Chapter2 Drying

บทท�� 2 การอบแห้�งดร. เห้มื�อนห้มืาย อภิ�นทนาพงศ์�

ชน�ดของน��าในอาห้าร• น้ำ���อิ�สระ (free water) เป็�นน��าท��มื�สารอ��นๆ ละลาย

อย$%ห้ร�อแขวนลอยอย$%– น��าชน�ดน��จะอย$%รอบๆเซลล�ห้ร�ออย$%ภิายในเซลล�เป็�นน��า

ส%วนให้ญ่%ท��พบในอาห้าร และสามืารถแยกออกจากองค์�ป็ระกอบอ��นๆ ของอาห้ารได�ง%าย เช%น การระเห้ยจากการอบแห้�ง การสก-ดห้ร�อค์-�นออกจากอาห้ารได�ง%าย น��าชน�ดน��มื�ผลต่%อค์วามืสดของอาห้ารพวกผ-กและผลไมื� และมื�ผลต่%อการเจร�ญ่เต่�บโต่ของจ1ล�นทร�ย�ในอาห้าร

http://coursewares.mju.ac.th/2006/FT320/014.htm

• น้ำ���เก�ะติ�ด (bound water) เป็�นน��าท��จ-บ เกาะ ห้ร�อย2ดอย$%ก-บโค์รงสร�างของสารอาห้ารอ��น แยกออกจากอาห้ารได�ยาก เกาะจ-บก-บสารอ��นด�วยพ-นธะทางเค์มื�ท��แข4งแรง เช%น เป็�นน��าในผล2ก เป็�นต่�น น��าชน�ดน��ไมื%สามืารถเป็�นต่-วท�าละลายของสารอาห้ารอ��น และมื�ค์วามืห้นาแน%นมืากกว%า น��าอ�สระ น��าชน�ดน��อาจแบ%งออกเป็�น 3 ส%วนค์�อ– โมโน้ำเลย์� หร�อิโมเลคค�วล�ร�เลย์� (Monolayer or Molcular layer)น��า

ชน�ดน��เป็�นน��าท��อย$%ในโค์รงสร�างของเน��อเย��ออาห้าร โดยเกาะต่�ดก-บอาห้ารเป็�นส%วนแรกด�วยพ-นธะท��แข4งแรงมืาก จนไมื%สามืารถก�าจ-ดออกด�วยค์วามืร�อนป็กต่� น��าส%วนน��ไมื%เก��ยวข�องก-บป็ฏิ�ก�ร�ยาเค์มื�ต่%าง ๆ ไมื%ละลายสารอาห้ารอ��น ไมื%เป็ล��ยนสถานะเป็�นของแข4ง และจ1ล�นทร�ย�ไมื%สามืารถน�าไป็ใช�ได�

– ม�ลล�เลย์�หร�อิม�ลติ�โมเลคค�วล�ร�เลย์� (Multilayer or Multimolcular layer)เป็�นน��าในอาห้ารท��เกาะอย$%ก-บน��าส%วนแรก มื�ค์1ณสมืบ-ต่�เป็�นต่-วกระจายสารอาห้ารอ��นได� ท�าให้�มื�ผลต่%อค์วามืด-นของไอของอาห้าร แต่%เป็�นน��าท��จ1ล�นทร�ย�ย-งไมื%สามืารถน�าไป็ใช�ได� การก�าจ-ดน��าส%วนน��ย-งค์งต่�องใช�พล-งงานมืากกว%าป็กต่�

