CFD Applications in Food And Agricultural Industries

امروزه نه تنها CFD یک ابزار ناشناخته در صنایع کشاورزی و غذایی نیست بلکه استفاده از آن روز به روز در حال گسترش است. اهمیت این صنایع موجب گشته تا اراده‌ای جدی بر توسعه کمی و کیفی محصولات کشاورزی و غذایی حاکم باشد. CFD را می‌توان سریع‌ترین و ارزان‌ترین روش مطالعه و ارزیابی سیستم‌های مرتبط با سیالات در صنایع کشاورزی و غذایی برشمرد. در این پست سعی شده کاربردهای CFD بطور خلاصه معرفی شوند.

کاربردهای CFD در صنایع کشاورزی و دامپروری

-شبیه سازی، مطالعه و بررسی عملکرد سیستم‌های تهویه مطبوع ساختمان‌های کشاورزی نظیر سوله‌ها، سردخانه‌ها، مرغ‌داری‌ها، گاوداری‌ها و غیره

-شبیه سازی انتشار ذرات گرد و غبار، قطرات آب، گرده‌ها و هاگ‌ها در شرایط جغرافیایی و اقلیمی مختلف

-شبیه سازی انتشار بو و گازهای متصاعد شده از دام‌داری‌ها و مراکز پرورش محصولات کشاورزی نظیر مراکز پرورش قارچ

-شبیه‌سازی مخازن و همزن‌های کودهای شیمیایی

-شبیه سازی آبرسانی در کانال‌های سیمانی و پی وی سی

-شبیه سازی آبرسانی در کانال‌های خاکی و پیش بینی مقدار اتلاف آب از این کانال‌ها

-شبیه سازی آبیاری قطره‌ای و بارانی برای رسیدن به چیدمان بهینه نازل‌های آبیاری بمنظور کمینه سازی مصرف آب

-شبیه سازی، مطالعه و بررسی عملکرد تجهیزات کشاورزی نظیر فن‌ها، هواسازها، دریچه‌ها، کانال‌ها، نازل‌ها، پمپ‌ها و غیره در شرایط کارکردی متفاوت

-کمک به طراحی و توصعه ماشین آلات کشاورزی (به کاربرد CFD در صنایع خودروسازی مراجعه شود).

-شبیه سازی، مطالعه و بررسی عملکرد سیستم‌های تولید و تبدیل انرژی

-شبیه سازی عملکرد ماشین‌های کشاورزی نظیر کمباین‌ها و غیره در شرایط کارکردی متفاوت

– شبیه سازی جریان همراه با انتقال حرارت تابشی و جابجایی به منظور استخراج مشخصات جریان در گلخانه‌ها

کاربرد CFD در صنایع غذایی (CFD Applicationd in Food Industries)

توانمندی‌های CFD در شبیه سازی تقریبا تمامی رژیم‌های جریان از جمله جریان‌های آشفته، چند فازی، دورانی، همراه با انتقال حرارت، همراه با واکنش شیمیایی، همراه با تغییر فاز (ذوب و انجماد) و همچنین جریان‌های سیالات نیوتنی و غیر نیوتنی آن را به ابزاری کارآمد، سریع، ارزان و تا حد بسیاری قابل اعتماد تبدیل کرده تا توسعه صنایع غذایی با حداقل هزینه در سعی و خطا و ساختن مدل‌‎های آزمایشگاهی امکان‌پذیر شود. اهمیت بهداشت، مانداگاری، طعم، ذائقه، بو و بسیاری موارد دیگر در تولید مواد غذایی غیر قابل انکار است از این رو شبیه سازی دقیق و کامل محیط و فرآیند فرآوری تولید نهایت خواسته علمی مهندسان این حوزه می‌باشد. CFD یکی از ابزارهای رسیدن به این مهم است هرچند هنوز نمی‌توان ادعا کرد که 100% خواسته‌ها را برآورده می‌سازد اما به جرأت می‌توان گفت که انکاراهمیت نقش CFD در توسعه صنعت غذایی غیر ممکن است! مهمترین کاربردهای CFD برگرفته از مرجع [1] در ادامه معرفی شده است.

تمیزکاری و بهداشت (Cleaning and Hygiene)

از CFD می‌توان در شبیه سازی، حل میدان جریان، محاسبه سرعت و پیش بینی تنش برشی دیوار در داخل لوله‌ها، توپ‌های اسپری (Spray Balls) و مخازن در هنگام شستشو بمنظور کمک به بهبود تمیزکاری مخازن فرآوری مواد غذایی (Food Processing Tanks) بهره برد. همچنین بهبود بهداشت محیط، دستگاه‌ها و تجهیزات به کمک CFD و با شبیه سازی گردش جریان آشفته در آن‌ها و پیش بینی مکان‌هایی دارای سرعت و تنش برشی کافی برای پاک سازی نیستند، امکان‌پذیر است. از طرفی بهینه سازی مبدل‌های حرارتی با شبیه سازی، مطالعه جریان و آگاهی از کیفیت توزیع مناسب دما طی فرآیند گند زدایی (Aseptic Processing) با هدف حفظ مزه و ارزش غذایی همراه با کاهش مصرف انرژی در حرارت دهی طی فرآیندهای مختلف، امکان‌پذیر است. با استفاده از CFD می‌توان ضمن مدلسازی جریان سیال حول موانع و داخل حفره‌ها، شناخت مناسبی نیز نسبت به توزیع دما بدست آورد و آن را کنترل نمود و البته باعث کاهش پدیده‌های ناخواسته ناشی از مقاومت جریان همچون برا یا همان لیفت (Lift) هم شد.

