امتیاز کاربر:  / 7
ضعیفعالی 

محققان، طراحان تجهیزات و مهندسین فرآیند به طور فزاینده با استفاده از (CFD) به تجزیه وتحلیل جریان و عملکرد تجهیزات تکنولوژیکی مانند: کوره پخت ، مخازن سرمایی، خشک کن اسپری، مبدل گرما و برخی از تجهیزات دیگر می پردازند. 

در حال حاضر در طراحی و توسعه برنامه های (CFD)  فقط ابزار استاندارد عددی رفتار جریان مایع قابل پیش بینی نیست؛ بلکه انتقال حرارت ،انتقال جرم ،تغییر فاز فیزیکی مواد ، حرکت مکانیکی ، استرس و یا تغییر شکل مرتبط به سازه های جامد را نیز در بر می گیرد. این فناوری به دلیل توسعه شیوه های جدید فناوری و فرآوری مواد غذایی  و همچنین وعده ی تولید غذای با کیفیت  وارد این صنعت شده است. این سیستم نرم افزاری در صنایع غذایی به جهت کمک به درک بهتر از اثر مکانیسمهای فیزیکی پیچیده بر خواص حرارتی ، فیزیکی  و رئولوژیکی مواد غذایی به کار میرود.

اسکات و ریچاردسون در سالهای 1995 و 97 نرم افزار CFD)) را برای صنعت مواد غذایی بررسی کردند. بررسی های این دو محقق بر کاربرد CFD)) در طراحی اتاق پاک ،حمل و نقل، یخچال، میکسر استاتیک و جریان لوله بوده است.

از آنجا که این روش می تواند در پردازش صنعت غذا سودمند باشد در چند سال اخیر توسعه و پیشرفت سریعی داشته است. این ابزار در صنعت غذا در بخش های مختلفی همچون: استریلیزاسیون، خشک کردن، انجماد، مخلوط کردن و ... کاربرد دارد که در ادامه به بیشتر شرح داده خواهند شد.

 

مزایای استفاده از CFD

·         یک درک  دقیق از توزیع جریان ،کاهش وزن، انتقال حرارت توده و تفکیک ذرات و ... را میدهد.

·         این نرم افزار در ارزیابی تست های آزمایشگاهی تغیرات هندسی با صرف زمان و هزینه کمتر نقش دارد.

·         این نرم افزار می تواند به بسیاری از  اگر ها و سوالات در یک زمان کوتاه پاسخ دهد.

·         به این دلیل قادر به کاهش مشکلات در مقیاس های بالا می باشد که مدل ها بر اساس فزیک بنیادی در مقیاس مستقل می باشد.

·         این نرم افزار به خصوص در شبیه سازی شرایطی که امکان پذیر نمی باشد مانند: اندازه گیری درجه حرارت های بالا و یا شرایط خطرناک در محیط فر مفید می باشد.

·         بسیاری از عملیات پردازش مواد غذایی از قبیل سرد کردن ، خشک کردن ،پخت، مخلوط کردن ،انجماد ،پاستوریزه کردن و عقیم سازی را با تکیه بر بررسی جریان سیال نیز پوشش می دهد.

 

مزایای استفاده ازCFD   برای صنعت غذا و مصرف کننده

طراحی سیستم فرآیند

بهبود طراحی سیستم ها برای تولید محصولات غذایی هم برای تولید کننده و هم برای مصرف کننده دارای منفعت است و به تحقیق و توسعه ابزارهای جدید و روش های فرآیند جدید نیاز دارد.

CFD  شرایطی را فراهم میکند :

·         که صنعتگر و مصرف کننده هر دو سود ببرند.

·         هزینه ی طراحی و تولید کاهش می یابد.

·         محصولات غذایی می توانند با تجهیزات کارآمد و تحت تاثیر کمترین مقدار آلودگی تولید شوند.

کیفیت محصولات

کیفیت مواد غذایی یک موضوع برجسته در صنایع غذایی است. اهمیت کیفیت مواد غذایی با تغییر در شیوه زندگی مردم بیش از پیش افزایش یافته است. غذاهای آماده به مصرف و منجمد بیشتر مورد تقاضا هستند.

قواعد و قوانین بهداشتی و سترون سازی، تاکید زیادی بر کیفیت محصول و حفظ آن از کارخانه تا چنگال مصرف کننده دارند.

در عملیات استریلیزاسیون و سترون سازی، CFD  تا حد زیادی به کاهش مشکلات انتقال حرارت، تا رسیدن به سطح مطلوب سترون سازی و حفظ کیفیت محصول کمک کرده است. این ابزار به درک مکانیسم های فیزیکی ای که خواص فیزیکی، حرارتی و رئولوژیکی ماده غذایی را کنترل میکنند کمک می کند و به صنعت غذا از طریق افزایش اعتماد و اثرگذاری فرآیند استریلیزاسیون سود می رساند.

