่ง จ่ายกระแสไฟฟ้าเนื่องจากการเผาอ้อยนั้นก่อให้เกิดควันไฟซึ่งมีไอ น้ําระเหยขึ้นไปพร้อมกัน กระแสไฟฟ้าจะเกิดการเหนี่ยวนําส่งให้ เกิดการขัดข้องในระบบส่งจ่ายไฟฟ้า ทําให้เกิดไฟฟ้าตกไฟฟ้าดับ ก่อให้เกิดความเสียหายกับภาคเศรษฐกิจ และจากสภาวะโลกร้อน ในปั จจุ บั นทํ าให้ ประเทศที่ พั ฒนาแล้ ว ได้ กํ าหนดนโยบายและ มาตรการในลักษณะต่างๆ เพื่อป้องกันมิให้มีการทําลายสิ่งแวดล้อม ทางธรรมชาติ ส่ ง ผลให้ เ กิ ด มาตรการกี ด กั น การค้ า น้ํ า ตาลใน ตลาดโลก และหลายประเทศได้รณรงค์ลดการเผาอ้อยก่อนเก็บเกี่ยว เช่น ในภาคกลางตอนใต้ของบราซิลจะเลิกการเผาอ้อยภายในปี 2574 ในขณะที่รัฐนิวเซาท์เวลส์ของออสเตรเลียได้เลิกการเผาอ้อย ในฤดูการผลิตปี 2551/2552 นอกจากนี้สหภาพยุโรปยังเรียกร้อง ให้มีการนําเข้านํ้าตาลที่ผลิตจากอ้อยสดเท่านั้นภายในปี 2553 ซึ่ง มาตรการห้ามการเผาอ้อยมีแนวโน้มที่จะกลายเป็นมาตรการกีดกัน ทางการค้านํ้าตาลในอนาคต สอน. (2553) จากปัญหาต่างๆ ที่กล่าวมาจะเห็นว่าการเผาอ้อยก่อนเก็บเกี่ยว ส่งผลกระทบต่อสังคมอย่างกว้างขวาง เนื่องจากการเก็บผลผลิต จําหน่ายขึ้นอยู่กับฤดูกาลหีบอ้อยที่โรงงานน้ําตาลกําหนด จะมีการ หีบอ้อยในช่วงสั้นๆ ประมาณ 2-3 เดือนต่อปีเท่านั้น ทําให้การเก็บ เกี่ ยวอ้ อยในพื้ นที่ หลายล้ านไร่ ในช่ วงเวลาไม่ กี่ เดื อนจึ งต้ องใช้ แรงงานจํานวนมาก ทําให้ประสบปัญหาขาดแคลนแรงงาน และมี
ต้นทุนการเก็บเกี่ยวสูงขึ้นทุกปี จึงมีความพยายามในการแก้ปัญหา ทั้งในส่วนของภาครัฐและภาคเอกชน โดยนําเครื่องเก็บเกี่ยวอ้อยมือ สองจากต่ างประเทศเข้ ามาใช้ ทดแทน รวมถึ งมี การวิ จั ยพั ฒนา เครื่องเก็บเกี่ยวอ้อยภายในประเทศมาประมาณ 10 ปีแล้ว กรม วิชาการเกษตร (2555) แต่อย่างไรก็ตามจากการศึกษาและพัฒนาการจัดรูปที่ดินให้ เหมาะสมต่ อการใช้ เครื่ องเก็ บเกี่ ยวอ้ อยของ สั นธาร และคณะ (2556) พบว่า การใช้เครื่องเก็บเกี่ยวอ้อยมีประสทธิภาพเชิงพื้นที่ เพียง 30-50% หากจะให้ประสิทธิภาพเชิงพื้นที่ได้ 80% จะต้องจัด รูปแปลงให้มีขนาดไม่น้อยกว่า 500 ไร่ และมีแถวอ้อยยาวตั้งแต่ 500 เมตรขึ้นไป ซึ่งในปัจจุบันเกษตรส่วนใหญ่มีแปลงอ้อยขนาดเล็ก ไม่เหมาะกับการใช้เครื่องเก็บเกี่ยวอ้อยเกษตรกรจึงยังนิยมเผาอ้อย ก่อนการเก็บเกี่ยว ในการศึกษาสภาพการเก็บเกี่ยวอ้อยของไทยในฤดูการเก็บเกี่ยว 2553/54 ของวิชัยและคณะ (2555) พบว่า เกษตรกรส่วนใหญ่ใช้ แรงงานคนเก็บเกี่ยวมากถึง 88.54% และใช้เครื่องเก็บเกี่ยวเพียง 5.14% ซึ่งการเก็บเกี่ยวโดยใช้แรงงานคน เป็นการตัดอ้อยเผาไฟ มากกว่ าคิ ดเป็ น 52.09% ตั ดอ้ อยสด 39.54% และตั ดอ้ อยสด ร่วมกับอ้อยเผาไฟ 8.36% ส่วนการใช้แรงงานคนในการเก็บเกี่ยว อ้อยสดมี แนวโน้ มลดลง เนื่ องจากความยากลํ าบาก และค่ าจ้ าง แรงงานสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง อรรถสิทธิ์ และคณะ (2550) จึงได้พัฒนาเครื่องมือสําหรับการ สางใบอ้ อยก่ อนการตัดอ้ อย เพื่ อช่ วยให้ การเก็ บเกี่ ยวอ้ อยสดได้ รวดเร็วขึ้นทําให้เกิดความสะดวกในการตัดอ้อย และยังได้พัฒนา เครื่องสางใบอ้อยติดรถไถเดินตาม เพื่อช่วยลดปัญหาการเผาใบอ้อย ก่อนการเก็บเกี่ยว โดยมีหลักการทํางานคือมีระบบปลิดใบอ้อยให้ ร่วงหล่นมาคลุมดิน ซึ่งขณะนี้ได้มีการขยายผลงานวิจัยสู่เกษตรกร ชาวไร่อ้อยแล้ว และข้อมูลจากกรมพลังงานทดแทน (2550) ได้การ สํารวจชีวมวลใบอ้อยในประเทศไทย พบว่าปริมาณชีวมวลใบอ้อยที่ ถูกทิ้งไว้ในไร่อ้อยประมาณปีละ 16.8 ล้านตัน ซึ่งปัจจุบันโรงงาน น้ําตาลมีความต้องการใบอ้อยเป็นจํานวนมากเพื่อใช้เป็นพลังงาน เชื้อเพลิงรวมในกระบวนการผลิตน้ําตาลและผลิตกระแสไฟฟ้า ดังนั้นสถาบันวิจัยเกษตรวิศวกรรมจึงได้ดําเนินการวิจัยและ พัฒนาเครื่องปลิดและเก็บใบอ้อย โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อแก้ปัญหา การเผาใบอ้อยก่อนเก็บเกี่ยว และลดต้นทุนการเก็บเกี่ยวอ้อยด้วย แรงงานคน โดยคิ ด จากพื้ น ฐานในกรณี ก ารผลิ ต อ้ อ ยทาง เศรษฐศาสตร์ หากมีเครื่องจักรกลที่ใช้จัดการใบอ้อยแห้งก่อนเก็บ เกี่ยวจะทําให้ไม่ต้องเผาอ้อย อีกทั้งยังสามารถนําใบอ้อยมาขาย ให้กับโรงงานน้ําตาลเพื่อใช้ผลิตกระแสไฟฟ้า ซึ่งจะช่วยเพิ่มรายได้ ให้ แ ก่ เ กษตรกร และในส่ ว นที่ ไ ม่ เ ป็ น ตั ว เงิ น นั้ น จะคํ า นึ ง ถึ ง สภาพแวดล้อมที่ดีและยั่งยืนสําหรับปลูกอ้อยในระยะยาว
366
2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 การศึกษาข้อมูลพื้นฐาน ประเด็นวิจัยงานวิจัยนี้มุ่งเน้นที่จะรวบรวม ข้อมูลพื้นฐานของ ต้นอ้อยที่จะเก็บเกี่ยว อาทิ ความสูง ปริมาณใบอ้อยแห้งต่อพื้นที่ แรงที่ใช้ดึงใบอ้อยให้หลุดออกจากลําต้น ระยะแถวของต้นอ้อย และ ระบบกลไกของเครื่องปลิดและเก็บใบอ้อย อาทิ ขนาดความโตของ ลูกปลิดใบอ้อยที่เหมาะสม จํานวนเส้นของสายพานที่ใช้ขับเคลื่อน ลูกปลิด หน้าตัดของเส้นเอ็นที่ใช้ เพื่อนํามาสร้างเครื่องปลิดและ เก็บใบอ้อย 2.2 สถานที่การดําเนินงานวิจัย สถานที่ในการดําเนินงานวิจัยแยกเป็น 2 ส่วนคือ สถานที่ ออกแบบสร้างและทดสอบเครื่องต้นแบบในห้องปฏิบัติการและโรง ปฏิบัติการของสถาบันวิจัยเกษตรวิศวกรรม กรมวิชาการเกษตร และแปลงปลูกอ้อยของเกษตรกรสําหรับใช้ทดสอบเครื่องภาคสนาม ในจังหวัดสุพรรณบุรี และกาญจนบุรี 2.3 วิธีการดําเนินการวิจัย - ศึกษาและสํารวจสภาพแปลงอ้อย - ออกแบบ สร้างเครื่องต้นแบบ และทดสอบการทํางานเพื่อหา ประสิทธิภาพและสมรรถนะของเครื่องปลิดและเก็บใบอ้อย โดย กําหนดเกณฑ์จากตัวแปรต่างๆ ทั้งในเชิงปริมาณและเชิงคุณภาพ เพื่อให้เครื่องจักรมีความเหมาะสมและคุ้มค่าต่อการใช้งาน ได้แก่ (1) ความสามารถในการทํางาน (2) ความเร็วการเคลื่อนที่ในแปลง อ้อย (3) ปริมาณใบอ้อยที่ปลิดได้ (4) อัตราการสิ้นเปลืองน้ํามัน เชื้อเพลิง (5) ความเสียหายของต้นอ้อยหลังใช้เครื่องปลิด (ต้นอ้อย ล้ม ) - วิเคราะห์และประเมินผลทางเศรษฐศาสตร์วิศวกรรม อาทิ ระยะเวลาคืนทุน อัตราผลตอบแทนการลงทุน วิเคราะห์จุดคุ้มทุน และอัตราผลตอบแทนต่อต้นทุน - สรุปผลการวิจัย จัดทํารายงาน และเผยแพร่แก่ผู้สนใจ 3 ผลและวิจารณ์ 3.1 ผลการศึกษาและสํารวจแปลงอ้อย จากข้ อมู ล ของ สอน. (2548) พบว่ า มี อ้ อ ยไฟไหม้ ถู กส่ งเข้ า โรงงานน้ําตาลเพิ่มขึ้นทุกปี ในช่วง 10 ปี ที่ผ่านมาตั้งแต่ฤดูกาลผลิต ปี 47/48 มีจํานวน 22.707 ล้านตัน หรือคิดเป็น 47.48% ของ ผลผลิตทั้งประเทศ และข้อมูลของ สนอ. (2558) ในฤดูกาลผลิตปี 57/58 มี จํานวน 69.05 ล้านตัน หรือคิดเป็น 65.38% จากผลผลิต อ้อยทั้งประเทศรวม 105.96 ล้านตัน ทั้งมีเนื่องจากมีปัญหาขาด แคลนแรงงานในการเก็บเกี่ยว ซึ่งเมื่อเทียบเวลาการตัดอ้อยสด 1 ต้น จะตัดอ้อยไฟไหม้ได้ 3 ต้น ทําให้แรงงานนิยมตัดอ้อยไฟไหม้ เนื่ องจากมี รายได้ ต่ อวั นสู งกว่ า และจากการสํ ารวจข้ อมู ลก่ อน
ออกแบบเครื่อง อ้อยในแปลงเกษตรกรพันธุ์ขอนแก่น 3 อายุปลูก 8 เดือน มีปริมาณใบอ้อยแห้งมากถึง 950–1,450 กิโลกรัม/ไร่ ดังแสดงใน Figure 1
Figure 1 Survey data collection before implementing mechanical design. จากการวัดแรงดึงใบอ้อยโดยใช้เครื่องชั่งสปริงดึงทั้งใบและกาบ ใบออก ทําให้ทราบว่าแรงดึงใบจะเพิ่มขึ้นตามความสูงของต้น โดย บริเวณโคนต้นจะใช้แรงดึงน้อยกว่า ด้านยอดต้นอ้อย เนื่องจากใบ อ้อยมีสีเขียวจะเจริญเติบโตที่หลังใบอ้อยที่แห้งแล้วที่อยู่ต่ําลงมา ทําให้ความชันของกราฟเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ดังแสดงใน Figure 2
Figure 2 Relationship between tensile force of sugarcane leaf off from trunk and high of sugar cane. 3.2 ผลการออกแบบ สร้าง และทดสอบ จากข้ อมู ลลักษณะทางกายภาพของต้ นอ้ อย ได้ แก่ ความสู ง ความโตของต้น แรงที่ดึงให้ใบอ้อยหลุดจากลําต้นและน้ําหนักใบ อ้อยซึ่งจะแปรผันตามพันธุ์มาออกแบบและสร้างเครื่องต้นแบบ โดย เริ่ ม จากการหารู ป ร่ า งและความเร็ ว รอบของลู ก ปลิ ด ใบอ้ อ ยที่ เหมาะสม ซึ่งได้ออกแบบเป็นทรงกระบอกปิดที่ด้านหัวและท้าย มี เส้นผ่านศูนย์กลาง 14 cm ยาว 70 cm มีครีบเหล็กความสูง 1 cm ทําหน้าที่เป็นใบพัดและจับยึดเส้นเอ็นปลิดใบอ้อยความยาว 30 cm เชื่อมต่อผิวทรงกระบอกจํานวน 4 ใบ ติดตั้งอยู่บนโครงเหล็กขนาด 30x30 mm และสร้างห้องเกียร์เพื่อส่งถ่ายกําลังให้แก่ลูกปลิด สําหรับรับกําลังจากเพลาอํานวยกําลังของรถแทรกเตอร์ โดยใช้
367
เฟืองตรง ขนาดโมดูล 4 จํานวน 80 ฟัน 2 ตัว ปลายเพลารองรับ ด้วยแบริ่งขนาด 25.4 mm ดังแสดงใน Figure 3 แล้วนําไปติดตั้ง กับรถแทรกเตอร์ขนาด 22 hp และดําเนินการทดสอบในโรง ปฏิบัติการและแปลงปลูกอ้อยของเกษตรกร โดยทดสอบความเร็ว 3 ระดับ ได้แก่ ความเร็ว 1, 2 และ 3 km.hr-1
Figure 5 Performance testing of screw conveyor and roller chamber at work shop.
Figure 3 Gear box and cutter were designed.
Figure 4 Designing of screw conveyor and roller chamber. ส่วน Figure 4 เป็นการสร้างห้องม้วนใบอ้อย ซึ่งมีส่วนประกอบ คือ (1) รางรับใบอ้อยทําจากเหล็กแผ่นความหนา 1.2 mm (2) เกลียวส่งใบอ้อยขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 cm มีใบเกลียวความ สูง 5 cm ระยะฟิต 21 cm หมุนด้วยความเร็ว 200 rpm และ (3) ห้องม้วนใบอ้อย ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 22 cm ภายในมีใบพัดทํา มุมเอียง 20° จํานวน 1 ใบ หมุนด้วยความเร็ว 80 rpm ทําหน้าที่ ม้วนใบอ้อย เมื่อสร้างเสร็จแล้วได้ดําเนินการทดสอบในโรงปฏิบัติง การ โดยนําใบอ้อยมาวางใว้บนรางทําให้ใบอ้อยถูกเกลียวลําเลียง พัดส่งเข้าห้องม้วนใบอ้อย มีลักษณะเป็นเส้นยาวต่อเนื่องกัน ดัง แสดใน Figure 5 แล้วจึงดําเนินประกอบชิ้นส่วนทั้งหมดเข้าด้วยกัน และนําไปทดสอบในแปลงปลูกอ้อยของเกษตรกรที่ อําเภอท่าม่วง จั งหวั ดกาจญบุ รี โดยอ้ อยมี อายุ ปลู ก 8 เดื อน พั นธุ์ ขอนแก่ น 3 ระยะห่างระหว่างร่อง 140 cm โดยใช้ความเร็วลูกปลิด 700 rpm พบว่ า สามารถปลิ ด ใบอ้ อ ยออกจากลํ า ต้ น ได้ แต่ มี ใบอ้ อยแห้ ง บางส่วนติดพันที่ปลายของลูกปลิดจึงต้องหยุดการปฏิบัติงาน ดัง แสดงใน Figure 6 and 7 และนํากลับมาปรับปรุงในส่วนของลูก ปลิดใบอ้อย ในส่วนของความเร็วการเคลื่อนที่ของรถแทรกเตอร์นั้น สามารถวิ่งด้วยความเร็วสูงสุดเพียง 2 km.hr-1 เท่านั้น เนื่องจากใบ อ้อยที่อยู่ในแปลงบดบังทัศนวิสัยผู้ควบคุมรถ
Figure 6 The first field performance testing of prototype.
Figure 7 The sugarcane leaf jam in cutter. ภายหลั ง จากการปรั บ ปรุ ง เครื่ อ งต้ น แบบโดยตั ด ส่ ว นคาน ด้านหลังที่รองรับปลายเพลาลูกปลิดอ้อยออก และเพิ่มสายพาน ระบบส่งกําลังให้ลูกปลิดเป็น 2 เส้น พร้อมมีตัวตึงสายพาน และลด ความยาวลูกปลิดเหลือ 40 cm แสดงใน Figure 8 และนําไป ทดสอบในแปลงเกษตรกรที่อําเภอห้วยกระเจา จังหวัดกาญจนบุรี พบว่าใช้การได้ดี โดยทดสอบกับอ้อยอายุ 9 เดือน พันธุ์ลําปาง ใน พื้นที่ 1 ไร่ พบว่าเครื่องทํางานได้ดี จึงวางแผนที่จะทดสอบ
368
สมรรถณะโดยดําเนินการที่ อําเภอห้วยกระเจา ได้แปลงเป็นอ้อย ความเร็วลูกปลิด 500 rpm และต้องหาพื้นที่ทดสอบเพิ่มเนื่องจาก พันธุ์ขอนแก่น 3 อายุ 9 เดือน แสดงใน Figure 9 และจัดวางแปลง เกษตรกรต้องการเก็บอ้อยไว้ใช้ทําพันธุ์จึงหาพื้นที่ทดสอบใหม่ใน ทดสอบออกเป็น 3 แปลง พื้นที่แปลงละ 1 ไร่ อํ าเภออู่ ทอง จั งหวั ดสุ พรรณบุ รี ซึ่ งผลการทดสอบจะขึ้ นอยู่ กั บ เงื่อนไขของแปลงเกษตรดังแสดงใน Table 1 เครื่องปลิดและเก็บใบอ้อยต้นแบบ มีส่วนประกอบที่สําคัญ ดัง แสดงใน Figure 10 ได้แก่ (1) โครงเครื่อง (2) พูเลย์และสายพานส่ง กําลัง (3) ลูกปลิดใบอ้อย (4) เกลียวส่งใบอ้อย (5) ห้องม้วนใบอ้อย
Figure 8 Prototype after revision.
Figure 10 The Prototype of Sugarcane-leaf Harvester. หลักการทํางาน มีขั้นตอนดังนี้ (1) นําไปติดตั้งกับรถแทรกเตอร์ Figure 9 The performance testing of prototype at Huai ขนาดเล็กด้วย จุดพ่วงแบบ 3 จุด พร้อมต่อชุดส่งกําลังจากเพลา Krachao, Kanchanaburi province. จากการทดสอบเครื่ อ งต้ น แบบเพื่ อ หาประสิ ท ธิ ภ าพและ PTO ของรถแทรกเตอร์กับเฟืองสปาย์ของเครื่องปลิดใบอ้อย และ สมรรถนะของเครื่องปลิดและเก็บใบอ้อย โดยกําหนดเกณฑ์จากตัว ปรับแขนจุดพ่วงให้ตัวเครื่องให้ได้ระดับ (2) และปรับรอบลูกปลิด แปรต่างๆ ทั้งในเชิงปริมาณและเชิงคุณภาพ เพื่อให้เครื่องจักรมี 500 rpm (3) ขับรถแทรกเตอร์เข้าแปลงอ้อยโดยใช้ความเร็วที่ผู้ ความเหมาะสมและคุ้มค่าต่อการใช้งาน ได้แก่ (1) ความสามารถใน ควบคุมขับรถได้โดยปลอดภัย ควรสวมแว่นตาและอุปกรณ์ป้องกัน การทํางาน (2) ความเร็วการเคลื่อนที่ในแปลงอ้อย (3) ปริมาณใบ ฝุ่นขณะปฏิบัติงานเหมาะกับอ้อยระยะ 120 cm ขึ้นไป อ้อยที่ปลิดได้ (4) การสิ้นเปลืองน้ํามันเชื้อเพลิง และ(5) ความ เสียหายของต้นอ้อยหลังใช้เครื่องปลิด (ต้นอ้อยล้ม) ขณะทดสอบใช้ Table 1 Results of sugarcane-leaf harvester efficiency testing. No.
Location
Strain
1 2 3
Huai Krachao Huai Krachao Utong
khonkaen 3 khonkaen 3 Utong 4
Fule Consumption.(lites) 1 0.8 1 1.4 1 0.9 Average 1.03
Area (rai)
369
The falling of sugar cane.(%)
Efficiency (Rai.hr-1)
velocity (m.s-1)
1.0 0.5 0.7 0.73
0.9 1.3 1.1 1.1
0.35 0.5 0.4 0.4
The efficiency of sugarcane leafremoval.(%) 90 75 76 80.3
สมรรถนะของเครื่องปลิดใบอ้อยจะขึ้นอยู่กับสภาพแปลงอ้อย อาทิ วัชพืช อ้อยปลูก หรืออ้อยตอ พันธุ์อ้อย ความราบเรียบของ พื้นที่ปลูก และรถแทรกเตอร์ที่ใช้เป็นแบบขับเคลื่อน 2 ล้อหรือ 4 ล้อ ผลการทดสอบมีข้อมูลดังนี้ (1) เครื่องมีประสิทธิภาพการปลิด ใบอ้อยแห้งออกจากต้น 75-90% (2) ความสามารถในการทํางาน 0.9-1.3 ไร่/ชั่วโมง (3) ความเร็วรถแทรกเตอร์ 0.35–0.5 m.s-1 (1.26-1.8 km.hr-1) ขึ้นอยู่กับสภาพแปลงว่ามีใบอ้อยมากหรือน้อย (4) อัตราการสิ้นเปลืองน้ํามันเชื้อเพลิง 0.8-1.4 ลิตร/ไร่ (5) ความ เสียหายของต้นอ้อยหลังใช้เครื่องปลิด (ต้นอ้อยล้ม ) 0.5-1.0% (6) ความเร็วลูกปลิดใบ 500 rpm (7) เส้นเอ็นที่ใช้กับลูกปลิดแบบกลม ขนาด 3 mm มีความทนทานมากกว่าแบบสี่เหลี่ยม (8) พื้นที่ ทดสอบมีปริมาณใบอ้อยแห้ง 950-1,450 กิโลกรัม/ไร่ เครื่องมีมิติ โดยรวม (กว้างxยาวxสูง) 80x150x150 cm น้ําหนัก 130 kg 3.3 การประเมินผลทางเศรษฐศาสตร์วิศวกรรม การหาความคุ้มค่าของการใช้เครื่องจักร โดยคิดจากรายได้ของ เกษตรกรที่ไม่ต้องเผาใบอ้อย ซึ่งจะทําให้ถูกหักเงิน ตันละ 20 บาท พื้นที่ 1 ไร่ มีผลผลิตเฉลี่ย 10 ตัน/ไร่ ทําให้มีรายได้ 200 บาท/ไร่ และมีช่วงเวลาการทํางานของเครื่องจักรในแต่ละปี ประมาณ 4 เดือน (1) ต้นทุนคงที่ โดยคิดในกรณี เมื่อซื้อไปรับจ้างและมีรถ แทรกเตอร์ต้นกําลังอยู่แล้ว หากไปกู้เงินมาซื้อเครื่องราคา 35,000 บาท คิดดอกเบี้ย 7% รวมเป็นเงินทั้งหมด (35,000+2,450) = 37,450 บาท อายุการใช้งาน 5 ปี เมื่อคิดค่าเสื่อมราคาแบบเส้นตรง มีต้นทุน (37,450 /5) เท่ากับ 7,490 บาทต่อปี ในแต่ละปีใช้งาน 4 เดือน (ฤดูตัดอ้อย ระหว่างเดือนพฤศจิกายน ถึง มีนาคม) ทํางาน วันละ 8 ชั่วโมง ใน 1 ปี จะใช้ (4เดือนx26วันx8ชั่วโมง) เท่ากับ 832 ชั่วโมง หรือปลิดใบอ้อยได้ (1ไร่ต่อชั่วโมงx832ชั่วโมง) เท่ากับ 832 ไร่ สามารถคิดต้นทุนคงที่ได้ (7,490 บาทต่อปี/832 ไร่ต่อปี) เท่ากับ 9.0 บาทต่อไร่ (2) ต้นทุนแปรผัน ค่าน้ํามันเชื้อเพลิงเครื่องยนต์ดีเซลคิดที่ 30 บาทต่อไร่ ดังนั้นต้นทุนโดยรวมจะอยู่ที่ (9.0 บาทต่อไร่+30 บาทต่อ ไร่) เท่ากับ 40 บาทต่อไร่ (3) การคิดจุดคุ้มทุน หากนําไปรับจ้าง 200 บาท/ไร่ หักค่า น้ํามัน 40 บาท/ไร่ จะได้เงิน 160 บาท/ไร่ ใน 1 ปี ทํางานได้ 832 ไร่ จะคิดเป็นเงิน 160 บาทx832ไร่ เท่ากับ 133,120 บาท หรือคิด ง่าย ๆ นํารายได้ต่อวันคือ (160 บาท x 8 ชั่วโมง) ใน 1วัน จะได้เงิน เท่ ากั บ 1,280 บาท นํ าไปหารเงิ นที่ กู้ มาซื้ อเครื่ อง 37,450 บาท/1,280 บาท จะทํางานเพียง 30 วันเท่านั้นก็จะคุ้มทุน แต่อย่างไรก็ตามการประเมินนี้เป็นเพียงการคํานวณให้เห็นเป็น แนวทางเท่ า นี้ ในทางปฏิ บั ติ จุ ด คุ้ ม ทุ น จะขึ้ น อยู่ ส ภาพการณ์ แวดล้อมการใช้เครื่องจักร
4 สรุป การเผาใบอ้อยนับว่าเป็นปัญหาใหญ่ของไทย จึงดําเนินการ วิ จั ย เครื่ อ งปลิ ด และเก็ บ ใบอ้ อ ยแบบกึ่ ง อั ต โนมั ติ เพื่ อนํ า มาใช้ แก้ปัญหาการเผาใบอ้อยก่อนเก็บเกี่ยว การใช้งานนํามาพ่วงกับรถ แทรกเตอร์ขนาดเล็ก วิ่งเข้าไปในร่องอ้อยเหมาะกับอ้อยที่มีระยะ แถว 120 cm ขึ้นไป มีส่วนประกอบที่สําคัญ ได้แก่ (1) โครงเครื่อง (2) ระบบส่งกําลังด้วยสายพาน (3) ลูกปลิดใบอ้อย (4) เกลียวส่งใบ อ้อย (5) ห้องม้วนใบ ความสามารถในการทํางานเฉลี่ย 1 rai.hr-1 ใช้น้ํามันเชื้อเพลิงเฉลี่ย 1 l.rai-1 เครื่องมีมิติโดยรวม (กว้างxยาวx สูง) 80x150x150 cm น้ําหนัก 130 kg ราคาประมาณ 35,000 บาท การหาจุดคุ้มทุนการใช้เครื่องจักร คิดในกรณีกู้เงินดอกเบี้ย 7% หากนําไปรับจ้าง 200 บาท/ไร่ หักต้นทุนแปรผัน 40 บาท/ไร่ จะ ได้เงิน 160 บาท/ไร่ ใน 1 ปี ทํางานได้ 832 ไร่ คิดเป็นเงิน 160 บาทx832ไร่ เท่ากับ 133,120 บาท หรือคิดง่ายๆ นํารายได้ต่อวัน คือ (160 บาท x 8 ชั่วโมง) เท่ากับ 1,280 บาท นําไปหารเงินที่กู้มา ซื้อเครื่อง 37,450 บาท/1,280 บาท จะทํางานเพียง 30 วันเท่านั้น ในส่วนของการเผยแพร่ผลงานวิจยั ได้ มีบริ ษัทเอกชนแห่งหนึง่ ในจังหวัดสมุทรปราการ ซึง่ เป็ นผู้ผลิตเครื่ องจักรกลเกษตร สําหรับอัอยได้ นําต้ นแบบไปผลิตจําหน่ายในเชิงพาณิชย์ 5 กิตติกรรมประกาศ ขอขอบคุณ ข้าราชการ ลูกจ้างประจํา และ พนักงานราชการ ของสถาบันวิจัยเกษตรวิศวกรรม ที่ได้ร่วมดําเนินงานจนสําเร็จลุล่วง ได้ ด้วยดี ร่ วมทั้ งเกษตรกรชาวไร่ อ้อย ในจั งหวั ดสุ พรรณบุรี และ กาญจนบุรี ที่ให้แปลงปลูกอ้อยสําหรับทดสอบเครื่องต้นแบบ 6 เอกสารอ้างอิง กรมพลังงานทดแทน. 2550. การประเมินศักยภาพชีวมวลอ้อย. แหล่งข้อมูล: http://www.energy.go.th. เมื่อ 7 มิถุนายน 2555. กรมวิชาการเกษตร. 2555. แนวทางการแก้ปัญหาการเผาใบอ้อย. เอกสารเผยแพร่ศนู ย์วิจัยพืชไร่ กรมวิชาการเกษตร 14(2), 2733. วิชัย โอภานุกุล, สันธาร นาควัฒนานุกูล, ชัชชัย ชัยสัตปกรณ์, คทาวุธ จงสุขไว, มงคล ตุ่นเฮ้า, บาลทิตย์ ทองแดง และดนัย ศารทูลพิทักษ์. 2555. ศึกษาสภาพการใช้เครื่องเก็บเกี่ยวอ้อย ในประเทศไทย. การประชุมวิชาการสมาคมวิศวกรรมเกษตร แห่งประเทศไทย ครั้งที1่ 3 ประจําปี 2555, 106-115. 4-6 เมษายน 2555, เชียงใหม่.
370
สันธาร นาควัฒนานุกุล, วิชัย โอภานุกุล, อานนท์ สายคําฟู, วีระ สุขประเสริฐ, ทรงยศ จันทรมานิตย์, วัชรศิลป์ มักสุขเสริม และอนุชา เชาว์โชติ. 2556. ศีกษาและพัฒนาแนว ทางการจัดรูปที่ดนิ ให้เหมาะสมต่อการใช้เครื่องเก็บเกี่ยวอ้อย. การประชุมวิชาการสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ครั้งที1่ 4ประจําปี 2556, 221-228. 1-4 เมษายน 2556, ประจวบคีรีขันท์. สุรพล ถ้ํากระแส, มานพ มังพรมราช, จรัล อารีย์, ประชา ถ้ําทอง และธนิต โสภโนดร. 2536. ผลของการเผาใบอ้อยก่อน การเก็บเกี่ยวและทิ้งไว้ในระยะเวลาต่างๆ ที่มีต่อ คุณภาพความ หวานและผลผลิตของอ้อย. รายงานผลการวิจัยประจําปี 2536, 89–112. สุพรรณบุร:ี ศูนย์วิจัย พืชไร่สุพรรณบุรี สถาบันวิจัย พืชไร่ กรมวิชาการเกษตร, อู่ทอง, สุพรรณบุรี. สํานักงานคณะกรรมการอ้อยและน้ําตาลทราย. 2548. รายงานการ ผลิตอ้อยและน้าํ ตาลทรายฉบับปิดหีบปีการผลิต 2547/48. แหล่งข้อมูล: http://www.ocsb.go.th/ th/cms/detail.php?ID=142&SystemModuleKey=produc tion. เมื่อ 10 กรกฎาคม 2558. สํานักงานคณะกรรมการอ้อยและน้ําตาลทราย. 2553. ผลกระทบ ของอ้อยไฟไหม้ต่ออุตสาหกรรมอ้อยและน้ําตาลไทย. วารสาร สํานักงานคณะกรรมการอ้อยและน้ําตาลทราย 15(1), 47-50. สํานักงานคณะกรรมการอ้อยและน้ําตาลทราย. 2558. รายงานการ ผลิตอ้อยและน้าํ ตาลทรายฉบับปิดหีบปีการผลิต 2557/58. แหล่งข้อมูล: http://www.ocsb.go.th/ th/cms/detail.php?ID=142&SystemModuleKey=produc tion. เมื่อ 10 กรกฎาคม 2558. สํานักงานคณะกรรมการอ้อยและน้ําตาลทราย. 2558. รายงาน พื้นที่ปลูกอ้อยปีการผลิต 2557/2558. แหล่งข้อมูล: http://www.ocsb.go.th/upload/journal/fileupload/9239810.pdf. เข้าถึงเมื่อ 29 ตุลาคม 2558. อรรถสิทธิ์ บุญธรรม, ชุมพล คําสิงห์, นริศร ขจรผล, สุกรี นันตะ สุคนธ์ และสนิท สมเหมาะ. 2550. การแก้ปญ ั หาการเผาใบอ้อย ก่อนการเก็บเกี่ยวโดยการสางใบอ้อย. รายงานผลการวิจัย ประจําปี 2550, 145-151. สุพรรณบุร:ี ศูนย์วิจัยพืชไร่ สุพรรณบุรี สถาบันวิจัยพืชไร่ กรมวิชาการเกษตร, อู่ทอง, สุพรรณบุรี.
371
TPM-04
การทดสอบเพือ่ หามุมตัดที่เหมาะสมสําหรับกลไกตัดท่อนพันธุ์ในเครือ่ งปลูกมันสําปะหลัง ณรงค์เดช ซื่อสกุลรัตน์1*, สามารถ บุญอาจ1 1
สาขาวิชาวิศวกรรมเกษตร สํานักวิชาวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี จ.นครราชสีมา 30000 ผู้เขียนติดต่อ: ณรงค์เดช ซื่อสกุลรัตน์ E-mail: big4629@outlook.com
บทคัดย่อ งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อหามุมตัดที่เหมาะสมสําหรับกลไกการตัดท่อนพันธุ์ในเครื่องปลูกมันสําปะหลังโดยใช้พันธุ์ CMR-89 กับพันธุ์ห้วยบง 80 ทดสอบด้วยเครื่องวัดแรงที่กระทําต่อวัสดุแบบเอนกประสงค์ (Universal Testing Machine, UTM) ความเร็วการตัดที่ 254 mm min-1 ร่วมกับวิธีวัดค่าความเสียหายของรอยตัดท่อนพันธุ์มันสําปะหลังเพื่อพิจารณาแรงตัดสูงสุดร่วมกับ คุณภาพรอยตัดโดยใช้ใบมีดที่ออกแบบ 3 รูปแบบ ได้แก่ ใบมีดตรง ใบมีด 45º และใบมีด 30º มีมุมคม (knife bevel angle) เท่ากันที่ 20º ความเร็วการตัด 0.25 m s-1 ตัดในลักษณะรอยตัดตรง ผลจากการทดสอบพบว่าใบมีด 30º เหมาะสมที่สุด ใช้แรงตัด 823.0 N สําหรับพันธุ์ CMR-89 และ 608.8 N สําหรับพันธุ์ห้วยบง 80 ร้อยละความเสียหายของรอยตัดร้อยละ 38.54 สําหรับพันธุ์ CMR-89 และร้อยละ20.90 สําหรับพันธุ์ห้วยบง 80 วิธีการวัดค่าความเสียหายของรอยตัดสามารถนํามาร่วมใช้เป็นเกณฑ์เพื่อพิจารณาด้าน คุณภาพของการตัดและสามารถประยุกต์ใช้กับรอยตัดที่มีลักษณะคล้ายวงกลมได้ คําสําคัญ: การตัดท่อนพันธุ์, มุมการตัด, เครื่องปลูกมันสําปะหลัง
Appropriate Cutting Angle Testing for Cutter Mechanism in Cassava Planter Narongdet Suesakunrat1*, Samart Bun-art1 1
School of Agricultural Engineering, Institute of Engineering, Suranaree University of Technology, Nakhon Rachasima, 30000
Corresponding author: Narongdet Suesakunrat. E-mail: big4629@outlook.com
Abstract This research aims to determine the appropriate cutting angle for cutter mechanism in cassava planter used CMR-89 and Huaybong 80 tested in universal testing machine (UTM), set the cutting speed at 254 mm min-1 cooperated with the cross-section damage measuring method for cutting force and the cutting quality. Flat, 45º and 30º were cutting blades (knife bevel angle is 20º) used in cutter mechanism, set the cutting speed at 0.25 m s-1 in coss-section cutting. The results shown that the appropriate cutting angle was 30º blade. The cutting forces were 823.0 N for CMR-89 and 608.8 N for Huaybong 80. The cross-section damages were 38.54% for CMR-89 and 20.90% for Huaybong 80. The cross-section damage measuring method can be measured the cutting quality and can be used in other similar cross-section. Keywords: Stem cutting, Cutting angle, Cassava planter
1 บทนํา เครื่องปลูกมันสําปะหลังแบบปลูกตั้งปัจจุบันมีการวิจัยพัฒนา เพื่ อนํ ามาใช้ ง านในประเทศไทยจากทั้ งภาครั ฐและเอกชนเพื่ อ ประสิทธิภาพในการทํางานและทดแทนการขาดแคลนแรงงานภาค การเกษตร ผู้วิจัยจึงออกแบบและสร้างเพื่อเป็นตัวเลือกในการใช้ งานโดยคํานึงถึงความสะดวกในการใช้งาน ต้นทุนที่เหมาะสมในการ สร้างและใช้กับรถแทรกเตอร์ขนาดไม่เกิน 49 Hp การออกแบบเครื่องปลูกมันสําปะหลังได้กําหนดแนวทางการ ทํางานของเครื่องให้สามารถตัดต้นพันธุ์ในลักษณะรอยตัดตรง และ
ยกร่องปลูกตั้งลงดินในขั้นตอนเดียว ทํางานได้ด้วยผู้ปฏิบัติงาน 2 คน ได้แก่ผู้ขับรถแทรกเตอร์และผู้ป้อนต้นพันธุ์ ส่วนประกอบต่างๆ ของเครื่องได้แก่ ชุดตัดท่อนพันธุ์ ชุดเปิดร่องและชุดยกร่อง กลไก การทํางานที่สําคัญคือ กลไกตัดท่อนพันธุ์ ได้ประยุกต์การทํางาน ของกลไก Scotch Yoke ติดใบมีดซึ่งได้แนวคิดการออกแบบจาก ใบมีดของเครื่องประหารกิโยติน พร้อมกลไกการปลูกตั้งลงดิน การทดสอบเพื่อหาใบมีดที่เหมาะสมกับกลไกการตัดท่อนพันธุ์ มันสําปะหลังใช้การหาแรงที่ใช้ในการตัดของใบมีดที่ออกแบบให้แต่ ละแบบมีมุมเฉียงลดลงจํานวน 3 รูปแบบ ซึ่งมุมเฉียงที่ใช้ที่ในการ
372
ตัดมีผลต่อการใช้แรงและพลังงานในการตัดด้วยซึ่งทดสอบกับลําต้น Table 1 Physical Properties of Cassava tree. อ้อย Sunil-Mathanker et al. (2015) แล้ววัดค่าโดยใช้เครื่องวัด Parameter* CMR-89 Huaybong 80 แรงที่กระทําต่อวัสดุแบบเอนกประสงค์ (Universal Testing Age (month) 9 9 Diameter (mm) 19.83±2.25 19.26±1.68 Machine: UTM) ด้วยอัตราการเคลื่อนที่ของใบมีดที่เท่ากันเพื่อ Length (cm) 149.5±10.7 135.7±13.9 พิจารณาการใช้แรงในการตัดร่วมกับการวัดความเสียหายของรอย Curvature (cm) 4.9±1.6 12.1±3.6 ตัดท่อนพันธุ์เพื่อวัดผลทางด้านคุณภาพการตัดด้วยชุดทดสอบกลไก Weight (g) 530±123 390±68 การตั ดด้ วยความเร็ ว รอบที่ เท่ ากั น ชุ ด ทดสอบกลไกการตั ด ได้ Moisture (%wb) 71.09±2.45 64.25±3.76 ออกแบบให้ สามารถนํ าไปใช้ กับเครื่องปลู กมันสําปะหลังได้ ด้วย *Mean±SD พร้อมทั้งคิดวิธีและอุปกรณ์สําหรับการวัดค่าความเสียหายของรอย ตัดท่อนพันธุ์ซึ่งทําจากอุปกรณ์ที่หาได้ทั่วไปพร้อมทั้งวิธีวัดที่ง่ายต่อ 2.2 การวัดความเสียหายของรอยตัดท่อนพันธุ์ วิธีการวัดความเสียหายของรอยตัดท่อนพันธุ์ (Cross-section การวัดค่า เพื่อแสดงผลในเชิงคุณภาพของรอยตัด damage measuring: CSD) ทําได้โดยนําใบมีดทั้ง 3 รูปแบบ ใช้ ร่วมกับชุดทดสอบกลไกการตัด Figure 3 ทํางานด้วยความเร็วรอบ 2 อุปกรณ์และวิธีการ การตัด 30 รอบต่อนาทีขับด้วยมอเตอร์ความเร็วการตัด 0.25 m s-1 2.1 การทดสอบการใช้แรงในการตัดท่อนพันธุ์ หาสมบัติทางกายภาพของต้นมันสําปะหลัง รังสรรค์ และวินัย และตัดด้วยแรงงานคนด้วยมีดอีโต้เพื่อวัดค่าและเปรียบเทียบ ตัด (2558) ดัง Table 1 แล้วทดสอบการใช้แรงในการตัดท่อนพันธุ์โดย ต้นพันธุ์มันสําปะหลังพันธุ์พันธุ์ CMR-89 กับพันธุ์ห้วยบง 80 แล้ว นําใบมีดที่ออกแบบ 3 รูปแบบได้แก่ ใบมีดตรง, 30º และ 45º ทั้ง นําท่อนมันสําปะหลังมาวัดค่าด้วยชุดวัดความเสียของรอยตัดใน 3 แบบ มีมุมคม (knife bevel angle) 20º Figure 1 ซึ่งใช้แรงตัด Figure 4 อ่านค่ามุมดังตัวอย่างดัง Figure 5 และคํานวณค่าร้อยละ ต่ํ าสุ ด สุ กรี (2558) แต่ ละใบมี ดหนา 5 mm และสร้ างให้ อยู่ ใน ความเสียหายของรอยตัดทั้งส่วนล่างและส่วนบนในแต่ละท่อนดัง เส้นแนวสัมผั สเดียวกันดัง Figure 2 ทดสอบด้วยเครื่องวั ดแรงที่ ความสัมพันธ์ดังสมการ (1) รอยตัดใดที่มีรอยตัดเรียบร้อยไม่เกิด กระทําต่อวัสดุแบบเอนกประสงค์ (Universal Testing Machine: รอยแตกรอยฉีก Figure 6 ให้ค่าความเสียหายรอยตัดนั้นมีค่าเป็น 0 (CSD down CSD up ) UTM) ตั้งค่าความเร็วการตัดที่ 254 mm min-1 ณัฐพงษ์ (2551) 100 %CSD ตัดต้นพันธุ์มันสําปะหลังพันธุ์ CMR-89 และพันธุ์ห้วยบง 80 แล้ว จํานวนรอยตัด x มุมภายในวงกลม หาแรงตัดเฉลี่ยของแต่ละใบมีดโดยใช้ตัวอย่างท่อนพันธุ์จากส่วน (CSD down CSD up ) โคน ส่วนกลางและส่วนปลายลําต้น %CSD 100 รอยตัดบนและล่าง มุมภายในวงกลม
(CSD down CSD up ) 100 2 x 360 (1) (CSD down CSD up ) %CSD 7.2 เมื่ อ %CSD คือร้อยละความเสียหายของรอยตั ดท่ อนพันธุ์ , CSDdown คือผลรวมมุมของรอยตัดที่เสียหายส่วนล่าง, CSDup คือ ผลรวมมุมของรอยตัดที่เสียหายส่วนบน %CSD
Figure 1 Knife bevel angle 20º.
Figure 2 Three-type blades. 373
Figure 3 Cassava stem cutter mechanism. Figure 6 A perfect cassava stem cross-section.
Figure 4 Cross-section damage tool.
Figure 5 Cross-section damage measuring.
