Modeling the Kinetics of Moisture Adsorption in Banana Foam Mats

แบบจำลองจลนพลศาสตร์การดูดซับความชื้นของแผ่นโฟมกล้วย

Name: Preeda Prakotmak

Name: สมเกียรติ ปรัชญาวรากร

keyword: Adsorption Isotherm

Abstract: Dried banana foam mat can be served as crispy snack, but it has high porosity, which leads to quickly adsorb the moisture from air during storage, and the subsequently loss of quality and texture property. The main objectives of this research were therefore to determine the equilibrium adsorption isotherm of banana foam mats, to determine the moisture diffusivity using continuum model and discrete approach (or pore network model), and also explain the banana foam structure that can resist moisture adsorption. In addition, the effect of moisture migration on the qualities of the banana foam mats in terms of texture properties and sensory were determined as well. In this study, adsorption isotherms experiments were carried out with standard static method using saturated salt solutions over a wide range of relative humidities from 31 to 82%, and a temperature range of 20 to 45 ํC. Three dried banana foam densities of 0.21, 0.26 and 0.30 g/cm the power of 3 adsorbed water vapor under the controlled conditions. The experimental results have shown that the isotherms at the temperatures exhibited sigmoidal shape. Equilibrium moisture content increased with decrease in temperature at any relative humidity. Modified-GAB gave the best description of the experimental data. The Clausius-Clapeyron equation and GAB model facilitated satisfactory determination of the net isosteric heats of adsorption, which were found to decrease with increasing moisture content. The net isosteric heat approached to zero at the moisture content higher than 0.45 kg/kg d.b. In the second objective of this research, a Fick's law coupled with the optimization technique was used to estimate the effective moisture diffusivity by assuming within medium continuum. Empirical equations such as power-law, polynomial and exponential forms for two and three constant parameters for describing the dependence of the effective moisture diffusivity on moisture content were tested. The optimization result showed that the power-law function with two constant parameters was suitably described the variation of the effective moisture diffusivity with moisture content. The power-law equation indicated that initial foam density, relative humidity and temperature significantly affected the effective moisture diffusivity. Besides, the effective diffusion coefficient is strongly dependent on the moisture content level. In the third part of this study, a 2-D stochastic network of cylindrical pores was used to represent the voids inside banana foam mats and the moisture transport within individual pore segments was described by Fick's law. The pore size distributions of dried banana foam for each the foam density was characterized by binary image of SEM. The network size of 20 x 231 for the foam density of 0.21 g/cm the power of 3, accounting for 9491 pores, the size of 23 x 264 for the density of 0.26 g/cm the power of 3, accounting for 12431 pores, and the size of 25 x 286 for the density of 0.30 g/cm the power of 3, accounting for 14611 pores, were used. The interactions of transport processes within the pore network were illustrated using a 3-D pictorial representation of network concentration gradients in pores with colour representing the moisture content. Simulation results showed that, the network model could describe the experimental results relatively well. The diffusivity of water in pores was in order of 10 the power of -9 m the power of 2/s which was 9 times higher than the apparent effective diffusivity. For a given temperature, the apparent pore diffusivities were independent of relative humidity, except for the case of higher relative humidity of 70% at which the diffusivity had a significantly decreasing trend. The apparent pore diffusivity depended strongly on the temperature and the banana foam densities. Furthermore, the apparent pore diffusivity determined from this work may be applied to other porous foods. In order to design porous structure to resist moisture adsorption, banana foam mat is divided into two layers with two densities of banana foam. The designed networks are applied to assemblies of various foam densities with different architectural configurations. Simulation results showed that the model could describe the qualitative experimental results and the designed foam structure with high banana foam density laid on the top of low foam density had lower moisture migration than the single density. Considering textural properties of banana foam mats, the designed structure with high foam density on upper layer provided higher jagged curves than the single foam samples. Additionally, the force deformation curve obtained from a penetration test of the banana foam mats indicated that an increase of moisture content of sample decreased number of peaks and initial slope. From sensory test, overall acceptance score for dual density and single density products of 0.26 and 0.30 g/cm the power of 3 were not significantly different. However, the single density of 0.26 was recommended to produce for the banana foam mats because the texture of the density was rather crisp and not hard, which was suitable for the snack. Finally, a 3-D stochastic pore network was developed to generate model that is similar to the real sample and describe the moisture transport in the network. The network is an interconnected array of cylindrical pores to give a connectivity of 6. The 3-D network model successfully solved numerically showed that the model as satisfactorily representing the behavior of moisture migration.