 

کاربرد CFD  در مراحل مختلف فرآیند تولید مواد غذایی

بعنوان یک ابزار تحقیق برای بهبود طراحی فرآیند و شناخت فیزیکی دینامیک سیالات می تواند مزایای زیادی در بسیاری از بخش های صنایع غذایی داشته باشد. این بخش ها به شرح زیر می باشند:

انجماد

مصرف مواد غذایی منجمد در سال های اخیر بعلت کیفیت و امنیت خوبشان افزایش یافته است. انجماد سرعت رشد باکتریها را کاهش داده و از ماده غذایی در برابر فساد محافظت می کند. محققان اخیرا CFD  را در مدل سازی انتقال حرارت و جرم در سرد کردن و انجماد مواد غذایی بکار برده اند. این مدل سازی ها در زمینه های ذیل هستند:

1.خنک کردن با جریان هوا

2.سرد کردن تحت خلا

3.زنجیره سرما

4.اتاق انجماد

5.انبار سرد

  

از آن جا که مواد غذایی نگهداری شده در یخچال به کنترل دقیق دما نیاز دارند طراحی تجهیزات، برای نیل به این هدف دارای اهمیت است. طراحان قادرند اصلاحات لازم قبل از تولید را با استفاده از CFD   بررسی نموده و طراحی ای با کمترین هزینه و در یک زمان کوتاه انجام دهند.

در آزمایشی بر روی نوعی ژامبون هر دو بررسی تجربی و مقدار پیش بینی شده نشان دادند که دمای مرکز ماده غذایی از 74.4 درجه سانتیگراد طی 530 دقیقه تا 4 درجه سانتیگراد خنک گردید. اتلاف وزن تجمعی حاصل از آزمایشات تجربی 4.25% بود و این مقدار با استفاده از دو مدل مختلف از نرم افزار CFD به ترتیب 4.07 و 4.22 درصد محاسبه شد. در همین مطالعه اثر نوسانات دمای هوای ورودی هم  بررسی شد و دریافتند که اگر از یک دمای ورودی ثابت استفاده شده بود اتلاف وزن (4.37%) بیشتر از مقدار پیش بینی شده می گردید.

علاوه بر موارد فوق در این مطالعه همچنین تاثیر مدل های مختلف نرم افزار و موقعیت های مختلف در فرایند سرد کردن با جریان هوا تجزیه و تحلیل ترموکوپل گذاری بر روی پیش بینی مدلسازی CFDشد.

در بررسی دیگری افزایش دمای ماده غذایی نگهداری شده روی پالت در طول زنجیره توزیع توسط CFD بررسی شده است. تشابه خوبی بین نتایج تجربی و مدلسازی در سطح اختلاف نرمال 10% گزارش گردیده است. این بررسی نشان می دهد که دمای کنترل شده در سراسر زنجیره سرما برای اطمینان از کیفیت ماده غذایی با مدت زمان ذخیره سازی طولانی لازم است.

با وجود مزایای ذکر شده، بعلت آنکه  CFD هنوز فاقد برخی ویژگیهایی که از نظر صنعت غذا برای سرد کردن و انجماد مهم هستند (مانند مشکل جریان اغتشاشی در جابجایی ترکیبی گرما و انتقال جرم) لازم است که تلاش های بیشتری در راستای انجام مدل سازی های بهتر صورت گیرد.

 

خشک کردن

خشک کردن معمول ترین روش فرایند تولید مواد غذایی است. سرعت خشک شدن یک تابع قوی از جریان هوا و یا سرعت هوا است. بنابراین، دانستن جریان هوا و سرعت در محفظه خشک کن از اهمیت زیادی برخوردار است، که منجر به شناخت مناطق دارای سرعت هوای کافی به منظور انجام فرآیند خشک کردن مناسب می گردد. با این حال، اندازه گیری جریان هوا و سرعت هوا در طول عمل دشوار است چون چندین سنسور  مورد نیاز است که در جهت های مختلف از جریان هوا و مکانهای مختلف قرار گیرند.

از آنجا که برخی از مشکلات در مدل سازی پدیده های پیچیده، به خصوص تلاطم و اغتشاش گاز وجود دارد CFD یک ابزار قدرتمند برای کمک به پیش بینی روند خشک شدن است و برای پیش بینی جریان هوا و سرعت در خشک کردن استفاده شده است.

