Development of Closed-Loop Control System for Microwave Freeze-Drying of Carrot Slices

Abstract

Microwave freeze-drying (MFD) is the process that applies the microwave as the heating source to freeze-dry the food product. It is a complex process due to the combination of microwave power, vacuum pressure, drying time, material temperature, and moisture content that affects the drying rate, product quality, and energy consumption. The proper control of MFD process conditions to achieve the optimum drying performance and quality of products is a challenge for researcher. Therefore, the objective of this research was to design the MFD process strategy called dynamic microwave logic control (DMLC) and integrated it into the closed-loop control (CLC) system for improving the MFD performance.

In the first part of this research, the uncertainty of the measurement system and moisture content calculation were evaluated following the Guide to the expression of uncertainty in measurement or GUM (ISO, 2008) to verify the accuracy of the measurement systems and the calculation of the moisture content. The results show that the uncertainty of temperature measurement is ±1.5oC or 3.9% from a full-scale range of 30 – 50oC, the uncertainty of weight measurement is ±0.347 grams or 0.8% from a full-scale range of 0 – 150 grams, and the uncertainty of real-time moisture content calculation is ±1% (wet basis). As the results, the measurement systems were acceptable for use in the CLC system with no affected in terms of process control and product quality which confirm by the same later results in repetition of each treatment in this research.

In the second part, the temperature variations during MFD of carrot slices were studied by applying the closed-loop temperature (CLT) control system to control the carrot slice's temperature in the final stage of the MFD process. The MFD with CLT can improve the temperature control efficiency up to 60% compared to the MFD without CLT while providing the product quality similar to freeze-drying (FD). Therefore, the CLT was applied with the MFD process for developing the CLC system in the final part of this research.

In the final part, the CLC system was developed to improve the MFD process and to examine the effects of a DMLC on the drying characteristics of MFD. The development consists of two sections. In the first section, the MFD process was examined to obtain the strategy for drying the carrot slices using microwave powers of 100 W, 200 W, and 300 W, with a temperature profile of the sample from -15oC to 40oC, and the final moisture content of 6% (wet basis). The DMLC was strategically developed in the second section based on a drying-phase configuration and dynamic control between the microwave power and real-time moisture content sensing to provide feedback to the CLC system. After developed the DMLC, it was integrated into the CLC system.

The results showed that by applying the DMLC into the control logic, the CLC could work properly in the MFD process by shortening the drying time by 62.4% and 23.4% compared with those of FD and MFD with no DMLC, respectively. The MFD-DMLC provided the final product with a quality equivalent to that of the FD process but achieved 44.3% better SMER. The findings from this research suggested that the DMLC based on the moisture content and temperature of the samples could be combined with the MFD process to enhance its efficiency while maintaining the superior quality of the FD process.

การอบแห้งแบบแช่เยือกแข็งร่วมกับไมโครเวฟ (Microwave freeze-drying) เป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานไมโครเวฟเป็นแหล่งพลังงานความร้อนในการอบแห้งแบบแช่เยือกแข็ง (freeze drying) เพื่อการลดระยะเวลาการอบแห้งของกระบวนการทำแห้งแบบแช่เยือกแข็ง กระบวนการอบแห้งแบบแช่เยือกแข็งร่วมกับไมโครเวฟเป็นกระบวนการที่มีความซับซ้อนระหว่างระดับพลังงานไมโครเวฟ ปริมาณความชื้น อุณหภูมิวัสดุ และระดับแรงดันสุญญากาศ ซึ่งมีผลต่ออัตราการอบแห้ง คุณภาพของผลิตภัณฑ์ และการใช้พลังงานในกระบวนการอบแห้ง การควบคุมสภาวะชองการอบแห้งแบบแช่เยือกแข็งร่วมกับไมโครเวฟให้เหมาะสม เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการอบแห้งและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่ดีที่สุด จึงเป็นสิ่งที่ผู้วิจัยต้องการค้นคว้าในงานวิจัยนี้ ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อออกแบบกลยุทธ์การควบคุมกระบวนการอบแห้งแบบแช่เยือกแข็งร่วมกับคลื่นไมโครเวฟ โดยใช้ชื่อว่า ตรรกะการควบคุมไมโครเวฟแบบพลวัต (Dynamic microwave logic control) โดยประยุกต์เข้ากับระบบควบคุมแบบวงปิด (Closed-loop control system) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของการอบแห้งแบบแช่เยือกแข็งร่วมกับไมโครเวฟ

ในส่วนแรกของงานวิจัยนี้ ได้ทำการประเมินความไม่แน่นอนของระบบตรวจวัดและการคำนวณความชื้นวัสดุตามคู่มือการประเมินความไม่แน่นอนในการตรวจวัด (GUM) เพื่อตรวจสอบความความแม่นยำของระบบตรวจวัดและการคำนวณความชื้นของวัสดุ ผลการประเมินพบว่า ความไม่แน่นอนของการวัดอุณหภูมิ คือ ±1.5 องศาเซลเซียส หรือ 3.9% ในช่วงการวัด 30 ถึง 50 องศาเซลเซียส ความไม่แน่นอนของการวัดน้ำหนัก คือ ±0.347 กรัม ในช่วงการวัด 0 ถึง 150 กรัม และความไม่แน่นอนในการคำนวณปริมาณความชื้น คือ ±1 เปอร์เซ็นต์ (มาตรฐานเปียก) ผลการประเมินนี้ ระบบการวัดและการคำนวณความชื้นสามารถยอมรับในการใช้งานร่วมกับระบบความคุมแบบวงปิดได้ โดยไม่ส่งผลกระทบต่อการควบคุมกระบวนการและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ ซึ่งยืนยันได้จากผลลัพท์ที่มีความใกล้เคียงกันในการทำซ้ำของงานวิจัยนี้

