TSAE Journal Vol.18

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering ปีที่ 18 ฉบับที่ 1 มกราคม – ธันวาคม 2555 (Volume 18 No. 1 January – December 2012)

ISSN 1685-408X

เจ้าของ: สมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย สํานักงาน: อาคาร 5 ชั้น 5 กองส่งเสริมวิศวกรรมเกษตร กรมส่งเสริมการเกษตร แขวงลาดยาว จตุจักร กรุงเทพฯ 10900 โทร 0 2940 6183 โทรสาร 0 2940 6185 www.tsae.asia บรรณาธิการ รศ. ดร. อนุพันธ์ เทอดวงศ์วรกุล รศ. ดร. ประเทือง อุษาบริสุทธิ์ ผศ. ดร. ศิวลักษณ์ ปฐวีรัตน์ ดร. วันรัฐ อับดุลลากาซิม ดร. วัชรพล ชยประเสริฐ ดร. ศิริศักดิ์ เชิดเกียรติพล ดร. กระวี ตรีอํานรรค

กองบรรณาธิการ นางดาเรศร์ กิตติโยภาส นางสาวนฤมล ลดาวัลย์ ณ อยุธยา ดร. เทวรัตน์ ทิพยวิมล ดร. ประสันต์ ชุ่มใจหาญ ดร. ชัยยันต์ จันทร์ศิริ ที่ปรึกษากองบรรณาธิการ รศ. พินัย ทองสวัสดิ์วงศ์ กองบรรณาธิการวิชาการ

จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ศ. ดร. สุรินทร์ พงศ์ศุภสมิทธ์ มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ ศ. ดร. ผดุงศักดิ์ รัตนเดโช ศ. ดร. สมชาติ ฉันทศิริวรรณ สถาบันเทคโนโลยีแห่งเอเชีย ศ. ดร. อรรถพล นุ่มหอม มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ รศ. ดร. ธัญญา นิยมาภา รศ. วิชา หมั่นทําการ ผศ. ภรต กุญชร ณ อยุธยา ดร. ประภากรณ์ แสงวิจิตร มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ รศ. ดร. สัมพันธ์ ไชยเทพ ผศ. ดร. ศิวะ อัจฉริยวิริยะ ดร. วิบูลย์ ช่างเรือ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี ผศ. ดร. วีรชัย อาจหาญ ผศ. ชาญชัย โรจนสโรช ผศ. ดร. พยุงศักดิ์ จุลยุเสน

มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี ศ. ดร. สมชาติ โสภณรณฤทธิ์ มหาวิทยาลัยแม่โจ้ รศ. เสมอขวัญ ตันติกุล ผศ. ดร. สุเนตร สืบค้า มหาวิทยาลัยขอนแก่น รศ. ดร. ธวัชชัย ทิวาวรรณวงศ์ รศ. ดร. วินิต ชินสุวรรณ ผศ. ดร. เสรี วงส์พิเชษฐ ผศ. ดร. สมโภชน์ สุดาจันทร์ ผศ. ดร. สมชาย ชวนอุดม ผศ. ดร. วิเชียร ปลื้มกมล มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี รศ. ดร. รุ่งเรือง กาลศิริศิลป์ ผศ. ดร. จตุรงค์ ลังกาพินธุ์ มหาวิทยาลัยราชภัฏวไลยอลงกรณ์ รศ. จิราภรณ์ เบญจประกายรัตน์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณ ทหาร ลาดกระบัง รศ. ดร. ปานมนัส ศิริสมบูรณ์ รศ. สาทิป รัตนภาสกร

สถาบันวิจัยเกษตรวิศวกรรม กรมวิชาการเกษตร ดร. ชูศักดิ์ ชวประดิษฐ์ ดร. อนุชิต ฉ่ําสิงห์ กองส่งเสริมวิศวกรรมเกษตร กรมส่งเสริมการเกษตร นางดาเรศร์ กิตติโยภาส นายณรงค์ ปัญญา นายชีรวรรธก์ มั่นกิจ นางสาวฐิติกานต์ กลัมพสุต 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

คณะกรรมการสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ประจําปี พ.ศ. 2554 – 2555 ที่ปรึกษา ฯพณฯ นายอําพล เสนาณรงค์ ฯพณฯ พลเอกสุรยุทธ์ จุลานนท์ ศ. ดร. สมชาติ โสภณรณฤทธิ์ ศ. ดร. อรรถพล นุ่มหอม ศ. ดร. สุรินทร์ พงศ์ศุภสมิทธิ์ รศ. ดร. ธวัชชัย ทิวาวรรณวงศ์ รศ. ดร. วินิต ชินสุวรรณ

Prof. Dr. Vilas M Salokhe Prof. Dr. Gajendra Singh Prof. Dr. Chin Chen Hsieh ดร. สุภาพ เอื้อวงศ์กูล นายทรงศักดิ์ วงศ์ภูมิวัฒน์ นายสุรเวทย์ กฤษณะเศรณี

นางพรรณพิมล ชัญญานุวัตร นายวิกรม วัชรคุปต์ นายสมชัย ไกรครุฑรี นายปราโมทย์ คล้ายเนตร นายสุวิทย์ เทิดเทพพิทักษ์ นายชนะธัช หยกอุบล

กรรมการบริหาร นายกสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย อุปนายก ประธานฝ่ายวิชาการ ผู้ช่วยประธานฝ่ายวิชาการ ผู้ช่วยประธานฝ่ายวิชาการ ผู้ช่วยประธานฝ่ายวิชาการ เลขาธิการ เหรัญญิก นายทะเบียน สาราณียกร ผู้ช่วยสาราณียกร ปฏิคม ประชาสัมพันธ์ ผู้ประสานงานกลาง

นางดาเรศร์ กิตติโยภาส ผศ. ดร. วีรชัย อาจหาญ ศ. ดร. สมชาติ โสภณรณฤทธิ์ รศ. พินัย ทองสวัสดิ์วงศ์ ผศ. ดร. สมโภชน์ สุดาจันทร์ ผศ. ดร. สุเนตร สืบค้า นายณรงค์ ปัญญา นางสาวฐิติกานต์ กลัมพสุต นายชีรวรรธก์ มั่นกิจ รศ. ดร. อนุพันธ์ เทอดวงศ์วรกุล ดร. วันรัฐ อับดุลลากาซิม นายนเรสน์ รังสิมันตศิริ นางสาวนฤมล ลดาวัลย์ ณ อยุธยา นายอนุรักษ์ เรือนหล้า

กรรมการกลางและวิชาการ รศ. ดร. สมยศ เชิญอักษร รศ. ดร. ธัญญา นิยมาภา รศ. ดร. ธัญญะ เกียรติวัฒน์ รศ. ดร. ปานมนัส ศิริสมบูรณ์ รศ. สาทิป รัตนภาสกร ผศ. ดร. สมโภชน์ สุดาจันทร์ ผศ. ดร. เสรี วงส์พิเชษฐ ดร. ชัยพล แก้วประกายแสงกูล รศ. ดร. สัมพันธ์ ไชยเทพ รศ. ดร. วิชัย ศรีบุญลือ ผศ. เธียรชัย สันดุษฎี นายไพศาล พันพึ่ง ผศ. ฉัตรชาย ศุภจารีรักษ์ รศ. กิตติพงษ์ วุฒิจํานง

ดร. สมเกียรติ เฮงนิรันดร์ รศ. ผดุงศักดิ์ วานิชชัง รศ. จิราภรณ์ เบญจประกายรัตน์ รศ. ดร. รุ่งเรือง กาลศิริศิลป์ ผศ. ดร. ศิวลักษณ์ ปฐวีรัตน์ ดร. วันรัฐ อับดุลลากาซิม รศ. รังสินี โสธรวิทย์ รศ. ดร. ประเทือง อุษาบริสุทธิ์ รศ. มานพ ตันตระบัณฑิตย์ ผศ. ดร. สุเนตร สืบค้า ผศ. ภรต กุญชร ณ อยุธยา ดร. วสันต์ จอมภักดี ดร. ชูศักดิ์ ชวประดิษฐ์ รศ. ดร. อนุพันธ์ เทอดวงศ์วรกุล

นางดาเรศร์ กิตติโยภาส รศ. ใจทิพย์ วานิชชัง นายชนะธัช หยกอุบล นายจารุวัฒน์ มงคลธนทรรศ ดร. ไมตรี แนวพนิช นายอัคคพล เสนาณรงค์ นายวิบูลย์ เทเพนทร์ นายสุภาษิต เสงี่ยมพงศ์ ดร. อนุชิต ฉ่ําสิงห์ นายวีระชัย เชาว์ชาญกิจ นายนรเชษฐ์ ฉัตรมนตรี นายไมตรี ปรีชา ผศ. ดร. สมชาย ชวนอุดม นายสมศักดิ์ อังกูรวัฒนานุกูล

นางสาวพนิดา บุษปฤกษ์ นายมลฑล แสงประไพทิพย์ นางสาวระพี พรหมภู่ นายพัฒนศักดิ์ ฮุ่นตระกูล นายมรกต กลับดี นายนเรศวร์ ชิ้นอินทร์มนู นายขุนศรี ทองย้อย นายสุรสิทธิ์ บุญรักชาติ นายบุญส่ง หนองนา นางสาวศิระษา เจ็งสุขสวัสดิ์ นางสาววิไลวรรณ สอนพูล นางสาวนฤมล ลดาวัลย์ ณ อยุธยา หัวหน้าภาควิชาและสาขาวิศวกรรม เกษตรของสถาบันการศึกษาทุกแห่ง ของประเทศ

สารบัญ 

การพัฒนาเครื่องปักต้นกล้ายาสูบขนาดหนึ่งที่นั่ง......................................................................................................... 1 วัชรพล ชยประเสริฐ, กิตติเดช โพธิ์นิยม, อมรรัตน์ เขียวขํา, ปณัฐพงศ์ ดีทอง Development of a Single-Seat Tobacco Transplanter Watcharapol Chayaprasert, Kittidet Poniyom, Amonrat Kheawkham, Parnutpong Deetong



คุณลักษณะการอบแห้งของสาหร่ายเตาด้วยคลื่นไมโครเวฟ ........................................................................................ 8 ฤทธิชัย อัศวราชันย์, ฉัตรชนก คงสิทธิ์, ดวงพร อมรเลิศพิศาล Microwave Drying Characteristics of Spirogyra spp.

Rittichai Assavarachan, Chatchanok Kongsit, Doungporn Amornlerdpison



การปรับปรุงคุณภาพก๊าซชีวภาพด้วยกระบวนการดูดซับสลับความดัน ..................................................................... 15 ปภัส ชนะโรค, รัตนวรรณ เกียรติโกมล, วีรชัย อาจหาญ Pressure swing Adsorption for Biogas upgrading Papas Chanaroke, Ratanawan Kiattikomol, Weerachai Arjharn



ที่มาของสมการ Ergun เพื่อการคํานวณความเร็วต่ําสุดของการเกิดฟลูอิไดซ์สําหรับอนุภาคของแข็ง ....................... 24 ระวิน สืบค้า, ธนศิษฏ์ วงศ์ศิริอํานวย, สุเนตร สืบค้า Foundation of the Ergun equation for the calculation of minimum fluidizing velocity of solid particles Rawin Surbkar, Thanasit Wongsiriamnuay, Sunate Surbkar



เทคโนโลยีการให้น้ําด้วยสายยางน้ําซึม ...................................................................................................................... 34 สมชาย ดอนเจดีย์ Water application technology with porous pipe Somchai Donjadee



การหาไอโซมเทอมความชื้นของวัสดุที่แลกเปลี่ยนความชื้นได้ดี ................................................................................ 43 ชนันท์ ราษฎ์นิยม, สุเนตร สืบค้า Determination of Moisture Sorption Isotherm for Hygroscopic Materials Chanun Rardniyom, Sunate Surbkar



ปัจจัยที่มีความสัมพันธ์กับระยะการสุกของมะม่วงน้ําดอกไม้หลังการเก็บเกี่ยว .......................................................... 52 ศักยะ สมบัติไพรวัน, เทวรัตน์ ตรีอํานรรค, กระวี ตรีอํานรรค Factors Related to Ripening-stages of Nam Dok-mai Mango after Harvesting Sakaya Sombatpraiwan, Tawarat Tipyavimol, Krawee Treeamnuk



แบบจําลองการอบแห้งใบกะเพราด้วยคลื่นไมโครเวฟ ............................................................................................... 59 ปองพล สุริยะกันธร, ฤทธิชัย อัศวราชันย์ Microwave Drying Models of Holy Basil (Ocimum sanctum L.) Leaves Pongpol Suriyakanthorn, Rittichai Assavarachan



วอเตอร์ฟุตพรินต์ของอ้อยและมันสําปะหลังสําหรับการผลิตเอทานอลในภาคตะวันออก ประเทศไทย ....................... 68 สานิตย์ดา เตียวต๋อย, ชลิตา สุวรรณ, ธณัฏฐ์ยศ สมใจ Water Footprint of Sugarcane and Cassava for Ethanol Production in Eastern Thailand Sanidda Tiewtoy, Chalita Suwan, Thanutyot Somjai

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 18 ฉบับที่ 1 (2555), 1–7

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 18 ฉบับที่ 1 (2555) 1–7 Available online at www.tsae.asia

บทความวิจัย ISSN 1685-408X

การพัฒนาเครื่องปักต้นกล้ายาสูบขนาดหนึ่งที่นั่ง Development of a Single-Seat Tobacco Transplanter วัชรพล ชยประเสริฐ1*, กิตติเดช โพธิ์นิยม2, อมรรัตน์ เขียวขํา1, ปณัฐพงศ์ ดีทอง1 Watcharapol Chayaprasert1*, Kittidet Poniyom2, Amonrat Kheawkham1, Parnutpong Deetong1 1

ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร, คณะวิศวกรรมศาสตร์ กําแพงแสน, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตกําแพงแสน, นครปฐม, 73140 Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering at Kamphaengsaen, Kasetsart University - Kamphaengsaen Campus, Nakhon Pathom, 73140 2 ฝ่ายเครื่องจักรกลการเกษตรแห่งชาติ, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตกําแพงแสน, นครปฐม, 73140 2 National Agricultural Machinery Center, Kasetsart University – Kamphaengsaen Campus, Nakhon Pathom, 73140 *Corresponding author: Tel: +66-34-351-896, Fax: +66-34-351-896, E-mail: fengwpc@ku.ac.th 1

บทคัดย่อ ต้นแบบเครื่องปักต้นกล้าสําหรับอุตสาหกรรมปลูกยาสูบถูกพัฒนาขึ้น โดยมีเป้าหมายเพื่อใช้งานกับต้นกล้ายาสูบพันธุ์ เวอร์จิเนียซึ่งมีระยะปลูกระหว่างแถว 1 m และระหว่างต้น 60 cm ตัวเครื่องเป็นส่วนต่อพ่วงกับรถแทรกเตอร์, ใช้ผู้ปฏิบัติงาน 1 คน (ไม่รวมคนขับรถแทรกเตอร์), ทํางานครั้งละ 1 แถวปลูก, ชิ้นส่วนทั้งหมดสร้างจากเหล็กรูปพรรณ, และมีองค์ประกอบสําคัญคือ ชุดเปิดร่อง, ชุดกลไกปักวางต้นกล้า, ชุดกลไกป้อนต้นกล้า และชุดกลบร่องดิน ผลการทดสอบประสิทธิภาพของเครื่องปักต้นกล้า ไม่ได้แสดงให้เห็นถึงผลของความชื้นและความต้านทานการแทงทะลุของดินที่มีต่ออัตราการปักสําเร็จของเครื่องปักต้นกล้า หากไม่ คิดรวมเวลาในการกลับหัวรถแทรกเตอร์ เครื่องปักต้นกล้าจะใช้เวลาทํางานน้อยกว่าแรงงานคนเกือบหนึ่งเท่าตัว อย่างไรก็ตาม เครื่องปักต้นกล้ายังมีอัตราการปักสําเร็จต่ํา (i.e., 66.7–76.0%) เมื่อเทียบกับอัตราการปักสําเร็จของแรงงานคน (i.e., 97.0%) และ เครื่องยังมีระยะการปักที่ไม่สม่ําเสมอนัก สาเหตุหลักที่ทําให้เครื่องปักต้นกล้าทํางานผิดพลาดคือ หน้าดินไม่เรียบสม่ําเสมอ, ต้น กล้ามีขนาดไม่ได้มาตรฐาน และดินมีลักษณะจับตัวเป็นก้อนไม่ร่วนซุย คําสําคัญ: เครื่องปักต้นกล้า, ยาสูบ, ประสิทธิภาพการปักต้นกล้า 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 1

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

1 บทนํา ใบยาสูบเป็นผลผลิตทางการเกษตรที่ทํารายได้ให้กับประเทศ ไทยเป็นจํานวนมากเมื่อเทียบกับผลผลิตทางการเกษตรชนิดอื่นๆ ในสัดส่วนปริมาณการผลิตที่เท่ากัน ในช่วงปี พ.ศ. 2538 ถึง 2547 ปริ ม าณการส่ ง ออกใบยาสู บ เพิ่ ม ขึ้ น โดยประมาณจาก 20,000 เป็น 31,000 tonne มีมูลค่าการส่งออกเพิ่มขึ้นจาก 1,500 เป็น 2,800 ล้านบาท (สมาคมผู้บ่มผู้เพาะปลูกและผู้ค้าใบ ยาสูบไทย, 2551) ราคาภายในประเทศของใบยาสูบพันธุ์ เวอร์จิเนียเพิ่มขึ้นจาก 4.55 บาท kg-1 ในปี พ.ศ. 2549 เป็น 10.31 บาท kg-1 ในปี พ.ศ. 2550 (สํ า นั ก งานเศรษฐกิ จ การเกษตร, 2550) จะเห็นได้ว่าใบยาสูบเป็นผลผลิตทาง การเกษตรที่มี มู ล ค่ า สูง มาก นอกจากนี้ ใ นเงิ น รายได้ ที่โ รงงาน ยาสูบส่งให้รัฐในแต่ละปียังสูงถึงกว่า 45,000 ล้านบาท (โรงงาน ยาสูบ กระทรวงการคลัง, 2553) ในขณะที่ภาคการผลิตทาง การเกษตรในภาพรวมมี ก ารปรั บ ตั ว เพื่ อ รั ก ษาศั ก ยภาพการ แข่งขันในตลาด โดยการนําเครื่องจักรเข้ามาใช้งาน (agricultural mechanization) ก ร ะ บ ว น ก า ร ป ลู ก ย า สู บ ยั ง ต้ อ ง อ า ศั ย แรงงานคนแทบทั้งหมด (ยกเว้นขั้นตอนการเตรียมดิน) ดังนั้น การศึกษาในครั้งนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อสร้างต้นแบบและทดสอบ ประสิ ท ธิ ภ าพของเครื่ อ งปั ก ต้ น กล้ า สํ า หรั บ อุ ต สาหกรรมปลู ก ยาสูบ โดยมีเป้าหมายเพื่อใช้งานกับต้นกล้ายาสูบพันธุ์เวอร์จิเนีย เป็นหลักซึ่งมีระยะปลูกระหว่างแถว (distance between rows) 1 m และระหว่างต้น (distance between hills) 60 cm 2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 ส่วนประกอบของเครื่องปักต้นกล้า เครื่ อ งปั ก ต้ น กล้ า ในต่ า งประเทศได้ รั บ การพั ฒ นามาอย่ า ง ต่อเนื่องเป็นระยะเวลานานซึ่งโดยส่วนใหญ่ลักษณะการออกแบบ ของเครื่องปักต้นกล้าจะเป็นส่วนต่อพ่วงกับส่วนขับเคลื่อน เช่น รถแทรกเตอร์ เป็นต้น ถึงแม้ว่ารูปร่างและลักษณะการทํางาน เครื่องปักต้นกล้าแต่ละแบบจะแตกต่างกันออกไปในรายละเอียด โดยทั่วไปตัวเครื่องจะประกอบด้วยตัวโครงสร้างหลักและมีส่วน กลไกการทํางานพื้นฐาน (Table 1) คือ 1) ชุดเปิดร่อง (furrow opener) เพื่อแหวกหน้าดินสําหรับ ปั ก ต้ น กล้ า ซึ่ ง การออกแบบจะอยู่ ใ นลั ก ษณะของหั ว แหวก (runner) หรือ หัวไถ (chisel) 2) ชุดกลไกปักวางต้นกล้า (transplanting mechanism) โดยสามารถแยกได้เป็น 2 ประเภทคือ แบบปล่อยหรือวางโดยให้

2

ต้นกล้าตกลงสู่ร่องดินเองตามธรรมชาติ (gravity drop) หรือ แบบมีกลไกจับตันกล้าปักลงดิน (mechanical insert) 3) ชุดกลไกป้อนต้นกล้า (loading station) ให้กับชุดกลไก ปั ก วางต้ น กล้ า ซึ่ ง อาจเป็ น แบบทํ า งานเองโดยอั ต โนมั ติ (automatic loading) หรื อ เป็ น แบบมี ค นป้ อ นต้ น กล้ า ให้ กั บ ชุดกลไก (hand loading) 4) ชุดกลบร่องดิน (compacting device) ซึ่งจะเป็นหัวกดที่ เคลื่อนที่ผ่านและคอยกลบร่องดินที่เปิดไว้ หัวกดอาจมีลักษณะ เป็ น ล้ อ หมุ น (compacting wheel) หรื อ แผ่ น โลหะดั ด เข้ า รู ป (compacting plate) ดังนั้น เครื่องปักต้นกล้าในโครงการวิจัยนี้จึงถูกออกแบบให้ เป็นส่วนต่อพ่วงกับรถแทรกเตอร์, ใช้ผู้ปฏิบัติงาน 1 คน (ไม่รวม คนขับรถแทรกเตอร์), ทํางานครั้งละ 1 แถวปลูก, ชิ้นส่วนทั้งหมด สร้ า งจากเหล็ ก รู ป พรรณ และมี ส่ ว นประกอบหลั ก ทั้ ง 4 ส่ ว น ดังกล่าวข้างต้น ดังแสดงใน Figure 1 คือ 1) ชุ ด เปิ ด ร่ อ งถู ก ออกแบบให้ เ ป็ น หั ว แหวกมี รู ป ทรงคล้ า ย สามเหลี่ยม 2) ชุดกลไกปักวางต้นกล้าเป็นแผ่นเหล็กเรียบดัดขอบให้เป็น ช่องเพื่อบังคับให้ต้นกล้าไถลตกลงสู่ร่องดินด้านหลังชุดเปิดร่อง เองโดยธรรมชาติ 3) ชุดกลไกป้อนต้นกล้า (Figure 2) ทําหน้าที่ป้อนต้นกล้า ให้กับชุดกลไกปักวางต้นกล้า มีช่องบรรจุต้นกล้า (seedling holder) 3 ช่อง แต่ละช่องมีลักษณะเป็นทรงกรวยเหลี่ยม ที่ก้น กรวยมีลิ้นทําหน้าที่เปิด-ปิด เพื่อปล่อยต้นกล้า ซึ่งกลไกการเปิด ปิด ของลิ้ น ถู ก ขั บ ด้ ว ยล้ อ ของเครื่ อ งปั ก ต้ น กล้ า ผ่ า นชุ ด เฟื อ งโซ่ (chain drive) และก้านเตะ (rotating kicker) อัตราการทดรอบ จากล้อของเครื่องปักต้นกล้าไปยังก้านเตะถูกออกแบบให้เครื่อง ปักมีอัตราการปักต้นกล้าที่ 1 ต้น ต่อ 60 cm 4) ชุดกลบร่องดินมีลักษณะเป็นล้อหมุนคู่วางในแนวเฉียงเข้า หากันทํามุมประมาณ 45 กับพื้นดิน ซึ่งเมื่อเคลื่อนที่ผ่านร่องดิน ที่เปิดไว้ ล้อหมุนจะกลบและกดร่องดินให้แน่น 2.2 การทดสอบประสิทธิภาพเครื่องปักต้นกล้า ทําการทดสอบประสิทธิภาพเครื่องปักต้นกล้าทั้งหมด 3 ครั้ง การทดสอบแต่ล ะครั้ง มีระยะเวลาห่า งกัน 7–10 d มาตรฐาน RNAM (Regional Network for Agricultural Machinery, 1983) กําหนดให้พื้นที่สําหรับการทดสอบอุปกรณ์หยอดเมล็ดพืช ต้องมีขนาดไม่ต่ํากว่า 2,000 m2 (0.2 ha) และมีสัดส่วนความ ยาวต่อความกว้างเป็น 2:1 อย่างไรก็ตามเนื่องจากข้อจํากัดของ สถานที่ทําการวิจัย ทําให้งานวิจัยนี้จําเป็นต้องใช้แปลงทดสอบ

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 18 ฉบับที่ 1 (2555), 1–7

ขนาดกว้าง 7.7 m และยาว 40.0 m (Figure 3) แปลงทดสอบ ถูกแบ่งออกเป็น 6 แถว โดยมีระยะห่างระหว่างแถว 1.1 m ใช้ ระยะสําหรับกลับหัวรถแทรกเตอร์ด้านละ 5 m ซึ่งจะให้ระยะ การทํ า งานของเครื่ อ งปั ก ต้ น กล้ า ในแต่ ล ะแถวเป็ น 30.0 m

เครื่ อ งปั ก ต้ น กล้ า ถู ก ออกแบบให้ มี ร ะยะปั ก ต้ น กล้ า 60 cm ซึ่งหมายถึง จํานวนต้นกล้าที่จะปักได้ทั้งหมดต่อแถวคือ 50 ต้น และใช้ต้นกล้าทั้งหมด 300 ต้น ต่อ 1 การทดสอบ

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

Chow Kolk Munilla Suggs Boa Dattisman and Satpathy Suggs et al.

(1984) et al.

(1931) Shaw (2008) (1979) et al.

(1980) (1998) (1987) (1987) Furrow opener Runner Chisel

 

Drop Insert



Hand Automatic



Wheel Plate





  



N/A

Transplanting mechanism  N/A  Loading station    Compacting device 

Figure 1 Primary components of the transplanter.



N/A



N/A



  

  



N/A

Suggs et al.

(1992) 











Figure 2 Primary components of the loading station.

3

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

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. ก่อนการทดสอบแต่ละครั้ง 1–2 d ทําการเตรียมดินโดยใช้ไถ จาน (standard disk plow) ไถพื้นที่ทดสอบ 2 ครั้งแล้วทําการ พรวนดินด้วยจอบหมุน (rotary tiller) 1–2 h ก่อนการทดสอบ ทําการเก็บตัวอย่างดินโดยใช้ core sampler จํานวนทั้งหมด 12 ตัวอย่าง เพื่อนําไปวิเคราะห์หาความหนาแน่นดินสภาพแห้ง (soil dry bulk density) และค วา มชื้ น ของดิ น (soil moisture content) (Regional Network for Agricultural Machinery, 1983) ตําแหน่งของการเก็บตัวอย่างดินทั้ง 12 ตําแหน่งจะ กระจายตัวอย่างเป็นระเบียบโดยรอบแปลงทดสอบ นอกจากนี้ที่ แต่ ล ะตํ า แหน่ ง ของการเก็ บ ตั ว อย่ า งดิ น ทํ า การวั ด ค่ า ความ ต้านทานการแทงทะลุของดิน (cone index) ที่ระดับความลึก 10, 20 แ ล ะ 30 cm โ ด ย ใ ช้ cone penetrometer (SR-2 No.353-B, Kiya Seisakusho Ltd., Tokyo, Japan) ต้นกล้าที่ ใช้ในการทดสอบเป็นต้นกล้ามะเขือเปราะ ความสูงจากยอดใบถึง ฐานล่างของตุ้มรากประมาณ 20–30 cm รถแทรกเตอร์ที่ใช้ใน งานวิจัยนี้ใช้เครื่องยนต์ดีเซล ให้กําลังสูงสุด 24.5 hp (L245-II, Kubota Corp., Osaka, Japan) ก่อนการทดสอบแต่ละครั้งจะ ทําการวัดระยะการเคลื่อนที่ของรถแทรกเตอร์ซึ่งมีเครื่องปักต้น กล้าติดตั้งอยู่แต่ไม่นําเครื่องปักต้นกล้าลงสู่พื้นดิน และระยะการ เคลื่อนที่ของรถแทรกเตอร์ซึ่งฉุดลากเครื่องปักต้นกล้าในลักษณะ การทํางานปกติ เพื่อหาเปอร์เซ็นต์การลื่นไถลล้อ (wheel slip) ของรถแทรกเตอร์เนื่องจากการฉุดลากเครื่องปักต้นกล้า ให้รถ แทรกเตอร์เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ประมาณ 0.6 km h-1 และ ทํ า การวั ด ระยะการเคลื่ อ นที่ เ มื่ อ ล้ อ หลั ง ของรถแทรกเตอร์ 4

หมุนครบ 6 รอบ ทําการเก็บข้อมูลสําหรับการหาเปอร์เซ็นต์การ ลื่นไถลล้อ 1 ครั้งในแต่ละแถว (i.e., 6 ซ้ําในแต่ละการทดสอบ) ในแต่ละการทดสอบประสิทธิภาพแต่ละครั้ง รถแทรกเตอร์จะ ทํ า การลากเครื่ อ งปั ก ต้ น กล้ า ไปตามแนวเส้ น ทางดั ง แสดงใน Figure 3 ระยะเวลาที่เครื่องปักต้นกล้าเคลื่อนที่ในแต่ละแถว (ระยะ 30 m) และระยะเวลาการกลับหัวรถแทรกเตอร์เมื่อเสร็จ สิ้นการปักในแต่ละแถวจะถูกบันทึกไว้ ทําการบันทึกปริมาณการ ใช้เชื้อเพลิงหลังจากเสร็จ สิ้นแต่ละการทดสอบ ทําการบันทึก จํานวนต้นที่เครื่องปักต้นกล้าทําการปักได้สําเร็จ (S) โดยมี เงื่ อ นไขคื อ ต้ น กล้ า ที่ ถู ก ปั ก สํ า เร็ จ ต้ อ งมี มุ ม ระหว่ า งลํ า ต้ น กั บ แนวแกนตั้งฉากกับพื้นดินไม่เกิน 30 และดินกลบโคนต้นมิด พอดี (i.e., ไม่มีรากโผล่ขึ้นมาและไม่มีใบอ่อนถูกดินกลบทับ) ในทางกลับกัน ต้นกล้าที่ถูกปักไม่สําเร็จคือ ต้นที่มีมุมระหว่างลํา ต้นกับแนวแกนตั้งฉากกับพื้นดินมากกว่า 30 หรือดินกลบโคน ต้นไม่พอดี (i.e., มีรากโผล่ขึ้นมาหรือต้นกล้าถูกดินกลบทับทั้งต้น) หรือไม่มีต้นกล้าที่ตําแหน่งการปัก อัตราการปักสําเร็จ (success rate) จะถูกคํานวนโดยใช้สมการต่อไปนี้ Success rate =

S 300

×100

(1)

สังเกตว่าจํานวนต้นกล้าทั้งหมดที่ใช้ในแต่ละการทดสอบคือ 300 ต้ น นอกจากนี้ ระยะห่ า งระหว่ า งต้ น กล้ า ที่ ถู ก ปั ก สํ า เร็ จ ต่อเนื่องกันตั้งแต่ 3 ต้นขึ้นไปจะถูกบันทึกไว้ ประสิทธิภาพของเครื่องปักต้นกล้าจะถูกเปรียบเทียบกับการ ปักต้นกล้าด้วยแรงงานคน โดยทําการทดสอบการปักต้นกล้าด้วย แรงงานคน 1 การทดสอบโดยใช้แรงงาน 2 คน คนหนึ่งมีหน้าที่ ใช้จอบขุดดินให้เป็นหลุมและอีกคนวางต้นกล้าลงในหลุมแล้วกลบ ดิ น ตามหลั ง ทํ า การทดสอบ 2 แถวแต่ ล ะแถวยาว 30 m ระยะห่างระหว่างแถว 1.1 m ระยะห่างระหว่างต้น 60 cm ทํา การบันทึกจํานวนต้นที่ทําการปักได้สําเร็จและระยะเวลาที่ใช้ใน การปักแต่ละแถว 3 ผลและวิจารณ์ ผลการวัดความหนาแน่นดินสภาพแห้ง, ความชื้นของดิน และ ความต้ า นทานการแทงทะลุ ข องดิ น ถู ก แสดงอยู่ ใ น Table 2 ความหนาแน่นดินสภาพแห้งมีค่าเฉลี่ยอยู่ที่ 1.37 g cm-3 และมี ค่าเกือบไม่เปลี่ยนแปลงตลอดการทดสอบประสิทธิภาพทั้ง 3 ครั้ง ค่าเฉลี่ยของความชื้นของดินมีค่าเปลี่ยนแปลงในช่วงแคบๆ (i.e., 7.94–9.75%) อย่างไรก็ตามความต้านทานการแทงทะลุของดิน ของแต่ละการทดสอบมีค่า แตกต่า งกัน ค่อนข้างมาก ในขณะที่

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 18 ฉบับที่ 1 (2555), 1–7

ค่าเฉลี่ยของความต้านทานการแทงทะลุของดินของการทดสอบที่ 3 ที่ 10, 20 และ 30 cm มีค่าเท่ากับ 0.41, 0.67 และ 0.75 MPa ตามลําดับ ความต้านทานการแทงทะลุของดินเกือบทั้งหมด ของการทดสอบที่ 1 และ 2 มีค่าเกินกว่า 0.82 MPa ซึ่งเป็น ค่ า สู ง สุ ด ที่ cone penetrometer ที่ ใ ช้ ใ นการศึ ก ษาครั้ ง นี้

สามารถวัดได้ อย่างไรก็ตามผลการทดสอบประสิทธิภาพการปัก ต้นกล้า (Table 3) ไม่ได้แสดงให้เห็นว่าความแตกต่างของความ ต้ า นทานการแทงทะลุ ข องดิ น ส่ ง ผลต่ อ อั ต ราการปั ก สํ า เร็ จ (success rate) ของเครื่องปักต้นกล้า

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

Cone index (MPa) Test Soil dry bulk density (g cm-3) Soil moisture content (%) 10 cm 20 cm 30 cm a a 1 1.37 0.03 9.75 1.84 > 0.82 > 0.82 > 0.82a a a 2 1.37 0.06 7.94 2.73 > 0.82 > 0.82 > 0.82a 3 1.37 0.07 8.24 3.31 0.41 0.10 0.67 0.15 0.75 0.11 a More 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.

Average SD of Average SD of Average SD of Fuel Success Wheel Test rate (%) transplanting time turning time for distance between slip (%) consumption one turn (s) hills (cm) per row (s) (ml) 1 68.3 187.0 5.8 77.7 5.4 60.6 8.5 < 0.3 570 2 76.0 192.5 1.9 64.7 8.2 59.8 10.9 < 0.1 300 62.3 12.6 < 0.2 250 3 66.7 191.7 1.6 65.3 6.7 60.0a N/A N/A Hand 97.0 361.5 2.1 N/A a Hand transplanting always provided evenly spaced seedlings.

Figure 4 และ 5 แสดงเครื่องปักต้นกล้าในระหว่างการ ทํ า งาน และตั ว อย่ า งผลการปั ก ต้ น กล้ า โดยเครื่ อ งปั ก ต้ น กล้ า ตามลําดับ เมื่อเครื่องปักต้นกล้าทํางานอย่างถูกต้อง แนวการปัก ซึ่งเกิดจากการทํางานของเครื่องปักจะเป็นแนวสันดินขนาดเล็ก ซึ่งมุมของสันดินนี้เกิดจากการกดทับของชุดกลบร่องดิน ต้นกล้า จะตั้ งตรงที่แ นวยอดของสันดินและถู กดินกลบโคนต้น มิดพอดี ต้น กล้ า แต่ล ะต้ น จะอยู่ห่า งจากกัน ประมาณ 60 cm อย่า งไรก็ ตาม การทํางานของเครื่องปักต้นกล้ายังมีข้อบกพร่องอยู่ ดังจะ เห็นได้จากสรุปผลการทดสอบประสิทธิภาพการปักต้นกล้าของ เครื่ อ งปั ก และการปั ก ด้ ว ยแรงงานคนใน Table 3 ถึ ง แม้ ว่ า ค่าเฉลี่ยของระยะระหว่างต้นกล้า (distance between hills) ในทุกการทดสอบจะมีค่าใกล้เคียง 60 cm ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐาน (SD) ยังมีค่าสูงอยู่ระหว่าง 8.5–12.6 cm ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความ ผิดพลาดในระยะการปักต้นกล้าของเครื่อง ในขณะที่การปักบาง ช่วงต้นกล้าอยู่ห่างกันเพียงประมาณ 50 cm ในการปักบางช่วง ต้นกล้ากลับอยู่ห่างกันเกินกว่า 70 cm อัตราการปักสําเร็จในการ ทดสอบที่ 1, 2 และ 3 คือ 68.3, 76.0 และ 66.7% ตามลําดับ

ในขณะที่อัตราการปักสําเร็จโดยแรงงานคนเท่ากับ 97.0% จาก การสังเกตในระหว่างการทําการทดสอบ สาเหตุหลักของการปัก ต้นกล้าไม่สําเร็จของเครื่องปักคือ 1) หน้าดินไม่เรียบสม่ําเสมอทําให้ชุดเปิดร่องทํางานที่ความ ลึกไม่คงที่ ส่งผลให้ความลึกและความกว้างของร่องสําหรับปักต้น กล้าไม่สม่ําเสมอ เมื่อร่องมีความลึกมากเกินไปทําให้ต้นกล้าถูกดิน กลบมากผิดปกติ เมื่อร่องมีความลึกไม่มากพอทําให้ต้นกล้าไม่ถูก ดินกลบหรือต้นกล้าไม่ตั้งตรง 2) ขนาดของต้นกล้าไม่ได้มาตรฐานซึ่งเป็นสาเหตุให้ต้นกล้า ถูกดินกลบน้อยหรือมากผิดปกติ คล้ายกับสาเหตุในข้อก่อนหน้านี้ ต้นกล้าที่ลําต้นยาวเกินไปจะไม่สามารถลอดผ่านลิ้นเปิด-ปิดของ ชุดกลไกปักวางต้นกล้าได้ทันเวลาก่อนที่ลิ้นจะปิด ต้นกล้าจึงไป ติดขัดอยู่ที่บริเวณลิ้นเปิด-ปิด นอกจากนี้ ต้นกล้าที่มีใบขนาดใหญ่ จะมีแนวโน้มเกิดการติดขัดสูงขึ้น

5

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

3) เมื่อดินในแปลงทดสอบมีลักษณะจับตัวเป็นก้อนและไม่ร่วน ซุย ชุดกลบร่องดินจะไม่สามารถทํางานได้อย่างมีประสิทธิภาพ การฉุดลากเครื่องปักต้นกล้าเกือบจะไม่ทําให้รถแทรกเตอร์ สูญเสียประสิทธิภาพการเคลื่อนที่ ดังจะสังเกตได้จากเปอร์เซ็นต์ การลื่นไถลล้อ (wheel slip) ซึ่งมีค่าสูงสุดเพียงไม่เกิน 0.3% ปริมาณการใช้เชื้อเพลิงที่สูงผิดปกติในการทดสอบครั้งที่ 1 เกิด จากเครื่องปักต้นกล้ามีการเสียหายที่ชุดเปิดร่อง ทําให้สูญเสีย เวลาในการซ่อมแซมซึ่งในช่วงเวลานี้เครื่องยนต์ของรถแทรกเตอร์ ยังมีการทํางานอยู่ หากคิดรวมเวลาในการกลับหัวรถแทรกเตอร์ (turning time for one turn) เครื่องปักต้นกล้าใช้เวลาทํางาน น้อยกว่าแรงงานคนประมาณ 30% อย่างไรก็ตามในการศึกษา ครั้ ง นี้ แปลงทดสอบมี ข นาดเพี ย ง 7.740 m2 หากทํ า การ ทดสอบเครื่องปักต้นกล้าในแปลงขนาด 2,000 m2 ตามมาตรฐาน RNAM ผลของการกลับหัวรถแทรกเตอร์ที่มีต่อการใช้เวลาทํางาน รวมของเครื่องปักต้นกล้าจะลดลงอย่างมาก หากไม่คิดรวมเวลา ในการกลับหัวรถแทรกเตอร์ เครื่องปักต้นกล้าจะใช้เวลาทํางาน น้อยกว่าแรงงานคนเกือบหนึ่งเท่าตัว ถึงแม้ว่าเครื่องปักต้นกล้ามี ความเร็วการทํางานสูงกว่าแรงงานคนอย่างเห็นได้ชัด เครื่องปัก ยังมีประสิทธิภาพไม่เป็นที่น่าพอใจนัก เนื่องจากมีอัตราการปัก ผิดพลาดมากกว่าคน 20–30% 4 สรุป ในการศึ ก ษาครั้ ง นี้ ต้ น แบบเครื่ อ งปั ก ต้ น กล้ า สํ า หรั บ อุตสาหกรรมปลูกยาสูบถูกพัฒนาขึ้น โดยมีเป้าหมายเพื่อใช้งาน กับต้นกล้ายาสูบพันธุ์เวอร์จิเนียเป็นหลักซึ่งมีระยะปลูกระหว่าง แถว 1 m และระหว่างต้น 60 cm องค์ประกอบสําคัญของเครื่อง ปักต้นกล้าคือ ชุดเปิดร่อง, ชุดกลไกปักวางต้นกล้า, ชุดกลไกป้อน ต้นกล้า และชุดกลบร่องดิน ผลการทดสอบประสิทธิภาพของ เครื่องปักต้นกล้าไม่ได้แสดงให้เห็นถึงผลของความชื้นและความ ต้านทานการแทงทะลุของดินที่มีต่ออัตราการปักสําเร็จของเครื่อง ปั ก ต้ น กล้ า หากไม่ คิ ด รวมเวลาในการกลั บ หั ว รถแทรกเตอร์ เครื่องปักต้นกล้าจะใช้เวลาทํางานน้อยกว่าแรงงานคนเกือบหนึ่ง เท่าตัว อย่างไรก็ตามเครื่องปักต้นกล้ายังมีอัตราการปักสําเร็จต่ํา (i.e., 66.7–76.0%) เมื่ อ เที ย บกั บ อั ต ราการปั ก สํ า เร็ จ ของ แรงงานคน (i.e., 97.0%) และเครื่ อ งยั ง มี ร ะยะการปั ก ที่ ไ ม่ สม่ําเสมอนัก สาเหตุหลักที่ทําให้เครื่องปักต้นกล้าทํางานผิดพลาด คือ หน้าดินไม่เรียบสม่ําเสมอ, ต้นกล้ามีขนาดไม่ได้มาตรฐาน และดินมีลักษณะจับตัวเป็นก้อนไม่ร่วนซุย ดังนั้น การวิจัยและ

6

พัฒนาเพื่อลดการใช้แรงงานคนในการปักต้นกล้ายาสูบในอนาคต ควรมุ่งเน้นที่การแก้ปัญหาทั้ง 3 ส่วนดังกล่าว

Seedlings

Figure 4 The mechanical transplanter during the performance tests.

Figure 5 Example of seedlings transplanted by the mechanical transplanter.

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 18 ฉบับที่ 1 (2555), 1–7

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.

6 เอกสารอ้างอิง Automatic feeding transplanter. Acta Horticulturae โ ร ง ง า น ย า สู บ ก ร ะ ท ร ว ง ก า ร ค ลั ง . 2553. ส รุ ป ผ ล ก า ร 319, 511-516. ดํ า เ นิ น ง า น ปี ง บ ป ร ะ ม า ณ 2551. Available at: Suggs, C.W., Thomas, T.N., Eddington, D.L., Peel, H.B., http://www.thaitobacco.or.th/page/infor_view.php?gid= Seaboch, T.R. and Gore, J.W. 1987. Self-feeding 113. Accessed 10 ก.พ. 2553. transplanter for tobacco and vegetable crops. สมาคมผู้บ่มผู้เพาะปลูกและผู้ค้าใบยาสูบไทย. 2551. ข้อมูล Applied Engineering in Agriculture 3, 148-152. ปัญหาใบยาสูบเวอร์จิเนีย แนวทางการแก้ไขปัญหา และการ พัฒนา. สํานักงานเศรษฐกิจการเกษตร. 2550. เอกสารสถิติการเกษตร ของประเทศไทย ปี 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.

