1 บทที่ 1 การสกัดและการแยก ......การสก...

1

วิศวกรรมอาหาร 2 ผูชวยศาสตราจารยทศพร นามโฮง

บทท่ี 1การสกัดและการแยก

กระบวนการแยกเปนหนวยปฏิบัติการหนวยหนึ่งท่ีสําคัญในการแปรรูปอาหาร เพราะวาอาหารประกอบดวยองคประกอบท่ีแตกตางกันท่ีสามารถแยกไดดวยหลักการทางเคมีกายภาพตัวอยางเชน การระเหยก็เปนกระบวนการแยกชนิดหนึ่งซึ่งแยกไอหรือ vapor ออกจากของเหลวท่ีถูกทําใหระเหยหรือกระบวนการกรองก็เปนกระบวนการแยกท่ีแยกองคประกอบอาหารโดยอาศัยหลักการในเรื่องความแตกตางของขนาดโมเลกุล กระบวนการแยกตางก็ใชหลักการทางเคมีกายภาพท่ีหลากหลายกัน ดังไดสรุปไวในตารางท่ี 1 ดังนี้

ตารางท่ี 1 กระบวนการแยกในอุตสาหกรรมอาหาร

กระบวนการทางกล ปจจัยในการแยก หลักการของการแยก ตัวอยาง

การตั้งท้ิงไว ( Settling ) แรงโนมถวง ความแตกตางในเรื่องความหนาแนน

การบําบัดนํ้า

การหมุนเหว่ียง แรงหมุนเหว่ียง ความแตกตางในเรื่องความหนาแนน

การทํานํ้ามันใหบรสิุทธ์ิการแยกครมีออกจากนม

ไซโคลน Inertial flow ความแตกตางในเรื่องความหนาแนน

Spray drying

การกรอง ( filtration ) ตัวกรอง ขนาดของอนุภาค การฆาเช้ือการทําใหนํ้ามันหรือนํ้าผลไมใส

การบีบคั้น( Expression )

แรงกล(Mechanical force )

ของเหลวไหลภายใตความดัน การผลิตนํ้ามันจากเมล็ดพืช

กระบวนการสมดุล Equilibrium processReverse osmosis แรงดัน / เมมเบรน การซึมผานเมมเบรน การทํานํ้าผลไมเขมขนUltrafiltration แรงดัน / เมมเบรน การซึมผานเมมเบรน การทําwhey proteinการสกัด ตัวทําละลาย ( solvent ) การละลายได การสกัดไขมัน

การสกัดนํ้าตาลซูโครสท่ีมา : Heldman and Hartel 1997

2


การแยกทางกลหรือกายภาพในกระบวนการแปรรูปอาหาร มีหลายเหตุการณท่ีเปนการแยกเฟสสองเฟสออกจากกัน

ตัวอยางเชน การทําน้ําตาลทราย เปนการตกผลึกน้ําตาลออกจากสารละลายน้ําตาลท่ีเปนของเหลวการแยกทางกลสามารถแบงออกไดเปน 4 กลุมดังนี้ การตกตะกอน การแยกโดยการหมุนเหวี่ยงการกรองและการรอน

การตกตะกอน หรือ sedimentation เชนการแยกของเหลวสองชนิดท่ีไมรวมกัน หรือการแยกระหวางของแข็งกับของเหลว โดยท่ีวัตถุสองชนิด มีความแตกตางกันในเรื่องของความหนาแนนซึ่งแยกจากกันไดดวยแรงโนมถวง ซึ่งถาตองการใหกระบวนการเร็วข้ึนก็เพ่ิมแรงหมุนเหวี่ยงเพ่ือเพ่ิมอัตราของการตกตะกอน ซึ่งก็จะเปนการแยกแบบท่ีเรียกวา Centrifugal separation สวนการกรองเปนการแยกของแข็งออกจากของเหลวโดยใหสวนผสมไหลผานแผนกรองท่ีมีรูพรุนท่ีเล็กพอท่ีจะไมใหของแข็งไหลผานแตใหญพอท่ีปลอยใหของเหลวไหลผานได สวนการรอนเปนการแยกขนาดของอนุภาคของแข็งโดยรอนผานตะแกรงท่ีมีรูขนาดตางๆกัน การรอนเปนวิธีท่ีใชในการแบงประเภทของอนุภาคของแข็ง

1.การตกตะกอนหรือ SedimentationSedimentation เปนการแยกโดยใชแรงโนมถวงแตเพียงอยางเดียว เพ่ือแยกอนุภาคของแข็ง

ออกจากจากกระแสของไหล Sedimentation ใชในอุตสาหกรรมอาหารในการแยกสิ่งสกปรกออกจากวัตถุดิบ หรือใชในการตกผลึก ใชแยกฝุนออกจากกระแสอากาศ ในการ Sedimentationอนุภาคถูกแยกออกมาดวยแรงโนมถวง จากสมการ Strokes’ law ความเร็วของอนุภาคท่ีเคลื่อนท่ีในกระแสของไหลจะไดดังนี้

Vm = D2 g ( ρp – ρf ) / 18 μ …………1.1ในระบบ SI unitD = เสนผาศูนยกลางอนุภาค หนวยเปนเมตร ( m )g = อัตราเรงจากแรงโนมถวงของโลก หนวยเปนเมตรตอวินาที 2 ( m / s2 )ρp = ความหนาแนนของอนุภาค หนวยเปนกิโลกรัมตอลูกบาศกเมตร ( kg/m3 )ρf = ความหนาแนนของของไหลท่ีอนุภาคนั้นๆอยู

หนวยเปนกิโลกรัมตอลูกบาศกเมตร ( kg/m3 )μ = viscosity ของของไหล หนวยเปน นิวตัน .วินาที ตอตารางเมตร หรือ N s /m2

เสนผาศูนยกลางของอนุภาคหรือ D จะมีขนาดเล็กมากมีหนวยเปน ไมครอนหรือไมโครเมตร( μm ) ซึ่ง 1 ไมครอนเทากับ 10 -6 เมตร

และ สมการของ Strokes’ law นี้ใชกับอนุภาคท่ีเปนทรงกลมเทานั้น

3


ตัวอยางการคํานวณ ( การแยกของแข็งออกจากแกสหรืออากาศ )โจทย ใหหาความเร็วของ การตกตะกอนของอนุภาคฝุนท่ีอยูในอากาศ

a. เสนผาศูนยกลางของอนุภาค 60 μmb. เสนผาศูนยกลางของอนุภาค 10 μm

กําหนดให อุณหภูมิของอากาศเทากับ 21 องศาเซลเซียส ความดันเทากับ 100 kPa ความหนาแนนของอนุภาคเทากับ 1,280 Kg / m3 ความหนาแนนของอากาศ เทากับ 1.2 Kg / m3

viscosity หรือความหนืดของอากาศ เทากับ 1.8 x 10 -5 N s /m2

วิธีทํา จาก Strokes’ lawVm = D2 g ( ρp – ρf ) / 18 μ

แทนคา Vm = (60 x 10-6 )2 (9.81) ( 1280 -1.2 )18(1.8 x 10-5 )

= 0.14 เมตรตอวินาทีb.วิธีทําเชนเดียวกับ aคําตอบ 3.9 x 10-3 เมตรตอวินาที

ตัวอยางการคํานวณ การแยกของเหลวท่ีไมผสมกันออกจากกันเชนการแยกน้ํามันและน้ําโจทย ในถังแยกแบบตอเนื่องใชน้ําลางน้ํามัน และน้ําท่ีออกมาสมมติวาไมมีน้ํามันเจือปนอยูเลยอุณหภูมิของน้ํามันและน้ําอยูท่ี 38 องศาเซลเซียส กําหนดใหอนุภาคของน้ํามันมีขนาดเสนผาศูนยกลาง 5.1 x 10 -5 m ความหนาแนนของน้ํามันเทากับ 894 Kg /m3 Viscosity ofwater หรือความหนืดของน้ําท่ีอุณหภูมิ 38 องศาเซลเซียส เทากับ 0.7 x 10 -3 N.s.m-2 ความหนาแนนน้ําเทากับ 992 Kg /m3 คํานวณความเร็วในการเคลื่อนท่ีของมวลน้ํามันในน้ําวิธีทํา จากสมการ Strokes’ law

Vm = D2 g ( ρp – ρf ) / 18 μแทนคา Vm = (5.1x 10-5 )2 9.81 ( 992-894 )

18 ( 0.7x10-3 )Vm = 1.98x10-4 เมตรตอวินาทีหรือ = 0.71 เมตรตอชั่วโมง

2. การกรอง หรือ filtration การกรองใชกันอยางกวางขวางในกระบวนการแปรรูปอาหารดังตัวอยางซึ่งแสดงในตารางท่ี 1 การกรองใชในการทําใหอาหารเหลวมีความใสเชนน้ําผลไม หรือน้ํามันพืช เปนการกําจัดจุลินทรียดวยและเปนการแยกของแข็งออกจากเฟสของเหลว เชนการทําน้ําตาลใหบริสุทธิ์ หรือการลําดับสวนไขมัน ( fat fractionation ) ในบางกรณีเม่ือกรองแลวสิ่งท่ีคางอยูในสวนท่ีกรองเปนองคประกอบท่ีมีความสําคัญ เชนผลึกของน้ําตาลท่ีแยกออกจากสารละลาย

4


น้ําตาลในกระบวนการทําน้ําตาลใหบริสุทธิ์ แตบางกรณีเม่ือกรองแลวของเหลวท่ีผานออกจากแผนกรองคือผลิตภัณฑท่ีตองการเชนน้ําผลไม หรือ น้ํามันพืชบริสุทธิ์ หรือน้ํากรอง ตัวอยางของการกรองในอุตสาหกรรมอาหารเชนในกระบวนการทําเบียร มีหลายๆกระบวนการท่ีการกรองมีความจําเปน เชนข้ันตอนแรกในการทําเบียรคือการเพาะขาวบารเลยใหงอกหรือท่ีเรียกวา maltingหลังจากนั้นตมขาวมอลทในน้ําเพ่ือสกัดเอาโพลีแซคคาไรดท่ีละลายไดออกมาซึ่งจะใชเปนสารตั้งตนในการหมักแอลกอฮอล ซึ่งการแยกนี้ก็ใชการกรอง น้ําท่ีสกัดออกมาเรียกวาน้ําเวิอรทหรือ wortจากนั้นตมน้ําเวิอรทในภาชนะท่ีมีดอกฮอปอยูเพ่ือใหเกิดกลิ่นรสของเบียร จากนั้นแยกฮอปสออกโดยการกรองอีกเชนเดียวกัน ทําใหเย็นแลวผานเขาสูกระบวนการหมักตอไปซึ่งท่ีกระบวนการนี้ยีสตจะเปลี่ยนน้ําตาลใหเปนแอลกอฮอล หลังจากนั้นก็ตองกรองแยกเอายีสตออกแลวนําเบียรไปทําใหใสจากนั้นก็กรองสวนใสออก ซึ่งจะเห็นวาการกรองเก่ียวของในหลายๆข้ันตอนของกระบวนการผลิตเบียร

หลักการของกระบวนการกรอง การกรองคือการนําสารท่ีตองการกรองผานตัวกลางท่ีใชกรอง ซึ่งอนุภาคตางๆหลังจากกรองยังคงคางอยูท่ีตัวกรองจากรูปท่ี 1.1 เปนการกรองท่ีใชเมมเบรนหรือเรียกวา membrane separation ( ultrafiltration และ reverse osmosis ) โดยท่ีเปนการแยกอนุภาคท่ีมีขนาด 0.1 ไมโครเมตรหรือใหญกวา โดยท่ีของเหลวท่ีมีสารแขวนลอยเปนของแข็งถูกบังคับใหไหลผานแผนกรองโดยท่ีสารแขวนลอยคงคางท่ีแผนกรองและของเหลวไหลผานแผนกรองออกไป ซึ่งตองใชความดันบังคับใหของเหลวไหลผานเมมเบรนไปซึ่งความดันท่ีใชอยูท่ี 30ถึง 75 psi หรือ 200 ถึง 500 kPa แตถาเปน ultrafiltration membrane ใชความดันท่ี50 ถึง 150 psi หรือ 350 ถึง 1,000 kPa ถาเปน reverse osmosis ใชความดันท่ี 150 ถึง1,500 psi หรือ 1 ถึง 10 MPa ดังจะไดกลาวอยางละเอียดตอไป

ระบบการกรองมีหลายแบบหลายรูปราง ท่ีใชกันท่ัวไปเชน plate and frame filter pressดังแสดงในรูปท่ี 1.2 โดยมีผากรองอยูติดใน plate และแผนของเครื่องกรอง ของเหลวท่ีตองการแยกถูกปมผานตัวกรอง สารแขวนลอยจะคางอยูท่ีแผนกรอง บางครั้งของท่ีคางอยูท่ีแผนกรองคือผลิตภัณฑท่ีตองการ บางครั้งของเหลวท่ีผานเครื่องกรองออกไปก็คือผลิตภัณฑท่ีตองการ และถาแผนกรองนั้นสามารถกรองจุลินทรียไดหมด ผลิตภัณฑนั้นเรียกวาผานกระบวนการปลอดเชื้อชนิด coldsterilization

เครื่องกรองอีกแบบท่ีใชกันคือ Rotary filter ดังแสดงในรูปท่ี 1.3 ซึ่ง Rotary filterสามารถกรองไดอยางตอเนื่อง และสามารถกรองไดเปนจํานวนมาก Rotary drum filter มีหลายรูปแบบ สําหรับ Rotary drum filter แบบตอเนื่องเปนการกรองโดยท่ีตัวกรองอยูท่ีลูกกลิ้ง และของเหลวท่ีผานการกรองแลวจะไหลผานเขาไปในลูกกลิ้ง ความเปนสุญญากาศท่ีอยูในลูกกลิ้งเปนตัวเรงอัตราและประสิทธิภาพการกรอง หลังจากท่ีลูกกลิ้งหมุนไปสามในสี่รอบ filter cake ก็ถูกกําจัดออก สวนเครื่องกรองแบบ Rotary belt filter นั้นสงผานของเหลวไปท่ีสายพาน จะเกิด

5


การกรองไปเรื่อยๆขณะท่ีสายพานเคลื่อนท่ี และของเหลวท่ีผานการกรองจะไหลลงสูดานลาง เม่ือสายพานเคลื่อนมาท่ีดานปลายสุดก็ขจัดเอา filter cake ออก ดังรปูท่ี 1.4

ประสิทธิภาพการกรองข้ึนกับปจจัยหลายอยาง เชนขนาดรูพรุนของแผนกรอง ความหนืดของของเหลวท่ีกรอง จํานวนของสารแขวนลอยในของเหลว และความดันท่ีใช แผนกรองหรือตัวกลางท่ีกรองตองมีรูพรุนท่ีเล็กพอเพ่ือท่ีจะสามารถกรองอนุภาคตางๆได นอกจากนั้นรูพรนุเหลานี้ตองไมอุดตันไดงายซึ่งจะไปลดประสิทธิภาพของการกรองลง และแผนกรองตองมีความแข็งแรงพอท่ีจะไมฉีกขาดไดงายเม่ือใชแรงดัน และตองสามารถขจัดเอา filter cake ออกไดงายบางครั้งตัวชวยกรอง เชน diatomaceous earth หรือแรเพอรไลท ซึ่งเปน หินซิลิเคท ก็ใชเปนตัวชวยในการแยกระหวางของแข็งออกจากของเหลว ตัวชวยกรองเหลานี้เติมลงไปเปนสารแขวนลอยในระหวางการกรองเพ่ือเพ่ิมปริมาตรของ filter cake ท่ีอยูบนแผนกรอง ซึ่งจะใช filter aid หรือตัวชวยกรองก็ตอเม่ือ filtrate หรือสิ่งท่ีกรองไดเปนผลิตภัณฑท่ีมีคุณคา ราคาแพง

รูปท่ี 1.1 การแยกดวยเมมเบรนขนาดตางๆกันท่ีมา: Dairy Processing Handbook. Published by Tetra Pak Processing Systems AB,Sweden

6


รูปท่ี 1.2 เครื่องกรองแบบ filter pressท่ีมา : http://www.decalite-europe.com/filtrate.htm

รูปท่ี 1.3 Rotary drum filterท่ีมา: http://solidliquid-seperation.com/VacuumFilters/Drum/drum.htm

7


รูปท่ี 1.4 การขจัดเอา filter cake ออกจาก Rotary Drum Filterท่ีมา: http://solidliquid-seperation.com/VacuumFilters/Drum/drum.htm

3. การบีบคั้นหรือ Expression เปนการแยกของเหลวออกจากสารก่ึงเหลวก่ึงแข็งหรือsemisolid material ของเหลวท่ีอยูในสารก่ึงเหลวก่ึงแข็งนี้ถูกบังคับใหแยกออกมาโดยผานตัวกรอง ซึ่งยังมีของแข็งคงเหลืออยูในตัวกรอง การบีบค้ันแตกตางจากการกรองคือใชแรงดันดันผานผนังแลวใหผนังกดทับไปท่ีตัวกรองท่ีหอหุมวัสดุอยู สวนการกรองเปนการใชความดันปมของเหลวใหผานแผนกรอง การใชการบีบค้ันหรือ expression นี้ เปนการกําจัดน้ําออกจากอาหารกอนท่ีจะนําอาหารนั้นไปทําแหง การใชกระบวนการบีบอัดในการแปรรูปอาหารนี้เชนการแยกน้ํามันออกจากเมล็ดพืช เชนบีบอัดน้ํามันถ่ัวเหลือง น้ํามันเมล็ดฝาย น้ํามันปาลม น้ํามันมะกอก ถาเมล็ดนั้นมีน้ํามันเปนองคประกอบอยูมากกวา 25% การใชการบีบอัดสามารถผลิตน้ํามันท่ีมีคุณภาพสูงได อีกตัวอยางหนึ่งของการบีบอัดในกระบวนการแปรรูปอาหารเชนกระบวนการผลิตน้ําตาลจากออย โดยบีบออยผานลูกกลิ้งเพ่ือสกัดน้ําออยออกมา หรือการสกัดน้ําผลไมจากเครื่องแยกกาก

ในกระบวนการบีบอัดน้ํามันจากเมล็ดพืชน้ํามัน แสดงดังรูปท่ี 1.5 ในกระบวนการนี้ท้ังน้ํามันและกากเปนผลิตภัณฑท่ีมีคุณคา น้ํามันท่ีแยกไดนําไปผานกระบวนการกรองตอไป สวนกากยังคงมีน้ํามันเหลืออยูประมาณ 10 -20% ซึ่งสามารถแยกน้ํามันออกดวยการสกัดตอดวยตัวทําละลายหรือท่ีเรียกวา solvent extraction แลวนําไปผานกระบวนการทําใหน้ํามันบริสุทธิ์ตอไปน้ํามันท่ีไดจากการบีบอัดถือวาเปนน้ํามันคุณภาพสูงกวาน้ํามันท่ีไดจากการสกัดดวยตัวทําละลายเพราะตัวทําละลายจะสกัดเอาสารประกอบท่ีไมตองการออกมา ซึ่งน้ํามันท่ีผานการสกัดแบบนี้ตองผานกระบวนการทําใหบริสุทธิ์ตอไป

หลักการของกระบวนการบีบคั้นหรือ expression นี้ใหวางวัสดอุยูภายใตแรงดันท่ีกําหนดและทําใหเซลท่ีเมล็ดพืชแตกออก น้ํามันท่ีอยูภายในเมล็ดจะไหลออกมาซึ่งจะเห็นวาเมล็ดถูกบีบอัดภายใตแผนอัดหรือแผนกรอง ในการบีบโกโกบัตเตอรออกจากเมล็ดโกโกนั้นความดันท่ีใชสูงถึง 42MPa ( 6000 psi ) เปนกระบวนการบีบอัดโดยใชเครื่องบีบอัดชนิดหมุนไดหรือ Rotary pressโดยลูกกลิ้งท่ีหมุนไดจะบังคับเมล็ดหรือเนื้อท่ีจะบีบอัดใหเขาสูพ้ืนท่ีท่ีเล็กลง ซึ่งทําใหน้ํามันในเมล็ด

8


ไหลออกจากเมล็ดลงสูทอเก็บน้ํามัน การบีบอัดโดย screw press ก็ใชในการอัดแยกน้ํามันออกจากเมล็ดเชนเดียวกัน ในการเพ่ิมประสิทธิภาพการแยกน้ํามันจากเมล็ดจําเปนตองเตรียมเมล็ดกอนเชนการบดผาซีกและนึ่งดวยไอน้ํากอน ท้ังนี้เพ่ือเพ่ิมพ้ืนท่ีผิวของเซลและทําใหโครงสรางของเซลหลวมเพ่ือทําใหเซลแตกออกระหวางการบีบอัดไดงายข้ึน

รูปท่ี 5 เครื่องบีบอัดน้ํามันจากเมล็ดพืชท่ีมา : http:// www.tootoo.com/d-rp2971271_jatopha_eeds_il_ress

4. การแยกดวยการหมุนเหว่ียงหรือ Centrifugal separationการแยกโดยวิธีการหมุนเหวี่ยงใชกันอยางแพรหลายในกระบวนการแปรรูปอาหาร

ตัวอยางเชนการแยกครีมออกจากนม และการทําน้ํามันใหบริสุทธิ์ การแยกโดยการหมุนเหวี่ยงในกระบวนการแปรรูปอาหารเชนการแยกผลึกออกจากสวนผสม โดยแรงหมุนเหวี่ยงจะทําใหอนุภาคของแข็งเกาะติดอยูท่ีตะแกรงในตะกราหมุนเหวี่ยง ในกระบวนการทําน้ํามันใหบริสุทธิ์ เติมดางลงในน้ํามันเพ่ือขจัดกรดไขมันอิสระท่ีอยูในน้ํามัน ซึ่งเปนสาเหตุของการเกิดกลิ่นท่ีไมนาพอใจในน้ํามันไดโดยท่ีดางจะทําปฏิกิริยากับกรดไขมันอิสระไดเปนสบู ซึ่งละลายไดในน้ํา การหมุนเหวี่ยงใชแยกน้ําท่ีมีสบูอยูออกจากชั้นท่ีเปนไขมัน

การแยกไขมันในนมโดยใชเครื่องแยกแบบหมุนเหวี่ยงเหมือนกับการทําน้ํามันพืชใหบริสุทธิ์ในกรณีนี้ นมท่ีมีไขมัน 3.2 -3.5% จะเขาไปในเครื่องหมุนเหวี่ยงซึ่งไขมันและน้ําถูกแยกออกดวยแรงหมุนเหวี่ยงโดยอาศัยความแตกตางดานความหนาแนนดังรูปท่ี 1.6 สวนของครีมท่ีแยกไดมีความเขมขนมากข้ึนมีไขมัน 30% สวนท่ีเหลือหลังจากแยกครีมออกไปคือหางนมหรือ skim milk ในกระบวนการหมุนเหวี่ยงทําใหไขมันในนมลดลงเหลือนอยกวา 0.1%

9


หลักการของกระบวนการหมุนเหว่ียง สวนมากแลวเราจะคุนเคยกับการแยกน้ํามันออกจากน้ําโดยอาศัยความถวงจําเพาะ เชนในการทําน้ําสลัดแบบน้ําใสโดยผสมน้ํามันกับน้ําซึ่งจําเปนตองเขยาเพ่ือใหน้ํากับน้ํามันเขากัน แตหลังจากตั้งขวดท้ิงไวสักครู น้ํามันจะแยกออกจากน้ํา โดยชั้นของน้ํามันจะแยกอยูสวนบนเพราะวามีความหนาแนนนอยกวาสวนท่ีเปนน้ํา แรงของความถวงจําเพาะทําใหเกิดการแยกนี้ ในกระบวนการหมุนเหวี่ยงแรงหมุนเหวี่ยงทําใหวัสดุเกิดการแยกโดยอาศัยความแตกตางของอนุภาคในเรื่องความหนาแนน และความถวงจําเพาะ

ในกระบวนการทําน้ํามันใหบริสุทธิ์ ใชแรงหมุนเหวี่ยงแยกน้ํามันออกจากน้ํา เชนดังรูปท่ี 1.6มีแผนดิสกท่ีซอนกันเปนชั้นๆโดยมีชองวางระหวางแผนดิสกนอยกวาหนึ่งเซนติเมตร โดยแผนดิสกซอนกันเหมือนรูปกรวยท่ีมีมุม 45 องศา แผนดิสตหมุนรอบแกนท่ีอัตรา 5000 ถึง 6000 รอบตอนาทีเพ่ือทําใหเกิดแรงหมุนเหวี่ยง โดยท่ีน้ํามันดิบไหลเขาทางดานลางผานไปตามรูของแผนดิสก เฟสท่ีเปนน้ําซึ่งมีความถวงจําเพาะมากกวาน้ํามันจะถูกบังคับใหไหลออกไปดานนอกของเครื่องหมุนเหวี่ยงสวนน้ํามันไหลเขามาดานในและเก็บไวท่ีแกนกลางของแผนดิสก ดังนั้นน้ํามันและน้ําถูกแยกออกจากเครื่องหมุนเหวี่ยงดวยทอท่ีแยกจากกัน

สวนการหมุนเหวี่ยงของผสมท่ีมีสารแขวนลอยหรือท่ีเรียกวา slurry ทําใหเกิดการแยกอนุภาคของแข็งออกจากของเหลว ถามีของแข็งท่ีไมสามารถละลายไดอยูเล็กนอยแลวถูกขจัดออกไปเรียกวิธีนี้วากระบวนการทําใหใสโดยใชแรงหมุนเหวี่ยง หรือ Centrifugal clarification สวนการแยกของผสมท่ีมีอนุภาคของแข็งเปนจํานวนมาก การหมุนเหวี่ยงนี้เรียกวา การสะเด็ดน้ําท้ิงหรือdesludging or decanting การหมุนเหวี่ยงของเหลวท่ีมีอนุภาคของแข็งแขวนลอยอยูดวยความเร็วท่ีสูงเพียงพอจะทําใหอนุภาคของแข็งแยกออกจากของเหลวดวยแรงหมุนเหวี่ยง ถาของแข็งนั้นมีความหนาแนนสูงกวาของเหลว ของแข็งนั้นจะถูกบังคับใหออกไปดานนอกของเครื่องหมุนเหวี่ยงดวยแรงหมุนเหวี่ยง ท่ีเครื่องหมุนเหวี่ยงมีตะแกรงกรองท่ีผนังของเครื่องดังนั้นอนุภาคท่ีเปนของแข็งก็จะไปเกาะอยูท่ีผนังเรียกวา filter cake จากนั้นลาง filter cake ดวยน้ําบริสุทธิ์แลวทําใหแหงอยาง

รูปท่ี 1.6 เครื่องแยกครีมแบบ centrifugalseparatorท่ีมา:http://www.ilri.org/InfoServ/Webpub/fulldocs/Bulletin27/Options.htm

10


รวดเร็ว แลวขูดสวนท่ีเปน filter cake ออกไปใชในกระบวนการตอไป กระบวนการนี้เชนการแยกแปงออกจากน้ําแปง ระบบนี้ใชกับของผสมท่ีมีความเขมขนของของแข็งสูงถึง 90%อัตราการแยกในเครื่องหมุนเหว่ียง

สมการของความเร็วของอนุภาคท่ีเคลื่อนท่ีในกระแสของไหล จาก Strokes’ lawVm = D2 a ( ρp – ρf ) / 18 μ

คา a คือ acceleration forceถาใชแรงหมุนเหวี่ยงหรือ centrifugal force ในเครื่องหมุนเหวี่ยงดังนั้นแรงท่ีกระทําคือ Fc = mrω2 ……………………………..1.2

Fc คือ Centrifugal force ท่ีกระทําตออนุภาคเพ่ือใหอนุภาคนั้นหมุนเปนวงกลมr คือ รัศมีของวงกลมท่ีหมุนm คือ มวลของอนุภาค

ω คือ Angular velocity ของอนุภาค = v/r ซึ่ง v = tangential velocity ของอนุภาคดังนั้น Fc = ( mv2) /rความเร็วของการหมุนแสดงเปนจํานวนรอบตอนาที ( N ) ; ถาเขียนเปนวินาทีก็หารดวย 60

ดังนั้น ω = 2¶ N/60ดังนั้นแทนคาสมการท่ี 1.2 ไดเปน

Fc = mr ( 2¶ N/60 )2 = 0.011 m r N 2 = m 0.011 r N2

เม่ือเปรียบเทียบกับแรงโนมถวงท่ีกระทําตออนุภาค F = mg , ( g คือแรงโนมถวง )แตถาใชแรงเซนตริฟวส จะแทนคา g ดวย 0.11 rN2 ซึ่งเทากับ a หรือ acceleration forceดังนั้น a = 0.011 r N2 ……………………………………1.3

เม่ือแทนคา g ใน Strokes’ law ดวยคา a จาก 1.3 จะไดสมการดังตอไปนี้ดังนั้น Vm = D2 ( 0.011 r N2 ) ( ρp – ρf ) / 18 μ

= D2 r N2 ( ρp – ρf ) / 1640 μ …………………1.4

ตัวอยางคํานวณ การใชเครื่องหมุนเหว่ียงแยกน้ํามันออกจากน้ําของผสมน้ํามันในน้ําแยกโดยใชเครื่องหมุนเหวี่ยง สมมติวาอนุภาคน้ํามันท่ีกระจายตัวในน้ําเปนอนุภาคทรงกลมท่ีมีเสนผาศูนยกลาง 5.1 x 10 -5 เมตร มีความหนาแนน 894 กก.ตอลูกบาศกเมตร ถาเครื่องหมุนเหวี่ยงหมุนดวยความเร็วรอบ 1500 รอบตอนาที และรัศมีของการหมุนแยกเทากับ 3.8 ซม. คํานวณความเร็วของน้ํามันท่ีเคลื่อนท่ีในน้ํา ความหนาแนนของน้ําคือ 1000 กก.ตอลบ.เมตร และความหนืดของน้ําคือ 0.7 x 10 -3 N s m -2

