Μελέτη της θερμικής επεξεργασίας τροφίμων με διαφορετικές γεωμετρίες με τη βοήθεια της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής

Abstract

Οι θερμικές επεξεργασίες στόχο έχουν τη μικροβιακή καταστροφή ή την ενζυματική αδρανοποίηση, με όσο το δυνατό λιγότερη θερμική υποβάθμιση του τροφίμου. Η ένταση της θερμικής επεξεργασίας υπολογίζεται μέσω μεθόδων (Γενική και Formula) και εξαρτάται από τον τρόπο μεταφορά της θερμότητας, τις φυσικοχημικές και θερμοφυσικές ιδιότητες του τροφίμου και την κινητική της θερμικής καταστροφής ανεπιθύμητων και ποιοτικών παραγόντων. Η προσομοίωση μιας θερμικής επεξεργασίας μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω προγράμματος Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (CFD) και να υπολογιστεί το θερμικό αποτέλεσμα επί του τροφίμου. Οι εγκυτιωμένες επιτραπέζιες ελιές σε άλμη NaCl, καθώς και τα ροδάκινα σε σιρόπι ζάχαρης είναι σημαντικά προϊόντα για την εθνική οικονομία. Στα πλαίσια της διατριβής έγινε προσομοίωση της θερμικής επεξεργασίας με τη χρήση του προγράμματος υπολογιστικής ρευστοδυναμικής Fluent, σε ελιές καλαμών και κονσερβολιές, καθώς και σε συμπύρηνα ροδάκινα. Επίσης έγινε πειραματικός προσδιορισμός των θερμοφυσικών ιδιοτήτων τόσο των ελιών, όσο και των ροδάκινων, όπως και της θερμικής υποβάθμισης της υφής των δύο αυτών καρπών. Οι παράμετροι της θερμικής υποβάθμισης της υφής για τις ελιές και τα ροδάκινα ήταν D62.4°C=670 min, z=28.6°C και D93,3°C=18,5 min, z=17,6°C, αντίστοιχα. Οι γεωμετρίες που σχεδιάστηκαν στηρίχτηκαν σε ρεαλιστικά δεδομένα μεγέθους και σχήματος των στερεών τροφίμων και των περιεκτών και επιλύθηκαν εισάγοντας στο πρόγραμμα απαραίτητα δεδομένα. Οι λύσεις των δύο περιπτώσεων επιβεβαιωθήκαν πειραματικά και ελέγχθηκαν ως προς την πυκνότητα του πλέγματος και το χρονικό βήμα επίλυσης. Στην περίπτωση των ελιών σχεδιάστηκαν τρεις γεωμετρίες με ελιές καλαμών μεγάλου και μικρού μεγέθους και κονσερβολιές. Στόχος ήταν να εφαρμοστεί θερμική επεξεργασία με ελάχιστο θερμικό αποτέλεσμα , το οποίο προτείνεται από το Διεθνές Συμβούλιο Ελαιολάδου. Για την επίτευξη αυτού του στόχου, οι κονσέρβες (75x105 mm) με τις ελιές θερμάνθηκαν για 10 min στους 70°C και ψύχθηκαν για 10 min στους 20°C. Για τις τρεις περιπτώσεις βρέθηκε ότι ο ελάχιστος ισοδύναμος χρόνος ήταν 38,8 (μεγάλες καλαμών), 62,4 (μικρές καλαμών) και 20 min (κονσερβολιές). Ο ισοδύναμος χρόνος για την υποβάθμιση της υφής των ελιών βρέθηκε 10,4-15 min για τις μεγάλες ελιές καλαμών, 11,6-15,9 min για τις μικρές ελιές καλαμών και 9,2-16,2 min για τις κονσερβολιές. Η μέγιστη τιμή της ταχύτητας της άλμης παρατηρήθηκε 0,5 min μετά την έναρξη της θέρμανσης και της ψύξης και είχε τιμή 2,1 cm/s, 2,6 cm/s και 3,1 cm/s αντίστοιχα για τις τρεις περιπτώσεις. Η μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης της άλμης έδειξε ότι αυτή είναι σχεδόν αμελητέα, όμως το ίδιο δεν βρέθηκε για