فهرست مطالب

مهندسی بیوسیستم ایران - سال پنجاه و سوم شماره 3 (پاییز 1401)

نشریه مهندسی بیوسیستم ایران
سال پنجاه و سوم شماره 3 (پاییز 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/09/15
  • تعداد عناوین: 6
|
  • محمد جمالی فرد، سید مهدی نصیری*، علی محمد شیرزادی فر، علیرضا شهسوار صفحات 215-229
    میوه انار یکی از محصولات باغی مهم در ایران است که علاوه بر ارزش بالای اقتصادی-تجاری از فواید غذایی فراوانی برخوردار است. به دلیل عدم توسعه مناسب صنعت فرآوری این محصول، کارخانه ها از روش های کاملا سنتی و محدود در سنجش کیفیت انار استفاده می کنند که باعث کاهش مرغوبیت کالای تولیدی می شود. در این پژوهش استفاده از فناوری غیر مخرب طیف سنجی مریی-مادون قرمز نزدیک برای تعیین حجم آب میوه انار که از ویژگی های اساسی کیفیت این محصول است مورد بررسی قرار گرفت. داده های طیفی نمونه ها حاصل از اعمال امواج در دامنه 400 تا 2500 نانومتر علاوه بر ارزیابی در حالت پردازش نشده، به پنج روش تصحیح پراکندگی ضربی، متغیر نرمال استاندارد (SNV)، نرمال سازی بردار، مشتق اول و دوم پیش پردازش شدند و مورد ارزیابی قرار گرفتند. سپس به منظور تخمین حجم آب از رگرسیون حداقل مربعات جزیی (PLSR) استفاده شد. پیاده سازی این فرآیند ها در قالب الگوریتم های یادگیری ماشین و با استفاده از نرم افزار PYTHON 3.8  صورت گرفت. برای ایجاد مدل ها، تعداد مولفه های اصلی مرتبط با ویژگی های استخراج شده از امضای طیفی به تعداد 36، کمترین خطا را (61/18) حاصل نمود. نتایج نشان داد که این روش با ضریب تبیین 94 درصد، میانگین خطای مطلق 3/5 و ضریب توافق 98/0 مقدار آب میوه انار را تخمین زد. این نتیجه از ترکیب پیش پردازش SNV با رگرسیون PLSR  در بازه 400 تا 2500 نانومتر حاصل شد. علیرغم تاثیر نوع پیش پردازش داده ها در تخمین میزان آب انار، طیف سنجی مریی-مادون قرمز نزدیک شرایط لازم برای تخمین آب انار را دارا هست.
    کلیدواژگان: انار، روش غیر مخرب، فراطیفی، یادگیری ماشین
  • عبادالله جهان آبادی، سید نعمت الله موسوی*، محمدهاشم موسوی حقیقی، محمدرضا اسلامی صفحات 231-248

    در این مطالعه با استفاده از رویکرد دیمتیل فازی ارتباطات علی بین عوامل و معیارهای مدیریت زنجیره تامین پایدار گوشت مرغ از سه دیدگاه خوشبینانه، بدبینانه و میانه ارزیابی شد. برای این هدف گروهی از متخصصان برای پاسخ های ذهنی به این تاثیرات در قالب پرسشنامه های مقایسه زوجی در نظر گرفته شد. در این راستا، 16 عامل یا معیار موثر بر زنجیره تامین پایدار گوشت مرغ از طریق مرور ادبیات موضوع در این زمینه و همچنین نظرات کارشناسان استخراج شد. این عوامل در چهار دسته بحرانی، تاثیرگذار، وابسته و حذفی تقسیم بندی شدند. نتایج ارزیابی علیت نشان داد که در دیدگاه خوشبینانه بیشتر این عوامل بحرانی و در دیدگاه بدبینانه بیشتر عوامل از نوع حذفی می باشند. نتایج نشان داد رشد سود حاصل از اجرای زنجیره تامین پایدار، هزینه بازیافت مواد در فرایند زنجیره تامین پایدار و سرمایه گذاری محافظت زیست محیطی در فرایند زنجیره تامین پایدار سه عاملی هستند که در هر سه دیدگاه خوشبینانه، بدبینانه و میانه جزء عوامل بحرانی محسوب می شوند. بازیافت منابع استفاده شده در فرایند زنجیره تامین پایدار نیز از جمله متغیرهای تاثیرگذار بر سایر عوامل است. بر این اساس، حمایت دولت از گسترش فناوری ها و تکنولوژی های نوین، توسعه زیرساخت های لجستیکی و افزایش بهره وری مصرف انرژی و آب در طول زنجیره تامین گوشت مرغ می تواند ضمن افزایش سود به کاهش هزینه بازیافت مواد و گسترش سرمایه گذاری محیط زیستی نیز کمک کند.

