Интерес исследователей к термической стерилизации пакетов был вызван их одобрением для использования в коммерческих целях при стерилизации продуктов с низким содержанием кислот. Было опубликовано множество статей о преимуществах использования пакетов в пищевой промышленности (Lampi, 1980; Mermelstein, 1978). Стерилизация продуктов в банках была хорошо изучена как экспериментально, так и теоретически с 1920-х годов.
Теорию и практику создания и оценки термических процессов для консервных банок можно найти в нескольких источниках, и математическое моделирование термической обработки также было тщательно рассмотрено (Hayakawa, 1977a, 1977b, 1978; Holdsworth, 1985). Несмотря на то, что пакеты были представлены в 1960-х годах, имеется мало информации о распределении температуры внутри пакетов в процессе стерилизации. Результаты стерилизации продуктов в банках не могут быть распространены на пакеты из-за их более сложной геометрии.
Для анализа упаковок потребуется компьютерное моделирование в трехмерной области. Большинство исследований, проведенных по термической обработке упаковок, были основаны на использовании продуктов с теплопроводным нагревом. Ульссон (Ohlsson, 1980) представил численное решение уравнения теплопроводности в одном измерении для получения оптимального температурного режима для упаковок и достижения минимальной потери вкусовых качеств и питательных свойств обработанных пищевых продуктов. В ходе исследования предполагалось, что геометрическая конфигурация пакетов представляет собой бесконечную плиту, чтобы применить FDM к решению.
Расчеты проводились при различных температурах стерилизации и условиях обработки, чтобы найти оптимальную температуру стерилизации, которая приводила бы к минимальным изменениям качества. Ульссон также показал, что низкая начальная температура и время приготовления реторты (т.е. время, необходимое для того, чтобы температура реторты достигла заданной постоянной температуры обработки после первого включения пара) оказывают лишь незначительное влияние. Мэнсон и др. (1970) разработали модель для оценки термической обработки продуктов с теплопроводным нагревом в жестком прямоугольном контейнере путем решения уравнения теплопроводности в трех измерениях с использованием FDM.
Для оценки летальности и сохранения питательных веществ во время стерилизации использовалась динамика изменения температуры в разных местах внутри контейнера. В ходе моделирования, проведенного Кастило и др. (1980), был представлен аналитический метод для прогнозирования сохранения питательных веществ при нагревании продуктов в прямоугольном пакете.
При этом не учитывалось разложение питательных веществ во время загрузки в реторту и охлаждения во время технологического цикла. Результат показал, что отклонение между прогнозируемыми и измеренными значениями удержания питательных веществ составило 2-16 процентов. Хаякава (Hayakawa, 1977b) разработал компьютерные модели для оценки правильности термической обработки консервированных продуктов, основанные на методе шариковой формулы.
Этот метод может быть применен к пакетам, подвергаемым термической стерилизации при постоянной температуре в реторте. Сравнение методов общей и шариковой формул также было проведено для пакетов, обработанных под водой в вертикальной реторте (Spinak and Wiley, 1982). Все описанные выше методы применимы к прямоугольным контейнерам. Однако, когда пакет, наполненный пищевыми продуктами, помещался в кассету во время процесса стерилизации, он всегда приобретал форму, похожую на подушку.
Предположение о прямоугольной конфигурации было необходимо для упрощения численного решения уравнения теплопроводности, чтобы можно было применить к решению FDM. Эти предположения привели к завышению времени обработки, что привело к меньшему сохранению питательных веществ в пище и большей потере ее вкусовых качеств (Tandon and Bhowmik, 1986). Боумик и Тандон (1987) разработали математическую модель для оценки термической обработки двумерного пакета, содержащего продукты с теплопроводящим нагревом.
В качестве теплоносителя в этом исследовании использовалась горячая вода. Температура, предсказанная моделью, хорошо соответствовала экспериментально измеренным температурам в центре пакета. Показатели удержания питательных веществ, рассчитанные с помощью этой модели, показали близкое соответствие с экспериментальными измерениями. В ходе моделирования Тандона и Боумика (1986) была разработана компьютерная модель для оценки термической обработки пакета, содержащего продукты с теплопроводным нагревом.
В этой модели временное двумерное уравнение теплопроводности было решено с использованием модифицированного FDM-метода для пакета, наполненного пищевыми продуктами. Распределение температуры и степень стерилизации, предсказанные в этом моделировании, были сопоставлены с результатами, полученными с помощью метода конечных элементов, и результаты оказались в близком соответствии.
Критические факторы обработки, которые были выявлены при термической обработке пакетов для реторт, включают толщину пакета, наличие остаточного газа, тип нагревательной среды и рабочее давление (Beverly et al., 1980). Однако объем исследований, позволяющих количественно оценить эти критические факторы в условиях практической обработки, ограничен. Общий коэффициент теплопередачи от теплоносителя (пара и воды) к пакету, содержащему жидкие продукты (соус карри), был теоретически и экспериментально изучен Терадзимой (Terajima, 1975).
