Thermal process of fruit juices using microwaves : multiphysics modeling and enzyme inactivation

• Main Author: Kaneiwa Kubo, Mirian Tiaki
• Other Authors: Nantes, Ecole nationale vétérinaire
• Language: fr
• Published: 2018
• Subjects: Chauffage par micro-Ondes; Modélisation; Inactivation enzymatique; Propriétés diélectriques; Peroxydase; Microwave heating; Modeling; Enzyme inactivation; Dielectric properties,; Peroxidase
• Online Access: http://www.theses.fr/2018ONIR116F/document

Ce travail vise à étudier l'intérêt duchauffage micro-ondes pour l'inactivation desenzymes dans les jus de fruit, à travers desapproches numériques et aussi expérimentales.En premier lieu, une étude sur les propriétésdiélectriques des jus de fruits modèles est menée,démontrant leur forte sensibilité à la température,à la fréquence et à la composition du produit. Dansune seconde partie, l'inactivation de la peroxydaseest étudiée par chauffage conventionnel et lesdonnées sont ajustées par un modèle cinétique dupremier ordre. Dans la troisième et principalepartie de ce travail, un modèle tridimensionnel,résolu par éléments finis, est proposé pour simulerle chauffage par micro-ondes du jus, en couplantélectromagnétisme, transfert de chaleur etécoulement, avec la cinétique d'inactivation de laperoxydase précédemment déterminée.Cette simulation permet de prédire la distributionspatiale de la température, le profil d’écoulementet l'inactivation de la peroxydase. L’accord entre lemodèle et les expériences est très satisfaisant, cequi confirme la pertinence de l’approche. Dans ladernière partie, les réactivations de la peroxydaseaprès chauffage conventionnel et micro-ondessont évaluées et comparées. Enfin, l’éventuelleexistence d’effets non thermiques des microondesest discutée via des expériencesadditionnelles. En conclusion, ces travauxmontrent tout l’intérêt de la simulation numériquecomme outil de compréhension du processusmultiphysique du chauffage par micro-ondes pourl’inactivation des enzymes, ce qui peut êtreparticulièrement intéressant pour la conception etl’optimisation de traitements micro-ondes. === This work aims at studying the use ofmicrowave heating for enzyme inactivation in fruitjuices by means of numerical and experimentalapproaches. In the first part, a study on thedielectric properties of model fruit juices isconducted, evidencing their high dependence onthe temperature, frequency and composition of theproduct. Then in the second part, the inactivation ofperoxidase is studied using conventional heatingand the data are fitted by a first order kinetic model.In the third and main part of this work, a threedimensionalfinite element model is developed tosimulate the microwave heating of juices, couplingelectromagnetics, heat transfer and fluid flow aswell as the peroxidase inactivation kineticspreviously determined.As a result, spatial temperature distribution, flowpattern and peroxidase inactivation are obtained.The model is experimentally validated and goodagreement is observed, confirming the relevanceof the approach. Finally, in the last part, thepotential peroxidase reactivations afterconventional and microwave heating areassessed and compared. Also, the possibleexistence of non-thermal effects of microwaves isdiscussed thanks to additional experimentations.In conclusion, this work shows the large interest ofcomputer simulation as a tool for understandingthe multiphysics process of microwave heating forenzyme inactivation, which can be particularlyinteresting for further design of optimizedmicrowave processing.