程　菊安家彦董文勇王　越

(1.大连工业大学生物工程学院，辽宁 大连　116034；2. 大连市第21中学，辽宁 大连　116021)



基于CFD技术的瓶装啤酒隧道式巴氏杀菌过程研究

程菊1安家彦1董文勇2王越1

(1.大连工业大学生物工程学院，辽宁 大连116034；2. 大连市第21中学，辽宁 大连116021)

通过数值模拟瓶装啤酒隧道式巴氏杀菌的过热阶段(巴氏杀菌加热部分的最后一个阶段)，确定瓶中的冷核(slowest heating zone，SHZ)，并运用L9(34)正交试验，分析喷淋水温度、喷口处喷淋水湍流强度以及瓶子的运行速度三因素对瓶中啤酒温度分布均匀性的影响。结果表明：冷核起先是位于瓶底，后向上移动，但不超过灌装高度的1/2；在加热至7 min时，喷淋水温度、喷口处喷淋水湍流强度影响显著，瓶子的运行速度则不显著，试验的可能的最优条件：喷淋水温度为65 ℃，喷口处喷淋水湍流强度为3%，瓶子运行的速度为3 mm/s。

啤酒；巴氏杀菌；数值模拟；冷核

隧道式巴氏杀菌是啤酒工业化生产过程中，杀死啤酒中的微生物以提高其生物稳定性的最常用的方法之一[1]。隧道式巴氏杀菌机包括加热区(包括预热区和过热区)、保温区和冷却区三大温区[2-3]。在加热区，啤酒温度大约由2 ℃上升至60 ℃；在保温区，维持在60 ℃；经冷却区处理后，产品的温度由60 ℃降至21～27 ℃[4]。瓶装啤酒在巴氏杀菌过程中，啤酒以酒瓶为界面进行传热：靠近瓶壁的啤酒温度升高，密度减小，而中心部分温度相对较低，密度相对较大，产生自然对流[5-6]。这就形成了冷核。冷核是在食物产品热处理过程中，吸收热量最少(或杀菌强度最弱)的区域[7-8]。因此，在啤酒巴氏杀菌的过程中，既要保证冷核达到灭菌要求，又要使瓶中除冷核以外的区域不会过巴氏杀菌，以免改变啤酒的感官，造成啤酒品质的降低。这就要求瓶中啤酒温度分布要均匀。

目前研究瓶中啤酒的温度分布及冷核的方法有两种：① 在线检测瓶中温度和数值模拟啤酒巴氏杀菌过程。在线监测过程中，温度探针会影响瓶中液体的流动和温度分布[9-10]，同时只能检测一个位置，而冷核的温度和位置会随时间和包装容器结构变化而改变[11-12]，且在线监测的费用较高，操作复杂。② 借助计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)技术，数值模拟啤酒巴氏杀菌过程，从而得到包装容器内液体的传热规律，可有效控制食品的品质。而且CFD能缩短时间，减少花费[13-14]。目前，CFD模拟已被用于研究啤酒的巴氏杀菌过程，如：优化啤酒巴氏杀菌机的隧道结构[15]；啤酒瓶方位的变化对巴氏杀菌单位(pasteurization unit，PU)的影响[2]；瓶内对流流动对巴氏杀菌效果和老化效果的影响[3]；瓶装和罐装对包装内啤酒温度分布、速度分布和PU的影响[16]；啤酒巴氏杀菌结束后，啤酒的出口温度和PU值是否达标[17]；随着加热的进行瓶内温度分布和SHZ位置的变化以及啤酒中酵母的死灭程度(用PU表示)[8]等。

在巴氏杀菌过程中，瓶内啤酒的冷核和温度分布受加热时间、瓶子间距、瓶子移动的速度、喷淋水的温度和喷口处喷淋水湍流强度的影响[18-19]。目前，已有关于瓶中啤酒冷核随时间变化[8]及瓶中啤酒加热速率随喷淋水的喷淋强度变化的研究[19]，但未见瓶子移动的速度、喷淋水的温度和喷口处喷淋水湍流强度对瓶中啤酒温度分布的影响的研究。因此本研究拟考察隧道式巴氏杀菌的过热阶段，运用L9(34)正交试验，分析喷淋水温度、喷口处喷淋水湍流强度以及瓶子的运行速度三因素对瓶中啤酒温度分布均匀性的影响，为瓶装啤酒巴氏杀菌提供理论基础。

