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Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Embargo Date: 2021-02-08
Title: Otimização da limpeza CIP (clean in place) por meio de vazão pulsada
Alternate title (s): Optimization of CIP cleaning by pulsed flow
Author: Silva, Lucas Donizete
First Advisor: Gedraite, Rubens
First coorientator: Naves, Emiliane Andrade Araújo
First member of the Committee: Coutinho Filho, Ubirajara
Second member of the Committee: Neiro, Sérgio Mauro da Silva
Summary: As indústrias de alimentos empenham esforços para manter a qualidade de seus produtos, reduzir custos e evitar problemas de contaminação alimentar e saúde pública. A etapa de higienização é a chave para manter em condições adequadas as superfícies dos equipamentos e tubulações. O objetivo deste trabalho foi (1) analisar a limpeza clean in place (CIP) convencionalmente empregada na indústria de laticínios; (2) avaliar o efeito da vazão pulsada na etapa de sanitização do processo CIP, (3) modelar e controlar o sistema de vazão em um protótipo simulador de linha de circulação de leite e (4) investigar os perfis de velocidades e tensão experimentados pela tubulação utilizando a técnica de fluidodinâmica computacional (CFD). Para realização deste trabalho foi utilizado um protótipo de sistema CIP com três superfícies de aço inoxidável, tipicamente presentes na indústria, no formato de dois tubos cilíndricos retos e um acessório cotovelo. Os cupons foram submetidos a contaminação natural com leite cru durante um período de duas horas a temperatura de 37ºC para promover a adesão e formação de biofilme. Em seguida, foram submetidos a higienização CIP convencional. Alternativamente, esses cupons foram contaminados e higienizados empregando vazão pulsada em diferentes configurações na etapa de sanitização, de acordo com planejamento composto central (PCC). Em ambos os cenários, as populações microbianas foram avaliadas por rinsagem e plaqueamento. O sistema de vazão foi modelado por função de transferência de primeira ordem com tempo morto (FOPDT) e o controle da vazão pulsada foi realizado por um controlador PID, o qual foi dimensionado por quatro métodos diferentes: Síntese Direta, Modelo Interno, Integral do erro absoluto ponderado pelo tempo (ITAE) e pelo método de Hagglund Astrom e ajustado com sintonia fina. Além disso, avaliou-se o uso de filtros para suavização de ruídos esporádicos de alta magnitude e ruídos de alta frequência. Simulações fluidodinâmicas utilizando software FLUENT Academic foram realizadas para investigar o comportamento da velocidade e tensão na higienização convencional e alternativa. A modelagem do sistema com função de transferência mostrou-se satisfatória para representar a dinâmica da vazão, assim como o uso de filtros suavizou os ruídos nas medidas coletadas. Na higienização, a redução do número de colônias foi mais expressiva nos trechos retos em comparação com acessório cotovelo na higienização convencional. As variáveis ondulação e período da pulsação mostraram-se significativas para remoção de células aderidas a superfície em ambos os cupons avaliados. A técnica CFD permitiu conhecer a dinâmica do escoamento em relação a velocidade e tensão de cisalhamento. As maiores ondulações W>1 promoveram maiores reduções decimais da adesão devido ao efeito anular experimentado pelas superfícies. Dessa forma, foi possível, portanto, reduzir o tempo de operação da etapa de sanitização com a estratégia de vazão pulsada assim como redução no consumo energético.
Abstract: The food industries strive to maintain the quality of their products, reduce costs and avoid problems of food contamination and public health. The sanitizing step is the key to keeping equipment and piping surfaces in proper condition. The objective of this work was (1) to analyze the clean in place (CIP) conventionally employed in the dairy industry; (2) to evaluate the effect of pulsed flow on the CIP process sanitization step, (3) to model and control the flow system in a milk circulation line simulator prototype and (4) to investigate the velocity and shear stress profiles experienced by the using the computational fluid dynamics (CFD). A prototype CIP system with three stainless steel surfaces, typically present in the industry, was used in the shape of two straight cylindrical tubes and an elbow attachment. The coupons were subjected to natural contamination with raw milk for a period of two hours at 37 ° C to promote adhesion and biofilm formation. They were then submitted to conventional CIP sanitization. Alternatively, these coupons were contaminated and sanitized using pulsed flow in different configurations in the sanitization step, according to central composite planning. In both scenarios, the microbial populations were evaluated by rinsing and plating. The flow system was modeled by first order transfer function with dead time (FOPDT) and the pulsed flow control was performed by a PID controller, which was scaled by four different methods: Direct Synthesis, Internal Model, Integral Error (ITAE) and the Hagglund Astrom method and adjusted with fine tuning. In addition, the use of filters for the smoothing of sporadic high-magnitude noises and high-frequency noise was evaluated. Fluid dynamics simulation using FLUENT Academic software was performed to investigate the velocity and shear stress behavior in conventional and alternative sanitization. The modeling of the system with transfer function was satisfactory to represent the flow dynamics, as well as the use of filters smoothed the noise in the measurements collected. In the hygiene, the reduction of the number of colonies was more expressive in the straight stretches as compared to accessory elbow in the conventional hygiene. The ripple and pulsation period variables were significant for the removal of adhered cells to the surface in both evaluated coupons. The CFD technique allowed to know the dynamics of the flow in relation to the speed and shear stress. The larger undulations W> 1 promoted higher decimal reductions of the adhesion due to the annular effect experienced by the surfaces. Thus, it was possible to reduce the operating time of the sanitation stage with the pulsed flow strategy as well as the reduction in energy consumption.
Keywords: CIP
Engenharia Química
Vazão Pulsada
Indústria de laticínios
Controle
Indústria de laticínios - controle de processos
CFD
Fluidodinâmica computacional
leite cru
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: SILVA, Lucas Donizete. Otimização da limpeza CIP (clean in place) por meio de vazão pulsada. 2019. 97 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2019. DOI http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2019.351
Document identifier: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2019.351
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/26165
Date of defense: 8-Feb-2019
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