CFD在食品加工中的角色：干燥、灭菌、混合、冷藏、结晶和巴氏杀菌过程

干燥是常见的食品制造过程。干燥速率是空气流动或空气速度的强函数。因此，了解干燥室内的气流和速度非常重要，从而知道适当干燥的足够空气速度区域。然而，在操作过程中测量空气流动和速度是困难的，因为需要在气流的不同方向和位置放置多个传感器。由于模拟复杂现象（特别是气体湍流）存在一些困难，CFD是预测干燥过程的有力工具。CFD已被用于预测干燥过程中的气流和速度。对几种水果的干燥测试进行了测试，结果表明，水果的干燥程度取决于其在干燥器内的位置。通过CFD确定压力分布和空气速度表明，干燥速率和水分含量变化的主要原因是干燥器内空气速度的空间不均匀性。借助CFD，研究人员研究了现代香肠干燥器中的流速场，以提供干燥器内部空气循环的信息，表明CFD能够预测填充水平对气流模式的影响，并且还能识别主要空气流动方向水平的区域的测量误差。然而，模拟和测量空气速度之间的定量比较显示出较大的差异，平均绝对差异约为0.6米/秒。尽管可以使用CFD建模预测干燥器中的流动模式和空气速度，但如何控制干燥过程并降低能源成本仍然是CFD建模的研究课题。同时，应该更多地关注假设，例如空间均匀性，因为这样的假设可能导致预测不准确。CFD还被用于研究食品工业中喷雾干燥器的性能和设计。喷雾干燥器用于生产奶粉、咖啡粉以及洗涤剂等产品。然而，食品工业中喷雾干燥器的设计是困难的，因为喷雾干燥器的性能受到干燥器内部空气和喷雾流动模式的复杂性的重大影响。因此，CFD模拟的应用范围相当广泛，包括喷雾干燥器的最佳设计和解决操作问题，如壁面沉积。在过去的几年中，进行了一些研究，例如在并流中试喷雾干燥器中模拟空气流动模式和分析空气入口几何形状和喷雾锥角对喷雾干燥器壁面沉积速率的影响。所有这些研究表明，CFD在其他方面有很大的应用范围。例如，CFD可以用来在二维上模拟喷雾干燥器中的气流，并计算雾化颗粒的轨迹和干燥过程的进程。研究人员Straatsma开发了一个利用湍流模型计算气体流动场的干燥模型，并表明干燥模型是提供如何适应工业干燥器建模以获得更好产品质量或优化干燥单元性能的有效工具。然而，随着干燥器的应用和规格变得越来越复杂，改进试验工厂的测试工作的需求也在增加，CFD模拟在提供快速和有价值的信息方面变得更加重要。

众所周知，消费者对食品的需求集中在安全性、产品质量和成本上。因此，提高食品供应的质量和确保安全是非常必要的。灭菌是食品储存和保存的重要技术。CFD可以用来研究灭菌过程中食品的温度分布和流动模式，以优化食品产品的质量。热处理仍然是导致微生物失活的主要灭菌技术，但同时，也会影响食品质量和风味的发展。过度加热会影响食品质量和其营养价值。通过应用CFD，已有一些研究优化了食品的热灭菌。这些研究对过程的最优控制和保留食品的营养和感官质量有了实质性的改进。另一项研究进行了罐装食品灭菌的一系列研究工作，CFD模拟。这些工作从模拟灭菌过程中细菌扩散的变化及其瞬态空间分布，到模拟液体食品罐内自然对流加热。直到最近几年，食品袋才进入市场，因此，对袋装食品的灭菌几乎没有或没有研究。CFD代码用于模拟袋装胡萝卜汤灭菌过程中的瞬态温度、速度剖面和最慢加热区域的形状。开发了模拟连续灭菌过程以优化安全食品质量的模型，结果表明CFD模型可以大大帮助液体食品的灭菌。然而，所有这些关于CFD在灭菌中应用的研究都是在液体食品的热灭菌有限领域。在应用CFD的灭菌领域仍然存在许多挑战。例如，紫外光、可见光和红外光表面灭菌，等离子/电晕灭菌，电子和X射线灭菌，水果和蔬菜的活性氧/臭氧灭菌，新鲜果汁和煮熟火腿的压力灭菌。CFD在这些食品灭菌领域的应用仍有待于未来的开发。此外，通常为了简化CFD建模而做出假设。例如，在Abdul Ghania等人的研究中，尽管所有参数都依赖于温度，但比热、热导率和体积膨胀系数被假设为常数。应该进行更多的研究以最小化这些假设，从而提高CFD预测的准确性。CFD应用的另一个领域是灭菌的实时控制。有效的实时监控灭菌将提高食品的质量和安全性。最重要的是，最终目标是优化食品的灭菌过程，并获得具有卓越质量和安全性的食品。借助CFD应用，可以改进灭菌过程。

