TSAE Journal Vol.18

วารสารสมาคมวศวกรรมเกษตรแหงประเทศไทย

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineeringปท 18 ฉบบท 1 มกราคม – ธนวาคม 2555 (Volume 18 No. 1 January – December 2012) ISSN 1685-408X

เจาของ: สมาคมวศวกรรมเกษตรแหงประเทศไทย สานกงาน: อาคาร 5 ชน 5 กองสงเสรมวศวกรรมเกษตร กรมสงเสรมการเกษตร แขวงลาดยาว จตจกร กรงเทพฯ 10900

โทร 0 2940 6183 โทรสาร 0 2940 6185 www.tsae.asia

บรรณาธการ รศ. ดร. อนพนธ เทอดวงศวรกล

กองบรรณาธการ รศ. ดร. ประเทอง อษาบรสทธ ผศ. ดร. ศวลกษณ ปฐวรตน ดร. วนรฐ อบดลลากาซม ดร. วชรพล ชยประเสรฐ ดร. ศรศกด เชดเกยรตพล ดร. กระว ตรอานรรค

นางดาเรศร กตตโยภาสนางสาวนฤมล ลดาวลย ณ อยธยา ดร. เทวรตน ทพยวมล ดร. ประสนต ชมใจหาญ ดร. ชยยนต จนทรศร

ทปรกษากองบรรณาธการ รศ. พนย ทองสวสดวงศ

กองบรรณาธการวชาการ จฬาลงกรณมหาวทยาลย ศ. ดร. สรนทร พงศศภสมทธ มหาวทยาลยธรรมศาสตร ศ. ดร. ผดงศกด รตนเดโช ศ. ดร. สมชาต ฉนทศรวรรณ สถาบนเทคโนโลยแหงเอเชย ศ. ดร. อรรถพล นมหอม มหาวทยาลยเกษตรศาสตร รศ. ดร. ธญญา นยมาภา รศ. วชา หมนทาการ ผศ. ภรต กญชร ณ อยธยา ดร. ประภากรณ แสงวจตร มหาวทยาลยเชยงใหม รศ. ดร. สมพนธ ไชยเทพ ผศ. ดร. ศวะ อจฉรยวรยะ ดร. วบลย ชางเรอ มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร ผศ. ดร. วรชย อาจหาญ ผศ. ชาญชย โรจนสโรช ผศ. ดร. พยงศกด จลยเสน

มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร ศ. ดร. สมชาต โสภณรณฤทธ มหาวทยาลยแมโจ รศ. เสมอขวญ ตนตกล ผศ. ดร. สเนตร สบคา มหาวทยาลยขอนแกน รศ. ดร. ธวชชย ทวาวรรณวงศ รศ. ดร. วนต ชนสวรรณ ผศ. ดร. เสร วงสพเชษฐ ผศ. ดร. สมโภชน สดาจนทร ผศ. ดร. สมชาย ชวนอดม ผศ. ดร. วเชยร ปลมกมล มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร รศ. ดร. รงเรอง กาลศรศลป ผศ. ดร. จตรงค ลงกาพนธ มหาวทยาลยราชภฏวไลยอลงกรณ รศ. จราภรณ เบญจประกายรตน สถาบนเทคโนโลยพระจอมเกลาเจาคณทหารลาดกระบง รศ. ดร. ปานมนส ศรสมบรณ รศ. สาทป รตนภาสกร

สถาบนวจยเกษตรวศวกรรม กรมวชาการเกษตร ดร. ชศกด ชวประดษฐ ดร. อนชต ฉาสงห กองสงเสรมวศวกรรมเกษตร กรมสงเสรมการเกษตร นางดาเรศร กตตโยภาส นายณรงค ปญญา นายชรวรรธก มนกจ นางสาวฐตกานต กลมพสต University of California, Davis Pictiaw Chen, Ph.D., Professor Emeritus David C. Slaughter, Ph.D., Professor University of Tsukuba Masayuki Koike, D.Agr., Professor Emeritus Tomohiro Takigawa, Ph.D., Professor Mie University Nobutaka Ito, D.Agr., Professor Emeritus Kansas State University Dirk E. Maier, Ph.D., Professor Purdue University Klein E. Ililiji, Ph.D., Associate Professor

คณะกรรมการสมาคมวศวกรรมเกษตรแหงประเทศไทย ประจาป พ.ศ. 2554 – 2555

ทปรกษา ฯพณฯ นายอาพล เสนาณรงคฯพณฯ พลเอกสรยทธ จลานนท ศ. ดร. สมชาต โสภณรณฤทธ ศ. ดร. อรรถพล นมหอม ศ. ดร. สรนทร พงศศภสมทธ รศ. ดร. ธวชชย ทวาวรรณวงศ รศ. ดร. วนต ชนสวรรณ

Prof. Dr. Vilas M SalokheProf. Dr. Gajendra Singh Prof. Dr. Chin Chen Hsieh ดร. สภาพ เออวงศกล นายทรงศกด วงศภมวฒน นายสรเวทย กฤษณะเศรณ

นางพรรณพมล ชญญานวตรนายวกรม วชรคปต นายสมชย ไกรครฑร นายปราโมทย คลายเนตร นายสวทย เทดเทพพทกษ นายชนะธช หยกอบล

กรรมการบรหาร นายกสมาคมวศวกรรมเกษตรแหงประเทศไทย

อปนายก ประธานฝายวชาการ

ผชวยประธานฝายวชาการ ผชวยประธานฝายวชาการ ผชวยประธานฝายวชาการ

เลขาธการ เหรญญก

นายทะเบยน สาราณยกร

ผชวยสาราณยกร ปฏคม

ประชาสมพนธ ผประสานงานกลาง

นางดาเรศร กตตโยภาสผศ. ดร. วรชย อาจหาญ ศ. ดร. สมชาต โสภณรณฤทธ รศ. พนย ทองสวสดวงศ ผศ. ดร. สมโภชน สดาจนทร ผศ. ดร. สเนตร สบคา นายณรงค ปญญา นางสาวฐตกานต กลมพสต นายชรวรรธก มนกจ รศ. ดร. อนพนธ เทอดวงศวรกล ดร. วนรฐ อบดลลากาซม นายนเรสน รงสมนตศร นางสาวนฤมล ลดาวลย ณ อยธยา นายอนรกษ เรอนหลา

กรรมการกลางและวชาการ รศ. ดร. สมยศ เชญอกษร รศ. ดร. ธญญา นยมาภา รศ. ดร. ธญญะ เกยรตวฒน รศ. ดร. ปานมนส ศรสมบรณ รศ. สาทป รตนภาสกร ผศ. ดร. สมโภชน สดาจนทร ผศ. ดร. เสร วงสพเชษฐ ดร. ชยพล แกวประกายแสงกล รศ. ดร. สมพนธ ไชยเทพ รศ. ดร. วชย ศรบญลอ ผศ. เธยรชย สนดษฎ นายไพศาล พนพง ผศ. ฉตรชาย ศภจารรกษ รศ. กตตพงษ วฒจานง

ดร. สมเกยรต เฮงนรนดร รศ. ผดงศกด วานชชง รศ. จราภรณ เบญจประกายรตน รศ. ดร. รงเรอง กาลศรศลป ผศ. ดร. ศวลกษณ ปฐวรตน ดร. วนรฐ อบดลลากาซม รศ. รงสน โสธรวทย รศ. ดร. ประเทอง อษาบรสทธ รศ. มานพ ตนตระบณฑตย ผศ. ดร. สเนตร สบคา ผศ. ภรต กญชร ณ อยธยา ดร. วสนต จอมภกด ดร. ชศกด ชวประดษฐ รศ. ดร. อนพนธ เทอดวงศวรกล

นางดาเรศร กตตโยภาส รศ. ใจทพย วานชชง นายชนะธช หยกอบล นายจารวฒน มงคลธนทรรศ ดร. ไมตร แนวพนช นายอคคพล เสนาณรงค นายวบลย เทเพนทร นายสภาษต เสงยมพงศ ดร. อนชต ฉาสงห นายวระชย เชาวชาญกจ นายนรเชษฐ ฉตรมนตร นายไมตร ปรชา ผศ. ดร. สมชาย ชวนอดม นายสมศกด องกรวฒนานกล

นางสาวพนดา บษปฤกษ นายมลฑล แสงประไพทพย นางสาวระพ พรหมภ นายพฒนศกด ฮนตระกล นายมรกต กลบด นายนเรศวร ชนอนทรมน นายขนศร ทองยอย นายสรสทธ บญรกชาต นายบญสง หนองนา นางสาวศระษา เจงสขสวสด นางสาววไลวรรณ สอนพล นางสาวนฤมล ลดาวลย ณ อยธยา หวหนาภาควชาและสาขาวศวกรรมเกษตรของสถาบนการศกษาทกแหงของประเทศ

สารบญ การพฒนาเครองปกตนกลายาสบขนาดหนงทนง ......................................................................................................... 1

วชรพล ชยประเสรฐ, กตตเดช โพธนยม, อมรรตน เขยวขา, ปณฐพงศ ดทอง Development of a Single-Seat Tobacco Transplanter Watcharapol Chayaprasert, Kittidet Poniyom, Amonrat Kheawkham, Parnutpong Deetong

คณลกษณะการอบแหงของสาหรายเตาดวยคลนไมโครเวฟ ........................................................................................ 8 ฤทธชย อศวราชนย, ฉตรชนก คงสทธ, ดวงพร อมรเลศพศาล Microwave Drying Characteristics of Spirogyra spp. Rittichai Assavarachan, Chatchanok Kongsit, Doungporn Amornlerdpison

การปรบปรงคณภาพกาซชวภาพดวยกระบวนการดดซบสลบความดน ..................................................................... 15 ปภส ชนะโรค, รตนวรรณ เกยรตโกมล, วรชย อาจหาญ Pressure swing Adsorption for Biogas upgrading Papas Chanaroke, Ratanawan Kiattikomol, Weerachai Arjharn

ทมาของสมการ Ergun เพอการคานวณความเรวตาสดของการเกดฟลอไดซสาหรบอนภาคของแขง ....................... 24 ระวน สบคา, ธนศษฏ วงศศรอานวย, สเนตร สบคา Foundation of the Ergun equation for the calculation of minimum fluidizing velocity of solid particles Rawin Surbkar, Thanasit Wongsiriamnuay, Sunate Surbkar

เทคโนโลยการใหนาดวยสายยางนาซม ...................................................................................................................... 34 สมชาย ดอนเจดย Water application technology with porous pipe Somchai Donjadee

การหาไอโซมเทอมความชนของวสดทแลกเปลยนความชนไดด ................................................................................ 43 ชนนท ราษฎนยม, สเนตร สบคา Determination of Moisture Sorption Isotherm for Hygroscopic Materials Chanun Rardniyom, Sunate Surbkar

ปจจยทมความสมพนธกบระยะการสกของมะมวงนาดอกไมหลงการเกบเกยว .......................................................... 52 ศกยะ สมบตไพรวน, เทวรตน ตรอานรรค, กระว ตรอานรรค Factors Related to Ripening-stages of Nam Dok-mai Mango after Harvesting Sakaya Sombatpraiwan, Tawarat Tipyavimol, Krawee Treeamnuk

แบบจาลองการอบแหงใบกะเพราดวยคลนไมโครเวฟ ............................................................................................... 59 ปองพล สรยะกนธร, ฤทธชย อศวราชนย Microwave Drying Models of Holy Basil (Ocimum sanctum L.) Leaves Pongpol Suriyakanthorn, Rittichai Assavarachan

วอเตอรฟตพรนตของออยและมนสาปะหลงสาหรบการผลตเอทานอลในภาคตะวนออก ประเทศไทย ....................... 68 สานตยดา เตยวตอย, ชลตา สวรรณ, ธณฏฐยศ สมใจ Water Footprint of Sugarcane and Cassava for Ethanol Production in Eastern Thailand Sanidda Tiewtoy, Chalita Suwan, Thanutyot Somjai

วารสารสมาคมวศวกรรมเกษตรแหงประเทศไทย ปท 18 ฉบบท 1 (2555), 1–7

1

วารสารสมาคมวศวกรรมเกษตรแหงประเทศไทย บทความวจย ปท 18 ฉบบท 1 (2555) 1–7

ISSN 1685-408X Available online at www.tsae.asia

การพฒนาเครองปกตนกลายาสบขนาดหนงทนง Development of a Single-Seat Tobacco Transplanter วชรพล ชยประเสรฐ1*, กตตเดช โพธนยม2, อมรรตน เขยวขา1, ปณฐพงศ ดทอง1 Watcharapol Chayaprasert1*, Kittidet Poniyom2, Amonrat Kheawkham1, Parnutpong Deetong1 1ภาควชาวศวกรรมเกษตร, คณะวศวกรรมศาสตร กาแพงแสน, มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตกาแพงแสน, นครปฐม, 73140 1Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering at Kamphaengsaen, Kasetsart University - Kamphaengsaen Campus, Nakhon Pathom, 73140 2ฝายเครองจกรกลการเกษตรแหงชาต, มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตกาแพงแสน, นครปฐม, 73140 2National Agricultural Machinery Center, Kasetsart University – Kamphaengsaen Campus, Nakhon Pathom, 73140 *Corresponding author: Tel: +66-34-351-896, Fax: +66-34-351-896, E-mail: [email protected]

บทคดยอ ตนแบบเครองปกตนกลาสาหรบอตสาหกรรมปลกยาสบถกพฒนาขน โดยมเปาหมายเพอใชงานกบตนกลายาสบพนธ

เวอรจเนยซงมระยะปลกระหวางแถว 1 m และระหวางตน 60 cm ตวเครองเปนสวนตอพวงกบรถแทรกเตอร, ใชผปฏบตงาน 1 คน (ไมรวมคนขบรถแทรกเตอร), ทางานครงละ 1 แถวปลก, ชนสวนทงหมดสรางจากเหลกรปพรรณ, และมองคประกอบสาคญคอ ชดเปดรอง, ชดกลไกปกวางตนกลา, ชดกลไกปอนตนกลา และชดกลบรองดน ผลการทดสอบประสทธภาพของเครองปกตนกลาไมไดแสดงใหเหนถงผลของความชนและความตานทานการแทงทะลของดนทมตออตราการปกสาเรจของเครองปกตนกลา หากไมคดรวมเวลาในการกลบหวรถแทรกเตอร เครองปกตนกลาจะใชเวลาทางานนอยกวาแรงงานคนเกอบหนงเทาตว อยางไรกตามเครองปกตนกลายงมอตราการปกสาเรจตา (i.e., 66.7–76.0%) เมอเทยบกบอตราการปกสาเรจของแรงงานคน (i.e., 97.0%) และเครองยงมระยะการปกทไมสมาเสมอนก สาเหตหลกททาใหเครองปกตนกลาทางานผดพลาดคอ หนาดนไมเรยบสมาเสมอ, ตนกลามขนาดไมไดมาตรฐาน และดนมลกษณะจบตวเปนกอนไมรวนซย คาสาคญ: เครองปกตนกลา, ยาสบ, ประสทธภาพการปกตนกลา Abstract

A prototype mechanical tobacco transplanter was developed and its performance was tested. The transplanter was designed for the Virginia variety which requires distance between rows of 1 m and distance between hills of 60 cm. The transplanter was attached behind and pulled by a tractor. It requires one operator (not including the tractor driver) and gives one transplanting row per passing. All primary components were made of steel which consisted of the furrow opener, transplanting mechanism, loading station and compacting device. The results of the performance tests showed that the transplanting success rate was not affected by soil moisture content and cone index. Excluding the tractor turning time, the transplanter operated at almost twice the speed of hand transplanting. However, the transplanting success rates of the mechanical transplanter (i.e., 66.7–76.0%) were substantially lower than that of the hand transplanting (i.e., 97.0%) and the distances between hills was not yet even. The primary causes of fail transplanting were uneven land surface, different heights of seedlings and lumpy soil. Keywords: Transplanter, Tobacco, Transplanting performance

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 1–7

2

1 บทนา ใบยาสบเปนผลผลตทางการเกษตรททารายไดใหกบประเทศ

ไทยเปนจานวนมากเมอเทยบกบผลผลตทางการเกษตรชนดอนๆ ในสดสวนปรมาณการผลตทเทากน ในชวงป พ.ศ. 2538 ถง 2547 ปรมาณการสงออกใบยาสบเพมขนโดยประมาณจาก 20,000 เปน 31,000 tonne มมลคาการสงออกเพมขนจาก 1,500 เปน 2,800 ลานบาท (สมาคมผบมผเพาะปลกและผคาใบยาสบไทย, 2551) ราคาภายในประเทศของใบยาสบพนธเวอรจเนยเพมขนจาก 4.55 บาท kg-1 ในป พ.ศ. 2549 เปน 10.31 บาท kg-1 ในป พ .ศ . 2550 (สานกงานเศรษฐกจการเกษตร, 2550) จะเหนไดวาใบยาสบเปนผลผลตทางการเกษตรทมมลคาสงมาก นอกจากนในเงนรายไดทโรงงานยาสบสงใหรฐในแตละปยงสงถงกวา 45,000 ลานบาท (โรงงานยาสบ กระทรวงการคลง, 2553) ในขณะทภาคการผลตทางการเกษตรในภาพรวมมการปรบตวเพอรกษาศกยภาพการแขงขนในตลาด โดยการนาเครองจกรเขามาใชงาน (agricultural mechanization) ก ร ะบ วนก า รปล ก ย า ส บ ย ง ต อ ง อ า ศ ยแรงงานคนแทบทงหมด (ยกเวนขนตอนการเตรยมดน) ดงนนการศกษาในครงนจงมวตถประสงคเพอสรางตนแบบและทดสอบประสทธภาพของเครองปกตนกลาสาหรบอตสาหกรรมปลกยาสบ โดยมเปาหมายเพอใชงานกบตนกลายาสบพนธเวอรจเนยเปนหลกซงมระยะปลกระหวางแถว (distance between rows) 1 m และระหวางตน (distance between hills) 60 cm

2 อปกรณและวธการ

2.1 สวนประกอบของเครองปกตนกลา เครองปกตนกลาในตางประเทศไดรบการพฒนามาอยาง

ตอเนองเปนระยะเวลานานซงโดยสวนใหญลกษณะการออกแบบของเครองปกตนกลาจะเปนสวนตอพวงกบสวนขบเคลอน เชน รถแทรกเตอร เปนตน ถงแมวารปรางและลกษณะการทางานเครองปกตนกลาแตละแบบจะแตกตางกนออกไปในรายละเอยด โดยทวไปตวเครองจะประกอบดวยตวโครงสรางหลกและมสวนกลไกการทางานพนฐาน (Table 1) คอ

1) ชดเปดรอง (furrow opener) เพอแหวกหนาดนสาหรบปกตนกลา ซงการออกแบบจะอยในลกษณะของหวแหวก (runner) หรอ หวไถ (chisel)

2) ชดกลไกปกวางตนกลา (transplanting mechanism) โดยสามารถแยกไดเปน 2 ประเภทคอ แบบปลอยหรอวางโดยให

ตนกลาตกลงสรองดนเองตามธรรมชาต (gravity drop) หรอแบบมกลไกจบตนกลาปกลงดน (mechanical insert)

3) ชดกลไกปอนตนกลา (loading station) ใหกบชดกลไกปกวาง ตนกล า ซ งอาจเปนแบบทางานเองโดยอตโนม ต (automatic loading) หรอเปนแบบมคนปอนตนกลาใหกบ ชดกลไก (hand loading)

4) ชดกลบรองดน (compacting device) ซงจะเปนหวกดทเคลอนทผานและคอยกลบรองดนทเปดไว หวกดอาจมลกษณะเปนลอหมน (compacting wheel) หรอแผนโลหะดดเขารป (compacting plate)

ดงนน เครองปกตนกลาในโครงการวจยนจงถกออกแบบใหเปนสวนตอพวงกบรถแทรกเตอร, ใชผปฏบตงาน 1 คน (ไมรวมคนขบรถแทรกเตอร), ทางานครงละ 1 แถวปลก, ชนสวนทงหมดสรางจากเหลกรปพรรณ และมสวนประกอบหลกทง 4 สวนดงกลาวขางตน ดงแสดงใน Figure 1 คอ

1) ชดเปดรองถกออกแบบใหเปนหวแหวกมรปทรงคลายสามเหลยม

2) ชดกลไกปกวางตนกลาเปนแผนเหลกเรยบดดขอบใหเปนชองเพอบงคบใหตนกลาไถลตกลงสรองดนดานหลงชดเปดรองเองโดยธรรมชาต

3) ชดกลไกปอนตนกลา (Figure 2) ทาหนาทปอนตนกลาใหกบชดกลไกปกวางตนกลา มชองบรรจตนกลา (seedling holder) 3 ชอง แตละชองมลกษณะเปนทรงกรวยเหลยม ทกนกรวยมลนทาหนาทเปด-ปด เพอปลอยตนกลา ซงกลไกการเปดปดของลนถกขบดวยลอของเครองปกตนกลาผานชดเฟองโซ (chain drive) และกานเตะ (rotating kicker) อตราการทดรอบจากลอของเครองปกตนกลาไปยงกานเตะถกออกแบบใหเครองปกมอตราการปกตนกลาท 1 ตน ตอ 60 cm

4) ชดกลบรองดนมลกษณะเปนลอหมนควางในแนวเฉยงเขา

หากนทามมประมาณ 45 กบพนดน ซงเมอเคลอนทผานรองดนทเปดไว ลอหมนจะกลบและกดรองดนใหแนน

2.2 การทดสอบประสทธภาพเครองปกตนกลา ทาการทดสอบประสทธภาพเครองปกตนกลาทงหมด 3 ครง

การทดสอบแตละครงมระยะเวลาหางกน 7–10 d มาตรฐาน RNAM (Regional Network for Agricultural Machinery, 1983) กาหนดใหพนทสาหรบการทดสอบอปกรณหยอดเมลดพชตองมขนาดไมตากวา 2,000 m2 (0.2 ha) และมสดสวนความยาวตอความกวางเปน 2:1 อยางไรกตามเนองจากขอจากดของสถานททาการวจย ทาใหงานวจยนจาเปนตองใชแปลงทดสอบ


3

ขนาดกวาง 7.7 m และยาว 40.0 m (Figure 3) แปลงทดสอบถกแบงออกเปน 6 แถว โดยมระยะหางระหวางแถว 1.1 m ใชระยะสาหรบกลบหวรถแทรกเตอรดานละ 5 m ซงจะใหระยะการทางานของเครองปกตนกลาในแตละแถวเปน 30.0 m

เครองปกตนกลาถกออกแบบใหมระยะปกตนกลา 60 cm ซงหมายถง จานวนตนกลาทจะปกไดทงหมดตอแถวคอ 50 ตน และใชตนกลาทงหมด 300 ตน ตอ 1 การทดสอบ

Table 1 Primary components of mechanical transplanters developed by various researchers.

Boa

(1984)

Chow et al. (1980)

Dattisman (1931)

Kolk et al. (1998)

Munillaand

Shaw (1987)

Satpathy (2008)

Suggs (1979)

Suggs et al. (1987)

Suggs et al. (1992)

Furrow opener

Runner N/A N/A

Chisel Transplanting mechanism

Drop N/A Insert

Loading stationHand

Automatic Compacting device

Wheel N/A N/A Plate

Figure 1 Primary components of the transplanter.

Figure 2 Primary components of the loading station.


4

Figure 3 Diagram of the test plot. The short dash lines with arrows represent the working direction of the transplanter and the long dash lines indicate the head turn area.

กอนการทดสอบแตละครง 1–2 d ทาการเตรยมดนโดยใชไถจาน (standard disk plow) ไถพนททดสอบ 2 ครงแลวทาการพรวนดนดวยจอบหมน (rotary tiller) 1–2 h กอนการทดสอบ ทาการเกบตวอยางดนโดยใช core sampler จานวนทงหมด 12 ตวอยาง เพอนาไปวเคราะหหาความหนาแนนดนสภาพแหง (soil dry bulk density) และความช น ขอ ง ดน ( soil moisture content) (Regional Network for Agricultural Machinery, 1983) ตาแหนงของการเกบตวอยางดนทง 12 ตาแหนงจะกระจายตวอยางเปนระเบยบโดยรอบแปลงทดสอบ นอกจากนทแตละตาแหนงของการเกบตวอยางดน ทาการวดคาความตานทานการแทงทะลของดน (cone index) ทระดบความลก 10, 20 แ ล ะ 30 cm โ ด ย ใ ช cone penetrometer (SR-2 No.353-B, Kiya Seisakusho Ltd., Tokyo, Japan) ตนกลาทใชในการทดสอบเปนตนกลามะเขอเปราะ ความสงจากยอดใบถงฐานลางของตมรากประมาณ 20–30 cm รถแทรกเตอรทใชในงานวจยนใชเครองยนตดเซล ใหกาลงสงสด 24.5 hp (L245-II, Kubota Corp., Osaka, Japan) กอนการทดสอบแตละครงจะทาการวดระยะการเคลอนทของรถแทรกเตอรซงมเครองปกตนกลาตดตงอยแตไมนาเครองปกตนกลาลงสพนดน และระยะการเคลอนทของรถแทรกเตอรซงฉดลากเครองปกตนกลาในลกษณะการทางานปกต เพอหาเปอรเซนตการลนไถลลอ (wheel slip) ของรถแทรกเตอรเนองจากการฉดลากเครองปกตนกลา ใหรถแทรกเตอรเคลอนทดวยความเรวคงทประมาณ 0.6 km h-1 และทาการวดระยะการเคลอนทเมอลอหลงของรถแทรกเตอร

หมนครบ 6 รอบ ทาการเกบขอมลสาหรบการหาเปอรเซนตการลนไถลลอ 1 ครงในแตละแถว (i.e., 6 ซาในแตละการทดสอบ)

ในแตละการทดสอบประสทธภาพแตละครง รถแทรกเตอรจะทาการลากเครองปกตนกลาไปตามแนวเสนทางดงแสดงใน Figure 3 ระยะเวลาทเครองปกตนกลาเคลอนทในแตละแถว (ระยะ 30 m) และระยะเวลาการกลบหวรถแทรกเตอรเมอเสรจสนการปกในแตละแถวจะถกบนทกไว ทาการบนทกปรมาณการใชเชอเพลงหลงจากเสรจสนแตละการทดสอบ ทาการบนทกจานวนตนทเครองปกตนกลาทาการปกไดสาเรจ (S) โดยมเงอนไขคอ ตนกลาทถกปกสาเรจตองมมมระหวางลาตนกบ

แนวแกนตงฉากกบพนดนไมเกน 30 และดนกลบโคนตนมดพอด (i.e., ไมมรากโผลขนมาและไมมใบออนถกดนกลบทบ) ในทางกลบกน ตนกลาทถกปกไมสาเรจคอ ตนทมมมระหวางลา

ตนกบแนวแกนตงฉากกบพนดนมากกวา 30 หรอดนกลบโคนตนไมพอด (i.e., มรากโผลขนมาหรอตนกลาถกดนกลบทบทงตน) หรอไมมตนกลาทตาแหนงการปก อตราการปกสาเรจ (success rate) จะถกคานวนโดยใชสมการตอไปน

SSuccess rate = ×100

300 (1)

สงเกตวาจานวนตนกลาทงหมดทใชในแตละการทดสอบคอ 300 ตน นอกจากน ระยะหางระหวางตนกลาทถกปกสาเรจตอเนองกนตงแต 3 ตนขนไปจะถกบนทกไว

ประสทธภาพของเครองปกตนกลาจะถกเปรยบเทยบกบการปกตนกลาดวยแรงงานคน โดยทาการทดสอบการปกตนกลาดวยแรงงานคน 1 การทดสอบโดยใชแรงงาน 2 คน คนหนงมหนาทใชจอบขดดนใหเปนหลมและอกคนวางตนกลาลงในหลมแลวกลบดนตามหลง ทาการทดสอบ 2 แถวแตละแถวยาว 30 m ระยะหางระหวางแถว 1.1 m ระยะหางระหวางตน 60 cm ทาการบนทกจานวนตนททาการปกไดสาเรจและระยะเวลาทใชในการปกแตละแถว

3 ผลและวจารณ ผลการวดความหนาแนนดนสภาพแหง, ความชนของดน และ

ความตานทานการแทงทะลของดนถกแสดงอยใน Table 2 ความหนาแนนดนสภาพแหงมคาเฉลยอยท 1.37 g cm-3 และมคาเกอบไมเปลยนแปลงตลอดการทดสอบประสทธภาพทง 3 ครง คาเฉลยของความชนของดนมคาเปลยนแปลงในชวงแคบๆ (i.e., 7.94–9.75%) อยางไรกตามความตานทานการแทงทะลของดนของแตละการทดสอบมคาแตกตางกนคอนขางมาก ในขณะท


5

คาเฉลยของความตานทานการแทงทะลของดนของการทดสอบท 3 ท 10, 20 และ 30 cm มคาเทากบ 0.41, 0.67 และ 0.75 MPa ตามลาดบ ความตานทานการแทงทะลของดนเกอบทงหมดของการทดสอบท 1 และ 2 มคาเกนกวา 0.82 MPa ซงเปนค าส งส ด ท cone penetrometer ท ใช ในการศกษาค ร งน

สามารถวดได อยางไรกตามผลการทดสอบประสทธภาพการปกตนกลา (Table 3) ไมไดแสดงใหเหนวาความแตกตางของความตานทานการแทงทะลของดนสงผลตออตราการปกสาเรจ (success rate) ของเครองปกตนกลา

Table 2 Average standard deviation (SD) of soil dry bulk density, soil moisture content and cone index.

Test Soil dry bulk density (g cm-3) Soil moisture content (%)Cone index (MPa)

10 cm 20 cm 30 cm1 1.37 0.03 9.75 1.84 > 0.82a > 0.82a > 0.82a

2 1.37 0.06 7.94 2.73 > 0.82a > 0.82a > 0.82a

3 1.37 0.07 8.24 3.31 0.41 0.10 0.67 0.15 0.75 0.11aMore than 90% of the readings were greater than 0.82 MPa which was the highest value on the scale of the cone penetrometer.

Table 3 Result summary of the performance tests of the transplanter as compared to hand transplanting.

Test Success rate (%)

Average SD of transplanting time

per row (s)

Average SD of turning time for

one turn (s)

Average SD of distance between

hills (cm)

Wheel slip (%)

Fuel consumption

(ml)1 68.3 187.0 5.8 77.7 5.4 60.6 8.5 < 0.3 5702 76.0 192.5 1.9 64.7 8.2 59.8 10.9 < 0.1 3003 66.7 191.7 1.6 65.3 6.7 62.3 12.6 < 0.2 250

Hand 97.0 361.5 2.1 N/A 60.0a N/A N/AaHand transplanting always provided evenly spaced seedlings.

Figure 4 และ 5 แสดงเครองปกตนกลาในระหวางการ

ทางาน และตวอยางผลการปกตนกลาโดยเครองปกตนกลา ตามลาดบ เมอเครองปกตนกลาทางานอยางถกตอง แนวการปกซงเกดจากการทางานของเครองปกจะเปนแนวสนดนขนาดเลก ซงมมของสนดนนเกดจากการกดทบของชดกลบรองดน ตนกลาจะตงตรงทแนวยอดของสนดนและถกดนกลบโคนตนมดพอด ตนกลาแตละตนจะอยหางจากกนประมาณ 60 cm อยางไรกตาม การทางานของเครองปกตนกลายงมขอบกพรองอย ดงจะเหนไดจากสรปผลการทดสอบประสทธภาพการปกตนกลาของเครองปกและการปกดวยแรงงานคนใน Table 3 ถงแมวาคาเฉลยของระยะระหวางตนกลา (distance between hills) ในทกการทดสอบจะมคาใกลเคยง 60 cm คาเบยงเบนมาตรฐาน (SD) ยงมคาสงอยระหวาง 8.5–12.6 cm ซงแสดงใหเหนถงความผดพลาดในระยะการปกตนกลาของเครอง ในขณะทการปกบางชวงตนกลาอยหางกนเพยงประมาณ 50 cm ในการปกบางชวงตนกลากลบอยหางกนเกนกวา 70 cm อตราการปกสาเรจในการทดสอบท 1, 2 และ 3 คอ 68.3, 76.0 และ 66.7% ตามลาดบ

ในขณะทอตราการปกสาเรจโดยแรงงานคนเทากบ 97.0% จากการสงเกตในระหวางการทาการทดสอบ สาเหตหลกของการปกตนกลาไมสาเรจของเครองปกคอ

1) หนาดนไมเรยบสมาเสมอทาใหชดเปดรองทางานทความลกไมคงท สงผลใหความลกและความกวางของรองสาหรบปกตนกลาไมสมาเสมอ เมอรองมความลกมากเกนไปทาใหตนกลาถกดนกลบมากผดปกต เมอรองมความลกไมมากพอทาใหตนกลาไมถกดนกลบหรอตนกลาไมตงตรง

2) ขนาดของตนกลาไมไดมาตรฐานซงเปนสาเหตใหตนกลาถกดนกลบนอยหรอมากผดปกต คลายกบสาเหตในขอกอนหนาน ตนกลาทลาตนยาวเกนไปจะไมสามารถลอดผานลนเปด-ปดของชดกลไกปกวางตนกลาไดทนเวลากอนทลนจะปด ตนกลาจงไปตดขดอยทบรเวณลนเปด-ปด นอกจากน ตนกลาทมใบขนาดใหญจะมแนวโนมเกดการตดขดสงขน


6

3) เมอดนในแปลงทดสอบมลกษณะจบตวเปนกอนและไมรวนซย ชดกลบรองดนจะไมสามารถทางานไดอยางมประสทธภาพ

การฉดลากเครองปกตนกลาเกอบจะไมทาใหรถแทรกเตอรสญเสยประสทธภาพการเคลอนท ดงจะสงเกตไดจากเปอรเซนตการลนไถลลอ (wheel slip) ซงมคาสงสดเพยงไมเกน 0.3% ปรมาณการใชเชอเพลงทสงผดปกตในการทดสอบครงท 1 เกดจากเครองปกตนกลามการเสยหายทชดเปดรอง ทาใหสญเสยเวลาในการซอมแซมซงในชวงเวลานเครองยนตของรถแทรกเตอรยงมการทางานอย หากคดรวมเวลาในการกลบหวรถแทรกเตอร (turning time for one turn) เครองปกตนกลาใชเวลาทางานนอยกวาแรงงานคนประมาณ 30% อยางไรกตามในการศกษา

ครงน แปลงทดสอบมขนาดเพยง 7.740 m2 หากทาการทดสอบเครองปกตนกลาในแปลงขนาด 2,000 m2 ตามมาตรฐาน RNAM ผลของการกลบหวรถแทรกเตอรทมตอการใชเวลาทางานรวมของเครองปกตนกลาจะลดลงอยางมาก หากไมคดรวมเวลาในการกลบหวรถแทรกเตอร เครองปกตนกลาจะใชเวลาทางานนอยกวาแรงงานคนเกอบหนงเทาตว ถงแมวาเครองปกตนกลามความเรวการทางานสงกวาแรงงานคนอยางเหนไดชด เครองปกยงมประสทธภาพไมเปนทนาพอใจนก เนองจากมอตราการปกผดพลาดมากกวาคน 20–30%

4 สรป ในการศกษาค รงน ตนแบบเค รองปก ตนกลาส าหรบ

อตสาหกรรมปลกยาสบถกพฒนาขน โดยมเปาหมายเพอใชงานกบตนกลายาสบพนธเวอรจเนยเปนหลกซงมระยะปลกระหวางแถว 1 m และระหวางตน 60 cm องคประกอบสาคญของเครองปกตนกลาคอ ชดเปดรอง, ชดกลไกปกวางตนกลา, ชดกลไกปอนตนกลา และชดกลบรองดน ผลการทดสอบประสทธภาพของเครองปกตนกลาไมไดแสดงใหเหนถงผลของความชนและความตานทานการแทงทะลของดนทมตออตราการปกสาเรจของเครองปกตนกลา หากไมคดรวมเวลาในการกลบหวรถแทรกเตอร เครองปกตนกลาจะใชเวลาทางานนอยกวาแรงงานคนเกอบหนงเทาตว อยางไรกตามเครองปกตนกลายงมอตราการปกสาเรจตา ( i.e., 66.7–76.0%) เ มอเทยบกบอตราการปกสาเ รจของแรงงานคน (i.e., 97.0%) และเครองยงมระยะการปกทไมสมาเสมอนก สาเหตหลกททาใหเครองปกตนกลาทางานผดพลาดคอ หนาดนไมเรยบสมาเสมอ, ตนกลามขนาดไมไดมาตรฐาน และดนมลกษณะจบตวเปนกอนไมรวนซย ดงนน การวจยและ

พฒนาเพอลดการใชแรงงานคนในการปกตนกลายาสบในอนาคตควรมงเนนทการแกปญหาทง 3 สวนดงกลาว

Seedlings

Figure 4 The mechanical transplanter during the performance tests.

Figure 5 Example of seedlings transplanted by the mechanical transplanter.


7

5 กตตกรรมประกาศ คณะผวจยขอขอบคณ ฝายเครองจกรกลการเกษตรแหงชาต

สถาบนวจยและพฒนา กาแพงแสน มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตกาแพงแสน จงหวดนครปฐม ทไดอนเคราะหสถานท เครองมออปกรณ และยานพาหนะ และขอขอบคณ ศนยความเปนเลศทางวชาการดานเครองจกรกลการเกษตรและอาหาร ทไดอนเคราะหงบประมาณ ในการศกษาวจยครงน

6 เอกสารอางอง โ ร ง ง านย าส บ กระทรว งก า รคล ง . 2553. ส ร ปผลก า ร

ด า เ น น ง า น ป ง บ ป ร ะ ม า ณ 2551. Available at: http://www.thaitobacco.or.th/page/infor_view.php?gid=113. Accessed 10 ก.พ. 2553.

สมาคมผบมผเพาะปลกและผคาใบยาสบไทย. 2551. ขอมลปญหาใบยาสบเวอรจเนย แนวทางการแกไขปญหา และการพฒนา.

สานกงานเศรษฐกจการเกษตร. 2550. เอกสารสถตการเกษตรของประเทศไทย ป 2550.

Boa, W. 1984. The design and performance of an automatic for field vegetables. Journal of Agricultural Engineering Research 30, 123-130.

Chow, J.B., Wang, J.-K. and Myers, A.L. 1980. Hand-fed lettuce seedling block transplanter. Transactions of the ASAE 23, 1117-1120.

Dattisman, H.B. 1931. Tobacco transplanter. United States Patent #1,838,535.

Kolk, H., Kolk, R., Koolker, K. and Dykgraaf, B. 1998. Mechanical seedling transplanter. United States Patent #5,823,126.

Munilla, R.D. and Shaw, L.N. 1987. An analysis of the dynamics of high-speed vegetable transplanting. Acta Horticulturae 198, 305-317.

Regional Network for Agricultural Machinery. 1983. RNAM Test Codes and Procedures for Farm Machinery. Regional Network for Agricultural Machinery, Pasay City, Philippines.

Satpathy, S.K. 2008. Effect of selected parameters on the performance of a semi-automatic vegetable transplanter. Agricultural Mechanization in Asia, Africa, And Latin America 39, 47-51.

Suggs, C.W. 1979. Development of a transplanter with multiple loading stations. Transactions of the ASAE 22, 260-263.

Suggs, C.W., Linegerger, B.M. and Mohapatra, S.C. 1992. Automatic feeding transplanter. Acta Horticulturae 319, 511-516.

