Целью данной работы является моделирование процесса стерилизации гибкой упаковки в автоклаве, выполняемого в “автоклаве”. Стерилизация в автоклавах является одним из наиболее распространенных процессов, направленных на снижение микробиологической нагрузки на упакованные пищевые продукты.
В данном исследовании использовалось программное обеспечение Ansys CFD© для моделирования теплопередачи внутри камеры автоклавирования. Были смоделированы гибкие упаковки, наполненные определенным овощным супом. Кроме того, была смоделирована трехмерная геометрическая конфигурация оборудования, чтобы оценить уровень стерилизации, которого достигает каждая гибкая упаковка в автоклавной камере.
В частности, в течение 5 минут процесса контролировалась внутренняя температура самого некачественного имитируемого продукта, чтобы контролировать изменение времени и температуры. Наконец, модель была валидирована путем сравнения результатов моделирования с результатами, полученными в ходе экспериментальных испытаний.
Вступление
В настоящее время автоклавная обработка насыщенным паром под давлением используется, в частности, для приготовления овощных блюд или супов, которые с трудом поддаются стерилизации в непрерывных процессах. Воду кипятят под высоким давлением, чтобы образовался насыщенный пар, который не должен конденсироваться на поверхности упаковки обрабатываемых продуктов даже при температуре выше 120°C. Тепло, передаваемое паром, должно проходить через упаковку, чтобы достичь внутренней части продукта. Кроме того, из стерилизационной камеры необходимо удалять воздух, избегая образования более холодных зон, где температура может оставаться ниже заданной для стерилизации.
В конце процесса необходимо высушить продукт, чтобы свести к минимуму содержание конденсата. Высокое содержание конденсата может фактически повредить упаковку и способствовать росту бактериальных субстратов. Для этого можно использовать металлические контейнеры, банки или специальные картонные упаковки для напитков, такие как Tetra Recart® или Combisafe®. Во время этого процесса происходят два типа теплопередачи: конвекция и теплопроводность. Скорость конвекции можно значительно увеличить, вызвав принудительную конвекцию с помощью механического перемешивания противней. По этой причине многие автоклавные камеры спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать осевое вращение или продольное перемещение продукта (Двиведи и Рамасвами, 2010; Рамасвами и Двиведи, 2011).
Благодаря этим движениям можно сократить время обработки и получать продукты более высокого качества. В литературе широко изучался вопрос о процессе автоклавирования овощей и других пищевых продуктов (Durance, 1997; Teixera и Tucker, 1997), с целью лучшего понимания принципов применения этой технологии (Simpson et al., 2007). Некоторые авторы пытались подойти к проблеме экспериментально (Двиведи и Рамасвами, 2010 b), но такой подход требует высокой стоимости оборудования и невозможности предсказать поведение процесса, если что-то изменится. В последние годы развитие численного моделирования помогло преодолеть эту проблему и определить наилучшую тепловую настройку процесса (Miri et al., 2008).
Среди различных численных подходов вычислительная гидродинамика CFD оказалась наиболее подходящей для понимания изменения температуры внутри продукта в процессе автоклавирования (Abdul Ghani et al., 2001; Abdul Ghani et al., 2003; Кызылташ и др., 2010; Аугусто и Кристианини, 2011). Все эти исследования в формате letter моделировали 3D-процесс с учетом реальной конфигурации упаковки, но ни в одном из них не рассматривался поток пара, попадающий в упаковку внутри сложной геометрии, подобной “автоклаву”. Аналогичные исследования были проведены в других отраслях пищевой промышленности, таких как производство макаронных изделий (Боттани и др., 2013; Арменцони и др., 2013) или холодильных камер (Амбау и др., 2014), которые показали, насколько важно знание потоков воздуха/пара для пищевых процессов. Целью данной статьи является анализ процесса автоклавирования на примере конкретной секции автоклава с одновременной обработкой 320 упаковок пищевых продуктов. Продукт, протестированный в данной работе, представляет собой тыквенный суп (однородный продукт).