1　材料与方法

1.1CFD模拟的验证方法

选取高274 mm，直径72 mm，容积为500 mL的啤酒瓶为研究对象，其模型见图1。试验所用的巴氏杀菌机型号为SBW40A(广东轻工机械二厂有限公司)。压好盖的瓶装生啤酒通过巴氏杀菌机的隧道时，用ZH5793 PU计(北京中慧天诚科技有限公司)分别测定隧道中不同位置上的瓶中啤酒的温度(轴线上灌装高度1/3处温度)，计算过热阶段瓶中啤酒不同时间酒温的平均值。

图1　啤酒瓶模型

1.2几何模型

因计算机的计算能力有限，动网格的计算复杂，在三维条件下，整个模型很难进行计算，而在二维条件下既能节约计算时间，又能节省人力和物力。所以整个模型是二维的。

巴氏杀菌机模型网格的建立使用前处理软件Gambit 2.3.16，模型的网格数为209 319，流体计算使用Fluent 12.0。喷淋口与瓶口的距离为300 mm，啤酒瓶个数为142个(设置了边界条件的为3个)，瓶子间距为16 mm。二维网格模型的部分示意图见图2。

1.3控制方程(governing equation)

运用Ansys Fluent 12(2009)软件求解模型及相关边界条件的连续性方程、动量方程、能量方程[20]。

图2　二维网格模型的部分示意图

(a) 连续性方程(continuity equation)或质量守恒方程(conversation of mass equation)：

(1)

式中：

ρ——密度，kg/m3；

t——时间，s；

x——轴向坐标；

u——轴向速度，m/s；

v——径向速度，m/s；

r——径向坐标；

Sm——源项，指加入到连续相的质量(例如液滴的蒸发)，也指其他自定义源项，kg。

(b) 动量守恒方程：

轴向的动量守恒方程：

(2)

径向的动量守恒方程：

(3)

其中：

(4)

式中：

P——静压，Pa；

μ——黏度，kg/(m·s)；

Fx和Fr——外部体积力，N。

(c) 能量守恒方程：

(5)

其中：

(6)

(7)

式中：

τij——应力张量；

Sh——化学反应热和其他体积热，J；

keff——有效导热系数，W/(m·℃)；

Jj’——组分j’扩散通量，mol/(m2·s)。

1.4模拟条件

啤酒、玻璃啤酒瓶、空气和水的热物理性质列于表1[8, 16, 21-23]。黏度模型采用k-epsilon中RNG模型，喷嘴及其附近的长方形区域为动网格，运动速度大小为5 mm/s。瓶内的初始温度为48 ℃，瓶内压力为1.55×105Pa。压力和速度的耦合计算采用SIMPLEC算法。

1.5L9(34)正交试验

瓶中啤酒温度分布均匀性和冷核受喷淋水温度、喷口处喷淋水湍流强度和瓶子运行速度的影响，因此确定四因素三水平的正交试验，其试验方案见表2。

表1　空气、啤酒、玻璃和水的热物理性质

表2　L9(34)正交试验方案

2　结果与讨论

2.1CFD模拟的验证

为了确保CFD模拟的可靠性，先对其进行实验验证。啤酒在通过巴氏杀菌过热区(工艺参数：喷淋水温度为61 ℃，初始温度48 ℃，加热9 min)时，将啤酒瓶轴线上灌装高度1/3位置处的温度实验值和模拟值进行对比，结果见图3。由图3可知，模拟值与实验值的温度曲线走势相同，它们之间的最大标准差为0.21，所以可以认为它们是吻合的。可见模拟所设置各项参数是合理的，可以进行接下来的数值模拟。

2.2冷核的确定

为了考察瓶内啤酒在过热区的温度分布情况，设过热区喷淋水的温度为61 ℃，喷口处喷淋水湍流强度为1%，瓶子运行速度为3 mm/s，按照方法1.2和1.3进行数值模拟，结果见图4。

图3　模拟温度与实验温度曲线的比较

图4　瓶中啤酒温度分布云图

由图4可知，1，5，9 min时瓶中啤酒有明显温度分布梯度，具有冷核，且冷核位置是随着时间在变化的。1 min时冷核位于瓶底，这与传统的理论相符；但随着时间的进行，冷核位置在不断的变化，到5 min时，冷核的位置位于啤酒灌装高度1/4～1/2。瓶内啤酒在加热过程中由于局部温度、密度等的差异，引起啤酒的自然对流，从而影响传热效果，温度分布不均匀，因此有冷核存在。靠近瓶壁的啤酒先受热，温度较瓶中心的啤酒温度更高，所以冷核一直位于啤酒瓶轴线附近的区域。而且随着加热的进行，瓶底也慢慢被加热，靠近瓶底部的啤酒温度也慢慢地上升，所以冷核从瓶底向瓶底以上部分移动。

