雀巢里的甜蜜仿真

在雀巢，围绕生产一块完美巧克力糖果所进行的各种研究、设计和制造工作是一个非常令人着迷的过程，宛如电影《欢乐糖果屋》中的奇幻巧克力世界。虽然没有电影中的奥帕-伦帕人在监督糖果的生产，但是雀巢的团队还是进行了大量的思考和仿真工作来优化这一过程。

 

位于英国约克郡的雀巢产品技术中心是雀巢糖果类产品的研发中心，主要进行三大产品的研发：用于制作糖果棒的巧克力浇注机；威化烤盘；以及同时用于烘焙和分类谷物食品的挤出机。这里的工程师正借助多物理场仿真的“魔力”来优化和简化产品的生产工艺。

 

巧克力的研发

雀巢奇巧（Kit Kat®)、气泡巧克力（Aero®)、甘脆巧克力（Crunch），以及牛奶巧克力棒等都是利用巧克力浇注机向模具中填满融化的巧克力制作而成。巧克力通过顶部的流道进入浇注机，然后经由一个个喷嘴尖端离开浇注机并进入模具（图1）。

 

图 1上图：使用 SOLIDWORKS® 软件绘制的浇注机的几何模型。下图：COMSOL Multiphysics® 仿真结果显示了浇注机喷嘴和流道中的巧克力的流速大小。

“要保证每根巧克力棒中的巧克力含量相同，就意味着巧克力要以相同的流速和压力离开喷嘴。”雀巢工艺工程师William Pickles介绍，“我们要保证每根巧克力棒都具有相同的质量，这不仅是出于成本效率和标准化的目的，也是为了保证外包装上卡路里信息的准确性。这样，我们才能交付包含精确营养成分的产品，以满足客户均衡饮食的需求。”为了实现这一标准化，每个喷嘴尖端的流量和压力都必须一致，误差需要被控制在极小的范围内。

雀巢通过使用仿真技术来实现这种一致性要求。如图1所示，雀巢的工程师首先通过SOLIDWORKS®设计巧克力浇注机的几何结构，随后将几何文件导入COMSOL Multiphysics®仿真软件进行分析。他们使用仿真优化流体流动、测试机械应力，以及分析特定几何结构的热属性。

“每家巧克力制造商都有其独家配方，这样才能生产出独具特色的巧克力。”Pickles解释说，“通过将流体的剪切速率与剪切应力相关联的实验曲线导入软件进行模拟，我们能够充分了解雀巢经典巧克力中的非牛顿行为，确保我们所模拟的巧克力流体属性与真实产品相同。”团队利用仿真找出了高流速和低流速区域，并确定了每个浇注机喷嘴之间的流动差异。流道中及喷嘴尖端的数值探针用于分析几何模型中特定位置的情况。

 

图 2 放置在每个喷嘴尖端和流道内的数值探针显示，巧克力在浇注机和喷嘴内的流速和压力变化符合规格要求。流线显示了巧克力的流动方向。

“通过优化浇注机设计，我们能将误差控制在期望值的1‰以内，实现每个喷嘴的流速一致。”Pickles说道。图2显示了这些仿真结果。”

 

使用仿真守护巧克力的松脆口感

如果雀巢奇巧里面没有香脆的威化夹心会怎么样呢？制作威化时，如果加热不均匀，会在威化内部造成不同的水分浓度，破坏松脆的口感，甚至使其断裂。

 

图 3 使用两个威化烤盘 (a) 来烘焙奇巧威化；上部和底部的烤盘挤压面糊 (b) ；烤盘底部的火焰烘焙威化 (c)。

烘焙威化时，雀巢会使用两个烤盘来挤压中间的糊状物（图3）。烘焙过程中，烤盘大约会经过40簇火焰。

“我们使用仿真分析烤盘下方和周围的热空气流动来优化烤盘设计，以保证我们能在烤盘表面实现均匀的温度剖面。”Pickles介绍，“我们这项研究的目标是修正燃烧器的功率和方向，希望能在烘焙出最佳威化的同时，减少所消耗的燃料量。”这也符合雀巢有关持续改进所有生产过程效率的策略。

 

图 4 烤盘周围的气流。

图 5 左图：烤盘支架中的温度分布。右图：上方烤盘表面的温度剖面，可以在螺栓位 置处（白圈）看到更热的点。

烤盘下方的火焰被模拟为热空气喷射，加热过程通过对流实现。图4显示了烤盘下方的火焰和周围气流的剖面。“我们借助实验中用到的烤盘来验证模型，发现它与仿真结果具有很好的一致性。”Pickles说道。仿真结果还显示，在连接烤盘的螺栓附近，出现了更热的点（图5），这是由于螺栓增加了热传导所致。

“下一步是优化设计，以尽可能均匀地加热烤盘顶部，使温度峰值最小化。”Pickles介绍。”

挤压烘焙

在雀巢，像脆谷乐(Cheerios®)、果然多(Trix®)、雀巢巧伴伴(Nesquik®)等谷物食品均通过挤出机烘焙而成。“雀巢使用的高温挤出机通过将生面团挤出模具来制作各类谷物食品。这个过程中会产生压力和摩擦，通过黏性发热来烘焙生面团。”Pickles对图6所示的挤出机加以说明，“挤出机很常见，因为它体积小巧，制造成本低。”

 

图 6  挤出机的几何构造。

Pickles正在设计放置在挤出机内部的黏度计的外壳，目的是测量面团进入模具时的黏度。这将保证面团质量的一致性，从而能够按照可预计的方式来烘焙。“在我们的设计中，需要保证黏度计的外壳能够承受设备内的高压。”Pickles解释。

在最初的挤出机设计中，黏度计外壳无法承受其中的高压。

 

图 7 黏度计外壳和模具的仿真结果。左图：von Mises 应力等值线。右图：总位移切片图。

“我们重新设计了可以帮助降低压力的外壳，保证模具的设计不会超过其屈服应力，这样黏度计才能被安全地安装在挤出机内部。”Pickles说道。此外，团队还通过仿真检查了挤出机的位移是否一致，因为如果设备位移存在差异，生产出的谷物食品的外形和尺寸将会不均匀（图7）。”

多物理场仿真助力更好、更安全地生产

在雀巢，仿真是设计过程中的一个重要组成部分，从巧克力到威化，再到谷物食品的生产，到处都有仿真的身影。“由于雀巢的产品最终将被消费者作为食物消费，我们必须保证我们的设计在实际应用中能够经受考验。”Pickles总结道，“我们对仿真结果非常有信心，而且相信它可以帮助我们生成最好、最安全的设计，持续为消费者生产出更美味更健康的产品。”

作者：ALEXANDRA FOLEY

 

来源：荣格-《 国际食品加工及包装商情》

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