基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)的橙汁高溫短時(shí)滅菌工藝優(yōu)化

王金鋒，湯 毅，謝 晶*，袁訓(xùn)宏，肖 虹

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306)

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)的橙汁高溫短時(shí)滅菌工藝優(yōu)化

王金鋒，湯 毅，謝 晶*，袁訓(xùn)宏，肖 虹

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306)

為對(duì)果汁高溫短時(shí)滅菌工藝進(jìn)行精確研究，在確保果汁品質(zhì)時(shí)降低生產(chǎn)中的能耗，對(duì)罐裝橙汁的超高溫短時(shí)滅菌進(jìn)行計(jì)算，分析果汁中常見(jiàn)的細(xì)菌，得出滅菌所需的最低溫度，在此基礎(chǔ)上，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)對(duì)橙汁的高溫短時(shí)滅菌方式進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，探討不同溫度條件下的滅菌最理想時(shí)間條件。結(jié)果表明：120℃(393K)、12min，125℃(398K)、11min，130℃(403K)、8min，135℃(408K)、7min為最理想時(shí)間條件；同時(shí)根據(jù)卡諾循環(huán)，計(jì)算高溫短時(shí)滅菌的能耗，得到單位質(zhì)量橙汁滅菌的機(jī)械耗功率分別為127、150、217、263W。根據(jù)能耗最低的原則可以得到計(jì)算的滅菌溫度范圍中，最優(yōu)滅菌工藝為120℃(393K)、12min。

果汁；高溫短時(shí)滅菌；熱滅菌；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)

高溫短時(shí)殺菌(HTST)是將食品加熱到100℃以上，進(jìn)行短時(shí)間殺菌處理，目前果汁生產(chǎn)廠家較多采用高溫(100～135℃)的滅菌工藝，而且為了降低生產(chǎn)能耗和提高生產(chǎn)效率，生產(chǎn)過(guò)程中多采用預(yù)熱的工藝[1-3]，果汁經(jīng)過(guò)預(yù)熱階段，預(yù)熱達(dá)到60℃至80℃不等的溫度，然后經(jīng)過(guò)瞬時(shí)熱處理?，F(xiàn)有的果汁滅菌方式基本上使采取熱滅菌的過(guò)度滅菌方式，即在滅菌溫度范圍中，延長(zhǎng)滅菌時(shí)間以保證徹底滅菌的目的。過(guò)度滅菌一方面帶來(lái)果汁的營(yíng)養(yǎng)和口味的損失，另一方面也帶來(lái)生產(chǎn)中能耗的增加。因此有必要對(duì)果汁滅菌的工藝進(jìn)行精確地研究，在保證果汁品質(zhì)的條件下降低能耗。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種數(shù)值計(jì)算工具，用于求解流體的流動(dòng)和傳熱問(wèn)題[4]。CFD計(jì)算相對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究，具有成本低、速度快等優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)60年代末，CFD技術(shù)已經(jīng)在流體力學(xué)各相關(guān)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[4]。

CFD在果汁滅菌的傳熱分析中得到了廣泛的應(yīng)用。在果汁的熱處理過(guò)程，為了保證對(duì)食品顏色、質(zhì)地和營(yíng)養(yǎng)的破壞程度最小化期望果汁能夠均勻快速地加熱到預(yù)設(shè)的無(wú)菌狀態(tài)[5-6]，一般生產(chǎn)中，利用估算的果汁的

平均溫度來(lái)分析果汁的滅菌效果和滅菌后的果汁質(zhì)量。利用CFD對(duì)這些估算進(jìn)行計(jì)算證實(shí)了實(shí)際生產(chǎn)中的滅菌時(shí)存在過(guò)度滅菌的現(xiàn)象[5]。Siriwattanayotin等[7]利用CFD技術(shù)計(jì)算了孢子生長(zhǎng)速率和最慢加熱區(qū)(SHZ)的溫度隨時(shí)間的變化。Abdul等[8]利用CFD技術(shù)計(jì)算了在靜止?fàn)顟B(tài)下罐裝果汁類(lèi)食品滅菌過(guò)程中最慢加熱區(qū)的瞬時(shí)特性，他們的研究揭示了罐內(nèi)傳熱的狀態(tài)和時(shí)間是有密切關(guān)系的。Tattiyakul等[6,9]利用CFD研究發(fā)現(xiàn)罐裝食品在滅菌中旋轉(zhuǎn)(引起強(qiáng)制對(duì)流)會(huì)加速加熱的均勻化。Abdul等[10]研究了強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流的滅菌效果，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)流是自然對(duì)流的4倍。最近CFD技術(shù)在滅菌過(guò)程中的研究也開(kāi)始著眼于容器的形狀對(duì)滅菌效率的影響上[11-12]，研究發(fā)現(xiàn)圓錐形頂部朝上的容器可以快速達(dá)到滅菌溫度。許多的CFD技術(shù)對(duì)果汁滅菌的研究在進(jìn)一步深入[13-17]，其中Kannan等[15]進(jìn)行對(duì)罐裝食品滅菌中的傳熱系數(shù)進(jìn)行了研究，并總結(jié)得到了Nusselt數(shù)關(guān)于Fourier數(shù)的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。截止目前，關(guān)于果汁滅菌精確工藝和能耗計(jì)算方面的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