– น้ำ���ใน้ำแคพพ�ลล�ร�� (Capillary water) เป็�นน��าท��เกาะต่�ดอย$%ก-บน��าในส%วนท��สองอย%างห้ลวมืๆ จ1ล�นทร�ย�บางชน�ดท��ต่�องการค์วามืช��นต่��า สามืารถน�าไป็ใช�ป็ระโยชน�ได�และมื�ส%วนเก��ยวข�องก-บป็ฏิ�ก�ร�ยาเค์มื�บางชน�ด เช%น ป็ฏิ�ก�ร�ยาเมืลลาร�ด เป็�นต่�น

http://coursewares.mju.ac.th/2006/FT320/014.htm

Water Activity • ห้มืายถ2งค์%าค์วามืช��นส-มืพ-ทธ�สมืด1ล

(equilibrium relative humidity) ของผล�ต่ภิ-ณฑ์�ห้ารด�วย 100

• อ-ต่ราส%วนของค์วามืด-นไอของน��าในอาห้าร (P) ต่%อค์วามืด-นไอของน��าบร�ส1ทธ�8(PO) ท��อ1ณห้ภิ$มื�เด�ยวก-น ซ2�งก4ค์�อ ค์วามืด-นไอส-มืพ-ทธ�น-�นเอง

ร�ปที่�� 1Equilibrium moisture content isotherm for a freeze-dried food product, illustrating hysteresis.

Desorption

adsorption

Water Activity

Water activity

• ป็ร�มืาณน��าท��มื�อย$%ในอาห้ารท-�งห้มืดป็ระกอบด�วย 2 ส%วนได�แก% ส%วนของน��าท��เกาะต่�ดก-บอาห้าร ห้ร�อถ$กใช�ไป็ในการสร�างพ-นธะต่%าง ๆ เช%น พ-นธะไอออน�ก พ-นธะไฮโดรเจน และอ�กส%วนค์�อ ป็ร�มืาณน��าอ�สระท��ไมื%ได�ถ$กน�าไป็ใช�ในการเก�ดพ-นธะใด ๆ และจะอย$%ภิายในช%องว%างของอาห้าร ป็ร�มืาณค์วามืช��น (Moisture Content) เป็�นป็ร�มืาณน��าท-�งห้มืดท��มื�อย$%ในอาห้าร ค์�อ รวมืท-�งสองส%วนด-งกล%าว

• Water Activity เป็�นโมืเลก1ลของน��าท��พร�อมืจะเป็ล��ยนสภิาวะจากของเห้ลวไป็เป็�นไอ ซ2�งเป็�นส%วนของน��าอ�สระเท%าน-�น

• การท�าให้�ข�นห้ร�อการท�าแห้�งเป็�นการระเห้ยน��าอ�สระออกไป็ ส%วนการเต่�มืเกล�อ น��าต่าล ห้ร�อส%วนผสมื (Ingredient) อ��น ๆ ลงไป็ โมืเลก1ลของสารเห้ล%าน-�นจะไป็จ-บพ-นธะก-บน��าอ�สระท�าให้�ค์%า Water Activity ลดลงไป็ด�วย

http://www.phtnet.org/article/view-article.asp?aID=12

• ค์วามืส-มืพ-นธ�ระห้ว%างป็ร�มืาณค์วามืช��น และค์%า Water Activity ของผล�ต่ภิ-ณฑ์�ห้น2�ง ๆ ณ อ1ณห้ภิ$มื�ท��ค์งท��ค์%าห้น2�ง ท��บ-นท2กค์%าท-�งสองเป็ร�ยบเท�ยบก-นในร$ป็กราฟ เร�ยกกราฟค์วามืส-มืพ-นธ�ท��ได�ว%า Moisture Sorption Isotherms

Desorption

adsorption

Water Activity

http://www.phtnet.org/article/view-article.asp?aID=12

ซ�กมือยด�ไอโซเทอมื (sigmoid isotherm)

• มื�ค์วามืแต่กต่%างก-นระห้ว%าง adsorption และ desorption isotherms ในผล�ต่ภิ-ณฑ์�อาห้ารป็ระเภิทเด�ยวก-น hysteresis

• aw บ%งบอก storage stability ของผล�ต่ภิ-ณฑ์�ท��มื�ต่%อป็ฏิ�ก�ร�ยาท��ท�าให้�เก�ดการเน%าเส�ย

• ค์%า equilibrium moisture contents = ค์%าต่��าส1ดของป็ร�มืาณค์วามืช��นท��จะถ$กระเห้ยออกจากอาห้ารได�

• อ1ณห้ภิ$มื�ท��ส$งข2�นในการอบแห้�ง จะท�าให้�ค์%า equilibrium moisture content ลดต่��าลง รวมืท-�งท�าให้� moisture gradient ในการระเห้ยน��ามืากข2�นด�วย

ร�ปที่�� 2 Influence of water activity on rates of various deterioration reactions in foods.