Suggs, C.W., Thomas, T.N., Eddington, D.L., Peel, H.B., Seaboch, T.R. and Gore, J.W. 1987. Self-feeding transplanter for tobacco and vegetable crops. Applied Engineering in Agriculture 3, 148-152.


8



คณลกษณะการอบแหงของสาหรายเตาดวยคลนไมโครเวฟ Microwave Drying Characteristics of Spirogyra spp. ฤทธชย อศวราชนย1*, ฉตรชนก คงสทธ1, ดวงพร อมรเลศพศาล2

Rittichai Assavarachan1*, Chatchanok Kongsit1, Doungporn Amornlerdpison2 1สาขาวศวกรรมอาหาร, คณะวศวกรรมและอตสาหกรรมเกษตร, มหาวทยาลยแมโจ, สนทราย, เชยงใหม, 50290 1Food Engineering Program, Faculty of Engineering and Agro-Industry; Maejo University, Sansai, Chiang Mai, Thailand, 50290. 2 คณะเทคโนโลยการประมงและทรพยากรนา, มหาวทยาลยแมโจ สนทราย, เชยงใหม, 50290 2Food Engineering Program, Faculty of Engineering and Agro-Industry; Maejo University, Sansai, Chiang Mai, Thailand, 50290. *Corresponding author: Tel: +66-8-5704-9146, Fax: +66-34-351-896, E-mail: [email protected]

บทคดยอ งานวจยนมจดมงหมายเพอศกษาคณลกษณะการอบแหงสาหรายเตาในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟ ทระดบกาลง

งานไมโครเวฟท 752.04±1477, 465.15±9.08, 231.18±5.83 และ 164.34±3.81 วตต ตามลาดบ จากความชนเรมตนเทากบ 15.5142±0.4408 จนเหลอความชนท 0.1043±0.0907 กรมตอกรมนาหนกแหง โดยใชเวลาในการอบแหงเทากบ 25, 49, 91 และ 165 นาท ตามลาดบ การศกษาแบบจาลองทางคณตศาสตรของการอบแหงสาหรายเตาดวยคลนไมโครเวฟซงประกอบดวยแบบจาลอง Lewis, Page และ Modified Page ผลการศกษาพบวาแบบจาลองทางคณตศาสตรในรปแบบของสมการกงทฤษฎของ Page มความเหมาะสมมากทสด เนองจากมคา R2 ในชวง 0.9928-0.9973 ซงมคามากกวาแบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหงแบบอนๆ และมคา 2 และ RMSE ระหวาง 6.03 x 10-3 ถง 0.22 x 10-3 และ 0.0149 ถง 0.0774 ตามลาดบ และการทวนสอบแบบจาลองทางคณตศาสตรของ Page ดวยการอบแหงสาหรายเตาดวยคลนไมโครเวฟทระดบ 605.81± 4.92 วตต พบวาความกลมกลนกบขอมลทไดจากการทดลองมคา 2 และ RMSE เทากบ 8.49 x 10-3 และ 0.0921 ตามลาดบ คาสาคญ: สาหรายเตา, การอบแหงดวยคลนไมโครเวฟ, แบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหง Abstract

This study was aimed to determine characteristics of Spirogyra spp during microwave drying at different microwave power of 752.04±14.77, 465.15±9.08, 231.18±5.83 and 164.34±3.81 watts. The time required to reduce moisture content of Spirogyra spp from 15.5142±0.4408 to 0.1043±0.0907 g/g dry matter was 25, 49, 91 and 165 min respectively. Three commonly used thin in layer drying models (Lewis, Page and Modified Page) were evaluated with the experimental date. The results indicated that the Page model was adequate to predict moisture transfer and represented the most satisfactory drying characteristics of Spirogyra spp during microwave drying. The values of R2, 2 and RMSE for Page model ranged from 0.9928-0.9973, 6.03 x 10-3 to 0.22 x 10-3 and 0.0149 to 0.0774, respectively. The validation of Page model was suitable in describing thin layer drying test at 605.81± 4.92 W. The values of 2 and RMSE were 8.49 x 10-3 and 0.0921. Keyword: Spirogyra spp, Microwave drying, Drying model

1 บทนา สาหรายเตา หรอ เทานา หรอชอวทยาศาสตรวา Spirogyra

spp. เปนสาหรายนาจดสเขยวขนาดใหญทพบมากในแถบ

ภาคเหนอและภาคตะวนออกเฉยงเหนอของประเทศไทย นยมนามารบประทานเปนอาหารยาประเภทตางๆ (สรฉตร และยวด, 2552) สาหรายเตามคณคาทางโภชนาการโดยมโปรตนอยใน


9

ระดบสงซงใกลเคยงกบปลานาจดรวมทงตรวจพบวตามนและเกลอแรทสาคญหลายตว ดานเภสชวทยาพบวามฤทธตานการเกดแผลในกระเพาะอาหาร การหดเกรงของกลามเนอเรยบ ขยายหลอดลม ตานการอกเสบ ระงบปวด และลดความดน มผลตอความเสอมหรอการแกของเซลลและยงเปนสาเหตสาคญของการเกดภาวะแทรกซอนในโรคเบาหวาน (ดวงพร และคณะ, 2555) นอกจากนยงตรวจพบสารประกอบฟนอลกในปรมาณมาก (ธระวฒน และคณะ, 2554)

การอบแหงเปนกระบวนการแปรรปทชวยใหผลตภณฑมอายการเกบรกษาทยาวนาน เนองจากมคาความชนตาในระดบทสามารถยบยงการเจรญเตบโตของจลลนทรยททาใหเกดการเนาเสยในอาหาร นอกจากนยงชวยยบยงการทางานของเอนไซมทสงผลตอการเปลยนแปลงคณภาพในอาหารไดเปนอยางด (ฤทธชย และคณะ, 2554) คลนไมโครเวฟจดเปนนวตกรรมการสรางความรอนดวยคลนแมเหลกไฟฟาทมประสทธภาพสงซงสามารถสรางความรอนภายในตวผลผลตเกษตรไดด และไมมผลกระทบจากการถายเทความรอนผานตวกลาง ดงนนการประยกตคลนไมโครเวฟกบการอบแหงจงเปนอกแนวทางหนงในการเพมประสทธภาพของการอบแหง (ฤทธชย , 2554 ก ) สอดคลองกบผลการวจยของ Ozkan et al. (2007) และ Maskan (2001) ซงพบวาการอบแหงผกขม (spinach) และกวแผน (kiwifruits) ดวยคลนไมโครเวฟจะชวยเรงอตราการอบแหงไดเรวกวาการอบแหงดวยลมรอนและชวยลดการสญสลายของสารอาหารทสาคญในผลตภณฑ อยางไรกตามงานวจยทเกยวกบการอบแหงสาหรายเตาดวยคลนไมโครเวฟยงมอยนอย ดงนนในงานวจยนจงมจดประสงคในการศกษาคณลกษณะการอบแหงของสาหรายเตาในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟ และการหาแบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟของสาหรายเตาทเหมาะสม โดยผลการศกษาดงกลาวจะเปนแนวทางใชประโยชนสาหรบการออกแบบสภาวะการอบแหงสาหรายเตาดวยคลนไมโครเวฟตอไปในอนาคต


2.1 วตถดบ น า ส า ห ร า ย เ ต า จ า กฟ า ร ม เ พ า ะ เ ล ย ง ส าห ร า ย เ ต า

คณะเทคโนโลยการประมงและทรพยากรนา มหาวทยาลยแมโจ มาลางดวยนาสะอาด จานวน 3 นา จากนนนาไปเขาเครองหมนเหวยง (ยหอ Wasino) เพอไลนาออกจากสาหรายเตา นาไปเกบไวทตเยน (ยหอ Haier รน HP-921F) ทอณหภม 4±0.5 องศา

เซลเซยสในระหวางรอการอบแหง

2.2 การวเคราะหคาความชนเรมตนของสาหรายเตา การวเคราะหคาความชนเรมตนของสาหรายเตาโดยนา

สาหรายเตา จานวน 5 กรม ใสในถวยอะลมเนยมขนาด 3 ออนซทผานการอบเพอไลความชน จานวน 30 ถวย นาไปอบแหงดวยตอบแหงดวยลมรอน (ยหอ Memmert รน500/108I) ทอณหภม 105 องศาเซลเซยส เปนเวลา 24 ชวโมง (AOAC, 2005) จากนนนามาชงนาหนกสาหรายเตาดวยตาชงระบบดจตอล 4 ตาแหนง (ยหอ Sartorius รน CP2245) นาขอมลผลตางของนาหนกสาหรายกอนและหลงการอบแหงมาคานวณหาคาความชนของสาหรายเตาโดยมสมการความสมพนธตามทแสดงในสมการท 1

F

FI

W

WWbdMC

.).(%

(1)

เมอ MC คอ ความชนของสาหรายเตารอยละฐานแหง และ WI , WF คอ นาหนกของสาหรายเตาทเวลาใดๆ และนาหนกสดทายของสาหรายเตา ตามลาดบ

2.3 การอบแหงสาหรายเตาดวยคลนไมโครเวฟ เครองอบแหงดวยคลนไมโครเวฟทใชในการศกษาครงนถก

พฒนา โดยสาขาว ศวกรรมอาหาร คณะ วศวกรรมและอตสาหกรรมเกษตร มหาวทยาลยแมโจ โดยตดตงระบบใบกวนคลน (Mode Stirring) ทเตาไมโครเวฟขนาด 800 วตต (ยหอ Panasonic รน NN-S235WF) วางบนฐานเหลกโดยทฐานเหลกจะตดตงตาชงระบบดจตอล ( ยหอ Sartorius รน CP3202S) บนทกปรมาณนาหนกทเปลยนแปลงในระหวางการอบแหง (รปท 1) ทาการตรวจวดระดบการดดซบของพลงงานไมโครเวฟ (PMW) โดยใชนากลน จานวน 1000 กรม ในบกเกอรขนาด 1000 มลลลตร (ยหอ Pyrex No.1000) แลวนาไปใหความรอนดวยเครองอบแหงดวยคลนไมโครเวฟเปนเวลา 60 วนาท ทระดบพลงงานไมโครเวฟตางๆ แลววดอณหภมของนากลนกอนและหลงการใหความรอนดวยคลนไมโครเวฟดวยเครองวดอณหภมแบบพกพาทระดบความละเอยดทศนยม 1 ตาแหนง (ยหอ LD Didactic GmbH รน 524-0673) นาขอมลทไดมาคานวณคา P โดยมสมการความสมพนธตามทแสดงในสมการท 2 (Ozkan et al., 2007 และ Maskan, 2001)

P t

TmCP t

T

4187 (2)

เมอ P คอ การดดซบพลงงานไมโครเวฟ (kW), m คอ นาหนกของของนากรม (1000 กรม), CP คอ คาความจความรอนของนากลน


10

(4187 kJ/kgoK), ∆T คอ ผลตางของอณหภมนากลนกอนและหลงการไดรบความรอนดวยคลน (องศาเซลเซยส, oC) และ t คอ เวลาทนากลนไดรบความรอนดวยคลนไมโครเวฟ (60 วนาท)

Figure 1 Diagram of Microwave Drying System.

เมอทราบระดบการดดซบพลงงานไมโครเวฟ ทาการศกษาการอบแหงสาหรายดวยคลนไมโครเวฟโดยนาสาหราย จานวน 300 กรม วางในถาดเซรามครปสเหลยมจตรสขนาด 20x20 ตารางเซนตเมตร (ยหอ Cuizimate) และสาหรายเตามชนความหนาคงทประมาณ 0.37±0.08 เซนตเมตร นาไปเขาเครองอบแหงดวยคลนไมโครเวฟ (รปท 1) ทระดบพลงงานไมโครเวฟทระดบตางๆ จานวน 4 ระดบ ทาการอบแหงจนสาหรายเตามความชนลดลงเหลอประมาณ 0.1045 – 1055 กรม/กรมนาหนกแหง (g/g dry matter)

2.4 แบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟของสาหรายเตา แบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหงเปนเครองมอทสาคญ

อ ย า ง ย ง ในกา รออกแบบระบบการอบแ ห งแบบต า ง ๆ ความสมพนธระหวางอตราการเปลยนแปลงมวลสารและความรอนทเกดขนในระหวางกระบวนการอบแหง ตลอดจนการหาสภาวการณอบแหงทเหมาะสมของกระบวนการอบแหง (ฤทธชย และคณะ, 2554) การศกษาแบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหงของสาหรายเตาดวยคลนไมโครเวฟจะถกวเคราะหในรปความสมพนธระหวางอตราสวนความชนและเวลาทใชในการอบแหง มรปแบบสมการของอตราสวนความชนทแสดงในสมการท 3 โดยรปแบบสมการดงกลาวสอดคลองกบงานวจยของ Wang et al. 2007 และ Ozkan et al. (2003)

ei

e

MM

MMMR

iM

M

(3)

เมอ MR คอ อตราสวนความชน และ M, Mi, Me คอ ความชนทเวลาใดๆ ความชนเรมตน และความชนสมดล ตามลาดบ ซงในการศกษาการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟ คาความชนสมดลจะสามารถพจารณาใหมคาเทากบศนย (Alibas. 2007)

Table 1 Mathematical models given by various authors curves. Model name Model References

Lewis MR = exp(-kt) Wang et al. (2007)Page MR = exp(-ktn) Ozkan et al. (2003)

Modified Page MR = exp(-kt)n Alibas (2007) จากการส ารวจ เอกสารของรายงานวจ ย ท เก ยว ของ

การอบแหงผลผลตทางการเกษตรดวยคลนไมโครเวฟพบวาแบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟทนยมใชในการศกษาสาหรบการอบแหงวตถทางการการเกษตรจาพวกผกและผลไม มกจะเลอกใชแบบจาลองทางคณตศาสตรในรปแบบของสมการกงทฤษฎ (Semi – Theoretical Equation) และสมการเอมไพรคอล (Emperical Equation) อาทเชนแบบจาลองของ Lewis, Page และ Modified Page ซงรปแบบความสมพนธของแบบจาลองทางคณตศาสตร (Alibas, 2007. Wang et al., 2007. Ozkan et al. 2003) แสดงในตารางท 1

คาสมประสทธการตดสนใจ (R2) คา Chi-Square (2) และคา RMSE (Root Mean Square Error) เปนพารามเตอรทางสถตซงชวยในการวเคราะหการเปรยบเทยบเพอหาคาความแมนยาในการทานายคาความชนทเปลยนแปลงไปในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟ (Wang et al. 2007, Cui et al. 2004, Ozkan et al. 2003 และ Maskan. 2001) โดยคา R2 เปนคาพารามเตอรทางสถตทสาคญในการบงบอกคณภาพของรปแบบสมการในแบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหง โดยยงมคาเขาใกล 1.0 แสดงวาแบบจาลองดงกลาวมความแมนยามาก

ในขณะทคา 2 และคา RMSE เปนพารามเตอรทางสถตทใชบงบอกความผดพลาดในการทานายคาของแบบจาลองทางคณตศาสตร ดงนนแบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหงทมความแมนยาในการทานายทเหมาะสม ควรจะมคา R2 มากแตม

คา 2 และคา RMSE นอยโดยสมการหาพารามเตอรทงสามคาแสดงในสมการท 4 – 6 (Assawarachan and Noomhorm. 2011, Wang et al. 2007, Cui et al. 2004)

R2 = 1 - (Residual SS)/(Corrected total SS) (4)


11

RMSE =

N

i ipredi MRMRN 1

2,exp, )(

1 (5)

2 = p

ipredi

nN

MRMR

2,exp, )(

(6)

เมอคา iMR exp, และ

ipredMR , เปนคาอตราสวนความชน

ของการทดลอง และคาอตราสวนความชนจากการทานายของแบบจาลองทางคณตศาสตร คา N และ nP เปนจานวนตวอยางทใช ในการวเคราะห และจานวนตวแปรในแบบจาลองคาคณตศาสตร ตามลาดบ สวน SS คอ ผลรวมของคาสงเกตยกกาลงสอง การวเคราะหหาคาพารามเตอรของแบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหงดวยเทคนควธการแบบสมการถดถอยทไมใชเชงเสน (Nonlinear Regression)

3 ผลและวจารณ

3.1 คณลกษณะการอบแหงของสาหรายเตา ความชนเรมตนของสาหรายเตาทใชในการทดลองมคาเทากบ

15.5142±0.4408 กรมตอกรมนาหนกแหง (g/g dry matter) และระดบกาลงงานไมโครเวฟ (P) ตามการคานวณทแสดงในสมการท 2 พบวาทเตาไมโครเวฟทใชในการศกษาครงนมระดบการด ด ซบพล ง ง าน เ ท าก บ 752.04±14.77, 465.15±9.08, 231.18±5.83 และ 164.34±3.81 วตต ตามลาดบ

เวลาทใชในการอบแหงสาหรายเตาดวยคลนไมโครเวฟทระดบการดดซบพลงงานไมโครเวฟทง 4 ระดบจากความชนเรมตนจนเหลอความชนท 0.1043±0.0907 g/g dry matter เทากบ 25, 49, 91 และ 165 นาท ตามลาดบ โดยรปท 2 แสดงความสมพนธระหวางการเปลยนแปลงความชนของสาหรายเตาทเวลาใดๆ ในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟทกาลงงานไมโครเวฟท 752.04±14.77, 465.15±9.08, 231.18±5.83 และ 164.34±3.81 วตต ตามลาดบ พบวาทระดบกาลงงานไมโครเวฟท 752.04±14.77 วตต ซงเปนระดบพลงงานมากทสดจะใชเวลาในการอบแหงสาหรายเตานอยทสด โดยสามารถลดความชนจากความชนเรมตน 15.3673±1.401 g/g dry matter ลดเหลอ 0.1058±0.0031 g/g dry matter และใช เวลา 25 นาท แตในขณะระดบพลงงาน 164.34±3.81 วตต ใชเวลาในการอบแหงสาหรายเตาเปนเวลา 165 นาท

รปท 3 แสดงความสมพนธระหวางอตราการอบแหงทระดบความชนตางๆ ของการอบแหงสาหรายเตาดวยคลนไมโครเวฟทง 4 ระดบ พบวามอตราการอบแหงอยในชวง 0.0135 ถง 4.2318

กรมตอกรมนาหนกแหงตอนาท (g/g dry matter * min) โดยอตราการอบแหงสาหรายเตาจะขนอยกบระดบกาลงงานของคลนไมโครเวฟ สาหรายเตาจดเปนวสดทางชวภาพซงมรปแบบโครงสรางทางวศวกรรมเปนวสดพรน และมความชนเรมตนสง (15.3673±1.401 ถง 15.5142±0.4408 g/g dry matter) จงสามารถดดซบพลงงานความรอนจากคลนไมโครเวฟไดด การเกดความรอนในสาหรายเตาในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟจะประกอบดวยกลไกการเหนยวนาเชงไอออน (Ionic Conduction) และกลไกลชนดการหมนของทงสองขว (Dipolar Rotation) คลนไมโครเวฟจะเหนยวนาใหเกดความรอนภายในตววสดเมอเกดอนตรกรยากบสาหรายเตาซงจดอยในประเภทของวสดไดอเลกตรกทมการสญเสยของคลนแมเหลกไฟฟา (Lossy Dielectrics Material)

ดงนนสาหรายเตาจงสามารถดดซบคลนไมโครเวฟและแปลงเปนพลงงานความรอนไดด (ผดงศกด, 2551) เมอคลนไมโครเวฟเหนยวนาใหโมเลกลของนาภายในสาหรายเตาจนเกดการหมนเนองจากการเปลยนแปลงขวไฟฟาอยางรวดเรว ผลของการหมนนทาใหเกดการเสยดสของโมเลกลของนาภายในโครงสรางเซลลชนในของสาหรายเตาเกดเปนพลงงานความรอนไดอยางรวดเรว (ฤทธชย, 2554 ข) โดยคาพลงงานความรอนทเกดขนจากคลนไมโครเวฟจะเปนตวเรงอตราการระเหยของไอนาทผวหนาของสาหรายเตา และมคาเทากบอตราการเคลอนตวของนาภายในโครงสรางของสาหรายเตาทมาเตมเตมทผวหนาโครงสรางเซลลสาหรายเตา ความรอนทเกดขนจะถกถายเทมวลสารในการแพรกระจายตวของความชนสผววสด (Surface Diffusion) มอตราการระเหยนาทสงและคงท (Constant Rate Period) และมการอบแหงสาหรายเตาดาเนนการตอไปเรอยๆ จนความชนของสาหรายเตาเขาสความชนวกฤต กระบวนการอบแหงจะเขาสคาบเวลาทอตราการอบแหงลดลงอยางสมบรณ (Falling Rate Period)

3.2 แบบจาลองทางคณตศาสตร การวเคราะหหาคาพารามเตอรตางๆ ของแบบจาลองทาง

คณตศาสตรการอบแหงของสาหรายเตาในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟใชเทคนคการวเคราะหแบบสมการถดถอยทไมเชงเสน (Nonlinear Regression) เพอหาคาพารามเตอรของแบบจาลองทางคณตศาสตรอบแหงของ Lewis, Page และModified Page โดยใชคาสมประสทธการตดสนใจ (R2), Chi-Square ( 2 ) และ Root Mean Square Error (RMSE) เปนพารามเตอรทางสถตทใชเลอกแบบจาลองทเหมาะสม


12

Figure 2 The microwave drying curve of spirogyra spp. on dry basis

Figure 3 Drying rates of spirogyra spp. at different microwave power

ตาราง ท 2 แสดงคาพารามเตอรของแบบจาลองทางคณตศาสตรและการวเคราะหทางสถตของแบบจาลองทางคณตศาสตรแบบอนๆ ซงชใหเหนวาแบบจาลองของ Page มความเหมาะสมในการทานายการเปลยนแปลงความชนของเปลอกทบทมไดดทสดโดยมคา R2 ในชวง 0.9928-0.9973 ซงมคามากกวาแบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหงแบบอนๆ และมคา 2 และ RMSE ระหวาง 6.03 x 10-3 ถง 0.22 x 10-3 และ 0.0149 ถง 0.0774 ซงมคาตากวาแบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหงของ Lewis และ Modified Page โดยทคา R2 สามารถบงบอกถงความสมพนธระหวางตวแปรตนและตวแปรตาม โดยถาคา R2 มคามากจะแสดงวาตวแปรตนสามารถอ ธบายค า ต วแปรตาม ได ด ในขณะ ทค า 2 และ RMSE เปนคาพารามเตอรในทางสถตทบงบอกความแตกตางระหวางขอมลและแบบจาลองทางคณตศาสตร ดงนนแบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหง ทมความแมนยาควรจะมคา R2 มาก แตมคา 2 และ RMSE นอยกวาแบบจาลองทางคณตศาสตร แบบอน

3.3 การทวนสอบแบบจาลอง (Validation of Model) แสดงวาแบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหงรปแบบนนม

ประสทธภาพสงในการทานายอตราการเปลยนแปลงความชน เนองจากเปนแบบจาลองทมความแมนยาและคาความผดพลาดตาซงสอดคลองกบงานวจยทเกยวของกบการหาแบบจาลองทางคณตศาสตรของการทานายคาความชนและอตราการระเหยดวยคลนไมโครเวฟ (Assawarachan and Noomhorm. 2011, Wang et al. 2007 และ Ozkan et al. 2003)

ผลการศกษานพบวาแบบจาลองทางคณตศาสตรในรปแบบของสมการกงทฤษฎของ Page มความเหมาะสมในการทานายการเปลยนแปลงของอตราสวนความชนทเวลาใดๆ ของการอบแหงสาหรายเตาดวยคลนไมโครเวฟทระดบความถ 2.45 GHz ทกาลงของคลนไมโครเวฟท 164.34±3.81 ถง 752.04±14.77 วตต มความเหมาะสมมากทสดโดยคาพารามเตอรในแบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหง ซงไดแก อตราการอบแหง (k) และคาดชนการอบแหง (n) ซงเปนฟงกชนกบระดบกาลงงานของคลนไมโครเวฟ (PMW) โดยมรปแบบสมการตามทแสดงในสมการท 7 และ 8

k = -0.0036 - 2.25x10-5 P (7)

n = 1.6519 -1.41 x10-4 P (8)

โดยการทวนสอบแบบจาลองทางคณตศาสตรในรปแบบของสมการกงทฤษฎของ Page ของผลการศกษานเลอกการอบแหงสาหรายเตาดวยคลนไมโครเวฟทระดบกาลงงานของไมโครเวฟท 605.81± 4.92 วต ต และน า ไปค านวณคาพาราม เตอร ในแบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหงในสมการท 7 และ 8 พบวามคา k = 0.01013 และ n = 1.565 ตามลาดบ การทวนสอบแบบจาลองการอบแหงนยมใชเพอประเมนความเขากนไดของแบบจาลองกบขอมลทไดจากการทดลอง หรอความกลมกลน (Goodness of fit) ของแบบจาลอง พารามเตอรทนยมใชไดแก

คาการลดลงไคกาลงสอง ( 2 ) และคารากทสองของความคลาดเคล อนก าล งสอง เฉ ลย (Root Mean Square Error, RMSE) เปนพารามเตอรทางสถตซงชวยในการวเคราะหการเปรยบเทยบเพอหาคาความแมนยาในการทานายคาความชนทเปลยนแปลงไปในระหวางการอบแหงดวยลมรอน (สเนตร และฤทธชย, 2554) โดยมคา 2 และ RMSE ของการทานายอตราสวนความชนของการอบแหงสาหรายเตาดวยคลนไมโครเวฟ ทระดบกาลงงานของไมโครเวฟท 605.81± 4.92 วตต มคาระหวาง 8.49 x 10-3 และ 0.0921 ตามลาดบ ซงแสดงวาแบบจาลองทาง


13

คณตศาสตรในรปแบบของสมการกงทฤษฎของ Page ทมสมการหาคาคงทคาพารามเตอรในแบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหง ซงไดแก อตราการอบแหง (k) และคาดชนการอบแหง (n) ตามสมการท 7 และ 8 สามารถทานายอตราสวนความชน

ของการอบแหงสาหรายเตาดวยคลนไมโครเวฟทระดบความถ 2.45 GHz และกาลงของคลนไมโครเวฟท 164.34±3.81 ถง 752.04±14.77 วตต ไดอยางเหมาะสม

Table 2 Statistical results of different thin-layer drying models for Spirogyra spp.

Model name

Microwave power (Watts) Model constants R2

Chi-Square ( 2 x 10-3)

RMSE

Lewis

752.04±14.77 k = 0.066 0.9384 5.76 0.0759

465.15±9.08 k = 0.031 0.9333 5.61 0.0749

231.18±5.83 k = 0.017 0.9315 5.72 0.0756

164.34±3.81 k = 0.009 0.9072 8.44 0.0918

Page

752.04±14.77 k = 0.0142, n = 1.581 0.9973 0.22 0.0149

465.15±9.08 k = 0.0051, n = 1.556 0.9928 0.87 0.0295

231.18±5.83 k = 0.0017, n = 1.565 0.9964 0.498 0.0223

164.34±3.81 k = 0.00085, n = 1.711 0.9864 6.03 0.0774

Modified Page

752.04±14.77 k = 0.068, n = 1.581 0.9970 0.23 0.0152

465.15±9.08 k = 0.031, n = 1.556 0.9921 0.89 0.0298

231.18±5.83 k = 0.017, n = 1.585 0.9962 0.56 0.0235

164.34±3.81 k = 0.009, n = 1.711 0.9864 5.98 0.0773

4 สรปผลการทดลอง การศกษาคณลกษณะการอบแหงของสาหรายเตาในระหวาง

การอบแหงดวยคลนไมโครเวฟทระดบกาลงงานของคลนไมโครเวฟทแตกตางกน จานวน 4 ระดบ (752.04±14.77, 465.15±9.08, 231.18±5.83 และ 164.34±3.81 ว ต ต ) จากความชนเรมตนจนเหลอความชนท 0.1043±0.0907 g/g dry matter เทากบ 25, 49, 91 และ 165 นาท ตามลาดบ โดยพบวาระดบกาลงงานของคลนไมโครเวฟจะมอทธพลตออตราการอบแหงในขณะทการวเคราะหหาแบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหงของสาหรายเตาในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟใชเทคนคการวเคราะหแบบสมการถดถอยทไมเชงเสน (Nonlinear Regression) พบวาแบบจาลองทางคณตศาสตรในรปแบบของสมการกงทฤษฎของ Page ทมคาพารามเตอรในแบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหง ซงไดแก อตราการอบแหง (k) และคาดชนการอบแหง (n) ซงเปนฟงกชนกบระดบก าล ง ง านของคล น ไม โคร เวฟ (P) โดย ม รปแบบสมการ

k = –0.0036 + 2.25x10-5 P และ n = 1.6519 -1.41 x10-4 P มความเหมาะสมอยางมากในการทานายอตราสวนความชนของสาหรายเตาโดยทวนสอบแบบจาลองดวยการอบแหงสาหรายเตาดวยคลนไมโครเวฟทระดบ 605.81±4.92 วตต พบวาความกลมกลน (Goodness of fit) กบขอมลทไดจากการทดลอง มคา

2 และ RMSE เทากบ 8.49 x 10-3 และ 0.0921 ตามลาดบ


14

5 เอกสารอางอง ดวงพร อมรเลศ, พศาล ยวด, พรพรพศาล, ฐตกานต ปญโญใหญ,

ชยากร ภมาศ และสดาพร ตงศร. 2555. ฤทธตานอนมลอสระและตานการอกเสบของสาหรายเตา . วารสารวทยาศาสตร มข 40(1), 228-235.

ผดงศก ด รตน เดโช . 2551. พนฐานการใหความรอนดวยไมโครเวฟ พมพครงท 1. สานกพมพมหาวทยาลยธรรมศาสตร, กรงเทพมหานคร.

ธระวฒน รตนพจน, รตนาภรณ จนทรทพย, เกรยงศกด เมงอาพน และดวงพร อมรเลศพศาล. 2554. การเปรยบเทยบฤทธตานอนมลอสระและกลมสารสาคญของสาหรายเตาใน 3 ฤดกาล. หนา 100-101. ในการประชมวชาการประมง ครงท 6 เรอง เพอความมนคงดานวชาการประมงและทรพยากรทางนา. 1-3 ธนวาคม 2554. คณะเทคโนโลยการประมงและทรพยากรทางนา มหาวทยาลยแมโจ, เชยงใหม.

ฤทธชย อศวราชนย, ภานาถ แสงเจรญรตน, สเนตร สบคา, เฑยรมณ มงมล และดวงกมล จนใจ. 2554. จลนพลศาสตรการอบแหงดวยลมรอนของเปลอกทบทม. วารสารสมาคมวศวกรรมเกษตรแหงประเทศไทย 17(1), 27-34.

ฤทธชย อศวราชนย. 2554 ก. การอบแหงผลผลตทางการเกษตรดวยคลนไมโครเวฟ. วศวกรรมสารเกษมบณฑต 1(2), 31-42.

ฤทธชย อศวราชนย. 2554 ข. เทคโนโลยการสรางความรอนดวยคลนแมเหลกไฟฟาในการแปรรปอาหาร. วารสารสมาคมวศวกรรมเกษตรแหงประเทศไทย 17(1), 41-52.

สรฉตร เทยมดาว และยวด พรพรพศาล. 2552. ความหลากหลายของสาหรายนาจดกนไดในแมนาโขงและแมนานาน. วารสารวจยเทคโนโลยการประมง 3(1), 115-124.

สเนตร สบคา และฤทธชย อศวราชนย. 2554. แบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหงสาหรบวสดพรน. วารสารสมาคมวศวกรรมเกษตรแหงประเทศไทย 17(1), 59-68.

Alibas, I. 2007. Microwave, air and combined microwave-air-drying parameters of pumpkin slices. LWT 40: 1445-1451.

Assawarachan, R., Sripinyowanich, J., Theppadungporn, K. and Noomhorm, A. 2011. Drying paddy by microwave vibro-fluidized drying using single mode applicator. International Journal of Food, Agriculture & Environment 9(2), 50-54.

Assawarachan, R. and Noomhorm, A. 2011. Mathematical models for vacuum microwave concentration behavior of pineapple juice. Journal of Food Process Engineering 34(5), 1485-1505.

Cui, Z.W., Xu, S.Y. and Sun, D.W. 2004. Microwave- vacuum drying kinetics of carrot slices. Journal of Food Engineering 65, 157-164.

Idris, A., Khalid, K. and Omar, W. 2004. Drying of silica sludge microwave heating. Applied Thermal Engineering 24, 905-918.

Maskan, M. 2001. Drying, shrinkage and rehydration characteristics of kiwifruits during hot air and microwave drying. Journal of Food Engineering 48, 177-182.

Ozkan, I.A., Akbudak, B. and Akbudak, N. 2007. Microwave drying characteristics of spinach. Journal of Food Engineering 78, 577-583.

Wang, Z., Sun, J., Chen, F., Liao, X. and Hu, X. 2007. Mathematical modeling on thin layer microwave drying of apple pomace with and without hot air pre-drying. Journal of Food Engineering 80, 536-544.


15



การปรบปรงคณภาพกาซชวภาพดวยกระบวนการดดซบสลบความดน Pressure swing Adsorption for Biogas upgrading ปภส ชนะโรค1, รตนวรรณ เกยรตโกมล2, วรชย อาจหาญ3* Papas Chanaroke1, Ratanawan Kiattikomol 2, Weerachai Arjharn3* 1สาขาวชาวศวกรรมเครองกล, สานกวชาวศวกรรมศาสตร, มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร, นครราชสมา, 30000 1School of Mechanical Engineering, Institute of Engineering, Suranaree University of Technology, Nakhon Ratchasima 30000, Thailand. 2สถาบนวจยและเทคโนโลย, การปโตรเลยมแหงประเทศไทย 2Petroleum Authority of Thailand (PTT) Research and Technology Institute. 3สาขาวชาวศวกรรมเกษตร, สานกวชาวศวกรรมศาสตร, มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร, นครราชสมา, 30000 3School of Agricultural Engineering, Institute of Engineering, Suranaree University of Technology, Nakhon Ratchasima 30000, Thailand. *Corresponding author: Tel: +66-8-1834-9347, Fax: +66-44-225-045, E-mail: [email protected]

บทคดยอ วตถประสงคในงานวจยครงนเพอศกษาการเพมศกยภาพในการนากาซชวภาพมาใชทดแทนเชอเพลงกาซธรรมชาตสาหรบ

รถยนต โดยทวไปเชอเพลงกาซธรรมชาตทใชในรถยนตจะตองเปนเชอเพลงทมคณภาพสง มสดสวนของกาซมเทนมากกวารอยละ 65 และมคาดชนวอบบ 37-42 MJ.m-3 ตามประกาศของกรมธรกจพลงงาน เมอพจารณาคณสมบตของกาซชวภาพ มกาซมเทนเปนองคประกอบรอยละ 60-70 แตมคาดชนวอบบ 27 MJ.m-3 จาเปนตองทาการปรบปรงคณภาพใหมสดสวนของกาซมเทนเพมมากขน โดยการกาจดกาซคารบอนไดออกไซด (CO2) การปรบปรงคณภาพกาซชวภาพทใชในงานวจยน ใชวธการดดซบแบบสลบความดน โดยทาการศกษาตวแปรทสงผลตอกระบวนการปรบปรงคณภาพกาซ เชน อณหภม ความดน กบระยะเวลาในการดดซบของตวดดซบ 2 ชนด คอ ผลกคดโมเลกล และถานกมมนต ผลการศกษาพบวา เมอเพมความดนและลดอณหภมใหกบระบบจะทาใหอตราการดดซบกาซคารบอนไดออกไซด เพมขนทง 2 ชนดของตวดดซบ อยางไรกตามความสามารถในการดดซบคารบอนไดออกไซดของผลกคดโมเลกลจะดกวาถานกมมนต ทงนกาซชวภาพทผานการปรบปรงคณภาพโดยใชวธการดดซบสลบความดน สามารถเพมสดสวนกาซมเทน ใหมคารอยละ 96 โดยปรมาตร คาดชนวอบบสงขนเปน 44 MJ.m-3 สามารถนาไปใชเปนเชอเพลงทดแทนกาซธรรมชาตได คาสาคญ: กาซชวภาพ, ตวดดซบ, การดดซบสลบความดน, การปรบปรงคณภาพกาซชวภาพ Abstract

The aim of the present research was to study the potential of biogas upgrading for replacing natural gas in vehicles. Generally, fuel used in vehicle must be high in quality; the proportion of methane should be at least 65% and wobby index is 37-42 MJ.m-3 as announced by Department of Energy Business. Consideration to Biogas properties, the proportion of methane in biogas is usually about 60-70% but the wobby index is 27 MJ.m-3, it is necessary to increase the methane concentration in biogas, which can be done by removing carbon dioxide. In this research, the biogas upgrading process can be described as the process of pressure swing adsorption. The experiment was carried out the parameters affecting to the biogas upgrading process such as temperature, pressure and retention time by using two types of Adsorbents of Molecular sieve and Activated Carbon. The results showed the rate of adsorption increased when pressure in the system was increased and temperature was decreased both types of Adsorbents. However, the carbon dioxide adsorption of Molecular sieve showed the better performance compare to Activated Carbon. The upgraded biogas can reach the methane


16

concentration achieved is 96% by volume and the wobby index is up to 44 MJ.m-3 using the process of pressure swing adsorption. These qualities meet to the fuel specification of natural gas vehicle. Keywords: Biogas, Adsorbent, Pressure swing adsorption, Biogas upgrading

1 บทนา จากการเพมขนของประชากรในประเทศสงผลใหความ

ตองการพลงงานดานตาง ๆ เพมขนตามไปดวย ซงปจจบนแหลงพลงงานหลกทใชอยคอพลงงานจากเชอเพลงฟอสซล (fossil fuel) ทงในรปของนามนเชอเพลง กาซธรรมชาต และผลผลตขางเคยงอนๆ (นคร ทพยาวงศ, 2553) กลาววาปจจบนประเทศไทยมความตองการเชอเพลงเพอใชในการคมนาคมและการขนสงมากทสดโดยเปรยบเทยบกบปรมาณการใชเชอเพลงในทกภาคสวน โดยจะพบวาความตองการพลงงานดานการคมนาคมขนสงในรปของนามนเชอเพลงมแนวโนมลดลง สวนทางกบความตองการเชอเพลงกาซธรรมชาต (สานกงานนโยบายและแผนพลงงาน, 2554) เนองจากความผนผวนของราคานามน และการประกาศลอยตวของราคากาซปโตรเลยมเหลว สงผลใหผเกยวของทกฝายตองรบเรงคนหาแหลงพลงงานใหม และเพมศกยภาพในการใชพลงงานทมอยเดมเพอชดเชยพลงงานหลกทนบวนจะมปรมาณลดนอยลง

กาซชวภาพ (Biogas) คอ กาซทเกดจากการยอยสลายสารอนทรยดวยแบคทเรยชนดไมใชออกซเจนในสภาวะไรอากาศ ซงองคประกอบหลกของกาซชวภาพ ไดแก กาซมเทน (CH4) กาซค า ร บ อน ไ ดอ อ ก ไ ซ ด ( CO2) แ ล ะ ก า ซ อ น ๆ เ ช น ก า ซไฮโดรเจนซลไฟด (H2S) กาซไนโตรเจน (N2) และความชน (Nozic, 2006) กาซชวภาพจดเปนพลงงานทดแทนชนดหนงทมศกยภาพมาก เนองจากสามารถนามาทดแทนกาซธรรมชาตไดหลายรปแบบ เชน ไฟฟา ความรอน ตลอดจนเชอเพลงสาหรบยานยนต (Jarvis, 2004)

การนากาซชวภาพมาผลตเปนเชอเพลงสาหรบยานยนตเพอทดแทนกาซธรรมชาตนน จะตองทาการปรบปรงใหมคณภาพ ใหมมาตรฐานกาซธรรมชาต ตามประกาศของกรมธรกจพลงงานซงกาหนดใหมองคประกอบของกาซมเทนไมนอยกวารอยละ 65 กาซคารบอนไดออกไซดไมเกนรอยละ 18 และคาดชนวอบบ 37-42 MJ.m-3 เมอพจารณาองคประกอบและคณสมบตของกาซชวภาพ พบวา มกาซมเทนเปนองคประกอบรอยละ 60-70 แตมคาดชนวอบบ 27 MJ.m-3 ตากวาเกณฑมาตรฐาน การปรบปรงกาซชวภาพใหมคาดชนวอบบเพมขนสามารถทาไดโดยการเพมส ดส วนของ ก าซ ม เทน เ พ มมาก ขน จากการก า จ ดก า ซคารบอนไดออกไซด (CO2) ทอยในกาซชวภาพออกไป

เทคโนโลยการปรบปรงคณภาพกาซชวภาพ โดยการกาจดกาซคารบอนไดออกไซดทใชกนอยางแพรหลาย ม 2 ประเภท คอ 1) กระบวนการดดซมกาซ เชน การดดซมดวยสารประกอบประเภทเอมน (Amine) กระบวนการทาไดยากและใชเงนลงทนสง ประสทธภาพสง การดดซมดวยนา (Water Scrubber) กระบวนการนทาไดงาย ลงทนตา ประสทธภาพพอใช แตกาซทผานการกาจดคารบอนไดออกไซด จะมความชนสง ตองผานกระบวนการลดความชนกอนนาไปใชงาน 2) กระบวนการดดซบสลบความดน เปนเทคโนโลยทาไดงายลงทนปานกลาง ตองเปนวสดดดซบทมราคาสง ประสทธภาพสง และไดกาซทมคณภาพ (Khoo and Tan, 2006)

(เดชา ฉตรศรเวช, 2552) กลาววากระบวนการดดซบสลบความดน (Pressure swing Adsorption) เปนกระบวนการทมความสาคญอยางมากในภาคอตสาหกรรมการผลตตางๆ โดยจะมการทางานเปนวฏจกรระหวางการดดซบ (Adsorption) และการคายซบ (Desorption) กระบวนการดงกลาวนอาศยความแตกตางของความดน คอ ทความดนสงการดดซบจะเกดขนไดดในขณะทการคายซบจะเกดขนไดดทความดนตา ดงนนโดยปรกตแลวกระบวนการนจะประกอบดวยหอดดซบ 2 หอ ทางานสลบกนระหวางการดดซบและการคายซบดง Figure 1

Figure 1 Pressure swing adsorption.


