Modelling heat and mass transfer in bread baking with mechanical deformation

International audienceIn this paper, the thermo-hydric behaviour of bread during baking is studied. A numerical model has been developed with Comsol Multiphysics© software. The model takes into account the heat and mass transfers in the bread and the phenomenon of swelling. This model predicts the evolution of temperature, moisture, gas pressure and deformation in French “baguette” during baking. Local deformation is included in equations using solid phase conservation and, global deformation is calculated using a viscous mechanic model. Boundary conditions are specified with the sole temperature model and vapour pressure estimation of the oven during baking. The model results are compared with experimental data for a classic baking. Then, the model is analysed according to physical properties of bread and solicitations for a better understanding of the interactions between different mechanisms within the porous matrix

Evaluation of Microwave Applicator Design on Electromagnetic Field Distribution and Heating Pattern of Cooked Peeled Shrimp

Non-uniform temperature distribution within solid food is a major problem associated with microwave heating, which limits industrial applications. Therefore, an experimentally validated 3D model was proposed to study the effect of microwave applicator geometry on the electromagnetic field distribution and heating pattern of shrimp under different processing conditions. Simulation results were compared with physical experiments, in which a cooked peeled shrimp sample was heated using two different laboratory-scale microwave applicators (rectangular and cylindrical cavities). For the rectangular applicator, the temperature distribution within the shrimp, when examined in cross-section, was more homogeneous compared to that of the cylindrical applicator. The results showed the influence of the complex shape of the food on the temperature distribution during microwave heating, as well as of process parameters (input power and geometry cavity). Moreover, this modelling method could provide a better understanding of the microwave heating process and assist manufacturing companies to evaluate a suitable microwave applicator according to their specific purpose

Détermination de la répartition spatiale optimale des sources thermiques dans un plateau chauffant

International audienceDans ce travail, on s'intéresse à l'optimisation du chauffage d'un outillage (plateau chauffant) utilisé dans la mise en forme de matériaux composites à hautes températures (~400°C). L'objectif recherché est d'assurer la maîtrise du champ de température en tout point à la surface de l'outillage qui doit reproduire un champ consigne donné afin de chauffer un moule ayant une forme complexe. Pour ce faire, une procédure a été mise en place afin de déterminer la répartition spatiale optimale des sources thermiques de chauffage. La démarche proposée comporte deux étapes : (i) la définition d'une courbe paramétrée qui définit la répartition spatiale des sources de chauffage dans l'épaisseur du plateau chauffant et (ii) l'utilisation d'une méthode inverse couplant un algorithme d'optimisation stochastique avec un code de calcul par éléments finis. Cette deuxième étape permet d'ajuster cette courbe afin d'obtenir un champ de température simulé le plus proche possible de celui voulu à la surface du plateau. On étudie l'évolution de cet écart entre les champs de température ainsi que la consommation énergétique en fonction du nombre de sources retenu. Nomenclature (11 points, 2 colonnes) H Hauteur (m) Valeur maximale de (°C) L Largeur (m) Température normalisée entre [0,1] et Paramètres de la courbe à optimiser Courbe paramétrée Température consigne (°C) Ecart quadratique moyen (°C) Valeur minimale de (°C

Microwave processing: from modelling to control – example of solid food pasteurization

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Towards an all-terrain identification method for models of industrial processes

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Artificial Neural Network for prediction of dielectric properties relevant to microwave processing of fruit juice

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Modélisation et commande de la décongélation par micro-ondes