την επίδραση του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας μεταξύ θερμαντικού – ψυκτικού μέσου και τοιχώματος της κονσέρβας. Για τις γεωμετρίες που επιλύθηκαν και για να επιτευχθεί πρέπει ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας να ξεπερνά τα 1.200 και 1.000 W/(m2°C) για τις περιπτώσεις ελιών καλαμών μεγάλου και μικρού μεγέθους, αντίστοιχα, και να είναι πολύ μεγάλος για την περίπτωση των κονσερβολιών. Επίσης βρέθηκε ότι οι θερμικές επεξεργασίες της βιομηχανικής πρακτικής ξεπερνούν κατά πολύ τον ελάχιστο επιθυμητό ισοδύναμο χρόνο. Τέλος, κατά την εμπορική αποστείρωση μη ζυμώμενων ελιών (121,11°C για 45 min) βρέθηκε ότι το θερμικό αποτέλεσμα είναι πολύ μεγαλύτερο από το επιθυμητό, γι’ αυτό προτείνεται η θέρμανση στους 121,11°C για 25 min. Στην περίπτωση των ροδάκινων σχεδιάστηκε κονσέρβα (95x110 mm) με 6 τεμάχια ροδάκινων σε τυχαία θέση. Η βραδύτερα θερμαινόμενη ζώνη εντοπίστηκε στο εσωτερικό του ροδάκινου, που βρισκόταν στον πυθμένα της κονσέρβας. Η μέγιστη τιμή της ταχύτητας του σιροπιού παρατηρήθηκε 0,5 min μετά την έναρξη της θέρμανσης και της ψύξης και είχε τιμή 3,1-3,2 cm/s. Ο μικροοργανισμός στόχος είναι τα σπόρια του Clostridium butyricum και ο επιθυμητός ελάχιστος ισοδύναμος χρόνος είναι 1,5-8 min. Η ελάχιστη τιμή που βρέθηκε ήταν 33,4 min, που υπερκαλύπτει τις ανάγκες θερμικής θανάτωσης των σπορίων. Από τον υπολογισμό της υποβάθμισης υφής βρέθηκε ότι η τιμή κυμαινόταν από 15,3 εώς 38,5 min, κάτι το οποίο συνεπάγεται ότι η υποβάθμιση της υφής ήταν 85-99% της αρχικής. Η επίδραση της συγκέντρωσης του σιροπιού και ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας μεταξύ θερμαντικού-ψυκτικού μέσου και τοιχώματος ήταν σημαντική τόσο στη ροή, όσο και στο θερμικό αποτέλεσμα επί των τεμαχίων. Επίσης σχεδιάστηκε κονσέρβα (75x105 mm) με 4 τεμάχια ροδάκινα, στην οποία έγινε έλεγχος της θέσης των ροδάκινων μέσα στην κονσέρβα. Σε αυτή την περίπτωση βρέθηκε ότι τα ροδάκινα που βρίσκονται στην κονσέρβα σε οριζόντια θέση, θερμαίνονται και ψύχονται ομοιόμορφα κατά τη διάρκεια της θερμικής επεξεργασίας, ενώ για αυτά σε θέση προς τα πάνω ή προς τα κάτω υπήρχαν διαφορές στη ροή που επηρέαζαν σημαντικά τη μετάδοση θερμότητας και το θερμικό αποτέλεσμα επί των σπορίων του Clostridium butyricum και την υποβάθμιση της υφής. Βάσει των αποτελεσμάτων της παρούσης διατριβής φαίνεται ότι ένα εργαλείο, όπως είναι η υπολογιστική ρευστοδυναμική μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην προσομοίωση φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της θερμικής επεξεργασίας κονσερβοποιημένων τροφίμων. Πέρα από όσα πραγματοποιήθηκαν, η έρευνα του συγκεκριμένου τομέα της επιστήμης τροφίμων μπορεί να συνεχιστεί σε άλλα τρόφιμα, σε διαφορετικές συνθήκες επεξεργασίας και με άλλους εμπορικούς κώδικες επίλυσης, στα πλαίσια της ανάπτυξης νέων προϊόντων και της βελτίωσης των ήδη υπαρχόντων.