    کلیدواژگان: گوشت مرغ، ارتباط علی، زنجیره تامین پایدار، دیمتیل فازی
  • ابراهیم چاوشی، ابراهیم احمدی*، علی علوی نیا، رحمن سیفی صفحات 249-267
    میوه سیب در طی فرآیندهای پس از برداشت تحت تاثیر بارهای ضربه ای متعددی قرار می گیرد که منجر به آسیب و کوفتگی می گردد. این مطالعه با هدف شبیه سازی نیروها و تحلیل صدمات ایجاد شده در سیب رقم رد دلیشز بر اثر اعمال بارهای ضربه ای، به منظور ارایه راهکارهایی برای طراحی فرآیندها و تجهیزات مناسب انجام شد. برای رسیدن به این هدف خواص فیزیکی و مکانیکی سیب در سه بخش پوست، گوشت و هسته تعیین گردید. در شبیه سازی المان محدود برای دو بخش گوشت و هسته مدل ماده ویسکوالاستیک و برای بخش پوست مدل ماده الاستیک-پلاستیک، در نرم افزار آباکوس تعریف شد. در بخش بارگذاری شبیه سازی، پارامترهای مورد نیاز به صورت دینامیکی تعریف شد و نتایج آزمون ضربه پاندول به دو روش نیرو-زمان و سرعت-زمان در 3 سطح ضربه وارد نرم افزار شد و نتایج دو روش شبیه سازی با هم مقایسه شد. حجم آسیب با استفاده از تصاویر میکروسکوپ الکترونی تعیین شد. نتایج نشان داد، حداکثر نیروی مجاز در بارگذاری دینامیکی معادل 20 نیوتن می باشد و در روش شبیه سازی بر اساس داده های نیرو-زمان، حجم کوفتگی 9/5 درصد با نتایج آزمون تجربی و مقدار نیروی برخورد خروجی نرم افزار 76/4 درصد نسبت به آزمون پاندول اختلاف دارد. در روش شبیه سازی بر اساس داده های سرعت-زمان، حجم کوفتگی 97/15 درصد و مقدار نیروی برخورد 63/13 درصد نسبت به آزمون پاندول اختلاف دارد. بنابراین، روش شبیه سازی بر اساس داده های نیرو-زمان برآورد بهتری نسبت به شبیه سازی  بر اساس داده های سرعت-زمان ارایه می دهد.
    کلیدواژگان: سیب رد دلیشز، ویسکوالاستیک، شبیه سازی المان محدود، آزمون ضربه پاندول، حجم کوفتگی
  • جلیل تقی زاده طامه، حسین موسی زاده*، شاهین رفیعی، نازیلا طربی صفحات 269-288