3 ผลและวิจารณ์ ค่าเฉลี่ยของแรงที่ใช้ในการตัดของใบมีดทั้ง 3 แบบที่อ่านค่าได้ จากเครื่อง UTM ใน Figure 7 ผลการทดสอบพบว่าใบมีดตรงใช้แรง ในการตั ด มากที่ สุ ด รองลงมาคื อ ใบมี ด 45º และใบมี ด 30º ตามลํ าดั บ จากการตั ดท่ อนพั นธุ์ มันสํ าปะหลั งทั้ งพั นธุ์ CMR-89 และพันธุ์ห้วยบง 80 เนื่องจากการตัดของใบมีดตรงมีเพียงแรงกด เพียงแนวเดียวทําให้การตัดท่อนพันธุ์นั้นใช้แรงมากกว่าใบมีดอีก 2 แบบ เพราะใบมีดที่มีลักษณะรูปร่างเฉียงมีทั้งแรงกดและแรงเฉือน รูปร่างที่มุมเฉียงลดลงทําให้ใช้แรงในการตัดลดลง ซึ่งสอดคล้องกับ งานวิจัยที่กล่าวมาข้างต้น
Figure 7 Average Stem Cutting Force. ค่าเฉลี่ยของร้อยละความเสียหายของรอยตัดท่อนพันธุ์ดังแสดง ใน Figure 8 จากการวัดรอยตัดทั้งส่วนล่างและส่วนบนพบว่าใบมีด ตรงทําให้รอยตัดเสียหายมากที่สุดทั้งพันธุ์ CMR-89 กับพันธุ์ห้วยบง 80 รองลงมาคือใบมีด 45º และใบมีด 30º ตามลําดับ สําหรับการ ตั ดด้ วยมี ดจากแรงงานคนผู้ วิจั ยนํ ามาวั ดค่ าเพราะเป็ นวิ ธีการที่ เกษตรกรได้ปฏิบัติแต่เดิมและสามารถนําค่าที่ได้มาเปรียบเทียบกับ การตัดจากกลไกการตัดอีกด้วย จากผลการทดลองเห็นว่ารอยตัด เกิดความเสียหายน้อยที่สุดเพราะมีดที่ใช้คือมีดอีโต้ ซึ่งมีมุมคมเล็ก กว่าใบมีดที่ใช้ทดสอบกับเครื่องและความหนาของมีดอีโต้ยังน้อย กว่าอีกด้วย
374
สุกรี สุขประเสริฐ. 2558. การพัฒนาเครื่องปลูกมันสําปะหลังแบบ ใช้กับจุดต่อพ่วงสามจุด CATEGORY II. วิทยานิพนธ์วิศวกรรม ศาสตรมหาบัณฑิต. นครราชสีมา: สาขาวิชาวิศวกรรมเกษตร และอาหาร, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี. Sunil K. Mathanker, Tony E. Grift, Alan C. Hansen. 2015. Effect of blade oblique angle and cutting speed on cutting energy for energycane stems. Biosystems Engineering 133, 64–70. Figure 8 Average cross-section damage. 4 สรุป ใบมีดที่เหมาะสมสําหรับนําไปใช้งานกับกลไกการตัดท่อนพันธุ์ สําหรับเครื่องปลูกมันสําปะหลังนั้นคือใบมีด 30º ใช้แรงในการตัด น้อยที่สุด 823.0 N สําหรับพันธุ์ CMR-89 และ 608.8 N สําหรับ พันธุ์ห้วยบง 80 อีกทั้งร้อยละความเสียหายของรอยตัดยังน้อยที่สุด ร้อยละ 38.54 สําหรับพันธุ์ CMR-89 และร้อยละ 20.90 สําหรับ พันธุ์ห้วยบง 80 วิธีการวัดค่าความเสียหายของรอยตัดนั้นสามารถนํามาร่วมใช้ เป็ น เกณฑ์ เ พื่ อ พิ จ ารณาด้ า นคุ ณ ภาพของการตั ด และสามารถ ประยุกต์ใช้กับรอยตัดที่มีลักษณะคล้ายวงกลมได้ 5 กิตติกรรมประกาศ ขอขอบคุ ณ สํ า นั ก งานพั ฒ นาวิ ท ยาศาสตร์ แ ละเทคโนโลยี แห่งชาติ (สวทช.) และมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารีที่สนับสนุน ทุนวิจัยและพัฒนา 6 เอกสารอ้างอิง ณัฐพงษ์ ประภาการ. 2551. การศึกษาพารามิเตอร์เบื้องต้นที่ใช้ใน การออกแบบเครือ่ งตัดเชื้อเพลิงชีวมวลสําหรับเป็นวัตถุดิบที่ใช้ ในการผลิตไฟฟ้าโดยใช้กระบวนการแก๊สซิฟิเคชั่น. วิทยานิพนธ์ วิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต. นครราชสีมา: สาขาวิชา วิศวกรรมเครื่องกล, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสรุ นารี. รังสรรค์ กุฎสําโรง, วินัย กล้าจริง. 2558. การศึกษาสมบัติเชิงกล ของต้นมันสําปะหลัง. รายงานการประชุมวิชาการสมาคม วิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ครั้งที่ 16 ประจําปี 2558, 571–577. กรุงเทพมหานคร: กรมส่งเสริมการเกษตร. 17–19 มีนาคม 2558, ศูนย์นิทรรศการและการประชุมไบเทค บางนา, กรุงเทพมหานคร.
375
TPM-05
การพัฒนาเครือ่ งแกะเมล็ดบัวหลวง มาสสุภา โพธิ์รอด1* จตุรงค์ ลังกาพินธุ1์ รุ่งเรือง กาลศิริศิลป์1 ณัฐวิ ุฒิ โคตรพรหมศรี1, นุชนารถ ขันติวีรวัฒน์1 1
ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร, คณะวิศวกรรมศาสตร์, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุร,ี ธัญบุรี, ปทุมธานี, 12110 ผู้เขียนติดต่อ: มาสสุภา โพธิ์รอด E-mail: Leaw44@yahoo.com
บทคัดย่อ เครื่องแกะเมล็ดบัวหลวงได้ถูกออกแบบและสร้างขึ้นเพื่อลดเวลาและแรงงานในการแกะเมล็ดบัวหลวงของเกษตรกร เครื่องต้นแบบประกอบด้วย โครงสร้างเครื่อง ชุดใบมีดกรีด กลไก Scotch Yoke และระบบส่งกําลัง โดยใช้มอเตอร์ไฟฟ้าขนาด 1/4 แรงม้า เป็นต้นกําลัง หลักการทํางานของเครื่องเริ่มจากผู้ควบคุมเครื่องป้อนเมล็ดบัวลงในช่องป้อนทางด้านบนของเครื่อง หลังจากนั้น เมล็ดบัวจะถูกลําเลียงเข้าไปแกะเปลือกในชุดมีดกรีดโดยกลไก Scotch Yoke และร่วงสู่ช่องทางออกทางด้านล่างของเครื่อง จากการ ทดสอบที่ความเร็วเฉลี่ยของชุดมีดกรีดที่ 7.5, 8.5 และ 9.5 เมตรต่อนาที ตามลําดับ พบว่าเครื่องแกะเมล็ดบัวหลวงต้นแบบสามารถ ทํางานได้ดีที่ความเร็วเฉลี่ยของใบมีดกรีด 7.5 เมตรต่อนาที มีความสามารถในการทํางาน 2 กิโลกรัมต่อชั่วโมง เปอร์เซ็นต์ในการแกะ เมล็ดบัว 79.8 เปอร์เซ็นต์ อัตราการสิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้า 0.8 กิโลวัตต์-ชั่วโมง และไม่มีเปอร์เซ็นต์ความเสียหายของเมล็ด จากการ วิเคราะห์ทางเศรษฐศาสตร์วิศวกรรมพบว่าเมื่อใช้เครื่องแกะเมล็ดบัวหลวง 1,440 ชั่วโมงต่อปี จะมีระยะคืนทุน 0.95 ปีหรือ 11.4 เดือน และจุดคุ้มทุน 185.3 ชั่วโมงต่อปี เมื่อเปรียบเทียบกับการแกะด้วยแรงงานคน คําสําคัญ: เมล็ดบัวหลวง, เครื่องแกะ, บัวหลวง
DEVELOPMENT OF A LOTUS SEED PEELING MACHINE Massupha Prorod1*, Jaturong Langkapin1, Roongruang Kalsirisilp1, Nuttiwut Khotpromsrt1, Nutchanad Khantiweerawat1 1
Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering, Rajamangala University of Technology Thanyaburi, ThanyaburiPathumthani, 12110 Corresponding author: Massupha Prorod. E-mail: Leaw44@yahoo.com
Abstract This research was to design and fabricate of a lotus seed peeling machine prototype to minimize the peeling time and number of labor requirement in the fresh lotus seed shell removing. The prototype consisted of main frame, cutting blade unit, Scotch Yoke mechanism, the power transmission unit and 1/4 hp electric motor was used as a prime mover. In the operation, the lotus seeds were fed manually into feeding chute at the top of machine. Then the lotus seeds were conveyed to cutting blade unit by Scotch Yoke mechanism, and left through in outlet chute of the machine after peeling. Testing at the average speed of blade 7.5, 8.5 and 9.5 m/min respectively, testing results indicated that the optimal performance was achieved when the machine was operated at average speed of blade 7.5 m/min. Working capacity was found to be 2 kg/hour, the percentage of peeling were 79.8%, consumed 0.8 kW-hour of energy and no percentage of damaged seeds. Based on the engineering economical analysis, payback period 0.95 years or 11.4 month and the break-even point of the machine was 185.3 hour per year at the annual use of 1,440 hour per year. Keywords: Lotus seed, Peeling Machine, Lotus
1 บทนํา เมล็ดบัว คือธัญพืชที่ให้คุณค่าสารอาหารสูงทานได้ทั้งสดและ แห้ง เป็นแหล่งรวมของวิตามินและแร่ธาตุหลายชนิด เช่น วิตามิน เอ ซี อี เกลือแร่ และฟอสฟอรัส วิตามินเหล่านี้มีส่วนช่วยในการ
บํารุงประสาท บํารุงไต บํารุงสมอง มีสรรพคุณทางยาในการรักษา อาการท้องร่วง บิดเรื้อรัง น้ําอสุจิเคลื่อน และสรรพคุณพื้นบ้านที่ใช้ เป็ น ยาบํ า รุ ง เลื อ ดหรื อ เพิ่ ม เลื อ ด [1] เมล็ ด บั ว สามารถนํ า มา ทําอาหารทั้งคาวและหวาน ถ้านําเมล็ดบัวมาปรุงอาหารร่วมกับ
376
ลําไยแห้งจะทําให้สรรพคุณทางยาของเมล็ดบัวเพิ่มมากขึ้น ข้อควร ระวังผู้ที่มีอาการท้องผูก ท้องเฟ้อ อาหารไม่ย่อย ไม่ควรกินไม่ควร ปรุงอาหารที่มีเมล็ดบัวในภาชนะที่ทําจากเหล็ก เพราะจะทําให้เม็ด บัวกลายเป็นสีดํา บัวที่พบและนิยมปลูกในประเทศไทยมีอยู่ 3 ชนิด คือบัวหลวงหรือมีชื่อเรียกกันทั่วไปว่า ปทุมชาติ บัวในสกุลนี้เป็นบัว ที่รู้จักกันดีเพราะเป็นบัวที่มีดอกใหญ่นิยมนํามาไหว้พระ และใช้ใน พิธีทางศาสนา อีกชนิดคือบัวสายหรือมีชื่อเรียกกันทั่วไปว่า อุบล ชาติ ชนิดสุดท้ายคือบัววิกตอเรีย ซึ่งมีชื่อเรียกกันทั่วไปว่า บัว กระด้ง[2] แหล่งปลูกบัวเพื่อเก็บเมล็ดที่สําคัญ คือ จังหวัด นครสวรรค์ จังหวัดพิจิตร และจังหวัดพิษณุโลก พันธุ์บัวที่นิยมปลูก เพื่อเก็บเมล็ด คือ บัวหลวงพันธุ์ปทุม ซึ่งมีขนาดฝักใหญ่ และมีเมล็ด มาก[3]เมล็ดบัวยังสามารถนํามาแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์สินค้าโอท็อป เมล็ดบัวอบกรอบแม่จรูญของกลุ่มสตรีสหกรณ์บึงสีไฟได้ ในปัจจุบันการแกะเปลือกเมล็ดบัวต้องอาศัยแรงงานคน เป็นหลัก ซึ่งใช้เวลานานและได้ผลผลิตในปริมาณที่ไม่เพียงพอกับ การนําไปแปรรูป ดังนั้นเพื่อต้องการลดระยะเวลาในการแกะเปลือก เมล็ดบัวและเพิ่มผลผลิตให้กับเกษตรกรได้มากขึ้นจึงได้คิดค้นวิจัย ออกแบบและสร้างเครื่องแกะเมล็ดบัวขึ้นใหม่ เนื่องจากเครื่องแบบ เก่าที่ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัย เทคโนโลยีราชมงคลธัญบุ รี ได้สร้างขึ้ นยังมีข้อจํากั ดที่ควรนํามา พัฒนาต่อไป เช่น การป้อนเมล็ดบัวเข้าช่องป้อนจะต้องป้อนทีละ เมล็ด และเปอร์เซ็นต์ความเสียหายจากการแกะของเครื่องโดยเฉลี่ย 3.9% ซึ่งยังถือว่าค่อนข้างสูง [4] ในปัจจุบันการแกะเปลือกเมล็ดบัวต้องอาศัยแรงงานคนอยู่ดัง รูปที่1 ซึ่งใช้เวลานานและได้ผลผลิตในปริมาณที่น้อยไม่เพียงพอกับ การนําไปแปรรูป ดังนั้นเพื่อต้องการลดระยะเวลาในการแกะเปลือก เมล็ ด บั ว และเพื่ อ เพิ่ ม ผลผลิ ต ให้ กั บ เกษตรกรได้ ม ากขึ้ น จึ ง ได้ ดําเนินการศึกษาและทดสอบเครื่องแกะเมล็ดบัวขึ้นใหม่ ซึ่งคาดว่า การศึกษาและทดสอบนี้จะช่วยให้เครื่องแกะเมล็ดบัวหลวงสามารถ ทํางานได้ดีมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น
รูปที่ 1 วิธีการแกะเมล็ดบัวหลวงด้วยคน
2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 ศึกษาข้อมูลที่จําเป็นต่อการออกแบบ ก) ศึกษาปัญหาในขั้นตอนการแกะเปลือกเมล็ดบัวหลวงใน ปัจจุบัน วัตถุประสงค์เพื่อให้ทราบข้อมูลที่จําเป็นต่อการออกแบบเครื่อง แกะเมล็ดบัวหลวง เช่น ปัญหาการทํางานของเครื่องแกะเมล็ดบัว หลวงรุ่ นเก่ า ปั ญหาการแกะเมล็ ดบั วหลวงโดยเกษตรกร ขณะ ทํางานมีความล่าช้าในการทํางานเมื่อต้องการผลผลิตสูง ซึ่งใช้เวลา กับแรงงานคนค่อนข้างมากและเป็นอันตรายต่อผู้แกะเมล็ดบัวเสี่ยง ต่อการถูกมีดบาดมือ ข) ศึกษาลักษณะทางกายภาพของเมล็ดบัวหลวง วัตถุประสงค์เพื่อให้ทราบถึงลักษณะทางกายภาพของเมล็ดบัว ได้แก่ ความกว้าง ความยาว ที่มีขนาดใหญ่สุดและเล็กสุด และความ หนาของเปลือกเมล็ดบัวหลวง ดังรูปที่ 2 สําหรับใช้เป็นข้อมูลใน การออกแบบช่องใส่เมล็ดและการปรับตั้งต่างๆที่จําเป็นของการ พัฒนาและสร้างเครื่อง จากการศึกษาโดยสุ่มวัดเมล็ดบัวจํานวน 100 เมล็ด ด้วยเครื่องมือวัดเวอร์เนียคาร์ลิปเปอร์ พบว่าความกว้าง เมล็ดมีค่าระหว่าง 13-15 mm มีค่าเฉลี่ย 14 mm ความยาวมีค่า ระหว่าง 19-22 mm มีค่าเฉลี่ย 20 mm และความหนาเปลือกมีค่า ระหว่าง0.95-1.1 mm มีค่าเฉลี่ย 1.0 mm ซึ่งจากการวัดผล ดังกล่าวจึงได้ออกแบบขนาดช่องใส่เมล็ดบัวหลวงสําหรับการวาง ใบมีดในปอกเปลือก
รูปที่ 2 ลักษณะทางกายภาพของเมล็ดบัว ค) ศึกษาชุดใบมีดกรีดที่เหมาะสม จากการศึกษาข้อมูลทั่วไปที่เกี่ยวข้องกับเมล็ดบัวข้างต้นนําไปสู่ การใช้ใบมีดที่ใช้ในการแกะเมล็ด โดยเกษตรกรส่วนมากจะใช้มีด ปอกผลไม้หรือมีดคัตเตอร์ที่หาได้ทั่วไปตามท้องตลาดมาใช้ ดังนั้น เราจึงเลือกใช้มีดคัตเตอร์มาใช้ในเครื่องแกะเมล็ดบัวหลวง เพราะมี ขนาดบางและคมกว่า หลังจากรวบรวมข้อมูลที่จําเป็นต่อการศึกษาและทดสอบเครื่อง แกะเมล็ดบัวหลวงเพื่อการพัฒนา ดังนั้นการออกแบบจึงต้องมีสปริง ติดไว้ที่ชุดมีดกรีด เพื่อที่จะได้ให้มีดกรีดเมล็ดบัวขนาดเล็กได้ และ จากการศึกษาความยาวของเมล็ดบัวทําให้สามารถกําหนดความ กว้ างของช่ องใบมี ดได้ ส่ วนต้ นกํ าลั งนั้ นเลื อกใช้ มอเตอร์ ไฟฟ้ า เพราะสะดวกในการปรับความเร็วรอบ ในการทดสอบ ซึ่งเครื่องแกะ
377
เมล็ดบัวประกอบด้วย ส่วนประกอบหลัก 4 ส่วน คือ ช่องป้อน เมล็ด ชุดมีดกรีด กลไก Scotch Yoke [5] และระบบส่งกําลังจึงได้ คํานวณและออกแบบขนาดต่าง ๆ ของเครื่องแกะเมล็ดบัวหลวงแล้ว [6] จะออกแบบโดยใช้ ห ลั ก การทางวิ ศ วกรรม และโปรแกรม คอมพิวเตอร์ช่วยในการออกแบบและเขียนแบบ[7] แสดงดังรูปที่3 (ก)เมื่อดําเนินการเขียนแบบเสร็จสิ้น จึงได้ดําเนินการสร้างเครื่อง แกะเมล็ดบัวหลวงต้นแบบตามแบบที่เขียนแบบไว้ (รูปที่3 (ข))
ตามลําดับ โดยแต่ละการทดลอง 3 ซ้ํา และบันทึกเวลาที่ใช้ในการ ทํางานทั้ งหมด กระแสไฟฟ้ า น้ํ าหนั กเมล็ ดบั วที่ แกะได้ น้ําหนั ก เมล็ดบัวที่แกะไม่ได้ และน้ําหนักเมล็ดบัวที่เสียหาย ดังรูปที่ 4 เพื่อ ใช้ เป็ นข้ อมู ลในการคํ านวณค่ าชี้ ผลการศึ กษา และใช้ หลั กทาง เศรษฐศาสตร์วิศวกรรมวิเคราะห์ค่าใช้จ่าย ระยะเวลาคืนทุน และ จุดคุ้มทุน เพื่อศึกษาความเป็นไปได้ในการพัฒนาเครื่องแกะเมล็ด บัวให้ใช้งานได้จริงในอนาคตต่อไป
รูปที่ 4 เมล็ดบัวหลวงที่ผ่านการแกะจากเครื่องที่พัฒนา 1) ความสามารถในการทํางานจริง
ก) การออกแบบเครื่องต้นแบบด้วยโปรแกรมด้าน CAD
น้ําหนักของเมล็ดบัวหลวงที่แกะเปลือกได้ทั้งหมด เวลาที่ใช้ทั้งหมด 2) เปอร์เซ็นต์การแกะเมล็ดบัวหลวง(%) น้ําหนักของเมล็ดบัวหลวงที่แกะเปลือกได้ น้ําหนักของเมล็ดบัวหลวงทั้งหมด 3) เปอร์เซ็นต์การเสียหาย (%) IVt 1000
เมื่อ ข) เครื่องแกะเมล็ดบัวหลวงต้นแบบ รูปที่ 3 ออกแบบและสร้างเครื่องแกะเมล็ดบัวหลวง 2.2 ทดสอบและประเมินสมรรถนะเครื่อง การทดสอบใช้เมล็ดบัวหลวงปทุมความกว้างของเมล็ดบัวมีค่า อยู่ระหว่าง 13 ถึง 15 mm และความยาวของเมล็ดบัวสูงสุดเท่ากับ 22 mm (สุ่มวัด 100 เมล็ด) ตลอดการทดสอบ โดยทดสอบที่ ความเร็วของชุดมีดกรีดที่ความเร็ว 7.5,8.5 และ 9.5 m/min
(1)
(2)
(3) I = กระแสไฟฟ้า (แอมแปร์) V = แรงเคลื่อนไฟฟ้า (โวลต์) t = เวลา (ชั่วโมง)
3 ผลและวิจารณ์ 3.1 เปอร์เซ็นต์การแกะเมล็ดของเครื่องแกะเมล็ดบัวหลวง จากผลการทดสอบดังรูปที่ 5 พบว่าเครื่องแกะเมล็ดบัวหลวงมี เปอร์เซ็นต์การแกะลดลงตามความเร็วของใบมีดกรีดที่เพิ่มขึ้น โดย ที่ความเร็วของใบมีดกรีด 7.5 ,8.5 และ 9.5 เมตรต่อนาที จะมี เปอร์เซ็นต์การแกะ 79.8 ,66.6 และ 65.6 เปอร์เซ็นต์ ตามลําดับ
378
ซึ่งผลดังกล่าวทําให้ทราบว่าความเร็วของใบมีดกรีด ที่เหมาะสมควร จะใช้ 7.5 เมตรต่อนาที เนื่องจากเมล็ดบัวเสียหายน้อยที่สุด
รูปที่ 7 เปอร์เซ็นต์ความเสียหายที่ความเร็วใบมีดกรีดต่างๆ 3.4 อัตราการสิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้าของเครื่องแกะเมล็ดบัว หลวง รูปที่ 5 เปอร์เซ็นต์การแกะเมล็ดหลวงที่ความเร็วใบมีดกรีดต่างๆ จากรูปที่ 8 จะพบว่าอัตราการสิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้าของ 3.2 ความสามารถในการทํางานของเครื่องแกะเมล็ดบัวหลวง เครื่องแกะเมล็ดบัวหลวงจะมีค่าเพิ่มขึ้น ตามความเร็วของใบมีดกรีด จากรูปที่ 6 พบว่าความสามารถในการทํางานของเครื่องแกะ ที่มากขึ้น เพราะเมื่อเพิ่มความเร็วใบมีดกรีดมากขึ้นกระแสไฟฟ้าก็ เมล็ดบัวหลวงจะมีค่าลดลงตามความเร็วของใบมีดกรีดที่เพิ่มขึ้น จะมีค่ามากขึ้นด้วย โดยมีอัตราการสิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้าน้อย เพราะมีเปอร์เซ็นต์ความเสียหายที่เพิ่มขึ้นและมีเปอร์เซ็นต์การแกะ ที่สุดคือ 0.8 กิโลวัตต์ชั่วโมง ที่ความเร็วของใบมีดกรีด 7.5 เมตรต่อ ลดลงทําให้ความสามารถในการทํางานลดลง โดยความสามารถใน นาที การทํางานที่มีค่ามากสุดคือ 2 กิโลกรัมต่อชั่วโมงที่ความเร็ว 7.5 เมตรต่อนาที
รูปที่ 6 ความสามารถในการทํางานที่ความเร็วใบมีดกรีดต่างๆ 3.3 เปอร์เซ็นต์ความเสียหายของเครื่องแกะเมล็ดบัวหลวง จากรูปที่ 7 จะพบว่าเปอร์เซ็นต์ความเสียหายของเครื่องแกะ เมล็ดบัวหลวงจะมีค่าเพิ่มขึ้นตามความเร็วของใบมีดกรีดที่เพิ่มขึ้น เพราะเมื่อเพิ่มความเร็วของใบมีดกรีดทําให้เกิดแรงกระแทกของชุด ใบมี ด กั บ เมล็ ด บั ว มากขึ้ น จึ ง เกิ ด ความเสี ย หายเพิ่ ม ขึ้ น โดย เปอร์เซ็นต์ความเสียหายที่มีค่าน้อยที่สุดคือ 0 เปอร์เซ็นต์ ที่ ความเร็ว 7.5 เมตรต่อนาที
รูปที่ 8 อัตราการสิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้าที่ความเร็วใบมีดกรีด ต่างๆ
379
ตารางที่ 1 เปรียบเทียบการทํางานระหว่างเครื่องแกะเมล็ดบัวหลวง แบบใหม่และเครื่องแกะเมล็ดบัวหลวงแบบเก่า
5 กิตติกรรมประกาศ ขอขอบคุณภาควิชาวิศวกรรมเกษตร คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี ที่สนับสนุนงบประมาณ และสถานที่ในการวิจัยครั้งนี้
6 เอกสารอ้างอิง สรรพคุณของเมล็ดบัว.2556. [ออนไลน์] ; เข้าถึงได้จาก : http://healthmeplease.com จํารัส เซ็นนิล. 2555. เม็ดบัว.[ออนไลน์] ; เข้าถึงได้จาก : http://www.jamrat.net/jamrathealth.aspx?blogid=509 การปลูกบัว. 2556. [ออนไลน์] ; เข้าถึงได้จาก http://guru.thaibizcenter.com/articledetail.asp?kid=7151 จตุรงค์ ลังกาพินธุ์ และคณะ, 2552, การออกแบบและพัฒนาเครื่อง 3.5 ผลการวิเคราะห์เชิงเศรษฐศาสตร์วิศวกรรม แกะเมล็ดบัวหลวง, เอกสารรวบรวม ผลงานโครงงานที่ได้รับทุน จากผลการวิเคราะห์เชิงเศรษฐศาสตร์วิศวกรรม โดยคิดที่ราคา วิจัยโครงการ IRPUS ประจําปี เครื่องต้นแบบ 10,800 บาท อายุการใช้งาน 5 ปี อัตราดอกเบี้ ย 10% ใช้ ผู้ ค วบคุ ม เครื่ อง 1 คน ความสามารถในการทํ า งาน 2 จตุรงค์ ลังกาพินธุ์. 2557. ทฤษฎีของเครื่องจักรกลเกษตร. สํานักพิมพ์ทริปเพิ้ล เอ็ดดูเคชั่น จํากัด. [6] มานพ ตันตระ กิโลกรัมชั่วโมง อัตราการใช้พลังงานไฟฟ้า 0.8 กิโลวัตต์-ชั่วโมง เมื่อ บัณฑิตย์. 2545. การออกแบบชิ้นส่วนเครื่องจักรกล 1.พิมพ์ ใช้เครื่องต้นแบบทํางาน 6 เดือน หรือ 1,440 ชั่วโมงต่อปี (ทํางาน ครั้งที่ 2. กรุงเทพฯ : บริษัท ประชาชน จํากัด. วันละ 8 ชั่วโมง) มีค่าใช้จ่ายเฉลี่ยของเครื่อง 6.9 บาทต่อกิโลกรัม ระยะเวลาคืนทุน 0.95 ปีหรือ11.4เดือน จุดคุ้มทุน 185.3 ชั่วโมงต่อ จตุรงค์ ลังกาพินธุ์. 2555. ออกแบบและเขียนแบบวิศวกรรมด้วย โปรแกรม SolidWorks (ฉบับเรียนลัดด้วยตัวเอง). สํานักพิมพ์ท ปี เมื่อเปรียบเทียบกับแรงงานคน 1 คน มีค่าใช้จ่ายเฉลี่ย 10 บาท ริปเพิ้ล เอ็ดดูเคชัน่ ต่อกิโลกรัม 4 สรุป เครื่ อ งแกะเมล็ ด บั ว หลวง มี ส่ ว นประกอบหลั ก 5 ส่ ว นคื อ โครงสร้างของเครื่อง ชุดใบมีด ชุดป้อนเมล็ด กลไกในการทํางาน Scotch Yoke และระบบส่งกําลัง เครื่องแกะเมล็ดบัวหลวงต้นแบบ มีความสามารถที่ดีที่สุดในการทํางานเครื่องคือ 2 กิโลกรัมต่อชั่วโมง ที่ความเร็วใบมีดกรีดที่ความเร็ว 7.5 เมตรต่อนาที อัตราการสูญเสีย 0 เปอร์เซ็นต์ อัตราการสิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้า 0.8 กิโลวัตต์ชั่วโมง เปอร์เซ็นต์ในการแกะเมล็ดบัว 79.8 เปอร์เซ็นต์ และวิเคราะห์ความ เป็นไปได้ในการใช้เครื่องแกะเมล็ดบัวพบว่ามีค่าใช้จ่าย 13.8 บาท ต่อกิโลกรัม เมื่อใช้เครื่องทํางาน 1,440 ชั่วโมงต่อปี จะมีระยะเวลา คืนทุน 0.95 ปี และจุดคุ้มทุน 185.3 ชั่วโมงต่อปี เมื่อเปรียบเทียบ กับการแกะด้วยแรงงานคน
380
TPM-06
การออกแบบและพัฒนาไถระเบิดดินดานแบบขาไถยกตัวได้โดยใช้แหนบสปริงรถยนต์ สิฏฐนนท์ นุ่นน้อย1*, ประเทือง อุษาบริสุทธิ1์ 1
ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร คณะวิศวกรรมศาสตร์ กําแพงแสน มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตกําแพงแสน, นครปฐม, 73140 ผู้เขียนติดต่อ: สิฏฐนนท์ นุน่ น้อย E-mail: Vasithanon@hotmail.com
บทคัดย่อ การออกแบบไถระเบิดดินดานให้สามารถยกตัวหลบอุปสรรคในดินและมีต้นทุนการสร้างที่ต่ํา เป็นทางเลือกที่ดีในการ แก้ปัญหาค่าใช้จ่ายเรื่องสลักนิรภัยในการไถระเบิดดินดาน ทั้งนี้การออกแบบจะต้องออกแบบให้ขาไถระเบิดดินดานยกตัวเมื่อมีภาระ แรงถึงค่าที่กําหนดไว้ ประมาณ 20 ถึง 25 kN เพื่อไม่ให้ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการไถระเบิดดินดาน การเลือกใช้แหนบสปริง รถยนต์ซึ่งมีราคาถูกและหาซื้อได้ง่ายมาใช้เป็นส่วนประกอบสําคัญของไถระเบิดดินดานชุดนี้จะทําให้สามารถปรับตั้งค่าภาระแรง ดังกล่าวได้โดยง่าย และการเลือกกลไกที่เหมาะสมมาใช้ร่วมกับแหนบสปริงรถยนต์มีส่วนสําคัญที่ทําให้ไถระเบิดดินดานที่ออกแบบนั้น ทํางานได้จริง ชุดไถระเบิดดินดานที่ได้จากการออกแบบนั้น มีลักษณะเพิ่มเติมจากไถระเบิดดินดานโดยทั่วไปคือ ตัวยึดขาไถเข้ากับโครง ไถเป็นแขนกลไกที่สามารถหมุนพาขาไถให้ยกตัวขึ้น 50 cm จากระดับความลึกการไถถึงผิวดินได้ โดยมีแขนกลไกสองแขนที่ออกแบบ ให้มีพฤติกรรมคล้ายการโก่งเดาะในเสาซึ่งอาศัยค่านิจสปริงจากแหนบแทนค่าความแข็งของเสามาทําหน้าที่ยันแขนยึดขาไถไม่ให้หมุน พาขาไถขึ้นจากดิน เมื่อภาระแรงที่กระทํากับขาไถเกินกว่าค่าที่กําหนดไว้ แขนกลไกสองแขนข้างต้นจะพับเข้าหากันและทําให้ขาไถยก พ้นขึ้นจากดินโดยไม่เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ไถและต้นกําลัง คําสําคัญ: ไถระเบิดดินดาน, แหนบสปริงรถยนต์, สลักนิรภัย, ขาไถ
Design and Development of Subsoiler with Automatic Reset Shank by Using Automotive Leaf Spring Sitthanon Nunnoy1*, Prathuang Usaborisut1 1
Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering at Kamphaengsaen, Kasetsart University, Kamphaengsaen Campus, Nakhon Pathom, 73140 Corresponding author: Sitthanon Nunnoy. E-mail: Vasithanon@hotmail.com
Abstract A design of subsoiler that can lift up to avoid underground obstacles and has low production cost is the best way to reduce the number of safety bolt which can cause a lot of cost. Therefore, the subsoiler must be designed with special shank which should lift up when the load reach up to the decided force. The decided force was in a range of 20 to 25 kN for keeping the efficiency of subsoiling. In order to set the decided force easily, an automotive leaf spring was selected to be important component because it is inexpensive and easy to get. Selection of a suitable mechanism to use with an automotive leaf spring was important in order to help the subsoiler work properly. The subsoiler has additional features different from conventional subsoiler. The shank has been fixed with arm system which can rotate and lift the shank up to 50 cm vertically form the tilling depth to the soil surface. The two bar supporting part was designed to have same function as the deformation of column buckling but use a spring constant instant of a stiffness of column to resist a load from the shank. When the shank of subsoiler was overloaded, the two bars fold up together and let the shank lift up off ground without any damage of subsoiler and tractor. Keywords: Subsoiler, Automotive leaf spring, Safety bolt, Shank
381
1 บทนํา ดินดานคือดินอัดแน่นที่ทับกับเป็นชั้นๆมักเกิดขึ้นใต้ชั้นไถพรวน เนื้อดินมีช่องว่างสาหรับน้ําและอากาศน้อยมาก ความหนาแน่นมีค่า เกินกว่า 1.6 g cm-3 (คณะกรรมการจัดทาปทานุกรมปฐพีวิทยา, 2541) และน้ําไม่สามารถซึมผ่านได้ ความลึกของดินที่จะเรียกว่า เป็นชั้นดินดานจะอยู่ในช่วง 40-70 cm จากระดับผิวดิน(กรม วิชาการเกษตร, 2523) ทั้งนี้ในการที่จะระบุว่าดินนั้นเป็นดินดาน หรือไม่ เราจะต้องพิจารณาจากลักษณะของดินนั้นด้วย การใช้งานเครื่องจักรในแปลงเพาะปลูกเป็นต้นเหตุหนึ่งที่สําคัญ ที่ทําให้เกิดดินดานในปัจจุบัน การใช้งานเครื่องจักรกลเกษตรอย่าง ต่อเนื่องเป็นเวลานานๆ ส่งผลให้เกิดการอัดแน่นของดินทําให้เกิด ชั้นดินดาน Jurajuria, D. et al. (1997) พบว่ารถแทรกเตอร์ขนาด เล็กที่ทํางานในแปลงเพาะปลูกหลายครั้งสามารถทําให้เกิดการอัด แน่นของดิน เทียบเท่ากับรถแทรกเตอร์ขนาดใหญ่ที่ปฏิบัติการใน แปลงหนึ่งครั้ง วัชรชาญ สุขเจริญวิภารัตน์ (2555) ได้เก็บข้อมูล น้ําหนักเฉลี่ยของรถบรรทุกอ้อยและรถแทรกเตอร์พ่วงเทรลเลอร์ บรรทุกอ้อยซึ่งทํางานในแปลงอ้อยพบว่าน้ําหนักของรถบรรทุกและ เทรลเลอร์เมื่อรวมกับน้ําหนักอ้อยที่บรรทุกแล้ววิ่งกดทับผิวดินใน แปลงปลูกอ้อยนั้นมีค่ามากถึง 400 kN ซึ่งทําให้เกิดปัญหาดินดาน อย่างรุนแรงในแปลงอ้อย กรมวิชาการเกษตร (2523) ได้เปรียบเทียบให้เห็นผลกระทบ ของชั้นดินดานที่มีต่อพืชไร่ดังนี้ 1.หากมีดินดานจะทําให้น้ําที่อยู่ใน ดินบริเวณรากพืชไม่สามารถซึมลงไปในดินส่วนลึกได้ จึงเป็นสาเหตุ ให้รากพืชเปียกชุ่มตลอดเวลาไม่สามารถหายใจได้ และเป็นสาเหตุ ทําให้เกิดโรครากเน่า 2.ในฤดูแล้ง ดินดานจะกั้นความชื้นในดินชั้น ล่างไม่ให้ระเหยขึ้นมาให้ความชื้นกับพืชด้านบนได้ ทําให้พืชชะงัก การเจริญเติบโต 3.ดินดานจะกั้นไม่ให้รากพืชงอกลึกลงไปในดินชั้น ล่าง แต่จะแผ่ไปตามชั้นของดินด้านบนทําให้ได้รับอาหารไม่เต็มที่ และเติบโตได้ไม่ดี ประเทือง อุษาบริสุทธิ์ และธัญญา นิยมาภา (2547) พบว่าอ้อย ที่ ป ลู ก ในแปลงที่ มี ก ารอั ด แน่ น ระดั บ 15 เที่ ย ววิ่ ง ซ้ํ า ของรถ แทรกเตอร์ ทําให้ผลผลิตของอ้อยลดลง 22.90 % การแก้ปัญหาดินดานในการเพาะปลูกพืชไร่สามารถทําได้โดย การใช้ไถระเบิดดินดานซึ่งเป็นไถชนิดไถสิ่วที่มีลักษณะเป็นขาไถยาว ประกอบกับสิ่วที่ปลายของขาไถ ทําให้สามารถไถได้ที่ระดับความ ลึก 40-70 cm หรือมากกว่านั้น ขึ้นอยู่กับความยาวของขาไถและ การออกแบบ การทํางานของไถระเบิดดินดานจะอาศัยสิ่วที่ปลาย ขาไถไถลึกลงไปในชั้นดินดานหรือใต้ชั้นดินดานประมาณหนึ่งถึงสอง นิ้ ว เพื่ อให้ สิ่ วของไถทํ าลายโครงสร้ างของชั้ นดิ นดานที่ มี ความ หนาแน่ นสู ง โดยไม่ ทํ าให้ เกิ ดการผสมกั นของดิ นชั้ นบนและดิ น ชั้นล่าง
การไถระเบิดดินดานจะทําในขณะที่ดินมีความชื้นต่ําในฤดูแล้ง หลังจากเก็บเกี่ยวผลผลิตแล้ว เพื่อให้ชั้นดินดานเกิดการแตกตัวได้ดี เมื่อไถ และเนื่องจากการไถระเบิดดินดานเป็นการไถลึก และใช้แรง ในการลากสูง ทําให้เกิดความเสี่ยงที่จะไถชนกับอุปสรรคที่มองไม่ เห็นในดิน เช่น ก้อนหินขนาดใหญ่ รากไม้ ตอไม้ ฯลฯ แล้วสร้าง ความเสี ยหายอย่ างรุนแรงต่ ออุปกรณ์ ไถระเบิ ดดิ นดาน หรื อต้ น กําลังที่ใช้ลาก ในปัจจุบันมีการแก้ปัญหานี้โดยการใช้สลักนิรภัยมา เป็ นสลั กยึ ดขาไถระเบิ ดดิ นดานไว้ กั บโครงไถที่ ต่อพ่วงอยู่ กั บต้ น กําลัง เพื่อให้สลักนิรภัยขาดเมื่อมีภาระกระทํากับขาไถระเบิดดิน ดานเกินกว่าค่าที่กําหนด แต่อย่างไรก็ตามในการทํางานแต่ละครั้ง ต้ อ งใช้ ส ลั ก นิ ร ภั ย จํ า นวนมาก ขึ้ น อยู่ กั บ แต่ ล ะแปลง ซึ่ ง เป็ น ค่ าใช้ จ่ ายจํ านวนไม่ น้ อย อี กทั้ งต้ องเสี ยเวลาในการเปลี่ ยนสลั ก นิรภัยในทุกๆครั้งที่ไถชนกับอุปสรรคในดิน ปัญหาดังกล่าวสามารถแก้ได้โดยการปรับปรุงชุดไถระเบิดดิน ดานให้สามารถหลบอุปสรรคในดินได้ ด้วยต้นทุนการผลิตที่ไม่สูง จนเกินไป ดังนั้นแหนบสปริงรถยนต์จึงเป็นทางเลือกที่น่าสนใจที่จะ นํามาใช้รับแรงส่วนเกินที่เกิดขึ้นจากการไถชนอุปสรรคในดินแล้ว ทําให้สลักนิรภัยขาด เนื่องจากแหนบสปริงรถยนต์มีค่านิจสปริงสูง ซึ่งเหมาะสมกับการนํามาใช้กับไถระเบิดดินดาน และมีราคาถูกเมื่อ เทียบกับสปริงแบบขดที่ค่านิจสปริงใกล้เคียงกัน เพราะแหนบสปริง รถยนต์มีการผลิตใช้ในประเทศเป็นจํานวนมาก 2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 ขั้นตอนการศึกษาข้อมูล การศึกษาแรงที่ทําให้สลักนิรภัยของไถระเบิดดินดานขาดเพื่อใช้ เป็ นเงื่ อนไขการออกแบบ พบว่ าสลั กนิ รภั ยเหล็ กกล้ าคาร์ บอน AISI1020 ขนาด 0.75 inch ออกแบบให้ขาดแบบ single shear ซึ่ง แสดงตําแหน่งของสลักนิรภัยใว้ใน Figure 2 ดังนั้นจึงคํานวนค่าแรง ที่ ก ระทํ า กั บ ปลายขาไถในแนวราบที่ ทํ า ให้ ส ลั ก นิ ร ภั ย ขาดได้ ประมาณ 22 kN
Figure 2 Position of safety bolt on the shank of subsoiler.
382
การศึกษาพฤติกรรมของแหนบสปริงรถยนต์ในกรณีที่รับแรง ตามแนวความยาวของแหนบตาม Figure 3 พบว่าความสัมพันธ์ ระหว่างแรงกดกับระยะหดตัวนั้นไม่เป็นเส้นตรงดังแสดงใน Figure 4 ซึ่งได้มาจากการทดสอบกดแหนบสปริงรถยนต์ที่มีความหนา 6 mm ความกว้าง 70 mm ความยาวและระยะโก่งจากจุดยึดถึงจุด ยึด 300 mm และ 14 mm ตามลําดับในห้องปฏิบัติการ โดยใช้ Universal testing machine กดลงไปประมาณ 7 mm แล้วปล่อย กลับคืน โดยแหนบไม่เกิดความเสียหาย เนื่องจากเมื่อระยะหดตัว เพิ่มขึ้น ระยะโก่งของแหนบก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ทําให้โมเมนต์ ดัดที่เกิดจากแรงกดเพิ่มขึ้นตามระยะโก่งของแหนบ
2.3 การศึกษากลไกที่เหมาะสมเพื่อนํามาใช้ในการออกแบบ เพื่อให้ได้ตามเงื่อนไขการออกแบบที่ตั้งไว้จึงได้ทําการออกแบบ ชุดไถระเบิดดินดานแบบ A ตาม Figure 5 ขึ้น โดยใช้แหนบสปริง รถยนต์ใน ผิดพลาด! ไม่พบแหล่งการอ้างอิง ซึ่งยาว 950 mm มี ทั้งหมด 6 แผ่น แต่ละแผ่นหนา 9 mm กว้าง 7 mm ทั้งตับมาเรียง กลับด้าน แล้วประกอบเข้ากับหูแหนบทั้งสองข้าง รวมแล้วมีความ ยาว 1000 mm ทําให้ได้ความสัมพันธ์ระหว่างแรงกดกับระยะหด ตัวตาม Figure 6
Figure 3 The compression test of automotive leaf spring. Figure 5 Drawing of subsoiler A
Figure 4 Relationship between compressive force and deflection of the leaf spring. 2.2 กําหนดเงื่อนไขในการออกแบบ จากการศึกษาข้อมูลข้างต้นพบว่า 1.ขาไถระเบิดดินดานจะต้อง อยู่นิ่งในขณะที่ไถ จนกว่าจะมีแรงมากระทํากับปลายขาไถเกิน 22 kN เพื่อให้การไถระเบิดดินดานนั้นเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ 2. กําหนดระยะหดตัวสูงสุดของแหนบสปริงรถยนต์เพื่อไม่ให้เกิดความ เสียหาย ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแหนบ หรือชุดแหนบที่จะนํามาใช้ 3.ต้อง ออกแบบให้ปลายของขาไถสามารถยกตัวขึ้นได้ 50 cm จากระดับ ความลึกการทํางานถึงผิวดิน 4.แบบที่ออกจะต้องไม่มีความซับซ้อน เพื่อง่ายต่อการผลิตและดูแลรักษา 5.ชุดไถระเบิดดินดานที่จะผลิต ขึ้ น จะมี ทั้ ง หมดสามขา ดั ง นั้ น จึ ง ต้ อ งคํ า นึ ง ถึ ง น้ํ าหนั ก รวมของ อุปกรณ์ที่จะผลิตเพื่อให้สะดวกต่อการใช้งาน
Figure 6 Relationship between compressive force and deflection of automotive leaf springs which used for subsoiler A and B. ชุดไถระเบิดดินดานแบบ A ประกอบชุดของขาไถ OA กับปลาย ของขาไถ และแหนบสปริง AB ประกอบกันตาม Figure 7 เมื่อมี แรงมากระทํากับปลายของขาไถ จะทําให้เกิดแรงปฏิกิริยาขึ้นที่จุด O และ B และแรงปฏิกิริยาที่ B จะถูกส่งผ่านแหนบสปริง AB ที่ pre-load ไว้ ไปยังจุด A ถ้าหากแรงที่มากระทํากับปลายของขาไถ ทําให้เกิดแรงปฏิกิริยาที่จุด B เกินกว่าแรงที่แหนบ pre-load ไว้ ก็ จะทําให้ชุดของขาไถหมุนรอบจุด O ได้
383
จุด C และหากแรงนี้ทําให้เกิดโมเมนต์รอบจุด B เกินกว่าค่า โมเมนต์ที่เกิดจากแหนบสปริง OA ที่ pre-load ไว้ แขนกลไก BC และ CD ก็จะพับเข้าหากันทําให้ขาไถสามารถหมุนรอบจุด O ได้ และเมื่อปลายของขาไถยกขึ้นสูงจากระดับเดิม 500 mm แหนบ สปริง OA จะหดสั้นลงอีกประมาณ 7 mm จากระยะอัดเริ่มต้น
Figure 7 Mechanism of subsoiler A. ต่อมาได้ทําการหากลไกที่เหมาะสมกับเงื่อนไขที่กําหนดไว้มาใช้ ในการออกแบบใหม่เพิ่มเติม และได้นํากลไกแบบแขนพับสองแขนที่ มี พฤติ กรรมคล้ ายการโก่ งเดาะในเสา ที่ จะทํ าหน้ าที่ ค้ํ ายั นแทน แหนบสปริงโดยตรงเหมือนในชุดไถระเบิดดินดานแบบ A มาใช้ใน การออกแบบชุดไถระเบิดดินดานแบบ B ใน Figure 8 โดยใช้แหนบ สปริงรถยนต์ตัวที่สี่นับจากตัวยาวสุดซึ่งยาว 490 mm จากแหนบ ตับที่ใช้กับชุดไถระเบิดดินดานแบบ A เพียงแผ่นเดียวมาใช้เป็น สปริงแทนค่าความแข็งของเสาในกลไกการเดาะ ซึ่งเมื่อประกอบ แหนบดังกล่าวเข้ากับหูแหนบทั้งสองข้าง รวมแล้วมีความยาว 530 mm และทดสอบหาความสัมพันธ์ระหว่างแรงกดกับระยะหดตัว ตาม Figure 6
Figure 8 Drawing of subsoiler B. กลไกค้ํ ายั นที่ออกแบบประกอบด้ วยแขนค้ํ ายันสองแขน BC และ CD โดยที่จุด C นั้นจะถูกบังคับให้อยู่ต่ํากว่าแนวเส้นตรง BD เล็กน้อย และแขน BC นั้นถูกยันไว้ด้วยแหนบสปริง OA ตาม Figure 9 ดังนั้นเมื่อมีแรงมากระทําที่ปลายของขาไถ จะเกิดแรง ปฏิกิริยาที่จุด O และ D แล้วแรงปฏิกิริยาจากจุด D ก็จะส่งผ่านไป ยังแขน CD และ BC ซึ่งจะทําให้เกิดแรงตั้งฉากกับ BD ในทิศลง ที่
Figure 9 Mechanism of subsoiler B. 3 ผลและวิจารณ์ ผลการออกแบบของชุดไถระเบิดดินดานแบบ A ใน Figure 5 แสดงในกราฟความสัมพันธ์ระหว่างแรงที่กระทํากับปลายขาไถใน แนวระดับกับระยะยกของปลายขาไถไว้ใน Figure 10 ซึ่งแสดงให้ เห็นว่า เมื่อแรงที่กระทํากับปลายของขาไถมีค่าถึงค่าแรงที่กําหนด ไว้ 22.7 kN ขาไถจะเริ่มยกตัวขึ้น แล้วแรงที่ปลายของขาไถจะ เพิ่มขึ้นสูงสุดถึง 23.1 kN ที่ระยะยกของปลายขาไถ 37.5 mm แล้ว ค่อยๆลดลงจนถึง 0 kN ที่ระยะยกของปลายขาไถ 480 mm แต่ ข้อเสียที่สําคัญของชุดไถระเบิดดินดานแบบ A นั้นคือ ความยาว รวมของอุปกรณ์ทั้งชุดที่ค่อนข้างจะยาวมาก ซึ่งจะทําให้เกิดความ ยากลําบากในการทํางานจริง ส่วนผลการออกแบบของชุดไถระเบิดดินดานแบบ B ใน Figure 8 แสดงใน Figure 11 พบว่าเมื่อแรงที่กระทํากับปลายของขาไถถึง ค่า 23.4 kN ตามที่กําหนดไว้ แรงที่ปลายของขาไถจะลดลงในทันที เหลือ 4.6 kN แล้วค่อยๆเพิ่มขึ้นเป็น 15.1 kN เมื่อปลายของขาไถ ยกขึ้นถึง 500 mm หากต้องการทํางานต่อไป จะต้องยกอุปกรณ์ ขึ้นให้พ้นดิน เพื่อให้แหนบสปริงดันขาไถกลับสู่ตําแหน่งเดิม
384
Figure 10 Relationship between force and Lift displacement of the end of shank at the end of shank and leaf spring of subsoiler A.
