Μελέτη της "πλήρωση εν θερμώ" διεργασίας για την παραγωγή τοματοπολτού και βελτιστοποίησή της με τη βοήθεια υπολογιστικής ρευστοδυναμικής

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής μελέτης ήταν η προσομοίωση της “πλήρωση εν θερμώ” διεργασίας για την παραγωγή τοματοπολτού, με τη χρήση Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής και η βελτιστοποίηση της μέσω της αξιολόγησης των σημαντικότερων ποιοτικών χαρακτηριστικών του προϊόντος. Σε αυτή τη διεργασία, το προϊόν εισάγεται θερμό στον περιέκτη, σφραγίζεται, και ακολουθεί ψύξη του στον αέρα και στο νερό όπου η μεταφορά θερμότητας γίνεται με αγωγή. Το κρίσιμό στάδιο είναι ο χρόνος διατήρησης στον αέρα, διάστημα στο οποίο εξασφαλίζεται ουσιαστικά η εμπορική αποστείρωση του προϊόντος και του περιέκτη. Αρχικά, προσδιορίστηκαν από τη βιβλιογραφία οι θερμοφυσικές ιδιότητες του τοματοπολτού, οι παράμετροι θερμοανθεκτικότητας (τιμές και ) του μικροοργανισμούστόχου,

B. coagulans και των ποιοτικών χαρακτηριστικών a/b και L του χρώματος, της βιταμίνης C και των καροτενοειδών. Ακολούθησε η ανάπτυξη του αριθμητικού μοντέλου προσομοίωσης σε περιέκτη με διαστάσεις = 0.106 , = 0.0365 και όγκο = 443.65

, που χρησιμοποιείται στην ελληνική βιομηχανία παραγωγής τοματοπολτού, και ακολούθησε παραμετρική μελέτη αρχικά με σταθερό ( = 1.43 × 10 / ) και παραμέτρους το χρονικό βήμα (time step, 1 s, 5 s, 20 s), την ποιότητα και πυκνότητα του πλέγματος (271420 τετράεδρα κελιά, 40986 εξάεδρα κελιά, 150094 εξάεδρα κελιά, 320988 εξάεδρα κελιά) το απόλυτο κριτήριο σύγκλισης (10 ii -6 , 10 -7 , 10 -8 , 10 -9 ) και τη διακριτοποίηση του χρόνου (πρώτης και δεύτερης τάξης). Η ακρίβεια του μοντέλου αξιολογήθηκε με βάση το χρονοθερμοκρασιακό προφίλ μιας τυπικής θερμικής διεργασίας (70 min θέρμανση, 60 min ψύξη) συγκρινόμενο με την αναλυτική λύση σε τρία σημεία εντός του περιέκτη (Α (0,0,0), Β (0.01825,0,0), C (0,0,0.0265)). Η αριθμητική λύση του μοντέλου με χαρακτηριστικά 150094 εξάεδρα κελιά, με χρονικό βήμα 5 s, απόλυτο κριτήριο σύγκλισης 10 -9 και δεύτερης τάξης διακριτοποίηση του χρόνου έδωσε την πιο αποδοτική λύση (σχέση ζητούμενης ακρίβειας λύσης προς υπολογιστικό χρόνο λύσης). Στη συνέχεια με αυτό το μοντέλο αξιολογήθηκε ο μεταβλητός συντελεστής θερμικής διαχυτότητας με αρχικές τιμές = 1 × 10 έ 1.43 × 10

/ σε σύγκριση με εργαστηριακά πειραματικά δεδομένα σε τοματοπολτό. Ο μεταβλητός συντελεστής με αρχική τιμή = 1.22 × 10

/ επιλέχθηκε ως πιο ακριβής ως προς τα πειραματικά δεδομένα (μικρότερο σφάλμα σε θερμοκρασία και τιμές F). Τέλος, αξιολογήθηκε η “πλήρωση εν θερμώ” διεργασία με την εξέταση της επίδρασης των κύριων παραμέτρων της διεργασίας στα ποιοτικά χαρακτηριστικά του τοματοπολτού,

δηλαδή, της θερμοκρασίας γεμίσματος (88°C, 90°C, 93°C, 95°C, 98°C) του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας στον αέρα h air