5 กิตติกรรมประกาศ คณะผู้วิจัยขอขอบคุณ ฝ่ายเครื่องจักรกลการเกษตรแห่งชาติ สถาบันวิจัยและพัฒนา กําแพงแสน มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตกําแพงแสน จังหวัดนครปฐม ที่ได้อนุเคราะห์สถานที่ เครื่องมืออุปกรณ์ และยานพาหนะ และขอขอบคุณ ศูนย์ความ เป็นเลิศทางวิชาการด้านเครื่องจักรกลการเกษตรและอาหาร ที่ได้ อนุเคราะห์งบประมาณ ในการศึกษาวิจัยครั้งนี้

7

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 8–14

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 18 ฉบับที่ 1 (2555) 8–14 Available online at www.tsae.asia

บทความวิจัย ISSN 1685-408X

คุณลักษณะการอบแห้งของสาหร่ายเตาด้วยคลื่นไมโครเวฟ Microwave Drying Characteristics of Spirogyra spp. ฤทธิชัย อัศวราชันย์1*, ฉัตรชนก คงสิทธิ์1, ดวงพร อมรเลิศพิศาล2 Rittichai Assavarachan1*, Chatchanok Kongsit1, Doungporn Amornlerdpison2 1

สาขาวิศวกรรมอาหาร, คณะวิศวกรรมและอุตสาหกรรมเกษตร, มหาวิทยาลัยแม่โจ้, สันทราย, เชียงใหม่, 50290 Food Engineering Program, Faculty of Engineering and Agro-Industry; Maejo University, Sansai, Chiang Mai, Thailand, 50290.

2 คณะเทคโนโลยีการประมงและทรัพยากรน้ํา, มหาวิทยาลัยแม่โจ้ สันทราย, เชียงใหม่, 50290 2 Food 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: rittichai@mju.ac.th 1

บทคัดย่อ งานวิจัยนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อศึกษาคุณลักษณะการอบแห้งสาหร่ายเตาในระหว่างการอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟ ที่ระดับกําลัง งานไมโครเวฟที่ 752.04±1477, 465.15±9.08, 231.18±5.83 และ 164.34±3.81 วัตต์ ตามลําดับ จากความชื้นเริ่มต้นเท่ากับ 15.5142±0.4408 จนเหลือความชื้นที่ 0.1043±0.0907 กรัมต่อกรัมน้ําหนักแห้ง โดยใช้เวลาในการอบแห้งเท่ากับ 25, 49, 91 และ 165 นาที ตามลําดับ การศึกษาแบบจําลองทางคณิตศาสตร์ของการอบแห้งสาหร่ายเตาด้วยคลื่นไมโครเวฟซึ่งประกอบด้วยแบบจําลอง Lewis, Page และ Modified Page ผลการศึกษาพบว่าแบบจําลองทางคณิตศาสตร์ในรูปแบบของสมการกึ่งทฤษฎีของ Page มีความ เหมาะสมมากที่สุด เนื่องจากมีค่า R2 ในช่วง 0.9928-0.9973 ซึ่งมีค่ามากกว่าแบบจําลองทางคณิตศาสตร์การอบแห้งแบบอื่นๆ และมี ค่า  2 และ RMSE ระหว่าง 6.03 x 10-3 ถึง 0.22 x 10-3 และ 0.0149 ถึง 0.0774 ตามลําดับ และการทวนสอบแบบจําลองทาง คณิตศาสตร์ของ Page ด้วยการอบแห้งสาหร่ายเตาด้วยคลื่นไมโครเวฟที่ระดับ 605.81± 4.92 วัตต์ พบว่าความกลมกลืนกับข้อมูลที่ ได้จากการทดลองมีค่า  2 และ RMSE เท่ากับ 8.49 x 10-3 และ 0.0921 ตามลําดับ คําสําคัญ: สาหร่ายเตา, การอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟ, แบบจําลองทางคณิตศาสตร์การอบแห้ง 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 บทนํา สาหร่ายเตา หรือ เทาน้ํา หรือชื่อวิทยาศาสตร์ว่า Spirogyra spp. เป็ น สาหร่ า ยน้ํ า จื ด สี เ ขี ย วขนาดใหญ่ ที่ พ บมากในแถบ 8

ภาคเหนือและภาคตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศไทย นิยม นํามารับประทานเป็นอาหารยําประเภทต่างๆ (สรฉัตร และยุวดี, 2552) สาหร่ า ยเตามีคุณ ค่า ทางโภชนาการโดยมี โปรตี นอยู่ใ น

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 8–14

ระดับสูงซึ่งใกล้เคียงกับปลาน้ําจืดรวมทั้งตรวจพบวิตามินและ เกลือแร่ที่สําคัญหลายตัว ด้านเภสัชวิทยาพบว่ามีฤทธิ์ต้านการ เกิ ด แผลในกระเพาะอาหาร การหดเกร็ ง ของกล้ า มเนื้ อ เรี ย บ ขยายหลอดลม ต้านการอักเสบ ระงับปวด และลดความดัน มีผล ต่อความเสื่อมหรือการแก่ของเซลล์และยังเป็นสาเหตุสําคัญของ การเกิ ด ภาวะแทรกซ้ อ นในโรคเบาหวาน (ดวงพร และคณะ, 2555) นอกจากนี้ยังตรวจพบสารประกอบฟีนอลิกในปริมาณมาก (ธีระวัฒน์ และคณะ, 2554) การอบแห้งเป็นกระบวนการแปรรูปที่ช่วยให้ผลิตภัณฑ์มีอายุ การเก็บ รัก ษาที่ย าวนาน เนื่ อ งจากมีค่ า ความชื้ น ต่ํ า ในระดั บ ที่ สามารถยับยั้งการเจริญเติบโตของจุลลินทรีย์ที่ทําให้เกิดการเน่า เสียในอาหาร นอกจากนี้ยังช่วยยับยั้งการทํางานของเอนไซม์ที่ ส่ ง ผลต่ อ การเปลี่ ย นแปลงคุ ณ ภาพในอาหารได้ เ ป็ น อย่ า งดี (ฤทธิชัย และคณะ, 2554) คลื่นไมโครเวฟจัดเป็นนวัตกรรมการ สร้า งความร้อนด้ว ยคลื่น แม่ เ หล็ก ไฟฟ้า ที่ มีป ระสิ ทธิ ภ าพสู ง ซึ่ ง สามารถสร้างความร้อนภายในตัวผลผลิตเกษตรได้ดี และไม่มี ผลกระทบจากการถ่ า ยเทความร้ อ นผ่ า นตั ว กลาง ดั ง นั้ น การ ประยุกต์คลื่นไมโครเวฟกับการอบแห้งจึงเป็นอีกแนวทางหนึ่งใน การเพิ่ ม ประสิ ท ธิ ภ าพของการอบแห้ ง (ฤทธิ ชั ย , 2554 ก) สอดคล้ อ งกั บ ผลการวิ จั ย ของ Ozkan et al. (2007) และ Maskan (2001) ซึ่งพบว่าการอบแห้งผักขม (spinach) และกีวี แผ่น (kiwifruits) ด้วยคลื่นไมโครเวฟจะช่วยเร่งอัตราการอบแห้ง ได้เร็วกว่าการอบแห้งด้วยลมร้อนและช่วยลดการสูญสลายของ สารอาหารที่สําคัญในผลิตภัณฑ์ อย่างไรก็ตามงานวิจัยที่เกี่ยวกับ การอบแห้งสาหร่ายเตาด้วยคลื่นไมโครเวฟยังมีอยู่น้อย ดังนั้นใน งานวิจัยนี้จึงมีจุดประสงค์ในการศึกษาคุณลักษณะการอบแห้ง ของสาหร่ายเตาในระหว่างการอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟ และ การหาแบบจํ า ลองทางคณิ ต ศาสตร์ ก ารอบแห้ ง ด้ ว ยคลื่ น ไมโครเวฟของสาหร่ายเตาที่เหมาะสม โดยผลการศึกษาดังกล่าว จะเป็ น แนวทางใช้ ป ระโยชน์ สํ า หรั บ การออกแบบสภาวะการ อบแห้งสาหร่ายเตาด้วยคลื่นไมโครเวฟต่อไปในอนาคต 2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 วัตถุดิบ นํ า ส า ห ร่ า ย เ ต า จ า ก ฟ า ร์ ม เ พ า ะ เ ลี้ ย ง ส า ห ร่ า ย เ ต า คณะเทคโนโลยีการประมงและทรัพยากรน้ํา มหาวิทยาลัยแม่โจ้ มาล้างด้วยน้ําสะอาด จํานวน 3 น้ํา จากนั้นนําไปเข้าเครื่องหมุน เหวี่ยง (ยี่ห้อ Wasino) เพื่อไล่น้ําออกจากสาหร่ายเตา นําไปเก็บ ไว้ที่ตู้เย็น (ยี่ห้อ Haier รุ่น HP-921F) ที่อุณหภูมิ 4±0.5 องศา

เซลเซียสในระหว่างรอการอบแห้ง 2.2 การวิเคราะห์ค่าความชื้นเริ่มต้นของสาหร่ายเตา การวิ เ คราะห์ ค่ า ความชื้ น เริ่ ม ต้ น ของสาหร่ า ยเตาโดยนํ า สาหร่ายเตา จํานวน 5 กรัม ใส่ในถ้วยอะลูมิเนียมขนาด 3 ออนซ์ ที่ผ่านการอบเพื่อไล่ความชื้น จํานวน 30 ถ้วย นําไปอบแห้งด้วย ตู้อบแห้งด้วยลมร้อน (ยี่ห้อ Memmert รุ่น500/108I) ที่อุณหภูมิ 105 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 24 ชั่วโมง (AOAC, 2005) จากนั้น นํามาชั่งน้ําหนักสาหร่ายเตาด้วยตาชั่งระบบดิจิตอล 4 ตําแหน่ง (ยี่ห้อ Sartorius รุ่น CP2245) นําข้อมูลผลต่างของน้ําหนัก สาหร่ายก่อนและหลังการอบแห้งมาคํานวณหาค่าความชื้นของ สาหร่ายเตาโดยมีสมการความสัมพันธ์ตามที่แสดงในสมการที่ 1 MC (% d .b.) 

WI  WF WF

(1)

เมื่อ MC คือ ความชื้นของสาหร่ายเตาร้อยละฐานแห้ง และ WI , WF คือ น้ําหนักของสาหร่ายเตาที่เวลาใดๆ และน้ําหนักสุดท้าย ของสาหร่ายเตา ตามลําดับ 2.3 การอบแห้งสาหร่ายเตาด้วยคลื่นไมโครเวฟ เครื่องอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟที่ใช้ในการศึกษาครั้งนี้ถูก พั ฒ นาโดยสาขาวิ ศ วกรรมอาหาร คณะวิ ศ วกรรมและ อุตสาหกรรมเกษตร มหาวิทยาลัยแม่โจ้ โดยติดตั้งระบบใบกวน คลื่น (Mode Stirring) ที่เตาไมโครเวฟขนาด 800 วัตต์ (ยี่ห้อ Panasonic รุ่น NN-S235WF) วางบนฐานเหล็กโดยที่ฐานเหล็ก จะติ ด ตั้ ง ตาชั่ ง ระบบดิ จิ ต อล (ยี่ ห้ อ Sartorius รุ่ น CP3202S) บันทึกปริมาณน้ําหนักที่เปลี่ยนแปลงในระหว่างการอบแห้ง (รูปที่ 1) ทํา การตรวจวัดระดับ การดูดซับ ของพลัง งานไมโครเวฟ (PMW) โดยใช้ น้ํ า กลั่ น จํ า นวน 1000 กรั ม ในบี ก เกอร์ ข นาด 1000 มิล ลิ ลิ ต ร (ยี่ ห้ อ Pyrex No.1000) แล้ ว นํ า ไปให้ ค วามร้ อ นด้ ว ย เครื่อ งอบแห้ง ด้ว ยคลื่นไมโครเวฟเป็น เวลา 60 วิน าที ที่ระดับ พลังงานไมโครเวฟต่างๆ แล้ววัดอุณหภูมิของน้ํากลั่นก่อนและ หลังการให้ความร้อนด้วยคลื่นไมโครเวฟด้วยเครื่องวัดอุณหภูมิ แบบพกพาที่ระดับความละเอียดทศนิยม 1 ตําแหน่ง (ยี่ห้อ LD Didactic GmbH รุ่น 524-0673) นําข้อมูลที่ได้มาคํานวณค่า P โดยมีสมการความสัมพันธ์ตามที่แสดงในสมการที่ 2 (Ozkan et al., 2007 และ Maskan, 2001) P



mCP T  t

4187 T t

(2)

เมื่อ P คือ การดูดซับพลังงานไมโครเวฟ (kW), m คือ น้ําหนักของ ของน้ํากรัม (1000 กรัม), CP คือ ค่าความจุความร้อนของน้ํากลั่น 9

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 8–14

(4187 kJ/kgoK), ∆T คือ ผลต่างของอุณหภูมิน้ํากลั่นก่อนและ หลังการได้รับความร้อนด้วยคลื่น (องศาเซลเซียส, oC) และ t คือ เวลาที่น้ํากลั่นได้รับความร้อนด้วยคลื่นไมโครเวฟ (60 วินาที)

เมื่อ MR คือ อัตราส่วนความชื้น และ M, Mi, Me คือ ความชื้นที่ เวลาใดๆ ความชื้นเริ่มต้น และความชื้นสมดุล ตามลําดับ ซึ่งใน การศึกษาการอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟ ค่าความชื้นสมดุลจะ สามารถพิจารณาให้มีค่าเท่ากับศูนย์ (Alibas. 2007) Table 1 Mathematical models given by various authors curves.

Model name Model References Wang et al. (2007) Lewis MR = exp(-kt) Page MR = exp(-ktn) Ozkan et al. (2003) Modified Page MR = exp(-kt)n Alibas (2007)

Figure 1 Diagram of Microwave Drying System. เมื่อทราบระดับการดูดซับพลังงานไมโครเวฟ ทําการศึกษา การอบแห้งสาหร่ายด้วยคลื่นไมโครเวฟโดยนําสาหร่าย จํานวน 300 กรัม วางในถาดเซรามิครูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาด 20x20 ตารางเซนติเมตร (ยี่ห้อ Cuizimate) และสาหร่ายเตามีชั้นความ หนาคงที่ประมาณ 0.37±0.08 เซนติเมตร นําไปเข้าเครื่อง อบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟ (รูปที่ 1) ที่ระดับพลังงานไมโครเวฟที่ ระดับต่างๆ จํานวน 4 ระดับ ทําการอบแห้งจนสาหร่ายเตามี ความชื้นลดลงเหลือประมาณ 0.1045 – 1055 กรัม/กรัมน้ําหนัก แห้ง (g/g dry matter) 2.4 แบบจําลองทางคณิตศาสตร์การอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟ ของสาหร่ายเตา แบบจําลองทางคณิตศาสตร์การอบแห้งเป็นเครื่องมือที่สําคัญ อย่ า ง ยิ่ งในการออกแบบระบบการอบแห้ ง แ บ บ ต่ า ง ๆ ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเปลี่ยนแปลงมวลสารและความ ร้อนที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการอบแห้ง ตลอดจนการหา สภาวการณ์อบแห้งที่เหมาะสมของกระบวนการอบแห้ง (ฤทธิชัย และคณะ, 2554) การศึ ก ษาแบบจํ า ลองทางคณิ ต ศาสตร์ ก าร อบแห้งของสาหร่ายเตาด้วยคลื่นไมโครเวฟจะถูกวิเคราะห์ในรูป ความสัม พัน ธ์ร ะหว่า งอั ต ราส่ ว นความชื้น และเวลาที่ ใช้ ในการ อบแห้ง มีรูปแบบสมการของอัตราส่วนความชื้นที่แสดงในสมการ ที่ 3 โดยรูปแบบสมการดังกล่าวสอดคล้องกับงานวิจัยของ Wang et al. 2007 และ Ozkan et al. (2003) MR 

10

M  Me M  Mi  Me Mi

(3)

จากการสํ า รวจเอกสารของรายงานวิ จั ย ที่ เ กี่ ย วข้ อ ง การอบแห้ ง ผลผลิ ต ทางการเกษตรด้ ว ยคลื่ น ไมโครเวฟพบว่ า แบบจําลองทางคณิตศาสตร์การอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟที่นิยม ใช้ในการศึกษาสําหรับการอบแห้งวัตถุทางการการเกษตรจําพวก ผั ก และผลไม้ มั ก จะเลื อ กใช้ แ บบจํ า ลองทางคณิ ต ศาสตร์ ใ น รูปแบบของสมการกึ่งทฤษฎี (Semi – Theoretical Equation) และสมการเอมไพริคอล (Emperical Equation) อาทิเช่น แบบจําลองของ Lewis, Page และ Modified Page ซึ่งรูปแบบ ความสัมพันธ์ของแบบจําลองทางคณิตศาสตร์ (Alibas, 2007.

Wang et al., 2007. Ozkan et al. 2003) แสดงในตารางที่ 1 ค่าสัมประสิทธิ์การตัดสินใจ (R2) ค่า Chi-Square (2) และ ค่า RMSE (Root Mean Square Error) เป็นพารามิเตอร์ทาง สถิ ติ ซึ่ ง ช่ ว ยในการวิ เ คราะห์ ก ารเปรี ย บเที ย บเพื่ อ หาค่ า ความ แม่นยําในการทํานายค่าความชื้นที่เปลี่ยนแปลงไปในระหว่างการ อบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟ (Wang et al. 2007, Cui et al.

2004, Ozkan et al. 2003 และ Maskan. 2001) โดยค่า R2 เป็นค่าพารามิเตอร์ทางสถิติที่สําคัญในการบ่งบอกคุณภาพของ รูปแบบสมการในแบบจําลองทางคณิตศาสตร์การอบแห้ง โดยยิ่ง มีค่าเข้าใกล้ 1.0 แสดงว่าแบบจําลองดังกล่าวมีความแม่นยํามาก ในขณะที่ค่า  2 และค่า RMSE เป็นพารามิเตอร์ทางสถิติที่ใช้บ่ง บอกความผิ ด พลาดในการทํ า นายค่ า ของแบบจํ า ลองทาง คณิตศาสตร์ ดังนั้นแบบจําลองทางคณิตศาสตร์การอบแห้งที่มี ความแม่นยําในการทํานายที่เหมาะสม ควรจะมีค่า R2 มากแต่มี ค่า  2 และค่า RMSE น้อยโดยสมการหาพารามิเตอร์ทั้งสามค่า แสดงในสมการที่ 4 – 6 (Assawarachan and Noomhorm.

2011, Wang et al. 2007, Cui et al. 2004) R2 = 1 - (Residual SS)/(Corrected total SS)

(4)

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 8–14

RMSE = 2 =

1 N



N

i 1

 ( MR

( MRexp,i  MR pred ,i ) 2

exp, i

 MR pred ,i ) 2

N  np

(5) (6)

และ MR เป็นค่าอัตราส่วนความชื้น เมื่อค่า MR ของการทดลอง และค่าอัตราส่วนความชื้นจากการทํานายของ แบบจําลองทางคณิตศาสตร์ ค่า N และ nP เป็นจํานวนตัวอย่างที่ ใช้ ใ นการวิ เ คราะห์ และจํ า นวนตั ว แปรในแบบจํ า ลองค่ า คณิตศาสตร์ ตามลําดับ ส่วน SS คือ ผลรวมของค่าสังเกตยก กําลังสอง การวิเคราะห์หาค่าพารามิเตอร์ของแบบจําลองทาง คณิตศาสตร์การอบแห้งด้วยเทคนิควิธีการแบบสมการถดถอยที่ ไม่ใช่เชิงเส้น (Nonlinear Regression) exp,i

pred ,i

3 ผลและวิจารณ์ 3.1 คุณลักษณะการอบแห้งของสาหร่ายเตา ความชื้นเริ่มต้นของสาหร่ายเตาที่ใช้ในการทดลองมีค่าเท่ากับ 15.5142±0.4408 กรัมต่อกรัมน้ําหนักแห้ง (g/g dry matter) และระดับกําลังงานไมโครเวฟ (P) ตามการคํานวณที่แสดงใน สมการที่ 2 พบว่าที่เตาไมโครเวฟที่ใช้ในการศึกษาครั้งนี้มีระดับ การดู ด ซั บ พลั ง งานเท่ า กั บ 752.04±14.77, 465.15±9.08, 231.18±5.83 และ 164.34±3.81 วัตต์ ตามลําดับ เวลาที่ ใ ช้ ใ นการอบแห้ ง สาหร่ า ยเตาด้ ว ยคลื่ น ไมโครเวฟที่ ระดับการดูดซับพลังงานไมโครเวฟทั้ง 4 ระดับจากความชื้น เริ่มต้นจนเหลือความชื้นที่ 0.1043±0.0907 g/g dry matter เท่ากับ 25, 49, 91 และ 165 นาที ตามลําดับ โดยรูปที่ 2 แสดง ความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงความชื้นของสาหร่ายเตาที่ เวลาใดๆ ในระหว่างการอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟที่กําลังงาน ไมโครเวฟที่ 752.04±14.77, 465.15±9.08, 231.18±5.83 และ 164.34±3.81 วัตต์ ตามลําดับ พบว่าที่ระดับกําลังงานไมโครเวฟ ที่ 752.04±14.77 วัตต์ ซึ่งเป็นระดับพลังงานมากที่สุดจะใช้เวลา ในการอบแห้งสาหร่ายเตาน้อยที่สุด โดยสามารถลดความชื้นจาก ความชื้นเริ่มต้น 15.3673±1.401 g/g dry matter ลดเหลือ 0.1058±0.0031 g/g dry matter และใช้ เ วลา 25 นาที แต่ ในขณะระดับพลังงาน 164.34±3.81 วัตต์ ใช้เวลาในการอบแห้ง สาหร่ายเตาเป็นเวลา 165 นาที รูปที่ 3 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการอบแห้งที่ระดับ ความชื้นต่างๆ ของการอบแห้งสาหร่ายเตาด้วยคลื่นไมโครเวฟทั้ง 4 ระดับ พบว่ามีอัตราการอบแห้งอยู่ในช่วง 0.0135 ถึง 4.2318

กรัมต่อกรัมน้ําหนักแห้งต่อนาที (g/g dry matter * min) โดย อัตราการอบแห้งสาหร่ายเตาจะขึ้นอยู่กับระดับกําลังงานของคลื่น ไมโครเวฟ สาหร่ า ยเตาจั ด เป็ น วั ส ดุ ท างชี ว ภาพซึ่ ง มี รู ป แบบ โครงสร้างทางวิศวกรรมเป็นวัสดุพรุน และมีความชื้นเริ่มต้นสูง (15.3673±1.401 ถึง 15.5142±0.4408 g/g dry matter) จึง สามารถดูดซับพลังงานความร้อนจากคลื่นไมโครเวฟได้ดี การเกิด ความร้ อ นในสาหร่ า ยเตาในระหว่ า งการอบแห้ ง ด้ ว ยคลื่ น ไมโครเวฟจะประกอบด้วยกลไกการเหนี่ยวนําเชิงไอออน (Ionic Conduction) และกลไกลชนิดการหมุนของทั้งสองขั้ว (Dipolar Rotation) คลื่นไมโครเวฟจะเหนี่ยวนําให้เกิดความร้อนภายในตัว วัสดุเมื่อเกิดอันตรกิริยากับสาหร่ายเตาซึ่งจัดอยู่ในประเภทของ วัสดุไดอิเล็กตริกที่มีการสูญเสียของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Lossy Dielectrics Material) ดังนั้นสาหร่ายเตาจึงสามารถดูดซับคลื่นไมโครเวฟและแปลง เป็นพลังงานความร้อนได้ดี (ผดุงศักดิ์, 2551) เมื่อคลื่นไมโครเวฟ เหนี่ยวนําให้โมเลกุลของน้ําภายในสาหร่ายเตาจนเกิดการหมุน เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงขั้วไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว ผลของการหมุน นี้ทําให้เกิดการเสียดสีของโมเลกุลของน้ําภายในโครงสร้างเซลล์ ชั้นในของสาหร่ายเตาเกิดเป็นพลังงานความร้อนได้อย่างรวดเร็ว (ฤทธิชัย, 2554 ข) โดยค่าพลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นจากคลื่น ไมโครเวฟจะเป็นตัวเร่งอัตราการระเหยของไอน้ําที่ผิวหน้าของ สาหร่ายเตา และมีค่าเท่ากับอัตราการเคลื่อนตัวของน้ําภายใน โครงสร้างของสาหร่ายเตาที่มาเติมเต็มที่ผิวหน้าโครงสร้างเซลล์ สาหร่ า ยเตา ความร้ อ นที่ เ กิ ด ขึ้ น จะถู ก ถ่ า ยเทมวลสารในการ แพร่กระจายตัวของความชื้นสู่ผิววัสดุ (Surface Diffusion) มี อัตราการระเหยน้ําที่สูงและคงที่ (Constant Rate Period) และ มีการอบแห้งสาหร่ายเตาดําเนินการต่อไปเรื่อยๆ จนความชื้นของ สาหร่ายเตาเข้า สู่ค วามชื้น วิกฤติ กระบวนการอบแห้งจะเข้า สู่ คาบเวลาที่อัตราการอบแห้งลดลงอย่างสมบูรณ์ (Falling Rate Period) 3.2 แบบจําลองทางคณิตศาสตร์ การวิเคราะห์หาค่าพารามิเตอร์ต่างๆ ของแบบจําลองทาง คณิตศาสตร์การอบแห้งของสาหร่ายเตาในระหว่างการอบแห้ง ด้วยคลื่นไมโครเวฟใช้เทคนิคการวิเคราะห์แบบสมการถดถอยที่ ไม่เชิงเส้น (Nonlinear Regression) เพื่อหาค่าพารามิเตอร์ของ แบบจําลองทางคณิตศาสตร์อบแห้งของ Lewis, Page และ Modified Page โดยใช้ค่าสัมประสิทธิ์การตัดสินใจ (R2), ChiSquare (  2 ) และ Root Mean Square Error (RMSE) เป็น พารามิเตอร์ทางสถิติที่ใช้เลือกแบบจําลองที่เหมาะสม 11

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 8–14

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

Figure 3 Drying rates of spirogyra spp. at different microwave power ตารางที่ 2 แสดงค่ า พารามิ เ ตอร์ ข องแบบจํ า ลองทาง คณิ ต ศาสตร์ แ ละการวิ เ คราะห์ ท างสถิ ติ ข องแบบจํ า ลองทาง คณิ ต ศาสตร์ แ บบอื่ น ๆ ซึ่ ง ชี้ ใ ห้เ ห็น ว่า แบบจํ า ลองของ Page มี ความเหมาะสมในการทํ า นายการเปลี่ ย นแปลงความชื้ น ของ เปลือกทับทิมได้ดีที่สุดโดยมีค่า R2 ในช่วง 0.9928-0.9973 ซึ่งมี ค่า มากกว่า แบบจํ า ลองทางคณิต ศาสตร์ก ารอบแห้ง แบบอื่ น ๆ และมีค่า  2 และ RMSE ระหว่าง 6.03 x 10-3 ถึง 0.22 x 10-3 และ 0.0149 ถึ ง 0.0774 ซึ่ ง มี ค่ า ต่ํ า กว่ า แบบจํา ลองทาง คณิตศาสตร์การอบแห้งของ Lewis และ Modified Page โดยที่ ค่า R2 สามารถบ่งบอกถึงความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรต้นและตัว แปรตาม โดยถ้าค่า R2 มีค่ามากจะแสดงว่าตัวแปรต้นสามารถ อธิ บ ายค่ า ตั ว แปรตามได้ ดี ในขณะที่ ค่ า  2 และ RMSE เป็นค่าพารามิเตอร์ในทางสถิติที่บ่งบอกความแตกต่างระหว่าง ข้อมูลและแบบจําลองทางคณิตศาสตร์ ดัง นั้นแบบจําลองทาง คณิตศาสตร์การอบแห้ง ที่มีความแม่นยําควรจะมีค่า R2 มาก แต่มีค่า  2 และ RMSE น้อยกว่าแบบจําลองทางคณิตศาสตร์ แบบอื่น 12

3.3 การทวนสอบแบบจําลอง (Validation of Model) แสดงว่าแบบจําลองทางคณิตศาสตร์การอบแห้งรูปแบบนั้นมี ประสิทธิภาพสูงในการทํานายอัตราการเปลี่ยนแปลงความชื้น เนื่องจากเป็นแบบจําลองที่มี่ความแม่นยําและค่าความผิดพลาด ต่ําซึ่งสอดคล้องกับงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการหาแบบจําลองทาง คณิตศาสตร์ของการทํานายค่าความชื้นและอัตราการระเหยด้วย คลื่ น ไมโครเวฟ (Assawarachan and Noomhorm. 2011, Wang et al. 2007 และ Ozkan et al. 2003) ผลการศึกษานี้พบว่าแบบจําลองทางคณิตศาสตร์ในรูปแบบ ของสมการกึ่งทฤษฎีของ Page มีความเหมาะสมในการทํานาย การเปลี่ ย นแปลงของอั ต ราส่ ว นความชื้ น ที่ เ วลาใดๆ ของการ อบแห้งสาหร่ายเตาด้วยคลื่นไมโครเวฟที่ระดับความถี่ 2.45 GHz ที่กํา ลั งของคลื่น ไมโครเวฟที่ 164.34±3.81 ถึ ง 752.04±14.77 วัตต์ มีความเหมาะสมมากที่สุดโดยค่าพารามิเตอร์ในแบบจําลอง ทางคณิตศาสตร์การอบแห้ง ซึ่งได้แก่ อัตราการอบแห้ง (k) และ ค่าดัชนีการอบแห้ง (n) ซึ่งเป็นฟังก์ชันกับระดับกําลังงานของคลื่น ไมโครเวฟ (PMW) โดยมีรูปแบบสมการตามที่แสดงในสมการที่ 7 และ 8 k = -0.0036 - 2.25x10-5 P

(7)

n = 1.6519 -1.41 x10-4 P

(8)

โดยการทวนสอบแบบจําลองทางคณิตศาสตร์ในรูปแบบของ สมการกึ่งทฤษฎีของ Page ของผลการศึกษานี้เลือกการอบแห้ง สาหร่ายเตาด้วยคลื่นไมโครเวฟที่ระดับกําลังงานของไมโครเวฟที่ 605.81± 4.92 วั ต ต์ และนํ า ไปคํ า นวณค่ า พารามิ เ ตอร์ ใ น แบบจํา ลองทางคณิต ศาสตร์ก ารอบแห้ง ในสมการที่ 7 และ 8 พบว่ามีค่า k = 0.01013 และ n = 1.565 ตามลําดับ การทวน สอบแบบจําลองการอบแห้งนิยมใช้เพื่อประเมินความเข้ากันได้ ของแบบจําลองกับข้อมูลที่ได้จากการทดลอง หรือความกลมกลืน (Goodness of fit) ของแบบจําลอง พารามิเตอร์ที่นิยมใช้ได้แก่ ค่ า การลดลงไคกํ า ลั ง สอง (  2 ) และค่ า รากที่ ส องของความ คลาดเคลื่ อ นกํ า ลั ง สองเฉลี่ ย (Root Mean Square Error, RMSE) เป็ น พารามิ เ ตอร์ ท างสถิ ติ ซึ่ ง ช่ ว ยในการวิ เ คราะห์ ก าร เปรียบเทียบเพื่อหาค่าความแม่นยําในการทํานายค่าความชื้นที่ เปลี่ยนแปลงไปในระหว่างการอบแห้งด้วยลมร้อน (สุเนตร และฤ ทธิชัย, 2554) โดยมีค่า  2 และ RMSE ของการทํานายอัตราส่วน ความชื้นของการอบแห้งสาหร่ายเตาด้วยคลื่นไมโครเวฟ ที่ระดับ กําลังงานของไมโครเวฟที่ 605.81± 4.92 วัตต์ มีค่าระหว่าง 8.49 x 10-3 และ 0.0921 ตามลําดับ ซึ่งแสดงว่าแบบจําลองทาง

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 8–14

คณิตศาสตร์ในรูปแบบของสมการกึ่งทฤษฎีของ Page ที่มีสมการ หาค่ า คงที่ ค่ า พารามิ เ ตอร์ ใ นแบบจํ า ลองทางคณิ ต ศาสตร์ ก าร อบแห้ง ซึ่งได้แก่ อัตราการอบแห้ง (k) และค่าดัชนีการอบแห้ง (n) ตามสมการที่ 7 และ 8 สามารถทํานายอัตราส่วนความชื้น

ของการอบแห้งสาหร่ายเตาด้วยคลื่นไมโครเวฟที่ระดับความถี่ 2.45 GHz และกํ า ลั ง ของคลื่ น ไมโครเวฟที่ 164.34±3.81 ถึ ง 752.04±14.77 วัตต์ ได้อย่างเหมาะสม

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

Model name

Lewis

Page

Modified Page

R2

Chi-Square (  2 x 10-3)

RMSE

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

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

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

Microwave power (Watts)

Model constants

752.04±14.77

4 สรุปผลการทดลอง การศึกษาคุณลักษณะการอบแห้งของสาหร่ายเตาในระหว่าง การอบแห้ ง ด้ ว ยคลื่ น ไมโครเวฟที่ ร ะดั บ กํ า ลั ง งานของคลื่ น ไมโครเวฟที่ แ ตกต่ า งกั น จํ า นวน 4 ระดั บ (752.04±14.77, 465.15±9.08, 231.18±5.83 และ 164.34±3.81 วั ต ต์ ) จาก ความชื้ น เริ่ ม ต้ น จนเหลื อ ความชื้ น ที่ 0.1043±0.0907 g/g dry matter เท่ า กั บ 25, 49, 91 และ 165 นาที ตามลํ า ดั บ โดยพบว่าระดับกําลังงานของคลื่นไมโครเวฟจะมีอิทธิพลต่ออัตรา การอบแห้งในขณะที่การวิเคราะห์หาแบบจําลองทางคณิตศาสตร์ การอบแห้ ง ของสาหร่ า ยเตาในระหว่ า งการอบแห้ ง ด้ ว ยคลื่ น ไมโครเวฟใช้เทคนิคการวิเคราะห์แบบสมการถดถอยที่ไม่เชิงเส้น (Nonlinear Regression) พบว่าแบบจําลองทางคณิตศาสตร์ใน รูปแบบของสมการกึ่งทฤษฎีของ Page ที่มีค่าพารามิเตอร์ใน แบบจํ า ลองทางคณิ ต ศาสตร์ ก ารอบแห้ ง ซึ่ ง ได้ แ ก่ อั ต ราการ อบแห้ง (k) และค่าดัชนีการอบแห้ง (n) ซึ่งเป็นฟังก์ชันกับระดับ กํ า ลั ง งานของคลื่ น ไมโครเวฟ (P) โดยมี รู ป แบบสมการ

k = –0.0036 + 2.25x10-5 P และ n = 1.6519 -1.41 x10-4 P มีความเหมาะสมอย่างมากในการทํานายอัตราส่วนความชื้นของ สาหร่ายเตาโดยทวนสอบแบบจําลองด้วยการอบแห้งสาหร่ายเตา ด้วยคลื่นไมโครเวฟที่ระดับ 605.81±4.92 วัตต์ พบว่าความ กลมกลืน (Goodness of fit) กับข้อมูลที่ได้จากการทดลอง มีค่า -3  2 และ RMSE เท่ากับ 8.49 x 10 และ 0.0921 ตามลําดับ

13

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 8–14

5 เอกสารอ้างอิง ดวงพร อมรเลิศ, พิศาล ยุวดี, พีรพรพิศาล, ฐิติกานต์ ปัญโญใหญ่, ชยากร ภูมาศ และสุดาพร ตงศิริ. 2555. ฤทธิ์ต้านอนุมูล อิ ส ระและต้ า นการอั ก เสบของสาหร่ า ยเตา. วารสาร วิทยาศาสตร์ มข 40(1), 228-235. ผดุ ง ศั ก ดิ์ รั ต น์ เ ดโช. 2551. พื้ น ฐานการให้ ค วามร้ อ นด้ ว ย ไมโครเวฟ พิมพ์ครั้งที่ 1. สํานักพิมพ์มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์, กรุงเทพมหานคร. ธีระวัฒน์ รัตนพจน์, รัตนาภรณ์ จันทร์ทิพย์, เกรียงศักดิ์ เม่ง อําพัน และดวงพร อมรเลิศพิศาล. 2554. การเปรียบเทียบ ฤทธิ์ต้านอนุมูลอิสระและกลุ่มสารสําคัญของสาหร่ายเตาใน 3 ฤดูกาล. หน้า 100-101. ในการประชุมวิชาการประมง ครั้งที่ 6 เรื่อง เพื่อความมั่นคงด้านวิชาการประมงและทรัพยากร ทางน้ํา. 1-3 ธันวาคม 2554. คณะเทคโนโลยีการประมงและ ทรัพยากรทางน้ํา มหาวิทยาลัยแม่โจ้, เชียงใหม่. ฤทธิชัย อัศวราชันย์, ภานาถ แสงเจริญรัตน์, สุเนตร สืบค้า, เฑียรมณี มั่งมูล และดวงกมล จนใจ. 2554. จลนพลศาสตร์ การอบแห้งด้วยลมร้อนของเปลือกทับทิม. วารสารสมาคม วิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย 17(1), 27-34. ฤทธิชัย อัศวราชันย์. 2554 ก. การอบแห้งผลผลิตทางการเกษตร ด้วยคลื่นไมโครเวฟ. วิศวกรรมสารเกษมบัณฑิต 1(2), 31-42. ฤทธิชัย อัศวราชันย์. 2554 ข. เทคโนโลยีการสร้างความร้อนด้วย คลื่ น แม่ เ หล็ ก ไฟฟ้า ในการแปรรู ป อาหาร. วารสารสมาคม วิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย 17(1), 41-52. สรฉัตร เทียมดาว และยุวดี พีรพรพิศาล. 2552. ความหลากหลาย ของสาหร่ายน้ําจืดกินได้ในแม่น้ําโขงและแม่น้ําน่าน. วารสาร วิจัยเทคโนโลยีการประมง 3(1), 115-124. สุเนตร สืบค้า และฤทธิชัย อัศวราชันย์. 2554. แบบจําลองทาง คณิ ต ศาสตร์ ก ารอบแห้ง สําหรับ วัส ดุ พรุ น . วารสารสมาคม วิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย 17(1), 59-68.

Alibas, I. 2007. Microwave, air and combined microwaveair-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.

14

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. Microwavevacuum 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 predrying. Journal of Food Engineering 80, 536-544.

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 15–23

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 18 ฉบับที่ 1 (2555) 15–23 Available online at www.tsae.asia

บทความวิจัย ISSN 1685-408X

การปรับปรุงคุณภาพก๊าซชีวภาพด้วยกระบวนการดูดซับสลับความดัน Pressure swing Adsorption for Biogas upgrading ปภัส ชนะโรค1, รัตนวรรณ เกียรติโกมล2, วีรชัย อาจหาญ3* Papas Chanaroke1, Ratanawan Kiattikomol 2, Weerachai Arjharn3* 1

สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกล, สํานักวิชาวิศวกรรมศาสตร์, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี, นครราชสีมา, 30000 School of Mechanical Engineering, Institute of Engineering, Suranaree University of Technology, Nakhon Ratchasima 30000, Thailand.

2 สถาบันวิจัยและเทคโนโลยี, การปิโตรเลียมแห่งประเทศไทย 2 Petroleum Authority of Thailand (PTT) Research and Technology Institute.

3 สาขาวิชาวิศวกรรมเกษตร, สํานักวิชาวิศวกรรมศาสตร์, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี, นครราชสีมา, 30000 3 School 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: arjharh@g.sut.ac.th 1

บทคัดย่อ วัตถุประสงค์ในงานวิจัยครั้งนี้เพื่อศึกษาการเพิ่มศักยภาพในการนําก๊าซชีวภาพมาใช้ทดแทนเชื้อเพลิงก๊าซธรรมชาติสําหรับ รถยนต์ โดยทั่วไปเชื้อเพลิงก๊าซธรรมชาติที่ใช้ในรถยนต์จะต้องเป็นเชื้อเพลิงที่มีคุณภาพสูง มีสัดส่วนของก๊าซมีเทนมากกว่าร้อยละ 65 และมีค่าดัชนีวอบบี 37-42 MJ.m-3 ตามประกาศของกรมธุรกิจพลังงาน เมื่อพิจารณาคุณสมบัติของก๊าซชีวภาพ มีก๊าซมีเทนเป็น องค์ประกอบร้อยละ 60-70 แต่มีค่าดัชนีวอบบี 27 MJ.m-3 จําเป็นต้องทําการปรับปรุงคุณภาพให้มีสัดส่วนของก๊าซมีเทนเพิ่มมากขึ้น โดยการกําจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) การปรับปรุงคุณภาพก๊าซชีวภาพที่ใช้ในงานวิจัยนี้ ใช้วิธีการดูดซับแบบสลับความดัน โดย ทําการศึกษาตัวแปรที่ส่งผลต่อกระบวนการปรับปรุงคุณภาพก๊าซ เช่น อุณหภูมิ ความดัน กับระยะเวลาในการดูดซับของตัวดูดซับ 2 ชนิด คือ ผลึกคัดโมเลกุล และถ่านกัมมันต์ ผลการศึกษาพบว่า เมื่อเพิ่มความดันและลดอุณหภูมิให้กับระบบจะทําให้อัตราการดูดซับ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ เพิ่มขึ้นทั้ง 2 ชนิดของตัวดูดซับ อย่างไรก็ตามความสามารถในการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ของผลึกคัด โมเลกุลจะดีกว่าถ่านกัมมันต์ ทั้งนี้ก๊าซชีวภาพที่ผ่านการปรับปรุงคุณภาพโดยใช้วิธีการดูดซับสลับความดัน สามารถเพิ่มสัดส่วนก๊าซ มีเทน ให้มีค่าร้อยละ 96 โดยปริมาตร ค่าดัชนีวอบบีสูงขึ้นเป็น 44 MJ.m-3 สามารถนําไปใช้เป็นเชื้อเพลิงทดแทนก๊าซธรรมชาติได้ คําสําคัญ: ก๊าซชีวภาพ, ตัวดูดซับ, การดูดซับสลับความดัน, การปรับปรุงคุณภาพก๊าซชีวภาพ 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 15

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 15–23

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 บทนํา จากการเพิ่ ม ขึ้ น ของประชากรในประเทศส่ ง ผลให้ ค วาม ต้องการพลังงานด้านต่าง ๆ เพิ่มขึ้นตามไปด้วย ซึ่งปัจจุบันแหล่ง พลังงานหลักที่ใช้อยู่คือพลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิล (fossil fuel) ทั้งในรูปของน้ํ ามันเชื้อเพลิง ก๊า ซธรรมชาติ และผลผลิต ข้างเคียงอื่นๆ (นคร ทิพยาวงศ์, 2553) กล่าวว่าปัจจุบันประเทศ ไทยมีความต้องการเชื้อเพลิงเพื่อใช้ในการคมนาคมและการขนส่ง มากที่สุดโดยเปรียบเทียบกับปริมาณการใช้เชื้อเพลิงในทุกภาค ส่วน โดยจะพบว่าความต้องการพลังงานด้านการคมนาคมขนส่งใน รูปของน้ํามันเชื้อเพลิงมีแนวโน้มลดลง สวนทางกับความต้องการ เชื้อเพลิงก๊าซธรรมชาติ (สํานักงานนโยบายและแผนพลังงาน, 2554) เนื่องจากความผันผวนของราคาน้ํามัน และการประกาศ ลอยตัวของราคาก๊าซปิโตรเลียมเหลว ส่งผลให้ผู้เกี่ยวข้องทุกฝ่าย ต้องรีบเร่งค้นหาแหล่งพลังงานใหม่ และเพิ่มศักยภาพในการใช้ พลังงานที่มีอยู่เดิมเพื่อชดเชยพลังงานหลักที่นับวันจะมีปริมาณ ลดน้อยลง ก๊าซชีวภาพ (Biogas) คือ ก๊าซที่เกิดจากการย่อยสลาย สารอินทรีย์ด้วยแบคทีเรียชนิดไม่ใช้ออกซิเจนในสภาวะไร้อากาศ ซึ่งองค์ประกอบหลักของก๊าซชีวภาพ ได้แก่ ก๊าซมีเทน (CH4) ก๊าซ ค า ร์ บ อ น ไ ด อ อ ก ไ ซ ด์ ( CO2) แ ล ะ ก๊ า ซ อื่ น ๆ เ ช่ น ก๊ า ซ ไฮโดรเจนซั ล ไฟด์ (H2S) ก๊ า ซไนโตรเจน (N2) และความชื้ น (Nozic, 2006) ก๊าซชีวภาพจัดเป็นพลังงานทดแทนชนิดหนึ่งที่มี ศักยภาพมาก เนื่องจากสามารถนํามาทดแทนก๊าซธรรมชาติได้ หลายรูปแบบ เช่น ไฟฟ้า ความร้อน ตลอดจนเชื้อเพลิงสําหรับ ยานยนต์ (Jarvis, 2004) การนําก๊าซชีวภาพมาผลิตเป็นเชื้อเพลิงสําหรับยานยนต์เพื่อ ทดแทนก๊าซธรรมชาตินั้น จะต้องทําการปรับปรุงให้มีคุณภาพ ให้ มีมาตรฐานก๊าซธรรมชาติ ตามประกาศของกรมธุรกิจพลังงานซึ่ง กําหนดให้มีองค์ ประกอบของก๊า ซมีเทนไม่น้อยกว่าร้อยละ 65 ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ไม่เกินร้อยละ 18 และค่าดัชนีวอบบี้ 3742 MJ.m-3 เมื่ อพิ จ ารณาองค์ ป ระกอบและคุ ณ สมบั ติ ข องก๊ า ซ ชีวภาพ พบว่า มีก๊าซมีเทนเป็นองค์ประกอบร้อยละ 60-70 แต่มี ค่าดัชนีวอบบี 27 MJ.m-3 ต่ํากว่าเกณฑ์มาตรฐาน การปรับปรุง ก๊าซชีวภาพให้มีค่าดัชนีวอบบี้เพิ่มขึ้นสามารถทําได้โดยการเพิ่ม สั ด ส่ ว นของก๊ า ซมี เ ทนเพิ่ ม มากขึ้ น จากการกํ า จั ด ก๊ า ซ คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ที่อยู่ในก๊าซชีวภาพออกไป 16

เทคโนโลยีการปรับปรุงคุณภาพก๊าซชีวภาพ โดยการกําจัด ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย มี 2 ประเภท คือ 1) กระบวนการดูดซึมก๊าซ เช่น การดูดซึมด้วยสารประกอบ ประเภทเอมีน (Amine) กระบวนการทําได้ยากและใช้เงินลงทุน สู ง ประสิ ท ธิ ภ าพสู ง การดู ด ซึ ม ด้ ว ยน้ํ า (Water Scrubber) กระบวนการนี้ทําได้ง่าย ลงทุนต่ํา ประสิทธิภาพพอใช้ แต่ก๊าซที่ ผ่า นการกํ า จัด คาร์ บ อนไดออกไซด์ จะมี ค วามชื้ น สู ง ต้อ งผ่ า น กระบวนการลดความชื้นก่อนนําไปใช้งาน 2) กระบวนการดูดซับ สลับความดัน เป็นเทคโนโลยีทําได้ง่ายลงทุนปานกลาง ต้องเป็น วัสดุดูดซับที่มีราคาสูง ประสิทธิภาพสูง และได้ก๊าซที่มีคุณภาพ (Khoo and Tan, 2006) (เดชา ฉัตรศิริเวช, 2552) กล่าวว่ากระบวนการดูดซับสลับ ความดัน (Pressure swing Adsorption) เป็นกระบวนการที่มี ความสําคัญอย่างมากในภาคอุตสาหกรรมการผลิตต่างๆ โดยจะมี การทํางานเป็นวัฏจักรระหว่างการดูดซับ (Adsorption) และการ คายซั บ (Desorption) กระบวนการดั ง กล่ า วนี้ อ าศั ย ความ แตกต่างของความดัน คือ ที่ความดันสูงการดูดซับจะเกิดขึ้นได้ดี ในขณะที่การคายซับจะเกิดขึ้นได้ดีที่ความดันต่ํา ดังนั้นโดยปรกติ แล้ ว กระบวนการนี้ จ ะประกอบด้ ว ยหอดู ด ซั บ 2 หอ ทํ า งาน สลับกันระหว่างการดูดซับและการคายซับดัง Figure 1

Figure 1 Pressure swing adsorption.