17

การวจยนมวตถประสงค เพอศกษาการเพมศกยภาพในการนากาซชวภาพมาใชทดแทนเชอเพลงกาซธรรมชาตสาหรบรถยนต โดยการปรบปรงคณภาพกาซชวภาพดวยกระบวนการดดซบสลบความดน ในการกาจดกาซคารบอนไดออกไซด ออกจากกาซชวภาพ ตลอดจนศกษาสภาวะทเหมาะสมในการปรบปรงคณภาพกาซชวภาพ ใหมคณสมบตใกลเคยงกบลกษณะและคณสมบตของกาซธรรมชาตสาหรบยานยนตตามประกาศกรมธรกจพลงงาน ป 2552

2 อปกรณและวธการทดลอง การวจยนเปนการศกษาในรปแบบของการวจยเชงทดลอง

(Experimental Research) โดยจะทาการศกษาตวแปรตาง ๆ ทมผลตอความสามารถในการดดซบกาซคารบอนไดออกไซดทปะปนอยกบกาซชวภาพ ดวยกระบวนการดดซบสลบความดน (Pressure swing Adsorption) โ ด ย ใ ช ผ ล ก ค ด โ ม เ ล ก ล (Molecular sieve) และถานกมมนต (Activated Carbon) เปนวสดดดซบ โดยมอปกรณและวธการทดลองดงน

2.1 อปกรณ 1) กาซชวภาพ กาซชวภาพทใชในการวจยนเปนกาซชวภาพ

ทผลตไดจากฟารมสกร มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร มการกาจดกาซไฮโดรเจนซลไฟด โดยใชโลหะ (Iron Sponge)

2) เครองมอวเคราะหกาซชวภาพ การวเคราะหองคประกอบกาซชวภาพ จะใชเครองมอ วเคราะห ยหอ Gastech รน Biogas Check ดง Figure 2 ซงเปนเครองมอวเคราะหองคประกอบกาซชวภาพภาคสนาม สาหรบตรวจเชค องคประกอบของกาซชวภาพ กอนและหลงทาการปรบปรงคณภาพ

3) เครองปรบปรงคณภาพกาซชวภาพดวยระบบดดซบสลบความดน เปนเครองตนแบบททาการพฒนาโดย ศนยความเปนเลศทางดานชวมวล สานกวชาวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยส รนา ร ดงแสดงไ ว ใน Figure 3 โดยพกดและขอกาหนดของเครองตนแบบแสดงไวใน Table 1

Figure 2 Gastech (Biogas Check).

Figure 3 Pressure swing adsorption Unit.

Table 1 properties of the Pressure swing adsorption.

4) วสดดดซบทใช – ผลกคด โม เล กล (Molecular sieve) Zeolite 13X บรษท Sorbead India. – ถานกมมนต (Activated Carbon) CGC 12 บรษท ซไจแกนตคคารบอน จากด

Pressure 8 bar(g)/116 psigFlow rate 25 lite min-1

Size W × D ×H 1.0×1.2×1.8 (m)Net weight 180 (kg)

Electrical data Voltage / frequency 230 Vac / 50 HzPower Consumption 400 w


18

2.2 การศกษาสภาวะสงผลตอความสามารถในการดดซบกาซคารบอนไดออกไซดดวยการทดลองแบบเบดนง

การทดสอบการดดซบแบบเบดนง จะใชประยกตตนแบบเครองปรบปรงคณภาพกาซชวภาพ โดยใชเพยง 1 คอลมน ดงแสดงไวใน Figure 4 มวตถประสงคเพอศกษาสภาวะ เชน อณหภม และความดน ทสงผลตอความสามารถในการดดซบกาซคารบอนไดออกไซดดวยวสดดดซบ 2 ชนดเปรยบเทยบกน

Figure 4 Scheme of the setup for the fixbed Experiments.

1) การศกษาอณหภมทมผลตอความสามารถในการดดซบกาซคารบอนไดออกไซดของตวดดซบ

ทาการศกษาอณหภมทสงผลตอความสามารถในการดดซบกาซคารบอนไดออกไซดโดยบรรจสารดดซบ Molecular sieve Zeolite 13X ปรมาณ 450 g ลงในหอดดซบ ควบคมอตราการไหลของกาซชวภาพทไหลเขาหอดดซบ 25 L.min-1 และควบคมความดนระบบท 7 bar ทาการทดลองโดยเปลยนแปลงระดบอณภมดดซบท 4 และ 10oC วเคราะหองคประกอบของกาซชวภาพทผานการดดซบในแตละอณหภมดดซบอยางตอเนองจนกระทงความเขมขนของสารถกดดซบทผานหนวยดดซบมคาใกลเคยงกบคาเรมตนทไหลเขาหนวยดดซบนน จากนนทาการทดลองซาโดยเปลยนสารดดซบเปน Activated Carbon CGC 12

2) การศกษาความดนทมผลตอความสามารถในการดดซบกาซคารบอนไดออกไซดของตวดดซบ

ทาการศกษาความดนทสงผลตอความสามารถในการดดซบกาซคารบอนไดออกไซดโดยบรรจสารดดซบ Molecular sieve Zeolite 13X ปรมาณ 450 g ลงในหอดดซบ ควบคมอตราการไหลของกาซชวภาพทไหลเขาหอดดซบ 25 L.min-1 และควบคมอณหภมระบบท 4 oC ทาการทดลองโดยเปลยนแปลงระดบความดนดดซบท 2, 4, 5, 6 และ 7 bar วเคราะหองคประกอบของกาซชวภาพทผานการดดซบในแตละคาความดนทดสอบ

อยางตอเนองจนกระทงความเขมขนของสารถกดดซบทผานหนวยดดซบมคาใกลเคยงกบคาเรมตนทไหลเขาหนวยดดซบนน จากนนทาการทดลองซาโดยเปลยนสารดดซบเปน Activated Carbon CGC 12

3) การศกษาไอโซเทอมของการดดซบของตวดดซบทใชในงานวจย

ไอโซเทอมของการดดซบเปนสมการทมประโยชนสาหรบวเคราะหหาความสามารถในการดดซบของตวดดซบตางๆ ซง (เดชา ฉตรศ รเวช , 2552) กลาววากระบวนการดดซบเปนปฏกรยาคายความรอนชนดหนง แตความรอนทเกดขนจากการดดซบนโดยทวไปแลวจะมคานอยกวาคาความรอนของปฏกรยาเคมมากๆ สามารถระบายออกจากระบบดดซบไดโดยงายจงนยมวดไอโซเทอมของการดดซบโดยกาหนดใหอณหภมมคาคงททกาหนดไว โดยสมการฟรนดช (Freundlich Adsorption Isotherm) มสมมตฐานของการดดซบทวาพนผวของตวดดซบไมเปนเนอเดยวกนตลอด (พนผวของตวดดซบมลกษณะขรขระ) พนทผวและพลงงานมการกระจายตวเปนแบบเลขชกาลง

n

F PKq (1)

เมอ q คอ ปรมาณตวถกละลายทถกดดซบบนผวของตวดดซบ (mg.g-1), P คอ ความดนยอยของสารถกดดซบทจดสมดล, KF คอ Freundlich Capacity Factor, n คอ Freundlich Intensity Parameter

2.3 การทดสอบประสทธภาพระบบดดซบสลบความดน การทดสอบประสทธภาพของเครองปรบปรงคณภาพกาซ

ชวภาพดวยระบบดดซบสลบความดน ทาการทดลองเพอหาวฏจกรการดดซบและประสทธภาพของเครองดดซบสลบความดนทพฒนาขน โดยมแผนผงการทางานดงแสดงไวใน Figure 5

Figure 5 Scheme of the setup for the PSA experiments.


19

1) การศกษาวฏจกรการดดซบของเครองปรบปรงคณภาพกาซชวภาพ

มวตถประสงคเพอทาการทดลองระบบดดซบสลบความดน เพอหาเวลาทจดเบรคทร (Breakthrough point) โดยควบคมสภาวะของระบบทอตราการไหลของกาซชวภาพ 25 L.min-1 ความดน 7 bar และอณหภม 4 oC ใหสอดคลองกบสภาวะทดทสดตามการทดสอบแบบเบดน งโดยใช Molecular sieve Zeolite 13X ปรมาณ 450 g เปนตวดดซบ บนทกคาความเขมขนของกาซมเทน และกาซคารบอนไดออกไซดทไหลผานหนวยดดซบแตละหนวยอยางตอเนองจนกระทงความเขมขนของสารถกดดซบทผานหนวยดดซบมคาใกลเคยงกบคาเรมตนทไหลเขาหนวยดดซบนน จากนนทาการทดลองซาโดยเปลยนสารดดซบเปน Activated Carbon CGC 12

2) การทดสอบประสทธภาพในการดดซบกาซคารบอนได-ออกไซดของเครองปรบปรงคณภาพกาซชวภาพ

ทาการทดสอบเครองปรบปรงคณภาพกาซชวภาพดวยกระบวนการดดซบสลบความดนทพฒนาขนเพอหาประสทธภาพในการกาจดกาซคารบอนไดออกไซดทปะปนอยในกาซชวภาพ โดยทาการทดลองทความดน 7 bar อณหภม 4 oC และอตราการไหล 25 L.min-1 โดยใชครงวฏจกรการดดซบ 400 วนาท สาหรบ Molecular sieve Zeolite 13X และครงวฏจกรการ ดดซบ 250 วนาท สาหรบ Activated Carbon CGC 12

3 ผลการทดลองและวจารณ

3.1 องคประกอบของกาซชวภาพกอนการปรบปรงคณภาพ องคประกอบของกาซชวภาพกอนทาการปรบปรง ใน Table

2 แสดงถงองคประกอบหลกของกาซชวภาพ คอ กาซมเทน มสดสวนรอยละ 68-70 และมกาซไฮโดรเจนซลไฟด เ มอเปรยบเทยบกบคณภาพกาซธรรมชาตตามประกาศกรมธรกจพลงงานป พ.ศ. 2552 แลวพบวาอยในเกณฑทกาหนด อยางไรกตามเมอพจารณาสมบตทางเชอเพลงพบวา ยงมคาดชนวอบบ ตากวามาตรฐาน การเพมดชนวอบบสามารถทาไดโดยการเพมคาความรอนใหสงขน ในกรณกาซชวภาพน การเพมคาความรอนใหสงขนทาไดโดยการเพมความเขมขนกาซมเทน โดยการกาจดกาซคารบอนไดออกไซดออกไป สวนสาเหตทกาซธรรมชาตมคาความรอนสงกวากาซชวภาพ ขณะทปรมาณกาซมเทนทมอยมสดสวนเทยบเคยงกน เนองจากองคประกอบของกาซธรรมชาตมกาซเชอเพลงอนๆ เปนสวนผสมอยดวย สงผลใหดชนวอบบม คาสง สามารถนาไปใชกบยานยนตตามมาตรฐานได

Table 2 Biogas Composition in this study (%Volume).

Biogas Biogas Composition

Before H2S removal After H2S removalCH4 68-70% 68-70 %CO2 30-32% 30-32%O2 <0.2 <0.2N2 <0.2 <0.2H2S 2000 ppm <23 ppm

3.2 ผลการทดสอบสภาวะตาง ๆ ทสงผลตอการดดซบกาซคารบอนไดออกไซด

ความสามารถในการดดซบกาซคารบอนไดออกไซดของตวดดซบตางๆ ขนอยกบสภาวะของระบบทเหมาะสม เชน อณหภม ความดน

1) อณหภม ทส งผลตอความสามารถในการดดซบกาซคารบอนไดออกไซดของตวดดซบ

จากการศกษาอณหภมทสงผลตอความสามารถในการดดซบกาซคารบอนไดออกไซดดวย Molecular sieve Zeolite 13X และ Activated Carbon CGC 12 ทความดนระบบ 7 bar และอตราการไหล 25 L.min-1 พบวาเมออณหภมเปลยนแปลงไปทาใหความสามารถในการดดซบของตวดดซบเปลยนแปลงไปดวย โดยเมอระบบมอณหภมสงขนจะทาใหประสทธภาพการดดซบลดลง ซงจะเหนไดวาทอณหภม 4oC Molecular sieve Zeolite 13X สามารถดดซบกาซคารบอนไดออกไซดไดรอยละ 83 ดง Figure 6 ในขณะท Activated Carbon CGC12 จะสามารถดดซบไดรอยละ 50 ดง Figure 7 และเมอเพมอณหภมเปน 10oC ความสามารถในการดดซบจะลดลงซงสอดคลองกบการทดลองของ Guo, B. (2006)

Figure 6 The adsorption of CO2 at various Temperature with Molecular sieve Zeolite 13X.


20

Figure 7 The adsorption of CO2 at various Temperature

with Activated Carbon CGC 12.

2) ความดนทสงผลตอความสามารถในการดดซบกาซคารบอนไดออกไซดของตวดดซบ

จากการศกษาความดนทสงผลตอความาสามารถในการดดซบกาซคารบอนไดออกไซดของ Molecular sieve Zeolite 13X และ Activated Carbon CGC12 โดยใชปรมาณตวดดซบ 450 g ควบคมอณหภมของระบบท 4oC และอตราการไหลของกาซผสม 25 L.min-1 เมอกาซชวภาพไหลผานตวดดซบในเบดนง ตวดดซบจะดดซบกาซคารบอนไดออกไซดไวภายใน กาซคารบอนไดออกไซดจงเรมสะสมทงในเมดตวดดซบและชองวางระหวางเมดตวดดซบ เขตของการสะสมกาซคารบอนไดออกไซดจะแพรออกในทางเดยวกบการไหลจนกระทงเขตของการสะสมกาซคารบอนไดออกไซดในตวดดซบแพรไปทวทงหอดดซบ เมอกาซชวภาพเคลอนทผานตวดดซบ กาซคารบอนไดออกไซดจะไหลออกจากหอดดซบจนกระทงกาซคารบอนไดออกไซดสะสมเกอบทวบรเวณหอดดซบ กาซคารบอนไดออกไซดจงเรมเคลอนทออกจากหอดดซบ เมอเพมความดนใหกบระบบดดซบจะทาใหความสามารถในการดดซบกาซคารบอนไดออกไซดของระบบจะสงขนดวยดง Figure 8 Molecular sieve Zeolite 13X สามารถดดซบกาซคารบอนไดออกไซดไดรอยละ 89 ทความดน 7 bar ในขณะ ท Activated Carbon CGC12 สามารถ ดด ซบก าซคารบอนไดออกไซดไดรอยละ 50 ดง Figure 9 และเมอความดนของระบบมคาลดลงการดดซบของ Molecular sieve Zeolite 13X และ Activated Carbon CGC12 จะมคาลดลงดวย

3) ไอโซเทอมการดดซบของตวดดซบ จากขอมลการทดสอบอณหภม และความดนทสงผลตอ

ความสามารถในการดดซบกาซคารบอนไดออกไซดของตวดดซบทใช สามารถนามาหาไอโซเทอมของการดดซบเพออธบายความสมพนธระหวางความเขมขนทสมดลกบจานวนของตวถกดด

ซบทอณหภมคงท 4oC อตราการไหลของกาซชวภาพ 25 L.min-

1 ของตวดดซบทแตกตางกนแสดงไดดง Figure 10 ความสามารถในการดดซบคารบอนไดออกไซดของตวดดซบ

Molecular sieve Zeolite 13X และ Activated Carbon CGC12 สามารถคานวณไดจากสมการท (1) Freundlich Adsorption Isotherm ดงแสดงใน Table 3

Table 3 Regression coefficient for the fitting Adsorption isotherm model.

Adsorbed KF n R2

Zeolite 13X 1014.55 0.0475 0.9997CGC 12 575.678 0.0928 0.9993

ดงนนจาก Table 3 คาคงทของฟรนดช (KF) สามารถบอกได

วาตวดดซบ Molecular sieve Zeolite 13X มความสามารถในการดดซบกาซคารบอนไดออกไซดสงกวา Activated Carbon CGC12 แสดงวาถาตองการดดซบกาซคารบอนไดออกไซดในปรมาณทเทากนจะตองใชปรมาณ Activated Carbon CGC12 ประมาณ 1.8 เทาของปรมาณ Molecular sieve Zeolite 13X

3.3 ผลการทดสอบประสทธภาพของระบบดดซบสลบความดน จากการทดสอบประสทธภาพระบบปรบปรงคณภาพกาซ

ชวภาพดวยวธการดดซบสลบความดนโดยใช Molecular sieve Zeolite 13X และ Activated Carbon CGC 12 เปนตวดดซบ ทาการทดลองทความดน 7 bar อณหภม 4oC และอตราการไหล 25 L.min-1

1) วฏจกรการดดซบของเครองปรบปรงคณภาพกาซชวภาพ กาหนดใหองคประกอบของกาซคารบอนไดออกไซดทจด

เบรคทรมคาเทากบรอยละ 18 ตามประกาศกรมธรกจพลงงาน ตวดดซบ Molecular sieve Zeolite 13X จะมจดเบรคทรอยท 380 วนาท ดง Figure 11 และ Activated Carbon CGC 12 จะมจดเบรคทรอยท 210 วนาท ดง Figure 12

จากจดเบรคทรทแสดงดง Figure 9 (a) สามารถนามาเขยนเปนวฏจกรการดดซบของระบบปรบปรงคณภาพกาซชวภาพดวยกระบวนการดดซบสลบความดนไดดง Figure 13 ตวอยางวฏจกรของกระบวนการดด ซบสลบความดน ดวยตว ดด ซบ Molecular sieve Zeolite 13X โดยคาคาบเวลาตางๆ แสดงดง Table 4


21

Figure 8 The adsorption of CO2 at various pressures with Molecular sieve Zeolite 13X.

Figure 9 The adsorption of CO2 at various pressures with Activated Carbon CGC 12.

Car

bond

ioxe

on

Ads

orbe

nts

(mg.

g-1)

Partial Pressure (bar)

0.0 .5 1.0 1.5 2.0 2.5

0

200

400

600

800

1000

1200

Molecular sieveZeolite 13XActivated Carbon CGC 12

Figure 10 Adsorption isotherms of Carbon dioxide at 4oC on the different Adsorbents.

Figure 11 Relationships between Time (sec) VS %Gas mixture in the product gas with Molecular sieve Zeolite 13X.

Figure 12 Relationships between Time (sec) VS %Gas mixture in the product gas with Activated Carbon CGC 12.

Figure 13 Pressure swing Adsorption upgrading cycle.


22

Table 4 Process of Pressure swing adsorption.

Adsorption cycle Zeolite 13X CGC 12

Time (sec)

Pressure (bar)

Time (sec)

Pressure(bar)

Adsorption updt , 400 7 250 7Red.

Pressure ddpt , 51 7 -1 27 7 -1

Purge gas dpgt , 370 -1 213 -1Inc. pressure uprt , 210 -1 7 120 -1 7

2) ประสทธภาพการดดซบของเครองปรบปรงคณภาพกาซ

ชวภาพ จากการทดสอบประสทธภาพของกระบวนการปรบปรง

คณภาพกาซชวภาพดวยวธการดดซบสลบความดนทพฒนาขนโ ด ย ใ ช Molecular sieve Zeolite 13X แ ล ะ Activated Carbon CGC12 เปนตวดดซบ พบวาระบบทใช Molecular sieve Zeolite 13X สามารถเพมสดสวนของกาซมเทนไดถง รอยละ 82-96 สวนถานดดซบ Activated Carbon CGC 12 สามารถเพมสดสวนของกาซมเทนไดรอยละ 82-85 ซงเปนผลใหคาความรอนรวมถงดชนวอบบสงขน ดงแสดงใน Table 5 เมอทาการเปรยบเทยบกบลกษณะและคณภาพของกาซธรรมชาตสาหรบยานยนตตามประกาศกรมธรกจพลงงานแลวพบวา กระบวนการปรบปรงคณภาพกาซชวภาพดวยวธการดดซบสลบความดนทพฒนาขน ใช Molecular sieve Zeolite 13X เปนตวดดซบสามารถปรบปรงกาซชวภาพใหมคณภาพตามเกณฑทกาหนด ทงนการใช Activated Carbon CGC12 เปนตวดดซบ กาซชวภาพทผานกระบวนการดงกลาวยงไมเปนไปตามเกณฑทกาหนด จาเปนตองทาการเพมปรมาณตวดดซบ Activated Carbon CGC12 เพมขน

Table 5 Result of upgrading by Pressure Swing Adsorption.

Properties Before Upgrade

After Upgrade Zeolite 13X CGC 12

CH4 (%) 68-70 82-96 82-85CO2 (%) 30-32 4-18 15-18

Heating Value (MJ.m-3)

24-25 29-34 29-30

Wobby index (MJ.m-3)

26-27 34-44 34-36

4 สรป การปรบปรงคณภาพกาซชวภาพดวยกระบวนการดดซบสลบ

ความดนสามารถเพมศกยภาพทางเชอเพลงใหกบกาซชวภาพเพอใหมความหลากหลายในการใชงานมากขน โดยทาการศกษาผลของความดน และอณหภมของการดดซบทเปลยนแปลงไปกบความสามารถในการดดซบกาซคารบอนไดออกไซดทเจอปนอยในกาซชวภาพดวยตวดดซบ 2 ชนด คอ Molecular sieve Zeolite 13X และ Activated Carbon CGC12 พบวาความดนและอณหภม มผลตอความสามารถในการดดซบของตวดดซบทงสองชนด โดยเมอเพมความดนและลดอณหภมของระบบจะทาใหระบบสามารถดดซบไดดขน ซงจากการศกษาประสทธภาพของกระบวนการดดซบสลบความดนพบวาระบบทใช Molecular sieve Zeolite 13X เปนตวดดซบสามารถเพมสดสวนของกาซมเทนไดถงรอยละ 82-96 ทาใหคาดชนวอบบเพมขนเปน 34-44 MJ.m3 ซงมคาเทยบเคยงกบลกษณะและคณภาพของกาซธรรมชาตสาหรบยานยนตตามประกาศกรมธรกจพลงงาน ในขณะทสภาวะเดยวกน ระบบทใช Activated Carbon CGC12 เปนตวดดซบสามารถเพมสดสวนของกาซมเทนไดรอยละ 82-85 ทาใหคาดชนวอบบเพมขนเปน 34-36 MJ.m3 ซงคาทไดยงไมผานเกณฑทกาหนด จาเปนตองเพมปรมาณตวดดซบใหมากขน

อยางไรกตามแมวา Molecular sieve Zeolite 13X จะมความสารถในการดดซบมากกวา Activated Carbon CGC 12 แต Activated Carbon CGC 12 สามารถหาซอไดงายและผลตขนเองภายในประเทศ ราคาถกกวา Molecular sieve Zeolite 13X และจากการศกษาไอโซเทอมของการดดซบของตวดดซบทงสองชนดทอณหภมคงท 4oC แสดงใหเหนวาเมอเพมปรมาณ Activated Carbon CGC 12 เปน 1.8 เทาของ Molecular sieve Zeolite 13X จะสามารถเพมประสทธภาพการดดซบไดเทากน ดงนน Activated Carbon CGC 12 จงเปนอกทางเลอกหนงทนาสนใจสาหรบใชในระบบปรบปรงคณภาพกาซชวภาพดวยกระบวนการดดซบสลบความดน

5 กตตกรรมประกาศ ผวจยขอขอบคณสานกงานการอดมศกษาทใหการสนบสนน

งบประมาณในงานวจยนจนสาเรจลลวงไดดวยด


23

6 เอกสารอางอง กรมธรกจพลงงาน กระทรวงพลงงาน. (2552). ประกาศกรม

ธรกจพลงงาน เรองกาหนดลกษณะและคณภาพของกาซธรรมชาตสาหรบยานยนต พ.ศ. 2552. [ออนไลน] http://elaw.doeb.go.th/doeb.

เดชา ฉตรศรเวช. (2552). กระบวนการดดซบ. สานกพมพแหงจฬาลงกรณมหาวทยาลย.

นคร ทพยาวงศ. (2553). เทคโนโลยการแปลงสภาพชวมวล. สานกพมพแหงจฬาลงกรณมหาวทยาลย.

สานกงานนโยบายและแผนพลงงาน กระทรวงพลงงาน. (2554). [ออนไลน] http//www.energy.go.th.

Guo, B., Chang, L. and Xie, K. (2006). Adsorption of Carbon Dioxide on Activated Carbon. Journal of Natural Gas Chemistry: 223-229.

Jarvis, Å. (2004). Biogas–renewable energy from organic waste, The Swedish Biogas Association, Stockholm.

Khoo, H.H. and Tan, R.B.H. (2006). Life cycle investigation of CO2 recovery and sequestration. Environ. Sci. Technol. 40, 4016–4024.

Nozic, M. (2006). Remoal of carbon dioxide from biogas. Department of Chemical Engineering., Lund University.


24

วารสารสมาคมวศวกรรมเกษตรแหงประเทศไทย บทความปรทศน ปท 18 ฉบบท 1 (2555) 24–33


ทมาของสมการ Ergun เพอการคานวณความเรวตาสดของการเกดฟลอไดซสาหรบอนภาคของแขง Foundation of the Ergun equation for the calculation of minimum fluidizing velocity of solid particles ระวน สบคา1* ธนศษฏ วงศศรอานวย2, สเนตร สบคา3 Rawin Surbkar1*, Thanasit Wongsiriamnuay2, Sunate Surbkar2 1คณะวทยาศาสตรและเทคโนโลย, มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลตะวนออก, ชลบร, 20110 1Faculty of Science and Technology, Rajamangala University of Technology Tawan-ok, Chonburi, 20110 2คณะวศวกรรมและอตสาหกรรมเกษตร, มหาวทยาลยแมโจ, เชยงใหม, 50290 2Faculty of Engineering and Agro-industry, Maejo University, Chiang Mai, 50290 *Corresponding author: Tel: 080-4988144 E-mail: [email protected]

บทคดยอ ความรเกยวกบความเรวตาสดของการเกดฟลอไดซในเบดของแขงจาเปนสาหรบการออกแบบและการใชงานระบบฟลอไดซท

มประสทธภาพซงอาจใชในกระบวนการผสม การอบแหง การแชเยอกแขง หรอหนวยปฏบตการอน ๆ ระบบฟลอไดเซชนทมประสทธภาพตองการอตราการไหลของอากาศทเหมาะสมโดยไมทาใหวสดภายในเบดมสภาวะสแตตก หรอหลดลอดออกไปจากเบด บทความวชาการนจงนาเสนอทมาของสมการ Ergun ซงเปนสมการทนยมใชในการคานวณความเรวตาสดของการเกดฟลอไดซ และการหาคณลกษณะของอนภาคทใชประกอบการคานวณ ไดแก ขนาด ความหนาแนนปรากฏ ความพรน และแฟคเตอรรปราง คาสาคญ: ฟลอไดเซชน, เบดฟลอไดซ, ความเรวตาสดของการเกดฟลอไดซ, สมการ Ergun Abstract

Knowledge of the minimum fluidizing velocity of solid particles is essential for the effective design and operation of fluidized beds which may be used for mixing, drying, freezing or other processes. A fluidized bed requires correct setting of airflow in order to operate with no material remaining static on the bed and without excessive elution of light materials. This article illustrates the foundation of the Ergun equation used to calculate the minimum fluidizing velocity. Also characteristics of particles used in calculation; namely size, bulk density, voidage or particle porosity and shape factor were represented Keywords: Fluidization, Fluidized bed, Minimum Fluidizing Velocity, Ergun equation

1 บทนา ฟลอไดเซชน (Fluidization) เปนกระบวนการหรอวธการท

ของแขงซงมรปรางลกษณะเปนเมด โดยทมสวนทสมผสกบของไหลแลวอนภาคของแขงเหลานจะมคณสมบตคลายของไหล โดยทของไหลทใชจะถกปลอยใหผานมาทางดานลางของตะแกรงทรองรบอนภาคของแขง แลวจะไหลผานออกทางสวนบนของหอทดลอง ซงมลกษณะเปนทรงกระบอก (Column) หรอเปนทอเหลยมแนวตง เมอเพมความเรวของไหลใหมากขนเรอยๆ จนในทสดอนภาคของแขงเรมจะเคลอนท และลอยตวขนเปนอสระไม

เกาะตดกน ซงอนภาคของแขงทอยในลกษณะนจะมคณสมบตคลายของไหล ฟลอไดเซชนแบงตามสถานะของไหลได 2 ประเภท คอ

1) ฟล อ ไดเซชนสองสถานะ (Two-phase fluidization) หมาย ถง ภายในหอทดลองหร อ เบด (bed) ท ใช ง านจะประกอบดวยสสารสองสถานะ คอ ของแขงและของไหล ของไหลนอาจเปนกาซหรอของเหลวกได ฟลอไดเซชนสองสถานะจงแบงยอยไดอก 2 ประเภท (Figure 1) คอ กาซฟลอไดเซชน (Gas fluidization) และฟลอไดเซชนของเหลว (Liquid fluidization)


25

(a) Gas fluidization (b) Liquid fluidization

Figure 1 Two types of fluidized bed behavior

2) ฟลอไดเซชนสามสถานะ (Three-phase fluidization) หมายถง ภายในหอทดลองจะประกอบดวยสสารสามสถานะ คอของแขง ของเหลว และกาซ ซงพฒนามาจากฟลอไดเซชนสองสถานะของหอทดลองทเปนฟอง (Bubble column) และหอทดลองทบรรจดวยของแขง (Packed bed)

ปรากฏการณฟลอไดเซชนเรมจากการใสของแขงในหอทดลอง แลวปลอยของไหลใหไหลเขาทางดานลางของหอทดลอง ขณะทของไหลยงมความเรวตา อนภาคของแขงจะไมขยบตวเลย ลกษณะของเบดเชนนเรยกวาเบดนง (Fixed bed) ดงแสดงใน Figure 2a ท งน ความเ รวในการไหลตามผว (Superficial velocity, U) จะมคานอยกวาความเรวตาสดในการเกดฟลอได เซชน (Minimum fluidizing velocity, Umf) ถาเพมความเรวของของไหลใหมากขนจนถงความเรวระดบหนง อนภาคของแขงจะเรมขยบตว และจดตวอยางเปนระเบยบเรยกวา ฟลอไดเซชนต า ส ด (Incipient or minimum fluidization) ด ง แ สด ง ใน Figure 2b สาหรบฟลอไดเซชนของเหลว เมอเพมความเรวจนกระทงการขยายตวของเบดเปนไปอยางสมาเสมอ การลอยตวและหมนรอบตวเองของของแขงจะเปนไปอยางชาๆ เรยกวา เบดสมาเสมอ (Particulate or smooth fluidization) ดงแสดงใน Figure 2c หากเพมความเรวของของไหลขนไปอก จะไปทาใหเบดขยายตวขนตามความเรวของของไหล เบดลกษณะนเกอบจะพาเอาอนภาคของแขงออกไปจากหอทดลองจงเรยกวา เบดเจอจาง (Diluted phase fluidized bed) หลงจากนนหากเพมความเรวของไหลอกเลกนอย อนภาคของแขงกจะหลดลอย

ออกจากหอทดลองไปซงในลกษณะนจะถอเปนการขนถายแบบใชลม (Pneumatic conveyor) ดงแสดงใน Figure 2f หากสงถายของแขงดวยของเหลวกจะเรยกวา การขนถายดวยของเหลว (Hydraulic transport)

กาซฟลอไดเซชนจะมลกษณะเบดทแตกตางไปจากของเหลว เมอเพมความเรวของกาซสงกวาความเรวทจะทาใหเกดฟลอไดเซชนแลว กาซสวนหนงยงทาหนาทใหเกดการลอยตวของอนภาคของแขงเหมอนเดม อกสวนหนงจะรวมตวกนแลวกอตวเปนฟองกาซเกดขน ฟองกาซเหลานจะแทรกตวขนมายงผวหนาของเบดและแตกตวในทสด ขณะทฟองกาซลอยขนมานจะทาใหอนภาคของแขงไหลจากสวนหลงคาของฟองกาซลงมายงสวนลาง โดยบางสวนของอนภาคของแขงจะลอยตดตามฟองกาซไปดวย ลกษณะดงกลาวทาใหภายในเบดจะมการเคลอนทอยางชลมน เบดชนดน เ รยกวา เบดวนวาย หรอฟล อ ไดเซชน วนวาย (Aggregative or bubbling bed) ดงแสดงใน Figure 2d และ 2e โดยฟองกาซทเกดขนจะมลกษณะแตกตางกนไป ขนอยกบขนาดและรปรางของอนภาคของแขง ความเรวของกาซ และลกษณะของแผนกระจายอากาศ โดยลกษณะของฟองกาซอาจแบงไดดงน

1) Channeling เปนการเกดฟองกาซจากการผานของกาซเปนชองๆ โดยทอนภาคของแขงทอยตรงทางผานของกาซเทานนทมการเคลอนท แตบรเวณขางเคยงจะไมมการเคลอนท

2) Bubbling เปนการเกดฟองกาซทเกดเมอความเรวของของไหลสงกวาความเรวททาใหเกดฟลอไดซเบด จะทาใหเกดการลอยตวของอนภาคของแขง แตกาซอกสวนหนงจะรวมตวกนเปนฟองกาซลอยขนมา ซงจะทาใหอนภาคของแขงทตดอยบนฟองกาซไหลจากสวนบนของฟองกาซลงมายงสวนลาง และนอกจากนมบางสวนของอนภาคของแขงทลอยตดตามฟองกาซไปดวย ลกษณะดงกลาวทาใหภายในเบดมการเคลอนทอยางชลมน

3) Slugging เปนการเกดฟองกาซหรอการรวมตวของฟองกาซจนไดฟองกาซทมขนาดเสนผานศนยกลางเทากบขนาดเสนผานศนยกลางของหอทดลอง มการแยกตวของอนภาคของแขงเปนชนๆ ทาใหการถายเทมวลสารหรอความรอนเกดไดไมทวถง เนองจากอนภาคของแขงสมผสกบกาซเปนเวลาอนสนหรอไมสมผสเลยในบางสวน


26

(a) (b) (c) (d) (e) (f) Figure 2 Schematic representation of fluidized beds in different regimes (Kunii and Levenspiel, 1991).

Figure 3 A spouted bed experimental set-up (ปณณธร, 2548).

4) Spouted Bed เปนการทกาซสวนใหญไหลผานเฉพาะบรเวณตรงกลางของกลมของอนภาคของแขงมากกวาบรเวณรอบขางดวยความเรวสงมาก ทาใหบรเวณตรงกลางมความหนาแนนของอนภาคของแขงนอยกวาเมอเปรยบเทยบกบบรเวณดานขาง ลกษณะการไหลแบบนคลายกบนาพ พงแรงตรงกลางแลวตกลงรอบๆ ขาง (Figure 3) อนภาคของแขงจะถกฉดพรอมกบอากาศความเรวสง แลวไหลขนตรงสวนกลางของสเปาตดวยสภาวะเบาบาง (Dilute phase) จากนนวสดจะไหลลงตามผนงดานขางดวยสภาวะหนาแนน (Dense phase) กลบสจดเรมตนดานลางเบดเปนอยางนไปเรอยๆ (ปณณธร, 2548)

ฟลอไดเซชนสามารถนามาประยกตใชกบกระบวนการตางๆ ซงเกยวของกบงานดานวทยาศาสตรและเทคโนโลยมากมาย อาท การอบแหง การแชเยอกแขง เตาผลตแกสชวมวล เปนตน (ไพโรจน และศวะ, 2555) แตหนงสอ ตารา หรอบทความวชาการเกยวกบฟลอไดเซชนทเปนภาษาไทย ยงมนอย บทความนจงมวตถประสงคเพอ นาเสนอการคานวณพนฐานเกยวกบกาซฟลอไดเซชน ซงแสดงทมาของสมการ พรอมกบการคานวณหาคณลกษณะของอนภาคของแขง ซงเปนตวแปรทจาเปนตองทราบ

2 คณลกษณะของอนภาคของแขง การเกดเบดฟลอไดซนนนอกจากขนอยกบความเรวของ

อากาศแลว ยงขนอยกบขนาดและความหนาแนนของอนภาคของแขงดวย การออกแบบระบบฟลอไดเซชนจาเปนตองใชขอมลคณลกษณะของอนภาคของแขง ดงตอไปน

2.1 ขนาดของชนวสด (Particle size) เทคนคในการวดขนาดของอนภาคของแขงมหลายเทคนค

ขนอยกบความสมาเสมอของชนวสด หากชนวสดมขนาดใหญกวา 1 mm และมขนาดสมาเสมอ การวดขนาดของอนภาคสวนมากจะใชเวอรเนยคาลปเปอร (Vernier caliper) ซงเปนเครองมอวดทมความละเอยดสงถง 0.05 mm แตหากตองการทราบคาทละเอยดมากกวานนสามารถวดดวยไมโครมเตอร (Micro meter) ความละเอยดสง ถง 0.001 mm การวดขนาดของอนภาคของแขงควรวดใหครอบคลมทงสามดาน นนคอ ดานทยาวทสดของอนภาคของแขง หรอดาน a ดานทตงฉากกบดาน a หรอดาน b และดานททามมทแยงกบดาน a กบดาน b หรอดาน c


27

(Figure 4) แลวแสดงผลของขนาดดวยเสนผานศนยกลางเฉลยเรขาคณต (Geometric mean diameter, dp) จานวนครงการวดควรนาเชอถอซงสามารถระบไดจากคาความเบยงเบนมาตรฐาน (Standard deviation, SD) คา SD ยงตายงมความนาเชอถอ ทงนดาน a ดาน b และดาน c ของธญพชแตละชนด แสดงใน Figure 4 คา dp หาไดจาก (Mohsenin, 1980)

(1)

เมอ dp คอ เสนผานศนยกลางเฉลยเรขาคณตของอนภาคของแขง (mm), a คอ ดานทยาวทสดของชนวสด (mm), b คอ ดานทตงฉากกบดาน a (mm) และ c คอ ดานททามมทแยงกบดาน a กบดาน b (mm)

หากอนภาคของแขงมขนาดปานกลาง หรอมขนาดและรปรางไมสมาเสมอ มกนยมใชเทคนคตะแกรงรอนในการหาขนาดเฉลยของชนวสดตามวธของ ASABE Standards (2008)

Figure 4 Tracings of shape and designation of the three intercepts for seeds and grains obtained by a photographic enlarger (Mohsenin, 1980).