Abstract: ผลิตภัณฑ์โฟมกล้วยแผ่นอบกรอบเหมาะสำหรับเป็นขนมขบเคี้ยว อย่างไรก็ตามแผ่นโฟมกล้วยมีความ พรุนสูงทำให้ดูดซับความชื้นจากอากาศแวดล้อมอย่างรวดเร็วและสูญเสียสมบัติทางด้านเนื้อสัมผัสได้ง่าย วัตถุประสงค์หลักของงานวิจัยนี้คือหาค่าความชื้นสมดุลของแผ่นโฟมกล้วย คำนวณค่าสัมประสิทธิ์การ แพร่ประสิทธิผลโดยวิธีแบบจำลองภาวะต่อเนื่อง (Continuum Model) และแบบจำลองโครงข่ายรูพรุน (Pore Network Model) หลังจากนั้นทำการออกแบบโครงสร้างรูพรุนของโฟมกล้วยโดยใช้โครงข่ายรู พรุนแบบสองมิติเพื่อช่วยยับยั้งการแพร่ของความชื้นจากอากาศเข้าสู่ผลิตภัณฑ์ ทำการศึกษาอิทธิพลของ ความชื้นที่มีผลต่อคุณภาพของแผ่นโฟมกล้วย ในด้านคุณสมบัติของเนื้อสัมผัสและการประเมินทางด้าน ประสาทสัมผัส (Sensory) ในการศึกษาไอโซเทอมการดูดซับความชื้น ได้ทำการทดลองภายใต้สารละลายเกลืออิ่มตัวที่ความชื้น สัมพัทธ์ระหว่าง 31 ถึง 82% อุณหภูมิ 20 ถึง 45 ํC โดยนำแผ่นโฟมกล้วยที่มีความหนาแน่น 0.21, 0.26 และ 0.30 g/cm ยกกำลัง 3 มาดูดซับความชื้นภายใต้สภาวะควบคุมดังกล่าว จากผลการทดลองพบว่าเส้นไอโซเทอม มีรูปร่างแบบ Sigmoidal และที่ระดับความชื้นสัมพัทธ์เดียวกันความชื้นสมดุลจะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิ ลดลง นอกจากนี้พบว่าแบบจำลอง Modified-GAB สามารถอธิบายเส้นไอโซเทอมของแผ่นโฟมกล้วยได้ ดีที่สุด สมการ Clausius-Clsperon กับแบบจำลอง GAB สามารถอธิบายเส้นไอโซเทอมของแผ่นโฟมกล้วยได้ เมื่อดูดซับความชื้นเพิ่มขึ้นค่า Isosteric heats จะมีค่าลดลงจนมีค่าเท่ากับศูนย์เมื่อความชื้นมีค่าสูงกว่า 0.45 มาตรฐานแห้ง ในวัตถุประสงค์ข้อที่สองของงานวิจัยนี้ ได้กฎของฟิค (Fick's law) มาใช้ร่วมเทคนิคการหาค่าที่ เหมาะสม (Optimization) เพื่อคำนวณค่าสัมประสิทธิการแพร่ประสิทธิผลแบบจำลองภาวะต่อเนื่อง โดยสมการ Empirical ในรูปแบบของสมการเลขยกกำลัง (Power-law) สมการพหุนาม (Polynomial) การแพร่ประสิทธิผลที่เปลี่ยนแปลงไปตามระดับความชื้น จากผลการฟิตแบบจำลองภาวะต่อเนื่องเข้ากับ การทดลอง พบว่าสมการเลขยกกำลังสองตัวแปรมีความเหมาะสมสำหรับอธิบายการเปลี่ยนแปลงค่า สัมประสิทธิ์การแพร่ที่เปลี่ยนแปลงไปตามความชื้น สมการดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าค่าสัมประสิทธิ์การ แพร่ของความชื้นมีค่าเปลี่ยนแปลงตามระดับความชื้นของโฟมกล้วย โดยความหนาแน่นโฟม ความชื้น สัมพัทธ์และอุณหภูมิมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการเปลี่ยนแปลงค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ ประสิทธิผล ช่วงที่สามของงานวิจัยนี้ได้สร้างแบบจำลองโครงข่ายรูพรุนแบบสองมิติ (2-D Stochastic Network) เพื่อ เป็นตัวแทนโครงสร้างรูพรุนของแผ่นโฟมกล้วย และอธิบายการแพร่ของความชื้นภายในรูพรุนด้วยกฎ ของฟิค ซึ่งการกระจายตัวของขนาดรูพรุน (Pore Size Distributions) ภายในแผ่นโฟมกล้วยอบแห้ง อธิบายด้วยการแปลความหมายจากภาพไบนารี่ (Binary Image) ที่ได้มาจากการถ่ายด้วยกล้อง จุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) โฟมกล้วยความหนาแน่น 0.12, 0.26 และ 0.30 g/cm ยกกำลัง 3 มีขนาด โครงข่ายรูพรุนที่เหมาะสมเท่ากับ 20x231, 23x264, และ 25x286 ซึ่งมีรูพรุนจำนวน 9491, 12431 และ 14611 ตามลำดับ ปฏิสัมพันธ์การแพร่ของความชื้นตามเวลาได้นำเสนอเป็นแผนภาพกราฟฟิคซึ่งระดับ ความเข้มข้นของความชื้นภายในรูพรุนจะอธิบายด้วยระดับสีต่างๆ ผลการทดลองพบว่าแบบจำลอง โครงข่ายรูพรุนสามารถอธิบายการทดลองได้ดี ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ในรูพรุน (Apparent Pore Diffusivity) อยู่ในช่วง 10 ยกกำลัง -9 m ยกกำลัง 2 /s ซึ่งมีค่าสูงกว่าสัมประสิทธิ์การแพร่ประสิทธิผลประมาณ 9 เท่า สำหรับ อุณหภูมิใดๆ พบว่าค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ในรูพรุนจะไม่เปลี่ยนแปลงตามความชื้นสัมพัทธ์ ยกเว้นที่ ความชื้นสัมพัทธ์สูงกว่า 70% ซึ่งค่าสัมประสิทธิ์การแพร่จะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ค่าสัมประสิทธิ์การ การแพร่ในรูพรุนที่คำนวณจากงานวิจัยนี้อาจจะนำไปประยุกต์ใช้กับวัสดุพรุนชนิดอื่นได้เช่นกัน ในการออกแบบโครงสร้างรูพรุนเพื่อยับยั้งการแพร่ของความชื้นเข้าสู่แผ่นโฟม แผ่นโฟมกล้วยถูกแบ่ง ออกเป็นสองชั้นโดยมีความหนาแน่นสองค่า โครงข่ายรูพรุนที่ออกแบบดังกล่าวมีการเชื่อมต่อของโฟม กล้วยที่มีความหนาแน่นต่างๆ ซึ่งมีคุณลักษณะของโครงสร้างรูพรุนแตกต่างกัน จากผลการทดลองพบว่า แบบจำลองที่สร้างขึ้นสามารถอธิบายการทดลองได้ดี โดยการออกแบบโครงสร้างของโฟมด้วยการ ดูดซับความชื้นต่ำกว่าโฟมกล้วยที่มีความหนาแน่นค่าเดียว เมื่อพิจารณาสมบัติทางด้านผิวสัมผัสจากผล การวิเคราะห์กราฟความสัมพันธ์ของแรงกดกับระยะทาง (Force Deformation) พบว่าแผ่นโฟมกล้วยที่ ออกแบบให้มีความหนาแน่นสองค่าดังกล่าวจะให้ความกรอบสูงกว่าแผ่นโฟมที่มีความหนาแน่นค่าเดียว นอกจากนี้แผ่นโฟมกล้วยจะมีจำนวนยอดและความชันเริ่มต้นลดลงเมื่อความชื้นของผลิตภัณฑ์เพิ่มขึ้น สำหรับการประเมินทางด้านประสาทสัมผัสพบว่าคะแนนความพอใจโดยรวมไม่มีความแตกต่างกันอย่าง มีนัยสำคัญระหว่างแผ่นโฟมที่มีความหนาแน่นสองค่า และแผ่นโฟมหนาแน่นค่าเดียว (0.26 และ0.30 g/cm ยกกำลัง 3 ตามลำดับ) อย่างไรก็ตามความหนาแน่นแผ่นโฟมที่แนะนำสำหรับพัฒนาผลิตภัณฑ์นี้คือ 0.26 g/cm ยกกำลัง 3 เนื่องจากผิวสัมผัสค่อนข้างกรอบและไม่แข็งจนเกินไป ซึ่งเป็นสมบัติที่เหมาะสมสำหรับขนมขบ เขี้ยว ในตอนท้ายของงานวิจัญ แบบจำลองรูพรุนสามมิติ (3-D Stochastic Network) ได้ถูกพัฒนาขึ้นให้มี โครงสร้างรูพรุนคล้ายคลึงกับผลิตภัณฑ์ตัวอย่างเพื่อใช้อธิบายการแพร่ของความชื้น โดยโครงข่ายรูพรุน ดังกล่าวออกแบบภายใต้การเชื่อมต่อกันของท่อทรงกลมซึ่งมีภาวะการเชื่อมต่อ (Connectivity) เท่ากับ 6 จากการทดลองพบว่า แบบจำลองสามมิติที่สร้างขึ้นสามารถแสดงพฤติกรรมของการแพร่ของความชื้นได้ เป็นอย่างดี

King Mongkut's University of Technology Thonburi. KMUTT Library

Address: BANGKOK

Email: info.lib@mail.kmutt.ac.th

Name: Somkiat Prachayawarakorn

Role: Advisors

Created: 2010

Modified: 2011-09-22

Issued: 2011-09-17

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

CallNumber: ET850

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Energy Technology

Grantor: King Mongkut's University of Technology Thonburi

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	ET850.pdf	3.59 MB	212	2024-12-19 14:06:02
2	ET850ab.pdf	62.21 KB	62	2021-03-10 18:58:55

ใช้เวลา

0.018591 วินาที