فهرست مطالب

مهندسی بیوسیستم ایران - سال پنجاه و دوم شماره 4 (زمستان 1400)

نشریه مهندسی بیوسیستم ایران
سال پنجاه و دوم شماره 4 (زمستان 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/11/17
  • تعداد عناوین: 6
|
  • احسان فارسیجانی، حسین مبلی*، مرتضی آغباشلو صفحات 529-548
    با توجه به عدم حضور خورشید از غروب تا طلوع، استفاده از سامانه های ذخیره سازی انرژی اهمیت قابل توجهی پیدا می کنند. در این پژوهش یک استخر خورشیدی با مقطع دایره ای به ارتفاع 120 و قطر 110 سانتی متر ساخته شده و استحصال گرما در آن توسط مبدل های گرمایی داخلی و خارجی از ناحیه پایینی استخر انجام شد. برای دریافت پایدار گرما، در مبدل گرمایی خارجی از پارافین واکس به عنوان ماده تغییر فاز دهنده (PCM) استفاده گردید. آزمون ها در دو روز، بدون ماده PCM و با PCM بررسی و تحلیل شدند. تخلیه گرمایی پارافین واکس حدود 12 ساعت زمان برد. به منظور تحلیل تفاوت های دمایی نقطه مرجع مبدل گرمایی خارجی، داده ها با استفاده از آزمون تی در دو گروه مستقل از طریق نرم افزار SPSS 16 در سطح معناداری (P˂ 0.05)  مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت (t= 2.09 , p=0.04) که این اختلاف معنادار شد. بازده انرژی سامانه بدون PCM و با PCM به ترتیب 0/76% و  6/84% بدست آمد لذا در آزمایش با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده بازده انرژی بیشتری حاصل شد. همچنین بازده اکسرژی سامانه در آزمایش بدون PCM و با استفاده از PCM به ترتیب 9/11% و 9/15% بدست آمد که نشان می دهد با مواد تغییر فاز دهنده بازده اکسرژی بیشتری حاصل می شود.
    کلیدواژگان: استخر خورشیدی، انرژی های تجدید پذیر، اکسرژی، محاسبات انرژی، مواد تغییر فاز دهنده
  • علی ماشاءالله کرمانی*، حسین مافی صفحات 549-565

    در این تحقیق به منظور شکستن پوسته سخت و خشبی فندق و خارج کردن مغز به صورت سالم و کامل از آن، دستگاه فندق شکن مخروطی با محور عمودی طراحی، ساخت و ارزیابی گردید. در طراحی و ساخت دستگاه فندق شکن محاسبات و طراحی دستگاه بر اساس داده های خواص فیزیکی و ملاحظات خواص مکانیکی فندق انجام شد. اساس کار دستگاه برای انجام این فرآیند بر اساس دو پوسته مخروطی هم محور است که مخروط خارجی (ضد کوبنده) روی شاسی ثابت و مخروط داخلی (کوبنده) با محور عمودی دارای حرکت دورانی است. دانه های فندق در فضای بین دو مخروط در ناحیه فعال شکست تحت اثر نیروهای فشاری و برشی قرار گرفته و پوسته چوبی شکسته شده و مغز به صورت سالم خارج شود. عملکرد دستگاه در قالب آزمایش فاکتوریل با طرح پایه کاملا تصادفی با سه فاکتور، رطوبت فندق در دو سطح 5/8 و 0/5 درصد (بر پایه تر)، طبقه اندازه فندق در سه سطح اندازه بندی ریز (کوچک تر از 14 میلی متر)، متوسط (بزرگ تر از 14 و کوچک تر از 16 میلی متر) و درشت (بزرگ تر از 16 میلی متر) و سه سطح سرعت دورانی 150، 200 و 250 دور در دقیقه با سه تکرار انجام شد. نتایج نشان داد که اثر رطوبت و طبقه اندازه فندق بر درصد مغزهای سالم و تلفات کلی مغز در سطح 1 درصد معنی دار بود، لکن اثر سرعت دورانی معنی دار نشد. به طور کلی درصد فندق سالم در رطوبت های 5 و 5/8 درصد به ترتیب 1/86 و 1/92 درصد بود. عملکرد دستگاه در تولید مغز سالم برای طبقه اندازهای ریز، متوسط و به ترتیب 2/87، 5/89 و 6/90 درصد بود.