11


วิธีทําจากสมการ 1.3 Vm = D2 r N2 ( ρp – ρf ) / 1640 μ

แทนคาจากโจทย Vm = (5.1x10-5 ) 2 ( 3.8 x 10-2 ) 1500 ( 1000-894 )1640 (0.7 x10-3 )

= 0.02 เมตรตอวินาทีน้ํามันแยกออกจากน้ําดวยความเร็ว 0.02 เมตรตอวินาที

ตัวอยาง คํานวณแรงเซนตริฟวสในเครื่องเซนตริฟวสใหหาวาแรงท่ีใชในเครื่องเซนตริฟวสซึ่งเซนตริฟวสของเหลวดวยความเร็วรอบเทากับ 2000 รอบตอนาที และมีรัศมีในการหมุน 10 ซม. นั้นเปนก่ีเทาของแรงโนมถวง ( ก่ี g )วิธีทําจากสมการ 1.2 a = 0.011 r N2

แทนคา a = 0.011 ( 10 x10-2 )( 2000 ) 2

= เมตรตอวินาที2

แรงท่ีใชในเครื่องหมุนเหวี่ยง Fc = m ( 44,000 )แรงท่ีใชแตแรงโนมถวง Fg = m g = m ( 9.81)ดังนั้น Fc คิดเปน m (44,000 ) / m ( 9.81) = 448. 5 เทาของแรงโนมถวง

ไซโคลน ระบบไซโคลนเปนการแยกอนุภาคของแข็งหรือของเหลวท่ีแขวนลอยอยูในกระแสอากาศเหมาะกับการแยกอนุภาคท่ีมีเสนผาศูนยกลางประมาณ 10 ไมครอนหรือมากกวาตัวอยางเชนการทําอาหารผงดวยเครื่องทําแหงแบบพนฝอยหรือ Spray dryer ไซโคลนใชแยกอาหารผงออกจากอากาศ อนุภาคท่ีมีเสนผาศูนยกลางมากกวา 5 ไมโครเมตรสามารถแยกออกจากแกสไดอยางมีประสิทธิภาพดวยวิธีนี้ ในกระบวนการทําแหงแบบพนฝอยหรือ Spray drying นั้นอาหารเหลวท่ีเขมขนถูกพนผานอากาศรอนเพ่ือใหไดอาหารผง การแยกอาหารผงออกจากอากาศรอนนั้นใชไซโคลน ไซโคลนแยกอาหารผงออกโดยอาศัยหลักวาอนุภาคของแข็งมีความหนาแนนท่ีมากกวาอากาศ

หลักการของกระบวนการ เชนเดียวกับการหมุนเหวี่ยง แรงท่ีใชแยกในไซโคลนก็คือแรงหมุนเหวี่ยงและอาศัยความแตกตางกันในเรื่องความถวงจําเพาะระหวางอนุภาคและแกสท่ีอนุภาคนั้นแขวนลอยอยู ในไซโคลนนั้นแกสท่ีมีอนุภาคของแข็งแขวนลอยอยูจะถูกบังคับใหไหลเปนวงกลมรอบแกนกลางอยูในไซโคลน ดังรูปท่ื 1.7 แรงหมุนเหวี่ยงทําใหอนุภาคท่ีมีความหนาแนนมากกวาอากาศหรือแกสนั้นไหลออกไปอยูดานผนังของไซโคลน และตกอยูดานลางของไซโคลนดวยแรงถวงจําเพาะซึ่งสามารถขจัดออกไปได สวนอากาศหรือแกสนั้นก็หมุนออกดานบนของไซโคลนและ

12


ออกมาเปนอากาศหรือแกสบริสุทธิ์ท่ีไมมีสารแขวนลอย แตถาอนุภาคนั้นมีขนาดเล็กกวา 5ไมโครเมตร ก็อาจจะยังมีอนุภาคนั้นแขวนลอยอยูในอากาศท่ีออกมา ดังนั้นตองผานกระบวนการแยกในข้ันตอไปเพ่ือขจัดเอาอนุภาคท่ีแขวนลอยนี้ออก

รูปท่ี 1.7 ไซโคลนท่ีมา : http://carcleaner.com/about/cyclone-technology-for-car-cleaner-vacuum

แรงท่ีกระทําตออนุภาคในไซโคลนคือ Fc = ( mv2) /rFc = centrifugal force ท่ีกระทําตออนุภาค m = มวลของอนุภาค v = ความเร็วของอนุภาคr = รัศมีของไซโคลนจากสมการแสดงใหเห็นวาถารัศมีลดลงแรงท่ีกระทําตออนุภาคยิ่งมาก ดังนั้นไซโคลนท่ีมีประสิทธิภาพในการแยกอนุภาคออกไปคือไซโคลนท่ีมีเสนผาศูนยกลางเล็ก

5. การแยกแบบ การแพรหรือ Diffusionการแยกแบบนี้เกิดจากเฟสสองเฟสสัมผัสกัน และทําใหองคประกอบของสองเฟสมีการ

เปลี่ยนแปลงเพ่ือเขาสูภาวะสมดุล ตัวอยางเชนทอนออยท่ีหั่นเปนแผนบางๆแลวใสน้ํารอนเขาไปซึ่งทําใหเกิดการเคลื่อนยายของสารประกอบท่ีละลายน้ําซึ่งรวมถึงน้ําตาลซูโครสนั้นเคลื่อนยายจากออยไปสูน้ํารอนเนื่องจากมีความแตกตางกันในดานความเขมขนระหวางวัสดุท้ังสองชนิด ตัวอยางนี้คือการสกัดของแข็งดวยของเหลว ตัวอยางอ่ืนๆท่ีเปนการแยกดวยวิธีนี้เชนการกลั่น การตกผลึก การสกัดของเหลวดวยของเหลว การแยกดวยเมมเบรน ( Reverse osmosis และ Ultrafiltration )ซึ่งกระบวนการเหลานี้เปนไดท้ังในแบบกะ (batch) หรือเปนแบบตอเนื่อง ( continuous ) แตหลักการของกระบวนการยังเหมือนเดิม

13


การสกัดหรือ extractionเม่ือสกัดอนุภาคของแข็งท่ีเปนองคประกอบในวัตถุดิบดวยการใชวิธีการละลายลงมาในตัวทํา

ละลายของเหลวเราเรียกวิธีนี้วาการชะหรือ leaching หรือ การสกัดของแข็งดวยของเหลว หรือsolid –liquid extraction การสกัดกาแฟหรือใบชาก็เรียกวา leaching โดยท่ีสารประกอบท่ีละลายไดเชนกรดอินทรีย กลิ่นรสตางๆ ท่ีมีอยูในกาแฟหรือชาถูกสกัดออกมาโดยผานน้ํารอนลงไปท่ีชาหรือกาแฟนั้น สารประกอบตางๆในกาแฟบดหรือชาท่ีละลายไดในน้ํารอนก็จะแพรเขาไปในน้ํารอนท้ังนี้เนื่องจากความแตกตางในเรื่องของความเขมขน หรือบางตัวอยางเชนสารประกอบท่ีละลายน้ําในออยหรือหัวบีทก็ถูกสกัดโดยการแชในน้ํารอน ดังนั้นสารละลายท่ีผานกระบวนการ leachingแลวก็จะมีน้ําตาลท่ีละลายไดละลายอยูในสารละลายนั้น และเม่ือตองการทําใหเปนน้ําตาลบริสุทธิ์ก็ตองแยกสวนท่ีไมใชน้ําตาลออกจากสารละลายนั้นดวยการทําใหสารละลายนั้นเขมขนข้ึน

อีกตัวอยางหนึ่งของการสกัดแบบของแข็ง - ของเหลว ในอุตสาหกรรมอาหารคือการสกัดน้ํามันพืชจากเมล็ดพืชน้ํามันดวยตัวทําละลายอินทรีย ในกรณีนี้ใชตัวทําละลายอินทรียเชนเฮกเซน อาซีโตน หรือแอลกอฮอลสัมผัสกับวัสดุ วิธีนี้ตองมีกระบวนการเตรียมวัตถุดิบกอนสกัดเพ่ือทําใหผนังเซลแตกกอนและทําใหน้ํามันท่ีอยูภายในเซลออกมาสัมผัสกับตัวทําละลายได บางครั้งน้ํามันท่ีเหลืออยูในกากท่ีไดจากการบีบอัดก็ถูกนํามาสกัดตอดวยตัวทําละลายนี้ จากนั้นก็ขจัดตัวทําละลายออกโดยการระเหยออกไป

การสกัดท่ีเรียกวา leaching สามารถทําไดท้ังแบบกะหรือแบบตอเนื่อง แบบกะนั้นจะปลอยใหตัวทําละลายสัมผัสกับของแข็งท่ีเตรียมไวและคงเวลาท่ีสัมผัสไวซึ่งเวลาข้ึนกับอัตราการแพรออกจากของแข็งขององคประกอบท่ีละลายไดในตัวทําละลาย เม่ือของแข็งถูกสกัดออกไปก็ทําชุดใหมแตถาเปนแบบตอเนื่องใสตัวทําละลายท่ีดานบนของเครื่องสกัดในแตละชอง และเก็บตัวทําละลายท่ีผานลงมาดานลาง ใหตัวทําละลายไหลสวนทางกับวัตถุดิบท่ีจะสกัด

การสกัดอีกอยางหนึ่งคือการใชกาซคารบอนไดออกไซดความดันสูง เปนตัวสกัดในการแปรรูปอาหาร โดยเพ่ิมความดันและอุณหภูมิของแกสคารบอนไดออกไซดใหอยูเหนือจุดวิกฤต( อุณหภูมิ 31.2 องศาเซลเซียส ; ความดัน = 7.38 Mpa หรือ 1,090 psi ) ซึ่งจะทําใหแกสคารบอนไดออกไซดกลายเปนของไหลวิกฤติยิ่งยวด ( Supercritical fluid ) ท่ีจุดนี้กาซคารบอนไดออกไซดมีความหนาแนนท่ีใกลเคียงกับของเหลวแตยังคงสภาพเหมือนแกสไวและสามารถแทรกซึมเขาไปในสวนท่ีตองการสกัด ซึ่งจะเปนตัวทําละลายท่ีดีเลิศในการสกัด หลังจากการสกัดสามารถขจัดเอาแกสคารบอนไดออกไซดออกโดยการลดความดันซึ่งทําใหกาซคารบอนไดออกไซดเปลี่ยนกลับไปอยูในสถานะกาซ ตัวอยางเชนการสกัดคาเฟอินจากเมล็ดกาแฟ และใชในการสกัดสารประกอบสีและกลิ่นจากวัสดุธรรมชาติ การสกัดสี annatto จากเมล็ด Annatto

การสกัดโดยการใชตัวทําละลาย การสกัดนี้เปนกระบวนการแยกในกระบวนการแปรรูปอาหารเชนการผลิตน้ํามันปรุงอาหารหรือ cooking oil หรือการสกัดน้ํามันจากเมล็ดพืช การสกัดกลิ่นและน้ํามันหอมระเหยจากเครื่องเทศหรือสมุนไพร การสัดกาแฟ การผลิตน้ําตาล หรือการขจัด

14


คาเฟอินจากกาแฟ หลังจากสกัดแลวและแยกตัวทําละลายออกไปอาจจะนําไปใชโดยตรงไดเลยเชนน้ํามันปรุงอาหาร หรือไปผานกระบวนการอ่ืนตอเชนการทําใหเขมขนข้ึน หรือการทําแหง ตัวทําละลายท่ีใชเปนหลักในการสกัดนี้คือ น้ํา ตัวทําละลายอินทรีย หรือกาซคารบอนไดออกไซดวิกฤตยิ่งยวด ( Super critical carbondioxide )

ทฤษฎีของการสกัดการสกัดชนิดของแข็ง – ของเหลวคือการสกัดเอาองคประกอบท่ีตองการ ( solute ) ออก

จากวัตถุดิบโดยใชของเหลวเปนตัวสกัด ( solvent ) ซึ่งสารท่ีตองการสกัดนั้นตองละลายไดดีในของเหลวหรือ solvent นั้น วิธีการสกัดนี้คือใหวัตถุดิบกับตัวทําละลายผสมอยูดวยกันระยะเวลาหนึ่งแลวหลังจากนั้นแยกตัวทําละลายออก ซึ่งระยะเวลาท่ีวัตถุดิบกับตัวทําละลายผสมกันนั้น เกิดการเคลื่อนยายของมวลของตัวถูกละลาย (solute ) จากวัตถุดิบไปท่ีตัวทําละลาย ซึ่งจะมีข้ันตอน 3ข้ันตอนดังนี้

ตัวถูกละลายหรือ solute ท่ีอยูในวัตถุดิบตองละลายไดในตัวทําละลาย ตัวทําละลายเคลื่อนยายผานอนุภาคของวัตถุดิบไปท่ีผิวหนา จากนั้นสารละลายท่ีเปนสวนผสมของตัวถูกละลายและตัวทําละลายก็กระจายสูตัว

ทําละลายท่ีเหลือระหวางการสกัด เวลาท่ีอาหารสัมผัสกับตัวทําละลายหรือท่ีเรียกวา holding time นั้น ตองนานเพียงพอท่ีตัวทําละลายจะละลายเอาตัวถูกละลายออกมาจนเกิดภาวะสมดุล เวลาท่ีใชนอกจากจะข้ึนกับความสามารถในการละลายไดของตัวถูกละลายในตัวทําละลายแลว ยังข้ึนกับปจจัยตอไปนี้อุณหภูมิท่ีใชในการสกัด ยิ่งอุณหภูมิสูงก็ยิ่งไปเรงอัตราการละลายไดของ ตัวถูกละลายในตัวทําละลาย และเรงอัตราการแพรของสิ่งท่ีละลายไดไปในตัวทําละลายท่ีเหลือ อุณหภูมิการสกัดนั้นจํากัดท่ีนอยกวา 100 องศาเซลเซียส เนื่องจากเหตุผลในเรื่องการประหยัดและการไมสกัดเอาสารท่ีไมตองการออกมาและคุณภาพของวัตถุดิบท่ีถูกทําลายไดเม่ือไดรับความรอน พ้ืนผิวท่ีตัวถูกละลายนั้นสัมผัสกับตัวทําละลาย อัตราของการเคลื่อนท่ีของมวลเปนสัดสวนโดยตรงกับพ้ืนท่ีผิว ดังนั้นการลดขนาดของอนุภาคลงก็เปนการเพ่ิมพ้ืนท่ีผิวและเพ่ิมอัตราการสกัดและความหนืดของตัวทําละลายจะตองต่ําพอท่ีจะทําใหตัวทําละลายแทรกซึมเขาไปสัมผัสกับตัวถูกละลายไดงายดาย อัตราการไหลของตัวทําละลาย ถามีอัตราการไหลสูงจะไปลด boundary layer ของตัวถูกละลายท่ีผิวหนาของอนุภาค ซึ่งทําใหอัตราการสกัดเพ่ิมข้ึน

15


ตารางท่ี 2 ตัวทําละลายท่ีใชในการสกัดองคประกอบอาหาร______________________________________________________________________ชนิดอาหาร ตัวทําละลาย อุณหภูมิท่ีสกัด C

กาแฟปราศจากคาเฟอิน Supercritical 30-50Carbondioxide

ตับปลา Acetone or Ethyl ether 30-50สารสกัด Hops Super critical < 100-180

CarbondioxideInstant coffee water 70-90Instant tea waterSeed , nut oils Haxane 63-70Sugar beet water 55-85______________________________________________________________________ท่ีมา : Earle 1983

ตัวทําละลายหรือ solventชนิดของ solvent ท่ีใชในการสกัดแสดงในตารางท่ี 2 การสกัดโดยใชน้ําท่ีเรียกวา

กระบวนการ leaching นั้นใชกับการสกัดน้ําตาลจากออย สกัดกาแฟ สกัดชา สวนน้ํามันและไขมันตองการตัวทําละลายอินทรียสกัด สวน Super critical carbondioxide ใชกันอยางกวางขวางในการสกัดคาเฟอินจากกาแฟหรือชา หรือใชในการสกัดสารประกอบท่ีใหกลิ่นรสจากเครื่องเทศหรือผลไม สกัดน้ํามันหอมระเหยจากสมุนไพร

คําวาวิกฤตยิ่งยวดหมายถึงอยูเหนืออุณหภูมิจุดวิกฤตและความดันวิกฤตบนเสนแผนผังความดัน – อุณหภูมิ ตามรูปท่ี 1.8 ดังนั้นสภาพวิกฤตยิ่งยวดของคารบอนไดออกไซดคือสภาพท่ีมีความดันเหนือเสนความดันวิกฤตอยูดานขวาของอุณหภูมิวิกฤต (31°C) ซึ่งสภาพนี้ทําใหแกสคารบอนไดออกไซดมีสภาพเหมือนของเหลวท่ีมีความหนืดต่ําและแพรกระจายไดเหมือนแกส และมีขอดีท่ีระเหยไดงายจึงแยกออกงายหลังจากสกัดแลว ไมติดไฟ ไมเปนพิษ ตานทานตอแบคทีเรียและราคาต่ํา

16


รูปท่ี 1.8 เฟสไดอะแกรมของกาซคารบอนไดออกไซดท่ีมา : http://www.standnes.no/chemix/english/phase-diagram-co2.htmเครื่องมือเครื่องสกัดเปนไดท้ังแบบ single stage หรือ multistage องคประกอบหลักๆท่ีสําคัญในเครื่องสกัดคือถังสกัด หรือ extraction vessel ถังแยก เครื่องควบแนนและปมเครื่องสกัดชนิด Single stageประกอบดวยถังปด ท่ีสามารถบรรจุอนุภาคของแข็งของอาหารได ท่ีมีฐานหรือกนถังมีรูพรุนพอท่ีใหตัวทําละลายไหลผานได ภายใตถัง แบบนี้ใชในการสกัดกาแฟหรือชา วิธีนี้จะไดสารสกัดท่ีคอนขางเจือจางเครื่องสกัดชนิด Multi stageซึ่งประกอบดวยถังสกัดตั้งแต 2-15 ถัง ซึ่งลักษณะเหมือนถังสกัดเดี่ยวเชื่อมเขาดวยกันเพ่ือใหตัวทําละลายจากถังท่ี 1 ถูกนําไปใชสกัดตอในถังท่ี 2 หรือถังสกัดถัดไป วิธีนี้ใชสกัดน้ํามัน ชา กาแฟและน้ําตาลจากหัวบีท

กระบวนการแยกโดยใชเมมเบรน (Reverse osmosis / nanofiltration/ultrafiltration)กระบวนการเหลานี้ปฏิบัติการท่ีน้ําและตัวถูกละลายในสารละลายถุกแยกออกโดยผานเมม

เบรนท่ีเรียกวา Semi permeable membrane การไหลผานเมมเบรนตองใชความดัน ReverseOsmosis เปนกระบวนการท่ีแยกน้ําออกจากตัวถูกละลายท่ีมีน้ําหนักโมเลกุลต่ํา ตัวอยางเชนเกลือน้ําตาลและสารประกอบใหกลิ่นรส ซึ่งมีแรงดันออสโมติคสูง ความดันท่ีใชกับ Reverse osmosisสูงกวาท่ีใชใน Ultrafiltration 10 เทา การใชกระบวนการ Reverese osmosis ในอาหารท่ีใชกันอยางแพรหลายคือการทําใหเวยเขมขนข้ึนซึ่งเวยเปนผลผลิตไดจากกระบวนการผลิตเนยแข็ง ซึ่งเปน

17


กระบวนการทําใหเวยเขมขนข้ึนกอนนําไปทําแหง เพ่ือใชในการทําไอศกรีม นอกจากนี้รีเวอส ออสโมซิส ( Reverse osmosis ) ยังใชในกระบวนการผลิตตอไปนี้

การทําน้ําผลไมเขมขน การทําเอนไซมใหบริสุทธิ์ ทําไวนและเบียรใหใส ทําความเขมขนนม กาแฟ สารสกัดจากธรรมชาติ ขจัดเกลือออกจากน้ําทะเล กําจัดแรธาตุและสิ่งเจือปนในน้ํา

หรือใชในกระบวนการผลิตอยางอ่ืนๆเชนการกําจัดแอลกอฮอล เพ่ือผลิตเบียรแอลกอฮอลต่ํา ไวนแอลกอฮอลต่ํา เดิมกระบวนการออสโมซิสหมายถึงการเคลื่อนท่ีของตัวทําละลายจากสารละลายท่ีเจือจางไปสูสารละลายท่ีเขมขนกวา แตรีเวอรส ออสโมซิส ( reverse osmosis ) คือการบังคับใหตัวทําละลายเคลื่อนท่ีกลับในทิศทางตรงกันขาม คือเคลื่อนท่ีจากสารละลายท่ีมีความเขมขนสูงไปยังท่ีท่ีมีความเขมขนต่ําโดยผานเมมเบรน ซึ่งการบังคับใหไหลกลับตองใชความดันท่ีมากกวาความดันออสโมซิสตามธรรมชาติ ซึ่งปรากฎการณนี้เรียกวา Reverse osmosis แสดงดังรูปท่ี 1.9 ใชแยกน้ําออกจากตัวถูกละลายท่ีมีน้ําหนักโมเลกุลต่ํา กระบวนการนี้มักใชในการผลิตน้ําบริสุทธิ์ หรือลดปริมาณเกลือในน้ําทะเล กระบวนการนี้จึงมีประโยชนในการแปรรูปผลิตภัณฑท่ีไมทนความรอนและสารเคมี มักใชในการทําน้ําผลไมเขมขน ซึ่งเมมเบรนท่ีใชจะเปนชนิด microporous ท่ีมีขนาดของรูพรุนหรือ pore นอยกวา 0.001 ไมครอน โดยมากท่ีนิยมใชจะเปน เซลลูโลสเอสเทอร เมมเบรน และเซลลูโลสอาซีเตทเมมเบรนอกจากนี้การกรองโดยใชเมมเบรนขนาดอ่ืนๆก็ใชในการเตรียมสารสกัดกาแฟกอนท่ีนําไปผานการทําแหงตอไป

รูปท่ี1.9 Reverse Osmosisท่ีมา : http://library.thinkquest.org/C0131200/Osmosis.htm

18


Ultrafiltration เปนกระบวนการแยกท่ีคลาย reverse osmosis มาก ตองขับเคลื่อนโดยใชความดันผานเมมเบรนแต ultrafiltration มีขนาดรูหรือชองเปดท่ีใหญกวาเมมเบรนของ reverse osmosisและใชแรงดันต่ํากวา ชองเปดของ ultrafiltration มีขนาดใหญกวา 0.01 -100 ไมครอนUltrafiltration ใชในการกรองแยกสาร macromolecule ของโปรตีน โพลิเมอรของแปง และชองเปดของเมมเบรนมีขนาดเล็กพอท่ีจะกรองจุลินทรียได ดังนั้นน้ําผลไมหรืออาหารเหลวท่ีผานการกรองดวย ultrafiltration นี้ปราศจากเชื้อหรือท่ีเรียกวาผานกระบวนการ Cold Sterilization

รูปท่ี1.10 Ultrafiltration membraneท่ีมา: http://www.lanl.gov/orgs/tt/partnering/user_facility/facilities/sep_science.shtml.ขอดีของการทําใหของเหลวเขมขนข้ึนโดยการใชเมมเบรนเปรียบเทียบกับการใชการระเหยคือ

อาหารนั้นไมถูกความรอน ทําใหไมสูญเสียคุณคาทางดานโภชนาการ หรือกลิ่นรสไป ไมทําใหอาหารเปลี่ยนสถานะ และเปนการใชพลังงานอยางมีประสิทธิภาพ ติดตั้งงาย คาใชจายในการดําเนินงานต่ํา ไมตองการเครื่องกําเนิดไอน้ํา

แตขอจํากัดของการทําใหเขมขนโดยเมมเบรนคือ อัตราการไหลของเมมเบรนแตกตางกันไปซึ่งเกิดจากความเขมขนของ feed ตนทุนสูงกวาการระเหย สามารถทําใหเขมขนไดสูงสุดเพียง 30%

19


เกิด fouling หรือเกิดคราบท่ีเมมเบรน ซึ่งทําใหอายุการใชงานของเมมเบรน ลดลง ตองเปลี่ยนเมมเบรนบอยเนื่องจากการใชเมมเบรนตองใชแรงดันเขาชวย ดังนั้นเมมเบรนตองทนตอแรงดันได

ผลกระทบท่ีมีตออาหารการใชเมมเบรนเปนการขจัดสารประกอบในอาหารและใชเพ่ือปรับปรุงคุณภาพางประสาท

สัมผัสของผลิตภัณฑเชนการทําน้ําผลไมใหใส การแยกครีม แตตรงกันขามกับการทําใหเขมขนโดยใชความรอนซึ่งทําใหยังคงคุณภาพทางประสาทสัมผัสและคุณภาพทางโภชนาการการคํานวณคาสัดสวนการกรอง

β ratio คือคาสัดสวนการกรองβ x = จํานวนอนุภาคเขาเมมเบรน/ จํานวนอนุภาคออกจากเมมเบรน

x คือขนาดของ pore หรือรูของเมมเบรน ( ไมครอน )ตัวอยางโจทย การคํานวณเรื่องการแยกโดยการกรองการทดลองกรองน้ําสับปะรดเขมขนโดยใชเมมเบรน 2 ชนิดคือเมมเบรน A และ B พบวามีจํานวนอนุภาคไหลเขาเมมเบรน A และ B เทากันคือ 25,000 อนุภาค และมีอนุภาคไหลผานออกจากเมมเบรน A เปน 0.05 เทาของจํานวนอนุภาคท่ีผานเขาเมมเบรน และเมมเบรน B เปน 0.5 เทาของจํานวนอนุภาคท่ีผานเขาเมมเบรน

ก. จงคํานวณหาคา β ratio ของเมมเบรน A และ Bข. เมมเบรนชนิดใดมี pore size ใหญกวาเพราะเหตุใด

วิธีทํา ก. β ratio ของเมมเบรน A = 25,000 / 0.05 ( 25,000 ) = 10β ratio ของเมมเบรน B = 25,000 / 0.5 ( 25,000 ) = 1

ข. เมมเบรน B มีรูพรุนขนาดใหญกวา มีอนุภาคท่ีไหลผานออกจากเมมเบรนมากกวา

การรอนหรือ sieving เปนการแยกอนุภาคทางกลผานตะแกรงรอน ท่ีมีรูขนาดตางๆกัน โดยเขยา

วัสดุผานตะแกรงรอน วัสดุท่ีมีขนาดเลก็กวาชองเปดหรือรูของตะแกรงสามารถลอดตะแกรงผานไปไดดวยแรงโนมถวง ซึ่งอัตราการลอดผานตะแกรงข้ึนกับปจจัยตอไปนี้

ธรรมชาติและรูปรางของอนุภาค ความถ่ีและความแรงของการเขยาตะแกรง วิธีการท่ีใชในการปองกันอนุภาคเกาะติดอยูกับชองเปดของตะแกรงรอน เชนการ

กําจัดความชื้นของอนุภาคกอนการรอนขนาดมาตรฐานของตะแกรงรอนมีชองเปดท่ีมีชวงขนาดตั้งแต 25 มม.ถึง 0.6 มม. คาเมชหรือ meshหมายถึงจํานวนชองเปดหรือรูของตะแกรงตอนิ้ว

20


ตะแกรงรอน หรือ sieve อนุกรมมาตรฐานของตะแกรงท่ีใชในสหรัฐอเมริกาคืออนุกรมTyler sieve ลําดับของเมชของตะแกรงรอนท่ีใหญข้ึนหรือเล็กลง เปนอัตราสวน √ 2 หรือ 1.414เทาของขนาดของชองเปดของตะแกรงกอนหนานี้ สวนในระบบ SI วัดชองเปดเปนมม. ขนาดของตะแกรงรอนท่ีชองเปดตางๆแสดงในตารางท่ี 3ตารางท่ี 3 Standard Seive

Aperture ISO nominal aperture U.S. no. Tyler no.

(m x 10-3) (m x 10-3)

22.6 7/8 in. 0.883 in.

16.0 16 5/8 in. 0.624 in.

11.2 11.2 7/16 in. 0.441 in.

