SIMULACIÓ DEL CONTINGUT D AIGUA I A W IRTASIM

SIMULACIÓ

DEL

CONTINGUT D’AIGUA

I

A

_W

IRTASIM

Dr Israel Muñoz

Dr Josep Comaposada Beringues

IRTA Monells

NOUS SISTEMES DE MONITORITZACIÓ I PREDICCIÓ DE L’ASSECATGE D’EMBOTITS CURATS

INDICE

1. INTRODUCCIÓN 2. COMSOL

3. IRTASIM

• 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

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

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

• Composición, pH, … del producto

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

• Un modelo del producto para analizar como evoluciona el

secado del producto en función de la temperatura, humedad relativa y velocidad de aire

Estimación a

_w

IRTASIM

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

CO

M

S

O

L

Distribución de velocidad de aire:

Distribución de temperatura y humedad:

Time: 0 % Time: 6 % Time: 11 %

Time: 19 % Time: 36 % Time: 100 %

0.0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 m/s

Distribución de velocidad de aire:

11.4 11.6 11.8 12.0 12.2 12.4 12.6 12.8 13 ºC 11.2

Time: 0 % Time: 6 % Time: 11 %

Time: 19 % Time: 36 % Time: 100 %

Distribución de temperatura:

Time: 0 % Time: 6 % Time: 11 %

Time: 19 % Time: 36 % Time: 100 %

72 74 76 78 80 82 84 86 88 %

70

Distribución de humedades relativas:

Consideraciones durante el proceso y el producto final para garantizar la calidad y su seguridad alimentaria

HR a_w pH HR<<a_{w s} ↑encostrado (↓NaCl ↓H₂O) 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

↑HR ↑ remelo, ↑ hongos, ↑ absorción O₂ defectos color rancidez, Fermentación homogénea

(con perfil H₂O homogéneo)

↓pH ↑ proteólisis y ligado ↓encostrado 0 2 4 6 8 10 0.6 0.7 0.8 0.9 1 T e x tu ra aw HR75%Tª20º C

TÍTOL DEL POWER POINT. PRESENTACIÓ

Evaporación en la

superfície del producto

Velocitat del aire,

forma del producto, T ... Diferencias de humedad

H₂O H₂O CAPA

LÍMITE

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

...parámetros del secado

¿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

http://irtasim.irta.cat/

IR

T

A

si

m

 Determinación de parámetros de secado

de productos

cárnicos embutidos:

coeficiente de difusividad efectiva de

Resultados de IRTAsim

D_e f(x)a D_e f(x) b Coeficientes de la ecuación de De -0,469910 -0,788120





        RT x De s 53467 exp b a Arrhenius H20 Coeficiente Contenido n m2/s m2/s kg H20/kg* °C 1 3,7450E-11 0,2218 1,0761 12,7830 2 5,6247E-11 0,3876 0,9042 10,8710 3 6,2594E-11 0,3973 0,7826 11,9030 4 5,8200E-11 0,3410 0,6997 12,9170 5 5,9664E-11 0,3230 0,6401 13,9260

COEFICIENTE DE DIFUSIVIDAD EFECTIVA (De)

De T superficial Etapa 1,0E-12 1,0E-11 1,0E-10 1,0E-09 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 De m 2/s Etapas Devs. Contenido de agua

Resultados de IRTAsim

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 0 5 10 15 20 25 30 0 100 200 300 400 500 600 700 800 M e rm a (% ) T (° C )

Temps / Tiempo / Time (h)

Evolución Secado

Minva vs Temps/Merma vs Tiempo/Weight Loss vs Time H R /R H ( % ) 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 Espesor (m) Perfiles 0 1 2 3 4 5 C o n te n ido d e a g ua k g H 2 O / k g * E ta pa

Perfiles de a

_w 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 Espesor (m) Perfiles a_w 0 1 2 3 4 5 6 aw Etapa a_w promedio 0 0,98 1 0,96 2 0,95 3 0,94 4 0,93 5 0,90 6 0,87

Embutidos estudiados

Determinación del parámetro D

_e

de distintas matrices

Salchichón Picado mm 1 1 2 4 3 2 4 5 5 12 6 1 7 5 8 12

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

Parámetros de secado de los embutidos

Diametro Longitud Temperatura Humedad

relativa Tiempo de funcionamiento climatizador Va Tiempo secado Merma mm m % % % m/s dias % 1 35 0,42 14.8 73.8 33.9 0.5 14 33,6 2 37 0,33 13.3 69.6 48.7 1.5 13 39,7 3 54 0,25 13.3 68.8 79.1 0.5 27 29,0 4 55 0,36 14.6 70.3 48.1 0.6 27 36,4 5 55 0,47 14.8 70.3 42.1 0.5 14 29,7 6 85 1,00 14.0 70.4 57.8 0.4 33 21,2 7 85 1,00 12.5 80.1 53.3 1.0 31 27,7 8 85 1,00 12.3 75.6 56.3 1.5 21 26,9

Parámetros de las ecuaciones de D

_e

en función de la

humedad del producto

Embutido Parámetros de la ecuación

a b 1 -1,2023 -0,77513 2 -3,6757 0,71677 3 -2,5088 -0,43866 4 -4,933 2,7058 5 -1,3678 6 0,195 -1,7355 7 -0,78812 -0,46991 8 -1,3026 0,057152

Determinación del parámetro D

_e

de distintas matrices

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.

