SIMULACIÓ DEL CONTINGUT D AIGUA I A W IRTASIM

Transcripción

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2 NOUS SISTEMES DE MONITORITZACIÓ I PREDICCIÓ DE L ASSECATGE D EMBOTITS CURATS SIMULACIÓ DEL CONTINGUT D AIGUA I A W IRTASIM Dr Israel Muñoz Dr Josep Comaposada Beringues IRTA Monells

3 INDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. COMSOL 3. IRTASIM 4. MONITORITZACIÓN a w

4 Qué es la simulación? Es una técnica que permite estimar el comportamiento de un sistema real en el tiempo en un ordenador. Ejemplo: Secadero. La simulación requiere construir modelos matemáticos que reproduzcan el sistema a estudiar La simulación permite estudiar y comprender el funcionamiento de un sistema. Ejemplo: distribución de actividades de agua en un secadero La simulación permite evaluar el impacto en el sistema que se está estudiando de diferentes estrategias de diseño, control, Ejemplo: Cambios en el diseño del secadero en el secado del producto

5 Ventajas y desventajas Ventajas: Se puede desarrollar/mejorar el sistema sin necesidad de construirlo Se puede obtener información del proceso que puede ser difícilmente medible Permite estudiar diferentes alternativas de forma rápida Reducción tiempo y dinero en la mejora de sistemas y procesos Desventajas: Los modelos pueden precisar de mucho tiempo para su desarrollo Resultados imprecisos dependiendo del modelo Resultados tienen que ser verificados en un sistema real

6 Estimación a w Objetivos de la estimación a w : Optimizar la calidad del producto obtenido (obtención de a w deseadas) Controlar la seguridad alimentaria de nuestra producción Optimizar el proceso desde el punto de minimización del gasto energético Factores que afectan a w : Temperatura Humedad relativa Velocidad de aire Secadero Composición, ph, del producto

7 Estimación a w Qué necesitamos para el estudio de la a w? Un modelo del secadero para calcular distribuciones de aire, temperatura y humedad en función de las características constructivas y de funcionamiento del secadero y de la distribución del producto en su interior COMSOL Un modelo del producto para analizar como evoluciona el secado del producto en función de la temperatura, humedad relativa y velocidad de aire IRTASIM

8 COMSOL Que es el COMSOL? COMSOL es un programa comercial que permite modelizar y simular diferentes fenómenos físicos Información para crear un modelo en COMSOL: Definir la geometría: forma del secadero 2D o 3D distribución del producto Seleccionar las variables de estudio: Temperatura humedad velocidad de aire Fijar los valores de inicio de proceso: temperatura, humedad, Definir el espacio de tiempo durante el que se desea estudiar el sistema

9 Distribución de velocidad de aire: Ventilación en funcionamiento

10 Distribución de temperatura y humedad: Ventilación en funcionamiento

11 Distribución de velocidad de aire: Ventilación detenida Time: 0 % Time: 6 % Time: 11 % Time: 19 % Time: 36 % Time: 100 % m/s

12 Distribución de temperatura: Ventilación detenida Time: 0 % Time: 6 % Time: 11 % Time: 19 % Time: 36 % Time: 100 % ºC

13 Distribución de humedades relativas: Ventilación detenida Time: 0 % Time: 6 % Time: 11 % Time: 19 % Time: 36 % Time: 100 % %

14 Distribución de velocidad de aire (3D)

15 Consideraciones durante el proceso y el producto final para garantizar la calidad y su seguridad alimentaria HR a w HR<<a w s encostrado ( NaCl H 2 O) a w 0,91 0,95 b. lácticas a w < 0,92 limita bacterias indeseables a w < 0,75 en grasa salada rotura adipositos-sudar aceite ph Fermentación homogénea (con perfil H 2 O homogéneo) ph proteólisis y ligado encostrado HR remelo, hongos, absorción O 2 defectos color rancidez, 10 Textura HR75%Tª20º C a w