8.0 8.00 5/16 in. 2 1/2 mesh

5.66 5.66 No.3 1/2 3 1/2 mesh

4.00 4.00 5 5 mesh

2.83 2.80 77 mesh

2.00 2.00 10 9 mesh

1.41 1.41 14 12 mesh

1.00 1.00 18 16 mesh

0.71 0.710 25 24 mesh

0.500 0.500 35 32 mesh

0.354 0.355 45 42 mesh

0.250 0.250 60 60 mesh

0.177 0.180 80 80 mesh

0.125 0.125 120 115 mesh

0.088 0.090 170 170 mesh

21


0.063 0.063 230 250 mesh

0.044 0.045 325 325 meshท่ีมา : Earle 1983

โจทย1. คํานวณความเร็วของเม็ดทรายท่ีมีเสนผาศูนยกลางเทากับ 0.2 มม. ท่ีตกตะกอนลงมาในสารละลายน้ําเกลือท่ีมีความเขมขน 22 % ท่ีมีความหนาแนน 1240 Kg / m3 ท่ี 20 องศาเซลเซียส กําหนดความหนาแนนของทรายเทากับ 2010 Kg / m3

2. ในเครื่องหมุนเหวี่ยงท่ีใชแยกน้ํามันท่ีมีความหนาแนน 900 กก.ตอลบ.ม. ออกจากน้ําเกลือท่ีมีความหนาแนน 1070 กก. /ลบ.ม รัศมีของการแยกน้ํามันเทากับ 5 ซม. ใหคํานวณรัศมีท่ีเหมาะสมของการแยกน้ําเกลือออกไป3. อิมัลชั่น oil in water ท่ีมีขนาดเม็ดน้ํามันเทากับ 5 ไมครอน ถูกนํามาเหวี่ยงในเครื่องเหวี่ยงเพ่ือแยกเปนน้ํามันและน้ํา ถามวาตองใชความเรว็ก่ีรอบตอนาทีถาเหวี่ยงดวยเครื่องเหวี่ยงท่ีมีรัศมี 5ซม. สมมติใหระยะทางท่ีเม็ดไขมันเคลื่อนท่ีคือ 3 ซม . ตอ วินาที4. ถาใชแรงหมุนเหวี่ยงเทากับ 6000 g ในเครื่องหมุนเหวี่ยงขนาดเล็กท่ีมีรัศมีการทํางาน 9 ซม.ถามวาเครื่องหมุนเหวี่ยงควรหมุนท่ีความเร็วรอบเทาไร5. เม็ดไขมันท่ีมีขนาดเสนผาศูนยกลาง 20 ไมโครเมตร จะตกลงมาจากอากาศท่ีมีความหนาแนน1.137 กก.ตอลบ.เมตร และความหนืด 1.90 x 10-5 Pa.s ท่ีอุณหภูมิของอากาศเปน 37.8 องศาเซลเซียส ณ ความดัน 101.3 kPa ความหนาแนนของน้ํามันเปน 900 กก./ ลบ.เมตร ใหคํานวณหาความเร็วของการเคลื่อนท่ีของเม็ดไขมัน6.อนุภาคของแข็งทรงกลมของกาแฟท่ีสกัดไดมีเสนผาศูนยกลาง 400 ไมครอน และตกผานอากาศท่ีอุณหภูมิ 422 K ความหนาแนนของอนุภาคเปน 1030 กก/ ลบ.เมตร ใหหาความเร็วและระยะทางท่ีตกลงมาในเวลา 5 วินาที

22


บทท่ี 2การระเหยหรือ Evaporation

ตามปกติแลววัตถุดิบในอุตสาหกรรมอาหารมีปริมาณน้ํามากเกินกวาท่ีตองการใหมีในผลิตภัณฑสุดทาย ดังนั้นเม่ืออาหารเปนของเหลว วิธีการท่ีงายท่ีสุดคือขจัดเอาน้ําออกโดยการใหความรอนแกอาหารเพ่ือใหน้ําในอาหารเปลี่ยนเปนไอและขจัดไอน้ํานั้นออกไป ซึ่งวิธีการนี้เรียกวาการระเหยหรือ evaporation วิธีการนี้ทําใหปริมาณของแข็งในอาหารเพ่ิมข้ึนซึ่งเปนการถนอมอาหารอยางหนึ่งโดยการลดปริมาณน้ําอิสระหรือ water activity การระเหยเปนกระบวนการข้ันตนกอนการทําแหงอาหารหรือกอนการแชแข็ง ท้ังนี้เพ่ือลดน้ําหนักและปริมาตรของอาหารเชนการทําน้ําผลไมเขมขน นม หรือกาแฟ ซึ่งจะเปนการประหยัดพลังงานในกระบวนการตอไปและเปนการสะดวกตอผูบริโภคในเรื่องของการขนสง การเก็บรักษาปจจัยสําคัญท่ีมีผลตออัตราการระเหยคือ

อัตราท่ีความรอนสงผานไปท่ีของเหลว ปริมาณความรอนท่ีตองการใชในการระเหยน้ําแตละกิโลกรัม อุณหภูมิท่ีมากท่ีสุดท่ีของเหลวใชในการเดือดเพ่ือเปลี่ยนสภาพเปนไอ ความดันท่ีทําใหน้ําเกิดการระเหย

การเปลี่ยนแปลงท่ีเกิดข้ึนกับอาหารในระหวางกระบวนการระเหยในกระบวนการระเหยเครื่องระเหยประกอบดวยโครงสรางหลักๆ 2 อยางคือ การ

แลกเปลี่ยนความรอน และการแยกเอาไอท่ีเกิดข้ึนออกจากของเหลว ดังนั้นการพิจารณาสิ่งท่ีสําคัญในการระเหยคือ

อุณหภูมิสูงสุดท่ีใชในการระเหย ซึ่งอาจจะอยูต่ํากวา 100 องศาเซลเซียส การเรงทําใหเกิดการหมุนเวียนของของของเหลวท่ีพ้ืนผิวของเครื่องแลกเปลี่ยนความรอน

เพ่ือใหคงคาสัมประสิทธิ์ในการสงผานความรอนและปองกันการไดรับความรอนท่ีสูงเกินไป ความหนืดของของเหลวซึ่งจะมีความหนืดเพ่ิมข้ึนเม่ือความเขมขนของสารท่ีละลายไดใน

ของเหลวนั้นเพ่ิมข้ึน เม่ือของเหลวเดือดจะเกิดฟองซึ่งทําใหการแยกไอออกจากของเหลวเปนไปไดยาก ดังนั้นเพ่ือ

เปนการลดการถูกทําลายดวยความรอนระหวางการระเหย จําเปนตองลดเวลาท่ีใหอาหารสัมผัสกับอุณหภูมิท่ีสูงจึงจําเปนตองเรงอัตราการถายเทความรอน

ดําเนินการท่ีอุณหภูมิต่ําโดยใช สุญญากาศหรือ Vaccuum มีการแยกไอและของเหลวอยางมีประสิทธิภาพและใชพลังงานอยางมีประสิทธิภาพ

23


ทฤษฎีของการระเหยระหวางการระเหยความรอนท่ีเรียกวา sensible heat ถูกเคลื่อนยายจากไอน้ําหรือ

steam ไปท่ีอาหารเพ่ือใหอาหารนั้นมีอุณหภูมิเพ่ิมสูงข้ึนจนถึงจุดเดือด อัตราของการระเหยประเมินไดโดยอัตราของการเคลื่อนท่ีของความรอนหรือ heat transfer เขาไปในอาหารและอัตราของการเคลื่อนท่ีของมวลของไอออกไปจากอาหาร

ความสมดุลยของความรอนและมวล ( Mass and Heat Balance )หลักการของความสมดุลของความรอนและมวล ใชในการคํานวณระดับความเขมขน

คํานวณพลังงานท่ีใชและเวลาในการระเหยในเครื่องระเหย ความสมดุลของมวลหมายถึงมวลของวัตถุดิบหรือ feed ท่ีเขาเครื่องระเหยจะเทากับมวลของผลิตภัณฑและไอท่ีออกจากเครื่องระเหยดังนั้นเม่ือคิดท่ีมวลของวัตถุดิบท้ังหมด จะไดสมการดังนี้

mf ( 1 – Xf ) = mp ( 1- Xp ) + mv …………2.1mf = มวลของ feed หรือวัตถุดิบXf = รอยละของของแข็งท่ีอยูใน feedmp = มวลของ product หรือผลิตภัณฑXp = รอยละของของแข็งท่ีอยูในผลิตภัณฑmv = มวลของ vapor หรือไอ

เม่ือคิดท่ีตัวถูกละลาย หรือ solute มวลของของแข็งท่ีเขาไปในเครื่องระเหยยอมเทากับมวลของแข็งท่ีออกจากเครื่องระเหย จะไดสมการดังนี้

mf Xf = mpXp …………… 2.2และสมดุลมวลท้ังหมดเทากับ

mf = mp + mv …………… 2.3

ตั้งสมมติฐานวาไมมีการสูญเสียความรอนใดๆจากเครื่องระเหย ดังนั้นสมดุลของความรอนหรือ HeatBalance หมายถึง ปริมาณความรอนท่ีปลดปลอยออกมาโดย condensing steam เทากับปริมาณความรอนท่ีใชในการเพ่ิมอุณหภูมิของวัตถุดิบจนถึงจุดเดือดและใชในการเปลี่ยนของเหลวปนไอ

ดังนั้น Q = msλs

= mf Cp ( Tb - Tf ) + mvλv

Q = ปริมาณความรอนCp = Specific heat หรือคาความรอนจําเพาะของ feed มีหนวยเปน J kg-1 C-1

λs = Latent heat หรือความรอนแฝงของ condensing steam มีหนวยเปน J kg -1

λv = คาความรอนแฝงหรือ Latent heat ของการเปนไอของน้ํา มีหนวยเปน J kg -1

Tb = อุณหภูมิจุดเดือด Tf = อุณหภูมิของวัตถุดิบหรือ feed

24


ดังนั้นสมดุลของความรอนเทากับความรอนท่ีไอน้ําให = Sensible heat + Latent heat of vaporizationหรือ = ความรอนท่ีทําใหอาหารมีอุณหภูมิสูงข้ึนถึงจุดเดือด + ความรอนแฝงท่ีทําใหของเหลวเปลี่ยนเปนไอmsλs = mf Cp ( Tb - Tf ) + mvλv …………….2.4

ตัวอยางการคํานวณ1. เครื่องระเหยใชในการทําน้ําเชื่อมเขมขน ท่ีมีของแข็งท่ีละลายได 10 % เปน 40% ท่ีอัตรา 100กก.ตอชั่วโมง อุณหภูมิของวัตถุดิบอยูท่ี 15 องศาเซลเซียส และระเหยภายใตความดันเทากับ 47.4kPa ซึ่งทําใหของเหลวเดือดท่ี 80 องศาเซลเซียส ความดันไอน้ําเทากับ 169 kPa อุณหภูมิ 115องศาเซลเซียส ตั้งสมมติฐานใหจุดเดือดมีความคงท่ีและไมมีการสูญเสียความรอน ใหคํานวณ ปริมาณไอน้ําท่ีใชตอชั่วโมง ขอมูลเพ่ิมเติมมีดังนี้

คาความรอนจําเพาะของน้ําเชื่อมเทากับ = 3.960 kJ kg-1 K-1

คาความรอนจําเพาะของน้ํา = 4.186 kJ kg-1 K-1

คาความรอนแฝงของการเปนไอของน้ําเชื่อม = 2309 kJ kg-1

คาความรอนแฝงของไอน้ํา = 2217 kJ kg-1 ท่ี 115 องศาเซลเซียสคาสัมประสิทธิ์การถายเทความรอนท้ังหมด = 2600 W m-2K-1

วิธีทํา ท่ี 1 ชั่วโมง mf = 100 กก. Xf = 0.10 Xp = 0.40สมดุลมวล

25


2. เครื่องระเหยใชในการทําใหสารละลายเขมขนจาก 10% เปน 30 % โดยมีอัตราการปอนวัตถุดิบเทากับ 250 kg ตอชั่วโมง ถาความดันในเครื่องระเหยเปน 77 kPa และความดันไอน้ําเทากับ 200kPa คํานวณปริมาณไอน้ําท่ีตองการตอชั่วโมง สมมติใหอุณหภูมิของวัตถุดิบท่ีปอนเทากับ 18 องศาเซลเซียส และจุดเดือดของสารละลายภายใตความดัน 77 kPa คือ 91 องศาเซลเซียส สมมติใหคาความรอนจําเพาะของสารละลายมีคาเทากับคาความรอนจําเพาะของน้ํา คือ 4.186 x 103 J kg-1 C-1

และคาความรอนแฝงของการกลายเปนไอของสารละลายเทากันกับของน้ํา ภายใตเงือนไขเดียวกันจาก Steam table อุณหภูมิของไอน้ําท่ี 200 kPa ( gauge ) คือ 134 องศาเซลเซียส และคาความรอนแฝงของไอน้ําเทากับ 2164 kJ kg -1 อุณหภูมิจุดเดือดท่ี 77 kPa คือ 91 องศาเซลเซียส และคาความรอนแฝงคือ 2281 kJ kg -1

วิธีทําท่ี 1 ชั่วโมง

26


3. นมท่ีมีไขมัน 3.7 % และมีปริมาณของแข็ง 12.8 % ถูกนําไปทําใหระเหยใหไดผลิตภัณฑท่ีมีไขมัน7.9 % ถามวาจะไดผลิตภัณฑปริมาณเทาไรจากวัตถุดิบนม 100 กก. และผลิตภัณฑสุดทายมีปริมาณของแข็งเทาใด สมมติวาไมมีการสูญเสียใดๆระหวางกระบวนการ

27


ชนิดของเครื่องระเหย1.เครื่องระเหยเชิงเดี่ยว หรือ Single effect evaporatorเครื่องระเหยประกอบดวยสวนท่ีสําคัญ 3 สวนคือสวนของการแลกเปลี่ยนความรอน

( heat exchanger ) , สวนระเหย ( evaporating section ) ซึ่งเปนสวนท่ีของเหลวเดือดแลวระเหย , สวนท่ี 3 เปนสวนท่ีแยกไอออกไปสู condenser หรือเครื่องควบแนน ในเครื่องระเหยท่ัวๆไป ท้ัง 3 สวนนี้อยูในรูปทรงกระบอกตั้งฉากเดี่ยวๆ ท่ีจุดศูนยกลางของทรงกระบอกมีไอน้ํารอนไหลผานทอ และในทรงกระบอกนั้นมีของเหลวท่ีตองการระเหยอยู และตอนบนของทรงกระบอกนี้มีท่ีๆใหไอหนีออก แผนผังของเครือ่งระเหยแบบนี้เปนไปดังรูปท่ี 2.1 ซึ่งอาจจะเรียกเครื่องระเหยแบบนี้วา Conventional evaporator สวนท่ีเปนสวนแลกเปลี่ยนความรอนเรียกวาcalandria สวนไอน้ําจะกลั่นตัวอยูท่ีชั้นนอก ขณะระเหยของแข็งท่ีละลายไดมีความเขมขนเพ่ิมข้ึนทําใหของเหลวนั้นมีความหนืดมากข้ึนและหมุนเวียนไดชาลง ทําใหสัมประสิทธการถายเทความรอนต่ําลง

รูปท่ี 2.1 เครื่องระเหยเชิงเดี่ยวท่ีมา : Earle 1983

2. เครื่องระเหยสุญญากาศหรือ Vaccuum evaporatorการระเหยของเหลวบางชนิดถาอุณหภูมิสูงทําใหคุณภาพเสียไป ดังนั้นจําเปนตองลดจุด

เดือดของของเหลวนั้นลงโดยระเหยภายใตความดันท่ีลดลง ความสัมพันธระหวางความดันและอุณหภูมิจดุเดือด สําหรับน้ําแสดงในรูป 2.2

28


รูปท่ี 2.2 water phase diagramท่ีมา : Earle 1983

เม่ือความดันไอของของเหลวเทากับความดันบรรยากาศรอบๆของเหลวจะเดือด ความดันบรรยากาศรอบๆท่ีลดลง ทําใหของเหลวเดือดหรือกลายเปนไอท่ีอุณหภูมิต่ําลง การทําใหความดันบรรยากาศลดลง ใชปมสุญญากาศแบบ steam jet injector หรือ แบบ Mechanical vacuumpump ซึ่ง Mechanical vacuum pump มีราคาแพงกวาแตการดําเนินงานถูกกวา ในเครื่องระเหยท่ีมีการลดความดันลง ตัวควบแนนหรือ condenser ท่ีใชลดปริมาตรของไอโดยการควบแนนไอใหเปนของเหลว condenser นี้อาจจะเปน surface condenser หรือ jet condenser ถาเปนsurface condenser จะมีพ้ืนผิวในการแลกเปลี่ยนความรอนท่ีเพียงพอเชนเปนทอซึ่งสามารถทําใหไอท่ีกําลังควบแนนนั้นสงผานความรอนแฝงของการกลายเปนไอ หรือ latent heat of vaporizationไปท่ี cooling water ท่ีหมุนเวียนอยูรอบๆทอ สวนใน jet condenser นั้นไอหรือ vapor จะผสมกับกระแสน้ําเย็นท่ีมีปริมาณเพียงพอท่ีจะสงผานความรอนแฝงอออกจากไอไป

29


รูปท่ี 2.3 เครื่องระเหยแบบสุญญากาศชนิด Jet condenserท่ีมา : http://www.anhydro.com/media(196,1033)/Lab_E.pdfตัวอยางการคํานวณ ปริมาณน้ําท่ีตองการใน jet condenser สําหรับเครื่องระเหยเครื่องหนึ่งโจทย ปริมาณน้ําเทาไรท่ีเปนท่ีตองการสําหรับ jet condenser เพ่ือใชในการควบแนนไอจากเครื่องระเหยท่ีสามารถระเหยน้ําได 5,000 กก.ตอชม. ภายใตความดัน 20 kPa น้ําท่ีใชในการควบแนนมีอุณหภูมิ 18 องศาเซลเซียส และอุณหภูมิสูงสุดท่ีน้ําถูกปลอยออกจาก condenser คือ 35 องศาเซลเซียสHeat Balance

ความดันในเครื่องระเหยเทากับ = 20 kPaจาก steam table อุณหภูมิในการควบแนนของน้ําภายใตความดัน 20 kPa คือ 60 องศาเซลเซียสและความรอนแฝงหรือ latent heat of vaporization เทากับ 2358 kJ kg-1

ความรอนท่ีขจัดออกจาก condensate= 2358 x 103 +(60-35)x4.186 x 103

= 2.46 x 10 6 J kg-1

30


ความรอนท่ีน้ําเย็นไดรับ= ( 35 -18 ) x 4.186 x 103

= 7.1 x 10 4 J kg-1

ปริมาณความรอนท่ีขจัดจาก condensate ตอชั่วโมง= 5000 x 2.46 x 10 6 J

ดังนั้นปริมาณของน้ําเย็นท่ีใชตอชั่วโมง= (5000 x 2.46 x 10 6 ) / 7.1 x 10 4

= 1.7 x 10 5 กก.3. เครื่องระเหยแบบหลายเชิงหรือ Multiple Effect evaporatorเครื่องระเหยสามารถเปนตัวแลกเปลี่ยนความรอนท่ีสําคัญซึ่งตมของเหลวจนไดไอเกิดข้ึน ซึ่ง

ไอท่ีเกิดข้ึนสามารถใชเปนตัวใหความรอนในเครื่องระเหยถัดไป เหมือนกับการเชื่อมเครื่องระเหย 2เครื่องเขาดวยกันเพ่ือใหไอจากเครื่องระเหยท่ี 1 ตอเขากับทอใสไอน้ําของเครื่องท่ี 2 ดังแสดงในรูปท่ี2.4 เรียกเครื่องระเหยแบบนี้วา Two effect evaporator สําหรับเครื่องระเหยชนิดนี้ อุณหภูมิของไอน้ําในเครื่องท่ี 1 สูงกวาในเครื่องท่ี 2 ดังนั้นโดยท่ีใชไอท่ีถูกระเหยจากเครื่องท่ี 1 เปนตัวใหความรอนของเหลวท่ีอยูในเครื่องท่ี 2 ใหเดือด จึงตองทําภายใตความดันท่ีต่ําลง และถามีหลายeffect ความดันท่ีใชจะต่ําลงเรื่อยๆ

รูปท่ี 2.4 Multiple Effect Evaporator ( Double effect )ท่ีมา : Earle 1983

31


ถามีหลาย effect ความดันจะลดลงตามลําดับ ดังนั้นบางครั้งท่ี effect แรกอาจจะมีความดันเหนือความดันบรรยากาศ หรือท่ี effect แรกมีความดันเทากับความดันบรรยากาศ จากนั้นใน effectตอๆไปความดันลดต่ําลงต่ํากวาความดันบรรยากาศ ภายใตสภาพเชนนี้ถาปอนวัตถุดิบท่ี effect แรกและใหวัตถุดิบไหลตอไปยัง effect ตอไปเรื่อยๆซึ่งวิธีนี้วัตถุดิบสามารถไหลไปไดเรื่อยๆโดยไมตองใชpump ดังนั้นการไหลของ feed แบบนี้เรียกวา forward feed ซึ่งหมายความวา ผลิตภัณฑท่ีออกท่ี effect สุดทายมีความเขมขนสูงท่ีสุด แตในทางกลับกันอาจปอนวัตถุดิบท่ี effect สุดทาย ทําใหวัตถุดิบไหลในทิศทางกลับกันกับแบบแรก วิธีนี้เรียกวา backward feed วิธีนี้ตองใช pump เพ่ือบังคับใหวัตถุดิบไหลยอนกลับ วิธีนีผ้ลิตภัณฑท่ีเขมขนจะอยูท่ี effect แรกและสัมผัสกับความรอนท่ีมีอุณหภูมิสูงสุด ซึ่งท่ี effect แรกนี้ตองมีความสามารถในการระเหยมากกวา แบบ forward feed

ในเรื่องของการระเหย คําวา steam economy หมายถึงการใชไอน้ําหรือ steam อยางคุมคา ซึ่งก็เทียบจากปริมาณไอท่ีระเหยออกไปตอปริมาณไอน้ําท่ีใช ถาวัตถุดิบนั้นยังไมถึงจุดเดือดความรอนก็จะถูกใชไปเพ่ือเพ่ิมอุณหภูมิของ feed กอน ดังนั้นเพ่ือเพ่ิม steam economyจําเปนตองใหความรอนวัตถุดิบหรือ pre heat วัตถุดิบกอนเขาเครื่องระเหยทุกครั้งการเพิ่มข้ึนของจุดเดือด หรือBoiling point elevation

ขณะท่ีทําการระเหย ของเหลวท่ีอยูในเครื่องระเหยจะขนข้ึนและทําใหจุดเดือดสูงข้ึน จุดเดือดท่ีสูงข้ึนกับชนิดของวัตถุดิบท่ีนํามาระเหยและความเขมขนท่ีตองการ อุณหภูมิท่ีสูงข้ึนสามารถทํานายไดจาก Raoult ‘s law

ΔT = kxΔT คือจุดเดือดท่ีเพ่ิมสูงข้ึน x = สัดสวนโมลหรือ mole fraction ของตัวถูกละลาย( solute ) และ k คือคาคงท่ี ขณะท่ีระเหยความเขมขนของของเหลวเพ่ิมข้ึน ความหนืดเพ่ิมข้ึนซึ่งความหนืดท่ีเพ่ิมข้ึนมีผลตอการสงผานความรอนและจะไปจํากัดการระเหย สารละลายแตละชนิดมีจุดเดือดเฉพาะท่ีแตละความเขมขน ซึ่งสามารถแสดงความสัมพันธระหวางจุดเดือดและความเขมขนของสารละลายจาก Duhring ‘s rule แสดงอัตราสวนของอุณหภูมิท่ีสารละลาย 2 ชนิด ( โดยท่ีหนึ่งชนิดเปนน้ําบริสุทธิ์ ) ท่ีมีความดันไอเหมือนกันเปนคาคงท่ี สามารถสรางกราฟ Duhring plot ซึ่งDuhring plot จะแสดงคาจุดเดือดของสารละลายท่ีความเขมขนตางๆกันโดยมีความสัมพันธกับจุดเดือดของน้ําบริสุทธิ์ท่ีความดันตางๆกัน ดังนั้นถาทราบความสัมพันธของความดันไอและอุณหภูมิของของเหลวอางอิง (น้ําบริสุทธิ์ ) จากรูปท่ี 2.5 ก็จะรูจุดเดือดของน้ําท่ีความดันนั้น และสามารถหาจุดเดือดของสารละลายท่ีเราตองการระเหยไดจาก Duhring plot เชนจากรูปท่ี 2.6 แสดง Duhringplot ของจุดเดือดของสารละลายโซเดียมคลอไรดผลของการระเหยตออาหาร

บางครั้งการระเหยทําใหกลิ่นรสของอาหารสูญเสียไปเนื่องจาก สารประกอบท่ีใหกลิ่น

32


( aroma compound ) มีจุดเดือดต่ํากวาน้ํา และการทําใหเขมขนนี้อาหารสูญเสียคุณสมบัติทางประสาทสัมผัสไป เชนน้ําผลไมสูญเสียกลิ่นรสไป บางครั้งในอาหารบางชนิดเชนโกโก การระเหยก็ทําใหพวกสารประกอบท่ีระเหยไดท่ีใหกลิ่นท่ีไมตองการระเหยออกไป ทําใหผลิตภัณฑมีคุณภาพดีข้ึนบางครั้งการระเหยทําใหผลิตภัณฑมีสีคล้ําซึ่งเปนเพราะมีความเขมขนของของแข็งเพ่ิมข้ึน หรือเปนเพราะมีคา water activity ลดลงทําใหเรงการเกิดปฏิกิริยาเคมีของการเกิดสีน้ําตาลเกิดข้ึนท่ีเรียกวาMaillard reaction การเปลี่ยนแปลงนี้ข้ึนกับอุณหภูมิและเวลาในการระเหยดวย ดังนั้นการใชอุณหภูมิต่ําและเวลาในเครื่องระเหยสั้นๆจะชวยใหอาหารเขมขนคงคุณคาทางโภชนาการและประสาทสัมผัสไว

รูปท่ี 2.5 แสดงความสัมพันธระหวางอุณหภูมิและความดันไอของน้ําท่ีมา: http://www.vivoscuola.it/us/RSIGPP3202/umidita/copie/watvap.htm#c2

รูปท่ี 2.6 แสดงความสัมพันธระหวางอุณหภูมิและความดันไอของน้ําท่ีมา: Earle 1983

33


โจทย1.เครื่องระเหยเชิงเดี่ยวใชในการผลิตมะเขือเทศเขมขนท่ีมีปริมาณของแข็ง 35% จากวัตถุดิบ

มะเขือเทศท่ีมีปริมาณของแข็ง 6% วัตถุดิบเขาเครื่องท่ีอุณหภูมิ 18 องศาเซลเซียส ความดันในเครื่องระเหยเทากับ 20 kPa และความดันไอน้ําเทากับ 100 kPa คา overall heat transfer coefficientเทากับ 440 J m-2 s-1 C-1จุดเดือดของน้ํามะเขือเทศภายใตเงื่อนไขนี้คือ 60 องศาเซลเซียส พ้ืนท่ีในการแลกเปลี่ยนความรอนเทากับ 12 ตารางเมตร คาความรอนจําเพาะของมะเขือเทศเทากับ 3.79 kJ/kg / C คา latent heat of vaporization เทากับ 297.6 kJ/kg ใหหาปริมาณวัตถุดิบท่ีปอนเขาเครื่อง

2. เครื่องระเหยแบบเพลท ใชในการทําน้ํานมใหเขมขนข้ึนจากปริมาณของแข็ง 10% เปน30% มีอัตราในการปอนวัตถุดิบเทากับ 1,500 กก.ตอชม. ใหความรอนโดยการใชไอน้ําท่ี 200 kPaและอุณหภูมิในการระเหยเทากับ 75 องศาเซลเซียส ใหคํานวณหา จํานวนเพลทท่ีใชถาพ้ืนท่ีผิวในการใหความรอนแตละเพลทเทากับ 0.44 ตารางเมตร และคา Overall heat transfer coefficientเทากับ 650 J m-2 s-1 C-1 คาความรอนจําเพาะของนมเทากับ 3.9 kJ /kg/ C คา latent heatของน้ํานมเทากับ 289 kJ/kg ใหอุณหภูมิของน้ํานมกอนเขาเครื่องระเหยเทากับ 10 องศาเซลเซียส

3. จาก Duhring plot ในรูปท่ี 2.6 ท่ีภายใตความดัน 33.3 kPa น้ําเดือดท่ีอุณหภูมิ 71.7องศาเซลเซียส ใหหาจุดเดือดของสารละลายโซเดียมคลอไรดท่ีความดันเดียวกัน

34


บทท่ี 3การทําแหง

การทําแหงเปนวิธีการท่ีเกาแกท่ีสุดในการถนอมอาหาร ปจจุบันก็ยังใชการทําแหงเปนสวนสําคัญในการถนอมอาหาร อาหารแหงสามารถเก็บไวไดเปนเวลานานโดยไมเสื่อมเสีย หลักการของการทําแหงคือทําใหจุลินทรียท่ีเปนตัวสาเหตุของการเสื่อมเสียไมสามารถเจริญและแบงตัวได เพราะวาขาดน้ําและทําใหเอนไซมตางๆท่ีทําใหเกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีในทางท่ีไมนาพอใจไมสามารถทํางานได เหตุผลหลักของการทําแหงคือการถนอมอาหารแตการทําแหงก็สามารถเชื่อมโยงกับการแปรรูปอ่ืนๆได การทําแหงเปนการขจัดน้ําออกจากอาหาร โดยการทําใหน้ําในอาหารกลายเปนไอระเหยออกไปจากอาหาร ซึ่งการระเหยน้ําออกไปจากอาหารตองใชความรอนแฝง หรือ latent heatดังนั้นปจจัยในการควบคุมกระบวนการทําแหงมี 2 ปจจัยคือ

การสงผานความรอนเพ่ือใหเกิดความรอนแฝงของการกลายเปนไอ ( latent heatof vaporization )

การเคลื่อนท่ีของน้ําหรือไอน้ําผานชิ้นสวนอาหารและเคลื่อนออกไปจากตัวอาหารทําใหเกิดการแยกน้ําออกจากอาหาร

กระบวนการทําแหงมี 3 แบบการทําแหงชนิดท่ีสัมผัสกับอากาศรอนและพ้ืนผิวสัมผัสท่ีรอนภายใตความดันบรรยากาศปกติ

วิธีนี้ความรอนจากอากาศรอนหรือจากผิวสัมผัสท่ีรอนจะเคลื่อนท่ีไปท่ีอาหาร ทําใหน้ําในอาหารกลายเปนไอและเคลื่อนยายออกไปกับอากาศรอน

เครื่องทําแหงแบบสุญญากาศ ขอดีของวิธีนี้คือคือการระเหยน้ําท่ีความดันต่ํา การทําแหงแบบเยือกแข็งหรือ Freeze drying คือการทําใหน้ําในอาหารระเหิดเปนไอ วิธีนี้

โครงสรางของอาหารยังคงอยูในสภาพดี ดังนั้นตองใชความดันและอุณหภูมิท่ีเหมาะสมเพ่ือใหเกิดการระเหิดของน้ํา

น้ําในสามสถานะน้ําบริสุทธิ์มีอยู 3 สถานะคือของแข็ง ของเหลว และไอ น้ําจะอยูในสถานะไหนข้ึนกับอุณหภูมิและความดันในขณะนั้น ดังใน phase diagram ตามรูปท่ี 3.1

35


รูปท่ี 3.1 Water phase diagramท่ีมา : Earle 1983

จากรูปมีอยูสภาวะหนึ่งท่ีน้ําปรากฏอยูท้ังสามสถานะดวยกัน ท่ีสภาวะนี้เรียกวา triplepoint หรือ จุด O ใน diagram สําหรับน้ําคือท่ีอุณหภูมิ 0.0098 องศาเซลเซียส และ ความดัน 0.64 kPa ของเหลวและไอหรือ vapor อยูในสภาวะสมดุลซึ่งกันและกันตามเสน OP ในไดอะแกรม ซึ่งเสน OP นี้เรียกวา vapor pressure / temperature line คาความดันไอหรือvapor pressure หมายถึงคาการวัดแนวโนมท่ีโมเลกุลของของเหลวจะเปลี่ยนเปนแกส กราฟVapor pressure / temperature แสดงในรูปท่ี 2.5 จากบทท่ี 2 การเดือดหรือ boiling หรือการกลายเปนไอจะเกิดข้ึนเม่ือความดันไอมีคาเทากับความดันบรรยากาศบนพ้ืนผิวของน้ําตัวอยางเชนจุดเดือดของน้ําจะเทากับ 100 องศาเซลเซียสเม่ือความดันเทากับความดันบรรยากาศปกติ เม่ือเพ่ิมหรือลดความดันท่ีเปลี่ยนไปจากความดันบรรยากาศ จะทําใหจุดเดือดของน้ําเปลี่ยนไปความรอนท่ีตองการในการระเหยน้ํา

พลังงานความรอนท่ีใชในการทําใหน้ํากลายเปนไอข้ึนอยูกับสภาวะอุณหภูมินั้น ซึ่งปริมาณพลังงานท่ีตองการตอกิโลกรัมของน้ําเรียกวา latent heat of vaporization ถาเปนการกลายเปนไอจากของเหลว หรือเรียกวา latent heat of sublimation ถาเปนการกลายเปนไอจากของแข็งตัวอยางในการคํานวณอาหารมีน้ําอยู 80% นําไปทําแหงท่ีอุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส จนมีความชื้นเหลือ 10% ถาอุณหภูมิเริ่มตนของอาหารเทากับ 21 C คํานวณปริมาณพลังงานความรอนท่ีใชตอหนวยน้ําหนักของวัตถุดิบเริ่มตนในการทําแหงภายใตความดันบรรยากาศ คาความรอนแฝงของการกลายเปนไอของ

36


น้ําท่ี 100 C และท่ีความดันบรรยากาศมาตรฐานคือ 2257 kJ kg -1 คาความรอนจําเพาะของอาหารคือ 3.8 kJ kg -1 C-1 ของน้ําคือ 4.186 kJ kg -1 C-1 ใหหาความตองการพลังงานในการขจัดน้ําออกไป 1 กก.