在食品加工行业，混合是最常见的操作之一。混合应用涉及气体、液体和固体物质。混合流体是食品加工行业最重要的单元操作之一。然而，混合是一个复杂的过程，涉及到混合过程中的多相湍流和混合器的设计。CFD是模拟混合过程的强大工具。它提供了一种自然的方法来连接食品过程和流体流动信息。在混合过程中，一种常见的增强过程的方法是使用某种搅拌器或桨叶。CFD代码已应用于优化混合过程，以最小化能源输入并缩短处理时间。因此，已经进行了关于混合容器中能量分布以及搅拌器处于不同位置时混合质量影响的研究。这些单元内混合过程的预测在过去是不可能的。最近，研究人员进行了搅拌槽中混合的CFD建模，涉及了搅拌器-容器几何形状、能量平衡以及流场与设计目标之间的联系等几个重要点。尽管研究中没有进行实验，但预测的混合时间值与已发布的实验数据进行了比较，一致性在5-10%之内。这项研究将有利于搅拌槽的设计，并且可以避免一些关于搅拌器类型、混合时间和设备尺寸的技术问题。混合器的设计是分析混合过程的重要主题。因此，一些研究工作集中在CFD在混合器设计方面的应用，例如浅层气泡柱。这些研究的结果将带来好处，包括容易测量滴尺寸分布、相速度和混合程度，以及准确描述在混合器中产生的湍流、旋转和涡流。因此，CFD在食品加工行业混合应用的所有发展将导致更准确的监测、控制和优化混合过程。与此同时，它将为混合过程的改进提供良好的基础。

过去几年中，由于冷冻食品展示了良好的食品质量和安全记录，对冷冻食品的消费持续增加。冷藏可以减缓细菌生长并保存食品。因此，研究人员最近应用CFD在模拟食品在冷藏（冷却和冷冻）过程中的热和质量传递。他们已经开发了空气冲击和真空冷却、冷却、冷链、冷藏库、冷藏室和冷藏展示柜的建模。CFD模拟热和水分传递以预测熟火腿在空气冲击冷却过程中的冷却速率和重量损失已被研究。实验和预测结果都表明，熟火腿的中心温度在大约530分钟内从74.4降至4°C。实验累积重量损失为4.25%，而模拟结果分别为4.07%和4.22%，分别来自标准k-ε模型和LRN k-ε模型。同时，研究了入口空气流温度波动的影响，表明设置空气流温度的边界条件是影响预测准确性的重要因素。如果假设入口空气的温度是恒定的，重量损失（4.37%）被高估了。此外，还分析了不同的k-ε模型和热电偶位置对CFD建模空气冲击冷却过程预测准确性的影响。一些人为两个工业肉类冷却器开发了二维模拟模型。最近，通过CFD建模研究了在分配链中包装在托盘中的冷冻食品的温度升高。实验和建模结果之间发现了良好的一致性，差异通常在10%以内。研究表明，在整个冷链中控制温度是确保食品质量高和储存时间长的必要条件。尽管空气流动和温度分布的建模已经发展得很好，但像冷凝和蒸发这样的相变模型尚未可用。

它是化学和食品工业中最古老的单元操作之一，但结晶过程的设计和操作仍然存在许多问题。然而，直到最近，很少有工具能够提供所需的能力。这是因为结晶过程的建模提出了许多挑战。关键挑战是将结晶现象的固有物理和化学复杂性在数学上表示出来，并验证由此产生的数学模型与实验数据。CFD有助于结晶过程的建模和结晶器的设计32。

巴氏杀菌是一个重要的单元操作，用于灭活牛奶中的腐 败微生物和酶。同样，CFD分析用于整个鸡蛋的热巴氏杀菌。计算出的温度剖面与不同大小鸡蛋的实验观察数据吻合良好。一个普遍接受的沙门氏菌的动力学失活模型被纳入CFD分析，并为过程评估提供了基础。在理论上获得了提供相当于目标微生物5 log减少的巴氏杀菌效果的最小过程时间和温度。将CFD分析与失活动力学相结合被证明是建立导致消费者安全鸡蛋的过程条件的非常有用的途径。还进行了啤酒微生物稳定的包装内巴氏杀菌。在60°C下模拟了加热过程，直到15 PUs（一个传统的啤酒过程，其中1个巴氏杀菌单位（PU）相当于在60°C下1分钟）。评估了过程期间的温度剖面和对流电流速度以及PU的变化，并考虑了时间，考虑到罐在传统、倒置和水平位置。包装位置没有导致过程改进。