    کلیدواژگان: ارزیابی عملکرد، طراحی و ساخت، فرآوری پس از برداشت، فندق شکن، فندق
  • معصومه سبزواری، ناصر بهروزی خزاعی*، حسین درویشی صفحات 567-584

    در این پژوهش یک خشک کن مایکروویو-جریان هوای گرم با سامانه کنترل برخط چگالی توان برای خشک کردن برگه موز توسعه داده شد. این خشک کن دارای بخش های اندازه گیری برخط جرم، تصویربرداری و مدارکنترل توان مایکروویو می باشد. کنترل توان مایکروویو توسط یک سامانه شامل برد آردینو، رله حالت جامد (SSR) و برنامه کنترلی در محیط MATLAB انجام گرفت. در این پژوهش آزمایش ها با پنج سطح چگالی توان ثابت 4، 5، 6، 7 و 8 وات بر گرم برای بررسی سینتیک تغییرات محتوای رطوبتی و توان ورودی به مایکروویو انجام گرفت. همچنین یک الگوریتم پردازش تصویر برای محاسبه درصد سوختگی برگه های موز توسعه داده شد. برای مدل سازی تغییرات محتوای رطوبتی از 7 مدل ریاضی استفاده شد. نتایج نشان داد که مدل لگاریتمی با بیشترین مقادیر R2 (9831/0-9966/0) و کمترین مقادیر RMSE (01646/0- 02679/0) دارای بهترین دقت مدل سازی برای داده ها آزمایشگاهی می باشد. همچنین روند تغییرات توان با زمان برای ثابت ماندن چگالی توان در حین فرآیند، مانند تغییرات محتوای رطوبتی در همه تیمارها شکل نمایی به خود گرفت. ارزیابی کیفی محصول نهایی نشان داد که تیمارهای با چگالی توان 6، 7 و 8 بترتیب دارای 12، 24 و 29 درصد سوختگی در مقایسه با تیمارهای 4 و 5 وات بر گرم بدون سوختگی بودند.