ตัวอยางในการคํานวณ พลังงานความรอนท่ีใชในการทําแหงแบบสุญญากาศใชวัสดุและเงื่อนไขเชนเดียวกับตัวอยางขางตนในเครื่องทําแหงแบบสุญญากาศ ท่ีอุณหภูมิ 60 องศาเซลเซียส ซึ่งมีความดันเทากับ 20 kPa , คํานวณพลังงานความรอนท่ีใชในการขจัดความชื้นออกจากอาหารหนึ่งหนวยน้ําหนัก คา latent heat of vaporization ท่ี 20 kPa คือ 2358 kJ kg -1

37


ตัวอยาง การคํานวณปริมาณความรอนในการทําแหงแบบแชเยือกแข็งหรือ Freeze dryingอาหารจากตัวอยางขางตนนํามาทําแหงแบบ freeze dry ท่ีอุณหภูมิ 0 ๐ C ตองใชพลังงานเทาไรตอกก.ของอาหาร โดยเริ่มจากอาหารท่ีแชแข็งอุณหภูมิ 0 ๐ C

Psychometryความสามารถของอากาศท่ีจะขจัดเอาน้ําจากอาหารออกไปซึ่งข้ึนอยูกับความชื้นและอุณหภูมิของอากาศนั้น การศึกษาถึงความสัมพันธระหวางอากาศและน้ําท่ีเก่ียวของกับอากาศ เรียกวาPsychrometryนิยามท่ีเกี่ยวของHumidity หรือความชื้นในอากาศคือปริมาณน้ําท่ีมีอยูในอากาศAbsolute humidity หรือความชื้นสัมบูรณ คืออัตราสวนระหวางมวลของน้ําตอหนึ่งหนวยอากาศแหง ซึ่งหนวยเปน kg /kgRelative humidity หรือความชื้นสัมพัทธ คือ อัตราสวนของความดันไอน้ําในอากาศ ( P ) ตอความดันไอน้ําอ่ิมตัว ( Ps ) ดังนั้น Relative humidity = P / Ps ซึ่งสวนใหญแสดงในรูปเปอรเซ็นตหรือรอยละ คาความชื้นสัมพัทธเทากับ 100 % หมายความวาอากาศนั้นอ่ิมตัวดวยไอน้ําและจะเกิดข้ึนเม่ืออยู ณ อุณหภูมิท่ีทําใหความดันไอน้ําในอากาศเทากับความดันไอน้ําอ่ิมตัวDew point หรือจุดน้ําคาง คืออุณหภูมิ ณ จุดท่ีความดันไอน้ําในอากาศเทากับความดันไอน้ําอ่ิมตัว

ถาลดอุณหภูมิลงต่ํากวาจุด Dew point อากาศไมสามารถอุมน้ําไวไดอีก น้ําจะกลั่นตัวเปนหยดน้ําหรือเปนหมอกDry bulb temperature คืออุณหภูมิกะเปาะแหง หรืออุณหภูมิอากาศปกติท่ีใชเทอรโมมิเตอรวัด

38


Wet bulb temperature หรืออุณหภูมิกะเปาะเปยก คา wet bulb temperature คืออุณหภูมิท่ีวัดโดยท่ีเทอรโมมิเตอรถูกหุมดวยผาเปยกและใหอากาศไหลผาน อุณหภูมิกะเปาะเปยกจะลดลงต่ํากวาอุณหภูมิกะเปาะแหงจนกระท่ังถึงภาวะสมดุลของการถายเทความรอนคืออัตราการสงผานความรอนจากอากาศอุนไปท่ีผาเปยกเทากับอัตราการสงผานความรอนท่ีจําเปนในการระเหยน้ําออกจากผาเปยก ถาความชื้นสัมพันธมีคาลดลง จะมีคาความแตกตางระหวาง wet bulbtemperature และ dry bulb temperature เพ่ิมข้ึน และเม่ืออากาศอ่ิมตัวดวยไอน้ํา คา wetbulb temperature จะเทียบเทากับคา dry bulb temperatureคาความดันท้ังหมดหรือ total pressure ของสวนผสมของอากาศและไอน้ําเกิดจากการรวมคาความดันของอากาศและความดันของไอน้ํา ซึ่งคาความดันแตละตัวนี้เรียกวา partial pressureตัวอยางการคํานวณถาคาความดันท้ังหมดของอากาศชื้นเปน 100 kPa (ประมาณความดันบรรยากาศ ) และมีปริมาณความชื้นเทากับ 0.03 กก./ กก. คํานวณ Partial pressure ของไอน้ํานน.โมเลกุลของอากาศเทากับ 29 นน.โมเลกุลของน้ําเทากับ 18ดังนั้น mole fraction ของน้ํา เทากับ จํานวนโมลน้ํา

จํานวนโมลอากาศ + จํานวนโมลน้ํา= (0.03/18)/ (1.00/29 +0.03/18 )= 0.0017 /(0.034+0.0017 )= 0.048

Water vapor pressure = mole fraction ของน้ํา x total pressure= 0.048 x 100 kPa= 4.8 kPa

ตัวอยางคํานวณ อากาศในตัวอยางขางตนมีอุณหภูมิ 60 องศาเซลเซียส ใหคํานวณหาความชื้นสัมพัทธจาก Steam Table คาความดันอ่ิมตัวของไอน้ําท่ี 60 C คือ 19.9 kPa

คาความดันไอของน้ําในอากศ คือ 4.8 kPaดังนั้น คาความชื้นสมัพัทธ = P/Ps

= 4.8/19.9 = 0.24 หรือ 24%Psychrometric Chartsเปน Chart ท่ีแสดงความสัมพันธของความชื้นและอุณหภูมิของอากาศ ดังแสดงในรูปท่ี 3.2

39


รูปท่ี 3.2 Psychrometric chartท่ีมา : Earle 1983ตัวอยาง ในหองมีอุณหภูมิ wet bulb temperature เทากับ 20 ° C สวน dry bulbtemperature เปน 25 องศาเซลเซียส ใหหาคาความชื้นสัมพัทธ และ specific volume ของอากาศในหองวิธีทําจาก Psychrometric chart ในรูปท่ี 3.2 ลากเสน wet bulb line ท่ีอุณหภูมิ 20 C ตัดกับเสน drybulb line ท่ีอุณหภูมิ 25 C ณ จุดตัดนี้ตรงกับเสน constant relative humidity ท่ีอยูระหวาง60-80% แตใกลกับเสน 60% มากกวา ดังนั้นจึงประเมินวาอยูท่ีประมาณ 64% เชนเดียวกับSpecific volume line อยูท่ีประมาณ 0.862 ลบ.เมตรตอกก.

ตัวอยางคํานวณ การขจัดน้ําออกในเครื่องอบแหงอากาศอุณหภูมิ 60 องศาเซลเซียส ความชื้นสัมพัทธ 8% ถูกเปาเขาเครื่องอบแหง และออกจากเครื่องอบแหงมีอุณหภูมิ 35 องศาเซลเซียส ใหหาปริมาณน้ําท่ีถูกขจัดออกตอกก.ของอากาศท่ีไหลผาน และหาปริมาตรอากาศท่ีขจัดน้ําออกไปได 20 กก.ตอชั่วโมงวิธีทําจาก Psychrometric chart อากาศเขาเครื่องมีความชื้นท่ี 0.01 กก. /กก. และมี specificvolume เทากับ 0.96 ลบ.เมตร/ กก. อากาศมี wet bulb temperature เทากับ 27 องศาเซลเซียส

40


ดังนั้นท่ี dry bulb temperature 35 องศาเซลเซียส และ wet bulb temperature เทากันอากาศมีความชื้น 0.0207 กก. / กก.ดังนั้นน้ําท่ีถูกขจัดออกไป = ( 0.0207 -0.010 ) กก.

= 0.0107 กก. / กก.อากาศแหงอากาศมีปริมาตร 0.96 ลบ.เมตร ขจัดน้ําออกไปไดเทากับ 0.0107 กก.ถาตองการขจัดน้ําออกไป 20 กก. ตองใชอากาศเทากับ ( 20/0.0107 ) x 0.96

= 1794 ลบ.เมตรตอชม.ตัวอยางการคํานวณ ความชื้นสัมพัทธของอากาศท่ีออกจากเครื่องอบแหงอากาศออกจากเครื่องอบแหงท่ีอุณหภูมิ 45 องศาเซลเซียส อากาศนี้ไหลผานผิวหนาอาหารท่ีเย็นและพบวาเริ่มมีหยดน้ําปรากฏท่ีผิวหนาอาหารเม่ืออุณหภูมิเทากับ 40 องศาเซลเซียส ใหหาคาความชื้นสัมพัทธของอากาศท่ีออกจากเครื่องอบแหงจาก Psychrometric chart

อุณหภูมิอ่ิมตัวดวยไอน้ําเทากับ 40 องศาเซลเซียส ตัดกับเสน 45 องศาเซลเซียส ท่ีจุดความชื้นสัมพัทธเทากับ 76%Equilibrium moisture content

ความดันไอท่ีอยูเหนืออาหารไมเพียงแตข้ึนกับอุณหภูมิของอาหารเทานั้นแตยังข้ึนกับปริมาณน้ําในอาหารดวยซึ่งเก่ียวของกับวิธีการท่ีน้ําเกาะเก่ียวกับอาหาร เม่ืออาหารคงปริมาณความชื้นในสภาพท่ีสมดุลกับความชื้นของอากาศท่ีอยูรอบๆ ซึ่งไมมีการแลกเปลี่ยนน้ํากันระหวางอาหารและบรรยากาศรอบๆแลว ณ จุดนี้เรียกวา equilibrium moisture contentเม่ือ plot คา equilibrium vapor pressure กับคาปริมาณความชื้นอาหาร หรือ plot คาความชื้นสัมพัทธของอากาศท่ีสมดุลกับอาหารนั้นกับปริมาณความชื้นของอาหาร แตบางครั้งใชplot คา water activity แทนคาความชื้นสัมพัทธคา water activity คืออัตราสวนระหวาง partial pressure ของ น้ําในอาหาร ตอคาความดันไอของน้ําบริสุทธิ์ท่ีอุณหภูมิเดียวกัน ซึ่งตัวอยางของ equilibrium curve แสดงดังรูปท่ี 3.4 จากตัวอยางในกราฟ แปงมันฝรั่งท่ีอุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส ( เสนหมายเลข 3 ) อยูในบรรยากาศท่ีมีความชื้นสัมพัทธ 30% ( ทําใหมี water activity 0.3 ) คา equilibrium moisture content คือ0.1 กก.น้ํา / กก. แปงมันฝรั่งแหง และมีแนวโนมวาถาความชื้นสัมพัทธเพ่ิมข้ึน คา equilibriummoisture content ก็เพ่ิมข้ึน มีความแตกตางท่ีสังเกตไดในอาหารแตละชนิด เปนความแตกตางกันท้ังในเรื่องของรูปรางของเสนโคงหรือ curve และปริมาณน้ําท่ีอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธใดๆในชวงความชื้นสัมพัทธระหวาง 0-65% สวนมากเสนโคงจะเปนรูป S สําหรับอาหารท่ีมีสวนของของแข็งเปนโปรตีน แปงหรือโพลิเมอรท่ีน้ําหนักโมเลกุลสูง ( ความชื้นในอาหารสูง ขณะท่ีความชื้นในอากาศต่ํา ) สวนอาหารท่ีมีของแข็งท่ีละลายไดสูงคาความชื้นจะต่ําถาความชื้นในอากาศต่ํา

41


รูปท่ี 3.3 Equilibrium moisture curveท่ีมา :Earle 1983Air Dryingในการทําแหงดวยเครื่องอบแหง อัตราการเคลื่อนท่ีของน้ําในอาหารข้ึนอยูกับสภาวะของอากาศท่ีใชทําแหง , คุณสมบัติของอาหาร และ ลักษณะของเครื่องอบแหง ความชื้นท่ีอยูในอาหารคือน้ําท่ีเกาะเก่ียวกับอาหารดวยแรงเกาะเก่ียวตั้งระดับหลวมๆจนถึงแนน ในการตากแหง โมเลกุลของน้ําท่ีเกาะอยางหลวมๆนั้นขจัดออกงายท่ีสุด ดังนั้นอัตราการทําแหงลดลงเม่ือปริมาณความชื้นเริ่มลดลงซึ่งจะมีน้ําท่ีเกาะเก่ียวกันอยางแข็งแรงมากข้ึนในสัดสวนท่ีเพ่ิมข้ึน การทําแหงน้ําท่ีผิวหนาอาหารเปนน้ําอิสระหรือ free water ซึ่งจาก drying rate curve ในรูปท่ี 3.4

42


รูปท่ี 3.4 Drying rate curveท่ีมา : http://www.bry-air.com/tech-center/engineering/bry-air/default.html

ในชวงแรกท่ีน้ําอิสระท่ีผิวหนาระเหยไปเรียก constant rate drying สําหรับอาหารเม่ือผานการทําแหงท่ีระยะ constant rate ไปแลว น้ําจะระเหยออกไปอีกไดชาข้ึน การเปลี่ยนแปลงจาก constant drying rate ไปยังอัตราท่ีต่ํากวา เกิดข้ึนกับอาหารตางๆชนิดท่ีมีปริมาณความชื้นตางๆกัน การเปลี่ยนแปลงจากจุด constant drying rate เกิดข้ึนเม่ือปริมาณความชื้นในอาหารสมดุลกับความชื้นสัมพัทธในอากาศ ปริมาณความชื้น ณ จุดท่ีเกิดการเปลี่ยนแปลงอัตราการทําแหงนี้เรียกวา Critical moisture content , Xc ซึ่งจุดนี้ถือเปน break point ของ drying ratecurve ซึ่งเปนจุดท่ีแสดงใหเห็นวาน้ําท่ีเคลื่อนมาท่ีผิวหนาของอาหารซึ่งสวนใหญเปนน้ําอิสระนั้นหยุดการเคลื่อนท่ี หลังจากนั้นอัตราการทําแหงจะลดลง ซึ่งเรียกวาระยะ falling rate period และปริมาณความชื้นในอาหารเริ่มคงท่ีตัวอยางการคํานวณ อุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธในการทําแหงแครอทในสภาพการทําแหงท่ีอุณหภูมิต่ํา อากาศท่ีอุณหภูมิ 60 องศาเซลเซียส และความชื้นสัมพัทธ 10%ไหลผานชิ้นแครอทท่ีอัตรา 20 กก. อากาศแหงตอวนิาที วัดอัตราการระเหยน้ําของแครอทโดยอัตราการเปลี่ยนแปลงน้ําหนักแครอทอยูท่ี 0.16 กก . ตอวินาที ใหหาอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธของอากาศท่ีออกจากเครื่องอบแหง

จาก psychrometric chartHumidity หรือความชื้นของอากาศท่ี 60 C และ 10% RH =Humidity ท่ีเพ่ิมเขาไปในอากาศขณะทําแหง =ดังนั้น Humidity ของอากาศท่ีออกจากเครื่องทําแหง =

43


จาก Psychrometric chart ลากเสน wet bulb line จากจุดท่ี 60 องศาเซลเซียสและ10% RH ไปยังจุดตัดท่ีเสน humidity line ท่ี 0.021 kg/kg ไดผลวา อุณหภูมิของอากาศแหงท่ีออกมาเทากับและ RH หรือ Relative humidity เทากับConduction drying

การทําแหงปกติโดยท่ัวๆไปใชอากาศรอน แตมีวิธีอ่ืนๆอีกคือการทําแหงโดยใหอาหารสัมผัสกับพ้ืนผิวท่ีรอน ซึ่งอุปกรณท่ีใชทําแหงแบบนี้เชน Drum dryer โดยใหอาหารท่ีอยูในรูปของเหลวขนเคลือบผิวหนาทรงกระบอกท่ีรอนแลวหมุนอยางชาๆ เม่ือลูกกลิ้งรอนท่ีสัมผัสกับอาหารหมุนไปน้ําในอาหารก็จะระเหยออก อาหารก็แหงและขูดเอาอาหารแหงออก จากนั้นเติมอาหารใหมใสเขาไปตัวอยางการคํานวณ ปริมาณความช้ืนของ Breakfast cereal หลังจากทําแหงดวยเครื่องDrum dryer Drum dryer ใชในการทําอาหารเชาท่ีทําจากแปง ความชื้นเริ่มตนของอาหารคือ75% wet basis อุณหภูมิท่ีผิวหนา Drum เทากับ 138 องศาเซลเซียส และอุณหภูมิอาหารอยูท่ี100 องศาเซลเซียส คาสัมประสิทธิ์การถายเทความรอนจากผิวหนา drum ไปท่ีอาหารอยูท่ี 800 Jm -2 s-1C-1 ใหความหนาของอาหารบน Drum เทากับ 0.3 มม. และคา thermal conductivityของอาหารเทากับ 0.55 J m-1 s-1 C -1 ถา drum มีเสนผาศูนยกลาง 1 เมตร ความยาว 1เมตร และหมุนดวยความเร็ว 2 รอบตอนาที และอาหารครอบคลุมอยู 3/ 4 ของพ้ืนท่ี ใหหาปริมาณความชื้นของของอาหารท่ีแหงเปนฟลมท่ีขูดออก สมมติวา คา critical moisture content ของอาหาร คือ 14% dry basis และการสงผานความรอนดวยการนําความรอนผานอาหารมีความสมํ่าเสมอตลอด และความหนาแนนของอาหารเทากับ 1000 กก. ตอลบ.เมตร

ปริมาณความชื้นเริ่มตนของอาหาร = 75% wet basisปริมาณอาหารท้ังหมดท่ีอยูบน Drum =

ความหนาแนนของอาหาร = 1000 Kg / m 3

นน.ของอาหารท่ีอยูบน drum =

คา Overall resistance to heat transfer , 1/U

44


=ดังนั้น U = J m-2 s-1 C -1

q = UA Δ T= kJ s -1

Latent heat of evaporation of water = 2257 kJ kg-1

Rate of evaporation = q / λ= kg s-1

อาหารอยูบน Drum 2 รอบหมุนตอนาที ดังนั้น 1 รอบหมุนใชเวลา 30 วินาทีแตวัสดุอยูท่ี drum เทากับ 3/4 รอบ

เวลาท่ีอาหารอยูบน drum เทากับ ¾ x 30 วินาที = 22.5 วินาทีน้ําท่ีขจัดออกไป = 22.5 x 0.022 กก. = 0.495 กก.ปริมาณน้ําเริ่มตน = 0.71 x 0.75 = 0.53 กก.

Dry solid = 0.71 x 0.25 = 0.18 กก.ปริมาณน้ําท่ีเหลืออยู = 0.53 - 0.495 = 0.035 กก.ปริมาณน้ํา ( wet basis ) =

เครื่องมืออุปกรณในการทําแหงในอุตสาหกรรมอาหารมีการใชอุปกรณการทําแหงกันอยางหลากหลาย

1. Tray dryer อาหารถูกวางอยูในถาด โดยท่ีมีอากาศรอนไหลผานอาหาร ซึ่งอากาศรอนจะเปนตัวนํา water vapor ออกไป

รูปท่ี 3.5 เครื่องอบแหงแบบถาดหรือ Tray dryer

45


2. Tunnel dryer เปนพัฒนาการมาจาก Tray dryer คือถาดอาหารอยูบนลอเลื่อนแลวเข็นถาดอาหารเขาไปในอุโมงคท่ีมีอากาศรอน อากาศและอาหารอาจไหลไปในทิศทางเดียวกันหรือสวนกันก็ได

รูปท่ี 3.6 Tunnel dryerท่ีมา: http://www.fao.org/docrep/v5030e/v5030EOM.GIF

3. Drum dryer หรือ เครื่องทําแหงแบบลูกกลิ้งรอน โดยใหอาหารเคลือบอยูท่ีผิวหนาลูกกลิ้งท่ีรอน และลูกกลิ้งนี้หมุนอยู เม่ืออาหารถูกความรอนก็จะแหงและถูกขูดออก Drumdrying เปนการทําใหอาหารแหงโดยใชหลักการของการนําความรอน

รูปท่ี 3.7 Drum dryer

46


4. Fluidized bed dryer คือใหอาหารกระจายอยูในกระแสอากาศท่ีมีทิศทางการไหลพุงข้ึนหรือ upward flowing air stream ความรอนจะถูกถายเทไปท่ีอาหารดวยวิธีการconvection

รูปท่ี 3.8 Fluidised bed dryerท่ีมา : http://picses.eu/keyword/fluid%20bed%20dryer

5. Spray dryer ใชวิธีการสเปรยของเหลวขน ( slurry ) ใหกระจายในรูปของหยดขนาดเล็กๆในอากาศรอน ซึ่งของแข็งและอากาศรอนอาจจะเคลื่อนท่ีขนานกันหรือสวนทางกันก็ได การทําแหงจะเปนไปอยางรวดเร็วมากจึงเหมาะกับอาหารท่ีไมสามารถถูกกับความรอนไดนาน

47


รูปท่ี 3.9 เครื่องทําแหงแบบพนฝอยหรือ Spray dryerท่ีมา : http://www.niroinc.com/food_chemical/spray_dryer_selection.asp

6. Rotary dryer อาหารอยูในภาชนะรูปทรงกระบอกนอนและเคลื่อนท่ีหมุนไปโดยท่ีความรอนมาจากอากาศรอนท่ีไหลอยูในทรงกระบอกหรือไดจากการนําความรอนของผนังทรงกระบอกนี้เอง บางกรณีทรงกระบอกหมุนแตในบางกรณีทรงกระบอกอยูนิ่งและมีแกนกลางในทรงกระบอกเปนตัวหมุนอยูในทรงกระบอกนั้นเพ่ือเคลื่อนยายวัสดุท่ีจะทําแหง

รูปท่ี 3.10 Rotary dryerท่ีมา:http://www.feeco.com/ProductandServices/Productline/tabid/83/thermalProcessing.aspx

7. Bin Dryer อาหารอยูบนตะแกรงแลวอยูในหองอบและมีอากาศรอนไหลผานตะแกรงข้ึนไปจากดานลาง ผานตัวอาหารและทําใหอาหารแหง

48


รูปท่ี 3.11 Bin dryerท่ีมา : http://www.org.ndsu.edu/pubsci/smgrains/ae701-1.gif.aspx

8. Belt dryer แผอาหารเปนแผนบางๆวางบนสายพานท่ีมีรูพรุนและอากาศรอนไหลทะลุผานสายพานไปท่ีอาหาร สายพานเคลื่อนท่ีไปดวย

รูปท่ี 3.12 Belt dryerท่ีมา : http:// www.fao.org/docrep/v5030e/v5030E0r.htm

9. Vacuum dryer เหมือนกับ tray dryer ยกเวนวาตากแหงภายใตสภาวะสุญญากาศการถายเทความรอนโดยการนําหรือการแผรังสี ไอน้ําท่ีระเหยออกไปจะควบแนน

49


รูปท่ี 3.13 Vaccuum dryerท่ีมา : www.fao.org/docrep/v5030e/v5030E0r.htm

10. Freeze Dryer อาหารนําไปแชแข็งกอนเขาทําแหง และน้ําในอาหารเปนน้ําแข็งจากนั้นน้ําแข็งจะระเหิดเปนไอดวยปมสุญญากาศและมีตัว condenser เพ่ือควบแนนไอน้ํานั้น

รูปท่ี 3.14 Freeze Dryer

50


โจทย1.กะหล่ําปลีสดมีความชื้น 89% และทําใหแหงในตูอบท่ีอุณหภูมิ 65 องศาเซลเซียส จนกระท่ังความชื้นลดลงเหลือ 5% dry basis ใหคํานวณพลังงานความรอนท่ีใชในการทําแหงกะหล่ําปลีดิบตอตัน ( ไมคิด sensible heat )2. คํานวณจาก Psychrometric chart ใหคํานวณปริมาณความชื้นของอากาศท่ีอุณหภูมิ 65 องศาเซลเซียส ซึ่งมีความชื้นสัมพัทธเทากับ 42%

51


บทท่ี 4การใชอุณหภูมิต่ํา

การทําความเย็นหรือ chillingเปนหนวยปฏิบัติการหนวยหนึ่งในกระบวนการวิศวกรรมอาหารคือทําใหอุณหภูมิของอาหาร

ลดลงอยูระหวาง -1องศาเซลเซียส และ 8 องศาเซลเซียส ซึ่งอุณหภูมิชวงนี้จะไปลดอัตราการเปลี่ยนแปลงทางชีวเคมีและการเปลี่ยนแปลงท่ีเกิดจากจุลินทรีย ซึ่งชวยในการเพ่ิมอายุการเก็บอาหารได ซึ่งทําใหเกิดการเปลี่ยนแปลงดานคุณคาทางอาหารและประสาทสัมผัสนอยมาก อาหารแชเย็นสามารถแบงออกเปน 3 กลุม ตามอุณหภูมิท่ีเก็บไดดังนี้-1 C ถึง + 1 C ไดแกกลุม ปลาสด เนื้อสด ไสกรอก เนื้อบด เนื้อรมควัน และปลาชุบแปง0 C ถึง +5 C ไดแก นม ครีม โยเกิรต สลัด แซนวิช ขนมอบ เสนพาสตา ซุป พิซซา และโดท่ียังไมไดอบ0 C ถึง 8 C ไดแกเนื้อสุกแลว เนื้อหมัก เนย มาการีน น้ําผลไมทฤษฎีของการทําความเย็น

อาหารสดการเปลี่ยนแปลงทางชีวเคมีท่ีเกิดกับอาหารสดมีสาเหตุมาจาก จุลินทรีย หรือเอนไซมท่ีมีอยู

