Σχεδιασμός ασηπτικών διεργασιών για ετερογενή μίγματα τροφίμων με τη χρήση Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής

Abstract

Το θέμα της παρούσας διπλωματικής μελέτης είναι o σχεδιασμός ασηπτικών διεργασιών για ετερογενή μίγματα τροφίμων που αποτελούνται από υγρά και στερεά προϊόντα (σωματίδια) με χρήση του προγράμματος υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (Computational Fluid Dynamics, CFD). Η ασηπτική επεξεργασία (aseptic processing) αποτελείται από τη θέρμανση του προϊόντος, τη διέλευση του προϊόντος μέσω ενός σωλήνα παραμονής όπου στο προϊόν επιτυγχάνεται η απαιτούμενη θερμοκρασία στο απαιτούμενο χρονικό διάστημα (επίτευξη εμπορικής αποστείρωσης) και τέλος την ψύξη του προϊόντος όσο πιο σύντομα γίνεται. Ο χρόνος διατήρησης του σωματιδίου μέσα στο υγρό στον σωλήνα παραμονής θεωρείται κρίσιμο στάδιο για την ασφαλή επεξεργασία του προϊόντος. H προσομοίωση έγινε με τη βοήθεια του προγράμματος Ansys Fluent αφού πρώτα προσδιορίσθηκαν οι θερμοφυσικές ιδιότητες βιβλιογραφικά, σχεδιάστηκε η γεωμετρία, και έγινε δημιουργία-ανεξαρτητοποίηση του πλέγματος. Η γεωμετρία αποτελείται από ένα αγωγό κυκλικής διατομής μήκους 6 εκατοστών και πλάτους 4,75 εκατοστών με 4 ανακλαστήρες (baffles). Όταν περιστρέφεται ο αγωγός, παρομοιάζεται η λειτουργία με αυτήν ενός εναλλάκτη ενώ όταν είναι ακίνητος, με τον σωλήνα παραμονής έτσι ώστε η θερμοκρασία να μεταφέρεται ομοιόμορφα στην ακτινική κατεύθυνση. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε το υπολογιστικό μοντέλο εξετάζοντας την επίδραση των κυριότερων παραγόντων της διεργασίας, σε διάφορους συνδυασμούς, για τον υπολογισμό του απαιτούμενου χρόνου παραμονής για την επίτευξη δεδομένης τιμής F. Οι παράμετροι που εξετάστηκαν, ήταν το μέγεθος του σωματιδίου (1,016 cm, 1,27 cm, 1,524 cm και 1,778 cm), η θερμική αγωγιμότητα του σωματιδίου (0,433 W/mK, 0,62 W/mK και 0,79 W/mK) και οι θερμοκρασίες θέρμανσης (160 ℃ και 130 ℃) και ψύξης (1,666 ℃ και 20 ℃). Με βάση τα παραπάνω, προέκυψε ότι με την αύξηση του μεγέθους των σωματιδίων αυξήθηκε ο χρόνος παραμονής στον σωλήνα παραμονής για θερμοκρασία θέρμανσης 160 ℃ και και ψύξης 1,666 ℃. Έτσι, από το μικρότερο προς το μεγαλύτερο μέγεθος οι χρόνοι ήταν: 55 s, 94,5 s, 145 s και 202,5s. Επιπλέον, με την αύξηση της θερμικής αγωγιμότητας μειώθηκε ο απαιτούμενος χρόνος παραμονής. Για το σωματίδιο μεγέθους 1,27 cm και θερμοκρασία ατμού 160 ℃, από την μικρότερη προς την μεγαλύτερη τιμής θερμικής αγωγιμότητας βρέθηκαν οι εξής χρόνοι: 160,5 s, 126 s και 110,5 s. Όσο αφορά στη χαμηλότερη θερμοκρασία θέρμανσης (130 ℃) για μέγεθος 1,27 cm και θερμική αγωγιμότητα 0,62 W/mK προέκυψε ότι χρειάστηκε τριπλάσιος χρόνος παραμονής (286 s) στον σωλήνα παραμονής. Τέλος, ο ποιοτικός παράγοντας της θειαμίνης έδειξε ότι ήταν θερμοανθεκτικός παράγοντας και η διατήρηση της μειωνόταν με την αύξηση του μεγέθους των σωματιδίων. Έτσι, για το σωματίδιο 1,016 cm η διατήρηση στο τέλος της διεργασίας ήταν 89,78-91,47 %, για μέγεθος 1,27 cm η διατήρηση κυμάνθηκε 86,45-89,55 % και για μέγεθος 1,524 cm κυμάνθηκε 82,4-87,86 % για θερμοκρασίες ατμού 130 ℃, 140 ℃, 150 ℃ και 160 ℃.

The objective of this study was the design of aseptic processes for liquid/particulate foods using the Computational Fluid Dynamics (CFD) commercial software. Aseptic processing consists of heating the product, passing the product through a holding tube, where the required F value, for commercial sterilization, is achieved and finally cooling the product to as fast as possible. The residence time of the particle and the liquid in the holding tube is considered a critical step for the safe processing of the product. The simulation was performed with the help of the Ansys Fluent software. Initially, the thermophysical properties were determined in the literature, the geometry was designed, and meshed. The geometry consists of circular pipe 6 cm long and 4.75 cm wide with 4 baffles. When the pipe rotates, the operation is similar to that of a heat exchanger, while when it is stationary, it is similar to that of the hold tube so that the temperature is transferred evenly in the radial direction. Next, the model was developed to calculate the time required for aseptic processing and to examine the effect of the main factors of the process. The parameters examined were the particle size (1,016 cm, 1,27 cm, 1,524 cm and 1,778 cm), the thermal conductivity of the particle (0,433 W/mK, 0,62 W/mK and 0,79 W/mK) and the heating (60 ℃ and 130 ℃) and cooling (1,666 ℃ and 20 ℃) temperatures. Based on the above, it was concluded that with the increase in size of the particle, the residence time in the hold tube also increased for temperatures of 160 ℃ (heating) and 1,666 ℃ (cooling): 55 s (1,016 cm) 94,5 s (1,27 cm), 145 s (1,524 cm) and 202,5 s (1,778 cm). Furthermore, with the increase of thermal conductivity, the residence time in the hold tube for the particle size of 1.27 cm and steam temperature of 160 ℃ was reduced. Thus, from the lowest to the highest value of thermal conductivity were found the following results: 160,5 s, 126 s and 110,5 s. Regarding the lowest heating temperature (130 ℃) it turned out that it took three times the residence time (286 s) in the hold tube in relation to the temperature of 160 ℃. Finally, the nutrient of thiamine was shown to be a heat resistant nutrient and its retention decreased with increasing particle size. Thus, for the 1,016 cm particle the retention at the end of the process was 89.78-91.47%, for a size of 1.27 cm the retention ranged from 86.45-89.55% and for a size of 1,524 cm ranged from 82.4- 87.86% for steam temperatures 130 ℃, 140 ℃, 150 ℃ and 160 ℃.