    کلیدواژگان: چگالی توان، کنترل توان مایکروویو، بینایی ماشین، کیفیت
  • لیلا کریمی، مهناز منافی دیزج یکان* صفحات 585-598
    هدف این پژوهش تولید ماست فراسودمند با استفاده از ایزوله پروتیین سویا بود. از سطوح 5/0، 0/1 و 5/1 درصد (حجمی/وزنی) ایزوله پروتیین سویا در ماست کم چرب استفاده شد و ویژگیهای فیزیکی شیمیایی (pH، اسیدیته، ماده خشک بدون چربی، آب اندازی، ویسکوزیته)، میکروبی (کپک و مخمر) و حسی (رنگ، سفتی، طعم، ترشی، تندی، کهنگی و کپکی و پذیرش کلی) در روزهای اول، هفتم، چهاردهم و بیست و یکم بررسی شد. نتایج نشان داد که افزایش غلظت ایزوله پروتیین سویا موجب افزایش معنی دار اسیدیته، ماده خشک بدون چربی و ویسکوزیته و کاهش معنی دار در آب اندازی ماست شد، اما بر pH تاثیر معنی دار نداشت (05/0 > p). مطلوب ترین ویژگیهای حسی در روزهای اول آزمون و در نمونه های ماست کنترل و نمونه های حاوی 5/0 و 0/1 درصد ایزوله پروتیین سویا مشاهده شد (05/0 < p). نتایج نشان داد که استفاده از ایزوله پروتیین سویا می تواند به دلیل وجود ترکیبات تغذیه ای مناسب به عنوان یک پیشنهاد در تولید صنعتی ماست کم چرب فراسودمند در نظر گرفته شود.
    کلیدواژگان: ماست فراسودمند، ایزوله پروتئین سویا، کم چرب
  • صمد بدبدک*، بیوک آقا فرمانی صفحات 599-611
    در این تحقیق تاثیر فرآیند شفاف سازی غشایی اولترافیلتراسیون بر شاخص های کیفی، ترکیبات زیست فعال و ویسکوزیته آب انار مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور، آب انار پس از پیش تیمار اولیه با روش کلاسیک شفاف سازی تحت تیمار شفاف سازی اولترافیلتراسیون قرار گرفت و اثر شاخص های عملیاتی شامل: دما (20 و 30 درجه سلسیوس) و فشار (5/1، 0/2 و 5/2 بار) بر شفافیت، ویسکوزیته، محتوی پکتین، آنتوسیانین، فنول، تانن و درصد مهار رادیکال های آزاد DPPH آب انار مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که از نظر آنتوسیانین کل، تیمارهای دمای 20 درجه سلسیوس و فشار 0/2 بار و دمای 30 درجه سلسیوس و فشار 0/2 بار به ترتیب کمترین (8/2 درصد) و بیشترین (3/14 درصد) کاهش را داشتند. میزان فنول کل تیمارهای دمای 20 درجه سلسیوس و فشار 0/2 بار و دمای 30 درجه سلسیوس و فشار 0/2 بار به ترتیب کم ترین (6564 میلی گرم بر لیتر) و بیشترین (5697 میلی گرم بر لیتر) مقدار بود. بیشترین کاهش در تانن کل در تیمار دمای 30 درجه سلسیوس و فشار 5/2 بار (50 درصد) بود. نتایج نشان داد که در همه تیمارها مقدار پکتین بیش از 98 درصد کاهش یافت و بیشترین شفافیت (5/96 درصد) نیز در تیمار دمای 20 درجه سلسیوس و فشار 5/2 بار مشاهده شد. بعلاوه، نتایج نشان داد افزایش فشار از 5/1 بار به 5/2 بار باعث کاهش معنی دار مقدار ویسکوزیته در دمای 20 و 30 درجه سلسیوس شد (05/0>p). در نهایت، نتیجه گیری شد که تیمار دمای 20 درجه سلسیوس و فشار 5/2 بار در شفاف سازی غشاء اولترافیلتراسیون برای فرآیندآب انار مناسب می باشد.
    کلیدواژگان: شفافیت، شار تراوه، فرآیند غشایی، آنتوسیانین
  • مصطفی بهرامی، مجتبی نادری بلداجی*، داود قنبریان صفحات 613-633

    یکی از روش های متداول اندازه گیری مقاومت مکانیکی خاک، آزمون فروسنجی است. از این آزمون همچنین می توان به عنوان یک روش ساده برای واسنجی پارامترهای خاک در شبیه سازی با روش اجزا گسسته (DEM) استفاده نمود. در این مطالعه، یک مدل اجزا گسسته برای برهمکنش فروسنج با خاک لوم رسی توسعه داده شد و ارتباط بین شاخص مخروط و پارامترهای مدل اجزا گسسته با تغییر رطوبت و چگالی ظاهری خاک بررسی گردید. مدل تماسی هیبریدی فنر هیسترتیک - چسبندگی خطی برای شبیه سازی خاک استفاده شد. تحلیل حساسیت پارامترهای مدل نشان داد که چسبندگی، ضریب اصطکاک داخلی و استحکام تسلیم ذرات از مهم ترین پارامترهای اثرگذار بر شاخص مخروط هستند. آزمون های آزمایشگاهی با یک مخروط استاندارد با استفاده از دستگاه کشش- فشار در خاک قالب گیری شده در دو رطوبت 11 و 16 درصد، هر کدام در دو سطح جرم مخصوص ظاهری 1000 و 1150 کیلوگرم بر متر مکعب انجام شد. با انطباق رابطه شاخص مخروط- عمق اندازه گیری شده و شبیه سازی شده، مقادیری برای تنش تسلیم ذرات استخراج گردید که همبستگی بسیار قوی (97/0=R2) با بیشینه شاخص مخروط نشان داد. این نتایج با آزمون نشست صفحه ای در خاک نیز اعتبارسنجی شد. به عنوان یک نتیجه گیری کلی، آزمون فروسنجی را می توان برای واسنجی تنش تسلیم ذرات خاک در مدل اجزا گسسته به کار گرفت.

