فهرست مطالب

مهندسی بیوسیستم ایران - سال پنجاه و سوم شماره 2 (تابستان 1401)

نشریه مهندسی بیوسیستم ایران
سال پنجاه و سوم شماره 2 (تابستان 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/06/30
  • تعداد عناوین: 6
|
  • فرهاد خوشنام*، حمید قاسم خانی، محمدرضا کماندار صفحات 109-455

    سفتی بافت می تواند به عنوان یک معیار مهم برای تشخیص کیفیت و تاز گی پرتقال قلمداد شده و ویژگی های بافت پرتقال تاثیر زیادی بر مقبولیت و بازارپسندی آن دارد. با توجه به اینکه پرتقال یک محصول تولیدی مهم و با ارزش در منطقه جنوب استان کرمان محسوب می شود، داشتن دانش کافی در مورد مکانیک بافت آن برای توسعه صنایع و تجهیزات فرآوری این محصول در منطقه حایز اهمیت است. جهت تعیین مکانیک بافت پرتقال تولیدی جنوب استان کرمان، از روش آزمون غیرمخرب پانچ به عنوان یک روش مناسب و کاربردی در خصوص تعیین سفتی میوه ها استفاده گردید. در این تحقیق سفتی، تنش فشاری، نیرو و انرژی مصرفی پانچ کردن پنج رقم پرتقال متداول در منطقه (والنسیا، مارس، واشنگتن ناول، خونی و محلی جیرفت) توسط آزمون پانچ و هفت قطر پانچ (8/4، 4/6، 9/7، 5/9، 1/11، 7/12 و 3/14 میلی متر) تعیین و مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج نشان داد که اثر متغیرهای قطر پانچ، نوع رقم و نیز اثر متقابل قطر پانچ در رقم بر نیرو، سفتی، تنش فشاری و انرژی در سطح 1% معنی دار است. در ترکیب تیماری رقم محلی با قطر پانچ 7/12 میلی متر بیشترین مقدار نیرو (0/79 نیوتن) و سفتی (9/7 نیوتن بر میلی متر) و ترکیب تیماری رقم خونی و قطر پانچ 8/4 میلی متر کمترین مقدار نیرو (5/15 نیوتن) و سفتی (5/1 نیوتن بر میلی متر) بدست آمد. بیشترین میانگین تنش فشاری (5/1 مگاپاسکال) و کمترین میانگین تنش فشاری (3/0 مگاپاسکال) به ترتیب در ترکیب تیماری رقم محلی و قطر پانچ 8/4 میلی متر و ترکیب تیماری رقم خونی و قطر پانچ 3/14 میلی متر حاصل شد.

    کلیدواژگان: مدل ریاضی، خواص مکانیکی، قطر پانچ، میوه، آزمون غیرمخرب
  • جواد طریقی*، علی حاجی احمد صفحات 123-140
    میوه زرشک از گیاهان بومی ایران و متعلق به خانواده Berberidaceae بوده و در گونه ها و رنگ های مختلف وجود دارد. ایران بزرگ ترین تولیدکننده زرشک در جهان است. مصرف تازه خوری زرشک به علت فسادپذیری زیاد، محدود بوده و تولید فراورده های بر پایه زرشک از جمله روش های مهم در کاهش ضایعات این محصول است. تولید آب میوه یکی از روش های کارآمد در زمینه کاهش ضایعات محصولات کشاورزی است. روش  فیلتر پرس به عنوان یکی از روش های رایج و موثر جهت استحصال آب میوه شناخته می شود. در پژوهش حاضر، اثرات ارتفاع لایه محصول (در پنج سطح 15، 30، 45، 60 و 75 میلی متر)، قطر سیلندر (در پنج سطح 40، 45، 50، 55 و 60 میلی متر) و سرعت بارگذاری (در پنج سطح 6، 12، 18، 24 و 30 میلی متر بر دقیقه) بر درصد آب میوه استخراج شده از زرشک، چگالی آب میوه، رطوبت نسبی تفاله، تخلخل نهایی تفاله، مقدار انرژی ویژه مصرفی و توان مصرفی مورد بررسی و بهینه سازی قرار گرفتند. نتایج به دست آمده نشان داد که تغییر متغیرهای ورودی می تواند منجر به تغییرات درصد آب میوه استخراج شده از زرشک در محدوده 9/33 تا 9/51 درصد، چگالی آب میوه در محدوده 7/1013 تا 2/1047 کیلوگرم بر مترمکعب، تخلخل نهایی تفاله در محدوده 6/2 تا 8/12 درصد و رطوبت نسبی تفاله در محدوده 19 تا 41 درصد شود. نتایج به دست آمده برای بهینه سازی فرآیند استخراج آب زرشک با استفاده از دستگاه های فشار محوری مناسب بوده و می تواند در تعیین شرایط بهینه کارکرد دستگاه آب میوه گیری مورد استفاده قرار گیرد.
    کلیدواژگان: قطر سیلندر، ارتفاع لایه، سرعت بارگذاری، شاخص ظرفیت، انرژی ویژه
  • مجتبی جابری معز*، دنیا اکبری صفحات 141-154