16 EL EQUIPO DE SECADO Productos Cárnicos TÍTOL DEL POWER POINT. PRESENTACIÓ...parámetros del secado H 2 O H 2 O Evaporación en la superfície del producto CAPA LÍMITE Velocitat del aire, forma del producto, T... Diferencias de humedad Difusión del agua en el interior del producto Coeficiente de difusividad (D e ): depende de la composición del material, T,...) Diferencias de contenido de agua

17 IRTAsim Que permite realizar IRTAsim? Determinar parámetros de secado de productos cárnicos embutidos Simular procesos de secado Prever el comportamiento del producto (relación merma/tiempo, perfiles de contenido de agua y a w, etc.) según las condiciones de secado aplicadas durante el proceso de elaboración

18 Determinación de parámetros de secado de productos cárnicos embutidos: coeficiente de difusividad efectiva de agua (De)

19 Resultados de IRTAsim D e f(x) a D e f(x) b Coeficientes de la ecuación de D e -0, , D e a x s b exp RT COEFICIENTE DE DIFUSIVIDAD EFECTIVA (D e ) Arrhenius H 2 0 Etapa D e T superficial Coeficiente Contenido n m 2 /s m 2 /s kg H 2 0/kg* C 1 3,7450E-11 0,2218 1, , ,6247E-11 0,3876 0, , ,2594E-11 0,3973 0, , ,8200E-11 0,3410 0, , ,9664E-11 0,3230 0, ,9260 De m 2 /s 1,0E-09 1,0E-10 1,0E-11 D e vs. Contenido de agua 1,0E-12 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 Etapas

20 Simulación del proceso de secado

21 Resultados de IRTAsim Merma (%) T ( C) Evolución Secado Temps / Tiempo / Time (h) Minva vs Temps/Merma vs Tiempo/Weight Loss vs Time HR/RH (%) Contenido de agua kg H 2 O / kg* Perfiles Espesor (m) Etapa

22 Perfiles de a w a w Perfiles a w a w Etapa promedio 0 0,98 1 0,96 2 0,95 3 0,94 4 0,93 5 0,90 6 0, Espesor (m)

23 Determinación del parámetro D e de distintas matrices Embutidos estudiados Salchichón Picado mm

24 Determinación del parámetro D e de distintas matrices Composición y ph de los distintos salchichones estudiados ph Humedad * Grasa SS Proteina Colageno NaCl % % % % % 1 4,7 51,0 55,7 12,1 2,1 3,7 2 5,2 56,8 50,7 14,3 1,7 3,2 3 4,8 45,9 62,9 14,6 3,2 3,4 4 4,7 56,4 46,1 14,3 1,4 3,5 5 4,8 55,4 45,3 17,8 1,7 3,3 6 4,6 47,9 61,9 15,4 3,0 3,0 7 4,7 55,2 45,6 15,2 2,3 3,3 8 4,9 56,4 43,7 18,5 1,4 2,9

25 Determinación del parámetro D e de distintas matrices Parámetros de secado de los embutidos Diametro Longitud Temperatura Humedad relativa Tiempo de funcionamiento climatizador Va Tiempo secado mm m % % % m/s dias % Merma , , , , , , , , , , , , , , , ,9

26 Determinación del parámetro D e de distintas matrices Parámetros de las ecuaciones de D e en función de la humedad del producto Embutido Parámetros de la ecuación a b 1-1,2023-0, ,6757 0, ,5088-0, ,933 2, , ,195-1, , , ,3026 0, Comaposada, J. & Muñoz, I. (2012) Coeficientes de difusividad efectiva e isotermas de sorción para distintas matrices de salchichones. VII Congreso Español de Ingenieria de Alimentos - CESIA 2012, 7-9 Noviembre. Ciudad Real, España.