La décongélation est une étape clé de l industrie alimentaire à plusieurs titres: la remise en température d un produit s accompagne généralement d une reprise d activité microbiologique et cette opération est particulièrement consommatrice d énergie. De plus, la qualité finale du produit est étroitement liée à la technique utilisée. Ainsi, la décongélation doit être une opération rapide, durant laquelle le produit doit rester homogène en température, ne pas subir de transformation non souhaitée ou encore de dégradation sur un plan aussi bien organoleptique que microbiologique. La décongélation par micro-ondes répond bien au critère de rapidité, mais elle présente des hétérogénéités de chauffage, phénomène appelé emballement thermique. Dans ce mémoire, nous proposons de contrôler l emballement thermique à l aide d algorithmes de commande avancée, en agissant sur la puissance micro-onde et un jet d air froid additionnel. Cette thèse s organise autour de trois grandes parties. La première partie est consacrée au développement d un modèle simple mais précis. Le terme source lié aux micro-ondes est calculé à partir d un fonction simple qui ne nécessite pas la résolution des équations de Maxwell, ni la connaissance des propriétés diélectriques. Une géométrie 2D est considérée dans un guide d onde en mode fondamental TE01. Cette fonction peut alors être aisément identifiée par des méthodes inverses. Le modèle obtenu est un modèle à paramètres distribués non linéaire, qui est alors réduit en modèle à paramètres localisés, toujours non linéaire, à l aide d un schéma aux volumes finis. La seconde partie est consacrée à la reconstruction de l état thermique interne du produit lors de la décongélation. Pour cela, des observateurs (notamment Observateurs de Luenberger et Filtre de Kalman) sont utilisés pour estimer le vecteur d état à partir d une seule mesure de température de surface. La troisième partie traite de la mise en place de lois de commande pour contrôler le procédé. Deux approches ont été proposées et comparées: la commande LQE (linéaire quadratique Etendue) et la linéarisation Entrée / Sortie (Global Linarizing Control). Des résultats ont été obtenus avec cette dernière, à la fois en configurations mono et multivariable. Toutes les étapes de ce travail ont été validées expérimentalement avec succès lors de la décongélation d un produit modèle, la tylose, pour la reproductibilité des expériences, et dont les propriétés thermophysiques sont proches de celles de la viande de bœuf. Les expérimentations ont été réalisées à l aide d un générateur micro-onde à puissance variable (mode fondamental TE01, 2,45 GHz).Defrosting is a key operation of the food industry for several reasons: the heating-up of a food material is usually associated with a renewal of microbiological activity, particularly the consumption of energy. Moreover, the final quality of the product is closely related to the technique used. Thus, the defrosting must be as short as possible; the product must remain as homogeneous as possible and must not undergo unexpected transformation or damage, either organoleptic or microbiological. The microwave-assisted defrosting fits the rapidity criterion well, but has heating heterogeneities, i.e., a phenomenon called thermal runaway. In this report, we propose to use advanced control laws to control the thermal runaway, by acting on the microwave power and on an additional cooling air jet. This thesis is presented in three major parts. The first part is dedicated to the design of a simple but accurate model. The source term, bound to the microwaves, is computed using a simple function, which requires neither the resolution of Maxwell s equations nor the knowledge of the dielectric properties. A 2D geometry, in a fundamental mode of propagation TE01, is considered. This function can easily be evaluated using reverse techniques. The obtained model is a nonlinear distributed parameters system, which is finally reduced in a lumped parameter, nonlinear, using a finite volumes scheme. The second part deals with the internal thermal state of the product during the defrosting. Observers (Luenberger s observers or Kalman Filters) are used for the reconstruction of the whole state vector from a single surface temperature measurement. In the third part, two control approaches applied to our process are presented. The first one, based on the famous LQ technique, is extended to the nonlinear case and discussed in terms of advantages and limits. The second one, the Global Linearizing Control, is presented and carried out in SISO and MIMO configurations. All the steps of this work have been successfully validated during the defrosting of a model product, tylose, which has thermal properties close to that of beef muscle, for the repeatability of the operations Experiments have been realized thanks to a microwave with a variable power generator (fundamental mode TE01, 2.45 GHz)NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocNANTES-BU Technologie (441092105) / SudocSudocFranceF

A 3D-CFD-heat-transfer-based model for the microbial inactivation of pasteurized food products

International audienceThis study coupled a 3D-CFD and heat transfer finite elements model with the microbial inactivation approach proposed by Geeraerd, Herremans, and Van Impe (2000). The CFD-heat transfer model was developed using thermophysical properties for both heating fluid (water) and the processed sample (ground beef). The kinetic microbial parameters were estimated using experimental data from the inactivation of Escherichia coli K12 in a packaged sample. The proposed inactivation model was tested under more severe dynamic conditions than usual (heating rates from 1 to 13°C/min). The inactivation kinetic parameters were found independent of the heating rate applied. In addition, the results revealed that the Geeraerd et al. (2000) model without a shoulder is sufficient to fit the experimental data. Such a model could be beneficial in simulating microbial inactivation for food products, thus ensuring food safety by limiting, as far as possible, overtreatment

A coupled CFD-heat transfer model for in-package solid food pasteurization

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Inactivation of peroxidase by microwave processing: development and validation of a kinetic model

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