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 15–23

การวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์ เพื่อศึกษาการเพิ่มศักยภาพในการ นํ า ก๊ า ซชี ว ภาพมาใช้ ท ดแทนเชื้ อ เพลิ ง ก๊ า ซธรรมชาติ สํ า หรั บ รถยนต์ โดยการปรับปรุงคุณภาพก๊าซชีวภาพด้วยกระบวนการดูด ซับสลับความดัน ในการกําจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ออกจาก ก๊าซชีวภาพ ตลอดจนศึกษาสภาวะที่เหมาะสมในการปรับปรุง คุ ณ ภาพก๊ า ซชี ว ภาพ ให้ มี คุ ณ สมบั ติ ใ กล้ เ คี ย งกั บ ลั ก ษณะและ คุณสมบัติของก๊าซธรรมชาติสําหรับยานยนต์ตามประกาศกรม ธุรกิจพลังงาน ปี 2552 2 อุปกรณ์และวิธีการทดลอง การวิจัยนี้เป็นการศึกษาในรูปแบบของการวิจัยเชิงทดลอง (Experimental Research) โดยจะทําการศึกษาตัวแปรต่าง ๆ ที่ มีผ ลต่ อ ความสามารถในการดูด ซั บ ก๊ า ซคาร์บ อนไดออกไซด์ ที่ ปะปนอยู่กับก๊าซชีวภาพ ด้วยกระบวนการดูดซับสลับความดัน (Pressure swing Adsorption) โ ด ย ใ ช้ ผ ลึ ก คั ด โ ม เ ล กุ ล (Molecular sieve) และถ่านกัมมันต์ (Activated Carbon) เป็น วัสดุดูดซับ โดยมีอุปกรณ์และวิธีการทดลองดังนี้ 2.1 อุปกรณ์ 1) ก๊าซชีวภาพ ก๊าซชีวภาพที่ใช้ในการวิจัยนี้เป็นก๊าซชีวภาพ ที่ผ ลิตได้จ ากฟาร์มสุกร มหาวิ ทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี มีก าร กําจัดก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ โดยใช้โลหะ (Iron Sponge) 2) เครื่องมือวิเคราะห์ก๊าซชีวภาพ การวิเคราะห์องค์ประกอบ ก๊าซชีวภาพ จะใช้เครื่องมือ วิเคราะห์ ยี่ห้อ Gastech รุ่น Biogas Check ดัง Figure 2 ซึ่งเป็นเครื่องมือวิเคราะห์องค์ประกอบก๊าซ ชีวภาพภาคสนาม สําหรับตรวจเช็ค องค์ประกอบของก๊าซชีวภาพ ก่อนและหลังทําการปรับปรุงคุณภาพ 3) เครื่องปรับปรุงคุณภาพก๊าซชีวภาพด้วยระบบดูดซับสลับ ความดัน เป็นเครื่องต้นแบบที่ทําการพัฒนาโดย ศูนย์ความเป็น เลิศทางด้านชีวมวล สํานักวิชาวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัย เทคโนโลยี สุ ร นารี ดั ง แสดงไว้ ใ น Figure 3 โดยพิ กั ด และ ข้อกําหนดของเครื่องต้นแบบแสดงไว้ใน Table 1

Figure 2 Gastech (Biogas Check).

Figure 3 Pressure swing adsorption Unit.

Table 1 properties of the Pressure swing adsorption.

Pressure 8 bar(g)/116 psig Flow rate 25 lite min-1 W × D ×H 1.0×1.2×1.8 (m) Size Net weight 180 (kg) Voltage / frequency 230 Vac / 50 Hz Electrical data Power Consumption 400 w 4) วัสดุดูดซับที่ใช้ – ผลึ ก คั ด โมเลกุ ล (Molecular sieve) Zeolite 13X บริษัท Sorbead India.

– ถ่านกัมมันต์ (Activated Carbon) CGC 12 บริษัท ซี ไจแกนติคคาร์บอน จํากัด

17

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 15–23

2.2 การศึก ษาสภาวะส่ ง ผลต่อ ความสามารถในการดูดซับ ก๊า ซ คาร์บอนไดออกไซด์ด้วยการทดลองแบบเบดนิ่ง การทดสอบการดูด ซับ แบบเบดนิ่ง จะใช้ป ระยุ ก ต์ต้ น แบบ เครื่องปรับปรุงคุณภาพก๊าซชีวภาพ โดยใช้เพียง 1 คอลัมน์ ดัง แสดงไว้ใน Figure 4 มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาสภาวะ เช่น อุณหภูมิ และความดัน ที่ส่งผลต่อความสามารถในการดูดซับก๊าซ คาร์บอนไดออกไซด์ด้วยวัสดุดูดซับ 2 ชนิดเปรียบเทียบกัน

Figure 4 Scheme of the setup for the fixbed Experiments.

อย่ า งต่ อ เนื่ อ งจนกระทั่ ง ความเข้ ม ข้ น ของสารถู ก ดู ด ซั บ ที่ ผ่ า น หน่วยดูดซับมีค่าใกล้เคียงกับค่าเริ่มต้นที่ไหลเข้าหน่วยดูดซับนั้น จากนั้นทําการทดลองซ้ําโดยเปลี่ยนสารดูดซับเป็น Activated Carbon CGC 12 3) การศึกษาไอโซเทอมของการดูดซับของตัวดูดซับที่ใช้ใน งานวิจัย ไอโซเทอมของการดูด ซั บ เป็น สมการที่มี ป ระโยชน์สํ า หรั บ วิเคราะห์หาความสามารถในการดูดซับของตัวดูดซับต่างๆ ซึ่ง (เดชา ฉั ต รศิ ริ เ วช, 2552) กล่ า วว่ า กระบวนการดู ด ซั บ เป็ น ปฏิกิริยาคายความร้อนชนิดหนึ่ง แต่ความร้อนที่เกิดขึ้นจากการ ดูดซับนี้โดยทั่วไปแล้วจะมีค่าน้อยกว่าค่าความร้อนของปฏิกิริยา เคมีมากๆ สามารถระบายออกจากระบบดูดซับได้โดยง่ายจึงนิยม วัดไอโซเทอมของการดูดซับโดยกําหนดให้อุณ หภูมิมีค่า คงที่ที่ กํา หนดไว้ โดยสมการฟรุน ดิช (Freundlich Adsorption Isotherm) มีสมมุติฐานของการดูดซับที่ว่าพื้นผิวของตัวดูดซับไม่ เป็นเนื้อเดียวกันตลอด (พื้นผิวของตัวดูดซับมีลักษณะขรุขระ) พื้นที่ผิวและพลังงานมีการกระจายตัวเป็นแบบเลขชี้กําลัง q  KF Pn

1) การศึกษาอุณหภูมิที่มีผลต่อความสามารถในการดูดซับ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ของตัวดูดซับ ทําการศึกษาอุณหภูมิที่ส่งผลต่อความสามารถในการดูดซับ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยบรรจุสารดูดซับ Molecular sieve Zeolite 13X ปริมาณ 450 g ลงในหอดูดซับ ควบคุมอัตราการ ไหลของก๊าซชีวภาพที่ไหลเข้าหอดูดซับ 25 L.min-1 และควบคุม ความดันระบบที่ 7 bar ทําการทดลองโดยเปลี่ยนแปลงระดับอุณ ภูมิดูดซับที่ 4 และ 10oC วิเคราะห์องค์ประกอบของก๊าซชีวภาพ ที่ผ่านการดูดซับในแต่ละอุณหภูมิดูดซับอย่างต่อเนื่องจนกระทั่ง ความเข้มข้นของสารถูกดูดซับที่ผ่านหน่วยดูดซับมีค่าใกล้เคียงกับ ค่าเริ่มต้นที่ไหลเข้าหน่วยดูดซับนั้น จากนั้นทําการทดลองซ้ําโดย เปลี่ยนสารดูดซับเป็น Activated Carbon CGC 12 2) การศึกษาความดันที่มีผลต่อความสามารถในการดูดซับ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ของตัวดูดซับ ทําการศึกษาความดันที่ส่งผลต่อความสามารถในการดูดซับ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยบรรจุสารดูดซับ Molecular sieve Zeolite 13X ปริมาณ 450 g ลงในหอดูดซับ ควบคุมอัตราการ ไหลของก๊าซชีวภาพที่ไหลเข้าหอดูดซับ 25 L.min-1 และควบคุม อุ ณ หภู มิ ร ะบบที่ 4 oC ทํ า การทดลองโดยเปลี่ ย นแปลงระดั บ ความดันดูดซับที่ 2, 4, 5, 6 และ 7 bar วิเคราะห์องค์ประกอบ ของก๊ า ซชี ว ภาพที่ ผ่ า นการดู ด ซั บ ในแต่ ล ะค่ า ความดั น ทดสอบ 18

(1)

เมื่อ q คือ ปริมาณตัวถูกละลายที่ถูกดูดซับบนผิวของตัวดูดซับ (mg.g-1), P คือ ความดันย่อยของสารถูกดูดซับที่จุดสมดุล, KF คือ Freundlich Capacity Factor, n คือ Freundlich Intensity Parameter 2.3 การทดสอบประสิทธิภาพระบบดูดซับสลับความดัน การทดสอบประสิทธิภาพของเครื่องปรับปรุง คุณ ภาพก๊า ซ ชีวภาพด้วยระบบดูดซับสลับความดัน ทําการทดลองเพื่อหาวัฏ จักรการดูดซับและประสิทธิภาพของเครื่องดูดซับสลับความดันที่ พัฒนาขึ้น โดยมีแผนผังการทํางานดังแสดงไว้ใน Figure 5

Figure 5 Scheme of the setup for the PSA experiments.

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 15–23

1) การศึกษาวัฏจักรการดูดซับของเครื่องปรับปรุงคุณภาพ ก๊าซชีวภาพ มีวัตถุประสงค์เพื่อทําการทดลองระบบดูดซับสลับความดัน เพื่อหาเวลาที่จุดเบรคทรู (Breakthrough point) โดยควบคุม สภาวะของระบบที่อัตราการไหลของก๊าซชีวภาพ 25 L.min-1 ความดัน 7 bar และอุณหภูมิ 4 oC ให้สอดคล้องกับสภาวะที่ดี ที่ สุ ด ตามการทดสอบแบบเบดนิ่ ง โดยใช้ Molecular sieve Zeolite 13X ปริ ม าณ 450 g เป็ น ตั ว ดู ด ซั บ บั น ทึ ก ค่ า ความ เข้มข้น ของก๊ าซมีเทน และก๊ า ซคาร์บอนไดออกไซด์ ที่ไ หลผ่า น หน่วยดูดซับแต่ละหน่วยอย่างต่อเนื่องจนกระทั่งความเข้มข้นของ สารถูกดูดซับที่ผ่านหน่วยดูดซับมีค่าใกล้เคียงกับค่าเริ่มต้นที่ไหล เข้าหน่วยดูดซับนั้น จากนั้นทําการทดลองซ้ําโดยเปลี่ยนสารดูด ซับเป็น Activated Carbon CGC 12 2) การทดสอบประสิ ทธิ ภาพในการดู ดซั บก๊ าซคาร์ บอนไดออกไซด์ของเครื่องปรับปรุงคุณภาพก๊าซชีวภาพ ทํ า การทดสอบเครื่ อ งปรั บ ปรุ ง คุ ณ ภาพก๊ า ซชี ว ภาพด้ ว ย กระบวนการดูดซับสลับความดันที่พัฒนาขึ้นเพื่อหาประสิทธิภาพ ในการกําจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ปะปนอยู่ในก๊าซชีวภาพ โดยทําการทดลองที่ความดัน 7 bar อุณหภูมิ 4 oC และอัตรา การไหล 25 L.min-1 โดยใช้ครึ่งวัฏจักรการดูดซับ 400 วินาที สําหรับ Molecular sieve Zeolite 13X และครึ่งวัฏจักรการ ดูดซับ 250 วินาที สําหรับ Activated Carbon CGC 12 3 ผลการทดลองและวิจารณ์ 3.1 องค์ประกอบของก๊าซชีวภาพก่อนการปรับปรุงคุณภาพ องค์ประกอบของก๊าซชีวภาพก่อนทําการปรับปรุง ใน Table 2 แสดงถึงองค์ประกอบหลักของก๊าซชีวภาพ คือ ก๊าซมีเทน มี สั ด ส่ ว นร้ อ ยละ 68-70 และมี ก๊ า ซไฮโดรเจนซั ล ไฟด์ เมื่ อ เปรียบเทียบกับ คุณ ภาพก๊า ซธรรมชาติตามประกาศกรมธุรกิจ พลังงานปี พ.ศ. 2552 แล้วพบว่าอยู่ในเกณฑ์ที่กําหนด อย่างไรก็ ตามเมื่อพิจารณาสมบัติทางเชื้อเพลิงพบว่า ยังมีค่าดัชนีวอบบี้ ต่ํา กว่ามาตรฐาน การเพิ่มดัชนีวอบบี้สามารถทําได้โดยการเพิ่มค่า ความร้อนให้สูงขึ้น ในกรณีก๊าซชีวภาพนี้ การเพิ่มค่าความร้อนให้ สูงขึ้นทําได้โดยการเพิ่มความเข้มข้นก๊าซมีเทน โดยการกําจัดก๊าซ คาร์ บ อนไดออกไซด์ อ อกไป ส่ว นสาเหตุ ที่ ก๊ า ซธรรมชาติ มี ค่ า ความร้อนสูงกว่าก๊าซชีวภาพ ขณะที่ปริมาณก๊าซมีเทนที่มีอยู่มี สัดส่วนเทียบเคียงกัน เนื่องจากองค์ประกอบของก๊าซธรรมชาติมี ก๊าซเชื้อเพลิง อื่น ๆ เป็นส่วนผสมอยู่ด้วย ส่ง ผลให้ดัช นีว อบบี้มี ค่าสูง สามารถนําไปใช้กับยานยนต์ตามมาตรฐานได้

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

Biogas Composition Biogas Before H S removal After H S removal 2 2 CH4 68-70% 68-70 % CO2 30-32% 30-32% O2 <0.2 <0.2 <0.2 <0.2 N2  2000 ppm H2S <23 ppm 3.2 ผลการทดสอบสภาวะต่ า ง ๆ ที่ ส่ ง ผลต่ อ การดู ด ซั บ ก๊ า ซ คาร์บอนไดออกไซด์ ความสามารถในการดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ของตัวดูด ซับต่างๆ ขึ้นอยู่กับสภาวะของระบบที่เหมาะสม เช่น อุณหภูมิ ความดัน 1) อุ ณ หภู มิ ที่ ส่ ง ผลต่ อ ความสามารถในการดู ด ซั บ ก๊ า ซ คาร์บอนไดออกไซด์ของตัวดูดซับ จากการศึกษาอุณหภูมิที่ส่งผลต่อความสามารถในการดูดซับ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ด้วย Molecular sieve Zeolite 13X และ Activated Carbon CGC 12 ที่ความดันระบบ 7 bar และ อัตราการไหล 25 L.min-1 พบว่าเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไปทํา ให้ความสามารถในการดูดซับของตัวดูดซับเปลี่ยนแปลงไปด้วย โดยเมื่อระบบมีอุณหภูมิสูงขึ้นจะทําให้ประสิทธิภาพการดูดซับ ลดลง ซึ่งจะเห็นได้ว่าที่อุณหภูมิ 4oC Molecular sieve Zeolite 13X สามารถดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้ร้อยละ 83 ดัง Figure 6 ในขณะที่ Activated Carbon CGC12 จะสามารถดูด ซับได้ร้อยละ 50 ดัง Figure 7 และเมื่อเพิ่มอุณหภูมิเป็น 10oC ความสามารถในการดูดซับจะลดลงซึ่งสอดคล้องกับการทดลอง ของ Guo, B. (2006)

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

19

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 15–23

ซับที่อุณหภูมิคงที่ 4oC อัตราการไหลของก๊าซชีวภาพ 25 L.min1 ของตัวดูดซับที่แตกต่างกันแสดงได้ดัง Figure 10 ความสามารถในการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ของตัวดูดซับ Molecular sieve Zeolite 13X และ Activated Carbon CGC12 สามารถคํานวณได้จากสมการที่ (1) Freundlich Adsorption Isotherm ดังแสดงใน Table 3

Figure 7 The adsorption of CO2 at various Temperature with Activated Carbon CGC 12.

2) ความดั น ที่ ส่ ง ผลต่ อ ความสามารถในการดู ด ซั บ ก๊ า ซ คาร์บอนไดออกไซด์ของตัวดูดซับ จากการศึกษาความดันที่ส่งผลต่อความาสามารถในการดูด ซั บ ก๊ า ซคาร์ บ อนไดออกไซด์ ข อง Molecular sieve Zeolite 13X และ Activated Carbon CGC12 โดยใช้ปริมาณตัวดูดซับ 450 g ควบคุมอุณหภูมิของระบบที่ 4oC และอัตราการไหลของ ก๊าซผสม 25 L.min-1 เมื่อก๊าซชีวภาพไหลผ่านตัวดูดซับในเบดนิ่ง ตั ว ดู ด ซั บ จะดู ด ซั บ ก๊ า ซคาร์ บ อนไดออกไซด์ ไ ว้ ภ ายใน ก๊ า ซ คาร์บอนไดออกไซด์จึงเริ่มสะสมทั้งในเม็ดตัวดูดซับและช่องว่าง ระหว่างเม็ดตัวดูดซับ เขตของการสะสมก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ จะแพร่ออกในทางเดียวกับการไหลจนกระทั่งเขตของการสะสม ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในตัวดูดซับแพร่ไปทั่วทั้งหอดูดซับ เมื่อ ก๊าซชีวภาพเคลื่อนที่ผ่านตัวดูดซับ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะ ไหลออกจากหอดูดซับจนกระทั่งก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สะสม เกือบทั่วบริเวณหอดูดซับ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จึงเริ่มเคลื่อนที่ ออกจากหอดูดซับ เมื่อเพิ่มความดันให้กับระบบดูดซับจะทําให้ ความสามารถในการดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ของระบบจะ สูงขึ้นด้วยดัง Figure 8 Molecular sieve Zeolite 13X สามารถ ดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้ร้อยละ 89 ที่ความดัน 7 bar ในขณะที่ Activated Carbon CGC12 สามารถดู ด ซั บ ก๊ า ซ คาร์บอนไดออกไซด์ได้ร้อยละ 50 ดัง Figure 9 และเมื่อความดัน ของระบบมีค่าลดลงการดูดซับของ Molecular sieve Zeolite 13X และ Activated Carbon CGC12 จะมีค่าลดลงด้วย 3) ไอโซเทอมการดูดซับของตัวดูดซับ จากข้ อ มู ล การทดสอบอุ ณ หภู มิ และความดั น ที่ ส่ ง ผลต่ อ ความสามารถในการดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ของตัวดูดซับ ที่ ใ ช้ สามารถนํ า มาหาไอโซเทอมของการดู ด ซั บ เพื่ อ อธิ บ าย ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นที่สมดุลกับจํานวนของตัวถูกดูด 20

Table 3 Regression coefficient for the fitting Adsorption isotherm model.

Adsorbed KF n R2 Zeolite 13X 1014.55 0.0475 0.9997 CGC 12 575.678 0.0928 0.9993 ดังนั้นจาก Table 3 ค่าคงที่ของฟรุนดิช (KF) สามารถบอกได้ ว่าตัวดูดซับ Molecular sieve Zeolite 13X มีความสามารถใน การดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สูงกว่า Activated Carbon CGC12 แสดงว่าถ้าต้องการดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ใน ปริมาณที่เท่ากันจะต้องใช้ปริมาณ Activated Carbon CGC12 ประมาณ 1.8 เท่าของปริมาณ Molecular sieve Zeolite 13X 3.3 ผลการทดสอบประสิทธิภาพของระบบดูดซับสลับความดัน จากการทดสอบประสิทธิ ภ าพระบบปรับ ปรุง คุ ณ ภาพก๊า ซ ชีวภาพด้วยวิธีการดูดซับสลับความดันโดยใช้ Molecular sieve Zeolite 13X และ Activated Carbon CGC 12 เป็นตัวดูดซับ ทําการทดลองที่ความดัน 7 bar อุณหภูมิ 4oC และอัตราการไหล 25 L.min-1 1) วัฏจักรการดูดซับของเครื่องปรับปรุงคุณภาพก๊าซชีวภาพ กํ า หนดให้ อ งค์ป ระกอบของก๊า ซคาร์ บ อนไดออกไซด์ ที่ จุ ด เบรคทรูมีค่าเท่ากับร้อยละ 18 ตามประกาศกรมธุรกิจพลังงาน ตัวดูดซับ Molecular sieve Zeolite 13X จะมีจุดเบรคทรูอยู่ที่ 380 วินาที ดัง Figure 11 และ Activated Carbon CGC 12 จะมีจุดเบรคทรูอยู่ที่ 210 วินาที ดัง Figure 12 จากจุดเบรคทรูที่แสดงดัง Figure 9 (a) สามารถนํามาเขียน เป็นวัฏจักรการดูดซับของระบบปรับปรุงคุณภาพก๊าซชีวภาพด้วย กระบวนการดูดซับสลับความดันได้ดัง Figure 13 ตัวอย่างวัฏ จั ก รของกระบวนการดู ด ซั บ สลั บ ความดั น ด้ ว ยตั ว ดู ด ซั บ Molecular sieve Zeolite 13X โดยค่าคาบเวลาต่างๆ แสดงดัง Table 4

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 15–23

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

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

1200

-1

Carbondioxe on Adsorbents (mg.g )

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

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

1000

800

600

400

Molecular sieveZeolite 13X Activated Carbon CGC 12

200

0 0.0

.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Partial Pressure (bar)

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

Figure 13 Pressure swing Adsorption upgrading cycle.

21

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 15–23

Table 4 Process of Pressure swing adsorption.

Zeolite 13X CGC 12 Adsorption cycle Time Pressure Time Pressure (sec) (bar) (sec) (bar) Adsorption t pd ,u 400 7 250 7 Red. -1 27 7 -1 51 7 Pressure  t dp ,d Purge gas t pg , d 370 -1 213 -1 7 120 -1 7 Inc. pressure  t pr ,u 210 -1 2) ประสิทธิภาพการดูดซับของเครื่องปรับปรุงคุณภาพก๊าซ ชีวภาพ จากการทดสอบประสิ ท ธิ ภ าพของกระบวนการปรั บ ปรุ ง คุณภาพก๊าซชีวภาพด้วยวิธีการดูดซับสลับความดันที่พัฒนาขึ้น โ ด ย ใ ช้ Molecular sieve Zeolite 13X แ ล ะ Activated Carbon CGC12 เป็ น ตั ว ดู ด ซั บ พบว่ า ระบบที่ ใ ช้ Molecular sieve Zeolite 13X สามารถเพิ่มสัดส่วนของก๊าซมีเทนได้ถึง ร้ อ ยละ 82-96 ส่ ว นถ่ า นดู ด ซั บ Activated Carbon CGC 12 สามารถเพิ่มสัดส่วนของก๊าซมีเทนได้ร้อยละ 82-85 ซึ่งเป็นผลให้ ค่าความร้อนรวมถึงดัชนีวอบบีสูงขึ้น ดังแสดงใน Table 5 เมื่อ ทําการเปรียบเทียบกับลักษณะและคุณภาพของก๊าซธรรมชาติ สํ า หรั บ ยานยนต์ ต ามประกาศกรมธุ ร กิ จ พลั ง งานแล้ ว พบว่ า กระบวนการปรับปรุงคุณภาพก๊าซชีวภาพด้วยวิธีการดูดซับสลับ ความดันที่พัฒนาขึ้น ใช้ Molecular sieve Zeolite 13X เป็น ตัวดูดซับสามารถปรับปรุงก๊าซชีวภาพให้มีคุณภาพตามเกณฑ์ที่ กําหนด ทั้งนี้การใช้ Activated Carbon CGC12 เป็นตัวดูดซับ ก๊าซชีวภาพที่ผ่านกระบวนการดังกล่าวยังไม่เป็นไปตามเกณฑ์ที่ กํ า หนด จํ า เป็ น ต้ อ งทํ า การเพิ่ ม ปริ ม าณตั ว ดู ด ซั บ Activated Carbon CGC12 เพิ่มขึ้น Table 5 Result of upgrading by Pressure Swing Adsorption.

After Upgrade Before Properties Upgrade Zeolite 13X CGC 12 CH4 (%) 68-70 82-96 82-85 CO2 (%) 30-32 4-18 15-18 Heating Value 24-25 29-34 29-30 (MJ.m-3) Wobby index 26-27 34-44 34-36 -3 (MJ.m )

22

4 สรุป การปรับปรุงคุณภาพก๊าซชีวภาพด้วยกระบวนการดูดซับสลับ ความดันสามารถเพิ่มศักยภาพทางเชื้อเพลิงให้กับ ก๊า ซชีวภาพ เพื่อให้มีความหลากหลายในการใช้งานมากขึ้น โดยทําการศึกษา ผลของความดัน และอุณหภูมิของการดูดซับที่เปลี่ยนแปลงไปกับ ความสามารถในการดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เจือปนอยู่ใน ก๊ าซชี วภาพด้ว ยตัว ดูดซั บ 2 ชนิด คือ Molecular sieve Zeolite 13X และ Activated Carbon CGC12 พบว่าความดัน และอุณหภูมิ มีผลต่อความสามารถในการดูดซับของตัวดูดซับทั้ง สองชนิด โดยเมื่อเพิ่มความดันและลดอุณหภูมิของระบบจะทําให้ ระบบสามารถดูดซับได้ดีขึ้น ซึ่งจากการศึกษาประสิทธิภาพของ กระบวนการดู ดซับ สลับ ความดัน พบว่ า ระบบที่ ใช้ Molecular sieve Zeolite 13X เป็นตัวดูดซับสามารถเพิ่มสัดส่วนของก๊าซ มีเทนได้ถึงร้อยละ 82-96 ทําให้ค่าดัชนีวอบบีเพิ่มขึ้นเป็น 34-44 MJ.m3 ซึ่ ง มี ค่ า เที ย บเคี ย งกั บ ลั ก ษณะและคุ ณ ภาพของก๊ า ซ ธรรมชาติ สํ า หรั บ ยานยนต์ ต ามประกาศกรมธุ ร กิ จ พลั ง งาน ในขณะที่สภาวะเดียวกัน ระบบที่ใช้ Activated Carbon CGC12 เป็นตัวดูดซับสามารถเพิ่มสัดส่วนของก๊าซมีเทนได้ร้อยละ 82-85 ทําให้ค่าดัชนีวอบบีเพิ่มขึ้นเป็น 34-36 MJ.m3 ซึ่งค่าที่ได้ยังไม่ ผ่านเกณฑ์ที่กําหนด จําเป็นต้องเพิ่มปริมาณตัวดูดซับให้มากขึ้น อย่างไรก็ตามแม้ว่า Molecular sieve Zeolite 13X จะมี ความสารถในการดูดซับมากกว่า Activated Carbon CGC 12 แต่ Activated Carbon CGC 12 สามารถหาซื้อได้ง่ายและผลิต ขึ้นเองภายในประเทศ ราคาถูกกว่า Molecular sieve Zeolite 13X และจากการศึกษาไอโซเทอมของการดูดซับของตัวดูดซับทั้ง สองชนิ ด ที่ อุ ณ หภู มิ ค งที่ 4oC แสดงให้ เ ห็ น ว่ า เมื่ อ เพิ่ ม ปริ ม าณ Activated Carbon CGC 12 เป็น 1.8 เท่าของ Molecular sieve Zeolite 13X จะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการดูดซับได้ เท่ากัน ดังนั้น Activated Carbon CGC 12 จึงเป็นอีกทางเลือก หนึ่งที่น่าสนใจสําหรับใช้ในระบบปรับปรุงคุณภาพก๊าซชีวภาพ ด้วยกระบวนการดูดซับสลับความดัน 5 กิตติกรรมประกาศ ผู้วิจัยขอขอบคุณสํานักงานการอุดมศึกษาที่ให้การสนับสนุน งบประมาณในงานวิจัยนี้จนสําเร็จลุล่วงได้ด้วยดี

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 15–23

6 เอกสารอ้างอิง กรมธุรกิจพลังงาน กระทรวงพลังงาน. (2552). ประกาศกรม ธุ ร กิ จ พลั ง งาน เรื่ อ งกํ า หนดลั ก ษณะและคุ ณ ภาพของก๊ า ซ ธรรมชาติ สํ า หรั บ ยานยนต์ พ.ศ. 2552. [ออนไลน์ ] http://elaw.doeb.go.th/doeb. เดชา ฉัตรศิริเวช. (2552). กระบวนการดูดซับ. สํานักพิมพ์แห่ง จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย. นคร ทิพยาวงศ์. (2553). เทคโนโลยีการแปลงสภาพชีวมวล. สํานักพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย. สํานักงานนโยบายและแผนพลังงาน กระทรวงพลังงาน. (2554). [ออนไลน์] 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.

23

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 24–33

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 18 ฉบับที่ 1 (2555) 24–33 Available online at www.tsae.asia

บทความปริทศั น์ ISSN 1685-408X

ที่มาของสมการ Ergun เพื่อการคํานวณความเร็วต่ําสุดของการเกิดฟลูอิไดซ์สําหรับอนุภาคของแข็ง Foundation of the Ergun equation for the calculation of minimum fluidizing velocity of solid particles ระวิน สืบค้า1* ธนศิษฏ์ วงศ์ศิริอํานวย2, สุเนตร สืบค้า3 Rawin Surbkar1*, Thanasit Wongsiriamnuay2, Sunate Surbkar2 1

คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลตะวันออก, ชลบุรี, 20110 Faculty of Science and Technology, Rajamangala University of Technology Tawan-ok, Chonburi, 20110 2 คณะวิศวกรรมและอุตสาหกรรมเกษตร, มหาวิทยาลัยแม่โจ้, เชียงใหม่, 50290 2 Faculty of Engineering and Agro-industry, Maejo University, Chiang Mai, 50290 *Corresponding author: Tel: 080-4988144 E-mail: rawin2272@hotmail.com 1

บทคัดย่อ ความรู้เกี่ยวกับความเร็วต่ําสุดของการเกิดฟลูอิไดซ์ในเบดของแข็งจําเป็นสําหรับการออกแบบและการใช้งานระบบฟลูอิไดซ์ที่ มี ป ระสิ ทธิภ าพซึ่ง อาจใช้ใ นกระบวนการผสม การอบแห้ง การแช่ เยื อกแข็ง หรื อ หน่ ว ยปฏิ บั ติ ก ารอื่น ๆ ระบบฟลู อิ ไ ดเซชั น ที่ มี ประสิทธิภาพต้องการอัตราการไหลของอากาศที่เหมาะสมโดยไม่ทําให้วัสดุภายในเบดมีสภาวะสแตติก หรือหลุดลอดออกไปจากเบด บทความวิชาการนี้จึงนําเสนอที่มาของสมการ Ergun ซึ่งเป็นสมการที่นิยมใช้ในการคํานวณความเร็วต่ําสุดของการเกิดฟลูอิไดซ์ และ การหาคุณลักษณะของอนุภาคที่ใช้ประกอบการคํานวณ ได้แก่ ขนาด ความหนาแน่นปรากฏ ความพรุน และแฟคเตอร์รูปร่าง คําสําคัญ: ฟลูอิไดเซชัน, เบดฟลูอิไดซ์, ความเร็วต่ําสุดของการเกิดฟลูอิไดซ์, 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 บทนํา ฟลูอิไดเซชัน (Fluidization) เป็นกระบวนการหรือวิธีการที่ ของแข็งซึ่งมีรูปร่างลักษณะเป็นเม็ด โดยที่มีส่วนที่สัมผัสกับของ ไหลแล้วอนุภาคของแข็งเหล่านี้จะมีคุณสมบัติคล้ายของไหล โดย ที่ของไหลที่ใช้จะถูกปล่อยให้ผ่านมาทางด้านล่างของตะแกรงที่ รองรับอนุภาคของแข็ง แล้วจะไหลผ่านออกทางส่วนบนของหอ ทดลอง ซึ่งมีลักษณะเป็นทรงกระบอก (Column) หรือเป็นท่อ เหลี่ยมแนวตั้ง เมื่อเพิ่มความเร็วของไหลให้มากขึ้นเรื่อยๆ จนใน ที่สุดอนุภาคของแข็งเริ่มจะเคลื่อนที่ และลอยตัวขึ้นเป็นอิสระไม่ 24

เกาะติดกัน ซึ่งอนุภาคของแข็งที่อยู่ในลักษณะนี้จะมีคุณสมบัติ คล้ า ยของไหล ฟลู อิ ไ ดเซชั น แบ่ ง ตามสถานะของไหลได้ 2 ประเภท คือ 1) ฟลู อิ ไ ดเซชั น สองสถานะ (Two-phase fluidization) หมายถึ ง ภายในหอทดลองหรื อ เบด (bed) ที่ ใ ช้ ง านจะ ประกอบด้วยสสารสองสถานะ คือ ของแข็งและของไหล ของไหล นี้ อ าจเป็ น ก๊ า ซหรื อ ของเหลวก็ ไ ด้ ฟลู อิ ไ ดเซชั น สองสถานะจึ ง แบ่งย่อยได้อีก 2 ประเภท (Figure 1) คือ ก๊าซฟลูอิไดเซชัน (Gas fluidization) และฟลูอิไดเซชันของเหลว (Liquid fluidization)

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 24–33

(a) Gas fluidization (b) Liquid fluidization Figure 1 Two types of fluidized bed behavior 2) ฟลูอิไดเซชันสามสถานะ (Three-phase fluidization) หมายถึง ภายในหอทดลองจะประกอบด้วยสสารสามสถานะ คือ ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ซึ่งพัฒนามาจากฟลูอิไดเซชันสอง สถานะของหอทดลองที่เป็นฟอง (Bubble column) และหอ ทดลองที่บรรจุด้วยของแข็ง (Packed bed) ปรากฏการณ์ ฟ ลู อิ ไ ดเซชั น เริ่ ม จากการใส่ ข องแข็ ง ในหอ ทดลอง แล้วปล่อยของไหลให้ไหลเข้าทางด้านล่างของหอทดลอง ขณะที่ของไหลยังมีความเร็วต่ํา อนุภาคของแข็งจะไม่ขยับตัวเลย ลักษณะของเบดเช่นนี้เรียกว่าเบดนิ่ง (Fixed bed) ดังแสดงใน Figure 2a ทั้ ง นี้ ความเร็ ว ในการไหลตามผิ ว (Superficial velocity, U) จะมีค่าน้อยกว่าความเร็วต่ําสุดในการเกิดฟลูอิได เซชัน (Minimum fluidizing velocity, Umf) ถ้าเพิ่มความเร็ว ของของไหลให้มากขึ้นจนถึงความเร็วระดับหนึ่ง อนุภาคของแข็ง จะเริ่มขยับตัว และจัดตัวอย่างเป็นระเบียบเรียกว่า ฟลูอิไดเซชัน ต่ํ า สุ ด (Incipient or minimum fluidization) ดั ง แ ส ด ง ใ น Figure 2b สําหรับฟลูอิไดเซชันของเหลว เมื่อเพิ่มความเร็ว จนกระทั่งการขยายตัวของเบดเป็นไปอย่างสม่ําเสมอ การลอยตัว และหมุนรอบตัวเองของของแข็งจะเป็นไปอย่างช้าๆ เรียกว่า เบดสม่ําเสมอ (Particulate or smooth fluidization) ดังแสดง ใน Figure 2c หากเพิ่มความเร็วของของไหลขึ้นไปอีก จะไปทํา ให้เบดขยายตัวขึ้นตามความเร็วของของไหล เบดลักษณะนี้ เกือบจะพาเอาอนุภาคของแข็งออกไปจากหอทดลองจึงเรียกว่า เบดเจือจาง (Diluted phase fluidized bed) หลังจากนั้นหาก เพิ่มความเร็วของไหลอีกเล็กน้อย อนุภาคของแข็งก็จะหลุดลอย

ออกจากหอทดลองไปซึ่งในลักษณะนี้จะถือเป็นการขนถ่ายแบบ ใช้ลม (Pneumatic conveyor) ดังแสดงใน Figure 2f หากส่ง ถ่ายของแข็งด้วยของเหลวก็จะเรียกว่า การขนถ่ายด้วยของเหลว (Hydraulic transport) ก๊าซฟลูอิไดเซชันจะมีลักษณะเบดที่แตกต่างไปจากของเหลว เมื่อเพิ่มความเร็วของก๊าซสูงกว่าความเร็วที่จะทําให้เกิดฟลูอิไดเซ ชันแล้ว ก๊าซส่วนหนึ่งยังทําหน้าที่ให้เกิดการลอยตัวของอนุภาค ของแข็งเหมือนเดิม อีกส่วนหนึ่งจะรวมตัวกันแล้วก่อตัวเป็นฟอง ก๊าซเกิดขึ้น ฟองก๊าซเหล่านี้จะแทรกตัวขึ้นมายังผิวหน้าของเบด และแตกตัวในที่สุด ขณะที่ฟองก๊าซลอยขึ้นมานี้จะทําให้อนุภาค ของแข็งไหลจากส่วนหลังคาของฟองก๊าซลงมายังส่วนล่าง โดย บางส่ ว นของอนุ ภ าคของแข็ ง จะลอยติ ด ตามฟองก๊ า ซไปด้ ว ย ลักษณะดังกล่าวทําให้ภายในเบดจะมีการเคลื่อนที่อย่างชุลมุน เบดชนิ ด นี้ เ รี ย กว่ า เบดวุ่ น วาย หรื อ ฟลู อิ ไ ดเซชั น วุ่ น วาย (Aggregative or bubbling bed) ดังแสดงใน Figure 2d และ 2e โดยฟองก๊าซที่เกิดขึ้นจะมีลักษณะแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับ ขนาดและรูปร่างของอนุภาคของแข็ง ความเร็วของก๊าซ และ ลักษณะของแผ่นกระจายอากาศ โดยลักษณะของฟองก๊าซอาจ แบ่งได้ดังนี้ 1) Channeling เป็นการเกิดฟองก๊าซจากการผ่านของก๊าซ เป็นช่องๆ โดยที่อนุภาคของแข็งที่อยู่ตรงทางผ่านของก๊าซเท่านั้น ที่มีการเคลื่อนที่ แต่บริเวณข้างเคียงจะไม่มีการเคลื่อนที่ 2) Bubbling เป็นการเกิดฟองก๊าซที่เกิดเมื่อความเร็วของ ของไหลสูงกว่าความเร็วที่ทําให้เกิดฟลูอิไดซ์เบด จะทําให้เกิดการ ลอยตัวของอนุภาคของแข็ง แต่ก๊าซอีกส่วนหนึ่งจะรวมตัวกันเป็น ฟองก๊าซลอยขึ้นมา ซึ่งจะทําให้อนุภาคของแข็งที่ติดอยู่บนฟอง ก๊าซไหลจากส่วนบนของฟองก๊าซลงมายังส่วนล่าง และนอกจากนี้ มี บ างส่ ว นของอนุ ภ าคของแข็ ง ที่ ล อยติ ด ตามฟองก๊ า ซไปด้ ว ย ลักษณะดังกล่าวทําให้ภายในเบดมีการเคลื่อนที่อย่างชุลมุน 3) Slugging เป็นการเกิดฟองก๊าซหรือการรวมตัวของฟอง ก๊าซจนได้ฟองก๊าซที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับขนาดเส้น ผ่านศูนย์กลางของหอทดลอง มีการแยกตัวของอนุภาคของแข็ง เป็นชั้นๆ ทําให้การถ่ายเทมวลสารหรือความร้อนเกิดได้ไม่ทั่วถึง เนื่องจากอนุภาคของแข็ง สัมผัส กับ ก๊า ซเป็น เวลาอัน สั้น หรือไม่ สัมผัสเลยในบางส่วน

25

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 24–33

(a) (b) (c) (d) (e) (f) Figure 2 Schematic representation of fluidized beds in different regimes (Kunii and Levenspiel, 1991). ฟลูอิไดเซชันสามารถนํามาประยุกต์ใช้กับกระบวนการต่างๆ ซึ่งเกี่ยวข้องกับงานด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีมากมาย อาทิ การอบแห้ ง การแช่ เ ยื อ กแข็ ง เตาผลิ ต แก๊ ส ชี ว มวล เป็ น ต้ น (ไพโรจน์ และศิวะ, 2555) แต่หนังสือ ตํารา หรือบทความ วิชาการเกี่ยวกับฟลูอิไดเซชันที่เป็นภาษาไทย ยังมีน้อย บทความ นี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อ นําเสนอการคํานวณพื้นฐานเกี่ยวกับก๊าซ ฟลูอิไดเซชัน ซึ่งแสดงที่มาของสมการ พร้อมกับการคํานวณหา คุณลักษณะของอนุภาคของแข็ง ซึ่งเป็นตัวแปรที่จําเป็นต้องทราบ

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

4) Spouted Bed เป็นการที่ก๊าซส่วนใหญ่ไหลผ่านเฉพาะ บริเวณตรงกลางของกลุ่มของอนุภาคของแข็งมากกว่าบริเวณรอบ ข้างด้วยความเร็วสูงมาก ทําให้บริเวณตรงกลางมีความหนาแน่น ของอนุภาคของแข็งน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับบริเวณด้านข้าง ลักษณะการไหลแบบนี้คล้ายกับน้ําพุ พุ่งแรงตรงกลางแล้วตกลง รอบๆ ข้าง (Figure 3) อนุภาคของแข็งจะถูกฉีดพร้อมกับอากาศ ความเร็วสูง แล้วไหลขึ้นตรงส่วนกลางของสเปาต์ด้วยสภาวะเบา บาง (Dilute phase) จากนั้นวัสดุจะไหลลงตามผนังด้านข้างด้วย สภาวะหนาแน่น (Dense phase) กลับสู่จุดเริ่มต้นด้านล่างเบด เป็นอย่างนี้ไปเรื่อยๆ (ปัณณธร, 2548) 26

2 คุณลักษณะของอนุภาคของแข็ง การเกิ ด เบดฟลู อิ ไ ดซ์ นั้ น นอกจากขึ้ น อยู่ กั บ ความเร็ ว ของ อากาศแล้ว ยังขึ้นอยู่กับขนาดและความหนาแน่นของอนุภาค ของแข็งด้วย การออกแบบระบบฟลูอิไดเซชันจําเป็นต้องใช้ข้อมูล คุณลักษณะของอนุภาคของแข็ง ดังต่อไปนี้ 2.1 ขนาดของชิ้นวัสดุ (Particle size) เทคนิค ในการวัดขนาดของอนุภาคของแข็งมีหลายเทคนิค ขึ้นอยู่กับความสม่ําเสมอของชิ้นวัสดุ หากชิ้นวัสดุมีขนาดใหญ่กว่า 1 mm และมีขนาดสม่ําเสมอ การวัดขนาดของอนุภาคส่วนมาก จะใช้เวอร์เนียคาลิปเปอร์ (Vernier caliper) ซึ่งเป็นเครื่องมือวัด ที่ มี ค วามละเอี ย ดสู ง ถึ ง 0.05 mm แต่ ห ากต้ อ งการทราบค่ า ที่ ละเอียดมากกว่านั้นสามารถวัดด้วยไมโครมิเตอร์ (Micro meter) ความละเอี ย ดสู ง ถึ ง 0.001 mm การวั ด ขนาดของอนุ ภ าค ของแข็งควรวัดให้ครอบคลุมทั้งสามด้าน นั่นคือ ด้านที่ยาวที่สุด ของอนุภาคของแข็ง หรือด้าน a ด้านที่ตั้งฉากกับด้าน a หรือด้าน b และด้ า นที่ ทํ า มุ ม ทแยงกั บ ด้ า น a กั บ ด้ า น b หรื อ ด้ า น c

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 24–33

(Figure 4) แล้วแสดงผลของขนาดด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย เรขาคณิต (Geometric mean diameter, dp) จํานวนครั้งการ วั ด ควรน่ า เชื่ อ ถื อ ซึ่ ง สามารถระบุ ไ ด้ จ ากค่ า ความเบี่ ย งเบน มาตรฐาน (Standard deviation, SD) ค่า SD ยิ่งต่ํายิ่งมีความ น่าเชื่อถือ ทั้งนี้ด้าน a ด้าน b และด้าน c ของธัญพืชแต่ละชนิด แสดงใน Figure 4 ค่า dp หาได้จาก (Mohsenin, 1980) (1)

เมื่ อ dp คื อ เส้ น ผ่ า นศู น ย์ ก ลางเฉลี่ ย เรขาคณิ ต ของอนุ ภ าค ของแข็ง (mm), a คือ ด้านที่ยาวที่สุดของชิ้นวัสดุ (mm), b คือ ด้านที่ตั้งฉากกับด้าน a (mm) และ c คือ ด้านที่ทํามุมทแยงกับ ด้าน a กับด้าน b (mm) หากอนุ ภ าคของแข็ ง มี ข นาดปานกลาง หรื อ มี ข นาดและ รูปร่างไม่สม่ําเสมอ มักนิยมใช้เทคนิคตะแกรงร่อนในการหาขนาด เฉลี่ยของชิ้นวัสดุตามวิธีของ 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 รูปร่างของอนุภาค (Particle shape) การหาขนาดและรูปร่างของอนุภาค (Particle size and shape) ที่มีรูปร่างและขนาดสม่ําเสมอ (Regular particles) เช่น ทรงกลม (Spheres) สี่เหลี่ยมลูกเต๋า (Cubes) เป็นต้น ทําได้ อย่างง่าย ๆ แต่ถ้าเป็นอนุภาคที่มีรูปร่างและขนาดแตกต่างกันไม่ สม่ําเสมอ (Irregular particles) ซึ่งพบได้ในการลดขนาดวัสดุ การระบุขนาดและรูปร่างที่ชัดเจนจะทําไม่ได้ ดังนั้นจึงมักอธิบาย รู ป ร่ า งในตั ว แปรของแฟคเตอร์ รู ป ร่ า ง (Shape factor or Sphericity) มีนักวิจัยหลายคนที่ใช้วิธีการนี้ในการระบุรูปร่างของ ชิ้นวัสดุ อาทิ Dutta et al. (1988) ที่ใช้หาขนาดเมล็ดถั่ว Gram (Cicer arietinum L.) Olaoye (2000) ที่ใช้หาขนาดถั่ว Castor, Kaleemullah and Kailappan (2003) ที่ใช้หาขนาดผลพริก เป็นต้น แฟคเตอร์รูปร่างหาได้จาก (Mohsenin, 1980) 

di dc

(2)

เมื่อ   คือ แฟคเตอร์รูปร่าง (dimensionless), di คือ เส้น ผ่านศูนย์กลางของวงกลมเล็กสุดในอนุภาคของแข็ง (mm) และ dc คือ เส้นผ่านศูนย์กลางของวงกลมใหญ่สุดในอนุภาคของแข็ง (mm)

ต่อมามีการพัฒนาสมการใหม่เพื่อหาค่าแฟคเตอร์รูปร่าง ซึ่ง Gupta and Das (1997) ใช้หาขนาดเมล็ดทานตะวัน Selvi et al. (2006) ใช้หาขนาดเมล็ดลีนซีด (Linseed) Unal et al.