    سیال های چندفازی، بخش اصلی بسیاری از فرایندهای صنعتی هستند و به همین دلیل پایش و کنترل آن ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. چگالی یکی از مهمترین مشخصه های سیال بوده و اندازه گیری برخط آن برای پایش و کنترل سیال امری ضروری است. در این پژوهش یک سامانه توموگرافی القای الکترومغناطیسی با جریان اعمالی (AC-MIT) برای اندازه گیری چگالی سیال چندفازی درون لوله طراحی و ساخته شد. بخش های اصلی این سامانه شامل حسگرهای فرستنده و گیرنده، سامانه تحصیل داده و الگوریتم حل مسیله می باشد. در این سامانه از حسگرهای فرستنده ابتکاری استفاده شد که شامل دو الکترود حلقوی بوده و بر روی دیواره محیط نصب می شوند. حسگرهای گیرنده شامل تعدادی کویل هستند که دورتادور محیط موردنظر و با فاصله یکسان قرار می گیرند. حل مسیله معکوس در سامانه AC-MIT با استفاده از الگوریتم حل تکراری گوس-نیوتن و روش منظم سازی تیخونوف انجام شد. در ارزیابی عملکرد سامانه از آب شور به عنوان فاز حامل و مخلوط خاک و ماسه به عنوان فاز جامد استفاده شد. تاثیر تغییرات دما و شوری بر روی چگالی اندازه گیری شده توسط سامانه در پنج سطح مختلف با استفاده از روش سطح پاسخ و تجزیه واریانس مورد بررسی قرار گرفت. نتایج ارزیابی ها نشان داد که بین غلظت های جرمی اندازه گیری شده در دو حالت اندازه گیری دستی (به عنوان شاهد) و اندازه گیری توسط سامانه AC-MIT یک رابطه خطی با ضریب تعیین قابل قبول (بازه 98/0 تا 99/0) وجود دارد. نتایج تحلیل های آماری نشان داد که سطوح مختلف دما و شوری فاز حامل و همچنین اثر متقابل آن ها، تاثیر معنی داری بر عملکرد سامانه ندارد.

    کلیدواژگان: الکترود حلقوی، الگوریتم حل تکراری گوس-نیوتن، قانون بیوت-ساوارت، مسئله بدرفتار
  • احسان سرلکی، محمدحسین کیانمهر*، علی ماشاالله کرمانی، مرضیه قربانی، مرتضی آغباشلو صفحات 289-309

    در این پژوهش، فرآیند نیترو-هیومیفیکاسیون در فاز جامد جهت فعال سازی ترکیبات نیترو-هیومیکی لیگنایت با فرآوری متوالی دو مرحله ای به کمک غنی سازی نیتروژن (استفاده از معرف های پتاسیم هیدروکسید و اوره به ترتیب به عنوان عامل فعال ساز هیومیک اسید و غنی ساز نیتروژن) و اکسیداسیون ازن در یک راکتور بستر ثابت توسعه داده شد. تغییرات در عناصر اصلی، شاخص طیفی هیومیفیکاسیون (E4/E6)، عامل سازی سطح و ویژگی های بافتی ساختار به ترتیب با آنالیز CHNOS، طیف سنجی فرابنفش-نور مریی (UV-VIS)، تبدیل فوریه مادون قرمز (FT-IR) و آنالیز سطح ویژه مبتنی بر مدل های BET، BJH و t-plot بررسی شد. نتایج نشان از افزایش در بازده ترکیبات هیومیکی محلول در قلیا و آب به ترتیب 25/2 و 94/2 برابر نسبت به روش مرسوم استخراج قلیایی داشت. یک کاهش 5/14 درصدی در محتوای کربن ناشی از اکسیداسیون ازن همراه با 15/8 درصد غنی سازی نیتروژن حاصل از پیش فرآوری اوره منجر به نسبت ایده آل هیومیفیکاسیون (C/N) تا مقدار 6/5 درصد و افزایش درجه اکسیداسیون (O/C) تا مقدار 94/0 شد. همچنین نسبت E4/E6 تا مقدار 8/6 و شاخص شوری 21/46 درصد برای ترکیبات نیترو-هیومیکی در سطح مطلوبی قرار داشت. تجزیه پیوندهای دوگانه کربن های آروماتیک و تبدیل موثر نیتروژن به فرم های نیتروژن آمید و آلی پیوندی در اثر اکسیداسیون ازن به خوبی توسط آنالیز عنصری CHNOS و طیف سنجی FT-IR به اثبات رسید. در اثر اکسیداسیون ازن، منافذ اصلی در لیگنایت عمدتا به مزوحفره تبدیل شد. به طور کلی، نتایج نشان داد که اکسیداسیون ازن علاوه بر افزایش تولید و کیفیت ترکیبات نیترو-هیومیکی، محصول نهایی را از یک ارزش رقابتی و قیمت کمتری نسبت به سایر کودهای هیومیکی نیتروژنی تجاری برخوردار می سازد.