2.2 รปรางของอนภาค (Particle shape) การหาขนาดและรปรางของอนภาค (Particle size and

shape) ทมรปรางและขนาดสมาเสมอ (Regular particles) เชนทรงกลม (Spheres) สเหลยมลกเตา (Cubes) เปนตน ทาไดอยางงาย ๆ แตถาเปนอนภาคทมรปรางและขนาดแตกตางกนไมสมาเสมอ (Irregular particles) ซงพบไดในการลดขนาดวสด การระบขนาดและรปรางทชดเจนจะทาไมได ดงนนจงมกอธบายรปรางในตวแปรของแฟคเตอร รป ราง (Shape factor or Sphericity) มนกวจยหลายคนทใชวธการนในการระบรปรางของชนวสด อาท Dutta et al. (1988) ทใชหาขนาดเมลดถว Gram (Cicer arietinum L.) Olaoye (2000) ทใชหาขนาดถว Castor, Kaleemullah and Kailappan (2003) ทใชหาขนาดผลพรก เปนตน แฟคเตอรรปรางหาไดจาก (Mohsenin, 1980)

i

c

d

d (2)

เมอ คอ แฟคเตอรรปราง (dimensionless), id คอ เสนผานศนยกลางของวงกลมเลกสดในอนภาคของแขง (mm) และ

cd คอ เสนผานศนยกลางของวงกลมใหญสดในอนภาคของแขง (mm)

ตอมามการพฒนาสมการใหมเพอหาคาแฟคเตอรรปราง ซง Gupta and Das (1997) ใชหาขนาดเมลดทานตะวน Selvi et al. (2006) ใชหาขนาดเมลดลนซด (Linseed) Unal et al. (2008) ใชหาขนาดเมลดถวเขยว

1/3acb

a (3)

Olajide and Ade-Omowaye (1999) ไดพฒนาสมการหาแฟคเตอรรปรางจากอตราสวนของปรมาตรของของแขงกบปรมาตรของทรงกลมทมปรมาตรเทยบเทาดงน

1/3

1/3

23

6

6

abcbc

aa

(4)

2.3 ชองวางของวสด (Voidage or particle porosity) อนภาคของแขงทบรรจอยในเบดไมวาจะบรรจอยางเปน

ระเบยบหรอแบบไมเปนระเบยบ (Random packing) กตามยอมเกดชองวางระหวางอนภาคของแขงขนเสมอ จะมมากหรอนอยขนอยกบคณลกษณะและขนาดของอนภาคของแขง หาก


28

อนภาคของแขงมผวราบเรยบมกไมเปนปญหามากนก แตถาเปนอนภาคของแขงทมรพรน (Pore) อยภายในดวยแลว การหาปรมาณของชองวางทแทจรงยอมกระทาไดยากมาก เพราะขนาดของ รพรนมขนาดเลกมาก วดไ ด เปนหนวยของไมครอน (Microns) ยกตวอยางเชน ถานกมมนต (Activated carbon) อลมนากมมนต (Activated alumina) ดนกมมนต (Activated clay) ถานโคก (Coke) เปนตน เมอเปรยบเทยบชองวางทเปนรพรนกบชองวางระหวางเมด (Voidage) แลว อยางแรกมคานอยกวาอยางหลงมากจนไมสามารถเปรยบเทยบกนได ชองวางของวสดภายในเบดนงหาไดจาก

1 1P B B

p P p

m

m

(5)

เมอแทนคา B ซงไดแกอตราสวนมวลตอปรมาตร จะได

1 p

p

m

LA

(6)

เมอ คอ ชองวางของวสดในเบดนง (dimensionless), B คอ ความหนาแนนปรากฎของวสด (kg/m2), p คอ ความหนาแนนทแทจรงของวสด (kg/m2), mp คอ มวลของอนภาคทงหมดในเบด (kg), A คอ พนทหนาตดของเบด (m2) และ L คอ ความสงของเบดวสด (m)

3 ชองวางของวสดในเบดฟลอไดซ ระบบฟลอไดเซชนพนฐานประกอบไปดวย เบด (Bed) แผน

กระจายของไหล (Distributor) หองพกลม (Plenum) และแหลงกาเนดลม (Blower) เบดเปนพนทของอนภาคของแขงในหอทดลองทงหมดตงแตแผนกระจายของไหล (Distributor) จนถงระดบสงสดคอผวหนาของอนภาคของแขง (Figure 5)

ทความเรวของของไหลคงทคาหนง ความสงของเบดตลอดพนทภาคตดขวางของคอลมนไมมการเปลยนแปลง คาความพรนของเบดจะแปรผนตามความสงของเบด ดงน

0 01mf

L L L

L L

(7)

จากความสมพนธระหวางความสงของเบดสองสภาวะ (เบดนง และเบดฟลอไดซ) ทาใหสามารถคานวณหาความสงตาสดททาใหเกดฟลอไดเซชน ไดจาก

0

1

1mf

mf

L L

(8)

เมอ mf คอ ชองวางของวสดในเบดฟลอไดซ (dimensionless),

mfL คอ ความสงตาสดของเบดททาใหเกดฟลอไดเซชน (m),

0L คอ ความสงของอนภาคของแขงในเบดนง (m) และ L คอ ความสงของอนภาคของแขงในเบดฟลอไดซ (m)

Figure 5 Fluidized bed height.

4 ความเรว ตาสดททาใหเกดฟลอไดเซชน (Minimum fluidizing velocity)

4.1 การใชสมการหาความเรวตาสดททาใหเกดฟลอไดเซชน ในขณะทอนภาคของแขงเรมลอยตวเปนอสระอยนนอาจ

กลาวอกนยหนงไดวา อนภาคของแขงอยในสภาวะสมดลของแรงสองแรงทเกดขนบนอนภาคของแขง คอแรงทเกดจากนาหนกของตวอนภาคของแขงเองกบแรงพยงจากของไหลหรอเกดจากแรงเสยดทานกบแรงตานของของไหล ดงน

แรงพยงวสดของแขง = นาหนกของอนภาคของแขง (9)

หรอ

ความดนตกครอมเบดxพนทหนาตดของคอลมน =

ปรมาตรของวสดภายในเบดxนาหนกจาเพาะของของแขง (9’)

เมอ PA คอ แรงพยงวสดของแขง (N), (1 )mf mfAL คอ ป รม าตรขอ ง ว ส ด ขอ งแ ข ง ท งหมด โดย ไ ม ร วมช อ ง ว า ง (m3), ( )p f g คอ นาหนกจาเพาะของวสดของแขงภายในเบด (N/m3) และ (1 )( )mf p f mfAL g คอ นาหนกของวสดของแขงภายในเบด (N)

สมการ (9) เขยนใหมไดเปน (Kunii and Levenspiel, 1991; Gidaspow, 1994; Yang, 1999)

(1 )( )mf p f mfPA AL g (10)


29

จดระเบยบสมการ (10) ใหม จงไดความสมพนธระหวางความดนตกครอมตอความสงของเบดกบนาหนกของวสดของแขงทเ รมทาใหเกดฟล อไดเซชน ดงน (Kunii and Levenspiel, 1991; Yang, 1999; Smith, 2007)

(1 )( )mf p fmf

Pg

L

(11)

เมอ P = ความดนตกครอมเบดวสด (N/m2), A คอ พนทภาคตดขวางของเบด (m2), mfL คอ ความสงตาสดของเบดททาใ ห เ ก ดฟล อ ไ ด เ ซช น (m), mf ค อ ช อ ง ว า งภาย ใน เบด

(dimensionless), p คอ ความหนาแนนทแทจรงของอนภาค

ของแขง (kg/m3), f คอ ความหนาแนนของของไหล (kg/m3) และ g = ความเรงอนเนองจากแรงโนมถวงของโลก (m/s2)

การหาความเรวตาสดททาใหเกดฟลอไดเซชนโดยการจาลองสภาวะการทางานทาไดคอนขางยาก เนองจากความพรน

ของวสดในเบดฟลอไดซมคาไมคงทและไมแนนอน นอกจากนวสดยงมรปรางไมสมาเสมอและไมแนนอน แตอยางไรกตามมสมการหลายสมการทใชในการทานายคาความเรวตาสดททาใหเกดฟลอไดเซชน สมการทนยมใชคอสมการ Ergun ซงเปนสมการแบบกงเอมพรคล (Semi-empirical equation) ซงปรบปรงมาจากสมการของ Blake-Kozeny ทใชสาหรบคาเรยโนลดนอยกวา 10 และสมการของ Burke-Plummer ทใชสาหรบคาเรยโนลดมากกวา 1,000 Figure 6 เปนกราฟความสมพนธของแฟคเตอรความเสยดทานกบคาเรยโนลดทไดมาจากการทดลองทสามารถนามาใชไดทงชวงความเรวตาและความเรวสง หรอสาหรบการไหลแบบราบเรยบและการไหลแบบปนปวน ตลอดจนชวงเปลยนแปลงการไหล จงสามารถเขยนความสมพนธไดเปน (Ergun, 1952; Bird, 1960; Ibarz and Barbosa-Canovas, 2003)

Figure 6 the correlation between Ergun and Blake-Kozeny at Re < 10; Ergun and Burke-Plummer equation at Re > 1,000 (adapted from Bird, 1960).

1501.75

Repp

f , 1 ≥ Re p ≥ 1,000 (12)

นอกจากนนจะพบวาคาแฟคเตอรความเสยดทานยงเปนฟงกชนของความดนตกครอมเบดและความสงของเบดและค ว า ม เ ร ว ด ง ส ม ก า ร (13) (Bird et al., 2002; Ibarz and Barbosa-Canovas, 2003)

3

2 1p

pf mf

dPf

L U

(13)

เมอ pf คอ แฟคเตอรความเสยดทานในเบดของอนภาคของแขง (dimensionless) , Re p ค อ ต ว เ ลข เ ร ย โนล ดของอน ภ าค (dimensionless), P คอ ความดนตกครอมเบด (N/m2), L คอ ความสงของเบดของอนภาคของแขง (m), pd คอ เสนผานศนยกลางของวสดทเปนของแขง (m), คอ ชองวางภายในเบด (dimensionless), mfU คอ ความเรวของอากาศทพดผานเบด (m/s) ซงหาไดจากความสมพนธระหวางอตราการไหลเชงปรมาตรกบพนทหนาตดของเบด และ f คอ ความหนาแนนของของไหล (kg/m3) ซงตวเลขเรยโนลดของอนภาคหาไดจาก


30

Re p m pp

U d

(14)

แทนคาสมการ (14) ในสมการ (12) แลวใหสมการ (12) เทากบสมการ (13) จะไดสมการ (15) สาหรบทานายการสญเสยพลงงานในการไหลผานเบดตอความสงของเบดซงประกอบไปดวยสองเทอมคอ ผลเนองมาจากความหนดของของไหล (Viscous effect) และเนองจากพลงงานจลน (Kinetic effect) (Kunii and Levenspiel, 1991; McCabe et al., 2005; Smith, 2007) จากสมการ (15) ชใหเหนวาความดนสญเสยจะ

ขนกบชองวางภายในเบด (mf) เปนอยางมาก ทงนวสดทรงกลม

จะมคา mf ประมาณ 0.37 - 4.0 สวนวสดทรงกระบอกจะมคา

mf ประมาณ 0.35 (McCabe et al., 2005) และหากวสดม

รปรางไมแนนอนตองคดคาแฟคเตอรรปราง () เขาไปดวย ทาใ ห พ ล ง ง า น ส ญ เ ส ย ย ง ม ค า ม า ก ข น ไ ป ด ว ย (Kunii and Levenspiel, 1991; Ibarz and Barbosa-Canovas, 2003; McCabe et al., 2005; Green and Perry, 2008) สาหรบการไหลในชวงขณะเกดการเปลยนแปลง (Transition flow) ทมความเรวสงกวาการไหลแบบราบเรยบ (Laminar flow) แตความเรวยงไมสงมากพอทจะเปนแบบปนปวน (Turbulent flow) สามารถใชสมการ (15) ในการคานวณหาความดนตกครอมเบดได

2 2

3 2 2 3

150 1 1.75 1mf mf mf f mf

mf mf p mf p

U UP

L d d

(15)

การฟลอไดซดวยความเรวตา ทเปนการไหลแบบราบเรยบ เหมาะสาหรบวสดทเปนผงละเอยดซงขนาดอนภาคเลกมาก หรอ

pd ≤ 0.1 mm, Re p ≤ 10 สามารถตดเทอมทสองในสมการ (15) ออกได เนองจากการไหลทความเรวตาๆ หรอในชวงการไหลแบบราบเรยบ ความหนดของของไหลจะมผลตอการไหลเปนอยางมาก ดงสมการ (16) ของ Kozeny-Carman (Ibarz and Barbosa-Canovas, 2003; McCabe et al., 2005; Green and Perry, 2008)

150

Repp

f , 1 ≥ Re p ≥ 1,000 (16)

จะไดสมการคานวณหาความเรวตาสดททาใหเกดฟลอไดซเซชนสาหรบการฟลอไดซทความเรวตาและวสดมขนาดเลกมากๆ

ดงสมการ (17) โดย Gupta et al. (2009) ใชคานวณความเรวทใชในการฟลอไดซกากแรละเอยด

2

3

150 1p s f mf

mfmf

dU g

, 1 ≤ Re p ≤ 1,000 (17)

สาหรบการฟลอไดซดวยความเรวสง ทเปนการไหลแบบปนปวน (Turbulent flow) ซงเหมาะสมกบวสดทเปนชนหรอเปนเมดทมขนาดอนภาคใหญ หรอ pd ≥ 0.1 mm สามารถตดเทอมทหนงในสมการ (15) ไดเพราะความหนดมผลนอยกวาความเฉอย ตามสมการ (18) ของ Burke-Plummer (Ibarz and Barbosa-Canovas, 2003; McCabe et al., 2005; Green and Perry, 2008)

1.75pf , Re p ≥ 1,000 (18)

จะไดสมการคานวณหาความเรวตาสดททาใหเกดฟลอไดเซชนสาหรบการฟลอไดซทความเรวสง และวสดมขนาดใหญเปนชน ๆ ดงสมการ (19) ซง ชรน (2547) ใชคานวณความเรวทใชในการฟลอไดซเมลดขาวโพด กตตและกตตชย (2547) ใชคานวณความเรวทใชในการฟลอไดซพรก (Capsicum anum Linn)

2 3

1.75p s f

mf mff

dU g

, Re p ≥ 1,000 (19)

เมอ P คอ ความดนตกครอมเบดตาสดในการเกดฟลอไดเซชน (N/m2), mfL คอ ความสงของเบดทจดเรมเกดฟลอไดเซชน (m),

mfU คอ ความเรวตาสดของเบดททาใหเกดฟลอไดเซชน (m/s),

s คอ ความหนาแนนทแทจรงของของแขง (kg/m3), f คอ

ความหนาแนนของของไหล (kg/m3), คอความหนดสมบรณของของไหล (Pa.s), pd คอ เสนผานศนยกลางของอนภาค

ของแขง (m), คอ แฟคเตอรรปราง (dimensionless), mfค อ ช อ ง ว า งภาย ใน เบดต า ส ด ท ท า ใ ห เ ก ดฟล อ ได เซช น (dimensionless) และ g คอความเรงอนเนองจากแรงโนมถวงของโลก (m/s2)

Figure 7 แสดงใหเหนชวงของการเกดการสญเสยพลงงานในการไหลผานเบดตอความสงของเบดในชวงเบดนงซงสามารถหาไดจากสมการ (15) แตหากเปนเบดฟลอไดซสามารถใชไดทงสมการ (11) และ (15)


31

4.2 การทดลองเพอหาความเรวตาสดททาใหเกดฟลอไดเซชน ความเรวตาสดททาใหเกดฟลอไดเซชนสามารถหาไดจากการ

ทดลองเมอทราบความสมพนธระหวางความดนตกครอมเบดฟลอไดซกบความเรวในการไหลตามผว (Superficial velocity, Umf) ดงแสดงใน Figure 8 โดยกาหนดจากจดตดระหวางเสนแนวโนมในชวงเบดนงทความดนครอมเบดจะแปรผนตรงกบความเรวในการไหลตามผวกบเสนแนวโนมในชวงเบดฟลอไดซ ซงความดนตกครอมเบดจะคอนขางคงทเมอวสดเรมเกดการฟลอไดเซชน เนองจากนาหนกของอนภาคของแขงถกรองรบโดยกระแส ของไหล (Kunii and Levenspiel, 1991; Gidaspow, 1994; Smith, 2007)

ความเรวตาสดททาใหเกดฟลอไดเซชนจรงทไดจากการทดลองจะมคาเบยงเบนไปจากทไดจากสมการรอยละ 59.6 เมอฟลอไดซเมลดขาวโพด (จรเมธา, 2549) รอยละ 5 - 38 เมอฟลอไดซ glass beads ขนาด 4 และ 5 mm (ศลาพนธ และคณะ, 2546) โดยความเรวตาสดททาใหเกดฟลอไดเซชนแปรผนตามอณหภมของเบดทเพมขนแตไมเกนอณหภมการสะต (Sintering) ของ glass beads ขนาด 0.84 - 1.5 mm (Guo et al., 2004)

โดยขนาดอนภาคยงใหญคาเบยงเบนยงนอย (10 - 100 m)

ในทางกลบกนอนภาคยงเลกคาเบยงเบนยงสง (6 m) แสดงวาสมการ Ergun เหมาะสมทสดกบอนภาคกลม A (Geldart group A) แตอยางไรกตามสามารถใชไดกบอนภาคกลม C (Geldart

group C) ทมขนาดอนภาคใหญ 10 m ขนไป (Mawatari et al., 2003)

Figure 8 Umf determination from the experimental data (Smith, 2007).

5 บทสรป ระบบฟลอไดเซชนทมประสทธภาพตองการอตราการไหล

ของอากาศทเหมาะสมโดยไมทาใหวสดภายในเบดมสภาวะสแตตกหรอหลดลอดออกไปจากเบด ดงนนความเรวตาสดททาใหเกดเบดฟลอไดซจงเปนพารามเตอรสาคญในการออกแบบระบบ โดยสมการ Ergun ซงเปนสมการแบบกงเอมพรคล (Semi-empirical equation) เปนสมการทนยมใชในการคานวณหาความเรวตาสดททาใหเกดเบดฟลอไดซซงตองทราบคณลกษณะของอนภาคของแขง อาท ขนาดของชนวสด รปรางของอนภาค และชองวางของวสด สมการนประกอบไปดวยสองเทอมคอ การสญเสยความดนอนเนองมาจากความเสยดทานกบของไหล (Viscous drag) และเนองมาจากการสญเสยพลงงานจลน (Kinetic losses) นอกจากนยงหาไดจากการทดลองเมอทราบความสมพนธระหวางความดนตกครอมเบดฟลอไดซกบความเรวในการไหลตามผว (Superficial velocity)

Figure 7 Comparison of the use of equations for determining the pressure drop across the bed.


32

6 กตตกรรมประกาศ คณปการจากบทความฉบบน ขอมอบใหคณาจารยทกทานท

ประสทธประสาทความรใหแกผเขยน ขอขอบคณเจาของผลงานทกทานทผเขยนใชอางองในการเขยนบทความฉบบน

7 เอกสารอางอง กตต สทธประภาพร และกตตชย ไตร รตนศ รชย . 2547.

คณลกษณะการอบแหงพรกดวยเทคนคฟลอดไดซเบด. การประชมวชาการเครอขายวศวกรรมเครองกลแหงประเทศไทยครงท 18, 18-20 ตลาคม 2547 จงหวดขอนแกน.

จรเมธา สงขเกษม. 2549. การเพมประสทธภาพการอบแหงเมลดขาวโพดโดยใชฮตเตอรเปนความรอนเสรมในฟลอดไดซเบดทใชฮตปม. การประชมวชาการเครอขายวศวกรรมเครองกลแหงประเทศไทยครงท 20, 18-20 ตลาคม 2549 จงหวดนครราชสมา.

ชรน สงขเกษม. 2547. การศกษาฟลอดไดเซชนโดยใชความรอนจากชดคอนเดนเซอรเพอใชในกระบวนการอบแหง. ใน การประชมวชาการเครอขายวศวกรรมเครองกลแหงประเทศไทย ครงท 18, 18-20 ตลาคม 2547 จงหวดขอนแกน.

ปณณธร ภทรสถาพรกล. 2548. การทาใหเปนเมดดวยวธแชเยอกแขง. วารสารสมาคมเครองทาความเยนไทย 14, 15-18.

ไพโรจน จนทรแกว และศวะ อจฉรยวรยะ. 2555. บทวเคราะหการอบแหงธญพชโดยประยกตใชเทคนคฟลอดไดซเบด. ใน การประชมวชาการสมาคมวศวกรรมเกษตรแหงประเทศไทย ครงท 13, 4-5 ตลาคม 2555 จงหวดเชยงใหม.

ศลาพนธ ประทมทพย, สมทธ เอยมสอาด และวษณ มอย. 2546. การศกษาการเกดฟลอดไดซเซชนในเครองปฏกรณฟลอดไดซเบดแบบสองสถานะทมการปรบเปลยนแผนกระจาย . วศวกรรมสาร ม.ข. 30(3): 261-273.

ASABE Standards. 2008. Method of determining and expressing fineness of food materials by sieving. ASAE S319.4 FEB2008. St. Joseph, Mich. ASAE.

Bird, R. B. 1960. Transport phenomena. New York, Wiley.

Bird, R.B., Stewart,W.E. and Lightfoot, E.N. 2001. Transport phenomena, 2nd Ed., Wiley, New York.

Dutta, S.K., Nema, V.K. and Bhardwaj, R.K. 1988. Physical properties of gram. J. agric. Engng Res. 39, 259-268.

Ergun, S. 1952. Fluid flow through packed columns. Chemical Engineering Progress 48(2): 89-94.

Gidaspow, D. 1994. Multiphase flow and fluidization : continuum and kinetic theory descriptions. Boston, Academic Press.

Green, D. W. and Perry, R. H. 2008. Perry's chemical engineers' handbook, 8th Ed. McGraw-Hill.

Guo, Q., Suda, T., Sato, J. C. and Yue, G. 2004. Agglomeration behavior in a bubbling fluidized bed at high temperature. Chem. Eng. Comm., 191, 1329-1342.

Gupta, R.K. and Das, S.K. 1997. Physical properties of sunflower seeds. J. agric. Engng Res. 66: 1-8.

Ibarz, A. and Barbosa-Canovas, G. V. 2003. Unit operations in food engineering. Boca Raton, CRC Press.

Kaleemullah, S. and Kailappan, R. 2003. Geometric and morphometric properties of chillies. International J. of Food Properties 6(3), 481-498.

Kunii, D. and Levenspiel, O. 1991. Fluidization engineering. New York and London: Wiley & Sons., Inc. 534 pp.

Mawatari, Y., Tatemoto,Y. and Noda, K. 2003. Prediction of minimum fluidization velocity for vibrated fluidized bed. Powder Technology 131: 66–70.

McCabe, W.L., Smith, J.C. and Harriott, P. 2005. Unit operations of chemical engineering. Boston, Mass., McGraw-Hill.

Mohsenin, N.N. 1980. Physical properties of plant and animal material, 3rd revised and updated Ed. Gordon and Breach Science Publishers: AW Amsterdam, the Netherlands.

Olajide, J.O. and Ade-Omowaye, B.I.O. 1999. Some physical properties of locust bean seed. J. agric. Engng Res. 74, 213-215.

Olaoye, J.O. 2000. Some physical properties of castor nut relevant to the design of processing equipment. J. agric. Engng Res. 77(1), 113-118.


33

Perry, R. H., Green, D. W. and Maloney, J.O. 1997. Perry's Chemical Engineers' Handbook. McGraw-Hill. 2640 p.

Selvi, S.Ç., Pinar, Y. and Yesiloglu, E. 2006. Some physical properties of linseed. Biosystems Engineering 95(4): 607-612.

Smith, P.G. 2007. Applications of fluidization to food processing. Oxford: Blackwell Science.

Unal, H., Isik, E., Izli, N. and Tekin, Y. 2008. Geometric and mechanical properties of mung bean (Vigna radiate L.) grain: effect of moisture. International J. of Food Properties 11: 585-599.

Yang, W.C. 1999. Fluidization, solids handling and processing : industrial applications. Westwood, N.J., Noyes.


34



เทคโนโลยการใหนาดวยสายยางนาซม Water application technology with porous pipe สมชาย ดอนเจดย Somchai Donjadee ภาควชาวศวกรรมชลประทาน, คณะวศวกรรมศาสตร กาแพงแสน, มหาวทยาลยเกษตรศาสตร กาแพงแสน, นครปฐม, 73140

Department of irrigation engineering, Faculty of Engineering at Khampaengsaen, Nakhon Pathom 73140 Corresponding author: Tel: +66-8-9836-3644, Fax: +66-34-352-053, E-mail: [email protected]

บทคดยอ สายยางนาซมเปนเทคโนโลยใหมสาหรบการใหนากบพชแบบจลภาคและเรมใชงานเมอ 2-3 ปทผานมาในประเทศไทย ทาให

ขอมลดาน ลกษณะการจายนา อตราการจายนา และความสมาเสมอของการจายนายงมอยนอย ดงนนบทความวชาการนจงไดนาเสนอขอมลทสาคญเกยวกบสายยางนาซมทไดรวบรวมจากผลงานวจยของหลายทาน จากงานวจยทผานมาพบวาสายยางนาซมทผลตขนเพอการใหนากบพชนนมลกษณะเปนทอกลมทมความยดหยนสงและผลตขนจากยางเกาทใชแลวผสมกบพอลเมอรและขนรปดวยการรดภายใตความรอนและความดน เมอใหนานาจะซมออกมาตามผนงของสายยางตลอดความยาวสาย ดงนนสายยางนาซมจงเปนทงอปกรณลาเลยงนาและอปกรณจายนา สาหรบสายยางนาซมเสนใหมซงยงไมไดผานการใชงานมากอน อตราการจายนามคาสงในชวงแรกและจะลดลงจนมคาคอนขางคงทเมอผานชวงการบมสายยางแลว การบมสายยางควรใชนาสะอาดและเวลาอยางนอย 28 hr โดยใชความดนในการบมประมาณ 2 เทาของความดนใชงาน คาความสมาเสมอของการใหนาของสายยางนนมคาอยในเกณฑตงแตตาจนถงสง ทงนอยกบคณสมบตของสายยาง อยางไรกตามสายยางนาซมสามารถใชใหนากบพชทงบนดน ใตดน และอน ๆ ตามความตองการของผใชงานเพอการใหนา คาสาคญ: สายยางนาซม, การใหนา, เทคโนโลย, ชลประทาน Abstract

Porous pipe is a new technology introduced for micro irrigation and has been used in Thailand for a few years. Very little information is available about its characteristics such as the discharge rate and discharge uniformity. Therefore, this article aims at providing some important characteristics of porous pipe which collected from various research studies. From the litterateurs, the porous pipe is commonly made from recycled tyres, mixed with polyethylene granules and extruded into a tube under heat and pressure. The porous pipe emits water throughout its entire length as water passing through porous wall under pressure. Therefore, it functions as both water conveyer and emitter. For a new pipe which has never been used, the flow rate declining at the beginning and reaches the constant discharge as the curing process occurs. The recommended curing time is 28 h with a curing pressure 2 times of the operating pressure. The discharge uniformity varies from low to high range after curing process due to its characteristics. In addition, the porous pipe is useful both for surface and sub-surface micro irrigation systems. It can be used in several ways to meet any irrigation need. Keyword: Porous pipe, Water application, Technology, Irrigation


35

1 บทนา สถานการณปจจบนสภาวะโลกรอนทาใหอณหภมโดยรวม

ของโลกเพมขน เปนเหตใหเกดการถดถอยของธารนาแขง และระดบนาทะเลของโลกสงขน ทาใหมภาวะความรนแรงของสภาวะอากาศแบบสดโตง (extreme weather) เปนผลใหรปแบบและปรมาณนาฝนเปลยนไปทาใหเกดนาทวมและนาแลงบอยครงขน ผลกระทบเหลานมผลโดยตรงตอภาคเกษตรกรรม โดยเฉพาะอยางยงปญหาพชขาดนาสงผลกระทบอยางมากตอผลผลตทางการเกษตร ทาใหผลผลตทไดมปรมาณลดลง ดงนนแนวทางการใชนาในปจจบน จงไมใชการกกเกบสารองนาเพยงอยางเดยว แตตองรวมถงการทจะสามารถใชนาอยางไรใหเกดประสทธผล ประหยดและมประโยชนสงสดอกดวย ดวยเหตผลดงกลาวจงไดมการวจยและพฒนาเทคโนโลยการใหนาทประหยดนาและมประสทธภาพตอการปลกพช เทคโนโลยการใหนาทประหยดทสดไดแกการใหนาแบบจลภาค (วบลย, 2526) และทกาลงเปนทนยมไดแก การใหนาแบบนาหยด โดยการใหนาแบบนาหยดเปนการใหนาเฉพาะจดทาใหรากพชเจรญเตบโตอยในชวงความชนเฉพาะจดดงกลาวนน (มนตร, 2532) แตการใหนาแบบนาหยดไมเหมาะสมกบการปลกพชบางชนด โดยเฉพาะพชทปลกเปนรอง เชน ออย หรอถวลสง เปนตน ดงนนจงไดมนกวจยหลายทานไดคดรปแบบการใหนาเพอลดขอดอยของระบบนาหยดโดยการทาใหนาซมผานผนงทอแทนทจะใหไหลออกเฉพาะจด ซงจะทาใหนาทซมผานออกมากระจายตลอดรองทไดทาการปลกพช โดยเรยกวา “สายยางนาซม (Porous pipe)” และกาลงเปนทแพรหลายในตางประเทศมากวา 10 ป (Teeluck and Sutton, 1998) โดยมการผลตในเชงพาณชยจากหลายบรษทเชน สนคายหอ Aquapore ในประเทศออสเตรเลย (Teeluck and Sutton, 1998), บรษท Leeaky Pipe System (Leaky Pipe Systems Limited, 2009), บรษท Porous Pipe (Porous Pipe Limited, 2009) ในประเทศองกฤษ และยงมการใชงานจรงในอกหลายประเทศในแถบอเมรกา, ตะวนออกกลาง และยโรป (Porous Pipe Limited, 2009; Yoder and Mote, 1995) เนองจากสายยางนาซมสวนใหญผลตจากยางรถยนตเกาทไมไดใชแลวทาใหเปนการลดปรมาณขยะและยงชวยอนรกษสงแวดลอมไดอกดวย ในประเทศไทยไดมการผลตสายยางนาซมขนมาเพอการพาณชยในชวง 2-3 ปทผานมา ซงนบวายงเปนวธการใหนาทยงใหมอยสาหรบคนไทยทจะใชสายยางนาซมเพอการใหนากบพช ดงนนหากผใชนาสายยางนาซมไปใชโดยไมมขอมลเบองตนในการตดสนใจ อาจทาใหเลอกใชสายยางนาซมไม

เหมาะสมกบชนดของพชทปลก ดงนนเพอเปนขอมลเบองตนใหกบผใชงานเพอการใหนากบพช บทความวชาการนจงไดรวบรวมผลงานวจยของหลายทานโดยมวตถประสงคเพอใหผสนใจไดใชเปนขอมลและแนวทางในการใชสายยางนาซมเพอประโยชนในการใหนากบพชตอไป

2 สายยางนาซมคออะไร สายยางนาซม (Figure 1a) เปนวสดสาหรบการใหนาพชแนว

ใหม ตวสายยางผลตจากผงยางเกาทใชแลวผสมกบพอลเมอร ชนดตาง ๆ และทาใหเกดรพรนโดยสารใหฟอง (Blowing agent) และสารอนๆ ทจาเปน (ขนกบสตรของบรษทผผลต) ทาการขนรปดวยเทคนคการรด (Extrusion) ภายใตความรอนและแรงดนทออกแบบ (Amin et al., 1998; Teeluck and Sutton, 1998; อทธพล, 2552) เมอขนรปเสรจแลวสายยางจะมลกษณะเปนทอกลมทมความยดหยนสง (Porous Pipe Limited, 2009; Yoder and Mote, 1995) ขนาดเสนผานศนยกลางภายในและความยาวจะมความแตกตางกนออกไปตามความตองการของผใชงานและผผลต โดยมขนาดเสนผานศนยกลางภายในทนยมผลตในประเทศไทยเพอการจาหนายเทากบ 16 mm และความยาวทนยมผลตคอ 15, 30, 50 และ 100 m ผนงของสายยางมลกษณะขรขระและมรพรนขนาดเลกๆ รพรนดงกลาวนมขนาดเลกมากในระดบทมองไมเหนดวยสายตา เมอมการจายนาเขาสสายยาง นาจะหยดออกมาตามรพรนเหลาน (Figure 1b) อตราการจายนาของสายยางนาซมขนอยกบความดนนาตนสาย ความยาวของสายยาง และคณสมบตของสายยางแตละรน

3 การใหนากบพชดวยสายยางนาซม การใหน ากบพชดวยสายยาง นาซมเปนว ธการใหน า ท

คลายคลงกบระบบการใหนาแบบนาหยด (Melano and Kamaladasa, 1993; Teeluck and Sutton, 1998) เพราะเปนการใหนาปรมาณนอยอยางชาๆ แตใหบอยครงตามความเหมาะสมของพชและดน โดยใหนาเฉพาะบรเวณเขตรากพชเทานน อยางไรกตามการใหนากบพชดวยสายยางนาซมแตกตางกบการใหนาแบบนาหยดคอ นาจะซมออกมาตามรพรนของผนงสายยางตลอดความยาวสายดงนนดนจะเปยกตามแนวทสายยางพาดไป (Figure 2a) แตการใหนาแบบนาหยด นาจะหยดออกตามระยะหางของรทเปนหวจายนา (Emitter) ทกาหนดไว เชน 20 cm หรอ 30 cm เทานน ทาใหดนจะเปยกในบรเวณทหวนาหยดตดตงอย (Figure 2b)


36

ดงนนการใหนาดวยสายยางนาซมจงมความคลายคลงกบการใหนาแบบนาหยดแตกตางกนเพยงพนทเปยก โดยสามารถใหนากบพชบนผวดน (Figure 3a) ใตผวดน (Figure 3b) และสามารถประยกตใชไดกบการใหนาทงแบบแนวเสนตรง แบบแนวโคงงอ หรอแบบอนๆ ตามสภาพการปลกพช เนองจากสายยางนาซมมความยดหยนสง (Amin et al., 1998) อยางไรกตามเหตผลททาใหสายยางนาซมกาลงไดรบความนยมคอ การนามาใชเพอการใหนากบสวนแนวตงทมตนไมจดเรยงกนเปนแถวตอเนอง (Figure 3c) เนองดวยการใหนาดวยสายยางนาซมจะทาใหไมดอกไมประดบทปลกในแนวดงไดรบนาอยางสมาเสมอทวถงอกทงยงสามารถลดพนทการเกดจดนาขงทแลดเลอะเทอะเปรอะเปอนไดดกวาการใหนาแบบนาหยด

จะเหนไดวาสายยางนาซมสามารถประยกตใชไดกบการใหนากบพชหลายชนดตามความเหมาะสมของพชไดเปนอยางด ดงนนการเขาใจถงลกษณะการจายนา อตราการจายน า ความสมาเสมอของการจายนาจงมความสาคญอยางยงกบผทตองการใชงาน

a) Porous pipe.

b) Water seepage from micro pores of porous wall Figure 1 Porous pipe.

a) Porous pipe irrigation.

b) Drip irrigation. Figure 2 Wetting pattern.

a) Surface porous pipe irrigation.


37

b) Sub-surface porous pipe irrigation

c) Porous pipe irrigation in vertical garden Figure 3 Water irrigation with porous pipe.

4 ลกษณะการจายนาของสายยางนาซม สายยางนาซมทผลตขนจากหลายบรษทมสวนผสมหลกคอผง

ยางเกากบโพลเมอรเหมอนกนแตมเทคนคและสตรการผลตทแตกตางกน จากการทดสอบลกษณะการจายนาของสายยางนาซมโดยนกวจยหลายทาน (Leaky Pipe Systems Limited, 2009; Nayanakantha and Seneviratne, 2003; Porous Pipe Limited, 2009; Saad and Marino, 2002; Teeluck and Sutton, 1998) พบวาลกษณะการจายนาของสายยางนาซมมลกษณะคลายกนคอ เมอเรมจายนาเขาสายยางจะมหยดนาเลกๆ ผดออกมาจากสายยางมากในชวงแรก (Figure 4a) ตลอดสาย หยดนาเลก ๆ นจะเรมมปรมาณนอยลงเมอเวลาผานไปจนกระทงหยดนาดงกลาวนจะเปลยนเปนลกษณะของการซมผานสายยาง (Figure 4b) หลงจากผานชวงเวลาของการบมสายยางแลวอยางไรกตามปรมาณนาทไหลออกมาขนอยกบความดนนาตนสาย ความยาวของสายยาง และคณสมบตทางกายภาพของสายยาง (Amin et al., 1998; Teeluck and Sutton, 1998; พรลขตและสมชาย, 2554)

a) Water droplets rise through the porous wall.

b) Water seepages percolate through the porous wall. Figure 4 Water passing through the porous wall.

5 อตราการจายนาของสายยางนาซม อตราการจายนานบวาเปนตวแปรสาคญทผออกแบบการให

นาใชในการตดสนใจวางแผนการใหนากบพช สาหรบสายยางนาซมนนมตวแปรทสาคญทมผลกระทบตออตราการจายนาคอ ชวงเวลา ความยาวสายยาง และความดนนาตนสาย โดยมรายละเอยดดงน

5.1 อตราการจายนาของสายยางนาซมเปรยบเทยบกบเวลา จากผลวจยเพอหาอตราการจายนาของสายยางนาซมของ

นกวจยหลายทาน (Nayanakantha and Seneviratne, 2003; Saad and Marino, 2002; Teeluck and Sutton, 1998; ปนดดา, 2552; พรลขต และสมชาย, 2554) พบวาเมอจายนาเขาสายยางทยงไมเคยใชงานมากอนดวยความดนนาตนสายคงท อตราการจายนาของสายยางนาซมมปรมาณทสงมากในชวงแรกและเรมลดลงเมอเวลาผานไปจนมปรมาณทเกอบคงทเมอผานกระบวนการบมสายยางแลวดง Figure 5 ซงกระบวนการบม (Curing process) คอ การนาสายยางใหมมาอดนาเขาไปเพอใหอตราการจายนาของสายยางนาซมมคาคงท


38

a) Source: Teeluck and Sutton (1998).

b) Source: Somchai et al. (2010). Figure 5 Discharge (flow rate) characteristics of porous pipe versus time.

