การออกแบบและขยายขนาดอุปกรณ์เครื่องจักรในอุตสาหกรรมอาหาร Design and Scaling Up Machines in the Food Industry

การออกแบบและขยายขนาดอุปกรณ์เครื่องจักรในอุตสาหกรรมอาหาร
Design and Scaling Up Machines in the Food Industry

By:      รวิศ ทัศคร
Ravis Tasakorn
Department of Food Science and Technology
Faculty of Agro-Industry
Chiang Mai University
ravis.t@cmu.ac.th

     “การขยายขนาด คือ งานที่ทำให้เกิดผลของกระบวนการออกมาเหมือนกันทุกประการหากสามารถทำได้ในระดับอัตราการผลิตที่ใหญ่กว่าที่เคยทำสำเร็จได้มาก่อนหน้านี้”1 สำหรับการขยายขนาด (Scale up) ในระดับอุตสาหกรรมอาหาร คือ การขยายขนาดการผลิตจากห้องปฏิบัติการสู่การผลิตในระดับโรงงานต้นแบบ (Pilot plant) และท้ายที่สุดจะเป็นการเพิ่มขนาดการผลิตไปจนถึงการผลิตเชิงพาณิชย์ในระดับโรงงานอุตสาหกรรม โดยมีสภาวะ กลไก พารามิเตอร์ในรูปแบบต่างๆ ที่เหมือนกันก่อนที่จะขยายขนาดการผลิตเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่เหมือนกันกับผลิตภัณฑ์ต้นแบบนั่นเอง

ซอฟต์แวร์ที่นิยมใช้เพื่อการขยายขนาดกระบวนการในอุตสาหกรรมอาหาร

      สำหรับการขยายขนาดจากการทดลองในระดับห้องปฏิบัติการ (Lab scale หรือ Bench scale) สามารถนำข้อมูลจากการทดลองมาช่วยในการออกแบบเครื่องมือและเครื่องจักรในระดับที่ใหญ่ขึ้นได้ ซึ่งการสร้างเครื่องจักรระดับโรงงานต้นแบบในลักษณะที่ต้องมีการขยายขนาดเครื่อง (Unit scale up) ต้องมีการใช้งบประมาณที่สูง ดังนั้น การจำลองสถานการณ์ (Simulation) ของกระบวนการผลิตนั้นๆ ด้วยการใช้ซอฟต์แวร์ในการประมวลผล จึงเป็นแนวทางปฏิบัติที่ถูกนำมาใช้ก่อนที่จะเริ่มขยายขนาด เพื่อช่วยในการคำนวณและจำลองผลของการเกิดปฏิกิริยาเคมี การถ่ายเทมวลและความร้อน ลักษณะการไหลและการผสมต่างๆ ตามหลักการของพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (Computational Fluid Dynamics; CFD) ตัวอย่างของซอฟต์แวร์ที่นิยมนำมาใช้ในการคำนวณเพื่อการขยายขนาด เช่น ANSYS, Solidwork, MATLAB, LabVIEW, VisiMix, Aspen, ChemCAD, Autodesk CFD, OpenFOAM เป็นต้น

     สิ่งที่สำคัญสองสิ่งที่ต้องระบุในการออกแบบและขยายขนาดกระบวนการผลิตและปฏิบัติการหน่วย ก็คือพารามิเตอร์ต่างๆ ของกระบวนการ (Process parameters) และผลของกระบวนการแปรรูป (Process results) ที่ต้องการ ยกตัวอย่างพารามิเตอร์ของกระบวนการ เช่น อุณหภูมิ ความดัน ความเข้มข้น อัตราการไหล ความเร็ว กำลัง ค่าทอล์ก อัตราเฉือน ตัวแปรไร้หน่วย หรือตัวแปรไร้มิติ (Dimensionless number) ความเครียด (Strain) อัตราการหมุนเวียน ความเร็วผิว (Superficial velocity) ฯลฯ ทั้งนี้ ผู้ออกแบบสามารถเลือกผลของกระบวนการแปรรูปได้ตามที่ต้องการ เช่น อัตราการเกิดปฏิกิริยา อัตราการถ่ายเทมวล อัตราการถ่ายเทความร้อน ตัวแปรไร้หน่วย กลิ่นรส เนื้อสัมผัส การยอมรับโดยรวม ซึ่งค่าวัดพื้นฐานอย่างอุณหภูมิ ความดัน ความเข้มข้น อัตราการไหล ความเร็ว ก็อาจถูกมองว่าเป็นผลของกระบวนการที่ต้องการสังเกตได้ด้วยเช่นเดียวกัน

     "Scaling up is the work outcome from the process, exactly the same, but with higher production capacity than before" 1. In the food industry, scaling up is production from laboratory to pilot plant, then to the commercial scale in industrial manufacturing. Conditions, mechanisms, and parameters are kept as similar as possible compared to before scaling up to keep the product identical to the prototype.

Popular Software Used in Process Scale-up for Food Industry

     For lab scale or bench scale, experimental results could be used to design equipment and machines on a larger scale. A high budget is required to build the machine at the pilot plant level for unit scale-up. Therefore, software simulation is utilized before a scale-up to assist in the calculation and simulation of chemical reactions, mass and heat transfer, flow rate, and mixings according to Computational Fluid Dynamics (CFD). Examples of software widely used in scaling up include ANSYS, Solidworks, MATLAB, LabVIEW, VisiMix, Aspen, ChemCAD, Autodesk CFD, OpenFOAM, etc.

     Two key points to specify in the production process and unit operation's design and scale-up are required process parameters and process results. For example, specify the process parameters such as temperature, pressure, concentration, flow rate, speed, power, torque, shear rate, dimensionless number, strain, circulation rate, superficial velocity, etc. The designer could freely choose the required results for the process, such as reaction rate, mass transfer, heat transfer, dimensionless number, odor, taste, texture, and overall acceptability. Basic measurements like temperature, pressure, concentration, flow rate, and speed are also considered as required parameters.