基于互联网的免费食品加工虚拟实验

赵学伟,张 华

(1.郑州轻工业大学食品与生物工程学院,河南 郑州 450001;2.河南省冷链食品质量安全控制重点实验室,河南 郑州 450001)

实验教学有利于学生加深对理论教学内容的理解,是整个教学活动的重要环节。通过实验教学还可以增强学生的动手能力、沟通能力、合作能力等。工程教育认证现已成为我国高等教育的重要组成部分,其最终目标是培养一名合格的工程师[1],而实验教学是培养学生解决复杂问题能力的重要环节。

由于受学时和实验条件的限制,传统的动手实验很难保证每个学生得到均等的训练机会,也很难验证多个假设条件下的实验结果。虚拟实验除具有投资少等优点外,通常以形象生动的画面显示结果,很容易激起学生的学习兴趣[2]。在虚拟实验平台上,学生可以方便地改变输入条件,基于不同的假设和模型输入,得到不同的结果,验证不同的方案或预想[3],这有助于培养学生的发散思维能力,还可以提高学生的参与度,观察到难以测定的参数。

虚拟实验在国外早有应用,这几年在我国也得到了很大发展。Zillesen最早于1993年[4]将教学模拟软件应用于食品及生物工程的教学。Rabi等[5]将食品自然对流冷却的计算机流体力学模拟引入食品工程的教学中。近年来,虚拟实验在我国食品专业的教学实践中已有应用,但重点是实验操作[6]或检测[7]。与此相比,国外的虚拟实验更注重基于工程原理对加工过程进行理论计算[8],近几年在可视化、复杂程度[9,10]以及应用范围[11]方面也在逐步提高。尽管文献中报道了一些虚拟实验软件[2,6,7,11],但都不能免费使用。这里介绍一些笔者在教学过程中接触到的几个免费的食品加工虚拟实验网络资源,这些资源,有的仅可以在线运行,有的还可以下载,在一定的计算机环境下运行。希望这些资源能够对教师的实验教学有帮助,提高学生的工程计算和分析能力。

1 R. Paul Singh教授建立的虚拟实验平台

该平台(http://www.rpaulsingh.com/learning/virtual/virtual.html)为美国加利福尼亚大学戴维斯分校生物与农业工程系、食品科学与技术系的食品工程教授R. Paul Singh所创建。共包括23个实验,点击每个实验后,弹出该实验的界面,每个实验都包含如下内容:概述:主要介绍实验目的和教学目标;工业系统:主要介绍该实验内容在工业上的应用或重要性;实验步骤:十分简要地描述了实验过程,必要时附有图片;理论:介绍该实验的理论基础,必要时给出了数学公式;虚拟实验:该软件的特点是涉及的很多参数(包括食品的、介质的)都可以人为设定,采用滑块或直接输入数据,点击开始实验,曲线呈动态变化显示结果,有些实验还配有云图,实验数据输出为csv文件,可以采用Excel打开后自己进行数据分析;数据分析:这是该软件的亮点,一步步地介绍了如何在Excel中处理实验数据,必要时还辅以图片;此外,还有讨论、网络资源、参考文献3方面的内容。现将该平台中各实验的名称、内容简介及分析操作的主要内容汇总于表1,便于教学过程中合理选用。

表1 R. Paul Singh虚拟实验平台实验项目主要信息汇总

R. Paul Singh于2004年编写了《Virtual experiments in food processing》一书,2009年又与土耳其安卡拉大学食品工程系的F. Erdogdu教授合编了该书的第二版,将实验增加到27个。与新书配套的虚拟实验软件仅有光盘版。目前已有30多个国家购买了该软件,美国有10多所大学将该虚拟实验用于教学[12]。