จาก Figure 5 พบวาอตราการจายนาของสายยางนาซมในชวงเรมตนของการอดนาเขาสายยางมคามากกวาอตราการจายนาเมอผานชวงของการบมสายยางแลวมากกวา 10 เทา (อตราสวนนอาจมการเปลยนแปลงเมอสตรของการผลตสายยางนาซมเปลยนไป) ซงถอวาสงมากหากเกษตรกรผใชสายยางไมทราบขอมลเหลานอาจมการออกแบบอตราการจายนากบพชผดได อยางไรกตามเมอเวลาผานไปชวงหนงอตราการจายนาของสายยางนาซมมคาคอนขางคงท ชวงเวลาทนอยทสดททาใหอตราการไหลตลอดสายยางนาซมมคาคอนขางคงทเรยกวา ชวงเวลาทใชบมสายยาง (curing time) และหากผานชวงการบมไปแลวนน อตราการจายนาจะไมเปลยนแปลงเมอเวลาเพมขน โดยชวงเวลาดงกลาวนขนอยกบคณสมบตของสายยางนาซมเปนหลก (พรลขตและสมชาย, 2554)

ปนดดา (2552) พบวาชวงเวลาทเหมาะสมในการบมสายยางควรมากกวา 22 h พรลขต และสมชาย (2554) พบวา ระยะเวลาทเหมาะสมอยทประมาณ 28 h ในขณะท Teeluck and Sutton (1998) พบวาระยะเวลาทเหมาะสมควรใชเทากบ 25 h อยางไรกตามนกวจยทกทานแนะนาใหใชความดนในการบมสายยางประมาณ 2 เทาของความดนใชงาน แตตองระวงอยา

ใ หสายยาง เ กดการฉกขาด และเ พอ ใ หสายยาง นา ซม มประสทธภาพสงในการใชงาน การทาการบมสายยางนนตองใชนาสะอาดเพอหลกเลยงปญหาการอดตนทอาจเกดขนได

5.2 อตราการจายนาของสายยางนาซมตามความยาวสายยาง จากการทดลองของนกวจยเพอหาอตราการจายนาของสาย

ยางนาซมเปรยบเทยบกบความยาวพบวาสาหรบสายยางทยงไมเคยใชงานเมอเรมตนจายนาเขาสาย อตราการจายนาในชวงตนสายมปรมาณสงมากและลดลงตามความยาวของสายยางทเพมขน เนองจากมการสญเสยพลงงานการไหลระหวางการไหลสงมากในชวงเรมตนของการจายนา (Amin et al., 1998) ความแตกตางของอตราการจายนาตลอดความยาวของสายยางนนจะมคาลดลงเมอเวลาผานไป จนกระทงเมอผานชวงเวลาการบมสายแลวอตราการจายนาตลอดความยาวสายยางจะมคาคอนขางใกลเคยงกนดง Figure 6 อยางไรกตามอตราการจายนาของสายยางนาซมบางเสนอาจไมเปนไปตาม Figure 6 เนองจากกระบวนการผลตทไมสามารถควบคมการผลตใหทกเสนมคณสมบตเหมอนกนได (Nayanakantha and Seneviratne, 2003; Saad and Marino, 2002) เชน ความพรนของสายยางตลอดความยาวมความแตกตางกนมาก หรอผนงของสายยางบางชวงมการฉกขาด สงผลใหอตราการจายนาในชวงนนๆ สงมากกวาตาแหนงอน

Figure 6a เปนผลการทดลองของ Teeluck and Sutton (1998) โดยใชสายยางนาซมของ Leaky Pipe ในประเทศออสเตรเลย ขนาดเสนผานศนยกลางภายในของสายยางนาซม 16 mm ยาว 6 m และใชความดนนาตนสายเทากบ 20 kPa พบวาเ มอเ รมตนการทดลองอตราการจายน า ท ตนสายมคาประมาณ 70 l h-1 m-1 ในขณะทกลางสายมคาประมาณ 40 l h-1 m-1 และทปลายสายมคา ประมาณ 32 l h-1 m-1 ในขณะทผลการทดลองของพรลขต และสมชาย (2554) ดง Figure 6b ซงใชรปแบบการทดลองทคลายกบงานของ Teeluck and Sutton (1998) แตใชสายยางนาซมทผลตขนในประเทศไทยจากบรษทเจรญภทรพานช ความยาวสายยาง 15 m ขนาดเสนผานศนยกลางภายในเทากบ 16 mm และความดนนาตนสายเทากบ 30 kPa จากการทดสอบพบวาอตราการจายนาทตนสายมคาถง 90 l h-1 m-1 จากนนลดลงเหลอ 25 l h-1 m-1 ทกลางสาย และมคาเพยง 16 l h-1 m-1 ทปลายสาย ในขณะทเมอเวลาผานไปความแตกตางระหวางอตราการจายนาตลอดสายยางมแนวโนมลดลงจนกระทงมคาใกลเคยงกนมากเมอผานชวงเวลาของการบมสายแลว จากงานวจยของ Teeluck and Sutton (1998) และ


39

พรลขต และสมชาย (2554) ทาใหสามารถสรปไดวาอตราการจายนาของสายยางนาซมมปรมาณสงมากในชวงตนสายและจะลดลงเมอความยาวสายยางเพมขน อยางไรกตามอตราการจายนาของสายยางนาซมในแตละชวงของความยาวจะมคาใกลเคยงกนมากขนเมอเวลาผานพนชวงเวลาของการบมสายยางแลว (Amin et al., 1998; Donjadee et al., 2010; Teeluck and Sutton, 1998; Yoder and Mote, 1995)

a) Source: Teeluck and Sutton (1998).

b) Source: พรลขต และสมชาย (2554). Figure 6 Discharge characteristic versus porous length.

5.3 อตราการจายนาของสายยางนาซมเปรยบเทยบกบความดน จากงานวจย ทผ านมาพบวาหากสายยางมคณสมบ ต

เหมอนกน และความยาวทใชงานมคาเทากน อตราการจายนาขนอยกบความดนนาตนสายทจายเขาสายยางเชน พรลขต และสมชาย (2554) ไดทดสอบหาอตราการจายนาของสายยางนาซม โดยใชสายยางนาซมทมขนาดเสนผานศนยกลางภายใน 16 mm ยาว 15 m พบวาอตราการจายนาหลงจากผานชวงการบมสายแลวมคาคอนขางคงทโดยมคาอยระหวาง 0.42 ถง 4.5 l h-1 m-1 ทความดนนาตนสาย 30 ถง 70 kPa โดยมคาความแปรปรวนอยท 0.07 ถง 0.18 l h-1m-1 ดงแสดงใน Figure 7

Figure 7 Discharge characteristic versus pressure Source: พรลขต และสมชาย (2554).

ภาควชาเคม คณะวทยาศาสตร สถาบนเทคโนโลยพระจอมเกลาเจาคณทหารลาดกระบง รวมกบบรษท แสงไทยผลตยาง จากด ไดทดสอบหาอตราการจายนาของสายยางนาซมพบวาเมอใชสตรการผสมทเหมาะสม สามารถผลตทอนาซมทมสมบตเชงกลทด และมอตราการไหลของนาอยในชวง 0.32 ถง 0.45 l h-1 m-1 cm-2 นอกจากน ภณศา และรตนาวล (2553) ไดทาการทดสอบกบสายยางนาซมทมความยาวไมเกน 15 m โดยใชความดนนาตนสาย 25 ถง 200 kPa พบวาอตราการจายนาของสายยางนาซมมแนวโนมเพมขนในเชงเสนตามความดนนาตนทางทเพมขน นกวจยหลายกลมสรปตรงกนวาอตราการจายนาของสายยางน า ซมมคาเ พม ขนเ มอความดนน า ตนสายมคาเ พม ขน (Donjadee et al., 2010; Khorramain and Mirlatifi, 2000; Teeluck and Sutton, 1998; ปนดดา, 2552; พรลขต และสมชาย, 2554; สทธชย, 2552) นกวจยบางทาน (Kang, 2000; Povoa and Hills, 1994) ยงพบอกดวยวาความดนนาตนสายเปนตวแปรทมผลตอการเปลยนแปลงอตราการจายนาของสายยางนาซมมากทสด

6 ความสมาเสมอของการจายนาของสายยางนาซม ความสมาเสมอในการใหนา คอดชนทใชวดวาพนททมการให

นาดวยระบบชลประทานใดๆ ไดรบปรมาณนาในปรมาณทเทากนหรอแตกตางกนมากนอยเพยงใด จะเหนวาเมอมการใหนาไมวาจะเปนระบบใดกตาม การจะดวาการใหนามความสมาเสมอมากนอยอยางไร สามารถหาไดจากการตรวจสอบปรมาณนาทไดรบในแตละจดแลวนามาเปรยบเทยบกน หากแตกตางกนมากกแสดงวาความสมาเสมอไมด ในขณะเดยวกนหากแตละจดไดรบปรมาณนาทใกลเคยงกน แสดงวามความสมาเสมอดนนเอง การตรวจสอบความสมาเสมอของการใหนาดวยสายยางนาซมมความ

Length


40

แตกตางกบการตรวจสอบดวยระบบนาหยดเลกนอย โดยทระบบนาหยดจะทาการวดปรมาณนาทหยดออกมาในแตละหวจายไดโดยตรงและนาคามาเปรยบเทยบกน แตสายยางนาซมจาเปนตองแบงสายยางออกเปนชวง (Segment) โดยแตละชวงตองมความยาวเทาๆ กน ผลการทดสอบจากนกวจยหลายทานพบวาคาความสมาเสมอของการใหนาแบบสายยางนาซมนนมคาอยในเกณฑตงแตตาจนถงสง เชน Teeluck and Sutton (1998) ทดสอบกบสายยาง 6 m วดปรมาณนาทกชวง ชวงละ 10 cm และใชความดนนาตนสาย 20 ถง 30 kPa พบวาความสมาเสมอของการจายนาของสายางนาซมมคาสมประสทธแหงความแปรผน (Coefficient of variance, CV) อยระหวาง 25 ถง 48% ซงอยในเกณฑตาเมอเปรยบเทยบกบมาตรฐานของ ASAE EP405.1 สาหรบการใหนาแบบระบบจลภาค พรลขต และสมชาย (2554) ทาการทดสอบกบสายยางนาซม ขนาดเสนผานศนยกลาง 16 mm ยาว 15 m และใชความดนนาตนสาย 30 ถง 70 kPa โดยคานวณคาความสมาเสมอจากสมการทเสนอโดย Keller and Karmeli (1974) ดงสมการท 1 และเกณฑตามตารางท 1 พบวามคาอยในชวง 48.7 ถง 71.3% ทคาสวนเบยงเบนมาตรฐาน (standard deviation) 1.7 ถง 4.03% ซงอยในเกณฑตงแตตาถงปานกลาง

100lqdEu xd

(1)

เมอ Eu คอ คาความสมาเสมอการกระจายนา (%), lqd คอ

คาเฉลยของคาทตา จานวน 1 ใน 4 คา และ d คอ คาเฉลยจากคาความลกทงหมด

Table 1 Criterion for discharge uniformity with propose by Keller and Karmeli (1974)

Level Very high High Medium Low Very

lowEu (%) 94-100 81-87 68-75 56-62 < 50

ปนดดา (2552) ทดสอบกบสายยางนาซมขนาดเสนผานศนยกลางภายใน 16 mm ยาว 50, 100, 150 และ 200 m และใชความดนนาตนสาย 30 ถง 70 kPa พบวาคาความสมาเสมอของการใหนามคาอยระหวาง 16 ถง 87% ซงอยในเกณฑตาจนถงสง โดยมคาเฉลยอยในเกณฑปานกลาง (Keller and Karmeli, 1974) นอกจากน ภณศา และรตนาวล (2553) ไดทดสอบกบสายยางนาซมขนาด16 mm ยาว 1, 6, 10 และ 15 m ใชความดนนาตนสาย 25 ถง 200 kPa พบวาคาความ

สมาเสมอมคาอยระหวาง 51 ถง 87% ซงอยในเกณฑตงแตปานกลางถงสง (Keller และ Karmeli, 1974) Gautam et al., (2011) ไดทดสอบชลศาสตรการไหลของสายยางนาซมทฝงใตดนทความลก 15 ถง 30 cm ทดสอบดวยความดนนาตนสาย 20 ถง 30 kPa พบวา ความแตกตางของการจายนาของแตละเสนมคาอยในชวง 12 ถง 24% โดยนกวจยหลายทาน (Donjadee et al., 2010; Kang, 2000; Khorramain and Mirlatifi, 2000; Teeluck and Sutton, 1998; ปนดดา, 2552; พรลขต และสมชาย, 2554; ภณศา และรตนาวล, 2553; สทธชย, 2552) สรปตรงกนวา คาความสมาเสมอขนอยกบลกษณะกายภาพของสายยางเปนหลก อยางไรกตาม ปนดดา (2552) และ ภณศา และรตนาวล (2553) ชใหเหนวาคาความสมาเสมอของการจายนานนมคาลดลงเมอความยาวสายยางเพมขน

7 สรป สายยางนาซมเปนเทคโนโลยการใหนากบพชทเกดจาก

แนวคดทจะอนรกษสงแวดลอมและลดการใชขยะทเกดจากการใชผลตภณฑยาง สายยางนาซมจงผลตจากผงยางเกาทใชแลวผสมกบพอลเมอรโดยทาใหเกดรพรนทผนงสายยางและขนรปดวยเทคนคการรด เมอขนรปเสรจแลวสายยางมลกษณะเปนทอกลมทมความยดหยนสง การใหนากบพชดวยสายยางนาซมเปนรปแบบหนงของการใหนาแบบจลภาคทมความคลายคลงกบการใหนาแบบหยด เพราะเปนการใหนาปรมาณนอยอยางชา ๆ แตใหบอยครงตามความเหมาะสมของพชและดน และใหนาเฉพาะบรเวณเขตรากพชเทานน โดยนาจะซมออกมาตามรพรนของผนงสายยางตลอดความยาวสาย ดงนนดนจะเปยกตามแนวทสายยางพาดไป และสามารถใชใหนากบพชทงบนดน ใตดน และกบสวนแนวตง สาหรบสายยางนาซมทยงไมเคยผานการใชงานเมอเรมจายนาเขาสายยางนาซมจะมหยดนาเลก ๆ ผดออกมาจากสายยาง โดยทอตราการจายนาของสายยางนาซมมปรมาณทสงมากในชวงแรกและเรมลดลงเมอเวลาผานไปจนมปรมาณทไมคอยเปลยนแปลงมากนกเมอผานชวงเวลาการบมสายยาง ปรมาณหยดนาดงกลาวนจะเปลยนเปนลกษณะของการซมผานสายยาง การบมสายยางควรใชนาสะอาดและเวลาทใชบมอยางนอย 28 hr โดยใชความดนในการบมประมาณ 2 เทาของความตองการการจายนา แตตองระวงอยาใหสายยางเกดการฉกขาด และอตราการจายนาของสายยางขนอยกบความดนนาใชงานตนสายทจายใหกบสายยาง, ความยาวสายยาง และคณสมบตทางกายภาพของสายยาง ถงแมวาการใหนากบพชดวยสายยางนาซมจะสามารถ


41

ลดขอดอยของการใหนาแบบนาหยดตรงทสามารถจายนาไดตลอดความยาวสาย (นาหยดจะใหนาเฉพาะจดทหวนาหยดตดตงอย) แตความสมาเสมอของการจายนายงอยในเกณฑเฉลยทระดบปานกลางซงมคานอยกวาระบบนาหยด ดงนนหากนาไปใชใหนากบพชอาจมประสทธภาพดอยกวาการใหนาแบบนาหยด อยางไรกตามคาความสมาเสมอของการใหนาดวยระบบสายยางนาซมนนขนอยกบลกษณะกายภาพของสายยางเปนหลกดงนนหากมการพฒนาสตรการผลตสายยางนาซมใหมประสทธภาพดขน กสามารถนามาใชเพอการใหนากบพชไดเปนอยางด อยางไรกตามนกวจยทกทานกลาววาสายยางนาซมสามารถนามาใชเพอการใหนากบพชไดหลายชนดแตตองทราบถงวธการใชงานทเหมาะสม อยา ง ไรก ตามนอกจาก นควรม การศ กษาถ งประสทธภาพของสายยางนาซมในดานอนเชน ปญหาการอดตนในสายยาง, อายการใชงาน และวสดผสมทจะทาใหประสทธภาพของสายยางนาซมดขน เปนตน

8 เอกสารอางอง ปนดดา การนทร. 2552. การศกษาผลกระทบของความยาวทอ

และความดนตออตราการไหลและความสมาเสมอของสายย า ง น า ซ ม . ภาค ว ช า ว ศ ว ก ร รมชลป ร ะท าน คณะวศวกรรมศาสตร กาแพงแสน มหาวทยาลยเกษตรศาสตร, นครปฐม 149 หนา.

พรลขต ทองรอด และสมชาย ดอนเจดย. 2554. ประสทธภาพการใหนาของสายยางนาซม. การประชมวชาการ ครงท 8 มหา วทยา ลย เกษตรศาสต ร วทยา เขตก าแพงแสน . มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตกาแพงแสน. นครปฐม.

ภณศา เมองเกา และรตนาวล ฮกงวน. 2553. การศกษาผลกระทบของความดนตออตราการไหลและความสมาเสมอของการใหน า ดวยสายยางนา ซม . ภาควชาวศวกรรมชลประทาน คณะวศวกรรมศาสตร กาแพงแสน มหาวทยาลยเกษตรศาสตร., นครปฐม 53 หนา.

มนตร คาช. 2532. หลกการชลประทานแบบหยด การออกแบบและการแกปญหา. ภาควชาวศวกรรมชลประทาน คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเกษตรศาสตร. นครปฐม.

วบลย บญยธโรกล. 2526. หลกการชลประทาน. ภาควชาว ศ ว ก ร ร ม ช ล ป ร ะ ท า น ค ณ ะ ว ศ ว ก ร ร ม ศ า ส ต ร มหาวทยาลยเกษตรศาสตร. กรงเทพฯ.

สทธชย อดมสนวรกล. 2552. การประเมนผลกระทบของรปแบบการตดตงสายยางนาซมตออตราการไหลและความสมาเสมอ. ภาควชาวศวกรรมชลประทาน คณะวศวกรรมศาสตร กาแพงแสน มหาวทยาลยเกษตรศาสตร. นครปฐม 35 หนา.

อทธพล แจงชด. 2552. "ทอนาซมจากผงยางรถยนต ส า ห ร บ ง า น เ ก ษ ต ร ก ร ร ม . แ ห ล ง ข อ ม ล :

http://www.kmitl.ac.th/~kjittipo/res-porouspipe.htm. Accessed 8 ส.ค. 2552

Amin, M. S. M., Lim, C. W. and Zakaria, A. A. 1998. Flow characteristics of a porous pipe irrigation lateral. Pertanika Journal of Science & Technology 6, 37-46.

Donjadee, S., Cherdchanpipat, N., Kwanyuen, B. and Yosufi, A. T. 2001. Porous pipe irrigation: a water saving technology. Agriculture for better living and global economy, Nong Nooch Tropical Botanical Garden & Resort, Pattaya, Thailand.

Kang, Y. 2000. Effect of operating pressure on microirrigation uniformity. Irrigation Science, 20(1), 23-27.

Keller, J. and Karmeli, D. 1974. Trickle irrigation design parameters. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers, 17(4), 678-684.

Khorramain, M. and Mirlatifi, S. M. 2000. Hydraulics of porous pipe evaluation. Journal of Soil and Water Science, 2, 177-188.

Leaky Pipe Systems Limited. 2009. Leaky pipe porous hose system/garden water conservation. Available at:http://www.leakypipe.co.uk. 2009. (aAccessed 12 May 2009).

Melano, H. M. and Kamaladasa, N. N. 1993. Summary of test results of porous irrigation pipe "Leaky Hose. Faculty of Engineering, International Development Technilogies Centre, The University of Melbourne, P 18.


42

Nayanakantha, N. M. C. and Seneviratne, P. 2003. Influence of a porous pipe micro-irrigation system on growth of rubber seedlings Water Professionals’ Symposium, Water Resources Research in Sri Lanka, Sri Lanka.

Porous Pipe Limited. 2009. Porous pipe limited - U.K. [online]. Available at: http://www.porouspipe.co.uk. 2009. Accessed 12 May 2009.

Povoa, A. F. and Hills, D. J. 1994. Sensitivity of microirrigation system pressure to emitter plugging and lateral line perforations. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers 37.

Saad, J. C. and Marino, M. A. 2002. Optimum design of microirrigation system in sloping lands. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 128, 116-124.

Teeluck, M. and Sutton, B. G. (1998). Discharge characteristics of a porous pipe microirrigation lateral. Agricultural Water Management 38, 123-134.

Yoder, R. E. and Mote, C. R. 1995. Porous pipe discharge uniformity. Microirrigation for a Challenging Word, Proceedings of the Fifth International Microirrigation Congress, 2-6 April 1995, Orlando, Fl, pp. 750-755.


43



การหาไอโซเทอมความชนของวสดทแลกเปลยนความชนไดด Determination of Moisture Sorption Isotherm for Hygroscopic Materials ชนนท ราษฎนยม*, สเนตร สบคา Chanun Rardniyom*, Sunate Surbkar คณะวศวกรรมและอตสาหกรรมเกษตร, มหาวทยาลยแมโจ, เชยงใหม, 50290 Faculty of Engineering and Agro-industry, Maejo University, Chiang Mai, 50290 *Corresponding author: Tel: 086-6592018 E-mail: [email protected]

บทคดยอ ไอโซเทอมความชนคอ ความสมพนธระหวางคาความชนสมดลของวสดกบคาความชนสมพทธสมดลของอากาศหรอคาวอ

เตอรแอคตวต ณ อณหภมใดอณหภมหนง และเปนพารามเตอรทสาคญในการศกษาแบบจาลองการอบแหง บทความวชาการเรองนนาเสนอวธการหาคาความชนสมดลของวสดทแลกเปลยนความชนไดด 3 วธ คอ (1) วธสถตย ซงทาไดโดยการใสวสด (แหงหรอชน) ในภาชนะปดสนททควบคมใหมคาความชนสมพทธของอากาศหลายๆ คา ณ อณหภมหนง แลววดคานาหนกทแตกตางกนไปเมอวสดเขาสจดสมดลในสภาวะแวดลอมทตางกน, (2) วธจลน เปนวธทมการเปลยนแปลงคาวอเตอรแอคตวตแบบอตโนมตพรอมๆ กบมการวดคานาหนกของวสดทเปลยนแปลงจนกระทงเขาสจดสมดลในระดบทยอมรบได และ (3) วธการวดคาวอเตอรแอคตวตจากจดกลนตวของนาโดยเซนเซอร Chilled mirror dewpoint พรอมๆ กบการวดคาความชนของวสดซงวดไดตลอดเวลาโดยไมตองรอใหวสดเขาสจดสมดลกบสภาวะแวดลอม การฟตคาความชนสมดลของวสดกบคาความชนสมพทธสมดลของอากาศหรอคาวอเตอรแอคตวตทไดจากการทดลองดวยวธใดวธหนงดงกลาวเขากบสมการไอโซเทอมจะไดคาคงทของสมการไอโซเทอม ทงนพารามเตอรทางสถตจะเปนเครองมอในการตดสนความสามารถของสมการไอโซเทอมในการทานายคาความชนสมดลของวสด คาสาคญ: ความชนสมดล, วสดทแลกเปลยนความชนไดด, ไอโซเทอมความชน Abstract

Moisture sorption isotherm is the relationship between equilibrium moisture content (EMC) of a sample and equilibrium relative humidity or water activity at a specific temperature, which is essential for developing drying models. This article describes three methods for determining EMC of hygroscopic materials. (1) The static desiccator isotherm method is performed by placing the product (dried or hydrated) into a humidity control chamber at constant temperatures and followed by measurements of the weight gain or loss with time until equilibrium is reached. (2) The dynamic sorption method is an automated determination of water activity simultaneously with measurements of the sample’s weight changes until an acceptable level is reached. (3) The dynamic dewpoint isotherm method measures water activity directly by using a standard chilled mirror dewpoint sensor and moisture content is gravimetrically tracked using an electronic balance. In the last method, the sample is not required to equilibrate to a known water activity level; rather its water activity is directly measured at each point. By fitting the experimental equilibrium moisture content – equilibrium relative humidity (water activity) data acquired by any method of isotherm determinations to the selected isotherm equation(s), isotherm equation constants are obtained. The level of discrepancy between the proposed model and the experimental data is explained by statistical parameters. Keywords: Equilibrium moisture content, Hygroscopic material, Moisture sorption isotherm


44

1 บทนา ความชนสมดล (Equilibrium moisture content, EMC

หรอ Me) คอ คาปรมาณความชนของวสดทตาทสดเทาทจะสามารถทาใหนาระเหยออกจากวสดได ณ ความชนและอณหภมของอากาศแวดลอมในขณะนน ซงคาดงกลาวเปนพารามเตอรทสาคญในการศกษากระบวนการอบแหงโดยเฉพาะการศกษาคาบเวลาการอบแหง (Drying period) เนองจากความแตกตางระหวางความชนของวสด ณ เวลาใดเวลาหนงขณะอบแหงกบความชนสมดลของวสด เปนตวบงชถงความเปนไปไดทจะทาใหความชนมการถายเทจากวสดออกไปสอากาศทอยแวดลอมในขณะนนได นอกจากนความชนสมดลยงมความสาคญตอการผสม (Mixing), การบรรจ (Packaging) และการเกบรกษา (Storage) ของวสดทแลกเปลยนความชนไดด (Hygroscopic material) ดวย เนองจากวสดดงกลาวเปนวสดทมการเปลยนแปลงความชนตามสภาวะแวดลอมตลอดเวลา จงทาใหมผลตอความสามารถในการดดความชนของวสดในกระบวนการผสม หรออาจสงผลใหวสดทผานกระบวนการบรรจแลวคายความชนกลบออกมาสะสมอยภายในบรรจภณฑ และอาจสงผลทาใหอายการเกบรกษาผลตภณฑสนลง ทงน ความชนทอยภายในวสดตางๆ อาจจะเปน นา, นามนหอมระเหย, ไขมน, ยางเหนยว, แอลกอฮอล, ตวทาละลายอนทรย หรอสารใหกลน กได แตในจานวนน นาถอเปนองคประกอบทสาคญทสดซงในวสดเกษตรอาจมปรมาณนามากถง 50-80% ของนาหนกของวสด ขนอยกบชนดและโครงสรางของเซลล ดงนนการแลกเปลยนความชนจะเกดขนระหวางตววสดเองกบสงแวดลอมจนกวาจะเขาสจดสมดลซงเปนสภาพทไมมการเพมหรอสญเสยความชนอกตอไป

กระบวนการอบแหงหรอลดความชนคอ ความพยายามลดความชนของอากาศในหองอบลง เพอทาใหวสดซงมสภาพเปยกทอยในหองอบคายความชนใหกบอากาศ ทกขณะทความชนของอากาศในหองอบลดลง วสดทถกอบจะพยายามปรบสมดลความชนลดลงตาม เพอใหเขาสสมดลใหมของอากาศแวดลอม สวนกระบวนการเพมความชนคอ ความพยายามเพมความชนของอากาศในหองขน เพอทาใหวสดซงมสภาพแหงดดความชนจากอากาศ โดยทกขณะทความชนของอากาศในหองเพมขน วสดทอยภายในหองจะพยายามปรบสมดลความชนเพมขนตาม เพอใหเขาสสมดลใหมของอากาศแวดลอม

ไอโซเทอมความชน (Moisture sorption isotherms) คอความสมพนธระหวางความชนสมดลของวสด (EMC of material) กบความชนสมพทธสมดลของอากาศ (Equilibrium

relative humidity, ERH, of air) ณ อณหภมใดอณหภมหนง หากทาการทดลองหาคาความชนสมดลของวสดทเปยกในภาชนะปดสนททมความชนสมพทธ (Relative humidity, RH) ของอากาศสงมาก (คา RH เรมตนใกลเคยงหนง) จะไดคา EMC สงมาก เมอทดลองในสภาวะอากาศทมความชนสมพทธตาลง จะไดคา EMC ลดลงตาม และเมอทดลองในสภาวะอากาศทเกอบไมมความชนอยเลย (คา RH ใกลเคยงศนย) คา EMC กจะใกลเคยงศนยดวย ความสมพนธระหวางความชนสมดลของวสดทกาลงลดลงกบความชนสมพทธสมดลของอากาศทกาลงลดลงเรยกวา ไอโซเทอมการคายความชน (Desorption isotherms) ในทางตรงกนขาม หากทาการทดลองหาคาความชนสมดลของวสดทแหงในภาชนะปดสนททมความชนสมพทธของอากาศตา (คา RH เรมตนใกลเคยงศนย) จะไดคา EMC ใกลเคยงศนย เมอทดลองในสภาวะอากาศทมความชนสงขน จะไดคา EMC สงขนตาม และเมอทดลองในอากาศทมความชนสมพทธสงมาก (คา RH ใกลเคยงหนง) คา EMC กจะสงมากดวย ความสมพนธระหวางความชนสมดลของวสดทเพมขนกบความชนสมพทธสมดลของอากาศทเพมขนเรยกวา ไอโซเทอมการดดความชน (Adsorption isotherms) (Figure 1)

วสดทแลกเปลยนความชนไดดแตละชนดจะมไอโซเทอมความชนทแตกตางกน เนองจากมปฏสมพนธระหวางความชนกบสวนประกอบทเปนของแขงแตกตางกน อนเนองมาจากผลของสมบตคอลลเกทฟ (Colligative effect) ผลของแรงแคปปลาร (Capillary effect) และผลของแรงดงดดระหวางโมเลกลของความชนกบโมเลกลทผวของวสด (Surface interaction) ทแตกตางกน แมจะเปนวสดชนดเดยวกน กยงมเสนกราฟไอโซเทอมการคายและการดดความชนทไมซอนทบเปนเสนเดยวกน ซงลกษณะดงกลาวแสดงใหเหนวาการคายและดดความชนของวสดเปนปรากฏการณทไมยอนกลบ (Hysteresis effect) (Figure 1) โดยขนาดของชวงหางระหวางไอโซเทอมทงสองนจะบงบอกถงความคงตวของผลตภณฑในระหวางการเกบรกษา (Storage stability) โดย Chen (2000) ศกษาการดดและคายความชนของถวลสงพบวา Hysteresis เกดในชวงความชนสมพทธ 0.30-0.75 สาหรบถวทงฝก แตสาหรบเมลดถวและเปลอกถว Hysteresis เกดขนตลอดชวงความชนสมพทธ (0-1) โดยขนาดของ Hysteresis ลดลงเมออณหภมของอากาศเพมขน โดยทอณหภม 5°C มขนาดของ Hysteresis ใหญกวาทอณหภม 45°C


45

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

RH

EM

CDesorption

Adsorption

Hysteresis

Figure 1 Typical equilibrium moisture content isotherms (adapted from Henderson et al., 1997).

ในการศกษาไอโซเทอมความชน บางครงคา ERH อาจแสดงอยในรปคาวอเตอรแอคตวต (Water activity, aw) (Gennadios and Weller, 1994; Yu et al., 1999) โดยคา aw นหมายถงปรมาณนาอสระทเปนประโยชนตอการเจรญเตบโตของจลนทรยและการเกดปฏกรยาเคมตางๆ คา aw สามารถนยามไดวาเปนความชนสมพทธสมดล ณ จดทวสดไมมการดดหรอคายความชน คา aw จงสามารถหาไดจากอตราสวนของความดนไอสงสดทวสดหนงๆ ม (P) ตอความดนไอของไอนา (Po) ณ อณหภมเดยวกน ดงสมการ

100 % 100wo

Pa ERH

P (1)

Brunauer et al. (1940, อางโดย Jayas et al., 1988) แบงลกษณะของไอโซเทอมการคายความชนเปน 5 ลกษณะดง Figure 2 ไอโซเทอมแบบท 1 เปนลกษณะของแบบจาลอง Langmuir ซงถอวาเปนแบบแรกและดงเดมทสดของไอโซเทอม เหมาะสาหรบพวกอนนทรยวตถ (Inorganic material) ซงเปนวตถทไมคอยมนาเปนสวนประกอบเชน ทราย หรอ วสดเสนใยชนดตางๆ แบบท 2 เปนรปตวเอส (Sigmoid) ซงวสดทางการเกษตรสวนมากมกมไอโซเทอมเปนแบบน สวนแบบท 3 ถง 5 จากการตรวจเอกสารพบวายงไมมการตงชอ สาหรบไอโซเทอมของการดดความชนนนยงไมมการแบงลกษณะเสนกราฟอยางชดเจน ดงนนการแบงตามลกษณะของไอโซเทอมการคายความชนของ Brunauer et al. (1940 อางโดย Jayas et al., 1988) นาจะใชได

Figure 2 Five classes of the moisture sorption isotherms classified by Brunauer et al. (1940 cited by Jayas et al., 1988).

สมประสทธ ซงแสดงความสมพนธทางคณตศาสตรเปนฟงกชนของความชนสมพทธของอากาศ และอณหภมของอากาศรอน สามารถหาไดจากโมเดลทางคณตศาสตรซงไดรบการยอมรบและตพมพในวารสารอางอง โดยในการหาคาพารามเตอรตางๆ ของสมการไอโซเทอม อาจใชการแกปญหาทางคณตศาสตรซงคอนขางใชเวลามากและยงยาก หรออาจใชเทคนคการวเคราะหแบบไมเปนเชงเสน (Nonlinear regression) ดวยโปรแกรมส า เ รจ รปทางสถ ตหลายโปรแกรมเชน SAS, STATPACK, STATVIEW, STATICA, SPSS หรอ, Excel เปนตน

2 สมการไอโซเทอม (Isotherm equations) Van den Berg and Bruin (1981) ก ล า ว ว า ม ส ม ก า ร

มากกวา 77 สมการทใชทานายไอโซเทอมการคายความชนของผลผลตเกษตร แตมาตรฐาน ASAE Standards (2003) แนะนารปแบบสมการทางคณตศาสตรทเลอกมาใชในการวเคราะหขอมลสาหรบผลผลตทางการเกษตรจากพช ดงตอไปน

สมการดดแปลงของ Henderson

1 exp BeRH A T C M (2)

สมการดดแปลงของ Chung-Pfost

exp exp100

eB MARH

T C

(3)

สมการดดแปลงของ Halsey

exp exp CeRH A B T M (4)

สมการดดแปลงของ Oswin


46

1

1

C

e

A B TRH

M

(5)

สมการของ Guggenheim-Anderson-de Boer (GAB)

1 1e

A B C RHM

B RH B RH B C RH

(6)

เมอ Me คอ ความชนสมดลมาตรฐานแหง (%), A, B, C คอ คาคงท (dimensionless), RH คอ ความชนสมพทธสมดลเปนทศนยม (dimensionless) และ T คอ อณหภมของอากาศ (°C)

วไล (2552) รายงานวาสมการทเหมาะกบอาหารแหงมากทสดคอสมการ GAB และสมการของ Brunauer-Emmett-Teller (BET) ซงมรปสมการดงน

1 1 1

oe

D M RHM

RH D RH

(7)

เมอ Mo คอ ความชนทอยในโครงสรางของเนอเยอวสด หรอ Monolayer moisture (%) และ D คอ คาคงทของสมการ BET

Colley et al. (2006) ใชสมการท 2 ถง 5 ในการศกษาไอโซเทอมความชนของ Switchgrass pellets พบวา สมการดดแปลง Chung-Pfost ใชไดดในชวง 0.2 ≤ aw≤ 0.85 สวน Yu et al. (1999) ศกษาพบวาไมมแบบจาลองใดทสามารถอธบายความชนสมดลของเชอรรและบลเบอรรไดตลอดชวงความชนสมพทธ โดยแบบจาลองดดแปลง Henderson ทานายไดดในชวงaw < 0.8 แบบจาลองดดแปลง Oswin and Halsey ใหผลเปนทยอมรบได และแบบจาลอง Halsey สาหรบaw > 0.8 สเนตร (2548) พบวาสมการดดแปลง Halsey สามารถทานายคาความชนสมดลของลาไยอบแหงทงเปลอกพนธดอไดถกตองทสด (R2 = 0.964) ในชวงอณหภม 20-40°C และความชนสมพทธซงควบคมโดยสารละลายเกลออมตว 8, 22.5, 44, 68.5, 75.5, 84.3 และ 98%

3 การประเมนความนาเชอถอของแบบจาลอง คาสมประสทธการตดสนใจ (R2) คาการลดลงไคกาลงสอง

(2) และคารากทสองของความคลาดเคลอนกาลงสองเฉลย (Root mean square error, RMSE) เปนพารามเตอรทางสถตซงชวยในการวเคราะหเปรยบเทยบเพอหาคาความแมนยาในการทานายคาความชนสมดลทเปลยนแปลงไปในระหวางการอบแหงดวยลมรอน (Sharma et al., 2005; Jain and Pathare, 2004; Lin et al., 2005; Waewsak et al., 2006) คา R2 เปน

คาพารามเตอรทางสถตทสาคญในการบงบอกคณภาพของรปแบบสมการในแบบจาลอง โดยยงมคาเขาใกล 1.0 แสดงวา

แบบจาลองยงมความแมนยามาก ในขณะทคา 2 และคา RMSE เปนพารามเตอรทางสถตทใชบงบอกความผดพลาดในการทานายคาของแบบจาลอง ดงนนแบบจาลองทมความแมนยาในการ

ทานายทเหมาะสม ควรจะมคา R2 มากแตมคา 2 และคา RMSE นอย โดยสมการแสดงการคานวณหาพารามเตอรดงกลาว มดงน

2

, ,2 1

2 2, ,

1 1

n

e ex e predi

n n

e ex e predi i

M MR

M M

(8)

2

, ,2 1

N

e ex e predi

M M

N n

(9)

2

, ,1

N

e ex e predi

M MRMSE

N

(10)

เมอ Me,ex คอ ความชนสมดลของวสดทไดจากการทดลอง (% มาตรฐานแหง), Me,pred คอ ความชนสมดลของวสดทไดจากการทานาย (% มาตรฐานแหง), N คอ จานวนคาสงเกต และ n คอ จานวนคาคงทในแบบจาลอง

4 วธการหาความชนสมดล การศกษาความชนสมดลของวสดทแลกเปลยนความชนไดด

สามารถทาไดหลายวธ มทงวธทใชเวลายาวนานดวยอปกรณพนฐานอยางงายๆ และประหยดคาใชจายไปจนถงวธทใชเวลาสนๆ ดวยอปกรณทมความแมนยาสงแตมกมราคาแพง ทงนสามารถแบงออกเปน 3 วธ ดงน

1) Static desiccator isotherm method ห ร อ ว ธ เ ช งสถตย เปนว ธ ท วสดเ ขาสจดสมดลกบสภาพแวดลอมโดยปราศจากการรบกวนทางดานพลศาสตรของอากาศ นนคอ การปลอยใหผลผลตสมผสกบอากาศแวดลอมจนกวาจะถงจดสมดล หลงจากนนจงมการวดความชนของวสด ณ จดสมดล (Figure 3) โดยนยมนาสารเคมทมความสามารถในการดดความชนสวนเกนมาใชไดแก สารละลายเกลออมตวหรอสารละลายกรด โดยทวๆ ไปนยมใชสารละลายเกลออมตวเพราะวาการกดกรอนนอยและราคาถกกวา สวนสารละลายกรดนนกดกรอนโลหะงายจงไมนยม


47

ใช อยางไรกตามวสดเกษตรจะใชเวลานานมากในการเขาสจดสมดลภายใตสารละลายทงสองชนด จงทาใหเกดเชอราขนไดในระหวางทวสดอยภายใตความชนสมพทธสงๆ ดงนนควรใสสารเคมตอไปนในอปกรณทปดสนทไดแก คารบอนไดออกไซด 0.12, 0.18 และ 0.45% โดยปรมาตร สาหรบความชนสมพทธ 69, 74 และ 87.5% ตามลาดบ (Henderson, 1973) ไธมอล (Thymol) ทบรรจในหลอดทดลอง (Yu et al., 1999; Rahman et al., 2002) หรอ โทลอน (Toluene) ทบรรจในหลอดทดลอง (Labuza, 1984; Maskan and Gögüç, 1998; Fan et al., 1998) หรอคลกตวอยางกบสารละลาย 2% ของสารละลายผสมระหวางกรด Propionic 40% และ กรดนาสม (Acetic acid) 60% ในสารละลาย 2% Sodium benzoate โดยน าหน ก (Zuritz et al., 1979)

สารละลายเกลออมตวทจะนามาใชตองมคณสมบตคอ สามารถรกษาความชนสมพทธของอากาศเหนอสารละลายเกลอโดยไมเปลยนแปลงหรอเปลยนแปลงเลกนอยเมออณหภม

เปลยนไป ความสามารถของสารละลายเกลออมตวแตละชนดไมเหมอนกน และนอกจากน ยง ขนอยกบ ความเขมขนของสารละลายทใช และอณหภมรอบๆ สารละลาย ตวอยางสารละลายเกลออมตวทใชในการควบคมความชนสมพทธในการทดลองหาความชนสมดลแสดงใน Table 1 ซงรวบรวมจากผลงานวจยทตพมพในระดบนานาชาตหลายเรอง แตสวนใหญดดแปลงจาก AOAC (1995)

Figure 3 Schematic diagram of the static desiccator isotherm method. (Carter, 2008).