خشک کردن (Drying)

خشک کردن یک فرآیند متداول در فرآوری مواد غذایی به شمار می‌رود. نکته اساسی در این فرآیند وابستگی شدید سرعت خشک کردن نسبت به جریان هوا و سرعت آن می‌باشد. لذا بدیهی است که داشتن اطلاعات میدان جریان نظیر سرعت، فشار و مقدار هوای عبوری از خشک کن‌ها کمک بسیاری در برآورد راندمان و عملکرد آن‌ها می‌کند. در روش‌های آزمایشگاهی، اندازه‌گیری سرعت هوا در مخازن خشک کن خالی از عیب نیست چراکه باید از سنسورهای متعدد در مکان‌های مختلف مخازن استفاده کرد که نه تنها هزینه بر است بلکه خود باعث به هم خوردن الگوی جریان داخل مخزن و در نتیجه بروز خطا نسبت به حالت واقعی می‌شود. در عوض استفاده از CFD روشی عالی، کم هزینه، سریع، جامع و در برگیرنده تمامی جزئیات به حساب می‌آید. از آنجائیکه شرایط خشک شدن مواد غذایی مثل غلات، داه‌های روغنی، سبزیجات و غیره متفاوت است لذا شاهد رژیم‌های متفاوتی از جریان‌های تک فاز، دو فاز و همراه با انتقال حرارت هستیم که البته در تمام آن‌ها یکنواختی پروفیل جریان هوا و کاهش مصرف سوخت همواره از اهمیت بسیاری برخوردار است. کاربرد دیگر CFD در مطالعه و بررسی عملکرد خشک کن‌های اسپری (Spray Dryer) می‌باشد. بررسی الگوی جریان، سرعت، دما، فشار و رطوبت، شبیه سازی مسیر حرکت ذرات خشک شونده نظیر دانه‌ها و قطرات همراه با انتقال حرارت و جرم و بصورت جریان‌های چند فازی بخصوص برای خشک کن‌های اسپری هم‌جریان (Co-Current Spray Dryer) امکاناتی هستند که CFD در اختیار مهندسان و متخصصان قرار داده است.

پاستوریزه و استرلیزه کردن (Pasteurization و Sterilization)

پاستوریزه کردن فرآیندی حیاتی برای غیر فعال کردن ارگانیسم‌ها و آنزیم‌های فاسد کننده (spoilage organisms and enzymes) شیر می‌باشد. شبیه سازی و پیش بینی الگوی توزیع دمایی (به کمک CFD)در داخل شیر کنسرو شده طی فرآیند عملیات حرارتی در کسب بینش مناسب نسبت به اثرگذاری عملیات حرارتی در غیر فعال‌سازی فاسدکننده‌های شیر بسیار راه گشاست. همچنین با استفاده از CFD می‌توان جریان مواد غذایی مایع نیوتنی و غیرنیوتنی را به راحتی مدل نمود. به عنوان مثال شبیه سازی جریان سیال غیر نیوتنی و توزیع دمایی در فرآیند پاستوریزه کردن تخم مرغ‌های مایع یکی از این دست کاربردها می‌باشد.

فرآیند عملیات حرارتی اصلی‌ترین تکنیک استرلیزه کردن می‌باشد که در غیرفعال سازی میکروبیایی (microbial inactivation)، کیفیت، حفظ ارزش و مزه طبیعی مواد غذایی بسیار مهم است. با استفاده از CFD، شبیه سازی فرآیند استرلیزه کردن برای مواد غذایی مایع و جامد کنسروی و بسته بندی شده امکان‌پذیر است. مدلسازی فرآیند استرلیزاسیون اکسیژن/اوزون برای میوه‌جات و سبزیجات یا یا مدلسازی استرلیزاسیون فشاری برای آبمیوه‌های تازه و ژامبون‌های پخته شده از مهمترین کاربردهای CFD در استرلیزه کردن مواد غذایی بشمار می‌رود.

مخلوط کردن (Mixing)

در صنایع غذایی عملیات مخلوط کردن با هر سه حالت ماده یعنی جامد، مایع و گاز درگیر است. به هر صورت می‌توان مخلوط کردن را یکی از فرآیندهای پیچیده در شبیه سازی در نظر گرفت چرا که جریان (معمولا) غیر نیوتنی، آشفته، چند فازی و همراه با انتقال حرارت بر آن حاکم است. CFD به عنوان یک ابزار قدرتمند، به راحتی توانایی شبیه‌سازی اینگونه جریان‌ها را در میکسرها داراست. با استفاده از CFD می‌توان با مطالعه عملکرد ایمپلرهای (Impellers) مخلوط کن، شکل و زاویه‌ای بهینه را برای آن‌ها پیدا کرد تا راندمان آن‌ها افزایش و مصرف انرژی در آن‌ها کاهش یابد. شبیه سازی جریان در میکسرهای سنگین حاوی سیالات غیر نیوتنی سنگین و پر حجم (دستگاه هم زن مثل خمیر نان) از چالش‌های هیجان انگیز CFD محسوب می‌شود.