Оборудование
Система управления загрузкой и выгрузкой кирпичей взаимодействует со стерилизатором автоклава. С помощью соединительной системы корзины вставляются или извлекаются из автоклава за несколько минут. Автоклавная система, рассмотренная в данной работе, может содержать до 6 корзин, каждая из которых состоит из шестнадцати лотков, каждый из которых содержит по 70 картонных коробок. Эта система способна стерилизовать до 6720 брикетов по 500 мл или 8640 контейнеров по 390 мл за цикл.
Термический цикл приготовления тыквенного супа длится около 2 часов и состоит из следующих этапов:
— Этап предварительного нагрева: температура внутри стерилизатора повышается до 50°C при давлении в 2 бар;
— Этап подогрева: температура внутри стерилизатора повышается до 110°C при повышении давления. до 4 бар;
— Этап стерилизации: температура внутри стерилизатора достигает 130°C, и пар подается под давлением около 4 бар; в таких условиях продукт обрабатывается в течение определенного времени стерилизации.;
— Этап предварительного охлаждения: температура в стерилизаторе снижается до 105°C при снижении давления до 2 бар;
— Этап охлаждения: температура и давление в системе достигают 1,5 бар;
— Этап разгрузки: когда давление в системе достигает атмосферного, автоклав может быть открыт для разгрузки продуктов. По окончании стерилизации все картонные коробки выгружаются на ленточный конвейер и направляются на вторичную упаковку.
С технологической точки зрения, наиболее важной фазой является стерилизация, особенно в течение 5 минут после достижения температуры внутри продукта 85°C (обычно после 1200 секунд обработки). Это временной диапазон, в котором проводилось моделирование (1200-1500 секунд).
Материалы
Продукт, рассматриваемый в данном исследовании, представляет собой тыквенный суп, расфасованный в четырехслойные картонные коробки объемом 500 мл. Такая упаковка позволяет обрабатывать ее по автоклавной технологии, обладая особой термостойкостью. Продукт заполняется поршневым дозатором, что обеспечивает высокую точность и ограниченный объем (в среднем 13 мл). Для проведения CFD-моделирования были использованы два основных материала: вода, насыщенная паром, и тыквенный суп.
Свойства первого из них хорошо известны и могут быть легко извлечены из библиотеки программного обеспечения. И наоборот, для пищевого продукта необходимо было найти (или вычислить) правильные значения для каждого физического свойства. В частности, для тыквенного супа учитывались следующие свойства: плотность, динамическая вязкость, теплопроводность и теплоемкость. Значения этих свойств были предоставлены вспомогательной компанией, которая в ходе экспериментальных испытаний измерила соответствующие данные.
Для выполнения моделирования был рассмотрен другой материал. Фактически, теплообмен между паром и жидкостью в продукте происходит через тонкую многослойную упаковку. В этом типе упаковки бумага является материалом, который оказывает наибольшее влияние на теплопередачу. По этой причине был рассмотрен только бумажный слой.
Параметры моделирования: геометрия и сетка
Учитывая большие размеры стерилизатора-автоклава, моделирование проводилось с учетом участка всей системы. Из-за сложности домена было решено подойти к решению проблемы с учетом как наличия лотков под картонными блоками, так и домена без лотков (рис. 2 а) и б)). Для каждой конфигурации было загружено 320 кирпичей, однако для термического анализа был использован только 1 кирпич.
Как показано рассматриваемый кирпич расположен в центре третьего слоя, начиная со дна сосудов. Область текучести была получена для обеих конфигураций с использованием ICEM CFD, средства моделирования, связанного с ANSYS CFX. Объемы разделены на конечное число ячеек, на которых выполняется анализ. Сетки были созданы с учетом градиента, учитывающего число Куранта. Это число имеет фундаментальное значение для переходных процессов.
