Μοντελοποίηση της "πλήρωση εν θερμώ" διεργασίας τοματοχυμού σε γυάλινα δοχεία με χρήση της Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής ερευνητικής μελέτης ήταν η μοντελοποίηση της "πλήρωσης εν θερμώ" διεργασίας τοματοχυμού σε γυάλινα δοχεία με χρήση της Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (CFD) και η βελτιστοποίησή της μέσω της αξιολόγησης των σημαντικότερων ποιοτικών χαρακτηριστικών του προϊόντος. Σε αυτή τη διεργασία, το προϊόν εισάγεται θερμό στον περιέκτη, σφραγίζεται ερμητικά, αναποδογυρίζεται και διατηρείται στον αέρα ή σε υδατόλουτρο με επακόλουθη ψύξη του σε νερό. Το κρίσιμο στάδιο είναι ο χρόνος παραμονής στον αέρα ή σε υδατόλουτρο, διάστημα στο οποίο εξασφαλίζεται ουσιαστικά η εμπορική αποστείρωση του προϊόντος και του περιέκτη/καπάκι. Αρχικά, προσδιορίστηκαν βιβλιογραφικά και πειραματικά οι θερμοφυσικές ιδιότητες του τοματοχυμού. Επιπλέον βρέθηκαν βιβλιογραφικά οι παράμετροι θερμοανθεκτικότητας (τιμές D και z) του μικροοργανισμού στόχου, B. coagulans και των ποιοτικών χαρακτηριστικών a/b και L του χρώματος, της βιταμίνης C και του Βήτα καροτένιου. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε πειραματικά η "πλήρωση εν θερμώ" διεργασίας τοματοχυμού με παραμονή του γυάλινου περιέκτη στον αέρα Tair = 25°C και σε δεύτερη περίπτωση, παραμονή σε υδατόλουτρο θερμοκρασίας 50°C χωρίς επακόλουθη ψύξη σε νερό. Υπολογίστηκε πειραματικά ο επιφανειακός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας για τον αέρα, hair = 11.4 ±0.10 W/(m2∙K), και για υδατόλουτρο θερμοκρασίας 20, 50, 70 και 90°C, ίσος προς hWC = 450.2±12.1 W/(m2∙K), hW = 596.8±32.4 W/(m2∙K), hW = 801.6±17.1 W/(m2∙K), και hW = 1103.5±18.5 W/(m2∙K) αντίστοιχα. Ακολούθησε η ανάπτυξη του αριθμητικού μοντέλου προσομοίωσης με δημιουργία της 3D γεωμετρίας του γυάλινου περιέκτη (βάζο) με διαστάσεις: ύψος L = 89 mm, εσωτερική διάμετρο d = 54 mm, πάχος x = 2 mm και όγκο V = 190.14 mL. Κατασκευάστηκε πλέγμα με πυκνότητα 1 209 232 κελίων και επιθυμητής ποιότητας. Με την επίλυση του μοντέλου έγινε σύγκριση των πειραματικών και των προβλεπόμενων αποτελεσμάτων με αποτέλεσμα την επιβεβαίωση του μοντέλου. Διερευνήθηκε η "πλήρωση εν θερμώ" διεργασία σε διαφορετικές θερμοκρασίες πλήρωσης 94, 96 ή 98°C και με παραμονή στον αέρα και σε υδατόλουτρο θερμοκρασίας 50, 70 ή 90°C χωρίς να επακόλουθη ψύξη σε νερό με στόχο, να βρεθούν οι συνθήκες που οδηγούν στην επίτευξη της ολοκληρωμένης τιμής F_(93.33˚C)^(8.89˚C)= 5 min και F_(93.33˚C)^(8.89˚C)= 12.6 min. Οι περιπτώσεις που οδήγησαν στην επίτευξη των τιμών Fs εξετάστηκαν, με ψύξη σε νερό TWC = 20°C μετά την παραμονή στον αέρα ή σε υδατόλουτρο αντίστοιχα, ως προς τη διατήρηση των ποιοτικών χαρακτηριστικών και τη σημειακή τιμή F στο κρίσιμο σημείο (cold spot), το καπάκι στο τέλος της διεργασίας. Βιβλιογραφικά, η επιθυμητή τιμή για την εμπορικής αποστείρωση στο καπάκι αναφέρεται μεταξύ των τιμών "F" _"87.78˚C" ^"8,89˚C" " =" 0.07 min και "F" _"87.78˚C" ^"8,89˚C" " =" 2 min. Από τους ποιοτικούς παράγοντες, τα καροτενοειδή έδειξαν τη μεγαλύτερη θερμοανθεκτικότητα ενώ τη μεγαλύτερη θερμοευαισθησία έδειξε το χρώμα και ιδιαίτερα η παράμετρος L, με την παράμετρο a/b και τη βιταμίνη C να ακολουθούν.

The objective of this work was the modeling of the "hot-fill" process of tomato juice in glass containers using Computational Fluid Dynamics (CFD) and its optimization through the evaluation of the most important quality characteristics of the product. In this process, the container is filled with the hot product, sealed tightly, inverted, and maintained in the air or in a water bath before subsequent cooling in water. The critical stage is the residence time in the air or water bath, during which the commercial sterilization of the product and the container/lid is essentially ensured. Initially, the thermophysical properties of tomato juice were determined through literature review and experimentation. Additionally, the thermal resistance parameters (D and z values) of the target microorganism, B. coagulans, and the quality characteristics of a/b and L color parameters, vitamin C, and Beta-carotene were found in the literature. Subsequently, the "hot-fill" process of tomato juice was experimentally performed with the glass container remaining in the air at Tair = 25°C, and in a second case, with the container remaining in a water bath at a temperature of 50°C without subsequent cooling in water. The experimental heat transfer coefficient was experimentally estimated for the air as hair = 11.4 ±0.10 W/(m2∙K), and for the water bath at temperatures of 20, 50, 70, and 90°C as hWC = 450.2±12.1 W/(m2∙K), hW = 596.8±32.4 W/(m2∙K), hW = 801.6±17.1 W/(m2∙K), hW = 1103.5±18.5 W/(m2∙K) respectively. The development of the numerical simulation model followed, with the creation of the 3D geometry of the container with dimensions of internal height L = 89 mm, internal diameter d = 54 mm, thickness x = 2mm, and volume V = 190.14 mL. A grid with a density of 1 209 232 cells was constructed with desired quality. The experimental and predicted temperatures were in good agreement, confirming model’s accuracy. The "hot-fill" process was investigated at different filling temperatures of 94, 96, or 98°C, with the container remaining in the air or in a water bath at temperatures of 50, 70, or 90°C without subsequent cooling in water, aiming to find the conditions that lead to the achievement of the integral value F_(93.33˚C)^(8.89˚C)= 5 min and F_(93.33˚C)^(8.89˚C)= 12.6 min. The cases that resulted in achieving these Fs values were further examined with subsequent cooling in water at a temperature of TWC = 20°C, in terms of remaining quality characteristics and the point F value at the container lid at the end of the process. Based on literature data, the desired value for commercial sterilization of the container lid is between "F" _"87.78˚C" ^"8,89˚C" " = " 0.07 min and "F" _"87.78˚C" ^"8,89˚C" " = " 2 min. Among the quality factors examined, carotenoids exhibited the highest thermal resistance, while color, particularly the L parameter, showed the highest thermal sensitivity, followed by the a/b parameter and vitamin C.