ตามธรรมชาติ ซึ่งปฏิกิริยาของสิ่งเหลานี้เพ่ิมข้ึนเม่ิออุณหภูมิเพ่ิมข้ึน การแชเย็นเปนการลดอัตราของการเปลี่ยนแปลงตางๆท่ีเกิดจากเอนไซมและจุลินทรีย แตการเปลี่ยนแปลงท่ีไมนาพอใจก็เกิดข้ึนกับผักผลไมบางชนิดท่ีแชเย็นเม่ือแชเย็นต่ํากวาอุณหภูมิท่ีเหมาะสมของมัน ซึ่งทําใหเกิดลักษณะท่ีเรียกวา chilling injury เชนทําใหเกิดสีน้ําตาล และมีรอยช้ําท่ีผิว ซึ่งอุณหภูมิท่ีเหมาะสมในการแชเย็นสําหรับผลไมบางชนิดเชนแอปเปลอยูท่ี 2-3 องศาเซลเซียส กลวยท่ี 12-13 องศาเซลเซียสมะมวง 10-13 องศาเซลเซียส มะเขือเทศ 7-10 องศาเซลเซียส ปจจัยตางๆท่ีจําเปนในการควบคุมอายุการเก็บหรือ shelf life ของพืชผักสดมีดังนี้

ชนิดและพันธของพืชนั้นๆสวนของพืชผักนั้น สวนท่ีเจริญเร็วท่ีสุดจะมีอัตราการเผาผลาญหรือ metabolic rate สูง

ท่ีสุด และอายุสั้นท่ีสุด สภาพในการเก็บเก่ียวพืชผักขณะนั้น อุณหภูมิในการเก็บเก่ียว การเก็บรักษา การวางจําหนาย ความชื้นสัมพัทธของหองเก็บซึ่งมีผลตอการสูญเสียน้ําของพืชผักนั้น อัตราการหายใจของผลไมสดไมคงท่ีถึงแมอุณหภูมิในหองเก็บจะคงท่ี ผลไมชนิดท่ีเปน

climacteric fruit จะมีอัตราการหายใจสูงเม่ือเขาใกลระยะท่ีสุก ซึ่งตัวอยางของClimacteric fruit เชนแอปเปล อาปริคอท อโวคาโด กลวย มะมวง ลูกพีช ลกูแพร

52


ลูกพลัมและมะเขือเทศ สวน Non climacteric fruit เชน เชอรี่ แตงกวา องุน มะนาวสับปะรด สตรอเบอรี่ สําหรับผักมีการหายใจแบบเดียวคือแบบ Non climacteric fruit

การเปลี่ยนแปลงตางๆท่ีไมนาพอใจของผักผลไมเกิดข้ึนเม่ืออุณหภูมิลดต่ําลงกวาอุณหภูมิท่ีเหมาะสมจําเพาะ (specific optimum temperature ) ของผลไมนั้นๆ ซึ่งทําใหเกิด chilling injury และเกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ เชนผิวช้ํา เกิดสีน้ําตาลท้ังภายนอกและภายในผิว เชนเกิดในแอปเปลท่ีอุณหภูมิต่ํากวา 2-3 องศาเซลเซียส กลวยท่ีอุณหภูมิต่ํากวา 12-13 องศาเซลเซียสมะนาวต่ํากวา 14 องศาเซลเซียส มะมวงท่ีต่ํากวา 10-13 องศาเซลเซียส อุณหภูมิในการเก็บและความชื้นสัมพัทธและเวลาในการเก็บแสดงในตารางท่ี 1 แสดงสําหรับผลไมและผักสดแตละชนิดตารางท่ี 4.1 สภาพท่ีเหมาะสมในการเก็บผักผลไม

อาหาร อุณหภูมิ C ความชื้นสัมพัทธ % อายุการเก็บ ( วัน )กลวยบรอคโคลี่แครอทแตงกวามะนาวเห็ดสตรอเบอรี่มะเขือเทศแตงโม

11-15.50010-1510-140-0.5-04-104-10

85-959598-10090-9585-909090-9585-9080-90

7-1410-1428-4210-1430-1803-45-74-714-20

ท่ีมา : Heldman and Hartel 1997

สําหรับเนื้อสัตว การหายใจแบบแอโรบิกหรือแบบใชออกซิเจนลดลงอยางรวดเร็วหลังจากสัตวถูกฆาเกิดการหายใจแบบไมใชอากาศข้ึนแทน เปลี่ยนไกลโคเจนซึ่งเปนคารโบไฮเดรทในเนื้อสัตวเปนกรดแลคติก ทําให pH ลดลง เกิดการเกร็งตัวหรือ rigor mortis ซึ่งทําใหกลามเนื้อแนนข้ึนและไมยืดหยุนดังนั้นจําเปนตองทําใหเย็นในชวงการหายใจแบบไมใชอากาศ เพ่ือลดการปนเปอนจากแบคทีเรีย และเพ่ือใหไดเนื้อสัมผัสท่ีนาพอใจ แตการทําใหเย็นกอนท่ีจะเกิด rigor mortis ก็ทําใหเกิดผลท่ีไมนาพอใจท่ีเรียกวา Cold shortening

53


การคํานวณขนาดของหองเย็นและเวลาในการทําใหเย็นใชวิธีการ unsteady state heattransfer methodตัวอยาง ผลเบอรี่มีขนาดเสนผาศูนยกลาง 2 ซม. ถูกแชเย็นจากอุณหภูมิ 18 C เปน 7 C ในหองเย็นท่ีอุณหภูมิ – 2 C ท่ีมี surface heat transfer coefficient เทากับ 16 W m-2 K-1 บรรจุในภาชนะขนาด 250 กก.แลว load เขาคอนเทนเนอรท่ีมีเครื่องทําความเย็นท่ีอุณหภูมิ 2 องศาเซลเซียส หองเย็นสามารถรับอาหารไดท้ังหมด 2.5 ตัน หองเย็นมีขนาดสูง 3 เมตร และ 10x10 ม.ฝาผนังและหลังหุมฉนวนดวย polyurethane foam 300 มม. พ้ืนสรางดวยคอนกรีตหนา 450 มม.อุณหภูมิอากาศเฉลี่ยเทากับ 12 Cอุณหภูมิพ้ืนดิน 9 C หองเย็นเปดอยู 45 นาทีตอวันเพ่ือเอาอาหารเขา ออก และเปดไฟขนาด 100 วัตต 4 ดวง ในหองเย็น ตัวภาชนะท่ีบบรจุเบอรี่หนัก 50กก.ตออัน ใหคํานวณเวลาท่ีใชในการทําเบอรี่เย็นในหองเย็น และหาวา เครื่องทําความเย็นขนาด 5kW เพียงพอสําหรับหองเย็นนี้หรือไม ( ขอมูลเพ่ิมเติม : คา thermal conductivity ของเบอรี่เทากับ 0.127 Wm-1K-1 , คา thermal conductivity ของฉนวนเทากับ 0.026 Wm-1K-1 , คาthermal conductivity ของคอนกรีตเทากับ 0.87 Wm-1K-1 คาความรอนจําเพาะของผลเบอรี่เทากับ 3778 J kg-1K-1 คาความรอนจําเพาะของ container เทากับ 480 J kg-1K-1 คาความหนาแนนของผลเบอรี่เทากับ 1050 กก.ตอลูกบาศกเมตร ผูปฏิบัติงานหรือ operator มีความรอน240 W และคาความรอนเฉลี่ยของการหายใจของผลเบอรี่เทากับ 0.275 J kg-1s-1

วิธีทําจากสมการ Unsteady state heat transfer

Bi = hбk

h = heat transfer coefficient (W m-2 K-1 ) , б = half dimension k = thermalconductivity

Bi = 16 x 0.01 = 1.260.127

1 = 0.79Bi

Temperature factor h = heating medium , f = final value , i = initial value

=จากรูป unsteady state สําหรับทรงกลม , F๐ หรือ Fourier number = 0.38

F๐ = k tcp б2

54


ดังนั้น t =

Time of cooling = 1187 s = 19.8 นาที

หาวา เครื่องทําความเย็นเหมาะกับหองเย็นหรือไม โดยตั้งสมมติฐานใหผลเบอรี่เขาไปในหองเย็นท่ีอุณหภูมิแชเย็นTotal heat = heat of respiration + sensible heat of container + heat by operator +heat by lights +heat loss ผานหลังคาและผนัง + heat loss ผานพ้ืนHeat of respiration = 2500 x0.275 = 687.5 WNumber of container = 2500/250 = 10 containersSensible heat of container = 10 x50x 480 ( 18-7 )/ 12 x 3600 = 61 WHeat by operator and lights = { 240 + (4 x 100 ) } ( 45 x 60 ) = 20 W

24 x 360พ้ืนท่ีท้ังหมดของผนังและหลังคา = 60 +60 + 120 = 220 ตารางเมตรความรอนท่ีสูญเสียผานผนังและหลังคา จากสมการ

Q = kA∆TX

Q = rate of heat transfer ( J s-1)k = thermal conductivity ( Jm-1s-1K-1 หรือ W m-1K-1 )

A = surface area ∆T = temperature differencex = thickness หรือความหนาของวัสดุ ( m )

แทนท่ีสมการความรอนท่ีสูญเสียผานพ้ืน ( พ้ืนท่ี 100 ตารางเมตร ) =

Total heat loss = ผลรวมของ heat load เทากับ 687.5 W + 61W +20 W + 2394 W= 3162.5 W = 3.2 kW

ดังนั้นเครื่องทําความเย็นขนาด 5 kW จึงเพียงพออาหารแปรรูป

การลดอุณหภูมิลงต่ํากวาอุณหภูมิท่ีจําเปนในการเจริญเติบโตของจุลินทรียชวยยืดระยะเวลาท่ีจะทําใหจุลินทรียเจริญเติบโตจนทําใหอาหารเสียได ชวงการเจริญท่ีเหมาะสมของจุลินทรียแบงเปน 4 ชวง

55


thermophilic ( minimum 30-40 C , optimum 55-65 C ) mesophilic ( minimum 5-10 C, optimum 30-40 C ) psychrotrophic ( minimum < 0-5 C , optimum 20-30 C ) psychrophilic ( minimum < 0-5 C , optimum 12-18 C )

การแชเย็นปองกันการเจริญเติบโตของจุลินทรียพวก thermophilic และพวก mesophilic หลายชนิด เพ่ือปองกันการปนเปอนของจุลินทรียระหวางการแปรรูป GMP จึงมีความสําคัญระหวางการแปรรูปอาหาร

อายุการเก็บของอาหารแปรรูปข้ึนกับสิ่งตอไปนี้ ชนิดของอาหาร กระบวนการแปรรูปท่ีสามารถทําลายจุลินทรียและยับยั้งการทํางานของเอนไซม การควบคุมสุขาภิบาลระหวางการแปรรูปและการบรรจุ คุณสมบัติในการเปน barrier ของบรรจุภัณฑ อุณหภูมิระหวางการแปรรูป การจําหนายและการเก็บรักษา อุปกรณในการแชเย็นหรือ Chilling equipment

อุปกรณในการแชเย็นหรือ Chilling equipment ใชในการกําจัดความรอนออกแบงเปน 2 ประเภท

Mechanical refrigerator Cryogenic system

ท้ังสองวิธีเปนวิธีท่ีลดอุณหภูมิของผลิตภัณฑลงใหต่ํากวา critical zone ของจุลินทรีย ( 50-10 C)อยางเร็วMechanical refrigerator

Mechanical refrigerator ประกอบดวย องคประกอบพ้ืนฐาน 4 แบบดังตอไปนี้ สวนระเหยหรือ Evaporator สวนเปลี่ยนแปลงความดันหรือ Compressor สวนควบแนนหรือ Condenser สวนวาลวขยายหรือ Expansion valve

องคประกอบของเครื่องทําความเย็นมักทําดวยทองแดงเนื่องจากมีคาการนําความรอนต่ํา ทําใหมีอัตราการสงผานความรอนสูงและประสิทธิภาพการทนความรอนสูงจากรูปแผนผังของการทํางานของเครื่องทําความเย็นในรูปท่ี 4.1 สารใหความเย็น หมุนเวียนอยูในองคประกอบท้ัง 4 นี้ โดยเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเปนแกสและกลับมาเปนของเหลวอีก

56


ในสวน evaporator สารใหความเย็นในรูปของเหลวระเหยเปนแกสภายใตสภาวะลดความดัน ดังนั้นจึงดูดซับ latent heat of evaporization และทําใหอาหารเย็น ไอของสารใหความเย็นผานจากevaporator ไปยัง compressor ซึ่งทําใหมีความดันเพ่ิมข้ึน ไอผานไปยัง condenser ซึ่งยังคงมีความดันสูงอยู และไอจะควบแนนเปน ของเหลว ของเหลวผาน expansion valve ซึ่งถูกลดความดันลงแลวหมุนเวียนตอเปนวงจร

รูปท่ี 4.1 องคประกอบภายในของเครื่องทําความเย็นท่ีมา: http://www.thefullwiki.org/Refrigerationคุณสมบัติท่ีสําคัญของสารใหความเย็นหรือ refrigerant คือ

จุดเดือดต่ํา และมีคา latent heat of vaporization สูง มีไอท่ีหนาแนนเพ่ือทําให compressor มีขนาดลดลง มีความเปนพิษต่ํา ไมติดไฟ รวมตัวกับน้ํามันใน compressor ไดต่ํา ราคาถูก

แอมโมเนียมีคุณสมบัติในการสงผานความรอนไดดีท่ีสุดแตเปนพิษและติดไฟงาย และเกิดการสึกกรอนกับทอทองแดง Halogen ( Chlorofluorocarbon หรือ CFC ) ไมเปนพิษ ไมติดไฟ แตสามารถทําปฏิกิริยากับ ozone ในบรรยากาศ ทําใหเกิด greenhouse gas เก่ียวของกับภาวะโลกรอน จึงถูกนานาชาติหามใช สารใหความเย็นหรือ refrigerant ท่ีนิยมใชกันในปจจุบันคือ Freon -22

57


Chilling medium หรือตัวกลางในการใหความเย็นคืออากาศ น้ํา หรือแผนโลหะ Airchiller หรือ Blast chiller ใชการพาความรอนแบบบังคับ ( forced convection ) เพ่ือหมุนเวียนอากาศท่ีอุณหภูมิประมาณ -4 C ท่ีความเร็ว 4 เมตรตอวินาที เพ่ือเพ่ิมอัตราการสงผานความรอนAir blast chiller ใชในรถหองเย็นสําหรับขนสงอาหารซึ่งอาหารท่ีใสตองถูกแชเย็นมาแลว ระบบทําความเย็นเปนระบบท่ีใชเพ่ือคงอุณหภูมิอาหารใหเย็นตามท่ีกําหนดเทานั้นวิธีการทําใหเย็นวิธีอ่ืนๆ

Vaccuum cool : นําอาหารท่ีมีพ้ืนท่ีผิวมาก ลางแลววางใน Vaccumm chamber ลดความดันลงใหเหลือ 0.5 kPa เกิดความเย็นข้ึนเม่ือความชื้นระเหยออกจากพ้ืนผิว( อุณหภูมิลดลง 5 C เม่ือระเหยความชื้นออกไป 1 % )

Hydrocooling : คือการจุมอาหารโดยตรงลงในน้ําเย็น Plate heat exchanger : ใชทําใหเย็นผานเครื่องแลกเปลี่ยนความรอนแบบเพลทเพ่ือทํา

ใหของเหลวเย็นหลังจากพาสเจอไรซ Cryogenic chilling : Cryogen เปนสารทําความเย็นหรือ Refrigerant ท่ีเปลี่ยนเฟสโดย

การการดูดเอาความรอนแฝงออกจากอาหาร ดังนั้นจึงทําใหอาหารเย็น Cryogenic chillerท่ี ใชคือ คารบอนไดออกไซดแข็ง , คารบอนไดออกไซดเหลว หรือไนโตรเจนเหลวคารบอนไดออกไซดแข็ง ใชในรูปของน้ําแข็งแหง

หองแชเย็นหรือ Chill storage : คือหองท่ีทําใหเย็นดวยอากาศเย็นท่ีผลิตจากเครื่องทําความเย็นควบคุมสภาพการเก็บแชเย็น ความสําคัญคือการควบคุมใหอุณภูมิลดลงต่ํากวา 5 องศาเซลเซียสอาหารสดตองควบคุมความชื้นสัมพัทธในหองเก็บ และตองมีการหมุนเวียนของอากาศอยางเพียงพอโดยการใชพัดลม เพ่ือควบคุมอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ จัดวางเรียงอาหารเปนชั้นโดยใหสัมผัสกับอากาศเย็นทุกทิศทาง การควบคุมอุณหภูมิ ตองมีการเฝาระวังหรือ temperature monitoringตลอดเวลา โดยใช thermocouple ซึ่งมีปจจัยท่ีทําใหอุณหภูมิของอากาศเย็นในหองเย็นเพ่ิมข้ึนไดดวย อาหารในหองเย็น แสงไฟในหองเย็น การเปดปดประตูหองเย็นผลท่ีมีตออาหาร

การแชเย็นอาหารท่ีอุณหภูมิการเก็บท่ีถูกตองมีผลเล็กนอยมากตอคุณคาทางโภชนาการและสภาพในการบริโภคของอาหาร การปลี่ยนแปลงทางเคมีและชีวเคมีมีผลมากกวาการเปลี่ยนแปลงดานการเจรญิเติบโตของจุลินทรีย และไปจํากัดอายุการเก็บของอาหาร การเปลี่ยนแปลงนี้รวมถึงการเกิดสีน้ําตาล การยอยสลายไขมัน การเสื่อมของสีและกลิ่นรส และการออกซิเดชั่นของไขมันซึ่งเปนสาเหตุหนึ่งของการเสื่อมเสียคุณภาพของอาหารแชเย็น

58


การแชแข็งหรือ Freezingการแชแข็งเปนวิธีการท่ีเกาแกท่ีสุดและใชกันมากท่ีสุดในการถนอมอาหาร วิธีการนี้สามารถ

ถนอมกลิ่นรส เนื้อสัมผัส และคุณคาทางอาหารไดดีกวาวิธีอ่ืนๆ กระบวนการแชแข็งเปนการใชอุณหภูมิต่ําจนจุลินทรียไมสามารถเจริญได ปฏิกิริยาทางเคมีลดลง และกระบวนการเมตาโบลิกลดลง

กระบวนการแชแข็ง เปนกระบวนการท่ีประกอบดวยปจจัยทางเทอรโมไดนามิกสและจลศาสตร วัสดุท่ีถูกแชแข็งเริ่มเย็นลงจนถึงจุดท่ีเกิด nucleation ซึ่ง nucleation หมายถึงการเริ่มเกิดเปนผลึกน้ําแข็ง เม่ือผลึกอันแรกเกิดข้ึนจะเกิดการเปลี่ยนเฟสจากของเหลวเปนของแข็งและผลึกเริ่มโตข้ึนเรื่อยๆ ดังนั้น nucleation เปนกระบวนการข้ันแรกของการแชแข็ง และเปนข้ันตอนวิกฤตท่ีทําใหเกิดการเปลี่ยนเฟสอยางสมบูรณ กระบวนการแชแข็งอาหารเก่ียวของในการขจัดเอาท้ังsensible heat และ latent heat ออกจากอาหารจุดเยือกแข็งของอาหาร

จุดเยือกแข็งหรือ Freezing point คืออุณหภูมิท่ีเริ่มเกิดผลึกน้ําแข็งข้ืนและท่ีจุดนี้ของเหลวและของแข็งอยูในสภาพสมดุล จุดเยือกแข็งของน้ําบริสุทธิ์ คือ 0 C หรือ 273 K แตถาเปนอาหารซึ่งน้ําในอาหารมีท้ัง bound water และ free water สวนของ bound water ไมเปนน้ําแข็งซึ่งเรียกวา Unfreezable water ซึ่ง Unfreezable water นี้มีของแข็งท่ีละลายไดซึ่งทําใหจุดเยือกแข็งของน้ําลดลงต่ํากวา 0 C ในระหวางกระบวนการแชแข็ง ความเขมขนของของแข็งท่ีละลายไดมีเพ่ิมข้ึนใน สวนของน้ําท่ีไมเปนน้ําแข็ง หรือ unfrozen water เปนผลใหอุณหภูมิเยือกแข็งแปรเปลี่ยนไปข้ันตอนของกระบวนการแชแข็ง

กุญแจสําคัญในการออกแบบกระบวนการแชแข็งคือการหาเวลาในการแชแข็ง ขณะท่ีอาหารกําลังแข็งตัวเปนน้ําแข็งนั้นผานชวงระยะเวลา 3 ระยะ ระยะแรกคือ Prefreezing ระยะท่ีสองคือการเปลี่ยนเฟสหรือ Phase change และระยะท่ีสามคือ Post freezing ถาใชเทอรโมคัปเปลวัดอุณหภูมิน้ําบริสุทธิ์ท่ีอยูในถาดทําน้ําแข็งในตูแชแข็งตามบาน และขณะเดียวกันใชเทอรโมคัปเปลวัดอุณหภูมิชิ้นมันฝรั่งในตูแชแข็งอันเดียวกันไดกราฟของอุณหภูมิของอาหารและน้ําท่ีแชแข็งดังรูปท่ี 4.2ท่ีระยะ pre cooling อุณหภูมิของน้ําลดลงจนถึงจุดเยือกแข็งเพราะ sensible heat ถูกกําจัดออกไปและจะเห็นวาอุณหภูมิลดลงต่ํากวาจุดเยือกแข็งเล็กนอย ( ต่ํากวา 0 C ) ซึ่งแสดง ความเย็นยิ่งยวดหรือ supercooling เล็กนอย ซึ่งจุดนี้เกิด nucleation และเริ่มสรางผลึกน้ําแข็งข้ึน จากนั้นจุดเยือกแข็งเพ่ิมข้ึนถึง 0 องศาเซลเซียส และอุณหภูมิจะยังคงอยูท่ีจุดเยือกแข็งจนกระท่ังเกิดการเปลี่ยนเฟสอยางสมบูรณจากน้ําเปนน้ําแข็งเพราะการสูญเสียความรอนแฝงไป ( latent heat of fusion ) ซึ่งระยะนี้เรียกวา Phase change เม่ือน้ําเปลี่ยนเปนน้ําแข็งอุณหภูมิของน้ําแข็งลดลงอยางรวดเร็วเพราะ sensible heat ถูกกําจัดออกไปในระยะ post freezing

สําหรับมันฝรั่ง อุณหภูมิท่ี plot ก็คลายๆกับน้ําแตมีความแตกตางอยางมีนัยสําคัญเชนเดียวกับน้ํา อุณหภูมิลดลงในชวง precooling เนื่องจาก sensible heat ถูกกําจัดออกไป

59


อยางไรก็ตามอุณหภูมิท่ีเริ่มตนเกิดผลึกและเริ่มสรางผลึกน้ําแข็งนั้นต่ํากวาน้ําเนื่องจากมีตัวถูกละลายอยูในอาหาร หลังจากนั้นเกิด supercooling มีการสูญเสียความรอนแฝงเล็กนอย ซึ่งจะเห็นวากราฟมีการเบี่ยงเบนไปจากการแชแข็งน้ําบริสุทธิ์ซึ่งเปนเพราะอาหารมีความเขมขน ขณะท่ีน้ําในอาหารเปลี่ยนเปนน้ําแข็งในข้ันตอน Phase change น้ําท่ีเหลือจะมีความเขมขนมากข้ึนและทําใหจุดเยือกแข็งลดลง พรอมๆกับการขจัดเอาความรอนแฝงออกก็เกิดข้ึนอยางตอเนื่อง จนกระท่ังอาหารนั้นเปนสวนผสมกันระหวางของแข็งในองคประกอบอาหารและน้ําแข็ง หลังจากนี้ sensible heat ก็ถูกกําจัดออกไปจนกระท่ังถึงอุณหภูมิสุดทายท่ีตองการในการแชแข็ง ผักและผลไมจะถูกแชแข็งท่ีอุณหภูมิ -18C อาหารท่ีมีไขมันเปนองคประกอบสูงเชนไอศกรีมแชแข็งท่ีอุณหภูมิต่ํากวา -25 C ซึ่งจากกราฟรูปท่ี4.2 พอสรุปไดดังนี้

การแชแข็งเก่ียวของในการกําจัดท้ัง sensible heat และlatent heat ออกไปการแชแข็งน้ําบริสุทธิ์ มีการเปลี่ยนข้ันตอนของกระบวนการหรือ freezing period ท่ีแนชัดขณะท่ีการเปลี่ยนแปลงคอยๆเกิดข้ึนทีละนอยกับอาหารท่ีจุดสุดทายของการแชแข็ง อาหารแชแข็งยังคงมีน้ําอยูในอาหาร ประมาณถึง 10% ท่ีอยูในสภาพของเหลวสําหรับอาหารท่ีแชแข็งถึง -18 C

รูปท่ี 4.2 Freezing Diagram ของน้ําและอาหารท่ีมา : Singh 2009เวลาในการแชแข็ง หรือ Freezing time

เวลาในการแชแข็งและอัตราการแชแข็งเปนตัววัดท่ีสําคัญในการออกแบบระบบแชแข็งคุณภาพของอาหารแชแข็งเปนผลมาจากอัตราของการแชแข็ง และเวลาในการแชแข็งคํานวณไดจาก

60


อัตราของการแชแข็ง เวลาในการแชแข็งคือเวลาท่ีตองการในการลดอุณหภูมิของผลิตภัณฑจากอุณหภูมิเริ่มตนจนถึงอุณหภูมิเยือกแข็ง เวลาในการแชแข็งข้ึนกับหลายปจจัยเชนอุณหภูมิเริ่มตนและอุณหภูมิสุดทายของผลิตภัณฑและปริมาณความรอนท่ีขจัดออกไป ความหนาและรูปรางของผลิตภัณฑ กะบวนการสงผานความรอน และ อุณหภูมิ ดังนั้นปจจัยท่ีสําคัญท่ีสุดพอสรุปไดดังนี้

ขนาดและรูปรางของผลิตภัณฑ โดยเฉพาะอยางยิ่งความหนา อุณหภูมิเริ่มตนและอุณหภูมิสุดทายของผลิตภัณฑ อุณหภูมิในหองแชแข็ง ( freezing medium temperature ) สัมประสิทธิ์การสงผานความรอนของผลิตภัณฑ( Convective heat transfer coefficient ) การเปลี่ยนแปลงของ enthalpy คาการนําความรอนของผลิตภัณฑ ( thermal conductivity )

คํานวณ freezing time ไดจาก Plank’s equation ดังนี้ ในกรณีแชแข็งอาหารท่ีเปนแผนบางหรือ slab ( Earle,1983 )

tf = (Pa/hs + Ra2 /k)( T – Ta)

Ta = อุณหภูมิของตัวกลางในการแชแข็งหรือ freezing mediumT = อุณหภูมิเยือกแข็งของอาหารk = คา thermal conductivity ของอาหารแชแข็งa = ความหนาของแผนชิ้นอาหาร

61


ρ = ความหนาแนนของอาหาร = คา latent heat หรือ คาความรอนแฝงของอาหารhs = คา total surface heat transfer coefficientP = ½ , R = 1/8 สําหรับ slab P= ¼ R=1/8 สําหรับอาหารรูปทรงกระบอก และ P=1/6 ,R=1/24 สําหรับอาหารรูปทรงกลมหรือทรงสี่เหลี่ยมลูกบาศก

ตัวอยางคํานวณแชแข็งเนื้อรปูรางเปนแผนบางหรือ slab โดยวางชิ้นเนื้ออยูระหวางเพลทท่ีมีอุณหภูมิ

-340 C ใหหาเวลาท่ีทําใหชิ้นเนื้อนั้นแชแข็งถาชิ้นเนื้อมีความหนา 10 ซม. ใหคา surface heattransfer coefficient เทากับ 600 J m-2s-1C-1 คา thermal conductivity ของเนื้อแชแข็งเทากับ1.6 J m-1s-1C-1 คาความรอนแฝงคือ 2.56x105 J kg-1 คาความหนาแนน 1090 kg m-3 สมมติวาอุณหภูมิแชแข็งของเนื้ออยูท่ี -20 C

ความเร็วของการแชแข็งมีผลตอคุณภาพอาหารแชแข็ง ในการแชแข็งแบบชาผลึกน้ําแข็งเกิดข้ึนภายนอกเซล เม่ือผลึกใหญข้ึนทําใหเซลเกิดการหดตัวในสภาพแชแข็ง สวนการแชแข็งแบบเร็ว

62


จะใหผลึกมีขนาดสมํ่าเสมอ เกิดผลึกน้ําแข็งขนาดเล็กจํานวนมากมาย มีผลใหลักษณะเซลในอาหารแชแข็งคลายคลึงกับอาหารสดกอนแชแข็งเครื่องมือในการแชแข็ง

เครื่องมือท่ีใชในอุตสาหกรรมแชแข็ง แบงเปนหลายชนิด ท้ังแบบกะและแบบตอเนื่อง ท้ังระบบการสงผานความรอนผานอากาศ สัมผัสพ้ืนผิว หรือ cryogenic อัตราการสงผานความรอนจาก freezing medium ไปยังผลิตภัณฑเปนสิ่งสําคัญท่ีใชสําหรับหาเวลาในการแชแข็งผลิตภัณฑดังนั้นเครื่องมือท่ีเลือกใชเปนตัวบงบอกถึงอัตราการแชแข็ง