    تراکم خاک به فرآیندی که سبب افزایش چگالی ظاهری، کاهش حجم و پیوستگی منافذ، کاهش نفوذپذیری آبی و هوایی خاک و افزایش مقاومت مکانیکی می گردد، اطلاق می شود. یکی از پارامترهای مهم ارزیابی تراکم خاک، تنش پیش-تراکمی می باشد که اغلب به عنوان تنش در آستانه تراکم خاک، محسوب می شود. آزمون نشست صفحه ای روشی مناسب برای تعیین تنش پیش تراکمی خاک می باشد. در این تحقیق، آزمون تجربی نشست صفحه ای، روی یک نمونه خاک زراعی (شنی رسی لومی) در سطح محتوای رطوبتی 15 درصد بر پایه خشک و چگالی 1500 کیلوگرم بر مترمکعب انجام شد و خواص مکانیکی خاک تعیین شدند. سپس آزمون نشست صفحه ای به روش اجزاء محدود به صورت دو بعدی و متقارن در نرم افزار آباکوس شبیه سازی و تنش پیش تراکمی با این روش نیز پیش بینی شد. همچنین میزان تغییرات تنش و جابجایی در لایه های عرضی و عمقی خاک زراعی تجزیه و تحلیل شدند. بین داده های استخراج شده از مدل شبیه سازی و داده های تجربی تطابق بالایی بین آن ها وجود داشت (R2 =0.99). بررسی توزیع تنش فشاری و جابجایی در لایه های مختلف در عمق خاک نشان داد که مقدار تنش و جابجایی در لایه های نزدیک به سطح بارگذاری بیشتر و با پیشروی به سمت لایه های زیرین از مقدار تنش و جابجایی کاسته می شود. همچنین، در این پژوهش، از تکنیک پردازش تصویر نرم افزار متلب [1] به عنوان روشی برای تخمین میزان تراکم خاک استفاده شد. به عنوان نتیجه گیری کلی، می توان از هر دو روش اجزاء محدود و پردازش تصویر برای تشخیص ناحیه فشرده شده خاک استفاده نمود.