ค์วามืช��น• wet basis ห้มืายถ2งการเท�ยบป็ร�มืาณค์วามืช��นก-บน��าห้น-ก

รวมืของของแข4ง• dry basis เป็�นการเท�ยบป็ร�มืาณค์วามืช��นก-บของแข4งเท%าน-�น• ว-สด1มื�ค์%าค์วามืช��น 20% wet basis ห้มืายค์วามืว%า มื�น��า 20

กร-มืต่%อของแข4ง 80 กร-มื แต่%ถ�าเป็�น 20% dry basis ห้มืาย ถ2งมื�น��า 20 กร-มืต่%อของแข4ง 100 กร-มื

• โดยป็กต่�การบอกค์%าค์วามืช��นโดยใช� dry basis จะท�าให้� ค์�านวณง%ายกว%า เพราะสามืารถระบ1เป็�นค์%าค์วามืช��นต่%อห้น2�ง

ห้น%วยน��าห้น-กของของแข4ง เช%น 20% dry basis จะเท%าก-บน��า0.2 กร-มืต่%อของแข4งห้น2�งกร-มื เมื��อท�าให้�แห้�งเห้ล�อ 10% dry basis ก4ห้มืายค์วามืว%าเห้ล�อค์วามืช��นเพ�ยง น��า 0.1 กร-มืต่%อ

ของแข4งห้น2�งกร-มื ค์%าค์วามืช��นท��ลดลงเท%าก-บ 0.2 - 0.1 = 0.1 กร-มืน��าต่%อกร-มืของแข4งได�เลย

http://www.ic.kmitnb.ac.th/download%20file/unit2%20and%20lab/acrobat%20unit2/chapter%202%20dry.pdf

กลไกก�รอิบแห#ง1 .แบบแค์ป็ป็;ลาร� (capillary flow mechanism)

แรงแค์ป็ป็;ลาร�– ในช%วงเร��มืต่�นของการอบแห้�ง น��าท��อย$%ภิายในว-ต่ถ1จะ

เค์ล��อนท��มืาท��พ��นผ�วของว-ต่ถ1 โดยอาศ์-ยแรงแค์ป็ป็;ลาร� – อ-ต่ราเร4วของน��าท��เค์ล��อนท��มืาท��พ��นผ�วจะมื�มืากกว%าห้ร�อ

เท%าก-บอ-ต่ราท��น��าระเห้ยกลายเป็�นไอออกไป็ ท�าให้�ป็ร�มืาณค์วามืร�อนท��ว-ต่ถ1ได�ร-บถ$กใช�ไป็ในการระเห้ยน��าห้มืด อ1ณห้ภิ$มื�ของผ�วว-ต่ถ1ในช%วงน��จ2งมื�อ1ณห้ภิ$มื�ท��ค์งท��

2 .แบบแพร%กระจาย (diffusion mechanism)– เป็�นการแพร%กระจายของน��าท��อย$%ระห้ว%างอน1ภิาค์ ห้ร�อแพร%

ผ%านเข�าไป็ภิายในอน1ภิาค์ของว-ต่ถ1 โดยอาศ์-ยค์วามืด-นไอท��แต่กต่%างก-นระห้ว%างภิายในและภิายนอกของว-ต่ถ1 (ช�า)

