基于計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的橙汁超高溫瞬時(shí)滅菌工藝優(yōu)化

王金鋒，謝 晶,*，湯 毅，王永紅，陶樂(lè)仁

(1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，上海 200093)

基于計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的橙汁超高溫瞬時(shí)滅菌工藝優(yōu)化

王金鋒1，謝 晶1,*，湯 毅1，王永紅2，陶樂(lè)仁2

(1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，上海 200093)

分析果汁中常見(jiàn)的細(xì)菌，在得出滅菌所需的最低溫度(80℃)的基礎(chǔ)上，利用FLUENT軟件采用二維軸對(duì)稱模型對(duì)橙汁的超高溫瞬時(shí)滅菌進(jìn)行模擬計(jì)算。對(duì)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)所得優(yōu)化工藝進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，誤差在9.5%以內(nèi)，表明CFD對(duì)橙汁的超高溫滅菌的模擬是可行的。FLUENT模擬得出了不同溫度時(shí)滅菌的理想時(shí)間分別為：135℃(408K)、13s；140℃(413K)、12s；145℃(418K)、12s；150℃(423K)、11s。同時(shí)根據(jù)卡諾循環(huán)，計(jì)算超高溫瞬時(shí)滅菌的機(jī)械能耗，135℃(408K)、140℃(413K)、145℃(418K)、150℃(423K)時(shí)的單位橙汁的滅菌機(jī)械能耗分別為：5856、6550、6709、7953W。根據(jù)能耗最低原則，得到了最優(yōu)化的滅菌工藝為135℃(408K)、13s。

果汁；超高溫瞬時(shí)滅菌；熱滅菌；流體動(dòng)力學(xué)(CFD)

超高溫瞬時(shí)殺菌(ultra high temperature treated，UHT)的殺菌溫度一般在135～150℃，殺菌時(shí)間為數(shù)秒鐘[1]。由于殺菌時(shí)間較短，這種殺菌方法使物料的營(yíng)養(yǎng)成分損失及其色、香、味變化少，因此UH T的滅菌工藝被廣泛的研究和采用?，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)度滅菌會(huì)導(dǎo)致果汁的營(yíng)養(yǎng)成分的損失加劇同時(shí)色、香、味也會(huì)變化較大，目前還沒(méi)有文獻(xiàn)對(duì)果汁熱滅菌的精確工藝研究報(bào)道。

計(jì)算流體力學(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[2]。CFD計(jì)算相對(duì)于試驗(yàn)研究，具有成本低、速度快等優(yōu)點(diǎn)。CFD在果汁滅菌的許多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)[3-4]。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。Jung等[3]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)間過(guò)長(zhǎng)，即過(guò)度滅菌。Siriwattanayotin等[5]利用CFD技術(shù)計(jì)算了孢子生長(zhǎng)速率和最慢加熱區(qū)(S H Z)的溫度隨時(shí)間的變化。Abdul-chani等[6]利用CFD技術(shù)計(jì)算了在靜止?fàn)顟B(tài)下罐裝果汁類食品滅菌過(guò)程中最慢加熱區(qū)的瞬時(shí)特性，研究結(jié)果揭示了罐內(nèi)傳熱的狀態(tài)和時(shí)間是有密切關(guān)系的。Tattiyakul等[4,7]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-chani等[8]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)始著關(guān)注容器形狀對(duì)滅菌效率的影響[9-10]，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。CFD技術(shù)對(duì)果汁滅菌的研究正在逐步深入[11-15]，其中Kannan等[13]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)的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。但是目前還沒(méi)有關(guān)于果汁滅菌的能耗方面的研究報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)罐裝橙汁在超高溫瞬時(shí)滅菌的工藝，進(jìn)行CFD的模擬研究，結(jié)合CFD技術(shù)分析滅菌過(guò)程的機(jī)械能耗，通過(guò)能耗的分析對(duì)比得到罐裝橙汁超高溫瞬時(shí)滅菌最優(yōu)化的工藝。