پخت (Baking)

پخت، فرآیند متداولی که عمدتا در تولیدات غذایی مبتنی بر غلات نظیر نان، بیسکوئیت و غیره وجود دارد. البته این عملیبات برای کنسرو سازی مواد غیر خوراکی نظیر نشاسته (Starch) و گلوتن (Gluten) و غیره نیز استفاده می‌شود. به دلیل معیارهایی نظیر ژلاتینه شدن (Gelatinization)، واکنش‌های آنزیمی (Enzymatic Reactions) و کیفیت مواد غذایی از جمله نان، توزیع مناسب دماها در اجاق‌ها و فرهای پخت این محصولات بسیار مهم است. از این رو شبیه سازی، حل میدان جریان و محاسبه دما، فشار، شار حرارتی، توزیع سرعت و دما در اجاق‌های پخت از کاربردهای مهم CFD در فرآیند پخت به شمار می‌رود. بررسی اثرات قرارگیری هیتر بر یکنواختی توزیع دما رویمواد غذایی، مطالعه گردش جریان هوا در فرها و اجاق‌ها همراه با ارزیابی عملکرد آن‌ها در شرایط کارکردی متفاوت و به حداقل رساندن سعی و خطا و ساخت نمونه‌های اولیه در کنار کاهش هزینه طراحی از دیگر کاربردهای CFD در طراحی و توسعه دستگاه‌های پخت مواد غذایی می‌باشد.

تبرید (Refrigeration)

تبرید موجب کاهش رشد باکتری‌ها و افزایش میزان ماندگاری مواد غذایی می‌شود. در سال‌های اخیر متخصصان و مهندسان مواد غذایی از CFD برای مدلسازی انتقال حرارت و جرم در مواد غذایی طی فرآیند تبرید (خنک کردن یا انجماد)استفاده می‌کنند. با کمک CFD تمامی حالات کارکردی سیستم‌های تبریدی جدید طراحی شده، قبل از ساخت، شبیه سازی و آنالیز می‌شود تا طراحی بهینه با حداقل نمونه آزمایشگاهی ساخته شده، نهایی گردد که در نتیجه موجب کاهش قیمت تمام شده می‌شود. شبیه سازی گردش هوا در لابلای قفسه‌ها و پالت‌ها (Pallets)، حل میدان جریان و محاسبه سرعت و دما، همراه با بررسی کندانسورها و اواپراتورها در یخچال‌ها، فریزرها و سردخانه‌ها از جمله فعالیت‌هایی است که با کمک CFD قابل انجام است. شبیه سازی، مطالعه و بررسی عملکرد یخچال‌ها و سردخانه‌های سیار با در نظر گرفتن شرایط محیطی از جمله سرعت و دمای محیط نیز از جمله مسائلی است که استفاده از CFD برای حل آن‌ها بسیار مطلوب است.

کاربردهای CFD در محیط زیست

خلاصه‌ای از مهمترین کاربردهای CFD در محیط زیست عبارتند از:

  • شبیه سازی انتشار آلودگی توسط گازهای آلاینده تولید شده از صنایع مختلف
  • شبیه سازی انتشار ذرات معلق و گرد و غبار در هوا در مناطق مختلف از جمله کلان شهرها
  • شبیه سازی آلاینده‌های خاک نظیر نفت، مایعات سمی و غیره در مناطق مختلف 
  • شبیه سازی انتشار آلاینده‌های آب‌های دریاها و اقیانوس‌ها نظیر توسعه و انتشار لکه‌های بزرگ نفتی نشت شده از نفت کش‌ها
  • شبیه سازی نشت و انتشار مواد و مایعات سمی در رودخانه‌ها
  • شبیه سازی فرآیند تصفیه آب در حوضچه‌های تصفیه 
  • شبیه سازی عملکرد در راستای بهینه سازی طراحی تجهیزات و دستگاه‌های مولد انرژی‌های پاک نظیر توربین آب
  • شبیه سازی عملکرد در راستای بهینه سازی طراحی انواع فیلترها از جمله فیلترهای آب و هوا

[1]

Concept of Computational Fluid Dynamics (CFD) and its Applications in Food” Processing Equipment Design”
,Pragati Kaushal* and Sharma HK, Department of Food Engineering and Technology, Sant Longowal Institute of Engineering & Technology (Deemed to be University), Longowal-148106, Distt, Sangrur (Punjab), India

Kaushal and Sharma, J Food Process Technol 2012, 3:1 DOI: 10.4172/2157-7110.1000138

بازگشت

برای کسب اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید

محمدرضا کلیچ