– ห้ล-งจากกลไกท�� 1 ว-ต่ถ1มื�ป็ร�มืาณน�อยลง การเค์ล��อนท��ของน��ามืาย-งพ��นผ�วของว-ต่ถ1ก4จะช�าลงและอ-ต่ราการระเห้ยของน��าท��พ��นผ�วว-ต่ถ1มื�น�อยลง ป็ร�มืาณค์วามืร�อนท��ว-ต่ถ1ได�ร-บจะเพ��มืข2�น ท�าให้�อ1ณห้ภิ$มื�ท��ผ�วว-ต่ถ1เพ��มืข2�น เมื��อน��าท��อย$%ต่ามืร$พร1นห้ร�อต่ามืช%องแค์บๆ น-�นห้มืด การเค์ล��อนท��ของน��าท��เก�ดข2�นในว-ต่ถ1จะอาศ์-ยการเค์ล��อนท��แบบแพร%กระจาย ซ2�งอาศ์-ยค์วามืแต่กต่%างของค์วามืด-นไอต่%อไป็

อิ�ติร�ก�รอิบแห#ง (Drying Rate)

• อ-ต่ราเร4วห้ร�อค์วามืสามืารถในการระเห้ยของน��าต่%อห้น%วยเวลาห้ร�อต่%อห้น2�งห้น%วยพ��นท��ในระห้ว%างการอบแห้�ง แบ%งได�เป็�น 3 ระยะ ค์�อ– ระยะเร��มืต่�น (setting down period) (ระยะ A – B)– ระยะอ-ต่ราการระเห้ยค์งท�� (constant drying rate period) (ระยะ B – C)– ระยะอ-ต่ราการระเห้ยลดลง (falling drying rate period) ( ระยะ C – D)

• จุ&ดที่��อิ�ติร�ก�รระเหย์ขอิงน้ำ���เร��มลดลง เร�ย์กว(� จุ&ดคว�มชื้��น้ำ ว�กฤติ (critical moisture content) หล�งจุ�กผ่(�น้ำระย์ะน้ำ��แล#ว

จุะพบว(�อิ&ณหภู�ม�ที่��ผ่�วขอิงว�ติถุ&จุะเพ��มข/�น้ำเร��อิย์ๆ จุน้ำเที่(�ก�บอิ&ณหภู�ม�ขอิงอิ�ก�ศร#อิน้ำ

Fig. 1a &b Typical drying rate curve of for food solids.

time (hrs)

A B

C

D

time (hrs)

Moisture content (kg /kg dry solids)

D

Drying rate, dW/dt (kg/h)

A

B C

tctc

1a 1b

AB = Settling down period where the solid surface conditions come into equilibrium with the drying air.

BC = Constant rate period which the surface of the solid remains saturated with liquid because the movement of water vapour to the surface equals the evaporation rate. Thus the drying rate depends on the rate of heat transfer to the drying surface and temperature remains constant.

C = Critical moisture content where the drying rate starts falling and surface temperature rises.

CD = Falling rate period which surface is drying out and the drying rate falls. This is influenced by the movement of moisture within the solid and take time.

Typical drying curve

Methods of drying

Freeze Drying

Basic Industrial Freeze Dryer

Door

Sterile roomwall

Vacuum gauge

Upper compensating shelf

Defrose water inlet Pump isolation valve

Icecondenser

Vacuum Pumpinggroup Drain

Refrigeration group

Heating system

Schematic of a Laboratory Freeze Dryer with Shell Frozen Flasks Attached to a Manifold

VACUUM CHAMBER

SPECIAL VALVES WITH AIR ADMITTANCESHELL-FROZEN FLASKS

VACUUM GAUGE

VACUUM GAUGE

VACUUM

PUMP

REFRIGERATOR

ICE CONDENSER

COOLING COILS

DRAIN

VAPOR

PATH

VAPOR CONDENSESON WALLAS ICE

Freeze-Dryer

Shell Freezer Freeze Dryer

Effect of Evaporation and Dehydration on foods

Evaporation

•Loss of volatile compounds.

•Reduces sensory charecteristics.

•Loss of flavour in fruit juice.

To solve this problem

•Volatile recovery by vapour condensation.

•Stripping volatiles from the feed with inert gass and adding them back.