Было обнаружено, что общий коэффициент теплопередачи от нагревающей среды к пищевому продукту в пакете определяется главным образом коэффициентом теплопередачи от внутренней поверхности пакета к его содержимому. Однако скорость циркуляции воды, используемой для подогрева, была определена как критический фактор для поддержания постоянной температуры в ретортах во время обработки.
Влияние процесса стерилизации на качество консервов вызывало серьезную озабоченность с самого начала развития консервной промышленности. Кастильо и др. (1980) разработали модель для прогнозирования сохранения питательных веществ, используя кинетику термической деструкции первого порядка в пищевых продуктах, упакованных в одноразовые пакеты, при условии теплопроводного нагрева.
Модель оказалась эффективной при прогнозировании температуры в центре контейнера в конце периода нагрева. Достоверность модели была проверена экспериментально на моделируемых продуктах питания. Однако работа была основана на теплопроводности и не может быть распространена на случаи, в которых конвекция может быть важна.
Гидродинамика и консервная промышленность
Компьютерная гидродинамика (CFD) переживает революцию в настольных системах, подобную той, которая произвела революцию в компьютерах в 1980-х годах (Scott, 1994). CFD — это инструмент, используемый для моделирования течения жидкости, теплопередачи, химических реакций и связанных с ними явлений с использованием численных решений уравнений, описывающих такие явления переноса, например, уравнений Навье–Стокса, которые описывают течение жидкости внутри или вокруг определенной геометрии потока. CFD предлагает инженерам-технологам мощный инструмент для проектирования и проведения исследований.
Его применение помогло бы лучше понять сложные физические механизмы, которые управляют теплофизическими и реологическими свойствами пищевых материалов (Скотт и Ричардсон, 1997). CFD широко применяется в областях передачи жидкости и тепла за пределами пищевой промышленности. CFD лишь недавно был применен в пищевой промышленности. Он нашел применение во многих различных отраслях промышленности, включая воздушный поток в чистых помещениях, духовках и чиллерах, подачу продуктов в системах непрерывного действия и конвекцию при термической обработке (Scott and Richardson, 1997). CFD-модели могут найти широкое применение в различных областях пищевой промышленности.
Он также может быть использован, например, для прогнозирования эффективности перемешивания при конкретной геометрии смесителя, определения среднего времени пребывания турбулентных потоков через теплообменники и определения характера распространения микроорганизмов, находящихся в воздухе, в чистом помещении на заводе. Достижения в области скорости вычислений и объема памяти компьютеров позволяют выполнять все более точные и быстрые вычисления.
Для проведения этих расчетов доступен ряд коммерческих пакетов программного обеспечения, таких как FIDAP, FLUENT, FLOW3-D и PHOENICS, которые были использованы для моделирования, представленного в этой книге. Другие примеры использования CFD-кодов приведены ниже:
в инженерных приложениях, таких как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, химические вещества и процессы, сжигание топлива, электроника, судостроение, металлургия, ядерная промышленность, нефтяная промышленность, энергетика, радиация и очистка воды,
в приложениях для окружающей среды, таких как загрязнение атмосферы, природных вод, безопасность и пожаротушение. распространение в архитектуре и строительной науке, например, поток на футбольном стадионе, поток вокруг автобусных остановок, рассеивание загрязняющих веществ вблизи многоэтажек, рассеивание разливов аммиака в пределах городского комплекса, обтекание группы зданий, и обтекают встроенные ветряные турбины во внутренних потоках, таких как вентиляция аэровокзала, дизайн витрин, оптимизация воздушного потока в чистых помещениях, вентиляция детских кроваток, туннельная вентиляция, движение дыма в туннеле, рассчитываемое с помощью параболической опции, вентиляция концертных залов и вентиляция в газовых камерах и турбинных установках.