1. Air Blast freezersเปนเครื่องมือเกาท่ีใชกันอยู โดยใชอากาศเปน freezing medium เปนท้ังอากาศนิ่ง ( still

air ) หรือ forced air การแชแข็งทําโดยวางอาหารในหองแชแข็ง การใช still air freezing เปนวิธีท่ีถูกท่ีสุดและมีขอดีคือระหวางการแชแข็งอุณหภูมิคงท่ี แตเปนวิธีท่ีชาท่ีสุดเนื่องจากมีสัมประสิทธิ์การถายเทความรอนท่ีผิวของอากาศในหองต่ํา เวลาในการแชแข็งจึงข้ึนกับอุณหภูมิหองแชแข็ง อุณหภูมิเริ่มตนและขนาดของผลิตภัณฑ ตอมามีการปรับปรุงข้ึนใหใช forced air โดยบังคับใหมีการไหลหมุนเวียนของอากาศในหองแชแข็ง

รูปท่ี 4.3 Air Blast Freezerท่ีมา: http://www.bmenterprise.com/plant.html

63


2. Tunnel freezer วางผลิตภัณฑบนถาดท่ีวางซอนกันเปนชั้นในรถเข็นลากและเข็นเขาไปใน tunnel มีชองวางระหวางรถเข็นแตละอันเพ่ือใหอากาศไดหมุนเวียนได

3. Belt freezer เปนเครื่องแชแข็งแบบ continuous product flow โดยวางอาหรบนสายพานตะแกรงลวด ท่ีมีอากาศไหลตั้งฉากผานชิ้นอาหาร การไหลของอากาศสัมผัสกับอาหารไดดีวิธีนี้มีขอดีคือจํากัดความเสียหายอันเกิดจากการสงผานชิ้นอาหาร โดยเฉพาะอยางยิ่งชิ้นอาหารท่ีตองการการสัมผัสท่ีไมรุนแรงนัก

รูปท่ี 4.4 Belt freezerท่ีมา : http://www.fao.org/docrep/003/r1076e/R1076E04.HTM

4. Fluidized bed freezers ประกอบดวย bed ท่ีมีรูพรุนและมีลมเย็นเปาอยูดานลางbed ทําใหผลิตภัณฑลอยข้ึนลงในกระแสอากาศ วิธีนีทํ้าใหผลิตภัณฑเยือกแข็งแบบชิ้นใครชิ้นมันหรือ Individually quick frozen เหมาะกับผลิตภัณฑชิ้นเล็กๆเชนใชในการแชแข็งกุง ผักชิ้นเล็กเนื้อท่ีหั่นเปนลูกเตา

รูปท่ี 4.5 Fluidized bed freezerท่ีมา : Earle 1983

5. Contact plate freezer วางอาหารใหสัมผัสโดยตรงกับหรือทางออมกับ freezingmedium สําหรับ direct contact freezer อาหารถูกแชแข็งโดยถูกลอมรอบดวย freezingmedium ทําใหมีประสิทธิภาพในการสงผานความรอนไดสูงท่ีสุด สําหรับ indirect contact

64


freezer นั้นผลิตภัณฑไมไดสัมผัสโดยตรงกับ freezing medium แตสัมผัสกับ plate ซึ่ง plateสัมผัสกับ freezing medium อีกที

รูปท่ี 4.6 Contact plate freezerท่ีมา: http://www.fao.org/docrep/008/y5979e/y5979e03.htm

6. การแชแข็งแบบจุมหรือ Immersion freezersประกอบดวย tank ท่ีมี ตัวกลางเชน glycol , glycerol , Sodium chloride , Calcium

chloride นําอาหารจุมลงในสารละลายเหลานี้ ทําใหอุณหภูมิอาหารลดลงอยางรวดเร็ว โดยการแลกเปลี่ยนความรอนโดยตรง Direct immersion ใน liquid refrigerant เปนวิธีท่ีเร็วท่ีสุดในการแชแข็งเพราะวาของเหลวนําความรอนไดดีกวาอากาศ

รูปท่ี 4.7 Immersion freezerท่ีมา: http://www.fao.org/docrep/008/y5979e/y5979e03.htm

7. Cryogenic freezerใหอาหารสัมผัสตรงกับแกสเหลวเชนไนโตรเจนเหลว หรือคารบอนไดออกไซดเหลวซึ่งมี

อุณหภูมิประมาณ -60 C การเก็บในหองแชแข็งรักษาท่ีอุณหภูมิ -18 C อุณหภูมิในการจัดจําหนายท่ี -15 C และวางในรานคาปลีกท่ี -12 C

65


บทท่ี 5การกลั่น

การกลั่นคือกระบวนการท่ีใชแยกของผสมของของเหลวตั้งแตสองชนิดข้ึนไปเปนองคประกอบตางๆท่ีมีความเขมขนตามท่ีตองการ โดยใชการทําใหของเหลวนั้นเปนไอแลวดึงความรอนออกเพ่ือเปลี่ยนสถานะจากไอกลับเปนของเหลว

หลักการของการกลั่น : การแยกองคประกอบจากของผสมของเหลวโดยผานการกลั่นข้ึนกับความแตกตางในเรื่องของจุดเดือดขององคประกอบแตละชนิดท่ีมีในของผสมนั้น การกลั่นข้ึนกับลักษณะของความดันไอของของผสมของเหลวนั้นความดันไอและจุดเดือด

ความดันไอของของเหลวท่ีอุณหภูมิหนึง่คือความดันสมดุลท่ีเกิดข้ึนโดยโมเลกุลท่ีพยายามเคลื่อนท่ีเขาและออกจากผิวหนาของของเหลวนั้น จุดท่ีสําคัญท่ีเก่ียวของกับความดันไอมีดังนี้

พลังงานท่ีใสใหจะไปเพ่ิมความดันไอ ความดันไอเก่ียวของกับการเดือดของเหลวเดือดตอเม่ือความดันไอเทากับความดัน

บรรยากาศรอบนอก ของเหลวมีคุณสมบัติท่ีเดือดไดงายเม่ือของเหลวหนึ่งวางอยูในภาชนะปด โมเลกุลตางๆของของเหลวจะระเหยกลายเปนไอเขาไปใน

ชองวางท่ีอยูเหนือของเหลวนั้น จนกระท่ังเกิดสมดุลข้ึนเม่ือเวลาผานไปชวงเวลาหนึ่ง ไอนี้จะทําใหเกิดความดันเหมือนแกสโดยเรียกความดันชนิดนี้วา ความดันไอ หรือ vapor pressure ขนาดของความดันไอนี้จะข้ึนอยูกับองคประกอบของของเหลวและอุณหภูมิ ในกรณีของเหลวผสม องคประกอบแตละตัวจะกอใหเกิดความดันยอยของแตละตัว

สวนจุดเดือดของของเหลว สามารถนิยามไดวา เปนอุณหภูมิท่ีความดันไอของของเหลวเทากับความดันบรรยากาศ

การกลั่นเปนกระบวนการแยกชนิดหนึ่งใชแยกองคประกอบในของผสมโดยอาศัยหลักท่ีวาองคประกอบชนิดหนึ่งระเหยไดเร็วกวาอีกชนิดหนึ่ง สวนการกลั่นลําดับสวนหรือ Fractionationdistillation นั้นคือการนําไอท่ีเกิดข้ึนครั้งแรกมาควบแนนหรือ condense แลวนําไประเหยใหม จะเกิดการแยกซ้ํา ทําใหไดองคประกอบท่ีมีความบริสุทธิ์เพ่ิมข้ึนเรื่อยๆการใชกระบวนการกลั่นในอุตสาหกรรมเชนการทําใหน้ํามันหอมระเหยเขมขนข้ึน เครื่องดื่มแอลกอฮอล เขมขนข้ึน และเปนการกําจัดกลิ่นของไขมันและน้ํามัน

66


รูปท่ี 5.1 Boiling Temperature / Concentration Diagramท่ีมา : Earle 1983

จากรูปท่ี 5.1 เปน Diagram ท่ีมีเสนกราฟ 2 เสน เสนกราฟท่ี 1 คือ Liquid line ( เสนลาง ) แสดงความเขมขนของของเหลว สวนเสนกราฟท่ีสองคือ Vapor line ( เสนบน ) แสดงความเขมขนของไอหรือ vapor ถาลากเสนแกนนอนท่ีอุณหภูมิคงท่ีจุดท่ีตัดเสนลางคือความเขมขนของของเหลวท่ีเดือดท่ีอุณหภูมินี้ สวนเสนท่ีตัดเสนบนคือความเขมขนของ vapor ท่ีกลั่นตัวท่ีอุณหภูมินี้ดังนั้น 2 จุดนี้จึงเปนความเขมขน 2 ความเขมขนท่ีอยูในสภาวะสมดุล จุดท่ี Liquid line แทนดวยจุด x คือความเขมขนในสวนท่ี หนักกวา และจุดท่ี Vapor line คือจุด y แทนความเขมขนในสวนท่ีเบากวา ดังนั้น y value มีองคประกอบของ สาร A มากกวาสาร Bตัวอยาง

ในคอลัมนของการกลั่น ของผสมของน้ําและแอลกอฮอล ซึ่งมีแอลกอฮอล 12% 25% ของของผสมนี้มีจุดเดือด ท่ี 95.5 C 1.9% โมลของแอลกอฮอลในของเหลวนี้อยูในสมดุลกับ 17% โมลของแอลกอฮอลในสวนท่ีเปนไอ ประเมินความเขมขนของของแอลกอฮอลในผลิตภัณฑ

ความเขมขนของ alcohol ใน liquid = 1.9 mole % ( x )ความเขมขนของ alcohol ใน vapor = 17 mole % ( y )Y = x ( 17/1.9 ) หรือ x = y (1.9/17 )Feed = liquid + vapor phase ( L+V)

F = L+VV = F/4 ดังนั้น F= 4V, L= 3F/4 = 3x4 V/4 = 3V

67


สําหรับแอลกอฮอล xf เปนความเขมขนของแอลกอฮอลใน feed ดังนั้น mass balanceในคอลัมนการกลั่น

4 V (xf) = 3Vx + Vyความเขมขนของแอลกอฮอลใน feed เทากับ 12% นน.โมเลกุลของแอลกอฮอลเทากับ 46 และ

น้ํา 18ดังนั้น xf = (12/46) / ( 88/18 +12/46 )

= 0.054 x 0.05 = 3x + yในสภาวะสมดุล x = (1.9/17 )y

y ( 3 x1.9/17 ) + y = 0.2y = 0.15 mole %

นน.แอลกอฮอลใน vapor stream เปน w0.15 = ( w/46)/(w/46 +(1-w)/18 )W = 0.31 = 31%

ความเขมขนแอลกอฮอลใน product = 31%Steam distillation

ในอุตสาหกรรมอาหาร การกลั่นเปนวิธีการแยกท่ีดีแตอุณหภูมิในการกลั่นไมสามารถทําใหวัสดุนั้นแตกแยกได ในกรณีของสารระเหยท่ีเกาะอยูกับ non volatile material การกลั่นดวยsteam distillation ทําใหเกิดการแยก volatile ออกจาก non volatile material ปกติของเหลวจะเดือดเม่ือความดันไอท้ังหมดเทากับความดันภายนอกระบบ ดังนั้นสามารถลดจุดเดือดไดโดยลดpressure หรือความดัน เชนการทําใหตัวอยางเดือดภายใตสุญญากาศ หรือโดยการเติมไอเขาไปจะไปเพ่ิมความดันไอ ทําใหของเหลวเดือดไดท่ีอุณหภูมิต่ําลง แลวแยกไอนั้นออกไดงายจาก distillate ซึ่งvapor ท่ีใสใหสวนใหญเปน steam จึงเรียกวิธีนี้วา Steam distillation

ถาความดันไอของ steam เปน ps และ total pressure เปน P ดังนั้นของผสมจะเดือดเม่ือ vapor pressure ( pa ) ของสารระเหยเทากับ P – ps ดังนั้นอัตราสวนของจํานวนโมเลกุลของไอน้ํากับสารระเหย เทากับอัตราสวนของ partial pressure ขององคประกอบ

P = ps + papa = P - pspa / ps = ( P-ps) / ps = ( Wa /Ma) / ( Ws/Ms)

ดังนั้น wa/ws = ( P –ps )/ps x ( Ma /Ms)pa คือ partial pressure ของ volatile component ps คือ partial pressure ของ

steam P คือ total pressure ของระบบ Wa คือน้ําหนักขององคประกอบ A ใน vapor Ws

68


คือน้ําหนักของ steam ใน vapor Ma คือนน.โมเลกุลของ volatile และ Ms เปนนน.โมเลกุลของsteamSteam distillation ใชในอุตสาหกรรมอาหารเพ่ือสกัดน้ํามันหอมระเหย หรือใชในการสกัดกลิ่นออกจากน้ํามันดิบ

รูปท่ี 5.2 Steam distillationทีมา:http://www.tutorvista.com/content/chemistry/chemistry-iii/organic-compounds/distillation.phpVaccuum distillation

คือการลด total pressure ในกระบวนการกลั่น เพ่ือเปนการกลั่นท่ีอุณหภูมิต่ําVaccuum distillation ใชแทนท่ี steam distillation ได หรือใชรวมกันBatch distillation

เปนการใหความรอนของผสมท่ีมีองคประกอบ A และ B ( โดยท่ี A ระเหยไดงายกวาB ) เม่ือของผสมเดือดเกิดไอข้ึนอยูเหนือของเหลวสวนผสม A และ B ดังนั้นอัตราสวนของความเขมขนของ A และ B ท่ีอยูใน vapor จะตางจากอัตราสวนท่ีอยูในของเหลว ผาน vapor ไปท่ีcondenser เพ่ือควบแนน ดังนั้นในของเหลวจะมีองคประกอบ B มากกวา ทําใหจุดเดือดของสวนผสมเพ่ิมข้ึนFractional distillation

เปนการกลั่นเพ่ือแยกองคประกอบใหบริสุทธิ์ยิ่งข้ึน โดยเปนการซ้ํา cycle ของvaporization – condensation หลายๆครั้ง โดยท่ีแตละครั้งท่ีผานการกลั่นของเหลวจะบริสุทธิ์ข้ึนเรื่อยๆ

69


รูปท่ี 5.3 เครื่องกลั่นลําดับสวนท่ีมา : http://www.pustakalaya.org/wiki/wp/o/O_refinery.htm

70


บทท่ี 6เครื่องมือในการแปรรูปในอุตสาหกรรมอาหาร

เครื่องระเหยแบบกระทะ(Pan evaporator)เครื่องระเหยแบบนี้ประกอบดวยหมอตมทรงกลมท่ีไดรับความรอนโดยตรงจากแกสหรือ

ขดลวดตานทานไฟฟาหรือใหความรอนผานไอน้ําท่ีไหลผานทอในแจ็คเก็ต (steam-jacketed ) ท่ีหุมเครื่อง เครื่องมีฝาปดเพ่ือทําใหเกิดสูญญากาศพรอมท้ังมีท่ีกวนเพ่ือเพ่ิมอัตราการถายเทความรอนและเพ่ือปองกันไมใหอาหารไหมติดหมอ เครื่องมีอัตราการถายเทความรอนและประสิทธิภาพการใชพลังงานคอนขางต่ํา อาหารท่ีไวตอความรอนอาจเกิดความเสียหายได อยางไรก็ตามเครื่องนี้มีราคาตนทุนต่ําและใชไดกับผลิตภัณฑหลายชนิด จึงมีการประยุกตใชอยางกวางขวางในการเตรียมอาหารประเภทซอสและน้ําเกรวี่หรือการผลิตแยมและอาหารอ่ืน ๆ เครื่องระเหยนี้จัดเปนแบบเกาท่ีสุดและงายท่ีสุดท่ีมีใชในอุตสาหกรรมอาหาร

รูปท่ี 6.1 เครื่องระเหยแบบกะทะท่ีมา: Singh 2009

หลักการทํางาน เม่ือใสวัตถุดิบลงไปในหมอสุญญากาศวัตถุดิบจะไดรับความรอนจากไอน้ําจากนั้นวัตถุดิบจะเกิดการระเหยน้ําออก น้ําท่ีระเหยจากวัตถุดิบจะถูกเก็บไวท่ี condenser กลั่นตัวเปนหยดน้ํา จะไดผลิตภัณฑท่ีมีความเขมขนข้ึนเครื่องระเหยแบบฟลมเคลื่อนท่ีลง (falling-film evaporator)

เครื่องระเหยประเภทนี้มีการใชอยางกวางขวางสําหรับการทําใหสารละลายมีความเขมขนเม่ือสารละลายนั้นไมคงทนตอความรอนเชน น้ําผลไม สารละลายถูกปอนเขาดานบน และไหลคลายฟลมลงมาดานลางขางผนังทอสารละลายท่ีเขมขน และไอจะถูกแยกดานลาง ทอมีเสนผานศูนยกลางขนาด 50 ถึง 250 มิลลิเมตร ( 2 ถึง 10 นิ้ว) สวนไอท่ีเกิดจากของเหลวท่ีไดรับความรอน ถูกพาลงมา

71


ดานลางพรอมกับของเหลวและถูกนําออกทางดานลางของเครื่องระเหย ซึ่งผลผลิตท่ีเขมขน และไอท่ีผลิตไดแยกออกจากกันท่ีดานลางของเครื่องระเหย เวลาท่ีน้ําผลไมอยูในเครื่องระเหยจะใชเวลาเพียง20-30 วินาที หลังจากนั้นผลผลิตถูกปลอยออก เครื่องระเหยชนิดนี้จะตรงกันขามกับเครื่องระเหยแบบฟลมเคลื่อนท่ีข้ึน เครื่องระเหยแบบฟลมเคลื่อนท่ีลงจะมีฟลมบางๆเคลื่อนท่ีลงภายใตแรงดึงดูดของโลกในทอดิ่ง การออกแบบเครื่องระเหยชนิดนี้จะคอนขางซับซอน เนื่องจากการกระจายตัว(distribution) ของของเหลวในลักษณะท่ีเปนฟลมเคลื่อนท่ีลงอยางสมํ่าเสมอในทอนั้นเกิดข้ึนคอนขางจะยากกวาระบบการไหลข้ึนของเครื่องระเหยแบบฟลมเคลื่อนท่ีข้ึน ดังนั้นจึงตองใชตัวกระจาย(distributors) หรือหัวพน(spray nozzles) ชวย เครื่องระเหยแบบฟลมเคลื่อนท่ีลงสามารถใชจํานวนเครื่องระเหยไดมากกวาเครื่องระเหยแบบเคลื่อนท่ีข้ึน เชน ถาใชไอน้ําท่ีมีอุณหภูมิ 110°C และอุณหภูมิจุดเดือดสุดทายเปน 50°C ดังนั้นความแตกตางของอุณหภูมิท้ังหมดเปน 60°C เนื่องจากการระเหยแบบฟลมเคลื่อนท่ีข้ึนนั้นจะตองใหมีความแตกตางของอุณหภูมิท่ีผิวใหความรอน 14°C ดังนั้นจึงตองใช 4 เครื่อง อยางไรก็ตามเราสามารถใชเครื่องระเหยแบบฟลมเคลื่อนท่ีลงไดมากกวา 10เครื่อง เครื่องระเหยชนิดนี้สามารถใชกับของเหลวท่ีมีความหนืดสูงกวาเครื่องระเหยแบบฟลมเคลื่อนท่ีข้ึน และยังใชกับอาหารท่ีไมสามารถทนกับความรอนสูงได(highly heat sensitive)สวนประกอบของเครื่องระเหย

ตัวแลกเปลี่ยนความรอน(heat exchanger) จะอยูในภาชนะขนาดใหญ ในอุตสาหกรรมอาหารนิยมใชไอน้ําเปนตัวกลางใหความรอน(heating medium)ซึ่งถายเทความรอนจากไอน้ําความดันต่ําไปยังผลิตภัณฑ เพ่ือใชในการเพ่ิมอุณหภูมิ และใชในการเปลี่ยนสถานะของน้ําใหเปนไอเครื่องแยก(separator) ซึ่งจะแยกไอท่ีไดจากของเหลวเขมขน ปมกลหรือปมสุญญากาศฉีดไอน้ํา

72


รูปท่ี 6.2 Falling film evaporatorท่ีมา: Singh 2009ประโยชนของเครื่องระเหยแบบฟลมเคลื่อนท่ีลง

เปนการทําใหอาหารตางๆ เชน น้ําผลไม นม กาแฟ มีความเขมขนข้ึน ใชกับอาหารท่ีไมสามารถทนกับความรอนสูงได(highly heat sensitive)

ใชเวลาในการระเหยสั้น ประสิทธิภาพการใชพลังงานสูง อาหารท่ีไดจากเครื่องระเหยเม่ือนํามาเจือจางใหมจะมีคุณคาทางดานโภชนาการ

ไมแตกตางไปจากวัตถุดิบเริ่มตนเลย

คุณสมบัติทางดานประสาทสัมผัสใกลเคียงกับวัตถุดิบเริ่มตนปจจัยท่ีใชเลือกเครื่องระเหยใหเหมาะสม

ความสามารถในการทํางาน แสดงในหนวยกิโลกรัมน้ําท่ีถูกกําจัดตอชั่วโมง ระดับความเขมขนท่ีตองการ แสดงเปน% ของแข็งในผลิตภัณฑ ความสัมพันธระหวางความไวตอความรอนของผลิตภัณฑตอเวลาท่ีอยูในเครื่องและอุณหภูมิ

ระหวางการระเหย ความตองการเครื่องมือสําหรับการนําสารระเหยมาใชใหม ความยากงายในการทําความสะอาด ความยากงายในการเดินเครื่องหรือการทํางานและความเชื่อถือไดของเครื่อง

73


ความสัมพันธระหวางขนาดและความสามารถในการทํางานของเครื่อง

เครื่องระเหยแบบฟลมเคลื่อนท่ีข้ึน (Rising Film Evaporator)

รูปท่ี 6.3 Rising Film Evaporatorท่ีมา: Singh 2009

เครื่องระเหยแบบฟลมชนิดเคลื่อนท่ีข้ึน (Rising Film Evaporator) เปนเครื่องตนแบบระดับโรงงาน ซึ่งสรางและประกอบโดยวิศวกร องคประกอบของเครื่องระเหยแบบแผนประกอบดวยถังบรรจุผลิตภัณฑ, ปมปอนผลินภัณฑพรอมมาตรวัดอัตราการไหล, แผนแลกเปลี่ยนความรอนอุนผลิตภัณฑ, ชุดแผนแลกเปลี่ยนความรอนเพ่ือระเหย, ถังแยกไอ, ปมสงผลิตภัณฑเขมขน, แผนหลอเย็นผลิตภัณฑ, ปมสุญญากาศ และชุดควบแนนไอ โดยวัสดุสวนท่ีสัมผัสผลิตภัณฑเปนเหล็กไรสนิมเบอร 304 และเบอร 316. จากการทดสอบประสิทธิภาพและสภาวะการทํางานของเครื่องระเหยพบวาสามารถระเหยน้ําออกจากน้ําผลไมดวยอัตรา 90-100 กิโลกรัมตอชั่วโมง ภายใตสภาวะสุญญากาศ 650 มิลลิเมตรของปรอท, อุณหภูมิ 52-56 องศาเซลเซียส, ความสิ้นเปลืองพลังงานไอน้ํา120 กิโลกรัมตอชั่วโมง, การใชพลังงานไฟฟา 12 กิโลวัตต. ผลิตภัณฑท่ีไดจากเครื่องระเหยจะมีความเขมขน 48-60 องศา บริกซ ไดแก น้ําสม, น้ําสับปะรด และน้ําเสาวรส ชวยยืดอายุของผลิตภัณฑไมใหเสื่อมคุณภาพรวดเร็วเกินไป

หลักการทํางานของเครื่อง Rising film Evaporator เครื่องระเหยชนิดนี้แบงเปนแบบมีใบมีดขุดหรือแบบกวาดผิวไดข้ึนกับความแตกตางเรื่องความหนาของฟลมอาหารท่ีกําลังจะผาน

74


กระบวนการ ฟลมท่ีไดจากการใชเครื่องระเหยแบบกวาดผิวไดหนาประมาณ 0.25 มิลลิเมตร ในขณะท่ีเครื่องระเหยแบบฟลมบางจะมีฟลมหนาถึง 1.25 มิลลิเมตร เครื่องระเหยท้ัง 2 ชนิด จะมีสตรีมแจ็คเก็ตหุมรอบแกนหมุนความเร็วสูงซึ่งมีใบมีดสั้นๆติดอยูตามยาวของแกน รูปแบบของเครื่องจะคลายคลึงกับเครื่องสเตอริไลซปลอดเชื้อแบบมีใบมีดขูด อาหารเหลวจะไหลเขามาผานชองวางระหวางแกนหมุนและผิวรอนของเครื่องและเกิดการระเหยอยางรวดเร็วในขณะท่ีฟลมอาหารบาง ๆ จะถูกขูดออกโดยใบมีดบนแกนหมุน ใบมีดนี้ทําใหฟลมถูกกวนอยางรุนแรงจึงเปนการปองกันไมใหอาหารไหมบนผิวรอนและเปนการเพ่ิมอัตราการถายเทความรอนดวย มีการปรับเวลาใหอาหารอยูในเครื่องไดตั้งแต 0.5 วินาที ถึง 100 วินาที ข้ึนอยูกับชนิดของอาหารและระดับความเขมขนท่ีตองการ เครื่องระเหยแบบฟลมบางท่ีมีการกวนเชิงกลนี้เหมาะกับอาหารท่ีไวตอความรอนและมีความหนืดถึง 20 นิวตันวินาที/เมตร2 หรืออาหารท่ีทําใหเกิดฟองหรือตะกรันบนผิวเครื่องได เชน น้ําผลไม หรือเนื้อผลไมมะเขือเทศบด สารสกัดจากเนื้อ น้ําผึ้ง โกโก กาแฟ และผลิตภัณฑนม เครื่องระเหยแบบฟลมบางเชิงกลอีกแบบเรียกวาเครื่องระเหยแบบเซนตริเทอรมซึ่งแมวาจะมีลักษณะภายนอกคลายคลึงกัน แตมีหลักการการทํางานตางกัน อาหารจะไหลจากทอแกนกลางเขาไปตามชองกลางของกรวยท่ีหมุนอยูและเกิดเปนฟลมบาง ๆ หนาประมาณ 0.1 มิลลิเมตร ไอน้ําจะควบแนนท่ีดานในของแตละกรวยและจะเกิดการนําความรอนผานแผนเหล็กบาง ๆ เพ่ือระเหยของเหลวนั้น ๆ เครื่องเซนตริเทอรมจะใชแรงเหวี่ยงหนีศูนยกลาง(750-3,010 นิวตัน) เพ่ือเคลื่อนยายของเหลวอยางรวดเร็วผานผิวรอนของกรวยชวงเวลาท่ีอาหารอยูในเครื่องสําหรับอาหารท่ีมีความเขมขนและมีความหนืดสูงถึง 20 นิวตัน.นาที/เมตร2 คือ 0.6-1.6 วินาที คาสัมประสิทธิการถายเทความรอนโดยรวมสูงมาก ทําใหเวลาท่ีอาหารอยูในเครื่องสั้น ท้ังนี้เนื่องจากฟลมอาหารท่ีบางและหยดไอน้ําท่ีควบแนนแลวจะถูกเหวี่ยงออกจากกรวยท่ีหมุนอยางรวดเร็วทันทีท่ีควบแนนดังนั้นจึงไมเกิดการรบกวนการถายเทความรอนโดยฟลมน้ําจากการควบแนน

ประโยชนของเครื่อง Rising film Evaporator1.ชวยเก็บรักษาคุณคาทางโภชนาการไดดี2.เหมาะกับอาหารท่ีไวตอความรอนและมีความหนืดสูง3.ชวยยืดอายุของผลิตภัณฑไมใหเสื่อมคุณภาพรวดเร็วเกินไป4.ความเสี่ยงท่ีอาหารจะไดรับความเสียหายจากความรอนต่ํา5.รักษาคุณสมบัติดานประสาทสัมผัสไดดี

ระบบเครื่องระเหยผลหลายเชิง ( Multiple effect evaporator )ถาไอน้ําท่ีไดจากเครื่องระเหยเครื่องท่ีหนึ่ง ถูกปอนเขไปในชองปอนไอน้ําเครื่องระเหยเครื่อง

ท่ีสองเพ่ือใชไอน้ําสวนนี้เปนพลังงาน และไอน้ําจากเครื่องระเหยเครื่องท่ีสองถูกสงไปใน ชองปอนไอน้ําเครือ่งระเหยครั้งท่ีสาม และตอๆ ไป การทํางานแบบนี้จะเรียกวาเครื่องระเหยผลหลายเชิงเครื่องระเหยแบบนี้ มีการนําไอน้ําท่ีเกิดจากการระเหยในเครื่ องระเหยกอนหนามาใช เปนแหลง

75


พลังงานในเครื่องระเหยเครื่องตอไป ซึ่งสามารถทําเชนนี้ไดก็ตอเม่ือ ไอน้ําท่ีระเหยมาจากเครื่องระเหยกอนหนาตองมีอุณหภูมิสูงกวาจุดเดือดของสารละลายท่ีอยูในเครื่องระเหยท่ีรับไอน้ํามาเปนเหลงพลังงาน นั้นคือ ความดันภายในเครื่องระเหยเครื่องแรกจะตองสูงกวาความดันภายในเครื่องระเหยเครื่องท่ีสองการกระทําเชนนี้จึงเปนการใชพลังงานความรอนอยางคุมคา และประหยัด ไอน้ําท่ีผลิตไดจากเครื่องระเหยจํานวนนอยกวาหนึ่งกิโลกรัม เกิดจากการปอนไอน้ํารอนเขาเครื่องระเหยหนึ่งกิโลกรัม สัดสวนนี้เรียกวา ความประหยัด ( Economy)