    کلیدواژگان: تنش پیش تراکمی، توزیع تنش، مدل دراکر-پراگر، نشست صفحه ای
  • زهرا جوانمردی، محمود کوشش صبا*، جهانشیر امینی، هیمن نوربخش صفحات 155-175
    میوه توت فرنگی به عوامل قارچی عمر پس ازبرداشت حساس بوده و عمرکوتاهی دارد. از این رو استفاده از روش های ایمن همانند اسانس های گیاهی و پوشش های خوراکی جهت کنترل پوسیدگی پس از برداشت امری ضروری می باشد. البته استفاده از اسانس ها به دلیل محلولیت پایین در آب، فشار بخار بالا و ناپایداری فیزیکی و شیمیایی با محدودیت هایی همراه است. در این راستا، پس از استخراج اسانس آویشن باغی و پونه نانو امولسیون آن ها به روش خود بخودی تهیه گردید و تاثیر آن ها با پوشش کربوکسی متیل سلولز (CMC) به روش لایه به لایه روی برخی خصوصیات کیفی و ضایعات پس از برداشت میوه توت فرنگی طی دوره انباداری در روزهای صفر، 3، 6، 9 و 12 ارزیابی گردید. طبق نتایج، تیمارهای ترکیبی نانوامولسیون اسانس آویشن باغی و پونه به همراه پوشش CMC سبب کاهش رشد میکروبی میوه شدند. شاخص پوسیدگی نمونه شاهد در روز آخر 25 درصد مشاهده شد، در حالی که در تیمار نانو امولسیون حاوی اسانس پونه 5/0 درصد + CMC 5/0 درصد و نانو امولسیون اسانس آویشن 5/0 درصد + CMC 5/0 درصد، به ترتیب، 7/16 و 3/13 درصد بود. همچنین توت فرنگی های پوشش داده شده با نانوامولسیون اسانس به همراه پوشش CMC دارای درصد کاهش وزن کمتر و بافت سفت تری نسبت به توت فرنگی های بدون پوشش دهی (تیمار شاهد) بودند. از سوی دیگر نتایج نشان داد پوشش دهی میوه های توت فرنگی سبب حفظ فعالیت ضد اکسایشی و مواد جامد محلول نسبت به تیمار شاهد شد. به طور کلی، تیمارهای مورد نظر قابلیت بالایی در حفظ کیفیت و کاهش ضایعات پس از برداشت میوه توت فرنگی دارند.
    کلیدواژگان: ضایعات پس از برداشت، نانوامولسیون سازی خودبخودی، لایه به لایه، آویشن باغی، پونه
  • فرزاد محمدی، محمدرضا ملکی*، جلال خدائی صفحات 177-194

    در این مطالعه، یک سامانه الکترو-هیدرولیک برای تغییر موقعیت حفاظ خاک یک روتیواتور طراحی، ساخته و ارزیابی شد، تا بتوان از آن برای انجام خاک ورزی نرخ متغیر بصورت خودکار استفاده کرد. جابجایی حفاظ خاک در حالت باز و بسته شدن از صفر تا 80 درجه و برعکس با گام های 10 درجه ای در آزمایشگاه و 20 درجه ای در مزرعه بررسی شد. در شرایط آزمایشگاهی، میانگین سرعت تغییر موقعیت حفاظ خاک در حالت باز و بسته شدن به ترتیب 2/9±0/102 و 7/8±0/79 درجه بر ثانیه و میانگین زمان باز و بسته شدن به ترتیب02/0±11/0 و 01/0±15/0 ثانیه به دست آمد. ضرایب تبیین حاصل از همبستگی موقعیت درخواستی حفاظ خاک و موقعیت ایجاد شده به وسیله جک هیدرولیکی در آزمایشگاه در هر دو حالت باز و بسته شدن 99/0 با میانگین مربعات خطا 70/0 درجه به دست آمد. در شرایط مزرعه، میانگین سرعت تغییر موقعیت حفاظ خاک در سه سرعت 6/2، 5/3 و 8/4 کیلومتر بر ساعت به ترتیب در حالت باز شدن 7/97، 1/99 و 1/99 و در حالت بسته شدن 3/77، 3/78 و 7/78 درجه بر ثانیه به دست آمد. ضرایب تبیین همبستگی بین موقعیت درخواستی برای حفاظ خاک و موقعیت ایجاد شده توسط جک هیدرولیکی در هر دو حالت باز و بسته شدن 99/0 با میانگین مربعات خطا به ترتیب 2/1 و 3/1 درجه به دست آمد. سامانه جابجایی حفاظ خاک می تواند حفاظ را در کمتر از 3/0 ثانیه در عملیات مزرعه ای جابجا کند و می توان آن را به عنوان ابزاری موثر و کاربردی برای انجام خاک ورزی نرخ متغیر مورد استفاده قرار داد.