1 罐裝橙汁超高溫瞬時(shí)滅菌的CFD模型

1.1 罐裝橙汁的計(jì)算尺寸

橙汁罐長(zhǎng)度20cm，直徑0.5cm。具體參數(shù)見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[16-17]定義：密度ρ＝1026kg/m3，定壓比熱容CP＝3880J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)λ＝0.596W/(m·K)，對(duì)流換熱系數(shù)[18]為h＝600W/(m2·K)。

1.2 罐裝橙汁的計(jì)算條件

計(jì)算的邊界條件，如圖1所示，采用二維軸對(duì)稱模型進(jìn)行計(jì)算，邊界為壁面，中間為橙汁。計(jì)算的初始條件，橙汁的溫度為27℃，壁面溫度為135～150℃。

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

1.3 計(jì)算模型及數(shù)據(jù)處理方法

果汁在被加熱或者冷卻過(guò)程中的對(duì)流換熱控制方程為：

采用FLUENT軟件進(jìn)行計(jì)算，選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε雙方程模型，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，離散格式采用一階迎風(fēng)格式，每個(gè)點(diǎn)重復(fù)計(jì)算2次。經(jīng)過(guò)FLUENT軟件計(jì)算后的結(jié)果導(dǎo)入Tecplot軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖片的處理。同時(shí)經(jīng)過(guò)FLUENT計(jì)算的結(jié)果有針對(duì)性地進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸出，然后應(yīng)用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 罐裝橙汁超高溫瞬時(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，沙門氏菌為71.1℃，肉毒梭菌為80℃[19]。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[20]，所以在計(jì)算中選擇80℃作為罐裝橙汁滅菌徹底的目標(biāo)溫度。

2.2 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算

FLUENT軟件計(jì)算后每一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的參數(shù)都是確定的，通過(guò)Tecplot軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到模擬計(jì)算的參數(shù)分布。圖2為滅菌條件135℃和150℃時(shí)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布。穩(wěn)態(tài)計(jì)算是在給定條件下與時(shí)間無(wú)關(guān)的計(jì)算結(jié)果，因此穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的溫度分布是一個(gè)恒定值，即達(dá)到給定的溫度，如圖2所示，這種溫度的分布是最理想的滅菌溫度分布。但是由于滅菌是一個(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程度，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。

圖2 穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下橙汁的超高溫瞬時(shí)滅菌的溫度場(chǎng)分布Fig.2 Temperature field distribution of different UHT sterilization processes under the steady condition

2.3 非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算

在非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)模擬中，某一時(shí)間不同溫度條件下橙汁的中心溫度并不一致，與周圍的溫度存在著一定的差異，如圖3所示，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。中心溫度是不是達(dá)到了要求的目標(biāo)溫度是需要研究的重點(diǎn)問(wèn)題之一。

由圖3a和3b可以看出，135℃(408K)的滅菌溫度條件下，12s時(shí)橙汁的中心溫度為352K，還不滿足滅菌的目標(biāo)溫度要求；13s時(shí)橙汁的中心溫度高于353K(80℃)，滿足滅菌的目標(biāo)溫度要求，因此可以得到135℃的滅菌條件下，最優(yōu)化的滅菌時(shí)間13s。同在6s時(shí)刻下，滅菌溫度為140、145、150℃(圖3c、3d和3e)的中心溫度分別為331.905、333.316、335K，呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)。盡管橙汁的中心溫度不滿足目標(biāo)溫度的要求，但是在橙汁中靠近壁面的位置已經(jīng)滿足目標(biāo)溫度的要求，因此如果進(jìn)一步減少橙汁罐的直徑尺寸，就能進(jìn)一步縮短滅菌的時(shí)間。由圖3e和3f可以看出，在150℃的滅菌溫度下，6s和11s的溫度分布基本相似，11s時(shí)的溫度場(chǎng)整體的溫度比6s時(shí)要高，壁面的溫度相差10K，中心溫度相差大于20K。同樣的加熱溫度下，隨著加熱時(shí)間的推進(jìn)，中心溫度和壁面溫度的區(qū)別逐漸縮小。