結(jié)合CFD技術(shù)和卡諾定理對(duì)罐裝橙汁在高溫短時(shí)滅菌的工藝進(jìn)行優(yōu)化，為進(jìn)一步發(fā)展果汁的高溫短時(shí)滅菌工藝提供依據(jù)。

1 罐裝橙汁高溫短時(shí)滅菌CFD模型的建立

1.1 罐裝橙汁的計(jì)算尺寸

高溫短時(shí)滅菌的橙汁罐高度為20cm、直徑為5cm。詳細(xì)參數(shù)由文獻(xiàn)[18-19]定義：ρ=1026kg/m3，Cp=3880J/ (kg·K)，k=0.596W/(m·K)，熱對(duì)流密度[20]為α=600W/ (m2·K)。

1.2 罐裝橙汁的計(jì)算條件

圖1 罐裝橙汁的網(wǎng)格劃分Fig.1 Mesh of canned orange juice

如圖1所示，計(jì)算網(wǎng)格為20×80=1600，采用二維軸對(duì)稱(chēng)模型進(jìn)行計(jì)算，邊界為壁面，中間為橙汁。計(jì)算的初始條件：27℃(室溫)。二維軸對(duì)稱(chēng)模型的計(jì)算結(jié)果與三維圓柱形模型的計(jì)算結(jié)果是完全一致，采用二維的模型可以在計(jì)算中節(jié)省大量的計(jì)算時(shí)間?？紤]到微生物的耐熱性不同[21]和生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)實(shí)際需求，選擇高溫滅菌溫度在120～135℃的范圍內(nèi)，因此，計(jì)算中選擇壁面溫度范圍為120～135℃。

2 罐裝橙汁高溫短時(shí)滅菌的數(shù)值模擬

2.1 滅菌溫度

一般果汁中的細(xì)菌的致死溫度都不高，大腸桿菌一般在72℃左右、沙門(mén)氏菌為71.1℃、肉毒梭菌為80℃[22]。另外，由于果汁中的酸性一般都比較低，果汁的pH值一般都在2～4之間，這對(duì)細(xì)菌的成長(zhǎng)也起到了一定的抑制作用[23]，所以在計(jì)算中以80℃作為罐裝橙汁滅菌徹底的目標(biāo)。

2.2 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算

圖2 穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下橙汁的高溫短時(shí)滅菌的溫度場(chǎng)分布Fig.2 Temperature-field distribution of HTST sterilization for orange juice at the steady state

由圖2可以看出，橙汁的高溫短時(shí)滅菌穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)中的溫度是一個(gè)定值，即可以達(dá)到滅菌的溫度，這種溫度場(chǎng)的分布對(duì)滅菌是最理想的。但是由于實(shí)際生產(chǎn)中滅菌是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)瞬時(shí)的過(guò)程，所以需要計(jì)算不同滅菌時(shí)間下的溫度場(chǎng)的分布以研究滅菌的效果：既要保證滅菌徹底，又要保證不能過(guò)度破壞營(yíng)養(yǎng)成分。

2.3 非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算

在非穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算中，各個(gè)溫度滅菌條件下的中心溫度并不一致，與壁面的溫度存在一定的差異，這表明短時(shí)間內(nèi)由壁面?zhèn)鬟f到橙汁中心的熱量還無(wú)法使溫度均勻。而中心溫度是否達(dá)到要求的滅菌溫度或者是可以抑制絕大部分有害細(xì)菌生長(zhǎng)的溫度，是計(jì)算中需要關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。圖3是120(393K)～135℃(408K)狀態(tài)下處于非穩(wěn)態(tài)條件不同時(shí)間的橙汁的高溫短時(shí)滅菌溫度分布。

橙汁在經(jīng)歷高溫短時(shí)滅菌過(guò)程中，不同時(shí)刻的中心溫度與周?chē)吔?壁面)溫度有很大的差別，在120℃(393K)時(shí)加熱6min時(shí)中心溫度為335K，周?chē)吔绲臏囟?80K，兩者相差45K。這是由于橙汁與周?chē)墓薇谕ㄟ^(guò)熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流進(jìn)行熱量的傳遞時(shí)需要一定的時(shí)間，因而導(dǎo)致了中心溫度和壁面溫度存在一定的溫度差。

圖3 非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下橙汁高溫短時(shí)滅菌的溫度場(chǎng)分布Fig.3 Temperature-field distribution of HTST sterilization for orange juice at the unsteady state