    کلیدواژگان: اکسیداسیون ازن، اوره، ترکیبات نیترو-هیومیکی، فعال سازی فاز جامد، لیگنایت
  • مهشید پارسایی، محمد حجتی*، محمد نوشاد، مهرداد نیاکوثری صفحات 311-326
    تاثیر سه نوع برشته کاری صنعتی (سبک، متوسط و تیره) بر خصوصیات دو نوع قهوه سبز وارداتی کافیا عربیکا (عربیکا) و کافیا کنفورا (روبوستا) بررسی گردید. میزان رطوبت و فعالیت آبی دانه ها طی برشته کاری به طور معنی داری کاهش یافت. در برشته کاری تیره میزان رطوبت دانه های روبوستا و عربیکا به ترتیب 39/0 و 41/0 درصد بود. مقادیر کافیین و کلروژنیک اسید در قهوه سبز و برشته روبوستا بیشتر از عربیکا بود. کافیین در هر دو نوع قهوه طی برشته کاری افزایش یافت و به ترتیب به 7/149 و 8/61 میلی گرم در لیتر در روبوستا و عربیکای برشته شده تیره رسید. اسیدکلروژنیک طی برشته کاری کاسته شد و در برشته کاری تیره مقدار بسیار اندکی اسیدکلروژنیک (21/0-0 میلی گرم در لیتر) در نمونه های مورد مطالعه باقی ماند. برشته کاری موجب تردی بیشتر دانه های قهوه شد. میزان سختی دانه های سبز از 0/34-4/33 به 8/14-0/14 نیوتن در نمونه های برشته شده تیره رسید. خصوصیات رنگی دانه های قهوه در اثر بودادن عمدتا از سبز به قهوه ای تغییر یافت. برشته کردن فعالیت آنتی اکسیدانی نمونه های قهوه را کاهش داد و با افزایش دما و زمان، افت بیشتری یافت. فعالیت آنتی اکسیدانی نمونه های برشته شده تیره در بیشترین غلظت به 1/38-1/30 درصد مهار رادیکال آزاد رسید. بودادن بهبودی قابل توجهی در خصوصیات حسی نوشیدنی قهوه ایجاد کرد. نوشیدنی حاصل از قهوه عربیکا رنگ ظاهری، عطر و طعم بهتری نسبت به قهوه روبوستا داشت. نوشیدنی قهوه دانه عربیکای برشته سبک دارای پذیرش کلی بالاتری بود. مخلوط کردن دو نوع قهوه روبوستا و عربیکا و برشته کردن سبک و متوسط می تواند پیشنهاد مناسبی جهت تهیه یک قهوه با خصوصیات مطلوب شیمیایی و حسی باشد.
    کلیدواژگان: بودادن، کافئین، اسیدکلروژنیک، رنگ
|
  • Mohammad Jamalifard, Seyed Mehdi Nassiri *, Ali Mohammad Shirzadifar, Alireza Shahsavar Pages 215-229
    Pomegranate fruit is one of the essential garden products in Iran, which, in addition to its high economic-commercial value, has many nutritional benefits. Due to the lack of appropriate development of the industry in the processing sector for this product, factories use completely traditional and limited methods for measuring the quality of pomegranate, which reduces the quality of the processed product. In the present study, the feasibility of visible and near-infrared (Vis/NIR) spectroscopy as non-destructive technology was used to determine the pomegranate fruit juice volume, which is one of the crucial quality attributes of the product. Spectral data of the samples obtained by applying waves in the range of 400 to 2500 nm, were evaluated by five methods including multiplicative scatter correlation, standard normal variate (SNV), vector normalization, first derivative, second derivative, as well as non-processed state. Then partial least square regression (PLSR) was used to estimate the juice volume. These processes were implemented according to machine learning algorithms using PYTHON 3.8 software. Lowest modeling error (18.61) was achieved with 36 principal components of extracted features from spectral signature. The results showed that this method estimated the amount of pomegranate juice with a coefficient of determination of 94 %, mean absolute error of 5.3 and distance of 0.98. This outcome resulted from combination of SNV preprocessing with PLSR regression in the range of 400 to 2500 nm. In spite of the effect of preprocessing for juice volume estimation, Vis-NIR spectroscopy possess desired condition for estimation of pomegranate juice volume.
    Keywords: Hyperspectral, Machine learning, non-destructive method, pomegranate
  • Ebad Allah Jahanabadi, Seyed Nematolla Mousavi *, MohammadHashem Moosavihaghighi, MohammadReza Eslami Pages 231-248

    In this study, using the fuzzy DEMATEL approach, causal relationships between factors and criteria for sustainable chicken meat supply chain management were evaluated from three perspectives: optimistic, pessimistic and moderate. For this purpose, a group of experts was considered for mental responses to these effects in the form of paired comparison questionnaires. In this regard, 16 factors or criteria affecting the sustainable supply chain of chicken meat were extracted by reviewing the literature in this field as well as the opinions of experts. These factors were divided into four categories: critical, effective, dependent and elimination. The results of causal evaluation showed that in the optimistic view most of these factors are critical and in the pessimistic view most of the factors are elimination type. The results showed that the growth of profits from the implementation of sustainable supply chain, the cost of material recycling in the process of sustainable supply chain and investment of environmental protection in the process of sustainable supply chain are three factors that are critical in all three perspectives: optimistic, pessimistic and moderate. Recycling of resources used in the sustainable supply chain process is also one of the variables affecting other factors. Accordingly, government support for the development of new technologies, the development of logistics infrastructure and increasing energy and water productivity along the chicken supply chain not only can increase profits, but also reduce recycling costs and expand environmental investment.

    Keywords: Chicken meat, Causal Relationship, Sustainable Supply Chain, Fuzzy DEMATEL
  • Ebrahim Chavoshi, Ebrahim Ahmadi *, Ali Alavi Nia, Rahman Seifi Pages 249-267
    Apple fruit is subjected to multiple impact loads during postharvest processes, which leads to injury and bruising. The aim of this study was to simulate the forces and analyze the damage caused to the Red Delicious apple cultivar due to the impact loads, in order to provide solutions for designing appropriate processes and machines. To achieve this goal, the physical and mechanical properties of apples in three parts of skin, flesh and core were determined. In the finite element simulation was defined for the two parts of the flesh and core of the viscoelastic material model and for the skin part of the elastoplastic material model in ABAQUS software. In the loading section of the simulation, the required parameters were defined dynamically and the results of the pendulum impact test were entered into the software in two methods of force-time and velocity-time in 3 impact levels. The results of the two simulation methods were compared. Damage volume was determined using electron microscope images. The results showed that the maximum allowable force in dynamic loading is equal to 20 N and in the simulation method based on force-time data, the bruise volume was 5.9% different from the results of the experimental test and the amount of software output force was 4.76% different from the pendulum test. In the simulation method based on velocity-time data, the bruise volume is 15.97% and the impact force is 13.63% different from the pendulum test. Therefore, the simulation method based on force-time data provides a better estimate than the simulation based on speed-time data.
    Keywords: Red Delicious, Viscoelastic, finite element simulation, Pendulum Impact Test, Bruise volume
  • Jalil Taghizadeh-Tameh, Hossein Mousazadeh *, Shahin Rafiee, Nazilla Tarabi Pages 269-288

    Multiphase flows are a major part of many industrial processes, and therefore their monitoring and control is importance. Density is one of the most important characteristics of fluid and its online measurement is essential for the fluid monitoring and control. In this research, an applied current magnetic induction tomography (AC-MIT) system was designed and constructed to measure the density of multiphase flow in pipeline. The main components of the AC-MIT system include the transmitter and receiver sensors, data acquisition system and problem solving algorithm. In AC-MIT system, innovative transmitter sensors were used, which include two annular electrodes and mounted on the wall of the media. Receiver sensors include a number of coils that are installed around the media. Iterative Gauss-Newton algorithm with Tikhonov regularization method was used to solve the inverse problem. To evaluate performance of the AC-MIT system, Saline water and soil-sand mixture were used as the liquid and solid phase, respectively. The effect of temperature and salinity levels (Five different temperature and salinity levels) was investigated using the response surface method and ANOVA. The results showed that there is a linear relationship between the mass concentrations measured in the two modes (manual measurement and measured by AC-MIT system) with an acceptable coefficient of determination (R2 in the range of 0.98 to 0.99). The results of statistical analysis showed that different levels of temperature and salinity of the carrier phase as well as the interaction of temperature and salinity did not have a significant effect on system performance.

    Keywords: Annular electrodes, Iterative Gauss-Newton algorithm, Biot-Sawart law, Ill-posed Problem
  • Ehsan Sarlaki, MohammadHossein Kianmehr *, Ali Mashaallah Kermani, Marzieh Ghorbani, Mortaza Aghbashlo Pages 289-309

     In this work, solid-phase nitro-humification process was developed to activation of lignitic nitro-humic substances (NHSs) by using the two-step sequential treatment assisted by nitrogen enrichment (using KOH and urea as a humic acid activator and a nitrogen enrichment agent, respectively) and ozone oxidation in fixed-bed reactor. The changes in main elements, spectral index of humification (E4/E6), surface functionalization, and textural properties were determined by CHNOS analysis, ultraviolet-visible (UV-VIS), Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy, and specific surface area (SSA) analysis based on BET, BJH and t-plot models, respectively. The results revealed the increasing 2.25 and 2.94-folds on the yield of alkali and water-soluble NHSs, respectively, compared to the conventional alkaline extraction method. A 14.5% reduction in the carbon content owing to ozone oxidation and 8.15% nitrogen enrichment resulting from urea pretreatment led to an ideal humification ratio (C/N ratio=5.6) and a higher degree of oxidation (O/C ratio=0.94). Also, E4/E6 ratio up to 6.8 and salt index of 46.2% for NHSs were at an acceptable level. The decomposition of double bonds of aromatic carbons and the effective transformation of nitrogen into amide and organic nitrogen forms due to ozone oxidation were well proven by elemental analysis of CHNOS and FT-IR spectroscopy. As a result of ozone oxidation, the main pores in lignite were mainly turned into mesopores. Collectively, the results demonstrated that ozone oxidation, in addition to enhancing the yield and quality of NHSs, provide an end product with a competitive value and a lower price than other commercial nitrogenous humic fertilizers.

    Keywords: Lignite, Nitro-humic substances, ozone oxidation, Solid-phase activation, Urea
  • Mahshid Parsaei, Mohammad Hojjati *, Mohammad Noshad, Mehrdad Niakousari Pages 311-326
    The effect of three types of industrial roasting (light, medium, and dark) on the characteristics of two varieties of imported green coffee, Coffea arabica (Arabica) and C. canephora (Robusta) was investigated. The moisture content and water activity of samples decreased significantly during roasting. In dark roasting, the moisture contents of Robusta and Arabica beans were 0.39 and 0.41%, respectively. The caffeine and chlorogenic acid levels in green and roasted Robusta coffee were higher than Arabica coffee. The caffeine increased during roasting and reached 149.7 and 61.8 mg/l in dark roasted Robusta and Arabica, respectively. Chlorogenic acid decreased during roasting and in dark roasting, a very small amount (0-0.21 mg/l) remained in the studied samples. Roasting made the coffee beans crispier. The hardness of green beans decreased from 33.4-34.0 to 14.0-14.8 N in dark roasted samples. The color properties of coffee beans mainly changed from green to brown. Roasting reduced the antioxidant activity of the coffee and it decreased further with increasing temperature and time. The antioxidant potential of dark roasted samples reached 30.1-38.1 % of free radical inhibition at the highest concentration. Roasting produced a significant improvement in the sensory characteristics of the coffee drink. The drink made from Arabica coffee had a better appearance, aroma and taste. The coffee drink made from light roasted Arabica beans had a higher overall acceptance. Mixing two types of Robusta and Arabica coffee and roasting light and medium can be a good suggestion to prepare a coffee with desirable chemical and sensory properties.
    Keywords: Roasting, caffeine, chlorogenic acid, Color