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鲜榨苹果汁管式液膜紫外杀菌的CFD模拟

作　者: 吴燕涛
导　师: 施瑞城
学　校: 华南热带农业大学
专　业: 农产加工及贮藏工程
关键词: 鲜榨苹果汁冷杀菌紫外线计算流体动力学杀菌率
分类号: TS255.44
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

本论文研究内容是国家科技部“十五”重大科技专项—农产品深加工技术与设备研究开发课题《优质鲜榨苹果汁和浑浊型苹果汁加工关键技术研究》的一部分。鲜榨苹果汁以其风味纯正、营养丰富、价格适中,越来越受到广大消费者的青睐,已经成为苹果汁未来发展的一个重要方向。在灭菌前的鲜榨苹果汁中含有多种微生物,影响果汁的质量安全和货架期。冷杀菌作为一种新型而有效的杀菌技术正日益受到消费者的青睐,其中紫外线杀菌由于其杀菌效率高、投资少、操作简便、无污染的特点,在食品工业中的应用备受关注。本文根据紫外线能杀灭多种微生物以及穿透力较差的的特性,采用管式液膜方式进行杀菌处理,使紫外线在有效的穿透能力下对果汁进行杀菌,保证杀菌效率维持在一个较高的水平,从而最大限度的保留鲜榨苹果汁的新鲜风味和营养成分。通过研究果汁中不同种类微生物对紫外线耐受情况,采用单因素实验研究了紫外杀菌时间、杀菌距离和果汁厚度与杀菌效率的关系,确定了模拟的边界条件,借助高性能计算机采用有限元分析和流体模拟技术(CFD)的手段,对苹果汁的管式液膜紫外杀菌过程进行了动态流体杀菌过程模拟,以紫外线能量累积杀菌理论为基础,分析了不同初始速度及流动方式对杀菌率的影响,直观显示了管式液膜紫外杀菌过程中果汁中细菌的运移及存活情况:活细菌的动态分布等密度线,管道内不同部位速度场和湍动能的分布,为确定高效的液体流态和杀菌控制参数提供了数学理论基础。结果显示:选用照射距离为2cm、液层厚度为4mm对杀菌过程进行数值模拟,模拟结果表明,果汁以湍流方式在管道中进行流动时紫外杀菌效果较好,果汁初始速度为8m/s时杀菌效果较好。该研究应用CFD软件—FLUENT对紫外线杀菌过程进行模拟,大大减少了实验的工作量及研发费用,并提出管式液膜紫外线杀菌方式提高紫外杀菌率,拓展了紫外杀菌的应用范围。

全文目录

1 前言  8-16
  1.1 紫外杀菌技术的研究进展概述  10-12
  1.2 CFD技术的研究进展概述  12-16
2 材料与方法  16-22
  2.1 实验材料  16
  2.2 实验方法  16-22
    2.2.1 培养基的制备及灭菌  16-17
    2.2.2 菌种的富集培养  17
    2.2.3 菌落检验  17-18
    2.2.4 鲜榨苹果汁的制备  18
    2.2.5 具有一定浓度微生物果汁的制备  18
    2.2.6 标准吸收曲线的绘制  18-19
    2.2.7 紫外线强度的测定  19
    2.2.8 紫外线照射杀菌处理  19
    2.2.9 杀菌率计算公式  19
    2.2.10 D值的确定  19-20
    2.2.11 不同菌种耐受性差异  20
    2.2.12 紫外杀菌规律的研究  20
    2.2.13 紫外杀菌过程的CFD模拟  20-22
3 结果与分析  22-48
   3.1 不同菌种D值的确定  22
   3.2 不同菌种对紫外线耐受性比较  22-23
   3.3 紫外杀菌规律的研究  23-35
     3.3.1 紫外照射时间与杀菌率的关系  24-28
     3.3.2 紫外照射距离与杀菌率的关系  28-31
     3.3.3 液层厚度与杀菌率的关系  31-34
     3.3.4 果汁粘度对杀菌率的影响  34-35
  3.4 紫外杀菌过程的CFD模拟  35-48
    3.4.1 假设条件  35
    3.4.2 网格生成  35-36
    3.4.3 基本方程  36-37
    3.4.4 密度与对流  37
    3.4.5 细菌死亡动力学方程  37
    3.4.6 细菌扩散方程  37-38
    3.4.7 流体特性  38
    3.4.8 起始条件与边界条件的设置  38
    3.4.9 判断解的收敛性  38-39
    3.4.10 流动方式对紫外杀菌率的影响  39-40
    3.4.11 流动速度对紫外杀菌效率的影响  40-48
4 结论  48-49
5 讨论  49-50
参考文献  50-57
附录  57-61
致谢  61

鲜榨苹果汁管式液膜紫外杀菌的CFD模拟

内容摘要

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