Modeling and optimization of UV-C treatment to extend shelf life of citrus fruit by CFD

通过 CFD 对延长柑橘类水果保质期的 UV-C 处理进行建模和优化

• 批准号: 22KF0302
• 负责人: 田中 史彦
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22KF0302/
• 关键词: 農業工学; Digital Twin; 殺菌; UV-C; 可視化

本研究は、収穫後の農産物の腐敗による劣化を抑制する手法として、紫外線照射殺菌法に着目し、この工程を数値解析的アプローチによって最適化するものである。このために、数値流体力学モデリングなどの数値解析アプローチにより、均一照射を行うための装置設計・制御指針を提示することとした。本年度は、X線CT装置により被照射体となる青果物形状データを取得し、コンピュータ上に再構築した。また、UV-C殺菌装置についても仮想空間上に再構築し（Digital Twin）、ランプの配置やベルトコンベアの移動速度等をモデルパラメータとする解析モデルを開発した。ベルトコンベアによる青果物の空間移動については、スライディングメッシュ法を導入することで、より厳密なモデルの再現を可能とした。ここで開発したモデルを用いて、青果物表面におけるUV-C照射強度分布を可視化したことで、各種パラメータが影響を強度分布に及ぼす影響を容易に把握することが可能としたのみではなく、照射強度分布の統計的特徴量（平均強度、変動係数）を算出することで、均一性の評価を可能とした。さらに、腐敗性微生物の殺菌速度論モデルを照射モデルに組み込み、微生物が青果物表面で殺菌されていく過程を時空間分布図として可視化した。加えて、実験によるモデルの妥当性の検証も行ったが、殺菌については微生物自体の抵抗性のばらつきが大きいため、確率論的なモデルによる評価が有効となることが示唆された。また、赤外線照射によるソフト加熱前処理の効果についても検討することとした。

本研究重点关注紫外线照射灭菌法作为抑制农产品收获后腐败变质的方法，并利用数值分析方法优化该过程。为此，我们决定使用计算流体动力学建模等数值分析方法提出均匀照射的设备设计和控制指南。今年，我们使用X射线CT系统获取了被照射的水果和蔬菜的形状数据，并在计算机上重建了它们。我们还在虚拟空间（数字孪生）中重建了 UV-C 灭菌器，并开发了使用灯布置、皮带输送机移动速度等作为模型参数的分析模型。通过引入滑动网格方法通过带式输送机进行水果和蔬菜的空间运动，我们能够重现更精确的模型。通过使用这里开发的模型来可视化水果和蔬菜表面的UV-C照射强度分布，不仅可以轻松了解各种参数对强度分布的影响，还可以将照射强度可视化。计算分布的统计特征（平均强度、变异系数），可以评估均匀性。此外，将腐败微生物的灭菌动力学模型纳入辐照模型中，将微生物在果蔬表面的灭菌过程可视化为时空分布图。此外，通过实验验证了模型的有效性，结果表明，由于微生物本身的抵抗力变化较大，概率模型在评估灭菌效果方面会更有效。我们还决定检查使用红外辐射的软加热预处理的效果。

项目成果

Estanblishment of a robust food chain system to promote export of Japanese fruit and vegetables - Data-driven transport system-

建立健全的食物链系统，促进日本水果和蔬菜的出口 - 数据驱动的运输系统 -

• 发表时间: 2022
• 作者: Lihong Cheng;Atsuko Yoshino;Yuki Nagasato;Fuyuko Takata;Shinya Dohgu;Mitsuru Tanaka;Toshiro Matsui;Fumihiko Tanaka
• 通讯作者: Fumihiko Tanaka