เครื่องระเหยสามารถเปนตัวแลกเปลี่ยนความรอนท่ีสําคัญซึ่งตมของเหลวจนไดไอเกิดข้ึนซึ่งไอท่ีเกิดข้ึนสามารถใชเปนตัวใหความรอนในเครื่องระเหยถัดไป เหมือนกับการเชื่อมเครื่องระเหย 2เครื่องเขาดวยกันเพ่ือใหไอจากเครื่องระเหยท่ี 1 ตอเขากับทอใสไอน้ําของเครื่องท่ี2 ดังแสดงในรูปท่ี 1เรียกเครื่องระเหยแบบนี้วา Two effect evaporator สําหรับเครื่อง ระเหยชนิดนี้ อุณหภูมิของไอน้ําในเครื่องท่ี 1 สูงกวาในเครื่องท่ี 2โดยใชไอท่ีถูกระเหยจากเครื่องท่ี 1 เปนตัวใหความรอนของเหลวท่ีอยูในเครื่องท่ี 2 ใหเดือด จึงตองทําภายใตความดันท่ีต่ําลง และถามีหลาย effect ความดันท่ีใชจะต่ําลงเรื่อยๆ

รูปท่ี 6.4 Double Effect Evaporatorท่ีมา : Earle 1983ถามีหลาย effect ความดันจะลดลงตามลําดับ ดังนั้นบางครั้งท่ี effect แรกอาจจะมีความดันเหนือความดันบรรยากาศ หรือท่ี effect แรกมีความดันเทากับความดันบรรยากาศ จากนั้นใน Effectตอๆไปความดันลดต่ําลงต่ํากวาความดันบรรยากาศ ภายใตสภาพเชนนี้ถาปอนวัตถุดิบสามารถไหลไปไดเรื่อยๆ โดยไมตองใช pump ดังนั้นการไหลของ feed แบบนี้เรียกวา forward feed ซึ่งลิตภัณฑท่ีออกท่ี effect สุดทายมีความเขมขนสูงท่ีสุด แตในทางกลับกันกับอาจปอนวัตถุดิบท่ี effect สุดทายทําใหวัตถุดิบไหลในทิศทางกลับกันกับแบบแรก วิธีนี้เรียกวา backward feed วิธีนีต้องใช pumpเพ่ือบังคับใหวัตถุดิบไหลยอนกลับ วิธีนี้ผลิตภัณฑท่ีเขมขนจะอยูท่ี effect แรกและสัมผัสกับความ

76


รอนท่ีมีอุณหภูมิสูงสุด ซึ่งท่ี effect แรกนีต้องมีความสามารถในการระเหยมากกวา แบบ forwardfeed ในเรื่องของการระเหย Steam economy หมายถึงการใช Steam อยางคุมคา ซึ่งเทียบจากปริมาณไอท่ีระเหยออกไปตอปริมาณ Steam ท่ีใช ถาวัตถุดิบนั้นยังไมถึงจุดเดือดความรอนก็จะถูกใชไปเพ่ือเพ่ิมอุณหภูมิของ feed กอน ดังนั้นเพ่ือเพ่ิม Steam economy จําเปนตอง pre heat วัตถุดิบกอนเขาเครื่องระเหย

อุตสาหกรรมท่ีเกี่ยวของ การผลิตกลูโคสเพ่ือการคา

กระบวนการท่ีใชเอนไซมชวยจะมี 2 ข้ันตอน ดังนี้ข้ันตอนแรกใชเวลาประมาณ 1-2 ชัว่โมง อุณหภูมิประมาณ 100 °C เอนไซมเหลานี้จะ

ไฮโดรไลซแปงใหกลายเปนคารโบไฮเดรตท่ีเล็กลง โดยจะมีโมเลกุลของกลูโคส 5-10 หนวย ความผิดเพ้ียนของกระบวนการจะอยูท่ีการตมสวนผสมของแปงท่ีอุณหภูมิ 130 °C หรือรอนกวานี้ หนึ่งครั้งหรือมากกวา การใชความรอนระดับนี้เพ่ือชวยการละลายของแปงในน้ําแตมันก็จะทําลายฤทธิ์เอนไซมซึ่งจะตองเติมเอนไซมเขาไปใหมในการตมแตละครั้ง

ข้ันตอนท่ีสองเรียกวา แซคคาริฟเคชัน (saccharification) ข้ันตอนนี้จะไฮโดรไลซแปงบางสวนและไฮโดรไลซกลูโคสอยางสมบูรณโดยใชเอนไซม กลูโคอะไมเลส (glucoamylase) จาก เชื้อราแอสเปอรจิลลัสไนเกอร (Aspergillus niger) สภาวะของปฏิกิริยาจะตองควบคุมใหอยูท่ี pH 4.0-4.5, 60 °C, และความเขมขนของคารโบไฮเดรตจะตองอยูท่ี 30-35% โดยน้ําหนัก ภายใตสภาวะการณเหลานี้แปงจะถูกเปลี่ยนเปนกลูโคสประมาณ 96% หลังจากใชเวลา 1-4 วัน ถาจะใหผลผลิตสูงกวานี้สามารถทําไดโดยการทําใหสารละลายจางลง แตจะตองใชหมอตมท่ีใหญกวาและตองการน้ํามากกวาซึ่งสรุปแลวไมประหยัดกวา สารละลายกลูโคสท่ีไดจะถูกทําใหบริสุทธโดย การกรอง และเค่ียวใหงวดใน เครื่องระเหยแบบหลายเชิง (multiple-effect evaporator) ดี-กลูโคสท่ีเปนของแข็งจะทําไดโดย การตกผลึก (crystallization)

อุตสาหกรรมผลิตน้ําตาลชุดหมอตมน้ําออย Multi-Effect Evaporators ก็ถือวาเปนสวนท่ีมีความสําคัญในระดับตนๆ

ในกระบวนการผลิตน้ําตาล การเกิดปญหาการถายเทความรอน ณ พ้ืนท่ีผิว (Heating surface) อันเนื่องจากการเกิดตะกรัน (scale forming) ข้ึนบางสวนจากการระเหยในหมอตมนั้น และตะกรันบางสวนท่ีเกิดข้ึนอาจตองนําปจจัยเก่ียวเนื่องหลายประการ เริ่มตั้งแตคุณภาพออย (sugar cane)น้ําออยดิบ (raw Juice) ท่ีจะตองไปผานการปรับคา pH ดวย lime stone กอนท่ีจะสงมาท่ีถังพักใส(clarify Tank) เพ่ือเขาสูกระบวนการ sedimentation ดวย flocculant จากนั้นก็ออกมาเปนน้ําออยใส (clear Juice) และเขาสูชุดหมอตมซึ่งมีลักษณะสงตอกันไปหลายตัว (body) ตอชุดหมอตมเชน หนึ่งชุดหมอตม อาจจะมี 4 หรือ 5 ตัว ซึ่งหากกระบวนการขจัดสิ่งปนเปอน (impurities) จาก

77


กระบวนการเก่ียวเนื่องกอนสงน้ําออยใสเขาสูชุดหมอตมไมดี สิ่งปนเปอนสวนท่ีผานมาถึงชุดหมอตมเหลานี้ก็จะเปนสาเหตุหนึ่งท่ีมีสวนทําใหมีตะกรัน (scale substances) มากข้ึนในหมอตมได ดังนั้นตะกรันจึงเปนสาเหตุทําใหเกิดปญหาในชุดหมอตม (multi-Effect Evaporator) ทําใหลดประสิทธิภาพของการถายเทความรอน จึงตองมีการเพ่ิมไอรอน (Steam) เพ่ือรักษาระดับอุณหภูมิในหมอตม หมายถึงตองใชพลังงานเพ่ิมข้ึน ทําใหลดประสิทธิภาพการระเหยในหมอตม บางครั้งทําใหอัตราการระเหยไมอยูในระดับท่ีตั้งไว ความเขมขนของน้ําเชื่อมต่ําลงเรื่อยๆ ทําใหหมอเค่ียว เค่ียวไมทัน ตองเสียโอกาสท่ีจะหีบออยไดมากข้ึน จึงทําใหมีการหยุดลาง 2-3 ครั้งในแตละฤดูหีบออยตะกรันทําใหเกิดตนทุนเพ่ิมในสวนของเคมีลางหมอตม

รูปท่ี 6.5 Ultrafiltration membraneท่ีมา : http://www.p2pays.org/ref/14/0_initatives/init/summer01/polymerfiltration.htm

Ultrafiltration เปนกระบวนการเมมเบรนท่ีคลายกับรีเวอรสออสโมซิสมาก เปนกระบวนการท่ีขับเคลื่อนโดยใชความดัน ซึ่งตัวทําละลายและโมเลกุลตัวถูกละลายขนาดเล็ก (ถามีอยู) ก็จะเคลื่อนผานเมมเบรนและสะสมไวท่ีซึ่งเรียกวา เพอรมีเอท (permeate) โมเลกุลของตัวถูกละลายท่ีมีขนาดใหญกวาจะไมผานเมมเบรนและเก็บสะสมอยูในสารละลายท่ีเขมขน ตัวถูกละลายหรือโมเลกุลท่ีตองการแยกมักมีน้ําหนักโมเลกุลใหญกวา 500 หรืออาจสูงกวา 1,000,000 เชนมาโครโมเลกุลของโปรตีน พอลิเมอร และแปง เปนตน ดังนั้น เมมเบรนของอุลตราฟลเตรชันมีขนาดของรูหรือชองเปดใหญกวาเมมเบรนของรีเวอรสออสโมซิส และใหญเกินกวาท่ีจะใชในกระบวนการลดเกลือ (desalting) จึงกักเก็บแตโมเลกุลท่ีมีขนาดใหญเทานั้นในชวงขนาด 0.001-0.02 ไมโครเมตร (เชนโปรตีนหรือคอลลอยด) ซึ่งมีความดันออสโมซิสท่ีต่ํา ตัวถูกละลายท่ีเล็กกวาจะถูกขนถายผานเมมเบรนพรอมกับน้ํา อุลตราฟลเตรชันจึงทํางานท่ีความดันต่ํากวาในระบบของรีเวอรสออสโมซิส (50-2000 kPa) กระบวนการนี้มักใชในการทําใหชีสเวยเขมขนข้ึน ใชใน

78


กระบวนการกําจัดแลคโตส ใชในการกําจัดแบคทีเรียหรืออนุภาคอ่ืนๆ เพ่ือทําการฆาเชื้อในไวน ใชในการทําใหผลไมใส และแยกของผสมของโปรตีนท่ีมีน้ําหนักโมเลกุลแตกตางกัน

ชองเปดของอุลตราฟลเตรชันเมมเบรน จะมีขนาดใหญกวา (0.01-100 ไมโครเมตร) โดยท่ีน้ําและตัวถูกละลายท่ีเล็กจะไหลผานเมมเบรนภายใตการไหลแบบท่ีเปนเสนตรง (streamline) ตัวถูกละลายท่ีมีขนาดใหญกวาจะมีความเขมขนข้ึนท่ีผิวหนาของเมมเบรน ดังนั้นฟลักซหรืออัตราการถายเทมวลจะถูกควบคุมโดยความดันท่ีให และความเขมขนของตัวถูกละลายในของเหลวสวนใหญและท่ีผิวของเมมเบรน

Ultrafilter membrane นี้ใชในการทําใหสารตัวอยางท่ีผานออกมามีความบริสุทธิ์ ซึ่งสารท่ีจะผาน filter ออกมานี้จะมีขนาดเล็กกวาขนาดของรูพรุนของ filter และสามารถถูกdepyrogenate, clarify และแยกออกมาจากสารปนเปอนท่ีมีนํ้าหนักโมเลกุลสูงได สวนสารท่ีมีขนาดใหญกวารูพรุนของ filter จะถูกจับอยูภายใน filter ทํา ใหมีความเขมขนมากข้ึนหรือแยกออกมาจากสารปนเปอนท่ีมีนํ้าหนักโมเลกุลตํ่าไดในการเตรียมตัวอยางทางดาน HPLC เรามักนิยมใช microfiltermembrane ขนาด 0.45 ไมครอน ซึ่งเมมเบรนชนิดนี้สามารถขจัดสิ่งท่ีไมละลายอันกอใหเกิดการอุดตันในสวนของ injector และสวนหัวของ column ได แตวาเมมเบรนขนาดนี้ไมสามารถขจัดสารโมเลกุลใหญท่ีสามารถละลายในตัวอยางได เชน โปรตีน ไขมัน และ polysaccharides ซึ่งสารโมเลกุลใหญเหลานี้อาจกอให column เกิดการสกปรกโดยการเขาเกาะ (binding) อยางถาวรบนpacking ของ columnหรือเกิดการตกตะกอนจากตัวทํา ละลาย (mobile phase) ใน column หรือเม่ืออุณหภูมิของ column เกิดการเปลี่ยนแปลงไปในอดีตสิ่งเหลานี้จะถูกกํา จัดออกไปโดยการตกตะกอนหรือทํา solid phase extraction ซึ่งวิธีนี้อาจทํา ใหขจัดสารท่ีเราสนใจออกไปดวย หรือบางทีตองทํา หลายข้ันตอน รวมท้ังการ centrifuge และเปลี่ยน pH ของตัวอยาง ซึ่งอาจทํา ใหยากในการ duplicateสําหรับ Ultrafree-PF filter นี้ เปนการรวมเทคนิค microfilter เขากับการตกตะกอนและการทํา solid phase extraction ซึ่งสามารถนํา มาใชกับตัวอยางไดหลายประเภทเชน อาหาร ผลิตผลทางการเกษตร เชน

1. ในการวิเคราะหกรดอะมิโน ซึ่ง Ultrafiltration จะชวยในการกําจัดโปรตีนออกจากตัวอยางเลือด นํ้าเหลืองหรือปสสาวะ แตถาหากใชวิธีเดิมคือการตกตะกอนหรือ dialysis ในการกําจัดโปรตีนจากตัวอยาง ซึ่งวิธีการเหลานี้อาจทําให pH เปลี่ยนแปลงไปหรือทํา ใหตัวอยางเจือจางลงแตปญหาเหลานี้ไมพบในการทํา Ultrafiltration

2. การวิเคราะหยาในสภาพอิสระเทียบกับยาท่ีเกาะกับโมเลกุลขนาดใหญ3. การทํา antibiotic screening โดยการกําจัดผลิตผลท่ีมีนํ้าหนักโมเลกุลสูงของการหมักUltrafiltration membrane แบงตาม NMWL (Norminal Molecular Weight Limits)

เชน 10,000 NMWL หมายถึงสารท่ีมีนํ้าหนักโมเลกุลมากกวา 10,000 จะถูกกักอยูแลวขนาดเล็กกวาออกมาได Ultrafree-PF filter มีหลายชนิดซึ่งจะแบงตามขนาดของเมมเบรนและวัสดุท่ีใชทํา ดังนี้

10,000 NMWL ทํา จาก Polysulfone

79


10,000 NMWL ทํา จาก Regenerated cellulose (เพ่ือใหจับกับโปรตีนไดตํ่า)30,000 NMWL ทํา จาก Polysulfone100,000 NMWL ทํา จาก Polysulfoneนอกจากนี้ Ultrafree-PF filter ยังสามารถขจัดโปรตีน ไขมัน และสารโมเลกุลใหญท่ีไม

ตองการออกไปไดและท้ิงสารท่ีเราสนใจเอาไว ซึ่งวิธีนี้ทํา ใหมีประโยชนมาก ยกตัวอยางเชน ใหมีการเจือจางนอยหรือไมตอง กอนท่ีผาน Ultrafiltrationในตัวอยางเหลวอันเปนการทํา เพียงข้ันตอนเดียวทํา ใหเกิดความผิดพลาดนอยลง (จากการท่ีตองทํา หลายๆข้ันตอน)และสิ่งสุดทายไมตอง centrifugeทํา ใหไมตองใชความรอนจากการท่ีตอง centrifuge ตัวอยาง

เครื่องทําแหงแบบถาด (Tray หรือ Pan drier )การทําแหงเปนวิธีการถนอมอาหารท่ีมนุษยคุนเคยมาตั้งแตโบราณ เชน การตากเมล็ดพันธุพืช

สําหรับฤดูกาลหนา ตากเนื้อสัตวผัก ผลไมและธัญชาติท่ีเหลือกินไวเปนอาหารเชน เนื้อเค็ม กลวยตากขาวเปลือก เปนตน

ในการทําแหงจะตองมีการใหพลังงานกับอาหารทําใหน้ําในอาหารเปลี่ยนสถานะเปนไอแลวเคลื่อนยาย ออกจากอาหาร แสงอาทิตย เปนพลังงานความรอนจากธรรมชาติและกระแสลมท่ีพัดผานอาหารทําใหเกิด การเคลื่อนยายของไอน้ํา เนื่องจากพลังงานความรอนจากแสงอาทิตยใหอุณหภูมิไมสูงมากนักและ กระแสลมธรรมชาติก็ไมสูงพอทําใหการตากแหงใชเวลานานดังนั้นจึงมีการพัฒนาเครื่องอบท่ีมีการ ใหพลังงานความรอนในปริมาณท่ีควบคุมไดและมีอุปกรณในการเคลื่อนยายไอน้ําออกจากผิวอาหาร การถายเทความรอนและมวลสารเกิดไดเร็วอาหารจึงแหงไดเร็วข้ึนการถายเทความรอนและ มวลสารระหวางการอบแหงทําไดหลายวิธี อันไดแก การถายเทความรอนแบบการพาความรอน, การถายเทความรอนแบบการนําความรอน, การแผรังสีรวมกับการดูดอากาศไอน้ํา, การทําแหงแบบแชเยือกแข็ง( freeze drying หรือ lyophilization)ชนิดของเครื่องอบแหง (Dryer)เครื่องอบแหงแบงออกเปน 2 ชนิด ตามลักษณะการใหความรอน คือ

Adiabatic Dryer เปนเตาอบแหงท่ีใหความรอนโดยใชกระแสลมรอนเคลื่อนท่ี สัมผัสกับอาหารโดยอาหารอยูกับท่ีหรือเคลื่อนท่ีดวย ไดแก Tray dryer, cabinet dryer, tunneldryer, kiln dryer เปนตน

Solid Surface Transfer Dryer เปนเตาอบแหงท่ีใหอาหารสัมผัสกับแผนโลหะรอน น้ําท่ีระเหยกระจายออกไปท่ีบรรยากาศตามธรรมชาติหรือใชลมหมุนเวียนหรือใชระบบสุญญากาศไดแก vacuum shelf dryer, continuous vacuum dryer เปนตน

80


ปจจัยท่ีมีผลตอการทําแหง ธรรมชาติของอาหาร ขนาดและรูปราง ตําแหนงของอาหารในเตา ปริมาณอาหารตอถาด ความสามารถในการรับไอน้ําของอากาศรอน อุณหภูมิของอากาศรอน ความเร็วของลมรอน

เครื่องทําแหงแบบถาด (Tray หรือ Pan drier )เครื่องอบแหงท่ีใชในอุตสาหกรรมสวนใหญจะมีการบุฉนวนไวเพ่ือปองกันการสูญเสียความ

รอนและทําใหสามารถนําอากาศมาหมุนเวียนใชใหมเพ่ือประหยัดพลังงาน มีการออกแบบเครื่องมือท่ีสามารถประหยัดพลังงานหลายแบบเพ่ือนําความรอนจากอากาศท่ีใชแลวมาใชใหมหรือมีการควบคุมความชื้นของอากาศโดยอัตโนมัติ การควบคุมเครื่องอบแหงโดยคอมพิวเตอรทําใหสามารถทํางานไดซับซอนยิ่งข้ึนสงผลใหสามารถประหยัดพลังงานไดมากข้ึนหลักการทําแหงดวยเครื่องทําแหงแบบตูหรือเครื่องทําแหงแบบถาด

เปนการทําแหงโดยอาศัยหลักการถายเทความรอนประเภทการพาความรอนเปนหลัก ซึ่งเครื่องทําแหงแบบนี้บางทีเรียกวา เครื่องทําแหงแบบถาด (Tray หรือ Pan drier ) โดยสวนประกอบท่ีสําคัญของเครื่องทําแหงแบบตูนี้ ไดแก ตูหรือหองอบ ( Drying chamber ) แหลงพลังงานความรอน ( Heater ) พัดลม ( Fan ) ตัวกรองอากาศ ( Screen หรือ Filter ) และชองระบายอากาศ ( Damper ) โดยชิ้นอาหารท่ีตองการทําแหงท่ีผานการเตรียมมาเรียบรอยแลวจะจัดวางไวในถาดท่ีเรียงอยูในหองอบ โดยถาดท่ีจะวางเรียงเปนชั้นอยูในตู ถาดควรทําดวยเหล็กปลอดสนิมและมีรูเปดท่ีถาดไวดวย เพ่ือทําใหลมรอนสามารถไหลเวียนผานได ในระดับอุตสาหกรรมถาดอาจวางซอนกันบนโครงเหล็กท่ีมีลอเลื่อน โดยเม่ือจัดวางอาหารท่ีตองการทําแหงเรียบรอยแลวจะเคลื่อนถาดท้ังหมดเขาไปในตูอบพรอมๆกัน ทําใหสะดวกในการปฏิบัติ

ขณะเครื่องทําแหงทํางาน พัดลมจะดูดอากาศจากภายนอกเขาไปในเครื่อง ซึ่งสวนมากจะผานแผนเครื่องกรองอากาศท่ีจะกรองพวกฝุนละอองและสิ่งปนเปอนตางๆ ท่ีปะปนมาในอากาศอากาศท่ีกรองแลวจะผานขดลวดใหความรอน ทําใหเกิดกระแสลมรอน ซึ่งจะพัดผานอาหารในถาดท่ีวางอยูในตูความรอนจากลมรอนจะถายเทใหน้ําในอาหาร เพ่ือใหน้ํากลายเปนไอและระเหยออกจากผิวอาหาร ลมรอนท่ีมีไอน้ําอยูจะถูกปลอยออกไปทางชองระบายอากาศในขณะเดียวกัน จะปลอยใหลมรอนบางสวนหมุนเวียนอยูในตู เพ่ือชวยในการถายเทความรอนใหกับน้ําท่ีอยูยังอยูในอาหาร รวมกับความรอนท่ีจากลมรอนท่ีเขามาใหม

81


รูปท่ี 6.6 Tray dryerท่ีมา : http://www.fao.org/docrep/v5030e/V5030E0c.htm

การทําแหงดวยเครื่องทําแหงแบบตู จะใชกับการทําแหงระดับครัวเรือนและก่ึงอุตสาหกรรมการทําแหงแบบนี้จัดวาเสียคาใชจายไมแพงนัก บํารุงรักษาและควบคุมไดงายและมักเปนแบบไมตอเนื่อง ( batch process ) สวนมากมักใชในการทําแหง ผัก ผลไม เนื้อสัตว เปนตน

เครื่องอบแหงท่ีใชในอุตสาหกรรมสวนใหญจะมีการบุฉนวนไวเพ่ือปองกันการสูญเสียความรอนและทําใหสามารถนําอากาศมาหมุนเวียนใชใหมเพ่ือประหยัดพลังงาน มีการออกแบบเครื่องมือท่ีสามารถประหยัดพลังงานหลายแบบเพ่ือนําความรอนจากอากาศท่ีใชแลวมาใชใหมหรือมีการควบคุมความชื้นของอากาศโดยอัตโนมัติ การควบคุมเครื่องอบแหงโดยคอมพิวเตอรทําใหสามารถทํางานไดซับซอนยิ่งข้ึนสงผลใหสามารถประหยัดพลังงานไดมากข้ึน

เครื่องอบแหงแบบถาดประกอบดวยถาดเตี้ยๆ ท่ีมีชองตาขายอยูดานลางและบุเครื่องดวยฉนวนในแตละถาดจะบรรจุอาหารชิ้นบางๆ ขนาด 2-6 เซนติเมตร อากาศรอนจะไหลหมุนเวียนอยูในตูท่ีความเร็วลม 0.5-5 เมตร/วินาที/เมตร2 ของพ้ืนท่ีผิวของถาด มีระบบทอหรือแบฟเฟล เพ่ือนําลมรอนข้ึนไปดานบนผานแตละถาดเพ่ือใหลมรอนกระจายอยางสมํ่าเสมอ อาจมีการติดตั้งเครื่องทําความรอนเพ่ิมดานบนหรือดานขางของถาดเพ่ือเพ่ิมอัตราการทําแหง นิยมใชเครื่องอบแหงแบบถาดในการผลิตอาหารในปริมาณต่ํา ( 1-20 ตัน/วัน ) หรือสําหรับใชในโรงงานตนแบบ เครื่องอบชนิดนี้ใชเงินลงทุนและคาดูแลรักษาต่ําแตควบคุมดูแลยาก และคุณภาพของผลิตภัณฑท่ีไดไมสมํ่าเสมอการอบแหงแบบถาดหรือหองอบ ( Tray or carbinet drying )

ระบบการอบแหงชนิดนี้ จะใชถาดหรือวัตถุอ่ืนท่ีสามารถใหผลิตภัณฑอาหารสัมผัสกับอาหารรอนในหองท่ีปด ( enclosed space ) ถาดท่ีวางผลิตภัณฑภายในตู ( carbinet ) หรือหองปดจะสัมผัสกับอากาศรอนเพ่ือใหการทําแหงดําเนินตอไป การเคลื่อนท่ีของอากาศเหนือผิวผลิตภัณฑดวยความเร็วคอนขางสูง เพ่ือใหแนใจวาการถายเทมวลและความรอน ดําเนินไปดวยประสิทธิภาพสูง

82


การอบแหงท่ีไมสมํ่าเสมอเนื่องจากการขาดความสมํ่าเสมอของอากาศท่ีไหลผานอาหารอุณหภูมิและความชื้นสัมบูรณของอากาศท่ีเขาสูพ้ืนท่ีการอบแหง Forrest ( 1968 ) ชี้ใหเห็นวา ความเร็วในชวง 2.5 เมตร/วินาที ถึง 5 เมตร/วินาที จะใชในเครื่องอบแหงเหลานี้ และถาใชความเร็วท่ีสูงข้ึนก็ไมมีประโยชนเพ่ิมข้ึน ปญหาอีกอยางหนึ่งก็คือ การอบแหงผลิตภัณฑท่ีอยูใกลกับทางเขาของอากาศจะเกิดไดเร็วกวา เนื่องจากผลิตภัณฑอาหารท่ีอยูใตกระแสลมจะสัมผัสกับอากาศท่ีมีความชื้นสูงกวา ทําใหแหงชากวา ดังนั้นการหมุนถาดหรือการกลับทิศทางการไหลของลม จะชวยปรับปรุงกระบวนการอบแหงใหสมํ่าเสมอข้ึน เนื่องจากจะสัมผัสกับอากาศท่ีเวลาตางกันระหวางชวงการอบแหงประโยชนของเครื่องอบแหงแบบถาด1. ใชอบแหงอาหาร เชน ผัก ท่ีเปนชิ้นขนาดใหญ2. ทําแหงอาหารไดครั้งละมากๆ3. การทําแหงแบบนี้จัดวาเสียคาใชจายไมแพงนัก4. บํารุงรักษาและควบคุมไดงายตัวอยางเครื่องอบแหงแบบตูหรือเครื่องอบแหงแบบถาด

รูปท่ี 6.7 ตัวอยาง Cabinet Dryer และ Tray dryer

ท่ีมา: http://www.fao.org/docrep/v5030e/V5030E0c.htm

83


Spray Dryer เครื่องทําแหงแบบพนฝอย

ผลิตภัณฑตางๆ ท่ีนิยมใชกันในปจจุบันมักอยูในรูปท่ีพรอมใชงานไดเลย และสามารถเก็บรักษาไดงายและนาน ซึ่งวิธีการท่ีดีท่ีสุดวิธีหนี่ง ในการเก็บรักษาก็คือการทําใหอยูในรูปของแหง สวนวิธีการท่ีนิยมใชในการทําแหงวิธีหนึ่งก็คือการทําแหงแบบพนฝอย (Spray Dry) โดยมีเครื่องมือท่ีใชคือเครื่องทําแหงแบบพนฝอย (Spray Dryer) มักใชวิธีนี้กับผลิตภัณฑอาหาร เชน นมผง ไขผง อาหารเด็ก เนื้อวัวสกัด โปรตีนสกัด และผลิตภัณฑยา เชน ยาผงสมุนไพร เปน ตน

รูปท่ี6.8 เครื่องทําแหงแบบพนฝอยท่ีมา: http://www.niroinc.com/food_chemical/spray_drying_foodstuffs.asp

เทคนิคการทําแหงแบบพนฝอย (Spray Dry) เปนวิธีการท่ีนิยมใชสําหรับการทําแหงสารละลายอินทรีย สารประเภท emulsion และของเหลวชนิดตางๆ โดยผลิตภัณฑท่ีไดจะอยูในรูปของผงแหง มักใชวิธีนี้ในอุตสาหกรรมทางเคมีและอาหาร ผลิตภัณฑสวนหนึ่งท่ีไดจากการทําแหงแบบพนฝอยท่ีมีวางขายในปจจุบันไดแก นมผง อาหารเด็ก ยา และสียอม การทําแหงดวยวิธีนี้ นอกจากจะใชสําหรับทําแหงอยางรวดเร็วแลว ยังเปนวิธีการท่ีมีประโยชนมากในการลดขนาดและปริมาตรของของเหลวอีกดวย และจากการวิจัยและพัฒนาท่ีตอเนื่องกันมา ทําใหวิธีการทําแหงแบบพนฝอยกลายเปนวิธีการทําแหงท่ีมีประสิทธิภาพและนิยมนํามาใชทําแหงใหกับผลิตภัณฑหลายชนิดในปจจุบัน

84


หลักการการทําแหงแบบพนฝอยเปนเทคนิคท่ีใชเพ่ือระเหยน้ําออกจากของเหลวอยางรวดเร็วโดย

อากาศรอน กระบวนการนี้ประกอบไปดวยการพนของเหลว ( feed ) ออกมาจนเปนละอองขนาดเล็กเขาผสมกับอากาศรอนท่ีไหลผานอยางรวดเร็ว ทําใหน้ําท่ีอยูในละอองของเหลวระเหยไปท้ังหมด และไดผลิตภัณฑท่ีอยูในรูปของผงแหง สําหรับกระบวนการทําแหงใหกับ feed นั้น จะเริ่มทําตั้งแตใสfeed ลงในเครื่อง แลวรอจน feed มีความชื้นในระดับท่ีเหมาะสมตอการฉีดใหออกมาเปนละอองจากนั้นจึงแยกผลิตภัณฑท่ีไดจากการทําแหงออกมา สําหรับตัวอยางของเหลวท่ีนํามาทําแหงนั้นสามารถใชไดท้ังท่ีเปน ตัวทําละลาย สารประเภท emulsion หรือสารแขวนลอยก็ได สวนเครื่องมือท่ีใชสําหรับกระบวนการทําแหงแบบพนฝอยคือเครื่องทําแหงแบบพนฝอย (Spray Dryer)การทํางานของเครื่องทําแหงแบบพนฝอย

การทํางานของเครื่อง Spray Dryer เริ่มจาก อากาศจะถูกดดูผานตัวกรองและผานตัวใหความรอน จากนั้นจึงเขาสูหองอบแหง ( drying chamber) สวนตัวอยางของเหลว (feed) ท่ีนํามาฉีดควรมีลักษณะเหลว และไมขนมาก จากนั้นของเหลวจะถูกดูดโดยปมผานอุปกรณท่ีทําใหเกิดละอองฝอยคือ atomizer ภายในหองอบ เม่ือละอองสัมผัสกับอากาศรอนจะทําใหเกิดการระเหยของน้ําอยางรวดเร็ว และจะไดผงของผลิตภัณฑตกลงสูดานลางของ drying chamber ผงบางสวนท่ีหลุดออกมากับอากาศจะถูกแยกโดยใช cyclone ซึ่งจะรวมเขาเปนผลิตภัณฑรวมในท่ีสุดกระบวนการทําแหงแบบพนฝอย โดยเครื่อง Spray Dryer นั้น ประกอบดวย 4 ข้ันตอน คือ

1.การทําใหของเหลวกระจายตัวเปนละออง (Atomization of feed)กระบวนนี้เปนการทําให feed กระจายตัวกลายเปนละออง โดยใช atomizer ซึ่งถือวาเปน

สวนประกอบท่ีสําคัญท่ีสุดของเครื่อง spray dryer ซึ่งมี 3 ชนิด คือRotary AtomizerAtomizer ชนิดนี้ feed จะไหลลงบนจานหมุนใกลกับจุดศูนยกลาง โดยจานหมุนจะมีความ

เร็วรอบประมาณ 5,000-10,000 รอบตอนาที feed ท่ีตกลงบนจานหมุนจะถูกเหวี่ยงออกดานขางกระจายเปนละอองขนาดอนุภาคเฉลี่ยประมาณ 30-120 ไมครอน ซึ่งขนาดเฉลี่ยนี้จะแปรผันตรงกับอัตราการไหลของ feed และความหนืด แตจะแปรผกผันกับอัตราการหมุนและเสนผานศูนยกลางของจานหมุน

85


รูปท่ี 6.9 Rotary Atomizerท่ีมา : http://www.niroinc.com/food_chemical/spray_drying_foodstuffs.asp

Pressure Nozzles AtomizerAtomizer ชนิดนี้ feed จะไหลผานชองของหัวฉีดภายใตความดันสูง ทําใหของเหลวท่ี

ออกมาจากหัวฉีดกระจายเปนละอองฝอยไดโดยท่ีไมตองใชอากาศ อนุภาคท่ีไดจะมีขนาดเฉลี่ยประมาณ 120-250 ไมครอน โดยขนาดอนุภาคจะแปรผันตรงกับอัตราการไหลของ feed และความหนืด แตจะแปรผกผันกับความดัน

รูปท่ี 6.10 Pressure Nozzles Atomizerท่ีมา: http://www.niroinc.com/food_chemical/spray_drying_foodstuffs.asp

Two-fluid Nozzle Atomizer (Pneumatic Nozzle Atomizer)Atomizer ชนิดนี้ feed และอากาศจะไหลผานหัวของ nozzle ซึ่งจะทําให feed แตกเปน

ละอองฝอย เนื่องจากการไหลผานของอากาศดวยความเร็วสูงภายใน nozzle การปรับอัตราการไหลของอากาศ จะชวยในการกระจายเปนละอองของ feed วิธนีี้นิยมใชกับ feed ท่ีมีความหนืดสูง แตอยางไรก็ตาม วิธีนี้มีคาดําเนินการท่ีสูงแตใหผลผลิตคอนขางต่ํา

86


2.การสัมผสัของละอองฝอยกับอากาศข้ันตอนนี้ ละอองของ feed ท่ีถูกฉีดออกมาจะสัมผัสหรือเขาผสมกับอากาศรอน และเม่ือ

พิจารณาจากตําแหนงของ Atomizer กับอากาศแหงขาเขาจะสามารถแบงรูปแบบของการสัมผัสกับอากาศรอนได ดังนี้

การไหลผานทางเดียวกัน(Co-current flow)ทิศทางการฉีด feed เปนทิศทางเดียวกับการไหลของอากาศรอน ละออง feed จะสัมผัส

และผสมเขากับกับอากาศรอนขณะท่ียังมีความชื้นสูงหรือมีน้ําภายในอนุภาคมากอยู จากนั้นผลิตภัณฑจะถูกทําใหระเหยทันทีจนกลายเปนผง วิธีนี้เปนวธิีการทําแหงของเครื่อง Spray Dryerโดยท่ัวไป

การไหลผานสวนทางกัน ( Counter-current flow)ทิศทางการฉีด feed เปนทิศทางตรงกันขามกับการไหลของอากาศรอน โดย feed จะถูกฉีด

ลงมาจาก ดานบนในขณะท่ีอากาศรอนจะไหลข้ึนจากดานลาง ผลิตภัณฑท่ีไดจะมีความรอนสูงมาก วิธีนี้จึงเหมาะเฉพาะผลิตภัณฑท่ีเสถียรตอความรอนสูงเทานั้น

การไหลผานแบบผสม ( Mixed flow)การไหลของ feed จะเคลื่อนท่ีผานท้ังหอง Co-current และ Counter-current วิธีนี้เหมาะ

สําหรับทําแหงผลิตภัณฑท่ีเปนผงหยาบ และทนความรอนไดสูงมาก

รูปท่ี 6.11 การไหลของอากาศภายใน Spray Dryerท่ีมา : http://www.niroinc.com/food_chemical/spray_drying_foodstuffs.asp

3.การระเหยของละอองฝอยเม่ือละอองฝอยสัมผัสกับอากาศรอน จะเกิดการระเหยในชั้นไอน้ําอ่ิมตัวบริเวณผิวของละออง

อยางรวดเร็ว โดยจะมีอุณหภูมิท่ีผิวของละอองอยูท่ีอุณหภูมิกระเปาะเปยกของอุณหภูมิอากาศแหงและจะแพรเขาสูชั้นผิวดานในซึ่งอยูในสภาวะอ่ิมตัว ชวงนีจ้ึงเปนชวงท่ีอัตราระเหยคงท่ี จนกระท่ังความชื้นอยูในระดับต่ําและไมมีการแพรเขาสูผิวดานในแลว ซึ่งจะทําใหเกิดเปนชั้นแหงหนาข้ึนตามเวลา และมีอัตราการระเหยลดลง

4.ข้ันตอนการแยกผลิตภัณฑแหงจากอากาศการแยกผลิตภัณฑท่ีไดจากอากาศนั้น โดยท่ัวไปนิยมใช Cyclone เปนตัวเก็บผลิตภัณฑท่ีตก

87


ลงสูดานลาง สวนอากาศท่ีออกจากดานบนของ cyclone จะผานไปยังตัวเก็บข้ันสุดทายซึ่งอาจเปนwet scrubber, bag filter หรือ electrostatic precipitator ข้ึนอยูกับปริมาณผงท่ีมี และประสิทธิภาพการนํากลับมาระบบของ Spray Dryer

Open Cycle Systemระบบนี้ อากาศท่ีใชในกระบวนการทําแหงแบบพนฝอยเปนอากาศจากบรรยากาศซึ่งจะถูก

นําเขามาในระบบโดยผานตัวกรอง จากนั้นหลังจากเสร็จสิ้นกระบวนการโดยท่ีในอากาศไมมีผลิตภัณฑหลงเหลืออยูแลวจึงถูกปลอยกลับออกสูบรรยากาศตามเดิม

Closed Cycle Systemระบบนี้จะใชกาซ เชน ไนโตรเจนในการหมุนเวียนอากาศภายในระบบ โดยท่ีไมมีการปลอย

ออกสูสิ่งแวดลอม หรือเปนระบบปด ระบบนี้มักใชกับการทําแหงสารละลายท่ีติดไฟได สารมีพิษและสารท่ีมีความไวตอออกซิเจน

เครื่อง Spray Dryer โดยท่ัวไปเปนระบบเปด และมีการไหลของอากาศเปนแบบทางเดียวกัน(Co-current)ตัวแปรของผลิตภัณฑมีตัวแปรหลายตัวท่ีเปนคาท่ีกําหนดประสิทธิภาพของผลิตภัณฑใหไดตามตองการไดแก

1. ความหนืด - ถา feed มีความหนืดสูง (อาจเกิดจากการลดลงของอุณหภูมิของ feed) จะทําใหไดละอองท่ีมีขนาดใหญข้ึนท่ีสภาวะของ atomizer เดียวกัน และหากมีความหนืดสูงมาก จะทําให feed ท่ีฉีดออกมามีลักษณะคลายเสนดายได ดังนั้นจึงไมควรใสของเหลวท่ีมีความหนืดสูงเกินไป

2. อัตราการไหลของ feed - ถาอัตราการไหลของ feed สูงข้ึนจะทําใหไดละอองท่ีหยาบข้ึนเพราะใชเวลาท่ีสัมผัสกับอากาศนอยเกินไป จึงควรควบคุมอัตราการไหลของ feed ใหเหมาะสม

3. อัตราไหลของอากาศ – หากอัตราการไหลลดลงจะทําใหเวลาท่ีละอองอยูใน dryingchamber นานข้ึน ซึ่งจะทําใหสัมผัสกับอากาศรอนนานข้ึน และเปนผลใหลดความชื้นไดดีข้ึน แตหากอัตราการไหลของ feed สูง และอัตราการไหลของอากาศต่ําเกินไป และมีอุณหภูมิไมสูงเพียงพอ ก็อาจทําใหผลิตภัณฑท่ีไดมีความชื้นสูง และเกาะติดอยูกับผนังของ drying chamber ได

4. อุณหภูมิอากาศขาเขา – การเพ่ิม อุณหภูมิ อากาศขาเขาจะชวยเพ่ิมประสิทธิภาพในการระเหยได แตท้ังนี้ก็ข้ึนกับการไหลของอากาศดวย ดังท่ีไดกลาวไปในหัวขอดานบนเครื่องทําแหงแบบเยือกแข็ง (Freeze Dryer)

การทําแหงแบบเยือกแข็ง (freeze dry) เปนกระบวนการเก็บรักษาสาร โดยการนําสารท่ีผานการแชเย็นจนแข็งมาระเหิดน้ําออกภายใตสภาวะสุญญากาศจนกระท่ังสารแหง แลวเก็บรักษาภายใตสภาพสุญญากาศ โดยท่ัวไป การทําแหงแบบเยือกแข็ง มักใชสําหรับเก็บผลิตภัณฑจําพวกอาหาร ยา และวัสดุทางชีวภาพ (Biological Substance) เพราะสามารถเก็บรักษาไดโดยท่ีคุณสมบัติของสารเปลี่ยนแปลงนอย เพราะวาน้ําในสารถูกระเหิดจนกลายเปนไอออกมาในสภาวะท่ีน้ํายังคงเปน

88


ของแข็ง โดยไมผานข้ันตอนการละลาย จึงทําใหหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงสภาพทางเคมีและชีวภาพได รวมกับการทําในสภาพสุญญากาศจึงทําใหปราศจากความชื้น วิธีนี้จึงทําใหสารมีสภาพคงตัว สามารถเก็บไวไดนานท่ีอุณหภูมิหอง และนํากลับมาละลายใชงานไดงาย สําหรับเครื่องมือท่ีใชในกระบวนการทําแหงแบบเยือกแข็งนี้คือ เครื่องทําแหงแบบเยือกแข็ง (freeze dryer)

รูปท่ี 6.12 การเกิด Freeze Drying ใน Water Phase Diagram

ท่ีมา : http://www.niro.com/freeze-dryers.html

หลักการทําแหงแบบเยือกแข็งการทําแหงแบบเยือกแข็งประกอบไปดวยข้ันตอนของ

กระบวนการ 3 ข้ันตอน คือ1. Prefreezing

ข้ันตอนแรกเปนการลดอุณหภูมิของสารหรือการแชเย็น เพ่ือทําใหเกิดกอนผลึกของน้ํากอนการทํา Primary Drying ข้ันตอนนี้จะทําภายใน sample chamber ของเครื่องทําแหงแบบเยือกแข็งหรืออาจทําใหแข็งตัวในภาชนะเฉพาะ เชน อางน้ําแข็ง (chilling bath) ท่ีมีแอลกอฮอลหรืออะซีโตนเปนตัวควบคุมอุณหภูมิภายในอาง หรือแชแข็งอยางรวดเร็วโดยใชไนโตรเจนเหลว (อุณหภูมิ -196 องศาเซลเซียส) ความหนาของสารท่ีเหมาะสมเพ่ือใหใชเวลาแชแข็งหรือการทําแหงสั้น คือ ประมาณ 10มิลลิเมตร และ ไมควรเกิน 15 มิลลิเมตร หรือประมาณ 3 ใน 4 ของภาชนะบรรจุประเภทหลอดอุณหภูมิท่ีใชในการทําใหสารแข็งตัวอาจไมเทากันข้ึนกับองคประกอบของสาร เชน หากสารมีน้ําตาล

89


เปนองคประกอบมาก จุดเยือกแข็งของสารก็จะต่ํากวาจุดเยือกแข็งของสารตามปกติ เปนตนการทําใหสารแข็งตัวนี้ก็เพ่ือท่ีจะยึดใหสารอยูในสภาพ solid matrix เพ่ือจะไดไมทําให

เกิดปฏิกิริยาทางเคมีหรือกายภาพ ในขณะท่ีระเหิดน้ําออก โดยท่ัวไป จะใชเวลาประมาณ 2-3 ชั่วโมงในการทําใหสารแข็งตัวอยางสมบูรณ

2. Primary Dryingข้ันตอนนี้เปนการระเหิด (sublimation) หรือการ freeze drying เพ่ือดึงน้ําแข็งออกจาก

ผลิตภัณฑ และเม่ือทํา primary drying เสร็จสมบูรณ น้ําแข็งก็จะระเหิดออกไปจนหมดแตยังอาจเหลือความชื้นอยูเล็กนอย ซึ่งผลิตภัณฑท่ีไดจะถูกนําเขาสูข้ันตอน secondary drying เพ่ือเอาความชื้นออกตอไป จุดสังเกตท่ีทําใหทราบไดวาข้ันตอนนี้เสรจ็สมบูรณแลวมีหลายอยาง ไดแก• ไมมีรอยตอของน้ําแข็ง (หากเปนภาชนะแกวจะเห็นไดชัด)• อุณหภูมิของสารจะเพ่ิมข้ึนจนใกลเคียงกับสภาพแวดลอม• ความดันภายใน sample chamber ใกลเคียงกับ condenser chamber• ไมมีน้ําแข็งเกาะภายในภาชนะบรรจุและถึงแมกระบวนการจะเสร็จสมบูรณแลว แตก็ควรจะทําการdrying ตอไปอีกประมาณ 30 นาที ถึง 1 ชั่วโมง

3. Secondary Dryingข้ันตอนนี้เปนการดูดความชื้นท่ีหลงเหลือมาจากข้ันตอน primary drying ออก หรือเรียก

ข้ันตอนนี้วาการคาย (desorption) กระบวนการในข้ันตอนนี้ทําเพ่ือเพ่ิมความคงตัวของสารจากนั้นหลังจากดูดความชื้นของผลิตภัณฑจนหมดแลว จึงปดผนึกภาชนะท่ีบรรจุผลิตภัณฑภายใตสภาวะสุญญากาศ เปนอันเสร็จกระบวนการ

สวนประกอบของ Freeze Dryerเครื่องทําแหงแบบเยือกแข็ง เปนเครื่องมือท่ีใชในกระบวนการทําแหงแบบเยือกแข็ง ซึ่งมี

สวนประกอบท่ีสําคัญ ดังนี้Sample Chamberเปนภาชนะสําหรับใสสารท่ีตองการทําแหงเยือกแข็ง อาจมีลักษณะเปนหลอดหรือถวย หรือ

อาจเปนหองทําแหงและมีถาด สําหรับใสสารเพ่ือทําแหง และอาจมีระบบทําความเย็นเพ่ือแชแข็งตัวอยางไดดวย

CondenserCondenser จะทําหนาท่ีดักจับไอน้ําท่ีอยูเหนือผิวของผลิตภัณฑ โดยไอน้ําท่ีเกิดจากการระเหิด

ของน้ําแข็งจะเคลื่อนตัวไปสูพ้ืนท่ีท่ีมีความดันต่ํากวา (low pressure area) คือบริเวณรอบๆ ผิวcondenser และจะทําใหไอน้ําแยกออกมาจากระบบ ซึ่งจะทําใหความชื้นภายในระบบลดลง

High Vacuum Pumpปมเปนอุปกรณท่ีใชสําหรับดูดอากาศออกจาก sample chamber ปมท่ีมีประสิทธิภาพสูงจะ

90


ทําใหความดันในระบบลดลงจนทําใหเกิด สภาพสุญญากาศเพียงพอ (0.1 มิลลิเมตรปรอท) ซึ่งเปนสิ่งจําเปนท่ีจะทําใหเกิดการระเหิดของน้ําในผลิตภัณฑ และเปนการกําจัดอากาศท่ีไมเกิดการควบแนน(non condensable gas) ออกไป ลดแรงเสียดทานภายในระบบ ชวยทําใหการเคลื่อนท่ีของไอน้ําเกิดไดดีและยังเปนการปองกันการเกิดออกซิเดชั่นระหวางกระบวนการทําแหงและชวงเวลาเก็บรักษาได

โดยปกติท่ีสภาพสุญญากาศท่ีประมาณ 5-50 มิลลิทอร (0.005-0.05 มิลลิเมตรปรอท) จะเปนสภาพท่ีมีประสิทธิภาพสูงสุด แตในเครื่องทําแหงแบบเยือกแข็งโดยท่ัวไป จะสามารถลดความดันไดท่ีประมาณ 100-120 มิลลิทอร (0.1-0.12 มิลลิเมตรปรอท) หรือต่ํากวานี้เล็กนอย ซึ่งนับวาเพียงพอสําหรับการทําแหงแลวรูปแบบของการทําแหงเยือกแข็ง

การทําแหงแบบเยือกแข็งโดยเครื่องทําแหงแบบเยือกแข็งนั้นมีรูปแบบของการทําแหงอยู 3แบบ ซึ่งแบงตามลักษณะการทําแหงของเครื่อง โดยเครื่องทําแหงแบบเยือกแข็งชนิด manifold จะมีรูปแบบการทําแหงแบบ manifold แบบเดียว ในขณะท่ีเครื่องทําแหงแบบเยือกแข็งชนิด tray dryerจะมีรูปแบบการทําแหง 2 แบบ คือ แบบ batch และ bulkManifold Method

วิธีนี้ภาชนะบรรจุตัวอยาง (ฟลาส, หลอด ampule หรือ หลอด vial) จะแยกติดกับชองของmanifold หรือ drying chamber แบบเดี่ยวๆ ผลิตภัณฑจะถูกทําใหเย็นจนแข็งจากตูแชแข็ง(freezer) หรืออางน้ําแข็ง (ท้ังนี้ข้ึนกับสภาพธรรมชาติและปริมาตรของผลิตภัณฑท่ีจะนํามาทําแหงแบบเยือกแข็ง) ผลิตภัณฑท่ีผาน การแชแข็งมาแลวจะตองนํามาเขาสู drying chamber อยางรวดเร็วเพ่ือปองกันความเสียหายตอผลิตภัณฑท่ีอาจจะเกิดข้ึนจาก การละลาย สภาพสุญญากาศจะถูกสรางข้ึนมาในภาชนะบรรจุตัวอยางอยางรวดเร็ว และทํางานภายใตไอระเหยท่ีเย็นจัดเพ่ือรักษาระดับอุณหภูมิของผลิตภัณฑ

วิธีการนี้สามารถใชประโยชนไดมากกวาการทําแหงเยือกแข็งแบบ batch tray เพราะวาภาชนะบรรจุตัวอยางตออยูกับ manifold อยางเดี่ยวๆ ฟลาสหรือหลอด vial แตละชิ้นจึงตอตรงกับสวนเก็บ (collector) และสามารถใชภาชนะหรือผลิตภัณฑตางชนิดกัน มาทํากระบวนการทําแหงแบบเยือกแข็งพรอมกันได นอกจากนี้เม่ือตัวอยางใดท่ีทําแหงแบบเยือกแข็งเสร็จแลว ยังสามารถเก็บตัวอยางไดทันทีโดยไมจําเปนตองรอใหตัวอยางทุกตัวอยางเสร็จท้ังหมดดวย วิธีนี้เหมาะกับตัวอยางท่ีมีปริมาตรนอยและมีจุด eutectic สูงสิ่งท่ีตองระวังในการทําแหงแบบเยือกแข็งวิธีนี้คือ อุณหภูมิหองและการสัมผัสกับภาชนะบรรจุอาจมีผลตอการทําแหงตัวอยางได

ดังนั้นหองท่ีวางเครื่องทําแหงแบบเยือกแข็งจึงควรเปนหองท่ีสามารถควบคุมอุณหภูมิได และระมัดระวังการสัมผัสกับภาชนะบรรจุตัวอยาง เพ่ือชวยใหกระบวนการทําแหงแบบเยือกแข็ง โดยวิธีmanifold สําเร็จ โดยไมมีผลิตภัณฑเสียหาย

91


Batch Methodในการทําแหงแบบเยือกแข็งวิธีนี้ ภาชนะท่ีมีขนาดเดียวกันจํานวนมากท่ีบรรจุตัวอยางจะวางอยู

ดวยกันในถาดทําแหง (tray dryer) ผลิตภัณฑจะถูกทําใหแข็งบนชั้นท่ีวางถาดทําแหงภายใน FreezeDryer ชนิด Manifold Freeze Dryer ชนิด Tray Dryer sample chamber การทําแหงเยือกแข็งดวยวิธีนี้ ทุกตัวอยางจะถูกทํากระบวนการทําแหงพรอมกัน ดวยสภาวะเดียวกัน จึงมีการเริ่มตนจนถึงเสร็จสิ้นกระบวนการพรอมกัน ทําใหม่ันใจไดถึงสภาพแวดลอมและความเปนหนึ่งเดียวกันของตัวอยางวิธีนี้เหมาะกับการทําแหงตัวอยางจํานวนมากและมักใชในอุตสาหกรรมประเภทเภสัชภัณฑการทําแหงเยือกแข็งดวยวิธีนี้ อาจจะเกิดความแปรผันในระบบเล็กนอย เนื่องจากตําแหนงของตัวอยางท่ีวางอยูใน tray dryer โดยเฉพาะตัวอยางท่ีวางอยูใกลกับประตูของ sample chamber ซึ่งเปนกระจกใสดังนั้นความรอนและอุณหภูมิจากภายนอก อาจจะมีผลตอตัวอยางท่ีวางอยูใกลประตูได และจะสงผลถึงความชื้นภายในตูดวย

Bulk Methodวิธีนี้ตัวอยางจะถูกเทลงใน bulk pan และทําแหงจนเปนหนวยหรือเปนเนื้อเดียวกัน โดย

ตัวอยางจะถูกเกลี่ยใหพ้ืนผิวเปนผิวเดียวกันและมีความหนาเทากัน การทําแหงวิธีนี้จะไมทําการปดผนึกผลิตภัณฑภายใตสภาวะควบคุมเหมือนวิธี manifold หรือ batch เพราะผลิตภัณฑจะถูกเอาออกจากระบบการทําแหงกอน แลวจึงปดผนึกบรรจุหีบหอในหองบรรจุท่ีปดลอมอยางแนนหนา การทําแหงวิธีนี้มักใชเพ่ือเก็บผลิตภัณฑท่ีเสถียรซึ่งไมไวตอออกซิเจนหรือความชื้นประโยชนของการทําแหงเยือกแข็ง

การเก็บรักษาผลิตภัณฑในรูปของการทําแหงเยือกแข็ง เปนวิธีท่ีทําใหสามารถเก็บผลิตภัณฑไวไดเปนเวลานานหลายป โดยไมเกิดการเสียหาย และสามารถนํากลับละลายน้ําใชใหมไดงาย โดยท่ีคุณสมบัติของผลิตภัณฑยังอยูครบถวน ใชพ้ืนท่ีใน การเก็บรักษานอย งายตอการขนสง ใชสําหรับเตรียมผลิตภัณฑทางชีวภาพไดดี รวมท้ังสามารถใชเตรียมเชื้อจุลินทรียในรูปผง เพ่ือเก็บรักษาเปนหองสมุดพันธุกรรม (Genetic library) ได ตัวอยางผลิตภัณฑท่ีใชวิธีการทําแหงแบบเยือกแข็งในการเก็บรักษา

1. เก็บรักษาผลิตภัณฑอาหาร และยา เชน การเตรียมผลิตภัณฑ ยาฉีดชนิดผงสําหรับละลายน้ํา การเตรียมผลิตภัณฑจากสมุนไพร ใหอยูในรูปผงแหง การเก็บรักษาผัก ผลไม และเก็บรักษาผลิตภัณฑอาหารในรูปของแหงเชน กาแฟเปนตน

2. เก็บรักษาผลิตภัณฑทางชีวภาพ เชน เอนไซม ฮอรโมน ยาปฏิชีวนะ วิตามิน เลือด วัคซีนและแอนติไบโอติก เปนตน

3. เก็บรักษาเชื้อจุลินทรีย เชน การเก็บเชื้อแบคทีเรีย ราและยีสต ในรูปของผงเชื้อ โดยท่ีเชื้อยังไมตาย สามารถนํากลับมาเพ่ิมจํานวน และเจริญเติบโตตอไปได เรียกวิธีการนี้วา lyophilization.

92


เอกสารอางอิง

1. Earle ,R L 1983 Unit Operation in Food Processing . The New Zealand Institute ofFood Science & Technology Isc.

2. Heldman R. and Hartel 1997 Principles of Food Processing3. Singh , R.Paul and Heldman , R Dennis 2009 Introduction to Food Engineering

Fourth Edition Elsevier Academic Press.4. Dairy Processing Handbook. Published by Tetra Pak Processing Systems AB,

Sweden5. http://www.decalite-europe.com/filtrate.htm6. http://solidliquid-seperation.com/VacuumFilters/Drum/drum.htm7. http://solidliquid-seperation.com/VacuumFilters/Drum/drum.htm8. http:// www.tootoo.com/d-rp2971271_jatopha_eeds_il_ress9. http:// www.ilri.org/InfoServ/Webpub/fulldocs/Bulletin27/Options.htm10. http://carcleaner.com/about/cyclone-technology-for-car-cleaner-vacuum11. http://www.standnes.no/chemix/english/phase-diagram-co2.htm12. http://library.thinkquest.org/C0131200/Osmosis.htm13. http://www.lanl.gov/orgs/tt/partnering/user_facility/facilities/sep_science.shtml.14. http://www.anhydro.com/media(196,1033)/Lab_E.pdf15. http://www.vivoscuola.it/us/RSIGPP3202/umidita/copie/watvap.htm#c216. http://www.bry-air.com/tech-center/engineering/bry-air/default.html17. http://www.fao.org/docrep/v5030e/v5030EOM.GIF18. http://picses.eu/keyword/fluid%20bed%20dryer19. http://www.niroinc.com/food_chemical/spray_dryer_selection.asp20.http://www.feeco.com/ProductandServices/Productline/tabid/83/thermalProcessing.aspx21. http://www.org.ndsu.edu/pubsci/smgrains/ae701-1.gif.aspx22. http:// www.fao.org/docrep/v5030e/v5030E0r.htm23. http:// www.fao.org/docrep/v5030e/v5030E0r.htm24. http://www.bmenterprise.com/plant.html25. http://www.fao.org/docrep/003/r1076e/R1076E04.HTM26. http://www.fao.org/docrep/008/y5979e/y5979e03.htm27. http://www.fao.org/docrep/008/y5979e/y5979e03.htm

93


28.http://www.tutorvista.com/content/chemistry/chemistry-iii/organic-compounds/distillation.php29. http://www.pustakalaya.org/wiki/wp/o/O_refinery.htm30. http://www.p2pays.org/ref/14/0_initatives/init/summer01/polymerfiltration.htm31. http://www.niroinc.com/food_chemical/spray_drying_foodstuffs.asp32. http://www.niro.com/freeze-dryers.html

94


1 บทที่ 1 การสกัดและการแยก ......การสก...

Documents