基于计算流体力学技术的橙汁超高温瞬时灭菌工艺优化

王金锋，谢 晶,*，汤 毅，王永红，陶乐仁

(1.上海海洋大学食品学院，上海 201306；2.上海理工大学能源与动力学院，上海 200093)

基于计算流体力学技术的橙汁超高温瞬时灭菌工艺优化

王金锋1，谢 晶1,*，汤 毅1，王永红2，陶乐仁2

(1.上海海洋大学食品学院，上海 201306；2.上海理工大学能源与动力学院，上海 200093)

分析果汁中常见的细菌，在得出灭菌所需的最低温度(80℃)的基础上，利用FLUENT软件采用二维轴对称模型对橙汁的超高温瞬时灭菌进行模拟计算。对计算流体动力学(CFD)所得优化工艺进行验证实验，误差在9.5%以内，表明CFD对橙汁的超高温灭菌的模拟是可行的。FLUENT模拟得出了不同温度时灭菌的理想时间分别为：135℃(408K)、13s；140℃(413K)、12s；145℃(418K)、12s；150℃(423K)、11s。同时根据卡诺循环，计算超高温瞬时灭菌的机械能耗，135℃(408K)、140℃(413K)、145℃(418K)、150℃(423K)时的单位橙汁的灭菌机械能耗分别为：5856、6550、6709、7953W。根据能耗最低原则，得到了最优化的灭菌工艺为135℃(408K)、13s。

果汁；超高温瞬时灭菌；热灭菌；流体动力学(CFD)

超高温瞬时杀菌(ultra high temperature treated，UHT)的杀菌温度一般在135～150℃，杀菌时间为数秒钟[1]。由于杀菌时间较短，这种杀菌方法使物料的营养成分损失及其色、香、味变化少，因此UH T的灭菌工艺被广泛的研究和采用。现有的果汁灭菌方式基本上使采取热灭菌的过度灭菌方式，即在灭菌温度范围中，延长灭菌时间以保证彻底灭菌的目的，过度灭菌会导致果汁的营养成分的损失加剧同时色、香、味也会变化较大，目前还没有文献对果汁热灭菌的精确工艺研究报道。

计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)是基于计算机技术的一种数值计算工具，用于求解流体的流动和传热问题[2]。CFD计算相对于试验研究，具有成本低、速度快等优点。CFD在果汁灭菌的许多传热分析中得到了广泛的应用。在果汁的热处理过程，为了保证对食品颜色、质地和营养的破坏程度最小化，期望果汁能够均匀快速地加热到预设的无菌状态[3-4]。一般生产中，利用估算的果汁的平均温度来分析果汁的灭菌效果和灭菌后的果汁质量。Jung等[3]利用CFD对这些估算进行计算证实了实际生产中的灭菌时间过长，即过度灭菌。Siriwattanayotin等[5]利用CFD技术计算了孢子生长速率和最慢加热区(S H Z)的温度随时间的变化。Abdul-chani等[6]利用CFD技术计算了在静止状态下罐装果汁类食品灭菌过程中最慢加热区的瞬时特性，研究结果揭示了罐内传热的状态和时间是有密切关系的。Tattiyakul等[4,7]利用CFD研究发现罐装食品在灭菌中旋转(引起强制对流)会加速加热的均匀化。Abdul-chani等[8]研究了强制对流和自然对流的灭菌效果，发现强制对流是自然对流的4倍。最近CFD技术在灭菌过程中的研究也开始着关注容器形状对灭菌效率的影响[9-10]，研究发现圆锥形顶部朝上的容器可以快速达到灭菌温度。CFD技术对果汁灭菌的研究正在逐步深入[11-15]，其中Kannan等[13]进行对罐装食品灭菌中的传热系数进行了研究，并总结得到了Nusselt数关于Fourier数的试验关联式。但是目前还没有关于果汁灭菌的能耗方面的研究报道。

本实验针对罐装橙汁在超高温瞬时灭菌的工艺，进行CFD的模拟研究，结合CFD技术分析灭菌过程的机械能耗，通过能耗的分析对比得到罐装橙汁超高温瞬时灭菌最优化的工艺。

1 罐装橙汁超高温瞬时灭菌的CFD模型

1.1 罐装橙汁的计算尺寸

橙汁罐长度20cm，直径0.5cm。具体参数见相关文献[16-17]定义：密度ρ＝1026kg/m3，定压比热容CP＝3880J/(kg·K)，导热系数λ＝0.596W/(m·K)，对流换热系数[18]为h＝600W/(m2·K)。