2 FEPSIM虚拟实验平台

该平台的网址为http://fepsim.food.teithe.gr/fepsim/Default.aspx,来自希腊亚历山大技术教育学院食品技术系的食品工程过程模拟模块(FEPSIM)项目。该项目的目的是为教师提供一个可视化的计算工具以加强课堂教学的理论分析部分,帮助学生更好地理解食品加工过程中的一些现象。平台构建所需的底层数据来自采用Matlab、ANSYS CFX/FLUENT软件对过程的模拟计算[9]。该平台共有9个虚拟实验,每个实验的界面包括3部分:上方为参数输入窗口、过程示意图或模拟动图及模拟结果线图;中间有背景知识和使用说明两个按键;下面有多道测试题,采用选择题的形式。下面简要介绍各实验的特点和功能:

(1)等温管流。可选用的物料包括水、油、果汁、西红柿酱、淀粉悬混液,管径0.1m、管长30m。在选定流体、流速和管壁的粗糙度以后,点击“update”按钮,物性参数自动赋值。然后点击运行按钮,开始显示流体流动的动图,运行结束后,在最下面以线图形式给出压力降沿管长的变化。

(2)非等温管流。流体仅有水和油两种,管径0.1m、管长30m、流体初始温度291K都为定值,设定流速、外部加热流体的温度和对流换热系数。最下面的线图显示温度和通过管壁的热通量随时间的变化。

(3)多层圆筒稳态传热。先选定内、外流体的温度和对流传热系数、内管管径(1-3层,可选),再定义各层的厚度及热导率。点击刷新,线图显示温度和热通量沿管径方向上的变化,三维的过程示意图也给出温度变化曲线,可以进行图的旋转和拖动。

(4)多层大平板稳态传热。可以设定大平板两侧的对流传热系数、温度,以及平板的数量、每个板的厚度和热导率。点击刷新即呈现实验结果。

(5)套管换热器。管内流体可以是水或乙醇,管外流体只能是水;可以是同向流或逆流。选定两流体的流速和进口温度,点击刷新以后,二流体的密度、黏度、热导率、比热自动赋值,最下方的线图给出管壁热通量及温度沿管长的变化。

(6)罐头杀菌。罐头的尺寸一定、初温一定,实验材料可以是水、浓缩牛奶或熟牛肉,可以勾选是否考虑自然对流。选定外部加热介质的温度和加热介质与罐头之间的对流换热系数后,点击运行,动图显示杀菌过程中的温度分布,线图显示罐头中心温度和F值随杀菌时间的变化。

(7)搅拌容器内液态食品加热。圆柱形容器的尺寸和食品初温固定,物料可以是水或浓缩牛奶,勾选是否考虑自然对流。选定搅拌子的转速和对流传热系数后,点击运行,线图给出平均温度随时间的变化。

(8)批量式质量守恒操作。先加载各种物料组分,定义容器容量,然后通过编辑按钮定义容器内的各组分质量分数,根据实际情况选择性定义进、出容器的每个物料流中各组分的质量分数和质量流量,然后点击计算即可。

(9)连续式质量守恒操作。参数设置与批量式连续操作的基本相同,要对每一个分步骤进行定义。

R. Paul Singh平台中所涉及的计算较为简单,对于一些复杂过程,如果蔬的水冷却、食品的热风干燥,在分析计算时都做了简化处理。与此相比,FEPSIM平台中涉及的数值计算较为复杂,其实际的模拟运算结果是借助于专业软件得到的,进行了数据整合和可视化处理。该平台的不足在于物料选项有限,一些模块中的物料的初温也不可变,但已能够满足教学要求。

3 MESTRAL平台

MESTRAL是食品加工建模与模拟的法语首字母缩写,受法国的AgreenCamp项目资助而新近创建,在线平台上有15个模块,各模块的主要信息汇总于表2。

表2 MESTRAL平台中各模块主要信息

续表2 MESTRAL平台中各模块主要信息

MESTRAL的每一个模块除含有一个模拟器外,还包含丰富的上下文信息和背景知识介绍,这些内容以概念图和知识卡的形式呈现。概念图采用Novak &Gowin[13]提出的标准式样,且是多层次嵌套的,基于本体论从4个大的方面建立邻近层概念之间的关系,相互间有超链接[14]。每个模块都有习题和试题来帮助巩固已学的知识。因此,该平台实际上是一个很强的在线学习工具,这也是该平台的显著特点。

