Hő- és tömegátadás a sült marhahús főzésében. Hőmérséklet és fogyás előrejelzése

Rövid leírás

1 KÉMIAI MÉRNÖKI TRANZAKCIÓK kiadványa. 2015. évi 43. főszerkesztő: Sauro Pierucci, Jiří J. Kleme & s.

Leírás

Kiadványa

KÉMIAI MÉRLEGTANULMÁNYOK VOL. 2015

Az Olasz Vegyészmérnöki Egyesület Online, www.aidic.it/cet

Hő- és tömegátadás a sült marhahús főzésében. Hőmérséklet és fogyás előrejelzése Davide Papasideroa, Sauro Pieruccia, Flavio Manentia *, Laura Piazzab a Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica „Giulio Natta”, Politecnico di Milano, Piazza Leonardo da Vinci 32, Milano, I-20133, Olaszország b DeFENS, Dipartimento per Gli Alimenti la Nutrizione e l'Ambiente, Milano Studi di Università, Milano, Via Mangiagalli 25, I-20133, Olaszország [e-mail védett]

Az élelmiszeripari folyamatok, az összetevők és a készítmények fejlesztése napi téma az élelmiszeripar számára. A modellalapú termékek, folyamatok és berendezések tervezése egyre nagyobb figyelmet kap az iparban, az idő és a pénz megtakarításában rejlő nagy lehetőségek miatt. Ezeknek az előnyöknek a meghozatala a fogyasztók asztalára ennek a megközelítésnek az alkalmazásával az élelmiszeripar és a bioprocesszor-tervezés egyik legfőbb kihívása. E munka célja a sült marhahús főzésének gyakorlati, elterjedt esettanulmánynak tekintése. Kísérletekkel kidolgozták és validálták egy számítási modellt, amely korrelálja a hőmérsékletet, az időt és a fogyást egy szokásos, kemencében főzött húsdarabnál. A termikus tulajdonságokat általános megközelítéssel vezetik le, amely más élelmiszerekre is alkalmazható. A hő- és tömegszállítás egyenletei mind a természetvédelmi törvényeken, mind a főzési feltételeken alapulnak.

1. ábra: A modell által leírt jelenségek sematikus ábrázolása: VD = gőz diffúzió, LD = folyadék diffúzió, WL = folyékony víz veszteség, VL = gőz veszteség. Ezen feltételezések szerint a sült marhahús energiamérlegét.

∂T = λmix ∇ 2T - I ev ΔH ev ∂t

Ebben az egyenletben a ρ sűrűség-keveréket, a λmix hővezetőképességet és a fajlagos hő-C p, keveréket a folyékony és a szilárd fázisú komponensek keverékére utaljuk.

a vízpárolgási kifejezés, amely figyelembe veszi

folyékony víz párolgása 100 ° C-nál magasabb hőmérsékleten. Ebben az esetben a véges elemre jutó összes energia a párolgási időre jut, és a hőegyensúly leáll, amíg a párolgás meg nem történik.

a víz látens párolgási hője.

Ezzel párosulva fel lehet írni a folyékony víz egyenlegét:

∂C wl = Dwl ∇ 2C wl - I ev ∂t l

ahol D w a húsmátrix folyékony víz diffúzióját jelenti, míg

C wl a folyékony víz koncentrációja

kg/négyzetméter. Időközben a vízgőzmérleg a következő formát ölti:

∂C wv = Dwv ∇ 2C wv + I ev ∂t v

ahol D w a húsmátrix vízgőz diffúzióját jelenti, míg

C wv a folyékony víz koncentrációja

kg/négyzetméter. Mivel csak a felszínhez közeli hús párolog el, ezért ezt a modellt egyszerűsíteni lehetne, ha a párologtatást csak a felületre alkalmazzuk. Egyébként a választott megfogalmazás átfogóbbnak tűnik. A bemutatott modell határfeltételei a következők: v Dwv ∇ 2Cwv = K mat ⋅ (Cwv)

vap Dwl ∇ 2Cwl = K szőnyeg ⋅ (Cwl),

amelyek a gőz és a folyékony víz tömeges átadását jelentik az élelmiszer-mátrixból a környezetbe. 4 λmix ∇ 2T = h ⋅ (szöveg - T) + ϕσ (Twall −T 4)

Ez utóbbi egyenlet a hőátadás konvekcióval és sugárzással határfeltételét írja le. A modell paramétereit vagy az irodalomból vettük, vagy a kísérleti adatok regressziójával becsültük. A hőcserélési együtthatót körülbelül 10 W/m2/K-ra becsülték, a vízszállítási együttható 10-8 m/s, míg a vízgőzé 10-2 m/s-ra becsülték. A folyékony víz diffúziója 10-3 m2/s, míg a vízgőzé 10-4 m2/s. A hús felszíni emissziós képességét feltételeztük, hogy egyenlő 0,91-gyel.

