使用计算流体动力学对隧道巴氏杀菌机中啤酒进行传热分析

1. Bhuvaneswari, C. Anandharamakrishnan

Food Engineering Department, CSIR—Council of Scientific and Industrial Research, Mysore 570 020, India

摘要：啤酒是世界上消费最广泛的酒精饮料之一。巴氏杀菌技术是在啤酒生产过程中用以抑制存在于啤酒中的腐败微生物从而延长其保质期的一门重要单元操作。在工业规模的隧道式巴氏杀菌过程中，很难确定瓶内的温度分布和最慢的加热区（即最小加热区）。计算流体动力学（CFD）模型可作为确定瓶装啤酒内部温度分布规律的一种手段。这项研究在使用啤酒的实际热物理性质方面与先前发表的作品不同。此外，通过实验测量对瓶装啤酒温度分布的CFD模拟预测进行了验证。这项研究扩展到调查不同区域温度对啤酒酵母灭活的影响，啤酒酵母是最常见的啤酒腐败菌。一种七分区的隧道式巴氏杀菌机被选为研究对象，用以研究瓶装啤酒的温度分布，并发现其与已发表的不同区域的温度分布能很好地吻合。此外，在巴氏杀菌单元（PU）上研究了巴氏杀菌的有效性，结果得出PU值在15-30的情况下可以达到啤酒的最大无菌状态。

工业相关性：近年来，我们看到了CFD技术在食品加工应用中的迅速发展。对于巴氏杀菌CFD分析的主要目的是确定瓶装啤酒内部均匀有效的热量分布并检查出慢加热区的位置（SHZ）。有关CFD在啤酒巴氏杀菌中应用的研究相对较少。当然，所有的研究都是以水作为流体模型进行的。到目前为止，还没有一种利用啤酒热物性进行瓶装啤酒巴氏杀菌过程CFD模拟的研究正式发表出来。因此，本研究的目的是在巴氏杀菌过程中并且在工业隧道杀菌机的每个区域调查出啤酒瓶内部的温度分布。该模型可用于啤酒行业。用以确保啤酒瓶在运送到隧道杀菌机时达到规定的巴氏杀菌温度。这对为消费者们提供一个有长时间保质期的安全产品来说是非常必要的。

关键词：CFD 瓶装啤酒 隧道巴氏杀菌机 巴氏杀菌设备

2.材料与方法

2.1 实验方法

市面上有各种不同形状和大小的啤酒瓶。由于广泛使用，标准大小（28.3厘米高，7.3厘米宽），容量（650ml）含7%酒精的长颈瓶（优质啤酒，美国啤酒公司）被选为实验对象用以CFD模拟研究。在实验过程中，会在瓶盖中心制作出一个小洞用来插入校准热电偶。该小洞被密封以确保空气不逸出，并且T型热电偶（灵敏度为0.5°C）被放置在瓶装啤酒的中心（从瓶底以上9.6厘米）。

这些热电偶连接到数据采集系统（vr-18，创意电子有限公司）进行温度和时间的采集。水浴（巴氏杀菌机）可以达到设定点温度即60°plusmn;0.5°C。当巴氏杀菌机达到所需要的温度，整个啤酒瓶（垂直放置）将随着探头浸入水浴中。时间-温度曲线每30s读取并记录一次直到啤酒达到一个稳定的温度值。在本实验装置中，啤酒通过自然对流进行加热，自然对流通过水浴，然后从玻璃瓶传导到啤酒和瓶子里，从而发生热量的转移。在本研究中使用了类似的条件（下面描述的边界条件）进行实验验证。在实际生产实践中，啤酒瓶会通过不同的加热区域，在这种模拟条件下，不同加热区会分布在固定啤酒瓶的周围。因此，本模拟研究中所使用的条件类似于在工业规模的隧道巴氏杀菌中普遍存在的条件。