    کلیدواژگان: مدل اجزا گسسته، واسنجی، فروسنج مخروطی، برهمکنش ماشین و خاک
|
  • Ehsan Farsijani, Hossein Mobli *, Mortaza Aghbashlo Pages 529-548
    Due to the absence of the sun from sunset to sunrise, the use of energy storage systems is of considerable importance. In this research, a solar pond with a circular cross-section with a diameter of 110 and a height of 120 cm was constructed. In this pond, to extract heat from its lower area, an internal and external heat exchanger was considered, which transferred heat from the solar pond to the consumer by circulating fluid in this area. To receive stable heat, paraffin wax phase change materials were used in the external heat exchanger. The tests were performed and analyzed in two days, without paraffin wax and with it. The thermal discharge period of paraffin wax lasted about 12 hours. To analyze the temperature difference of the external heat exchanger, the data were analyzed using a t-test in two independent groups using SPSS 16 software at a significant level (P
    Keywords: Solar Pond, renewable energy, Exergy, Energy calculations, Phase change materials
  • Ali Mashaallah Kermani *, Hossein Mafi Pages 549-565

    In this research, to breaking the hard woody shell of hazelnuts to obtain the whole and health kernels the conical hazelnut cracker prototype machine with the vertical shaft was designed, constructed, and evaluated. Calculations of the design and manufacturing this machine were performed based on data on the physical and mechanical properties of hazelnuts. The working principle used for this process was based on two coaxial conical shells, which the external shell was fixed on the chassis, and the internal shell named rotor was driven by a vertical shaft. The hazelnut kernels in the space between the two cones in the active area of fracture are affected by the compressive and shear forces and the wood shell is broken and the kernel is removed healthy. Performance evaluation of machine was conducted as a factorial experiment in the form of a CRD with three factors of the moisture content (MC) of hazelnuts in two levels of 5.0% and 8.5% wet basis, the size class (SC) of hazelnut in three levels of small (size < 14 mm), medium (14 mm ≤ size < 16 mm) and large (size ≥ 16 mm), and the rotor rotational speed (RRS) at three levels of 150, 200 and 250 rpm. Results showed that MC and SC have significantly effects on the percent of the intact kernel and the overall losses at the level of 1%, but the RRS had no significant effect on them. In general, the percentage of the intact hazelnuts at 5% and 8.5% MC were 86.1% and 92.1%, respectively. The performance of the hazelnut cracker machine in producing the intact kernel for the size classes of the small, medium, and large was 87.2%, 89.5%, and 90.6%, respectively.

    Keywords: Design, construction, Hazelnut, Hazelnut cracker, Performance Evaluation, Postharvest processing
  • Masumeh Sabzevari, Nasser Behroozi Khazaei *, Hossein Darvshi Pages 567-584

    A microwave-hot air dryer with online microwave power density control was developed for banana slice drying in the present study. This dryer consisted of the online mass measurement, imagining unit, and microwave power control circuit systems. The microwave power control system was set with an Arduino board, SSR relay, and control program in MATLAB environment. Experiments with five levels of fixed power density (4, 5, 6, 7, and 8 Wg-1) were done for examining the kinetics of moisture content and microwave power during the drying process. Also, an image processing algorithm was investigated for measuring the burning percentage of banana slices. For modeling of moisture content kinetics, seven mathematical models were nominated. Results showed that the Logarithmic model could predict the drying kinetics of banana slices better than the other models with the highest R2 (0.9966-0.9831) and lowest RMSE (0.01646-0.02679). Also, the trend of microwave power with time for constant remaining the microwave power density during the drying process such as moisture content variation in all experiments was exponential. Quality evaluation of the final product showed that treatments with power densities of 6, 7, and 8 had 12, 24, and 29% burns, respectively, compared to treatments of 4 and 5 without burns.