3. Kísérlet A modell kifejlesztésére és validálására szolgáló kísérleteket kereskedelmi célú háztartási kemencében hajtották végre. A pörkölési folyamathoz olyan szarvasmarha-izom darabot választottak, amelynek méretei kb. 18 cm magas és 10 cm átmérőjű henger méretei voltak, és amelynek súlya körülbelül 1,4 kg volt. Az eljárás a következő szakaszokból állt: • A húsdarabot kivették a hűtőszekrényből és rácsra helyezték. • Ezután 3 termo-párral (T-típusú) volt felszerelve, hogy figyelemmel kísérje a sült közepét, egy pontot a felület alatt 5 mm-re és egy közöttük lévő pontot (lásd 2. ábra). • Ezután a sütőt bekapcsolták 180 ° C-os hőmérsékleten. A sütő kezdeti hőmérséklete 22 ° C volt. • Az összes hőmérsékletet folyamatosan mértük a kemencében lévő hőelemekkel, és adatrögzítővel rögzítettük. • A főzési folyamat leállt, amikor a belső hőmérséklet elérte a 65 ° C-ot. A kísérlet érvényesítése érdekében az eljárást háromszor megismételték.

2. ábra: A kísérleti elrendezés sematikus ábrázolása. Rács és hőelemek a középső szakasz három pontjában: A) Mag, B) A felület alatt, C) Közbenső helyzet

4. Eredmények és megbeszélés A modell egy részleges derivált egyenletrendszerek (PDE rendszerek) megoldásának véges elemek diszkretizálását lehetővé tevő kereskedelmi szoftverében valósult meg (COMSOL-AB, 2012). A valós darabokat megközelítő henger képviselte a húsdarabot. Ezután az axiális szimmetriát fontolóra vették a modell megoldás egyszerűsítése érdekében. A környezeti hőmérsékletet darabos funkcióval modelleztük, hogy közelítsük a kemence átlagos körülményeit.

100 mag - modell

60 Középmodell CoreExperiment felszíni kísérlet Közbenső kísérlet

3. ábra: Sült találkozási hőmérséklet. Modell és kísérlet összehasonlítása A hőátadással kapcsolatos eredmények (lásd a 3. ábrát) jó tendenciát mutatnak a felületi és a maghőmérséklet leírására. Valójában a kísérleti különbség a köztes pont hőmérséklete és a mag között nem tűnik relevánsnak. A modell egyébként nagyon érzékeny a minimális variációkra, és elképzelhető, hogy az 5-10 ° C hőmérséklet-különbségért csak 5 mm-es eltérés lehet felelős. Ettől eltekintve úgy tűnik, hogy a modell ésszerűen reprodukálja a kísérleti irányzatot.

Száraz alapú víztartalom [kg/kg]

3,5 3 2,5 2 Modell

4. ábra A hús víztartalma. Modell- és kísérlet-összehasonlítás A vízveszteséggel kapcsolatban ésszerű jóslat is született (lásd 4. ábra). A modell 25% -kal túlbecsüli a súlycsökkenést a kísérlet eredményéhez képest. Ez tulajdonítható akár a keverék tulajdonságainak kiszámításához, akár a tömegátadási paraméterek becsléséhez. További figyelmet kell fordítani a paraméterek becslésére. Ezenkívül a kísérleti eredmények pontosabb leírása a nyomásgradiensek nedvesség-transzportjának hozzáadásával érhető el.

5. Következtetések és jövőbeli fejlemények Úgy tűnik, hogy a modell ésszerűen egyetért a kísérletekkel annak ellenére, hogy nagyobb figyelmet kell fordítani a termikus tulajdonságokra és a diffúziós együtthatókra. A meglévő szakirodalmi modellekkel és kísérletekkel való jó összehasonlítás nagyban hozzájárulhat a modell fejlődéséhez, annak érdekében, hogy többet képviseljen