ตอนที่ 1 : เวลาในการแช่เยือกแข็งสินค้า (Freezing Time)

 

ปัจจุบันต้นทุนในการผลิตสินค้ามีแนวโน้มที่สูงขึ้นทุกปี ในขณะที่ศักยภาพในการแข่งขันในการทำกำไรมีแนวโน้มลดลง  จากปัจจัยที่หลากหลายที่มีผลต่อต้นทุนที่สูงขึ้นเช่น ค่าแรงที่สูงขึ้น ค่าขนส่ง ราคาเครื่องจักร ค่าดูแลรักษา และต้นทุนด้านพลังงาน ปัจจัยที่กล่าวมาข้างต้นมีผลต่อการทำกำไร  เพียงแต่เราจะบริหารจัดการปัจจัยที่เป็นต้นทุนให้ลดต่ำลงเพื่อเพิ่มกำไรในสินค้าโดยไม่มีผลกระทบต่อการผลิตสินค้าได้อย่างไร หนึ่งในปัจจัยข้างต้นดังกล่าวคือต้นทุนด้านพลังงาน

ในอุตสาหกรรมการผลิตอาหารแช่แข็ง อาหารแปรรูป หรืออุตสาหกรรมที่จะต้องมีกระบวนการในการแช่เยือกแข็งสินค้าด้วยระบบ Air Blast Freezer โดยส่วนใหญ่จะใช้พลังงานไฟฟ้ามากในกระบวนการนี้ ดังนั้นถ้าเราบริหารจัดการกระบวนการในการแช่เยือกแข็งได้ดีก็จะช่วยลดต้นทุนด้านพลังงานได้มาก ในเนื้อหาบทความนี้จะกล่าวถึงปัจจัยที่มีผลต่อเวลาในการแช่เยือกแข็งสินค้าในระบบ Air Blast Freezer และเวลาที่เหมาะสมในการแช่เยือกแข็งสินค้าดังกล่าว

อัตราเร็วในการแช่เยือกแข็ง (Freezing Rate)

อัตราเร็วในการแช่เยือกแข็งที่เกิดขึ้นในสินค้าอาศัยหลักการถ่ายเทความร้อนโดยวิธีการนำความร้อน(Conduction Heat Transfer) ณ ตำแหน่งต่างๆภายในสินค้าโดยมีองค์ประกอบคือ

1. ที่แกนกลางของสินค้าจะเกิดการเยือกแข็งช้ากว่า (Slower freezing) ที่ผิวของสินค้า
2. กลไกลหรือกระบวนการในการแช่เยือกแข็งอาจจะแตกต่างกันตามชนิดและประเภทการแช่เยือกแข็งเช่น Air Blast Freezer , Contact Freezer หรือ Cryogenic เป็นต้น
3. การเกิดน้ำแข็งที่ผิวภายในสินค้าอาจจะเกิดกระจายไป ณ ตำแหน่งที่ต่างๆกันได้
4. อุณหภูมิที่แตกต่างระหว่างสินค้ากับตัวกลางซึ่งส่งผลต่อเวลา

อัตราเร็วในการแช่เยือกแข็งมักจะเกิดจากพื้นผิวภายนอกก่อน (Initial) และถ่ายเทความร้อนส่งผ่านไปยังภายใน (Partially frozen) จนถึงแกนกลางจนกลายเป็นการเยือกแข็งที่สมบูรณ์ (Fully frozen) ดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่1 แสดงการเกิดน้ำแข็งจากพื้นผิวภายนอกเข้าสู่ภายใน

 

อัตราเร็วในการแช่เยือกแข็งของอาหารสามารถแบ่งได้ออกเป็นชนิดต่างๆ ขึ้นกับประเภท และชนิดของเครื่องจักรดังแสดงในตารางที่1

ตารางที่1 : แสดงอัตราเร็วในการแช่เยือกแข็งเมื่อเทียบกับ ประเภท และชนิดของเครื่องจักร

อัตราเร็วในการแช่เยือกแข็ง (Freezing Rate)	ประเภท (Typical)	ชนิดของเครื่องจักร (Machinery)
2 – 5 mm/hr.	ช้า (Slow)	Contact Freezer
5 – 30 mm/hr.	เร็ว (Quick)	Air Blast Freezer
50 – 100 mm/hr.	รวดเร็ว (Rapid)	IQF , Fluidized Bed
100 – 1000 mm/hr.	รวดเร็วพิเศษ (Ultra-Rapid)	Cryogenic

ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราเร็วในการแช่เยือกแข็ง

1. คุณลักษณะของสินค้า (Characteristics of the products : สินค้าที่ทำการแช่เยือกแข็งมีคุณลักษณะที่มีส่วนประกอบหรือสารประกอบภายในที่แตกต่างกัน เช่นสินค้าบางชนิดมีปริมาณน้ำในตัวสินค้าสูง หรือบางชนิดมีสารอาหารแร่ธาตุในปริมาณที่สูงแตกต่างกัน เช่น โซเดียม โปแตสเซียม ฟอสฟอรัส เป็นต้น หรือสินค้าบางชนิดมีไขมันในตัวสูง สิ่งเหล่านี้ทั้งหมดทั้งมวลข้างต้นล้วนเป็นปัจจัยต่ออัตราเร็วในการแช่เยือกแข็งของสินค้าทั้งสิ้น
2. ค่าการนำความร้อน (Thermal Conductivity) : ค่าการนำความร้อนเป็นตัวแปรหนึ่งที่สำคัญต่ออัตราเร็วในการแช่เยือกแข็ง เนื่องจากได้กล่าวไว้แต่ข้างต้นว่า อัตราเร็วในการแช่เยือกแข็งอาศัยหลักการถ่ายเทความร้อนแบบการนำความร้อน (Conduction Heat Transfer) ดังนั้นหากค่าการนำความร้อนไม่ดีสินค้านั้นอาจจะต้องใช้เวลานานขึ้นกว่าปกติ
3. อุณหภูมิที่แตกต่าง (Temperature Difference) : อุณหภูมิที่แตกต่างของตัวสินค้าและตัวกลาง (อากาศ) มีผลอย่างมากต่อเวลาในการแช่เยือกแข็งเพราะถ้าอุณหภูมิของอากาศซึ่งเป็นตัวกลางต่ำมากๆ ไหลผ่านตัวสินค้าย่อมจะทำให้เกิดการถ่ายเทความร้อนที่ดี ส่งผลให้อุณหภูมิของสินค้าเย็นตัวลงได้รวดเร็ว
4. ความเร็วลม (Air Velocity) : เนื่องจากเราใช้อากาศเป็นตัวกลางในการส่งผ่านความเย็น ดังนั้นความเร็วของอากาศที่เหมาะสมย่อมส่งผลต่ออัตราเร็วในการแช่เยือกแข็ง เพราะลมดังกล่าวจะแลกเปลี่ยนความร้อนกับสินค้าที่ผิวได้ดี ทำให้สินค้าเย็นตัวลง
5. ขนาดความหนาของสินค้า (Product thickness) : ขนาด รูปร่าง ความหนาของสินค้าเป็นปัจจัยที่สำคัญ เนื่องจากความเย็นเกิดขึ้นที่ผิวของสินค้าและส่งผ่านโดยการนำเข้าสู่แกนกลางของสินค้า ซึ่งหากสินค้ามีความหนาที่มากย่อมส่งผลต่อระยะเวลาในการแช่เยือกแข็งที่นานขึ้น
6. การสัมผัสกันระหว่างตัวสินค้าและตัวกลาง (Contact between product and medium) : ในบางครั้งก็จะเรียกว่า ผลกระทบของความเป็นฉนวนของบรรจุภัณฑ์ (Insulating effects) กรณีสินค้าที่จะทำการแช่เยือกแข็งจะถูกบรรจุในบรรจุภัณฑ์ ตัวอย่างเช่นพลาสติก ซึ่งจะส่งผลต่อค่าการถ่ายเทความร้อนเพราะพลาสติกเป็นฉนวน และหากพลาสติกมีความหนา ย่อมจะทำให้ต้องใช้เวลานานขึ้นในการแช่เยือกแข็ง ดังนั้นจึงต้องคำนึงถึงปัจจัยดังกล่าวด้วย
7. อุณหภูมิสินค้าเริ่มต้น (Initial product temperature) : อุณหภูมิสินค้าเริ่มต้นเป็นอีกปัจจัยที่ส่งผลโดยตรงต่อระยะเวลาในการแช่เยือกแข็ง เพราะถ้าอุณหภูมิสินค้าเริ่มต้นดังกล่าวมีค่าสูง ทำให้ต้องใช้เวลานานขึ้นในการแช่เยือกแข็ง ในทางกลับกันถ้าอุณหภูมิสินค้าเริ่มต้นมีค่าต่ำ (แต่จะต้องสูงกว่าจุดเยือกแข็งของสินค้าชนิดนั้นๆ) ย่อมจะใช้เวลาในการแช่เยือกแข็งเร็วขึ้น

คุณสมบัติต่างๆที่เป็นปัจจัยสำคัญภายในสินค้าสำหรับการแช่เยือกแข็ง

คุณสมบัติที่เป็นตัวแปรและเป็นปัจจัยสำคัญของสินค้าแต่ละชนิดที่แตกต่างกันย่อมส่งผลต่อระยะเวลาในการแช่เยือกแข็ง คุณสมบัติดังกล่าวมีรายละเอียดดังนี้

1. ความหนาแน่น (Density) : ความหนาแน่นเป็นปัจจัยที่สำคัญเพราะหากสินค้าที่จะทำการแช่เยือกแข็งมีความหนาแน่นสูงจะส่งผลต่อเวลาที่ใช้ในการแช่เยือกแข็งที่นานขึ้น
2. ค่าการนำความร้อน (Thermal conductivity) : ค่าการนำความร้อนของสินค้าจะส่งผลโดยตรงต่อระยะเวลาในการแช่เยือกแข็งเพราะถ้าค่าการนำความร้อนของสินค้ามีค่าสูงจะทำให้ใช้ระยะเวลาในการแช่เยือกแข็งสั้นลง
3. ค่าความจุความร้อน (Specific heat) : ค่าความจุความร้อนของสินค้าแต่ละชนิดมีค่าแตกต่างกัน ค่าความจุความร้อนที่มากจะทำให้ใช้ระยะเวลาในการแช่เยือกแข็งนานขึ้น ตารางที่2แสดงคุณสมบัติองค์ประกอบภายใน