    کلیدواژگان: اینکودر، سیگنال بازخورد، کشاورزی دقیق، الکترو-هیدرولیک، لب ویو
  • ایمانعلی مامانی، محمدحسین آق خانی*، مهدی خجسته پور، عباس روحانی صفحات 195-214

    تبدیل ضایعات هرس درختان شهری و چمن به عنوان منابع لیگنوسلوزی فراوان و در دسترس به سوخت های جامد زیستی می توان جایگزین مناسبی برای منابع سوخت های فسیلی و آلاینده محیط زیستی باشد. در این مطالعه از باقی مانده هرس درختان شهری (توت، نارون، اقاقیا و زبان گنجشک) و چمن با استفاده از پیونددهنده طبیعی (کندر) اقدام به تولید بریکت قابل اشتعال گردید. سپس چگالی و اصطکاک بهینه بریکت های تولیدشده تحت تاثیر پارامترهای فشار، رطوبت، دما، درصد اختلاط خاک اره و چمن، مواد افزودنی، به کمک روش های رگرسیون، ماشین بردار پشتیبان و الگوریتم ژنتیک موردبررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش رطوبت بین 9 تا 17 درصد، چگالی بریکت ها کاهش می یابد. همچنین بررسی درصد اختلاط نشان داد که هر چه درصد خاک اره کمتر و درصد چمن بیشتر باشد، چگالی و اصطکاک کاهش می یابند. بهینه ترین نمونه با درصد اختلاط 5/87 درصد خاک اره، 10 درصد کندر، با دمای 100 درجه سانتی گراد، فشار 10 بار و رطوبت 13 درصد تعیین گردید. در این حالت بریکت ها دارای 1020 کیلوگرم بر مترمکعب چگالی و نیروی اصطکاک 44 نیوتن بر میلی متر می باشد. نتایج نشان داد که مدل رگرسیونی آزمون چگالی و اصطکاک مربوط به متغیرها در سطح 5 درصد معنی دار هستند، ازاین رو، متغیرها در توضیح اصطکاک و چگالی دخیل هستند. بر طبق نتایج، ارزش حرارتی بالا و ارزش حرارتی پایین بریکت تولیدی از چمن و خاک اره بیشتر است. و ارزش حرارتی مواد افزودنی به دلیل اثر چسبندگی بالا تاثیر بسزایی درروند تولید بریکت داشته است.

    کلیدواژگان: چگالی، اصطکاک، بریکت، ضایعات درختان شهری، چمن (ارزش حرارتی)
|
  • Farhad Khoshnam *, Hamid Ghasemkhani, MohammadReza Kamandar Pages 109-455

    The firmness of the orange texture can be considered as an important criterion for determining the quality and freshness of this product and its texture characteristics have a great influence on its acceptability and marketability. Orange is an important product in the south of Kerman province, having sufficient knowledge and information about its texture mechanics is also important for the development of orange industries and processing equipment, especially orange concentrate production industries. In response to need the mechanical properties of the orange texture, punch test method was proposed as a suitable and non-destructive testing method. In this research, firmness, force, stress and consumption energy of five common orange varieties (Valencia, March, Washington Navel, Blood and Local Jiroft) was determined and compared by punch test method with seven punch diameters (4.3, 4.6, 9.7, 9.5, 11.1, 12.7 and 14.3 mm). The results showed that the effect of variables of punch diameter, variety, and also the interaction effect of punch diameter × variety on the force, firmness, stress and energy were significant at 1% level. The combination treatment of local cultivar with a punch diameter of 12.7 mm has the maximum value of force (79.0 N) and firmness (7.9 N/mm), and the minimum value of force (15.5 N) and firmness (1.5 N/mm) was obtained in the combination treatment of blood variety and punch diameter of 4.8 mm. The highest mean of stress (1.5 MPa) and the lowest mean stress (0.3 MPa) were in the combination treatment of local variety and punch diameter of 4.3 mm, and the combination treatment of blood variety and punch diameter was 14.3 mm.