2.3L9(34)正交试验结果

为了考察瓶装啤酒通过巴氏杀菌机的过热区时，巴氏杀菌参数—喷淋水温度、喷口处喷淋水湍流强度以及瓶子的运行速度，对瓶中啤酒温度分布均一性的影响，利用L9(34)正交试验，数值模拟啤酒巴氏杀菌的过热阶段，分析啤酒冷核面积占啤酒总面积的比例。由于随着加热时间的延长，冷核的温度在不断升高，根据9组试验的不同时间的冷核温度，将 1，3，5，7，9 min时冷核温度的取值范围分别设为小于：50.42，54.54，57.03，58.57，59.51 ℃。分别计算9组试验在1，3，5，7，9 min时啤酒冷核面积占啤酒总面积的比例，结果列于表3。按照所设的冷核温度范围，对所得的试验数据进行方差分析，发现1，3，5，9 min时喷淋水温度、喷口处喷淋水湍流强度以及瓶子的运行速度对瓶中啤酒温度分布没有影响或影响不显著。这是因为在加热的1～5 min时，瓶中啤酒加热时间短，温度上升不显著；加热9 min时，瓶中啤酒温度分布已经均匀。7 min时试验数据的方差分析及极差分析结果分别见表4、5。

经过计算及方差分析，取检验水平α=0.05，由表4可知，喷淋水温度和喷口处喷淋水湍流强度对瓶中啤酒温度分布均一性的影响显著，啤酒瓶运行速度则影响不显著。由表5可知，三因素的影响主次顺序为：B>A>C，即喷口处喷淋水湍流强度>喷淋水温度>啤酒瓶运行速度，结果与方差分析的相符，而可能的最优条件组合为A3B3C1，即喷淋水温度为65 ℃，喷口处喷淋水强度为3%，瓶子运行的速度为3 mm/s。

表3　　　　二维啤酒瓶模型中的啤酒冷核面积占啤酒总面积的比例

†*表示影响显著。

表5　7 min时的极差分析

3　结论

本研究利用CFD技术模拟了500 mL瓶装啤酒的隧道式巴氏杀菌过程的过热阶段，研究喷淋水温度、喷淋口喷淋水湍流强度和瓶子运行速度对瓶中啤酒温度分布的影响，结论如下：

(1) 运用商业软件Ansys Fluent12模拟的巴氏杀菌过热阶段温度曲线，得到了实验温度曲线的验证，说明该模拟方法和模拟参数设置是合理的。

(2) 在加热过程中，瓶中啤酒存在冷核，表明瓶中啤酒的温度分布不均匀；冷核的位置随着加热的进行向上移动，但不超过灌装高度的1/2。

(3) 利用L9(34)正交试验研究啤酒巴氏杀菌的过热阶段影响因素结果表明，喷口处喷淋水湍流强度和喷淋水温度对瓶中啤酒温度分布均一性的影响显著，瓶子的移动速度则影响不明显。

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Study on tunnel pasteurization of bottled beer based on CFD technology

CHENG Ju1ANJia-yan1DONGWeng-yong2WANGYue1

(1.SchoolofBiologicalEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian,Liaoning116034,China;2.No.12MiddleSchoolofDalian,Dalian,Liaoning116021,China)

In the industrial processing of beer, pasteurization is necessary the to guarantee its biological stability. The superheat phase (the last part of heating phase) was numerically simulated, in which the slowest heating zone (SHZ) inside the bottle was determined, and then the influence of three parameters on the uniformity of temperature distribution inside the bottled beer during pasteurization, i.e. the temperature of spray water, the turbulent intensity of spray water at the spray nozzles and the running velocity of bottles were analyzed using L9(34) orthogonal experiments. The results indicated that SHZ lay at the bottom of the bottle at the beginning and then moved upward without exceeding 1/2 of filling height of beer. Besides, after heating for 7 min, the temperature and the turbulent intensity of spray water at the spray nozzles affected the uniformity of temperature distribution inside the bottled beer obviously, while the running velocity of bottle had no significant effect on it. Our results showed that the probable optimum condition was 65 ℃ temperature of spray water and 3% turbulent intensity of it at the spray nozzles as well as 3 mm/s running velocity of bottle.

beer; pasteurization; numerical simulation; slowest heating zones (SHZ)

程菊，女，大连工业大学在读研究生。

王越(1972—)，女，大连工业大学副教授，博士。

E-mail：wydqs2004@163.com

2016—02—16

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.08.024