В анализе, представленном в следующих главах, использовался коммерческий пакет программного обеспечения для анализа гидродинамики PHOENICS (Concentration, Heat and Momentum Limited [CHAM], Лондон). Ниже приведены некоторые недавние инженерные применения этого кода:
- Технология разделения труб (CHAM для FIAT Research, Италия)
- Моделирование паруса с подветренной стороны (Университет Окленда, Новая Зеландия)
- Термическая и нетермическая стерилизация пищевых продуктов (Университет Окленда, Новая Зеландия)
- Кремниевая конструкция микроплитки (NRC/CHAM, Канада/Великобритания)
- Внутренние волны в океане (Технологический центр Winfrith, Великобритания)
- Течения в водозаборе (Национальная школа Туниса)
- Двухфазные выхлопные газы (S&C Thermofluids Ltd., Великобритания)
- Рассеивание загрязняющих веществ в океане (Petrobras/Chemtec, Бразилия)
- Твердооксидные топливные элементы (NRC/CHAM, Канада/Великобритания)
- Ветряная турбина с расширенным диффузором (Vortec Energy, Новая Зеландия)
- Интерфейс, ориентированный на применение (Petrobras/Chemtec, Бразилия)
- Чистые помещения для фармацевтической промышленности (строительство чистых помещений/Flowsolve Ltd., Великобритания)
- Насос смешанного типа (Lloyd’s Register, Великобритания)
- Вентиляция дорожного туннеля (Vortex de Mexico, Мексика)
- Конвекционная зона котла (Университет Сарагосы, Испания)
- Гиполимнетический аэратор (Vortex de Mexico, Мексика)
- Двухфазный поток в однолетниках (Vortex de Mexico, Мексика)
- Корпус реактора высокого давления (DNST, HMS Sultan, Великобритания)
- Фильтры с уплотненным слоем (S&C Thermofluids/DERA, Великобритания)
Уравнения, которые решает PHOENICS, являются алгебраическими уравнениями, которые являются результатом применения закона сохранения физики к конечным объемам пространства и времени. Код PHOENICS основан на методе конечных объемов (FVM), разработанном Патанкаром и Сполдингом (1972). Ключевой характеристикой этого метода является немедленная дискретизация интегрального уравнения для потока в физическом трехмерном пространстве — то есть вычислительная область охватывает всю банку или пакет, который разделен на несколько частей в трех измерениях, как будет обсуждаться далее.
Подробную информацию об этом коде можно найти в руководствах PHOENICS, особенно в руководстве по языку ввода PHOENICS (PIL) и руководстве пользователя системы меню для начинающих PHOENICS, написанном Радосавлевичем и Ву (1990). FVM и его использование были хорошо объяснены Ферстигом и Малаласекерой (1995). Вычислительные методы для гидродинамики также подробно описаны в нескольких книгах (Ферстиг и Малаласекера, 1995; Вендит, 1992; Ферцигер и Перик, 1996).
Недавно были проведены некоторые исследования по применению CFD для термической обработки пищевых продуктов. Вербовен и др. (1997) рассчитали коэффициент теплопередачи поверхности при термической обработке пищевых продуктов различной формы и при различных условиях нагрева. Результаты расчетов были сопоставлены с экспериментальными результатами, полученными из литературы. В исследовании Юнга и Фрайера (1999) была использована вычислительная модель непрерывной стерилизации пищевых продуктов и разработана модельная система для ламинарного потока в круглых трубах с равномерной температурой стенок.
Профили температуры и скорости были смоделированы с использованием пакета FIDAP CFD. Данные, полученные с помощью модели, были использованы для изучения эффективности процесса непрерывной стерилизации. Вербовен и др. (2000a и 2000b) обсудили проверку достоверности CFD-модели на основе измерений теплопередачи в промышленной электрической печи с принудительной конвекцией. Результаты расчета температуры в печи находились в хорошем качественном соответствии с измеренным распределением температуры.
Применение в вопросах стерилизации
Цель этой статьи — впервые обсудить важное применение CFD для термической стерилизации пакетов, наполненных различными вязкими жидкими пищевыми продуктами, при различных условиях стерилизации. Результаты расчетов будут сопоставлены с результатами предыдущих исследований, а также с некоторыми экспериментальными измерениями, проведенными на факультете химии и материаловедения Университета Окленда, Новая Зеландия, и в Heinzwatt Australasia, расположенном в Хастинге, Новая Зеландия.
В статьях будут показаны следующие примеры стерилизации продуктов в реторт-пакетах:
1. Изучение переходной температуры, профилей скоростей и миграцию СВЗ при естественном конвекционном нагреве продуктов в трехмерном пакете — новой конструкции, которая в настоящее время используется в консервной промышленности.
2. Исследование инактивации бактерий в жидких пищевых консервах, разработка вычислительной процедуры для описания изменений концентрации живых бактерий и их временного пространственного распределения во время стерилизации. Жидкие пищевые продукты будут помечаться и отслеживаться, что является сложной вычислительной задачей для большинства интересующих нас ситуаций с потоками (Datta, 1991). Задачи, описывающие сохранение массы, импульса и энергии, будут решаться численно вместе с задачами для концентраций бактерий с использованием FVM. Кинетика гибели бактерий и влияние температуры на константу скорости разрушения будут введены в программный комплекс с использованием кода на ФОРТРАНЕ с помощью наземного оборудования PHOENICS, которое позволяет использовать пользовательский код.
3. Изучение влияния естественных конвекционных потоков при термической стерилизации на скорость разрушения витаминов С (аскорбиновой кислоты), В1 (тиамина) и В2 (рибофлавина). Это потребует определения концентрации витаминов в различных местах упаковки. Результаты этих исследований могут быть использованы для оптимизации процесса промышленной стерилизации с точки зрения температуры и времени стерилизации. Используя модель CFD, разработанную в ходе вышеупомянутого моделирования для упаковок, можно будет предсказать необходимое время стерилизации, необходимое для упаковок, содержащих любые новые пищевые продукты. Такой анализ позволит сэкономить как энергию, так и время, что имеет большое значение для крупных производственных мощностей в консервной промышленности.