CFD  نشان داد که علت تنوع های موجود در نرخ خشک شدن و محتوای رطوبت محصولات، عدم  یکنواختی سرعت جریان هوا در درون خشک کن است.

دانشمندان به کمک CFD  مطالعاتی در زمینه ی سرعت در یک خشک کن مدرن سوسیس انجام دادند با  این هدف که اطلاعاتی در مورد گردش هوا در درون خشک کن بدست آورند. که البته این مطالعات نشان داد که CFD قادر به پیش بینی تاثیر سطح پر کردن بر الگوهای جریان هوا و تشخیص خطاهای اندازه گیری در مناطقی که مسیر اصلی جریان هوا افقی بود، می باشد.

CFD  همچنین در راستای بررسی عملکرد و طراحی خشک کن های پاششی در صنعت غذا مورد استفاده قرار گرفته است. با این حال طراحی خشک کن پاششی برای صنعت غذا بعلت آنکه عملکرد آنها بشدت تحت تاثیر پیچیدگی جریان هوا و جریان اسپری داخل خشک کن می باشد، امری مشکل است.

بنابراین بطور کلی می توان محدوده عملکرد قابل توجهی را برای CFD  در نظر گرفت از جمله:

1.طراحی بهینه خشک کن های پاششی و یافتن راه حل برای حل مشکلات عملیاتی مانند رسوب دیواره.

2.تجزیه و تحلیل اثرات هندسی و زاویه مخروطی اسپری بر روی نرخ رسوب  روی دیواره خشک کن پاششی.

3.شبیه سازی جریان هوا در دو جهت در خشک کن پاششی  و محاسبه خط سیر و جهت جریان فرآیند خشک کردن ذرات اتمیزه شده.

4. توسعه ی یک مدل خشک کردن با استفاده از آشفتگی برای محاسبه جریان گاز . این مورد نشان داد که استفاده از مدل سازی در خشک کردن یک ابزار موثر در ارائه ی نشانه هایی برای چگونگی مطابقت مدل سازی در خشک کن های صنعتی بمنظور بدست آوردن کیفیت بهتر محصول و بهینه سازی عملکرد خشک کن ها است.

با این وجود در حالیکه عملکرد و ویژگی های خشک کن ها روز به روز در حال پیچیده تر شدن است، همچنان نیاز به انجام تست ها و آزمون های بیشتر احساس می شود و در این زمینه مدلسازی CFD در ارائه ی اطلاعات ارزشمند بطور سریع ، اهمیت بیشتری می یابد.

 

استریلیزاسیون

خواسته های مصرف کنندگان  فراورده های غذایی بر ایمنی، کیفیت  و هزینه متمرکز است.  بنابراین، افزایش کیفیت و تضمین ایمنی در فراوری غذا از ضرورت های  بزرگ  است. استریلیزاسیون یک روش مهم برای حفظ و نگهداری مواد  غذایی است.  در فرآیند استریلیزاسیون،  CFD می تواند برای بررسی توزیع دما و الگوی جریان برای رسیدن به کیفیت بهینه در ماده غذایی مورد استفاده  قرار گیرد.

حرارت بیش از حد بر ارزش  غذایی  و  کیفیت مواد غذایی  تاثیر منفی می گذارد. با استفاده از CFD مطالعات زیادی بر روی استریلیزاسیون حرارتی مواد غذایی انجام شده است. این مطالعات به بهبود قابل توجه در کنترل بهینه فرایند و حفظ ارزش غذایی و  کیفیت حسی  مواد غذایی منجر شده است.

گروهی از دانشمندان فعالیت هایی روی استریلیزاسیون غذاهای کنسرو شده توسط مدل سازی با CFDانجام دادند. این فعالیت ها متفاوت از شبیه سازی های تغییرات انتشار باکتری ها در طی فرآیند استریلیزاسیون در مقایسه با شبیه سازی حرارت دهی در حرارت دهی با جریان همرفت طبیعی در درون قوطی غذای مایع بود.

در سالهای اخیر که کیسه های بسته بندی غذایی به بازار عرضه شده اند مطالعات کم و ناچیزی بر روی استریلیزاسیون در این کیسه ها انجام شده است. در یک بررسی که در این زمینه انجام گردید، از نرم افزار CFD  برای شبیه سازی انتقال گرما ، پروفایل سرعت و شکل ناحیه ای که به آرامی گرم می گردد در سوپ هریج بسته بندی شده درون کیسه ، استفاده گردید .

در فعالیتی دیگر شبیه سازی فرآیند استریلیزاسیون پیوسته به منظور بهینه سازی کیفیت و امنیت غذاها بررسی شد و نتایج نشان داد که نرم افزار CFD  در این زمینه نیز کمک شایانی به استریلیزاسیون موادغذایی مایع نموده است. با این حال تمامی این بررسی ها در نواحی مشخص و محدودی از غذاهای مایع انجام شده اند. هنوز چالش های بسیاری در رابطه با ناحیه استریلیزاسیون و عملکرد نرم افزار CFD وجود دارد. بعنوان مثال:

1.استریلیزاسیون سطح توسط نور ماورابنفش، مادون قرمز و مرئی.

2. استریلیزاسیون پلاسما.

3.استریلیزاسیون با اشعه ایکس.

4.استریلیزاسیون تحت فشار برای آب میوه های ساده.

5.استریلیزاسیون اوزون/اکسیژن برای میوه ها و سبزیجات.

از دیگر کاربردهای این نرم افزار در این زمینه، کنترل زمان واقعی استریلیزاسیون است. نظارت موثر بر زمان واقعی استریلیزاسیون ، کیفیت و امنیت ماده غذایی را بهبود می بخشد.

در نهایت می توان گفت کاربرد CFD موجب بهبود فرآیند استریلیزاسیون می گردد.

 

مخلوط کردن

در صنعت فرآوری مواد غذایی، مخلوط کردن یکی از رایج ترین عملیات است. کاربرد  مخلوط کردن شامل مواد  در شکل های  گاز، مایع و جامد می باشد و مخلوط کردن مایعات یکی از عملیات واحد مهم برای صنعت فراوری مواد غذایی است. با این حال، با توجه به تلاطم چند فازی در طول مخلوط کردن و طراحی یک میکسر، مخلوط کردن یک فرایند پیچیده است.

CFDیک ابزار قدرتمند برای مدلسازی فرآیندهای مخلوط کردن است. این برنامه روشی طبیعی برای ارتباط بین فرآیند مواد غذایی و اطلاع از جریان سیال فراهم می کند.

در طول مخلوط کردن مواد، یک روش رایج برای تشدید روند همزدن استفاده از همزن و یا پارو می باشد. در همین راستا ، CFDبرای به حداقل رساندن انرژی ورودی و کوتاه شدن زمان فرآیند بکار برده شده است. بنابراین پژوهش هایی بر روی توزیع انرژی در مخلوط کردن و تاثیر قرار گیری همزن در مکانهای مختلف بر روی کیفیت همزدن صورت گرفته است.

اخیرا مدل سازی مخلوط کردن در تانک های مخصوص همزدن توسط نرم افزار CFD انجام گرفته است.  در نهایت مشخص شد که ارزش زمان مخلوط کردن پیش بینی شده در مقایسه با داده های تجربی مطابقت 10-5 درصدی داشت. این مطالعات مفید فایده هستند در:

·         طراحی تانک های مجهز به همزن.

·         اجتناب از برخی مشکلات فنی مانند نوع پروانه ، زمان مخلوط کردن و اندازه تجهیزات.

طراحی دستگاه مخلوط کن توسط CFD یک موضوع مهم در آنالیز فرآیند مخلوط کردن می باشد. نتایج مطالعات  مزایایی را فراهم میکند برای:

·         اندازه گیری آسان سایز قطرات توزیع شده

·         اندازه گیری آسان سرعت فازها و درجه ی اختلاط

·         ارائه شرح و توصیف دقیقی از تلاطم و گرداب و چرخش  ایجاد شده در مخلوط کن.

نهایتا باید گفت که گسترش استفاده از CFD در صنعت غذا و در فرآیند مخلوط کردن منجر به نظارت دقیق تر،کنترل و بهینه سازی فرآیند می شود.

                                                                   

دیگر کاربردهای CFD در صنعت غذا

1. صفحات تبادل گرمایی((HEAT EXCHANGER

صفحات تبادل گرمایی در صنعت غذا به وفور استفاده می شوند. CFD  به منظور پیش بینی و کنترل کیفیت ماده غذایی در طی حرارت دهی ، برای شبیه سازی و مطالعه توزیع جریان و دمای سیال مورد استفاده قرار گرفته است. گرایش به سوی فرآیند اسپتیک همراه با هدفی مانند به حداقل رساندن طعم پختگی در محصولات حرارت داده شده منجر به طراحی مجدد و بهبود این سیستم ها می شود. در این زمینه نرم افزار CFD برای انجام طراحی بهینه مورد استفاده قرار می گیرد.

2.اتاق پاک((clean room

در صنعت فرآوری مواد غذایی حفظ پاکیزگی و تهویه لازم است. CFD توسط طراحان برای مدل سازی جریان هوا در درون اتاق پاک استفاده شده است. با تکنیک های ردیابی ذرات، حرکت هوا و دیگر ذرات معلق  را در درون هوای اتاق پاک می توان پیش بینی نمود.