6 เอกสารอ้างอิง กรมวิชาการเกษตร. 2523. เอกสารวิชาการอ้อย. สถาบันวิจัยพืชไร่. กรมวิชาการเกษตร กระทรวงเกษตรและสหกรณ์ เล่ม 1. คณะกรรมการจัดทําปทานุกรมปฐพีวิทยา. 2541. ปทานุกรม ปฐพีวิทยา. มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์. ประเทือง อุษาบริสุทธิ์ และธัญญา นิยมาภา. 2547. ผลกระทบของ การอัดแน่นของดินต่อการเจริญเติบโตและผลผลิตของอ้อย. รายงานการวิจัยฉบับสมบูรณ์ สํานักงานกองทุนสนับสนุนการ วิจัย สํานักนายกรัฐมนตรี. วัชรชาญ สุขเจริญวิภารัตน์. 2555. การศึกษาศักยภาพการขนส่ง อ้อยด้วยแทรกเตอร์ลากเทรลเลอร์. บัณฑิตวิทยาลัย มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์. Jurajuria, D., Draghi, L., Avagon, A. 1997. The effect of vehicle weight on the distribution of compaction with depth and the yield of Lolium/Trifolium grassland. Soil and Tillage Resaerch 41(1-2), 1-12.
Figure 11 Relationship between force and Lift displacement of the end of shank at the end of shank and leaf spring of subsoiler B. 4 สรุป จากการออกแบบพบว่า ชุดไถระเบิดดินดานแบบ B เหมาะสมที่ จะนํามาสร้างจริงมากกว่าชุดไถระเบิดดินดานแบบ A เนื่องจากมี ความกะทัดรัด ทําให้สะดวกในการทํางานจริง รวมทั้งสามารถสร้าง ได้ง่ายกว่า และยังใช้แหนบสปริงรถยนต์ที่ยาว 490 mm เพียงแผ่น เดียว 5 กิตติกรรมประกาศ ขอขอบคุณสํานักประสานงานวิจัยชุดโครงการด้านอ้อยและ น้ําตาล สํานักงานสนับสนุนการวิจัย (สกว.) ที่มอบทุนการวิจัยรหัส โครงการ RDG5750029 ขอบคุณภาควิชาวิ ศวกรรมเกษตร มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยเขตกําแพงแสนที่ซึ่งใช้เป็นสถานที่ ปฏิ บั ติ ง าน ขอบคุ ณ คุ ณ สั น ติ ภ าพ ศรี สุ ข จร และบริ ษั ท ศรี กําแพงแสนมอเตอร์ที่ให้การช่วยเหลือในการจัดสร้างอุปกรณ์ไถ ระเบิดดินดานชุดนี้ ขอบคุณ อ.ณรงค์ อุ่นคง และคณะ ที่ช่วยเหลือ ในการปฏิบัติงาน
385
TPM-07
การประเมินสมรรถนะการทํางานของเครือ่ งคีบอ้อย อิศราภรณ์ เนตรภักดี1* รุ่งเรือง กาลศิริศิลป์1 จตุรงค์ ลังกาพินธุ1์ วรุตม์ ล่าบ้านหลวง1 กฤษณะ พลสินธุ1์ 1
ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร, คณะวิศวกรรมศาสตร์, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุร,ี ธัญบุรี, ปทุมธานี, 12110 ผู้เขียนติดต่อ: อิศราภรณ์ เนตรภักดี E-mail: i.nadpakdee@gmail.com
บทคัดย่อ โครงการวิจัยเรื่อง การทดสอบสมรรถนะและประสิทธิภาพการทํางานของรถคีบอ้อย มีวัตถุประสงค์เพื่อทดสอบประเมินผล การทํางานของรถคีบอ้อยและวิเคราะห์ความเหมาะสมเชิงเศรษฐศาสตร์วิศวกรรม ดําเนินการศึกษาที่ไร่เกษตรกร อําเภอ ปากช่อง จังหวัด นครราชสีมา โดยมีรถคีบอ้อยที่ทดสอบในงานวิจัยนี้ เป็นชนิดติดตั้งบนรถแทรกเตอร์แบบคีบด้านหน้า ค่าชี้ผลการศึกษาได้แก่ ความสามารถในการคีบอ้อย อัตราการสิ้นเปลืองน้ํามันเชื้อเพลิง เปอร์เซ็นสิ่งเจือปนในอ้อย จุดคุ้มทุน และระยะเวลาในการคืนทุน ผล การศึกษาพบว่าความสามารถในการคีบอ้อย เฉลี่ยของรถคีบอ้อย มีค่าเท่ากับ 30 ตันต่อชั่วโมง อัตราการสิ้นเปลืองน้ํามันเชื้อเพลิง 0.5 ลิตรต่อตัน หรือมีค่าเท่ากับ 14.8 ลิตรต่อชั่วโมง ปริมาณสิ่งเจือปนในอ้อยเฉลี่ย 12 กิโลกรัมต่อน้ําหนักอ้อย 2,000 กิโลกรัม หรือคิด เป็นเปอร์เซ็นต์สิ่งเจือปนทั้งหมดเท่ากับ 0.60 เปอร์เซ็นต์ ผลการวิเคราะห์ความเหมาะสมเชิงเศรษฐศาสตร์วศิ วกรรมพบว่า จุดคุ้มทุนของรถคีบอ้อยแบบคีบหน้าชนิดบูมคู่มีค่าเท่ากับ 1,035.7 ตันต่อปี หรือเท่ากับ 34.5 ชั่วโมงต่อปี ค่าใช้จ่ายในการทํางานของรถคีบอ้อย เท่ากับ 38 บาทต่อตัน พิจารณาการใช้งานรถ คีบอ้อยเฉลี่ยต่อปี เท่ากับ 120 ชั่วโมง รถคีบอ้อยจะมีระยะเวลาในการคืนทุนเท่ากับ 2.2 ปี คําสําคัญ: สมรรถนะการทํางาน รถคีบอ้อย เปอร์เซ็นสิ่งเจือปน
PERFORMANCE EVALUATION OF SUGARCANE GRAB LOADER Isarabhorn Natebhakdee1*, Roongruang Kalsirisil1, Jaturong Langkapin1, Waroot Labanluang1, Kitsana Ponsin1 1
Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering, Rajamangala University of Technology Thanyaburi, ThanyaburiPathumthani, 12110
Corresponding author: Isarabhorn Natebhakdee. E-mail: i.nadpakdee@gmail.com
Abstract Research projet entitled performance evaluation of sugarcane grab loader was aimed to study the working capacity and economic analysis of the machine. This study was carried out in the sugarcane field at Pakchong district Nakhonratchasima province. The front loader mounted at the front-end of agricultural wheel tractor. The key performance indicator were working capacity, fuel consumption, percent of contamination, break even point and pay back period. Based on the test results the working capacity of the machine was 30 tonh-1 and the fuel consumption was 0.5 lton-1 or 14.8 lhr-1. The contamination was found to be 12 kg per 2000 kg of sugarcane. The percewntage of contamination was calculated as 0.6%. The economic analysis showed that the break even point of the machine was 1035.7 tonsyr-1 or 34.5 hryr-1. The operation cost of the machine was 38 Bahtton-1. Considering the working hour per year of the machine as 120, the paback period of the machine was found to be 2.2 year. Keywords: working capacity, sugarcane grab loader, percent of contamination
1 บทนํา อ้อยโรงงานเป็นพืชเศรษฐกิจที่สําคัญของประเทศไทย ใช้เป็น วัตถุดิบในอุตสาหกรรมน้ําตาล เพื่อใช้บริโภคในประเทศและส่งออก ปี 2556 ไทยมีการบริโภคน้ําตาลในประเทศ 2.50 ล้านตัน ส่งออก
7.52 ล้านตัน มูลค่า 100,000 ล้านบาท คิดเป็นอันดับ 3 ของมูลค่า การส่งออกทั้งหมดของประเทศ อ้อยโรงงานมีแหล่งเพาะปลูกใน ภาคตะวันออกเฉียงเหนือ ภาคกลาง และภาคเหนือของประเทศ ไทย ปี 2556 มีเนื้อที่เก็บเกี่ยว 8.26 ล้านไร่ ผลผลิต 100.10 ล้าน
386
ตัน โดยมีแหล่งเพาะปลูกหลักอยู่ในภาคตะวันอกเฉียงเหนือ มีเนื้อที่ เก็บเกี่ยว 3.55 ล้านไร่ คิดเป็นร้อยละ 42.98 ของเนื้อที่เก็บเกี่ยวทั่ว ประเทศ ผลผลิต 40.27 ล้านตัน คิดเป็นร้อยละ 40.23 ของผลผลิต ทั่วประเทศ การผลิ ตอ้ อยโรงงาน ระหว่างปี 2551/52-2555/56 ไทยมีเนื้อที่เพาะปลูก และผลผลิต เพิ่มขึ้นร้อยละ 9.10 และร้อยละ 12.37 ตามลําดับ ซึ่งในปัจจุบัน มีความต้องการแรงงานในการตัด อ้อยสูง และค่าแรงงาน มีราคา สูง ทําให้เกษตรกรนิยมมาใช้รถคีบ อ้อยมากขึ้น การใช้ รถคี บอ้ อยในประเทศไทยนั บว่ ามี การใช้งานกั นอย่ าง กว้ างขวางเพื่ อทดแทนแรงงานคนที่ ต้ องนํ าอ้ อยจากแปลงขึ้ นสู่ รถบรรทุกเข้าสู่โรงงาน Figure 1, 2 และ 3 แสดงรถคีบอ้อยที่ใช้ใน ประเทศไทย ในช่วงฤดูการเก็บเกี่ยวอ้อย แต่เนื่องจากปัญหาของ โรงงานคือปริมาณ ดินที่ติดไปกับอ้อยเนื่องจากการใช้รถคีบอ้อย ก่อให้เกิดปัญหาใน ขั้นตอนการผลิตน้ําตาลทราย ของโรงงานผลิต น้ําตาลทรายใน หลายๆ โรงงานทําให้ต้องสูญเสียเวลาไปกับการ ซ่อมแซม เครื่องจักร ดังนั้นวัตถุประสงค์ของการวิจัยนี้เพื่อทดสอบ และ ประเมินผลรถคีบอ้อย ตลอดจนประเมินความเหมาะสมเชิง เศรษฐศาสตร์วิศวกรรมของรถคีบอ้อยที่ผลิตในประเทศไทย
Figure 1 Three wheel sugarcane grab loader
Figure 2 tractor front mounted sugarcane grab loader
Figure 3 tractor rear mounted sugarcane grab loader 2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 การวัดขนาดของรถคีบอ้อย 1. วัดส่วนประกอบสําคัญของเครื่องคีบอ้อย การวัดหน้ากว้าง ของปากคี บ ใช้ ต ลั บ เมตรวั ด ที่ วั ด ได้ ล ะเอี ย ด ไม่ ต่ํ า กว่ า 0.5 เซนติเมตร วัดระยะหน้ากว้างของปากคีบ โดยวัด ระยะจากขอบ นอกของซี่คีบด้านซ้ายสุดจนไปถึงขอบ นอกซี่คีบ ด้านขวาสุด ซึ่ง ตําแน่งการวัดแสดงดัง Figure 4
Figure 4 Measurment of sugarcane grab loader width 2. การวัดระยะอ้าของปากคีบ อ้าปากคีบจนได้ ระยะกว้าง ที่สุด ใช้ตลับเมตรที่วัดได้ละเอียดไม่ต่ํากว่า 0.5 เซนติเมตร วัด ระยะอ้าของปากคีบ โดยวัดระยะที่ใกล้ที่สุด ระหว่างปลายซี่ของ ปากคีบแต่ละข้างบนและล่าง ดัง Figure 5
Figure 5 Measurement of grab maximum open 3. การวัดระยะยกของแขนยก จอดเครื่องคีบอ้อย บนพื้นราบ ยกแขนยกจนกระทั่งได้ระยะยกสูงที่สุด ใช้ตลับเมตร วัดระยะของ แขนยก โดยวัดจากจุดหมุนของปากคีบถึงจุดตั้งฉาก พื้นราบ ดัง Figure 6 387
Figure 6 Measurement of maximum loading height 4. การวัดระยะระหว่างปากคีบจนถึงล้อหน้า จอดเครื่องคีบ อ้อยบนพื้นราบ ลดระดับแขนยกลงจนกระทั่งได้ระยะยกต่ําสุด ใช้ ตลับเมตรวัดระยะยื่นของแขนยก โดยวัดจากส่วนหน้าสุดของรถ แทรกเตอร์จุดหมุนปากคีบ Figure 7
Figure 7 Measurement distance between front wheel and grab 2.2 หาความสามารถในการคีบของปากคีบ นํ าอ้ อยซึ่ งมี เส้ นผ่ านศู นย์ กลางไม่ น้ อยกว่ า 2.5 เซนติ เมตร ความยาวไม่น้อยกว่า 2.5 เมตร คละกันจัดเรียงใหเป็น กองบนพื้น จํ านวน 1 กอง ให้ น้ํ าหนั กลํ าอ้ อยรวมทั่ งกองไม่ น้ อย กว่ า 500 กิโลกรัม ขับเคลื่อนเครื่องครีบอ้อยตามลักษณะการทํางาน จริง ครีบลําอ้อยจากกองที่เตรียมไว้ขึ้น ชั่งน้ําหนักลําอ้อยที่คีบได้ โดยใช้ เครื่องชั่งที่ชั่งได้ละเอียดไม่ต่ํากว่า 1 กิโลกรัม ปฏิบัติซ้ําจํานวน 20 ครั้ง คํานวณหาค่าลี่ยของน้ําหนักครีบ 20 ครั้ง ตรวจสอบ ความ เสียหายของปากคีบ แขนยก โครงสร้างเหล็ก และระบบควบคุม 2.3 ความเร็วในการยกน้ําหนักของแขนยก นํ า ลํ า อ้ อ ยหรื อ วั ส ดุ อื่ น ซึ่ ง มี ลั ก ษณะคล้ า ยลํ า อ้ อ ย ซึ่ ง มี เส้นผ่าศูนย์กลางไม่น้อยกว่า 2.5 เซนติเมตร ความยาวไม่ น้อยกว่า 2.5 เมตร คละกัน จัดเป็นมัดจํานวน 1 มัด โดยที่ น้ําหนัก ร่วมของ มัดลํ าอ้ อยไม่ น้อยกว่ า 500 กิ โลกรัม วางมัดลํ าอ้ อยบนพื้ น ขับเคลื่อนเครื่องคีบอ้อย ตามลักษณะการทํางานจริง คีบมัด ลํา อ้อยที่เตรียมไว้ ยกมัดลําอ้อยที่คีบไว้ขึ้นด้วยความเร็วของการยก มัดลําอ้อยให้จับเวลาของการยก โดยเริ่มการจับเวลาเมื่อแขน ยก หยุดนิ่งที่ตําแหน่งปากคีบสัมผัสกับพื้นและหยุดจับเวลาเมื่อแขนยก หยุดนิ่งที่ตําแหน่งสุดระยะของแขนยก ลดระดับแขนยก ลง จนกระทั่งปากคีบสัมผัสกับพื้นปฏิบัติซ้ําจํานวน 20 ครั้ง คํานวณ
ค่าเฉลี่ยของเวลาของการยก 20 ครั้ง ตรวจสอบความ เสียหายของ ปากคีบ โครงสร้างหลัก และระบบควบคุม 2.4 ทดสอบความสามารถในการทํางานของระบบควบคุม นําลําอ้อยซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่น้อยกว่า 2.5 เซนติเมตร ความยาวไม่น้อยกว่า 2.5 เมตร คละกันจัดเป็นมัดจํานวน 1 มัด โดยที่ น้ํ าหนั กรวมของมั ดลํ าอ้ อยไม่ น้ อยกว่ า 500 กิ โลกรั ม ขับเคลื่อนเครื่องคีบอ้อยตามลักษณะการทํางานจริง วางมัดลํา อ้อย บนพื้น อ้าปากคีบจนกระทั่งได้ระยะอ้ากว้างสุด คีบมัดลําอ้อยที่ เตรียมไว้ ยกลําอ้อยที่คีบขึ้นด้วยความเร็วของการยก สูงสุดของ เครื่องคีบอ้อยจนกระทั่งสุดระยะของแขนยก ลดระดับแขนยกลดลง จนกระทั่งปากคีบสัมผัสกับพื้นนับจํานวนรอบการ ทํางานเป็น 1 รอบ ปฏิบัติ ติดต่อกันโดยไม่หยุดพักเป็น เวลาไน้อยกว่า 3 ชั่วโมง บันทึกจํานวนรอบการทํางานทั้งหมดนับเป็น การทดสอบครั้งที่ 1 ปฎิบัติการซ้ําด้วยกันทั้งหมด ตรวจความเสียหายของปากคีบ แขน ยก โครงสร้างหลัก และระบบควบคุม 2.5 การวิเคราะห์หาสิ่งเจือปนในการคีบอ้อย นําลําอ้อยซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่น้อยกว่า 2.5 เซนติเมตร ความยาวไม่น้อยกว่า 2.5 เมตร คละกัน จัดเป็นมัด จํานวน 1 มัด โดยที่น้ําหนักรวมของมัดลําอ้อยไม่น้อยกว่า 500 กิโลกรัม ขับเคลื่อนเครื่องคีบอ้อยตามลักษณะการทํางานจริง คีบอ้อย วาง ไว้บนผ้าใบทั้งหมด 3 กอง จากนั้นคีบอ้อยทั้ง 3 กองออกจาก ผ้าใบ ชั่งน้ําหนักสิ่งเจือปนของแต่ละกอง คํานวณหาค่าเฉลี่ยสิ่ง ปนเปื้อนของทั้ง 3 กอง เปอร์เซ็นต์ความสะอาดของอ้อย สามารถ คํานวณได้จากสมการที่ 1 Ps
Sc x100 Sc In
(1)
= เปอร์เซ็นต์ความสะอาดของอ้อย = น้ําหนักอ้อยสะอาด (kg) = น้ําหนักสิง่ เจือปน เช่น ดิน ทราย เศษใบอ้อย 2.6 ทดสอบความสามารถในการทํางาน นําลํ าอ้อยซึ่ งมีเส้นผ่านศูนย์ กลางไม่น้ อยกว่า 2.5เซนติเมตร ความยาวไม่น้อยกว่า 2.5 เมตร คละกัน จัดเป็นมัดจํานวน 1 มัด กิ โลกรั ม โดยที่ น้ํ าหนั กรวมของมั ดลํ าอ้ อยไม่ น้ อยกว่ า 500 ขับเคลื่อนเครื่องคีบอ้อยตามลักษณะการทํางานจริงคีบกองอ้อยขึ้น รถบรรทุกทั้งหมด 4 กอง พร้อมกับจับเวลาทําซ้ําตั้งแต่ข้อที่ 1 ถึง ข้อที่ 3 จํานวน 3 รอบ คํานวณหาค่าเฉลี่ยในการคีบทั้งหมด 3 รอบ ความสามารถในการคีบ คํานวณได้จากสมการที่ 2
388
FC
W TA
= ความสามารถในการทํางาน (กก/ชม) = น้ําหนักอ้อย (กก.)
(2)
= เวลาในการทํางาน (ชม.)
= ค่าใช้จ่ายคงที่ (บาท/ ปี) = อัตราการรับจ้าง (บาท/ ชม) = ค่าใช้จ่ายผันแปร (บาท/ ชม) 3 ผลและการวิจารณ์ 3.1 ผลการทดสอบการวั ด ขนาดของเครื่ อ งคี บ อ้ อ ย FORD 6610 โดยทําการวัดระยะหน้ากว้างของปากคีบ (W) ระยะ อ้าของปากคีบ (L) ระยะยกของแขนยก (H) ระยะระหว่าง ปากคีบ จนถึงล้อหน้า (C) แสดงผลใน Table 1
Figure 8 Arrangement for measuring working capacity of sugarcane grab loader Table 1 Dimensions of sugarcane grab loader 2.7 วิเ คราะห์ ความเหมาะสมในการใช้ ง านเชิ ง เศรษฐศาสตร์ รายการ ผลการวัดระยะ (m) ระยะหน้ า กว้ า งของปากคี บ (W) 1.06 วิศวกรรม ระยะอ้ า ของปากคี บ (L) 1.5 วัตถุประสงค์เพื่อวิเคราะห์ค่าใช้จ่ายในการทํางาน จุดคุ้มทุน ระยะยกของแขนยก (H) 5.3 และวิเคราะห์หาระยะเวลาในการคุ้มทุนของรถคีบอ้อย โดยมีวิธีการ ระยะระหว่างปากคีบจนถึงล้อหน้า (C) 1.35 ดังนี้ 3.2 การทดสอบในการคีบของปากคีบจํานวน 20 ครั้ง บันทึก 1. ค่าเสื่อมราคา (Depreciation) คํานวณได้จากสมการที่ 3 ค่าน้ําหนักของอ้อยในแต่ละครั้ง ทําการทดสอบกับรถคีบ PS D (3) อ้อย FORD 6610 มีผลการทดสอบแสดงดัง Table 2
L
= ค่าเสื่อมราคา (บาท/ปี) = ราคาเครื่องจักร (บาท) = มูลค่าซาก (บาท) = อายุการใช้งาน (ปี) 2. ค่าดอกเบี้ย หรือค่าเสียโอกาสในการลงทุน สามารถคํานวณ ได้จากสมการที่ 4 PS I xi 2
(4)
= ค่าดอกเบี้ย ( บาท/ปี ) = อัตราดอกเบี้ยทศนิยม 3. ระยะเวลาในการคืนทุน (PBP) ของเครื่องจักร คืออัตราส่วน ระหว่าง ราคาของเครื่องจักร ต่อ กําไรสุทธิเฉลี่ยต่อปีคํานวณได้จาก สมการที่ 5 P PBP R
Table 2 Weight of sugarcane during testing ข้อมูลต่างๆ ค่าสูงสุด ค่าต่ําสุด ค่าเฉลี่ย ส่วนเบี่ยงเบน มาตรฐาน
เวลาของการยก (s) 22.2 15.1 18.34 2.37
จากตาราง ผลการทดสอบได้ น้ําหนักยกอ้อยสูงสุดเท่ากับ 810 กิโลกรัม ค่าต่ําสุด 643 กิโลกรัม ค่าเฉลี่ยของน้ําหนักอ้อยในการ ยก 20 ครั้งมีค่าเท่ากับ 719.2 กิโลกรัม ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน 54.45 14 วินาที เวลาในการยกน้อยสุด 15.1 วินาที เวลาเฉลี่ยใน การยก 20 ครั้งเท่ากับ 18.34 วินาที ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน 2.37 วินาที Table 3 แสดงผลการบันทึกความเสียหายของปากคีบใน ระหว่างการทดสอบการยก
(5)
= ค่าดอกเบี้ย ( บาท/ปี ) = อัตราดอกเบี้ยทศนิยม = กําไรสุทธิต่อปี (บาท/ปี) 4. จุดคุ้มทุน (Break Even Point) คํานวณได้จากสมการที่ 6 Fc BEP B VC
น้ําหนักของการคีบ (kg) 810 643 719.2 54.45
(6)
= จุดคุ้มทุน (ชม./ปี) 389
เกษตรกร อําเภอ ปากช่อง จังหวัดนครราชสีมา โดยมีค่าชี้ ผลใน การศึกษาได้แก่ ความสามารถในการทํางาน อัตรา การสิ้นเปลือง น้ํามันเชื้อเพลิง และเปอร์เซ็นต์สิ่งเจือปนผล การทดสอบแสดงใน Table 6 และ Figure 6
Table 3 Damage of grab, loader boom main frame and control system อุปกรณ์ ปากคีบ แขนยก โครงสร้าง ระบบควบคุม
ความ เสียหาย มี ไม่มี √ √ √ √
การ บิดเบี้ยว มี ไม่มี √ √ √ √
การหัก แตก ร้าว มี ไม่มี √ √ √ √
การ รั่วซึม มี ไม่มี √ √ √ √
Table 6 Working capcacity of sugarcane grab loader
จากตารางผลการทดสอบของปากคีบ ทั้งหมด 20 ครั้ง ไม่มีการ เสียหายของปากคีบไม่ว่าจะเป็นการบิดเบี้ยวหรือแตกหัก โครงสร้าง หลัก และระบบควบคุมก็เช่นกัน มีความเสียหายของแขนยก คือ มีการรั่วซึมเพียงของอย่างเดียว 3.3 ผลการทดสอบความสามารถในการทํ า งานของระบบ ควบคุม ทดสอบกับรถคีบอ้อย FORD 6610 แสดงดัง Table 4-5 Table 4 Loading cycle time of sugarcane grab loader การทดสอบครั้งที่ 1 2
Table 5 Damage of grab, loader boom, main frame and control system
ปากคีบ แขนยก โครงสร้าง ระบบควบคุม
ความ เสียหาย มี ไม่มี √ √ √ √
4. น้ําหนักอ้อยทั้งหมดในการทดสอบ (กก.) 5. เวลาที่ใช้ในการทดสอบ (นาที) 6. ปริมาณน้ํามันเชือ้ เพลิงที่ใช้ (ลิตร/ตัน) 7. ความสามารถในการทํางาน (ตัน/ชม.) 8. ความสิ้นเปลืองน้าํ มันเชื้อเพลิง (ลิตร/ชม.) 9. ปริมาณสิ่งเจือปนในอ้อย (กก.) 10. เปอร์เซ็นต์สิ่งเจือปน (%)
รายละเอียด 70 อู่ทอง 10 FORD 6610 (คีบหน้าแบบบูมคู่) 2000 4 0.5 30 14.8 12 0.60
จํานวนรอบการทํางาน (รอบ) 457 (คีบยกขึ้น-ลง) 423 (คีบปล่อย)
จากตารางผลการทดสอบระบบควบคุ ม เครื่ อ งคี บ อ้ อย ใน ระยะเวลา 3 ชั่วโมง โดยไม่หยุดพัก การทดสอบครั้งที่ 1 ได้ 457 รอบ โดยการคีบอ้อยยกขึ้น-ลง การทดสอบครั้งที่ 2 ได้ 423 รอบ โดยการคีบอ้อยแล้วปล่อยอ้อยวางลงที่พื้น Table 5 แสดงแสดงผล การบั นทึ กความเสี ยหายของปากคี บโครงสร้ างหลั กและ ระบบ ควบคุมของรถคีบอ้อย
อุปกรณ์
รายการ 1. พื้นที่ทดสอบ (ไร่) 2. พันธุ์อ้อยที่ใช้ทดสอบ 3. รายละเอียดรถคีบอ้อย
การ บิดเบี้ยว มี ไม่มี √ √ √ √
การหัก แตก ร้าว มี ไม่มี √ √ √ √ √
การ รั่วซึม มี ไม่มี √ √ √ √ √ √ √
จากตารางผลการทดสอบของปากคีบ ทั้งหมด 20 ครั้ง ไม่มีการ เสียหายของปากคีบไม่ว่าจะเป็นการบิดเบี้ยวหรือแตกหัก โครงสร้าง หลัก และระบบควบคุมก็เช่นกัน มีความเสียหายของ แขนยก คือ มีการรั่วซึมของน้ํามันไฮดรอลิคเพียงของอย่างเดียว 3.4 การทดสอบความสามารถในการทํางานของรถคีบ อ้อย แบบคีบหน้าชนิดบูมคู่ ดําเนินการทดสอบที่ ไร่อ้อยของ
Figure 9 The tractor front mounted sugarcane grab loader in operation จากตางรางผลการทดสอบความสามารถในการคีบอ้อย เฉลี่ย ของรถคีบอ้อย มีค่าเท่ากับ 30 ตันต่อชั่วโมง ปริมาณน้ํามัน เชื้อเพลิงที่ใช้ 0.5 ลิตรต่อตัน หรือมีค่าเท่ากับ 14.8 ลิตรต่อชั่วโมง ปริมาณสิ่งเจือปนในอ้อยเฉลี่ย 12 กิโลกรัมต่อ น้ําหนักอ้อย 2,000 กิ โลกรั ม หรื อคิ ดเป็ นเปอร์ เซ็ นต์ สิ่ งเจื อปนทั้ ง หดเท่ ากั บ 0.60 เปอร์เซ็นต์ จากข้อมูลดังกล่าวพบว่า เปอร์เซ็นต์ สิ่งเจือปนได้แก่ ใบ อ้อย และ เปลือกอ้อยซึ่งมีจํานวนน้อย เป็นที่ ยอมรับของโรงงาน น้ําตาล โดยเฉลี่ย รถคีบอ้อย จะทํางาน ประมาณวันละ 2 ชั่วโมง ซึ่งสามารถคีบอ้อยได้ประมาณ 60 ตัน ต่อวัน ซึ่งผลการทดสอบจะ สอดคล้องกับผล การศึกษาของ พูล ประเสริฐ ปิยะอนันต์และคณะ [19] ผลการวิเคราะห์ความ เหมาะสมเชิงเศรษฐศาสตร์วิศวกรรม พบว่า จุดคุ้มทุนของรถคีบ อ้อยแบบคีบหน้า ชนิดบูมคู่มีค่าเท่ากับ 1,035.7 ตันต่อปี หรือเท่ากับ 34.5 ชั่วโมงต่อปี ค่าใช้จ่าย ในการ ทํางานของรถคีบอ้อยเท่ากับ 38 บาทต่อตัน พิจารณาการใช้งานรถ
390
คีบอ้อย เฉลี่ยต่อปี เท่ากับ 120 ชั่วโมง รถคีบอ้อยจะมีระยะเวลา ในการคืนทุนเท่ากับ 2.2 ปี ซึ่งมีความเหมาะสมในการลงทุนเชิง เศรษฐศาสตร์ วิศวกรรม รายละเอียด แสดงดัง Table 7 Table 7 Economic analysis of Sugarcane Grab Loader รายละเอียด 1.ราคาของเครื่องคีบอ้อย (ไม่รวมราคา แทรกเตอร์) 2. อายุการใช้งาน 3. ชั่วโมงการใช้งานต่อปี 4. อัตราดอกเบีย้ 10% (บาท) 5. มูลค่าซาก (10% ของราคารถ) 6. ค่าเสื่อมราคา 7. รวมค่าใช้จ่ายคงที่ 8. ค่าแรงงานพนักงานขับรถ 9. ค่าน้ํามันเชื้อเพลิง 10. ค่าน้ํามันหล่อลื่น 20% Fuel 11. ค่าซ่อมแซมและบํารุงรักษา 12. รวมค่าใช้จ่ายผันแปร 13. อัตราการรับจ้าง 14. จุดคุ้มทุน 15. ระยะเวลาคืนทุน
(Baht)
(yr) (Baht yr 1 ) (Baht yr 1 ) (Baht) (Baht yr 1 ) (Baht yr 1 ) (Baht hr 1 ) (Baht hr 1 ) (Baht hr 1 ) (Baht hr 1 ) (Baht hr 1 ) (Baht hr 1 ) (hr) (yr)
เครื่องคีบอ้อย 170,000
5 กิตติกรรมประกาศ ขอขอบคุณคณาจารย์สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องจักรกลเกษตร คณะวิศวกรรมศาสตร์โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อาจารย์ที่ปรึกษา รอง ศาสตราจารย์ ดร.รุ่งเรือง กาลศิริศิลป์ ที่สนับสนุนในการทําวิจัย ขอขอบคุณเกษตรกรเจ้าของรถคีบอ้อยและไร่อ้อย ที่อําเภอปาก ช่อง จังหวัดนครราชสีมาในการเอื้อเฟื้อสถานที่ในการทดสอบ 6 เอกสารอ้างอิง พูลประเสริฐ ปิยะอนันต์ , บพิตร ตั้งวงศ์กิจ และนิติ สายจันทร์. 2538. การศึกษาเปรียบเทียบการเก็บเกี่ยวอ้อย ด้วยแรงงานคน และเครื่องจักร ในจังหวัดกําแพงเพชร, ภาควิชาเกษตรกลวิธาน คณะเกษตร มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์วิทยาเขตกําแพงแสน นครปฐม ; แหล่งข้อมูล http://kucon.lib.ku.ac.th/Fulltext/KC3511023.pdf/ เข้าถึงเมื่อ 18 สิงหาคม 2558 รุ่งเรือง กาลศิริศลิ ป์. 2545. เครื่องจักรกลเกษตร 2. มหาวิทยาลัย เทคโนโลยีราชมงคลธัญบุร.ี รุ่งเรือง กาลศิริศลิ ป์. 2545. การจัดการเครื่องจักรกลเกษตร. มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี. สมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย. 2556. ร่างมาตรฐาน ผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม เครื่องคีบอ้อย มอก XXX.
10 120 9,350 17,000 15,300 24,650 240 330 66 300 936 1,650 34.5 2.2
4 สรุป ผลการศึกษาสมรรถนะและประสิทธิ ภาพของคีบเครื่องอ้อย พบว่ าความสามารถในการคี บอ้ อย เฉลี่ ยของรถคี บอ้ อย FORD 6610 มีค่าเท่ากับ 30 ตันต่อชั่วโมง อัตราการสิ้นเปลืองน้ํามัน เชื้อเพลิง 0.5 ลิตรต่อตัน หรือมีค่าเท่ากับ 14.8 ลิตรต่อชั่วโมง ปริมาณสิ่งเจือปนใน อ้อยเฉลี่ย 12 กิโลกรัมต่อน้ําหนักอ้อย 2,000 กิโลกรั ม หรื อคิ ดเป็ นเปอร์ เซ็ นต์ สิ่ งเจื อปนทั้ งหมดเท่ ากั บ 0.60 เปอร์เซ็นต์ ผลการวิ เคราะห์ ความเหมาะสมเชิ งเศรษฐศาสตร์ วิศวกรรม พบว่า จุดคุ้มทุนของรถคีบอ้อยแบบคีบหน้าชนิดบูมคู่มีค่าเท่ากับ 1,035.7 ตันต่อปี หรือเท่ากับ 34.5 ชั่วโมงต่อปี ค่าใช้จ่ายในการ ทํางานของรถคีบอ้อย เท่ากับ 38 บาทต่อตัน พิจารณาการใช้งาน รถคีบอ้อยเฉลี่ยต่อปี เท่ากับ 120 ชั่วโมง รถคีบอ้อยจะมีระยะเวลา ในการคืนทุนเท่ากับ 2.2 ปี ซึ่งมีความเหมาะสมในการลงทุนเชิง เศรษฐศาสตร์วิศวกรรม
391
TPM-08
การพัฒนาอุปกรณ์พรวนกลบเศษวัสดุอ้อยแบบไถจานชนิดใช้กาํ ลังขับ ศิริศักดิ์ เชิดเกียรติพล1*, อนิวรรต บํารุงวงศ์1, ประเทือง อุษาบริสุทธิ์1, ธัญญา นิยมาภา1 1
ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร คณะวิศวกรรมศาสตร์ กําแพงแสน มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตกําแพงแสน, นครปฐม, 73140 ผู้เขียนติดต่อ: ศิริศกั ดิ์ เชิดเกียรติพล E-mail: fengsrcp@ku.ac.th
บทคัดย่อ การจัดการเศษวัสดุอ้อยตลอดจนการพรวนกลบเศษวัสดุอ้อยในไร่ถือเป็นสิ่งสําคัญสําหรับการอนุรักษ์ดินและเป็นสิ่งสําคัญต่อ การจัดการดินในการผลิตอ้อย อุปกรณ์ไถจานชนิดใช้กําลังขับจึงถูกพัฒนาเพื่อจัดการเศษวัสดุอ้อยในไร่ระหว่างแนวอ้อยตอและเพื่อลด ผลกระทบเนื่องจากการลุกลามของไฟไหม้ไร่อ้อยในประเทศไทย ดําเนินการทดสอบสมรรถนะของอุปกรณ์พรวนกลบเศษวัสดุอ้อยในไร่โดย มีใบอ้อยปกคลุมผิวดินหนา 20 เซนติเมตร ดัชนีรูปกรวยของดินหรือความต้านทานการแทงทะลุดินเฉลี่ย 3.7 MPa ปริมาณความชื้นของดิน 13.96% (db) และความหนาแน่นมวลรวมสภาพแห้ง 1.75 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ทดสอบที่ความเร็วการเคลื่อนที่ของรถแทรกเตอร์ 2.07, 3.03 และ 4.34 กิโลเมตรต่อชั่วโมง มุมชุดจานไถ 35° และ 40° และทดสอบที่ความเร็วรอบการหมุนที่ผานจานไถ 120, 150 และ 167 รอบต่อนาที ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าที่มุมชุดจานไถ 40° อุปกรณ์ไถพรวนกลบเศษวัสดุอ้อยใช้กําลังจําเพาะที่เพลาอํานวยกําลัง เพื่อการพรวนกลบเศษวัสดุอ้อยในไร่น้อยกว่าการไถพรวนกลบที่มุมชุดจานไถ 35° ในทุกเงื่อนไขความเร็วการเดินทางของรถแทรกเตอร์และ ในทุกเงื่อนไขความเร็วรอบหมุนที่ชุดผานจานไถ และพบว่าที่เงื่อนไขการทดสอบมุมชุดจานไถ 35° อุปกรณ์ไถพรวนกลบเศษวัสดุอ้อยที่ ความเร็วรอบหมุนชุดผานจานไถ 150 และ 167 รอบต่อนาที ใช้กําลังจําเพาะที่เพลาอํานวยกําลังสูงกว่าการพรวนกลบเศษวัสดุอ้อยที่มุมชุด จานไถ 40° อยู่ในช่วงระหว่าง 18.26-38.93% and 3.49-7.38% ตามลําดับ และอุปกรณ์ที่พัฒนาใช้กําลังจําเพาะที่เพลาอํานวยกําลัง เพิ่มขึ้นเมื่อชุดผานจานไถไถพรวนและพลิกดินกลบใบอ้อยด้วยความเร็วรอบหมุนเพิ่มขึ้น คําสําคัญ: อ้อย, ไถจานชนิดใช้กําลังขับ, กําลังจําเพาะที่เพลาอํานวยกําลัง
Development of Sugarcane-Trash Incorporator by Using Powered Disc Tiller Sirisak Choedkiatphon1*, Aniwat Bamrungwong1, Prathuang Usaborisut1, Tanya Niyamapa1 1
Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering at Kampheang Sean, Kasetsart University Kamphaeng Saen Campus, Nakhon Pathom, 73140. Corresponding author: Sirisak Choedkiatphon. E-mail: fengsrcp@ku.ac.th
Abstract Sugarcane residue management through conservation tillage is important for soil conservation and its productivity management. The trash Incorporator by using powered disc tiller was developed to improve the sugarcane residue management between the rows of ratoon cane and to reduce the effect of sugarcane burning on the sugarcane field in Thailand. The performance tests were conducted in soil with 20 cm thickness of sugarcane leaves covered on sugarcane field. The average soil cone index was 3.7 MPa. The soil moisture content and the soil dry bulk density were 13.96% (db) and 1.75 gcm-3, respectively. Tests were carried out at different forward speeds of 2.07, 2.96 and 4.37 kmh-1, gang angles of 35° and 40° and disc revolution speeds of 130, 150 and 167 rpm. The results showed that at 40° gang angle setting, consumed less specific power compared to 35° gang angle setting at all forward speeds and disc revolution speeds. The implement consumed as much as 18.26-38.93% and 3.49-7.38% more specific power at 35° gang angle setting than 40° gang angle setting at disc revolution speeds of 150 and 167 rpm, respectively. The specific power consumption increased with higher disc revolution speeds at all forward speed. Keywords: sugarcane, powered disk tiller, specific pto power
392
1 บทนํา การเผาใบอ้อยในไร่ยังคงเป็นปัญหาหลักที่ส่งผลอย่างรุนแรงต่อ ระบบนิ เวศน์ในไร่ อ้อยและสิ่ งแวดล้อมเนื่ องด้ วยปัญหาการขาด แคลนแรงงาน นวัตกรรม และองค์ความรู้เกี่ยวกับการจัดการดินใน ไร่อ้อยที่เหมาะสม อีกทั้งเป็นวิธีกําจัดเศษพืชบนไร่อ้อยที่รวดเร็ว (กล้าณรงค์ ศรีรอต, 2546) การเผาใบอ้อยในไร่ส่งผลอย่างรุนแรง ต่อ สภาพโครงสร้างของดิน ระบบนิเวศน์ในดิน และสิ่งแวดล้อม การเผาใบอ้อยในไร่ทําให้สูญเสียความชื้นในดิน ก้อนดินจับตัวกัน แน่นและแข็ง ส่งผลให้รากอ้อยเจริญเติบโตไม่เต็มที่ทําให้รากอ้อย ดู ดสารอาหารได้ ในบริ เวณที่ จํ ากั ด อี กทั้ งก่ อให้ เกิ ดมลพิ ษทาง อากาศและสภาวะโลกร้อนอีกทางหนึ่ง (กรมพัฒนาที่ดิน, 2548) ปฏิเสธไม่ได้ว่าการเผาใบอ้อยของเกษตรกรเป็นส่วนสําคัญส่วนหนึ่ง ของปัญหาที่ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม เนื่องด้วยในการปลูก อ้อยเกษตรกรยังคงใช้วิธีการเผาใบอ้อยเพื่อความสะดวกในการเก็บ เกี่ยวอ้อย และการเผากําจัดใบอ้อยเพื่อลดปัญหาการเกิดเพลิงใหม่ ในไร่ขณะอ้อยตอกําลังเจริญเติบโต เห็นได้ว่ามีความจําเป็นอย่าง มากในการพัฒนาอุปกรณ์การเกษตรและองค์ความรู้ที่เกี่ยวข้องใน การจัดการดินและใบอ้อยในไร่ อีกทั้งการไถพรวนดินพร้อมการสับ และฝังกลบใบอ้อยที่ปกคลุมดินระหว่างร่องอ้อยเป็นวิธีการจัดการ ดินเชิงอนุรักษ์ (conservation) ซึ่งการสับย่อยใบอ้อยที่ปกคลุมผิว ดินระหว่างร่องอ้อยพร้อมกับคลุกเคล้าใบอ้อยผสมในเนื้อดินเป็น การปรับปรุงสภาพการหมุนเวียนของน้ําและอากาศในโครงสร้างดิน และเพิ่ มปริ ม าณอิ น ทรี ย วั ตถุ ในดิ น นอกจากนั้ น การพรวนดิ น ระหว่างแนวอ้อยตอ ถือเป็นวิธีการเพิ่มจํานวนรากแขนงของอ้อยซึ่ง ส่งผลให้อ้อยตอเจริญเติบโตได้ดียิ่งขึ้น การตรวจเอกสารแสดงให้เห็นว่าในปี พ.ศ. 2547 สถาบันวิจัย เกษตรวิศวกรรม และศูนย์วิจัยและพัฒนาการเกษตรสุพรรณบุรี กรมวิ ชาการเกษตร ดํ าเนิ นการพั ฒนาอุ ปกรณ์ พรวนสั บใบอ้ อย ระหว่างแนวอ้อยตอสําหรับต่อพ่วงรถแทรกเตอร์ในประเทศไทย ดําเนินการโดย อรรถสิทธิ์ และคณะ (2547) พัฒนาเครื่องสับใบ อ้ อยระหว่ างแถวอ้ อยตอที่ ใช้ กั บรถแทรกเตอร์ ขนาดตั้ งแต่ 75 แรงม้าขึ้นไป เพื่อแก้ปัญหาการเผาใบอ้อยหลังการเก็บเกี่ยวอ้อย ของเกษตรกร เครื่องสับใบอ้อยระหว่างแถวอ้อยตอประกอบด้วย ชิ้นส่วนหลัก คือ ชุดผานจักรสับใบอ้อย 2 ชุด และจอบหมุน 2 ชุด ผานจั ก รสั บ ใบอ้ อยทํ าหน้ า ที่ สั บ ใบอ้ อยให้ มี ขนาดเล็ ก ลง และ อุปกรณ์ไถจอบหมุนจะทําหน้าที่สับใบอ้อยคลุกเคล้าลงดิน สุภาษิต และคณะ (2547) พัฒนาจอบหมุนแบบแถวเดี่ยวสําหรับต่อพ่วงกับ รถแทรกเตอร์ 88 แรงม้า เพื่อการพรวนดินและสับกลบใบอ้อยใน ระหว่างแถวร่องอ้อย โดยออกแบบให้อุปกรณ์ไถจอบหมุนเยื้องไป ทางขวาความกว้างการไถ 0.90 เมตร ความเร็วรอบหมุนที่เพลาโร
เตอร์ 500 รอบต่อนาที เห็นได้ว่าในช่วงแรกนักวิจัยพัฒนาอุปกรณ์ ไถจอบหมุนเพื่อการพรวนดินและสับ ใบอ้อยเพื่อคลุกเคล้าใบอ้อยกับดินในระหว่างแนวอ้อยตอในไร่ แต่ยังคงมีใบอ้อยบางส่วนปกคลุมผิวดินประกอบกับการไถพรวนดิน ด้วยไถจอบหมุนส่งผลทําให้เกิดการสั่นสะเทือนที่สูงอันเนื่องจาก การกระแทกของใบมีดจอบหมุนแต่ละใบมีดกับดิน ซึ่งส่งผลทําให้ เกิ ด การสึ ก หรอของใบมี ด จอบหมุ น และเครื่ อ งยนต์ ต้ น กํ า ลั ง (Phongsupasamit, 2004 และ Chertkiattipol and Niyamapa, 2010) อุ ปกรณ์ ไถจานชนิ ดใช้ กํ าลั งขั บใช้ กํ าลั งขั บจากเพลาอํ านวย กําลังทําให้ความต้องการแรงฉุดลากลดลง การลื่นไถลลดลงขณะ อุปกรณ์ไถพรวนดิน ส่งผลทําให้ประสิทธิภาพการไถเชิงไร่เพิ่มขึ้น อี ก ทั้ ง สามารถไถกลบวั ช พื ช และคุ ณ ภาพการไถดิ น สม่ํ า เสมอ (Young, 1976) ด้วยเหตุนี้จึงมีนักวิจัยศึกษาและพัฒนาอุปกรณ์ไถ จานชนิดใช้กําลังขับ Hoki et al. (1988) ศึกษาสมรรถนะการ ทํางานของไถจานชนิดใช้กําลังขับในแปลงทดสอบเปรียบเทียบกับ ไถจานที่ไม่ใช้กําลังขับจากเพลาอํานวยกําลัง พบว่าไถจานชนิดใช้ กําลังขับไถพรวนดินลึกกว่าไถจานที่ไม่ใช้กําลังขับ 30-300% ทําให้ ดิ น แตกร่ ว นและพลิ ก กลบวั ช พื ช ดี ก ว่ า ไถจานที่ ไ ม่ ใ ช้ กํ า ลั ง ขั บ Salokhe et al. (1995) ศึกษาแรงปฏิกิริยาในแนวการเคลื่อนที่ แนวขวางการเคลื่อนที่ และแนวดิ่ง ที่กระทํากับผานไถจาน 1 ผาน แบบใช้กําลังขับที่ความเร็วรอบหมุนในช่วง 60 rpm ถึง 140 rpm ขณะไถพรวนดิ น ในกระบะดิ น ทดลองที่ เงื่ อ นไขความเร็ ว การ เดินทาง 1, 2, 3, 4 และ 5 km/h มุมจาน 28° และ 33° และ ความชื้นดินเฉลี่ย 26% (db) ไถพรวนดินที่ระดับความลึก 12 cm พบว่ าปั จ จั ยมุ มจาน ความเร็ วรอบการหมุ นของผานจาน และ ความเร็วการเดินทางส่งผลอย่างมีนัยสําคัญต่อความต้องการกําลังที่ ใช้ ในการไถพรวนดิ น ธั ญญา และคณะ (2554) วิ จัยและพั ฒนา เครื่ องมื อไถจานชนิ ดใช้ กํ าลั งขั บที่ ใช้ ผานจานชนิ ดใบจั กรแบบ spiral notched disc จํานวน 6 ผาน ความเร็วรอบการหมุนที่เพลา จานไถ 100 รอบต่อนาที พบว่ากรณีไถจานชนิดใช้กําลังขับที่ติดตั้ง ผานจานแบบ spiral notched disc ต้องการแรงฉุดลากจําเพาะ ลดลงและความลึกการไถสม่ําเสมอมากกว่าไถจานที่ไม่มีกําลังขับ โดยพบว่าที่ความเร็วการเดินทางของรถแทรกเตอร์ 1.92, 2.94 และ 5.54 kmh-1 ไถจานชนิดใช้กําลังขับต้องการแรงฉุดลากจําเพาะ ลดลง 10.41%, 20.21% และ 6.59% ตามลําดับ เมื่อเปรียบเทียบ กับไถจานหมุนอิสระ เห็นได้ว่าการพัฒนาอุปกรณ์ไถจานชนิดใช้กําลังขับของนักวิจัย ก่อนหน้านี้มีวัตถุประสงค์หลักเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการไถพรวนดิน ของอุปกรณ์ไถจานซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ลดแรงฉุดลาก ลดการสึกหรอ ของเครื่ อ งจั ก ร และสามารถพรวนดิ น และกลบวั ช พื ช อย่ า งมี
393
ประสิ ทธิ ภ าพ ดั ง นั้ น งานวิ จั ย นี้ จึ ง มี วั ตถุ ป ระสงค์ เ พื่ อ ประเมิ น สมรรถนะของอุปกรณ์พรวนกลบใบอ้อยแบบไถจานชนิดใช้กําลังขับ ต้นแบบเพื่อประเมินสมรรถนะการทํางานและศึกษาเงื่อนไขการ ทํางานที่เหมาะสม 2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 2.1 การพัฒนาอุปกรณ์พรวนกลบใบอ้อยแบบไถจานชนิด ใช้กําลังขับและแผนการทดสอบ การวิจัยและพัฒนาอุปกรณ์พรวนกลบเศษวัสดุอ้อยแบบไถจาน ชนิดใช้กําลังขับ เริ่มต้นดําเนินการโดยสร้างต้นแบบอุปกรณ์ไถจาน ชนิ ดใช้กํ าลั งขั บแบบ 2 เพลา ดั งแสดงรายละเอี ยดใน Figure 1 ส่วนประกอบหลักได้แก่ 1) โครงสร้างหลักของอุปกรณ์ 2) เพลา หมายเลข 1 ติดตั้งจานตัดใบอ้อย 3) เพลาหมายเลข 2 ติดตั้งจานใบ จักรแบบเกลียว และ 4) แผนเหล็กกดใบอ้อย มอเตอร์ไฮดรอลิก ยี่ห้อ Brevini ถูกนํามาใช้เป็นต้นกําลังสําหรับหมุนเพลาหมายเลข 1 และเพลาหมายเลข 2 ของอุปกรณ์พรวนกลบใบอ้อยที่พัฒนาเพื่อ หาความเร็วรอบการหมุนที่เหมาะสมในการพรวนกลบเศษวัสดุอ้อย ในไร่ มอเตอร์ไฮดรอลิกรุ่น HRS100-A2M09-CL254 ใช้เป็นต้น กําลั งที่ สําหรับหมุ นเพลาหมายเลข 1 และมอเตอร์ไฮดรอลิ กรุ่ น HRS130-A2M09-CL254 ใช้เป็นต้นกําลังที่สําหรับหมุนเพลา หมายเลข 2 ดําเนินการทดสอบสมรรถนะที่แปลงปลูกอ้อยพันธ์ ณ ศูนย์ส่งเสริมอุตสาหกรรมอ้อยและน้ําตาลทราย ต.ทุ่งทอง อําเภอ ท่าม่วง จังหวัดกาญจนบุรี เนื้อดินร่วนปนดินทราย ประกอบด้วย อนุภาคดินทราย 58.4% อนุภาคดินทรายแป้ง 32.3% และอนุภาค ดินเหนี ยว 14.3% ความหนาแน่ นรวมสภาพแห้ งของดิ น 1.75 gcm-3 ปริมาณความชื้นในดิน 13.96% (db) ความต้านทานการ แทงทะลุดิน 3.5 MPa สภาพไร่อ้อยขณะทดสอบผิวดินปกคลุมด้วย ใบอ้อยเฉลี่ย 3.2 kgm2 ทดสอบที่ความเร็วการเดินทางเฉลี่ยของรถ แทรกเตอร์ 2.07, 3.04 และ 4.34 kmh-1 มุ มชุ ดจานไถ (gang angle) 35° และ 40° และทดสอบที่ความเร็วรอบการหมุนที่ผาน จานไถ 120, 150 และ 167 rpm ทดสอบ
3
1 Mani frame
Shaft no. 2 Powered disc Spiral notched disc 26 in
Gang angle
Powered coulter blade 26 in Shaft no. 1 2
Powered coulter blade 26 in
4 Skid plate
Figrue 1 A schematic of powered Sugarcane-Trash Incorporator. ที่ แต่ ละเงื อนไข 3 ซ้ํ า สมรรถนะการพรวนกลบใบอ้ อยของ อุปกรณ์ถูกประเมินจากกําลังและกําลังจําเพาะที่ใช้ในการพรวน กลบใบอ้อย ความกว้างการพรวนกลบใบอ้อย 2.2 กําลังและกําลังจําเพาะ (Power and Specific power) บั น ทึ ก ค่ า ความเร็ ว รอบที่ เ พลาของมอเตอร์ ไ ฮดรอลิ ค ด้ ว ย อุปกรณ์วัด proximity switch และแรงดันน้ํามันไฮดรอลิกใน ขณะที่อุปกรณ์พรวนกลบใบอ้อยแบบ 2 เพลา ไถพรวนกลบใบอ้อย ค่าความเร็วรอบหมุนที่มอเตอร์ไฮดรอลิคและค่าแรงดันน้ํามันไฮ ดรอลิ คจะถู กนํ ามาหาค่ากําลังของมอเตอร์ ไฮดรอลิ คขณะกําลั ง พรวนกลบใบอ้อยโดยหาจากกราฟสอบเทียบของมอเตอร์ไฮดรอลิก กําลังจําเพาะในการพรวนกลบใบอ้อย หมายถึง กําลังที่อุปกรณ์ ใช้ในการพรวนกลบใบอ้อยต่อพื้นที่สัมผัสในแนวดิ่งในระหว่างผาน จานไถพรวนดินหรือพื้นที่สัมผัสรับแรงดันขณะไถจานไถกําลังพรวน กลบดิ น พื้ น ที่ สั ม ผั ส ดั ง กล่ า วคํ า นวณได้ จ ากสมการที่ (1) รายละเอียดลักษณะของพื้นที่สัมผัสถูกแสดงไว้ใน Figure 2 (Abo et al., 1986) b AP= b 2 tan-1 0 u0 b0 sin α (1) u 0 โดยที่ AP คือ พื้นที่สัมผัสรับแรงดันขณะจานไถกําลังพรวนกลบ ดิน (cm2) b คือ รัศมีจานไถ (cm) b0 คือ ระยะทางที่ วั ด จากจุ ด ศู น ย์ ก ลางจานไถถึ ง ตําแหน่งขอบจานไถที่ระดับผิวดิน คํานวณด้วย สมการที่ (2) b0
394
=
b 2 u02
(2)
ระยะทางในแนวดิ่งวัดจากจุดศูนย์กลางจานไถถึง ระดับผิวดิน (cm) Z0 คือ ความลึกการไถพรวนดิน (cm) คือ มุมจานไถ (°) u0 คือ
b Soil surface Z0
R
b
u0 AP
b0
Figure 3 Typical field surface after tilling at 40° gang angle.