由圖3可知，在不同的滅菌時(shí)間下，橙汁的中心溫度分布也不同。同樣6min的滅菌時(shí)間，120～135℃滅菌溫度的中心溫度也不相同，而中心的溫度是橙汁罐中的最低溫度。經(jīng)過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)得到在120℃(393K)，6min條件下的高溫短時(shí)滅菌條件下的中心最低溫度為335K(62℃)，還不能滿足80℃的滅菌要求。130℃(403K)、8min的高溫短時(shí)滅菌條件下橙汁的中心溫度為354K，高于目標(biāo)滅菌溫度80℃(353K)。因此130℃(403K)的滅菌溫度條件下，最優(yōu)化的滅菌時(shí)間為8min。同理，可以得到120℃(393K)，最優(yōu)滅菌時(shí)間12min；125℃(398K)，最優(yōu)滅菌時(shí)間11min；135℃(408K)，最優(yōu)滅菌時(shí)間7min。

對(duì)于在120℃(393K)，6min條件下的高溫短時(shí)滅菌，雖然中心溫度與80℃的滅菌標(biāo)準(zhǔn)相差18℃，由圖3d可以看出，溫度場(chǎng)中存在360～380K的等溫線。因此減少橙汁罐的直徑，就可以實(shí)現(xiàn)縮短橙汁滅菌的時(shí)間。

3 罐裝橙汁高溫短時(shí)滅菌的能耗分析

3.1 高溫短時(shí)滅菌的能耗計(jì)算方法

在橙汁的高溫短時(shí)滅菌中，由于初溫相同(計(jì)算中取27℃)，橙汁焓值的初始值相同，為7178J/kg，經(jīng)過(guò)模擬在120℃、12min的加熱滅菌條件下焓值的最終值為301398.9J/kg。表1是各種高溫短時(shí)滅菌工藝過(guò)程的焓值、焓差。

假設(shè)T2為橙汁的初始溫度(27℃)，T1為加熱滅菌溫度(分別為120、125、130、135℃)。

單位質(zhì)量橙汁加熱滅菌的機(jī)械耗功率為

3.2 最佳滅菌工藝的確定

根據(jù)式(1)～(3)可以計(jì)算得到不同滅菌過(guò)程的能耗(表1)。在120℃、12min時(shí)的機(jī)械耗功是127W；125℃、11min時(shí)的機(jī)械耗功是150W；130℃、8min時(shí)的機(jī)械耗功是217W；135℃、7min時(shí)的機(jī)械耗功是263W。由此可知，120℃、12min時(shí)的滅菌溫度和時(shí)間的組合是最優(yōu)化的滅菌工藝。

表1 各種高溫短時(shí)滅菌工藝的能耗比較Table1 Comparison on energy consumption of HTST sterilization at different temperatures

4 結(jié) 論

利用CFD技術(shù)對(duì)罐裝橙汁的高溫短時(shí)滅菌工藝進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)橙汁在不同滅菌溫度：120(393K)、125 (398K)、130(403K)和135℃(408K)條件下在各個(gè)不同時(shí)間的溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，得到了不同溫度下的最佳的滅菌的時(shí)間，分別為12、11、8、7min。利用卡諾定理計(jì)算各種高溫短時(shí)滅菌工藝的單位質(zhì)量橙汁滅菌的機(jī)械能耗，分別為127、150、217、263W。最終得到了最優(yōu)化的滅菌的工藝：120℃(393K)、12min。本研究結(jié)果可為果汁生產(chǎn)滅菌工藝提供參考。

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Optimization of HTST Sterilization Processing for Orange Juice Based on CFD

WANG Jin-feng，TANG Yi，XIE Jing*，YUAN Xun-hong，XIAO Hong
(College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

In order to explore the accurate sterilization processing with reduced energy, orange juice in bottle was used as the material to subject high temperature-short time (HTST) sterilization for analyzing the lowest sterilization temperature on common bacteria. Computational fluid dynamics (CFD) technology was used to design the mimic experiments of HTST sterilization for orange juice to explore the optimal sterilization time under different temperatures. Results indicated that the optimal sterilization time was 12 min at 120 ℃, 11 min at 125 ℃, 8 min at 130 ℃ or 7 min at 135 ℃. Meanwhile, the energy consumption in above-mentioned four conditions were 127, 150, 217 or 263 W according to the calculation of Carnot cycle. Based on the lowest energy consumption principle, the optimal sterilization processing was 12 min at 120 ℃.

juice；ultra high temperature short time sterilization；thermal sterilization；computational fluid dynamics (CFD)

TS255.44

A

1002-6630(2010)22-0115-04

2010-07-08

上海高校選拔培養(yǎng)優(yōu)秀青年教師科研專(zhuān)項(xiàng)(ssc09010)；上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(J50704)

王金鋒(1976—)，女，講師，博士，研究方向?yàn)槭称防鋬隼洳丶夹g(shù)。E-mail：jfwang@shou.edu.cn

*通信作者：謝晶(1968—)，女，教授，博士，研究方向?yàn)槭称防鋬隼洳亍⑹称钒踩?。E-mail：jxie@shou.edu.cn