(2008) ใช้หาขนาดเมล็ดถั่วเขียว

 acb  

1/ 3

(3)

a

Olajide and Ade-Omowaye (1999) ได้พัฒนาสมการหา แฟคเตอร์ รู ป ร่ า งจากอั ต ราส่ ว นของปริ ม าตรของของแข็ ง กั บ ปริมาตรของทรงกลมที่มีปริมาตรเทียบเท่าดังนี้ 1/ 3

      6  abc           a3    6  

1/ 3

 bc   2 a 

(4)

2.3 ช่องว่างของวัสดุ (Voidage or particle porosity) อนุ ภ าคของแข็ ง ที่ บ รรจุ อ ยู่ ใ นเบดไม่ ว่ า จะบรรจุ อ ย่ า งเป็ น ระเบี ย บหรื อ แบบไม่ เ ป็ น ระเบี ย บ (Random packing) ก็ ต าม ย่อมเกิดช่องว่างระหว่างอนุภาคของแข็งขึ้นเสมอ จะมีมากหรือ น้อยขึ้นอยู่กับคุณลักษณะและขนาดของอนุภาคของแข็ง หาก 27

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 24–33

อนุภาคของแข็งมีผิวราบเรียบมักไม่เป็นปัญหามากนัก แต่ถ้าเป็น อนุ ภ าคของแข็ ง ที่ มี รู พ รุ น (Pore) อยู่ ภ ายในด้ ว ยแล้ ว การหา ปริมาณของช่องว่างที่แท้จริงย่อมกระทําได้ยากมาก เพราะขนาด ของรู พ รุ น มี ข นาดเล็ ก มาก วั ด ได้ เ ป็ น หน่ ว ยของไมครอน (Microns) ยกตัวอย่างเช่น ถ่านกัมมันต์ (Activated carbon) อลูมินากัมมันต์ (Activated alumina) ดินกัมมันต์ (Activated clay) ถ่านโค้ก (Coke) เป็นต้น เมื่อเปรียบเทียบช่องว่างที่เป็นรู พรุนกับช่องว่างระหว่างเม็ด (Voidage) แล้ว อย่างแรกมีค่าน้อย กว่าอย่างหลังมากจนไม่สามารถเปรียบเทียบกันได้ ช่องว่างของ วัสดุภายในเบดนิ่งหาได้จาก  mP  B     1 B   m  p P   p

  1 

เมื่อ  mf คือ ช่องว่างของวัสดุในเบดฟลูอิไดซ์ (dimensionless), Lmf คือ ความสูงต่ําสุดของเบดที่ทําให้เกิดฟลูอิไดเซชัน (m), L0 คือ ความสูงของอนุภาคของแข็งในเบดนิ่ง (m) และ L คือ ความสูงของอนุภาคของแข็งในเบดฟลูอิไดซ์ (m)

(5)

เมื่อแทนค่า  B ซึ่งได้แก่อัตราส่วนมวลต่อปริมาตร จะได้   1

mp

(6)

 p LA

เมื่อ  คือ ช่องว่างของวัสดุในเบดนิ่ง (dimensionless),  B คือ ความหนาแน่นปรากฎของวัสดุ (kg/m2),  p คือ ความ หนาแน่นที่แท้จริงของวัสดุ (kg/m2), mp คือ มวลของอนุภาค ทั้งหมดในเบด (kg), A คือ พื้นที่หน้าตัดของเบด (m2) และ L คือ ความสูงของเบดวัสดุ (m) 3 ช่องว่างของวัสดุในเบดฟลูอิไดซ์ ระบบฟลูอิไดเซชันพื้นฐานประกอบไปด้วย เบด (Bed) แผ่น กระจายของไหล (Distributor) ห้องพักลม (Plenum) และ แหล่งกําเนิดลม (Blower) เบดเป็นพื้นที่ของอนุภาคของแข็งใน หอทดลองทั้งหมดตั้งแต่แผ่นกระจายของไหล (Distributor) จนถึงระดับสูงสุดคือผิวหน้าของอนุภาคของแข็ง (Figure 5) ที่ความเร็วของของไหลคงที่ค่าหนึ่ง ความสูงของเบดตลอด พื้นที่ภาคตัดขวางของคอลัมน์ไม่มีการเปลี่ยนแปลง ค่าความพรุน ของเบดจะแปรผันตามความสูงของเบด ดังนี้

 L  L0   1  L0  mf  L

L

(7)

จากความสั ม พั น ธ์ ร ะหว่ า งความสู ง ของเบดสองสภาวะ (เบดนิ่ ง และเบดฟลู อิไ ดซ์ ) ทํ า ให้ ส ามารถคํ า นวณหาความสู ง ต่ําสุดที่ทําให้เกิดฟลูอิไดเซชัน ได้จาก Lmf  L0

1   

1    mf

28

(8)

Figure 5 Fluidized bed height.

4 ความเร็ ว ต่ํ า สุ ด ที่ ทํ า ให้ เ กิ ด ฟลู อิ ไ ดเซชั น (Minimum fluidizing velocity) 4.1 การใช้สมการหาความเร็วต่ําสุดที่ทําให้เกิดฟลูอิไดเซชัน ในขณะที่ อ นุ ภ าคของแข็ ง เริ่ ม ลอยตั ว เป็ น อิ ส ระอยู่ นั้ น อาจ กล่าวอีกนัยหนึ่งได้ว่า อนุภาคของแข็งอยู่ในสภาวะสมดุลของแรง สองแรงที่เกิดขึ้นบนอนุภาคของแข็ง คือแรงที่เกิดจากน้ําหนักของ ตัวอนุภาคของแข็งเองกับแรงพยุงจากของไหลหรือเกิดจากแรง เสียดทานกับแรงต้านของของไหล ดังนี้ แรงพยุงวัสดุของแข็ง = น้ําหนักของอนุภาคของแข็ง

(9)

หรือ ความดันตกคร่อมเบดxพื้นที่หน้าตัดของคอลัมน์ = ปริมาตรของวัสดุภายในเบดxน้ําหนักจําเพาะของของแข็ง (9’) เมื่อ PA คือ แรงพยุงวัสดุของแข็ง (N), (1   mf ) ALmf คือ ปริ ม า ต ร ข อ ง วั ส ดุ ข อ ง แ ข็ ง ทั้ ง หมดโดยไม่ ร ว ม ช่ อ ง ว่ า ง (m3), (  p   f ) g คือ น้ําหนักจําเพาะของวัสดุของแข็ง ภายในเบด (N/m3) และ (1   mf )(  p   f ) ALmf g คือ น้ําหนักของวัสดุของแข็งภายในเบด (N) สมการ (9) เขียนใหม่ได้เป็น (Kunii and Levenspiel, 1991; Gidaspow, 1994; Yang, 1999) PA  (1   mf )(  p   f ) ALmf g

(10)

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 24–33

จัดระเบียบสมการ (10) ใหม่ จึงได้ความสัมพันธ์ระหว่าง ความดันตกคร่อมต่อความสูงของเบดกับน้ําหนักของวัสดุของแข็ง ที่ เ ริ่ ม ทํ า ให้ เ กิ ด ฟลู อิ ไ ดเซชั น ดั ง นี้ (Kunii and Levenspiel, 1991; Yang, 1999; Smith, 2007) P  (1   mf )(  p   f ) g Lmf

(11)

เมื่อ P = ความดันตกคร่อมเบดวัสดุ (N/m2), A คือ พื้นที่ ภาคตัดขวางของเบด (m2), Lmf คือ ความสูงต่ําสุดของเบดที่ทํา ให้ เ กิ ด ฟลู อิ ไ ดเซชั น (m),  mf คื อ ช่ อ งว่ า งภายในเบด (dimensionless),  p คือ ความหนาแน่นที่แท้จริงของอนุภาค ของแข็ง (kg/m3),  f คือ ความหนาแน่นของของไหล (kg/m3) และ g = ความเร่งอันเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก (m/s2) การหาความเร็วต่ํา สุดที่ทําให้เกิดฟลูอิไดเซชันโดยการ จําลองสภาวะการทํางานทําได้ค่อนข้างยาก เนื่องจากความพรุน

ของวัสดุในเบดฟลูอิไดซ์มีค่าไม่คงที่และไม่แน่นอน นอกจากนี้ วัสดุยัง มีรูปร่างไม่สม่ําเสมอและไม่แ น่นอน แต่อย่างไรก็ตามมี สมการหลายสมการที่ใช้ในการทํานายค่าความเร็วต่ําสุดที่ทําให้ เกิดฟลูอิไดเซชัน สมการที่นิยมใช้คือสมการ Ergun ซึ่งเป็นสมการ แบบกึ่งเอมพิริคัล (Semi-empirical equation) ซึ่งปรับปรุงมา จากสมการของ Blake-Kozeny ที่ใช้สําหรับค่าเรย์โนลด์น้อยกว่า 10 และสมการของ Burke-Plummer ที่ใช้สําหรับค่าเรย์โนลด์ มากกว่า 1,000 Figure 6 เป็นกราฟความสัมพันธ์ของแฟคเตอร์ ความเสียดทานกับค่าเรย์โนลด์ที่ได้มาจากการทดลองที่สามารถ นํามาใช้ได้ทั้งช่วงความเร็วต่ําและความเร็วสูง หรือสําหรับการ ไหลแบบราบเรี ย บและการไหลแบบปั่ น ป่ ว น ตลอดจนช่ ว ง เปลี่ ย นแปลงการไหล จึ ง สามารถเขี ย นความสั ม พั น ธ์ ไ ด้ เ ป็ น (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). fp 

150  1.75 , 1 ≥ Re p ≥ 1,000 Re p

(12)

นอกจากนั้ น จะพบว่ า ค่ า แฟคเตอร์ ค วามเสี ย ดทานยั ง เป็ น ฟั ง ก์ ชั น ของความดั น ตกคร่ อ มเบดและความสู ง ของเบดและ ค ว า ม เ ร็ ว ดั ง ส ม ก า ร (13) (Bird et al., 2002; Ibarz and Barbosa-Canovas, 2003) fp 

P d p L  f U mf2

 3     1  

(13)

เมื่อ f p คือ แฟคเตอร์ความเสียดทานในเบดของอนุภาคของแข็ง (dimensionless), Re p คื อ ตั ว เลขเรย์ โ นลด์ ข องอนุ ภ าค (dimensionless), P คือ ความดันตกคร่อมเบด (N/m2), L คือ ความสูงของเบดของอนุภาคของแข็ง (m), d p คือ เส้นผ่าน ศูนย์กลางของวัสดุที่เป็นของแข็ง (m),  คือ ช่องว่างภายในเบด (dimensionless), U mf คือ ความเร็วของอากาศที่พัดผ่านเบด (m/s) ซึ่ ง หาได้ จ ากความสั ม พั น ธ์ ร ะหว่ า งอั ต ราการไหลเชิ ง ปริมาตรกับพื้นที่หน้าตัดของเบด และ  f คือ ความหนาแน่น ของของไหล (kg/m3) ซึ่งตัวเลขเรย์โนลด์ของอนุภาคหาได้จาก 29

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 24–33

Re p 

 pU m d p 

(14)

แทนค่ า สมการ (14) ในสมการ (12) แล้ ว ให้ ส มการ (12) เท่ากับสมการ (13) จะได้สมการ (15) สําหรับทํานายการสูญเสีย พลังงานในการไหลผ่านเบดต่อความสูงของเบดซึ่งประกอบไป ด้ ว ยสองเทอมคื อ ผลเนื่ อ งมาจากความหนื ด ของของไหล (Viscous effect) และเนื่องจากพลังงานจลน์ (Kinetic effect) (Kunii and Levenspiel, 1991; McCabe et al., 2005; Smith, 2007) จากสมการ (15) ชี้ให้เห็นว่าความดันสูญเสียจะ ขึ้นกับช่องว่างภายในเบด (mf) เป็นอย่างมาก ทั้งนี้วัสดุทรงกลม จะมีค่า mf ประมาณ 0.37 - 4.0 ส่วนวัสดุทรงกระบอกจะมีค่า mf ประมาณ 0.35 (McCabe et al., 2005) และหากวัสดุมี รูปร่างไม่แน่นอนต้องคิดค่าแฟคเตอร์รูปร่าง () เข้าไปด้วย ทํา ใ ห้ พ ลั ง ง า น สู ญ เ สี ย ยิ่ ง มี ค่ า ม า ก ขึ้ น ไ ป ด้ ว ย (Kunii and Levenspiel, 1991; Ibarz and Barbosa-Canovas, 2003; McCabe et al., 2005; Green and Perry, 2008) สําหรับการ ไหลในช่วงขณะเกิดการเปลี่ยนแปลง (Transition flow) ที่มี ความเร็ ว สู ง กว่ า การไหลแบบราบเรี ย บ (Laminar flow) แต่ ความเร็ ว ยั ง ไม่ สู ง มากพอที่ จ ะเป็ น แบบปั่ น ป่ ว น (Turbulent flow) สามารถใช้สมการ (15) ในการคํานวณหาความดันตก คร่อมเบดได้ P 150 1   mf  U mf 1.75 1   mf   f U mf   Lmf  mf3  2 d p2  mf3  d p 2

2

(15) การฟลูอิไดซ์ด้วยความเร็วต่ํา ที่เป็นการไหลแบบราบเรียบ เหมาะสําหรับวัสดุที่เป็นผงละเอียดซึ่งขนาดอนุภาคเล็กมาก หรือ d p ≤ 0.1 mm, Re p ≤ 10 สามารถตัดเทอมที่สองในสมการ (15) ออกได้ เนื่องจากการไหลที่ความเร็วต่ําๆ หรือในช่วงการ ไหลแบบราบเรียบ ความหนืดของของไหลจะมีผลต่อการไหลเป็น อย่างมาก ดังสมการ (16) ของ Kozeny-Carman (Ibarz and Barbosa-Canovas, 2003; McCabe et al., 2005; Green and Perry, 2008) fp 

150 , 1 ≥ Re p ≥ 1,000 Re p

(16)

จะได้สมการคํานวณหาความเร็วต่ําสุดที่ทําให้เกิดฟลูอิไดซ์เซ ชันสําหรับการฟลูอิไดซ์ที่ความเร็วต่ําและวัสดุมีขนาดเล็กมากๆ 30

ดังสมการ (17) โดย Gupta et al. (2009) ใช้คํานวณความเร็วที่ ใช้ในการฟลูอิไดซ์กากแร่ละเอียด

 d     2

U mf

p

150

s

3   f    mf g  1   mf  

, 1 ≤ Re p ≤ 1,000

  

(17)

สํ า หรั บ การฟลู อิ ไ ดซ์ ด้ ว ยความเร็ ว สู ง ที่ เ ป็ น การไหลแบบ ปั่นป่วน (Turbulent flow) ซึ่งเหมาะสมกับวัสดุที่เป็นชิ้นหรือ เป็นเม็ดที่มีขนาดอนุภาคใหญ่ หรือ d p ≥ 0.1 mm สามารถตัด เทอมที่หนึ่งในสมการ (15) ได้เพราะความหนืดมีผลน้อยกว่า ความเฉื่อย ตามสมการ (18) ของ Burke-Plummer (Ibarz and Barbosa-Canovas, 2003; McCabe et al., 2005; Green and Perry, 2008) f p  1.75 , Re p ≥ 1,000

(18)

จะได้สมการคํานวณหาความเร็วต่ําสุดที่ทําให้เกิดฟลูอิไดเซชัน สําหรับการฟลูอิไดซ์ที่ความเร็วสูง และวัสดุมีขนาดใหญ่เป็นชิ้น ๆ ดังสมการ (19) ซึ่ง ชริน (2547) ใช้คํานวณความเร็วที่ใช้ในการ ฟลูอิไดซ์เมล็ดข้าวโพด กิตติและกิตติชัย (2547) ใช้คํานวณ ความเร็วที่ใช้ในการฟลูอิไดซ์พริก (Capsicum anum Linn) U mf2 

 d    p

1.75

, Re p ≥ 1,000

s

 f

f

 g

3 mf

(19)

เมื่อ  P คือ ความดันตกคร่อมเบดต่ําสุดในการเกิดฟลูอิไดเซชัน (N/m2), Lmf คือ ความสูงของเบดที่จุดเริ่มเกิดฟลูอิไดเซชัน (m), U mf คือ ความเร็วต่ําสุดของเบดที่ทําให้เกิดฟลูอิไดเซชัน (m/s), s คือ ความหนาแน่นที่แท้จริงของของแข็ง (kg/m3),  f คือ ความหนาแน่นของของไหล (kg/m3),  คือความหนืดสัมบูรณ์ ของของไหล (Pa.s), d p คือ เส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาค ของแข็ง (m),  คือ แฟคเตอร์รูปร่าง (dimensionless),  mf คื อ ช่ อ งว่ า งภายในเบดต่ํ า สุ ด ที่ ทํ า ให้ เ กิ ด ฟลู อิ ไ ดเซชั น (dimensionless) และ g คือความเร่งอันเนื่องจากแรงโน้มถ่วง ของโลก (m/s2) Figure 7 แสดงให้เห็นช่วงของการเกิดการสูญเสียพลังงานใน การไหลผ่านเบดต่อความสูงของเบดในช่วงเบดนิ่งซึ่งสามารถหา ได้จากสมการ (15) แต่หากเป็นเบดฟลูอิไดซ์สามารถใช้ได้ทั้ง สมการ (11) และ (15)

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 24–33

4.2 การทดลองเพื่อหาความเร็วต่ําสุดที่ทําให้เกิดฟลูอิไดเซชัน ความเร็วต่ําสุดที่ทําให้เกิดฟลูอิไดเซชันสามารถหาได้จากการ ทดลองเมื่อทราบความสัมพันธ์ระหว่างความดันตกคร่อมเบดฟลูอิ ไดซ์กับความเร็วในการไหลตามผิว (Superficial velocity, Umf) ดังแสดงใน Figure 8 โดยกําหนดจากจุดตัดระหว่างเส้นแนวโน้ม ในช่วงเบดนิ่งที่ความดันคร่อมเบดจะแปรผันตรงกับความเร็วใน การไหลตามผิวกับเส้นแนวโน้มในช่วงเบดฟลูอิไดซ์ ซึ่งความดัน ตกคร่อมเบดจะค่อนข้างคงที่เมื่อวัสดุเริ่มเกิดการฟลูอิไดเซชัน เนื่ อ งจากน้ํ า หนั ก ของอนุ ภ าคของแข็ ง ถู ก รองรั บ โดยกระแส ของไหล (Kunii and Levenspiel, 1991; Gidaspow, 1994; Smith, 2007) ความเร็ ว ต่ํ า สุ ด ที่ ทํ า ให้ เ กิ ด ฟลู อิ ไ ดเซชั น จริ ง ที่ ไ ด้ จ ากการ ทดลองจะมีค่าเบี่ยงเบนไปจากที่ได้จากสมการร้อยละ 59.6 เมื่อ ฟลูอิไดซ์เมล็ดข้าวโพด (จิรเมธา, 2549) ร้อยละ 5 - 38 เมื่อฟลูอิ ไดซ์ glass beads ขนาด 4 และ 5 mm (ศิลาพันธุ์ และคณะ, 2546) โดยความเร็วต่ําสุดที่ทําให้เกิดฟลูอิไดเซชันแปรผันตาม อุณหภูมิของเบดที่เพิ่มขึ้นแต่ไม่เกินอุณหภูมิการสะตุ (Sintering) ของ glass beads ขนาด 0.84 - 1.5 mm (Guo et al., 2004) โดยขนาดอนุภาคยิ่งใหญ่ค่าเบี่ยงเบนยิ่งน้อย (10 - 100 m) ในทางกลับกันอนุภาคยิ่งเล็กค่าเบี่ยงเบนยิ่งสูง (6 m) แสดงว่า สมการ Ergun เหมาะสมที่สุดกับอนุภาคกลุ่ม A (Geldart group A) แต่อย่างไรก็ตามสามารถใช้ได้กับอนุภาคกลุ่ม C (Geldart group C) ที่มีขนาดอนุภาคใหญ่ 10 m ขึ้นไป (Mawatari et al., 2003)

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

5 บทสรุป ระบบฟลู อิไดเซชันที่มีประสิทธิภาพต้องการอัตราการไหล ของอากาศที่เหมาะสมโดยไม่ทําให้วัสดุภายในเบดมีสภาวะสแต ติกหรือหลุดลอดออกไปจากเบด ดังนั้นความเร็วต่ําสุดที่ทําให้เกิด เบดฟลูอิไดซ์จึงเป็นพารามิเตอร์สําคัญในการออกแบบระบบ โดย สมการ Ergun ซึ่งเป็นสมการแบบกึ่งเอมพิริคัล (Semi-empirical equation) เป็นสมการที่นิยมใช้ในการคํานวณหาความเร็วต่ําสุด ที่ทํ า ให้ เ กิ ด เบดฟลู อิ ไ ดซ์ซึ่ ง ต้ อ งทราบคุ ณ ลั ก ษณะของอนุ ภ าค ของแข็ง อาทิ ขนาดของชิ้นวัสดุ รูปร่างของอนุภาค และช่องว่าง ของวัสดุ สมการนี้ประกอบไปด้วยสองเทอมคือ การสูญเสียความ ดันอันเนื่องมาจากความเสียดทานกับของไหล (Viscous drag) และเนื่ อ งมาจากการสู ญ เสี ย พลั ง งานจลน์ (Kinetic losses) นอกจากนี้ยังหาได้จากการทดลองเมื่อทราบความสัมพันธ์ระหว่าง ความดั น ตกคร่อมเบดฟลูอิไ ดซ์กับ ความเร็ว ในการไหลตามผิว (Superficial velocity)

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

31

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 24–33

6 กิตติกรรมประกาศ คุณูปการจากบทความฉบับนี้ ขอมอบให้คณาจารย์ทุกท่านที่ ประสิทธิ์ประสาทความรู้ให้แก่ผู้เขียน ขอขอบคุณเจ้าของผลงาน ทุกท่านที่ผู้เขียนใช้อ้างอิงในการเขียนบทความฉบับนี้ 7 เอกสารอ้างอิง กิ ต ติ สิ ท ธิ ป ระภาพร และกิ ต ติ ชั ย ไตรรั ต นศิ ริ ชั ย . 2547. คุณลักษณะการอบแห้งพริกด้วยเทคนิคฟลูอิดไดซ์เบด. การ ประชุมวิชาการเครือข่ายวิศวกรรมเครื่องกลแห่งประเทศไทย ครั้งที่ 18, 18-20 ตุลาคม 2547 จังหวัดขอนแก่น. จิรเมธา สังข์เกษม. 2549. การเพิ่มประสิทธิภาพการอบแห้งเมล็ด ข้าวโพดโดยใช้ฮีตเตอร์เป็นความร้อนเสริมในฟลูอิดไดซ์เบดที่ ใช้ฮีตปั๊ม. การประชุมวิชาการเครือข่ายวิศวกรรมเครื่องกล แห่งประเทศไทยครั้งที่ 20, 18-20 ตุลาคม 2549 จังหวัด นครราชสีมา. ชริน สังข์เกษม. 2547. การศึกษาฟลูอิดไดเซชั่นโดยใช้ความร้อน จากชุดคอนเดนเซอร์เพื่อใช้ในกระบวนการอบแห้ง. ใน การ ประชุมวิชาการเครือข่ายวิศวกรรมเครื่องกลแห่งประเทศไทย ครั้งที่ 18, 18-20 ตุลาคม 2547 จังหวัดขอนแก่น. ปัณณธร ภัทรสถาพรกุล. 2548. การทําให้เป็นเม็ดด้วยวิธีแช่ เยือกแข็ง. วารสารสมาคมเครื่องทําความเย็นไทย 14, 15-18. ไพโรจน์ จันทร์แก้ว และศิวะ อัจฉริยวิริยะ. 2555. บทวิเคราะห์ การอบแห้งธัญพืชโดยประยุกต์ใช้เทคนิคฟลูอิดไดซ์เบด. ใน การประชุมวิชาการสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ครั้งที่ 13, 4-5 ตุลาคม 2555 จังหวัดเชียงใหม่. ศิลาพันธุ์ ประทุมทิพย์, สมิทธ์ เอี่ยมสอาด และวิษณุ มีอยู่. 2546. การศึกษาการเกิดฟลูอิดไดซ์เซชั่นในเครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิดไดซ์ เบดแบบสองสถานะที่ มี ก ารปรั บ เปลี่ ย นแผ่ น กระจาย. วิศวกรรมสาร 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.

32

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, 13291342.

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.

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 24–33

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.

33

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 34–42

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 18 ฉบับที่ 1 (2555) 34–42 Available online at www.tsae.asia

บทความปริทศั น์ ISSN 1685-408X

เทคโนโลยีการให้น้ําด้วยสายยางน้ําซึม Water application technology with porous pipe สมชาย ดอนเจดีย์ Somchai Donjadee ภาควิชาวิศวกรรมชลประทาน, คณะวิศวกรรมศาสตร์ กําแพงแสน, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ กําแพงแสน, 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: fengscd@ku.ac.th

บทคัดย่อ สายยางน้ําซึมเป็นเทคโนโลยีใหม่สําหรับการให้น้ํากับพืชแบบจุลภาคและเริ่มใช้งานเมื่อ 2-3 ปีที่ผ่านมาในประเทศไทย ทําให้ ข้อมูลด้าน ลักษณะการจ่ายน้ํา อัตราการจ่ายน้ํา และความสม่ําเสมอของการจ่ายน้ํายังมีอยู่น้อย ดังนั้นบทความวิชาการนี้จึงได้นําเสนอ ข้อมูลที่สําคัญเกี่ยวกับสายยางน้ําซึมที่ได้รวบรวมจากผลงานวิจัยของหลายท่าน จากงานวิจัยที่ผ่านมาพบว่าสายยางน้ําซึมที่ผลิตขึ้นเพื่อ การให้น้ํากับพืชนั้นมีลักษณะเป็นท่อกลมที่มีความยืดหยุ่นสูงและผลิตขึ้นจากยางเก่าที่ใช้แล้วผสมกับพอลิเมอร์และขึ้นรูปด้วยการรีด ภายใต้ความร้อนและความดัน เมื่อให้น้ําน้ําจะซึมออกมาตามผนังของสายยางตลอดความยาวสาย ดังนั้นสายยางน้ําซึมจึงเป็นทั้ง อุปกรณ์ลําเลียงน้ําและอุปกรณ์จ่ายน้ํา สําหรับสายยางน้ําซึมเส้นใหม่ซึ่งยังไม่ได้ผ่านการใช้งานมาก่อน อัตราการจ่ายน้ํามีค่าสูงใน ช่วงแรกและจะลดลงจนมีค่าค่อนข้างคงที่เมื่อผ่านช่วงการบ่มสายยางแล้ว การบ่มสายยางควรใช้น้ําสะอาดและเวลาอย่างน้อย 28 hr โดยใช้ความดันในการบ่มประมาณ 2 เท่าของความดันใช้งาน ค่าความสม่ําเสมอของการให้น้ําของสายยางนั้นมีค่าอยู่ในเกณฑ์ตั้งแต่ต่ํา จนถึงสูง ทั้งนี้อยู่กับคุณสมบัติของสายยาง อย่างไรก็ตามสายยางน้ําซึมสามารถใช้ให้น้ํากับพืชทั้งบนดิน ใต้ดิน และอื่น ๆ ตามความ ต้องการของผู้ใช้งานเพื่อการให้น้ํา คําสําคัญ: สายยางน้ําซึม, การให้น้ํา, เทคโนโลยี, 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 subsurface micro irrigation systems. It can be used in several ways to meet any irrigation need.

Keyword: Porous pipe, Water application, Technology, Irrigation

34

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 34–42

1 บทนํา สถานการณ์ปัจ จุบันสภาวะโลกร้อนทําให้อุณหภูมิโดยรวม ของโลกเพิ่มขึ้น เป็นเหตุให้เกิดการถดถอยของธารน้ําแข็ง และ ระดับน้ําทะเลของโลกสูงขึ้น ทําให้มีภาวะความรุนแรงของสภาวะ อากาศแบบสุดโต่ง (extreme weather) เป็นผลให้รูปแบบและ ปริมาณน้ําฝนเปลี่ยนไปทําให้เกิดน้ําท่วมและน้ําแล้งบ่อยครั้งขึ้น ผลกระทบเหล่า นี้มีผลโดยตรงต่อภาคเกษตรกรรม โดยเฉพาะ อย่างยิ่งปัญหาพืชขาดน้ําส่งผลกระทบอย่างมากต่อผลผลิตทาง การเกษตร ทําให้ผลผลิตที่ได้มีปริมาณลดลง ดังนั้นแนวทางการ ใช้น้ําในปัจจุบัน จึงไม่ใช่การกักเก็บสํารองน้ําเพียงอย่างเดียว แต่ ต้ อ งรวมถึ ง การที่ จ ะสามารถใช้ น้ํ า อย่ า งไรให้ เ กิ ด ประสิ ท ธิ ผ ล ประหยัดและมีประโยชน์สูงสุดอีกด้วย ด้วยเหตุผลดังกล่าวจึงได้มี การวิ จั ย และพั ฒ นาเทคโนโลยี ก ารให้ น้ํ า ที่ ป ระหยั ด น้ํ า และมี ประสิทธิภาพต่อการปลูกพืช เทคโนโลยีการให้น้ําที่ประหยัดที่สุด ได้แก่การให้น้ําแบบจุลภาค (วิบูลย์, 2526) และที่กําลังเป็นที่นิยม ได้แก่ การให้น้ําแบบน้ําหยด โดยการให้น้ําแบบน้ําหยดเป็นการ ให้น้ําเฉพาะจุดทําให้รากพืชเจริญเติบโตอยู่ในช่วงความชื้นเฉพาะ จุดดังกล่าวนั้น (มนตรี, 2532) แต่การให้น้ําแบบน้ําหยดไม่ เหมาะสมกับการปลูกพืชบางชนิด โดยเฉพาะพืชที่ปลูกเป็นร่อง เช่น อ้อย หรือถั่วลิสง เป็นต้น ดังนั้นจึงได้มีนักวิจัยหลายท่านได้ คิดรูปแบบการให้น้ําเพื่อลดข้อด้อยของระบบน้ําหยดโดยการทํา ให้น้ําซึมผ่านผนังท่อแทนที่จะให้ไหลออกเฉพาะจุด ซึ่งจะทําให้ น้ําที่ซึมผ่านออกมากระจายตลอดร่องที่ได้ทําการปลูกพืช โดย เรียกว่า “สายยางน้ําซึม (Porous pipe)” และกําลังเป็นที่ แพร่หลายในต่างประเทศมากว่า 10 ปี (Teeluck and Sutton, 1998) โดยมีการผลิตในเชิงพาณิชย์จากหลายบริษัทเช่น สินค้า ยี่ห้อ Aquapore ในประเทศออสเตรเลีย (Teeluck and Sutton, 1998), บริษัท Leeaky Pipe System (Leaky Pipe Systems Limited, 2009), บริษัท Porous Pipe (Porous Pipe Limited, 2009) ในประเทศอังกฤษ และยังมีการใช้งาน จริงในอีกหลายประเทศในแถบอเมริกา, ตะวันออกกลาง และ ยุโรป (Porous Pipe Limited, 2009; Yoder and Mote, 1995) เนื่องจากสายยางน้ําซึมส่วนใหญ่ผลิตจากยางรถยนต์เก่าที่ ไม่ ไ ด้ ใ ช้ แ ล้ ว ทํ า ให้ เ ป็ น การลดปริ ม าณขยะและยั ง ช่ ว ยอนุ รั ก ษ์ สิ่งแวดล้อมได้อีกด้วย ในประเทศไทยได้มีการผลิตสายยางน้ําซึม ขึ้น มาเพื่อการพาณิช ย์ในช่วง 2-3 ปีที่ผ่า นมา ซึ่ง นับว่า ยัง เป็น วิธีการให้น้ําที่ยังใหม่อยู่สําหรับคนไทยที่จะใช้สายยางน้ําซึมเพื่อ การให้น้ํากับพืช ดังนั้นหากผู้ใช้นําสายยางน้ําซึมไปใช้โดยไม่มี ข้อมูลเบื้องต้นในการตัดสินใจ อาจทําให้เลือกใช้สายยางน้ําซึมไม่

เหมาะสมกับ ชนิด ของพืช ที่ป ลูก ดัง นั้นเพื่อเป็น ข้อมูลเบื้อ งต้น ให้ กั บ ผู้ ใ ช้ ง านเพื่ อ การให้ น้ํ า กั บ พื ช บทความวิ ช าการนี้ จึ ง ได้ รวบรวมผลงานวิ จั ย ของหลายท่ า นโดยมี วั ต ถุ ป ระสงค์ เ พื่ อ ให้ ผู้สนใจได้ใช้เป็นข้อมูลและแนวทางในการใช้สายยางน้ําซึมเพื่อ ประโยชน์ในการให้น้ํากับพืชต่อไป 2 สายยางน้ําซึมคืออะไร สายยางน้ําซึม (Figure 1a) เป็นวัสดุสําหรับการให้น้ําพืชแนว ใหม่ ตัวสายยางผลิตจากผงยางเก่ า ที่ใช้แ ล้วผสมกับ พอลิเมอร์ ชนิดต่าง ๆ และทําให้เกิดรูพรุนโดยสารให้ฟอง (Blowing agent) และสารอื่นๆ ที่จําเป็น (ขึ้นกับสูตรของบริษัทผู้ผลิต) ทําการขึ้น รูปด้วยเทคนิคการรีด (Extrusion) ภายใต้ความร้อนและแรงดันที่ ออกแบบ (Amin et al., 1998; Teeluck and Sutton, 1998; อิทธิพล, 2552) เมื่อขึ้นรูปเสร็จแล้วสายยางจะมีลักษณะเป็นท่อ กลมที่มีความยืดหยุ่นสูง (Porous Pipe Limited, 2009; Yoder and Mote, 1995) ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในและความยาว จะมีความแตกต่างกันออกไปตามความต้องการของผู้ใช้งานและ ผู้ผลิต โดยมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในที่นิยมผลิตในประเทศ ไทยเพื่อการจําหน่ายเท่ากับ 16 mm และความยาวที่นิยมผลิต คือ 15, 30, 50 และ 100 m ผนังของสายยางมีลักษณะขรุขระ และมีรูพรุนขนาดเล็กๆ รูพรุนดังกล่าวนี้มีขนาดเล็กมากในระดับ ที่มองไม่เห็นด้วยสายตา เมื่อมีการจ่ายน้ําเข้าสู่สายยาง น้ําจะ หยดออกมาตามรูพรุนเหล่านี้ (Figure 1b) อัตราการจ่ายน้ําของ สายยางน้ําซึมขึ้นอยู่กับความดันน้ําต้นสาย ความยาวของสายยาง และคุณสมบัติของสายยางแต่ละรุ่น 3 การให้น้ํากับพืชด้วยสายยางน้ําซึม การให้ น้ํ า กั บ พื ช ด้ ว ยสายยางน้ํ า ซึ ม เป็ น วิ ธี ก ารให้ น้ํ า ที่ คล้ายคลึงกับระบบการให้น้ํา แบบน้ําหยด (Melano and Kamaladasa, 1993; Teeluck and Sutton, 1998) เพราะเป็น การให้ น้ํ า ปริ ม าณน้ อ ยอย่ า งช้ า ๆ แต่ ใ ห้ บ่ อ ยครั้ ง ตามความ เหมาะสมของพื ช และดิ น โดยให้ น้ํ า เฉพาะบริ เ วณเขตรากพื ช เท่านั้น อย่างไรก็ตามการให้น้ํากับพืชด้วยสายยางน้ําซึมแตกต่าง กับการให้น้ําแบบน้ําหยดคือ น้ําจะซึมออกมาตามรูพรุนของผนัง สายยางตลอดความยาวสายดังนั้นดินจะเปียกตามแนวที่สายยาง พาดไป (Figure 2a) แต่การให้น้ําแบบน้ําหยด น้ําจะหยดออก ตามระยะห่างของรูที่เป็นหัวจ่ายน้ํา (Emitter) ที่กําหนดไว้ เช่น 20 cm หรือ 30 cm เท่านั้น ทําให้ดินจะเปียกในบริเวณที่หัวน้ํา หยดติดตั้งอยู่ (Figure 2b) 35

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 34–42

ดังนั้นการให้น้ําด้วยสายยางน้ําซึมจึงมีความคล้ายคลึงกับการ ให้น้ําแบบน้ําหยดแตกต่างกันเพียงพื้นที่เปียก โดยสามารถให้น้ํา กับพืชบนผิวดิน (Figure 3a) ใต้ผิวดิน (Figure 3b) และสามารถ ประยุกต์ใช้ได้กับการให้น้ําทั้งแบบแนวเส้นตรง แบบแนวโค้งงอ หรือแบบอื่นๆ ตามสภาพการปลูกพืช เนื่องจากสายยางน้ําซึมมี ความยืดหยุ่นสูง (Amin et al., 1998) อย่างไรก็ตามเหตุผลที่ทํา ให้สายยางน้ําซึมกําลังได้รับความนิยมคือ การนํามาใช้เพื่อการให้ น้ํากับสวนแนวตั้งที่มีต้นไม้จัดเรียงกันเป็นแถวต่อเนื่อง (Figure 3c) เนื่ อ งด้ ว ยการให้ น้ํ า ด้ ว ยสายยางน้ํ า ซึ ม จะทํ า ให้ ไ ม้ ด อกไม้ ประดับ ที่ปลูกในแนวดิ่งได้รับน้ําอย่างสม่ําเสมอทั่วถึงอีกทั้งยัง สามารถลดพื้นที่การเกิดจุดน้ําขังที่แลดูเลอะเทอะเปรอะเปื้อนได้ ดีกว่าการให้น้ําแบบน้ําหยด จะเห็นได้ว่าสายยางน้ําซึมสามารถประยุกต์ใช้ได้กับการให้น้ํา กับพืชหลายชนิดตามความเหมาะสมของพืชได้เป็นอย่างดี ดังนั้น การเข้ า ใจถึ ง ลั ก ษณะการจ่ า ยน้ํ า อั ต ราการจ่ า ยน้ํ า ความ สม่ําเสมอของการจ่ายน้ําจึงมีความสําคัญอย่างยิ่งกับผู้ที่ต้องการ ใช้งาน

a) Porous pipe.