Tilling depth (cm) Figure 2 Vertical pressure area AP (Abo El Ees and Wills 1986). 2.3 ความกว้างการพรวนกลบใบอ้อยและความลึกการไถพรวน ดิน ความกว้างการพลิกกลบดินจะถูกวัดเพื่อใช้ประเมินสมรรถนะ การพรวนกลบเศษวั สดุ อ้อยในไร่ ที่แต่ ละเงื่ อนไขการทดสอบซึ่ ง สัมพันธ์ค่าความเร็วรอบการหมุนที่เพลาจานไถ (เพลาหมายเลขที่ 2) และความเร็วการเดินทางของรถแทรกเตอร์ ในทํานองเดียวกันความลึกการไถพรวนดิน (Z0) จะถูกวัดเพื่อใช้ คํานวณหาพื้นที่สัมผัสในแนวดิ่งระหว่างจานไถกับดิน (AP) และใช้ คํานวณหาค่ากําลังจําเพาะสําหรับการพรวนกลบใบอ้อย วิธีการวัดค่าความกว้างการพรวนกลบใบอ้อยและความลึกการ Forward speed (kmh-1) ไถพรวนดินอ้างอิงจากหลักเกณฑ์การทดสอบ RNAM Test Codes Figure 4 Tilling depth. & Procedures for Farm Machinery (1995) Width of soil inversion (cm)
3 ผลและวิจารณ์ 3.1 ความกว้างการพลิกกลบใบอ้อยและความลึกการไถ ผลการทดสอบอุปกรณ์พรวนกลบเศษวัสดุอ้อยแบบไถจานชนิด ใช้ กํ า ลั ง ขั บ ที่ พั ฒ นาโดยทดสอบในแปลงปลู ก อ้ อ ยพั น ธ์ ณ ศูนย์ส่งเสริมอุตสาหกรรมอ้อยและน้ําตาลทรายภาคที่ 1 จังหวัด กาญจนบุ รี ทดสอบที่ ความเร็ วการเดิ นทางเฉลี่ ย 2.0 7, 3.04 และ 4.34 kmh-1 ความเร็วรอบการหมุนที่เพลาจานไถ 120, 150 และ 167 rpm (Figure 3) พบว่าที่มุม gang angle 35° และ 40° ผานจานใบจักรแบบใช้กําลังขับไถพรวนดินลึกอยู่ในช่วง ระหว่าง 15-17 เซนติเมตร และ 14-19 เซนติเมตร ตามลําดับ ดัง แสดงใน Figure 4 ขนาดความกว้างการพลิกดินเพื่อกลบใบอ้อยที่ Forward speed (kmh-1) มุม gang angle 35° และ 40° อยู่ในช่วง 52-69 เซนติเมตร และ Figure 5 Widths of soil inversion at different test 55-85 เซนติเมตร ตามลําดับ ดังแสดงใน Figure 5 เห็นได้ว่าเมื่อรถ conditions. แทรกเตอร์เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเพิ่มขึ้นความกว้างการพลิกกลบ พรวนดินด้วยความเร็วรอบเพิ่มขึ้น พบว่าความกว้างการพลิก ดินเพิ่มขึ้น ที่มุม gang angle 40° ความกว้างการพลิกกลับดิน กลบดินเพิ่มขึ้น มากกว่าที่มุม gang angle 35° และเมื่อเพลาชุดจานไถหมุน 395
พิจารณาผลการพรวนกลบใบอ้อยที่มุม gang angle 35° (Figure 5) แสดงให้เห็นว่าเมื่อรถแทรกเตอร์วิ่งด้วยความเร็วการ เดิ นทางเพิ่ มขึ้ นความกว้ างการพรวนกลบใบอ้ อยเพิ่ มขึ้ นและที่ ความเร็วรอบการหมุนที่จานใบจักร 167 rpm ความกว้างการพรวน กลบใบอ้อยมากกว่าที่ความเร็วรอบการหมุน 150 rpm และเมื่อ พิจารณาผลการพรวนกลบที่ใบอ้อยที่มุม gang angle 40° ผลการ ทดสอบยั งคงแสดงให้ เห็ นว่ าเมื่ อรถแทรกเตอร์ วิ่ งด้ วยความเร็ ว เพิ่มขึ้นความกว้ างการพรวนกลบใบอ้อยเพิ่มขึ้น แต่พบว่ าความ กว้างการพรวนกลบใบอ้อยมากที่สุดที่เงื่อนไขความเร็วรอบหมุน ของไถจานใบจักร 150 rpm เนื่องด้วยขณะที่อุปกรณ์กําลังพรวน กลบใบอ้อยด้วยมุม gang angle 40° ส่งผลทําให้ปริมาตรดินที่ถูก ไถพรวนเพิ่ มขึ้ น หากจานไถใบจั กรหมุ นพรวนกลบใบอ้ อยด้ วย
ความเร็ ว รอบที่ สู ง มากเกิ น ไปจะส่ ง ผลทํ า ให้ ดิ น ที่ ถู ก ไถพรวน บางส่วนหนึ่งถูกโยน ขึ้นไปในแนวดิ่งจึงมีเพียงดินบางส่วนถูกโยนออกไปทางด้านข้าง เท่านั้นเป็นผลทําให้ความกว้างการพลิกกลบใบอ้อยลดลง ผลการ ทดสอบแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าที่มุม gang angle 40° ความ กว้างการพรวนกลบใบอ้อยมากกว่าการพรวนกลบใบอ้อยด้วยมุม gang angle 35° กรณีการพรวนกลบใบอ้อยที่มุม gang angle 40° ที่ความเร็วรอบหมุนจานไถ 120 และ 150 rpm แม้ว่าความกว้าง การพรวนกลบเฉลี่ยเท่ากัน (85 cm) แต่พบว่าการไถพรวนกลบใบ อ้อยที่ความเร็วรอบหมุนจานไถ 150 rpm ขนาดความกว้างการ พรวนกลบสม่ําเสมอมากกว่าการพรวนกลบใบอ้อยด้วยความเร็ว รอบหมุนจานไถ 120 rpm
Table 1 Coparison of specific power at 35° and 40° gang angles at different forward speeds and revolution speeds. Rev.speed (rpm)
120 150 167
150 167
Forward speed (ms-1)
Power (kW)
2.07 2.96 4.37 2.07 2.96 4.37 2.07 2.96 4.37
1.7 2.1 2.4 1.9 2.9 3.1 3.7 4.0 4.0
3.12 4.30 3.12 4.30
2.95 3.89 3.97 3.77
Depth b Z0 (cm) (cm) Gang angle 40° () 19 33.02 17 33.02 18 33.02 15 33.02 18 33.02 17 33.02 19 33.02 18 33.02 16 33.02
Gang angle 35° ()
16 16 17 15
33.02 33.02 33.02 33.02
3.1 กําลังและกําลังจําเพาะ ผลสมรรถนะด้านกําลังและกําลังจําเพาะขณะจานไถใบจักร กําลังพรวนกลบใบอ้อยถูกแสดงไว้ใน Table 1, Figure 6 และ Figure 7 อุปกรณ์พรวนกลบเศษวัสดุอ้อยแบบไถจานชนิดใช้กําลัง ขับ ที่เงื่อนไขมุม gang angle 35° และ 40° ที่แต่ละค่าความเร็ว การเดินทางของรถแทรกเตอร์และความเร็วรอบการหมุนจานไถใบ จักรแสดงให้เห็นว่าขณะจานไถใบจักรพรวนกลบใบอ้อยด้วยมุ ม gang angle 40° ใช้กําลังเพิ่มขึ้นเมื่อความเร็วรอบการพรวนกลบใบ อ้อยเพิ่มขึ้น (Figure 6) แต่ไม่พบว่ามีความสัมพันธ์ระหว่างกําลังที่ ใช้ในการพรวนกลบใบอ้อยกับพารามิเตอร์มุม gang angle และ
u0 (cm)
b0 (cm)
AP (cm)
Specific Power (Wcm-2) (kWm-2)
14.02 16.02 15.02 18.02 15.02 16.02 14.02 15.02 17.02
27.01 28.31 27.68 29.42 27.68 28.31 27.01 27.68 28.88
521.91 448.46 485.21 374.95 485.21 448.46 521.91 485.21 411.70
3.26 4.73 4.95 5.15 6.06 6.80 7.03 8.24 9.72
32.61 47.34 49.46 51.47 60.59 68.01 70.32 82.44 97.16
17.02 17.02 16.02 18.02
28.88 28.88 28.31 29.42
411.70 411.70 448.46 374.95
7.17 9.45 8.85 10.05
71.65 94.49 88.52 100.55
พารามิเตอร์ความเร็วการเคลื่อนที่ของรถแทรกเตอร์ และไม่พบว่า มีความสัมพันธ์ระหว่างขนาดมุม gang angle กับกําลังที่ใช้ในการ พรวนกลบใบอ้อย
396
Power (kW)
3.2 วิจารณ์ผล ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่ามุม gang angle 40° เป็นเงื่อนไข ที่เหมาะสมสําหรับการพรวนกลบใบอ้อย และพบว่าในการทดสอบ นี้ความเร็วรอบหมุนจานไถใบจักร 150 rpm เป็นความเร็วรอบหมุน ที่เหมาะสมที่สุดสําหรับการพรวนกลบใบอ้อย เนื่องด้วยภายหลัง การพรวนกลบใบอ้ อ ยที่ แ ต่ ล ะความเร็ ว การเคลื่ อ นที่ ข องรถ แทรกเตอร์ (Figure 5) ความกว้างการพรวนกลบใบอ้อยมากกว่าที่ ความเร็วรอบหมุน 167 rpm อีกทั้งการพรวนกลบใบอ้อยที่ ความเร็วรอบหมุนจานไถใบจักร 150 rpm ใช้กําลังจําเพาะน้อย กว่าความเร็วรอบหมุน 167 rpm (Figure 7) แม้ว่าผลการทดสอบ จะแสดงให้เห็นว่าการพรวนกลบใบอ้อยที่ความเร็วการเดินทางเฉลี่ย ของรถแทรกเตอร์ 4.34 kmh-1 ก่อให้เกิดประสิทธิภาพการพรวน กลบใบอ้อยสูงสุด แต่ในการปฏิบัติงานจริงต้องคํานึงถึงปัจจัยชนิด ดิ น คุ ณสมบั ติ ดิ น และประสิ ทธิ ภาพเชิ งไร่ ที่ เกษตรกรต้ องการ อย่างไรก็ตามเงื่อนไขการการพรวนกลบใบอ้ยอที่ความเร็วรอบการ หมุนจานไถใบจักร 150 rpm และความเร็วการเดินทางของรถ แทรกเตอร์ 4.34 kmh-1 จะถูกนําไปใช้ประกอบการออกแบบและ อุปกรณ์พรวนกลบใบอ้อยแบบไถจานชนิดใช้กําลังขับในเชิงพาณิชย์ ต่อไป
Forward speed (kmh-1)
Figure 6 Power for sugarcane-trash incorporation. Specific power (kWm-2)
Forward speed (kmh-1
Figure 7 Effect of forward speed on Specific power at different gang angles and revolution speed อย่างไรก็ตามผลการคํานวณค่ากําลังจําเพาะขณะจานไถใบจักร พรวนกลบใบอ้อยแสดงให้เห็นว่าเมื่อพิจารณาเปรียบเทียบผลการ ทดสอบระหว่างเงื่อนไขมุม gang angle 35° กับ 40° พบว่าขณะ จานไถใบจักรพรวนกลบใบอ้อยด้วยมุม gang angle 35° ใช้กําลัง จําเพาะสูงกว่าการพรวนกลบใบอ้อยด้วยมุม gange angle 40° เนื่องด้วยในการพรวนกลบใบอ้อยด้วยมุมม gang angle 35° พื้นผิว ด้านหลังของจานไถใบจักรสัมผัสกับผนังดิน และผลการทดสอบ แสดงให้เห็นว่าเมื่อความเร็วการเคลื่อนที่ของรถแทรกเตอร์เพิ่มขึ้น และจานไถใบจักรพรวนกลบใบอ้อยความเร็วรอบหมุนเพิ่มขึ้นเป็น ผลทําให้กําลังจําเพาะเพิ่มขึ้น จานใบจักรพรวนกลบใบอ้อยใช้กําลัง จําเพาะสูงสุดเพื่อการพรวนกลบใบอ้อยที่เงื่อนไขความเร็วรอบหมุน 167 rpm
4 สรุป การทดสอบสมรรถนะต้นแบบอุปกรณ์พรวนกลบใบอ้อยแบบไถ จานชนิดใช้กําลังขั แสดงให้เห็นว่าปัจจัยความเร็วการเดินทางของ รถแทรกเตอร์ ความเร็วรอบหมุนจานใบจักร และมุม gang angle เป็นปัจจัยสําคัญที่ส่งผลต่อสมรรถนะการพรวนกลบใบอ้อยในไร่ เมื่อรถแทรกเตอร์ฉุดลากอุปกรณ์ขณะกําลังพรวนกลบใบอ้อย ด้วยความเร็วการเดินทางที่เพิ่มขึ้นจะส่งผลทําให้อุปกรณ์ใช้กําลัง จําเพาะเพิ่มขึ้น การใช้กําลังจําเพาะในการพรวนกลบใบอ้อยเพิ่มขึ้น เมื่อจานไถใบจักรพรวนกลบใบอ้อยด้วยความเร็วรอบหมุนที่เพิ่มขึ้น ด้วยรถแทรกเตอร์วิ่งฉุดลากอุปกรณ์ที่พัฒนาด้วยความเร็วสูง ขณะที่อุปกรณ์กําลังพรวนกลบใบอ้อยในร่องระหว่างแนวอ้อยตอ ส่ งผลทํ าให้ กํ าลั งจํ าเพาะที่ ใช้ เพื่ อการพรวนกลบใบอ้ อยเพิ่ มขึ้ น ความกว้างการกลบใบอ้อยมีแนวโน้มกว้างมากขึ้น อุปกรณ์พรวนกลบใบอ้อยแบบไถจานชนิดใช้ กําลังขับพรวน กลบใบอ้อยด้วยมุมจานไถใบจักร gang agle 40° ก่อให้เกิด สมรรถนะการพรวนกลบใบอ้อยมากกว่าการพรวนกลบใบอ้อยด้วย มุม gang angle 35° ผลการทดสอบนี้แสดงให้เห็นว่าความเร็วรอบการพรวนกลบใบ อ้อยของจานไถใบจักรที่เหมาะสมคือ 150 rpm ความเร็วการ เคลื่อนที่เฉลี่ยของรถแทรกเตอร์ 4.34 kmh-1
397
งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์พรวนกลบใบอ้อยแบบไถจาน ชนิดใช้กําลังขับที่พัฒนานี้สามารถพรวนและพลิกดินกลบใบอ้อยได้ อย่างมีประสิทธิภาพ โดยจะดําเนินการพัฒนากลไกระบบส่งกําลัง ขั บ จานไถและทดสอบประสิ ท ธิ ภ าพการพรวนกลบใบอ้ อ ย สมรรถนะการทํ างานเชิ งไร่ ปริมาณการใช้ น้ํามั นเชื้อเพลิง และ ความคุ้มค่าทางด้านเศรษฐศาสตร์ต่อไป 5 กิตติกรรมประกาศ สถาบันวิจัยและพัฒนาแห่งมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ (สวพ. มก) ปีงบประมาณ 2559 6 เอกสารอ้างอิง กรมควบคุมมลพิษ. 2555. รายงานสถานการณ์มลพิษของประเทศ ไทยปี 2555. กระทรวงทรัพยากรธรรมชาติและสิงแวดล้อม, กรุงเทพฯ, ISBN 978-616-316-1554. กรมพัฒนาที่ดิน. 2548. คู่มืองดเผาตอซังสร้างดินยั่งยืนฟื้น สิ่งแวดล้อม. กระทรวงเกษตรและสหกรณ์, พฤศจิกายน 2548. กล้าณรงค์ศรีรอต. อ้อยไฟไหม้ : ผลกระทบต่ออุตสาหกรรมอ้อย และน้ําตาลทราย. วารสารอ้อยและน้ําตาลไทย. 10 (2): 61-63. ธัญญานิยมาภา, Nalavade, P. P. และ วิชัย หมอยาดี. 2554. การวิจัยและพัฒนาเครื่องมือไถจานชนิดใช้กาํ ลังขับ. รายงาน การวิจัยและพัฒนาฉบับสมบรูณ,์ สถาบันวิจัยและพัฒนาแห่ง มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์. สุภาษิต เสงี่ยมพงศ์, อัคคพล เสนาณรงค์, ยุทธนา เครือหาญชาญ พงศ์ และ ขนิษฐ์ หว่านณรงค์. 2547. วิจัยและพัฒนาจอบ หมุนแบบแถวเดี่ยวเพื่อพรวนดินและสับใบ อ้อย ในระหว่างแถว สําหรับไร่อ้อย. รายงานผลงานวิจยั ปี 2547, สถาบันวิจัยเกษตร วิศวกรรม, กรมวิชาการเกษตร. หน้า 1-20. อรรถสิทธิ์ บุญธรรม, ชุมพล คําสิงห์ และ สนิท สมเหมาะ. 2547. เครื่องสับใบอ้อยระหว่างแถวอ้อยตอ. รายงานผลงานวิจัยปี 2547, ศูนย์วิจัยพืชไร่สุพรรณบุร,ี สถาบันวิจัยพืชไร่, กรม วิชาการเกษตร. Abo El Ees NAEH, Wills BMD. 1986. An Analysis of the Geometric and Soil Working Parameters of a Curved Vertical Disc. Journal of Agricultural Engineering Research 35: 277-286. Chertkiattipol, S. and T. Niyamapa. 2010. Variation of torque and specific tilling energy for different rotary blades. International Agricultural Engineering Journal, vol. 19(3):1-14.
Hoki, M., T. H. Burkhardt, R. H. Wilkinson and T. Tanoue. 1988. Study of PTO driven powered disc tiller. Transaction of ASAE, vol. 31(5): 1355-1360. Phongsupasamit, S. 2004. Characteristics of resultant forces acting on two types of rotary blade. Proceedings of The 2nd International Symposium on Machinery and Mechatronics for Agriculture and Biosystems Engineering, September 21-23, Kobe, Japan. Salokhe, V. M., M. Hoki and K. Sato. 1995. Dynamics of a powered disk in clay soil. Journal of Terramechanics, vol. 32(5): 231-244. Young, P. E. 1976. A machine to increase productivity of a tillage operation. Transactions of ASAE: 1055-1061.
398
TPM-09
การพัฒนาเครือ่ งปลูกสับปะรดแบบพ่วงท้ายรถแทรกเตอร์ขนาดกลาง วุฒิพล จันทร์สระคู1* ศักดิ์ชัย อาษาวัง1 ขนิษฐ์ หว่านณรงค์2 ธนกฤต โยธาทูล1 ประยูร จันทองอ่อน1 1
ศูนย์วิจัยเกษตรวิศวกรรมขอนแก่น สถาบันวิจัยเกษตรวิศวกรรม กรมวิชาการเกษตร, ขอนแก่น, 40000 กลุ่มวิจัยวิศวกรรมผลิตพืช สถาบันวิจัยเกษตรวิศวกรรม กรมวิชาการเกษตร, กรุงเทพมหานคร, 10900 ผู้เขียนติดต่อ: วุฒิพล จันทร์สระคู E-mail: wuttiphol@gmail.com
2
บทคัดย่อ การวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์ เพื่อวิจัยและพัฒนาเครื่องปลูกสับปะรดแบบพ่วงท้ายรถแทรกเตอร์ในระดับเกษตรกร ได้ออกแบบ และสร้างต้นแบบเครื่องปลูกสับปะรดแบบพ่วงท้ายรถแทรกเตอร์ขนาดกลาง (39-50 hp) ใช้หน่อสับปะรดที่ตัดยอดแล้วปลูกแถวคู่ห่าง กัน 50 mm ระยะระหว่างต้น 35-45 mm โดยใช้หน่อสับปะรดที่ตัดแต่งยอดให้สม่ําเสมอมีความยาว 30-50 mm และคัดขนาดหน่อที่ มีน้ําหนักใกล้เคียงกันในช่วง 300-500 g กระบะบรรจุหน่อได้ข้างละประมาณ 200 หน่อ อุปกรณ์ป้อนลําเลียงทําจากท่อพีวีซีขนาด เส้นผ่าศูนย์กลาง 4 inch โดยใช้ล้อขับเคลื่อนส่งกําลังผ่านชุดเฟืองขับอุปกรณ์ป้อนลําเลียงหน่อ ตัวเปิดร่องปลูกเป็นแบบขาไถ ป้อนส่ง หน่อสับปะรดผ่านท่อปล่อยหลังตัวเปิดร่อง และกลบดินโคนหน่อโดยใบปาดกลบดิน คนป้อนหน่อจํานวน 2 คน พบว่า เครื่องปลูก ต้นแบบมีความสามารถในการทํางาน 0.63 rai/h ที่ความเร็วในการเคลื่อนที่ 0.28 m s-1 อัตราการสิ้นเปลืองน้ํามันเชื้อเพลิง 2.15 liter/rai ประสิทธิภาพการปลูก 96.05% หน่อมีความเอียง 72.02 องศาจากแนวระนาบ ความลึกการปลูก 16.20 cm ระยะห่าง ระหว่างต้น 34.80 cm ระยะห่างระหว่างแถว 105 cm เกษตรกรที่จะซื้อเครื่องปลูกสับปะรดมาใช้งานควรมีพื้นที่การใช้งานหรือ รับจ้างไม่ต่ํากว่า 58.47 rai/year และใช้งานเป็นระยะเวลา 7 ปี จึงจะคุ้มมากกว่าการจ้างแรงงานปลูก ในกรณีที่เกษตรกรมีพื้นที่การใช้ งาน 150 rai/year ถ้าเกษตรกรเลือกใช้เครื่องปลูกสับปะรด จะมีต้นทุนในการทํางาน 730.83 baht/rai เมื่อใช้เครื่องปลูกสับปะรด แทนการจ้างแรงงานคนปลูก คําสําคัญ: เครื่องปลูกสับปะรด, การปลูกสับปะรด, รถแทรกเตอร์
Development of Pineapple Transplanter Attached with Tractor Wuttiphol Chansrakoo1* Sakchai Arsawang1 Khanit Wannaronk2 Tanakit Yothatoon1 Prayoo Chantong-on1 1
Khonkaen Agricultural Engineering Research Center, Khonkaen. 2 Agricultural Engineering Research Institute, Bangkok.
Corresponding author: Wuttiphol Chansrakoo. E-mail: wuttiphol@gmail.com
Abstract The objective of this study was to research and development pineapple transplanter attached with a four-wheel tractor (39-50 hp) for small scale farmers in north-east region of Thailand. The pineapple transplanter was design and fabricate for transplanting the pineapple suckers with double row planting distance of 50 cm and the targeted planting distance of 45-50 cm. The pineapple suckers were cut to uniform 30-50 cm length and the average weight of each sucker was 300-500 g. There are two containers which each container was carried 200 pineapple suckers. The 4 inch diameter PVC feeders were driven by fifth wheel and gear transmission. A pineapple sucker was dropped after the soil opened by furrow opener and it was buried by buried component. Two men operation were required for feeding the pineapple suckers into the PVC feeders. Testing results indicated that the field capacity were 0.63 rai/h at travelling speed of 0.28 m s-1 and fuel consumption was 2.10 liter/rai Planting efficiency was about 96.05% with sucker inclined 72.02 degree from the ground and average
399
depth of planting was 16.20 cm. Planting distance of 34.80 cm double row spacing with distance between row was 105 cm. The economic analysis indicated that the break-even area of the pineapple transplanter that caused the operating cost of the pineapple transplanter to be equal to that of manual planting will be 58.47 rai/year for assumed service life of 7 years. In case of the farmers having annual land utilization 150 rai, the operating cost will be 730.83 baht/rai. Keywords: Pineapple Transplanter, Pineapple Planting, Tractor
1 บทนํา สับปะรดนับเป็นพืชที่สําคัญทางเศรษฐกิจ ประเทศไทยมีพื้นที่ ผลิตสับปะรด 606,177 ไร่ คิดเป็นผลผลิตประมาณ 2.185 ล้าน ตันต่อปี ปัจจุบันประเทศไทยเป็นประเทศที่ผลิตสับปะรดมากเป็น อันดับต้นๆของโลก หรือราว 12% ของผลผลิตทั้งโลก (สํานักงาน เศรษฐกิจการเกษตร, 2555) ประเทศไทยส่งออกสับปะรดสด และ สับปะรดแปรรูปต่างๆ รวมประมาณ 0.85 ล้านตัน ซึ่งคิดเป็นมูลค่า ราว 21,279 ล้านบาท (กรมศุลกากร, 2554) จากปริมาณความ ต้องการสับปะรดของโลกที่เพิ่มมากขึ้น ส่งผลกระทบให้เกิดการขาด แคลนวั ตถุดิบในประเทศเป็นประจํ า และจากที่ภาคเอกชนหรื อ โรงงานได้แนะนําให้เกษตรกรหันมาปลูกสับปะรดใหม่ทุกครั้งเมื่อมี การเก็บเกี่ยวผลผลิต เพราะจะทําให้ผลผลิต ของสับปะรดที่ได้มี ขนาดสม่ําเสมอ ขายได้ราคาโดยการปลูกสับปะรดในประเทศไทย หรือ ในประเทศเพื่อนบ้านส่วนใหญ่จะเป็นการใช้แรงงานจากคน ดําเนินงานทั้งหมดไม่ว่าจะเป็นการยกร่อง การเตรียมดิน การใส่ปุ๋ย การขนย้ ายหน่ อสั บ ปะรด การปลู ก เป็ น ต้ น ซึ่ ง ใช้ เวลาในการ ดําเนินงานและสิ้นเปลืองแรงงานค่อนข้างมาก เป็นงานที่น่าเบื่อ หน่ าย เกษตรกรมั กจะเกิ ดอาการเจ็ บป่ วยได้ ง่ ายจากการที่ ต้อง ทํ างานในลั กษณะดั งกล่ า วเป็ นเวลานาน การปลู กสั บปะรดใน ประเทศไทย ส่วนใหญ่จะเป็นการใช้แรงงานในการดําเนินงานเกือบ ทั้งหมด ยกเว้นขั้นตอนการเตรียมดินซึ่งใช้รถแทรกเตอร์ติดผาลจาน ส่วนการใส่ปุ๋ย การขนย้ายหน่อสับปะรด การปลูก การเก็บเกี่ยว ล้ วนแต่ ใช้ แรงงานในการดํ าเนิ นงานซึ่ งเสี ยเวลาและสิ้ นเปลื อง แรงงานค่อนข้างมาก ปัจจุบันแรงงานในภาคการเกษตรมีจํานวน ลดลง และค่ าแรงมี แนวโน้ มเพิ่ มสู งมากขึ้ น ค่ าแรงงานต่ างๆใน ขั้นตอนการผลิตสับปะรดคิดเป็น 37% ของต้นทุนค่าใช้จ่ายทั้งหมด ในการผลิตสับปะรด โดยคิดเป็นต้นทุนค่าแรงงานในการเก็บเกี่ยว สับปะรดถึง 65% ของต้นทุนค่าแรงทั้งหมด ต้นทุนค่าแรงงานปลูก 9% และต้นทุนค่าแรงงานในการเตรียมดิน 8% (seree, 1998) ในประเทศไทยสามารถปลูกสับปะรดได้เกือบตลอดปี ยกเว้น ช่วงฝนตกหนักติดต่อหลายวัน เพราะจะเกิดโรคเน่า ควรเตรียม ดินให้เสร็จในเดือนธันวาคม และปลูกในเดือนมกราคม-เมษายน ซึ่ง มีแสงแดดจ้าและไม่มีฝนชุก แต่ดินยังมีความชุ่มชื้นเพียงพอแก่การ เจริญเติบโตในระยะแรกอยู่ การปลูกสับปะรดควรคัดขนาดหน่อ หรือจุกก่อนเพื่อให้การเติบโตของต้นสม่ําเสมอกันทั้งแปลง ใส่ปุ๋ย
แต่ละต้นได้พร้อมกันและใส่ปริมาณต่อต้นเท่าๆ กัน บังคับผลได้ พร้อมกันทั้งแปลง ง่ายต่อการบํารุงรักษา สับปะรดจะแก่พร้อมกัน ง่ายต่อการประเมินผลผลิตและเก็บเกี่ยว การปลูกในฤดูฝนควรฝัง หน่อให้เอียง 45 องศา เพื่อป้องกันน้ําขังในยอด ถ้าปลูกในฤดูแล้ง ฝังหน่อให้ตั้งตรง หากมีเครื่องมือช่วยปลูกซึ่งเป็นเหล็กคล้ายมีด ปลายแหลมช่วยเปิดหลุมจะทําให้สะดวกและรวดเร็วกว่าใช้จอบ เฉลี่ยแล้วผู้ปลูก 1 คน สามารถปลูกได้วันละ 5,000-7,000 หน่อ การปลูกส่วนใหญ่มักปลูกเป็นแถวคู่ฝังหน่อให้ลึก 15-20 cm ใช้ ระยะปลูกแตกต่างกันไปตามวัตถุประสงค์ (กรมส่งเสริมการเกษตร, 2553) ในแปลงเพาะปลูกขนาดใหญ่ของผู้ประกอบการแปรรูป สั บปะรดกระป๋ อง จะมี การนํ า เข้ า เครื่ อ งปลู กขนาดใหญ่ ติ ดรถ แทรกเตอร์มาใช้งานซึ่งมีราคาสูงและมีกลไกซับซ้อน มีการหยุ ด เครื่ อ งขณะทํ า งานบ่ อย เนื่ อ งจากจํ า เป็ น ต้ องมี การโหลดหน่ อ สับปะรดใส่เครื่องปลูกกรณีทําการเพาะปลูกสับปะรดในพื้นที่ที่มี ขนาดใหญ่ (Seree, 1998) เกษตรกรส่วนใหญ่จึงยังคงใช้แรงงานใน การปลูกอยู่ โดยมีรถบรรทุกหน่อมาโรยไปตามแถวปลูก และผู้ปลูก จะเดินปลูกตามแถว โดยใช้ เสี ยมเล็กๆ ขุ ดดิน ฝังและกลบหน่ อ เฉลี่ยแล้วผู้ปลูก 1 คน สามารถปลูกได้วันละ 5,000-7,000 หน่อ แต่ถ้าปลูกเป็นจํานวนพื้นที่มากขึ้น ซึ่งต้องใช้แรงงานจํานวนมาก อาจทําให้เกิดปัญหาการขาดแคลนแรงงานขึ้นได้ ปัจจุบันแรงงานในภาคการเกษตรมีจํานวนลดลงและค่าแรงก็มี แนวโน้ ม เพิ่ ม สู ง มากขึ้ น เพื่ อ เป็ น การแก้ ปั ญ หาการขาดแคลน แรงงานในภาคการเกษตร การประหยัดเวลาในการเพาะปลูก และ การประหยัดค่าใช้จ่ายในระยะยาว คณะผู้วิจัยเห็นว่า ถ้าสามารถ ออกแบบและพั ฒ นาเครื่ อ งปลู ก สั บ ปะรดแบบพ่ ว งท้ า ยรถ แทรกเตอร์สําหรับใช้ในระดับเกษตรกร โดยใช้หน่อสับปะรดที่ผ่าน การคัดขนาดแล้ว และเครื่องปลูกแบบที่ใช้หน่อปลูกโดยใช้แรงงาน เพียง 2-3 คน ก็จะสามารถช่วยให้เกษตรกรทํางานได้เร็วขึ้น และ สามารถลดความเหนื่อยยากของเกษตรกรได้อีกด้วย 2 อุปกรณ์และวิธีการ ศึกษารูปแบบวิธีการปลูก ปัญหา และข้อจํากัดของการใช้เครือ่ ง ปลูกสั บปะรด ด้ วยวิ ธีการสัมภาษณ์เกษตรกรผู้ ปลูกสับปะรดใน จังหวัดเพชรบุรี ประจวบคีรีขันธ์ และหนองคาย โดยการพัฒนา เครื่องต้นแบบจะดําเนินงานอยู่ภายในห้องปฏิบัติการและแปลง
400
ทดสอบของศูนย์วิจัยฯ แล้วก็จะนําไปทําการทดสอบการใช้งานใน ไร่ สั บ ปะรดของเกษตรกร เพื่ อ วิ เ คราะห์ ผ ลการทดสอบนํ า ไป ปรับปรุงประสิทธิภาพการทํางานให้ดียิ่งขึ้น อุปกรณ์ที่สําคัญ คือ หน่อสับปะรด เครื่องชั่งน้ําหนัก นาฬิกาจับเวลา เทปวัดระยะ และตลับเมตร เครื่องมือช่างต่างๆ มีวิธีการดําเนินงานทดสอบ กลไกการปลู ก สั บปะรดแบบใช้ หน่ อปลู ก และทดสอบปั จ จั ยที่ เกี่ยวข้องกับการออกแบบเครื่องปลูกสับปะรด และสร้างต้นแบบ . ใช้หลักการปลูกโดยใช้หน่อที่ตัดยอดแล้ว ปลูกครั้งละ 2 แถว ห่าง กัน 50 cm ใช้ คนป้อนหน่อจํานวน 2 คน ต้ นกํ าลั งจากรถ แทรกเตอร์ ขนาด 39-50 hp ทดสอบเก็บข้อมูล และประเมินผล การทํางานจริงในสนาม ประสิทธิภาพการทํางานเชิงพื้นที่ ได้แก่ ความเร็วในการเคลื่อนที่ เวลาการทํางาน ระยะระหว่างต้น-แถว ความเอี ยงของหน่ อสั บปะรดหลั งปลู ก เปอร์ เซ็ นต์ การปั กหน่ อ ความลึกของการปลูก ชนิดของดิน และอัตราการสิ้นเปลืองน้ํามัน เชื้ อ เพลิ ง วิ เ คราะห์ ค วามคุ้ ม ค่ า ทางเศรษฐศาสตร์ คํ า นวณ ประยุ กต์ ใช้ วิธีการของ Hunt และคิ ดค่ าเสื่ อมราคาของรถ แทรกเตอร์และเครื่องปลูกสับปะรดแบบวิธีเส้นตรง (Straight-line Method) สรุปผลการวิจัย ด้านสมรรถนะการทํางาน และข้อจํากัด ในการทํางานของเครื่องต้นแบบ ตลอดจนความเหมาะสมของการ ใช้งาน และการยอมรับของเกษตรกรผู้ปลูกสับปะรด 3 ผลการทดลองและวิจารณ์ วิธีการปลูกสับปะรดของเกษตรกร และปัญหาข้อจํากัดของการ ใช้เครื่องปลูกสับปะรด พบว่า การปลูกสับปะรด เตรียมดินปลูก ไถ ดะ 1 ครั้ง ไถแปร 1 ครั้ง ลึกประมาณ 25-30 cm ปรับหน้าดินให้ สม่ําเสมอไม่ให้มีแอ่งน้ําขัง ถ้าดินค่อนข้างเหนียวควรยกร่องปลูก เพื่อให้ระบายน้ําได้สะดวกเมื่อมีฝนตกชุก วิธีปลูกนิยมทํากันอยู่ 2 แบบ คือ 1. การปลูกแบบแถวเดี่ยว ใช้ระยะปลูกระหว่างต้น 30-50 cm ระหว่างแถว 75-100 cm ใน 1 rai จะปลูกได้ประมาณ 6,00010,000 หน่ อ การปลู กแบบนี้ เป็ นวิ ธี ที่ เหมาะสํ าหรั บปลู กเพื่ อ จําหน่ายผลสดเพราะได้ผลใหญ่ ราคาดี ให้หน่อมากและไว้หน่อให้ ออกผลสืบแทนต้นแม่ได้หลายรุ่น แต่มีข้อเสียคือให้ผลผลิตต่อไร่ ต่ํา เปลืองเนื้อที่ แรงงาน และค่าใช้จ่ายในการกําจัดวัชพืชการทรง ตัวของลําต้นไม่สู้ดี 2. การปลูกแบบแถวคู่ ใช้ระยะปลูกระหว่างต้นประมาณ 25-30 cm ระหว่างแถวประมาณ 50 cm สลับฟันปลาระยะระหว่างแถว ของคู่ 70-100 cm ใน 1 ไร่จะปลูกได้ประมาณ 6,500-8,000 หน่อ บางแห่งอาจจะถึง 10,000 หน่อ ทั้งนี้แล้วแต่ความต้องการของ โรงงานว่าจะต้ องการผลขนาดใด การปลูกแบบนี้เป็ นวิ ธีเหมาะ สําหรับปลูกเพื่อจําหน่ายให้แก่โรงงานอุตสาหกรรม เพราะให้ผลที่
มีขนาดเล็กตามความต้องการของโรงงาน และให้ผลผลิตต่อไร่สูง เสียค่าใช้จ่ายแรงงานและเวลาในการกําจัดวัชพืชน้อยกว่าการปลูก แบบแถวเดี่ ย ว การทรงตั ว ของสํ า ต้ น ดี เพราะต้ น สั บ ปะรดจะ เจริญเติบโตเบียดเสียดพยุงกันไว้ไม่ให้ล้ม สําหรับเครื่องปลูกสับปะรดกึ่งอัตโนมัติติดพ่วงรถแทรกเตอร์ (Seree, 1998) ความสามารถในการทํ า งาน 0.6 rai/hr ประสิทธิภาพการทํางาน 35.9% ประสิทธิภาพการทํางานต่ํา เนื่ อ งจากต้ อ งเติ ม หน่ อ ลงในกระบอกปลู ก ใหม่ เ มื่ อ หน่ อ หมด เปอร์เซ็นต์ต้นที่ปลูกตั้งได้ดีเท่ากับ 89.7% ปัญหาและข้อจํากัดมี กลไกซั บ ซ้ อ น มี ก ารหยุ ด เครื่ อ งขณะทํ า งานบ่ อ ย เนื่ อ งจาก จําเป็นต้องมีการโหลดหน่อสับปะรด และต้องใช้ต้นกําลังในการลาก จูงด้วยรถแทรกเตอร์ขนาดใหญ่ (Figure 1)
Figure 1 Pineapple Transplanter (Seree, 1998) ผลการออกแบบและสร้างต้นแบบเครื่องปลูกสับปะรดแบบพ่วง ท้ายรถแทรกเตอร์ ดําเนินการออกแบบโครงสร้างของเครื่องปลูก สําหรับสับปะรดเป็นแบบพ่วงสามจุดท้ายรถแทรกเตอร์ มีกระบะ สําหรับใส่หน่อสับปะรดอยู่ด้านข้างคนป้อน เพื่อให้สามารถหยิบ หน่อใส่ท่อลําเลียงได้สะดวก เครื่องสามารถปลูกได้ทีละ 2 แถว ห่าง กัน 50 cm สามารถปรับระยะห่างระหว่างต้นได้ ส่วนโดยล้อ กําหนดระยะ (Ground wheel) และเฟืองโซ่เป็นตัวทดรอบเพื่อให้ ได้ ระยะที่ ต้องการ มี ส่ วนประกอบการป้ อนลํ าเลี ยงโดยท่ อพี วี ซี ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 4 inch หมุนขับชุดป้อน เพื่อกําหนดระยะ ระหว่างต้นประมาณ 30-40 cm ตัวเปิดร่องปลูกเป็นแบบขาไถ ป้อนส่งหน่อสับปะรดผ่านท่อพีวีซีหลังตัวเปิดร่อง กลบดินและหน่อ โดยผาลจาน ใช้คนป้อนหน่อจํานวน 2 คน ออกแบบใช้ล้อขับ เคลื่อนที่ทําจากเหล็กพร้อมชุดเฟืองโซ่ ส่วนการกลบหน่อสับปะรด ใช้ใบผาลจานกลบดินขนาด 10 inch จํานวน 2 ผาล สําหรับการ กลบดิ นที่ หน่ อสั บปะรดในแต่ ละแถว กระบะสํ าหรั บบรรจุ หน่ อ สับปะรด ได้ครั้งละไม่ต่ํา 400 หน่อ โดยต้องมีการเติมหน่อใน ระหว่างแถวขณะทําการปลูก ถ้าพื้ นที่ปลูกเป็นแปลงขนาดใหญ่ โดยเครื่องต้นแบบมีส่วนประกอบที่สําคัญดังนี้
401
- อุปกรณ์ป้อนลําเลียงหน่อสับปะรด (Figure 2) เป็นแบบลูกโม่ จํานวน 2 ลูกทําจากท่อพีวีซีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 4 inch ความ สูงท่อพีวีซี 60 cm ในแต่ละลูกโม่มีท่อพีวีซีจํานวน 9 อัน ใช้คน ป้อนหน่อสับปะรดจํานวน 2 คน เพื่อให้สามารถหยิบหน่อจาก กระบะบรรจุใส่ท่อลําเลียง (Figure 3)
Figure 4 Power transmission system feeder pineapples suckers
Figure 5 Put a pineapples suckers on the basket
Figure 2 Feeder pineapples suckers
Figure 6 Machine components pineapple transplanter attached with tractor Figure 3 Feeding suckers pineapples - ระบบถ่ายทอดกําลังหมุนขับชุดป้อนหน่อสับปะรด โดยล้อขับ กําหนดระยะส่งผ่านชุดเฟืองดอกจอก และเฟืองโซ่ ขนาดล้อขับ เส้นผ่าศูนย์กลาง 60 cm เพื่อกําหนดระยะระหว่างต้นประมาณ 30-40 cm (Figure 4) - ตัวเปิดร่องปลูกแบบขาไถ ป้อนส่งหน่อสับปะรดผ่านท่อพีวีซี หลังตัวเปิดร่อง และอุปกรณ์กลบดินโคนหน่อ ใช้แบบผาลจาน 10 inch - กระบะบรรจุหน่อสับปะรดจํานวน 2 กระบะด้านซ้าย-ขวา สําหรับบรรจุหน่อ ได้ครั้งละไม่ต่ํา 200 หน่อ (Figure 5)
4 ผลการทดสอบและประเมินผลการทํางานจริงในสนาม 1. การทดสอบในแปลงปลูกของศูนย์วิจัยและพัฒนาการเกษตร หนองคาย ดําเนินการทดสอบต้นแบบเครื่องปลูกสับปะรด ในแปลง ที่มีการปลูกสับปะรดอยู่เดิม พื้นที่ของ ศวพ.หนองคาย (Figure 7) โดยใช้หน่อปลูกจากแปลงข้างเคียง พร้อมทั้งตัดแต่งยอดหน่อให้มี ความยาวไม่เกิน 50 cm พร้อมทั้งคัดแยกขนาดหน่อโดยการชั่ง น้ําหนัก คัดเอาเฉพาะหน่อที่มีขนาดน้ําหนักในช่วง 300-500 g บรรจุหน่อข้างละประมาณ 200 หน่อ ใช้รถแทรกเตอร์ยี่ห้อ Kubota ขนาด 45 hp เกียร์ Low 1 ที่ความเร็วรอบ 1,000 rpm จับเวลาความเร็วในการเคลื่อนที่ เวลาทํางานต่อพื้นที่ วัดระยะ ระหว่างต้น และแถว วัดความเอียงของหน่อสับปะรดหลังปลู ก เปอร์เซ็นต์การปักหน่อ ความลึกของการปลูก และ ชนิดของดิน
402
ขับเคลื่อน 0.17 m s-1 ประสิทธิภาพการปลูก 95.50% หน่อมี ความเอียง 69.10 องศาจากแนวระนาบ ความลึกการปลูก 15.50 cm ระยะห่างระหว่างต้นเฉลี่ย 45.26 cm ระยะห่างระหว่างแถว เฉลี่ย 101 cm (ประมาณ 4,700 plant/rai) อัตราการสิ้นเปลือง น้ํามันเชื้อเพลิง 2.10 liter/rai
Figure 7 Pineapple transplanter attached with tractor 45 hp Testing performance at Nong Khai ผลการทดสอบ ในสภาพดินเหนียวปนทราย เป็นแปลงที่เคย ปลูกสับปะรดมาแล้วมีเศษใบสับปะรดตกค้างในแปลงบ้างเล็กน้อย จากการทดสอบ เพื่ อ ปรั บ ปรุ ง กลไกลการทํ า งานต่ า งๆ ของ เครื่ อ งต้ น แบบและ หาสมรรถนะด้ า นต่ า งๆ พบว่ า เครื่ อ งมี ความสามารถในการทํางาน 0.41 rai/hr ที่ความเร็วขับเคลื่อน 0.14 m s-1 ประสิทธิภาพการปลูก 80.29% หน่อมีความเอียง 59.01 องศาจากแนวระนาบ ความลึกการปลูก 14.92 cm ระยะห่างระหว่างต้นเฉลี่ย 45.80 cm ระยะห่างระหว่างแถวเฉลี่ย 105 cm (ประมาณ 4,500 plant/rai) อัตราการสิ้นเปลืองน้ํามัน เชื้อเพลิง 2.08 liter/rai มีปัญหาของการกลบดินที่โคนหน่อไม่ ค่อยดีเท่าที่ควร ในกรณีที่หน่อไม่ปักลงลึกตามต้องการ เนื่องจาก สภาพของดิ น และการเตรี ยมดิ นที่ ยังไม่ ดี เท่ าที่ ควร หากหน่ อมี ขนาดความยาวกว่า 50 cm และที่โคนหน่อโค้งงอมากไป จะทําให้ ติดขัดในระบบการป้อนหน่อ 2. ผลการทดสอบในแปลงปลูกสับปะรดของเกษตรกร จ. ขอนแก่น ดําเนินการทดสอบต้นแบบเครื่องปลูกสับปะรดโดยใช้ หน่อปลูกจากแปลงเกษตรกร อ.ศรีเชียงใหม่ จ.หนองคาย และ ทดสอบสมรรถนะการทํางานในจังหวัดขอนแก่น (Figure 8) ตัดแต่ง ยอดหน่อให้มีความยาวประมาณ 40-45 cm และคัดแยกขนาด หน่อโดยการชั่งน้ําหนัก ในช่วง 300-500 g ทําการเตรียมดินก่อน ปลูกจํานวน 2 ครั้ง ด้วยไถจานผาล 3 ไถจานผาล 7 และจอบหมุน ตีดิน ใช้รถแทรกเตอร์ยี่ห้อ Yunmar ขนาด 39 hp เกียร์ Low 1 ที่ความเร็วรอบ 1,000 rpm จับเวลาความเร็วในการเคลื่อนที่ เวลา ทํ า งานต่ อ พื้ น ที่ อั ต ราการสิ้ น เปลื องน้ํ า มั น เชื้ อ เพลิ ง วั ด ระยะ ระหว่ างต้ น และแถว วั ดความเอี ยงของหน่ อสั บปะรดหลั งปลู ก เปอร์เซ็นต์การปักหน่อ ความลึกของการปลูก และ ชนิดของดิน ผลการทดสอบในสภาพดินทราย หลังจากการปรับปรุงกลไก ลการทํางานต่างๆ ของเครื่องต้นแบบ และหาสมรรถนะด้านต่างๆ พบว่า เครื่องมีความสามารถในการทํางาน 0.52 rai/h ที่ความเร็ว