The aim of thermal processing is the microbial destructionor the enzymatic inactivation, while affecting as less as possible the quality attributes of the food items. The intensity of thermal processing is quantitatively described by mathematical methods (General and Formula) and depends on the heat transfer phenomena, the psysico-chemical and the thermo-physical properties of the products and the thermal destruction kinetics of both undesirable and quality factors. The simulation of a thermal processing can be efficiently performed using a Computational Fluid Dynamics (CFD) program and the thermal impact of the process on the food can be accessed. The canned table olives preserved in brine (NaCl solution) and the canned peaches preserved in syrup are significant products for Greek economy. During this study, a simulation of the thermal processing of two products: a) table olives of the Greek varieties Kalamon and Konservolia and b) clingstone peaches, was conducted using a CFD program. The thermophysical properties of the two mentioned products, as well as the thermal degradation of texture of the processed items were determined experimentally. The parameters of the thermal degradation of the olives and peaches were calculated as D62.4ºC =670 min, z=28.6ºC and D93.3ºC =18.5 min, z=17.6ºC, respectively. The geometry of the system was designed based on realistic data of the size and shape of the solid products and their containers. The results, product temperature evolution, for both products were confirmed experimentally for the density of the grid and the time step employed. In the case of the olives, three geometries were designed including small- and full-sized olives of the variety Kalamon and olives of the variety Konservolia. The aim of the study was to apply a thermal process with the minimum thermal effect, , recommended by the International Olive Council. For this purpose, the cans (75x105 mm) filled with olives and brine were heated to 70ºC for 10 min and then cooled in 20ºC for 10 min. In all three cases the least equivalent time was found to be 38.8 (for the full-sized Kalamon olives), 62.4 (for the small-sized Kalamon olives) and 20 min (for the Konservolia olives). The equivalent time reffering to texture degradation of the olives was 10.4-15 min for the full-sized olives of the Kalamon variety, 11.6-15.9 min for the small-sized olives of the same variety and 9.2-16.2 min for the olives the Konservolia olives. In all cases, the maximum velocity of the brine was observed 0.5 min after the initiation of the heating and the cooling step and it was measured to 2.1 cm/s, 2.6 cm/s and 3.3 cm/s, for the small-, the full-sized Kalamon and the Konservlia olives, respectively. Studying the effect of the concentration of the brine, it was revealed that it was almost negligible. On the contrary, the effect of the heat transfer coefficient between the heating-cooling media and the internal wall of the can was significant. According to the selected solved geometries, the heat transfer coefficient was estimated to be at least equal to 1200 and 1000 W/(m2•ºC) for the small-sized and full-sized olives of the Kalamon variety, respectively, while an infinite h was necessary for the Konservolia olives, in order for a to be achieved. In addition, it was found that the time of the thermal processing that is routinely applied in the industrial practice is much longer than the minimum desirable equivalent time. Finally, it was revealed that during the commercial sterilization of the fresh olives (121.11ºC for 45 min) the thermal effect was much higher than the optimized, thus a heating in 121.11ºC for 25 min is recommended. In the case of the peaches, a can (95x110 mm) was designed containing six peach halves randomly and unordered positioned inside the can. The slowest heated zone was identified in the center of the peach half, which was positioned in the bottom of the can. The maximum velocity of the syrup was observed 0.5 min after the initiation of the heating and the cooling step and it was measured equal to 3.1-3.2 cm/s. The target microorganism of the thermal processing was the spores of Clostridium butyricum. The minimum value of the process (20 min at 100°C followed by 10 min at 20°C ) was calculated equal to 33.4 min, which clearly indicates that the lethality is achieved for the target microorganism (target was 1.5-8 min). The value of as estimated from the thermal degradation of the texture, was found to be in a range of 15.3-38.5 min, resulting consequently in an 85-99% degradation of the initial texture. In the case of peaches, the influence of the concentration of the syrup and the heat transfer coefficient between the heating-cooling media and internal wall was significant not only in flow parameters, but also in the thermal effect on the product. In a next investigation, a can (75x105 mm) containing four peach halves in suryp was designed and the effect of arrangement of the peaches inside the can on heat traanfer rates was investigated. In this case, it was found that peach halves in sideways position were heated and cooled faster than the other cases and evenly during the heat treatment. In contrast, the heat flow appeared to differ in peach halves which were upwards or downwards, which affected significantly the heat transfer and the thermal effect on the spores of Clostridium butyricum, as well as the thermal degradation in the texture of the product. At their critical points, peach halves facing towards the top of the can heated considerably slower and cooled faster than the peaches facing towards the bottom of the can. The results of this study could be used in designing of thermal processes with optimal product quality.