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

36

a) Porous pipe irrigation.

b) Drip irrigation.

Figure 2 Wetting pattern.

a) Surface porous pipe irrigation.

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 34–42

b) Sub-surface porous pipe irrigation

a) Water droplets rise through the porous wall.

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

b) Water seepages percolate through the porous wall.

Figure 4 Water passing through the porous wall.

4 ลักษณะการจ่ายน้ําของสายยางน้ําซึม สายยางน้ําซึมที่ผลิตขึ้นจากหลายบริษัทมีส่วนผสมหลักคือผง ยางเก่า กับ โพลิเมอร์เหมือนกันแต่มีเทคนิ คและสูตรการผลิตที่ แตกต่ า งกั น จากการทดสอบลั ก ษณะการจ่ า ยน้ํ า ของสายยาง น้ําซึมโดยนักวิจัยหลายท่าน (Leaky Pipe Systems Limited, 2009; Nayanakantha and Seneviratne, 2003; Porous Pipe Limited, 2009; Saad and Marino, 2002; Teeluck and Sutton, 1998) พบว่าลักษณะการจ่ายน้ําของสายยาง น้ําซึมมีลักษณะคล้ายกันคือ เมื่อเริ่มจ่ายน้ําเข้าสายยางจะมีหยด น้ําเล็กๆ ผุดออกมาจากสายยางมากในช่วงแรก (Figure 4a) ตลอดสาย หยดน้ําเล็ก ๆ นี้จะเริ่มมีปริมาณน้อยลงเมื่อเวลาผ่าน ไปจนกระทั่งหยดน้ําดังกล่าวนี้จะเปลี่ยนเป็นลักษณะของการซึม ผ่านสายยาง (Figure 4b) หลังจากผ่านช่วงเวลาของการบ่มสาย ยางแล้วอย่างไรก็ตามปริมาณน้ําที่ไหลออกมาขึ้นอยู่กับความดัน น้ําต้นสาย ความยาวของสายยาง และคุณสมบัติทางกายภาพของ สายยาง (Amin et al., 1998; Teeluck and Sutton, 1998; พรลิขิตและสมชาย, 2554)

5 อัตราการจ่ายน้ําของสายยางน้ําซึม อัตราการจ่ายน้ํานับว่าเป็นตัวแปรสําคัญที่ผู้ออกแบบการให้ น้ําใช้ในการตัดสินใจวางแผนการให้น้ํากับพืช สําหรับสายยาง น้ําซึมนั้นมีตัวแปรที่สําคัญที่มีผลกระทบต่ออัตราการจ่ายน้ําคือ ช่ ว งเวลา ความยาวสายยาง และความดั น น้ํ า ต้ น สาย โดยมี รายละเอียดดังนี้ 5.1 อัตราการจ่ายน้ําของสายยางน้ําซึมเปรียบเทียบกับเวลา จากผลวิจัยเพื่อหาอัตราการจ่ายน้ํา ของสายยางน้ําซึมของ นักวิจัยหลายท่าน (Nayanakantha and Seneviratne, 2003; Saad and Marino, 2002; Teeluck and Sutton, 1998; ปนัดดา, 2552; พรลิขิต และสมชาย, 2554) พบว่าเมื่อจ่ายน้ําเข้า สายยางที่ ยัง ไม่เ คยใช้ง านมาก่อนด้วยความดัน น้ํา ต้น สายคงที่ อัตราการจ่ายน้ําของสายยางน้ําซึมมีปริมาณที่สูงมากในช่วงแรก และเริ่มลดลงเมื่อเวลาผ่านไปจนมีปริมาณที่เกือบคงที่เมื่อผ่าน กระบวนการบ่มสายยางแล้วดัง Figure 5 ซึ่งกระบวนการบ่ม (Curing process) คือ การนําสายยางใหม่มาอัดน้ําเข้าไปเพื่อให้ อัตราการจ่ายน้ําของสายยางน้ําซึมมีค่าคงที่ 37

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 34–42

ให้ ส ายยางเกิ ด การฉี ก ขาด และเพื่ อ ให้ ส ายยางน้ํ า ซึ ม มี ประสิทธิภาพสูงในการใช้งาน การทําการบ่มสายยางนั้นต้องใช้นํ้า สะอาดเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาการอุดตันที่อาจเกิดขึ้นได้

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 พบว่าอัตราการจ่ายน้ําของสายยางน้ําซึม ในช่วงเริ่มต้นของการอัดน้ําเข้าสายยางมีค่ามากกว่าอัตราการ จ่ายน้ําเมื่อผ่านช่วงของการบ่มสายยางแล้วมากกว่า 10 เท่า (อัตราส่วนนี้อาจมีการเปลี่ยนแปลงเมื่อสูตรของการผลิตสายยาง น้ําซึมเปลี่ยนไป) ซึ่งถือว่า สูงมากหากเกษตรกรผู้ใช้ส ายยางไม่ ทราบข้อมูลเหล่านี้อาจมีการออกแบบอัตราการจ่ายน้ํากับพืชผิด ได้ อย่างไรก็ตามเมื่อเวลาผ่านไปช่วงหนึ่งอัตราการจ่ายน้ําของ สายยางน้ําซึมมีค่าค่อนข้างคงที่ ช่วงเวลาที่น้อยที่สุดที่ทําให้อัตรา การไหลตลอดสายยางน้ําซึมมีค่าค่อนข้างคงที่เรียกว่า ช่วงเวลาที่ ใช้บ่มสายยาง (curing time) และหากผ่านช่วงการบ่มไปแล้วนั้น อัตราการจ่ายน้ําจะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาเพิ่มขึ้น โดยช่วงเวลา ดังกล่าวนี้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสายยางน้ําซึมเป็นหลัก (พรลิขิต และสมชาย, 2554) ปนัดดา (2552) พบว่าช่วงเวลาที่เหมาะสมในการบ่มสายยาง ควรมากกว่า 22 h พรลิขิต และสมชาย (2554) พบว่า ระยะเวลาที่เหมาะสมอยู่ที่ประมาณ 28 h ในขณะที่ Teeluck and Sutton (1998) พบว่าระยะเวลาที่เหมาะสมควรใช้เท่ากับ 25 h อย่างไรก็ตามนักวิจัยทุกท่านแนะนําให้ใช้ความดันในการ บ่มสายยางประมาณ 2 เท่าของความดันใช้งาน แต่ต้องระวังอย่า 38

5.2 อัตราการจ่ายน้ําของสายยางน้ําซึมตามความยาวสายยาง จากการทดลองของนักวิจัยเพื่อหาอัตราการจ่ายน้ําของสาย ยางน้ําซึมเปรียบเทียบกับความยาวพบว่าสําหรับสายยางที่ยังไม่ เคยใช้งานเมื่อเริ่มต้นจ่ายน้ําเข้าสาย อัตราการจ่ายน้ําในช่วงต้น สายมี ป ริ ม าณสู ง มากและลดลงตามความยาวของสายยางที่ เพิ่มขึ้น เนื่องจากมีการสูญเสียพลังงานการไหลระหว่างการไหล สูงมากในช่วงเริ่มต้นของการจ่ายน้ํา (Amin et al., 1998) ความ แตกต่างของอัตราการจ่ายน้ําตลอดความยาวของสายยางนั้นจะมี ค่าลดลงเมื่อเวลาผ่านไป จนกระทั่งเมื่อผ่านช่วงเวลาการบ่มสาย แล้วอัต ราการจ่ ายน้ํา ตลอดความยาวสายยางจะมีค่า ค่อนข้า ง ใกล้เคียงกันดัง Figure 6 อย่างไรก็ตามอัตราการจ่ายน้ําของสาย ยางน้ําซึมบางเส้นอาจไม่เป็นไปตาม Figure 6 เนื่องจาก กระบวนการผลิ ต ที่ ไ ม่ ส ามารถควบคุ ม การผลิ ต ให้ ทุ ก เส้ น มี คุณสมบัติเหมือนกันได้ (Nayanakantha and Seneviratne, 2003; Saad and Marino, 2002) เช่น ความพรุนของสายยาง ตลอดความยาวมีความแตกต่างกันมาก หรือผนังของสายยางบาง ช่ ว งมี ก ารฉี ก ขาด ส่ ง ผลให้ อั ต ราการจ่ า ยน้ํ า ในช่ ว งนั้ น ๆ สู ง มากกว่าตําแหน่งอื่น Figure 6a เป็นผลการทดลองของ Teeluck and Sutton (1998) โดยใช้สายยางน้ําซึมของ Leaky Pipe ในประเทศ ออสเตรเลีย ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของสายยางน้ําซึม 16 mm ยาว 6 m และใช้ความดันน้ําต้นสายเท่ากับ 20 kPa พบว่ า เมื่ อ เริ่ ม ต้ น การทดลองอั ต ราการจ่ า ยน้ํ า ที่ ต้ น สายมี ค่าประมาณ 70 l h-1 m-1 ในขณะที่กลางสายมีค่าประมาณ 40 l h-1 m-1 และที่ปลายสายมีค่า ประมาณ 32 l h-1 m-1 ในขณะที่ ผลการทดลองของพรลิขิต และสมชาย (2554) ดัง Figure 6b ซึ่ง ใช้รูปแบบการทดลองที่คล้ายกับงานของ Teeluck and Sutton (1998) แต่ใช้สายยางน้ําซึมที่ผลิตขึ้นในประเทศไทยจากบริษัท เจริญภัทรพานิช ความยาวสายยาง 15 m ขนาดเส้นผ่าน ศูนย์กลางภายในเท่ากับ 16 mm และความดันน้ําต้นสายเท่ากับ 30 kPa จากการทดสอบพบว่าอัตราการจ่ายน้ําที่ต้นสายมีค่าถึง 90 l h-1 m-1 จากนั้นลดลงเหลือ 25 l h-1 m-1 ที่กลางสาย และมี ค่าเพียง 16 l h-1 m-1 ที่ปลายสาย ในขณะที่เมื่อเวลาผ่านไป ความแตกต่างระหว่างอัตราการจ่ายน้ําตลอดสายยางมีแนวโน้ม ลดลงจนกระทั่งมีค่าใกล้เคียงกันมากเมื่อผ่านช่วงเวลาของการบ่ม สายแล้ว จากงานวิจัยของ Teeluck and Sutton (1998) และ

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 34–42

พรลิขิต และสมชาย (2554) ทําให้สามารถสรุปได้ว่าอัตราการ จ่ายน้ําของสายยางน้ําซึมมีปริมาณสูงมากในช่วงต้นสายและจะ ลดลงเมื่อความยาวสายยางเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตามอัตราการจ่ายน้ํา ของสายยางน้ําซึมในแต่ละช่วงของความยาวจะมีค่าใกล้เคียงกัน มากขึ้นเมื่อเวลาผ่านพ้นช่วงเวลาของการบ่มสายยางแล้ว (Amin et al., 1998; Donjadee et al., 2010; Teeluck and Sutton, 1998; Yoder and Mote, 1995) Figure 7 Discharge characteristic versus pressure Source: พรลิขิต และสมชาย (2554).

Length

a) Source: Teeluck and Sutton (1998).

b) Source: พรลิขิต และสมชาย (2554).

Figure 6 Discharge characteristic versus porous length.

5.3 อัตราการจ่ายน้ําของสายยางน้ําซึมเปรียบเทียบกับความดัน จากงานวิ จั ย ที่ ผ่ า นมาพบว่ า หากสายยางมี คุ ณ สมบั ติ เหมือนกัน และความยาวที่ใช้งานมีค่าเท่ากัน อัตราการจ่ายน้ํา ขึ้นอยู่กับความดันน้ําต้นสายที่จ่ายเข้าสายยางเช่น พรลิขิต และ สมชาย (2554) ได้ทดสอบหาอัตราการจ่ายน้ําของสายยางน้ําซึม โดยใช้สายยางน้ําซึมที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 16 mm ยาว 15 m พบว่าอัตราการจ่ายน้ําหลังจากผ่านช่วงการบ่มสาย แล้วมีค่าค่อนข้างคงที่โดยมีค่าอยู่ระหว่าง 0.42 ถึง 4.5 l h-1 m-1 ที่ความดันน้ําต้นสาย 30 ถึง 70 kPa โดยมีค่าความแปรปรวนอยู่ ที่ 0.07 ถึง 0.18 l h-1m-1 ดังแสดงใน Figure 7

ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอม เกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง ร่วมกับบริษัท แสงไทยผลิตยาง จํากัด ได้ทดสอบหาอัตราการจ่ายน้ําของสายยางน้ําซึมพบว่าเมื่อ ใช้ สู ต รการผสมที่ เ หมาะสม สามารถผลิ ต ท่ อ น้ํ า ซึ ม ที่ มี ส มบั ติ เชิงกลที่ดี และมีอัตราการไหลของน้ําอยู่ในช่วง 0.32 ถึง 0.45 l h-1 m-1 cm-2 นอกจากนี้ ภูณิศา และรัตนาวลี (2553) ได้ทําการ ทดสอบกับสายยางน้ําซึมที่มีความยาวไม่เกิน 15 m โดยใช้ความ ดันน้ําต้นสาย 25 ถึง 200 kPa พบว่าอัตราการจ่ายน้ําของสาย ยางน้ําซึมมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นในเชิงเส้นตามความดันน้ําต้นทางที่ เพิ่มขึ้น นักวิจัยหลายกลุ่มสรุปตรงกันว่าอัตราการจ่ายน้ําของสาย ยางน้ํ า ซึ ม มี ค่ า เพิ่ ม ขึ้ น เมื่ อ ความดั น น้ํ า ต้ น สายมี ค่ า เพิ่ ม ขึ้ น (Donjadee et al., 2010; Khorramain and Mirlatifi, 2000; Teeluck and Sutton, 1998; ปนัดดา, 2552; พรลิขิต และ สมชาย, 2554; สิทธิชัย, 2552) นักวิจัยบางท่าน (Kang, 2000; Povoa and Hills, 1994) ยังพบอีกด้วยว่าความดันน้ําต้นสาย เป็นตัวแปรที่มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงอัตราการจ่ายน้ําของสาย ยางน้ําซึมมากที่สุด 6 ความสม่ําเสมอของการจ่ายน้ําของสายยางน้ําซึม ความสม่ําเสมอในการให้น้ํา คือดัชนีที่ใช้วัดว่าพื้นที่ที่มีการให้ น้ําด้วยระบบชลประทานใดๆ ได้รับปริมาณน้ําในปริมาณที่เท่ากัน หรือแตกต่างกันมากน้อยเพียงใด จะเห็นว่าเมื่อมีการให้น้ําไม่ว่า จะเป็นระบบใดก็ตาม การจะดูว่าการให้น้ํามีความสม่ําเสมอมาก น้อยอย่างไร สามารถหาได้จากการตรวจสอบปริมาณน้ําที่ได้รับ ในแต่ ล ะจุ ด แล้ ว นํ า มาเปรี ย บเที ย บกั น หากแตกต่ า งกั น มากก็ แสดงว่าความสม่ําเสมอไม่ดี ในขณะเดียวกันหากแต่ละจุดได้รับ ปริมาณน้ําที่ใกล้เคียงกัน แสดงว่ามีความสม่ําเสมอดีนั่นเอง การ ตรวจสอบความสม่ําเสมอของการให้น้ําด้วยสายยางน้ําซึมมีความ 39

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 34–42

แตกต่างกับการตรวจสอบด้วยระบบน้ําหยดเล็กน้อย โดยที่ระบบ น้ําหยดจะทําการวัดปริมาณน้ําที่หยดออกมาในแต่ละหัวจ่ายได้ โดยตรงและนําค่ามาเปรียบเทียบกัน แต่สายยางน้ําซึมจําเป็นต้อง แบ่งสายยางออกเป็นช่วง (Segment) โดยแต่ละช่วงต้องมีความ ยาวเท่ า ๆ กั น ผลการทดสอบจากนั ก วิ จั ย หลายท่ า นพบว่ า ค่ า ความสม่ําเสมอของการให้นํ้าแบบสายยางน้ํา ซึมนั้นมีค่า อยู่ใน เกณฑ์ตั้งแต่ต่ําจนถึงสูง เช่น Teeluck and Sutton (1998) ทดสอบกับสายยาง 6 m วัดปริมาณน้ําทุกช่วง ช่วงละ 10 cm และใช้ความดันน้ําต้นสาย 20 ถึง 30 kPa พบว่าความสม่ําเสมอ ของการจ่ายน้ําของสายางน้ําซึมมีค่าสัมประสิทธิ์แห่งความแปร ผัน (Coefficient of variance, CV) อยู่ระหว่าง 25 ถึง 48% ซึ่ง อยู่ในเกณฑ์ต่ําเมื่อเปรียบเทียบกับมาตรฐานของ ASAE EP405.1 สําหรับการให้น้ําแบบระบบจุลภาค พรลิขิต และสมชาย (2554) ทํา การทดสอบกับสายยางน้ํา ซึม ขนาดเส้น ผ่า นศู น ย์กลาง 16 mm ยาว 15 m และใช้ความดันน้ําต้นสาย 30 ถึง 70 kPa โดย คํานวณค่าความสม่ําเสมอจากสมการที่เสนอโดย Keller and Karmeli (1974) ดังสมการที่ 1 และเกณฑ์ตามตารางที่ 1 พบว่า มีค่าอยู่ในช่วง 48.7 ถึง 71.3% ที่ค่าส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน (standard deviation) 1.7 ถึง 4.03% ซึ่งอยู่ในเกณฑ์ตั้งแต่ต่ํา ถึงปานกลาง Eu 

d lq d

x100

(1)

เมื่อ Eu คือ ค่าความสม่ําเสมอการกระจายน้ํา (%), d lq คือ ค่าเฉลี่ยของค่าที่ต่ํา จํานวน 1 ใน 4 ค่า และ d คือ ค่าเฉลี่ย จากค่าความลึกทั้งหมด Table 1 Criterion for discharge uniformity with propose

by Keller and Karmeli (1974) Very Very Level high High Medium Low low Eu (%) 94-100 81-87 68-75 56-62 < 50 ปนัดดา (2552) ทดสอบกับสายยางน้ําซึมขนาดเส้นผ่าน ศูนย์กลางภายใน 16 mm ยาว 50, 100, 150 และ 200 m และ ใช้ความดันน้ําต้นสาย 30 ถึง 70 kPa พบว่าค่าความสม่ําเสมอ ของการให้น้ํามีค่าอยู่ระหว่าง 16 ถึง 87% ซึ่งอยู่ในเกณฑ์ต่ํา จนถึงสูง โดยมีค่าเฉลี่ยอยู่ในเกณฑ์ปานกลาง (Keller and Karmeli, 1974) นอกจากนี้ ภูณิศา และรัตนาวลี (2553) ได้ ทดสอบกับสายยางน้ําซึมขนาด16 mm ยาว 1, 6, 10 และ 15 m ใช้ความดันน้ําต้นสาย 25 ถึง 200 kPa พบว่าค่าความ 40

สม่ําเสมอมีค่าอยู่ระหว่าง 51 ถึง 87% ซึ่งอยู่ในเกณฑ์ตั้งแต่ปาน กลางถึงสูง (Keller และ Karmeli, 1974) Gautam et al., (2011) ได้ทดสอบชลศาสตร์การไหลของสายยางน้ําซึมที่ฝังใต้ดิน ที่ความลึก 15 ถึง 30 cm ทดสอบด้วยความดันน้ําต้นสาย 20 ถึง 30 kPa พบว่า ความแตกต่างของการจ่ายน้ําของแต่ละเส้นมีค่า อยู่ในช่วง 12 ถึง 24% โดยนักวิจัยหลายท่าน (Donjadee et al., 2010; Kang, 2000; Khorramain and Mirlatifi, 2000; Teeluck and Sutton, 1998; ปนัดดา, 2552; พรลิขิต และ สมชาย, 2554; ภูณิศา และรัตนาวลี, 2553; สิทธิชัย, 2552) สรุป ตรงกันว่า ค่าความสม่ําเสมอขึ้นอยู่กับลักษณะกายภาพของสาย ยางเป็นหลัก อย่างไรก็ตาม ปนัดดา (2552) และ ภูณิศา และ รัตนาวลี (2553) ชี้ให้เห็นว่าค่าความสม่ําเสมอของการจ่ายน้ํานั้น มีค่าลดลงเมื่อความยาวสายยางเพิ่มขึ้น 7 สรุป สายยางน้ํ า ซึ ม เป็ น เทคโนโลยี ก ารให้ น้ํ า กั บ พื ช ที่ เ กิ ด จาก แนวคิดที่จะอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมและลดการใช้ขยะที่เกิดจากการ ใช้ผลิตภัณฑ์ยาง สายยางน้ําซึมจึงผลิตจากผงยางเก่าที่ใช้แล้ว ผสมกับพอลิเมอร์โดยทําให้เกิดรูพรุนที่ผนังสายยางและขึ้นรูป ด้วยเทคนิคการรีด เมื่อขึ้นรูปเสร็จแล้วสายยางมีลักษณะเป็นท่อ กลมที่มีความยืดหยุ่นสูง การให้น้ํากับพืชด้วยสายยางน้ําซึมเป็น รูปแบบหนึ่งของการให้น้ําแบบจุลภาคที่มีความคล้ายคลึงกับการ ให้น้ําแบบหยด เพราะเป็นการให้น้ําปริมาณน้อยอย่างช้า ๆ แต่ให้ บ่อ ยครั้ง ตามความเหมาะสมของพืช และดิน และให้น้ํา เฉพาะ บริเวณเขตรากพืชเท่านั้น โดยน้ําจะซึมออกมาตามรูพรุนของผนัง สายยางตลอดความยาวสาย ดังนั้นดินจะเปียกตามแนวที่สายยาง พาดไป และสามารถใช้ให้น้ํากับพืชทั้งบนดิน ใต้ดิน และกับสวน แนวตั้ง สําหรับสายยางน้ําซึมที่ยังไม่เคยผ่านการใช้งานเมื่อเริ่ม จ่ายน้ําเข้าสายยางน้ําซึมจะมีหยดน้ําเล็ก ๆ ผุดออกมาจากสาย ยาง โดยที่อัตราการจ่ายน้ําของสายยางน้ําซึมมีปริมาณที่สูงมาก ในช่วงแรกและเริ่มลดลงเมื่อเวลาผ่านไปจนมีปริมาณที่ไม่ค่อย เปลี่ยนแปลงมากนักเมื่อผ่านช่วงเวลาการบ่มสายยาง ปริมาณ หยดน้ําดังกล่าวนี้จะเปลี่ยนเป็นลักษณะของการซึมผ่านสายยาง การบ่มสายยางควรใช้น้ําสะอาดและเวลาที่ใช้บ่มอย่างน้อย 28 hr โดยใช้ความดันในการบ่มประมาณ 2 เท่าของความต้องการการ จ่ายน้ํา แต่ต้องระวังอย่าให้สายยางเกิดการฉีกขาด และอัตราการ จ่ า ยน้ํ า ของสายยางขึ้ น อยู่ กั บ ความดั น น้ํ า ใช้ ง านต้ น สายที่ จ่ า ย ให้กับสายยาง, ความยาวสายยาง และคุณสมบัติทางกายภาพของ สายยาง ถึงแม้ว่าการให้น้ํากับพืชด้วยสายยางน้ําซึมจะสามารถ

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 34–42

ลดข้ อ ด้ อ ยของการให้ น้ํ า แบบน้ํ า หยดตรงที่ ส ามารถจ่ า ยน้ํ า ได้ ตลอดความยาวสาย (น้ําหยดจะให้น้ําเฉพาะจุดที่หัวน้ําหยดติด ตั้งอยู่) แต่ความสม่ําเสมอของการจ่ายน้ํายังอยู่ในเกณฑ์เฉลี่ยที่ ระดับปานกลางซึ่งมีค่าน้อยกว่าระบบน้ําหยด ดังนั้นหากนําไปใช้ ให้น้ํากับพืชอาจมีประสิทธิภาพด้อยกว่าการให้น้ําแบบน้ําหยด อย่างไรก็ตามค่าความสม่ําเสมอของการให้น้ําด้วยระบบสายยาง น้ําซึมนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะกายภาพของสายยางเป็นหลักดังนั้น หากมีการพัฒนาสูตรการผลิตสายยางน้ําซึมให้มีประสิทธิภาพดี ขึ้น ก็สามารถนํามาใช้เพื่อการให้น้ํากับพืชได้เป็นอย่างดี อย่างไรก็ ตามนักวิจัยทุกท่านกล่าวว่าสายยางน้ําซึมสามารถนํามาใช้เพื่อ การให้ น้ํ า กั บ พื ช ได้ ห ลายชนิ ด แต่ ต้ อ งทราบถึ ง วิ ธี ก ารใช้ ง านที่ เหมาะสม อย่ า งไรก็ ต ามนอกจากนี้ ค วรมี ก ารศึ ก ษาถึ ง ประสิทธิภาพของสายยางน้ําซึมในด้านอื่นเช่น ปัญหาการอุดตัน ในสายยาง, อายุการใช้งาน และวัสดุผสมที่จะทําให้ประสิทธิภาพ ของสายยางน้ําซึมดีขึ้น เป็นต้น 8 เอกสารอ้างอิง ปนัดดา การินทร์. 2552. การศึกษาผลกระทบของความยาวท่อ และความดันต่ออัตราการไหลและความสม่ําเสมอของสาย ย า ง น้ํ า ซึ ม . ภ า ค วิ ช า วิ ศ ว ก ร ร ม ช ล ป ร ะ ท า น ค ณ ะ วิศวกรรมศาสตร์ กําแพงแสน มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์, นครปฐม 149 หน้า. พรลิขิต ทองรอด และสมชาย ดอนเจดีย์. 2554. ประสิทธิภาพ การให้น้ําของสายยางน้ําซึม. การประชุมวิชาการ ครั้งที่ 8 มหาวิ ท ยาลั ย เกษตรศาสตร์ วิ ท ยาเขตกํ า แพงแสน. มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตกําแพงแสน. นครปฐม. ภูณิศา เมืองเก่า และรัตนาวลี ฮกง้วน.

2553. การศึกษา ผลกระทบของความดันต่ออัตราการไหลและความสม่ําเสมอ ของการให้ น้ํ า ด้ ว ยสายยางน้ํ า ซึ ม . ภาควิ ช าวิ ศ วกรรม ชลประทาน คณะวิศวกรรมศาสตร์ กําแพงแสน มหาวิทยาลัย เกษตรศาสตร์., นครปฐม 53 หน้า. มนตรี ค้ําชู. 2532. หลักการชลประทานแบบหยด การออกแบบ และการแก้ ปั ญ หา. ภาควิ ช าวิ ศ วกรรมชลประทาน คณะ วิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์. นครปฐม. วิบูลย์ บุญยธโรกุล. 2526. หลักการชลประทาน. ภาควิชา วิ ศ ว ก ร ร ม ช ล ป ร ะ ท า น ค ณ ะ วิ ศ ว ก ร ร ม ศ า ส ต ร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์. กรุงเทพฯ.

สิทธิชัย อุดมสินวรกุล. 2552. การประเมินผลกระทบของรูปแบบ การติดตั้งสายยางน้ําซึมต่ออัตราการไหลและความสม่ําเสมอ. ภาควิ ช าวิ ศ วกรรมชลประทาน คณะวิ ศ วกรรมศาสตร์ กําแพงแสน มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์. นครปฐม 35 หน้า. อิทธิพล แจ้งชัด. 2552. "ท่อน้ําซึมจากผงยางรถยนต์ สํ า ห รั บ ง า น เ ก ษ ต ร ก ร ร ม . แ ห ล่ ง ข้ อ มู 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.

41

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 34â&#x20AC;&#x201C;42

Nayanakantha, N. M. C. and Seneviratne, P. 2003.

Influence of a porous pipe micro-irrigation system on growth of rubber seedlings Water Professionalsâ&#x20AC;&#x2122; 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.

42

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 43–51

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 18 ฉบับที่ 1 (2555) 43–51 Available online at www.tsae.asia

บทความปริทศั น์ ISSN 1685-408X

การหาไอโซเทอมความชื้นของวัสดุทแี่ ลกเปลี่ยนความชื้นได้ดี Determination of Moisture Sorption Isotherm for Hygroscopic Materials ชนันท์ ราษฎ์นิยม*, สุเนตร สืบค้า Chanun Rardniyom*, Sunate Surbkar คณะวิศวกรรมและอุตสาหกรรมเกษตร, มหาวิทยาลัยแม่โจ้, เชียงใหม่, 50290 Faculty of Engineering and Agro-industry, Maejo University, Chiang Mai, 50290 *Corresponding author: Tel: 086-6592018 E-mail: chanun@mju.ac.th

บทคัดย่อ ไอโซเทอมความชื้นคือ ความสัมพันธ์ระหว่างค่าความชื้นสมดุลของวัสดุกับค่าความชื้นสัมพัทธ์สมดุลของอากาศหรือค่าวอ เตอร์แอคติวิตี้ ณ อุณหภูมิใดอุณหภูมิหนึ่ง และเป็นพารามิเตอร์ที่สําคัญในการศึกษาแบบจําลองการอบแห้ง บทความวิชาการเรื่องนี้ นําเสนอวิธีการหาค่าความชื้นสมดุลของวัสดุที่แลกเปลี่ยนความชื้นได้ดี 3 วิธี คือ (1) วิธีสถิตย์ ซึ่งทําได้โดยการใส่วัสดุ (แห้งหรือชื้น) ใน ภาชนะปิดสนิทที่ควบคุมให้มีค่าความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศหลายๆ ค่า ณ อุณหภูมิหนึ่ง แล้ววัดค่าน้ําหนักที่แตกต่างกันไปเมื่อวัสดุเข้า สู่จุดสมดุลในสภาวะแวดล้อมที่ต่างกัน, (2) วิธีจลน์ เป็นวิธีที่มีการเปลี่ยนแปลงค่าวอเตอร์แอคติวิตี้แบบอัตโนมัติพร้อมๆ กับมีการวัดค่า น้ําหนักของวัสดุที่เปลี่ยนแปลงจนกระทั่งเข้าสู่จุดสมดุลในระดับที่ยอมรับได้ และ (3) วิธีการวัดค่าวอเตอร์แอคติวิตี้จากจุดกลั่นตัวของ น้ําโดยเซนเซอร์ Chilled mirror dewpoint พร้อมๆ กับการวัดค่าความชื้นของวัสดุซึ่งวัดได้ตลอดเวลาโดยไม่ต้องรอให้วัสดุเข้าสู่จุด สมดุลกับสภาวะแวดล้อม การฟิตค่าความชื้นสมดุลของวัสดุกับค่าความชื้นสัมพัทธ์สมดุลของอากาศหรือค่าวอเตอร์แอคติวิตี้ที่ได้จาก การทดลองด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งดังกล่าวเข้ากับสมการไอโซเทอมจะได้ค่าคงที่ของสมการไอโซเทอม ทั้งนี้พารามิเตอร์ทางสถิติจะเป็น เครื่องมือในการตัดสินความสามารถของสมการไอโซเทอมในการทํานายค่าความชื้นสมดุลของวัสดุ คําสําคัญ: ความชื้นสมดุล, วัสดุที่แลกเปลี่ยนความชื้นได้ดี, ไอโซเทอมความชื้น 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 43

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 43–51

1 บทนํา ความชื้นสมดุล (Equilibrium moisture content, EMC หรือ Me) คือ ค่าปริมาณความชื้นของวัสดุที่ต่ําที่สุดเท่าที่จะ สามารถทําให้น้ําระเหยออกจากวัสดุได้ ณ ความชื้นและอุณหภูมิ ของอากาศแวดล้อมในขณะนั้น ซึ่งค่าดังกล่าวเป็นพารามิเตอร์ที่ สํ า คั ญ ในการศึ ก ษากระบวนการอบแห้ ง โดยเฉพาะการศึ ก ษา คาบเวลาการอบแห้ง (Drying period) เนื่องจากความแตกต่าง ระหว่างความชื้นของวัสดุ ณ เวลาใดเวลาหนึ่งขณะอบแห้งกับ ความชื้นสมดุลของวัสดุ เป็นตัวบ่งชี้ถึงความเป็นไปได้ที่จะทําให้ ความชื้นมีการถ่ายเทจากวัสดุออกไปสู่อากาศที่อยู่แวดล้อมใน ขณะนั้นได้ นอกจากนี้ความชื้นสมดุลยังมีความสําคัญต่อการผสม (Mixing), การบรรจุ (Packaging) และการเก็บรักษา (Storage) ของวัสดุที่แลกเปลี่ยนความชื้นได้ดี (Hygroscopic material) ด้วย เนื่องจากวัสดุดังกล่าวเป็นวัสดุที่มีการเปลี่ยนแปลงความชื้น ตามสภาวะแวดล้อมตลอดเวลา จึงทําให้มีผลต่อความสามารถใน การดูดความชื้นของวัสดุในกระบวนการผสม หรืออาจส่งผลให้ วัสดุที่ผ่านกระบวนการบรรจุแล้วคายความชื้นกลับออกมาสะสม อยู่ ภ ายในบรรจุ ภั ณ ฑ์ และอาจส่ ง ผลทํ า ให้ อ ายุ ก ารเก็ บ รั ก ษา ผลิตภัณฑ์สั้นลง ทั้งนี้ ความชื้นที่อยู่ภายในวัสดุต่างๆ อาจจะเป็น น้ํา, น้ํามันหอมระเหย, ไขมัน, ยางเหนียว, แอลกอฮอล์, ตัวทํา ละลายอินทรีย์ หรือสารให้กลิ่น ก็ได้ แต่ในจํานวนนี้ น้ําถือเป็น องค์ประกอบที่สําคัญที่สุดซึ่งในวัสดุเกษตรอาจมีปริมาณน้ํามาก ถึง 50-80% ของน้ําหนักของวัสดุ ขึ้นอยู่กับชนิดและโครงสร้าง ของเซลล์ ดังนั้นการแลกเปลี่ยนความชื้นจะเกิดขึ้นระหว่างตัว วัสดุเองกับสิ่งแวดล้อมจนกว่าจะเข้าสู่จุดสมดุลซึ่งเป็นสภาพที่ไม่มี การเพิ่มหรือสูญเสียความชื้นอีกต่อไป กระบวนการอบแห้งหรือลดความชื้นคือ ความพยายามลด ความชื้นของอากาศในห้องอบลง เพื่อทําให้วัสดุซึ่งมีสภาพเปียกที่ อยู่ในห้องอบคายความชื้นให้กับอากาศ ทุกขณะที่ความชื้นของ อากาศในห้ อ งอบลดลง วั ส ดุ ที่ ถู ก อบจะพยายามปรั บ สมดุ ล ความชื้นลดลงตาม เพื่อให้เข้าสู่สมดุลใหม่ของอากาศแวดล้อม ส่วนกระบวนการเพิ่มความชื้นคือ ความพยายามเพิ่มความชื้น ของอากาศในห้องขึ้น เพื่อทําให้วัสดุซึ่งมีสภาพแห้งดูดความชื้น จากอากาศ โดยทุกขณะที่ความชื้นของอากาศในห้องเพิ่มขึ้น วัสดุ ที่ อ ยู่ ภ ายในห้ อ งจะพยายามปรั บ สมดุ ล ความชื้ น เพิ่ ม ขึ้ น ตาม เพื่อให้เข้าสู่สมดุลใหม่ของอากาศแวดล้อม ไอโซเทอมความชื้น (Moisture sorption isotherms) คือ ความสั ม พัน ธ์ ร ะหว่ า งความชื้ น สมดุล ของวั ส ดุ (EMC of material) กับความชื้นสัมพัทธ์สมดุลของอากาศ (Equilibrium 44

relative humidity, ERH, of air) ณ อุณหภูมิใดอุณหภูมิหนึ่ง หากทําการทดลองหาค่าความชื้นสมดุลของวัสดุที่เปียกในภาชนะ ปิดสนิทที่มีความชื้นสัมพัทธ์ (Relative humidity, RH) ของ อากาศสูงมาก (ค่า RH เริ่มต้นใกล้เคียงหนึ่ง) จะได้ค่า EMC สูง มาก เมื่อทดลองในสภาวะอากาศที่มีความชื้นสัมพัทธ์ต่ําลง จะได้ ค่า EMC ลดลงตาม และเมื่อทดลองในสภาวะอากาศที่เกือบไม่มี ความชื้นอยู่เลย (ค่า RH ใกล้เคียงศูนย์) ค่า EMC ก็จะใกล้เคียง ศูนย์ด้วย ความสัมพันธ์ระหว่างความชื้นสมดุลของวัสดุที่กําลัง ลดลงกับความชื้นสัมพัทธ์สมดุลของอากาศที่กําลังลดลงเรียกว่า ไอโซเทอมการคายความชื้น (Desorption isotherms) ในทาง ตรงกันข้าม หากทําการทดลองหาค่าความชื้นสมดุลของวัสดุที่ แห้งในภาชนะปิดสนิทที่มีความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศต่ํา (ค่า RH เริ่มต้นใกล้เคียงศูนย์) จะได้ค่า EMC ใกล้เคียงศูนย์ เมื่อทดลองใน สภาวะอากาศที่มีความชื้นสูงขึ้น จะได้ค่า EMC สูงขึ้นตาม และ เมื่ อ ทดลองในอากาศที่ มี ค วามชื้ น สั ม พั ท ธ์ สู ง มาก (ค่ า RH ใกล้เคียงหนึ่ง) ค่า EMC ก็จะสูงมากด้วย ความสัมพันธ์ระหว่าง ความชื้นสมดุลของวัสดุที่เพิ่มขึ้นกับความชื้นสัมพัทธ์สมดุลของ อากาศที่เพิ่มขึ้นเรียกว่า ไอโซเทอมการดูดความชื้น (Adsorption isotherms) (Figure 1) วั ส ดุ ที่ แ ลกเปลี่ ย นความชื้ น ได้ ดี แ ต่ ล ะชนิ ด จะมี ไ อโซเทอม ความชื้นที่แตกต่างกัน เนื่องจากมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างความชื้นกับ ส่วนประกอบที่เป็นของแข็งแตกต่างกัน อันเนื่องมาจากผลของ สมบัติคอลลิเกทีฟ (Colligative effect) ผลของแรงแคปปิลารี่ (Capillary effect) และผลของแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของ ความชื้นกับโมเลกุลที่ผิวของวัสดุ (Surface interaction) ที่ แตกต่างกัน แม้จ ะเป็น วัสดุชนิดเดียวกัน ก็ยัง มีเส้นกราฟไอโซ เทอมการคายและการดูดความชื้นที่ไม่ซ้อนทับเป็นเส้นเดียวกัน ซึ่งลักษณะดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าการคายและดูดความชื้นของ วัส ดุเป็นปรากฏการณ์ที่ไ ม่ย้อนกลับ (Hysteresis effect) (Figure 1) โดยขนาดของช่วงห่างระหว่างไอโซเทอมทั้งสองนี้จะ บ่ง บอกถึ ง ความคงตั ว ของผลิ ตภั ณ ฑ์ ใ นระหว่ า งการเก็ บ รั ก ษา (Storage stability) โดย Chen (2000) ศึกษาการดูดและคาย ความชื้นของถั่วลิสงพบว่า Hysteresis เกิดในช่วงความชื้น สัมพัทธ์ 0.30-0.75 สําหรับถั่วทั้งฝัก แต่สําหรับเมล็ดถั่วและ เปลือกถั่ว Hysteresis เกิดขึ้นตลอดช่วงความชื้นสัมพัทธ์ (0-1) โดยขนาดของ Hysteresis ลดลงเมื่ออุณหภูมิของอากาศเพิ่มขึ้น โดยที่อุณหภูมิ 5°C มีขนาดของ Hysteresis ใหญ่กว่าที่อุณหภูมิ 45°C

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 43–51 1

EMC

0.8 Desorption

0.6 0.4

Adsorption

0.2

Hysteresis

0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

RH

Figure 1 Typical equilibrium moisture content isotherms (adapted from Henderson et al., 1997). ในการศึกษาไอโซเทอมความชื้น บางครั้งค่า ERH อาจแสดง อยู่ในรูปค่าวอเตอร์แอคติวิตี้ (Water activity, aw) (Gennadios and Weller, 1994; Yu et al., 1999) โดยค่า aw นี้หมายถึง ปริมาณน้ําอิสระที่เป็นประโยชน์ต่อการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ และการเกิดปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ค่า aw สามารถนิยามได้ว่าเป็น ความชื้นสัมพัทธ์สมดุล ณ จุดที่วัสดุไม่มีการดูดหรือคายความชื้น ค่า aw จึงสามารถหาได้จากอัตราส่วนของความดันไอสูงสุดที่วัสดุ หนึ่งๆ มี (P) ต่อความดันไอของไอน้ํา (Po) ณ อุณหภูมิเดียวกัน ดังสมการ aw  100  % ERH 

P  100 Po

(1)

Brunauer et al. (1940, อ้างโดย Jayas et al., 1988) แบ่ง ลักษณะของไอโซเทอมการคายความชื้นเป็น 5 ลักษณะดัง Figure 2 ไอโซเทอมแบบที่ 1 เป็นลักษณะของแบบจําลอง Langmuir ซึ่งถือว่าเป็นแบบแรกและดั้งเดิมที่สุดของไอโซเทอม เหมาะสําหรับพวกอนินทรีย์วัตถุ (Inorganic material) ซึ่งเป็น วัตถุที่ไม่ค่อยมีน้ําเป็นส่วนประกอบเช่น ทราย หรือ วัสดุเส้นใย ชนิดต่างๆ แบบที่ 2 เป็นรูปตัวเอส (Sigmoid) ซึ่งวัสดุทางการ เกษตรส่วนมากมักมีไอโซเทอมเป็นแบบนี้ ส่วนแบบที่ 3 ถึง 5 จากการตรวจเอกสารพบว่ายังไม่มีการตั้งชื่อ สําหรับไอโซเทอม ของการดูดความชื้นนั้นยังไม่มีการแบ่งลักษณะเส้นกราฟอย่าง ชั ด เจน ดั ง นั้ น การแบ่ ง ตามลั ก ษณะของไอโซเทอมการคาย ความชื้นของ Brunauer et al. (1940 อ้างโดย Jayas et al., 1988) น่าจะใช้ได้

Figure 2 Five classes of the moisture sorption isotherms classified by Brunauer et al. (1940 cited by Jayas et al., 1988). สั ม ประสิ ท ธิ์ ซึ่ ง แสดงความสั ม พั น ธ์ ท างคณิ ต ศาสตร์ เ ป็ น ฟังก์ชั่นของความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศ และอุณหภูมิของอากาศ ร้อน สามารถหาได้จากโมเดลทางคณิตศาสตร์ซึ่งได้รับการยอมรับ และตีพิมพ์ในวารสารอ้างอิง โดยในการหาค่าพารามิเตอร์ต่างๆ ของสมการไอโซเทอม อาจใช้การแก้ปัญหาทางคณิตศาสตร์ซึ่ง ค่อนข้างใช้เวลามากและยุ่งยาก หรืออาจใช้เทคนิคการวิเคราะห์ แบบไม่เป็นเชิงเส้น (Nonlinear regression) ด้วยโปรแกรม สํ า เร็ จ รู ป ทางสถิ ติ ห ลายโปรแกรมเช่ น SAS, STATPACK, STATVIEW, STATICA, SPSS หรือ, Excel เป็นต้น 2 สมการไอโซเทอม (Isotherm equations) Van den Berg and Bruin (1981) ก ล่ า ว ว่ า มี ส ม ก า ร มากกว่า 77 สมการที่ใช้ทํานายไอโซเทอมการคายความชื้นของ ผลผลิตเกษตร แต่มาตรฐาน ASAE Standards (2003) แนะนํา รูปแบบสมการทางคณิตศาสตร์ที่เลือกมาใช้ในการวิเคราะห์ข้อมูล สําหรับผลผลิตทางการเกษตรจากพืช ดังต่อไปนี้ สมการดัดแปลงของ Henderson 1  RH  exp   A  T  C   M eB 

(2)

สมการดัดแปลงของ Chung-Pfost  A  B  Me  RH  exp    exp     100    T  C 

(3)

สมการดัดแปลงของ Halsey RH  exp   exp  A  B  T   M e C 

(4)

สมการดัดแปลงของ Oswin

45

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 43–51  A  B  T C  RH     1  M e  

1

(5)

สมการของ Guggenheim-Anderson-de Boer (GAB) Me 

A  B  C  RH (6) 1  B  RH   1  B  RH  B  C  RH 

เมื่อ Me คือ ความชื้นสมดุลมาตรฐานแห้ง (%), A, B, C คือ ค่าคงที่ (dimensionless), RH คือ ความชื้นสัมพัทธ์สมดุลเป็น ทศนิยม (dimensionless) และ T คือ อุณหภูมิของอากาศ (°C) วิไล (2552) รายงานว่าสมการที่เหมาะกับอาหารแห้งมาก ที่สุดคือสมการ GAB และสมการของ Brunauer-EmmettTeller (BET) ซึ่งมีรูปสมการดังนี้ Me 

D  M o  RH 1  RH   1   D  1  RH 

  n   M M  e,ex e, pred     2 i 1 R   n n    M e2,ex    M e2, pred     i 1   i 1  

(7)

เมื่อ Mo คือ ความชื้นที่อยู่ในโครงสร้างของเนื้อเยื่อวัสดุ หรือ Monolayer moisture (%) และ D คือ ค่าคงที่ของสมการ BET Colley et al. (2006) ใช้สมการที่ 2 ถึง 5 ในการศึกษาไอโซ เทอมความชื้นของ Switchgrass pellets พบว่า สมการดัดแปลง Chung-Pfost ใช้ได้ดีในช่วง 0.2 ≤ aw≤ 0.85 ส่วน Yu et al.

