Optimal design of multiple-effect evaporation for tomato paste: a techno-economic approach supported by digital twin simulation

This thesis examines the design, optimization, and dynamic simulation of a forward-feed multiple-effect evaporation system for tomato paste production. Tomato paste (30 °Brix), obtained from tomato juice (5 °Brix) concentration, and rich in bioactive compounds such as lycopene, pectin, and vitamin C, is a globally relevant food ingredient whose quality depends on processing conditions. The study combines the design of the system and cost analysis to determine the optimal number of effects for the evaporation process, and applies Industry 4.0 Digital Twin technology to simulate its dynamic behavior. Thanks to a comparative economic evaluation of configurations with one to five effects considering capital expenditures, operating expenditures, and total costs over the plant’s lifetime, a three-effect forward-feed configuration offers the lowest total cost. A Digital Twin of the optimal configuration, developed in AVEVA Dynamic Simulation software, reproduces the system’s dynamic behavior and enables simulations of start-up and shutdown operations. The model demonstrates reliable process control, stable start-up performance, and safe vessel drainage during shutdown. Overall, the work shows how Digital Twins enhance process understanding, operational safety, and decision-making in the food industry, while promoting sustainability and competitiveness.

La tesi affronta lo studio della progettazione, dell’ottimizzazione e della simulazione dinamica di un sistema di evaporazione equicorrente multi-stadio, finalizzato alla produzione di concentrato di pomodoro. Questo prodotto, ottenuto portando il succo da 5 a 30 °Brix, rappresenta un ingrediente di grande rilevanza a livello mondiale, non solo per il suo largo impiego nell’industria alimentare, ma anche per il contenuto di composti bioattivi come licopene, pectina e vitamina C, la cui conservazione dipende fortemente dalle condizioni di processo. L’analisi combina il design del sistema con una valutazione dei costi, al fine di individuare il numero ottimale di effetti nel processo di evaporazione. Inoltre, integra la tecnologia dei Digital Twin nell'ambito dell’Industria 4.0, per studiarne il comportamento dinamico. Grazie ad una valutazione economica comparativa su configurazioni da uno a cinque effetti, considerando investimenti iniziali, costi operativi e spesa complessiva lungo l’intero ciclo di vita dell’impianto, emerge che la configurazione a tre effetti in equicorrente rappresenta la soluzione più conveniente in termini di costo totale. Il Digital Twin della configurazione ottimale, sviluppato con il software AVEVA Dynamic Simulation, riproduce fedelmente la dinamica del sistema e consente di simulare le fasi di avviamento e arresto dell’impianto. Il modello mostra un controllo di processo affidabile, una buona stabilità durante l’avviamento e un drenaggio sicuro degli evaporatori nella fase di arresto. In conclusione, il lavoro mette in evidenza come i Digital Twin possano contribuire a una migliore comprensione dei processi, a una maggiore sicurezza operativa e a un supporto più efficace alle decisioni nell’industria alimentare, promuovendo allo stesso tempo sostenibilità e competitività.