    Keywords: Math Modeling, Mechanical properties, Punch Diameter, Fruit, Non-destructive test
  • Javad Taraighi *, Ali Hajiahmad Pages 123-140
    Barberry fruit is a native plant of Iran and belongs to the Berberidaceae family and is available in different species and colors. Iran is the first producer of barberry in the world. The eating fresh barberry fruits is limited due to spoilable, and the production of barberry-based products is one of the important methods for reduocing the waste of this fruit. Fruit juice production is one of the efficient methods in reducing agricultural waste. The filter press method is known as one of the common and effective methods for the juice extraction. In the present study, the effects of the layer height (at five levels of 15, 30, 45, 60 and 75 mm), cylinder diameter (at five levels of 40, 45, 50, 55 and 60 mm), and loading rate (at five levels 6, 12, 18, 24 and 30 mm/min) on the percentage of extracted juice from barberry, juice density, moisture content of pomace, final pomace porosity, specific energy consumption, and power consumption were studied and optimized. The results showed that the change in input variables resulted in changes in the percentage of extracted juice in the range of 33.9 to 51.8%, the juice density in the range of 1013.7 to 1047.2 kg/m3, the final pomace porosity in the range of 2.6 to 12.8%, and moisture content of pomace in the range of 19 to 41%. The results are suitable for optimizing the barberry water extraction process, using axial pressure devices and can be used to determine the optimal operating conditions of the juice making devices.
    Keywords: Cylinder diameter, Layer height, Loading rate, Capacity index, Specific Energy
  • Mojtaba Jaberimoeaz *, Donya Akbari Pages 141-154

    Soil compaction refers to process that increases density, decreases volume and continuity of pores, decreases water and air permeability, and increases mechanical strength. One of important parameters for evaluation of soil compaction is pre-compaction stress, which is often considered as stress at threshold of soil compaction. Plate sinkage test is an appropriate method for determining soil pre-compaction stress. In this research, for determining pre-compaction stress the experimental test of plate sinkage was used on a sample of arable soil (sandy clay loam) at the level of 15% moisture content based on dryness and density 1500 kg.m-3. Then mechanical properties of soil was determined. Plate sinkage test was simulated as the form of two-dimensional and symmetric in Abaqus software and the pre-compression stress was also predicted by this method. Also, the amount of stress and displacement changes in the transverse and longitudinal layers of arable soil were analyzed. There was a high correlation (R2 =0.99) between the data extracted from the simulation model and the experimental data. Examination of compressive stress and displacement in different layers in the soil depth showed that the amount of stress and displacement in layers close to load level is more and decreases amount of stress and displacement as it progresses to the lower layers. Also, in this research, image processing technique by MATLAB software has been applied as a method to estimate soil compaction. As a general conclusion, the finite element method and image processing can be used for assessment of compacted region of soil.

