Experimental caracterisation and modeling of heat/mass transfer and microbial growth during refrigerated transport of pork carcasses
Caractérisation expérimentale et modélisation des transferts thermique/hydrique et de la croissance microbienne au cours du transport frigorifique de carcasses de porc
Résumé
The objective of this work is to develop an approach allowing to predict the evolution of the microbial load on the surface of pork carcasses during a refrigerated transport according to the operating conditions (temperature and humidity of the blowing air) and initial conditions (temperature profile at the outlet of the slaughterhouse cold room). Since microbial growth depends mainly on temperature and water activity, it is necessary to study heat and mass transfer the transfer within and around the carcasses. These phenomena depend on the circulation of air in the refrigerated vehicle loaded with hundreds of half-carcasses which makes the geometry particularly complex.Thus, this work involves various disciplines: fluid mechanics, heat transfer and predictive microbiology. The coupling of these three disciplines makes it possible to provide scientific answers as to the sanitary quality of the pork carcasses.By conducting experiments on a semitrailer loaded with pork carcasses on a reduced scale, the air flows could be characterized by 2D Doppler laser velocimetry in two air distribution configurations (with and without air ducts). In addition, local convective heat transfer coefficients could be estimated at the surface of different parts of pork carcasses and at different positions in the reduced-scale trailer. A simplified model of the airflow has been established, that makes it possible to identify the "risk zones" in the loaded semi-trailer (low air circulation and low convective transfer coefficients).Based on the results of the experimental laboratory scale study and those collected during actual refrigerated transport, the variability of the parameters characterizing the air circulating around the carcasses could be estimated. This information served as boundary conditions for a model of heat and mass (water) transfer within the most sensitive part at the microbiological level: the ham. This 3D model, solved by the finite element method, makes it possible to predict the evolution of the temperature, the water content and the microbial load (Pseudomonas) on the surface of the lean part of the ham for different scenarios. The results showed that if the transport begins while the heart of the carcasses is still warm (15°C instead of 7°C according to current regulation) the growth of microorganisms on the surface of pork carcasses is generally not more between slaughter and arrival at the cutting site.Finally, a field study validated the data obtained at the laboratory scale and carried out an energy study. It appears that whatever the percentage of warm carcasses in the semi-trailer, the cooling capacity of the cooling system is generally sufficient to evacuate the heat of the carcasses.This study has made it possible to develop a method that characterizes airflow and heat transfer methods in a particularly complex geometry. It showed the interest of coupling transfer models and predictive microbiology models. Experiments at the laboratory scale were built by reproducing the real conditions as closely as possible thanks to the support of specialists in the meat sector. Thus the model carcasses were made in molds obtained by 3D printing from X-Ray scanners of real carcasses. The results of this study are directly usable by the profession and the public authorities for the adaptation of the refrigerated transport regulations. The approach developed may be adapted for similar problems in very congested ventilated enclosures.
L’objectif de ce travail est de développer une démarche permettant de prédire l’évolution de la charge microbienne à la surface de carcasses de porc lors d’un transport frigorifique selon les conditions opératoires (température et humidité de l’air de soufflage) et des conditions initiales (profil de température en sortie de chambre froide d’abattoir). La croissance microbienne dépendant notamment de la température et de l’activité de l’eau, il est nécessaire d’étudier les transferts de chaleur et de matière de type diffusif au sein des carcasses et de type convectif autour des carcasses. Ces derniers dépendent de la circulation d’air dans le véhicule frigorifique lorsqu’il est chargé de centaines de demi-carcasses ce qui rend la géométrie particulièrement complexe.De ce fait, ce travail fait appel à diverses disciplines : mécanique des fluides, transferts thermiques et microbiologie prévisionnelle. Le couplage de ces trois disciplines permet d’apporter des réponses scientifiques quant à la qualité sanitaire des carcasses de porc.En travaillant sur un dispositif expérimental reproduisant une semi-remorque chargée de carcasses de porc à l’échelle réduite, les écoulements d’air ont pu être caractérisés par vélocimétrie laser Doppler 2D dans deux configurations de distribution d’air (avec et sans conduits). De plus, les coefficients de transfert convectifs locaux ont pu être estimés à la surface de différentes parties des carcasses de porc et à différentes positions dans la semi-remorque à l’échelle réduite. Un schéma simplifié des écoulements d’air a été établi, il permet de localiser les « zones à risque » dans la semi-remorque chargée (faible circulation d’air et faible coefficients de transfert convectif).En se basant sur les résultats de l’étude expérimentale à l’échelle laboratoire et sur ceux récoltés au cours de vrais transports frigorifiques, la variabilité des paramètres caractérisant l’air circulant autour des carcasses a pu être estimée. Ces informations ont servi de conditions aux limites d’un modèle de transfert de chaleur et de matière (eau) au sein de la partie la plus sensible au niveau microbiologique: le jambon. Ce modèle 3D, résolu par la méthode des éléments finis, permet de prédire l’évolution de la température, de la teneur en eau et de la charge microbienne (Pseudomonas) à la surface de la partie maigre du jambon pour différents scénarios de transport frigorifique. Les résultats ont montré que si le transport commence alors que le cœur des carcasses est encore tiède (15°C au lieu de 7°C selon la réglementation actuelle) la croissance des microorganismes à la surface des carcasses de porc n’est globalement pas plus importante entre l’abattage et l’arrivée sur le site de découpe.Enfin, une étude de terrain a permis de valider les données obtenues à l’échelle du laboratoire et de réaliser une étude énergétique. Il apparait que quelle que soit le pourcentage de carcasses tièdes dans la semi-remorque, la capacité frigorifique du système de production de froid est généralement suffisante pour évacuer la chaleur des carcasses.Cette étude a permis de développer des méthodes de caractérisation des écoulements et des transferts dans une géométrie particulièrement complexe. Elle a montré l’intérêt de coupler des modèles de transfert et de microbiologie prévisionnelle. Les expérimentions à l’échelle laboratoire ont été construites en reproduisant au plus près les conditions réelles grâce à l’appui de spécialistes de la filière viande. Ainsi les carcasses modèles ont été réalisées dans des moules obtenus par impression 3D d’après des scanners X de vraies carcasses. Les résultats de cette étude sont directement utilisables par la profession et les pouvoirs publics pour l’adaptation de la réglementation des transports réfrigérés. La démarche développée pourra être adaptée pour des problèmes similaires dans des enceintes ventilées très encombrées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)