Modelling of heat/water transfer and microbial growth during refrigerated transport of porc carcass
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 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 of product (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 within and around the carcasses. These phenomena depend on the airflow pattern 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/mass 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. 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 pork carcass models were made in molds obtained by 3D printing from X-Ray scanners of real carcasses. By conducting experiments on a reduced scale semitrailer loaded with these carcasses, the airflow could be characterized using 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 using fluxmeters. A simplified airflow diagram and the ratio of air distribution in the loaded vehicle have been established, helping in the identification of the "risk zones" in the loaded semi-trailer (low air circulation and low convective transfer coefficients). Based on the experimental results in laboratory scale and those measured during real refrigerated transport, the variability of the parameters characterizing the air circulating around the carcasses could be estimated. This information served as boundary conditions for heat and mass (water) transfer modelling within the most microbial sensitive part of carcass: the ham. This 3D model, solved by the finite element method, allows the prediction of 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 transport scenarios. The results showed that if the transport begins while the carcasses center is still warm (15°C instead of 7°C according to current regulation) the microbial growth on the surface of pork carcasses is generally not more between slaughter and arrival at the cutting site. Finally, a field study was conducted to monitor the temperature evolution of the pork carcass located at different positions in semitrailer. The cooling capacity of semitrailer required for the transport of different ratio of warm carcasses was estimated. Finally, the developed experimental and numerical methodologies for airflow and heat transfer characterization in a particularly complex geometry showed the interest of coupling transfer models and predictive microbiology models. The results of this study are 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 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 les 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 coeur 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 d'étudier les profils de température de la surface et du coeur des carcasses dans des conditions réelles de transport. De plus, cette étude a permis d'évaluer les besoins frigorifiques supplémentaires dus au transport des carcasses chaudes par rapport transport de carcasses froides selon différents taux de chargement. 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 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.