Использование COMSOL Multiphysics® в пищевой промышленности

За несколько последних десятилетий бесчисленное количество продуктов и напитков попало на полки продуктовых магазинов только для того, чтобы через несколько лет их производство было прекращено. Вы даже можете подумать о своем любимом перекусе или напитке, которые, казалось бы, исчезли ни с того ни с сего. Этот акт исчезновения продуктов питания можно объяснить очень просто: если продукт не продается, шансы, что его завезут ещё, не в его пользу.

В этой записи блога мы рассмотрим, как неудачные продукты и использование мультифизического моделирования могут вдохновить на создание инновационных устройств, продуктов и процессов в пищевой промышленности.

Продукты питания, которые добились успеха благодаря неудаче

Снятые с производства или неудачные продукты не обязательно являются чем-то плохим, и вот почему: их провалы могут многому научить, и они могут вдохновить на идеи, которые приведут к появлению бестселлеров. Одним из примеров этого является история происхождения американских сухих завтраков Wheaties ^®. В начале 1920-х годов сотрудник компании Washburn Crosby, известной сегодня как General Mills, готовил смесь пшеничных отрубей. При этом часть полужидкой смеси случайно упала на горячую плиту, и она быстро превратилась в хлопья. (Ref. 1) Так родился Wheaties^®, каким мы его знаем сегодня. Но на этом история не заканчивается. Хлопья не имели мгновенного успеха — они были неудачным продуктом в течение многих лет после своего дебюта в 1924 году. В конце концов, их название стало нарицательным после того, как рекламный джингл о хлопьях прозвучал на радиостанциях по всей территории США. Слава хлопьев дополнительно возросла благодаря их тесной связи с миром спорта. (На обложке коробок Wheaties^® изображено более 850 спортсменов.)

Еще одна похожая история успеха в пищевой промышленности связана с изобретением микроволновой печи. Как и Wheaties^®, микроволновая печь также была открыта случайно. Работая в лаборатории, тестируя магнетрон, физик и изобретатель Перси Спенсер заметил, что арахисовый батончик в его кармане начал таять. Чтобы дополнительно изучить кулинарные способности магнетрона, Спенсер подверг влиянию магнетрона зерна попкорна и яйцо. Он обнаружил, что попкорн лопнул, а яйцо взорвалось. Эти наблюдения привели Спенсера к выводу, что микроволновая энергия низкой плотности, производимая магнетроном, не только нагревала пищу, но и делала это быстро. В 1945 году Спенсер и его работодатель, компания Raytheon, запатентовали изобретение, основанное на на этой находке, которое они назвали «Radarange».

Радаранж на корабле. Изображение предоставлено Acroterion — Собственная работа. Линцензия CC BY-SA 3.0 через Wikimedia Commons.

Ранние версии Radarange не имели успеха из-за своих размеров, цены и веса. (Он был больше холодильника, стоил более 50 000 долларов в сегодняшних деньгах и мог весить более 750 фунтов!) Со значительными изменениями, внесенными в его конструкцию, он стал более практичным для домашнего использования, а продажи изобретения, которое стало известно как микроволновая печь, резко возросли. Сегодня более 90% семей в США имеют микроволновую печь. , который содержит технологию, основанную на открытиях Перси Спенсера.

Эти истории учат нас тому, что важно учиться на своих ошибках, опираться на них и оставаться вдохновленными. Один из способов сделать это — использовать моделирование, которое упрощает оптимизацию старых проектов и тестирование новых. Далее мы рассмотрим, что возможно с использованием моделирования в пищевой промышленности.

Моделирование в пищевой промышленности

Использование моделирования позволяет инженерам и исследователям получить ценную информацию о продукте, производстве, процессе или устройстве, которое они изучают. С помощью моделирования пользователи могут тестировать параметры, которые сложно или даже невозможно протестировать физически. Они также могут использовать моделирование для создания нового дизайна, оптимизации устройства и ускорения процесса создания прототипа. Чувствительность качества продукта к различным параметрам может быть изучена для получения воспроизводимого продукта. Глубокое понимание продукта, процесса или устройства, которое дает моделирование, особенно важно для инженеров, работающих в пищевой промышленности, поскольку производство продуктов питания требует пристального внимания к деталям. Небольшое изменение свойств пищевого продукта может быть обнаружено обонянием и вкусовыми ощущениями потребителей.

С помощью программного обеспечения COMSOL Multiphysics^® инженеры могут анализировать разнообразные физические явления, влияющие на пищевые продукты (включая теплопередачу, поток жидкости, химические реакции, механику твердого тела и электромагнетизма), в одной интуитивно понятной программной среде. Такая универсальность делает COMSOL Multiphysics платформой, способной принести пользу на всех этапах цепочки производства продуктов питания, включая производство, переработку, дистрибуцию, розничную торговлю и ресторанный бизнес. В следующем разделе мы рассмотрим пять конкретных примеров, которые подчеркивают преимущества использования моделирования в пищевой промышленности.

Примеры учебных моделей

COMSOL Multiphysics и его дополнительные модули содержат функциональные возможности для моделирования широкого спектра процессов, промышленного оборудования и бытовых приборов, которые обычно используются в пищевой промышленности и производстве напитков. Давайте рассмотрим несколько из многочисленных примеров…

Процессы

Сублимационная сушка

Сублимационная сушка — процесс сушки термочувствительных материалов, которых используется в самых разных отраслях промышленности от фармацевтической промышленности для сохранения антибиотиков и вакцин до индустрии реставрации документов для восстановления намокших книг, произведений искусства, фотографий и так далее. Тем не менее, этот процесс наиболее широко известен тем, что используется в пищевой промышленности благодаря своей способности сохранять продукты питания на срок до 30 лет. Когда материал, такой как продукт питания, лиофилизируется, он сначала замораживается, а затем напрямую переходит в газообразное состояние с помощью процесса, называемого сублимацией. В предыдущей записи блога мы обсуждали, как фазовая диаграмма демонстрирует способность твердого тела пропускать жидкую фазу и сразу переходить в газообразную стадию.

