Szukaj Logowanie Kontakt
             Kontakt Blog Kalendarz

  ANSYS Elite Channel Partner ANSYS Polska ANSYS Logo cropped 164px

ANSYS Elite Channel Partner ansys logo czarne tlo SMALL ANSYS Logo cropped 164px
    ANSYS Elite Channel Partner

Znajomość właściwości termicznych żywności jest niezbędna do przeprowadzenia kalkulacji związanych z wymianą ciepła. Parametry te są nieodzowne w projektowaniu urządzeń gastronomicznych służących do obróbki cieplnej oraz w prognozowaniu czasu i jakości finalnego produktu. Właściwości termiczne żywności są silnie uzależnione od składu podstawowego. Trudno jest opracować eksperymentalnie ich bazę danych dla wszystkich możliwych produktów, warunków procesu obróbki i składu podstawowego żywności. Najlepszym rozwiązaniem jest symulowanie właściwości termicznych żywności z wykorzystaniem modeli matematycznych, które uwzględniają skład podstawowy (zawartość wody, białka i tłuszczu) oraz temperaturę.

Parametry produktów spożywczych – takie jak: entalpia, ciepło właściwe i zawartość lodu w zależności od temperatury – zostały określone na podstawie znanych zależności Riedla: entalpia – zawartość wody – temperatura. Właściwości termofizyczne żywności, które są niezbędne do obliczeń strumienia ciepła, obejmują: frakcję lodu, pojemność właściwą, entalpię właściwą i przewodność cieplną. Analiza oraz optymalizacja procesów termicznych koncentrują się zasadniczo na symulacjach wnikania ciepła i dyfuzji masy w produktach spożywczych, z uwzględnieniem różnych warunków termicznych. Do zaprojektowania procesów obróbki cieplnej z uwzględnieniem jakości finalnych produktów konieczne jest opracowanie modeli CFD.

 

Procesy wymiany ciepła i masy w żywności

1 Schemat skurczu matrycy białkowej mięsa pod wpływem dawki energii cieplnejPodczas procesu pieczenia mięsa ciepło z powierzchni produktu jest przenoszone do jego geometrycznego środka na drodze przewodzenia. Natomiast transport wody z wnętrza produktu na jego powierzchnię odbywa się za pomocą procesu konwekcji i dyfuzji masy. Wraz ze wzrostem temperatury wewnątrz produktu białka mięsa ulegają denaturacji. Prowadzi to do obniżenia zdolności wiązania wody oraz skurczu sieci białkowej, co w konsekwencji powoduje wzrost ciśnienia wewnątrz produktu, a nadmiar wody usuwany jest na powierzchnię w procesie konwekcji. Jednocześnie woda znajdująca się na powierzchni produktu w postaci cieczy paruje oraz dyfunduje do otaczającego płynu (gorącego powietrza). W miarę skurczu cieplnego mięsa powierzchnia, z której odparowuje woda, zmienia się w czasie (maleje). Skurcz matrycy białkowej powoduje niezrównoważone ciśnienie wewnątrz produktu, co generuje wyższe straty masy (wyciek) ze struktury mięsa.

Proces wymiany masy w mięsie poddawanym obróbce cieplnej może dotyczyć przenoszenia masy na poziomie molekularnym lub konwekcji masy. W przypadku pierwszego rodzaju bardzo często stosowane jest pojęcie dyfuzji, natomiast wymiana na drodze konwekcji dotyczy przenoszenia materii z powierzchni do przepływającego strumienia cieczy lub gazu, równocześnie z przypadkowym przenoszeniem cząstek materii wraz z medium
grzewczym.

Podczas ogrzewania żywności jej składniki migrują, a ponadto następują przemiany fizykochemiczne, które znajdują odzwierciedlenie w zmianach mikrostruktury produktu. Ciała stałe mają zazwyczaj zróżnicowaną (heterogenną) strukturę, dlatego proces dyfuzji jest niestabilny. Gradient stężeń, będący siłą napędową dyfuzji, jest spowodowany przez skurcz cieplny i deformację surowca. Ponadto w niektórych przypadkach silne interakcje pomiędzy substancją dyfundującą a matrycą wywołują zjawiska adsorpcji lub chemisorpcji.

Dyfuzyjność wody i innych małych cząsteczek spada znacząco przy wyższej wilgotności otoczenia. Ten spadek zależy od rodzaju dyfundujących cząsteczek. Ponadto wykazano, że współczynnik dyfuzji wody zmniejsza się wraz ze wzrostem zawartości stałych substancji w niej rozpuszczonych w porównaniu ze współczynnikiem dyfuzji innych substancji.

 

Cel i zakres badań

Celem pracy było oszacowanie stopnia denaturacji białek mięsa wołowego oraz ubytku masy, wywołanego wyciekiem termicznym, na podstawie symulacji CFD procesu obróbki termicznej w piecu konwekcyjno- parowym. Zakres pracy obejmował określenie współczynnika wnikania ciepła do mięsa wołowego.

Symulację prowadzono w modelowym piecu konwekcyjno-parowym (rys. 2) w zróżnicowanych warunkach temperatury, wilgotności i prędkości obrotów wentylatora (rys. 3). Na podstawie uzyskanych wyników możliwe było wykonanie symulacji obróbki termicznej dla surowców o zróżnicowanym składzie podstawowym, tj. o różnej zawartości wody, białka, tłuszczu i tkanki łącznej (rys. 4). Otrzymane wyniki pozwoliły na oszacowanie optymalnych warunków proprowadzenia procesu obróbki cieplnej, zapewniających uzyskanie produktów o najwyższej jakości.

2 Schemat pieca konwekcyjno parowego 3 Zadane parametry symulowanej obróbki termicznej

4 Schemat analiz ANSYS Workbench procesu obróbki termicznej mięsa wołowegoWyniki i podsumowanie

Zastosowanie modeli CFD ułatwia określenie skomplikowanych zależności pomiędzy parametrami procesu obróbki termicznej, z uwzględnieniem wymiany ciepła i masy. Wdrożenie symulacji CFD obróbki termicznej do przemysłu spożywczego może się przyczynić do optymalizacji procesów, a w konsekwencji – do poprawy jakości końcowych produktów oraz redukcji kosztów związanych ze stratami masy.

5 Stopień denaturacji białek miozyny kolagenu aktyny oraz ubytek masy podczas obróbki termicznej

 

Autorzy:

Arkadiusz Szpicer, Katedra Techniki i Projektowania Żywności, SGGW w Warszawie

Andrzej Półtorak, Katedra Techniki i Projektowania Żywności, SGGW w Warszawie

Agnieszka Wierzbicka, Katedra Techniki i Projektowania Żywności, SGGW w Warszawie

 

ANSYS Fluent

 

 

Kontakt

Powiadomienia

Chcesz wiedzieć gdy dodamy nowy artykuł? Wybierz kategorię, która Cię interesuje!

ANSYS WORKBENCH

Oprogramowanie

STREFA AKADEMICKA