(1999) ศึกษาพบว่าไม่มีแบบจําลองใดที่สามารถอธิบายความชื้น สมดุลของเชอร์รี่และบลูเบอร์รี่ได้ตลอดช่วงความชื้นสัมพัทธ์ โดย แบบจําลองดัดแปลง Henderson ทํานายได้ดีในช่วงaw < 0.8 แบบจําลองดัดแปลง Oswin and Halsey ให้ผลเป็นที่ยอมรับได้ และแบบจําลอง Halsey สําหรับaw > 0.8 สุเนตร (2548) พบว่า สมการดัดแปลง Halsey สามารถทํานายค่าความชื้นสมดุลของ ลําไยอบแห้งทั้งเปลือกพันธุ์ดอได้ถูกต้องที่สุด (R2 = 0.964) ในช่วงอุณหภูมิ 20-40°C และความชื้นสัมพัทธ์ซึ่งควบคุมโดย สารละลายเกลืออิ่มตัว 8, 22.5, 44, 68.5, 75.5, 84.3 และ 98% 3 การประเมินความน่าเชื่อถือของแบบจําลอง ค่าสัมประสิทธิ์การตัดสินใจ (R2) ค่าการลดลงไคกําลังสอง (2) และค่ารากที่สองของความคลาดเคลื่อนกําลังสองเฉลี่ย (Root mean square error, RMSE) เป็นพารามิเตอร์ทางสถิติ ซึ่งช่วยในการวิเคราะห์เปรียบเทียบเพื่อหาค่าความแม่นยําในการ ทํานายค่าความชื้นสมดุลที่เปลี่ยนแปลงไปในระหว่างการอบแห้ง ด้วยลมร้อน (Sharma et al., 2005; Jain and Pathare, 2004; Lin et al., 2005; Waewsak et al., 2006) ค่า R2 เป็น 46

ค่ า พารามิ เ ตอร์ ท างสถิ ติ ที่ สํ า คั ญ ในการบ่ ง บอกคุ ณ ภาพของ รูปแบบสมการในแบบจําลอง โดยยิ่งมีค่าเข้าใกล้ 1.0 แสดงว่า แบบจําลองยิ่งมีความแม่นยํามาก ในขณะที่ค่า 2 และค่า RMSE เป็นพารามิเตอร์ทางสถิติที่ใช้บ่งบอกความผิดพลาดในการทํานาย ค่า ของแบบจํา ลอง ดั ง นั้น แบบจํ า ลองที่ มี ค วามแม่ น ยํ า ในการ ทํานายที่เหมาะสม ควรจะมีค่า R2 มากแต่มีค่า 2 และค่า RMSE น้อย โดยสมการแสดงการคํานวณหาพารามิเตอร์ดังกล่าว มีดังนี้

N

2 

M i 1

e ,ex

 M e, pred 

RMSE 

M i 1

e , ex

 M e, pred  N

(8)

2

(9)

N n N

2

2

(10)

เมื่อ Me,ex คือ ความชื้นสมดุลของวัสดุที่ได้จากการทดลอง (% มาตรฐานแห้ง), Me,pred คือ ความชื้นสมดุลของวัสดุที่ได้จากการ ทํานาย (% มาตรฐานแห้ง), N คือ จํานวนค่าสังเกต และ n คือ จํานวนค่าคงที่ในแบบจําลอง 4 วิธีการหาความชื้นสมดุล การศึกษาความชื้นสมดุลของวัสดุที่แลกเปลี่ยนความชื้นได้ดี สามารถทํา ได้ ห ลายวิ ธี มี ทั้ง วิ ธี ที่ ใ ช้เ วลายาวนานด้ ว ยอุ ป กรณ์ พื้นฐานอย่างง่ายๆ และประหยัดค่าใช้จ่ายไปจนถึงวิธีที่ใช้เวลา สั้ น ๆ ด้ ว ยอุ ป กรณ์ ที่ มี ค วามแม่ น ยํ า สู ง แต่ มั ก มี ร าคาแพง ทั้ ง นี้ สามารถแบ่งออกเป็น 3 วิธี ดังนี้ 1) Static desiccator isotherm method ห รื อ วิ ธี เ ชิ ง สถิ ต ย์ เป็ น วิ ธี ที่ วั ส ดุ เ ข้ า สู่ จุ ด สมดุ ล กั บ สภาพแวดล้ อ มโดย ปราศจากการรบกวนทางด้านพลศาสตร์ของอากาศ นั่นคือ การ ปล่อยให้ผลผลิตสัมผัสกับอากาศแวดล้อมจนกว่าจะถึงจุดสมดุล หลังจากนั้นจึงมีการวัดความชื้นของวัสดุ ณ จุดสมดุล (Figure 3) โดยนิยมนําสารเคมีที่มีความสามารถในการดูดความชื้นส่วนเกิน มาใช้ได้แก่ สารละลายเกลืออิ่มตัวหรือสารละลายกรด โดยทั่วๆ ไปนิยมใช้สารละลายเกลืออิ่มตัวเพราะว่าการกัดกร่อนน้อยและ ราคาถูกกว่า ส่วนสารละลายกรดนั้นกัดกร่อนโลหะง่ายจึงไม่นิยม

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 43–51

ใช้ อย่างไรก็ตามวัสดุเกษตรจะใช้เวลานานมากในการเข้าสู่จุด สมดุลภายใต้สารละลายทั้งสองชนิด จึงทําให้เกิดเชื้อราขึ้นได้ใน ระหว่ า งที่ วั ส ดุ อ ยู่ ภ ายใต้ ค วามชื้ น สั ม พั ท ธ์ สู ง ๆ ดั ง นั้ น ควรใส่ สารเคมีต่อไปนี้ในอุปกรณ์ที่ปิดสนิทได้แก่ คาร์บอนไดออกไซด์ 0.12, 0.18 และ 0.45% โดยปริมาตร สําหรับความชื้นสัมพัทธ์ 69, 74 และ 87.5% ตามลําดับ (Henderson, 1973) ไธมอล (Thymol) ที่บรรจุในหลอดทดลอง (Yu et al., 1999; Rahman et al., 2002) หรือ โทลูอิน (Toluene) ที่บรรจุในหลอดทดลอง (Labuza, 1984; Maskan and Gögüç, 1998; Fan et al., 1998) หรือคลุกตัวอย่างกับสารละลาย 2% ของสารละลายผสม ระหว่างกรด Propionic 40% และ กรดน้ําส้ม (Acetic acid) 60% ในสารละลาย 2% Sodium benzoate โดยน้ํ า หนั ก (Zuritz et al., 1979) สารละลายเกลื อ อิ่ ม ตั ว ที่ จ ะนํ า มาใช้ ต้ อ งมี คุ ณ สมบั ติ คื อ สามารถรักษาความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศเหนือสารละลายเกลือ โดยไม่ เ ปลี่ ย นแปลงหรื อ เปลี่ ย นแปลงเล็ ก น้ อ ยเมื่ อ อุ ณ หภู มิ

เปลี่ยนไป ความสามารถของสารละลายเกลืออิ่มตัวแต่ละชนิดไม่ เหมื อ นกั น และนอกจากนี้ ยั ง ขึ้ น อยู่ กั บ ความเข้ ม ข้ น ของ สารละลายที่ ใ ช้ และอุ ณ หภู มิ ร อบๆ สารละลาย ตั ว อย่ า ง สารละลายเกลืออิ่มตัวที่ใช้ในการควบคุมความชื้นสัมพัทธ์ในการ ทดลองหาความชื้ น สมดุ ล แสดงใน Table 1 ซึ่ ง รวบรวมจาก ผลงานวิจัยที่ตีพิมพ์ในระดับนานาชาติหลายเรื่อง แต่ส่วนใหญ่ ดัดแปลงจาก 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 (สุเนตร, 2548).

Saturated salt solution %RH Saturated salt solution %RH Sodium hydroxide (NaOH) 6.0 Strontium chloride (SrCl2) 70.9 Potassium hydroxide (KOH) 8.0 Sodium nitrate (NaNO3) 74.3 Lithium chloride (LiCl) 11.3 Sodium chloride (NaCl) 75.3 Potassium acetate (CH3COOK) 22.5 Ammonium sulphate ((NH4)2SO4) 81.0 Magnesium chloride (MgCl2) 32.8 Potassium chloride (KCl) 84.3 Potassium carbonate (K2CO3) 44.0 Strontium nitrate (Sr(NO3)2) 85.1 Magnesium nitrate (Mg(NO3)2) 52.8 Barium chloride (BaCl2) 90.2 Sodium bromide (NaBr) 57.6 Potassium nitrate (KNO3) 93.6 Cobalt chloride (CoCl2) 64.9 Zinc sulphate (ZnSO4) 95.0 Magnesium acetate (Mg(C2H3O2)2) 65.0 Potassium sulphate (K2SO4) 97.3 Potassium iodide (KI) 68.9 Copper sulphate (CuSO4) 98.0 วสันต์ และคณะ (2555) ศึกษาแบบจําลองทางคณิตศาสตร์ ความชื้นสมดุลของยางพาราแผ่นโดยใช้สารละลายเกลืออิ่มตัว 6 ชนิด คือ LiCl, MgCl2, Mg(NO3)2, KI, NaCl และ (NH4)2SO4 ใน ขวดโหลที่ใส่ในตู้อบที่มีอุณหภูมิตั้งแต่ 40-60°C เพื่อสร้า ง บรรยากาศที่มีค่า aw อยู่ในช่วง 0.10-0.82 Menkov et al.

(2004) ศึกษาไอโซเทอมความชื้นของแป้งมันฮ่อ (Walnut) โดย ใช้สารละลายเกลืออิ่มตัว 7 ชนิดคล้ายๆ กัน คือ LiCl, MgCl2, CH3COOK, K2CO3, NaBr, NaCl และ KCl แต่ศึกษาที่อุณหภูมิ

10, 25 และ 40°C เพื่อให้ได้ค่า aw อยู่ในช่วง 0.11-0.85 แต่ก่อน การศึกษาไอโซเทอมการคายความชื้น แป้งมันฮ่อถูกทําให้แห้ง โดยเก็บไว้ในบรรยากาศของ Phosphorus pentoxide (P2O5) ที่ อุ ณ ห ภู มิ ห้ อ ง เ ป็ น เ ว ล า 20 d AhmadiChenarbon and Hasheminia (2011) ศึกษาไอโซเทอมความชื้นของใบลาเวน เดอร์ในช่วงค่า aw ระหว่าง 0.11-0.85 ที่อุณหภูมิ 30, 40 และ 50°C ซึ่ ง ก็ ใ ช้ ส า ร ล ะ ล า ย เ ก ลื อ อิ่ ม ตั ว ข อ ง LiCl, MgCl2, CH3COOK, K2CO3, NaCl และ KCl ดังเช่นการทดลองอื่น แต่ใช้ 47

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 43–51

สารละลายเกลือ Sodium nitrite (NaNO2) แทนที่จะเป็น Sodium nitrate (NaNO3) 2) Dynamic sorption method หรื อ วิ ธี จ ลน์ เป็ น การ ปล่ อ ยให้ วั ส ดุสั ม ผั ส กั บ อากาศแวดล้ อม โดยทํ า ให้ อ ากาศหรื อ ผลผลิตเกิดการเคลื่อนไหว แล้วตรวจวัดน้ําหนักของวัสดุเพื่อหา ค่าความชื้นสมดุล โดยความชื้นของอากาศจะถูกวัดด้วยเซนเซอร์ ความชื้นสัมพัทธ์ (RH sensor) ดังแสดงใน Figure 4 วิธีนี้การเข้า สู่จุดสมดุลจะเป็นไปอย่างรวดเร็วจึงเหมาะกับวัสดุที่มีความชื้นสูง เพราะการใช้ วิ ธี ส ถิ ต ย์ ผ ลผลิ ต อาจจะเสี ย หายได้ จ ากการ เจริญเติบโตของเชื้อรา ค่าความชื้นที่วัดได้ก็อาจจะไม่ถูกต้อง แต่ อย่างไรก็ตามวิธีนี้ต้องใช้เครื่องมือและอุปกรณ์ท่ีค่อนข้างซับซ้อน และมีค วามเที่ย งตรงสู ง ซึ่ง ส่ว นมากมีร าคาแพง โดย Kacharu and Matthes (1976) ใช้วิธีการนี้ในการศึกษาการดูดความชื้น ของข้าวเปลือก พบว่าใช้เวลาประมาณ 24-60 h ข้าวเปลือกก็เข้า สู่จุดสมดุล Chen and Vance Morey (1989) ใช้เซนเซอร์ อุณหภูมิและความชื้นวัดค่าในภาชนะบรรจุเมล็ดข้าวโพดที่ปิด สนิทที่มีความชื้นเริ่มต้นแตกต่างกัน ใส่ไว้ในตู้ควบคุมความชื้น (Figure 5) พบว่าใช้เวลาเพียง 6-18 h สําหรับแต่ละอุณหภูมิ แต่ Garg et al. (2006) ซึ่งศึกษาการดูดความชื้นของเมล็ดข้าวโพด เช่ น เดียวกัน รายงานว่า ในแต่ล ะขั้นของการเพิ่มความชื้น และ อุณหภูมิใช้เวลาในการเข้าสู่สมดุลเพียง 2 h เท่านั้น Fasino (2004) รายงานว่าการใช้เครื่องวัดปริมาณน้ําอิสระ (Water activity meter) ที่สามารถวัดความชื้นสัมพัทธ์และติดตาม น้ําหนักของวัสดุได้ด้วยสามารถช่วยทําให้การศึกษาไอโซเทอม การคายความชื้ น ของมั น เทศซึ่ ง เป็ น วั ส ดุ ที่ มี ค วามชื้ น เริ่ ม ต้ น ค่อนข้างสูงได้อย่างรวดเร็วภายใน 12 h Koloor et al. (2006) ใช้ วิ ธี นี้ ศึ ก ษาไอโซเทอมการดู ด และคายความชื้ น ของบั ค วี ท (Buckwheat) พบว่าแต่ละสภาวะอากาศที่ศึกษา บัควีทใช้เวลา ในการเข้าสู่สมดุลแตกต่างกันมากคือ ตั้งแต่ 3-7 d นอกจากนี้ สุ เนตร (2548) ใช้วิธีกึ่งจลนศาสตร์เพื่อหาไอโซเทอมความชื้นของ ลํ า ไยแห้ ง ทั้ ง เปลื อ กพั น ธุ์ ด อโดยการติ ด ตั้ ง พั ด ลมคอมพิ ว เตอร์ ขนาดเล็ก 35 W ในภาชนะปิด สนิท โดยลําไยตัวอย่างใช้ ระยะเวลาในการเข้าสู่จุดสมดุลประมาณ 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 หรือ วิ ธี ก ารวั ด จุ ด กลั่ น ตั ว ของน้ํ า วิ ธี นี้ วั ส ดุ จ ะอยู่ ใ นห้ อ งควบคุ ม ที่ สามารถจําลองสภาวะอากาศได้ทั้งสภาวะเปียกและแห้ง และมี การวัดค่า aw และค่าความชื้นของวัสดุ ซึ่งสามารถกระทําได้ ตลอดเวลาโดยไม่ต้องรอให้วัสดุเข้าสู่จุดสมดุลกับสภาวะอากาศ

48

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 43–51

โดยใช้เซนเซอร์ Chilled mirror dewpoint วัดค่า aw ส่วนการ วัดความชื้นของวัสดุ สามารถวัดได้จากเครื่องชั่งน้ําหนักเชิงเลข (Electronic balance) (Figure 6) ทําให้การศึกษาความชื้น สมดุ ล โดยวิ ธี นี้ ใช้ เ วลาสั้ น ที่ สุ ด เมื่ อ เปรีย บเที ยบกั บ สองวิ ธี แ รก (1-2 d ต่อตัวอย่าง) นอกจากนี้ยังสามารถศึกษาได้ทั้งไอโซเทอม การคายความชื้นและไอโซเทอมการดูดความชื้น ซึ่งเป็นประโยชน์ ต่อการศึกษาปรากฏการณ์ที่ไม่ย้อนกลับ

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

5 สรุป ค่าความชื้นสมดุลของวัสดุที่แลกเปลี่ยนความชื้นได้ดี หาได้ จากการนําวัสดุไปวางไว้ในสภาวะอากาศที่มีค่าความชื้นสัมพัทธ์ หรือค่า aw ต่างๆ ณ อุณหภูมิหนึ่ง ปล่อยให้วัสดุคายหรือดูด ความชื้นจนกระทั่งเข้าสู่สมดุลกับสภาวะแวดล้อมนั้นๆ แล้ววัดค่า น้ํ า หนั ก ของความชื้ น ที่ ยั ง หลงเหลื อ อยู่ ใ นวั ส ดุ วิ ธี ก ารหาค่ า ความชื้นสมดุลของวัสดุทั้ง 3 วิธี มีข้อดีข้อเสียต่างกัน คือ วิธี สถิตย์เป็นวิธีที่ประหยัด สามารถทดลองได้ด้วยเครื่องมือง่ายๆ แต่ ใช้เวลาในการทดลองนานและไม่เหมาะกับวัสดุที่เสื่อมเสียได้ง่าย เหมาะกับการทดลองกับ วัส ดุชิ้น เล็กๆ มากกว่า การศึกษาวัส ดุ จํานวนมาก เนื่องจากข้อจํากัดของความสามารถของสารละลาย เกลืออิ่มตัว ส่วนวิธีจลน์เป็นวิธีที่ต้องใช้เครื่องมือที่ซับซ้อนขึ้นและ มีราคาแพงกว่า แต่มีความแม่นยําสูงขึ้นและสามารถออกแบบ ภาชนะทดลองให้มีขนาดใหญ่ขึ้น ตามวั ส ดุที่ต้อ งการศึก ษา วิธี สุ ด ท้ า ยคื อ วิ ธี ก ารวั ด จุ ด กลั่ น ตั ว ของน้ํ า เป็ น วิ ธี ที่ ร วดเร็ ว ที่ สุ ด

เนื่องจากไม่ต้องรอให้วัสดุเข้าสู่จุดสมดุลกับอากาศแวดล้อม และ สามารถศึกษาได้ทั้งไอโซเทอมการคายความชื้นและไอโซเทอม การดูดความชื้น อย่างไรก็ตามเครื่องมือที่ใช้ก็มีราคาแพงที่สุด เช่นกัน 6 กิตติกรรมประกาศ คุณูปการจากบทความฉบับนี้ ขอมอบให้คณาจารย์ทุกท่านที่ ประสิทธิ์ประสาทความรู้ให้แก่ผู้เขียน ขอขอบคุณเจ้าของผลงาน ทุกท่านที่ผู้เขียนใช้อ้างอิงในการเขียนบทความฉบับนี้ 7 เอกสารอ้างอิง วสันต์ จีนธาดา, ทศพร จันทร์กระจ่าง, สุเทพ ชูกลิ่น และเฉลิม ศิริรักษ์. 2555. การเปรียบเทียบแบบจําลองทางคณิตศาสตร์ ความชื้นสมดุลที่เหมาะสมสําหรับยางพาราแผ่น. วิศวกรรม สาร มข. 39(1): 11-21. วิไล สนธิเพิ่มพูน. 2552. ซอพชั่นไอโซเทอมและกลาสทรานสิชั่น ในอาหารแห้ง. ว.เกษตรนเรศวร 12(1): 11-17. สุเนตร โม่งปราณีต. 2548. รายงานการดําเนินโครงการวิจัยฉบับ สมบูรณ์ ประจําปี พ.ศ. 2548 เรื่อง วิธีการกึ่งจลนศาสตร์เพื่อ หาไอโซเทอมความชื้ น ของลํ า ไยแห้ ง ทั้ ง เปลื อ ก. เสนอต่ อ คณะวิศวกรรมและอุตสาหกรรมเกษตร มหาวิทยาลัยแม่โจ้.

60 หน้า.

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 plantbased 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.

49

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 43â&#x20AC;&#x201C;51

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 yellowdent corn. Transactions of the ASAE 23(3): 9991006.

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.

50

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 inbin grain conditioning strategies. 9th International Working Conference on Stored Product Protection, Campinas, SĂŁo 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.

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 43–51

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.

51

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 52–58

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 18 ฉบับที่ 1 (2555) 52–58 Available online at www.tsae.asia

บทความวิจัย ISSN 1685-408X

ปัจจัยที่มีความสัมพันธ์กับระยะการสุกของมะม่วงน้ําดอกไม้หลังการเก็บเกี่ยว Factors Related to Ripening-stages of Nam Dok-mai Mango after Harvesting ศักยะ สมบัติไพรวัน1, เทวรัตน์ ตรีอํานรรค1*, กระวี ตรีอํานรรค2 Sakaya Sombatpraiwan1, Tawarat Tipyavimol1*, Krawee Treeamnuk2 1

สาขาวิชาวิศวกรรมเกษตร, สํานักวิชาวิศวกรรมศาสตร์, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี, นครราชสีมา, 30000 School of Agricultural Engineering, Institute of Engineering, Suranaree University of Technology, NakhonRatchasima, 30000 2 Department 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: tawarat@sut.ac.th 1

บทคัดย่อ งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างปัจจัยทางกายภาพ, ทางกล และทางเคมีกับระยะการสุกของมะม่วง น้ําดอกไม้หลังการเก็บเกี่ยวโดยใช้เทคนิคการวิเคราะห์ปัจจัยและการวิเคราะห์จําแนกกลุ่ม ปัจจัยที่ทําการศึกษาประกอบด้วยค่าความ แน่นเนื้อวัดทั้งเปลือกและเฉพาะเนื้อ, ค่าสีของเปลือกและเนื้อ, ค่าปริมาณของแข็งที่ละลาย (Total soluble solids content, TSS), ความถ่วงจําเพาะ, ปริมาณกรดที่ไทเทรตได้ (Titratable acidity, TA) และอัตราส่วนของแข็งที่ละลายได้ต่อปริมาณกรดที่ไทเทรตได้ (TSS/TA) ผลจากการศึกษาพบว่าปัจจัยที่มีความสัมพันธ์กับระยะการสุกประกอบด้วยค่าสี a* และ b* ทั้งเปลือกและเนื้อผลมะม่วง, ปริมาณของแข็งที่ละลายได้, ปริมาณกรดที่ไทเทรตได้, ค่าความแน่นเนื้อทั้งเปลือกและเฉพาะเนื้อ และ ค่า TSS/TA ส่วนค่าความ ถ่วงจําเพาะและค่าสี L* ของทั้งเปลือกและเนื้อผลไม่มีแนวโน้มที่เด่นชัด เมื่อทําการจําแนกระยะการสุกของมะม่วงน้ําดอกไม้ พบว่าการ ใช้ตัวแปรความแน่นเนื้อวัดทั้งเปลือกร่วมกับค่า TSS/TA สามารถจําแนกระยะการสุกออกเป็น 3 กลุ่มคือ ระยะดิบ, ระยะสุก และ ระยะสุกเกิน ได้ถูกต้อง 91.7% คําสําคัญ: มะม่วงน้ําดอกไม้, ระยะการสุก, การวิเคราะห์จําแนกกลุ่ม 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 บทนํา มะม่วงน้ําดอกไม้ (Manigiferaindica L. cv NamDok-mai) เป็นผลไม้ที่มีความสําคัญมากทางเศรษฐกิจของไทย ทั้งสําหรับ ตลาดเพื่ อ การบริ โ ภคภายในประเทศและการส่ ง ออก ทั้ ง นี้ เนื่ อ งจากมะม่ว งน้ํา ดอกไม้ เป็ น มะม่ว งที่อ ยู่ใ นกลุ่ มบริ โ ภคเมื่ อ 52

ผลสุก (จารุวัฒน์ และศิริชัย, 2545) จากข้อมู ลของศูน ย์ สารสนเทศเกษตร (2552) พบว่ามะม่วงน้ําดอกไม้มีมูลค่าการ ส่งออกถึง 1,500 ล้านบาท และมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นเรื่อยมาตั้งแต่ปี 2549 โดยประเทศคู่ค้าที่สําคัญตลอดเวลาเกือบสิบปีที่ผ่านมาคือ ประเทศญี่ปุ่น และสหรัฐอเมริกา อย่างไรก็ตามการส่งออกมะม่วง

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 52–58

ไปจําหน่ายในตลาดต่างประเทศที่ต้องขนส่งระยะทางไกลๆ ยัง ประสบกั บ ปั ญ หาด้ า นคุ ณ ภาพและอายุ ก ารวางจํ า หน่ า ยที่ สั้ น (สายชล และสุนทร, 2535) ทั้งนี้เนื่องจากหลังการเก็บเกี่ยว มะม่วงซึ่งเป็นผลไม้ในกลุ่ม Climacteric fruit จะเกิดการ เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นนี้จะส่งผลถึง ลักษณะปรากฏทางคุณภาพที่ส่งผลต่อการตัดสินใจเลือกซื้อจาก ผู้บริโภคเช่น สี, รูปร่าง, รอยตําหนิ, ความหวาน และ ความแน่น เนื้อ สําหรับความแน่นเนื้อเป็นลักษณะคุณภาพชนิดหนึ่งที่ ผู้บริโภคนิยมใช้ในการตัดสินใจเลือกชื้อผลไม้หลายๆ ชนิด รวมถึง ผลมะม่วงสุก จากการศึกษาของ Jha et al. (2010) พบว่าความ แน่นเนื้อ (firmness) ของมะม่วงลูกผสมแปดสายพันธุ์จะมี ค่า สู ง สุ ด ในวัน แรกของการเก็ บ เกี่ ย วและมีแ นวโน้ ม ลดลงตาม ระยะเวลาการเก็บรักษาที่เพิ่มขึ้น และจากรายงานของ ศักยะ และคณะ (2555) พบว่าสามารถใช้ค่ า ความแน่นเนื้อแบ่ง การ เปลี่ยนแปลงหลังการเก็บเกี่ยวของมะม่วงน้ําดอกไม้ออกเป็น 3 ระยะการสุกคือ ระยะเริ่มสุก, ระยะสุก และ ระยะสุกงอม แต่ อย่างไรก็ตามลักษณะทางคุณภาพที่ดึงดูดใจและสร้างความพอใจ ให้กับผู้บริโภคมิได้มีแค่ความแน่นเนื้อเพียงอย่างเดียว ยังมีปัจจัย ทางคุณภาพอื่นที่ต้องพิจารณาประกอบกันนั่นคือ หากมะม่วง ภายหลังการเก็บเกี่ยวมีค่าความแน่นเนื้อที่ลดลง แต่การพัฒนา ด้านสีและรสชาติที่ไม่สมบูรณ์ขาดความสัมพันธ์กันก็จะก่อให้เกิด การสุกที่ไม่มีคุณภาพ (สายชล และสุนทร, 2535) ซึ่งปัจจัยทาง คุณภาพเหล่านี้สามารถตรวจวัดได้ด้วยเทคนิคแบบทําลายและไม่ ทําลาย (Padda et al., 2011) ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์ เพื่ อ ศึ ก ษาปั จ จั ย ที่ มี ค วามสั ม พั น ธ์ กั บ ระยะการสุ ก ของมะม่ ว ง น้ําดอกไม้หลังการเก็บเกี่ยวเพื่อใช้เป็นเกณฑ์ในการกําหนดชั้น คุณภาพของมะม่วงน้ําดอกไม้ต่อไป 2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 มะม่วงน้ําดอกไม้ มะม่วงน้ําดอกไม้ที่ใช้ได้จากสวนมะม่วงของเกษตรกรในเขต อําเภอปากช่อง จังหวัดนครราชสีมา อายุการเก็บเกี่ยว 110 วัน หลังดอกบาน นํามาเก็บรักษาที่อุณหภูมิ 27±1.5°C ความชื้น สัมพัทธ์ 65±5% ทําการตรวจวัดค่ า ปัจ จัยการสุ กทุก วันโดยใช้ ตัวอย่างมะม่วงวันละ 5 ผล 2.2 การตรวจวัดค่าปัจจัย ค่าความถ่วงจําเพาะ, (SG) หาได้โดยใช้วิธีการแทนที่น้ํา (Mohsenin, 1996)

สี ข องมะม่ ว งน้ํ า ดอกไม้ ถู ก วั ด ทุ ก วั น ด้ ว ยเครื่ อ ง Chroma meter ยี่ห้อ Minolta รุ่น CR-300 (Minolta Co., Ltd., Japan) ทําการวัดในระบบ CIE LAB บริเวณกึ่งกลางแก้มผล โดยค่าที่ได้ แสดงในรูปค่าเฉลี่ย 3 ซ้ําจากมะม่วงจํานวน 5 ผล ทําการวัดค่า ความสว่าง (L*) ของเปลือก (l_peel), ค่าความสว่างของเนื้อ มะม่วง (l_flesh), ค่าสีแดง (a*) ของเปลือก (a_peel), ค่าสีแดง ของเนื้อมะม่วง (a_flesh), ค่าสีเหลือง (b*) ของเปลือก และ (b_peel) ค่าสีเหลืองของเนื้อมะม่วง (b_flesh) ค่าความแน่นเนื้อของผลมะม่วงน้ําดอกไม้ ทําการวัดโดยใช้ Penetrometer ยี่ห้อ Chatillon รุ่น DFGS 50 (AMETEK Inc., USA) ด้วยหัวกดทรงกระบอกปลายตัดเรียบ เส้นผ่านศูนย์กลาง 5.0 mm กดลงไปเป็นระยะ 50 mm บนแก้มผลของตัวอย่าง มะม่วงจํานวน 5 ผล ในรูปแรงต่อพื้นที่ในหน่วย kg cm-2 วัดค่า ทั้งก่อนปอกเปลือก (f_peel) และภายหลังปอกเปลือกออกแล้ว (f_flesh) ทํ า การวั ด ปริ ม าณของแข็ ง ที่ ล ะลายได้ (Total soluble solids content, TSS) โดยนําเนื้อมะม่วงส่วนแก้มผลปริมาณ 50 g มาปั่นให้ละเอียดเติมน้ํา 200 ml จากนั้นปั่นต่อให้ละเอียด กรองเอาเฉพาะส่ว นน้ํ า มาหาปริม าณของแข็ง ที่ล ะลายได้ด้ว ย เ ค รื่ อ ง Hand refractometer (ATAGO, ATC-1, Cat. No.2910) ซึ่งค่าที่อ่านได้จากเครื่องต้องนํามาคูณกลับด้วยค่า แฟคเตอร์การละลาย (Dilution factor) ทําการวัดปริมาณกรดที่ไทเทรตได้ (Titratable acidity, TA) โดยนําสารละลายน้ํามะม่วงที่เตรียมได้ในข้อ 2.2.4ขั้นตอนการวัด ปริมาณของแข็งที่ละลายได้ ปริมาตร 20 mlL มาทําการไทเทรต ด้วยสารละลาย 0.1 N NaOH จนถึงจุดยุติที่ pH เท่ากับ 8.2 ซึ่ง ปริมาณกรดที่ได้เป็นปริมาณกรดเทียบเท่าของกรดมาลิค (Malic acid) ทําการวิเคราะห์ผลทางสถิติ ด้วยการวิเคราะห์หาปัจจัยที่มี ความสัมพันธ์กับระยะการสุกของผลมะม่วงน้ําดอกไม้หลังการ เก็บเกี่ยวโดยใช้โปรแกรม SPSS 11.5 for Windows กับปัจจัย ทั้ง หมด ด้ว ยวิธี เ ทคนิ ค การวิเคราะห์ ปัจ จัย (Factor analysis) และการวิเคราะห์จําแนกกลุ่ม (Discriminant analysis) โดยใช้ ค่าการแบ่งระยะมะม่วงออกเป็น 3 ระยะ (stage) ได้แก่ ระยะ เริ่มสุก, ระยะสุก และระยะสุกงอม ตามวิธีการของ ศักยะ และ คณะ (2555) เป็นตัวแปรการแบ่งกลุ่ม

53

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 52–58

3 ผลและวิจารณ์ การแบ่งระยะการสุกของมะม่วงน้ําดอกไม้หลังการเก็บเกี่ยว ใช้ ส มการทํ า นายการเปลี่ ย นแปลงการสุก ของศัก ยะและคณะ (2555) ร่วมกับการประเมินลักษณะดังแสดงใน Figure 1 ซึ่งจะ แบ่งระยะการสุกออกเป็นสามช่วงคือ ระยะดิบ (unripe) มี ลักษณะผลเขียวเนื้อภายในขาว กดดูแข็ง ระยะสุก (ripe) มี ลักษณะผิวและเนื้อมีสีเหลืองสม่ําเสมอทั้งผล และระยะสุกเกิน (over ripe) ลักษณะภายนอกเริ่มปรากฏจุดสีดํา เนื้อมีสีดํา เกิดขึ้นบางจุดซึ่งเป็นลักษณะไม่พึงประสงค์ต่อผู้บริโภค

A

B

C

Figure 1 Ripening stages of Nom Dok-mai mango (A) unripe, (B) ripe and (C) over ripe. เมื่อนําค่าปัจจัยต่างๆ ของมะม่วงน้ําดอกไม้มาวิเคราะห์หา ความสัมพันธ์กับระยะเวลาเป็นวันภายหลังการเก็บเกี่ยวพบว่าค่า ความถ่วงจําเพาะไม่ให้ความแตกต่างในการแบ่งกลุ่มที่ระดับความ เชื่อมัน 95% ส่วนปัจจัยอื่นให้ผลดังนี้ การเปลี่ยนแปลงค่าสีของเปลือกและเนื้อผลที่วัดในระบบ L*, a* และ b* แสดงใน Figure 2 ซึ่งจะพบว่าค่า L* ของเนื้อผลมี แนวโน้มลดลงเมื่อจํานวนวันหลังการเก็บเกี่ยวเพิ่มขึ้นนั่นคือ สี ของเนื้อผลจะเปลี่ยนจากสีขาวไปเป็นสีเหลืองที่มากขึ้น ส่วนค่า L* ของเปลือกไม่มีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสําคัญจนกระทั่ง วันที่ 12 สําหรับค่า a* ของทั้งเปลือกและเนื้อซึ่งแสดงการ เปลี่ยนแปลงของสีจากเขียวไปเป็นแดงนั้น เมื่อมะม่วงน้ําดอกไม้มี ความสุกเพิ่มขึ้นจะเกิดการเปลี่ยนแปลงของทั้งสีเปลือกและสีเนื้อ โดยเปลือกจะเปลี่ยนจากสีเขียวไปเป็นเหลือง ส่วนเนื้อจะเปลี่ยน จากสีขาวไปเป็นสีเหลืองส้ม จึงทําให้ค่า a* ของเปลือกมีการ

54

เปลี่ยนแปลงอย่างชัดเจนในวันที่ 3 หลังการเก็บเกี่ยว จากนั้นการ เพิ่ มขึ้ น ของค่า สี มีค วามแตกต่ า งกั น อย่ า งไม่มี นั ยสํ า คัญ เมื่อ วั น เพิ่มขึ้น ซึ่งลักษณะการเปลี่ยนแปลงค่า a* ของเนื้อก็เพิ่มขึ้นใน ทํ า นองเดี ย วกั น กั บ เปลื อ ก สํ า หรั บ ค่ า b* ซึ่ ง แสดงการ เปลี่ยนแปลงของสีจากสีน้ําเงินไปเป็นสีเหลืองนั้นพบว่าค่า b* ของเปลือกจะพัฒนาขึ้นทีละน้อยจนเห็นการเปลี่ยนแปลงอย่าง ชัดเจนในวันที่ 8 ส่วนค่า b* ของเนื้อนั้นจะมีการพัฒนาซึ่ง แบ่งกลุ่มอย่างชัดเจนในวันที่ 3 และเมื่อมองในภาพรวมการ เปลี่ยนแปลงสีของเปลือกและเนื้อมะม่วงน้ําดอกไม้เมื่อมีการสุก เกิดขึ้น พบว่าค่า a* และ b* จะแสดงให้เห็นความเปลี่ยนแปลงที่ ชัดเจนกว่าค่า L* เมื่ อ พิ จ ารณาค่ า ความแน่ น เนื้ อ พบว่ า มี ค่ า ลดลงในขณะที่ มะม่วงน้ําดอกไม้เกิดการสุกตามจํานวนวันหลังการเก็บเกี่ยวที่ เพิ่มมากขึ้น (Figure 3) โดยการเปลี่ยนแปลงอย่างชัดเจนเกิดขึ้น จนถึงวันที่ 3 ทั้งความแน่นเนื้อที่วัดทั้งเปลือกและเฉพาะเนื้อโดย ในช่วงเริ่มต้นพบว่าความแน่นเนื้อมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว จนเมื่อกระบวนการสุกเกิดขึ้นเต็มที่ในวันที่ 6 ความแน่นเนื้อจึงมี การเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย เมื่ อ พิ จ ารณาค่ า ปริ ม าณของแข็ ง ที่ ล ะลายได้ พ บว่ า เมื่ อ ระยะเวลาหลังการเก็บเกี่ยวเพิ่มมากขึ้นมะม่วงมีความสุกเพิ่มขึ้น ค่าปริมาณของแข็งที่ละลายได้ของมะม่วงน้ําดอกไม้มีค่าเพิ่มขึ้น จาก 5.2°Brix เป็น 17°Brix โดยการเพิ่มขึ้นในช่วงวันที่ 1-3 เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อมะม่วงเกิดการสุกอย่างเต็มที่แล้วปริมาณ ของแข็งที่ละลายจะไม่เปลี่ยนแปลงจนถึงวันสุดท้ายของการเก็บ รั ก ษา ในขณะที่ ป ริ ม าณกรดที่ ไ ทเทรตได้ จ ะมี พ ฤติ ก รรมการ เปลี่ยนแปลงที่ตรงกันข้าม (Figure 4) นั่นคือ เมื่อการสุกเพิ่มขึ้น ปริมาณกรดที่ไทเทรตได้จะลดลงโดยสังเกตได้ชัดเจนในช่วงวันที่ 1-7 จากนั้นปริมาณกรดที่ไทเทรตได้จะมีค่าค่อนข้างคงที่ในวันที่ 8-12 ซึ่งเมื่อพิจารณาปริมาณกรดที่ไทเทรตได้ของมะม่วง น้ํ า ดอกไม้ จ ากตั ว อย่ า งที่ นํ า มาทดลองในงานวิ จั ย นี้ พบว่ า มี ปริมาณกรดเริ่มต้นและพฤติกรรมการลดลงของปริมาณกรดที่ ไทเทรตได้คล้ายคลึงกับผลที่ได้จากการศึกษาของ สายชล และ สุนทร (2535) ทั้งนี้อาจเนื่องมาจากตัวอย่างของมะม่วงมาจาก แหล่งการผลิตเดียวกันคือ อําเภอปากช่อง จังหวัดนครราชสีมา

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 52–58

(B)

(A)

(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).

55

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 52–58

เมื่อพิจารณาการเปลี่ยนแปลงทางกล, กายภาพ และเคมีของ มะม่วงน้ําดอกไม้ พบว่าหากพิจารณาเพียงปัจจัยหนึ่งปัจจัยเดียว จะไม่สามารถแบ่งระยะการสุก (stage) ของมะม่วงน้ําดอกไม้ได้ ชัดเจน ดังนั้นจึงได้ทําการวิเคราะห์ปัจจัยเพื่อหาความสัมพันธ์กับ ระยะการสุกของมะม่วงน้ําดอกไม้ ซึ่งผลจากการวิเคราะห์ปัจจัย ในรูป component plot (Figure 5) เพื่อตรวจสอบ ความสัมพันธ์ของปัจจัยแต่ละตัวพบว่าระยะการสุกของมะม่วง (ripening stage) มีแนวโน้มไปในทิศทางเดียวกับค่าสี a* ของ เนื้อ (a_flesh) และเปลือก (a_peel), ค่าสี b* ของเนื้อ (b_flesh), ปริมาณของแข็งที่ละลายได้ (TSS) และปริมาณ ของแข็งที่ละลายได้ต่อปริมาณกรดที่ไทเทรตได้ (TSS/TA) ซึ่ง ปัจจัยทั้งหมดนี้ถูกจัดให้อยู่ใน component 1 และมีความ แปรปรวนเป็น 60.08% ค่าความแน่นเนื้อทั้งเปลือกและเนื้อ (f_peel และ f_flesh) และค่าปริมาณกรดที่ไทเทรต (TA) ได้มี ความสัมพันธ์ผกผันกับระยะการสุก (stage) เนื่องจากขณะที่ ระยะการสุ ก เพิ่ ม ค่ า จากระยะดิ บ ไปจนถึ ง ระยะสุ ก เกิ น ค่ า f_peel, f_flesh และ TA จะมีค่าลดลงอย่างผกผันกัน ในขณะที่ ค่ า สี L* ของเปลื อ ก (l_peel) ถู ก จั ด กลุ่ ม แยกไปอยู่ ใ น component 2 อย่างเด่นชัดและมีความแปรปรวนเป็น 14.03% โดยที่ค่าความถ่วงจําเพาะ (sg) และค่า b* เปลือก (b_peel) ค่อนข้างกระจายและไม่มีความสัมพันธ์กับปัจจัยอื่นในทิศทางที่ เด่นชัด โดยที่ความแปรปรวนรวมของ component ทั้งสองมีค่า เป็น 74.11%

Figure 5 Component plots of all variables in experiment. เมื่อวิเคราะห์ค่าสหสัมพันธ์ระหว่างตัวแปร (Table 1) พบว่า ทุกตัวแปรยกเว้น sg และ l_peel มีความสัมพันธ์อย่างยิ่งกับ stage ซึ่งสอดคล้องกับผลจากการวิเคราะห์ปัจจัย ตัวแปรที่มีค่า 56

สหสัมพันธ์กับ ripening stage สูงมากนอกจากตัวแปร f_peel ที่มีค่าสหสัมพันธ์สูงสุดซึ่งใช้ในการแบ่ง ripening stage แล้ว ได้แก่ TA, f_flesh, a_peel, b_flesh, a_flesh, TSS/TA และ TSS ซึ่งตัวแปรเหล่านี้มีศักยภาพที่จะใช้ในการวิเคราะห์ร่วมกับ f_peel ในการประเมินระยะการสุกของมะม่วงน้ําดอกไม้ได้ ออกเป็นสามกลุ่มคือ ระยะดิบ (unripe), ระยะสุก (ripe) และ ระยะสุกเกิน (overripe) ให้มีความแม่นยําสูงขึ้นมากกว่าการใช้ ค่า f_peel เพียงตัวเดียวในการจําแนก จากการวิเคราะห์จําแนกกลุ่ม (Discriminant analysis) พบว่าในภาพรวมของการจําแนกระยะการสุกของมะม่วงน้ําดอกไม้ กลุ่มตัวแปรสมบัติเชิงกล (Mechanical propertiesได้แก่ f_peel และ f_flesh) มีความสามารถในการจําแนกระยะการสุกได้ดีที่สุด คือ 85% (Table 2) โดยสามารถจําแนกวัย unripe ได้ถูกต้องถึง 100% รองลงมาคือ กลุ่มตัวแปรสมบัติทางเคมี (Chemical properties ได้แก่ TSS, TA และTSS/TA) กลุ่มตัวแปรสีของเนื้อ (Color of flesh ได้แก่ l_flesh, a_flesh และ b_flesh) และ การใช้กลุ่มตัวแปรสีของเปลือก (Color of peel ได้แก่ l_peel, a_peel และ b_peel) มีความสามารถในการจําแนกระยะการ สุกได้น้อยที่สุดเพียง 73.3% อย่างไรก็ตามการใช้ความแน่นเนื้อ เพียงอย่างเดียว หรือการใช้คุณสมบัติเพียงกลุ่มใดกลุ่มหนึ่งในการ ประเมินระยะการสุกอาจไม่ครอบคลุมเกณฑ์คุณภาพที่ต้องการ จําแนกอย่างเพียงพอ ประกอบกับระยะสุก (ripe) ที่จําแนกได้ จากกลุ่มตัวแปรเชิงกลยังมีค่าไม่สูงมากพอ (ถูกต้องเพียง 65.2%) จึงเป็นไปได้ว่าเราไม่สามารถใช้ค่าหรือกลุ่มตัวแปรใดเพียงกลุ่ม เดียวในการจําแนกระยะการสุกได้อย่างถูกต้องเพียงพอ เมื่อทําการวิเคราะห์ผลด้วยวิธีการ Stepwise เพื่อคัดเลือก เฉพาะตัวแปรที่มีความสามารถต่อการจําแนกระยะการสุกได้ดี ที่ สุ ด พ บ ว่ า ก า ร ใ ช้ ตั ว แ ป ร f_peel ร่ ว ม กั บ TSS/TA มี ความสามารถในการจําแนกระยะการสุกของมะม่วงน้ําดอกไม้ได้ ดีที่สุดถึง 91.7% และสามารถเพิ่มการจําแนกระยะสุก (ripe) ได้ ถูกต้องยิ่งขึ้นเป็น 82.6% (Table 3) โดยที่กลุ่มของมะม่วง น้ําดอกไม้ทั้ง 3 ระยะการสุกแสดงใน Figure 6 จาก Figure 6 ค่า Discriminant function 1 อธิบายความ แปรปรวนได้ 98.3% โดยที่ความแปรปรวนอีก 1.7% ถูกอธิบาย ได้ด้วย Discriminant function 2 กลุ่มของมะม่วงระยะ unripe แยกออกจากอีกสองระยะอย่างชัดเจน (100%) ส่วนกลุ่มของวัย ripe กับ overripe มีบางส่วนเจือกันอยู่ และค่า Centroid ของ แต่ละกลุ่มระยะการสุกที่จําแนกได้แยกกันอย่างชัดเจน

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 52–58

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

0.683** -0.824** -0.749**

-0.812** 0.718** 0.616**

0.768**

b_peel

0.174

0.681**

0.458**

1

-0.158

0.793** -0.503** -0.467**

-0.628** 0.418** 0.750**

0.542**

l_flesh

0.009

0.186

-0.696**

-0.158

1

a_flesh

0.043

-0.102

0.625**

0.384** -0.787**

b_flesh 0.286*

0.270*

0.683**

0.793** -0.336** 0.537**

f_peel

-0.203

-0.120

-0.824** -0.503** 0.642** -0.551** -0.745**

f_flesh

-0.194

-0.084

-0.749** -0.467** 0.618** -0.532** -0.696** 0.929**

TA

-0.192

-0.158

-0.812** -0.628** 0.655** -0.757** -0.820** 0.866** 0.829**

TSS

0.185

0.104

0.718**

0.418** -0.526** 0.475**

0.618** -0.871** -0.825**

-0.794**

TSS/TA

0.110

0.171

0.616**

0.750** -0.464** 0.711**

0.874** -0.639** -0.578**

-0.805** 0.529**

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**

0.458** -0.696** 0.625** 0.384**

-0.787** -0.336** 0.642** 0.618** 1

0.537** -0.551** -0.532** 1

-0.745** -0.696** 1

0.655** -0.526** -0.464** -0.616** -0.757** 0.475** 0.711**

0.640**

-0.820** 0.618** 0.874**

0.752**

0.929**

0.866** -0.871** -0.639** -0.880**

1

0.829** -0.825** -0.578** -0.785** 1

-0.794** -0.805** -0.849** 1

0.529**

0.730**

1

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.