Крупный план сублимированного кофе. Изображение предоставлено Pleple2000 — Собственная работа. Лицензия CC BY-SA 3.0 через Wikimedia Commons.

Чтобы получить более глубокое представление о процессе сублимационной сушки, вы можете смоделировать и проанализировать его с помощью моделирования теплопередачи. Например, используя функциональные возможности COMSOL Multiphysics и дополнительного модуля «Теплопередача», вы можете моделировать сублимацию льда через пористую среду во флаконе в условиях вакуумной камеры, что является обычным тестовым примером для многих установок лиофильной сушки. Получите пошаговые инструкции о том, как это сделать, используя нашу учебную модель сублимационной сушки.

Изображение модели сублимационной сушки.

Ферментация в пивоварении

Еще одним процессом, используемым в пищевой промышленности, является процесс ферментации, который часто используется для производства пива. В процессе приготовления пива ферментация используется для преобразования сахара в сусле в этиловый спирт и углекислый газ, который, в свою очередь, придает пиву содержание алкоголя и газированность. Этот процесс начинается, когда охлажденное сусло (< 20°C) и дрожжи добавляются в емкость для ферментации, обычно закрытый резервуар в анаэробных условиях. Когда брожение завершается, мы получаем продукт - пиво. (Подсказка: Узнайте больше о процессе ферментации в нашей записи блога “Modeling Fermentation in Beer Brewing Yields a Better Product”.)

Группа чанов для ферментации. Изображение предоставлено Antoine Taveneaux — Собственная работа. Лицензия CC BY-SA 3.0 через Wikimedia Commons.

Результат процесса ферментации может быть непредсказуемым, поскольку он зависит от множества различных факторов, включая начальное содержание сахара, тип дрожжей и выбранную температуру процесса. С помощью учебной модели брожения в пивоварении вы можете проанализировать этот процесс глубже и предсказать его результат с помощью химического моделирования. Этом учебном пособии процесс ферментации моделируется в два этапа. На первом этапе процесс ферментации моделируется в резервуаре с идеальным перемешиванием с использованием интерфейса Reaction Engineering. На втором этапе модель расширяется до сфероконической геометрии резервуара, учитывающей массоперенос, теплообмен и естественную конвекцию. Обе модели позволяют оценивать множество параметров, которые могут повлиять на конечное содержание спирта, полученного в процессе ферментации. Смотрите инструкции в формате MPH и PDF для этой модели здесь.

Промышленное оборудование

Миксеры

В пищевой промышленности промышленные миксеры используются для смешивания двух или более отдельных ингредиентов для производства широкого спектра продуктов питания и напитков, включая, помимо прочего:

• Конфеты
• Жевательные резинки
• Кофе
• Заправки
• Соки
• Соусы
• Супы
• Сиропы

Эти машины играют ключевую роль в определении свойств пищевого продукта, таких как его вкус и текстура, оба из которых, как упоминалось ранее, могут быть легко обнаружены потребителями на предмет их изменения. Поэтому очень важно, чтобы миксеры работали эффективно и стабильно от партии к партии. (В большинстве случаев это не только миксеры, но и реакторы.) Моделирование может быть использовано для разработки миксеров, которые производят высококачественные, однородные и безопасные для потребления продукты в установленные сроки.

Промышленный миксер. Изображение предоставлено Erikoinentunnus — Собственное произведение. Лицензия CC BY-SA 3.0 через Wikimedia Commons.

Учебная модель Modular Mixer содержит подробные инструкции по моделированию трех сценариев процесса смешивания:

1. Ламинарная задача перемешивания в плоскодонном миксере с турбиной Раштона
2. Задача о турбулентном перемешивании в миксере с выпуклым дном и рабочим колесом с наклонными лопастями с использованием модели турбулентности k-epsilon (k-ε)
3. Задача о турбулентном перемешивании в миксере с выпуклым дном и рабочим колесом с наклонными лопастями с использованием модели турбулентности k-omega (k-ω)

Используя эту учебную модель, можно легко изменить геометрию миксера, чтобы она лучше подходила под кокретные области применения и цели моделирования. Можно подробнее изучить эту модель и загрузить соответствующие MPH-файлы из Галереи приложений.

Геометрия модели миксреа с плоским дном и перегородками с турбиной Раштона (слева) и миксера с выпуклым дном и перегородками рабочим колесом с четыремя наклоненными лопостями (справа).

Экструзия макарон

Экструдеры макаронных изделий часто встречаются на промышленных макаронных фабриках, так как они обеспечивают эффективный, простой и быстрый способ производства макаронных изделий различных форм и размеров. Эти машины могут превращать смесь манной крупы (разновидность муки) и воды в различные сырые макаронные изделия (например, спагетти) с помощью множества компонентов. Особо важным компонентом является экструзионный шнек, который при своем движении превращает манную крупу и воду в тесто и проталкивает его через экструзионный раструб машины, который состоит из сетки с множеством отверстий миллиметрового размера. Тесто выходит из машины в виде нитей макарон через два разных выхода. На крайнем правом изображении ниже вы можете увидеть модель такого экструдера для пасты.