    Keywords: Power density, microwave power control, Machine Vision, Quality
  • Leila Karimi, Mahnaz Manafi Dizaj Yekan * Pages 585-598
    The purpose of this study was to produce the low fat yogurt using soy protein isolate. The soy protein isolate in concentrations of 0.5, 1.0 and 1.5 was used in low-fat yogurt formulation and the physicochemical properties (pH, acidity, non fat dry matter, syneresis, viscosity) and microbial (growth of mold and yeast) and sensory properties (color, firmness, taste, sourness, spiciness, oldness and moldy and overall appearance) were evaluated on 1, 7, 14 and 21 days of storage. The results showed that with increase in soy protein isolate concentration, acidity, non fat dry matter and viscosity were significantly increased and the yogurt syneresis was significantly decreased, while it had no significant effect on pH (p > 0.05). The most desirable sensory properties were observed in the first days in the control and samples containing 0.5 and 1.0% soy protein isolate (p < 0.05). The results showed that the use of soy protein isolate due to its nutritious compounds can be considered as an offer in the industrial production of functional low fat yogurt.
    Keywords: Functional yogurt, Soy protein isolate, low fat
  • Samad Bodbodak *, Boukaga Farmani Pages 599-611
    In this study, the effect of ultrafiltration membrane clarification process on quality indices, bioactive compounds and rheology of pomegranate juice was investigated. For this purpose, after clarification of pomegranate juice by classic method, the juice was treated by ultrafiltration clarification and the effect of operating parameters such as temperature (20 and 30°C) and pressure (1.5, 2.0 and 2.5 bar) on clarity, viscosity, pectin, anthocyanin, phenol, tannin and DPPH radical scavenging activity of pomegranate juice was studied. The results showed that treatments of temperature 20°C and pressure 2 bar and temperature 30°C and pressure 2 bar had the lowest (2.8%) and highest (14.3%) reduction in total anthocyanin, respectively. The treatments temperature 20°C and pressure 2 bar and temperature 30°C and pressure 2 bar had the lowest (6564 mg/L) and highest (5697 mg/L) total phenol content, respectively. The highest reduction of total tannin was observed for treatment temperature 20°C and pressure 2.5 bar (49.7%). The results showed that in all treatments, pectin amount had been reduced over 98% and also, the maximum clarity (96.5%) was observed in sample temperature 20°C and pressure 2.5 bar. In addition, the results showed that an increase in pressure from 1.5 to 2.5 bar led to a significant decrease in viscosity in both temperatures of 20 and 30°C (p < 0.05). Finally, it was concluded that treatment temperature 20°C and pressure 2.5 bar in ultrafiltration membrane clarification are suitable for pomegranate juice clarification.
    Keywords: clarity, Permeate flux, Membrane process, Anthocyanin
  • Mostafa Bahrami, Mojtaba Naderi Boldaji *, Davoud Ghanbarian Pages 613-633

    Cone penetration test is one of the methods widely used for measuring the soil mechanical strength. It can also be used as a simple method to calibrate soil parameters in the discrete element method (DEM) simulations. In this study, a DEM model for the interaction of a cone penetrometer with a clay loam soil was developed and the possibility of finding relationships between the cone index and the parameters of the model for different levels of moisture and soil density was investigated. A hybrid contact model, hysterical spring - linear cohesion was used to simulate the soil. Sensitivity analysis of the model parameters showed cohesion, coefficient of internal friction and particle yield strength are the most important parameters affecting the cone index. Laboratory cone penetration tests using a tension-compression loading frame were performed in remolded soil at two moisture contents of 11 and 16% each at two bulk densities of 1000 and 1150 kg m-3. By fitting the measured and simulated cone index- depth profiles, values ​​for particle yield strength were obtained which showed a strong correlation (R2 = 0.97) with the maximum cone index in the tested soils. The results were validated using plate sinkage test. As a general conclusion, the cone penetration test can be used to calibrate the yield strength of soil particles in the discrete element simulations.

    Keywords: Discrete element model, calibration, Cone penetrometer, Soil-machine interaction