Spraykoeling voor beter kwaliteitsbehoud van verse voedingsproducten
Bij spraykoeling wordt een nevel van microscopische waterdruppels in de koelruimte gesproeid die vervolgens verdampen en zo niet enkel een bijkomend oppervlakkig koeleffect geven maar ook gewichtsverliezen beperken. Dit resulteert in een snellere inkoeling en een beter kwaliteitsbehoud tijdens gekoelde bewaring van verse voedingsproducten zoals groeten, fruit, vlees en vis. Het aanhouden van de vereiste hoge relatieve luchtvochtigheid tijdens bewaring bij een lage temperatuur is een vrij delicate zaak want condensatie en bevriezing van de nevel moet vermeden worden. Te hoge relatieve vochtigheid en condensatie kunnen verder ook aanleiding geven tot microbiële groei. Het experimenteel bepalen van de optimale spraykoeling parameters is moeilijk en tijdrovend. Computational Fluid Dynamics (CFD) biedt hiervoor een alternatief. Dit blijkt alvast uit onderzoek van de onderzoeksgroep MeBioS (K.U.Leuven) waar gekeken werd hoe spraykoeling (aan de hand van hoge druk fogging) geoptimaliseerd kon worden voor ULO (Ultra Low Oxygen) bewaring van fruit en tuinbouwproducten bij negatieve temperaturen. Via computersimulaties gaf CFD hierbij inzage in de luchtstromingen in een koelruimte en hun effect op het verloop van temperatuur en relatieve luchtvochtigheid tijdens koeling en bewaring van de producten. Last but not least kon de optimale instelling van de bevochtiger bepaald worden.
Een zicht op de luchtcirculatie in koelruimtes
Figuur 1 toont hoe, aan de hand van CFD, luchtstromingen in een koelruimte gevisualiseerd kunnen worden via voorspelling van luchtsnelheid vector veldjes. De grootste snelheden doen zich duidelijk voor ter hoogte van de bodem. In de kisten komen de hoogste luchtsnelheden voor in het centrum. Deze simulaties werden door experimentele metingen bevestigd.
Figuur 1. Luchtstromingen in een koelruimte geladen met een stapel kisten kunnen afgeleid worden van luchtsnelheid vectoren (rode pijltjes: 0,5 m/s, blauwe pijltjes 0 m/s). (Bron: Delele et al., 2009, Journal of Food Engineering, Elsevier)
Hoe evolueren temperatuur en luchtvochtigheid in de koelruimte gedurende de inkoeling
In vergelijking met koeling zonder bevochtiging toonde het CFD model voor spraykoeling een 15,78 % snellere inkoeltijd en een daling van gewichtsverliezen van 4,22 % tot 3,09 %. De versnelde afkoeling bij het vernevelen is een gevolg van een koelingseffect door oppervlakkige verdamping. In lijn met het luchtstromingsgedrag (Figuur 1) ziet men de snelste afkoeling en snelste toename in relatieve luchtvochtigheid onderaan de stapel kisten (Figuur 2). Ook hier bevestigden experimentele metingen het resultaat van de modelberekeningen.
Figuur 2. Verloop van de temperatuur (links) en relatieve luchtvochtigheid (rechts) in de koelruimte en de stapel bakken gedurende het koelproces (bovenaan situatie na 5 uur, onderaan situatie na 15 uur). Temperatuur: 10 °C (rood), -1 °C (blauw); relatieve vochtigheid: 50% (blauw), 96% (rood) (Bron: Delele et al., 2009, Journal of Food Engineering, Elsevier)
Effect van bevochtigen tijdens bewaring
Om de kwaliteit van het product zo goed mogelijk te behouden tijdens bewaring dienen de tijdens het inkoelproces bekomen temperatuur en relatieve luchtvochtigheid behouden te worden tijdens de volledige bewaarperiode. Zonder bijkomende bevochtiging zakte de luchtvochtigheid, tot een evenwicht werd bereikt van 93,8%. Via interval bevochtiging (om de 15 min) kon een hoge (96,3%) relatieve luchtvochtigheid worden behouden. Hierdoor daalden de product gewichtsverliezen van 1,02%/maand tot 0,61%/maand.
Optimale instelling van de bevochtiger
Om een goed resultaat te bekomen met spraykoeling is het belangrijk om het ontwerp en de instelling van de bevochtiger met zorg te bepalen. Dit wordt geïllustreerd in Figuur 3. CFD simulaties brachten bijvoorbeeld aan het licht dat bij een bovenaan geplaatste sproeikop onder 40 bar druk de zwaardere druppels (in Figuur 3 in het rood aangeduid) ontsnappen uit de luchtstroom en bovenop de stapel kisten vallen (Figuur 3, boven). Verdere CFD berekeningen toonden dat dit probleem verholpen kon worden door de druk te verhogen en de sproeikop onder een hoek te plaatsen (Figuur 3, onder).
Figuur 3. Sproeibanen van neveldruppels in de koelruimte in geval van een bovenaan geplaatste sproeikop onder 40 bar druk (boven) en een onder een hoek van 30° geplaatste sproeikop onder 80 bar druk (onder) (Bron: Delele et al., 2009, Journal of Food Engineering, Elsevier)
Onderzoek rond spraykoeling en andere alternatieve koeltechnieken
In het recent gestarte Europese onderzoeksproject ‘Frisbee’ werken 26 partners uit verschillende Europese landen (waaronder België) aan innovaties om de koel- en vriesketen van levensmiddelen te optimaliseren in termen van voedselkwaliteit, voedselveiligheid, energieverbruik en milieueffecten. Nieuwe technologieën die hierin aan bod komen zijn ondermeer: superchilling, magnetische koeling, CO2 als koelmiddel, koelmiddelen met nano-partikels, verpakkingen met faseovergangsmaterialen, modelmatige sturing van koeling in functie van productgedrag, smart tracking & tracing,...
In het landers’ Food project ChillMeat werd ondermeer het potentieel van een aantal alternatieve koelsystemen geëvalueerd voor een optimalere koeling van runderkarkassen.
Heeft u als voedingsbedrijf interesse in deze of andere innovatieve koeltechnologieën? Neem dan contact op met Pieter Verboven, MeBioS-K.U.Leuven of Steven Van Campenhout, Flanders’ FOOD.
Bronnen
- Pieter Verboven, MeBioS-K.U.Leuven
- Delele M.A., Schenk A., Tijskens E., Ramon H., Verboven P. (2009) Optimization of the humidification of cold stores by pressurized water atomizers based on a multiscale CFD model. Journal of Food Engineering 91, 228-239. Een pdf kopie van dit artikel kan aangevraagd worden bij: Pieter Verboven
Nuttige links
- FRISBEE (Food Refrigeration Innovations for Safety, consumers’ Benefit, Environmental impact and Energy optimisation along the cold chain in Europe) project
- Flanders’ FOOD project ChillMeat - Koeling van runderkarkassen: optimalisering en alternatieve systemen
- MeBioS (afdeling Mechatronica, Biostatistiek en Sensoren aan de K.U.Leuven)
- CADcracker: CFD en computerondersteund ontwerp voor de agrovoedingsindustrie, contact pieter.verboven@biw.kuleuven.be
- Sirris Techniline artikel ‘CFD biedt ongekende voordelen voor de voedingsindustrie’ (08/10/2010)
- Sirris Techniline artikel ‘Toepassingsdomeinen van CFD-analyse in de voedingsindustrie’ (15/10/2010)