Table 1 Standard saturated salt solutions to maintain desired relative humidity in a sealed chamber (สเนตร, 2548). Saturated salt solution %RH Saturated salt solution %RH

Sodium hydroxide (NaOH) 6.0 Strontium chloride (SrCl2) 70.9Potassium hydroxide (KOH) 8.0 Sodium nitrate (NaNO3) 74.3

Lithium chloride (LiCl) 11.3 Sodium chloride (NaCl) 75.3Potassium acetate (CH3COOK) 22.5 Ammonium sulphate ((NH4)2SO4) 81.0Magnesium chloride (MgCl2) 32.8 Potassium chloride (KCl) 84.3Potassium carbonate (K2CO3) 44.0 Strontium nitrate (Sr(NO3)2) 85.1Magnesium nitrate (Mg(NO3)2) 52.8 Barium chloride (BaCl2) 90.2

Sodium bromide (NaBr) 57.6 Potassium nitrate (KNO3) 93.6Cobalt chloride (CoCl2) 64.9 Zinc sulphate (ZnSO4) 95.0

Magnesium acetate (Mg(C2H3O2)2) 65.0 Potassium sulphate (K2SO4) 97.3Potassium iodide (KI) 68.9 Copper sulphate (CuSO4) 98.0

วสนต และคณะ (2555) ศกษาแบบจาลองทางคณตศาสตร

ความชนสมดลของยางพาราแผนโดยใชสารละลายเกลออมตว 6 ชนด คอ LiCl, MgCl2, Mg(NO3)2, KI, NaCl และ (NH4)2SO4 ในขวดโหลทใสในตอบทมอณหภมตงแต 40-60°C เพอสรางบรรยากาศทมคา aw อยในชวง 0.10-0.82 Menkov et al. (2004) ศกษาไอโซเทอมความชนของแปงมนฮอ (Walnut) โดยใชสารละลายเกลออมตว 7 ชนดคลายๆ กน คอ LiCl, MgCl2, CH3COOK, K2CO3, NaBr, NaCl และ KCl แตศกษาทอณหภม

10, 25 และ 40°C เพอใหไดคา aw อยในชวง 0.11-0.85 แตกอนการศกษาไอโซเทอมการคายความชน แปงมนฮอถกทาใหแหงโดยเกบไวในบรรยากาศของ Phosphorus pentoxide (P2O5) ท อณห ภ ม ห อ ง เป น เ วล า 20 d AhmadiChenarbon and Hasheminia (2011) ศกษาไอโซเทอมความชนของใบลาเวนเดอรในชวงคา aw ระหวาง 0.11-0.85 ทอณหภม 30, 40 และ 50°C ซ ง ก ใ ช ส า ร ล ะ ล า ย เ ก ล อ อ ม ต ว ข อ ง LiCl, MgCl2, CH3COOK, K2CO3, NaCl และ KCl ดงเชนการทดลองอน แตใช


48

สารละลายเกลอ Sodium nitrite (NaNO2) แทนทจะเปน Sodium nitrate (NaNO3)

2) Dynamic sorption method หรอ ว ธ จลน เป นการปลอยใหวสดสมผสกบอากาศแวดลอม โดยทาใหอากาศหรอผลผลตเกดการเคลอนไหว แลวตรวจวดนาหนกของวสดเพอหาคาความชนสมดล โดยความชนของอากาศจะถกวดดวยเซนเซอรความชนสมพทธ (RH sensor) ดงแสดงใน Figure 4 วธนการเขาสจดสมดลจะเปนไปอยางรวดเรวจงเหมาะกบวสดทมความชนสงเพราะการใช ว ธส ถตยผลผลตอาจจะเสยหายไดจากการเจรญเตบโตของเชอรา คาความชนทวดไดกอาจจะไมถกตอง แตอยางไรกตามวธนตองใชเครองมอและอปกรณทคอนขางซบซอนและมความเทยงตรงสงซงสวนมากมราคาแพง โดย Kacharu and Matthes (1976) ใชวธการนในการศกษาการดดความชนของขาวเปลอก พบวาใชเวลาประมาณ 24-60 h ขาวเปลอกกเขาสจดสมดล Chen and Vance Morey (1989) ใชเซนเซอรอณหภมและความชนวดคาในภาชนะบรรจเมลดขาวโพดทปดสนททมความชนเรมตนแตกตางกน ใสไวในตควบคมความชน (Figure 5) พบวาใชเวลาเพยง 6-18 h สาหรบแตละอณหภม แต Garg et al. (2006) ซงศกษาการดดความชนของเมลดขาวโพดเชนเดยวกน รายงานวาในแตละขนของการเพมความชนและอณหภมใชเวลาในการเขาสสมดลเพยง 2 h เทานน Fasino (2004) รายงานวาการใชเครองวดปรมาณนาอสระ (Water activity meter) ทสามารถวดความชนสมพทธและตดตามนาหนกของวสดไดดวยสามารถชวยทาใหการศกษาไอโซเทอมการคายความชนของมนเทศซงเปนวสดทมความชนเรมตนคอนขางสงไดอยางรวดเรวภายใน 12 h Koloor et al. (2006) ใชวธ นศกษาไอโซเทอมการดดและคายความชนของบควท (Buckwheat) พบวาแตละสภาวะอากาศทศกษา บควทใชเวลาในการเขาสสมดลแตกตางกนมากคอ ตงแต 3-7 d นอกจากน สเนตร (2548) ใชวธกงจลนศาสตรเพอหาไอโซเทอมความชนของลาไยแหงทงเปลอกพนธดอโดยการตดตงพดลมคอมพวเตอรขนาดเลก 35 W ในภาชนะปดสนท โดยลาไยตวอยางใชระยะเวลาในการเขาสจดสมดลประมาณ 20-30 d

Figure 4 A cross-sectional view of environmental chamber showing air conditioning system and air flow pattern (Kacharu and Matthes, 1976).

(a) Sample container and measurement apparatus.

(b) The experimental setup. Figure 5 A rapid method of collecting ERH data based on temperature and RH sensors (Chen and Vance Morey, 1989).

3) Dynamic dewpoint isotherm (DDI) method หรอวธการวดจดกลนตวของนา วธน วสดจะอยในหองควบคมทสามารถจาลองสภาวะอากาศไดทงสภาวะเปยกและแหง และมการวดคา aw และคาความชนของวสด ซงสามารถกระทาไดตลอดเวลาโดยไมตองรอใหวสดเขาสจดสมดลกบสภาวะอากาศ


49

โดยใชเซนเซอร Chilled mirror dewpoint วดคา aw สวนการวดความชนของวสด สามารถวดไดจากเครองชงนาหนกเชงเลข (Electronic balance) (Figure 6) ทาใหการศกษาความชนสมดลโดยวธนใชเวลาสนทสดเมอเปรยบเทยบกบสองวธแรก (1-2 d ตอตวอยาง) นอกจากนยงสามารถศกษาไดทงไอโซเทอมการคายความชนและไอโซเทอมการดดความชน ซงเปนประโยชนตอการศกษาปรากฏการณทไมยอนกลบ

Figure 6 Schematic diagram of the dynamic dewpoint isotherm (DDI) method. (Carter, 2008).

5 สรป คาความชนสมดลของวสดทแลกเปลยนความชนไดด หาได

จากการนาวสดไปวางไวในสภาวะอากาศทมคาความชนสมพทธ หรอคา aw ตางๆ ณ อณหภมหนง ปลอยใหวสดคายหรอดดความชนจนกระทงเขาสสมดลกบสภาวะแวดลอมนนๆ แลววดคานาหนกของความชนทยงหลงเหลออยในวสด ว ธการหาคาความชนสมดลของวสดทง 3 วธ มขอดขอเสยตางกน คอ วธสถตยเปนวธทประหยด สามารถทดลองไดดวยเครองมองายๆ แตใชเวลาในการทดลองนานและไมเหมาะกบวสดทเสอมเสยไดงาย เหมาะกบการทดลองกบวสดชนเลกๆ มากกวาการศกษาวสดจานวนมาก เนองจากขอจากดของความสามารถของสารละลายเกลออมตว สวนวธจลนเปนวธทตองใชเครองมอทซบซอนขนและมราคาแพงกวา แตมความแมนยาสงขนและสามารถออกแบบภาชนะทดลองใหมขนาดใหญขนตามวสดทตองการศกษา วธสดทายคอ วธการวดจดกลนตวของนาเปนวธทรวดเรวทสด

เนองจากไมตองรอใหวสดเขาสจดสมดลกบอากาศแวดลอม และสามารถศกษาไดทงไอโซเทอมการคายความชนและไอโซเทอมการดดความชน อยางไรกตามเครองมอทใชกมราคาแพงทสดเชนกน

6 กตตกรรมประกาศ คณปการจากบทความฉบบน ขอมอบใหคณาจารยทกทานท

ประสทธประสาทความรใหแกผเขยน ขอขอบคณเจาของผลงานทกทานทผเขยนใชอางองในการเขยนบทความฉบบน

7 เอกสารอางอง วสนต จนธาดา, ทศพร จนทรกระจาง, สเทพ ชกลน และเฉลม

ศรรกษ. 2555. การเปรยบเทยบแบบจาลองทางคณตศาสตรความชนสมดลทเหมาะสมสาหรบยางพาราแผน. วศวกรรมสาร มข. 39(1): 11-21.

วไล สนธเพมพน. 2552. ซอพชนไอโซเทอมและกลาสทรานสชนในอาหารแหง. ว.เกษตรนเรศวร 12(1): 11-17.

สเนตร โมงปราณต. 2548. รายงานการดาเนนโครงการวจยฉบบสมบรณ ประจาป พ.ศ. 2548 เรอง วธการกงจลนศาสตรเพอหาไอโซเทอมความชนของลาไยแหงทงเปลอก. เสนอตอ คณะวศวกรรมและอตสาหกรรมเกษตร มหาวทยาลยแมโจ. 60 หนา.

AhmadiChenarbon, H. and Hasheminia, S. M. 2011. Moisture desorption isotherm of Lavandula offiicinalis L. leaves at three temperature. African Journal of Agricultural Research 6(31): 6473-6476.

AOAC. 1995. AOAC Official Method 978.18 (Location no. 42.1.03): Water Activity of canned vegetable. In Official Methods of Analysis of the Assoc. of Official Analytical Chemists, 16thed. VA., USA.: AOAC.

ASAE Standards. 2003. Moisture relationships of plant-based agricultural products. ASAE D245.5 DEC01. St. Joseph, MI: ASABE.

Bhattacharya, S. C., Attalage, R. A., Augustus Leon, M., Amur, G. Q., Salam, P. A. and Thanawat, C. 1999. Potential of biomass fuel conservation in selected Asian countries. Energy Conversion & Management 40: 1141-1162.


50

Brooker, D. B., Bakker-Arkema, F. W. and Hall, C. W. 1981. Drying cereal grains. Westport, CT: AVI.

Brooker, D. B., Bakker-Arkema, F. W. and Hall, C. W. 1992. Drying and storage of grains and oilseeds. Westport, CT: AVI.

Brunauer, S., L. S. Deming, Deming, W. E. and Teller, D. 1940. On theory of the van der Walls adsorption of gases. Journal of the American Chemical Society 62: 1723-1732.

Carter, B. 2008. Fundamentals of water activity - product characterization using moisture sorption isotherm. Paper presented at the Product Characterization Using Moisture Sorption Isotherm. March 28, 2008. Kasetsart University, Bangkok, Thailand. 40 pp.

CERES. 1977. Drying foodstuffs: Techniques, processes, equipment technical guidebook. Leiden, The Netherlands: Backhuys publishers.

Chen, C. C. and Vance Morey, R. 1989. Equilibrium relativity humidity (ERH) relationships for yellow-dent corn. Transactions of the ASAE 23(3): 999-1006.

Chen, C. 2000. A rapid method to determine the sorption isotherms of peanuts. Journal of Agricultural Engineering Research. 75: 401-408.

Colley, Z., Fasina, O. O., Bransby, D. and Lee, Y. Y. 2006. Moisture effect on the physical characteristics of switchgrass pellets. Transactions of the ASABE 49(6): 1845-1851.

Crank, J. 1975. The mathematics of diffusion. Oxford. Second edition. England. 414 pp.

Ertekin, C. and Yaldiz, O. 2004. Drying of eggplant and selection of a suitable thin layer drying model. Journal of Food Engineering 63: 349-359.

Fan, J., Siebenmorgen, T. J. and Marks, B. P. 1998. Equilibrium moisture contents of long-and medium-grain rice varieties differing in harvest and drying conditions. ASAE Meeting Paper No. 986015. St. Joseph, MI: ASAE.

Fasino, O. 2004. Moisture sorption properties of sweetpotato. ASAE/CSAE Meeting Paper No. 406096. St. Joseph, MI: ASAE.

Garg, D., Larson, R. G. and Maier, D. E. 2006. Equilibrium moisture content (EMC) relationships of three popcorn grain varieties and their incorporation into in-bin grain conditioning strategies. 9th International Working Conference on Stored Product Protection, Campinas, São Paulo, Brazil, 15-18 October 2006.

Gennadios, A. and Weller, C. L. 1994. Moisture adsorption by grain protein films. Transactions of the ASAE 37(2): 535-539.

Henderson, S. M., Perry, R. L. and Young, J. H. 1997. Principles of Process Engineering, 4th Ed. St. Joseph, MI: ASAE.

Jain, D. and Pathare, P. B. 2004. Selection and evaluation of thin layer drying models for infrared radiative and convective drying of onion slices. Biosystems Engineering. 89: 289-296.

Jayas, D. S., Kukelko, D. A. and White, N. D. G. 1988. Equilibrium moisture-equilibrium relative humidity relationship for canola meal. Transactions of the ASAE 31(5): 1585-1588.

Kacharu, R. P. and Matthes, R. K. 1976. The behavior of rough rice in sorption. Journal of Agricultural Engineering Research 21: 405-416.

Koloor, R. T., Jayas, D. S. and White, N. D. G. 2006. Adsorption and desorption characteristics of buckwheat. International Journal of Agriculture & Biology 8(3): 327-329.

Labuza, T. P. 1984. Practical aspects of isotherm measurement and use. American Association of Cereal Chemists, St. Paul, MN.

Lin, Y-P., Tsen, J-H. and An-Erl King, V. 2005. Effects of far-infrared radiation on the freeze-drying of sweet potato. Journal of Food Engineering 68: 249-255.

Madamba, P. S., Driscoll, R. H. and Buckle, K. A. 1994. Predicting of the sorption behavior of garlic slices. Drying Technology 12: 669-683.


51

Maskan, M. and Gögüs, F. 1998. Sorption isotherms and drying characteristics of mulberry (Morus alba). Journal of Food Engineering 37: 437-449.

Menkov, N. D., Durakova, A. G. and Krasteva, A. 2004. Moisture sorption isotherms of walnut flour at several temperatures. Bioprocess Engineering and Modelling 18: 201-205.

Rahman, M. S., Sablani, S. S., Al-Ruzeiqi, M. H. and Guizani, N. 2002. Water adsorption isotherms of freeze-dried tuna meat. Transactions of the ASAE 45: 767-772.

Sharma, G. P., Verma, R. C. and Pathare, P. 2005. Mathematical modeling of infrared radiation thin layer drying of onion slices. Journal of. Food Engineering 71: 282-286.

Silakul, T. and Jindal, V. K. 2002. Equilibrium moisture content isotherms of the mungbean. International Journal of Food Properties 5: 25-35.

Van den Berg, C. and Bruin, S. 1981. In: Water activity: influence of food quality. Ed. By Rockland, L. B. and Stewart, G. F. NY: Academic Press. 85-92 pp.

Waewsak, J., Chindaruksa, S. and Punlek, C. 2006. A mathematical modeling study of hot air drying for some agricultural products. Thammasat International Journal of Science and Technology 11: 14-18.

Yu, L., Mazza, G. and Jayas, D. S. 1999. Moisture sorption characteristics of freeze-dried, osmo-freeze-dried, and osmo-air-dried cherries and blueberries. Transactions of the ASAE 42: 141-147.

Zuritz, C., Paul Singh, R., Moini, S. M. and Henderson, S. M. 1979. Desorption isotherms of rough rice from 10°C to 40°C. Transactions of the ASAE 22: 433-436 & 440.


52



ปจจยทมความสมพนธกบระยะการสกของมะมวงนาดอกไมหลงการเกบเกยว Factors Related to Ripening-stages of Nam Dok-mai Mango after Harvesting ศกยะ สมบตไพรวน1, เทวรตน ตรอานรรค1*, กระว ตรอานรรค2 Sakaya Sombatpraiwan1, Tawarat Tipyavimol1*, Krawee Treeamnuk2 1สาขาวชาวศวกรรมเกษตร, สานกวชาวศวกรรมศาสตร, มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร, นครราชสมา, 30000 1School of Agricultural Engineering, Institute of Engineering, Suranaree University of Technology, NakhonRatchasima, 30000 2Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering,Rajamangala University of Technology Thanyaburi, Pathumthani, 12110 *Corresponding author: Tel +66-44-224-583, Fax: +66-44-224-610, E-mail: [email protected]

บทคดยอ งานวจยนมวตถประสงคเพอศกษาความสมพนธระหวางปจจยทางกายภาพ, ทางกล และทางเคมกบระยะการสกของมะมวง

นาดอกไมหลงการเกบเกยวโดยใชเทคนคการวเคราะหปจจยและการวเคราะหจาแนกกลม ปจจยททาการศกษาประกอบดวยคาความแนนเนอวดทงเปลอกและเฉพาะเนอ, คาสของเปลอกและเนอ, คาปรมาณของแขงทละลาย (Total soluble solids content, TSS), ความถวงจาเพาะ, ปรมาณกรดทไทเทรตได (Titratable acidity, TA) และอตราสวนของแขงทละลายไดตอปรมาณกรดทไทเทรตได (TSS/TA) ผลจากการศกษาพบวาปจจยทมความสมพนธกบระยะการสกประกอบดวยคาส a* และ b* ทงเปลอกและเนอผลมะมวง, ปรมาณของแขงทละลายได, ปรมาณกรดทไทเทรตได, คาความแนนเนอทงเปลอกและเฉพาะเนอ และ คา TSS/TA สวนคาความถวงจาเพาะและคาส L* ของทงเปลอกและเนอผลไมมแนวโนมทเดนชด เมอทาการจาแนกระยะการสกของมะมวงนาดอกไม พบวาการใชตวแปรความแนนเนอวดทงเปลอกรวมกบคา TSS/TA สามารถจาแนกระยะการสกออกเปน 3 กลมคอ ระยะดบ, ระยะสก และ ระยะสกเกน ไดถกตอง 91.7% คาสาคญ: มะมวงนาดอกไม, ระยะการสก, การวเคราะหจาแนกกลม Abstract

The objective of this research was to study the relation of physical, mechanical and chemical factors with stages of ripening of Nam Dok-mai mango. The factor analysis and discriminant analysis techniques were used in this study. Firmness (fruit and flesh), color (peel and flesh), total soluble solids content (TSS), specific gravity, titratable acidity (TA), and ratio of TSS/TA were used to evaluate ripening stages of the mango. The results indicated that a* and b* values (peel and flesh), total soluble solids content, titratable acidity, fruit and flesh firmness, TSS/TA affected to the ripening stages, while specific gravity and L* value of peel and flesh had no clear effect. The results of discriminant analysis showedn that fruit firmness and TSS/TA could be used to classify mangoes into three ripening stages; unripe, ripe, and over ripe with accuracy of 91.7%. Keywords: Nam Dok-mai Mango, Ripening stages, Discriminant analysis

1 บทนา มะมวงนาดอกไม (Manigiferaindica L. cv NamDok-mai)

เปนผลไมทมความสาคญมากทางเศรษฐกจของไทย ทงสาหรบตลาดเพอการบรโภคภายในประเทศและการสงออก ทงนเนองจากมะมวงนาดอกไมเปนมะมวงทอยในกลมบรโภคเมอ

ผลสก (จารวฒน และศรชย, 2545) จากขอมลของศนยสารสนเทศเกษตร (2552) พบวามะมวงนาดอกไมมมลคาการสงออกถง 1,500 ลานบาท และมแนวโนมเพมขนเรอยมาตงแตป 2549 โดยประเทศคคาทสาคญตลอดเวลาเกอบสบปทผานมาคอ ประเทศญปน และสหรฐอเมรกา อยางไรกตามการสงออกมะมวง


53

ไปจาหนายในตลาดตางประเทศทตองขนสงระยะทางไกลๆ ยงประสบกบปญหาดานคณภาพและอายการวางจาหนายทสน (สายชล และสนทร, 2535) ทงนเนองจากหลงการเกบเกยวมะมวงซงเปนผลไมในกลม Climacteric fruit จะเกดการเปลยนแปลงอยางรวดเรว การเปลยนแปลงทเกดขนนจะสงผลถงลกษณะปรากฏทางคณภาพทสงผลตอการตดสนใจเลอกซอจากผบรโภคเชน ส, รปราง, รอยตาหน, ความหวาน และ ความแนนเนอ สาหรบความแนนเนอเปนลกษณะคณภาพชนดหนงทผบรโภคนยมใชในการตดสนใจเลอกชอผลไมหลายๆ ชนด รวมถงผลมะมวงสก จากการศกษาของ Jha et al. (2010) พบวาความแนนเนอ (firmness) ของมะมวงลกผสมแปดสายพนธจะมคาสงสดในวนแรกของการเกบเกยวและมแนวโนมลดลงตามระยะเวลาการเกบรกษาทเพมขน และจากรายงานของ ศกยะ และคณะ (2555) พบวาสามารถใชคาความแนนเนอแบงการเปลยนแปลงหลงการเกบเกยวของมะมวงนาดอกไมออกเปน 3 ระยะการสกคอ ระยะเรมสก, ระยะสก และ ระยะสกงอม แตอยางไรกตามลกษณะทางคณภาพทดงดดใจและสรางความพอใจใหกบผบรโภคมไดมแคความแนนเนอเพยงอยางเดยว ยงมปจจยทางคณภาพอนทตองพจารณาประกอบกนนนคอ หากมะมวงภายหลงการเกบเกยวมคาความแนนเนอทลดลง แตการพฒนาดานสและรสชาตทไมสมบรณขาดความสมพนธกนกจะกอใหเกดการสกทไมมคณภาพ (สายชล และสนทร, 2535) ซงปจจยทางคณภาพเหลานสามารถตรวจวดไดดวยเทคนคแบบทาลายและไมทาลาย (Padda et al., 2011) ดงนนงานวจยนจงมวตถประสงคเพอศกษาปจจยทมความสมพนธกบระยะการสกของมะมวงนาดอกไมหลงการเกบเกยวเพอใชเปนเกณฑในการกาหนดชนคณภาพของมะมวงนาดอกไมตอไป


2.1 มะมวงนาดอกไม มะมวงนาดอกไมทใชไดจากสวนมะมวงของเกษตรกรในเขต

อาเภอปากชอง จงหวดนครราชสมา อายการเกบเกยว 110 วน หลงดอกบาน นามาเกบรกษาทอณหภม 27±1.5°C ความชนสมพทธ 65±5% ทาการตรวจวดคาปจจยการสกทกวนโดยใชตวอยางมะมวงวนละ 5 ผล

2.2 การตรวจวดคาปจจย คาความถวงจาเพาะ, (SG) หาไดโดยใชวธการแทนทนา

(Mohsenin, 1996)

สของมะมวงนาดอกไมถกวดทกวนดวยเครอง Chroma meter ยหอ Minolta รน CR-300 (Minolta Co., Ltd., Japan) ทาการวดในระบบ CIE LAB บรเวณกงกลางแกมผล โดยคาทไดแสดงในรปคาเฉลย 3 ซาจากมะมวงจานวน 5 ผล ทาการวดคาความสวาง (L*) ของเปลอก (l_peel), คาความสวางของเนอมะมวง (l_flesh), คาสแดง (a*) ของเปลอก (a_peel), คาสแดงของเนอมะมวง (a_flesh), คาสเหลอง (b*) ของเปลอก และ (b_peel) คาสเหลองของเนอมะมวง (b_flesh)

คาความแนนเนอของผลมะมวงนาดอกไม ทาการวดโดยใช Penetrometer ยหอ Chatillon รน DFGS 50 (AMETEK Inc., USA) ดวยหวกดทรงกระบอกปลายตดเรยบ เสนผานศนยกลาง 5.0 mm กดลงไปเปนระยะ 50 mm บนแกมผลของตวอยางมะมวงจานวน 5 ผล ในรปแรงตอพนทในหนวย kg cm-2 วดคาทงกอนปอกเปลอก (f_peel) และภายหลงปอกเปลอกออกแลว (f_flesh)

ทาการวดปรมาณของแขงทละลายได (Total soluble solids content, TSS) โดยนาเนอมะมวงสวนแกมผลปรมาณ 50 g มาปนใหละเอยดเตมนา 200 ml จากนนปนตอใหละเอยดกรองเอาเฉพาะสวนนามาหาปรมาณของแขงทละลายไดดวยเ ค ร อ ง Hand refractometer (ATAGO, ATC-1, Cat. No.2910) ซงคาทอานไดจากเครองตองนามาคณกลบดวยคาแฟคเตอรการละลาย (Dilution factor)

ทาการวดปรมาณกรดทไทเทรตได (Titratable acidity, TA) โดยนาสารละลายนามะมวงทเตรยมไดในขอ 2.2.4ขนตอนการวดปรมาณของแขงทละลายได ปรมาตร 20 mlL มาทาการไทเทรตดวยสารละลาย 0.1 N NaOH จนถงจดยตท pH เทากบ 8.2 ซงปรมาณกรดทไดเปนปรมาณกรดเทยบเทาของกรดมาลค (Malic acid)

ทาการวเคราะหผลทางสถต ดวยการวเคราะหหาปจจยทมความสมพนธกบระยะการสกของผลมะมวงนาดอกไมหลงการเกบเกยวโดยใชโปรแกรม SPSS 11.5 for Windows กบปจจยทงหมด ดวยวธเทคนคการวเคราะหปจจย (Factor analysis) และการวเคราะหจาแนกกลม (Discriminant analysis) โดยใชคาการแบงระยะมะมวงออกเปน 3 ระยะ (stage) ไดแก ระยะเรมสก, ระยะสก และระยะสกงอม ตามวธการของ ศกยะ และคณะ (2555) เปนตวแปรการแบงกลม


54

3 ผลและวจารณ การแบงระยะการสกของมะมวงนาดอกไมหลงการเกบเกยว

ใชสมการทานายการเปลยนแปลงการสกของศกยะและคณะ (2555) รวมกบการประเมนลกษณะดงแสดงใน Figure 1 ซงจะแบงระยะการสกออกเปนสามชวงคอ ระยะดบ (unripe) มลกษณะผลเขยวเนอภายในขาว กดดแขง ระยะสก (ripe) มลกษณะผวและเนอมสเหลองสมาเสมอทงผล และระยะสกเกน (over ripe) ลกษณะภายนอกเรมปรากฏจดสดา เนอมสดาเกดขนบางจดซงเปนลกษณะไมพงประสงคตอผบรโภค

C

B A

Figure 1 Ripening stages of Nom Dok-mai mango (A) unripe, (B) ripe and (C) over ripe.

เมอนาคาปจจยตางๆ ของมะมวงนาดอกไมมาวเคราะหหาความสมพนธกบระยะเวลาเปนวนภายหลงการเกบเกยวพบวาคาความถวงจาเพาะไมใหความแตกตางในการแบงกลมทระดบความเชอมน 95% สวนปจจยอนใหผลดงน

การเปลยนแปลงคาสของเปลอกและเนอผลทวดในระบบ L*, a* และ b* แสดงใน Figure 2 ซงจะพบวาคา L* ของเนอผลมแนวโนมลดลงเมอจานวนวนหลงการเกบเกยวเพมขนนนคอ สของเนอผลจะเปลยนจากสขาวไปเปนสเหลองทมากขน สวนคา L* ของเปลอกไมมความแตกตางกนอยางมนยสาคญจนกระทงวนท 12 สาหรบคา a* ของทงเปลอกและเนอซงแสดงการเปลยนแปลงของสจากเขยวไปเปนแดงนน เมอมะมวงนาดอกไมมความสกเพมขนจะเกดการเปลยนแปลงของทงสเปลอกและสเนอโดยเปลอกจะเปลยนจากสเขยวไปเปนเหลอง สวนเนอจะเปลยนจากสขาวไปเปนสเหลองสม จงทาใหคา a* ของเปลอกมการ

เปลยนแปลงอยางชดเจนในวนท 3 หลงการเกบเกยว จากนนการเพมขนของคาสมความแตกตางกนอยางไมมนยสาคญเมอวนเพมขน ซงลกษณะการเปลยนแปลงคา a* ของเนอกเพมขนในทานองเดยวกนกบเปลอก สาหรบคา b* ซงแสดงการเปลยนแปลงของสจากสนาเงนไปเปนสเหลองนนพบวาคา b* ของเปลอกจะพฒนาขนทละนอยจนเหนการเปลยนแปลงอยางชดเจนในวนท 8 สวนคา b* ของเนอนนจะมการพฒนาซงแบงกลมอยางชดเจนในวนท 3 และเมอมองในภาพรวมการเปลยนแปลงสของเปลอกและเนอมะมวงนาดอกไมเมอมการสกเกดขน พบวาคา a* และ b* จะแสดงใหเหนความเปลยนแปลงทชดเจนกวาคา L*

เมอพจารณาคาความแนนเนอพบวามคาลดลงในขณะทมะมวงนาดอกไมเกดการสกตามจานวนวนหลงการเกบเกยวทเพมมากขน (Figure 3) โดยการเปลยนแปลงอยางชดเจนเกดขนจนถงวนท 3 ทงความแนนเนอทวดทงเปลอกและเฉพาะเนอโดยในชวงเรมตนพบวาความแนนเนอมการเปลยนแปลงอยางรวดเรว จนเมอกระบวนการสกเกดขนเตมทในวนท 6 ความแนนเนอจงมการเปลยนแปลงเพยงเลกนอย

เ มอพจารณาคาปรมาณของแขงทละลายไดพบวาเ มอระยะเวลาหลงการเกบเกยวเพมมากขนมะมวงมความสกเพมขนคาปรมาณของแขงทละลายไดของมะมวงนาดอกไมมคาเพมขนจาก 5.2°Brix เปน 17°Brix โดยการเพมขนในชวงวนท 1-3 เกดขนอยางรวดเรวเมอมะมวงเกดการสกอยางเตมทแลวปรมาณของแขงทละลายจะไมเปลยนแปลงจนถงวนสดทายของการเกบรกษา ในขณะทปรมาณกรดทไทเทรตไดจะมพฤตกรรมการเปลยนแปลงทตรงกนขาม (Figure 4) นนคอ เมอการสกเพมขนปรมาณกรดทไทเทรตไดจะลดลงโดยสงเกตไดชดเจนในชวงวนท 1-7 จากนนปรมาณกรดทไทเทรตไดจะมคาคอนขางคงทในวนท 8-12 ซงเมอพจารณาปรมาณกรดทไทเทรตไดของมะมวงนาดอกไมจากตวอยางทนามาทดลองในงานวจยน พบวามปรมาณกรดเรมตนและพฤตกรรมการลดลงของปรมาณกรดทไทเทรตไดคลายคลงกบผลทไดจากการศกษาของ สายชล และสนทร (2535) ทงนอาจเนองมาจากตวอยางของมะมวงมาจากแหลงการผลตเดยวกนคอ อาเภอปากชอง จงหวดนครราชสมา


55

(A)

(B)

(C)

Figure 2 Changes in Nam Dok-mai mango flesh and peel color during ripening at room temperature (27±1.5 °C, 65±5%rh). (A) L* value. (B) a* value. (C) b* value. Values followed by the same letter within each type are not significantly different (Duncan, P<0.05).

Figure 3 Changes in firmness of Nam Dok-mai mango during ripening at temperature of 27±1.5°C, 65±5%rh. Firmness values followed by the same letter were not significantly different (Duncan, P<0.05).

Figure 4 Changes in total soluble solids contents and titratable acidity of Nam Dok-mai mango during ripening at temperature of 27±1.5 °C, 65±5%rh. Values followed by the same letter within each ripening attribute were not significantly different (Duncan, P<0.05).


56

เมอพจารณาการเปลยนแปลงทางกล, กายภาพ และเคมของมะมวงนาดอกไม พบวาหากพจารณาเพยงปจจยหนงปจจยเดยวจะไมสามารถแบงระยะการสก (stage) ของมะมวงนาดอกไมไดชดเจน ดงนนจงไดทาการวเคราะหปจจยเพอหาความสมพนธกบระยะการสกของมะมวงนาดอกไม ซงผลจากการวเคราะหปจจยในรป component plot (Figure 5) เพอตรวจสอบความสมพนธของปจจยแตละตวพบวาระยะการสกของมะมวง (ripening stage) มแนวโนมไปในทศทางเดยวกบคาส a* ของเนอ (a_flesh) และเปลอก (a_peel), คาส b* ของเนอ (b_flesh), ปรมาณของแขงทละลายได (TSS) และปรมาณของแขงทละลายไดตอปรมาณกรดทไทเทรตได (TSS/TA) ซงปจจยทงหมดนถกจดใหอยใน component 1 และมความแปรปรวนเปน 60.08% คาความแนนเนอทงเปลอกและเนอ (f_peel และ f_flesh) และคาปรมาณกรดทไทเทรต (TA) ไดมความสมพนธผกผนกบระยะการสก (stage) เนองจากขณะทระยะการสกเพมคาจากระยะดบไปจนถงระยะสกเกน คา f_peel, f_flesh และ TA จะมคาลดลงอยางผกผนกน ในขณะทค า ส L* ของ เปล อก ( l_peel) ถ ก จ ดกล ม แยก ไปอย ใ น component 2 อยางเดนชดและมความแปรปรวนเปน 14.03% โดยทคาความถวงจาเพาะ (sg) และคา b* เปลอก (b_peel) คอนขางกระจายและไมมความสมพนธกบปจจยอนในทศทางทเดนชด โดยทความแปรปรวนรวมของ component ทงสองมคาเปน 74.11%

Figure 5 Component plots of all variables in experiment.

เมอวเคราะหคาสหสมพนธระหวางตวแปร (Table 1) พบวาทกตวแปรยกเวน sg และ l_peel มความสมพนธอยางยงกบ stage ซงสอดคลองกบผลจากการวเคราะหปจจย ตวแปรทมคา

สหสมพนธกบ ripening stage สงมากนอกจากตวแปร f_peel ทมคาสหสมพนธสงสดซงใชในการแบง ripening stage แลวไดแก TA, f_flesh, a_peel, b_flesh, a_flesh, TSS/TA และ TSS ซงตวแปรเหลานมศกยภาพทจะใชในการวเคราะหรวมกบ f_peel ในการประเมนระยะการสกของมะมวงนาดอกไมไดออกเปนสามกลมคอ ระยะดบ (unripe), ระยะสก (ripe) และ ระยะสกเกน (overripe) ใหมความแมนยาสงขนมากกวาการใชคา f_peel เพยงตวเดยวในการจาแนก

จากการวเคราะหจาแนกกลม (Discriminant analysis) พบวาในภาพรวมของการจาแนกระยะการสกของมะมวงนาดอกไม กลมตวแปรสมบตเชงกล (Mechanical propertiesไดแก f_peel และ f_flesh) มความสามารถในการจาแนกระยะการสกไดดทสดคอ 85% (Table 2) โดยสามารถจาแนกวย unripe ไดถกตองถง 100% รองลงมาคอ กลมตวแปรสมบตทางเคม (Chemical properties ไดแก TSS, TA และTSS/TA) กลมตวแปรสของเนอ (Color of flesh ไดแก l_flesh, a_flesh และ b_flesh) และการใชกลมตวแปรสของเปลอก (Color of peel ไดแก l_peel, a_peel และ b_peel) มความสามารถในการจาแนกระยะการสกไดนอยทสดเพยง 73.3% อยางไรกตามการใชความแนนเนอเพยงอยางเดยว หรอการใชคณสมบตเพยงกลมใดกลมหนงในการประเมนระยะการสกอาจไมครอบคลมเกณฑคณภาพทตองการจาแนกอยางเพยงพอ ประกอบกบระยะสก (ripe) ทจาแนกไดจากกลมตวแปรเชงกลยงมคาไมสงมากพอ (ถกตองเพยง 65.2%) จงเปนไปไดวาเราไมสามารถใชคาหรอกลมตวแปรใดเพยงกลมเดยวในการจาแนกระยะการสกไดอยางถกตองเพยงพอ

เมอทาการวเคราะหผลดวยวธการ Stepwise เพอคดเลอกเฉพาะตวแปรทมความสามารถตอการจาแนกระยะการสกไดดท ส ด พ บ ว า ก า ร ใ ช ต ว แ ป ร f_peel ร ว ม ก บ TSS/TA มความสามารถในการจาแนกระยะการสกของมะมวงนาดอกไมไดดทสดถง 91.7% และสามารถเพมการจาแนกระยะสก (ripe) ไดถกตองยงขนเปน 82.6% (Table 3) โดยทกลมของมะมวงนาดอกไมทง 3 ระยะการสกแสดงใน Figure 6

จาก Figure 6 คา Discriminant function 1 อธบายความแปรปรวนได 98.3% โดยทความแปรปรวนอก 1.7% ถกอธบายไดดวย Discriminant function 2 กลมของมะมวงระยะ unripe แยกออกจากอกสองระยะอยางชดเจน (100%) สวนกลมของวย ripe กบ overripe มบางสวนเจอกนอย และคา Centroid ของแตละกลมระยะการสกทจาแนกไดแยกกนอยางชดเจน


57

Table 1 Correlation between variables.

sg l_peel a_peel b_peel l_flesh a_flesh b_flesh f_peel f_flesh TA TSS TSS/TA stage

sg 1 00.171 00.242 00.174 0.009 0.043 0.286* -0.203 -0.194 -0.192 0.185 0.110 0.094

l_peel 0.171 1 0.120 0.681** 0.186 -0.102 0.270* -0.120 -0.084 -0.158 0.104 0.171 0.082

a_peel 0.242 0.120 1 0.458** -0.696** 0.625** 0.683** -0.824** -0.749** -0.812** 0.718** 0.616** 0.768**

b_peel 0.174 0.681** 0.458** 1 -0.158 0.384** 0.793** -0.503** -0.467** -0.628** 0.418** 0.750** 0.542**

l_flesh 0.009 0.186 -0.696** -0.158 1 -0.787** -0.336** 0.642** 0.618** 0.655** -0.526** -0.464** -0.616**

a_flesh 0.043 -0.102 0.625** 0.384** -0.787** 1 0.537** -0.551** -0.532** -0.757** 0.475** 0.711** 0.640**

b_flesh 0.286* 0.270* 0.683** 0.793** -0.336** 0.537** 1 -0.745** -0.696** -0.820** 0.618** 0.874** 0.752**

f_peel -0.203 -0.120 -0.824** -0.503** 0.642** -0.551** -0.745** 1 0.929** 0.866** -0.871** -0.639** -0.880**

f_flesh -0.194 -0.084 -0.749** -0.467** 0.618** -0.532** -0.696** 0.929** 1 0.829** -0.825** -0.578** -0.785**

TA -0.192 -0.158 -0.812** -0.628** 0.655** -0.757** -0.820** 0.866** 0.829** 1 -0.794** -0.805** -0.849**

TSS 0.185 0.104 0.718** 0.418** -0.526** 0.475** 0.618** -0.871** -0.825** -0.794** 1 0.529** 0.730**

TSS/TA 0.110 0.171 0.616** 0.750** -0.464** 0.711** 0.874** -0.639** -0.578** -0.805** 0.529** 1 0.745**

stage 0.094 0.082 0.768** 0.542** -0.616** 0.640** 0.752** -0.880** -0.785** -0.849** 0.730** 0.745** 1

Note: * Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed). ** Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).