Figure 8 Pineapple transplanter attached with tractor 39 hp Testing performance at Khon Kaen 3. ผลการทดสอบภาคสนามในแปลงปลูกสับปะรดของ เกษตรกร จ.เพชรบุรี ดําเนินการทดสอบต้นแบบเครื่องปลูกสับปะรดโดยใช้หน่อปลูก จากศูนย์วิจัยและพัฒนาการเกษตรเพชรบุรี อําเภอชะอํา จังหวัด เพชรบุรี (Figure 9) คัดแยกขนาดหน่อที่มีขนาดน้ําหนักในช่วง 300-500 g ตัดแต่งยอดหน่อให้มีความยาวประมาณ 40-45 cm เตรียมดินก่อนปลูกจํานวน 2 ครั้ง ด้วยไถจานผาล 3 และไถจาน ผาล 7 บรรจุหน่อสับปะรดข้างละประมาณ 200 หน่อ ใช้รถ แทรกเตอร์ยี่ห้อ New Holland ขนาด 50 hp เกียร์ Low 1 ที่ ความเร็วรอบ 1,000 rpm จับเวลาความเร็วในการเคลื่อนที่ เวลา ทํ า งานต่ อ พื้ น ที่ อั ต ราการสิ้ น เปลื องน้ํ า มั น เชื้ อ เพลิ ง วั ด ระยะ ระหว่างต้นและระยะห่างแถว วัดความเอียงของหน่อสับปะรดหลัง ปลูก เปอร์เซ็นต์การปักหน่อ ความลึกของการปลูก และ ชนิดของ ดิน
Figure 9 Pineapple transplanter attached with tractor 50 hp Testing performance at Phetchaburi
403
ผลการทดสอบในสภาพดินทราย หลังจากการปรับปรุงกลไก ลการทํางานต่างๆ ของเครื่องต้นแบบและ หาสมรรถนะด้านต่างๆ พบว่า เครื่องมีความสามารถในการทํางาน 0.63 rai/hr ที่ความเร็ว ขับเคลื่อน 0.28 m s-1 ประสิทธิภาพการปลูก 96.05% หน่อมี ความเอียง 72.02 องศาจากแนวระนาบ ความลึกการปลูก 16.20 cm ระยะห่างระหว่างต้นเฉลี่ย 34.08 cm ระยะห่างระหว่างแถว เฉลี่ย 105 cm (ประมาณ 6,300 plant/rai) อัตราการสิ้นเปลือง น้ํามันเชื้อเพลิง 2.15 liter/rai คํานวณหาจุดคุ้มทุนทางเศรษฐศาสตร์ โดยเปรียบเทียบการ ปลูกสับปะรดโดยใช้เครื่องปลูกสับปะรดติดพ่วงรถแทรกเตอร์ และ การใช้แรงงานคนปลูกสับปะรด โดยคิดค่าจ้างรถแทรกเตอร์ขนาด 50 hp เท่ากับ 1,000 baht/day ค่าจ้างคนขับรถแทรกเตอร์ 500 baht/day ค่ า จ้ า งคนป้ อ นและคนเติ ม หน่ อ 3 คน รวม 900 baht/day เครื่องปลูกสับปะรดราคา 90,000 baht อายุการใช้งาน 7 year จากการคํ า นวณสามารถเขี ย นกราฟแสดงความ ความสัมพันธ์ระหว่างค่าใช้จ่ายในการใช้งานเครื่องปลูกสับปะรดติด พ่วงรถแทรกเตอร์ และการปลูกสับปะรดโดยแรงงานคนได้ดังกราฟ
Figure 10 Economic analysis of the pineapples planting จากกราฟ พบว่าต้นทุนในการใช้งานของเครื่องปลูกสับปะรดจะ ลดลงเมื่อพื้นที่การใช้งานมากขึ้น โดยเกษตรกรสามารถพิจารณาได้ ว่าควรจะซื้อเครื่องปลูกสับปะรดมาใช้งานหรือไม่ โดยพิจารณาจาก ต้นทุนในการใช้งานเครื่องปลูกสับปะรดติดรถแทรกเตอร์ ซึ่งควรจะ ต่ํากว่ าราคาค่าจ้ างค่าจ้ างแรงงานปลูกสั บปะรดในปัจจุ บัน โดย ค่าจ้างในการปลูกสับปะรดด้วยแรงงานคนเท่ากับ 880 baht/rai เกษตรกรที่จะซื้อเครื่องปลูกสับปะรดมาใช้งานควรมีพื้นที่การ ใช้งานหรือรับจ้างไม่ต่ํากว่า 58.47 rai/year เป็นเวลา 7 year จึง จะคุ้มมากกว่าการจ้างแรงงานปลูก ในกรณีที่เกษตรกรมีพื้นที่การใช้ งาน 150 rai/year ถ้าเกษตรกรเลือกใช้เครื่องปลูกสับปะรด จะมี ต้นทุนในการทํางาน 730.83 baht/rai ซึ่งถูกกว่าการจ้างแรงงาน ปลูก 149.17 baht/rai เมื่อใช้เครื่องปลูกสับปะรดแทนการจ้าง แรงงานคนปลูก
5 สรุปผลการทดลอง จากผลการวิจัยและพัฒนาเครื่องปลูกสับปะรดแบบพ่วงท้ายรถ แทรกเตอร์ขนาดกลาง (39-50 hp) ปลูกแบบแถวคู่ โดยใช้หน่อที่ ตัดแต่งยอดให้สม่ําเสมอให้มีความยาว 30-50 cm และมีการคัด น้ําหนักหน่อขนาดที่ใกล้เคียงกันในช่วง 300-500 g บรรจุหน่อได้ ข้างละประมาณ 200 หน่อ เครื่องปลูกสับปะรดมีความสามารถใน การทํางาน 0.63 rai/hr ที่ความเร็วขับเคลื่อน 0.28 m s-1 เปอร์เซ็นต์การปักหน่อ 96.05% หน่อมีความเอียง 72.02 องศา จากแนวระนาบ ความลึกการปลูก 16.20 cm ระยะห่างระหว่าง ต้นเฉลี่ย 34.8 cm ระยะห่างระหว่างแถวเฉลี่ย 105 cm อัตรา การสิ้นเปลืองน้ํามันเชื้อเพลิง 2.15 liter/rai มีข้อจํากัดของขนาด หน่อที่โคนหน่อโค้งงอมากไป จะมีติดขัดที่อุปกรณ์การป้อนหน่อ ซึ่งสามารถแก้ปัญหาได้ด้วยการคัดขนาดหน่อที่เหมาะสมและต้องมี การเตรี ยมดิ นก่ อนการปลู กที่ ค่ อนข้ างดี ทั้ งนี้ เกษตรกรที่ จะซื้ อ เครื่ อ งปลู ก สั บ ปะรดมาใช้ ง านหรื อรั บ จ้ า งควรมี พื้ น ที่ ก ารปลู ก สับปะรดไม่น้อยกว่า 58.47 rai/year เป็นเวลา 7 year จึงจะคุ้มต่อ การซื้อรถแทรกเตอร์พร้อมพร้อมเครื่องปลูกสับปะรดมาใช้งาน 6 กิตติกรรมประกาศ ขอขอบคุ ณศู นย์ วิจั ยและพั ฒนาการเกษตรหนองคาย และ ศูนย์วิจัยและพัฒนาการเกษตรเพชรบุรี กรมวิชาการเกษตร ที่ให้ การสนับสนุนผลผลิตหน่อพันธุ์สับปะรด และสถานที่ทดสอบในการ วิ จั ย ครั้ ง นี้ ขอขอบคุ ณ ศู น ย์ วิ จั ย เกษตรวิ ศ วกรรมขอนแก่ น สถาบันวิจัยเกษตรวิศวกรรม กรมวิชาการเกษตร ที่ให้การสนับสนุน อุ ปกรณ์ และเครื่ องมื อต่ างๆ และเจ้ าหน้ าที่ ทุกท่ านที่ มีส่ วนช่ วย สนับสนุนงานวิจัยให้สําเร็จลุล่วงด้วยดี 7 เอกสารอ้างอิง กรมส่งเสริมการเกษตร. 2553. สับปะรด. กลุ่มสื่อส่งเสริม การเกษตร ส่วนส่งเสริมและเผยแพร่กรมส่งเสริมการเกษตร. สืบค้นจาก: http://www.doae.go.th/library/html/ putsetakit/saparod.pdf. [พ.ค. 2553]. กรมศุลกากร. 2554. สับปะรดและผลิตภัณฑ์สับปะรด. สืบค้นจาก: http://www.dft.go.th [พ.ค. 2554]. สํานักงานเศรษฐกิจการเกษตร. 2555. ข้อมูลการผลิตสินค้าเกษตร: สับปะรด. สืบค้นจาก: http://www.oae.go.th/ ewt_news. php?nid=13577 [พ.ค. 2556]. Seree Wongpichet. 1998. Design and Development of Pineapple Transplanter. Thesis (Ph.D.). Asian Institute of Technology. Thailand. 139 p.
แร 404
TPM-10
อุปกรณ์ฉีดพ่นสารเคมีติดท้ายรถแทรกเตอร์แบบมีกลไกควบคุมความสูงการฉีด พหลรัต กิตติพันธ์1*, ประเทือง อุษาบริสุทธิ1์ 1
ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร คณะวิศวกรรมศาสตร์ กําแพงแสน มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตกําแพงแสน,นครปฐม 73140 ผู้เขียนติดต่อ: พหลรัต กิตติพันธ์ E-mail: phaholrat.kc@gmail.com
บทคัดย่อ การฉีดพ่นสารเคมีแบบใช้แขนฉีดพ่นเป็นวิธีการที่สําคัญแบบหนึ่งในการควบคุมกําจัดวัชพืชในไร่อ้อย อุปกรณ์ฉีดพ่น สารเคมีที่ใช้อยู่ในปัจจุบันมักมีข้อด้อยในการทํางานในสภาพพื้นที่แปลงที่มีระดับความสูงแตกต่างกัน ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงมุ่งพัฒนา อุปกรณ์ ฉีดพ่นสารเคมีสํา หรับแปลงอ้ อยโดยแขนฉีดพ่น สําหรั บติดตั้ งหัวฉี ดสามารถควบคุมความสูงของหัวฉี ดจากพื้นให้ คงที่ล ด ผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงระยะความสูงของหัวฉีดกับพื้นเนื่องจากความลาดเอียงของพื้นที่ปฏิบัติงานได้ อุปกรณ์ฉีดพ่นสารเคมีที่ พัฒนาขึ้นประกอบด้วยจุดต่อพ่วงแบบสามจุด โครง ชุดแขนฉีดพ่นติดตั้งกลไกควบคุมระดับความสูงของหัวฉีด และหัวฉีด ตัวอุปกรณ์มี ความกว้าง 80 cm ยาว 140 cm และสูง 135 cm อุปกรณ์ฉีดพ่นสารเคมีนี้มีชุดแขนฉีดพ่น 3 ชุด หัวฉีด 6 หัว ความกว้างในการฉีด พ่น 450 cm หรือสามารถปรับให้ฉีดพ่นในไร่อ้อยได้ครั้งละ 3 แถว จากการทดสอบเบื้องต้นพบว่า อุปกรณ์ฉีดพ่นสารเคมีที่ติดตั้งชุด กลไกควบคุมความสูงกับอุปกรณ์สัมผัสพื้น 3 แบบคือแบบสกี แบบลูกกลิ้ง และแบบล้อ สามาถทํางานในพื้นที่แปลงมีระดับความสูง แตกต่างกันได้ ผลการทดสอบทํางานพบว่า อุปกรณ์ฉีดพ่นสารเคมีสามารถทํางานปรับระยะขึ้นลงได้ตามสภาพพื้นที่โดยแบบล้อมี แนวโน้มในการรักษาระดับได้ดีกว่า มีอัตราการตายของวัชพืชสูงที่สุด ส่วนผลการทดสอบสมรรถนะและประสิทธิภาพการทํางานเชิงไร่ ของอุปกรณ์ทั้ง 3 แบบ เปรียบเทียบกับ boom sprayer แบบเดิมพบว่าไม่มีความแตกต่างกันทางสถิติ คําสําคัญ: อุปกรณ์ฉีดพ่นสารเคมี, กลไกควบคุมระดับความสูง, แทรกเตอร์, อ้อย
Boom sprayer attached to a tractor with a spraying height control mechanism Phaholrat Kittiphan1*, Prathuang Usaborisut1 1
Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering at Kamphaengsaen, Kasetsart University, Kamphaengsaen Campus,NakhonPathom 73140 Corresponding author: Phaholrat Kittiphan. E-mail: phaholrat.kc@gmail.com
Abstract Boom spraying is one of important practices for sugarcane cultivation. Conventional sprayer has disadvantage when using in the field with unlevel surface.Therefore, this research aimed to develop a boom sprayer for using in sugarcane field which nozzle bar can be controled to keep the spraying height constant in order to reduce the effect of hight variation during working on inclined areas. The developed sprayer mainly consisted of three-point-hitch attachment part, frame, nozzle holding bar with hight control mechanism and nozzle. The sprayer’s dimention was 80 cm wide, 140 cm long and 135 cm high. With three sets of nozzle holding bar and six nozzles, it had working width of about 450 cm or it can be adjusted to cover three rows of sugarcane. The hight control mechanism had three different supporters which place on soil surface including ski shank, long roller and tire wheel. From the test results, it was found that the sprayers could work properly and the tire wheel seemed to keep constant height from surface more precisely comparing to the others. Moreover the tire wheel mechanism resulted in less percentage of non-destroyed weed comparing to the other mechanism and the conventional boom sprayer. There were not significant differences among four types of sprayer in terms of field performance and field efficiency. Keywords: Boom sprayer, Hight control mechanism, Tractor, Sugarcane
405
1 บทนํา อ้อยเป็นพืชเศรษฐกิจที่สําคัญชนิดหนึ่งของประเทศไทยโดยเป็น พืชหลักที่ใช้เพื่อผลิตน้ําตาล สํานักงานเศรษฐกิจการเกษตร (2559) ระบุว่ามูลค่าการส่งออกน้ําตาลในปี 2558 คือ 50,326 ล้านบาท รวมถึงมีศักยภาพที่สามารถนําไปผลิตเป็นพลังงานจากของที่เหลือ จากการผลิตน้ําตาลเช่น การนํากากน้ําตาลไปหมักเป็นแอลกอฮอล์ หรือใช้กากอ้อยเป็นเชื้อเพลิงในการต้มน้ําแล้วนําไอน้ําไปหมุนใบพัด เครื่องกําเนิดกระแสไฟฟ้าเป็นต้น การปฎิบัติดูแลรักษาอ้อยเพื่อให้ได้ผลผลิตต่อไร่ที่ดีนั้นขั้นตอน หนึ่ งที่ มี ความสํ าคั ญคื อการควบคุ มกํ าจั ดวั ชพื ช เกษมและคณะ (2521) กล่าวว่าวัชพืชนับว่าเป็นปัญหาสําคัญอย่างหนึ่งในการปลูก อ้อยเนื่องจากมีระยะปลูกกว้างกว่าพืชไร่ชนิดอื่น วัชพืชที่ขึ้นจะทํา ความเสี ยหายแก่ อ้อยทั้ งในด้ านผลผลิ ตและคุ ณภาพรวมถึ งเป็ น แหล่งสะสมของโรคและแมลง วิธีการควบคุมวัชพืชอาจทําได้ทั้งวิธีกลหรือการใช้สารเคมี โดย ใช้แรงงานคนหรือเครื่องจักร แต่ในการปลูกอ้อยที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่ มีความจําเป็นต้องทํางานให้ทันกับเวลาซึ่งปั ญหาในการควบคุ ม วัชพืชจะรุนแรงในฤดูฝน การใช้วิธีกลวัชพืชจะเกิดใหม่เร็วมาก การ ใช้สารเคมีจึงมีความจําเป็น เครื่องฉีดพ่นสารเคมีที่สามารถทํางาน ได้รวดเร็วเป็นที่นิยมในพื้นที่ขนาดใหญ่คือ boom sprayer โดย สามารถฉีดพ่นสารเคมีได้ความกว้างในการทํางานตามความยาวของ boom แต่ปัญหาของ boom sprayerคือการรักษาระยะห่างของ หัวฉีดกับพื้นให้คงที่เนื่องจากขณะทํางานเมื่อต้องเคลื่อนที่ผ่านพื้นที่ ที่ไม่ราบเรียบมีระดับความสูงแตกต่างกันจะทําให้ boom เกิดการ เอียง Figure 1 แสดงถึงผลกระทบจากความไม่ราบเรียบของพื้นที่ ทําให้ spray boom เกิดการเอียง
Figure 1 Rolling movement of a spray boom on uneven surface. Pochi and Vannucci (2002) ได้ทําการศึกษาโดยใช้ potentiometric transducer ตรวจวัดการเคลื่อนที่ของปลาย boom ด้านซ้ายและด้านขวาเทียบกับจุดศูนย์กลางในสภาวะการ ปฏิบัติงานจริงพบว่าสามารถตรวจวัดเพื่อใช้ในการประมาณการ เคลื่อนที่และผลกระทบที่เกิดจากการเคลื่อนที่ได้ มีผู้ที่ศึกษาและออกแบบอุปกรณ์เพื่อทําการแก้ไขการเคลื่อนที่ ของ spray boom ในแนวระดับ Anthonis et al. (2004) ใช้ ระบบไฮดรอลิกเพื่อปรับตําแหน่งในแนวระดับของ spray boom ที่ มีความยาว 39 m Deprez et al. (2002) ได้ออกแบบอุปกรณ์
ปรับระดับโดยใช้มอเตอร์ไฟฟ้าหมุนผ่านเกียร์ทดเพื่อดึงสายเคเบิลที่ ติดอยู่กับ spray boom ดังนั้นจะเห็นได้ว่าการรักษาแนวระดับของ spray boom เพื่ อ ให้ ร ะยะห่ า งของหั ว ฉี ด กั บ พื้ น คงที่ มี ค วามจํ า เป็ น ทํ า ให้ ประสิทธิภาพในการกระจายของละอองสารเคมีมีความสม่ําเสมอ งานวิจัยนี้จึงมุ่งศึกษาเพื่อพัฒนาอุปกรณ์ฉีดพ่นสารเคมีที่สามารถ ปรับระยะห่างของหัวฉีดกับพื้นให้คงที่ได้ 2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 ส่วนประกอบของเครื่องฉีดพ่นและต้นกําลัง ตัวเครื่องเป็นแบบติดตั้งกับรถแทรกเตอร์ รถแทรกเตอร์ที่ใช้ ทดสอบยี่ ห้อ Kubota รุ่น B2420 ต่ อพ่ วงแบบสามจุ ด ประกอบด้วยโครงเครื่องขนาดความกว้าง 80 cm ยาว 140 cm และสูง 135 cm สําหรับติดตั้ง ปั๊มแบบลูกสูบสามสูบขับด้วย สายพานที่ต่อกําลังมาจากเพลา PTO ของรถแทรกเตอร์ สายทน แรงดันเพื่อส่งน้ํายาไปที่หัวฉีด ถังบรรจุสารเคมีขนาดความจุ 200 L ชุดกลไกควบคุมความสูงแบบ parallel (parallel mechanism) สามารถปรับระดับขึ้นลงตามสภาพพื้นที่จํานวน 3 ชุดติดตั้งหัวฉีด ชุดละ 2 หัว หัวฉีดที่ใช้เป็นแบบให้ละอองรูปพัด สามสรถหาซื้อได้ ทั่วไปซึ่งเกษตรกรนิยมใช้ในการฉีดสารกําจัดวัชพืช และอุปกรณ์ สัมผัสพื้นสามแบบคือ แบบสกี แบบล้อ และแบบลูกกลิ้ง Figure 2 แสดงลักษณะชุดกลไกควบคุมความสูงและอุปกรณ์สัมผัสพื้นทั้ง3 แบบ ทําการทดสอบเทียบกับ boom ที่ใช้กับ boom sprayer ทั่วไปโดยมีจํานวนหัวฉี ดและความกว้างในการฉี ดพ่นเท่ากันคื อ 4.50 m
Figure 2 Three sets of height control mechanism. 2.2 การสอบเทียบหัวฉีดและอุปกรณ์ที่ใช้เก็บผล ก่ อนการทดสอบต้ องทํ าการสอบเที ยบอั ตราการฉี ดพ่ นของ หัวฉีดแต่ละหัวโดยปรับระยะระหว่างหัวฉีดกับพื้นให้ห่างกัน 30 cm เติมน้ําเปล่าในถังเครื่องฉีดพ่นแล้วเปิดเพลา PTO เร่ง เครื่องยนต์ให้ได้รอบ 1500 rpm ปรับตั้งแรงดันที่ปั๊ม 1 bar ใช้ กระบอกตวงรองน้ําแต่ละหัวฉีด 30 s เพื่อหาค่าเฉลี่ยของอัตราการ ฉี ดพ่ น แล้ วทํ า การปรั บ ตั้ งอั ตราการฉี ดพ่ นแต่ ล ะหั วให้ มี ค วาม
406
แตกต่างจากค่าเฉลี่ยไม่เกิน ±5% ตามคําแนะนําของ The British Crop Protection Council (1991) อุ ป กรณ์ ที่ ใ ช้ ใ นการเก็ บ ค่ า การเคลื่ อ นตั ว ขึ้ น ลงของหั ว ฉี ด ประกอบด้วยอุปกรณ์ส่งสัญญาณ Displacement Transducer รุ่น DP-500E ติ ดตั้งที่แขนยึดหัวฉีดพ่นด้ านซ้ายและด้านขวาส่ ง สัญญาณไปที่เครื่องเก็บข้อมูล Data logger รุ่น EDX-100A ความถี่ ในการเก็บข้อมูล 100 hertz อุปกรณ์วัดค่าและตําแหน่งติดตั้ง อุปกรณ์ดังแสดงใน Figure 3 และ Figure 4
Figure 5 Contour line of the test field.
Figure 3 Displacement tranducer
Figer 4
ความแตกต่างของระดับพื้นเพื่อทํา contour ของพื้นที่ดังแสดงใน Figure 5 และ Figure 6 แปลงทดสอบจะปูด้วยหญ้าสนามพันธ์ นวลน้อยโดยทําการปูหญ้าสนามให้เต็มพื้นที่ทดสอบประสิทธิภาพ การฉีดพ่นสารเคมี ชื่อสามัญของสารเคมีที่ใช้คือ Paraquat ซึ่งเป็นสารกําจัดวัชพืช ประเภทสัมผัสทําลายเยื่อหุ้มเซลล์ และเป็นสารเคมีประเภทหนึ่งที่ เกษตรกรนิยมใช้เนื่องจากเห็นผลการตายของวัชพืชเร็ว อัตราการ ผสมที่ฉลากผู้ผลิตแนะนําคือ 300-500 cc ต่อไร่ อัตราที่ใช้ในการ ทดสอบคือ สารเคมี 500 cc ต่อไร่ โดยผสมสารเคมี 1000 cc กับ น้ํา 200 L ฉีดพ่นได้พื้นที่ประมาณ 2 ไร่
Locations of data logger and displacement tranducers. การสอบเที ยบอุ ป กรณ์ วั ดระยะหั วฉี ดโดยหลั ง จากที่ ติ ดตั้ ง อุปกรณ์ตรวจวัดกับเครื่องแล้ว ปรับแขนฉีดพ่นให้อยู่ในแนวระดับ ปลายหัวฉีดห่างจากพื้น 30 cm ทําการยกปลายแขนให้ปลายจุด สัมผัสพื้นของอุปกรณ์ห่างจากพื้น 5, 10, 15, 20 และ 25 cm ตามลําดับ แต่ละระยะห่างให้ยกค้างไว้ 10 s เพื่อให้ Data logger บันทึกข้อมูล ทําซ้ํากับอุปกรณ์สัมผัสพื้นทั้ง3แบบ 2.3 การเตรียมแปลงทดสอบและสารเคมีที่ใช้ แปลงที่ใช้ทดสอบเป็นแปลงปลูกอ้อยในพื้นที่ ต.พังตรุ อ.ท่าม่วง จ.กาญจนบุ รี ซึ่ ง มี ลั ก ษณะพื้ น ที่ ไ ม่ ร าบเรี ยบ ขนาดของแปลง ทดสอบสมรรถนะ 40 m × 80 m และแปลงที่ใช้ทดสอบ ประสิทธิภาพการฉีดพ่นสารเคมีขนาด 4.5 m × 2 m ทําการวัด
Figure 6 Surface of the test field in 3D. 2.4 การทดสอบฉีดพ่นสารเคมีเบื้องต้น การทดสอบฉี ด พ่ น สารเคมี เ บื้ อ งต้ น จะเป็ น การทดสอบ เปรียบเทียบโดยใช้อุปกรณ์สัมผัสพื้น3แบบและ boom sprayer แบบที่ใช้กันอยู่ทั่วไป ทําการทดสอบโดยเปิดเพลา PTO รถแทรคเตอร์ เริ่มฉีดพ่นใช้ เกียร์ M2 รอบเครื่องยนต์ 1500 rpm แปลงที่ทดสอบประสิทธิภาพการฉีดพ่นทําการฉีดพ่นผ่านแปลง ทดสอบที่ปูหญ้าสนามไว้ เมื่อฉีดพ่นแล้วทิ้งไว้ 30 นาทีเพื่อให้ ละอองสารที่ติดกับใบหญ้าแห้งแล้วเก็บหญ้าสนามออกมาวางไว้ข้าง แปลงในลักษณะเดิม นําหญ้าชุดใหม่เข้าไปวางโดยผู้ปฏิบัติต้องใส่ ถุงมือและผ้าปิดจมูกป้องกันอันตรายจากสารเคมี เปลี่ยนอุปกรณ์ สัมผัสพื้นแล้วทําการฉีดพ่นสารเคมีใหม่ ทําซ้ําจนครบทั้ง4แบบ ใน
407
แปลงที่ทําการทดสอบสมรรถนะทําการฉีดพ่นโดยเก็บข้อมูลเวลาที่ ทํางานและกลับหัวงาน สมรรถนะในการทํ า งานหาได้ จ ากสมการ ที่ (1) และ ประสิทธิภาพการทํางานเชิงไร่หาได้จากสมการที่ (2) C=
เมื่อ C A TP T1 E=
A Tp +T1
= = = =
(1)
สมรรถนะในการทํางานเชิงไร่ (ha hr-1) พื้นที่ทดสอบ (m2) เวลาที่ได้งาน (s) เวลาที่ไม่ได้งานได้แก่เวลาที่สูญเสียจากการ กลับหัวงาน (s) We ×Tp
Wt ×(Tp +T1 )
×100
บางช่ วงที่ พื้ นที่ เอี ยงหั วฉี ดจะห่ า งจากพื้ นทํ า ให้ เกิ ดพื้ น ที่ ไม่ ถู ก สารเคมีมากที่สุดคิดเป็น 2.01% ของพื้นที่ฉีดพ่นทั้งหมด Table 2 แสดงข้อมูลที่ใช้หาสมรรถนะในการทํางานพบว่า สมรรถนะในการทํางานของชุดฉีดพ่นสารเคมีที่มีชุดรักษาระดับ แบบล้อมีค่ามากที่สุด 1.35 ha hr-1 แต่ไม่มีความแตกต่างทางสถิติ เมื่อเปรียบเทียบกับการฉีดแบบอื่น ส่วนประสิทธิภาพการทํางาน เชิงไร่มีค่าประมาณ 83% และแต่ละแบบไม่มีความแตกต่างกันทาง สถิติ
(2)
เมื่อ E = ประสิทธิภาพการทํางานเชิงไร่ We = ความกว้างในการทํางานจริง (m) Wt = ความกว้างในการทํางานทางทฤษฎี (m) 3 ผลและวิจารณ์ จากการทดลองพบว่าลักษณะการปรับตัวขึ้นลงของอุปกรณ์ สัมผัสพื้นทั้งสามแบบมีการปรับตัวขึ้นลงได้ตามสภาพความสูงต่ํา ของพื้นที่ดังกราฟใน Figure 7 แสดงระยะการปรับตัวขึ้นลงของ แขนฉีดพ่น โดยกราฟมีรูปแบบที่คล้ายกันแต่มีระยะการเคลื่อนที่ไม่ เท่ากัน เช่น เมื่อพิจารณาด้านซ้ายและขวาช่วงระยะการเคลื่อนที่ ที่ 2 m ถึง 5 m จะพบว่าอุปกรณ์แบบล้อมีความเสถียรมากที่สุด อุปกรณ์แบบสกีและแบบลูกกลิ้งมีลักษณะของเส้นกราฟมีความถี่ ของการเคลื่อนที่ขึ้นลงมากกว่าแบบล้อคาดว่าเกิดจากการกระเด้ง ซึ่งสามารถสังเกตุเห็นได้ในขณะทําการทดลองเป็นผลจากการที่ แบบล้ อสามารถหมุ นตามการเคลื่ อนที่ ได้ คล่ องตั วที่ สุ ด สํ าหรั บ อุปกรณ์แบบลูกกลิ้งสามารถหมุนตามการเคลื่อนที่ได้แต่เนื่องจากมี พื้นที่ สั มผัสพื้ นมากกว่ าจึงได้ รั บผลกระทบจากความขุ รขระของ พื้นที่มากกว่าแบบล้อ ส่วนแบบสกีได้รับแรงฉุดลากสีไปกับพื้นจึง ทําให้กระเด้งขึ้นลง ประสิทธิภาพในการทํางานของเครื่องฉีดพ่น Table 1 แสดง พื้นที่ของหญ้าสนามที่ไม่ถูกสารเคมีฉีดพ่นโดยยังมีสีเขียวหลังจาก การฉีดพ่นผ่านไปแล้ว 3 วัน พบว่า พื้นที่ไม่ถูกสารเคมีฉีดพ่นมาก ที่สุดคือ spray boom แบบเดิม, สกี, ลูกกลิ้ง และล้อ ตามลําดับ ซึ่งสอดคล้องกับกราฟแสดงลักษณะการปรับตัวขึ้นลงของอุปกรณ์ โดยแบบ boomไม่สามารถปรับระยะห่างของหัวฉีดกับพื้นได้ทําให้
Figure 7 Responding movements of nozzles on same field surface. Table 1 Non-destroyed weed by the operation of sprayer with 4 types of tools. Tools Conventional boom sprayer Boom sprayer with ski Boom sprayer with wheel Boom sprayer with roller a Total area = 9 m2
408
Non-destroyed weed Area Area/Total area (cm2) (%) 1813 2.01 1073 1.19 147 0.16 157 0.17 a
สํานักงานเศรษฐกิจการเกษตร. 2559. ระบบแสดงข้อมูลสถิติ. แหล่งข้อมูล: www.oae.go.th/oae_report/export_ Tools A (ha) Tp (hr) C (ha hr-1) E (%) import/export.php. เข้าถึงเมื่อ 28 มิถุนายน 2559. 0.222 1.211 83.73 ski 0.32 Anthonis, J., J. Audenaert, H. Ramon, 2004. Design 0.198 1.351 83.36 wheel 0.32 Optimisation of a Crop Sprayer Boom. Biosystem 0.210 1.271 83.39 roller 0.32 Engineering (2005) 90(2). 153-160. 0.205 1.302 83.56 boom 0.32 Deprez, K., J. Anthonis., H. Ramon, H. V. Brussel. 2002. ns ns F-Test Development of a Slow Active Suspension for ns = non significant at p = 0.05 Stabilizing the Roll of Spray Booms Part 1: Hybrid 4 สรุป Modelling. . Biosystem Engineering (2002) 81(2). 185ผลการทดสอบโดยพิจารณาจากผลข้อมูลการเคลื่อนที่ขึ้นลง 191. พบว่าแขนฉีดพ่นที่พัฒนาขึ้นสามารถปรับตัวขึ้นลงตามสภาพพื้นที่ D. Pochi, D. Vannnucci. 2002. A System with ได้สําหรับอุปกรณ์สัมผัสพื้นทั้งสามแบบ แบบสกีและแบบลูกกลิ้งมี Potentiometric Transducers to Record Spray Boom แนวโน้มจะเคลื่อนตัวมากกว่าสภาพพื้นที่จากการกระเด้ง แบบล้อมี Movements under Operating Condition. Biosystem ลักษณะการเคลื่อนที่ใกล้เคียงกับสภาพจริงของพื้นที่มากที่สุด Engineering (2002) 82(4), 393-406. เมื่อนําอุปกรณ์ทั้งสามแบบมาเปรียบเทียบกับ boom sprayer The British Crop Protection Council. 1991. Boom sprayers ที่ใช้ทั่วไปพบว่าสมรรถนะในด้านอัตราการทํางานและประสิทธิภาพ handbook. Great Britain: The Press Ltd. เชิงไร่ไม่มีความแตกต่างทางสถิติอย่างไรก็ตามอุปกรณ์ที่พัฒนาขึ้นมี น้ําหนักและระยะยื่นยาวไปทางด้านหลังรถแทรกเตอร์มากกว่าทํา ให้ผู้ปฏิบัติงานต้องระวังในการกลับรถ จึงควรปรับปรุงในด้านการ ลดน้ํ าหนั กและระยะความยาวของแขนฉี ดพ่ นโดยประกอบกั บ อุปกรณ์แบบล้อจะทําให้สมรรถนะในการทํางานเพิ่มมากขึ้น Table 2 Performance and field efficiency test. Average T1 (hr) 0.043 0.040 0.042 0.040
5 กิตติกรรมประกาศ ผู้ วิ จั ยขอขอบคุ ณ บริ ษั ท เค.ซี . เกษตรกรรมจํ ากั ด และ บ. ประจวบอุตสาหกรรมจํากัด ที่ได้สนับสนุนสถานที่และอุปกรณ์อัน เป็นประโยชน์ต่อการศึกษาในครั้งนี้ 6 เอกสารอ้างอิง เกษม สุขสถาน, อัมพร สุวรรณเมฆ, ถวิล ครุทกุล, ไพโรจน์ จ๋วง พานิช, อุดม พูลเกษ, อิสรา สุขสถาน, โกศลเจริญสม, นิพนธ์ ทวิชัย, สวาท รัตนวรพันธ์, พรชัย เหลืองอาภาพงศ์. 2521. หลักการทําไร่อ้อย. พิมพ์ครั้งที2่ . มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์, กรุงเทพ
409
TPM-11
การศึกษาและทดสอบชุดปลิดฝักถั่วลิสงตามแนวแกน กฤษณ์ ผลโพธิ1์ * ธีรพงศ์ ผลโพธิ์2 1
2
วิศวกรรมเกษตร, คณะวิศวกรรมศาสตร์, สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง ,กรุงเทพฯ, 10520 ผู้ช่วยศาสตราจารย์, วิศวกรรมเกษตร, คณะวิศวกรรมศาสตร์, สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง ,กรุงเทพฯ, 10520 ผู้เขียนติดต่อ: กฤษณ์ ผลโพธิ์ E-mail: krid339@gmail.com
บทคัดย่อ งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษา ทดสอบ และประเมินผลชุดปลิดฝักถั่วลิสงตามแนวแกน เพื่อยกระดับการผลิตเนื่องจาก ปัญหาการขาดแคลนแรงงานในภาคเกษตรกรรม เครื่องปลิดถั่วลิสงประกอบด้วย ชุดปลิดฝักถั่วลิสง ชุดป้อนต้นถั่วลิสง ชุดตะแกรงร่อน ชุดพัดลมทําความสะอาด และชุดทดกําลัง การทดสอบหาสมรรถนะ การทํางานของเครื่องต้นแบบโดยใช้ตัวอย่างถั่วลิสงพันธุ์ไทนาน 9 ใช้เครื่องยนต์ดีเซลขนาด 6 hp ที่ความเร็วรอบชุดลูกนวด 300, 350, 400 และ 450 rpm ตามลําดับจํานวนการป้อนต้นถั่วลิสงที่ 4 ต้นต่อกํา ความเร็วในการปลิดถั่วลิสง 300, 350, 400 และ 450 rpm ความสามารถในการปลิดฝักถั่วลิสง 21.43, 29.15, 35.55 และ 29.75 kg (ฝัก)/hr ฝักถั่วลิสงดีไม่มีขั้ว 94.50%, 94.09%, 93.97% และ 94.16% ฝักดีมีขั้ว 5.50%, 5.91%, 6.03 % และ 5.84% พบว่าความเร็วในการปลิดถั่วลิสงที่เหมาะสมคือ 400 rpm ความสามารถในการปลิดฝักถั่วลิสง 35.55 kg (ฝัก)/hr ฝักถั่วลิสงดีไม่มีขั้ว 93.97% ฝักดีมีขั้ว 6.03% และไม่พบว่ามีการแตกร้าวของฝักถั่ว คําสําคัญ: เครื่องปลิดถั่วลิสง, ถั่วลิสง, ชุดลูกนวด
Study and Testing on the Picking of Groundnut Pod Stripper on Axial Type Krid Pholpo1*, Teerapong Pholpo2 1
Curriculum of Agricultural Engineering, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok, Thailand, 10520 2 Assistant professor, Curriculum of Agricultural Engineering, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok, Thailand, 10520 Corresponding author: Krid Pholpo. E-mail: krid339@gmail.com
Abstract The objective of this research to study and test the performance of Groundnut Pod Stripper on Axial type. The purpose of this research was to raise production of peanuts to higher performance and safe work-times due to the shortage of labor in the agricultural sector. The components of peanut thresher composed of thresher, feeder, sorting sieve, cleaning blower and speed reducer. The performance of thresher was tested by used peanuts variety Thainan-9 for five trunks per bunch. The engine was diesel 6 HP with 300, 350, 400 and 450 rpm of thresher revolution respectively. The results show the optimum revolution for four groundnut tree per feed is 400 rpm. The stripping capacity was 21.43, 29.15, 35.55 and 29.75 kg (pods)/hr. The 94.50%, 94.09%, 93.97% and 94.16% of good pods without attached vine and 5.50%, 5.91%, 6.03% and 5.84% of good pods with attached vine and not found broken pods. Keywords: Groundnut Stripper Machine, peanut, thresher
1 บทนํา ถั่ วลิ สงเป็ นพื ชไร่ เศรษฐกิ จที่ สํ าคั ญชนิ ดหนึ่ งที่ มี คุ ณค่ าทาง อาหารสู ง สามารถนํามาบริโภคได้หลายรูปแบบ ทั้ งบริ โภคเป็ น อาหารโดยตรง หรือแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ นอกจากนี้ ยังเป็น พืชตระกูลถั่วที่เป็นพืชบํารุงดิน สามารถปลูกได้ทุกภาคของไทย ทั้ง ในพื้นที่อาศัยน้ําฝนและน้ําชลประทาน แต่ผลผลิตยังไม่เพียงพอต่อ
ความต้องการใช้บริโภคในประเทศ [1] ถึงแม้ว่าจะมีการปลูกอย่าง แพร่หลายกันมาช้านานแล้วก็ตาม แต่กระบวนการผลิตส่วนใหญ่ยัง เป็นแบบเดิม โดยที่ถั่วลิสงเป็นพืชที่มีฝักเจริญเติบโตอยู่ในดินทําได้ ยากต่อการเก็บเกี่ยวขึ้นมาแล้วก็ยากลําบากในการปลิดฝักถั่วออก จากต้น ซึ่งถ้าปลูกเป็นปริมาณมากแล้วเกษตรกรมักจะปลิดฝักไม่ ทัน ทําให้เมล็ดถั่วเน่าเสีย สร้างความสูญเสียทางมูลค่าแก่เกษตรกร
410
การปลิดฝักออกจากต้นถั่วลิสง ทําได้ทั้งการปลิดทันทีหลังถอน หรือการถอนแล้วตากทั้งต้นไว้ในแปลง 1 ถึง 4 วันแล้วจึงปลิด [2] เกษตรกรส่วนใหญ่ปลิดถั่วลิสงโดยใช้มือ ซึ่งใช้เวลาและแรงงานมาก จึงนิยมจ้างปลิดได้โดยการชั่งน้ําหนักสด ประมาณ 10 ถึง 12 kg หรือโดยการชั่งน้ําหนักแห้ง 5 ถึง 6 kg ต่อปี๊บและจ่ายค่าจ่างต่อปี๊บ 10 ถึง 20 บาท แล้วแต่ท้องที่ เกษตรกรในบางท้องที่ทุ้นแรงงาน โดยการฟาดถั่ วลิ สงบนไม้สามเหลี่ ยมเพื่ อให้ ฝักร่วงลงในภาชนะ รองรับ หรือวัสดุอื่นที่หาได้ในท้องถิ่น กิตติและคณะ (2545) สร้างเครื่องปลิดฝักถั่วลิสง 2 แบบ คือ แบบแถบยางมีริมเป็นรอยหยักฟันเลื่อย และแบบท่อนเหล็กหุ้มด้วย สายยางท่อน้ํา ติดตั้งเครื่องปลิดฝักถั่วลิสงที่ด้านหน้ารถไถเดินตาม โดยอาศั ยเครื่ องยนต์ของรถไถเป็ นต้นกํ าลัง ทดสอบเครื่ องปลิ ด ฝักถั่วลิสงกับถั่วลิสงพันธุ์ไทนาน 9 และ สข. 38 อายุ 110 วันหลัง ปลูก โดยเปรียบเทียบกับการปลิ ดฝักด้วยมือที่เป็นวิ ธีมาตรฐาน หลั งจากนั้ นนํ าฝั กที่ ปลิ ดได้ ไปเก็ บรั กษาในสภาพเปิ ดระยะเวลา ต่างๆ แล้วทดสอบคุณภาพเมล็ดพันธุ์ โดยการทดสอบความงอกการ ติดสีเตตระโซเลียม และการนําไฟฟ้าของน้ําแช่เมล็ดพันธุ์ ผลการ ทดสอบพบว่า เครื่องปลิดทั้ง 2 แบบสามารถปลิดฝักถั่วลิสงเฉลี่ยได้ ฝักดีไม่มีขั้วประมาณร้อยละ 80 ฝักดีแต่มีขั้วประมาณร้อยละ 9 ฝัก แตก / ร้าวประมาณร้อยละ 4 และส่วนที่เหลือประมาณร้อยละ 7 เป็นฝักอ่อนคุณภาพภายนอกของฝักถั่วลิสงที่ปลิดได้ยังไม่สูงพอ สําหรับมาตรฐานเมล็ดพันธุ์เนื่องจากยังมีขั้วติดอยู่แต่อาจจะใช้ได้ สําหรับทําเป็นถั่วต้มเพื่อบริโภค ในส่วนภาพรวมของการทดสอบ เมล็ดพันธุ์ พบว่า เมล็ดพันธุ์ถั่วลิสงที่ได้จากการปลิดฝักด้วยเครื่อง ทั้ง 2 แบบมีคุณภาพต่ํากว่าที่ได้จากการปลิดฝักด้วยมือเล็กน้อย อย่างไรก็ตามในหลายกรณีเมล็ดพันธุ์ที่ได้จากการปลิดฝักถั่วลิสง ด้วยเครื่ องแบบแถบยางมีริมเป็นรอยหยั กฟั นเลื่ อยมีคุ ณภาพไม่ แตกต่างทางสถิติจากเมล็ดพันธุ์ที่ได้จากการปลิดฝักถั่วลิสงด้วยมือ เนื่องจากการปลิดถั่วลิสงสิ้นเปลืองแรงงานและเวลามาก หากมี เครื่องปลิดฝักที่มีประสิทธิภาพและมีขนาดที่เหมาะกับการใช้ใน ระดับครัวเรือนรวมทั้งมีราคาที่ถูกสามารถลดค่าใช้จ่ายในการปลิด ตลอดจนสามารถขยายพื้นที่เพาะปลูกได้มากขึ้น เนื่องจากการปลิด ฝักทําได้ง่ายและรวดเร็วขึ้น จึงเป็นอีกทางเลือกให้แก่เกษตรกรได้ วัตถุประสงค์ของงานวิจัยเพื่อศึกษา ทดสอบ และประเมินผลชุด ปลิดฝักถั่วลิสงตามแนวแกน 2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 ตัวอย่างต้นถั่วลิสง ตัวอย่างต้นถั่วลิสงพันธุ์ไทนาน 9 นํามาจากจังหวัดสระบุรี 2.2 ลักษณะของเครื่องปลิดผักถั่วลิสงตามแนวแกน