Total correctly STAGE Predicted Group Membership (%) Variable group classified group (%) unripe ripe overripe Mechanical 100.0 0.0 0.0 propertiesa 85.0 unripe 0.0 65.2 34.8 ripe 0.0 4.3 95.7 overripe 100.0 0.0 0.0 Chemical propertiesb 83.3 unripe 8.7 65.2 26.1 ripe 0.0 8.7 91.3 overripe 92.9 7.1 0.0 Color of fleshc 81.7 unripe 0.0 69.6 30.4 ripe 0.0 13.0 87.0 over ripe 92.9 7.1 0.0 Color of peeld 73.3 unripe 17.4 56.5 26.1 ripe 0.0 21.7 78.3 overripe a Notes: Mechanical properties are f_peel and f_ flesh variables. b Chemical properties are TSS and TA variables. c,d Color of flesh and peel in l*, a* and b*.

57

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 52–58

Table 3 Classification Results from f_peel and tss_ta variables.

STAGE Total Classified Group (%) unripe ripe over ripe unripe 100.0 0.0 0.0 ripe 0.0 82.6 17.4 over ripe 0.0 4.3 95.7 Total correctly classified group (%)

100.0 100.0 100.0 91.7

Figure 6 Scatter plots between canonical functions developed from f_peel and TSS/TA. 4 สรุป สมบัติทางทางกล, ทางกายภาพ และทางเคมี ของมะม่วง น้ําดอกไม้ระหว่างการสุกเป็นปัจจัยที่มีความสัมพันธ์กับระยะการ สุก โดยปัจ จัยที่สามารถจําแนกระยะสุกของมะม่ว งน้ําดอกไม้ ออกเป็น 3 ระยะการสุกคือ ระยะดิบ, ระยะสุก และระยะสุก เกิน ด้วยวิธีการวิเคราะห์จําแนกกลุ่ม คือ ค่าความแน่นเนื้อทั้ง เปลือก (f_peel) และอัตราส่วนของปริมาณของแข็งที่ละลายได้ ต่อปริมาณกรดที่ไทเทรตได้ (TSS/TA) ซึ่งสามารถจําแนกระยะ การสุกรวมของมะม่วงน้ําดอกไม้ได้ถูกต้อง 91.7% โดยจําแนก ระยะดิบ, ระยะสุก และระยะสุกเกินได้ถูกต้อง 100%, 82.6% และ 95.7% ตามลําดับ

58

5 กิตติกรรมประกาศ ขอขอบคุณมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารีที่ให้ทุนสนับสนุน นักศึกษาบัณฑิตศึกษาภายใต้โครงการ OROG 6 เอกสารอ้างอิง จารุวัฒน์ โรจนภัทรากุล และศิริชัย กัลยานรัตน์. 2545. ผลของ 1-methylcyclopropene ต่อการชะลอการสุกของมะม่วง พันธุ์น้ําดอกไม้. วารสารวิทยาศาสตร์เกษตร ปีที่ 33 ฉบับที่ 6 (พิเศษ), 60-67. สายชล เกตุษา และสุนทร โปรทา. 2535. คุณภาพผลมะม่วงสุก และการเปลี่ ย นแปลงหลั ง การเก็ บ เกี่ ย วของผลมะม่ ว ง น้ํ า ดอกไม้ ที่ เ ก็ บ เกี่ ย วอายุ ต่ า งกั น . วิ ท ยสารเกษตรศาสตร์ (วิทยาศาสตร์) 26, 12-19. ศักยะ สมบัติไพรวัน, เทวรัตน์ ทิพยวิมล และกระวี ตรีอํานรรค.

2555. การเปลี่ ย นแปลงลั ก ษณะทางคุ ณ ภาพของมะม่ ว ง น้ําดอกไม้ภายหลังการเก็บเกี่ยว. รายงานการประชุมวิชาการ สมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทยครั้งที่ 13 ประจําปี 2555, 680-687. เชี ย งใหม่: โรงแรมอิม พิ เรี ยลแม่ปิ ง . 4-5 เมษายน 2555, เมือง, เชียงใหม่. ศูนย์สารสนเทศเกษตร. 2552. รายงานการส่งออกผลิตผลเกษตร 2549 ถึง 2552. สํานักงานเศรษฐกิจการเกษตร กระทรวง เกษตรและสหกรณ์.

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.

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 59–67

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 18 ฉบับที่ 1 (2555) 59–68 Available online at www.tsae.asia

บทความวิจัย ISSN 1685-408X

แบบจําลองการอบแห้งใบกะเพราด้วยคลื่นไมโครเวฟ Microwave Drying Models of Holy Basil (Ocimum sanctum L.) Leaves ปองพล สุริยะกันธร, ฤทธิชัย อัศวราชันย์* Pongpol Suriyakanthorn, Rittichai Assavarachan* คณะวิศวกรรมและอุตสาหกรรมเกษตร, มหาวิทยาลัยแม่โจ้, สันทราย, เชียงใหม่, 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: rittichai@mju.ac.th บทคัดย่อ งานวิจัยนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อศึกษาหาแบบจําลองการอบแห้งแบบชั้นบางสําหรับทํานายการเปลี่ยนแปลงอัตราส่วนความชื้น ของใบกะเพราในระหว่างการอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟระดับห้องปฏิบัติการ ที่ระดับพลังงานของคลื่นไมโครเวฟระหว่าง 164-752 W อบแห้งใบกะเพราจากความชื้นเริ่มต้น 5.19±0.13 gwater/gdry matter จนเหลือความชื้น 0.06±0.02 gwater/gdry matter ใช้เวลาในการ อบแห้งระหว่าง 18.50-2.75 min แบบจําลองการอบแห้งแบบชั้นบางซึ่งประกอบไปด้วย Lewis, Henderson and Pabis, Page, Wang and Singh และ Logarithmic เพื่อใช้ในการหารูปแบบการทํานายอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงความชื้นของใบกะเพราใน ระหว่างการอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟที่ระดับพลังงานและเวลาอบแห้งต่างๆ ผลการศึกษาพบว่าแบบจําลองการอบแห้งแบบชั้นบาง ของ Page สามารถทํ า นายคุ ณ ลั ก ษณะการอบแห้ ง ของใบกะเพราได้ เ หมาะสมที่ สุ ด เนื่ อ งจากให้ ค่ า สั ม ประสิ ท ธิ์ ก ารตั ด สิ น ใจ (Coefficient of determination, R2) สูงที่สุด ในขณะที่ให้ค่าไคกําลังสอง (Chi-square, 2), ค่ารากที่สองของความคลาดเคลื่อน กําลังสองเฉลี่ย (Root mean square error, RMSE) และค่าความคลาดเคลื่อนเอนเอียงเฉลี่ย (Mean bias error, MBE) ต่ําที่สุด ค่า สัมประสิทธิ์การแพร่ยังผล (Effective moisture diffusivities) ของใบกะเพราที่ระดับพลังงานของคลื่นไมโครเวฟ 164-752 W มีค่า ระหว่าง 0.3214x10-10 - 2.0703x10-10 m2 s-1 และค่าพลังงานกระตุ้น (Activation energy) ซึ่งคํานวณจากความสัมพันธ์ในรูปแบบ ของสมการอาร์เรเนียสมีค่าเท่ากับ 19.85 W g-1 คําสําคัญ: ใบกะเพรา, การอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟ, แบบจําลองการอบแห้งแบบชั้นบาง 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 18.502.75 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 59

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 59–67

1 บทนํา กะเพรา มีชื่อเรียกทางวิทยาศาสตร์ว่า Ocimum sanctum L. เป็นพืชท้องถิ่นแถบเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ปลูกมากใน ประเทศไทยและมาเลเซีย กะเพราเป็นพืชผักจําพวกเครื่องเทศที่ ได้รับความนิยมจากผู้บริโภคโดยใช้ใบสดใบอ่อนในการประกอบ อาหารเพื่อช่วยดับกลิ่นคาว และทําให้อาหารมีกลิ่นหอมรวมทั้ง ยังมีสรรพคุณทางยาช่วยให้ร่างกายได้รับประโยชน์ทําให้เลือดลม ดีช่วยในระบบทางเดินอาหาร ใช้เป็นยาตั้งธาตุแก้ปวดท้องขับลม ลดอาการท้องอืดท้องเฟ้อ เป็นต้น นอกจากนั้นยังสามารถสกัด น้ํามันหอมระเหยจากใบกะเพราซึ่งในน้ํามันหอมระเหยจะมีสาร ต้ า นอนุ มู ลอิ ส ระ (Antioxidants) และสารต้ านปฏิ กิ ริ ยา ออกซิเดชัน (กองการแพทย์ทางเลือก กรมพัฒนาการแพทย์แผน ไทยและการแพทย์ทางเลือก กระทรวงสาธารณสุข, 2550) การอบแห้งเป็นกระบวนการแปรรูปที่ช่วยให้ผลิตภัณฑ์มีอายุ การเก็ บ รั ก ษาที่ ย าวนาน โดยการลดปริ ม าณน้ํ า อิ ส ระหรื อ ความชื้น (Water activity) ต่ําจนถึงระดับที่สามารถยับยั้งการ เจริญเติบโตของเชื้อจุลินทรีย์ และการทํางานของเอนไซม์ที่ส่งผล ต่ อ การเปลี่ ย นแปลงคุ ณ ภาพในอาหาร นอกจากนั้ น การลด ความชื้นและปริมาตรของอาหารยังช่วยลดค่าใช้จ่ายและสะดวก ในการเก็ บ รั ก ษา และการขนส่ ง (ฤทธิ ชั ย และคณะ, 2554) วิธีการอบแห้งอาหารและวัสดุชีวภาพนั้นมักใช้การอบแห้งด้วยลม ร้อนเพื่อทําให้แ ห้ง ซึ่ง เป็น วิธีค วบคุม การทํา งานได้ง่ า ยและไม่ ซับ ซ้อ นแต่มีข้อจํา กัด ที่สํา คั ญ คื อ ใช้เ วลาในการอบแห้ง ที่น าน ส่งผลต่อการเสื่อมคุณภาพทางกายภาพ, การสูญเสียสารอาหาร และสารออกฤทธิ์สําคัญต่างๆ การอบแห้งเป็นกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายเทความ ร้อนและมวลสาร ตลอดจนการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติต่างๆ ของ อาหารซึ่งเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ทั้งยังได้รับผลกระทบจากปัจจัย ต่างๆ เป็นจํานวนมาก หากต้องการหาสภาวะที่เหมาะสมในการ อบแห้งอาหารหรือวัสดุชีวภาพจะต้องทําการทดลองหลายครั้ง เพื่อหาข้อมูลผลกระทบของปัจจัยต่างๆ ซึ่งจะทําให้เสียค่าใช้จ่าย หรือเวลาที่ต้องใช้ในการทดลอง รวมทั้งเกิดความยุ่งยากในการ ทดลอง (สักกมน, 2555) ดังนั้นการทดลองเพื่อกําหนดสภาวะ การอบแห้ง และแบบจําลองการอบแห้งจึงเป็นสิ่งที่สําคัญอย่างยิ่ง ในการออกแบบระบบการอบแห้ง ปัจจุบันแบบจําลองการอบแห้ง ได้นําไปใช้ในการจําลองสภาวะการอบแห้งและศึกษาผลกระทบ ของปั จ จั ย ต่ า งๆ ในกระบวนการตลอดจนการทดลองและ เปรียบเทียบเงื่อนไขการอบแห้งแบบต่างๆ เพื่อกําหนดสภาวะที่

60

เหมาะสมแทนการทดลองจริ ง เนื่ อ งจากมี ค วามสะดวกและ ประหยัดค่าใช้จ่ายในการทดลอง คลื่นไมโครเวฟจัดเป็นนวัตกรรมการสร้างความร้อนด้วยคลื่น แม่ เ หล็ ก ไฟฟ้ า ที่ มี ป ระสิ ท ธิ ภ าพสู ง ซึ่ ง สามารถสร้ า งความร้ อ น ภายในอาหารหรือวัสดุชีวภาพได้ดี เนื่องจากไม่มีผลกระทบจาก การถ่ายเทความร้อนผ่านตัวกลาง ดัง นั้นการอบแห้ง ด้ว ยคลื่น ไมโครเวฟจึงเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของการอบแห้ง สามารถ ลดเวลาในการอบแห้งได้ดีกว่าการอบแห้งด้วยลมร้อน 7-10 เท่า จึงช่วยรักษาคุณภาพ และลดอัตราการสูญเสียสารอาหารได้เป็น อย่างดี (ฤทธิชัย, 2554ก) สอดคล้องกับผลงานวิจัยของ น้ําฝน และคณะ (2555), Ozkan et al. (2007), Dadal et al. (2007), Assawarachan et al. (2011), Özbek and Dadali (2007) และ Maskan (2001) ซึ่ ง พบว่ า การอบแห้ ง สาหร่ า ยเตา (Spirogyra sp.), ผักขม (Spinach), กระเจี๊ยบเขียว (Okra), ข้าวเปลือก (Paddy rice), ใบสะระแหน่ (Mint leaves) และกีวี แผ่น (Kiwifruits) ด้วยคลื่นไมโครเวฟสามารถช่วยเร่งอัตราการ อบแห้ง ได้เร็วกว่าการอบแห้ง ด้วยลมร้อน และช่วยลดการสูญ สลายสารอาหารที่สําคัญ บทความวิ จั ย นี้ จึ ง มุ่ ง ศึ ก ษาเพื่ อ หาผลกระทบของระดั บ พลั ง งานคลื่ น ไมโครเวฟที่ ใ ช้ ใ นการอบแห้ ง ต่ อ อั ต ราการ เปลี่ ย นแปลงความชื้ น ของใบกะเพรา และหาแบบจํา ลองการ อบแห้งที่เหมาะสมในระหว่างการอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟ, ค่า สัมประสิทธิ์การแพร่ และระดับพลังงานกระตุ้นในระหว่างการ อบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟ โดยข้อมูลดังกล่าวจะใช้เป็นแนวทาง ในการพัฒนาวิธีการอบแห้งใบกะเพรา ตลอดจนการออกแบบ ระบบการอบแห้ ง ด้ ว ยคลื่ น ไมโครเวฟให้ เ หมาะสมในระดั บ อุตสาหกรรม 2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 วัตถุดิบ แยกก้านและใบกะเพรา จํานวน 10 kg นํามาล้างด้วยน้ํา สะอาดจํานวน 3 ครั้ง จากนั้นนําไปเข้าเครื่องหมุนเหวี่ยง (ยี่ห้อ Wasino รุ่น CE03) เพื่อไล่น้ําออกจากใบกะเพรา จากนั้น บรรจุ ใบกะเพราในถุงพลาสติกปิดสนิท ขนาดถุงละ 2 kg จํานวน 5 ถุง โดยตั ว อย่ า งแต่ ล ะถุ ง ใช้ กั บ การทดลองที่ แ ต่ ล ะระดั บ พลั ง งาน จากนั้นนําไปเก็บรักษาในตู้เย็น (ยี่ห้อ Haier รุ่น HP-921F) ที่ อุณหภูมิ 4±0.5°C เป็นเวลา 24 h เพื่อให้ใบกะเพราเกิดการ ถ่ า ยเทความชื้ น เข้ า สู่ ส ภาวะสมดุ ล ซึ่ ง เป็ น แนวทางเดี ย วกั บ

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 59–67

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

(2007)

สามารถปรับระดับพลังงานคลื่นไมโครเวฟได้ 5 ระดับ ได้แก่ 164, 231, 465, 605 และ 752 W (ฤทธิชัย และคณะ, 2555)

2.2 การวิเคราะห์ค่าความชื้นเริ่มต้นของใบกะเพรา นําใบกะเพราจํานวน 1 g ใส่ในถ้วยอะลูมิเนียมขนาด 2.5 oz ที่ผ่านการอบเพื่อไล่ความชื้น จํานวน 60 ตัวอย่าง (สุ่มตัวอย่างใบ กะเพราจํานวน 12 ตัวอย่างต่อถุง) นําไปอบแห้งด้วยตู้อบแห้ง ด้วยลมร้อน (ยี่ห้อ Memmert รุ่น 500/108I) ที่อุณหภู มิ 105±2°C เป็นเวลา 24 h (AOAC, 2005) จากนั้นนํามาชั่ง น้ําหนักใบกะเพราด้วยตาชั่งระบบดิจิตอล 4 ตําแหน่ง (ยี่ห้อ Sartorius รุ่น CP2245) นําข้อมูลผลต่างของน้ําหนักใบกะเพรา ก่อนและหลังการอบแห้งมาคํานวณหาค่าความชื้นของใบกะเพรา โดยมีสมการความสัมพันธ์ตามที่แสดงใน Eq. 1 MC 

WI  WF WF

(1)

เมื่อ MC คือ ความชื้นของใบกะเพรา (gwater/gdry matter), WI และ WF คือ น้ําหนักของใบกะเพราสด (น้ําหนักเริ่มต้น) และน้ําหนัก สุดท้ายของใบกะเพรา (g) ตามลําดับ อั ต ราส่ ว นความชื้ น ของการอบแห้ ง ใบกะเพราด้ ว ยคลื่ น ไมโครเวฟจะวิ เ คราะห์ ใ นรู ป ความสั ม พั น ธ์ ร ะหว่ า งอั ต ราส่ ว น ความชื้ น และเวลาที่ ใ ช้ ใ นการอบแห้ ง ซึ่ ง อั ต ราส่ ว นความชื้ น สามารถคํ า นวณได้ จ าก Eq. 2 โดยรู ป แบบสมการดั ง กล่ า ว สอดคล้องกับงานวิจัยของ Özbek and Dadali (2007); Wang et al. (2007) และ Evin (2012)

Figure 1 Diagram of microwave drying system. การอบแห้งใบกะเพราด้วยคลื่นไมโครเวฟ โดยนําใบกะเพรา จํานวน 30 g วางในถาดเซรามิครูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาด 20x20 cm2 (ยี่ ห้ อ Cuizimate) อบแห้ ง ด้ ว ยคลื่ น ไมโครเวฟที่ ร ะดั บ พลังงานต่างๆ จํานวน 3 ซ้ํา จนเหลือความชื้น 0.06±0.02 gwater/gdry matter

2.4 แบบจําลองการอบแห้ง รายงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการอบแห้งอาหารหรือวัสดุชีวภาพ ด้ ว ยคลื่ น ไมโครเวฟพบว่ า แบบจํ า ลองการอบแห้ ง ด้ ว ยคลื่ น ไมโครเวฟที่นิยมใช้ในการศึกษาสําหรับการอบแห้งอาหารหรือ Mt  Me M วัสดุชีวภาพจําพวกผักและผลไม้ มักจะเลือกใช้แบบจําลองการ (2)  MR  Mi  Me Mi อบแห้ ง ในรู ป แบบของสมการกึ่ ง ทฤษฎี (Semi–theoretical เมื่อ MR คือ อัตราส่วนความชื้น และ Mt, Mi และ Me คือ equation) และสมการเอมพิ ริ คั ล (Empirical equation) เช่ น ความชื้ น ที่ เ วลาใดๆ, ความชื้ น เริ่ ม ต้ น และความชื้ น สมดุ ล แบบจําลองของ Lewis, Henderson and Pabis, Page, Wang ตามลํ า ดั บ ซึ่ ง ในการศึ ก ษาการอบแห้ ง ด้ ว ยคลื่ น ไมโครเวฟค่ า and Singh และ Logarithmic ซึ่งรูปแบบความสัมพันธ์ของ ความชื้นสมดุลจะสามารถพิ จารณาให้มีค่าเท่ ากับศูนย์ (Alibas, แบบจําลองการอบแห้งดังแสดงใน Table 1 (Alibas, 2007; 2007; น้ําฝน และคณะ, 2555; Evin, 2012) Wang et al., 2007 และ Ozkan et al., 2007) นอกจากแบบจําลองการอบแห้งแบบเอมพิริคัลแล้ว สมการที่ 2.3 การอบแห้งใบกะเพราด้วยคลื่นไมโครเวฟ เครื่ อ งอบแห้ ง ด้ ว ยคลื่ น ไมโครเวฟที่ ใ ช้ ใ นการศึ ก ษาครั้ ง นี้ นิยมใช้ในการทํานายอัตราการเปลี่ยนแปลงความชื้นในระหว่าง พั ฒ นาโดยสาขาวิ ศ วกรรมอาหาร คณะวิ ศ วกรรมและ การอบแห้งด้วยสมการกึ่งทฤษฎีจะมีความสัมพันธ์ในรูปกฎข้อที่ อุตสาหกรรมเกษตร มหาวิทยาลัยแม่โจ้ โดยติดตั้งระบบใบกวน สองของฟิค (Fick’s second law) ในสภาวะการแพร่ความชื้นที่ คลื่ น (Mode stirring) ที่ เ ตาไมโครเวฟขนาด 800 W (ยี่ ห้ อ ไม่คงที่สามารถใช้ในการหาอัตราส่วนความชื้นดังแสดงใน Eq. 3 Panasonic รุ่ น NN-S235WF) วางบนฐานเหล็ ก ที่ ติ ด ตั้ ง ตาชั่ ง สํ า หรั บ วั ส ดุ ที่ มี รู ป ทรงเป็ น แผ่ น ระนาบที่ มี ค วามยาวมากๆ ระบบดิจิตอล (ยี่ห้อ Sartorius รุ่น CP3202S) บันทึกปริมาณ (Infinite slab) และมีความหนาครึ่งหนึ่งของตัวอย่างอาหารหรือ น้ํ า หนั ก ที่ เปลี่ ย นแปลงในระหว่ า งการอบแห้ ง (Figure 1) โดย วั ส ดุ ชี ว ภาพที่ มี รู ป ร่ า งเป็ น แผ่ น ระนาบเช่ น กล้ ว ยฉาบ และ สาหร่ายทะเลแผ่น (สุเนตร และฤทธิชัย, 2554) 61

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 59–67

Table 1 Mathematical drying models given by various authors.

Model name Model equation Reference 1. Lewis McMinn MR  exp(kt) (2006) 2. Henderson Dadal et al.

MR  a exp(kt) and Pabis (2007) MR  exp(kt n )

Pongtong et al. (2011)

4. Wang and Singh

MR  1  at  bt 2

Wu and Hu (2007)

5. Logarithmic

MR  a exp(kt)  c

Evin (2012)

3. Page

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

MR 

Deff  t   exp   2  4 L2    8

2

(3)

เมื่อ Deff คือ สัมประสิทธิ์การแพร่ความชื้น (m2 s-1), L คือ ความ หนาของใบกะเพรา และ t คือเวลาในการอบแห้ง (s) (Wang et al., 2007; Dadali and Ozbek, 2007) พลังงานกระตุ้นสําหรับการแพร่ (Activation energy for diffusion, Ea) ด้วยสมการอาร์เรเนียส (Arrhenius equation) แสดงใน Eq. 4  E m  k  k0 exp   a  P  

(4)

เมื่อ k0 คือ แฟกเตอร์ความถี่ (min-1), Ea คือ พลังงานกระตุ้น (W g-1), m คือ น้ําหนักของใบกะเพรา (g) และ P คือ พลังงานของ คลื่นไมโครเวฟ (W) (Pongtong, 2011; Özbek and Dadali, 2007; สุเนตร และฤทธิชัย, 2554)

2.5 การทวนสอบความแม่นยําของแบบจําลองการอบแห้ง การทวนสอบแบบจํ า ลองการอบแห้ ง นิ ย มใช้ เ พื่ อ ประเมิ น ความเข้ากันได้ของแบบจําลองกับข้อมูลที่ได้จากการทดลองหรือ ความกลมกลืน (Goodness of fit) ของแบบจําลอง พารามิเตอร์ ที่นิยมใช้คือ ค่าสัมประสิทธิ์การตัดสินใจ (Coefficient of determination, R2), ค่าไคกําลังสอง (Chi-square, 2), ค่าราก ที่สองของความคลาดเคลื่อนกําลังสองเฉลี่ย (Root mean square error, RMSE) และค่าความคลาดเคลื่อนเอนเอียงเฉลี่ย (Mean bias error, MBE) เป็นพารามิเตอร์ทางสถิติซึ่งช่วยใน การวิ เ คราะห์ ก ารเปรี ย บเที ย บเพื่ อ หาค่ า ความแม่ น ยํ า ในการ ทํา นายค่า อัตราส่วนความชื้น ที่เปลี่ยนแปลงไปในระหว่า งการ อบแห้งใบกะเพราด้วยคลื่นไมโครเวฟ (Wang et al., 2007; Cui et al., 2004; Ozkan et al., 2007; Maskan, 2001) โดยค่า R2 เป็นค่าพารามิเตอร์ทางสถิติที่สําคัญในการบ่งบอกคุณภาพของ รูปแบบสมการในแบบจําลองการอบแห้ง โดยยิ่งมีค่าเข้าใกล้ 1.0 แสดงว่าแบบจําลองดังกล่าวมีความแม่นยํามาก ในขณะที่ค่า 2, ค่า RMSE และค่า MBE เป็นพารามิเตอร์ทางสถิติที่ใช้บ่งบอก ความผิ ด พลาดในการทํ า นายค่ า ของแบบจํ า ลองการอบแห้ ง ดังนั้นแบบจําลองการอบแห้งที่มีค วามแม่นยําในการทํานายที่ เหมาะสม ควรจะมีค่า R2 มากแต่มีค่า 2, ค่า RMSE และค่า MBE น้อย โดยสมการหาพารามิเตอร์ทั้งสี่ค่าแสดงใน Eq. 5–8 (Assawarachan and Noomhorm, 2011; Wang et al., 2007, Cui et al., 2004; Evin, 2012)   n    MR MR  exp, i pre ,i   2 i 1 R   n n    MRexp, i 2    MR pre , i 2     i 1   i 1   2 



N i 1

1 N

1 N

N

 ( MR i 1

N

  MR i 1

pre ,i

pre ,i

 MRexp,i ) 2

 MRexp,i 

(5)

(6)

N  np

RMSE 

MBE 

( MRexp,i  MRpre,i )2

2

2

(7) (8)

เมื่อค่า MRexp, i และ MRpre, i เป็นค่าอัตราส่วนความชื้นของการ ทดลองและค่าอัตราส่วนความชื้นจากการทํานายของแบบจําลอง การอบแห้ง ตามลําดับ และค่า N และ nP เป็นจํานวนตัวอย่างที่ ใช้ในการวิเคราะห์ และจํานวนตัวแปรในแบบจําลองการอบแห้ง ตามลําดับ 62

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 59–67

3 ผลและวิจารณ์ 3.1 คุณลักษณะการอบแห้งของใบกะเพรา ใบกะเพราที่ ใ ช้ ใ นการทดลองมี ค วามชื้ น เริ่ ม ต้ น เท่ า กั บ 5.19±0.13 gwater/gdry matter และระดับพลังงานที่ใช้ในการศึกษา ครั้งนี้มีระดับพลังงานคลื่นไมโครเวฟเท่ากับ 164, 231, 465, 605 และ 752 W ตามลําดับ เวลาที่ใช้ในการอบแห้งใบกะเพราด้วยคลื่นไมโครเวฟที่ระดับ พลังงานคลื่นไมโครเวฟ 164, 231, 465, 605 และ 752 W จาก ความชื้นเริ่มต้นจนเหลือความชื้น 0.06±0.02 gwater/gdry matter เท่ากับ 18.50, 14.00, 9.00, 4.00 และ 2.75 min ตามลําดับ Figure 2 แสดงตัวอย่างความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลง ความชื้นของใบกะเพราที่เวลาใดๆ ในระหว่างการอบแห้งด้วย คลื่นไมโครเวฟ เมื่อคลื่นไมโครเวฟเหนี่ยวนําให้โมเลกุลของน้ํา ภายในใบกะเพราจนเกิ ด การหมุ น เนื่ อ งจากการเปลี่ ย นแปลง ขั้วไฟฟ้าอย่างรวดเร็วผลของการหมุนนี้ทําให้เกิดการเสียดสีของ โมเลกุลของน้ําภายในโครงสร้างเซลล์ชั้นในของใบกะเพราเกิด เป็นพลังงานความร้อนได้อย่างรวดเร็ว (ฤทธิชัย, 2554ข) มีอัตรา การระเหยน้ําที่สูงและคงที่ (Constant rate period) และมีการ อบแห้งใบกะเพราดํา เนินการต่ อไปเรื่อยๆ จนความชื้นของใบ กะเพราเข้ า สู่ ค วามชื้ น วิ ก ฤติ กระบวนการอบแห้ ง จะเข้ า สู่ คาบเวลาที่อัตราการอบแห้งลดลงอย่างสมบูรณ์ (Falling rate period)

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

3.2 แบบจําลองการอบแห้งใบกะเพรา Table 2 แสดงค่าพารามิเตอร์และการวิเคราะห์ทางสถิติของ แบบจําลองการอบแห้ง ซึ่งชี้ให้เห็นว่าแบบจําลองของ Page มี ความเหมาะสมในการทํานายการเปลี่ยนแปลงอัตราส่วนความชื้น

ของใบกะเพราได้ดีที่สุด โดยมีค่า R2 ในช่วง 0.9980-0.9997 ซึ่ง มีค่ามากกว่าแบบจําลองการอบแห้งแบบอื่นๆ และค่า 2 มีค่า ระหว่าง 0.1138-0.1413, ค่า RMSE มีค่าระหว่าง 0.00950.0291 และค่า MBE มีค่าระหว่าง 0.0001-0.0008 ซึ่งมีค่าต่ํา กว่าแบบจําลองการอบแห้งของ Lewis, Henderson and Pabis, Wang and Singh และ Logarithmic เช่นเดียวกับ ผลงานวิจัยของ Bai-Ngew et al. (2011), Dadal et al. (2007) และ Kingsly and Singh (2007) ซึ่งพบว่าแบบจําลองการ อบแห้งของ Page มีความเหมาะสมในการทํานายคุณลักษณะ การอบแห้งของทุเรียน, กระเจี๊ยบเขียว และเมล็ดทับทิม 3.3 การทวนสอบแบบจําลองการอบแห้ง ผลการศึกษาพบว่าแบบจําลองการอบแห้งของ Page มีความ เหมาะสมในการทํานายการเปลี่ยนแปลงอัตราส่วนความชื้น ที่ เวลาใดๆ ของการอบแห้งใบกะเพราด้วยคลื่นไมโครเวฟมากที่สุด โดยมีสมการทั่วไปสําหรับการคํานวณค่าคงที่การอบแห้ง (k) และ ค่าดัชนีการอบแห้ง (n) ซึ่งเป็นค่าพารามิเตอร์ของแบบจําลองการ อบแห้งของ Page ในรู ปแบบความสัมพันธ์ของระดับ พลัง งาน คลื่นไมโครเวฟ (P) โดยมีรูปแบบสมการตามที่แสดงใน Eq. 9 และ 10 k   0.0803  0.0005 P n  1.6697  0.0009 P

(9) (10)

การทวนสอบแบบจําลองการอบแห้งของ Page โดยใช้ Eq. 9 และ 10 คํานวณค่าคงที่การอบแห้ง (k) และค่าดัชนีการอบแห้ง (n) ที่ ทุ ก ระดั บ พลั ง งานของคลื่ น ไมโครเวฟ จากนั้ น นํ า ค่าพารามิเตอร์ของแบบจําลองการอบแห้งของ Page ทํานายค่า อัตราส่วนความชื้นของใบกะเพราในระหว่างการอบแห้งด้วยคลื่น ไมโครเวฟที่ ร ะดั บ พลั ง งานต่ า งๆ นํ า ค่ า ที่ ไ ด้ จ ากการทํ า นาย เปรียบเทียบกับข้อมูลในการทดลอง ค่าความสัมพันธ์ระหว่าง อัตราส่วนความชื้นของใบกะเพราที่ได้จากการทํานายด้วยสมการ ทั่วไปมีค่าใกล้เคียงกับอัตราการส่วนความชื้นที่ได้จากการทดลอง โดยมีความสัมพันธ์ใกล้เคียงกับเส้นทวนสอบความแม่นยําหรือ เส้ น ตรงที่ ค วามชั น 45o ดั ง แสดงใน Figure 3 สอดคล้ อ งกั บ งานวิจัยที่เกี่ยวข้องในการทวนสอบความแม่นยําของแบบจําลอง ก า ร อ บ แ ห ้ง ( Assawarachan and Noomhorm, 2011; Pongtong et al., 2011; Wang et al., 2007; Ozkan et al., 2007)

63

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 59–67

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

Drying power level 752 W 605 W 465 W 231 W 164 W

k = 0.5720 k = 0.4908 k = 0.2568 k = 0.1683 k = 0.1090

2. Henderson and Pabis

752 W

k = 0.6722

3. Page

605 W 465 W 231 W 164 W 752 W 605 W 465 W 231 W 164 W

4. Wang and Singh

5. Logarithmic

Drying model 1. Lewis’s

R2

2

RMSE

MBE

0.9612 0.9485 0.9760 0.9692 0.9676

0.2203 0.2008 0.1801 0.1756 0.1935

0.1341 0.1466 0.0920 0.1019 0.1111

0.0180 0.0215 0.0085 0.0104 0.0123

a = 1.1595

0.9661

0.1687

0.1163

0.0135

k = 0.5864 k = 0.3001 k = 0.1986 k = 0.1305 k = 0.3051 k = 0.1637 k = 0.0903 k = 0.0347 k = 0.0134

a = 1.2043 a = 1.1756 a = 1.1913 a = 1.1971 n = 2.2760 n = 2.5158 n = 1.7277 n = 1.8429 n = 1.9319

752 W 605 W 465 W 231 W 164 W

a = -0.2622 a = -0.2884 a = -0.1797 a = -0.1158 a = -0.0681

b = -0.0459 b = 0.0026 b = 0.0071 b = 0.0028 b = 0.0005

0.9559 0.9819 0.9762 0.9749 0.9980 0.9993 0.9997 0.9992 0.9989 0.9960 0.9819 0.9948 0.9919 0.9942

0.1378 0.1375 0.1312 0.1428 0.1413 0.1138 0.1310 0.1200 0.1219 0.1728 0.1663 0.1609 0.1502 0.1575

0.1240 0.0702 0.0800 0.0879 0.0291 0.0163 0.0095 0.0148 0.0209 0.0419 0.0849 0.0453 0.0520 0.0465

0.0154 0.0049 0.0064 0.0077 0.0008 0.0003 0.0001 0.0002 0.0004 0.0018 0.0072 0.0021 0.0027 0.0022

752 W

k = -0.1138

c = 4.0686

0.9965

0.1713

0.0376

0.0014

605 W 465 W 231 W 164 W

k = 0.1427 k = 0.1588 k = 0.0981 k = 0.0389

c = -1.6638 c = -0.4086 c = -0.4697 c = -1.1779

0.9846 0.9949 0.9932 0.9957

0.1367 0.1376 0.1274 0.1380

0.0732 0.0371 0.0428 0.0366

0.0054 0.0014 0.0018 0.0013

Coefficient and statistical analysis

a=3.0146 a = 2.7763 a = 1.5077 a = 1.5738 a = 2.2651

3.4 สัมประสิทธิ์การแพร่และพลังงานกระตุ้น การหาค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของใบกะเพราในระหว่างการ อบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟ ที่ระดับ 164–752 W สามารถ วิเคราะห์หาด้วยวิธีจัดรูปแบบของ Eq. 3 ด้วยฟังก์ชั่นลอการิทึม ซึ่งรูปแบบสมการจะอยู่ในรูปแบบความสัมพันธ์แบบเส้นตรง ดัง แสดงใน Eq. 11 Deff  t   8   ln( MR )  ln  2     2  4 L2    

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

โดยการวิเคราะห์หาค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของใบกะเพรา สามารถคํ า นวณจากค่ า ความชั น ของกราฟเส้ น ตรง ของ ความสัมพันธ์ระหว่าง ln(MR) และ เวลาในการอบแห้ง (t) เมื่อ L มีค่าเท่ากับ 0.16 mm ดังแสดงใน Eq. 12  4 L2  Deff  Slope   2   

64

(11)

(12)

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 59–67

ผลการวิ เ คราะห์ค่า สั มประสิ ทธิ์ก ารแพร่ข องใบกะเพราใน ระหว่างการอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟที่ระดับพลังงาน 164-752 W มีค่าเท่ากับ 0.3214x10-10-2.0703x10-10 m2 s-1 ดังแสดงใน Table 3 เมื่อเพิ่มระดับพลังงานของคลื่นไมโครเวฟสูงขึ้นจะส่งผล ต่อการเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของใบกะเพรา เนื่องจากคลื่น ไมโครเวฟจะเป็นตัวเร่งอัตราการระเหยของไอน้ําที่ผิวหน้าของใบ กะเพราและมีค่าเท่ากับอัตราการเคลื่อนของน้ําภายในโครงสร้าง ของใบกะเพราที่ ม าเติ ม เต็ ม ที่ ผิ ว หน้ า โครงสร้ า งเซลล์ ข องใบ กะเพรา ความร้ อ นที่ เ กิ ด ขึ้ น จะถู ก ถ่ า ยเทมวลสารในการ แพร่กระจายตัวของความชื้นสู่ผิววัสดุ (Surface diffusion) เช่นเดียวกับผลงานวิจัยของ Özbek and Dadali (2007) ซึ่ง ศึกษาหาค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของใบสะระแหน่ในระหว่างการ อบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟที่ระดับพลังงาน 180-900 W ในขณะ ที่ ผ ลการศึ ก ษาค่ า สั ม ประสิ ท ธิ์ ก ารแพร่ ข องใบสะระแหน่ ใน ระหว่ า งการอบแห้ ง ด้ ว ยคลื่ น ไมโครเวฟระบบสุ ญ ญากาศของ Therdthai and Zhou (2009) มีค่า 1.190x10-11-4.699x10-10 m2 s-1 ที่ระดับความเข้มของคลื่นไมโครเวฟ 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 0.8199 231 0.0045 0.4665 0.8541 465 0.0068 0.7049 0.8740 605 0.0151 1.5654 0.8250 752 0.0200 2.0703 0.7399 การหาค่าพลังงานกระตุ้นของการอบแห้งใบกะเพราด้วยคลื่น ไมโครเวฟ สามารถคํานวณความสัมพันธ์ในรูปฟังก์ชั่นลอการิทึม ของสมการอาร์เรเนียส (Eq. 4) โดยสมการจะอยู่ในรูปแบบ ความสัมพันธ์แบบเส้นตรง ดังแสดงใน Eq. 13  E  m  ln k  ln k0   a   P 

(13)

แฟกเตอร์ความถี่ (k0) และค่าพลังงานกระตุ้นของใบกะเพรา (Ea) สามารถคํานวณจากค่าความชันของกราฟเส้นตรงที่พล็อต ระหว่าง ln(k) และ น้ําหนักของใบกะเพราต่อพลังงานของคลื่น ไมโครเวฟ (m/P) พบว่าค่า k0 และ Ea ของใบกะเพราในระหว่าง การอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟ มีค่าเท่ากับ 0.7621 min-1 และ

19.85 W g-1 ตามลําดับ ดังแสดงใน Figure 4 ในขณะที่ ค่า k0 และค่า Ea ของการอบแห้งกระเจี๊ยบเขียวสดด้วยคลื่นไมโครเวฟที่ ระดับพลังงาน 180-900 W มีค่าเท่ากับ 0.1224 min-1 และ 5.54 W g-1 (Dadal et al., 2007) ซึ่งมีค่า k0 น้อยกว่า 6.2 เท่า และค่า Ea น้อยกว่า 3.58 เท่า ทั้งนี้เนื่องจากกระเจี๊ยบเขียวสดมี คุ ณ ลั ก ษณะทางกายภาพเป็ น รู ป ทรงกระบอกที่ มี ค วามหนา มากกว่ า ใบกะเพรา รวมถึ ง มี ลั ก ษณะโครงสร้ า งเซลล์ และ องค์ประกอบทางเคมีที่แตกต่างกัน ในขณะที่ใบสะระแหน่ซึ่งมี คุณลักษณะทางกายภาพ และโครงสร้างเซลล์ที่มีความใกล้เคียง กั บ ใบกะเพรา มี ค่ า Ea เท่ า กั บ 11.0492–12.2839 W g-1 ใน ระหว่างการอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟที่ระดับพลังงาน 180-900 W (Özbek and Dadali, 2007) ดังนั้น ค่า Ea ของการอบแห้ง อาหารหรื อวั ส ดุชี ว ภาพด้ ว ยคลื่น ไมโครเวฟจะขึ้ น อยู่กั บ ระดั บ พลังงานของคลื่นไมโครเวฟ และชนิดของวัสดุชีวภาพ