与上述两虚拟实验平台相比,这里所模拟的过程更接近实际生产过程,从单元操作(如香蕉油炸)到物流链(如火腿冷链)。很多模型都是基于已发表的论文,复杂程度更高,计算方法也更复杂,适合食品工程专业硕士或博士研究生使用。美中不足的是仅“风味释放”模块翻译成英文,其他还是法文。

4 可用于免费食品加工虚拟实验的其他平台

还有一些免费的网络资源或许并非用于教学目的,但的确可用于食品虚拟实验教学,现介绍如下:

4.1 Wolfram演示软件

Wolfram 演示项目(https://demonstrations.wolfram.com/)是由Wolfram 研究公司发起并托管,根据其创始人Stephen Wolfram 命名。Wolfram 演示项目收集很多由世界各地的Mathematica用户编写并上传的交互式演示软件,现已超过12,000个,免费下载。其中关于传热、传质、流体流动、加工单元操作的,以及一些关于食品力学性质、质构等品质特性的,都可以用于虚拟实验教学[15]。很多关于化工单元操作的演示软件实际上也是有使用价值的。热杀菌是最为常用的单元操作,UMASS 大学的Peleg 教授[16]编写了很多这方面的演示软件,除多个用于模拟微生物生长外,还有多个是关于致死率的,包括: 微生物、细胞、孢子致死的概率模型、随机模型、Weibull 模型等,致死处理可以是热、冷、化学保藏剂等。演示软件所需的播放器下载地址为https://www.wolfram.com/player/。打开下载文件后,界面上方是参数设定及结果显示图,下面有关于该模型构建的说明及参考文献,给出该模型构建的理论依据。

4.2 两个模拟熟制的软件

美国弗吉尼亚大学机械与航空工程系的Robert J. Ribando教授的个人主页(https://www.robertribando.com/)中有多个传热传质教育软件,每个软件可单独下载。其中有一个称为烤肉(Cooking roast)的软件。将烤肉看作是圆柱体,热风与烤肉之间为对流传热、烤肉内部为传导传热。通过参数输入定义了样品的几何尺寸、热物性以及对流传热系数以后,点击“Cook it!”运行软件,以云图形式显示烤肉内部的温度变化过程,同时弹出一个窗口,以线图实时显示表面上的中间位置以及中心位置的温度随时间的变化。该软件还可以通过定义样品的介电损耗因子来添加内部热源,定义外界温度用于计算表面的对外热辐射通量,从而模拟微波加热烤肉过程。在运行的过程中可以随时点击“Slice”以云图显示沿径向切面的温度分布。通过File下的save data可以将数据拷贝然后存入其他文件。如果勾选Meat Colors则图中云图显示的不是温度而是烤肉的颜色。实际上,如果物性参数定义为其他食品(如土豆)的也可以,这时模拟的就是烤土豆。

在Comsol的用户论坛里有一个名称为Patty Cooking(烤肉饼)程序(https://cn.comsol.com/model/convection-cooking-of-chicken-patties-448),可以免费下载。如果安装有Comsol软件,该程序是作为应用实例而包含在安装包里的。该程序模拟圆形肉饼在底面是铁板加热、其他表面是对流传热的烤制过程中肉饼的温度及水分含量的变化,由于Comsol的强大功能,通过后处理还可以展示烤制过程很多物理参量的变化过程。Comsol中打开该文件,配套的PDF文档有指导建模的详细步骤,也是通过上述链接下载,学生可以根据指导自己需求建模。实际上,建模训练是培养学生真正具有解决实际工程问题能力所必不可少的环节。

5 结 论

文本介绍了可用于食品工程专业教学的虚拟实验免费网络资源,所涉及的实验项目十分广泛,从基本的热质传递、流体流动,到独立的单元操作,再到整个物流链,模拟手段多样化,复杂程度不一。其共同特点是:可以改变实验条件,形象地展示实验结果,具有很好的互动性,所展示的数据结果都是基于对过程的模拟计算。这些资源基本可以满足食品工程专业实验教学过程中多方面、多层次的需求。希望本文所介绍的内容能对国内食品虚拟实验资源的开发有一定的借鉴意义。