เครื่องปลิดฝักถั่วลิสงแบบตามแนวแกน ที่พัฒนานี้เป็นเครื่อง ปลิดถั่วลิสงแบบต่อเนื่องในการป้อนต้นถั่วลิสง (ภาพที่ 1) มีความ คล่องตัวในการใช้งาน สามารถนําเข้าไปในแปลงปลูกถั่วโดยโครง เครื่องมีขนาดกว้าง 1.10 m ยาว 1.85 m และสูง 1.45 m ซึ่งมี ส่วนประกอบหลักที่สําคัญอยู่ 6 ส่วน คือเครื่องยนต์ต้นกําลัง ขนาด 6 hp ชุดลําเลียงต้นถั่วและถาดป้อน ชุดตะแกรงร่อนและฟัด ลมทํ าความสะอาด ชุ ดเกลี ยวลํ าเลี ยง ชุ ดส่ งกํ าลั ง และชุ ดปลิ ด ฝักถั่วลิสงตามแนวแกน (ภาพที่2) โดยลูกนวดของชุดปลิดฝักถั่วลิสง ตามแนวแกนใช้วัสดุเป็นเหล็กแผ่นม้วนขนาดเส้นผ่านศุนย์กลาง 35 cm ยาว 50 cm มีนิ้วยางขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางขนาด 2 cm ยาว 8 cm ติดกับลูกนวดตามแนวยาวจํานวนแถวละ 4 และ 5 นิ้ว สลับกันโดยมีระยะห่างระหว่างนิ้วยาง 10 cm และมีมุมขนาด 60° ระหว่างแถว
Figure 1 Peanut thresher on axial
Figure 2 Thresher part 2.3 วิธีการทดลอง วิธีการทดลองเก็บผล จัดต้นถั่วลิสงแบ่งออกเป็นกําๆ ละ 3, 4 และ 5 ต้น รวมทั้งหมด 60 กํา เริ่มเดินเครื่องยนต์ที่ความเร็วรอบ ลูกปลิด 300 rpm ทําการป้อนต้นถั่วลิสงที่จํานวนต้นที่ป้อน 3 ต้น ต่อกํา โดยทําการจับต้นถั่วบริเวณใบ ส่วนบริเวณรากและฝักถั่วลิสง จะถูกชุดลูกปลิดตี ทําจนครบ 5 ซ้ํา แล้วจดบันทึกผลการทดลอง โดยนับจํานวนฝักก่อนป้อน จํานวนฝักหลังป้อน จํานวนฝักดีที่ติด ขั้ว จํานวนฝักแตก และจํานวนต้นที่ถูกลูกปลิดดึงเข้าไป หลังจาก นั้ น ป้ อ นต้ น ถั่ ว ที่ 4 และ 5 ต้ น ต่ อ กํ า ตามลํ า ดั บ โดยเปลี่ ย น
411
ความเร็วรอบลูกปลิดเป็น 350, 400 และ 450 rpm ตามลําดับ และที่ความร็ว รอบของชุดลําเลียงต้นถั่ว ที่ 300, 350, 400 และ 450 rpm ใช้เวลาในการปลิดฝักถั่ว 9.2, 8.8, 7.7 และ 7.1 s ต่อ การปลิดฝักถั่วลิสงหนึ่งครั้งตามลําดับ ในภาพที่ 3 แสดงการป้อน ต้นถั่วสิสง และภาพที่4 แสดงถั่วลิสงทีปลิดได้
Figure 4 Peanuts after process 2.4 การคํานวณสมรรถณะของเครื่อง การพิ จารณาสมรรถนะของชุ ดปลิ ดฝั กถั่ วลิ สงตามแนวแกน สามารถวัดได้จากการคํานวณค่าดังต่อไปนี้ ประสิทธิภาพในการปลิด
Figure 3 Feeding process
จํานวนฝักที่ปลิดได้ จํานวนฝักที่ป้อน
เปอร์เซ็นต์จํานวนฝักดี =100‐ จํานวนฝักดีที่ติดขั้ว
จํานวนฝักแตก จํานวนฝักทีป่ ลิดได้
(2)
x100
จํานวนฝักดี – จํานวนฝักดีไม่มีขั้วติด
เปอร์เซ็นต์จํานวนฝักดีที่ไม่มีขั้วติด เปอร์เซ็นต์จํานวนฝักแตก
(1)
x100
จํานวนฝักดีที่ไม่มีขั้วติด
จํานวนฝักแตก จํานวนฝักดี
จํานวนฝักดี
100_
(3)
100 (4)
(5)
Table 1 Effect of thresher revolution on efficiency of threshing Revolution of thresher (rpm) Number of tree per bunch 300 350 400 450 ns ns a ns 3 94.95±4. 27 97.65±6.15 98.28±3.31 91.86±6.90 ns ns ns ns Efficiency of ns ns a ns 4 ns98.04±4.71 ns98.04±5.00 ns98.30±2.45 ns91.39±4.86 threshing ns ns b ns 5 ns90.84±3.86 ns89.83±6.07 ns91.86±4.99 ns94.23±5.76 ns ns ns ns 3 ns100±0.00 ns100±0.00 ns100±0.00 ns100±0.00 ns ns ns ns unbroken pods 4 100±0.00 100±0.00 100±0.00 ns ns ns ns99.27±1.33 ns ns ns ns 5 ns100±0.00 ns99.37±1.21 ns100±0.00 ns99.32±1.37 ns ns ns ns 3 ns6.38±5.39 ns4.82±4.82 ns5.26±4.29 ns5.06±5.26 unbroken pods ns ns ns ns 4 ns5.50±5.81 ns5.91±7.95 ns6.03±7.82 ns5.84±3.51 with stem ns ns ns ns 5 ns5.43±4.63 ns2.53±2.21 ns5.70±4.23 ns6.16±6.09 3 ns93.62±5.39ns ns95.18±4.82ns ns94.74±4.29ns ns94.94±5.26ns unbroken pods 4 ns94.50±5.81ns ns94.09±7.95ns ns93.97±7.81ns ns94.16±2.50ns without stem 5 ns94.57±4.63ns ns97.47±2.67ns ns94.30±4.22ns ns93.84±5.56ns ns ns ns ns 3 0 0 0 ns ns ns ns0 ns ns ns ns broken pods 4 ns0 ns0 ns0 ns0.73±1.33 ns ns ns ns 5 ns0 ns0.63±1.21 ns0 ns0.68±1.37 Values followed by same upper and lower letters are not statistically different (α=0.05) in rows and columns respectively for each parameter. And “ns” meaning non-significant. Efficiency (%)
412
3 ผลการทดลอง จากตารางที่1 แสดงผลการทดลองการหาประสิทธิภาพพบว่าที่ ความเร็วรอบ 350 และ 400 rpm ที่จํานวน 3 ต้นต่อกําที่ 97.65 % และ 98.28 % และที่ 4 ต้นต่อกําที่ 98.04 % และ 98.3 % จะ มีประสิทธิภาพใกล้เคียงกัน ส่วนที่ความเร็วรอบ 300 rpm ที่ จํานวน 3 ต้นต่อกําจะมีประสิทธิภาพอยู่ที่ 94.95 % และ 98.04 % ตามลําดับ พบว่ามีประสิทธิภาพต่ํากว่าที่ความเร็วรอบ 350 และ 400 rpm แต่ที่จํานวนต้นที่ป้อน 5 ต้นต่อกําจะมี ประสิทธิภาพการปลิดที่ความเร็วรอบ 300, 350 และ 400 อยู่ที่ 90.84 %, 89.83 % และ 91.86 % ตามลําดับ ซึ่งน้อยกว่าที่ จํานวนต้นที่ป้อน 3 และ 4 ต้นต่อกํา เพราะมีความหนาแน่นของ ต้นถั่วลิสงมากและฝักถั่วลิสงที่อยู่ด้านในจะไม่สัมผัสกับนิ้วยางทํา ให้ไม่สามารถปลิดฝักออกมาได้หมด ส่วนที่ความเร็วรอบลูกปลิด 450 rpm ที่จํานวน 3, 4 และ 5 ต้นต่อกํา จะมีประสิทธิภาพอยู่ที่ 91.86 %,91.39 % และ 94.23 % ตามลําดับ จะเห็นได้ว่าที่ จํานวน 5 ต้นต่อกํา ให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นเพราะมีความหนาแน่น ของต้นถั่วลิสงมากและความเร็วรอบนิ้วยางสูง จึงทําให้สามารถ ปลิดฝักออกมาได้มากกว่า ที่จํานวน 3 และ 4 ต้นต่อกํา แสดงดัง ภาพ 5
Figure 5 Effect of tresher’s speed on efficiency of threshing จากการทดลองประสิทธิภาพการปลิดพบว่าที่จํานวน 3 ต้นต่อ กํา มีจํานวนฝักดีสูงถึง 100 % ที่ทุกๆ ความเร็วรอบ ส่วนจํานวน 4 ต้นต่อกํา มีจํานวนฝักดี 100 % ที่ทุกๆ ความเร็วรอบยกเว้น 450 rpm ที่มีจํานวนฝักดี 99.27 % และจํานวน 5 ต้นต่อกํามีจํานวนฝัก ดี 100 % ที่ความเร็วรอบ 300 และ 400 rpm ส่วนความเร็ว 350 และ 450 rpm มีจํานวนของฝักดีเท่ากับ 99.37 % และ 99.32 % ตามลําดับ ดังแสดงภาพที่ 6 สาเหตุที่การใช้ความเร็วรอบในการ นวดสูงทําให้จํานวนร้อยละของฝักดีลดลงเนื่องจากนิ้วยางกระทบ กับฝักถั่วที่ความเร็วสูงจึงทําให้ฝักถั่วเกิดความเสียหาย (แตก) จากการทดลองฝักดีไม่มีขั้วติดพบว่าที่จํานวนต้นที่ป้อน 4 ต้น ต่อกําที่ความเร็วรอบ 300, 350, 400 และ 450 rpm จะมีจํานวน
ฝักดีที่ไม่ติดขั้ว 94.5 %, 94.09 %, 93.97 %, และ 94.16 % ตามลําดับ ซึ่งมีประสิทธิภาพใกล้เคียงกัน ส่วนที่ความเร็วรอบ 400 rpm ที่จํานวนต้นที่ป้อน 3 , 4 และ 5 ต้นต่อกํา จะมีค่าเฉลี่ยที่ ใกล้เคียงกันที่ 94.74 %, 93.97 %, แล 94.3 % ตามลําดับ ดังภาพ ที่ 7 จากตารางที่ 1 การวิเคราะห์ผลทางสถิติพบว่า ความเร็วรอบลูก ปลิดถั่วลิสงไม่มีผลต่อประสิทธิภาพในการปลิด แต่อัตราการป้อนที่ 5 ต้น มีผลต่อประสิทธิภาพในการปลิด เมื่อเทียบกับอัตราการป้อน ที่ 3, 4 ต้น อย่างมีนัยสําคัญทางสถิติที่ระดับความเชื่อมั่น 95%
Figure 6 Effect of thresher’s speed on no stem peanuts (%) and amount of peanut per bunch
Figure 7 Effect of thresher’s speed on stem peanuts (%) and amount of peanut per bunch 4 สรุป การทดสอบหาสมรรถนะการทํางานของเครื่องปลิดถั่วลิสงแบบ ตามแนวแกนโดยใช้ตัวอย่างถั่วลิสงพันธุ์ไทนาน 9 ใช้เครื่องยนต์ ดีเซลขนาด 6 Hp พบว่าที่ความเร็วรอบ 400 rpm จํานวน 4 ต้นต่อ กํ ามี ความเร็ วที่ ดี ที่ สุ ดและความสามารถในการปลิ ดฝั กถั่ วลิ สง 34.35 kg (ฝัก)/hr ซึ่งเป็นฝักดีที่ไม่มีลอยแตกและขั้วติด 93.97 % ฝักดีมีขั้ว 6.03 % และมีประสิทธิภาพการปลิด สูงสุดที่ 98.30 %
413
5 เอกสารอ้างอิง ถั่วลิสง. [Online].Available: http://agrimedia.agritech.doae.go.th/book/bookrice/RB%20038.pdf. เข้าถึงเมื่อ 10 มิถุนายน 2559. กลวัชร ทิมินกุล และคณะ. 2556.วิจัยและพัฒนาเครื่องปลิดฝักถั่ว ลิสงในระดับเกษตรกร. ประชุมวิชาการสมาคมวิศวกรรมเกษตร แห่งประเทศไทย ระดับชาติ ครัง้ ที่ 14 .วันที่ 1-4 เมษายน 2556 ณ โรงแรมหัวหินแกรนด์ แอนด์ พลาซ่า จังหวัด ประจวบคีรีขันธ์. หน้า 369-373 กิตติ วงศ์พิเชษฐ์ และคณะ. 2545. เครื่องปลิดฝักถั่วลิสงแบบแถบ ยางมีริมเป็นรอยหยักฟันเลื่อย. วารสารวิชาการเกษตร. ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (มกราคม – เมษายน).
414
TPM-12
การตรวจจับสถานะการทํางานของระบบการตัดในรถตัดอ้อยโดยใช้เทคนิคคลืน่ เสียง ศิรเมศร์ วีระสกุลวัฒน์1, ลือพงษ์ ลือนาม2 วสุ อุดมเพทายกุล1* 1
2
หลักสูตรวิศวกรรมเกษตร ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ ภาควิชาพัฒนาการเกษตรและการจัดการทรัพยากร คณะเทคโนโลยีการเกษตร สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง, กรุงเทพฯ 10520 ผู้เขียนติดต่อ: วสุ อุดมเพทายกุล E-mail: vasu.ud@kmitl.ac.th
บทคัดย่อ ปัจจุบัน ได้มีการพัฒนาระบบบันทึกข้อมูลพิกัด GNSS ในขณะทํางานของรถตัดอ้อย เพื่อใช้ในการศึกษาและปรับปรุง ประสิทธิภาพในการทํางาน อย่างไรก็ตาม ลําพังข้อมูลพิกัด ทิศทาง และความเร็วในการเคลื่อนที่ที่บันทึกได้ยังไม่สามารถใช้จําแนก กิจกรรมการทํางานของรถตัดอ้อยในแปลงได้อย่างสมบูรณ์โดยเฉพาะในช่วงเลี้ยวกลับรถที่มีการเคลื่อนที่โดยที่ชุดใบมีดไม่ได้ทําการตัด อ้อย จําเป็นต้องนําภาพวีดิโอที่บันทึกไว้ในขณะทํางานมาช่วยในการจําแนกกิจกรรมเพื่อคํานวณหาประสิทธิภาพในขณะทํางาน การศึกษานี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาระบบตรวจจับสถานะการทํางานของรถตัดอ้อย (กําลังตัดหรือไม่ตัด) โดยใช้เทคนิคคลื่นเสียง โดยการติดตั้งไมโครโฟนไว้บนชุดพัดลมเป่าใบ โดยเมื่อมีการตัดอ้อยพัดลมจะดูดสิ่งเจือปนขึ้นมากระทบกับฝาครอบพัดลมหลัก ทําให้ เกิดเสียงดังก่อนที่จะถูกเป่าออกไป จากการทดสอบบนพื้นที่เก็บเกี่ยวอ้อย 4.02 ไร่ ในเขตพื้นที่อําเภอพิมายและอําเภอจักราช จังหวัด นครราชสีมา ในช่วงเดือนมกราคม-มีนาคม 2559 โดยพบว่าค่าความเบี่ยงเบนมาตรฐาน (S.D.) ของสัญญาณเสียงที่เกิดขึ้นขณะตัดกับ ไม่ตัดมีความแตกต่างกันสอดคล้องกับสถานะการทํางานของรถตัดอ้อย เทคนิคเชิงคลื่นเสียงนี้จึงสามารถนํามาใช้ตรวจจับสถานะการ ทํางานของรถตัดอ้อยได้ โดยจากการทดสอบวิเคราะห์สัญญาณเสียงการทํางานทั้งในช่วงที่ “ตัด”และ”ไม่ตัด” พบว่ามีค่าความ ผิดพลาดในการจําแนกสถานะการทํางานที่เกิดขึ้นคิดเป็น 5.89% ในช่วงที่มีการตัดอ้อยและ 3.21% ในช่วงที่ไม่มีการตัดอ้อย คําสําคัญ: เทคนิคเชิงคลื่นเสียง, รถตัดอ้อย, การตัดอ้อย, ประสิทธิภาพการทํางาน
Detection of Sugarcane Harvester’s Cutting Status using Acoustic Technique Siramet Veerasakulwat1, Luepong Luenam2, Vasu Udompetaikul1* Corresponding author: Vasu Udompetaikul. E-mail: vasu.ud@kmitl.ac.th
Abstract Recently, an agricultural machine monitoring system has been developed. It records operational information of sugarcane harvesters for using in a study of machine efficiency’s improvement. However, only coordinate information, heading direction and traveling speed could be recorded in the current system. The actual status of the operations, “Cut” and “No Cut”, has not yet been defined. Lacking of this information has become a problem in interpreting of efficiency, especially during turning and traveling without cutting. Therefore, video recorded was necessary to assist in identification of activities and then processing of the data still be timeconsuming. This study aimed to develop a system to detect the status of sugarcane harvesters (being “Cut” or “No Cut”) by using the acoustic technique. In the operations of the machine, after cutting and chopping, leaves and residue are pneumatically removed from the clean billets by the primary extractor. At the extractor’s exit, all materials hit the extractor hood making loud noises before blowing away. Therefore, a recording system was installed near the primary extractor’s hood to record the processing sound. The system was tested during a harvesting operation on a 4.02-rai area in Nakhonratchasima province in March 2016. The results show that the standard deviation (S.D.) of the sound signal occurred during “Cut” and “No cut” are significantly different. Therefore, this acoustic technique has a high potential to be used in detecting of the operating status of the harvesters. Errors occurred was 5.89% during cutting and 3.21% during other operations. Keywords: acoustic technique, sugarcane harvester, sugarcane harvesting, field efficiency
415
1 บทนํา “อ้ อ ย”เป็ น พื ช อุ ต สาหกรรมที่ มี ค วามสํ า คั ญ มากต่ อ ระบบ เศรษฐกิจของประเทศไทย โดยในปีการผลิต 2556/57 ทั้งประเทศมี ผลผลิตอ้อย 103.7 ล้านตัน ผลิตเป็นน้ําตาลได้ประมาณ 11.3 ล้าน ตัน ในจํานวนนี้ใช้บริโภคภายในประเทศและส่งออกไปจําหน่ายยัง ต่างประเทศ ไทยส่งออกน้ําตาลทรายได้มากเป็นอันดับ 2 ของโลก รองจากบราซิ ล อุ ต สาหกรรมอ้ อ ยและน้ํ า ตาลจึ ง มี ส่ ว นช่ ว ย ขับเคลื่อนเศรษฐกิจของประเทศได้อย่างเป็นรูปธรรม [1] เนื่องจาก ผลตอบแทนจากการเพาะปลูกอ้อยค่อนข้างดีและมีการส่งเสริมให้ เกษตรกรขยายเนื้อที่เพาะปลูกอ้อยอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้มีความ ต้องการแรงงานเพิ่ มมากขึ้นในกระบวนการผลิตอ้อยโดยเฉพาะ อย่างยิ่งในฤดูเก็บเกี่ยว จึงมีการนําเข้าเครื่องเกี่ยวตัดอ้อยมาใช้งาน เพิ่มมากขึ้น แต่เครื่องเกี่ยวตัดอ้อยมีกลไกซับซ้อนและมีราคาสูง และพบว่ามีการนํามาใช้อย่างไม่เต็มประสิทธิภาพ ทั้งจากการใช้ งานที่ไม่ถูกต้องและสภาพแวดล้อมในการใช้งานไม่เหมาะสม จึงได้ ปริมาณและคุณภาพของงานที่ต่ํา ต้องใช้ระยะเวลาในการคืนทุน ค่ อนข้ างนาน ดั งนั้ นการศึ กษาประสิ ทธิ ภาพของรถตั ดอ้ อยจึ งมี ความสําคัญเพื่อให้เกิดการใช้งานของรถตัดอ้อยอย่างมีประโยชน์ สูงสุด การปรับปรุงประสิทธิภาพของรถตัดอ้อยจึงเป็นสิ่งที่สําคัญ โดยจําเป็นต้องมีข้อมูลเชิงประสิทธิภาพที่เพียงพอเพื่อใช้ในการ วิเคราะห์แต่ในปัจจุบันการเก็บข้อมูลข้อมูลเชิงประสิทธิภาพเก็บได้ ไม่ ม ากเนื่ อ งจากวิ ธี ก ารเก็ บ ข้ อ มู ล แบบที่ ใ ช้ กั น อยู่ ใ นปั จ จุ บั น จํ าเป็ นต้ องใช้ เวลาและแรงงานในจํ านวนมากและได้ ข้อมู ลที่ ไม่ ครอบคลุม ในปัจจุบันมีการพัฒนาอุปกรณ์วัดประสิทธิภาพการทํางานเชิง เวลาของเครื่องจักรกลเกษตรด้วยระบบ GNSS [2] เพื่อติดตามการ ทํางานของรถตัดอ้อย อย่างไรก็ตาม ระบบดังกล่าวยังไม่สามารถที่ จะตรวจจับการเคลื่อนที่ของรถตัดอ้อยโดยที่ไม่มีการตัดอ้อย เช่น ในขณะเลี้ยว โดยจําเป็นจะต้องใช้กล้องวีดีโอบันทึกภาพการตัดอ้อย และนํามาดูซ้ําเพื่อระบุเวลาที่ไม่มีการตั ดอ้อยในภายหลั ง จึ งจะ สามารถนํ า ข้ อ มู ล มาหาประสิ ท ธิ ภ าพเชิ ง เวลาได้ ทํ า ให้ ร ะบบ ดั งกล่ าวช่ วยอํ านวยความสะดวกเพี ยงแค่ ไม่ ต้องไปบั นทึ กค่ าใน แปลง ยังไม่สามารถคํานวณหาค่าประสิทธิภาพได้โดยอัตโนมัติ จากประเด็ นดั งกล่ าวผู้ วิ จั ยจึ งมี แนวคิ ดในการพั ฒนาระบบ บันทึกข้อมูลเสียงในการทํางานของระบบการตัดในรถตัดอ้อย และ ใช้เทคนิคการวิเคราะห์คลื่นเสียงเพื่อระบุสถานะการทํางานของรถ ตัดอ้อย (จังหวะที่มีสถานะ “ตัด” คือ รถเดินหน้าและมีการการตัด อ้อย จังหวะที่มีสถานะ “ไม่ตัด” คือ รถเดินหน้าแต่ไม่มีการตัด อ้อย รถถอยหลัง รถเลี้ยว และรถหยุดนิ่งกับที่) ช่วยอํานวยความ สะดวกแก่ผู้ที่เกี่ยวข้อง มีข้อมูลที่จําเป็นต่อการพัฒนาและการใช้ งานรถตัดอ้อยอย่างเต็มประสิทธิภาพต่อไป
2 อุปกรณ์และวิธีการ ในการศึ กษาครั้ งนี้ ผู้ วิ จั ยได้ ระบบบั นทึ กเสี ยงบนรถตั ดอ้ อย (TRM M6 2015 series 200HP, ไทยรุ่งเรืองแมนูแฟคเจอริ่ง) หลักการทํางานของระบบแสดงดังรูปที่ 1 โดยเสียงจากการทํางาน ของรถตั ดอ้ อยที่ เกิ ดขึ้ นจะถู กรั บสั ญญาณโดยไมโครโฟน (ATR3350, Audio Technica, Japan) แล้วส่งสัญญาณไปยังเครื่อง บันทึกเสียง (DR-05, Tascam, Japan) ที่ Sampling Rate 44,100 Hz และถูกบันทึกลงบนหน่วยความจํา SD Card ในรูปแบบ Raw Data (นามสกุ ล avi) ในขณะเดี ยวกั นจะทํ าการบั นทึ กการ เคลื่อนไหวของรถตัดอ้อยโดยกล้องวีดีโอ (G1W, HD Blackbox, China) เพื่อใช้ในการอ้างอิงสถานะการทํางาน ข้อมูลภาพและเสียง จะถูกประมวลผลในภายหลังบนคอมพิวเตอร์
รูปที่ 1 แผนภาพแสดงระบบบันทึกข้อมูลและประเมินผล 2.1 การติดตั้งชุดบันทึกเสียงและชุดบันทึกภาพ ไมโครโฟนจะถู ก ติ ด ตั้ ง ไว้ ที่ บ ริ เวณด้ า นบนของพั ด ลมใหญ่ เนื่องจากได้ทําการทดลองติดตั้งไมโครโฟนไว้ที่บริเวณด้านบนของ ชุดตัด, ด้านข้างของชุดตัดและบริเวณด้านบนของพัดลมใหญ่ แต่ ข้อมูลเสียงที่ได้จากบริเวณด้านบนของชุดตัดและด้านข้างของชุด ตัดไม่สามารถนํามาใช้แยกแยะสถานะการทํางานได้เนื่องจากมีเสียง จากแหล่ ง กํ า เนิ ด เสี ยงอื่ น ๆเข้ า มารบกวนอย่ า งมากเช่ น เสี ย ง เครื่องยนต์, เสียงใบมีดกระทบดิน, เสียงใบมีดกระทบหิน, เสียง ใบมีดกระทบตอไม้ เป็นต้น ทําให้ยากต่อการนําข้อมู ลมาใช้ แต่ ข้ อ มู ล เสี ย งบริ เ วณด้ า นบนของพั ด ลมใหญ่ ส ามารถแยกแยะ สถานะการทํางานได้อย่างชัดเจนจึงกําหนดให้จุดดังกล่าวเป็นจุด ติดตั้งไมโครโฟน ส่วนตัวเครื่องบันทึกเสียงจะอยู่ในห้องคนขับเพื่อ ป้องกันฝุ่นละอองและความเสียหายที่อาจเกิดขึ้น ชุดบันทึกภาพจะ
416
ถูกติดตั้งที่กระจกด้านหน้าบริเวณมุมบนซ้ายของกระจกหน้ารถใน ห้องโดยสารเพื่อไม่ให้บดบังทัศนวิสัยของพนักงานขับรถ (รูปที่ 2 และ 3) กล้อง
ไมโครโฟน
รูปที่ 4 ลักษณะพื้นที่ของแปลงอ้อยที่เก็บข้อมูล
รูปที่ 2 จุดติดตั้งชุดบันทึกภาพและเสียง
3 ผลและวิจารณ์ เสี ยงที่ บั นทึ กได้ ตลอดการทํ างานของรถตั ดอ้ อยเป็ นเวลา 4 ชั่วโมง 24 นาที โดยสามารถจําแนกช่วงเวลาที่มีการตัดและไม่ตัด อ้อยได้โดยคร่าวๆด้วยสายตา จากแอมพลิจูดของสัญญาณเสียงการ ทํางานแสดงดังรูปที่ 5
รูปที่ 3 จุดติดตั้งชุดบันทึกภาพ 2.2 ข้อมูลและการวิเคราะห์ผล การเก็ บ ข้ อ มู ล ดํ า เนิ น การในวั น ที่ 19 มี น าคม 2559 ทํ า การศึ ก ษาการทํ า งานในเขตพื้ น ที่ อํ า เภอพิ ม ายจั ง หวั ด รูปที่ 5 ลักษณะสัญญาณเสียงของรถตัดอ้อยตลอดระยะเวลาที่ ทํางานภายในแปลง (4 ชั่วโมง 24 นาที) นครราชสีมา แปลงที่ศึกษามีพื้นที่ 6,425 ตารางเมตร (4.02ไร่) ทํา เมื่ อนํ าข้ อมู ลเสี ยงมาเปรี ยบเที ยบกั บวี ดี โอสามารถจํ าแนก การบันทึกข้อมูลเสียงของรถตัดอ้อยตั้งแต่ติดเครื่องยนต์บริเวณจุด หยุดพักก่อนเข้าแปลง การเคลื่อนที่เข้าแปลง การทํางานภายใน สถานะของรถตัดอ้อยได้เป็น 5 ช่วงได้อย่างชัดเจน คือ 1) สตาร์ทเครื่องยนต์ (ไม่เคลื่อนที่) แปลงจนกระทั่งเก็บเกี่ยวเสร็จ ลักษณะพื้นที่ของแปลงปลูกอ้อย 2) เปิดระบบการทํางานของรถตัดอ้อย (ไม่เคลื่อนที่) แสดงในโปรแกรม Google Map (Google Inc., USA) ดังรูปที่ 4 3) เร่งเครื่อง พร้อมเคลื่อนที่เข้าสู่แปลง (ความเร็วรอบ 1,000 และใช้โปรแกรม Octave Version 3.6 [2] เพื่อวิเคราะห์หาค่าทาง สถิ ติ ที่ เ หมาะสมของค่ า สั ญ ญาณเสี ย งสํ า หรั บ การประเมิ น rpm) 4) เร่ งเครื่ องให้ พร้ อมสํ าหรั บการตั ด (ความเร็ วรอบ 3,000 สถานะการทํางานของรถตัดอ้อย rpm) 5) ทําการตัดอ้อยในแปลง (มีสถานะการทํางาน “ตัด”) สัญญาณเสียงที่บันทึกได้จากทั้ง 5 ช่วง ถูกคัดเลือกเพื่อนํามา แสดงในรูปที่ 6 โดยช่วงที่ 1 ถึง 4 ถือเป็นช่วงที่มีสถานะ “ไม่ตัด” และช่วงที่ 5 มีสถานะ “ตัด” คือมีการตัดอ้อย
417
รูปที่ 6 สั ญ ญาณเสี ย งของรถตั ด อ้ อ ยที่ ส ถานการณ์ ทํ า งานที่ ต่างกัน เพื่อให้ผลการวิเคราะห์สัญญาณเสียงสอดคล้องกับข้อมูลพิกัดที่ บันทึกในระบบติดตามการเคลื่อนที่ด้วยระบบ GNSS ที่พัฒนาโดย วสุ และคณะ [3] ซึ่งบันทึกข้อมูลพิกัดที่ความถี่ 5 Hz หรือทุก ๆ 200 ms จึงทําการแสดงผลลัพธ์ของสถานะการทํางานที่วิเคราะห์ จากสัญญาณเสียงบนความถี่เดียวกัน ทั้งนี้สัญญาณเสียงถูกบันทึกที่ ความถี่ 44,100 Hz การหาค่าสถานะการทํางานจึงเป็นการหาค่า ทางสถิติของเสียงที่ความถี่ 44,100 Hz เพื่อนํามาแสดงผลที่ความถี่ 5 Hz (โดยใช้ข้อมูลสัญญาณเสียง 8,820 จุด เป็นตัวแทนของข้อมูล พิกัด 1 จุด) จากการศึกษาเบื้องต้น พบว่าค่า Standard Deviation (S.D.) ของค่าสัญญาณเสียงในช่วงย่อย 200 ms เป็นค่าทางสถิติที่ เหมาะสมสําหรับการประเมินสถานะการทํางาน เนื่องจากในช่วงที่ ไม่มีการตัดระดับของสัญญาณเสียงจะค่อนข้างมีความสม่ําเสมอไม่ ว่ า จะดั ง หรื อค่ อย ส่ ง ผลให้ ค่ า S.D. มี ค่ า คงที่ แ ละไม่ สู ง นั ก แต่ ในขณะที่มีการตัด ระดับของสัญญาณเสียงจะมีการเปลี่ยนแปลง ตลอดเวลา ทําให้มีค่า S.D. ที่สูงตาม ผลการใช้ค่า S.D. วิเคราะห์ สัญญาณเสียงในขณะที่ทํางานตามรูปที่ 7 แสดงดังรูปที่ 7 จะเห็น ได้ว่า ช่วงที่มีการตัดจะมีค่า S.D. สูงกว่าช่วงอื่น
S.D. ต่ําสุด (Min) ในช่วงที่ “ตัด” (ช่วงที่ 5 ในรูปที่ 7) มีค่าเท่ากับ 0.0265 ถึงแม้ค่าทั้งสองจะมีความแตกต่างกันไม่มาก แต่ก็สามารถ นํามาใช้เป็นเงื่อนไขในการจําแนกสถานะการทํางานในเบื้องต้นได้ โดยใช้ค่ากึ่งกลางของค่าทั้งสอง ซึ่งมีค่าเท่ากับ 0.0259 มาเป็นค่า อ้างอิงในการแบ่งสถานะการทํางานของรถตัดอ้อยโดยกําหนดให้ เสียงที่มีค่า S.D. มากกว่าค่าอ้างอิงนี้ มีสถานะการทํางาน “ตัด” และมี ค่ าค่ าน้ อยกว่ าหรื อเท่ ากั บค่ าอ้ างอิ งมี สถานะการทํ างาน “ไม่ตัด” ในการวัดสมรรถนะของระบบการจําแนกสถานการณ์ทํางาน ด้วยค่า S.D. ที่พัฒนาขึ้นนี้ ทําการสุ่มเลือกแถวของการทํางานของ รถตัดอ้อยมา 3 แถว แล้วสุ่มเลือกช่วงของสัญญาณเสียงการทํางาน ในช่วงที่ “ตัด”และ”ไม่ตัด” ของแต่ละแถวมาอย่างละ 1 ช่วง รวม ทั้งหมดเป็นข้อมูลเสียง 6 ตัวอย่าง ดังรูปที่ 8 ถึง 13 เพื่อพิจารณา หาค่าความผิดพลาดในการจําแนก โดยการนําข้อมูลสัญญาณเสียง แต่ละตัวอย่างมาหาค่า S.D. ในช่วงย่อย 200 ms และแสดงผลที่ อัตรา 5 Hz และเปรียบเทียบกับค่า Threshold (0.0259) พบว่าใน แต่ ล ะช่ ว งของการทํ า งานจะมี สั ญ ญาณเสี ย งที่ ไ ม่ เ ป็ น ไปตาม ข้อกําหนดของสถานะการทํางานมีค่าความผิดพลาดที่เกิดขึ้นคิด เป็น 5.89% ในช่วงที่ “ตัด” และ 3.21% ในช่วงที่ “ไม่ตัด” แสดง ดังตารางที่ 1 และ 2 ตารางที่ 1 การจําแนกสั ญญาณเสี ยงช่ วงที่ มีสถานะการทํ างาน “ตัด” แถวที่ 1 2 3 เฉลี่ย
จํานวนจุด 705 720 625
ช่วงที่มีสถานะ “ตัด” ทํานาย ทํานาย % ผิดพลาด ถูกต้อง ผิดพลาด 636 69 9.79 699 21 2.92 594 31 4.96 643.00 40.33 5.89
ตารางที่ 2 การจําแนกสัญญาณเสียงช่วงที่มีสถานะการทํางาน “ไม่ ตัด” แถวที่
รูปที่ 7 ค่า S.D. ของสัญญาณเสียงจากรูปที่ 6 ในการหาเงื่อนไขที่ ใช้ ในการจํ าแนกสถานการณ์ทํางาน (ค่ า Threshold) จากค่า S.D. นั้น พบว่าค่า S.D. สูงสุด (Max) ในช่วงที่ “ไม่ตัด” (ช่วงที่ 1 ถึง 4 ในรูปที่ 7) มีค่าเท่ากับ 0.0252 และค่า 418
1 2 3 เฉลี่ย
จํานวนจุด 360 450 550
ช่วงที่มีสถานะ “ไม่ตัด” ทํานาย ทํานาย % ผิดพลาด ถูกต้อง ผิดพลาด 350 10 2.78 447 3 0.67 516 34 6.18 15.67 3.21 437.67
รูปที่ 8 สัญญาณเสียง “ตัด” แถวที่ 1
รูปที่ 9 สัญญาณเสียง “ตัด” แถวที่ 2
รูปที่ 10 สัญญาณเสียง “ตัด” แถวที่ 3
รูปที่ 11 สัญญาณเสียง “ไม่ตัด” แถวที่ 1
รูปที่ 12 สัญญาณเสียง “ไม่ตัด” แถวที่ 2
รูปที่ 13 สัญญาณเสียง “ไม่ตัด” แถวที่ 3 4 สรุป จากการทดสอบติดตามการทํางานของรถตัดอ้อยในแปลงอ้อย ขนาด 4.02 ไร่ ระบบที่พัฒนาขึ้นโดยใช้เทคนิคการหาค่าเบี่ยงเบน มาตรฐานของสั ญญาณเสี ยงที่ บั น ทึ กได้ จากบริ เวณพั ดลมใหญ่ สามารถตรวจจั บการทํ างานของระบบการตั ดในรถตั ดอ้ อยได้ ดี สามารถจําแนกสถานะการทํางานของรถตัดอ้อยในระหว่างการ ทํางาน ได้แก่ ช่วงที่มีการตัดและไม่มีการตัดอ้อย โดยมีค่าความ ผิดพลาดที่เกิดขึ้นคิดเป็น 5.89% ในช่วงที่ “ตัด” และ 3.21% ในช่วงที่ “ไม่ตัด” ค่าผิดพลาดดังกล่าวยังสามารถลดลงได้หากมีการวิเคราะห์ ที่ ละเอียดมากขึ้น ผลการศึกษาแสดงให้เห็นความเป็นไปได้ในการ ประยุกต์ใช้ร่วมกับเทคนิคการวัดประสิทธิภาพการทํางานเชิงเวลา ของเครื่องจักรกลเกษตรด้วยระบบ GNSS ที่พัฒนาขึ้นก่อนหน้ า เพื่อให้สามารบั นทึกและวัดประสิทธิภาพการทํางานทั้งแปลงได้ อย่างครบถ้วน 5 กิตติกรรมประกาศ คณะผู้วิจัยขอขอบคุณบริษัทอุตสาหกรรมโคราช จํากัด จังหวัด นครราชสี ม า ที่ อ นุ ญ าตให้ ดํ า เนิ น การวิ จั ย และติ ด ตั้ ง ระบบ บันทึกภาพและเสียงบนรถตัดอ้อยของบริษัท
419
6 เอกสารอ้างอิง ประสิทธิ์ ใจศิล, 2558. โครงการจัดทาต้นทุนผลผลิตและถ่ายทอด ความรู้เพื่อลดต้นทุนการผลิตอ้อยของเกษตรกรในปีเพาะปลูก 2557/58, เอกสารประกอบการฝึกอบรม, สํานักงาน คณะกรรมการอ้อยและน้าตาลทราย, มหาวิทยาลัยขอนแก่น John W. Eaton, David Bateman, Søren Hauberg, Rik Wehbring. 2015. GNU Octave version 4.0.0 manual: a high-level interactive language for numerical computations. http://www.gnu.org/software/octave/ วสุ อุดมเพทายกุล ลือพงษ์ ลือนาม และเชิดพงษ์ เชียวชาญวัฒนา, 2558. การวัดประสิทธิภาพการทํางานเชิงเวลาของ เครื่องจักรกลเกษตรด้วยระบบ GNSS, ประชุมวิชาการสมาคม วิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ระดับชาติครัง้ ที่ 16 และ นานาชาติครั้งที่ 6 หน้า 221-228
420
TPM-13
เครื่องโรยปุ๋ยคอกบนจอบหมุน วิรัตน์ หวังเขื่อนกลาง1*, กันญา โกสุมภ์1* 1
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลอีสาน ถ.สุระนารายณ์ อ.เมือง จ.นครราชสีมา 30000 ผู้เขียนติดต่อ: วิรัตน์ หวังเขื่อนกลาง, กันญา โกสุมภ์ E-mail: virutw99@yahoo.com
บทคัดย่อ ข้าวเป็นพืชเศรษฐกิจที่สําคัญชนิดหนึ่งของประเทศไทย จากการศึกษาวิธีการเตรียมดินในการปลูกของเกษตรกรพบปัญหา หลายประการ เช่น ใช้เวลาในการปฏิบัติงานมาก เกิดความเมื่อยล้าในการทํางาน การขาดแคลนแรงงานในการปลูก เพื่อบรรเทาปัญหา ดังกล่าวจึงได้ออกแบบสร้างเครื่องโรยปุ๋ยคอกบนจอบหมุน โดยการศึกษาคุณสมบัติต่างๆ ของเครื่องโรยปุ๋ยและวิธีการเตรียมดินที่ เหมาะสม เมื่อได้รูปแบบการทํางานของเครื่องที่มีส่วนประกอบหลัก คือ ถังบรรจุปุ๋ย ใบกวาดปุ๋ย ใบตีกระจายปุ๋ย ระบบส่งกําลัง จอบ หมุน และมีรถแทรกเตอร์เป็นต้นกําลังขนาด 47 Hp เครื่องโรยปุ๋ยคอกบนจอบหมุนสามารถใส่ปุ๋ยและเตรียมดินได้ในขั้นตอนเดียวกัน โดยมีหน้ากว้างในการทํางาน 1,750 cm. กลไกการทํางานของเครื่องทํางานง่าย ไม่ซับซ้อน จากการทดสอบในแปลงทดสอบที่ความเร็ว ในการเคลื่อนที่ของรถแทรกเตอร์ที่เกียร์ต่ํา 1, 2 และ 3 มีความสามารถในการทํางาน 0.82, 0.93 และ1.16 rai/hr ความสามารถใน การโรยปุ๋ยต่อพื้นที่ 1,010, 800 และ 640 kg/rai และประสิทธิภาพในการทํางาน 52%, 59% และ 80% ตามลําดับ คําสําคัญ: เครื่องโรยปุ๋ย, จอบหมุน
Fertilizer Applicator and Rotary Hoe Combination Virat Whangkuanklang1*, Kanya Kosump1* Rajamangala Isan University of Techonology, Suranarai Road, Muang, Nakhonratchasima 30000. Corresponding author: Virat Whangkuanklang, Kanya Kosump. E-mail: virutw99@yahoo.com
Abstract Rice is an important economic crop in Thailand. The study of how farmers prepare soil for planting found several problems such as long time practice, the fatigue in the workplace, the shortage of workers. To alleviate those problems, the fertilizer applicator and rotary hoe combination has were designed with studying features of the machine and how to prepare soil properly. Main components of the machine are container, sweeper, beater, transmission, rotary hoe and powers from a 45 hp tractor. The fertilizer applicator and rotary hoe combination had the ability to fertilize and prepare soil in the one single step. The width of working area was 1,750 cm. The mechanism of operation was not complicated. By the test in fields at the speed of gear 1 low, 2 low and 3 low of tractor, has the ability of 0.82, 0.93 and 1.16 rai/hr, the ability to fertilize in fields are 1010, 800 and 640 kg/rai, and the performance are 52%, 59% and 80% respectively. Keywords: Fertilizer Applicator, Rotary Hoe
1 บทนํา ประเทศไทยมีประชากรประมาณ 65 ล้านคน ซึ่งประกอบ อาชีพเกษตรกรมากที่สุดถึง 70% โดยที่สามารถแบ่งออกมาเป็น อาชีพทํานาได้ถึง 80% และมีพื้นที่ในการทํานาปี 57 ล้านไร่ และ นาปรัง 12 ล้านไร่ (ที่มา : สมาคมผู้ส่งออกข้าวไทย ) ได้ผลผลิตข้าว 31,132 ล้านตัน และสามารถส่งขายต่างประเทศได้ 8.5 ล้านตัน (ที่มา : กรมส่งเสริมการส่งออก กระทรวงพาณิชย์) ในการทํานานั้น มี ขั้ น ตอนหลั ก ๆ คื อ การเตรี ย มดิ น ใส่ ปุ๋ ย คอก การปลู ก การ บํารุงรักษา และการเก็ บเกี่ยว โดยในขั้ นตอนของการเตรี ยมดิ น
เกษตรกรจะนํ า รถบรรทุ ก ถุ ง ปุ๋ ย คอกไปวางตามคั น นาแล้ ว ใช้ แรงงานคนเดินหว่านให้ทั่วแปลงนา จากนั้นใช้รถแทรกเตอร์ตดิ จอบ หมุนทําการเตรียมดินขั้นที่สองเพื่อย่อยดินให้มีขนาดเล็กลงและ คลุกเคล้าปุ๋ยกับดินก่อนการหว่านเมล็ดข้าว หรือดํานาต่อไป (ที่มา : ชาวนาอําเภอพิมาย นครราชสีมา) จะเห็นว่าในขั้นตอนของการใส่ ปุ๋ยคอกนั้น ต้องใช้รถบรรทุกขนย้ายปุ๋ยคอกลงในแปลงนา และใช้ แรงงานคนแบกถุงปุ๋ยเพื่อทําการหว่านปุ๋ยคอกให้ทั่วแปลงนา ซึ่ง เป็นขั้นตอนที่ต้องใช้แรงงานและเสียเวลามาก ซึ่งอาจส่งผลกระทบ ต่ อระยะเวลาของการเพาะปลู ก ที่ ไม่ ทั นต่ อฤดู กาล ในปั จจุ บั น