Число Куранта, рассчитанное в Ansys CFX, является многомерным обобщением этого выражения, где шкала скорости и длины основана на массовом расходе в контрольный объем и размере контрольного объема (Ленер, 1987). Чтобы обеспечить корректное моделирование CFD, временной интервал должен быть выбран таким образом, чтобы число Куранта было достаточно малым. Количество ячеек, использованных в моделировании, было определено исходя из грубой сетки и постепенно уточнялось с учетом изменений в результатах. Настройка сетки началась с определения сетки внешней поверхности, как предложено в руководстве по моделированию Ansys solver (Ansys, 2011). В таблице 2 приведены значения сетки поверхности для каждой детали.
Объемная сетка была первоначально задана путем создания равномерного разделения, а затем утолщена в критических областях объема жидкости. В частности, вблизи выходного сечения сопла была использована более тонкая сетка, где можно ожидать, что скорость сдвига будет выше и ближе к стенкам стерилизатора, чтобы точно имитировать пограничный слой потока.
Окончательные сетки были определены, когда повышение качества сетки не привело к каким-либо существенным улучшениям результатов. Общее количество ячеек, созданных для первой сетки (рис. 5а), составляет около 12 500 000, в то время как для второй сетки общее количество созданных ячеек составляет около 11 200 000.
Настройка моделирования: уравнения предметной области и граничные условия
Для исследования изменения температуры внутри картонной упаковки были разработаны трехмерные многофазные двухжидкостные модели. Программное обеспечение ANSYS CFX 14.5 использовалось для решения основных уравнений неразрывности, импульса и энергии для заданной геометрии и связанных с ней граничных условий.
В этой работе, в зависимости от используемых материалов, были созданы три области применения жидкостей: “автоклав”, “упаковочная бумага” и “тыквенный суп”. ANSYS CFX использует концепцию доменов для определения типа, свойств и области жидкости, пористого или твердого вещества. Области — это области пространства, в которых решаются уравнения течения жидкости или теплопередачи. Это включает в себя выбор трехмерных ограничивающих областей и выбор подходящих физических моделей для каждой области. Упаковочная бумага создана как домен интерфейса между доменами “автоклав” и “тыквенный суп”, чтобы соединить два разных домена с разными свойствами и условиями. Граница раздела между поверхностями выполнена в виде сплошного слоя. В этом случае был создан слой бумаги толщиной 0,5 мм.
Экспериментальный метод
Испытания были проведены для подтверждения результатов моделирования и получения термической обработки, способной обеспечить получение полезного для здоровья и безопасного продукта для потребителя. Тесты были разработаны в соответствии со следующими этапами:
1. Анализ продукта
2. Сбор образцов
3. Размещение датчиков температуры внутри упаковки
4. Частичная загрузка автоклава.
5. Контроль и анализ образцов путем вскрытия картонных коробок.
На первом этапе контролировались химические и физические параметры, такие как степень Брикса, рН, кислотность, цвет и текстура. Затем отбирается несколько образцов для проверки веса и пригодности сварки, выполняемой аппаратом. Затем датчики с термопарами были помещены в два контейнера и подключены к регистратору данных ELLAB. Испытания проводились с помощью температурных датчиков, расположенных в двух кирпичных корпусах внутри автоклава, которые ранее считались наиболее уязвимыми.
Наиболее неблагоприятный кирпич был обнаружен на третьем лотке в центральных положениях. После подключения зондов в стерилизатор-автоклав было загружено всего несколько сотен картонных коробок, расположенных в двух секциях, как предполагалось в имитационной модели. В конце процесса проанализированные картонные коробки вынимали и вскрывали, чтобы проверить реальную обработку, полученную продуктом.
Результаты моделирования
Решатель CFX-Post использовался для анализа полей скоростей, температур и давлений внутри стерилизатора-автоклава и области тыквенного супа. Для просмотра результатов процесса использовались различные плоскости сечения. Кроме того, была определена точка, расположенная в центре кирпича (та же точка, куда был вставлен датчик), для контроля температуры в наиболее неблагоприятной зоне всей системы. Для обоих симуляций область автоклава (рисунок 9a) показывает постоянную температуру на уровне 130°C. Что касается скорости пара, то на рисунках 9b), 9c) и 9d) потоки находятся в диапазоне от 0 до 5 м/с.
Результаты моделирования конфигурации с лотками
Анализируя температуру продукта в конфигурации с лотками, было замечено, что продукт нагревается с увеличением времени. На рисунке ниже показана температура внутри кирпича на этапе стерилизации с различными временными интервалами (от 0 до 5 минут) в диапазоне от 85 до 130°C. Температуры также анализировались в зависимости от времени в ранее определенной точке внутри продукта. Начиная с 85° C, температура сердцевины продукта достигает примерно 92,5 ° C через 5 минут. Благодаря разработкам в Microsoft Excel были получены все значения температуры в объеме кирпича. С помощью этих данных мы смогли увидеть динамику изменения температуры в объеме изделия, а не только в определенной точке. Процент увеличения объема представлен в таблице 4. Значения, равные 100%, означают, что температура во всем объеме выше или равна заданной контрольной температуре.
Результаты моделирования конфигурации без лотков
Такое же повышение температуры наблюдается при приготовлении пищевого продукта в конфигурации без лотков. На рисунке ниже показана температура внутри кирпича на этапе стерилизации с различными временными интервалами (от 0 до 5 минут) в диапазоне от 85 до 130°C. В корпусе без поддонов температура наружного слоя выше, чем раньше.
Как и прежде, температуры анализировались в зависимости от времени в ранее определенной точке внутри продукта. Начиная с 85°C, температура сердцевины продукта достигает примерно 95°C через 5 минут. На рисунке 13 описан этот температурный тренд. Как и прежде, благодаря разработкам Microsoft Excel стало возможным рассчитать все температуры в объеме кирпича. Как показано в таблице 5, увеличение процентного объема с повышением температуры наблюдалось в случае без поддонов. Значения, равные 100%, означают, что температура во всем объеме выше или равна установленной контрольной температуре.
Экспериментальные испытания
В соответствии с предписаниями, приведенными в разделе 2.4, было проведено экспериментальное испытание. На рисунке 14 показана динамика температуры в стерилизационном помещении и внутри кирпича в зависимости от времени в одной и той же точке, рассчитанная с помощью моделирования в течение всего процесса. Значения температуры в стерилизаторе-автоклаве и внутри брикета в течение контрольного периода времени (1200-1500 с) с шагом 0,5 мин приведены в таблице 6. Температура продукта была измерена в той же точке, что и при моделировании методом CFD.
Выводы
Целью данной работы было моделирование процесса стерилизации тыквенного супа в гибкой упаковке в автоклаве. В данном исследовании использовалось программное обеспечение Ansys CFD© для моделирования теплопередачи внутри автоклавной камеры. Была смоделирована трехмерная геометрическая конфигурация оборудования, чтобы оценить уровень стерилизации, достигаемый каждой гибкой упаковкой в автоклавной камере.
До сих пор любые исследования были направлены на рассмотрение потока пара, попадающего в упаковку сложной геометрии, например, в автоклаве. В этом исследовании, в частности, в течение 5 минут процесса контролировалась внутренняя температура в наиболее уязвимой точке, чтобы контролировать изменение времени и температуры. Моделирование проводилось с учетом двух конфигураций: одна с поддонами, а другая без них.
Экспериментальная проверка показала лучшие результаты, полученные при моделировании без поддонов, что позволяет лучше понять поведение теплообмена во время рассматриваемого процесса. Затем будут проведены дальнейшие исследования, направленные на улучшение моделирования этого процесса с учетом теплообмена между лотками из нержавеющей стали и бумажной упаковкой, чтобы результаты моделирования еще больше соответствовали реальным.