Development of a pressurized capillary rheometer and optimization of thermal treatment of fluids at high temperatures

Orientador: Flávio Luis SchmidtTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de AlimentosResumo: A importância de se utilizar tratamento térmico de alimentos a altas temperaturas e curto tempo é que este garante a segurança microbiológica do produto e leva a uma maior preservação das características de qualidade, devido a parâmetros cinéticos que permitem que os fatores de qualidade tenham uma velocidade de destruição menor do que a de microrganismos. Dados reológicos em geral são obtidos a partir de ensaios realizados em equipamentos não pressurizados até temperaturas em torno de 90°C, devido à ebulição da água A altas temperaturas podem ocorrer alterações no produto causando mudança de viscosidade não prevista ao se extrapolar equações obtidas até 90°C. O aumento ou diminuição de viscosidade pode modificar o regime de escoamento do fluido, podendo chegar a causar um sub ou sobre-processamento, dependendo do caso. Por estas razões, é importante conhecer, às temperaturas de processo, as propriedades reológicas do produto, microrganismos alvo de tratamento térmico, pH, cinéticas de degradação de parâmetros de qualidade para que se possa otimizar o dimensionamento de tratamentos térmicos para produtos específicos. O objetivo deste projeto foi a realização de medidas reológicas de soluções-modelo e fluido alimentício a altas temperaturas e obtenção de dados cinéticos de alteração de qualidade como escurecimento, construindo-se, para este fim, um equipamento, que possa ser utilizado como um reômetro capilar pressurizado e como um reator. Um reômetro capilar foi dimensionado e construído com aquecimento por meio de tecnologia de microondas. Foi possível a utilização do equipamento para realização de medidas de propriedades reológicas acima de 100°C de soluções de sacarose a 64 e 63,5°Brix e de purê de banana a 22°Brix. Observou-se um desvio da curva de Arrhenius para o comportamento reológico do purê de banana acima de 100°C, mas não para a solução de sacarose. Foi desenvolvida e aperfeiçoada a metodologia para obtenção da região ótima de tratamento térmico e aplicada para purê de banana com minimização de escurecimento (valor de L menor ou igual a 56,2) e garantia de segurança microbiológica baseado em dados cinéticos para Clostridium botulinum. Esta região compreende temperaturas de tratamento térmico acima de 123°C e tempos abaixo de 2 minutosAbstract: The importance of using food thermal processing at high temperatures and short time (HTST) is that it guarantees the microbiological security of the product and leads to a higher preservation of quality characteristics, due to kinetic parameters that allow quality factors to have a lower destruction rate than that of microorganisms. There is a lack of data on rheological fluid behavior at high temperatures due to the difficulties brought by the experimental assembly and originated from the thermal degradation that the product can undergo during the long time required for reaching the equilibrium temperature. Product alterations can occur at high temperatures causing unexpected changes of viscosity, invalidating extrapolations obtained from equations that are true just for around 90°C (rheological measurements in non-pressurized equipment due to boiling of water). The increase or reduction of viscosity can modify the flow behavior of the fluid, thus causing an under or over-processing, depending on the case. For these reasons, it is important to know the rheological properties of the product, thermal treatment target microorganisms, pH, degradation kinetics of quality parameters at process temperatures, such as to make possible the design of optimized thermal treatments for specific products. The objective of this project was to study the rheological properties and degradation kinetics at high temperatures of products (food and model solutions) and to obtain quality degradation kinetic data such as browning, in order to optimize thermal treatments. In order to perform the experiments, the objective is to build a device (pressurized capillary rheometer and heat exchanger) capable of rapidly increasing the product temperature, thus minimizing changes due to heat. The capillary rheometer could be built, using microwave as the heating device. It was tested with sucrose solution and banana puree. It was observed a deviation from the Arrhenius curve for the rheological behavior of banana puree above 100°C, but not for sucrose solution. It was possible to model and study the dielectric properties at 915 MHz for different formulations of banana puree at thermal treatment temperatures. The methodology for obtaining the optimal region of thermal treatment was developed and improved. It was tested for banana puree in order to minimize browning (L value lower or equal to 56.2) and to guarantee safety based on Clostridium botulinum kinetics data. This region has 123°C as lower thermal processing temperature and 2 minutes as higher thermal treatment timeDoutoradoTecnologia de AlimentosDoutor em Tecnologia de Alimento