, (5, 7 , 9, 15 W/m iii 2 K) της απαιτούμενης ολοκληρωμένης τιμής F s ( .℃ .℃ = 10 , ℃ .℃ = 24.5 , ℃ .℃ = 1.6 ) και δευτερευόντως της θερμοκρασίας του αέρα, Τ air (35°C, 25°C) και του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας στο νερό, h cw (20, 100, 500 W/m 2 K) . Τη σημαντικότερη επίδραση στην τελική ποιότητα σε φθίνουσα σειρά είχαν η θερμοκρασία γεμίσματος και η απαιτούμενη τιμή F s και ακολούθως ο h air . Με θερμοκρασίες γεμίσματος μέχρι τους 90°C δεν επετεύχθη η ελάχιστη απαιτούμενη ολοκληρωμένη τιμή F s , ενώ η θερμοκρασία των 93°C ήταν ικανοποιητική μόνο για h air =5 W/m 2 K. Στη θερμοκρασία των 95°C χρειάστηκε σημαντικά λιγότερος χρόνος παραμονής στον αέρα έναντι των 93°C, ενώ η απαιτούμενη τιμή F s επιτεύχθηκε και για h air K. Η θερμοκρασία των 98°C πέτυχε όχι μόνο την ελάχιστη απαιτούμενη τιμή F s για όλες τις τιμές h air , αλλά και όλες τις απαιτούμενες τιμές F s . Επιπλέον, σε σύγκριση των παραμέτρων της διεργασίας ως προς το ποσοστό διατήρησης των ποιοτικών παραγόντων στο τέλος της διεργασίας, η βέλτιστη διατήρηση όλων των παραγόντων, επιτεύχθηκε στη θερμοκρασία γεμίσματος των 98°C. Από τις δευτερεύουσες παραμέτρους η θερμοκρασία του αέρα είχε τη μικρότερη επίδραση στη διεργασία, επίδραση που βρέθηκε να εξαρτάται άμεσα από τη θερμοκρασία γεμίσματος και τον συντελεστή h air . Από την άλλη, ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας στο νερό h cw , έδειξε σημαντική επίδραση στη διεργασία όσον αφορά την τελική διατήρηση των ποιοτικών χαρακτηριστικών, αυξάνοντας σημαντικά το χρόνο ψύξης όταν ο h cw ήταν στα κατώτερα όρια (20 W/m 2 K) και την ποιοτική υποβάθμιση του προϊόντος. Η προσομοίωση έδειξε ότι η διεργασία που εφαρμόζεται στη βιομηχανία σε μεταλλικό περιέκτη έχει περιθώρια βελτίωσης, και συγκεκριμένα με τη χρήση θερμοκρασίας γεμίσματος στους 98°C, ώστε να δώσει προϊόντα καλύτερης ποιότητας. Από τους ποιοτικούς παράγοντες τη μεγαλύτερη θερμοευαισθησία έδειξε το χρώμα και ιδιαίτερα η παράμετρος L, με την παράμετρο a/b και τη βιταμίνη C να ακολουθούν. Τα καροτενοειδή έδειξαν τη μεγαλύτερη θερμοανθεκτικότητα

The object ive of this study was the optimizat ion of a hot-fill thermal process for the production of tomato paste with better qualit y attributes, through the modelling of this process with Computational Fluid Dynamics (CFD). In the hot-fill process, the container is filled with the hot product, closed and then turned upside down, a procedure that if done right it allows the sterilizat ion of both product and container. The crit ical parameter is the required holding time in the air. Init ially, a search was conducted to determine the appropriate thermophysical properties of tomato paste, the D and z values of target microorganism, B. coagulans and of the qualit y parameters (color a/b and L parameters, vitamin C, carotenoids). CFD were conducted in a metal can with dimensions = 0.106 , = 0.0365 , and of volume = 443.65

used in greek tomato paste industry. A parametric study was init ially done wit h constant thermal diffusivit y value, ( = 1.43 × 10 iv

/) and wit h studied parameters the time step (1 s, 5 s, 20 s), the shape of the geometry and number of cells (271420 tet/hybrid volumes, 40986 hex/wedge volumes, 150094 hex/wedge volumes, 320988 hex/wedge volumes), the absolute convergence criteria (10 -6 , 10 -7 , 10 -8 , 10 -9 ) and time discret izat ion scheme (1 st and 2 nd order). The model was evaluated in terms of the t ime-temperature profile of a typical thermal process (70 min heat ing, 60 min cooling), in comparison wit h the analyt ical solution in three points inside the can (Α (0,0,0), Β (0.01825,0,0), C (0,0,0.0265)). The model with 150094 cells, time step 5 s, absolute convergence criteria 10 -9 , time discret izat ion of 2

order was selected as it was the most efficient, giving accurate results in reasonable computational t ime. Wit h the selected model, the next step was to evaluate a solution wit h a variable, temperature-dependent (with init ial values = 1 × 10

1.43 × 10 / ), based on previous experimental data on tomato paste. The case wit h a variable with init ial value of = 1.22 × 10

/ proved to be the most accurate in terms of time-temperature profile and F values.

nd

The final step of this study, was the simulat ion of hot-fill processes with carefully chosen primary parameters, the filling temperature (88°C, 90°C, 93°C, 95°C, 98°C), the heat transfer coefficient in air cooling h air

, (5, 7 , 9, 15 W/m v 2 K), the required integrated F s

( .℃ .℃ = 10 , ℃ .℃ = 24.5 , ℃ .℃ = 1.6 ) and secondary parameters the temperature of air, Τ air (20, 100, 500 W/m 2 (35°C, 25°C), and the heat transfer coefficient during water cooling, h cw K). The most important factors on product qualit y retent ion, in decreasing order, are the filling temperature and the integrated F value, followed by h air . Filling temperatures of 88°C and 90°C were not adequate for all cases examined, while temperature of 93°C reached the least required integrated F value only wit h h air =5 W/m K. For filling temperature of 95°C, the required retention time was reduced significantly, while the required integrated F value was also achieved with h air =7 W/m 2 K. Only the filling temperature of 98°C succeeded in reaching the least required integrated F s , in every h air value examined and for all integrated F values examined the best qualit y was also achieved wit h filling temperature of 98°C. From the secondary parameters, the temperature of air had the least effect on the process, and was found to depend on filling temperature and h air . On the other hand, h cw value proved important and especially smaller values (20 W/m 2 K) largely prolonged the water cooling process with detrimental effects on product quality. These results indicate that the hot-fill process applied in the food industry could be optimized to give better qualit y products. From the qualit y parameters examined, the color, especially L parameter, proved to be the most heat sensit ive attribute, followed by the a/b rat io and vitamin C. Carotenoids showed the highest retention