圖3 非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下橙汁超高溫瞬時(shí)滅菌的溫度場(chǎng)分布Fig.3 Temperature field distribution of different UHT sterilization processes under the unsteady condition

由圖3可知，在不同的非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)狀態(tài)下，橙汁的超高溫瞬時(shí)滅菌中心溫度分布也不同。在135℃、6s至150℃、11s的殺菌環(huán)境下，中心溫度分別為330K至355K不等。而中心的溫度是橙汁罐中的最低的殺菌溫度。經(jīng)過(guò)模擬試驗(yàn)，可以確定在135℃(408K)，6s條件下的超高溫瞬時(shí)滅菌條件下的中心最低溫度為330K(57℃)，這對(duì)于80℃的滅菌標(biāo)準(zhǔn)還具有一定的差距。由圖3可以看出，150℃(423K)，11s的超高溫瞬時(shí)滅菌條件下橙汁的中心溫度為355K，這高于目標(biāo)滅菌溫度80℃(353K)。因此150℃(423K)的滅菌溫度條件下，滅菌時(shí)間11 s是最優(yōu)化的滅菌時(shí)間。同理，可以計(jì)算得到135℃(408 K)，最優(yōu)滅菌時(shí)間13 s；140℃(413K)，最優(yōu)滅菌時(shí)間12s；145℃(418K)，最優(yōu)滅菌時(shí)間也是12s。

3 罐裝橙汁超高溫瞬時(shí)滅菌驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

使用恒溫油槽(CH1506上海方瑞)，對(duì)橙汁進(jìn)行加熱滅菌的試驗(yàn)測(cè)定。并按照文獻(xiàn)[21]的方法，在橙汁罐的熱中心(冷點(diǎn))和壁面各放置一個(gè)熱電偶，用于記錄橙汁被加熱時(shí)的溫度變化。熱電偶連接至多點(diǎn)溫度采集儀(FLUKE-NetDAQ32)用于記錄橙汁被加熱時(shí)的中心點(diǎn)溫度變化情況。滅菌前將裝滿橙汁的橙汁罐置于恒溫水浴鍋(SJH-4S，寧波天恒)中，觀察溫度的變化，待橙汁罐的壁溫與中心溫度到達(dá)27℃后，迅速取出，用吸水紙將罐擦干，然后放入設(shè)定好溫度的恒溫油槽中。

圖4 壁面溫度135℃時(shí)橙汁罐中心溫度隨時(shí)間的變化Fig.4 Change in central temperature of orange juice with sterilization time when the wall temperature was 135 ℃

圖5 壁面溫度140℃時(shí)橙汁罐中心溫度隨時(shí)間的變化Fig.5 Change in central temperature of orange juice with sterilization time when the wall temperature was 140 ℃

分別采用135℃和140℃的溫度對(duì)橙汁進(jìn)行加熱滅菌，CFD計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，比較結(jié)果見(jiàn)圖4、5。CFD模擬的橙汁罐的中心點(diǎn)的溫度上升趨勢(shì)與試驗(yàn)的上升趨勢(shì)基本一致，而且誤差在9.5%以內(nèi)。由此可見(jiàn)，CFD模擬所選用的模型是可行的。

由圖4、5可以看出，相同時(shí)刻下，模擬計(jì)算的溫度要高于試驗(yàn)測(cè)量的溫度。這是因?yàn)槟M計(jì)算中給出恒壁溫的邊界條件，邊界溫度是恒定不變的；而試驗(yàn)中恒溫油槽的溫度控制是在恒定溫度下，但是控制的溫度是油槽內(nèi)的平均溫度，由于靠近橙汁罐的油溫受到橙汁的冷卻作用，溫度會(huì)稍低于油槽內(nèi)的平均溫度，同時(shí)橙汁罐的熱傳導(dǎo)也使溫度存在滯后效應(yīng)。

4 罐裝橙汁超高溫瞬時(shí)滅菌的能耗分析

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源日益緊張，能耗成為國(guó)家重視，企業(yè)關(guān)心的一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題。高溫滅菌的能耗對(duì)于橙汁的生產(chǎn)企業(yè)是主要的能耗點(diǎn)之一，所以也是必須要關(guān)心的問(wèn)題。