Dehydration

•Texture

•Flavour and aroma

•Colour

•Nutritional value

Product Loss due to Evaporation (%)

Thiamin Vitamin B6

Vitamin B12

Folic acid

Vitamin C

Evaporated Milk

20 40 80 25 60

Condensed milk

10 < 10 30 25 25

UHT Milk < 10 < 10 < 10 < 10 <25

Product Loss due to Evaporation (%)

Thiamin Vitamin B2

Niacin Vitamin C Folic acid

Fruits 55 0 10 56

Vegetables < 10 < 10

Fig (Sun) 48 42 37 - -

Pork 50-70

Milk (Spray) < 10 < 10 < 10 < 10 <25

ก�รถุ(�ย์เที่คว�มร#อิน้ำและมวลส�ร (Heat and Mass Transfer)

• ในการระเห้ยของน��า จะเก�ดท-�งการถ%ายเทค์วามืร�อนและมืวลสารโดยการถ%ายเทค์วามืร�อนจะเก�ดภิายในโค์รงสร�างผล�ต่ภิ-ณฑ์� เน��องมืาจาก temperature gradient ระห้ว%างผ�วห้น�าผล�ต่ภิ-ณฑ์�และผ�วห้น�าของน��าในผล�ต่ภิ-ณฑ์�

• ป็ร�มืาณพล-งงานท��ถ%ายเทส$%น��าเมื��อมืากเพ�ยงพอก4จะท�าให้�เก�ดการระเห้ยของน��าได�

• gradient จะท�าให้�เก�ดการแพร%ของไอน��าเน��องจากค์วามืแต่กต่%างระห้ว%าง vapor pressure ท��ผ�วห้น�าน��า และ vapor pressure ของอากาศ์ท��ผ�วห้น�าผล�ต่ภิ-ณฑ์�

• การถ%ายเทค์วามืร�อนและมืวลสารภิายในโค์รงสร�างของผล�ต่ภิ-ณฑ์�จะเก�ดท��ระด-บโมืเลก1ล เป็�นแบบการน�า (conduction)

• การถ%ายเทมืวลสารจะแป็รผ-นก-บการแพร%ในระด-บโมืเลก1ลของไอน��าในอากาศ์

• ท��ผ�วห้น�าผล�ต่ภิ-ณฑ์� จะเก�ดข2�นโดยการพา (convection) • การเค์ล��อนท��ของไอน��าจากผ�วห้น�าผล�ต่ภิ-ณฑ์�ไป็ส$%อากาศ์และ

การเค์ล��อนท��ของค์วามืร�อนจากอากาศ์ไป็ส$%ผ�วห้น�าผล�ต่ภิ-ณฑ์�จะเป็�นฟ<งก�ช- �นของ vapor pressure ท��เก�ดข2�นและ temperature gradient ต่ามืล�าด-บ

การค์�านวณในระบบการอบแห้�ง• Mass and Energy Balance

Cs(Ta-To)+WHL

• ของผสมืของอากาศ์และไอน��าท��มื� dry bulb temperature 30 C และมื� relative humidity 60 % เข�าส$%กระบวนการให้�ค์วามืร�อนจนมื� dry bulb temperature เป็�น 80 C และถ$ก

น�าไป็ใช�ในกระบวนการอบแห้�ง ในสภิาวะท��เป็�น adiabatic saturation process เมื��อส��นส1ดกระบวนการอบแห้�งแล�ว

ของผสมืด-งกล%าวมื� dry bulb temperature เท%าก-บ 45C ห้ากในการอบแห้�งใช�แค์รอทป็ร�มืาณ 100 kg ท��มื�ค์วามืช��น

88 % (wet basis) อบแห้�งจนมื�ค์วามืช��นเท%าก-บ 12 % (wet basis) โดยใช�อ-ต่ราการไห้ลของลมืร�อนเท%าก-บ 3 m3/s ห้ล-งการอบแห้�งจะได�ผล�ต่ภิ-ณฑ์�เท%าใดและจะต่�องใช�เวลาในการอบแห้�งก��ช- �วโมืง ก�าห้นดให้�ใช�สมืด1ลมืวลสารช%วยในการค์�านวณ

การค์�านวณห้าเวลาในการอบแห้�ง