ในส่วนที่สอง ได้ศึกษาการแปรผันของอุณหภูมิระหว่างการอบแห้งชิ้นแครอท ด้วยการอบแห้งแบบแช่เยือกแข็งร่วมกับไมโครเวฟ โดยใช้ระบบควบคุมอุณหภูมิแบบวงปิด (Closed-loop temperature control system) เพื่อควบคุมอุณหภูมิของชิ้นแครอทในขั้นตอนสุดท้ายของกระบวนการ ผลการศึกษาพบว่าระบบควบคุมอุณหภูมิแบบวงปิดสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการควบคุมอุณหภูมิของชิ้นแครอทได้ถึง 60 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับการอบแห้งแบบแช่เยือกแข็งร่วมกับไมโครเวฟที่ไม่มีระบบควบคุมอุณหภูมิแบบวงปิด โดยคุณภาพของผลิตภัณฑ์เทียบเท่ากับการอบแห้งแบบแช่เยือกแข็ง ด้วยเหตุนี้จึงนำระบบควบคุมอุณหภูมิแบบวงปิดมาใช้เพื่อพัฒนาระบบควบคุมวงปิดสำหรับการอบแห้งแบบแช่เยือกแข็งร่วมกับไมโครเวฟในส่วนที่สุดท้ายของงานวิจัยนี้

ในส่วนสุดท้าย ระบบควบคุมวงปิดได้รับการพัฒนาเพื่อปรับปรุงกระบวนการอบแห้งแบบแช่เยือกแข็งร่วมกับไมโครเวฟ และเพื่อศึกษาผลกะทบของตรรกะการควบคุมไมโครเวฟแบบพลวัตต่อคุณลักษณะเฉพาะของกระบวนการอบแห้งแบบแช่เยือกแข็งร่วมกับไมโครเวฟ การพัฒนาดังกล่าวประกอบด้วยสองส่วนย่อย ในส่วนย่อยแรกของการพัฒนาระบบ ได้ศึกษากระบวนการอบแห้งแบบแช่เยือกแข็งร่วมกับไมโครเวฟเพื่อให้ได้มาซึ่งกลยุทธ์ในการอบแห้งชิ้นแครรอท โดยใช้กำลังไมโครเวฟ 100, 200 และ 300 วัตต์ อุณหภูมิวัสดุในช่วง -15 องศาเซลเซียส ถึง 40 องศาเซลเซียส และความชื้นสุดท้าย 6 เปอร์เซ็นต์ (มาตรฐานเปียก) ในส่วนย่อยที่สอง ตรรกะการควบคุมไมโครเวฟแบบพลวัต ได้ถูกพัฒนาเชิงกลยุทธ์ตามการกำหนดค่าเฟสการอบแห้งและการควบคุมแบบพลวัตระหว่างพลังงานไมโครเวฟและความชื้น ณ เวลาปัจจุบัน เพื่อป้อนกลับไปยังระบบควบคุม หลังจากนั้นตรรกะการควบคุมไมโครเวฟแบบพลวัตจะถูกรวมเข้ากับระบบควบคุมแบบวงปิด

ผลการวิจัยพบว่า การพัฒนาระบบควบคุมแบบวงปิดโดยประยุกต์ใช้ตรรกะการควบคุมไมโครเวฟแบบพลวัต สามารถทำงานร่วมกับกระบวนการอบแห้งแบบแช่เยือกแข็งร่วมกับไมโครเวฟได้ดี โดยสามารถลดระยะเวลาการอบแห้งได้ 62.4 เปอร์เซ็นต์ และ 23.4 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเปรียบเทียบกับการอบแห้งแบบแช่เยือกแข็งและการอบแห้งแบบแช่เยือกแข็งร่วมกับไมโครเวฟที่ไม่มีการใช้ตรรกะการควบคุมไมโครเวฟแบบพลวัต โดยที่คุณภาพของผลิตภัณฑ์เทียบเท่ากับการอบแห้งแบบแช่เยือกแข็ง แต่มีอัตราการระเหยน้ำจำเพาะ (Specific moisture extraction rate) ดีกว่าถึง 44.3% การค้นพบนี้แสดงให้เห็นว่า การพัฒนาระบบควบคุมแบบวงปิดโดยประยุกต์ใช้ตรรกะการควบคุมไมโครเวฟแบบพลวัต สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของการอบแห้งแบบแช่เยือกแข็งร่วมกับไมโครเวฟได้ ในขณะที่ยังสามารถรักษาคุณภาพผลิตภัณฑ์ได้ดีเทียบเท่ากับการอบแห้งแบบแช่เยือกแข็งอย่างมีนัยสำคัญ