Table 2 Performance of classifications into sets of maturity stage. Variable group Total correctly

classified group (%)STAGE Predicted Group Membership (%)

unripe ripe overripeMechanical propertiesa 85.0 unripe 100.0 0.0 0.0

ripe 0.0 65.2 34.8overripe 0.0 4.3 95.7

Chemical propertiesb 83.3 unripe 100.0 0.0 0.0ripe 8.7 65.2 26.1

overripe 0.0 8.7 91.3Color of fleshc 81.7 unripe 92.9 7.1 0.0

ripe 0.0 69.6 30.4over ripe 0.0 13.0 87.0

Color of peeld 73.3 unripe 92.9 7.1 0.0ripe 17.4 56.5 26.1

overripe 0.0 21.7 78.3Notes: a Mechanical properties are f_peel and f_ flesh variables. bChemical properties are TSS and TA variables. c,dColor of flesh and peel in l*, a* and b*.


58

Table 3 Classification Results from f_peel and tss_ta variables.

STAGE Classified Group (%) Total

unripe ripe over ripe unripe 100.0 0.0 0.0 100.0ripe 0.0 82.6 17.4 100.0

over ripe 0.0 4.3 95.7 100.0

Total correctly classified group (%) 91.7

Figure 6 Scatter plots between canonical functions developed from f_peel and TSS/TA.

4 สรป สมบตทางทางกล, ทางกายภาพ และทางเคม ของมะมวง

นาดอกไมระหวางการสกเปนปจจยทมความสมพนธกบระยะการสก โดยปจจยทสามารถจาแนกระยะสกของมะมวงนาดอกไมออกเปน 3 ระยะการสกคอ ระยะดบ, ระยะสก และระยะสกเกน ดวยวธการวเคราะหจาแนกกลม คอ คาความแนนเนอทงเปลอก (f_peel) และอตราสวนของปรมาณของแขงทละลายไดตอปรมาณกรดทไทเทรตได (TSS/TA) ซงสามารถจาแนกระยะการสกรวมของมะมวงนาดอกไมไดถกตอง 91.7% โดยจาแนกระยะดบ, ระยะสก และระยะสกเกนไดถกตอง 100%, 82.6% และ 95.7% ตามลาดบ

5 กตตกรรมประกาศ ขอขอบคณมหาวทยาลยเทคโนโลยสรนารทใหทนสนบสนน

นกศกษาบณฑตศกษาภายใตโครงการ OROG

6 เอกสารอางอง จารวฒน โรจนภทรากล และศรชย กลยานรตน. 2545. ผลของ

1-methylcyclopropene ตอการชะลอการสกของมะมวงพนธนาดอกไม. วารสารวทยาศาสตรเกษตร ปท 33 ฉบบท 6 (พเศษ), 60-67.

สายชล เกตษา และสนทร โปรทา. 2535. คณภาพผลมะมวงสกและการเปลยนแปลงหลงการเกบเกยวของผลมะมวงนาดอกไมทเกบเกยวอายตางกน. วทยสารเกษตรศาสตร (วทยาศาสตร) 26, 12-19.

ศกยะ สมบตไพรวน, เทวรตน ทพยวมล และกระว ตรอานรรค. 2555. การเปลยนแปลงลกษณะทางคณภาพของมะมวงนาดอกไมภายหลงการเกบเกยว. รายงานการประชมวชาการสมาคมวศวกรรมเกษตรแหงประเทศไทยครงท 13 ประจาป 2555, 680-687. เชยงใหม: โรงแรมอมพเรยลแมปง. 4-5 เมษายน 2555, เมอง, เชยงใหม.

ศนยสารสนเทศเกษตร. 2552. รายงานการสงออกผลตผลเกษตร 2549 ถง 2552. สานกงานเศรษฐกจการเกษตร กระทรวงเกษตรและสหกรณ.

Jha, S. K., Sethi, S., Srivastav, M., Dubey, A. K., Sharma, R. R., Samuel, D. V. K. and Singh, A. K. 2010. Firmness characteristics of mango hybrids under ambient storage. Journal of Food Engineering 97:, 280-212.

Mohsenin, N. N. 1996. Physical Properties of Plant and Animal Materials. (2nd ed.). Gordon and Breach Publishers, Singapore: 891 pp.

Padda, M. S., Amareante, C. V. T. do, Garcia, P. M., Slaughter, D. C. and Mitcham, E. J. 2011. Methods to analyze physico-chemical changes during mango ripening: A multivariate approach. Postharvest Biology and Technology 62:, 267-274.


59



แบบจาลองการอบแหงใบกะเพราดวยคลนไมโครเวฟ Microwave Drying Models of Holy Basil (Ocimum sanctum L.) Leaves ปองพล สรยะกนธร, ฤทธชย อศวราชนย* Pongpol Suriyakanthorn, Rittichai Assavarachan* คณะวศวกรรมและอตสาหกรรมเกษตร, มหาวทยาลยแมโจ, สนทราย, เชยงใหม, 50290 Faculty of Engineering and Agro-Industry; Maejo University, Sansai, Chiang Mai, Thailand, 50290. *Corresponding author: Tel: +66-53-875-869, Fax: +66-53-878-113, E-mail: [email protected]

บทคดยอ งานวจยนมจดมงหมายเพอศกษาหาแบบจาลองการอบแหงแบบชนบางสาหรบทานายการเปลยนแปลงอตราสวนความชน

ของใบกะเพราในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟระดบหองปฏบตการ ทระดบพลงงานของคลนไมโครเวฟระหวาง 164-752 W อบแหงใบกะเพราจากความชนเรมตน 5.19±0.13 gwater/gdry matter จนเหลอความชน 0.06±0.02 gwater/gdry matter ใชเวลาในการอบแหงระหวาง 18.50-2.75 min แบบจาลองการอบแหงแบบชนบางซงประกอบไปดวย Lewis, Henderson and Pabis, Page, Wang and Singh และ Logarithmic เพอใชในการหารปแบบการทานายอตราสวนการเปลยนแปลงความชนของใบกะเพราในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟทระดบพลงงานและเวลาอบแหงตางๆ ผลการศกษาพบวาแบบจาลองการอบแหงแบบชนบางของ Page สามารถทานายคณลกษณะการอบแหงของใบกะเพราไดเหมาะสมทสด เนองจากใหคาสมประสทธการตดสนใจ

(Coefficient of determination, R2) สงทสด ในขณะทใหคาไคกาลงสอง (Chi-square, 2), คารากทสองของความคลาดเคลอนกาลงสองเฉลย (Root mean square error, RMSE) และคาความคลาดเคลอนเอนเอยงเฉลย (Mean bias error, MBE) ตาทสด คาสมประสทธการแพรยงผล (Effective moisture diffusivities) ของใบกะเพราทระดบพลงงานของคลนไมโครเวฟ 164-752 W มคาระหวาง 0.3214x10-10 - 2.0703x10-10 m2 s-1 และคาพลงงานกระตน (Activation energy) ซงคานวณจากความสมพนธในรปแบบของสมการอารเรเนยสมคาเทากบ 19.85 W g-1 คาสาคญ: ใบกะเพรา, การอบแหงดวยคลนไมโครเวฟ, แบบจาลองการอบแหงแบบชนบาง Abstract

This study aimed to determine the drying model of holy basil (Ocimum sanctum L.) leaves undergoing a laboratory-scale microwave drying process at microwave power level of 164-752 W. The times required to reduce the moisture content of holy basil leaves from 5.19±0.13 gwater/gdry matter to 0.06±0.02 gwater/gdry matter were 18.50-2.75 min. Thin layer drying models including the Lewis, Henderson and Pabis, Page, Wang and Singh and Logarithmic models were evaluated for describing the drying kinetics under various microwave drying conditions. The drying characteristics were best described by the Page model due to the highest coefficient of determination (R2) and the lowest least chi-square (2), root mean square error (RMSE) and mean bias error (MBE). The total drying occurred during falling period which signified the influence of moisture diffusion during the drying. Effective moisture diffusivities were between 0.3214x10-10 and 2.0703x10-10 m2 s-1. The activation energy for microwave drying of holy basil leaves was 19.85 W g-1 which was well explained by an exponential expression based on the Arrhenius models. Keywords: Holy basil leaves, Microwave drying, Thin layer drying model


60

1 บทนา กะเพรา มชอเรยกทางวทยาศาสตรวา Ocimum sanctum

L. เปนพชทองถนแถบเอเชยตะวนออกเฉยงใตปลกมากในประเทศไทยและมาเลเซย กะเพราเปนพชผกจาพวกเครองเทศทไดรบความนยมจากผบรโภคโดยใชใบสดใบออนในการประกอบอาหารเพอชวยดบกลนคาว และทาใหอาหารมกลนหอมรวมทงยงมสรรพคณทางยาชวยใหรางกายไดรบประโยชนทาใหเลอดลมดชวยในระบบทางเดนอาหาร ใชเปนยาตงธาตแกปวดทองขบลมลดอาการทองอดทองเฟอ เปนตน นอกจากนนยงสามารถสกดนามนหอมระเหยจากใบกะเพราซงในนามนหอมระเหยจะมสารต านอน ม ล อ สระ ( Antioxidants) และสาร ต านป ฏก ร ย าออกซเดชน (กองการแพทยทางเลอก กรมพฒนาการแพทยแผนไทยและการแพทยทางเลอก กระทรวงสาธารณสข, 2550)

การอบแหงเปนกระบวนการแปรรปทชวยใหผลตภณฑมอายการเกบรกษาทยาวนาน โดยการลดปรมาณนาอสระหรอความชน (Water activity) ตาจนถงระดบทสามารถยบยงการเจรญเตบโตของเชอจลนทรย และการทางานของเอนไซมทสงผลตอการเปลยนแปลงคณภาพในอาหาร นอกจากนนการลดความชนและปรมาตรของอาหารยงชวยลดคาใชจายและสะดวกในการเกบรกษา และการขนสง (ฤทธชย และคณะ, 2554) วธการอบแหงอาหารและวสดชวภาพนนมกใชการอบแหงดวยลมรอนเพอทาใหแหง ซงเปนวธควบคมการทางานไดงายและไมซบซอนแตมขอจากดทสาคญคอ ใชเวลาในการอบแหงทนานสงผลตอการเสอมคณภาพทางกายภาพ, การสญเสยสารอาหาร และสารออกฤทธสาคญตางๆ

การอบแหงเปนกระบวนการทเกยวของกบการถายเทความรอนและมวลสาร ตลอดจนการเปลยนแปลงคณสมบตตางๆ ของอาหารซงเกดขนอยางตอเนอง ทงยงไดรบผลกระทบจากปจจยตางๆ เปนจานวนมาก หากตองการหาสภาวะทเหมาะสมในการอบแหงอาหารหรอวสดชวภาพจะตองทาการทดลองหลายครงเพอหาขอมลผลกระทบของปจจยตางๆ ซงจะทาใหเสยคาใชจายหรอเวลาทตองใชในการทดลอง รวมทงเกดความยงยากในการทดลอง (สกกมน, 2555) ดงนนการทดลองเพอกาหนดสภาวะการอบแหง และแบบจาลองการอบแหงจงเปนสงทสาคญอยางยงในการออกแบบระบบการอบแหง ปจจบนแบบจาลองการอบแหงไดนาไปใชในการจาลองสภาวะการอบแหงและศกษาผลกระทบของปจจยตางๆ ในกระบวนการตลอดจนการทดลองและเปรยบเทยบเงอนไขการอบแหงแบบตางๆ เพอกาหนดสภาวะท

เหมาะสมแทนการทดลองจรง เนองจากมความสะดวกและประหยดคาใชจายในการทดลอง

คลนไมโครเวฟจดเปนนวตกรรมการสรางความรอนดวยคลนแมเหลกไฟฟาทมประสทธภาพสงซงสามารถสรางความรอนภายในอาหารหรอวสดชวภาพไดด เนองจากไมมผลกระทบจากการถายเทความรอนผานตวกลาง ดงนนการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟจงเปนการเพมประสทธภาพของการอบแหง สามารถลดเวลาในการอบแหงไดดกวาการอบแหงดวยลมรอน 7-10 เทา จงชวยรกษาคณภาพ และลดอตราการสญเสยสารอาหารไดเปนอยางด (ฤทธชย, 2554ก) สอดคลองกบผลงานวจยของ นาฝน และคณะ (2555), Ozkan et al. (2007), Dadal et al. (2007), Assawarachan et al. (2011), Özbek and Dadali (2007) และ Maskan (2001) ซ ง พบ ว ากา รอบแ ห งส าห ร าย เต า (Spirogyra sp.), ผกขม (Spinach), กระเจยบเขยว (Okra), ขาวเปลอก (Paddy rice), ใบสะระแหน (Mint leaves) และกวแผน (Kiwifruits) ดวยคลนไมโครเวฟสามารถชวยเรงอตราการอบแหงไดเรวกวาการอบแหงดวยลมรอน และชวยลดการสญสลายสารอาหารทสาคญ

บทความวจยนจง มงศกษาเพอหาผลกระทบของระดบพล งงานคล น ไมโครเวฟท ใช ในการอบแหง ตออตราการเปลยนแปลงความชนของใบกะเพรา และหาแบบจาลองการอบแหงทเหมาะสมในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟ, คาสมประสทธการแพร และระดบพลงงานกระตนในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟ โดยขอมลดงกลาวจะใชเปนแนวทางในการพฒนาวธการอบแหงใบกะเพรา ตลอดจนการออกแบบระบบการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟใหเหมาะสมในระดบอตสาหกรรม


2.1 วตถดบ แยกกานและใบกะเพรา จานวน 10 kg นามาลางดวยนา

สะอาดจานวน 3 ครง จากนนนาไปเขาเครองหมนเหวยง (ยหอ Wasino รน CE03) เพอไลนาออกจากใบกะเพรา จากนน บรรจใบกะเพราในถงพลาสตกปดสนท ขนาดถงละ 2 kg จานวน 5 ถง โดยตวอยางแตละถงใชกบการทดลองทแตละระดบพลงงาน จากนนนาไปเกบรกษาในตเยน (ยหอ Haier รน HP-921F) ทอณหภม 4±0.5°C เปนเวลา 24 h เพอใหใบกะเพราเกดการถายเทความชนเขาสสภาวะสมดล ซงเปนแนวทางเดยวกบ


61

งานวจยของ Özbek and Dadali (2007) และ Dadali et al. (2007)

2.2 การวเคราะหคาความชนเรมตนของใบกะเพรา นาใบกะเพราจานวน 1 g ใสในถวยอะลมเนยมขนาด 2.5 oz

ทผานการอบเพอไลความชน จานวน 60 ตวอยาง (สมตวอยางใบกะเพราจานวน 12 ตวอยางตอถง) นาไปอบแหงดวยตอบแหงดวยลมรอน (ยหอ Memmert รน 500/108I) ทอณหภม 105±2°C เปนเวลา 24 h (AOAC, 2005) จากนนนามาชงนาหนกใบกะเพราดวยตาชงระบบดจตอล 4 ตาแหนง (ยหอ Sartorius รน CP2245) นาขอมลผลตางของนาหนกใบกะเพรากอนและหลงการอบแหงมาคานวณหาคาความชนของใบกะเพราโดยมสมการความสมพนธตามทแสดงใน Eq. 1

I F

F

W WMC

W

(1)

เมอ MC คอ ความชนของใบกะเพรา (gwater/gdry matter), WI และ WF คอ นาหนกของใบกะเพราสด (นาหนกเรมตน) และนาหนกสดทายของใบกะเพรา (g) ตามลาดบ

อตราสวนความชนของการอบแหงใบกะเพราดวยคลนไมโครเวฟจะวเคราะหในรปความสมพนธระหวางอตราสวนความชนและเวลาทใชในการอบแหง ซงอตราสวนความชนสามารถคานวณไดจาก Eq. 2 โดยรปแบบสมการดงกลาวสอดคลองกบงานวจยของ Özbek and Dadali (2007); Wang et al. (2007) และ Evin (2012)

t e

i e

M MMR

M M

i

M

M (2)

เมอ MR คอ อตราสวนความชน และ Mt, Mi และ Me คอ ความชน ทเวลาใดๆ , ความชนเ รมตน และความชนสมดล ตามลาดบ ซงในการศกษาการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟคาความชนสมดลจะสามารถพจารณาใหมคาเทากบศนย (Alibas, 2007; นาฝน และคณะ, 2555; Evin, 2012)

2.3 การอบแหงใบกะเพราดวยคลนไมโครเวฟ เครองอบแหงดวยคลนไมโครเวฟทใชในการศกษาครงน

พฒนา โดยสาขาว ศวกรรมอาหาร คณะ วศวกรรมและอตสาหกรรมเกษตร มหาวทยาลยแมโจ โดยตดตงระบบใบกวนคลน (Mode stirring) ท เตาไมโครเวฟขนาด 800 W ( ย หอ Panasonic รน NN-S235WF) วางบนฐานเหลกทตดตงตาชงระบบดจตอล (ยหอ Sartorius รน CP3202S) บนทกปรมาณนาหนกทเปลยนแปลงในระหวางการอบแหง (Figure 1) โดย

สามารถปรบระดบพลงงานคลนไมโครเวฟได 5 ระดบ ไดแก 164, 231, 465, 605 และ 752 W (ฤทธชย และคณะ, 2555)

Figure 1 Diagram of microwave drying system.

การอบแหงใบกะเพราดวยคลนไมโครเวฟ โดยนาใบกะเพราจานวน 30 g วางในถาดเซรามครปสเหลยมจตรสขนาด 20x20 cm2 (ย หอ Cuizimate) อบแหงดวยคลนไมโครเวฟทระดบพลงงานตางๆ จานวน 3 ซา จนเหลอความชน 0.06±0.02 gwater/gdry matter

2.4 แบบจาลองการอบแหง รายงานวจยทเกยวของกบการอบแหงอาหารหรอวสดชวภาพ

ดวยคลนไมโครเวฟพบวาแบบจาลองการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟทนยมใชในการศกษาสาหรบการอบแหงอาหารหรอวสดชวภาพจาพวกผกและผลไม มกจะเลอกใชแบบจาลองการอบแหงในรปแบบของสมการกงทฤษฎ (Semi–theoretical equation) และสมการเอมพรคล (Empirical equation) เชน แบบจาลองของ Lewis, Henderson and Pabis, Page, Wang and Singh และ Logarithmic ซงรปแบบความสมพนธของแบบจาลองการอบแหงดงแสดงใน Table 1 (Alibas, 2007; Wang et al., 2007 และ Ozkan et al., 2007)

นอกจากแบบจาลองการอบแหงแบบเอมพรคลแลว สมการทนยมใชในการทานายอตราการเปลยนแปลงความชนในระหวางการอบแหงดวยสมการกงทฤษฎจะมความสมพนธในรปกฎขอทสองของฟค (Fick’s second law) ในสภาวะการแพรความชนทไมคงทสามารถใชในการหาอตราสวนความชนดงแสดงใน Eq. 3 สาหรบวสดทม รปทรงเปนแผนระนาบทมความยาวมากๆ (Infinite slab) และมความหนาครงหนงของตวอยางอาหารหรอวสดชวภาพทมรปรางเปนแผนระนาบเชน กลวยฉาบ และสาหรายทะเลแผน (สเนตร และฤทธชย, 2554)


62

Table 1 Mathematical drying models given by various authors.

Model name Model equation Reference1. Lewis

)exp( ktMR McMinn (2006)

2. Henderson and Pabis )exp( ktaMR

Dadal et al. (2007)

3. Page exp( )nMR kt

Pongtong et al. (2011)

4. Wang and Singh 21MR at bt

Wu and Hu (2007)

5. Logarithmic cktaMR )exp( Evin (2012)

Notes: k and n are drying rate and drying index, respectively. a, b and c are the empirical constants of thin layer drying models.

22 2

8exp

4effD t

MRL

(3)

เมอ Deff คอ สมประสทธการแพรความชน (m2 s-1), L คอ ความหนาของใบกะเพรา และ t คอเวลาในการอบแหง (s) (Wang et al., 2007; Dadali and Ozbek, 2007)

พลงงานกระตนสาหรบการแพร (Activation energy for diffusion, Ea) ดวยสมการอารเรเนยส (Arrhenius equation) แสดงใน Eq. 4

0 exp aE m

k kP

(4)

เมอ k0 คอ แฟกเตอรความถ (min-1), Ea คอ พลงงานกระตน (W g-1), m คอ นาหนกของใบกะเพรา (g) และ P คอ พลงงานของคลนไมโครเวฟ (W) (Pongtong, 2011; Özbek and Dadali, 2007; สเนตร และฤทธชย, 2554)

2.5 การทวนสอบความแมนยาของแบบจาลองการอบแหง การทวนสอบแบบจาลองการอบแหงนยมใชเพอประเมน

ความเขากนไดของแบบจาลองกบขอมลทไดจากการทดลองหรอความกลมกลน (Goodness of fit) ของแบบจาลอง พารามเตอรทนยมใชคอ คาสมประสทธการตดสนใจ (Coefficient of

determination, R2), คาไคกาลงสอง (Chi-square, 2), คารากทสองของความคลาดเคลอนกาลงสองเฉลย (Root mean square error, RMSE) และคาความคลาดเคลอนเอนเอยงเฉลย (Mean bias error, MBE) เปนพารามเตอรทางสถตซงชวยในการวเคราะหการเปรยบเทยบเพอหาคาความแมนยาในการทานายคาอตราสวนความชนทเปลยนแปลงไปในระหวางการอบแหงใบกะเพราดวยคลนไมโครเวฟ (Wang et al., 2007; Cui et al., 2004; Ozkan et al., 2007; Maskan, 2001) โดยคา R2 เปนคาพารามเตอรทางสถตทสาคญในการบงบอกคณภาพของรปแบบสมการในแบบจาลองการอบแหง โดยยงมคาเขาใกล 1.0

แสดงวาแบบจาลองดงกลาวมความแมนยามาก ในขณะทคา 2, คา RMSE และคา MBE เปนพารามเตอรทางสถตทใชบงบอกความผดพลาดในการทานายคาของแบบจาลองการอบแหง ดงนนแบบจาลองการอบแหงทมความแมนยาในการทานายท

เหมาะสม ควรจะมคา R2 มากแตมคา 2, คา RMSE และคา MBE นอย โดยสมการหาพารามเตอรทงสคาแสดงใน Eq. 5–8 (Assawarachan and Noomhorm, 2011; Wang et al., 2007, Cui et al., 2004; Evin, 2012)

2

exp, ,2 1

2 2exp, ,

1 1

n

i pre ii

n n

i pre ii i

MR MRR

MR MR

(5)

2

exp, ,2 1( )

N

i pre ii

p

MR MR

N n

(6)

2, exp,

1

1( )

N

pre i ii

RMSE MR MRN

(7)

2

, exp,1

1 N

pre i ii

MBE MR MRN

(8)

เมอคา MRexp, i และ MRpre, i เปนคาอตราสวนความชนของการทดลองและคาอตราสวนความชนจากการทานายของแบบจาลองการอบแหง ตามลาดบ และคา N และ nP เปนจานวนตวอยางทใชในการวเคราะห และจานวนตวแปรในแบบจาลองการอบแหง ตามลาดบ


63

3 ผลและวจารณ

3.1 คณลกษณะการอบแหงของใบกะเพรา ใบกะเพราทใช ในการทดลองมความชนเ รมตนเทากบ

5.19±0.13 gwater/gdry matter และระดบพลงงานทใชในการศกษาครงนมระดบพลงงานคลนไมโครเวฟเทากบ 164, 231, 465, 605 และ 752 W ตามลาดบ

เวลาทใชในการอบแหงใบกะเพราดวยคลนไมโครเวฟทระดบพลงงานคลนไมโครเวฟ 164, 231, 465, 605 และ 752 W จากความชนเรมตนจนเหลอความชน 0.06±0.02 gwater/gdry matter

เทากบ 18.50, 14.00, 9.00, 4.00 และ 2.75 min ตามลาดบ Figure 2 แสดงตวอยางความสมพนธระหวางการเปลยนแปลงความชนของใบกะเพราทเวลาใดๆ ในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟ เมอคลนไมโครเวฟเหนยวนาใหโมเลกลของนาภายในใบกะเพราจนเกดการหมนเนองจากการเปลยนแปลงขวไฟฟาอยางรวดเรวผลของการหมนนทาใหเกดการเสยดสของโมเลกลของนาภายในโครงสรางเซลลชนในของใบกะเพราเกดเปนพลงงานความรอนไดอยางรวดเรว (ฤทธชย, 2554ข) มอตราการระเหยนาทสงและคงท (Constant rate period) และมการอบแหงใบกะเพราดาเนนการตอไปเรอยๆ จนความชนของใบกะเพราเขาสความชนวกฤต กระบวนการอบแหงจะเขาสคาบเวลาทอตราการอบแหงลดลงอยางสมบรณ (Falling rate period)

Figure 2 Representative drying curves of holy basil leaves during microwave drying.

3.2 แบบจาลองการอบแหงใบกะเพรา Table 2 แสดงคาพารามเตอรและการวเคราะหทางสถตของ

แบบจาลองการอบแหง ซงชใหเหนวาแบบจาลองของ Page มความเหมาะสมในการทานายการเปลยนแปลงอตราสวนความชน

ของใบกะเพราไดดทสด โดยมคา R2 ในชวง 0.9980-0.9997 ซง

มคามากกวาแบบจาลองการอบแหงแบบอนๆ และคา 2 มคาระหวาง 0.1138-0.1413, คา RMSE มคาระหวาง 0.0095-0.0291 และคา MBE มคาระหวาง 0.0001-0.0008 ซงมคาตากวาแบบจาลองการอบแหงของ Lewis, Henderson and Pabis, Wang and Singh และ Logarithmic เชนเดยวกบผลงานวจยของ Bai-Ngew et al. (2011), Dadal et al. (2007) และ Kingsly and Singh (2007) ซงพบวาแบบจาลองการอบแหงของ Page มความเหมาะสมในการทานายคณลกษณะการอบแหงของทเรยน, กระเจยบเขยว และเมลดทบทม

3.3 การทวนสอบแบบจาลองการอบแหง ผลการศกษาพบวาแบบจาลองการอบแหงของ Page มความ

เหมาะสมในการทานายการเปลยนแปลงอตราสวนความชนทเวลาใดๆ ของการอบแหงใบกะเพราดวยคลนไมโครเวฟมากทสด โดยมสมการทวไปสาหรบการคานวณคาคงทการอบแหง (k) และคาดชนการอบแหง (n) ซงเปนคาพารามเตอรของแบบจาลองการอบแหงของ Page ในรปแบบความสมพนธของระดบพลงงานคลนไมโครเวฟ (P) โดยมรปแบบสมการตามทแสดงใน Eq. 9 และ 10

0.0803 0.0005k P (9)

1.6697 0.0009n P (10)

การทวนสอบแบบจาลองการอบแหงของ Page โดยใช Eq. 9 และ 10 คานวณคาคงทการอบแหง (k) และคาดชนการอบแหง (n) ท ท กระ ดบพล ง ง านของคล น ไม โคร เวฟ จากน นน าคาพารามเตอรของแบบจาลองการอบแหงของ Page ทานายคาอตราสวนความชนของใบกะเพราในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟทระดบพลงงานตางๆ นาคาทไดจากการทานายเปรยบเทยบกบขอมลในการทดลอง คาความสมพนธระหวางอตราสวนความชนของใบกะเพราทไดจากการทานายดวยสมการทวไปมคาใกลเคยงกบอตราการสวนความชนทไดจากการทดลอง โดยมความสมพนธใกลเคยงกบเสนทวนสอบความแมนยาหรอเสนตรงทความชน 45o ดงแสดงใน Figure 3 สอดคลองกบงานวจยทเกยวของในการทวนสอบความแมนยาของแบบจาลองก า ร อ บ แ ห ง ( Assawarachan and Noomhorm, 2011; Pongtong et al., 2011; Wang et al., 2007; Ozkan et al., 2007)


64

Table 2 Statistical results of different thin-layer drying models for holy basil leaves.

Drying model Drying

Coefficient and statistical analysis R2 2 RMSE MBE power level

1. Lewis’s 752 W k = 0.5720 0.9612 0.2203 0.1341 0.0180 605 W k = 0.4908 0.9485 0.2008 0.1466 0.0215 465 W k = 0.2568 0.9760 0.1801 0.0920 0.0085 231 W k = 0.1683 0.9692 0.1756 0.1019 0.0104 164 W k = 0.1090 0.9676 0.1935 0.1111 0.0123

2. Henderson and Pabis

752 W k = 0.6722 a = 1.1595

0.9661 0.1687 0.1163 0.0135

605 W k = 0.5864 a = 1.2043 0.9559 0.1378 0.1240 0.0154 465 W k = 0.3001 a = 1.1756 0.9819 0.1375 0.0702 0.0049 231 W k = 0.1986 a = 1.1913 0.9762 0.1312 0.0800 0.0064 164 W k = 0.1305 a = 1.1971 0.9749 0.1428 0.0879 0.0077

3. Page 752 W k = 0.3051 n = 2.2760 0.9980 0.1413 0.0291 0.0008 605 W k = 0.1637 n = 2.5158 0.9993 0.1138 0.0163 0.0003 465 W k = 0.0903 n = 1.7277 0.9997 0.1310 0.0095 0.0001 231 W k = 0.0347 n = 1.8429 0.9992 0.1200 0.0148 0.0002 164 W k = 0.0134 n = 1.9319 0.9989 0.1219 0.0209 0.0004

4. Wang and Singh 752 W a = -0.2622 b = -0.0459 0.9960 0.1728 0.0419 0.0018 605 W a = -0.2884 b = 0.0026 0.9819 0.1663 0.0849 0.0072 465 W a = -0.1797 b = 0.0071 0.9948 0.1609 0.0453 0.0021 231 W a = -0.1158 b = 0.0028 0.9919 0.1502 0.0520 0.0027 164 W a = -0.0681 b = 0.0005 0.9942 0.1575 0.0465 0.0022

5. Logarithmic 752 W k = -0.1138 a = -

3.0146c = 4.0686

0.9965 0.1713 0.0376 0.0014

605 W k = 0.1427 a = 2.7763 c = -1.6638 0.9846 0.1367 0.0732 0.0054 465 W k = 0.1588 a = 1.5077 c = -0.4086 0.9949 0.1376 0.0371 0.0014 231 W k = 0.0981 a = 1.5738 c = -0.4697 0.9932 0.1274 0.0428 0.0018 164 W k = 0.0389 a = 2.2651 c = -1.1779 0.9957 0.1380 0.0366 0.0013

Figure 3 Comparison of the experimental moisture ratio (MR) and corresponding values by predicted Page model at different drying conditions.

3.4 สมประสทธการแพรและพลงงานกระตน การหาคาสมประสทธการแพรของใบกะเพราในระหวางการ

อบแหงดวยคลนไมโครเวฟ ทระดบ 164–752 W สามารถวเคราะหหาดวยวธจดรปแบบของ Eq. 3 ดวยฟงกชนลอการทม ซงรปแบบสมการจะอยในรปแบบความสมพนธแบบเสนตรง ดงแสดงใน Eq. 11

22 2

8ln( ) ln

4effD t

MRL

(11)

โดยการวเคราะหหาคาสมประสทธการแพรของใบกะเพรา สามารถคานวณจากคาความชนของกราฟเสนตรง ของความสมพนธระหวาง ln(MR) และ เวลาในการอบแหง (t) เมอ L มคาเทากบ 0.16 mm ดงแสดงใน Eq. 12

2

2

4eff

LD Slope

(12)


65

ผลการวเคราะหคาสมประสทธการแพรของใบกะเพราในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟทระดบพลงงาน 164-752 W มคาเทากบ 0.3214x10-10-2.0703x10-10 m2 s-1 ดงแสดงใน Table 3 เมอเพมระดบพลงงานของคลนไมโครเวฟสงขนจะสงผลตอการเพมคาสมประสทธการแพรของใบกะเพรา เนองจากคลนไมโครเวฟจะเปนตวเรงอตราการระเหยของไอนาทผวหนาของใบกะเพราและมคาเทากบอตราการเคลอนของนาภายในโครงสรางของใบกะเพราทมาเตมเตมทผวหนาโครงสรางเซลลของใบกะเพรา ความรอนทเกด ขนจะถกถายเทมวลสารในการแพรกระจายตวของความชนสผววสด (Surface diffusion) เชนเดยวกบผลงานวจยของ Özbek and Dadali (2007) ซงศกษาหาคาสมประสทธการแพรของใบสะระแหนในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟทระดบพลงงาน 180-900 W ในขณะทผลการศกษาคาสมประสทธการแพรของใบสะระแหน ในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟระบบสญญากาศของ Therdthai and Zhou (2009) มคา 1.190x10-11-4.699x10-10 m2 s-1 ทระดบความเขมของคลนไมโครเวฟ 8.0-11.2 W g-1

Table 3 The estimated effective moisture diffusivity of holy basil leaves during microwave power level between 164-752 W. Power (W) Slope Deff x10-10 (m2 s-1) R2

164 0.0031 0.3214 0.8199231 0.0045 0.4665 0.8541465 0.0068 0.7049 0.8740605 0.0151 1.5654 0.8250752 0.0200 2.0703 0.7399

การหาคาพลงงานกระตนของการอบแหงใบกะเพราดวยคลน

ไมโครเวฟ สามารถคานวณความสมพนธในรปฟงกชนลอการทมของสมการอารเรเนยส (Eq. 4) โดยสมการจะอยในรปแบบความสมพนธแบบเสนตรง ดงแสดงใน Eq. 13

0ln ln aE m

k kP

(13)

แฟกเตอรความถ (k0) และคาพลงงานกระตนของใบกะเพรา (Ea) สามารถคานวณจากคาความชนของกราฟเสนตรงทพลอตระหวาง ln(k) และ นาหนกของใบกะเพราตอพลงงานของคลนไมโครเวฟ (m/P) พบวาคา k0 และ Ea ของใบกะเพราในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟ มคาเทากบ 0.7621 min-1 และ

19.85 W g-1 ตามลาดบ ดงแสดงใน Figure 4 ในขณะท คา k0 และคา Ea ของการอบแหงกระเจยบเขยวสดดวยคลนไมโครเวฟทระดบพลงงาน 180-900 W มคาเทากบ 0.1224 min-1 และ 5.54 W g-1 (Dadal et al., 2007) ซงมคา k0 นอยกวา 6.2 เทา และคา Ea นอยกวา 3.58 เทา ทงนเนองจากกระเจยบเขยวสดมคณลกษณะทางกายภาพเปนรปทรงกระบอกทมความหนามากกวาใบกะเพรา รวมถงมลกษณะโครงสรางเซลล และองคประกอบทางเคมทแตกตางกน ในขณะทใบสะระแหนซงมคณลกษณะทางกายภาพ และโครงสรางเซลลทมความใกลเคยงกบใบกะเพรา มคา Ea เทากบ 11.0492–12.2839 W g-1 ในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟทระดบพลงงาน 180-900 W (Özbek and Dadali, 2007) ดงนน คา Ea ของการอบแหงอาหารหรอวสดชวภาพดวยคลนไมโครเวฟจะขนอยกบระดบพลงงานของคลนไมโครเวฟ และชนดของวสดชวภาพ

Figure 4 The effect of power level/sample mass on drying constant of holy basil leaves.

4 สรป ผลกระทบของระดบพลงงานไมโครเวฟตออตราการ

เปลยนแปลงความชนของใบกะเพราในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟทระดบพลงงาน 164, 231, 465, 605 และ 752 W จากความชนเรมตน 5.19±0.13 gwater/gdry matter จนเหลอความชน 0.06±0.02 gwater/gdry matter ใชเวลาในการอบแหงเทากบ 18.50, 14.00, 9.00, 4.00 และ 2.75 min ตามลาดบ ผลของระดบพลงงานไมโครเวฟทระดบพลงงานสงจะมอตราการอบแหงทสง สอดคลองกบคาสมประสทธการแพรความชน โดยการอบแหงทระดบพลงงานไมโครเวฟ 752 W ใชเวลาในการอบแหงนอยกวา 6.72 เทา และคาสมประสทธการแพรความชนมากกวา 8.92 เทา แตปรมาณพลงงานทงหมดทใชในการอบแหง


66

มคานอยกวา 1.41 เทา เมอเทยบกบระดบพลงงานไมโครเวฟท 164 W

การวเคราะหหาแบบจาลองการอบแหงของใบกะเพราในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟ พบวาแบบจาลองการอบแหงของ Page มความเหมาะสมมากทสด เนองจากมคา R2 ในชวง 0.9980-0.9997 หรอคาความกลมกลนทมากกวา

แบบจาลองอนๆ, คา 2 มคาระหวาง 0.1138-0.1413, คา RMSE มคาระหวาง 0.0095-0.0291 และคา MBE มคาระหวาง 0.0001-0.0008 ซงมคานอยกวาแบบจาลองการอบแหงแบบอนๆ ทนามาเปรยบเทยบในงานวจยน คาพารามเตอรของแบบจาลองการอบแหงของ Page ไดแก คาคงทการอบแหง (k) และคาดชนการอบแหง (n) สามารถเขยนในรปแบบสมการทวไปทเปนฟงกชนของระดบพลงงานของคลนไมโครเวฟ (P) โดยมรปแบบสมการ คอ k = -0.0803 + 0.0005P และ n = 1.6697 + 0.0009P ผลการทวนสอบความแมนยาของสมการทวไปของแบบจาลองของ Page พบวามคาความแมนยาทสง คา Deff ของใบกะเพราในระหวางการอบแหงดวยคลนไมโครเวฟทระดบพลงงานของคลนไมโครเวฟ 164, 231, 465, 605 และ 752 W มคาเทากบ 0.3214x10-10, 0.4665x10-10, 0.7049x10-10, 1.5654x10-10 และ 2.0703x10-10 m2 s-1 ตามลาดบ และคา Ea ซงคานวณจากความสมพนธในรปแบบของสมการอารเรเนยส มคาเทากบ 19.85 W g-1

5 กตตกรรมประกาศ บทความวจยนเปนสวนหนงของโครงงานวจยระดบวศวกรรม

มหาบณฑตสาขาวชาวศวกรรมอาหาร ซงไดรบเงนทนสนบสนนงานวจยจากหนวยวจยเทคโนโลยการอบแหงและลดความชน คณะวศวกรรมและอตสาหกรรมเกษตร มหาวทยาลยแมโจ

6 เอกสารอางอง กองการแพทยทางเลอกกรมพฒนาการแพทยแผนไทยและ

การแพทยทางเลอก กระทรวงสาธารณสข. 2550. ตาราวชาการสคนธบาบด. พมพครงท 1. สานกกจการโรงพมพ องคการสงเคราะหทหารผานศก. กรงเทพมหานคร.

