Experimental evaluation of the continuous pasteurization control of a orange juice model fluid

O trabalho consistiu na montagem, instrumentação e implementação de controladores convencionais e não convencionais numa planta de pasteurização contínua em processo de alta temperatura-curto tempo (HTST - Hight Temperature Short Time) de sucos. O binômio escolhido, de 91 oC/ 40 s foi baseado em aplicações para suco de laranja, e conseguido através de um trocador de calor a placas sanitário com três seções de troca térmica (regeneração, aquecimento e resfriamento) e de um tubo de retenção. Água a alta temperatura e solução de propileno-glicol foram utilizadas como fluidos de aquecimento e de resfriamento, respectivamente. A solução-modelo utilizada foi composta de água e sacarose, de mesmas propriedades físicas e reológicas do suco de referência. As linhas de escoamento dos três fluidos foram instrumentadas e controladas, conforme estratégias e lógicas aplicadas. A avaliação da ordem dos comportamentos das temperaturas de pasteurização e de resfriamento sob perturbações degrau das vazões dos fluidos secundários mostrou que o processo se comporta conforme funções de 2a ordem com fator de amortecimento igual a um e sob perturbações de carga do sistema, conforme funções de 1a ordem com tempo de atraso, ambas com baixo grau de não-linearidade. As lógicas e estratégias de controles implementadas foram os controles convencionais PID/feedback e PID/feedback/feedback, e o controle não convencional Fuzzy/PID/feedback. As variáveis controladas foram as temperaturas de pasteurização, após o tubo de retenção, e a de resfriamento, na saída do produto do trocador, enquanto que as vazões dos fluidos secundários foram as variáveis manipuladas do sistema. Os controles foram avaliados e comparados através dos índices de erros IAE, ITAE e ISE e do comportamento da variável controlada, sob perturbações de carga no sistema, realizadas por alterações na temperatura de entrada da solução-modelo no processo. Os resultados mostraram que o erro das temperaturas controladas sob perturbações ficou dentro da faixa de ±0,4 oC. Os índices de erros mostraram que os três controladores testados tiveram valores próximos, podendo ser considerados eficientes na manutenção das temperaturas de pasteurização e de resfriamento do processo.The goal of this work was the building, instrumentation and implementation of conventional and non-conventional controllers in a HTST (Hight Temperature Short Time) continuous processing prototype of fruit juice. A plate heat exchange with three sections of heat exchange (regeneration, heating and cooling) and a holding tube were used to achieve a holding time of 40 s at 91oC, used in the processing of orange juice. Water at high temperature and propylene-glycol solution were used to heat and cool the product, respectively. The model-solution used was composed of water and sucrose, with the same rheological and thermo-physical properties of the refereed juice. The three fluid lines were instrumented and controlled according to the strategies and logics used. The dynamic behavior of the pasteurization and cooling temperatures after disturbances in the secondary fluid flow rates were best represented by second-order systems with the dumping ratio equals to one. The dynamic behavior of the same temperatures after disturbances in the inlet product temperature were best represented by first-order systems with dead time. Both behaviors presented low level of non-linearity. The control strategies and logics implemented were the conventional controllers PID/feedback and PID/feedback/feedforward and the non-conventional controller Fuzzy/PID/Feedback. The controlled variables were the pasteurization temperature after holding tube, and the cooling temperature at the outlet of the pasteurizer; while the manipulated variables were the flow rates of the secondary fluids. The controls were evaluated and compared by the absolute error indexes, IAE, ITAE e ISE and by the behaviors of the manipulated variables, after disturbances in the product inlet temperature. The results showed that the error of both controlled temperatures were within ±0,4 oC range after disturbances in the inlet modelsolution temperature. The error indexes of the three controllers tested presented similar values, indicating efficiency of the controllers in the maintenance of the pasteurization and cooling temperatures