1.2 罐装橙汁的计算条件

计算的边界条件，如图1所示，采用二维轴对称模型进行计算，边界为壁面，中间为橙汁。计算的初始条件，橙汁的温度为27℃，壁面温度为135～150℃。

图1 罐装橙汁的网格划分Fig.1 Meshing of caned orange juice

1.3 计算模型及数据处理方法

果汁在被加热或者冷却过程中的对流换热控制方程为：

采用FLUENT软件进行计算，选择标准的k-ε双方程模型，压力速度耦合采用SIMPLE算法，离散格式采用一阶迎风格式，每个点重复计算2次。经过FLUENT软件计算后的结果导入Tecplot软件，进行数据和图片的处理。同时经过FLUENT计算的结果有针对性地进行数据的输出，然后应用Excel软件进行数据处理。

2 罐装橙汁超高温瞬时灭菌的数值模拟

2.1 灭菌温度

一般果汁中的细菌的致死温度都不高，大肠杆菌一般在72℃左右，沙门氏菌为71.1℃，肉毒梭菌为80℃[19]。另外，由于果汁中的酸性一般都比较低，果汁的pH值一般都在2～4之间，这对细菌的成长也起到了一定的抑制作用[20]，所以在计算中选择80℃作为罐装橙汁灭菌彻底的目标温度。

2.2 稳态温度场的计算

FLUENT软件计算后每一个网格节点的参数都是确定的，通过Tecplot软件进行数据处理，可以得到模拟计算的参数分布。图2为灭菌条件135℃和150℃时稳态温度场分布。稳态计算是在给定条件下与时间无关的计算结果，因此稳态温度场的温度分布是一个恒定值，即达到给定的温度，如图2所示，这种温度的分布是最理想的灭菌温度分布。但是由于灭菌是一个非稳态瞬时的过程，所以需要计算不同灭菌时间下的温度场的分布以研究灭菌的程度，既要保证灭菌彻底，又要保证不能过度破坏营养成分。

图2 稳态状态下橙汁的超高温瞬时灭菌的温度场分布Fig.2 Temperature field distribution of different UHT sterilization processes under the steady condition

2.3 非稳态温度场的计算

在非稳态温度场模拟中，某一时间不同温度条件下橙汁的中心温度并不一致，与周围的温度存在着一定的差异，如图3所示，这表明短时间内由壁面传递到橙汁中心的热量还无法使温度均匀。中心温度是不是达到了要求的目标温度是需要研究的重点问题之一。

由图3a和3b可以看出，135℃(408K)的灭菌温度条件下，12s时橙汁的中心温度为352K，还不满足灭菌的目标温度要求；13s时橙汁的中心温度高于353K(80℃)，满足灭菌的目标温度要求，因此可以得到135℃的灭菌条件下，最优化的灭菌时间13s。同在6s时刻下，灭菌温度为140、145、150℃(图3c、3d和3e)的中心温度分别为331.905、333.316、335K，呈现逐步上升的趋势。尽管橙汁的中心温度不满足目标温度的要求，但是在橙汁中靠近壁面的位置已经满足目标温度的要求，因此如果进一步减少橙汁罐的直径尺寸，就能进一步缩短灭菌的时间。由图3e和3f可以看出，在150℃的灭菌温度下，6s和11s的温度分布基本相似，11s时的温度场整体的温度比6s时要高，壁面的温度相差10K，中心温度相差大于20K。同样的加热温度下，随着加热时间的推进，中心温度和壁面温度的区别逐渐缩小。

图3 非稳态状态下橙汁超高温瞬时灭菌的温度场分布Fig.3 Temperature field distribution of different UHT sterilization processes under the unsteady condition

由图3可知，在不同的非稳态温度场状态下，橙汁的超高温瞬时灭菌中心温度分布也不同。在135℃、6s至150℃、11s的杀菌环境下，中心温度分别为330K至355K不等。而中心的温度是橙汁罐中的最低的杀菌温度。经过模拟试验，可以确定在135℃(408K)，6s条件下的超高温瞬时灭菌条件下的中心最低温度为330K(57℃)，这对于80℃的灭菌标准还具有一定的差距。由图3可以看出，150℃(423K)，11s的超高温瞬时灭菌条件下橙汁的中心温度为355K，这高于目标灭菌温度80℃(353K)。因此150℃(423K)的灭菌温度条件下，灭菌时间11 s是最优化的灭菌时间。同理，可以计算得到135℃(408 K)，最优灭菌时间13 s；140℃(413K)，最优灭菌时间12s；145℃(418K)，最优灭菌时间也是12s。