Isotermas de sorción

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 0,5 0,7 0,9 C o n te n id o d e H2 O , k g H 2 O /k g m s aw 5 ºC 1 2 3 4 5 6 7 8 GAB M GAB G 0,5 0,7 0,9 aw 15 ºC 0,5 0,7 0,9 aw 25 ºC X_G C_G K_S

Salchichones grasos GAB G 0.05928 4441 0.9793

Salchichones magros GAB M 0.0769 10318.08 0.9804

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.

Eliminación de encostrado en salchichón

Parámetros y curvas de secado resultantes:

Def(x) a -0,653820 Def(x) b -0,656670 55 65 75 85 95 0 10 20 30 40 50 0 100 200 300 400 500 600 700 800 H R ( % ) M e rma (% ) T (° C ) Tiempo (h)

Merma experimental Salchichón encostrado Simulación merma Salchichón encostrado Simulación merma Salchichón sin costra T secadero

Eliminación de encostrado en salchichón

Paràmetres i corbes d’assecat resultats:

Def(x) a -0,653820

Def(x) b -0,656670

Merma experimental Salchichón encostrado Simulación merma Salchichón encostrado Simulación merma Salchichón sin costra T secadero

HR Salchichón encostrado HR Salchichón sin costra Experimental weight loss

Weight loss simulation (No crust) Relative humidity (with crust)

Weight loss simulation (with crust) Dryer temperature

Relative humidity (No crust)

55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 100 200 300 400 500 600 700 800 R H ( % ) W e ig h t lo ss (% ) T (° C ) Time (h)

Eliminación de encostrado en salchichón

Perfiles de contenido de agua resultantes:

Ventilación de partida:

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 C o n te n id o d e a u g a (k g H2 O /k g m s )

Radio del salchichón, m

Salchichón encostrado inicio

Salchichón sin costra inicio

Salchichón encostrado final

Etapa Tiempo Aire forzado, %

Encostrado Sin costra

1 72 60 2 83 60 3 45 60 4 56 50 5 68 50 6 35 40 7 29 40 8 33 50 9 40 40 10 30 40 11 24 40 12 22 40

Aplicación 2

Ahorro energético

0 20 40 60 80 100 120 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 100 200 300 400 500 600 R H , % T e m p e ra tu re , ºC ; W e ig h t lo s s , % Drying time, h T Standard T Improved

Weight loss standard Weight loss Improved

Esperimental weight loss RH Standard

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 0 5 10 15 20 W a te r co n te n t, k g / k g Stage Surface 0,0013 Core 0,0175 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 0 5 10 15 20 W at er c on te n t, k g/ kg Stage Surface 0,0013 m Core 0,0175 m

0 2 4 6 8 10 12 14 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0 5 10 15 20 T e m p e ra tu re , ºC En e rg y , k W fr ig .; k W e le c . Stage

Refrigeration Standard Refrigeration Improved

Ventilation Standard Ventilation Improved

T air evaporator Standard T air evaporator Improved

Refrigeratio

n Ventilation Total cost

kWh frig kWh elec € Cost €/kW 0,04 0,14 Estandard 44164 7593 2830 Improved 35839 7008 2415

Caso práctico 3

Ahorro energético

¿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

IR

T

A

si

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

Control del secado mediante la estima de a_w por temperatura superficial:

Estimación aw

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 x103 s t H R % T º C 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 aw RH sp a_ws T a_wssp

Control del secado mediante la estima de a_w por NIR

Estimación aw

Sondas NIR 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Su rfa ce w at e r co n te n t, % ; A ir r e la ti ve h u m id it y, % Time, h

surface water content NIR surface water content surface water content set-point air relative humidity set-point 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Su rfa ce aw Time, h

Control del secado mediante la estima de a_w por NIR

Estimación aw

Sondas NIR 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 0 200 400 600 800 1000 W e ig h t, k g Time, h

Drying curve standard control Drying curve new control

0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 200 400 600 800 1000 Su rf ac e aw Su rf ac e w at e r co n te n t, % Time, h

surface water content standard control surface water content new control surface aw standard control surface aw new control

TÍTOL DEL POWER POINT. PRESENTACIÓ

Muchas gracias por

su atención

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IRTA Monells

Finca Camps i Armet, sn 17121 Monells (Girona) Tel. 972 630 052

Israel.munoz@irta.cat

josep.comaposada@irta.cat EL EQUIPO DE SECADO – Productos Cárnicos