4.1 超高溫瞬時(shí)滅菌的能耗計(jì)算方法

在橙汁的超高溫瞬時(shí)滅菌中，通過(guò)FLUENT的計(jì)算，橙汁的初始時(shí)焓值由于初溫相同(計(jì)算中取27℃)，焓值的初始值相同，為7178J/kg，經(jīng)過(guò)模擬在135℃、13s的加熱滅菌條件下焓值的最終值為218118J/kg。表1是各種超高溫瞬時(shí)滅菌工藝過(guò)程的焓值、焓差及能耗數(shù)值對(duì)比。

表1 各種超高溫瞬時(shí)滅菌工藝的能耗比較Table 1 Energy consumption comparison among different UHT sterilization processes

假設(shè)T2為橙汁的初始溫度(27℃)，T1為加熱滅菌溫度(分別為 135、140、145、150℃)。

由卡諾循環(huán)得出：

4.2 最佳滅菌工藝的確定

由表1可以看出，在135℃、13s滅菌條件下單位質(zhì)量橙汁滅菌消耗的機(jī)械耗功是5856W；140℃、12s；145℃、12s；150℃、11s滅菌條件下單位質(zhì)量橙汁滅菌消耗的機(jī)械耗功分別是6550、6709、7953W。由此可知，135℃、13s時(shí)能耗是最低的，因此這幾種超高溫瞬時(shí)滅菌的工藝中，135℃、13s是最節(jié)能最優(yōu)化的滅菌工藝。

5 結(jié) 論

5.1 針對(duì)罐裝橙汁在超高溫瞬時(shí)滅菌時(shí)不同滅菌溫度：135、140、145、150℃在各個(gè)不同時(shí)間的溫度場(chǎng)的CFD模擬，得到了不同溫度下的最佳的滅菌的時(shí)間，分別為13、12、12、11 s。

5.2 利用卡諾定理計(jì)算了各種超高溫瞬時(shí)滅菌工藝的機(jī)械能耗，135℃、13s；140℃、12s；145℃、12s；150℃、11s滅菌條件下單位橙汁的能耗分別為5856、6550、6709、7953W。

5.3 根據(jù)能耗最低原則，得到了最優(yōu)化的滅菌的工藝為 135℃(408K)、13s。

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Optimization of UHT Sterilization Process for Orange Juice Based on Computational Fluid Dynamics (CFD)

WANG Jin-feng1，XIE Jing1,*，TANG Yi1，WANG Yong-hong2，TAO Le-ren2
(1. College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China；2. School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Common bacteria in orange juice were analyzed to determine the lowest temperature needed for sterilizing orange juice. Simulated calculation of the ultra high temperature (UHT) sterilization of orange juice was performed using FLUENT software with 2 D axisymmetric model. The optimized sterilization process based on computational fluid dynamics (CFD) was validated experimentally with an error under 9.5%, indicating that CFD is applicable to simulate UHT sterilization process of orange juice. The optimal sterilization process required 13 seconds at 135 ℃ (408 K), 12 seconds at 140 ℃ (413 K), 12 seconds at 145 ℃ (418 K) and 11 seconds at 150℃ (423 K). Based on the Carnot cycle efficiency, the consumption of mechanical energy at 408, 413, 418 K and 423 K was 5856, 6550, 6709 W and 7953 W, respectively. According to the principle of minimum energy consumption, the optimal sterilization process was sterilization at 135 ℃ (408 K) for 13 seconds.

juice；ultra high temperature short time sterilization；thermal sterilization；CFD

TS255.44

A

1002-6630(2012)16-0030-05

2011-07-02

上海高校選拔培養(yǎng)優(yōu)秀青年教師科研專項(xiàng)基金項(xiàng)目(ssc09010)；上海海洋大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目；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)槭称防鋬隼洳丶夹g(shù)和食品質(zhì)量與安全。E-mail：jxie@shou.edu.cn