นาฝน ไชยลงกา, รตนาภรณ จนทรทพย, ดวงพร อมรเลศพศาล และฤทธชย อศวราชนย. 2555. ผลกระทบของระดบพลงงานไมโครเวฟตอการเปลยนแปลงคณภาพของสาหรายเตาอบแหง. การประชมวชาการประมง ครงท 7. คณะเทคโนโลยการประมงและทรพยากรนา มหาวทยาลยแมโจ เชยงใหม ระหวางวนท 6-8 ธนวาคม พ.ศ. 2555.

ฤทธชย อศวราชนย, ฉตรชนก คงสทธ. โชตพงศ กาญจนประโชต และดวงพร อมรเลศพศาล. 2555. คณลกษณะการอบแหงของสาหรายเตาดวยคลนไมโครเวฟ. วารสารสมาคมวศวกรรมเกษตรแหงประเทศไทย 18, 1-8.

ฤทธชย อศวราชนย, ภานาถ แสงเจรญรตน, สเนตร สบคา, เฑยรมณ มงมล และดวงกมล จนใจ. 2554. จลนพลศาสตรการอบแหงดวยลมรอนของเปลอกทบทม. วารสารสมาคมวศวกรรมเกษตรแหงประเทศไทย 17, 27-34.

ฤทธชย อศวราชนย. 2554ก. การอบแหงผลผลตทางการเกษตรดวยคลนไมโครเวฟ. วศวกรรมสารเกษมบณฑต 1, 31-42.

ฤทธชย อศวราชนย. 2554ข. เทคโนโลยการสรางความรอนดวยคลนแมเหลกไฟฟาในการแปรรปอาหาร. วารสารสมาคมวศวกรรมเกษตรแหงประเทศไทย 17, 41-52.

สกกมน เทพหสดน ณ อยธยา. 2555. การอบแหงอาหารและวสดชวภาพ. กรงเทพมหานคร: บรษท สานกพมพทอป จากด.

สเนตร สบคา และฤทธชย อศวราชนย. 2554. แบบจาลองทางคณตศาสตรการอบแหงสาหรบวสดพรน. วารสารสมาคมวศวกรรมเกษตรแหงประเทศไทย 17, 59-68.

Alibas, I. 2007. Microwave, air and combined microwave-air-drying parameters of pumpkin slices. LWT 40, 1445-1451.

AOAC. 2005. Official Methods of Analysis. 18th Ed., Association of Official Analytical Chemists, Washington, DC., USA.


67

Assawarachan, R. and Noomhorm, A. 2011. Mathematical Models for Vacuum Microwave Concentration Behavior of Pineapple Juice. Journal of Food Process Engineering 34, 1485-1505.

Assawarachan, R., Sripinyowanich, J., Theppadungporn, K. and Noomhorm, A. 2011. Drying paddy by microwave vibro-fluidized drying using single mode applicator. International Journal of Food, Agriculture & Environment 9, 50-54.

Bai-Ngew, S., Therdthai, N. and Dhamvithee, P. 2011. Characterization of microwave vacuum-dried durian chips. Journal of Food Engineering 104, 114-122.

Cui, Z. W., Xu, S. Y. and Sun, D. W. 2004. Microwave- vacuum drying kinetics of carrot slices. Journal of Food Engineering 65, 157-164.

Dadal, G., Apar, D. K. and Özbek, B. 2007. Microwave drying kinetics of okra. Drying Technology 25, 917-924.

Dadali, G., Demirhan, E. and Özbek, B. 2007. Color Change Kinetics of Spinach Undergoing Microwave Drying. Drying Technology 25, 1713-1723.

Evin, D. 2012. Thin layer drying kinetics of Gundelia tournefortii L. Food and Bioproducts Processing 90, 323-332.

Kingsly, A. R. P. and Singh, D. B. 2007. Drying kinetics of pomegranate arils. Journal of Food Engineering 79, 741-744.

Maskan, M. 2001. Drying, shrinkage and rehydration characteristics of kiwifruits during hot air and microwave drying. Journal of Food Engineering 48, 177-182.

McMinn, W. A. M. 2006. Thin-layer modeling of the convective, microwave, microwave-convective and microwave vacuum drying of lactose powder. Journal of Food Engineering 72, 113-123.

Ozkan, I. A., Akbudak, B. and Akbudak, N. 2007. Microwave drying characteristics of spinach. Journal of Food Engineering 78, 577-583.

Özbek, B. and Dadali, G. 2007. Thin-layer drying characteristics and modelling of mint leaves

undergoing microwave treatment. Journal of Food Engineering 83, 541-549.

Pongtong, K., Assawarachan, R. and Noomhorm, A. 2011. Mathematical models for vacuum drying characteristics of pomegranate aril. Journal of Food Science and Engineering 1, 11-19.

Therdthai, N. and Zhou, W. 2009. Characterization of microwave vacuum drying and hot air drying of mint leaves (Mentha cordifolia Opiz ex Fresen). Journal of Food Engineering 91, 482-489.

Wang, Z., Sun, J., Chen, F., Liao, X. and Hu, X. 2007. Mathematical modeling on thin layer microwave drying of apple pomace with and without hot air pre-drying. Journal of Food Engineering 80, 536-544.

Wu, J. and Hu, X. 2007. Mathematical modeling on hot air drying of thin layer apple pomace. Food Research International 40, 39–46.

Journal of TSAE Vol. 18 No. 1 (2012), 68–75

68



วอเตอรฟตพรนตของออยและมนสาปะหลงสาหรบการผลตเอทานอลในภาคตะวนออก ประเทศไทย Water Footprint of Sugarcane and Cassava for Ethanol Production in Eastern Thailand สานตยดา เตยวตอย1*, ชลตา สวรรณ2, ธณฏฐยศ สมใจ2 Sanidda Tiewtoy1, Chalita Suwan2, Thanutyot Somjai2 1Faculty of Engineering .Rajamangala University of Technology Thanyaburi (RMUTT) Pathumthani, Thailand 12110 2Faculty of Industrial Technology. King Mongkut's University of Technology North Bangkok (KMUTNB) Prachinburi, Thailand 25230 *Corresponding author: Tel:+66-8-9480-4991, Fax:+66-2-549-3581, E-mail: [email protected]

บทคดยอ การวจยนมวตถประสงคเพอหาคาวอเตอรฟตพรนต ของการปลกออยและมนสาปะหลงสาหรบการผลตเอทานอลในภาค

ตะวนออก ประเทศไทย การหาคาวอเตอรฟตพรนตดาเนนการตามคมอการประเมนรองรอยการใชนาของ Hoekstra et al. (2011) จากการศกษาพบวาคาวอเตอรฟตพรนตเฉลยของออยเทากบ 192 m3.ton-1 เปนสดสวน WFgreen:WFblue:WFgrey เทากบ 161:11:19 สวนมนสาปะหลงมคาวอเตอรฟตพรนตเฉลยเทากบ 448 m3.ton-1เปนสดสวน WFgreen:WFblue:WFgrey เทากบ 342:40:66 เมอพจารณาสดสวนของการใชนาจะพบวานาฝนยงเปนปจจยสาคญในการเพาะปลกออยและมนสาปะหลง ความตองการนาจากแหลงนาธรรมชาตสาหรบเพาะปลกออยและมนสาปะหลงเทากบ 48 และ 205 Mm3 y-1 ตามลาดบ ผลการศกษานอาจเปนประโยชนกบผวางนโยบาย สาหรบการวางแผนเพอจดการนาและจดสรรนาในประเทศไดอยางเหมาะสม นอกจากนยงสามารถนาไปเปนฐานขอมลวอเตอรฟต พรนตในระดบภาคไดอกดวย คาสาคญ: วอเตอรฟตพรนต, ออย, มนสาปะหลง, พชพลงงาน Abstract

The aim of this research was to assess water footprint (WF) of sugarcane and cassava cultivated in eastern Thailand for ethanol production. The water footprint was estimated according to “The Water Footprint Assessment Manual” of Hoekstra et al. (2011). The results of this study showed that the average WF of sugarcane was 192 m3.ton-1 and the ratio of WFgreen:WFblue:WFgrey was 161:11:19. The average WF of cassava was 448 m3.ton-1 and the ratio of WFgreen:WFblue:WFgrey was 342:40:66. With the proportion of water use taken into consideration, rainfall remained a key factor in the cultivation of sugarcane and cassava. The water demand for cultivation of sugarcane and cassava from natural sources was 48 and 205 Mm3 y-1, respectively. The study findings would not merely be of use to policymakers for better water management but could be used as basis data of sub-national water footprint as well. Keyword: Water footprint, Sugarcane, Cassava, Energy crop

1 บทนา กระทรวงพลงงานรบนโยบายจากรฐบาลใหดาเนนการจดทา

แผนพลงงานทดแทนระยะยาว 15 y (พ .ศ . 2551-2565) (กรมพฒนาพลงงานทดแทนและอนรกษพลงงาน, 2550) เพอกาหนดทศทางและกรอบการพฒนาพลงงานทดแทนของประเทศ การพฒนาพลงงานทดแทนจะชวยลดการพงพาและการนาเขา

นามนเชอเพลงและพลงงานชนดอนๆ เนองจากประเทศไทยเปนประเทศเกษตรกรรมและมผลผลตทางการเกษตรรวมถงผลผลตเหลอใชทางการเกษตรทมศกยภาพสง ทจะนามาใชเปนพลงงานทดแทนได เชน ออย, มนสาปะหลง, ปาลมนามน, ขาว และขาวโพด เปนตน ดงนนกระทรวงพลงงานจงมยทธศาสตรพฒนาพลงงานทดแทนจากพชพลงงานเหลาน เพอจะไดเปนตลาด


69

ทางเลอกสาหรบผลตผลการเกษตรไทย ทงยงสงเสรมใหเกดการผลตและการใชเอทานอลไมนอยกวา 9 Ml day-1 ทดแทนการใชนามน โดยมงเนนทจะเพมผลผลตของออยและมนสาปะหลงใหไดอยางนอย 15 และ 5 ton rai-1 y-1 ในป 2564 (กรมพฒนาพลงงานทดแทนและอนรกษพลงงาน, 2554) ในขณะเดยวกนยทธศาสตรในการกาหนดทศทางการพฒนาประเทศภายใตแผนการพฒนาการเศรษฐกจและสงคมแหงชาต ฉบบท 11 (สานกงานคณะกรรมการพฒนาการเศรษฐกจและสงคมแหงชาต, 2554) ใ ห ค ว า ม ส า ค ญ ก บ ก า ร อ น ร ก ษ แ ล ะ ฟ น ฟ ด แ ลทรพยากรธรรมชาตและสงแวดลอมควบคกบการใชนาอยางรคณคา บรหารจดการอยางด สรางความเปนธรรม ลดการเหลอมลาและความขดแยงในการใชประโยชนทรพยากร มแนวทางการพฒนาและสงเสรมการใชนาอยางมประสทธภาพ คมคา และไมมผลกระทบตอส งแวดลอมโดยจดระบบการกระจายน าใ หเหมาะสมในทกภาคสวน ทงภาคเกษตร อตสาหกรรม และอปโภค บรโภคและจดทาขอมลการใชนา

จากนโยบายและแผนพฒนาดงกลาว การศกษาเกยวกบปรมาณนาทใชในการเพาะปลกพชพลงงานจงเปนสงทจาเปนหากตองการสงเสรมการใชพลงงานจากพชพลงงาน ดงนนการวจยในครงนมวตถประสงคเพอหาคาวอเตอรฟตพรนต (Water footprint) ของการปลกออยและมนสาปะหลงสาหรบการผลตเอทานอลในพนทภาคตะวนออก ขอมลวอเตอรฟตพรนตทไดสามารถใชเปนสวนประกอบทางสถตทเกยวกบการใชนาในระดบภาคและใชเปนพนฐานสาหรบการวางแผนจดการนาและจดสรรนาในประเทศได

2 วธการ วธการดาเนนงานวจยมขนตอนดงตอไปนคอ สารวจขอมล

การเพาะปลกออยและมนสาปะหลง สรปและสงเคราะหขอมลการเพาะปลกทรวบรวมไดจากแบบสอบถาม หาคาการคายระเหยนาของพชดวยโปรแกรม CROPWAT 8.0 โดยมการนาเขาขอมลภมอากาศ , ขอมลดน และขอมลพช สดทายคอ การคานวณคาวอเตอรฟตพรนตของการปลกพช ในการศกษาครงนดาเนนการตามค มอการประเมนรองรอยนา “The Water Footprint Assessment Manual” ข อ ง Hoekstra et al. (2011)

2.1 พนทศกษา การหาคาวอเตอรฟตพรนตของการปลกออยและมน

สาปะหลงในพนทภาคตะวนออกครอบคลมพนท 6 จงหวด ไดแก จนทบร, ฉะเชงเทรา, ชลบร, ปราจนบร, ระยอง และสระแกว Figure 1 แสดงพนททศกษา จากรายงานสถตการเกษตรของไทย (สานกงานเศรษฐกจการเกษตร , 2553; 2555) ขอมลเนอทเพาะปลกเฉลยและผลผลตเฉลยของออยและมนสาปะหลงในภาคตะวนออกระหวางป พ.ศ. 2551 ถง พ.ศ. 2555 พบวาพนททมการปลกออยมากทสด ไดแก จงหวดสระแกว รองลงมาคอ ชลบร, ฉะเชงเทรา, ระยอง, จนทบร และปราจนบร มเนอทเพาะปลกออยเฉลยเ รยงตามลาดบมากสดดงน 207,872, 110,584, 46,292, 31,099, 20,222 และ 9,009 rai (6.25 rai = 1 ha) รวมทงหมด 425,078 rai มผลผลตออยเฉลย 4,341,631 ton หรอคดเปน 10.21 ton rai-1 การปลกมนสาปะหลงพบมากทสดคอ จงหวดสระแกว, ชลบร, ฉะเชงเทรา, จนทบร, ปราจนบร และระยอง มเนอทเพาะปลกมนสาปะหลงเฉลยเรยงตามลาดบดงน 381,313, 301,978, 301,700, 230,031, 168,005 และ158,623 rai รวมมเนอทปลกมนสาปะหลงเฉลย 1,541,649 rai และผลผลตมนสาปะหลงเฉลย 4,341,631 ton หรอคดเปน 3.31ton rai-1

2.2 การสารวจและเกบรวบรวมขอมล การสารวจและการเกบรวบรวมขอมลประกอบดวยการเกบ

รวบรวมขอมลจากแบบสอบถามและขอมลจากเอกสาร งานวจยและแหลงขอมลอนๆ พนทในการสารวจขอมลพจารณาจากจงหวดทมการปลกออยและมนสาปะหลงมากทสดเพอใชเปนตวแทนในการวเคราะหขอมล ไดแก จงหวดสระแกว, ชลบร, ฉะเชงเทรา และปราจนบร ขนาดของกลมตวอยางคานวณจากสตรของ Yamane (บญม, 2554) ไดแบบสอบถามของการปลกออยและมนสาปะหลงจานวน 177 และ 655 ชด ตามลาดบ มระดบความเชอมนท 95% และคาความคลาดเคลอน +/- 10%

ขอมลจากแบบสอบถามสรปไดวาเกษตรกรเพาะปลกออยระหวางเดอนมนาคมถงเดอนเมษายน ออยทนยมปลก ไดแก พนธ LK 92-11 เตรยมดนโดยใชปยมลไกเปนปยรองพนกอนการเพาะปลก เนองจากภาคตะวนออกมการเลยงไกเปนจานวนมาก ปยมลไกทใชในการเตรยมดนปรมาณเฉลย 51 kg rai-1 ชวงการบ า ร ง รกษาจะใชป ย เค ม 15-15-15 ประมาณ 52 kg rai-1 สวนขอมลการปลกมนสาปะหลงสรปไดวาพนธเกษตรศาสตร 51 เปนทนยมปลกระหวางเดอนกมภาพนธถงเดอนมนาคม โดยเรมจากการเตรยมดนโดยใชปยมลไกเปนปยรองพนประมาณ 54 kg


70

rai-1 สวนในชวงการบารงรกษาจะใชปยเคม 15-15-15 ประมาณ 64 kg rai-1 สาหรบแหลงน า ท ใช เพาะปลกพชสองชนดนนสวนมากใชนาฝน มการใชนาจากแหลงนาอนบาง ไดแก นาผวดน, นาใตดน และนาชลประทาน

การรวบรวมขอมลอนๆ เชน ขอมลดน, ขอมลภมอากาศ และแผนทการปลกออยและมนสาปะหลง นาขอมลพนททมการปลกออยและมนสาปะหลงไปตรวจสอบเทยบกบขอมลชดดนทจดทา

โดยกรมพฒนาทดน (กรมพฒนาทดน, 2555) พบวาออยมการปลกมากในกลมชดดน 17, 28, 35, 46, 48 และ 55 สวนมนสาปะหลงมการปลกมากในกลมชดดน 17, 35 และ 48 สวนขอมลภมอากาศในรอบ 30 ป (พ.ศ. 2524-2553) ของ 6 จ ง ห ว ด ใ น ภ า ค ต ะ ว น อ อ ก ไ ด จ า ก ก ร ม อ ต น ย ม ว ท ย า (กรมอตนยมวทยา, 2554)

Figure 1 Ethanol plants in Thailand and the study area. Source: DEDE (2008)

2.3 การหาคาการคายระเหยนาของพช ในการศกษาครงนใชโปรแกรม CROPWAT 8.0 ทพฒนาขน

มาโดยองคการอาหารและการเกษตรแหงสหประชาชาต (FAO, 2009) คานวณคาการคายระเหยนาของพชโดยวธการกาหนดการใหนาชลประทาน (Irrigation schedule option) ตามหลกการการสมดลนาในดน (Soil water balance) เปนวธการทมความแมนยาและไมไดซบซอน (Hoekstra et al., 2011) วธกาหนดการใหนาแบบใหนาชลประทานนนจะกาหนดเวลาและปรมาณนาดงน ใหนาชลประทานเมอความชนในดนลดลงจนถงจดวกฤต (Irrigation at critical depletion) และใหนาเพอใหดนมความชนทระดบความชนชลประทาน (Refill soil to field

capacity) วธนจะคานวณคาการคายระเหยนาของพช (The adjusted crop evapotranspiration, ETc,adj หรอ ETa) จากสมการดงตอไปน

ETa = Ks × ETc = Ks × Kc × ETo (1)

โดยท ETc คอ การคายระเหยนาของพช, ETo คอ ปรมาณการใชนาของพชอางอง (โปรแกรม CROPWAT 8.0 จะทาการคานวณคา ETo ตามวธการของ FAO Penman Montieth), Kc คอ สมประสทธการใชนาของพช และ Ks คอ ผลกระทบทเกดจากการขาดนาตอกระบวนการคายนาของพช ซงในสภาวะทนาในดนมปรมาณทจากดคา Ksจะมคานอยกวา 1 และในสภาวะทดนไมมการขาดนาคา Ks จะมคาเทากบ 1


71

นาผลลพธทไดจากโปรแกรมมาเปรยบเทยบคาตางๆ เพอหาคาการคายระเหย ETgreen และ ETblue ดงตอไปน

1) ในกรณจาลองสถานการณโดยวธกาหนดใหนาชลประทานภายใตเหตการณแบบใหนาชลประทาน (Irrigated condition) กาหนดให ETgreen= ETa- ETblue โดยท

ETa = คาการคายระเหยนาของพชจรงมคาเทากบคาการใชนาของพชจรงคอ “Actual water use by crop”

ETblue= คาทตาสดระหวาง“Total Net Irrigation” เทยบกบ “Actual irrigation requirement”

ETgreen= การคายระเหยนาของพชกรน “The green water evapotranspired”

2) ในกรณจาลองสถานการณโดยวธกาหนดใหนาชลประทานภายใตเหตการณแบบเกษตรนาฝน (Rain-fed condition) กาหนดให ETgreen= ETa และ ETblue = 0

หาปรมาณนาทพชใช (Crop water use, CWU) ไดจากคาการคายระเหยน าของพชในแตละวนสะสมตลอดฤดกาลเพาะปลก (Length of growing period, lgp) ซงมหนวยเปน ml คณดวยคาปรบแก 1.6 จะไดปรมาณนาทพชใชมหนวยเปน m3 rai-1 ดงแสดงในสมการท 2 และ 3

(2)

(3)

2.4 การคานวณวอเตอรฟตพรนต ของการปลกพช วอเตอรฟตพรนต (Water footprint, WF) หรอรองรอยการ

ใชนาเปนเครองชวดปรมาณนาสะอาดในกระบวนการผลตสนคาและบรการทงทางตรงและทางออม โดยคานวณปรมาณความตองการนาจากทกขนตอนตลอดหวงโซของการผลต วอเตอรฟต พรนตสามารถจาแนกไดเปน 3 ประเภท ไดแก 1) กรนวอเตอรฟตพรนต (Green water footprint, WFgreen) ใชชวดปรมาณความตองการนาในสวนของปรมาณนาฝนทอยในรปของความชนในดน, 2) บลวอเตอรฟตพรนต (Blue water footprint, WFblue) ใชชวดปรมาณความตองการนาในสวนของแหลงนาธรรมชาต ทงแหลงนาผวดนและแหลงนาใตดน, 3) เกรยวอเตอรฟตพรนต (Grey water footprint, WFgrey) ใชชวดปรมาณนาทตองการใชในการปรบสภาวะมลพษในแหลงนาใหอยในมาตรฐานคณภาพนาของแหลงนาตามธรรมชาต การหาคาสวนประกอบวอเตอรฟต พรนตในกระบวนการปลกพชแสดงในสมการท 4-6 และคา วอเตอรฟตพรนตของการปลกพชแสดงในสมการท 7

WF,green = greenCWU

Y m3.ton-1 (4)

W,blue =Y

CWU blue m3.ton-1 (5)

WFgrey=Y

ccAR nat )/()( max m3.ton-1 (6)

WF total=WFgreen+WFblue+WFgrey m3.ton-1 (7)

โดยท CWU คอ ปรมาณนาทพชใช (m3 rai-1), คา Y คอ ผลผลต

ตอพนท (ton rai-1), คอ คาสมประสทธการชะลางของสารมลพษ (%), AR คอ อตราการใชสารเคม (kg rai-1) และ คา cmax และ cnat หมายถง ระดบความเขมขนสงสดและระดบความเขมขนในธรรมชาตของมลสาร (mg l-1) ตามลาดบ

3 ผลและวจารณ การวเคราะหขอมลการใหนาของเกษตรกรจรงซงไดจาก

แบบสอบถามมทงใชนาฝนอยางเดยว, ใชนาผวดน (คลอง/สระนา), นาบาดาล และใชนาผวดนเสรมในกรณทนาฝนไมพอ นาไปจ าลองสถานการณ ใ หน า ท งแบบเกษตรน าฝน (ไ ม มน าชลประทาน) และแบบใหนาชลประทานในโปรแกรม CROPWAT 8.0 แลวนาผลการคายระเหยนาของพชทงสองแบบหาคาการคายระเหยนาของพชเฉลยแบบถวงนาหนก, คาการคายระเหยนาของพช , คาความตองการนาของพช , คากรนวอเตอรฟตพรนต (WFgreen) และค าบล วอ เตอ ร ฟตพ รน ต (WFblue) ของการเพาะปลกออยและมนสาปะหลง ดงแสดงใน Table 1 และTable 2 ตามลาดบ

การคานวณคาเกรยวอเตอรฟตพรนต (WFgrey) ในการศกษาครงนพจารณาเฉพาะปรมาณปยทเปนสวนประกอบไนโตรเจน การใชยาฆาหญา และยาฆาแมลงจะไมนามาพจารณา คานวณคาเกรยวอเตอรฟตพรนต (WFgrey) ของการเพาะปลกออยและมนสาปะหลงไ ดจากสมการท 6 สาหรบปย มลไกคดปรมาณไนโตรเจนในปยมลไกไดเทากบ 2.42% โดยนาหนก (กรมวชาการเกษตร, 2541) กาหนดคาสมประสทธการชะลางของสารมลพษ (AR) เทากบ 10% ของอตราการใชปย (Chapagain et al., 2006) คาความเขมขนสงสด (Cmax) เทากบ 5 mg l-1 ตามกาหนดมาตรฐานคณภาพนาในแหลงนาผวดน (ประกาศคณะกรรมการสงแวดลอมแหงชาต ฉบบท 8, 2537) คาความเขมขนในธรรมชาต (Cnat) กาหนดใหเปนศนยเนองจากขาดขอมลทเหมาะสม โดยอางองจากแนวความคดของ Hoekstra et al. (2011) สวนผลการคานวณแสดงใน Table 3


72

Table 1 Component of green and blue water footprint for sugarcane production.

Province ETgreen ETblue ETa CWUgreen CWUblue CWUtotal Y WFgreen WFblue

(mm) (mm) (mm) (m3.rai-1) (m3.rai-1) (m3.rai-1) (ton.rai-1) (m3.ton-1) (m3.ton-1)Chanthaburi 945.3 13.7 959.0 1,512.5 21.8 1,534.3 10.2 148.3 2.1

Chachoengsao 1,021.1 38.3 1,059.4 1,633.8 61.3 1,695.0 9.8 166.7 6.3Chonburi 1,001.5 32.0 1,033.5 1,602.5 51.2 1,653.7 10.0 160.2 5.1

Prachinburi 959.4 152.2 1,111.6 1,535.1 243.5 1,778.5 10.0 153.5 24.3Rayong 1,131.9 90.7 1,222.6 1,811.0 145.2 1,956.2 10.2 177.5 14.2Sakaeo 1,010.8 101.7 1,112.5 1,617.2 162.8 1,780.0 10.2 158.5 16.0

Table 2 Component of green and blue water footprint for cassava production.

Province ETgreen ETblue ETa CWUgreen CWUblue CWUtotal Y WFgreen WFblue(mm) (mm) (mm) (m3.rai-1) (m3.rai-1) (m3.rai-1) (ton.rai-1) (m3.ton-1) (m3.ton-1)

Chanthaburi 659.7 39.7 699.4 1,055.5 63.6 1,119.1 3.4 310.4 18.7Chachoengsao 732.1 27.9 760.0 1,171.2 44.7 1,215.9 3.2 366.0 14.0

Chonburi 814.2 23.0 837.2 1,302.7 36.8 1,339.5 3.6 361.9 10.2Prachinburi 603.6 179.2 782.8 965.7 286.7 1,252.5 3.2 301.8 89.6

Rayong 775.2 68.3 843.5 1,240.3 109.3 1,349.6 3.2 387.6 34.2Sakaeo 653.4 144.8 798.2 1,045.3 231.7 1,277.0 3.2 326.7 72.4 คาวอเตอรฟตพรนตของกระบวนการปลกพช คอ ผลรวมของ

WFgreen, WFblue และ WFgrey ดงสมการท 7 คาวอเตอรฟตพรนตของการเพาะปลกออยและมนสาปะหลงของภาคตะวนออกแสดงใน Table 4 และ Figure 2 ผลการวจยทไดพบวาคาวอเตอรฟต พรนตของออยมคาอยระหวาง 168-211 m3 ton-1 คาเฉลยเทากบ 191.5 m3 ton-1 มสดสวน WFgreen:WFblue:WFgrey เทากบ 161:11:19 วอเตอรฟตพรนตของมนสาปะหลงมคาอยระหวาง 395-468 m3 ton-1 มคาเฉลยเทากบ 448 m3 ton-1 และมสดสวนเทากบ 342:40:66

นาคาวอเตอรฟตพรนตเฉลยทไดจากการศกษา ปรยบเทยบกบคาเฉลยของภาคเหนอในประเทศไทย (Kongboon and Sampattagul, 2012) และคาวอเตอรฟตพรนตเฉลยของโลก (Mekonnen and Hoekstra, 2011) แสดงดงใน Table 5 จะเหนวาคาวอเตอรฟตพรนตเฉลยของออยและมนสาปะหลงในภาคตะวนออกตากวา ทงนอาจเปนเพราะการเลอกเงอนไขการใชนา, ขอมลดานพช, ขอมลดน, การใสปย, วนและชวงเวลาปลก, ผลผลตของพช และสภาพภมอากาศตางกน

4 สรปผลและขอเสนอแนะ การหาคาวอเตอรฟตพรนตของการปลกออยและมน

สาปะหลงในพนทภาคตะวนออกครอบคลมพนท 6 จงหวด ไดแก

จนทบร, ฉะเชงเทรา, ชลบร, ปราจนบร, ระยอง และสระแกว จากการศกษาพบวาคาวอเตอรฟตพรนตของออยมคาเฉลยเทากบ 192 m3 ton-1 มสดสวน WFgreen:WFblue:WFgrey เทากบ 161:11:19 คดเปนรอยละ 84:6:10 ของคาวอเตอรฟตพรนตรวม สวนมนสาปะหลงมคาเฉลยเทากบ 448 m3 ton-1 มสดสวน WFgreen:WFblue:WFgrey เ ท า ก บ 342:40:66 ค ด เ ป น ร อ ย ล ะ 76:9:15 ของคาวอเตอรฟตพรนตรวม คาวอเตอรฟตพรนตทไดจากงานวจยครงน สามารถใชเปนขอมลในการวเคราะหคา วอเตอรฟตพรนตของการผลตเอทานอลซงจะใชเปนขอมลประกอบการพจารณานโยบายการสงเสรมการใชเอทานอลของประเทศได จากขอมลกรมพฒนาพลงงานทดแทนและอนรกษพลงงานพบวาออยสด 1 ton สามารถผลตเอทานอลได 70 l และมนสด 1 ton สามารถผลตเอทานอลได 180 l ดงนนเมอเปรยบเทยบตอการผลตเอทานอล 1 l หากเลอกออยเปนวตถดบจะตองใชออยสด 14.286 kg และจากขอมลวอเตอรฟตพรนตของออยภาคตะวนออกจะสามารถคานวณไดวามนาเกยวของกบการเพาะปลกออย 2.74 m3 แตหากใชมนสาปะหลงเปนวตถดบ จะตองใช มนสาปะหลง 5.556 kg และมนาเกยวของกบการเพาะปลกมนสาปะหลง 2.49 m3 หากพจารณาผลกระทบจากการผลตเอทานอลตอทรพยากรนาทเกยวของกบการเพาะปลกพชพลงงานพบวาการเลอกมนสาปะหลงเปนวตถดบจะใชทรพยากรนา


73

นอยกวาออยเลกนอย งานวจยน ยงพบวา WFgreen มสดสวนมากกวาประเภทอนแสดงใหเหนวานาฝนเปนปจจยสาคญในการเพาะปลกออยและมนสาปะหลงในภาคน ในสวนของ WFblue ออยและมนสาปะหลงมความตองการนาจากแหลงนาธรรมชาต 48 Mm3 y-1 และ 205 Mm3 y-1 ตามลาดบ คาดงกลาวสามารถนาไปพจารณารวมกบคาความตองการนาสาหรบพชเกษตรชนดอนและความตองการนาสาหรบภาคอตสาหกรรม รวมถงนาเพอการอปโภคบรโภค เพอการจดสรรทรพยากรนาอยางเหมาะสมตอไป

ทางเลอกสาหรบการลดวอเตอรฟตพรนตคอ การเพมผลผลตตอไร การปลกพชคลมดนเพอลดการคายระเหยนาในดนจะชวยลด WFgreen การลดคา WFblue สามารถดาเนนการโดยเปลยนรปแบบการใหนา โดยใหมการสญเสยนาลดลงเชน ระบบ

ชลประทานแบบนานอย (ระบบนาหยด หรอระบบฉดฝอย) รวมถงการปรบปรงระยะเวลาและปรมาณการใหนาใหเหมาะสมกบชนดของพช และการลดคา WFgrey สามารถทาไดโดยลดการใชปยเคม ใชปยในปรมาณทเหมาะสมกบลกษณะดนและชนดของพช รวมถงการใชปยทพชจะสามารถดดซมไปใชไดงายโดยมปยตกคางในดนนอย ไดแก ปยอนทรย

5 กตตกรรมประกาศ การดาเนนการวจยในครงน ไดรบทนการสนบสนนจาก

สานกงานคณะกรรมการวจยแหงชาต คณะผวจยขอขอบพระคณเปนอยางสงไว ณ ทน

Table 3 Calculation of grey water footprint for sugarcane and cassava in eastern Thailand.

Province Cmax N leaching fraction

Sugarcane (m3 ton-1) Cassava (m3 ton-1)

(N) Fertilizerapplication rate

Yield

WFgrey

(N) Fertilizer

application rate Yield

WFgrey

(mg l-1)

(kg rai-1) (ton rai-1) (m3 ton-1) (kg rai-1) (ton rai-1) (m3 ton-1)

Chanthaburi 5 0.10 9.9 10.2 19.3 11.2 3.4 65.7Chachoengsao 5 0.10 9.8 9.8 18.0 9.8 3.2 61.1

Chonburi 5 0.10 10.1 10.0 20.2 12.3 3.6 68.5Prachinburi 5 0.10 11.8 10.0 23.5 10.8 3.2 67.8

Rayong 5 0.10 9.9 10.2 19.3 10.5 3.2 65.7Sakaeo 5 0.10 8.0 10.2 15.7 10.8 3.2 67.4

Table 4 Water footprint of sugarcane and cassava production in eastern Thailand.

Province Sugarcane (m3.ton-1) Cassava (m3.ton-1)

WFgreen WFblue WFgrey WF total WFgreen WFblue WFgrey WF total Chanthaburi 148.3 2.1 19.3 169.7 310.4 18.7 65.7 394.8

Chachoengsao 166.7 6.3 18.0 191.0 366.0 14.0 61.1 441.1Chonburi 160.2 5.1 20.2 185.5 361.9 10.2 68.5 440.6

Prachinburi 153.5 24.3 23.5 201.3 301.8 89.6 67.8 459.2Rayong 177.5 14.2 19.3 211.0 387.6 34.2 65.7 467.5Sakaeo 158.5 16.0 15.7 190.2 326.7 72.4 67.4 466.5Average 160.8 11.3 19.3 191.5 342.4 39.9 66.0 448.3


74

Table 5 Comparison of this Study Result, Northern Thailand and Global Average Water Footprint.

Area Sugarcane (m3.ton-1) Cassava(m3.ton-1)

WFgreen WFblue WFgrey WF total WFgreen WFblue WFgrey WF total

Eastern Thailand 161 11 19 192 342 40 66 448Northern Thailand 90 87 25 202 192 232 85 509

Global Average 139 57 13 210 550 0 13 564

0

50

100

150

200

250

WFgrey WFblue WFgreen

m3 .to

n-1

0

100

200

300

400

500

WFgrey WFblue WFgreen

m3 .t

on-1

Sugarcane Cassava Figure 2 Water footprint of sugarcane and cassava production in eastern Thailand.

6 เอกสารอางอง กรมวชาการเกษตร. 2541. ปรมาณธาตอาหารพชของปยอนทรย

จากวสดอนทรย. กองปฐพวทยา . กระทรวงเกษตรและสหกรณ.

กรมพฒนาทดน . 2555. ดนของไทย. กระทรวงเกษตรและสหกรณ.

กรมพฒนาพลงงานทดแทนและอน รกษพล งงาน . 2550. แผนพฒนาพลงงานทดแทน 15 ป. กระทรวงพลงงาน.

กรมพฒนาพลงงานทดแทนและอน รกษพล งงาน . 2554. แผนพฒนาพลงงานทดแทนและพลงงานทางเลอก 25% ใน 10 ป (พ.ศ.2555-2564). กระทรวงพลงงาน.

กรมอตนยมวทยา. 2554. สถตภมอากาศของประเทศไทย ในคาบ 30 ป (พ.ศ. 2524 – 2553). กระทรวงเทคโนโลยสารสนเทศและการสอสาร

บญม พนธไทย. 2554. ระเบยบวธวจยการศกษาเบองตนภาควชาการประเมนและการวจย. Available at: e-book.ram.edu/e-book/m/MR3 9 3 / chapter6 . pdf. Accessed 18 ก.ย. 2554.

ประกาศคณะกรรมการส ง แวดล อมแ ห งชา ต ฉบบ ท 8 (พ.ศ. 2537). 2537. กาหนดมาตรฐานคณภาพนาในแหลงนาผวดน. ราชกจจานเบกษา. เลม 111 ตอนท16 ง.

แผนการพฒนาการเศรษฐกจและสงคมแหงชาต ฉบบท 11 (พ.ศ. 2555-2559). 2554. สานกงานคณะกรรมการพฒนาการเศรษฐกจและสงคมแหงชาต.

สานกงานเศรษฐกจการเกษตร. 2553. สถตการเกษตรของไทย ป 2552. กระทรวงเกษตรและสหกรณ.

สานกงานเศรษฐกจการเกษตร. 2555. สถตการเกษตรของไทย ป 2554. กระทรวงเกษตรและสหกรณ.

Chapagain, A. K., Hoekstra, A. Y., Savenije, H. H. G. and Gautam, R. (2006). The water footprint of cotton consumption: an assessment of the impact of worldwide consumption of cotton products on the water resources in the cotton producing countries. Ecological Economics 60, 186-203.

Department of Alternative Energy Development and Efficienty (DEDE). 2008. Facilitation Workshop under the T@W Project. Montien Hotel. 25 February 2008, Bangkok.


75

FAO. 2009. CROPWAT 8.0 Model. Food and Agriculture Organization. Rome, Italy.

Hoekstra, A. Y., Chapagain, A. K., Aldaya, M. M. and Mekonnen, M. M. 2011. The Water Footprint Assessment Manual: Setting the Global Standard. Washington, DC: Earthscan.

Mekonnen, M. M. and Hoekstra, A. Y. 2011. The Green, blue and grey water footprint of crops and derived crop products. Hydrology and Earth System Sciences, Vol. 15, pp. 1577-1600.

Kongboon, R. and Sampattagul, S. 2012. The water footprint of sugarcane and cassava in northern Thailand.2012. International Conference in Asia Pacific Business Innovation and Technology Management. Procedia - Social and Behavioral Sciences 40, 451 – 460.

Documents

TSAE Journal Vol.18