ตารางที่2 : แสดงองค์ประกอบภายในของสินค้า

สินค้า (Product)	% น้ำภายใน	อุณหภูมิเยือกแข็ง (Tf , oC)	Cp , above (kJ/kg  oC )	Cp, below (kJ/kg  oC )	Latent heat (kJ/kg)
แอ๊ปเปิล	84.1	-2	3.6	1.88	281
กล้วย	74.8	-2.2	3.35	2.05	251
องุ่น	81.9	-2.5	3.6	1.84	270
แครอท	88.2	-1.3	3.77	1.93	293
ชีส	37.5	-2.2	2.09	1.3	126
นม	87.5	-0.56	3.89	2.05	288
กุ้ง	70.8	-2.2	3.48	1.88	277
ผักกาดหอม	94.8	-0.44	4.02	2.01	316
เนื้อวัว	68.0	-1.67	3.22	1.67	133
ไก่	74.0	-2.8	3.31	1.55	247
มะเขือเทศ	94.1	-0.89	3.98	2.14	312

จากตารางที่2 จะเห็นได้ว่าสินค้าแต่ละชนิดจะมีองค์ประกอบภายในทั้งปริมาณน้ำ จุดเยือกแข็ง และค่าความจุความร้อนที่แตกต่างกัน ซึ่งจากองค์ประกอบดังกล่าวส่งผลต่อระยะเวลาในการแช่เยือกแข็ง สำหรับกระบวนการแช่เยือกแข็งช่วงเวลาจะถูกแบ่งออกเป็น 3 ช่วง คือ

1. ช่วงที่1 (Stage 1) เป็นช่วงเวลาที่ลดอุณหภูมิของสินค้าลงมาก่อนถึงจุดเยือกแข็งของสินค้านั้นๆ ช่วงนี้จะใช้ค่าความจุความร้อนที่สูงกว่าจุดเยือกแข็ง (Cp, above) มาคำนวณหาค่าพลังงานความร้อน
2. ช่วงที่2 (Stage 2) เป็นช่วงเวลา ณ อุณหภูมิจุดเยือกแข็งของของเหลวในเซลเปลี่ยนสภานะจากของเหลวเป็นของแข็ง (L, Latent Energy)
3. ช่วงที่3 (Stage 3) เป็นช่วงเวลาที่อุณหภูมิของสินค้าลดต่ำลงกว่าจุดเยือกแข็ง ช่วงนี้จะใช้ค่าความจุความร้อนที่ต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง (Cp, below) มาคำนวณหาค่าพลังงานความร้อน

รูปที่ 2 แสดงช่วงเวลาต่างๆของสถานะของการแช่เยือกแข็งที่เกิดขึ้นในสินค้า

การคำนวณเวลาในการแช่เยือกแข็ง (Freezing Time Calculation)

เวลาที่ใช้ในการแช่เยือกแข็งมีความสำคัณเป็นอย่างมากเพราะถ้าเราสามารถใช้เวลาที่น้อยที่สุดในการแช่เยือกแข็งได้นั่นหมายถึงเราจะประหยัดค่าพลังงานไฟฟ้าได้จำนวณมาก เนื่องจากพลังงานที่ใช้ในการแช่เยือกแข็งค่อนข้างจะกินไฟอยู่มาก และกระบวนการแช่เยือกแข็งเป็นหนึ่งในกระบวนการผลิตสินค้าที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ เพื่อให้สินค้าสามารถคงสภาพและเก็บรักษาได้เป็นเวลานาน

การคำนวณหาค่าเวลาที่ใช้ในการแช่เยือกแข็งของสินค้านั้นๆ ทางเลือกมีอยู่ 3 ทางเลือกคือ

1. การอ้างอิงข้อมูลของสินค้าจากเอกสารที่เคยมีผู้ทดสอบมาแล้ว
2. ทำการทดสอบข้อมูลของสินค้าโดยตรง ด้วยตัวเอง
3. ใช้สมการทางคณิตศาสตร์เพื่อทำนายผลที่เกิดขึ้น

ในเนื้อหาบทความนี้จะกล่าวถึงการใช้สมการทางคณิตศาสตร์ในการทำนายเวลาที่ใช้ในการแช่เยือกแข็ง โดยจะใช้สมการทางคณิตศาสตร์ดังต่อไปนี้

1. สมการ Plank (Plank’s Equation)
2. สมการ Nagaoka (Nagaoka’s Equation)
3. สมการ Levy (Levy’s Equation)
4. สมการ Cleland and Earle (Cleland and Earle‘s Equation)

เนื้อหา รายละเอียด การวิเคราะห์ และการคำนวณหาเวลาในการแช่เยือกแข็งที่เหมาะสม จะกล่าวถึงในฉบับถัดไป (โปรดติดตาม)