421
เกษตรกรส่วนมากนิยมใช้รถแทรกเตอร์ขนาด 47 hp ต่อพ่วงด้วย จอบหมุ นเพื่ อเตรี ยมดิ นสํ าหรั บการทํ านาข้ าว และเนื่ องจากปุ๋ ย วิทยาศาสตร์มีราคาแพงมาก เกษตรกรส่วนใหญ่จึงหันมาใช้ปุ๋ยคอก ที่ ได้ จากมู ลสั ตว์ ซึ่ งมี คุ ณสมบั ติ ที่เหมาะสมสํ าหรั บนาข้ าว จาก ข้อมูลดังกล่าว จะเห็นได้ว่าหากนํารถแทรกเตอร์ที่ติดตั้งจอบหมุน มาออกแบบสร้ างอุ ปกรณ์ เพิ่ มเติ มเพื่ อใช้ ร่ วมกั บการใส่ ปุ๋ ยคอก ในขณะเตรียมดินได้ ก็จะทําให้เกษตรกรลดขั้นตอนในการขนย้าย ปุ๋ยคอก การแบกหาม และขั้ นตอนการหว่ านปุ๋ ย ทํ าให้ สามารถ เตรียมดินได้ทันฤดูกาลเพาะปลูก โดยใช้เครื่องจักรที่ออกแบบนี้ บรรทุกปุ๋ยคอก ทําหน้าที่โรยปุ๋ยคอก และคลุกเคล้าปุ๋ยกับดิน ให้ เข้ากันในขั้นตอนเดียว ในขบวนการเตรียมดินก่อนการปลูก
1.75 m. ความกว้าง 0.60 m. เครื่องโรยปุ๋ยรวมน้ําหนักเมื่อบรรจุ ปุ๋ยคอกต้องมีน้ําหนักสูงสุดไม่เกิน 955 kg โดยคํานวณจากน้ําหนัก ยกสูงสุดที่ปลายแขนยกน้ําหนักจอบหมุน จากข้ อมู ลข้ างต้ นผู้ วิจั ยจึ งได้ ทําการออกแบบในส่ วนของถั ง บรรจุปุ๋ยของเครื่องต้นแบบตามแนวคิด ในการออกแบบดังกล่าว ดัง แสดงในภาพที่ 1
2 วัตถุประสงค์ของโครงการ 2.1 เพื่อศึกษาการใช้ปุ๋ยคอกและเครื่องจอบหมุนในขบวนการ เตรียมดินปลูกข้าว 2.2 เพื่อออกแบบและสร้างเครื่องต้นแบบเครื่องโรยปุ๋ยคอกติด บนจอบหมุนในขบวนการเตรียมดินปลูกข้าว 2.3 เพื่อทําการทดสอบเครื่องต้นแบบและประเมินผล 3 ขอบเขตโครงการ ศึกษา ออกแบบ และสร้างเครื่องต้นแบบเครื่องโรยปุ๋ยคอกติด บนจอบหมุน โดยใช้รถแทรกเตอร์ขนาด 47 hp และใช้ปุ๋ยคอกแห้ง ตามปกติที่ชาวนาใช้ ในการทดสอบ 4 ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับ 4.1 ได้เครื่องโรยปุ๋ยคอกต้นแบบจํานวน 1 เครื่อง สําหรับ เกษตรกรนําไปประยุกต์ใช้ได้อย่างเหมาะสม 4.2 ช่ ว ยให้ เ กษตรกรประยุ ก ต์ ใ ช้ เ ครื่ อ งจั ก รกลเกษตร และ สามารถนําต้นแบบไปประยุกต์ใช้งานได้จริง 4.3 ได้เครื่องต้นแบบเครื่องโรยปุ๋ยคอกบนจอบหมุนที่สามารถ ลดแรงงานและค่าใช้จ่ายได้ 5 การออกแบบและสร้างเครื่อง การออกแบบเครื่ อ งโรยปุ๋ ย คอกบนจอบหมุ น อยู่ ภ ายใต้ ข้อกําหนด ต่อไปนี้คือ น้ําหนักยกสูงสุดที่ปลายแขนยกของรถ แทรกเตอร์ต้นกําลังขนาด 47 hp คือ 1,300 kg ใช้จอบหมุนยี่ห้อ RCT ที่มีขนาด 1,930 x 850 x 1,060 mm. หนัก 345 kg เครื่องที่ สร้างขึ้นต้องมีสามารถทําการใส่ปุ๋ยและพรวนดินผสมให้เสร็จได้ใน ครั้งเดียว ในการทํางานของเครื่องไม่ซับซ้อน ปฏิบัติงานได้สะดวก และปลอดภัย มีการบํารุงรักษาชิ้นส่วนต่างๆ ที่ชํารุดสามารถทําได้ ง่าย และสามารถนําอะหลั่ยที่มีจําหน่ายทั่วไปในพื้นที่มาเปลี่ยนได้ เครื่องโรยปุ๋ยมีขนาดที่พอดีเมื่อติดตั้งอยู่บนจอบหมุน คือ ความยาว
Figure 1 Fertilizer tank ส่วนในการออกแบบใบกวาดปุ๋ยนั้น ใบกวาดทําหน้าที่เป็นประตู ปิดและเปิดช่องทางออกของปุ๋ยคอกของถังบรรจุปุ๋ยคอก คือ เปิด ออกได้ในเวลาที่ต้องการจ่ายปุ๋ย และปิดเมื่อไม่ต้องการจ่ายปุ๋ยตาม แนวคิดและหน้าที่ โดยที่ใบกวาดปุ๋ยที่ออกแบบนั้นมีรูปทรงตัวซีเพื่อ เพิ่มความแข็งแรงในแนวยาว และมีใบกวาดจํานวน 6 ใบ แสดงดัง ภาพที่ 2
Figure 2 Beater ในถังบรรจุปุ๋ยมีใบตีช่วยกระจายปุ๋ยและลดการอัดตัวของปุ๋ย คอก โดยที่ใบตีช่วยกระจายปุ๋ยจะรับกําลังต่อมาจากใบกวาดปุ๋ย ด้วยโซ่ส่งกําลัง ส่วนใบกวาดได้รับกําลังหมุนจากเพลาใบมีดจอบ หมุนโดยโซ่ส่งกําลัง เมื่อทําการประกอบใบกวาดปุ๋ยเข้ากับเครื่อง
422
โรยปุ๋ยแล้วนําไปติดตั้งบนจอบหมุนจะได้ผลการออกแบบ ดังแสดง ในภาพที่ 3
Figure 3 Fertilizer applicator has were designed โดยมีรายการประอบการออกแบบดังนี้ หมายเลข 1 คือ ฝาปิด ถังบรรจุปุ๋ย หมายเลข 2 คือ ถังบรรจุปุ๋ย หมายเลข 3 คือ เพลาใบตี กระจายปุ๋ย หมายเลข 4 คือ ที่ปรับระดับทางออกปุ๋ย หมายเลข 5 คือ Housing ครอบชุดส่งกําลัง หมายเลข 6 คือ ขาตั้งถังบรรจุปุ๋ย หมายเลข 7 คือ โซ่ส่งกําลัง หมายเลข 8 คือ โซ่ส่ง กําลัง หมายเลข 9 คือ เพลาใบกวาดปุ๋ย หมายเลข 10 คือ เพลา ใบมีดจอบหมุน หมายเลข 11 คือ สกีข้างของจอบหมุน หมายเลข 12 คือ ใบมีดจอบหมุน จากแนวคิดของเครื่องโรยปุ๋ยคอกบนจอบ หมุนในข้างต้น ได้นํามาสู่การสร้างเครื่องโรยปุ๋ยคอกบนจอบหมุน เพื่อทําการทดสอบต่อไป ดังแสดงในภาพที่ 4
Figure 4 Fertilizer Applicator
หลักการทํางานเครื่องโรยปุ๋ยคอกบนจอบหมุน เครื่องทํางาน โดยรับกําลังขับจากเพลาใบมีดจอบหมุน(หมายเลข 10) ส่งต่อมาที่ เพลาของใบกวาดปุ๋ย(หมายเลข 9) และเพลาใบตีกระจายปุ๋ย (หมายเลข 3) ด้วยโซ่ส่งกําลัง(หมายเลข 7, 8) ดังนั้นเพลาของใบ กวาด และใบตีปุ๋ยจะทํางานไปพร้อมกับการทํางานของจอบหมุน เมื่อผู้ขับขี่รถแทรกเตอร์หยุดการทํางานของจอบหมุน ก็มีผลให้การ ทํางานของเครื่องโรยปุ๋ยหยุดการทํางานเช่นกัน ในขณะเดียวกันใบ กวาดปุ๋ยที่เครื่องบรรจุปุ๋ยก็ทําหน้าที่เป็นเหมือนประตูปิดไม่ให้ปุ๋ย ล่วงลงมาได้ ส่วนใบตีจะทําหน้าที่ลดการอัดตัวของปุ๋ย ซึ่งช่วยให้ใบ กวาดทํางานง่ายขึ้น ในขณะเดียวกันใบมีดของจอบหมุน(หมายเลข 12) ที่เคลื่อนที่ด้านหลังมาก็จะทําหน้าที่ตีผสมปุ๋ยคอกกับดินไปใน ตัว ทําให้เกษตรกรสามารถทํากิจกรรม 2 อย่างได้แล้วเสร็จในครั้ง เดียว คือ ใส่ปุ๋ยคอกเพื่อปรับสภาพดิน และเตรียมดินสําหรับการทํา นา ซึ่ ง น้ํ า หนั ก ของเครื่ อ งโรยปุ๋ ย คอกที่ ร วมปุ๋ ย คอกแล้ ว ไม่ มี ผลกระทบต่อการกดตัวของจอบหมุนในขณะทํางาน เนื่องจากจอบ หมุนมีสกีข้าง (หมายเลข 11) ทั้ง 2 ข้าง ที่สามารถปรับระดับความ ลึกในการพรวนดินได้ตามความต้องการ โดยความลึกที่สามารถ พรวนได้ลึกสุด 20 cm. วิธีการดูแลรักษาเครื่องโรยปุ๋ยคอกบนจอบ หมุน คือ ก่อนการทํางานทุกครั้ง ผู้ใช้งานต้องตรวจเช็คสภาพของ สายโซ่ทั้งสองจุดอยู่ในสภาพที่พร้อมทํางานหรือไม่ น็อตที่จุดพ่วง ต่อทุกตัวว่ามีการคลายเกลียวหรือไม่ ทั้งนี้เพื่อความปลอดภัยใน ระหว่างการทํางาน ระหว่างการทํางาน ผู้ใช้งานควรยกจอบหมุนขึ้น จากหน้ าดิ นและหยุ ดการทํ างานทุ กครั้ ง ในการเลี้ ยวโค้ ง หรื อ ระหว่างการปรับแต่งเครื่อง และหลังเสร็จสิ้นการทํางาน ผู้ใช้งาน ต้ องล้ างทํ าความสะอาดเครื่ อง และปลดเกี ยร์ ขับเพลาให้ อยู่ ใน ตําแหน่งว่าง 6 การทดสอบและประเมินผล 6.1 ปัจจัยในการทดสอบ เนื่ องจากในการทํ างานของจอบหมุ นปกติ จะใช้ ความเร็ วต่ํ า ดังนั้นจึงเลือกความเร็วในการเดินรถแทรกเตอร์ตามความเร็วที่ใช้ งานของจอบหมุ น เป็ น หลั ก จึ ง เลื อ ก ความเร็ ว ในการเดิ น รถ แทรกเตอร์ที่เกียร์ต่ํา 3 ระดับ คือเกียร์ 1 low, 2 low และ 3 low โดยใช้ความเร็วรอบเครื่องยนต์ประมาณ 2,300 rpm. ซึ่งจะทําให้ เพลา PTO ของรถแทรกเตอร์หมุน 540 รอบต่อนาที ตามที่ รายละเอียดของรถระบุไว้ 6.2 ค่าชี้ผลในการทดสอบ - ความสามารถในการทํางานของเครื่อง (rai/hr) หาได้จากการวัดพื้นที่ทํางานต่อหน่วยเวลา - ความสามารถในการใส่ปุ๋ยต่อพื้นที่ (kgต่อrai) หาได้จากการชั่งน้ําหนักปุ๋ยที่โรยได้ทํางานต่อพื้นที่
423
- ประสิทธิภาพการทํางาน หาได้จากการหาอัตรา ในการกระจายปุ๋ยต่อพื้นที่ (%) 6.3 ขั้นตอนในการทดสอบ เตรี ยมพื้ นที่ ที่ จะทํ าการทดสอบ ทํ าการทดสอบการหาการ กระจายตั ว ของปุ๋ ย คอกที่ เ ครื่ อ งโรยได้ ต่ อ พื้ น ที่ โ ดยการใช้ พื้ น คอนกรีตเป็นที่รองรับปุ่ยแทนแปลงทดสอบจริงที่เก็บปุ่ยขึ้นมายาก มาก ทําการแบ่งพื้นที่ออกเป็นพื้นที่เล็กๆขนาด 1 m x 1.75 m. ขนาดเท่ากัน ปรับช่องปล่อยปุ๋ยที่ระดับเปิดช่อง 1 ใน 5 (20%) เนื่องจากเป็นปุ๋ย แห้ง จึงเปิดน้อย จากนั้นเดินรถพร้อมเครื่อง แล้ว เก็บปุ๋ยที่ได้มาคํานวนหาประสิทธิภาพในการทํางาน ต่อไป ดังแสดง ในภาพที่ 5 แล้วทดสอบการทํางานของเครื่องโรยปุ๋ยคอกบนจอบ หมุน ในขณะที่บรรจุปุ๋ยคอกโดยการเดินเครื่องที่ความเร็ว (เกียร์ต่ํา) 3 ระดับ ระดับละ 3 ซ้ํา ในแปลงทดลอง จับเวลาเพื่อบันทึกปริมาณ ปุ๋ยคอกที่เครื่องสามารถจ่ายได้ต่อพื้นที่ เพื่อนํามา คํานวนหาค่าชี้ ผลคื อความสามารถในการทํ างาน ของเครื่ อง (rai/hr)และ ความสามารถในการใส่ปุ๋ยต่อพื้นที่ (kg/rai) 7 ผลการทดสอบและประเมินผล ในการทดสอบเครื่องโรยปุ๋ยคอกบนจอบหมุนนั้น ผู้วิจัยได้ทํา การทดสอบเพื่อหาความสามารถจริงในการทํางาน ความสามารถใน การโรยปุ๋ยคอก และประสิทธิภาพในการทํางาน ในแปลงทดสอบที่ มีขนาดกว้าง 15 m. ยาว 40 m. ดังแสดงในภาพที่ 6 และได้ผล สรุปการทดสอบดังตารางที่ 1
การกํ าหนดราคาขายเชิ งพาณิ ชย์ จากการดํ าเนิ นการสร้ าง เครื่องโรยปุ๋ยคอกบนจอบหมุน ได้มีค่าใช้จ่ายเกิดขึ้นหลายด้าน เช่น ค่าวัสดุและอุปกรณ์สิ้นเปลือง ค่าแรงงานในการสร้าง ฯลฯ ทั้งนี้ สามารถทําการประเมินราคาขายเบื้องต้นของเครื่องโรยปุ๋ยคอกบน จอบหมุนที่ราคา 23,650 บาท และมีระยะเวลาในการคืนทุนให้กับ เกษตรกรโดยประมาณ 5 ปี กรณีใช้เฉพาะการทํานาข้าว นาปี ประมาณ 50 ไร่ต่อปี
Figure 5 The test in lab.
Table 1 Data by the test in fields. รายการ ความสามารถจริงในการทํางาน rai/ชั่วโมง ความสามารถในการโรยปุ๋ยคอก (kg/rai) ประสิทธิภาพในการทํางาน(%)
ความเร็วรถแทรกเตอร์47 hp เกียร์ต่ํา (Low) ที่ รอบเครื่องยนต์ 2,300 rpm. รอบเพลา Pto. 540 rpm. เกียร์ 1 L เกียร์ 2 L เกียร์ 3 L 0.82 0.93 1.16 (rai/hr) (rai/hr) (rai/hr) 1,013 800 640 (kg/rai) (kg/rai) (kg/rai) 52 59 80 (%) (%) (%)
Figure 6 The test in fields.
จากผลการทดลองในตารางที่ 2 เป็นผลที่ได้จากการทดลองเปิด ช่องเปิดปุ๋ยที่ 20% ของความกว้างของช่องเปิดปุ๋ย โดยพบว่า ที่ ความเร็วในการเดินรถเกียร์ 3 ต่ํา เครื่องโรยปุ๋ยมีความสามารถจริง ในการทํางาน และประสิทธิภาพในการทํางาน สูงกว่าที่ความเร็วใน การเดินรถเกียร์ 2 ต่ํา และ 1 ต่ํา ตามลําดับ และความเร็วในการ เดินรถเกียร์ 1 ต่ํา เครื่องโรยปุ๋ยมีความสามารถในการโรยปุ๋ยคอกสูง กว่าที่ความเร็วในการเดินรถเกียร์ 2 ต่ํา และ 3 ต่ํา ตามลําดับ
8 สรุปและข้อเสนอแนะ ข้าวเป็นพืชเศรษฐกิจที่สําคัญของประเทศไทย อีกทั้งยังเป็น ประเทศผู้ส่งออกและเป็นแหล่งปลูกข้าวที่สําคัญของโลก จากผล การศึกษาปัญหาและวิธีการเตรียมดินในการปลูกของเกษตรกรมี ปัญหาอยู่หลายประการ เช่น การใช้เวลาในการปฏิบัติงานเตรียม แปลงปลูกมาก มี การใช้แรงงานมากจึ งเกิ ดความเมื่อยล้าในการ ทํางาน รวมถึงการขาดแคลนแรงงานในการปฏิบัติงาน เพื่อบรรเทา ปัญหาดังกล่าวจึงได้ออกแบบสร้างเครื่องโรยปุ๋ยคอกบนจอบหมุน โดยศึ กษาองค์ ประกอบต่ างๆ ที่ เกี่ ยวข้ องของเครื่ องโรยปุ๋ ยและ วิธีการเตรียมดินที่เหมาะสม จนได้รูปแบบการทํางานของเครื่องที่มี
424
ส่วนประกอบหลัก คือ ถังบรรจุปุ๋ย ใบกวาดปุ๋ย ใบตีกระจายปุ๋ย ระบบส่งกําลัง จอบหมุน และใช้รถแทรกเตอร์เป็นต้นกําลังขนาด 47 Hp เครื่องโรยปุ๋ยคอกบนจอบหมุนสามารถใส่ปุ๋ยและเตรียมดิน ได้ในขั้นตอนเดียวกัน โดยมีหน้ากว้างในการทํางาน 1,750 cm. กลไกการทํางานของเครื่องทํางานง่าย ไม่ซับซ้อน จากการทดสอบ ในแปลงทดสอบที่ความเร็วในการเคลื่อนที่ของรถแทรกเตอร์ที่เกียร์ 1, 2 และ 3 ต่ํา ที่การปรับช่องเปิดปุ๋ย 20% มีความสามารถในการ ทํางาน 0.82, 0.93 และ 1.16 rai/hr ตามลําดับ มีความสามารถใน การโรยปุ๋ยต่อพื้นที่ 1,013, 800 และ 640 kg/rai ตามลําดับ และมี ประสิทธิภาพในการทํางาน 52%, 59% และ 80% ตามลําดับ 9 กิติกรรมประกาศ ขอขอบคุ ณ สํ า นั ก ส่ ง เสริ ม และถ่ า ยทอดเทคโนโลยี สํ า นั ก ปลัดกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ที่ให้ทุนอุดหนุนงานวิจัย นี้ในหัวข้อการพัฒนาประดิษฐ์กรรมเพื่อชนบท 10 เอกสารอ้างอิง ธงชัย มาลา. 2546. ปุ๋ยอินทรีย์และปุ๋ยชีวภาพ: เทคนิคการผลิตและ การใช้ประโยชน์, สํานักพิมพ์มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์, กรุงเทพ. บริษัท คูโบต้าเบญจพลนครราชสีมา จํากัด. 2545. การใช้และ บํารุงรักษาแทรกเตอร์. อ.เมือง จ. นครราชสีมา สมชัย เถาสมบัต.ิ 2531. ทฤษฎีการใช้งานและการซ่อมบํารุง เครื่องจักรกลการเกษตร, สํานักพิมพ์ยูไนเต็ดบุ๊คส์, กรุงเทพ. จิราภรณ์ เบญจประกายรัตน์.2542. เครื่องจักรกลเกษตรเพื่อการ เตรียมดิน, คณะวิศวกรรมศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอม เกล้าเจ้าคุณทหาร ลาดกระบัง, กรุงเทพ.
425
TSWE-01
ผลของขนาดท่อและอัตราการไหลต่อค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลีย่ มของท่อพีวซี ี บัญญัติ นิยมวาส1* 1สาขาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลศรีวิชัย, จังหวัดสงขลา, 90000 ผู้เขียนติดต่อ: บัญญัติ นิยมวาส E-mail: banyat@engineer.com
บทคัดย่อ บทความวิจัยนี้มีจุดประสงค์เพื่อศึกษาผลของขนาดท่อและอัตราการไหลของน้ําที่มีต่อค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยม ของท่อพีวีซี การทดลองจะใช้ท่อพีวีซีที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 3 ขนาดคือ 0.018 m, 0.022 m และ 0.030 m มีความยาว ของท่อเท่ากับ 4 m โดยแต่ละขนาดท่อทําการทดลองที่ 3 ค่าอัตราการไหล วิธีการทดลองจะวัดความดันของน้ําที่ทางเข้าและทางออก จากท่อ แล้วนํามาคํานวณหาค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยม จากผลการทดลองพบว่าเมื่อท่อมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น ค่า สัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมจะมีแนวโน้มลดลง และเมื่ออัตราการไหลของน้ําภายในท่อเพิ่มขึ้น ค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมจะ มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นด้วยเช่นกัน คําสําคัญ: ค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์, เฮดความสูญเสียหลัก, ท่อพีวีซี
Effect of Pipe Diameter and Flow Rate on Hazen-Williams Coefficient of PVC Pipe Banyat Niyomvas1* 1
Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Rajamangala University of technology Srivijaya, Songkhla, 90000 Corresponding author: Banyat Niyomvas. E-mail: banyat@engineer.com
Abstract This research article aims to study the effects of pipe sizes and flow rate of the water on the HazenWilliams Coefficient of PVC pipe. The Pipe inside diameter that use in research is 0.018 m, 0.022 m and 0.030 m, length of pipe equal to 4 m. Experimental in each size pipe conducted at three flow rate. Methods of the experiment is to measure the pressure of water at the entrance and exit of the pipe. Then calculate the Hazen William coefficient. The results showed that the pipe has a diameter larger, Hazen-Williams Coefficient will likely decrease. And when the flow rate of water increases, Hazen-Williams Coefficient will likely increase as well. Keywords: Hazen-Williams coefficient, Major head loss, PVC pipe
1 บทนํา ท่ อพี วี ซี เป็ น ท่ อที่ ใช้ ง านโดยทั่ วไปในระบบที่ มี การส่ ง ผ่ า น ของเหลวโดยเฉพาะน้ํา ในการคํานวณเพื่อกําหนดขนาดของปั๊มน้ํา ของระบบการไหลของน้ํ าในท่ อพี วีซีจากต้ นทางไปยั งปลายทาง จําเป็นที่จะต้องทราบค่าเฮดความสูญเสียหลัก (major loss) และ ค่าเฮดความสูญเสียรอง (minor loss) ของการไหลของน้ํา ในส่วน ของการหาค่าเฮดความสูญเสียหลักของการไหลของน้ําในท่อพีวีซี โดยทั่วไปจะสามารถหาได้จากสองวิธีใหญ่ๆ คือ วิธีที่หนึ่งจะหาเฮด ความสู ญ เสี ย หลั ก จากสมการของดาร์ ซี -ไวซ์ บ าค (Darcy– Weisbach equation) และวิธีที่สองหาเฮดความสูญเสียหลักจาก สมการของฮาเซน วิลเลี่ยมส์ (Hazen–Williams equation) แต่ เนื่องจากความยุ่งยากในการคํานวณของสมการของดาร์ซี-ไวซ์บาค ทําให้การศึกษาหาค่าเฮดความสูญเสียหลักของการไหลของน้ําใน
ท่อพีวีซี จึงสามารถหาได้ง่ายกว่าด้วยสมการของฮาเซน วิลเลี่ยมส์ (Hazen-Williams equation) โดย อัศฎา (2551) ได้แนะนํา สมการของฮาเซน วิลเลี่ยมส์ ดังต่อไปนี้ Q 0.278CD 2.63S 0.54
(1)
จากสมการที่ (1) เมื่อ Q คือ อัตราการไหลของน้ําในท่อ หน่วย m s-1, D คือขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อ หน่วย m, S คือความลาดชันของเส้นพลังงาน หน่วย m/m และ C คือค่า สัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์ ไร้หน่วย โดยค่า C นี้จะมีความ แตกต่างกันออกไปตามแต่วัสดุที่ใช้ทําท่อ จัดรูปสมการที่ 1 ใหม่ให้อยู่ในพจน์ของเฮดความสูญเสียหลัก ของการไหลในท่อได้ดังสมการที่ 2 ต่อไปนี้
426
3
hf
10.707 Q1.852 L C1.852 D 4.87
(2)
จากสมการที่ (2) เมื่อ hf คือเฮดความสูญเสียหลักของการไหล ในท่อ หน่วย m, L คือความยาวของท่อ หน่วย m ค่ า สั มประสิ ทธิ์ ของฮาเซนวิ ล เลี่ ยมส์ ได้ ถู กแนะนํ าค่ าเอาไว้ มากมายหลายค่ า เช่ น สุ ธ รรม และ บั ญ ญั ติ (2549) ได้ ใ ห้ ค่ า สัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์ของท่อพลาสติกไว้เท่ากับ 120 – 150 อัศฎา (2551) ได้ให้ค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์ของ ท่อพีวีซีไว้เท่ากับ 150 และท่อพลาสติกเท่ากับ 130 - 150 Nayyar (2000) ได้ให้ค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์ของท่อNonmetallic ไว้เท่ากับ 140 ส่วน Willoughby et al. (2004) ได้ให้ค่า สัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์ ของท่อพลาสติก ไว้เท่ากับ 150 จากข้อมูลต่างๆ ดังได้กล่าวไปแล้ว พบว่าค่า สัมประสิทธิ์ของ ฮาเซนวิลเลี่ยมส์ มีความแตกต่างกันตามแต่แหล่งที่มา ทําให้ผู้วิจัย สนใจที่จะศึกษาหาค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์ของท่อพีวีซี โดยจะศึกษาที่ 3 ขนาดของท่อที่มีการใช้งานกันโดยทั่วไปก็คือ ท่อ ขนาด ½ in โดยมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อเท่ากับ 0.018 m ท่อขนาด ¾ in โดยมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของ ท่อเท่ากับ 0.022 m และ ท่อขนาด 1 in โดยมีขนาดเส้นผ่าน ศูนย์กลางภายในของท่อเท่ากับ 0.030 m จากสมการที่ 2 จะพบว่าในการหาค่าเฮดความสูญเสียหลักของ การไหลในท่อ จะมีตัวแปรที่สําคัญก็คืออัตราการไหลของน้ําในท่อ และขนาดของท่อ ผู้วิจัยจึงสนใจที่จะศึกษาผลของขนาดท่อและ อั ตราการไหลของน้ํ าในท่ อที่ มี ต่ อค่ าสั มประสิ ทธิ์ ของฮาเซนวิ ล เลี่ยมส์ 2 อุปกรณ์และวิธีการทดลอง 2.1 อุปกรณ์การทดลอง ชุ ดทดลองจะประกอบไปด้ วยปั๊ มน้ํ าเพื่ อสร้ างอั ตราการไหล ให้กับระบบ โดยเป็นปั๊มน้ํายี่ห้อ ORONO อัตราการไหลสูงสุด 0.00195 m3 s-1 เฮดสูงสุด 32 m กําลังงานไฟฟ้า 0.75 kW เกจวัด ความดันสําหรับวัดค่าความดันก่อนเข้าสู่ท่อพีวีซี และ หลังออกจาก ท่อพีวีซี เป็นเกจวัดความดันยี่ห้อ OKURA ช่วงการอ่านค่าความดัน 0 – 1 kg cm-2 มีค่าความละเอียดของการวัดเท่ากับ0.02 kg cm-2 ภาชนะสําหรับใส่น้ําในการทดลองมีปริมาตร 0.06 m3 ท่อพีวีซีที่ใช้ ทําการทดลองมี 3 ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในคือ 0.018 m, 0.022 m และ 0.030 m เครื่องวัดอุณหภูมิ ใช้ยี่ห้อ TES รุ่น 1312 ช่วงการวัด -50 ถึง 1,350 องศาเซลเซียส เพื่อใช้วัดอุณหภูมิน้ํา ระหว่างการทดลอง ไดอะแกรมของชุดทดลองแสดงใน Figure 1 เมื่อ หมายเลข 1 คือ ภาชนะสําหรับใส่นํ้า หมายเลข 2 คือ ปั๊มน้ํา หมายเลข 3 คือ บอลวาล์ว ซึ่งใช้สําหรับปรับค่าอัตราการไหล หมายเลข 4 คือเกจ วัดความดันทางเข้าสู่ท่อพีวีซี หมายเลข 5 คือเกจวัดความดัน
ทางออกจากท่อพีวีซี หมายเลข 6 คือท่อพีวีซีที่ต้องการหาค่า สัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์ และ หมายเลข 7 คือท่อพีวีซีนํา น้ํากลับสู่ภาชนะเพื่อเวียนใช้งานใหม่
Figure 1 Experimental diagram 2.2 วิธีการทดลอง การทดลองเพื่ อหาค่ าสั มประสิ ทธิ์ ของฮาเซนวิ ลเลี่ ยมส์ ของ ท่อพีวีซี จะทําการทดลองด้วยชุ ดทดลองดังแสดงไดอะแกรมใน Figure 1 และแสดงชุดทดลองจริงใน Figure 2 ต่อไปนี้
Figure 2 Experimental equipment setup เมื่อประกอบท่อพีวีซีของแต่ละขนาดท่อเข้ากับชุดทดลองแล้ว จะทําการทดลองโดยมีการปรับค่าอัตราการไหลของน้ําให้ ได้ค่ า ตามที่ กําหนด ด้ วยการปรั บวาล์วที่ทางออกของปั๊มน้ํ า เมื่ อปรั บ วาล์วเรียบร้อยแล้วจะให้ปั๊มน้ําทํางานต่อไปอีกเป็นเวลา 15 นาที จึงจะทําการอ่านค่าความดันจากเกจวัดที่ทางเข้าและทางออกจาก ท่อพีวีซีที่ทําการทดลอง พร้อมบันทึกค่าที่อ่านได้ หลังจากนั้นจึงทํา การปรับอัตราการไหลของน้ําจนครบ 3 ค่าอัตราการไหล เมื่อครบ แล้วจึงเปลี่ยนขนาดท่อพีวีซีจนครบ 3 ขนาด 3 ผลการทดลอง จากค่าความดันที่อ่านได้จากเกจวัดที่ทางเข้าและทางออกที่ บันทึกไว้ สามารถนํามาหาค่าเฮดความสูญเสียหลักของการไหลใน ท่อ ได้จากสมการต่อไปนี้
427
hf
P
(3)
เมื่อ hf คือเฮดความสูญเสียหลักของการไหลในท่อ หน่วย m,
P คือค่าความแตกต่างของความดันระหว่างทางเข้าและทางออก หน่วย N m-2 และ คือน้ําหนักจําเพาะของน้ํา ณ อุณหภูมิที่ทํา
การทดลอง หน่วย N m-3 โดยมีค่าเท่ากับ 9752 N m-3 ที่น้ํา อุณหภูมิ 35oC หลังจากคํานวณหาค่าเฮดความสูญเสียหลักของการ ไหลในท่อ, hf ได้แล้ว ก็จะนําไปแทนค่าในสมการที่ 2 เพื่อหาค่า สัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์ C จากผลการทดลองสามารถแสดงค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิล เลี่ยมส์ ของท่อพีวีซี แต่ละขนาด ได้ดัง table 1 ต่อไปนี้ Table 1 Hazen-Williams Coefficient D (m) 0.018 0.022 0.030
Q (m3/s) 0.00057 0.00096 0.00113 0.00063 0.00115 0.00137 0.00122 0.00158
hf (m) 1.46 3.26 4.12 0.73 1.76 2.31 0.55 0.70
C (-) 137 145 149 124 141 147 130 147
จากข้อมูลใน Table 1 นํามาเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ ระหว่างค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์กับอัตราการไหลของท่อ ขนาดต่างๆ ได้ดัง Figure 3 ต่อไปนี้
ค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์ของการไหลในท่อแต่ละ ขนาดเมื่อเพิ่มอัตราการไหล ดังแสดงใน Figure 3 พบว่ามีแนวโน้ม ที่จะเพิ่มขึ้น อันเนื่องมาจากความเร็วของน้ําที่ไหลในท่อมีค่าสูงขึ้น ตามอัตราการไหลที่เพิ่มขึ้น ทําให้ค่าเฮดความสูญเสียหลักของการ ไหลในท่อสูงขึ้น ซึ่งสอดคล้องกับ Connell (2001) ที่ได้สรุปว่า ค่า สัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์ของการไหลในท่อ จะมีค่าเพิ่มขึ้น แปรผันตามความเร็วของการไหลในท่อ 4.2 ขนาดท่อ : จากการพิจารณาค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์กับอัตรา การไหลของท่อขนาดต่างๆ ดังแสดงใน Figure 3 พบว่า ค่า สัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์มีแนวโน้มลดลงเมื่อท่อมีขนาดใหญ่ ขึ้น โดยสามารถกล่าวได้ว่าเมื่อท่อมีขนาดใหญ่ขึ้น ที่ค่าอัตราการ ไหลเดียวกัน ความเร็วของการไหลในท่อจะมีค่าลดลง ส่งผลโดยตรง ต่อค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์ทําให้มีค่าลดลงตามไปด้วย ซึ่งสอดคล้องกับ Connell (2001) ที่ได้ทําการทดลองและพบว่าที่ ความเร็วเดียวกันท่อพีวีซีที่มีขนาดใหญ่ขึ้น จะมีค่าสัมประสิทธิ์ของ ฮาเซนวิลเลี่ยมส์ จากผลการทดลองสามารถนํามาหาค่าสมการเอ็มพิริคัลสําหรับ หาค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์ของท่อพีวีซีที่มีขนาดเส้น ผ่านศูนย์กลางภายใน 0.018 m, 0.022 m และ 0.030 m ได้ดัง Table 2 ต่อไปนี้ Table 2 Empirical Equation of Hazen-Williams Coefficient D (m) 0.018 0.022 0.030
Figure 3 Hazen-Williams Coefficient and Flow rate of Pipe inside diameter 0.018 m, 0.022 m and 0.030 m 4 อภิปรายผลการทดลอง จากผลการทดลองสามารถอภิ ปรายแยกแต่ ละประเด็ นที่ ได้ ดังต่อไปนี้ 4.1 อัตราการไหล :
ช่วง Q (m3/s) 0.00057-0.00113 0.00063-0.00137 0.00122-0.00158
สมการ C C=32,349Q+118.65 C=30,263Q+111.22 C=47,222Q+72.389
ค่า R2 0.9992 0.9944 1.0000
จากสมการใน Table 2 เมื่อ C คือค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิล เลี่ยมส์ของท่อพีวีซี และ Q คืออัตราการไหลของน้ําในท่อพีวีซีมี หน่วยเป็น m3 s-1 ในการออกเป็นระบบการจ่ายน้ําด้วยท่อพีวีซี หากเลือกใช้ค่า C หรือค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์ของท่อพีวีซีที่มีค่าสูงในการ คํานวณหาค่าเฮดความสูญเสียหลัก (major loss) ผลที่ได้ก็คือ ค่า เฮดความสูญเสียหลักที่คํานวณจากสมการที่ 2 จะมีค่าต่ํา ส่งผลให้ เมื่อใช้งานระบบไปเป็นระยะเวลานาน ผลของความสกปรก การกัด กร่ อน ต่ างๆ ที่ สะสมภายในท่ อจะทํ าให้ เฮดความสู ญเสี ยหลั ก ภายในท่อสูงขึ้นจนในที่สุดอาจจะสูงกว่าค่าเฮดความสูญเสียหลักที่ ได้ ออกแบบเอาไว้ ในตอนต้น ทํ าให้ ระบบการจ่ ายน้ํ าไม่ สามารถ ทํางานได้ ในทางกลับกันหาก เลือกใช้ค่า C หรือค่าสัมประสิทธิ์ของฮา เซนวิลเลี่ยมส์ของท่อพีวีซีที่มีค่าต่ําในการคํานวณหาค่าเฮดความ สูญเสียหลั ก ผลที่ ได้ ก็คือค่าเฮดความสูญเสียหลั กที่ คํานวณจาก
428
สมการที่ 2 จะมีค่าที่สูง ส่งผลให้การเลือกใช้ขนาดของปั๊มน้ําใหญ่ กว่าที่ควรจะเป็น ทําให้ประเด็นการเลือกใช้ค่าสัมประสิทธิ์ของฮา เซนวิลเลี่ยมส์ของท่อพีวีซีที่เหมาะสมสําหรับการคํานวณหาค่าเฮด ความสู ญเสี ยหลั กของระบบการจ่ ายน้ํ าด้ วยท่ อพี วีซีจึงเป็ นสิ่ งที่ สําคัญประการหนึ่ง การคํานวณหาค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์ของท่อพีวีซี ของท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในเป็น 0.018 m, 0.022 m และ 0.030 m โดยมีช่วงของค่าอัตราการไหลของน้ําอยู่ในช่วงที่ แสดงใน Table 2 สามารถใช้สมการเอ็มพิริคัลดังกล่าวในการหาค่า สัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์ของท่อพีวีซี 5 สรุปผลการทดลอง จากผลการทดลองเมื่ ออั ตราการไหลอยู่ ในช่ วง 0.00057 – 0.00158 m3 s-1 และมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อพีวีซี อยู่ในช่วง 0.018 – 0.030 m พบว่าค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิล เลี่ยมส์ของท่อพีวีซีอยู่ในช่วง 130 – 155 และมีค่าเฉลี่ยของค่า สัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมส์ของท่อพีวีซีทั้ง 3 ขนาดท่อเท่ากับ 142.5 จากผลการทดลองพบว่าเมื่อท่อพีวีซีมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง ภายในใหญ่ขึ้นที่ค่าอัตราการไหลเท่ากัน ค่าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิ ลเลี่ ยมจะมี แนวโน้ มลดลง และเมื่ ออั ตราการไหลของน้ํ าภายใน ท่อพี วีซีเพิ่มขึ้น ค่ าสัมประสิทธิ์ของฮาเซนวิลเลี่ยมจะมีแนวโน้ ม เพิ่มขึ้นด้วยเช่นกัน
7 เอกสารอ้างอิง สุธรรม นิยมวาส, บัญญัติ นิยมวาส. 2549. เครื่องจักรกลของไหล (Fluid Machinery). กรุงเทพมหานคร: สํานักพิมพ์วิทยพัฒน์. อัศฎา กิจพยุง. 2551. การประยุกต์วิธีการคํานวณโดยหลัก พันธุกรรมเพื่อหาขนาดท่อที่เหมาะสม.วิทยานิพนธ์ วิศวกรรมศาสตร์มหาบัณฑิต (วิศวกรรมชลประทาน). กรุงเทพมหานคร: บัณฑิตวิทยาลัย, มหาวิทยาลัย เกษตรศาสตร์. David A. Willoughby, R. Dodge Woodson and Rick Sutherland. 2004. Plastic Piping Handbook. Columbus, Ohio : McGraw Hill. Mohinder L. Nayyar. 2000. Piping Handbook (7th ed.). Columbus, Ohio : McGraw Hill. David Connell. 2001. Hazen-Williams C-factor Assessment In an Operational Irrigation Pipeline. Thesis for Master of Science: Department of Agricultural and Biosystems Enginering, McGill University.
6 กิตติกรรมประกาศ งานวิจัยนี้ขอขอบคุณ นายสุชาติ สอิดและ นายต่วนซอบรี กูจิ นั ก ศึ ก ษา สาขาวิ ศ วกรรมเครื่ อ งกล คณะวิ ศ วกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลศรีวิชัย ในการทําหน้าที่เป็นผู้ช่วย วิจัย และคณาจารย์ในสาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกล ทุกท่าน ที่ได้ให้ คําแนะนําที่เป็นประโยชน์ต่อการทําวิจัยในครั้งนี้
429
TSWE-02
การพัฒนาแหล่งน้าํ เพื่อการเกษตรกรรม กรณีศึกษาหมู่บา้ นราษฏร์พัฒนา ตําบลสระ อําเภอเชียงม่วน จังหวัดพะเยา กิตติพงษ์ วุฒิจํานงค์1*, ภาณุกร ช่วยคําชู2 1
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยพะเยา ต. แม่กา อ. เมือง จ. พะเยา 46000 2 สํานักงานชลประทานจังหวัดพะเยา อ.เมือง จ. พะเยา 46000 ผู้เขียนติดต่อ: กิตติพงษ์ วุฒิจํานงค์ E-mail: vkittipong@gmail.com
บทคัดย่อ วัตถุประสงค์ของการศึกษานี้ คือ เพื่อศึกษาแนวทางการแก้ไขปัญหาการขาดแคลนน้ําในพื้นที่ หมู่บ้านราราษฎร์พัฒนา ตํ า บลสระ อํ า เภอเชี ย งม่ ว น จั ง หวั ด พะเยา จากผลการศึ ก ษาพบว่ า ปริ ม าณน้ํ า ท่ า ที่ ไ หลเข้ า มาในพื้ น ที่ มี ป ริ ม าณรวมประมาณ 785.64 x 106 m3 year-1 ซึ่งมีความเพียงพอต่อความต้องการใช้น้ําในทุกกิจกรรม ที่มีค่าประมาณ 8.23 x 106 m3 year-1 ซึ่งจากปริมาณน้ําต้นทุนและสภาพภูมิประเทศของพื้นที่ สามารถพัฒนาระบบชลประทานเพื่อนําน้ําต้นทุนไปใช้ในกิจกรรมต่างๆได้ 2 ลักษณะ คือ โครงการประตูระบายน้ํา และ โครงการสูบน้ําด้วยพลังงานไฟฟ้า ซึ่งเมื่อทําการวิเคราะห์ทางด้านเศรษฐศาสตร์วิศวกรรม พบว่าโครงการประตูระบายน้ํา และโครงการสูบน้ําด้วยพลังงานไฟฟ้า มีค่าอัตราส่วนของผลประโยชน์ต่อต้นทุน (Benefit Cost Ratio : B/C Ratio) เท่ากับ 0.87 และ 4.49 ตามลําดับ ดังนั้น ในการพัฒนาแหล่งน้ําเพื่อการเกษตรกรรมในพื้นที่นี้จึงควรเลือกการดําเนิน โครงการเป็นสถานีสูบน้ําด้วยพลังงานไฟฟ้า คําสําคัญ: การพัฒนาแหล่งน้ํา , อัตราส่วนของผลประโยชน์ต่อต้นทุน
Water Resources Development for Agriculture : Case Study of Ratphattana Village, Sra Sub-District, Chiang Muan District, Phayao Province Kittipog Vuthijumnonk1*, Panukorn Chuaykamchoo2 1
School of Engineering, University of Phayao, A. Muang , Phayao Province 46000. 2 Phayao Irrigation Project A. Muang, Phayao Province 46000.