طراحی تجهیزات تهویه هوا، مکان تامین هوا ،مجاری استخراج و بهترین ناحیه کار کردن و ماشین ها با استفاده از CFD قابل پیش بینی است. استفاده از CFD در کنترل شرایط اتاق پاک یک محیط کار خوب فراهم کرده و بهداشت صنعت فراوری غذا را افزایش می دهد.

CFD و اصول مهندسی صنایع غذایی

کاربردهای دیگر نرم افزار موردنظر مربوط به اصول مهندسی صنایع غذایی بوده که بطور خلاصه نام برده می شوند:

1.کاربرد در جریان ترکیبی و انتقال حرارت

2.تعیین ضریب انتقال حرارت

3.شبیه سازی پدیده حمل و نقل در تجهیزات سرمایی ذخیره سازی

4.ساده سازی اغتشاش

5.ابعد در حوزه سیالات

6.تعیین طرح های همرفت

7.مدلسازی سیالات غیرنیوتونی

8.مدلسازی محیط های دو فازی و متخلخل

9.و غیره

 

معایب و محدودیت های برنامه ی CFD

اثر بخشی مدلسازی توسط CFD درحال حاضر به یک ابزار ارزشمند در صنایع غذایی مبدل شده است.

برنامه بر عوامل مختلفی تکیه دارد:

1.خواص ویژه موادغذایی و فرآیند غذا

2.الگوریتم دقیق برای معادلات حرکت

3.کامپیوترهای بزرگ با سرعت بالا

مشکلاتی که مانع استفاده از این برنامه در صنعت غذاست عبارتند از:

·         موادغذایی(سبزیجات و میوه ها و ...) از نظر رئولوژیکی و ترمودینامیکی و ... متفاوت از آن چیزی هستند که استفاده از نرم افزار برای آنها مرسوم است(آب – هوا و...).

·         درک فرآیند ماده غذایی و کنترل موثر آن تنها زمانی انجام می گیرد که مدل های فیزیکو شیمیایی  و میکروبیولوژیکی و ... در دسترس باشند ،در حالیکه CFD متداول قابلیت انجام این پردازشها را ندارد.

·         نیاز به متخصص های آگاه و دارای تخصص در زمینه CFD

 

آینده ی CFD در صنایع غذایی

اگر چه CFD در درک دینامیک و فیزیک فرآیندهای درحال انجام برروی مواد غذایی ، طراحی و بهینه سازی تجهیزات فرآیند موثر است با این وجود محدودیت هایی از نظر نیاز به برنامه ای سریعتر و آسانتر و با هزینه ی کمتر وجود دارد.

در هزاره ی اخیر، استفاده از CFD به مقطع حساس و مهمی رسیده است زیرا درحال آشکار شدن است که روند رو به رشد استفاده از این برنامه منجر به انجام کارها بصورت با کیفیت و موثر خواهد شد.

ادامه پیشرفت با سرعت بالا در قدرت کامپیوترها و توسعه برنامه CFD  منجر به طراحی انواع اتوماتیکی شده و با توسعه ی آن در شبکه جهانی افراد بیشتری توانایی دسترسی به آن را خواهند داشت. تمامی این تحولات منجر به تبدیل شدن CFD به یک نظام بالغ و یک ابزار قدرتمند مهندسی خواهد شد. نهایتا می توان گفت در آینده استفاده ی وسیع تر و سریعتری از این برنامه در صنعت غذا صورت خواهد گرفت.

 

علی ابراهیمی پور

کارشناس ارشد علوم و صنایع غذایی

 

 استفاده از این مطلب با ذکر نام نویسنده و آدرس سایت به عنوان منبع بلامانع است.

 

منابع :

1. A.G.Abdul Ghani et al., Thermal sterilization of canned food in a 3-D pouch using computational fluid dynamics, Journal of Food Engineering, 2001

2. Toma´s Norton and Da-Wen Sun, Computational fluid dynamics (CFD) an effective and efficient design and analysis tool for the food industry: A review, Trends in Food Science & Technology, 2006

3. Bin Xia, Da-Wen Sun, Applications of computational fluid dynamics (CFD) in the food industry: a review, Computers and Electronics in Agriculture, 2002

 

 

نوشتن دیدگاه


تصویر امنیتی
تصویر امنیتی جدید

 2017 / 1396

☼بازدید کل: 461,481 ☼امروز: 59 ☼دیروز: 363 ☼این صفحه: 756 ☼آنلاین: 3 جزئیات