3 罐装橙汁超高温瞬时灭菌验证实验

使用恒温油槽(CH1506上海方瑞)，对橙汁进行加热灭菌的试验测定。并按照文献[21]的方法，在橙汁罐的热中心(冷点)和壁面各放置一个热电偶，用于记录橙汁被加热时的温度变化。热电偶连接至多点温度采集仪(FLUKE-NetDAQ32)用于记录橙汁被加热时的中心点温度变化情况。灭菌前将装满橙汁的橙汁罐置于恒温水浴锅(SJH-4S，宁波天恒)中，观察温度的变化，待橙汁罐的壁温与中心温度到达27℃后，迅速取出，用吸水纸将罐擦干，然后放入设定好温度的恒温油槽中。

图4 壁面温度135℃时橙汁罐中心温度随时间的变化Fig.4 Change in central temperature of orange juice with sterilization time when the wall temperature was 135 ℃

图5 壁面温度140℃时橙汁罐中心温度随时间的变化Fig.5 Change in central temperature of orange juice with sterilization time when the wall temperature was 140 ℃

分别采用135℃和140℃的温度对橙汁进行加热灭菌，CFD计算结果与试验结果进行比较，比较结果见图4、5。CFD模拟的橙汁罐的中心点的温度上升趋势与试验的上升趋势基本一致，而且误差在9.5%以内。由此可见，CFD模拟所选用的模型是可行的。

由图4、5可以看出，相同时刻下，模拟计算的温度要高于试验测量的温度。这是因为模拟计算中给出恒壁温的边界条件，边界温度是恒定不变的；而试验中恒温油槽的温度控制是在恒定温度下，但是控制的温度是油槽内的平均温度，由于靠近橙汁罐的油温受到橙汁的冷却作用，温度会稍低于油槽内的平均温度，同时橙汁罐的热传导也使温度存在滞后效应。

4 罐装橙汁超高温瞬时灭菌的能耗分析

随着经济的发展，能源日益紧张，能耗成为国家重视，企业关心的一个重点问题。高温灭菌的能耗对于橙汁的生产企业是主要的能耗点之一，所以也是必须要关心的问题。

4.1 超高温瞬时灭菌的能耗计算方法

在橙汁的超高温瞬时灭菌中，通过FLUENT的计算，橙汁的初始时焓值由于初温相同(计算中取27℃)，焓值的初始值相同，为7178J/kg，经过模拟在135℃、13s的加热灭菌条件下焓值的最终值为218118J/kg。表1是各种超高温瞬时灭菌工艺过程的焓值、焓差及能耗数值对比。

表1 各种超高温瞬时灭菌工艺的能耗比较Table 1 Energy consumption comparison among different UHT sterilization processes

假设T2为橙汁的初始温度(27℃)，T1为加热灭菌温度(分别为 135、140、145、150℃)。

由卡诺循环得出：

4.2 最佳灭菌工艺的确定

由表1可以看出，在135℃、13s灭菌条件下单位质量橙汁灭菌消耗的机械耗功是5856W；140℃、12s；145℃、12s；150℃、11s灭菌条件下单位质量橙汁灭菌消耗的机械耗功分别是6550、6709、7953W。由此可知，135℃、13s时能耗是最低的，因此这几种超高温瞬时灭菌的工艺中，135℃、13s是最节能最优化的灭菌工艺。

5 结 论

5.1 针对罐装橙汁在超高温瞬时灭菌时不同灭菌温度：135、140、145、150℃在各个不同时间的温度场的CFD模拟，得到了不同温度下的最佳的灭菌的时间，分别为13、12、12、11 s。

5.2 利用卡诺定理计算了各种超高温瞬时灭菌工艺的机械能耗，135℃、13s；140℃、12s；145℃、12s；150℃、11s灭菌条件下单位橙汁的能耗分别为5856、6550、6709、7953W。

5.3 根据能耗最低原则，得到了最优化的灭菌的工艺为 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

上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金项目(ssc09010)；上海海洋大学博士启动基金项目；上海市教育委员会重点学科建设项目(J50704)

王金锋(1976—)，女，讲师，博士，研究方向为食品冷冻冷藏技术。E-mail：jfwang@shou.edu.cn

*通信作者：谢晶(1968—)，女，教授，博士，研究方向为食品冷冻冷藏技术和食品质量与安全。E-mail：jxie@shou.edu.cn