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

4 สรุป ผลกระทบของระดั บ พลั ง งานไมโครเวฟต่ อ อั ต ราการ เปลี่ยนแปลงความชื้นของใบกะเพราในระหว่างการอบแห้งด้วย คลื่นไมโครเวฟที่ระดับพลังงาน 164, 231, 465, 605 และ 752 W จากความชื้นเริ่มต้น 5.19±0.13 gwater/gdry matter จนเหลือ ความชื้น 0.06±0.02 gwater/gdry matter ใช้เวลาในการอบแห้ง เท่ากับ 18.50, 14.00, 9.00, 4.00 และ 2.75 min ตามลําดับ ผลของระดับพลังงานไมโครเวฟที่ระดับพลังงานสูงจะมีอัตราการ อบแห้งที่สูง สอดคล้องกับค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ความชื้น โดย การอบแห้งที่ระดับพลังงานไมโครเวฟ 752 W ใช้เวลาในการ อบแห้งน้อยกว่า 6.72 เท่า และค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ความชื้น มากกว่า 8.92 เท่า แต่ปริมาณพลังงานทั้งหมดที่ใช้ในการอบแห้ง 65

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 59–67

มีค่าน้อยกว่า 1.41 เท่า เมื่อเทียบกับระดับพลังงานไมโครเวฟที่ 164 W การวิเคราะห์ห าแบบจํา ลองการอบแห้ ง ของใบกะเพราใน ระหว่างการอบแห้งด้วยคลื่นไมโครเวฟ พบว่าแบบจําลองการ อบแห้งของ Page มีความเหมาะสมมากที่สุด เนื่องจากมีค่า R2 ในช่วง 0.9980-0.9997 หรือค่า ความกลมกลืน ที่ม ากกว่า 2 แบบจําลองอื่นๆ, ค่า  มีค่าระหว่าง 0.1138-0.1413, ค่า RMSE มีค่าระหว่าง 0.0095-0.0291 และค่า MBE มีค่าระหว่าง 0.0001-0.0008 ซึ่ ง มี ค่ า น้ อ ยกว่ า แบบจํ า ลองการอบแห้ ง แบบ อื่ น ๆ ที่ นํ า มาเปรี ย บเที ย บในงานวิ จั ย นี้ ค่ า พารามิ เ ตอร์ ข อง แบบจําลองการอบแห้งของ Page ได้แก่ ค่าคงที่การอบแห้ง (k) และค่าดัชนีการอบแห้ง (n) สามารถเขียนในรูปแบบสมการทั่วไป ที่เป็นฟังก์ชันของระดับพลังงานของคลื่นไมโครเวฟ (P) โดยมี รูปแบบสมการ คือ k = -0.0803 + 0.0005P และ n = 1.6697 + 0.0009P ผลการทวนสอบความแม่นยําของสมการทั่วไปของ แบบจําลองของ Page พบว่ามีค่าความแม่นยําที่สูง ค่า Deff ของ ใบกะเพราในระหว่ า งการอบแห้ ง ด้ ว ยคลื่ น ไมโครเวฟที่ ร ะดั บ พลังงานของคลื่นไมโครเวฟ 164, 231, 465, 605 และ 752 W มีค่าเท่ากับ 0.3214x10-10, 0.4665x10-10, 0.7049x10-10, 1.5654x10-10 และ 2.0703x10-10 m2 s-1 ตามลําดับ และค่า Ea ซึ่งคํานวณจากความสัมพันธ์ในรูปแบบของสมการอาร์เรเนียส มี ค่าเท่ากับ 19.85 W g-1 5 กิตติกรรมประกาศ บทความวิจัยนี้เป็นส่วนหนึ่งของโครงงานวิจัยระดับวิศวกรรม มหาบัณฑิตสาขาวิชาวิศวกรรมอาหาร ซึ่งได้รับเงินทุนสนับสุนน งานวิจัยจากหน่วยวิจัยเทคโนโลยีการอบแห้ งและลดความชื้น คณะวิศวกรรมและอุตสาหกรรมเกษตร มหาวิทยาลัยแม่โจ้

66

6 เอกสารอ้างอิง กองการแพทย์ ท างเลื อ กกรมพั ฒ นาการแพทย์ แ ผนไทยและ การแพทย์ทางเลือก กระทรวงสาธารณสุข. 2550. ตํารา วิชาการสุคนธบําบัด. พิมพ์ครั้งที่ 1. สํานักกิจการโรงพิมพ์ องค์การสงเคราะห์ทหารผ่านศึก. กรุงเทพมหานคร. น้ําฝน ไชยลังกา, รัตนาภรณ์ จันทร์ทิพย์, ดวงพร อมรเลิศพิศาล และฤทธิชัย อัศวราชันย์. 2555. ผลกระทบของระดับ พลังงานไมโครเวฟต่อการเปลี่ยนแปลงคุณภาพของสาหร่าย เตาอบแห้ง. การประชุมวิชาการประมง ครั้งที่ 7. คณะ เทคโนโลยีการประมงและทรัพยากรน้ํา มหาวิทยาลัยแม่โจ้ เชียงใหม่ ระหว่างวันที่ 6-8 ธันวาคม พ.ศ. 2555. ฤทธิชัย อัศวราชันย์, ฉัตรชนก คงสิทธิ์. โชติพงศ์ กาญจนประโชติ และดวงพร อมรเลิศพิศาล. 2555. คุณลักษณะการอบแห้ง ของสาหร่า ยเตาด้วยคลื่นไมโครเวฟ. วารสารสมาคม วิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย 18, 1-8. ฤทธิชัย อัศวราชันย์, ภานาถ แสงเจริญรัตน์, สุเนตร สืบค้า, เฑีย รมณี มั่งมูล และดวงกมล จนใจ. 2554. จลนพลศาสตร์การ อบแห้งด้วยลมร้อนของเปลือกทับทิม. วารสารสมาคมวิศวกรรม เกษตรแห่งประเทศไทย 17, 27-34. ฤทธิชัย อัศวราชันย์. 2554ก. การอบแห้งผลผลิตทางการเกษตร ด้วยคลื่นไมโครเวฟ. วิศวกรรมสารเกษมบัณฑิต 1, 31-42. ฤทธิชัย อัศวราชันย์. 2554ข. เทคโนโลยีการสร้างความร้อนด้วย คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในการแปรรูปอาหาร. วารสารสมาคม วิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย 17, 41-52. สักกมน เทพหัสดิน ณ อยุธยา. 2555. การอบแห้งอาหารและ วัสดุชีวภาพ. กรุงเทพมหานคร: บริษัท สํานักพิมพ์ท้อป จํากัด. สุเนตร สืบค้า และฤทธิชัย อัศวราชันย์. 2554. แบบจําลองทาง คณิต ศาสตร์ก ารอบแห้ง สําหรั บ วัส ดุพรุน . วารสารสมาคม วิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย 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.

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 59–67

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. Microwavevacuum 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.

67

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

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 18 ฉบับที่ 1 (2555) 69–75 Available online at www.tsae.asia

บทความวิจัย ISSN 1685-408X

วอเตอร์ฟุตพรินต์ของอ้อยและมันสําปะหลังสําหรับการผลิตเอทานอลในภาคตะวันออก ประเทศไทย Water Footprint of Sugarcane and Cassava for Ethanol Production in Eastern Thailand สานิตย์ดา เตียวต๋อย1*, ชลิตา สุวรรณ2, ธณัฏฐ์ยศ สมใจ2 Sanidda Tiewtoy1, Chalita Suwan2, Thanutyot Somjai2 1

Faculty of Engineering .Rajamangala University of Technology Thanyaburi (RMUTT) Pathumthani, Thailand 12110 Faculty 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: saniddatiewtoy@hotmail.com

2

บทคัดย่อ การวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อหาค่าวอเตอร์ฟุตพรินต์ ของการปลูกอ้อยและมันสําปะหลังสําหรับการผลิตเอทานอลในภาค ตะวันออก ประเทศไทย การหาค่าวอเตอร์ฟุตพรินต์ดําเนินการตามคู่มือการประเมินร่องรอยการใช้น้ําของ Hoekstra et al. (2011) จากการศึกษาพบว่าค่าวอเตอร์ฟุตพรินต์เฉลี่ยของอ้อยเท่ากับ 192 m3.ton-1 เป็นสัดส่วน WFgreen:WFblue:WFgrey เท่ากับ 161:11:19 ส่วนมันสําปะหลังมีค่าวอเตอร์ฟุตพรินต์เฉลี่ยเท่ากับ 448 m3.ton-1เป็นสัดส่วน WFgreen:WFblue:WFgrey เท่ากับ 342:40:66 เมื่อพิจารณา สัดส่วนของการใช้น้ําจะพบว่าน้ําฝนยังเป็นปัจจัยสําคัญในการเพาะปลูกอ้อยและมันสําปะหลัง ความต้องการน้ําจากแหล่งน้ําธรรมชาติ สําหรับเพาะปลูกอ้อยและมันสําปะหลังเท่ากับ 48 และ 205 Mm3 y-1 ตามลําดับ ผลการศึกษานี้อาจเป็นประโยชน์กับผู้วางนโยบาย สําหรับการวางแผนเพื่อจัดการน้ําและจัดสรรน้ําในประเทศได้อย่างเหมาะสม นอกจากนี้ยังสามารถนําไปเป็นฐานข้อมูลวอเตอร์ฟุต พรินต์ในระดับภาคได้อีกด้วย คําสําคัญ: วอเตอร์ฟุตพรินต์, อ้อย, มันสําปะหลัง, พืชพลังงาน 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 บทนํา กระทรวงพลังงานรับนโยบายจากรัฐบาลให้ดําเนินการจัดทํา แผนพลั ง งานทดแทนระยะยาว 15 y (พ.ศ. 2551-2565) (กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน, 2550) เพื่อ กําหนดทิศทางและกรอบการพัฒนาพลังงานทดแทนของประเทศ การพัฒนาพลังงานทดแทนจะช่วยลดการพึ่งพาและการนําเข้า 68

น้ํามันเชื้อเพลิงและพลังงานชนิดอื่นๆ เนื่องจากประเทศไทยเป็น ประเทศเกษตรกรรมและมีผลผลิตทางการเกษตรรวมถึงผลผลิต เหลือใช้ทางการเกษตรที่มีศักยภาพสูง ที่จะนํามาใช้เป็นพลังงาน ทดแทนได้ เช่ น อ้ อ ย, มั น สํ า ปะหลั ง , ปาล์ ม น้ํ า มั น , ข้ า ว และ ข้าวโพด เป็นต้น ดังนั้นกระทรวงพลังงานจึงมียุทธศาสตร์พัฒนา พลั ง งานทดแทนจากพื ช พลั ง งานเหล่ า นี้ เพื่ อ จะได้ เ ป็ น ตลาด

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 68–75

ทางเลือกสําหรับผลิตผลการเกษตรไทย ทั้งยังส่งเสริมให้เกิดการ ผลิตและการใช้เอทานอลไม่น้อยกว่า 9 Ml day-1 ทดแทนการใช้ น้ํามัน โดยมุ่งเน้นที่จะเพิ่มผลผลิตของอ้อยและมันสําปะหลังให้ได้ อย่างน้อย 15 และ 5 ton rai-1 y-1 ในปี 2564 (กรมพัฒนา พลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน, 2554) ในขณะเดียวกัน ยุ ท ธศาสตร์ ใ นการกํ า หนดทิ ศ ทางการพั ฒ นาประเทศภายใต้ แผนการพั ฒ นาการเศรษฐกิ จ และสั ง คมแห่ ง ชาติ ฉบั บ ที่ 11 (สํานักงานคณะกรรมการพัฒนาการเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติ, 2554) ใ ห้ ค ว า ม สํ า คั ญ กั บ ก า ร อ นุ รั ก ษ์ แ ล ะ ฟื้ น ฟู ดู แ ล ทรัพยากรธรรมชาติ และสิ่งแวดล้อมควบคู่กับการใช้น้ําอย่างรู้ คุณค่า บริหารจัดการอย่างดี สร้างความเป็นธรรม ลดการเหลื่อม ล้ําและความขัดแย้งในการใช้ประโยชน์ทรัพยากร มีแนวทางการ พัฒนาและส่งเสริมการใช้น้ําอย่างมีประสิทธิภาพ คุ้มค่า และไม่มี ผลกระทบต่ อ สิ่ ง แวดล้ อ มโดยจั ด ระบบการกระจายน้ํ า ให้ เหมาะสมในทุ ก ภาคส่ ว น ทั้ ง ภาคเกษตร อุ ต สาหกรรม และ อุปโภค บริโภคและจัดทําข้อมูลการใช้น้ํา จากนโยบายและแผนพั ฒ นาดั ง กล่ า ว การศึ ก ษาเกี่ ย วกั บ ปริมาณน้ําที่ใช้ในการเพาะปลูกพืชพลังงานจึงเป็นสิ่งที่จําเป็นหาก ต้องการส่งเสริมการใช้พลังงานจากพืชพลังงาน ดังนั้นการวิจัยใน ครั้ง นี้มีวัตถุป ระสงค์ เพื่อ หาค่าวอเตอร์ฟุ ตพริน ต์ (Water footprint) ของการปลูกอ้อยและมันสําปะหลังสําหรับการผลิตเอ ทานอลในพื้ น ที่ ภ าคตะวั น ออก ข้ อ มู ล วอเตอร์ ฟุ ต พริ น ต์ ที่ ไ ด้ สามารถใช้เป็นส่วนประกอบทางสถิติที่เกี่ยวกับการใช้น้ําในระดับ ภาคและใช้เป็นพื้นฐานสําหรับการวางแผนจัดการน้ําและจัดสรร น้ําในประเทศได้ 2 วิธีการ วิธีการดําเนินงานวิจัยมีขั้นตอนดังต่อไปนี้คือ สํารวจข้อมูล การเพาะปลูกอ้อยและมันสําปะหลัง สรุปและสังเคราะห์ข้อมูล การเพาะปลู ก ที่ ร วบรวมได้ จ ากแบบสอบถาม หาค่ า การคาย ระเหยน้ําของพืชด้วยโปรแกรม CROPWAT 8.0 โดยมีการนําเข้า ข้ อ มู ล ภู มิ อ ากาศ, ข้ อ มู ล ดิ น และข้ อ มู ล พื ช สุ ด ท้ า ยคื อ การ คํานวณค่าวอเตอร์ฟุตพรินต์ของการปลูกพืช ในการศึกษาครั้งนี้ ดํ า เนิ น การตามคู่ มื อ การประเมิ น ร่ อ งรอยน้ํ า “The Water Footprint Assessment Manual” ข อ ง Hoekstra et al.

(2011)

2.1 พื้นที่ศึกษา การหาค่ า วอเตอร์ ฟุ ต พริ น ต์ ข องการปลู ก อ้ อ ยและมั น สําปะหลังในพื้นที่ภาคตะวันออกครอบคลุมพื้นที่ 6 จังหวัด ได้แก่ จันทบุรี, ฉะเชิงเทรา, ชลบุรี, ปราจีนบุรี, ระยอง และสระแก้ว Figure 1 แสดงพื้นที่ที่ศึกษา จากรายงานสถิติการเกษตรของไทย (สํ า นั ก งานเศรษฐกิ จ การเกษตร, 2553; 2555) ข้ อ มู ล เนื้ อ ที่ เพาะปลูกเฉลี่ยและผลผลิตเฉลี่ยของอ้อยและมันสําปะหลังใน ภาคตะวันออกระหว่างปี พ.ศ. 2551 ถึง พ.ศ. 2555 พบว่าพื้นที่ ที่มีการปลูกอ้อยมากที่สุด ได้แก่ จังหวัดสระแก้ว รองลงมาคือ ชลบุรี, ฉะเชิงเทรา, ระยอง, จันทบุรี และปราจีนบุรี มีเนื้อที่ เพาะปลู ก อ้ อ ยเฉลี่ ย เรี ย งตามลํ า ดั บ มากสุ ด ดั ง นี้ 207,872, 110,584, 46,292, 31,099, 20,222 และ 9,009 rai (6.25 rai = 1 ha) รวมทั้งหมด 425,078 rai มีผลผลิตอ้อยเฉลี่ย 4,341,631 ton หรือคิดเป็น 10.21 ton rai-1 การปลูกมันสําปะหลังพบมาก ที่สุดคือ จังหวัดสระแก้ว, ชลบุรี, ฉะเชิงเทรา, จันทบุรี, ปราจีนบุรี และระยอง มีเนื้อที่เพาะปลูกมันสําปะหลังเฉลี่ยเรียงตามลําดับ ดังนี้ 381,313, 301,978, 301,700, 230,031, 168,005 และ 158,623 rai รวมมีเนื้อที่ปลูกมันสําปะหลังเฉลี่ย 1,541,649 rai และผลผลิ ต มั น สํ า ปะหลั ง เฉลี่ ย 4,341,631 ton หรื อ คิ ด เป็ น 3.31ton rai-1 2.2 การสํารวจและเก็บรวบรวมข้อมูล การสํารวจและการเก็บรวบรวมข้อมูลประกอบด้วยการเก็บ รวบรวมข้อมูลจากแบบสอบถามและข้อมูลจากเอกสาร งานวิจัย และแหล่ ง ข้ อ มู ล อื่ น ๆ พื้ น ที่ ใ นการสํ า รวจข้ อ มู ล พิ จ ารณาจาก จัง หวัดที่ มีการปลูกอ้อยและมัน สําปะหลั ง มากที่สุดเพื่อใช้เป็น ตัว แทนในการวิเคราะห์ข้อมู ล ได้ แ ก่ จัง หวัด สระแก้ว, ชลบุรี , ฉะเชิงเทรา และปราจีนบุรี ขนาดของกลุ่มตัวอย่างคํานวณจาก สูตรของ Yamane (บุญมี, 2554) ได้แบบสอบถามของการปลูก อ้อยและมันสําปะหลังจํานวน 177 และ 655 ชุด ตามลําดับ มีระดับความเชื่อมั่นที่ 95% และค่าความคลาดเคลื่อน +/- 10% ข้อมูลจากแบบสอบถามสรุปได้ว่าเกษตรกรเพาะปลูกอ้อย ระหว่า งเดือ นมี น าคมถึง เดือ นเมษายน อ้อ ยที่นิย มปลู ก ได้แ ก่ พันธุ์ LK 92-11 เตรียมดินโดยใช้ปุ๋ยมูลไก่เป็นปุ๋ยรองพื้นก่อนการ เพาะปลูก เนื่องจากภาคตะวันออกมีการเลี้ยงไก่เป็นจํานวนมาก ปุ๋ยมูลไก่ที่ใช้ในการเตรียมดินปริมาณเฉลี่ย 51 kg rai-1 ช่วงการ บํ า รุ ง รั ก ษาจะใช้ ปุ๋ ย เคมี 15-15-15 ประมาณ 52 kg rai-1 ส่วนข้อมูลการปลูกมันสําปะหลังสรุปได้ว่าพันธุ์เกษตรศาสตร์ 51 เป็นที่นิยมปลูกระหว่างเดือนกุมภาพันธ์ถึงเดือนมีนาคม โดยเริ่ม จากการเตรียมดินโดยใช้ปุ๋ยมูลไก่เป็นปุ๋ยรองพื้นประมาณ 54 kg 69

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 68–75

rai-1 ส่วนในช่วงการบํารุงรักษาจะใช้ปุ๋ยเคมี 15-15-15 ประมาณ 64 kg rai-1 สํ า หรั บ แหล่ ง น้ํ า ที่ ใ ช้ เ พาะปลู ก พื ช สองชนิ ด นั้ น ส่วนมากใช้น้ําฝน มีการใช้น้ําจากแหล่งน้ําอื่นบ้าง ได้แก่ น้ําผิวดิน, น้ําใต้ดิน และน้ําชลประทาน การรวบรวมข้อมูลอื่นๆ เช่น ข้อมูลดิน, ข้อมูลภูมิอากาศ และ แผนที่การปลูกอ้อยและมันสําปะหลัง นําข้อมูลพื้นที่ที่มีการปลูก อ้อยและมันสําปะหลังไปตรวจสอบเทียบกับข้อมูลชุดดินที่จัดทํา

โดยกรมพัฒนาที่ดิน (กรมพัฒนาที่ดิน, 2555) พบว่าอ้อยมีการ ปลูกมากในกลุ่มชุดดิน 17, 28, 35, 46, 48 และ 55 ส่วนมัน 48 สํา ปะหลั ง มี ก ารปลูก มากในกลุ่ มชุ ด ดิ น 17, 35 และ ส่วนข้อมูลภูมิอากาศในรอบ 30 ปี (พ.ศ. 2524-2553) ของ 6 จั ง ห วั ด ใ น ภ า ค ต ะ วั น อ อ ก ไ ด้ จ า ก ก ร ม อุ ตุ นิ ย ม วิ ท ย า (กรมอุตุนิยมวิทยา, 2554)

Figure 1 Ethanol plants in Thailand and the study area.

Source: DEDE (2008) 2.3 การหาค่าการคายระเหยน้ําของพืช ในการศึกษาครั้งนี้ใช้โปรแกรม CROPWAT 8.0 ที่พัฒนาขึ้น มาโดยองค์การอาหารและการเกษตรแห่งสหประชาชาติ (FAO, 2009) คํานวณค่าการคายระเหยน้ําของพืชโดยวิธีการกําหนดการ ให้น้ําชลประทาน (Irrigation schedule option) ตามหลักการ การสมดุลน้ําในดิน (Soil water balance) เป็นวิธีการที่มีความ แม่ น ยํ า และไม่ ไ ด้ ซั บ ซ้ อ น (Hoekstra et al., 2011) วิ ธี กําหนดการให้น้ําแบบให้น้ําชลประทานนั้นจะกําหนดเวลาและ ปริมาณน้ําดังนี้ ให้น้ําชลประทานเมื่อความชื้นในดินลดลงจนถึง จุดวิกฤติ (Irrigation at critical depletion) และให้น้ําเพื่อให้ ดินมีความชื้นที่ระดับความชื้นชลประทาน (Refill soil to field 70

capacity) วิธีนี้จะคํานวณค่าการคายระเหยน้ําของพืช (The adjusted crop evapotranspiration, ETc,adj หรือ ETa) จาก สมการดังต่อไปนี้ ETa = Ks × ETc = Ks × Kc × ETo

(1)

โดยที่ ETc คือ การคายระเหยน้ําของพืช, ETo คือ ปริมาณการใช้ น้ําของพืชอ้างอิง (โปรแกรม CROPWAT 8.0 จะทําการคํานวณ ค่า ETo ตามวิธีการของ FAO Penman Montieth), Kc คือ สัมประสิทธิ์การใช้น้ําของพืช และ Ks คือ ผลกระทบที่เกิดจาก การขาดน้ําต่อกระบวนการคายน้ําของพืช ซึ่งในสภาวะที่น้ําในดิน มีปริมาณที่จํากัดค่า Ksจะมีค่าน้อยกว่า 1 และในสภาวะที่ดินไม่มี การขาดน้ําค่า Ks จะมีค่าเท่ากับ 1

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 68–75

นําผลลัพธ์ที่ได้จากโปรแกรมมาเปรียบเทียบค่าต่างๆ เพื่อหา ค่าการคายระเหย ETgreen และ ETblue ดังต่อไปนี้ 1) ในกรณีจําลองสถานการณ์โดยวิธีกําหนดให้น้ําชลประทาน ภายใต้เหตุการณ์แบบให้น้ําชลประทาน (Irrigated condition) กําหนดให้ ETgreen= ETa- ETblue โดยที่ ETa = ค่าการคายระเหยน้ําของพืชจริงมีค่าเท่ากับค่าการใช้ น้ําของพืชจริงคือ “Actual water use by crop” ETblue= ค่าที่ต่ําสุดระหว่าง“Total Net Irrigation” เทียบ กับ “Actual irrigation requirement” ETgreen= การคายระเหยน้ําของพืชกรีน “The green water evapotranspired” 2) ในกรณีจําลองสถานการณ์โดยวิธีกําหนดให้น้ําชลประทาน ภายใต้เหตุการณ์แบบเกษตรน้ําฝน (Rain-fed condition) กําหนดให้ ETgreen= ETa และ ETblue = 0 หาปริมาณน้ําที่พืชใช้ (Crop water use, CWU) ได้จากค่า การคายระเหยน้ํ า ของพื ช ในแต่ ล ะวั น สะสมตลอดฤดู ก าล เพาะปลูก (Length of growing period, lgp) ซึ่งมีหน่วยเป็น ml คูณด้วยค่าปรับแก้ 1.6 จะได้ปริมาณน้ําที่พืชใช้มีหน่วยเป็น m3 rai-1 ดังแสดงในสมการที่ 2 และ 3

WF,green =

CWU green Y

m3.ton-1 (4)

W,blue = CWU blue

m3.ton-1 (5)

WFgrey= (  AR ) /( c max  c nat )

m3.ton-1 (6)

WF total=WFgreen+WFblue+WFgrey

m3.ton-1 (7)

Y

Y

โดยที่ CWU คือ ปริมาณน้ําที่พืชใช้ (m3 rai-1), ค่า Y คือ ผลผลิต ต่อพื้นที่ (ton rai-1),  คือ ค่าสัมประสิทธิ์การชะล้างของสาร มลพิษ (%), AR คือ อัตราการใช้สารเคมี (kg rai-1) และ ค่า cmax และ cnat หมายถึง ระดับความเข้มข้นสูงสุดและระดับความ เข้มข้นในธรรมชาติของมลสาร (mg l-1) ตามลําดับ

3 ผลและวิจารณ์ การวิ เ คราะห์ ข้ อ มู ล การให้ น้ํ า ของเกษตรกรจริ ง ซึ่ ง ได้ จ าก แบบสอบถามมีทั้งใช้น้ําฝนอย่างเดียว, ใช้น้ําผิวดิน (คลอง/สระ น้ํา), น้ําบาดาล และใช้น้ําผิวดินเสริมในกรณีที่น้ําฝนไม่พอ นําไป จํ า ลองสถานการณ์ ใ ห้ น้ํ า ทั้ ง แบบเกษตรน้ํ า ฝน (ไม่ มี น้ํ า ชลประทาน) และแบบให้น้ําชลประทานในโปรแกรม CROPWAT 8.0 แล้วนําผลการคายระเหยน้ําของพืชทั้งสองแบบหาค่าการคาย (2) ระเหยน้ําของพืชเฉลี่ยแบบถ่วงน้ําหนัก, ค่าการคายระเหยน้ําของ พื ช , ค่ า ความต้ อ งการน้ํ า ของพื ช , ค่ า กรี น วอเตอร์ ฟุ ต พริ น ต์ (3) (WFgreen) และค่ า บลู ว อเตอร์ ฟุ ต พริ น ต์ (WFblue) ของการ 2.4 การคํานวณวอเตอร์ฟุตพรินต์ ของการปลูกพืช เพาะปลูกอ้อยและมันสําปะหลัง ดังแสดงใน Table 1 และ วอเตอร์ฟุตพรินต์ (Water footprint, WF) หรือร่องรอยการ Table 2 ตามลําดับ ใช้น้ําเป็นเครื่องชี้วัดปริมาณน้ําสะอาดในกระบวนการผลิตสินค้า การคํานวณค่าเกรย์วอเตอร์ฟุตพรินต์ (WFgrey) ในการศึกษา และบริการทั้งทางตรงและทางอ้อม โดยคํานวณปริมาณความ ครั้งนี้พิจารณาเฉพาะปริมาณปุ๋ยที่เป็นส่วนประกอบไนโตรเจน ต้องการน้ําจากทุกขั้นตอนตลอดห่วงโซ่ของการผลิต วอเตอร์ฟุต การใช้ยาฆ่าหญ้า และยาฆ่าแมลงจะไม่นํามาพิจารณา คํานวณค่า พรินต์สามารถจําแนกได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ 1) กรีนวอเตอร์ เกรย์วอเตอร์ฟุตพรินต์ (WFgrey) ของการเพาะปลูกอ้อยและมัน ฟุตพรินต์ (Green water footprint, WFgreen) ใช้ชี้วัดปริมาณ สํ า ปะหลั ง ได้ จ ากสมการที่ 6 สํ า หรั บ ปุ๋ ย มู ล ไก่ คิ ด ปริ ม าณ ความต้องการน้ําในส่วนของปริมาณน้ําฝนที่อยู่ในรูปของความชื้น ไนโตรเจนในปุ๋ยมูลไก่ได้เท่ากับ 2.42% โดยน้ําหนัก (กรมวิชาการ ในดิน, 2) บลูวอเตอร์ฟุตพรินต์ (Blue water footprint, WFblue) เกษตร, 2541) กําหนดค่าสัมประสิทธิ์การชะล้างของสารมลพิษ ใช้ชี้วัดปริมาณความต้องการน้ําในส่วนของแหล่งน้ําธรรมชาติ ทั้ง (AR) เท่ากับ 10% ของอัตราการใช้ปุ๋ย (Chapagain et al., 2006) แหล่งน้ําผิวดินและแหล่งน้ําใต้ดิน, 3) เกรย์วอเตอร์ฟุตพรินต์ ค่าความเข้มข้นสูงสุด (Cmax) เท่ากับ 5 mg l-1 ตามกําหนด (Grey water footprint, WFgrey) ใช้ชี้วัดปริมาณน้ําที่ต้องการใช้ มาตรฐานคุณภาพน้ําในแหล่งน้ําผิวดิน (ประกาศคณะกรรมการ ในการปรับสภาวะมลพิษในแหล่งน้ําให้อยู่ในมาตรฐานคุณภาพน้ํา สิ่ ง แวดล้ อ มแห่ ง ชาติ ฉบั บ ที่ 8, 2537) ค่ า ความเข้ ม ข้ น ใน ของแหล่งน้ําตามธรรมชาติ การหาค่าส่วนประกอบวอเตอร์ฟุต ธรรมชาติ (Cnat) กําหนดให้เป็นศูน ย์เนื่องจากขาดข้อมูล ที่ พริ น ต์ ใ นกระบวนการปลู ก พื ช แสดงในสมการที่ 4-6 และค่ า เหมาะสม โดยอ้างอิงจากแนวความคิดของ Hoekstra et al. วอเตอร์ฟุตพรินต์ของการปลูกพืชแสดงในสมการที่ 7 (2011) ส่วนผลการคํานวณแสดงใน Table 3 71

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 68–75

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

Province Chanthaburi Chachoengsao Chonburi Prachinburi Rayong Sakaeo

ETgreen (mm) 945.3 1,021.1 1,001.5 959.4 1,131.9 1,010.8

ETblue (mm) 13.7 38.3 32.0 152.2 90.7 101.7

ETa (mm) 959.0 1,059.4 1,033.5 1,111.6 1,222.6 1,112.5

CWUgreen (m3.rai-1) 1,512.5 1,633.8 1,602.5 1,535.1 1,811.0 1,617.2

CWUblue (m3.rai-1) 21.8 61.3 51.2 243.5 145.2 162.8

CWUtotal (m3.rai-1) 1,534.3 1,695.0 1,653.7 1,778.5 1,956.2 1,780.0

Y (ton.rai-1) 10.2 9.8 10.0 10.0 10.2 10.2

WFgreen WFblue (m3.ton-1) (m3.ton-1) 148.3 2.1 166.7 6.3 160.2 5.1 153.5 24.3 177.5 14.2 158.5 16.0

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

Province Chanthaburi Chachoengsao Chonburi Prachinburi Rayong Sakaeo

ETgreen ETblue (mm) (mm) 659.7 39.7 732.1 27.9 814.2 23.0 603.6 179.2 775.2 68.3 653.4 144.8

ETa (mm) 699.4 760.0 837.2 782.8 843.5 798.2

CWUgreen CWUblue CWUtotal (m3.rai-1) (m3.rai-1) (m3.rai-1) 1,055.5 63.6 1,119.1 1,171.2 44.7 1,215.9 1,302.7 36.8 1,339.5 965.7 286.7 1,252.5 1,240.3 109.3 1,349.6 1,045.3 231.7 1,277.0

ค่าวอเตอร์ฟุตพรินต์ของกระบวนการปลูกพืช คือ ผลรวมของ WFgreen, WFblue และ WFgrey ดังสมการที่ 7 ค่าวอเตอร์ฟุตพรินต์ ของการเพาะปลูกอ้อยและมันสําปะหลังของภาคตะวันออกแสดงใน Table 4 และ Figure 2 ผลการวิจัยที่ได้พบว่าค่าวอเตอร์ฟุต พรินต์ของอ้อยมีค่าอยู่ระหว่าง 168-211 m3 ton-1 ค่าเฉลี่ย เท่ากับ 191.5 m3 ton-1 มีสัดส่วน WFgreen:WFblue:WFgrey เท่ากับ 161:11:19 วอเตอร์ฟุตพรินต์ของมันสําปะหลังมีค่าอยู่ระหว่าง 395-468 m3 ton-1 มีค่าเฉลี่ยเท่ากับ 448 m3 ton-1 และมี สัดส่วนเท่ากับ 342:40:66 นําค่าวอเตอร์ฟุตพรินต์เฉลี่ยที่ได้จากการศึกษา ปรียบเทียบ กั บ ค่ า เฉลี่ ย ของภาคเหนื อ ในประเทศไทย (Kongboon and Sampattagul, 2012) และค่ า วอเตอร์ ฟุ ต พริ น ต์ เ ฉลี่ ย ของโลก (Mekonnen and Hoekstra, 2011) แสดงดังใน Table 5 จะ เห็นว่าค่าวอเตอร์ฟุตพรินต์เฉลี่ยของอ้อยและมันสําปะหลังในภาค ตะวันออกต่ํากว่า ทั้งนี้อาจเป็นเพราะการเลือกเงื่อนไขการใช้น้ํา, ข้อมูลด้านพืช, ข้อมูลดิน, การใส่ปุ๋ย, วันและช่วงเวลาปลูก, ผลผลิต ของพืช และสภาพภูมิอากาศต่างกัน 4 สรุปผลและข้อเสนอแนะ การหาค่ า วอเตอร์ ฟุ ต พริ้ น ต์ ข องการปลู ก อ้ อ ยและมั น สําปะหลังในพื้นที่ภาคตะวันออกครอบคลุมพื้นที่ 6 จังหวัด ได้แก่ 72

Y WFgreen WFblue (ton.rai-1) (m3.ton-1) (m3.ton-1) 3.4 310.4 18.7 3.2 366.0 14.0 3.6 361.9 10.2 3.2 301.8 89.6 3.2 387.6 34.2 3.2 326.7 72.4

จันทบุรี, ฉะเชิงเทรา, ชลบุรี, ปราจีนบุรี, ระยอง และสระแก้ว จากการศึ ก ษาพบว่ า ค่ า วอเตอร์ ฟุ ต พริ น ต์ ข องอ้ อ ยมี ค่ า เฉลี่ ย เท่ากับ 192 m3 ton-1 มีสัดส่วน WFgreen:WFblue:WFgrey เท่ากับ 161:11:19 คิดเป็นร้อยละ 84:6:10 ของค่าวอเตอร์ฟุตพรินต์รวม ส่วนมันสําปะหลังมีค่าเฉลี่ยเท่ากับ 448 m3 ton-1 มีสัดส่วน WFgreen:WFblue:WFgrey เ ท่ า กั บ 342:40:66 คิ ด เ ป็ น ร้ อ ย ล ะ 76:9:15 ของค่าวอเตอร์ฟุตพรินต์รวม ค่าวอเตอร์ฟุตพรินต์ที่ได้ จากงานวิ จั ย ครั้ ง นี้ สามารถใช้ เ ป็ น ข้ อ มู ล ในการวิ เ คราะห์ ค่ า วอเตอร์ ฟุ ต พริ น ต์ ข องการผลิ ต เอทานอลซึ่ ง จะใช้ เ ป็ น ข้ อ มู ล ประกอบการพิจารณานโยบายการส่งเสริมการใช้เอทานอลของ ประเทศได้ จากข้ อมู ลกรมพั ฒนาพลั งงานทดแทนและอนุ รั กษ์ พลังงานพบว่าอ้อยสด 1 ton สามารถผลิตเอทานอลได้ 70 l และ มันสด 1 ton สามารถผลิตเอทานอลได้ 180 l ดังนั้นเมื่อ เปรียบเทียบต่อการผลิตเอทานอล 1 l หากเลือกอ้อยเป็นวัตถุดิบ จะต้องใช้อ้อยสด 14.286 kg และจากข้อมูลวอเตอร์ฟุตพรินต์ของ อ้อยภาคตะวันออกจะสามารถคํานวณได้ว่ามีนํ้าเกี่ยวข้องกับการ เพาะปลู ก อ้ อ ย 2.74 m3 แต่ ห ากใช้ มั น สํ า ปะหลั ง เป็ น วั ต ถุ ดิ บ จะต้ อ งใช้ มั น สํ า ปะหลั ง 5.556 kg และมี น้ํ า เกี่ ย วข้ อ งกั บ การ เพาะปลูกมันสําปะหลัง 2.49 m3 หากพิจารณาผลกระทบจากการ ผลิ ตเอทานอลต่ อทรั พยากรน้ําที่ เกี่ ยวข้ องกับการเพาะปลู กพื ช พลังงานพบว่าการเลือกมันสําปะหลังเป็นวัตถุดิบจะใช้ทรัพยากรน้ํา

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 68–75

น้ อ ยกว่ า อ้ อ ยเล็ ก น้ อ ย งานวิ จั ย นี้ ยั ง พบว่ า WFgreen มี สั ด ส่ ว น มากกว่าประเภทอื่นแสดงให้เห็นว่าน้ําฝนเป็นปัจจัยสําคัญในการ เพาะปลูกอ้อยและมันสําปะหลังในภาคนี้ ในส่วนของ WFblue อ้อยและมันสําปะหลังมีความต้องการน้ําจากแหล่งน้ําธรรมชาติ 48 Mm3 y-1 และ 205 Mm3 y-1 ตามลําดับ ค่าดังกล่าวสามารถ นําไปพิจารณาร่วมกับค่าความต้องการน้ําสําหรับพืชเกษตรชนิด อื่นและความต้องการน้ําสําหรับภาคอุตสาหกรรม รวมถึงน้ําเพื่อ การอุปโภคบริโภค เพื่อการจัดสรรทรัพยากรน้ําอย่างเหมาะสม ต่อไป ทางเลือกสําหรับการลดวอเตอร์ฟุตพริ้นต์คือ การเพิ่มผลผลิต ต่อไร่ การปลูกพืชคลุมดินเพื่อลดการคายระเหยน้ําในดินจะช่วย ลด WFgreen การลดค่า WFblue สามารถดําเนินการโดยเปลี่ยน รู ป แบบการให้ น้ํ า โดยให้ มี ก ารสู ญ เสี ย น้ํ า ลดลงเช่ น ระบบ

ชลประทานแบบน้ํ า น้ อ ย (ระบบน้ํ า หยด หรื อ ระบบฉี ด ฝอย) รวมถึงการปรับปรุงระยะเวลาและปริมาณการให้น้ําให้เหมาะสม กับชนิดของพืช และการลดค่า WFgrey สามารถทําได้โดยลดการ ใช้ปุ๋ยเคมี ใช้ปุ๋ยในปริมาณที่เหมาะสมกับลักษณะดินและชนิด ของพืช รวมถึงการใช้ปุ๋ยที่พืชจะสามารถดูดซึมไปใช้ได้ง่ายโดยมี ปุ๋ยตกค้างในดินน้อย ได้แก่ ปุ๋ยอินทรีย์ 5 กิตติกรรมประกาศ การดํ า เนิ น การวิ จั ย ในครั้ ง นี้ ได้ รั บ ทุ น การสนั บ สนุ น จาก สํานักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ คณะผู้วิจัยขอขอบพระคุณ เป็นอย่างสูงไว้ ณ ที่นี้

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

Province

Cmax

N leaching fraction

(mg l-1) Chanthaburi Chachoengsao Chonburi Prachinburi Rayong Sakaeo

5 5 5 5 5 5

Sugarcane (m3 ton-1) (N) Fertilizer application rate (kg rai-1)

0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10

9.9 9.8 10.1 11.8 9.9 8.0

Yield

Cassava (m3 ton-1) WFgrey

(N) Fertilizer application rate

Yield

WFgrey

(kg rai-1)

(ton rai-1)

(m3 ton-1)

11.2 9.8 12.3 10.8 10.5 10.8

3.4 3.2 3.6 3.2 3.2 3.2

65.7 61.1 68.5 67.8 65.7 67.4

(ton rai-1) (m3 ton-1) 10.2 9.8 10.0 10.0 10.2 10.2

19.3 18.0 20.2 23.5 19.3 15.7

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

Province Chanthaburi Chachoengsao Chonburi Prachinburi Rayong Sakaeo Average

Sugarcane (m3.ton-1) WFgreen 148.3 166.7 160.2 153.5 177.5 158.5 160.8

WFblue 2.1 6.3 5.1 24.3 14.2 16.0 11.3

WFgrey 19.3 18.0 20.2 23.5 19.3 15.7 19.3

Cassava (m3.ton-1) WF total 169.7 191.0 185.5 201.3 211.0 190.2 191.5

WFgreen 310.4 366.0 361.9 301.8 387.6 326.7 342.4

WFblue 18.7 14.0 10.2 89.6 34.2 72.4 39.9

WFgrey 65.7 61.1 68.5 67.8 65.7 67.4 66.0

WF total 394.8 441.1 440.6 459.2 467.5 466.5 448.3

73

Journal of the Thai Society of Agricultural Engineering Vol. 18 No. 1 (2012), 68–75

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

Area

Sugarcane (m3.ton-1) WFblue WFgrey 11 19 87 25 57 13

WFgreen 161 90 139

Eastern Thailand Northern Thailand Global Average

WFgrey

WFblue

WF total 192 202 210

WFgreen

WFblue

WF total 448 509 564

WFgreen

500

200

400

150

300

m3.ton-1

m3.ton-1

WFgreen 342 192 550

WFgrey

250

Cassava(m3.ton-1) WFblue WFgrey 40 66 232 85 0 13

100 50

200 100

0

0

Sugarcane

Cassava

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

6 เอกสารอ้างอิง กรมวิชาการเกษตร. 2541. ปริมาณธาตุอาหารพืชของปุ๋ยอินทรีย์ จากวั ส ดุ อิ น ทรี ย์ . กองปฐพี วิ ท ยา. กระทรวงเกษตรและ สหกรณ์. กรมพั ฒ นาที่ ดิ น . 2555. ดิ น ของไทย. กระทรวงเกษตรและ สหกรณ์. กรมพั ฒ นาพลั ง งานทดแทนและอนุ รั ก ษ์ พ ลั ง งาน. 2550. แผนพัฒนาพลังงานทดแทน 15 ปี. กระทรวงพลังงาน. กรมพั ฒ นาพลั ง งานทดแทนและอนุ รั ก ษ์ พ ลั ง งาน. 2554. แผนพัฒนาพลังงานทดแทนและพลังงานทางเลือก 25% ใน 10 ปี (พ.ศ.2555-2564). กระทรวงพลังงาน. กรมอุตุนิยมวิทยา. 2554. สถิติภูมิอากาศของประเทศไทย ในคาบ 30 ปี (พ.ศ. 2524 – 2553). กระทรวงเทคโนโลยีสารสนเทศ และการสื่อสาร บุญมี พันธุ์ไทย. 2554. ระเบียบวิธีวิจัยการศึกษาเบื้องต้นภาค วิ ช าการประเมิ น และการวิ จั ย . Available at: ebook.ram.edu/e-book/m/MR3 9 3 / chapter6 . pdf.

Accessed 18 ก.ย. 2554.

74

ประกาศคณะกรรมการสิ่ ง แวดล้ อ มแห่ ง ชาติ ฉบั บ ที่ 8 (พ.ศ. 2537). 2537. กําหนดมาตรฐานคุณภาพน้ําในแหล่งน้ํา ผิวดิน. ราชกิจจานุเบกษา. เล่ม 111 ตอนที่16 ง. แผนการพัฒนาการเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติ ฉบับที่ 11 (พ.ศ.

2555-2559). 2554. สํานักงานคณะกรรมการพัฒนาการ เศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติ. สํานักงานเศรษฐกิจการเกษตร. 2553. สถิติการเกษตรของไทย ปี 2552. กระทรวงเกษตรและสหกรณ์. สํานักงานเศรษฐกิจการเกษตร. 2555. สถิติการเกษตรของไทย ปี 2554. กระทรวงเกษตรและสหกรณ์.

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.

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีท่ี 18 ฉบับที่ 1 (2555), 68–75

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.

75