Βελτιστοποίηση της "πλήρωσης εν θερμώ" διεργασίας παραγωγής τοματοπολτού με τη χρήση της Υπολογιστικής ρευστοδυναμικής

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας μελέτης ήταν η βελτιστοποίησης της «πλήρωσης εν θερμώ» διεργασίας για την παραγωγή τοματοπολτού, με τη χρήση της Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής. Η βελτιστοποίηση αυτή αφορά την παραγωγή τοματοπολτού διπλής συμπύκνωσης 28°Brix με pH 4.3, ο οποίος εισέρχεται θερμός στη μεταλλική κονσέρβα, σφραγίζεται, αναποδογυρίζεται και στη συνέχεια ψύχεται στον αέρα και στο νερό. Ο τοματοπολτός θεωρήθηκε στερεό, επομένως η μεταφορά θερμότητας γίνεται με αγωγή. Ο χρόνος διατήρησης στον αέρα, θεωρείται το κρίσιμο στάδιο για την εξασφάλιση της εμπορικής αποστείρωσης του προϊόντος καθώς και της μεταλλικής κονσέρβας. Αρχικά, προσδιορίστηκαν οι θερμοφυσικές ιδιότητες και ο συντελεστής θερμικής διαχυτότητας (= 1,25×10-7 m2/s) του τοματοπολτού. Ακολούθως προσδιορίστηκαν βιβλιογραφικά οι παράμετροι θερμοανθεκτικότητας D και z του μικροοργανισμού στόχου B. coagulans και των ποιοτικών χαρακτηριστικών του χρώματος L και a/b, της βιταμίνης C και του Βήτα καροτένιου και η απαιτούμενη ολοκληρωμένη τιμή Fs. Στη συνέχεια ακολούθησε η ανάπτυξη του αριθμητικού μοντέλου προσομοίωσης σε δύο διαφορετικές περιπτώσεις: για δεδομένη μάζα προϊόντος, στη πρώτη περίπτωση θεωρήθηκε ότι αυτή καταλαμβάνει όλο τον όγκο της μεταλλικής κονσέρβας (L = 0.112 m και D = 0.105 m) και στη δεύτερη περίπτωση θεωρήθηκε ότι υπάρχει κάποιος χώρος (κενός) πάνω από το προϊόν που καταλαμβάνεται από αέρα και υδρατμούς. Το ύψος του χώρου αυτού ορίστηκε ως 7 mm έτσι ώστε, για την ίδια με την πρώτη περίπτωση, μάζα προϊόντος οι διαστάσεις της μεταλλικής κονσέρβας που αναλύθηκε ήταν L = 0.119 m και D = 0.105 m. Με βάση το μοντέλο αυτό αξιολογήθηκε η «πλήρωση εν θερμώ» διεργασία για την επίτευξη της ολοκληρωμένης τιμής Fs ("F" _"93.33°C" ^"8.89°C" ), με την εξέταση της επίδρασης της θερμοκρασία γεμίσματος (88°C, 90°C, 93°C, 95°C, 98°C), του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας στον αέρα hair, (5, 7 , 9, 15 W/m2 K) και της ύπαρξης κενού στη μεταλλική κονσέρβα στην ασφάλεια και τα ποιοτικά χαρακτηριστικά. Τη μεγαλύτερη επίδραση όσο αφορά την επίτευξη της τιμής Fs και της τελικής ποιότητας του προϊόντος είχε η θερμοκρασία γεμίσματος και στη συνέχεια ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας στον αέρα. Με θερμοκρασίες γεμίσματος μέχρι και τους 90°C δεν επετεύχθη η ολοκληρωμένη τιμή Fs και για τις δύο περιπτώσεις με ή χωρίς κενό. Με θερμοκρασία γεμίσματος 93°C επετεύχθη η ολοκληρωμένη τιμή Fs για hair=5 W/m2K και hair=7 W/m2K στη περίπτωση με το κενό ενώ στη περίπτωση χωρίς το κενό επετεύχθη μόνο για hair=5 W/m2 K. Στη θερμοκρασία των 95°C χρειάστηκε σημαντικά λιγότερος χρόνος παραμονής στον αέρα έναντι των 93°C και η ολοκληρωμένη τιμή Fs επιτεύχθηκε για hair=5, 7 και 9 W/m2K στη περίπτωση με το κενό ενώ στη περίπτωση χωρίς το κενό επετεύχθη για hair=5 W/m2K και 7 W/m2K. Η θερμοκρασία των 98°C πέτυχε την ολοκληρωμένη τιμή Fs για όλες τις τιμές hair και για τις δύο περιπτώσεις. Επιπλέον, έγινε 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 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 Βήτα καροτενοειδή έδειξαν τη μεγαλύτερη θερμοανθεκτικότητα.

The objective of the current study was the optimization of a hot fill process for the production of tomato paste using Computational Fluid Dynamics. Said optimization refers to the production of double concentrated tomato paste of 28°Brix and pH 4.3, during which, the container is filled with hot product, sealed, turned upside down and let to cool down initially from the surrounding air and then in a water bath. Tomato paste was considered as solid product and therefore heat transfer is achieved through conduction. The critical parameter for the achievement of the commercial sterilization is the holding time of the sealed container in air. Initially, the container’s dimensions where measured, L= 0.119 m, D = 0.105 m, the appropriate thermophysical properties where determined and the thermal diffusivity coefficient = 1,25×10-7 m2/s of the product. Then the D and z parameters of the target microorganism B. coagulans and the quality parameters for the color L and a/b, vitamin C, carotenoids and the required integrated F value (Fs). Numerical model was developed for the process of the metal can in two different cases for a given mass of the product, one being the case where the can is totally filled with product (L = 0.112m και D = 0.105m) and the other by letting a gap, at the top of the product, for the water vapor to exist. The gap was set at 7mm, so as the mass of the product in both cases to be the same and the dimensions of the can for the second case were set at L = 0.119 m and D = 0.105 m. The numerical model was used to evaluate the hot fill process, as far as the quality characteristics are concerned, that is used to achieve the required Fs ("F" _"93.33°C" ^"8.89°C" ), by changing the filling temperature (88°C, 90°C, 93°C, 95°C, 98°C), the heat transfer coefficient of the surrounding air (hair 5, 7 , 9, 15 W/m2K) and the existence or not of the gap, as far as the safety and the quality characteristics of the product are concerned. The most factor affecting the Fs value of the process and the quality characteristics of the product was the initial temperature of the product. With filling temperatures up to 90°C the required Fs value was not obtained for all the hair values (both with and without gap). For initial product temperature of 93°C the required Fs value was achieved for hair=5 W/m2K and hair=7 W/m2K when the can was not completely filled, but only for hair=5 W/m2K when it was filled with the product. When the filling temperature was increased to 95°C, the time required to produce commercially sterilized product was significantly reduced, and the required Fs value was obtained for hair=5, 7 and 9 W/m2K when the can was not filled and for για hair=5 W/m2K and 7 W/m2K for when it was filled with the product. Finally, when the initial temperature was 98°C the required Fs value was achieved. The quality characteristics at the end of the process evaluated and the process that had the least degrading effect to the product was when 98°C used as filling temperature. The quality parameter affected most by the process was the L color value followed by the a/b value. The least affected were the carotenoids.