Μελέτη της θερμικής επεξεργασίας τροφίμων με διαφορετικές γεωμετρίες με τη βοήθεια της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής
Authors: Δήμου Ανδρέας 
Published: August 2021

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.