    Keywords: pre-compression stress, Stress distribution, Drucker–Prager, plate sinkage
  • Zahra Javanmardi, Mahmoud Koushesh Saba *, Jahanshir Amini, Himan Nourbakhsh Pages 155-175
    Strawberry (Fragaria ananassa) is susceptible to postharvest fungal agents. Therefore, the application of suitable methods such as essential oils (EOs) and edible coatings to control the fruit decay and maintain the quality of strawberry fruit during the postharvest period is necessary. However, the application of EOs is limited due to low water solubility, high vapor pressure and physical and chemical instability. In the current study, thyme (Thymus vulgaris L.) and peppermint (Mentha longifolia) EOs were extracted, and their nanoemulsion prepared by the spontaneous emulsification method. In the next step, layer-by-layer method was applied for coating of strawberries fruit surface with the prepared nanoemulsions and with carboxymethyl cellulose (CMC). The quality attributes and post-harvest wastes of fruits were evaluated during storage period at 0, 3, 6, 9 and 12 days. According to the results, the combination of EOs nanoemulsion with CMC decreased fruit microbial growth during the storage period. The decay index of the control sample, nanoemulsion of peppermint EO 0.5% + CMC 0.5%, and nanoemulsion of thyme EO 0.5% + CMC 0.5% were 25, 16.7, and 13.3%; respectively. Also, the samples coated with nanoemulsion of EOs with CMC had lower weight loss percentage as well as firmer texture than strawberries without coating (control treatment). On the other hand, antioxidant activity and soluble solid content of coated fruits were better retained than the control sample. In general, the treatments have a high potential to maintain fruit quality and decrease postharvest losses of strawberry fruit.
    Keywords: Postharvest loss, Spontaneous Nano emulsification, Layer-by-Layer, Thyme, Peppermint
  • Farzad Mohammadi, MohammadReza Maleki *, Jalal Khodaei Pages 177-194

    In the present study, an electro-hydraulic system for repositioning the soil shield of a rotary tiller was designed, developed, and evaluated to make it automated for performing variable rate tilling operation. The reposition of the soil shield was studied in the opening and closing stages from 0° to 80° and vice versa, with a 10° and 20° increment under laboratory and field conditions, respectively. Under laboratory conditions, the speed average of soil shield reposition in the opening and closing stages were 102.0±9.2 and 79.0±8.7 deg/s, with the time average in opening and closing stages of 0.11±0.02 and 0.15±0.01 s, respectively. The correlation coefficients between the requested position for the soil shield and the position created by the hydraulic actuator under laboratory conditions in both opening and closing states were R2 = 0.99 (RMSE = 0.7 deg). Under field conditions, the speed average of the soil shield reposition at three travel speeds of 2.6, 3.5, and 4.8 km/h in the opening stage were 97.7, 99.1, and 99.1 deg/s and in the closing stage were 77.3, 78.3, and 78.7 deg/s, respectively. The correlation between the requested position for the soil shield and the position created by the hydraulic actuator in both opening and closing states were R2 = 0.99 (RMSE = 1.2 deg) and R2=0.99 (RMES=1.3 deg), respectively. The soil shield repositioning system can be performed in less than 0.3 s in-field, making it an effective and practical tool for performing variable rate tillage.

    Keywords: Encoder, Feedback signal, Precision Agriculture, electro-hydraulic, LabVIEW
  • Imanali Mamani, MohammadHossein Aghkhani *, Mehdi Khojastehpour, Abbas Rohani Pages 195-214

    Conversion of tree and grass pruning wastes, as abundant and available lignocellulosic sources, into biofuels can be a viable alternative to fossil fuels that pollute the environment. In the present study, flammable briquettes were produced from the pruning remnants of urban trees including mulberry, elm, acacia and ash, as well as grass using a natural binder i.e. frankincense. Then, the optimal density and friction of the produced briquettes under the influence of pressure, moisture, temperature, mixing percentage and additive parameters were investigated using regression methods, support vector machine (SVM) and genetic algorithm. The results showed that with increasing moisture between 9 to 17%, the density of briquettes decreases. Also, the examination of mixing percentage showed that by decreasing the percentage of sawdust and increasing the percentage of grass, density and friction force decrease. The most optimal sample of this experiment was determined with a mixing percentage of 87.5% sawdust and frankincense 10% at a temperature of 100 °C, a pressure of 10 bar and a moisture content of 13%. In this case, the average density and friction force of the briquettes were 1020 kg/m3 and 44 N/mm respectively. The results showed that regression model of the density and friction test related variables are significant at 5% level. Hence, the variables are involved in the explanation of friction and density. According to the results, the high calorific value and low calorific value of briquettes produced from grass and sawdust are more, and the calorific value of additives has a significant impact on the process of briquette production due to the high sticking effect.

    Keywords: Density, Friction, Briquette, Urban tree pruning waste, grass (calorific value)