27 Determinación de las isotermas de sorción de distintas matrices Isotermas de sorción 1,4 1 5 ºC 15 ºC 25 ºC Contenido de H2O, kg H2O/kg ms 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0, GAB M GAB G 0,0 0,5 0,7 0,9 a w 0,5 0,7 0,9 a w 0,5 0,7 0,9 a w X G C G K S Salchichones grasos GAB G Salchichones magros GAB M

28 Aplicación 1 Eliminación de encostrado en salchichón Proceso de resolución del problema: 1. Determinación del parámetro de secado De en salchichón. 2. Realización de simulaciones con distintas condiciones de secado (Tª, HR, Va, tiempo ventilación) mediante la De obtenida en el paso anterior (1). 3. Análisis de las curvas de secado teóricas obtenidas, así como de las distribuciones de agua dentro del producto. 4. Validación del proceso en secadero

29 Parámetros y curvas de secado resultantes: Eliminación de encostrado en salchichón D e f(x) a -0, D e f(x) b -0, Merma (%) T ( C) HR (%) Tiempo (h) Merma experimental Salchichón encostrado Simulación merma Salchichón encostrado Simulación merma Salchichón sin costra T secadero HR Salchichón encostrado HR Salchichón sin costra

30 Eliminación de encostrado en salchichón Paràmetres i corbes d assecat resultats: D e f(x) a -0, D e f(x) b -0, Weight loss (%) T ( C) Time (h) Merma Experimental experimental weightsalchichón loss encostrado Simulación Weight loss merma simulation Salchichón (No crust) sin costra HR Relative Salchichón humidity encostrado (with crust) RH (%) Simulación Weight lossmerma simulation Salchichón (with crust) encostrado T Dryer secadero temperature HR Relative Salchichón humidity sin costra (No crust)

31 Perfiles de contenido de agua resultantes: Eliminación de encostrado en salchichón Contenido de auga (kg H 2 O/kg ms) Salchichón encostrado inicio Salchichón sin costra inicio Salchichón encostrado final Radio del salchichón, m Ventilación de partida: Etapa Tiempo Aire forzado, % Encostrado Sin costra

32 Temperature, ºC; Weight loss, % Drying time, h T Standard T Improved Weight loss standard Weight loss Improved Esperimental weight loss RH Standard RH, % Aplicación 2 Ahorro energético Water content, kg/kg 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0, Water content, kg/kg 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0, Stage Stage Surface 0,0013 m Core 0,0175 m Surface 0,0013 Core 0,0175

33 Caso práctico 3 Ahorro energético Energy, kw frig.; kw elec Stage Refrigeration Standard Ventilation Standard Refrigeration Improved Ventilation Improved T air evaporator Standard T air evaporator Improved Temperature, ºC Refrigeratio n Ventilation Total cost kwh frig kwh elec Cost /kw 0,04 0,14 Estandard Improved

34 IRTAsim Que permite obtener IRTAsim? Prever tres aspectos fundamentales: Comportamiento tecnológico del proceso (merma, defectos, ) Seguridad alimentaria del producto (perfil de a w ) Reducir consumo y coste energético del proceso Definir las consignas del proceso según las variaciones en la demanda del producto al mercado: Ajuste del momento de finalización del proceso con la demanda efectiva según los pedidos y la evolución de ventas

35 Monitorización de la a w Estimación on-line de la a w en superfície : Temperatura superficial Espectrometria NIR a w a w Humedad Encortezado Simple Econòmico Considerar el coste de adquisición y puesta a punto

36 Estimación aw Control del secado mediante la estima de a w por temperatura superficial: RH sp a ws 0.85 HR % T ºC a ws sp aw T x10 3 s 0.5 t

37 Estimación aw Control del secado mediante la estima de aw por NIR 90 Sondas NIR Surface water content, %; Air relative humidity, % Time, h Surface aw Time, h surface aw NIR surface aw surface aw set-point surface water content NIR surface water content surface water content set-point air relative humidity set-point

38 Control del secado mediante la estima de a w por NIR Estimación aw 6.0 Sondas NIR Weight, kg Drying curve standard control Drying curve new control Time, h 80 1 Surface water content, % Surface aw Time, h surface water content standard control surface aw standard control surface water content new control surface aw new control

39 EL EQUIPO DE SECADO Productos Cárnicos TÍTOL DEL POWER POINT. PRESENTACIÓ Muchas gracias por su atención IRTA Monells Finca Camps i Armet, sn Monells (Girona) Tel Israel.munoz@irta.cat josep.comaposada@irta.cat