Corresponding author: Kittipog Vuthijumnonk. E-mail: vkittipong@gmail.com
Abstract The purposes of this study are to solve the problem of water scarcity in the area of Ratphattana village, Sra subdistrict, Chiang Muan district, Phayao province. The results of the study reveal that the inflow into the area is approximately 785.64 million cubic meters per year while the outflow for all activities is only about 8.23 million cubic meters annually. The water resources development for agriculture, from the volume of runoff and topography point of view, can be done in 2 aspects: the regulator and the electrical pumping station. The engineering – economic analyses for these 2 aspects disclose that the benefit - cost ratio (B / C Ratio) for regulator and electrical pumping station aspect are 0.87 and 4.49 respectively. The development of water resources for agriculture in this area, the electrical pumping aspect is preference. Keywords: water resources deve
1 บทนํา ใน ปี พ.ศ. 2556 จังหวัดพะเยามีเนื้อที่ถือครองการเกษตร 1,442,361 ไร่ ส่ วนใหญ่ จะเป็ นที่ ทํานามากที่ สุ ด ประมาณ 678,646 ไร่ ที่ปลูกพืชไร่พืชผัก ประมาณ 507,007 ไร่ ที่ปลูกไม้ ผลไม้ยืนต้น ประมาณ 256,708 ไร่ นอกนั้นเป็นที่อยู่อาศัย ที่สวน ผั ก และไม้ ด อก ที่ ทุ่ ง หญ้ า เลี้ ย งสั ต ว์ ที่ ร กร้ า ง และเนื้ อ ที่ ทํ า
การเกษตรอื่นๆ อาชีพหลัก ของประชากร คือ การทํานา และพืช เศรษฐกิจที่สําคัญ คือ ข้าว โดยเฉพาะข้าวหอมมะลิที่มีชื่อเสียงและ มีคุณภาพ ที่สุดของภาคเหนือ พื้นที่ บ้านราษฎร์พัฒนา ตําบลสระ อําเภอเชียงม่วน จังหวัด พะเยาเป็นอีกพื้นที่หนึ่งที่ประชากรในพื้นที่ส่วนใหญ่ประกอบอาชีพ เกษตรกรรมและมี สินค้าทางการเกษตรที่สํ าคั ญคือ ข้ าว ซึ่ งมั ก
430
- ปริมาณน้ําท่ารวมที่เข้ ามาในพื้นที่ (Inflow) มากกว่ า ปริมาณการใช้น้ําในพื้นที่ (Outflow) แสดงว่า ปริมาณน้ําต้นทุนมี เพียงต่อความต้องการ - ปริมาณน้ําท่ารวมที่เข้ามาในพื้นที่ (Inflow) น้อยกว่า ปริมาณ การใช้น้ําในพื้นที่ (Outflow) แสดงว่า ปริมาณน้ําต้นทุนมีไม่เพียง ต่อความต้องการ 2.4 การกําหนดประเภทของโครงการ เมื่อทําการวิเคราะห์ข้อมูลแล้วทําให้ทราบถึงปริมาณน้ําต้นทุน ที่มี และเมื่อพิจารณาสภาพภูมิประเทศแล้ว สามารถนํามาเลือก รูปแบบการพัฒนาแหล่งน้ําการตามแนวทางที่เหมาะสม 2.5 การวิเคราะห์ทางเศรษฐศาสตร์วิศวกรรม 2.5.1 การวิเคราะห์ต้นทุนของโครงการ การประเมินต้นทุนด้านเศรษฐกิจของโครงการจะคิดเฉพาะใน ส่วนของค่าใช้จ่ายทางตรง (Direct Cost) แบ่งออกเป็น 2 ส่วน คือ ค่าใช้จ่ายในการลงทุน และค่าใช้จ่ายรายปีในการดําเนินงานและ 2 อุปกรณ์และวิธีการ บํารุงรักษาระบบชลประทาน โดยมีผลการวิเคราะห์ต้นทุนในแต่ละ 2.1 วัสดุอุปกรณ์ ด้าน ดังนี้ 1. เครื่องคณิตกรณ์แบบพกพา (COMPUTER NOTEBOOK) - ค่าใช้จา่ ยในการลงทุน พร้อมติดตั้ง โปรแกรม MS OFFICE ค่ า ใช้ จ่ า ยในการลงทุ นในการดํ า เนิ น โครงการ เป็ น ผลจาก 2. เครื่องมือวัดพื้นที่ (DIGITAL PLANIMETER) การศึกษาของผู้เชี่ยวชาญด้านวิศวกรรม ซึ่งจะรวมถึงค่าสํารวจภูมิ 2.2 วิธีการศึกษา ประเทศ ค่ า ออกแบบรายละเอี ย ด ค่ า ก่ อ สร้ า งหรื อ ปรั บ ปรุ ง 2.2.1 การวิเคราะห์ปริมาณน้ําที่เข้ามาในพื้นที่ (Inflow) โครงสร้างพื้นฐานระบบชลประทาน ค่าควบคุมการก่อสร้าง รวมทั้ง ปริมาณน้ําที่เข้ามาในพื้นที่ ประกอบด้วย ปริมาณน้ําฝนที่ตกลง ค่าลงทุนทดแทนเมื่ออายุการใช้งานของสิ่งก่อสร้างหมดลงก่อนสิ้น มาในพื้นที่ และปริมาณน้ําท่าของลําน้ํายมที่ไหลเข้ามาในพื้นที่ อายุโครงการ 2.2.2 การวิเคราะห์หาปริมาณการใช้น้ําจากกิจกรรมต่างๆ ใน - ค่าใช้จ่ายในการดําเนินการบํารุงรักษา พื้นที่ (Outflow) ค่าใช้จ่ายในการดําเนินงานและบํารุงรักษา รวมถึงค่าใช้จ่ายที่ เป็นการวิเคราะห์หาปริมาณการใช้น้ําทั้งหมดภายในพื้นที่ โดย เกิดขึ้นประจําปีสําหรับการดําเนินงานการส่งน้ํา ค่าใช้จ่ายในการ แบ่งออกเป็น ซ่อมแซมบํารุงรักษาระบบ ซึ่งรวมถึงค่าบํารุงรักษาปกติประจําปี - การใช้น้ําเพื่อการอุปโภค-บริโภค และการบํารุงรักษาพิเศษ (Periodic Maintenance) และค่าใช้จ่าย ปริมาณการใช้น้ําเพื่อการอุปโภค-บริโภค จะมีค่าเท่ากับ ผลคูณ ในการบริหารจัดการโครงการ ในการประเมินค่าใช้จ่ายในการส่งน้ํา ของ จํานวนประชากรทั้งหมดในพื้นที่กับอัตราการใช้น้ําเฉลี่ยใน และบํารุงรักษาและการบริหารจัดการใช้อัตรา ร้อยละ 1 ของค่า พื้นที่ชนบท ซึ่งกําหนดให้มีค่าประมาณ 60 ลิตร/คน/วัน (ปราโมทย์ ก่อสร้าง ไม้กลัด, มิถุนายน 2557, คู่มืองานสระเก็บน้ําสําหรับชุมชน หน้า 2) 2.5.2 การวิเคราะห์ผลประโยชน์ของโครงการ - ปริมาณการใช้น้ําเพื่อการเกษตร ในการคิดผลประโยชน์ด้านการเกษตร จะคิดจากการเพิ่มขึ้น ปริมาณการใช้น้ําเพื่อการเกษตร ขึ้นกับชนิดของพืช ขนาดของ ของพื้ นที่ เพาะปลู ก และการเพิ่ มขึ้ นของผลผลิ ตทางการเกษตร พื้นที่เพาะปลูก และอัตราการใช้น้ําของพืช โดยค่าปริมาณการใช้ เนื่องจากมีการกระจายน้ําอย่างทั่วถึง ทําให้เกษตรกรมีความมั่นใจ น้ําเพื่อการเกษตร จะเป็นอัตราการใช้น้ํารายเดือน ในการลงทุ น และใช้ ปั จ จั ย การผลิ ต อย่ า งเหมาะสม และ 2.3 การวิเคราะห์สมดุลน้ํา ผลประโยชน์จากการลดต้นทุนการผลิตในส่วนของค่าใช้จ่ายในการ เพื่อคํานวณหาความพอเพียงของปริมาณน้ําต้นทุนที่มีอยู่ใน สูบน้ําที่ลดลง ในการประเมินผลประโยชน์ส่วนเพิ่มด้านการเกษตร พื้นที่จาก ได้ทําการเปรียบเทียบผลประโยชน์ด้านการเกษตรในกรณีที่ไม่มีการ
ประสบปัญหาภัยแล้งขาดแคลนน้ําเพื่อใช้ทําการเกษตรและอุปโภคบริโภค อยู่เป็นประจํา รายงานการศึกษาค้นคว้านี้ มีวัตถุประสงค์ เพื่ อแก้ ไ ขปั ญหาการขาดแคลนน้ํ าเพื่ อใช้ ในการเพาะปลู กของ เกษตรกรในพื้นที่ บ้านราษฎร์พัฒนา ตําบลสระ อําเภอเชียงม่วน จังหวัดพะเยา โดยทําการศึกษาบริเวณพื้นที่ปลูกข้าวของเกษตร ทั้งหมด 2,200 ไร่ และใช้อุปโภคบริโภคในพื้นที่บ้านราษฎร์พัฒนา และหมู่บ้านใกล้เคียง เพื่อกําหนดแนวทางในการดําเนินโครงการ พั ฒนาแหล่ งน้ํ าและแก้ ปั ญหาภั ยแล้ งได้ อย่ างเหมาะสม ดั งนั้ น บทความวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์ของการวิจัย ดังนี้ ศึกษาปริมาณ น้ํ า ท่ า ในพื้ น ที่ บ้ า นราษฎร์ พั ฒ นา ตํ า บลสระ อํ า เภอเชี ยงม่ ว น จังหวัดพะเยา, ประเมินความเพียงพอของปริมาณน้ําในพื้นที่ต่อการ ใช้น้ําในทุกกิจกรรมของพื้นที่, ศึกษาแนวทางการแก้ไขปัญหาการ ขาดแคลนน้ํ าในช่ วงฤดู แล้ ง และศึ กษาความเหมาะสมทางด้ าน เศรษฐศาสตร์วิศวกรรมในการดําเนินโครงการ
431
ปรั บ ปรุ ง โครงการ และกรณี ที่ มี ก ารปรั บ ปรุ ง โครงการ ตาม รายละเอียดการประเมิน ดังนี้ - พื้นที่การเกษตร จากผลการศึกษา โครงสร้างการผลิตทางการเกษตรในพื้นที่ โครงการ มีกิจกรรมการเกษตรที่สําคัญที่มีการผลิต ได้แก่ การปลูก ข้าวนาปี จํานวน 2,200 rai ในอนาคตกรณีมีการปรับปรุงโครงการ รูปแบบการผลิตด้านการเกษตรที่สําคัญไม่มีการเปลี่ยนแปลง คงมี เฉพาะการปรับเพิ่มพื้นที่เพาะปลูกของข้าวนาปรังตามปริมาณน้ําที่ ได้รับ - ปริมาณผลผลิต จากผลการพยากรณ์ผลผลิตต่อไร่ แยกตามพันธุ์ (ที่ความชื้น 15%) ปีเพาะปลูก 2555/56 ของข้าวเหนียวพันธุ์ กข.6 ที่อยู่นอก เขตการจัดเขตศักยภาพการผลิตข้าวจังหวัดพะเยา ของกรมการค้า ภายใน กระทรวงพาณิชย์ คือ 519 kg rai -1 - ราคาผลผลิต จากราคาข้าวเปลือก ความชื้น 15% ณ จุดรับซื้อแหล่งผลิต ภาคเหนือ ของสํานักพัฒนาผลิตภัณฑ์ข้าว กรมการข้าว ประจํา วั นที่ 13 มกราคม 2558 ข้ าวเหนี ยวพั นธุ์ กข 6 ราคา 11,350 baths ton-1 - ผลประโยชน์ส่วนเพิ่มทางการเกษตร จากข้อมูล พื้นที่เพาะปลูก ผลผลิต ราคาผลผลิต ที่กล่าวข้างต้น ได้นําไปจัดทําประมาณการผลประโยชน์ของโครงการทั้งในกรณีไม่มี และมีโครงการ 2.5.3 การวิเคราะห์ความเหมาะสมในเชิงเศรษฐศาสตร์ การวิ เคราะห์ งบประมาณ (Cost) ที่ ใช้ ไป เมื่ อเที ยบกั บ ผลประโยชน์ที่ได้รับ (Benefit) โดยพิจารณาตัวชี้วัด (Indicator) คือ อัตราส่วนระหว่างผลประโยชน์ต่อค่าใช้จ่าย (Benefit Cost Ratio : B/C Ratio) ซึ่งเกณฑ์การพิจารณาว่าตัวชี้วัดมีความ เหมาะสม หรือ มูลค่าการลงทุนเมื่อเทียบกับผลประโยชน์ที่ได้รับ คุ้มค่าหรือไม่นั้นมีเกณฑ์กําหนด ดังนี้ N
N
t 0
t 0
B/C Ratio = Bt (1 i )n / Ct (1 i )n
(1)
อัตราส่วนระหว่างประโยชน์เทียบกับต้ นทุนอาจเท่ากับ 1 หรื อ มากกว่า 1 หรือน้อยกว่า 1 แต่เกณฑ์ที่ใช้ไปเพื่อยอมรับโครงการก็ คืออัตราส่วนจะต้องมากกว่า 1 3 ผลและวิจารณ์ 3.1 3.1 การวิเคราะห์สมดุลน้ํา วิเคราะห์ปริมาณน้ําที่เข้ามาในพื้นที่ (INFLOW) จากการ คํานวณปริมาณน้ําท่าของน้ําฝนที่ตกในพื้นที่ ด้วยวิธี SCS-CN Method รวมกับปริมาณน้ําท่าจากลําน้ํายมที่ไหลผ่านพื้นที่ที่ ทําการศึกษาจากสถานีวัดปริมาณน้ํา และ วิเคราะห์ปริมาณการใช้ น้ําจากกิจกรรมต่างๆ ในพื้นที่ (Outflow) จากการใช้น้ําเพื่อการ อุปโภค-บริโภค รวมกั บปริมาณการใช้ในเพื่อการเกษตรในพื้นที่ สามารถสรุปสมดุลของน้ําในพื้นที่ ได้ดัง ตาราง 1 3.2 การกําหนดประเภทโครงการ จากข้อมูลปริมาณน้ําที่เข้ามาในพื้นที่ (INFLOW) ปริมาณ ต้นทุนส่วนใหญ่มาจากลําน้ํายม ซึ่งเป็นลําน้ําธรรมชาติ และจาก การพิจารณาลักษณะภูมิประเทศแล้ว สามารถกําหนดประเภทของ โครงการได้ 2 ลักษณะ คือ - โครงการประตูระบายน้ํา - โครงการสูบน้ําด้วยพลังงานไฟฟ้า 3.3 การวิเคราะห์ทางเศรษฐศาสตร์วิศวกรรม 3.3.1 การวิเคราะห์ต้นทุนของโครงการ รายละเอียดการประมาณราคาค่าก่อสร้างเบื้องต้นของทั้ง 2 โครงการ จากการเปรี ยบเที ยบกับโครงการประเภทเดี ยวกันที่ มี ขนาดพื้ น ที่ ส่ ง น้ํ า ใกล้ เ คี ยงกั น และมี ค วามยาวของคลองส่ ง น้ํ า ใกล้เคียงกัน ที่ขอรับอนุมัติงบประมาณรายจ่ายประจําปี 2558 และ ปี 2559 ของโครงการชลประทานพะเยา สํานักชลประทานที่ 2 กรมชลประทาน กระทรวงเกษตรและสหกรณ์ สามารถสรุ ป รายละเอียดต้นทุนของโครงการได้ดัง ตาราง 2 และ ตาราง 3 โดย ใช้อัตราคิดลดร้อยละ 12 per years ซึ่งเป็นอัตราขั้นสูงสุด ตาม แนวทางและหลั กเกณฑ์ การวิ เคราะห์ โครงการ ของสํ านั กงาน คณะกรรมการพั ฒนาเศรษฐกิ จและสั งคมแห่ งชาติ ซึ่งกํ าหนดไว้ ระหว่าง 9% ถึง 12%
โดยที่ Bt คือ มูลค่าผลประโยชน์จากโครงการที่เกิดขึ้นในปีที่ t Ct คือ มูลค่าการลงทุนในโครงการที่เกิดขึ้นในปีที่ t I คือ อัตราคิดลด ( Discount Rate ) อายุของโครงการ หรือปีที่สิ้นสุดอายุของ n คือ โครงการ B/C Ratio คือ อัตราส่วนผลประโยชน์ต่อทุน 432
Table 1 Water Balance in the Area ประเภท
ก.พ.
มี.ค.
สมดุลน้ําในพื้นที่ (ล้านลูกบาศก์เมตร) เม.ย. พ.ค. มิ.ย. ก.ค. ส.ค. ก.ย.
11.35 8.18
7.38
9.01 31.29 43.40 86.48 214.29 236.56 83.41 35.13 19.13
0.83
0.27 0.0027 0.0028 1.43
ม.ค.
ปริมาณน้ําที่เข้ามาในพื้นที่ (Inflow) ปริมาณการใช้น้ําในพื้นที่ (Outflow) คงเหลือ
0.75
10.52 7.43
0.83
0.83
0.81
ต.ค.
0.22
พ.ย.
1.43
ธ.ค.
0.83
7.11 9.0073 31.287 41.97 85.65 213.4 235.75 83.19 33.70 18.30
Table 2 Cost of Investment Summary for Regulator Project รายการต้นทุน โครงการ 1. งานสํารวจและออกแบบรายละเอียด (3%) 2. ค่าก่อสร้างโครงการ 2.1 งานประตูระบายน้ํา 2.2 งานระบบส่งน้ําและอาคารประกอบ รวมค่าลงทุนทัง้ หมด 3.ค่าบํารุงรักษา (1%)
เป็นเงิน (บาท) 3,210,000.00
อายุโครงการ (ปี) 50
อัตรา คิดลด 12%
Capital Recovery 0.12042
คิดเป็นต้นทุน รายปี 386,548.20
50 10
12% 12%
0.12042 0.17698
11,801,160.00 1,592,820.00 13,780,528.20 1,102,100.00 14,882,628.20
98,000,000.00 9,000,000.00 110,210,000.00 1,102,100.00
รวม
Table 3 Cost of Investment Summary for Electrical Pumping Project รายการต้นทุน โครงการ 1. งานสํารวจและออกแบบรายละเอียด (3%) 2. ค่าก่อสร้างโครงการ 2.1 งานสูบน้ําด้วยพลังงานไฟฟ้า 2.2 งานระบบส่งน้ําและอาคารประกอบ รวมค่าลงทุนทัง้ หมด 3.ค่าบํารุงรักษา (1%)
เป็นเงิน (บาท) 450,000.00
อายุโครงการ (ปี) 10
อัตรา คิดลด 12%
Capital Recovery 0.17698
คิดเป็นต้นทุน รายปี 79,641.00
10 10
12% 12%
0.17698 0.17698
1,061,880.00 1,592,820.00 2,734,341.00 154,500.00 2,888,841.00
6,000,000.00 9,000,000.00 15,450,000.00 154,500.00
รวม
ตาราง 4 Increase Benefit Summary of the Project รายการ
จํานวน (ไร่) 2,200 2,200
ข้าวนาปี ข้าวนาปรัง รวม
กรณีไม่มีโครงการ ผลตอบแทน/ไร่ เป็นเงิน (บาท) (บาท) 5,890 12,958,000 12,958,000
จํานวน (ไร่) 2,200 2,200 4,400
กรณีมีโครงการ ผลตอบแทน/ไร่ (บาท) 5,890 5,890 -
เป็นเงิน (บาท) 12,958,000 12,958,000 25,916,000
ผลตอบแทนสุทธิ ที่เพิ่มขึ้น (บาท) 12,958,000
ตาราง 5 Result of Engineering Economic Analysis รายการ โครงการประตูระบายน้ํา โครงการสูบน้ําด้วยพลังงานไฟฟ้า
ผลการวิเคราะห์ด้านเศรษฐศาสตร์ BENEFIT COST 12,958,000 14,882,628.20 12,958,000 2,888,841.00
อัตราคิดลด 12% 12%
433
B/C 0.87 4.49
ปริมาณน้ําท่าที่ไหลเข้ามาในพื้นที่มีปริมาณรวมประมาณ 785.64 ล้านลูกบาศก์เมตรต่อปี ซึ่งมีความเพียงพอต่อความต้องการใช้น้ํา ในทุกกิจกรรม ที่มีค่าประมาณ 8.23 ล้านลูกบาศก์เมตรต่อปี จาก การศึ ก ษาพบว่ า ปริ ม าณน้ํ า มี เ พี ย งพอต่ อ ความต้ อ งการ แต่ เนื่องจากยังขาดการพัฒนาระบบชลประทานที่เหมาะสม ทําให้ไม่ สามารถนําปริมาณน้ําต้นทุนไปใช้เพื่อการเพาะปลูกและเพื่อการ อุปโภค-บริโภค ได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ จากปริมาณน้ําต้นทุนและสภาพภูมิประเทศของพื้นที่ สามารถ พัฒนาระบบชลประทานเพื่อนําน้ําต้นทุนไปใช้ในกิจกรรมต่างๆ ใน พื้นที่ที่ทําการศึกษาได้ 2 ลักษณะ คือ โครงการประตูระบายน้ํา และโครงการสูบน้ําด้วยพลังงานไฟฟ้า จากการศึกษาความเหมาะสมทางเศรษฐศาสตร์วิศวกรรมของ ทั้ง 2 โครงการ พบว่าโครงการประตูระบายน้ํา มีอัตราส่วนระหว่าง ผลประโยชน์ต่อค่าใช้จ่าย (Benefit Cost Ratio : B/C Ratio) เท่ากับ 0.87 และ โครงการสูบน้ําด้วยพลังงานไฟฟ้า มีอัตราส่วน ระหว่างผลประโยชน์ต่อค่าใช้จ่าย (Benefit Cost Ratio : B/C Ratio) เท่ากับ 4.49 3.3.2 การวิเคราะห์ผลประโยชน์ของโครงการ จากปริมาณผลผลิตต่อไร่ และราคาผลผลิตการเกษตร สามารถ สรุปผลประโยชน์ที่เพิ่มขึ้นของโครงการ ได้ดัง ตาราง 4 ผลตอบแทน/ไร่ = จํานวนผลผลิต/ไร่ x ราคาข้าวเปลือก ณ จุดที่รับซื้อ = (519/1,000 ) ตัน/ไร่ x 11,350 บาท/ตัน = 5,890 บาท / ไร่
3.3.3 การวิ เ คราะห์ ค วามเหมาะสมทางเศรษฐศาสตร์ วิศวกรรม จากการวิ เ คราะห์ ต้ น ทุ น ของโครงการและการวิ เ คราะห์ ผลประโยชน์ที่เพิ่มขึ้นของโครงการสามารถวิเคราะห์ความเหมาะสม ของโครงการประตูระบายน้ํา และโครงการสูบน้ําด้วยพลังงานไฟฟ้า ตาม ตาราง 5 4 สรุป จากการศึ ก ษาการพั ฒ นาแหล่ ง น้ํ า เพื่ อ การเกษตรกรรม กรณีศึกษา บ้านราษฎร์พัฒนา ตําบลสระ อําเภอเชียงม่วน จังหวัด พะเยา เพื่ อทํ าการเปรี ยบเที ยบปริ มาณความต้ องการใช้ น้ํ ากั บ ปริมาณน้ําต้นทุนในพื้นที่ โดยปริมาณน้ําต้นทุนในพื้นที่ นอกจากมี ปริมาณน้ําฝนแล้ว ยังมีน้ําจากลําน้ํายม ปริมาณน้ําจากแหล่งน้ํา ต้นทุนดังกล่าว มีเพียงพอต่อความปริมาณความต้องการใช้น้ําใน พื้ นที่ ซึ่ งจากปริ มาณน้ํ าต้ นทุ นและสภาพภู มิ ประเทศของพื้ นที่ สามารถพัฒนาระบบชลประทานเพื่อนําน้ําต้นทุนไปใช้ในกิจกรรม ต่างๆได้ 2 ลักษณะ คือ โครงการประตูระบายน้ํา และ โครงการสูบ น้ําด้วยพลังงานไฟฟ้า ซึ่งเมื่อทําการวิเคราะห์ทางด้านเศรษฐศาสตร์ วิศวกรรม พบว่าโครงการประตูระบายน้ํา และโครงการสูบน้ําด้วย
พลังงานไฟฟ้า มีค่าอัตราส่วนของผลประโยชน์ต่อต้นทุน (Benefit Cost Ratio : B/C Ratio) เท่ากับ 0.87 และ 4.49 ตามลําดับ ดังนั้น ในการพัฒนาแหล่งน้ําเพื่อการเกษตรกรรมในพื้นที่นี้จึงควร เลือกการดําเนินโครงการเป็นสถานีสูบน้ําด้วยพลังงานไฟฟ้า 5 ข้อเสนอแนะ 1. จากการศึกษาพบว่าปริมาณน้ําในพื้นที่มีเพียงพอต่อความ ต้องการ แต่ยังขาดระบบชลประทานที่เหมาะสมทําให้ไม่สามารถนํา น้ํ า ต้ น ทุ น ที่ มี อ ยู่ ไ ปใช้ ไ ด้ อ ย่ า งเต็ ม ประสิ ท ธิ จึ ง ควรได้ รั บ การ สนับสนุนงบประมาณจากหน่วยงานที่เกี่ยวข้อง 2. การเก็บรวบรวมข้อมูลด้านต่างๆ ของหน่วยงานราชการอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องในพื้นที่ ควรมีการรวบรวมข้อมูลโดยละเอียดและควรมี การปรับปรุงให้ทันสมัยอยู่ตลอดเวลา ทั้งนี้เพื่อใช้ประโยชน์ในการ วิเคราะห์โครงการในด้านต่างๆ ซึ่งมีความต้องการในการใช้งาน ข้ อ มู ล ที่ มี ค วามถู ก ต้ อ งแม่ น ยํ า สู ง สุ ด เพื่ อ สามารถช่ ว ยเหลื อ ประชากรในพื้นที่ได้อย่างมีประสิทธิภาพต่อไป 3. นอกจากการศึกษาและนําเสนอข้อมูลการพัฒนาแหล่งน้ําใน พื้นที่เกษตรกรรมของหมู่บ้านราษฎร์พัฒนา ควรมีการศึกษาสํารวจ พื้นที่ในหมู่บ้านอื่นๆ โดยรอบด้วย โดยเฉพาะพื้นที่ที่อยู่ในเขตลําน้ํา ยม เพื่อทําการวางแผนการบริหารจัดการน้ํา และนําไปสู่การจัดตั้ง กลุ่มผู้ใช้น้ํา เพื่อให้เกิดการบริหารจัดการน้ําอย่างมีประสิทธิภาพ และยุติธรรม รวมถึงการสร้างจิตสานึ กให้ กับราษฎร์ในพื้นที่ ให้ ตระหนักถึงความสําคัญในการบริหารจัดการน้ําด้วย 6 กิตติกรรมประกาศ งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนด้วยดีจาก มหาวิทยาลัยพะเยา ขอขอบคุ ณข้ าราชการและเจ้ าหน้ าที่ ของสํ านั กงานชลประทาน จังหวัดพะเยา ที่ให้ความอนุเคราะห์ในการใช้อุปกรณ์สําหรับทํางาน วิจัย และเอื้อเฟื้อสถานที่ในการเก็บข้อมูล ขอขอบคุณคณาจารย์ ประจํ า หลั ก สู ต รวิ ศ วกรรมศาสตร์ ม หาบั ณ ฑิ ต สาขาวิ ช าการ บริหารงานก่อสร้าง คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยพะเยา ทุก ท่านที่ประสิทธิ์ประสาทความรู้ และให้คําปรึกษาแนวทางในการ แก้ ไขปั ญหา และให้ กํ าลั งใจแก่ ผู้ วิ จั ยมาโดยตลอด รวมทั้ งช่ วย ตรวจทาน แก้ไขรายงานการศึกษาค้นคว้านี้จนแล้วเสร็จสมบูรณ์ 7 เอกสารอ้างอิง กรมการข้าว กระทรวงเกษตรและสหกรณ์. 2557. ราคาข้าวเปลือก ความชื้น 15% ณ จุดรับซื้อแหล่งผลิต. สืบค้นเมื่อ 13 มกราคม 2558, จาก http://www.ricethailand.go.th กรมการค้าภายใน กระทรวงพาณิชย์. 2557. ผลการพยากรณ์ ผลผลิตต่อไร่ แยกตามพันธุ์ (ที่ความชื้น 15%) ปีเพาะปลูก 2555/56. สืบค้นเมื่อ 13 มกราคม 2558, จาก
434
http://www.dit.go.th กรมพัฒนาที่ดิน กระทรวงเกษตรและสหกรณ์. 2557. ระบบ นําเสนอแผนที่ชุดดิน มาตราส่วน 1 : 25,000. สืบค้นเมื่อ 15 มกราคม 2558, จาก http://eis.ldd.go.th กิตติพงษ์ วุฒิจํานงค์. 2557. วัฏจักรน้ํา. เอกสารประกอบการเรียน วิชาการพัฒนาและจัดการทรัพยากรน้ํา (Water Resources Development and Management) หลักสูตรวิศวกรรม ศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาการบริหารงานก่อสร้าง มหาวิทยาลัยพะเยา ดิเรก ทองอร่าม. 2525. ความต้องการน้าํ ชลประทานและค่าชล ภาระในการออกแบบระบบส่งน้าํ . เอกสารการสัมมนาวิชาการ เทคโนโลยีที่เหมาะสมในการทางานชลประทาน ธีระพจน์ ศุภวิรยิ ะกิจ. 2556. การวิเคราะห์ความเหมาะสมของ โครงการทางเศรษฐศาสตร์. เอกสารประกอบการเรียนวิชา ต้นทุนเศรษฐศาสตร์และการเงิน ในงานก่อสร้าง (Economics and Finance in Construction Cost) หลักสูตร วิศวกรรมศาสตร์มหาบัณฑิต สาขาวิชาการบริหารงานก่อสร้าง มหาวิทยาลัยพะเยา ปราโมทย์ ไม้กลัด. 2557. น้ําใช้เพื่ออุปโภคบริโภคหรือน้ํากินน้ําใช้ ของคน. คู่มืองานสระเก็บน้าํ สําหรับชุมชน หน้า 2, สํานักงาน ผู้ตรวจการแผ่นดิน ปราโมทย์ ไม้กลัด. 2553. ปัญหาความแห้งแล้ง ภัยแล้งและการ ขาดแคลนน้ํา. สืบค้นเมื่อ 15 มกราคม 2558, จาก http://www.paipibut.org ปราโมทย์ ไม้กลัด. 2553. มาตรการจัดหาและพัฒนาแหล่งน้าํ . สืบค้นเมื่อ 15 มกราคม 2558, จาก http://www.paipibut.org พงษ์ศักดิ์ วิทวัสชุติกุล และ พิณทิพย์ ธิติโรจนวัฒน์. 2551. การกา หนดค่า SCS-CN ของพืชคลุมดินเพื่อการจัดการพื้นที่ต้นน้ํา. ส่วนวิจัยต้นน้ํา สํานักอนุรักษ์และจัดการต้นน้ํา (เอกสาร เผยแพร่ที่ 7/2551) : กรมอุทยานแห่งชาติสัตว์ปา่ และพันธุ์พืช ภรณี ธนภรรคภวิน. 2551. การบริหารความเสี่ยงน้ําท่วมน้ําแล้ง: กรณีศึกษาพื้นที่ลมุ่ น้ําทับมาจังหวัดระยอง. เอกสาร Proceedings of 3rd THAICID NATIONAL SYMPOSIUM. วัชระ ลิ้มวิเศษศิลป์. 2557. รายละเอียดประมาณการงานประตู ระบายน้าํ บ้านพวงพยอม ตําบลหงส์หิน อําเภอจุน จังหวัด พะเยา. เอกสารประกอบการขออนุมัติงบประมาณรายจ่ายประจําปี 2559 โครงการชลประทานพะเยา สํานักชลประทานที่ 2 กรม ชลประทาน กระทรวงเกษตรและสหกรณ์
วัชระ ลิ้มวิเศษศิลป์. 2557. รายละเอียดประมาณการงานสถานีสูบ น้ําด้วยไฟฟ้าพร้อมระบบส่งน้าํ บ้านนาเจริญตําบลอ่างทอง อําเภอเชียงคํา จังหวัดพะเยา. เอกสารประกอบการขออนุมัติงบประมาณรายจ่ายประจําปี 2558 โครงการชลประทานพะเยา สํานักชลประทานที่ 2 กรม ชลประทาน กระทรวงเกษตรและสหกรณ์ วรพัฒน์ เพียรประสิทธิ์. 2557. รายละเอียดประมาณการงาน ปรับปรุงระบบส่งน้ําอ่างเก็บน้าํ ห้วยเฮือก ตําบลต๊ํา อําเภอเมือง จังหวัดพะเยา. เอกสารประกอบการขออนุมัติงบประมาณ รายจ่ายประจําปี 2558 โครงการชลประทานพะเยา สํานักชลประทานที่ 2 กรมชลประทาน กระทรวงเกษตรและสหกรณ์ ศูนย์อุทกวิทยาและบริหารน้าํ ภาคเหนือตอนบน กรมชลประทาน. 2557. ข้อมูลน้ําท่าสูงสุดรายปีลุ่มน้ําภาคเหนือ ตอนบน. สืบค้น ข้อมูลเมื่อ 15 ตุลาคม 2557, จาก http://www.hydro1.net/ ศูนย์อุทกวิทยาและบริหารน้าํ ภาคเหนือตอนบน กรมชลประทาน. 2557 . ข้อมูลน้ําฝนรายปี ลุ่มน้ําภาคเหนือตอนบน. สืบค้น ข้อมูลเมื่อ 15 ตุลาคม 2557, จาก http://www.hydro1.net/ Mishra, S.K. and V.P. Singh. 2003. Soil Conservation Service Curve Number (SCS-CN) Methodology . Kluwer Academic Publishers, Dordrecht.
435
TSWE-03
การศึกษาพารามิเตอร์แรงต้านของดินในพื้นที่ไร่ของจังหวัดขอนแก่น ประเทศไทย กฤษณะ เทียนมณี,1 เสรี วงส์พิเชษฐ,1* ขวัญตรี แสงประชาธนารักษ์1 1
ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลับขอนแก่น จ.ขอนแก่น, 40002 ผู้เขียนติดต่อ: เสรี วงส์พิเชษฐ E-mail: serwon123@gmail.com
บทคัดย่อ การศึกษาครั้งนี้เป็นการศึกษาพารามิเตอร์แรงต้านของดินในพื้นที่ไร่ของจังหวัดขอนแก่นประเทศไทย. โดยทําการทดสอบ ไถรื้อตออ้อย ด้วยอุปกรณ์ที่เกษตรกรนิยมใช้โดยทั่วไป ประกอบด้วย: ผาลบุกเบิก 3 จาน, ผาลพรวน 7 จาน และผาลสับกลบเศษซาก อ้อย ในแปลงทดสอบขนาด 20x150 เมตร จํานวน 3 ซ้ํา/อุปกรณ์ ระหว่างการทดสอบ ทําการวัดคุณสมบัติของดิน และวัดข้อมูลการ ไถรื้อตออ้อย ประกอบด้วย: แรงฉุดลาก, หน้ากว้างและความลึกของการไถ, ความเร็วเฉลี่ย และประสิทธิภาพการทํางาน จากนั้น นํา ข้อมูลการไถรื้อตออ้อยไปคํานวณหาค่าพารามิเตอร์แรงต้านของดิน โดยใช้สมการจากการทดลอง (empirical equation) ซึ่งพัฒนา โดยสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งสหรัฐอเมริกา (ASABE Standard D497.5, 2006). ผลการศึกษาพบว่า เนื้อดินในพื้นที่ที่ทดสอบ มี ส่วนประกอบของเนื้อดินที่คาบเกี่ยวระหว่างดินเนื้อหยาบและดินเนื้อปานกลาง มีค่าพารามิเตอร์แรงต้านของดิน (Fi) ระหว่าง 1.4-1.5 ในขณะที่ สมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งสหรัฐอเมริกาแนะนําให้ใช้ค่าระหว่าง 0.45 สําหรับเนื้อดินหยาบและ 0.70 สําหรับเนื้อดินปาน กลาง ปรากฎการณ์ที่มีความแตกต่างของค่าพารามิเตอร์แรงต้านของดิน (Fi) ดังกล่าว ถือเป็นกรณีเฉพาะ จึงควรมีการศึกษาเพิ่มเติม ต่อไป เพื่อเพิ่มความเข้าใจต่อคุณสมบัติจําเพาะของเนื้อดินกลุ่มนี้ของไทย คําสําคัญ: แรงฉุดลาก, ดินทรายปนร่วน, พารามิเตอร์แรงต้านของดิน
Abstract This study investigated the soil texture parameter in the upland of Khon Kaen Province; Thailand. The testing of primary tillage was conducted using general farming equipment consisting of three types of machinery as a 3-disk plow, 7-disk harrow, and a trash eliminated disk plow. The field test size was 20x150 m, and testing was replicated three times with each piece of equipment. Soil properties and primary tillage data were measured using the draft force of the equipment, the width and depth of the plow, average speed, and work efficiency. The soil texture parameters were evaluated using an empirical equation developed by the American Society of Agricultural and Biological Engineers (ASABE Standard D497.5, 2006). The results showed that the soil texture was a loamy sand. It was in dual classification of coarse texture and medium texture soil. The soil texture parameter (Fi) were calculated and founded between 1.4-1.5. It was greater than the soil texture parameter guidelines of the American Society of Agricultural and Biological Engineers which guided 0.45for coarse texture soil and 0.70 for medium texture soil. It seemed to be a specific case of soil texture parameter (Fi). Thus, the study would be carried on in the future to clarify this phenomenon. Keywords: Draft Force, Loamy Sand, Soil Texture Parameter
436
Scientific Committee 1. ศ. ดร. สมชาติ โสภณรณฤทธิ์ 2. ศ. ดร. สักกมน เทพหัสดิน ณ อยุธยา 3. รศ. ดร. วินิต ชินสุวรรณ 4. Prof. Vijaya Raghavan 5. Prof. Arun S. Mujumdar 6. Assoc. Prof. Munehiro Tanaka 7. Dr. George Srzednicki 8. Asst. Prof. Dr. Rose Prabin Kingsly Ambrose 9. Assoc. Prof. Dr. Klein E. Ileleji 10. Prof. Dr. Xiao Dong Chen 11. Prof. Dr. Donald C. Slack 12. Prof. Dr. Dirk E. Maier 13. Prof. Ito Nobutaka 14. Prof. Dr. Chin Chen Hsieh 15. นางดาเรศร์ กิตติโยภาส 16. นายอัคคพล เสนาณรงค์ 17. นายวิบูลย์ เทเพนทร์ 18. รศ. ดร. ปานมนัส ศิริสมบูรณ์ 19. รศ. ดร. สมเกียรติ ปรัชญาวรากร 20. รศ. ดร. อดิศักดิ์ นาถกรณกุล 21. รศ. ดร. สมชาย ชวนอุดม 22. ผศ. ดร. วีรชัย อาจหาญ 23. ผศ. ดร. สมโภชน์ สุดาจันทร์ 24. ผศ. ดร. สุเนตร สืบค้า 25. ผศ. ดร. ประสันต์ ชุ่มใจหาญ 26. ผศ. ดร. จักรมาศ เลาหวณิช 27. ผศ. ดร. ดนุวัศ ทางดี 28. ผศ. ดร. ศิระษา ทางดี 29. ผศ.ดร. จตุรงค์ ลังกาพินธุ์ 30. ดร. วันรัฐ อับดุลลากาซิม 31. ดร. ญาณากร สุทสั นมาลี 32. ดร. ดามร บัณฑุรัตน์ 33. ดร. อนุชิต ฉ่ําสิงห์ 34. ดร. วสุ อุดมเพทายกุล 35. นายชีรวรรธก์ มั่นกิจ 437
ที่ปรึกษา ประธาน รองประธาน กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการ กรรมการและเลขานุการ
36. ผศ. ดร. วัชรพล ชยประเสริฐ 37. นางสาวนฤมล ลดาวัลย์ ณ อยุธยา
กรรมการและผู้ช่วยเลขานุการ กรรมการและผู้ช่วยเลขนุการ
รายนามผู้ทรงคุณวุฒิ (REVIEWER)
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.
ดร. วันรัฐ อับดุลลากาซิม Dr. Wanrat Abdullakasim ผศ. ดร. สวนิต อิชยาวณิชย์ Asst. Prof. Dr. Sawanit Aichayawanich ผศ. ดร. ฤทธิชยั อัศวราชันย์ Asst. Prof. Dr. Rittichai Assawarachan ดร. กฤษฎากร บุดดาจันทร์ Dr. khridsadakhon booddachan ดร. นฤมล บุญกระจ่าง Dr. Narumon Boonkrachang ดร. อนุชิต ฉ่ําสิงห์ Dr. Anuchit Chamsing ผศ. ดร. วัชรพล ชยประเสริฐ Asst. Prof. Dr. Watcharapol Chayaprasert ผศ. ดร. ประสันต์ ชุ่มใจหาญ Asst. Prof. Dr. Prasan Choomjaihan ผศ. ดร. สมชาย ชวนอุดม Asst. Prof. Dr. Somchai Chuan-Udom ศ. ดร. สักกมน เทพหัสดิน ณ อยุธยา Prof. Dr. Sakamon Devahastin ดร. จิราพร ศรีภิญโญวณิชย์จงยิ่งเจริญ Dr. Jiraporn Sripinyowanich Jongyingcharoen ผศ. ดร. พยุงศักดิ์ จุลยุเสน Asst. Prof. Dr. Payungsak Junyusen ดาเรศร์ กิตติโยภาส Dares Kittiyopas ผศ. ดร. จักรมาศ เลาหวณิช Asst. Prof. Dr. JUCKAMAS LAOHAVANICH ดร. รวิภัทร ลาภเจริญสุข Dr. Ravipat Lapcharoensuk
438
มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ กําแพงแสน มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ วิทยาเขตปราจีนบุรี มหาวิทยาลัยแม่โจ้ มหาวิทยาลัยขอนแก่น มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลตะวันออก กรมวิชาการเกษตร มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ กําแพงแสน สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง มหาวิทยาลัยขอนแก่น มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี กรมส่งเสริมการเกษตร มหาวิทยาลัยมหาสารคาม สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง
16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33.
ชีรวรรธก์ มั่นกิจ Cherawat Munkit ผศ. ดร. ชลิดา เนียมนุ้ย Asst. Prof. Dr. Chalida Niamnuy ดร. สิรินาฏ น้อยพิทักษ์ Dr. Sirinad Noypitak ผศ. ดร. สุนัน ปานสาคร Asst. Prof. Dr. Sunan parnsakhorn ดร. ศิวลักษณ์ ปฐวีรัตน์ Dr. Siwalak Pathaveerat ผศ. ดร. วีระ ฟ้าเฟืองวิทยากุล Asst. Prof. Dr. Wera phaphuangwittayakul ดร. อาทิตย์ พวงสมบัติ Dr. Arthit Phuangsombut ผศ. ดร. มนต์ศักดิ์ พิมสาร Asst. Prof. Dr. Monsak Pimsarn ผศ. ดร. อุนนัต พิณโสภณ Asst. Prof. Dr. Unnat Pinsopon รศ. ดร. สมเกียรติ ปรัชญาวรากร Assoc. Prof. Dr. Somkiat Prachayawarakorn ผศ. ดร. อารียา ฤทธิมา Asst. Prof. Dr. Areeya Rittima ผศ. ดร. รณฤทธิ์ ฤทธิรณ Asst. Prof. Dr. Ronnarit Rittiron ดร. ณัฐพงศ์ รัตนเดช Dr. Nuttapong Ruttanadech ผศ. ดร. เกรียงไกร แซมสีม่วง Asst. Prof. Dr. Grianggai Samseemoung ผศ. ดร. ศุภกิตต์ สายสุนทร Asst. Prof. Dr. Supakit Sayasoonthorn รศ. ดร. ปานมนัส ศิรสิ มบูรณ์ Assoc. Prof. Dr. Panmanas Sirisomboon ศ. ดร. สมชาติ โสภณรณฤทธื์ Prof. Dr. Somchart Soponronnarit รศ. ดร. รังสินี โสธรวิทย์ Assoc. Prof. Dr. Rungsinee Sothornvit
439
กรมส่งเสริมการเกษตร มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ กําแพงแสน มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี มหาวิทยาลัยมหิดล มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง วิทยาเขตชุมพร มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50.
ผศ. ดร. สุเนตร สืบค้า Asst. Prof. Dr. Sunate Surbkar ผศ. ระวิน สืบค้า Asst. Prof. Dr. Rawin Surbkar ดร. ญาณากร สุทัสนมาลี Dr. Nyanakorn Sutassanamarlee รศ. ดร. สนธิสขุ ธีระชัยชยุติ Assoc. Prof. Dr. Sontisuk Teerachaichayut รศ. ดร. อนุพันธ์ เทอดวงศ์วรกุล Assoc. Prof. Dr.Anupun Terdwongworakul ผศ. ดร. ดนุวัศ ทางดี Asst. Prof. Dr. Danuwat Thangdee ผศ. ดร. ศิระษา ทางดี Asst. Prof. Dr. Sirasa Thangdee วิบูลย์ เทเพนทร์ Viboon Thepent ผศ. ดร. สานิตย์ดา เตียวต๋อย Asst. Prof. Dr. Sanidda Tiewtoy ผศ. ดร. ประกิต ทิมขํา Asst. Prof. Dr. Prakit Timkhum ผศ. ดร. เทวรัตน์ ตรีอํานรรค Asst. Prof. Dr. Tawarat Treeamnuk ดร. วสุ อุดมเพทายกุล Dr. Vasu Udompetaikul รศ. ดร. ประเทือง อุษาบริสุทธิ์ Assoc. Prof. Dr. Prathuang Usaborisut อาจารย์ภัทรชัย วิชัยยะ Pattarachai Vichaiya ผศ. ดร. อภินันท์ วัลภา Asst. Prof. Dr. Apinun Wanlapa ผศ. ดร. ดลหทัย ชูเมฆา Asst. Prof. Dr. Dolhathai Chumaka รศ. ดร. จาตุรงค์ ลังกาพินธ์ Assoc. Prof. Dr. Jaturong Lungapin
440
มหาวิทยาลัยแม่โจ้ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลตะวันออก มหาวิทยาลัยแม่โจ้ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ กําแพงแสน มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ วิทยาเขตปราจีนบุรี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ วิทยาเขตปราจีนบุรี กรมวิชาการเกษตร มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลล้านนา มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี