การลดความชื้นในเมล็ดพันธุ์ข้าวและข้าวโพดโดยการใช้เทคนิคการแผ่ความร้อนด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

1. การลดความชื้นในเมล็ดพันธุ์ข้าวและข้าวโพดโดยการใช้เทคนิคการแผ่ความร้อนด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า สุชาดา เวียรศิลป์1, 2 พัชธิชา ไชยชนะ1จิตรกานต์ ภควัฒนะ1Dieter von Hoersten3 LÜcke Wolfgang3และสงวนศักดิ์ ธนาพรพูนพงษ์1,2 1ภาควิชาพืชศาสตร์และทรัพยากรธรรมชาติ คณะเกษตรศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ 2สถาบันวิจัยเทคโนโลยีหลังการเก็บเกี่ยว / ศูนย์นวัตกรรมเทคโนโลยีหลังเก็บเกี่ยว มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ 3Department of Crop Sciences, Faculty of Agricultural Sciences , George – August University Goettingen, Germany

2. หลักการและเหตุผล • เมล็ดพันธุ์ที่เก็บเกี่ยวจะมีความชื้นสูงจำเป็นต้องรีบทำการลดความชื้นเมล็ดพันธุ์โดยเร็วเพื่อชะลอการเสื่อมสภาพ การเกิดความร้อนสะสมภายในกอง และการเข้าทำลายของโรคและแมลง • การใช้เครื่องอบลดความชื้นเมล็ดพันธุ์เป็นสิ่งที่จำเป็น โดยการลดความชื้นใช้หลักการถ่ายเทความร้อนด้วยวิธีการนำความร้อน (conduction) • เมื่อการนำความร้อนเกิดขึ้นและระดับความชื้นลดลงถึงจุดหนึ่งที่เรียกว่า ช่วงอัตราคงที่ (constant rate period) ณ จุดนี้ความชื้นลดลงเล็กน้อยเนื่องจากอัตราการลดความชื้นลดต่ำลง จำเป็นต้องเพิ่มระยะเวลาเพื่อให้ปริมาณความชื้นถึงในระดับที่ต้องการ

3. ปัจจุบันมีการประยุกต์ให้ความร้อนโดยการใช้คลื่นความถี่วิทยุ (RF) สำหรับการปฏิบัติหลังการเก็บเกี่ยวของผลิตผลเกษตร (Wang et al., 2003) • โดยสร้างความร้อนอย่างรวดเร็วภายในของผลิตผลเกษตร สามารถทำให้เกิดอุณหภูมิสูงและระยะเวลาสั้นกว่าวิธีการเดิม เพราะอาศัยหลักการให้ความร้อนแบบการพา (convection)และการแผ่รังสีความร้อน (radiation) ให้แก่วัตถุ

4. คลื่นความถี่วิทยุ (Radio Frequency) • คลื่นความถี่วิทยุ (Radio frequency: RF) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีช่วงคลื่นความถี่ที่ค่อนข้างกว้าง จาก kHz จนถึง MHz (3 kHz -300 MHz) • คลื่นไมโครเวฟ (MW) เป็นคลื่นที่มีลักษณะบางส่วนคล้ายกับคลื่นความถี่วิทยุ แต่จะมีช่วงของความถี่ที่สูงกว่า คืออยู่ในช่วง 300 MHz - 300 GHz • แต่จะพบว่า มีเพียงบางช่วงคลื่นความถี่เท่านั้นที่มีการเลือกเพื่อนำไปใช้ในอุตสาหกรรม ในการศึกษาทางวิทยาศาสตร์และในทางการแพทย์ เช่น ในคลื่นความถี่วิทยุ 13.56, 27.12 และ 40.68 MHz

5. Electric Field Distribution  MW-Application  RF-Application (Lücke, 2007)

6. หลักการทำงานของคลื่นความถี่วิทยุหลักการทำงานของคลื่นความถี่วิทยุ • การเคลื่อนที่ด้วยการหมุนตัวกลับไปมาเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วตามระดับความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ให้ • ผลของความเร็วในการหมุนตัวและการเสียดสีกันก่อให้เกิดความร้อนขึ้นมาหลังจากได้รับคลื่นความถี่วิทยุ • จากนั้น ความร้อนที่เกิดขึ้นจะเกิดการกระจายตัวไปยังส่วนอื่นโดยกระบวนการนำความร้อน • เมื่อเปรียบเทียบกับการลดความชื้นโดยใช้ลมร้อนแล้วการใช้คลื่นความถี่วิทยุจะใช้เวลาและพลังงานในปริมาณน้อยมาก

7. ความร้อนที่เกิดขึ้นอยู่กับความเป็นฉนวนและความสามารถในการเป็นตัวนำไฟฟ้า ซึ่งเป็นค่าของคุณสมบัติของผลผลิตทางการเกษตรและสิ่งมีชีวิต โดยมีอิทธิพลมาจากความถี่ อุณหภูมิ ปริมาณเกลือ และปริมาณความชื้น (Ryynäen,1995)

8. Sphere(80mm) Cylinder (80mm×80mm ) Cube (80 mm×80mm ×80mm) แบบจำลองของการกระจายความร้อนของรูปทรงต่างๆ เมื่อให้ความร้อนด้วยคลื่นความถี่วิทยุ Simulated power density (W m–3) distribution in sphere, cylinder and cube made of material placed in 300 mm RF electrodes (Birla, S., 2006)

9. Temperature distributions in oranges (9 cm dia.) when subjected to RF heating for 5 and 10 min, to hot water and hot air heating at 53 C for 10 and 20 min from 20 Cinitial fruit temperature. (Birla, S., 2006)

10. นิยามศัพท์เฉพาะ 1. ค่าสภาพยอมสัมพัทธ์ หรือ ค่าคงตัวไดอิเล็กทริกของตัวกลาง(Dielectric constance) คืออัตราส่วนระหว่างสภาพยอมของตัวกลางกับสภาพยอมของสุญญากาศ 2. ค่าแฟกเตอร์การสูญเสีย (Loss factor) คือ ปัจจัยที่มีตัวแปรผันตรงกับพลังงานที่สูญเสียในไดอิเล็กทริกเนื่องจากประจุเหนี่ยวนำจะมีการสลับขั้วไปมาตามความถี่ของไฟกระแสสลับ

11. Dielectric Measurement Apparatus

12. Power Supply Container RF Impedance Analyzer

13. Dielectric properties ข้าวโพด ข้าว

14. Janhang et al. (2005) พบว่าการใช้ RF ที่ 27.12 MHz ที่อุณหภูมิ 75 องศาเซลเซียส ระยะเวลา 3 นาที ทำให้ความชื้นของข้าวเปลือกจาก 10.4 เปอร์เซ็นต์ ลดลงเหลือ 9.3 เปอร์เซ็นต์ และมีผลทำให้ความงอกลดลงจาก 94 เปอร์เซ็นต์เหลือ 82 เปอร์เซ็นต์ • Theanjumpol et al. (2007) พบว่าการ RF ที่อุณหภูมิ 90 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 3 นาที ทำให้ความชื้นของข้าว ลดลงจากความชื้น 12.74 เปอร์เซ็นต์ เหลือ 11.93

15. การทำแห้งในมอล์ตโดยประยุกต์ใช้ร่วมกันกับวิธีอบแห้งปกติการทำแห้งในมอล์ตโดยประยุกต์ใช้ร่วมกันกับวิธีอบแห้งปกติ การอบแห้งมอลต์ - เพื่อทำ green malt ให้เป็น dry malt สะดวกในการขนส่งและการเก็บรักษา โดยยึดหลักให้ activities ของเอนไซม์ที่จำเป็นยังคงอยู่ เพื่อให้ได้เบียร์หรือเครื่องดื่มมีกลิ่นและรสตามมาตรฐาน Optimization of the dehydration process: 1. Moisture reduction from 45 % to ca. 10-12 % 2. Dehydration from 10-12 % to 4-5 %

16. Standard curve

17. Date: 14/07/09 Micromalting : start moisture content 46.0% 10 h = 50 °C , 3 h = 60 °C, 0.5 h = 70 °C MC = 7.95 % Further drying 6 h MC = 4.3% Further drying with RF 30 min MC = 5.5%

18. การลดความชื้นมอลต์ด้วยความร้อนจากคลื่นความถี่วิทยุการลดความชื้นมอลต์ด้วยความร้อนจากคลื่นความถี่วิทยุ A B C การอบโดยใช้ความร้อนจากคลื่นความถี่วิทยุ 3 ระดับ อุณหภูมิ 65°C (A), 75°C (B) และ 85°C (C)

19. การลดความชื้นมอลต์ด้วยลมร้อนร่วมกับความร้อนจากคลื่นความถี่วิทยุการลดความชื้นมอลต์ด้วยลมร้อนร่วมกับความร้อนจากคลื่นความถี่วิทยุ A B C การลดความชื้นมอลต์ด้วย Hot-air oven จากความชื้นเริ่มต้น 44% จนถึง 30% ตามด้วย การอบโดยใช้ความร้อนจากคลื่นความถี่วิทยุ อุณหภูมิ 3 ระดับ 65 (A), 75 (B) และ 85°C (C)

20. การลดความชื้นมอลต์ด้วยลมร้อนร่วมกับความร้อนจากคลื่นความถี่วิทยุการลดความชื้นมอลต์ด้วยลมร้อนร่วมกับความร้อนจากคลื่นความถี่วิทยุ A B C การลดความชื้นมอลต์ด้วย Hot-air oven จากความชื้นเริ่มต้น 44 % จนถึง 20 % ตามด้วย การอบโดยใช้ความร้อนจากคลื่นความถี่วิทยุ อุณหภูมิ 3 ระดับ 65 (A), 75 (B) และ 85°C (C)

21. การลดความชื้นมอลต์ด้วยลมร้อนร่วมกับความร้อนจากคลื่นความถี่วิทยุการลดความชื้นมอลต์ด้วยลมร้อนร่วมกับความร้อนจากคลื่นความถี่วิทยุ A B C ภาพที่ 5การลดความชื้นมอลต์ด้วย Hot-air oven จากความชื้นเริ่มต้น 44 % จนถึง 10 % ตามด้วยการอบโดยใช้ความร้อนจากคลื่นความถี่วิทยุ อุณหภูมิ 3 ระดับ 65, 75 และ 85°C

22. Malt Analysis Production Nr. : Micromalt Kind of barley : GAIRDNER Australia (จาก PHTI CMUlab 2009-2010)

24. Total energy supplied in drying process Amount of water removed during drying Specific energy consumption (SER) =

25. ตารางเปรียบเทียบค่า Specific energy consumption (SER) ในการลดความชื้นมอลต์ ด้วย hot-air oven การลดความชื้นมอลต์ด้วยความร้อนจากคลื่นความถี่วิทยุ และการลดความชื้น มอลต์ด้วย hot-air oven ร่วมกับความร้อนจากคลื่นความถี่วิทยุ

26. วัตถุประสงค์ ประเมินความเป็นไปได้ในการใช้ RF เพื่อลดระยะเวลาในการลดความชื้นเมล็ดพันธุ์ข้าวและข้าวโพด

27. วิธีการทดลอง • พืช 2 ชนิด คือ - เมล็ดพันธุ์ข้าวพันธุ์ ปทุมธานี 1 ที่มีความชื้นเริ่มต้น 25 % - เมล็ดพันธุ์ข้าวโพดพันธุ์ โชกุล 90 ที่มีความชื้นเริ่มต้น 29 % • ทำการลดความชื้น ให้เหลือ 14% ด้วยกรรมวิธี ดังนี้ • การลดความชื้นด้วยตู้อบลมร้อน ที่อุณหภูมิ 38 และ 40 ºC • การลดความชื้นด้วย RF ที่อุณหภูมิ 38 และ 40 ºC • การลดความชื้นด้วยตู้อบลมร้อนร่วมกับ RF ที่อุณหภูมิ 38 และ 40 ºC

28. คลื่นความถี่วิทยุ (RF) Applicator Fiber opticsensor RF-Generator Electrode Plate Computer controlling

29. Container

30. ผลการทดลอง

31. การถ่ายเทความร้อนจากตู้อบลมร้อนของข้าวที่อุณหภูมิ 38 °C 0 นาที 1 นาที 2 นาที 3 นาที

32. การถ่ายเทความร้อนจากตู้อบลมร้อนของข้าวที่อุณหภูมิ 38 °C 5 นาที 7 นาที 9 นาที 11 นาที

33. การถ่ายเทความร้อนจากตู้อบลมร้อนของข้าวที่อุณหภูมิ 38 °C 15 นาที 30 นาที 70 นาที 50 นาที

34. การถ่ายเทความร้อนจากตู้อบลมร้อนของข้าวโพดที่อุณหภูมิ 38 °C 0 นาที 1 นาที 2 นาที 3 นาที

35. การถ่ายเทความร้อนจากตู้อบลมร้อนของข้าวโพดที่อุณหภูมิ 38 °C 5 นาที 7 นาที 9 นาที 11 นาที

36. การถ่ายเทความร้อนจากตู้อบลมร้อนของข้าวโพดที่อุณหภูมิ 38 °C 60 นาที 30 นาที 90 นาที 120 นาที

37. การถ่ายเทความร้อนจากตู้อบลมร้อนของข้าวที่อุณหภูมิ 40 °C 0 นาที 1 นาที 2 นาที 3 นาที

38. การถ่ายเทความร้อนจากตู้อบลมร้อนของข้าวที่อุณหภูมิ 40 °C 5 นาที 7 นาที 9 นาที 11 นาที

39. การถ่ายเทความร้อนจากตู้อบลมร้อนของข้าวที่อุณหภูมิ 40 °C 15 นาที 25 นาที 50 นาที 80 นาที

40. การถ่ายเทความร้อนจากตู้อบลมร้อนของข้าวโพดที่อุณหภูมิ 40 °C 0 นาที 1 นาที 2 นาที 3 นาที

41. การถ่ายเทความร้อนจากตู้อบลมร้อนของข้าวโพดที่อุณหภูมิ 40 °C 7 นาที 5 นาที 9 นาที 11 นาที

42. การถ่ายเทความร้อนจากตู้อบลมร้อนของข้าวโพดที่อุณหภูมิ 40 °C 30 นาที 50 นาที 70 นาที 90 นาที

43. การถ่ายเทความร้อนจากคลื่นความถี่วิทยุ (RF) ของข้าวที่อุณหภูมิ 38 และ 40 °C 0 นาที 1 นาที 3 นาที 2 นาที

44. การถ่ายเทความร้อนจากคลื่นความถี่วิทยุ (RF) ของข้าวที่อุณหภูมิ 38 และ 40 °C 6 นาที 8 นาที 8.40 นาที ข้าวมีอุณหภูมิ 38 °C 11 นาที ข้าวมีอุณหภูมิ 40 °C

45. การถ่ายเทความร้อนจากคลื่นความถี่วิทยุ (RF) ของข้าวโพดที่อุณหภูมิ 38 และ 40 °C 0 นาที 1 นาที 2 นาที 3 นาที

46. การถ่ายเทความร้อนจากคลื่นความถี่วิทยุ (RF) ของข้าวโพดที่อุณหภูมิ 38 และ 40 °C 4 นาที 5 นาที 7 นาที ข้าวโพด มีอุณหภูมิ 38°C 8.30 นาที ข้าวโพด มีอุณหภูมิ 40°C

47. ผลการทดลอง • การใช้ความร้อนจาก RF ที่ 40 องศาเซลเซียส ใช้ระยะเวลาในการลดความชื้นได้สั้นที่สุดทั้งในเมล็ดพันธุ์ข้าวและข้าวโพด 5 ชั่วโมง และ 7 ชั่วโมง 40 นาที (ภาพที่ 1a) • การลดความชื้นด้วยลมร้อนที่ 38 องศาเซลเซียส ใช้ระยะเวลาสูงสุด คือ 11 และ 13 ชั่วโมง ในเมล็ดพันธุ์ข้าวและข้าวโพดตามลำดับ (ภาพที่ 2b) • ส่วนการใช้ตู้อบลมร้อนร่วมกับ RF ที่ 40 องศาเซลเซียส ในเมล็ดพันธุ์ข้าวและข้าวโพด 6 และ 10 ชั่วโมง (ภาพที่ 2)

48. ผลการทดลอง Moisture content (%) Time (hrs) a) b) Figure 1 Drying of rice and maize seeds moisture content from 25 and 29 % to 14% temperature 2 levels 38 and 40 ° C by heat from the a) radio frequency b) hot-air oven

49. ผลการทดลอง Moisture content (%) Moisture content (%) Hot-air oven RF Hot-air oven RF a) b) Time (hrs) Time (hrs) Figure 2 Drying of rice and maize seed moisture content from 25 and 29 % to 14% by hot-air oven followed the radio frequency temperature 2 levels 38 and 40 ° C a) maize seed and b) rice seed

50. ผลการทดลอง • หลักการลดความชื้นของ RF ความร้อนเกิดขึ้นภายในวัตถุ (inside out) และกระจายความร้อนไปทั่วเนื้อวัตถุและกระจายความร้อนไปทั่วเนื้อวัตถุ โดยมีความสามารถในการถ่ายเทพลังงานประสิทธิภาพสูงและลดระยะเวลาการให้ความร้อน • หลักการให้ความร้อนของตู้อบลมร้อนนั้นอาศัย การถ่ายเทความร้อนโดย การพาของอากาศจากแหล่งความร้อนเป็นหลัก โดยความร้อนที่เกิดขึ้นถ่ายเทไปที่ผิวของวัสดุก่อน จากนั้นจึงจะเกิดการนำความร้อนจากผิวนอกของวัสดุเข้าสู่ภายใน (outside in)