Development of a Digital Twin for Tomato Paste Production: An Industry-informed Dynamic Simulation Case Study

This thesis presents the development of a dynamic digital twin of an industrial tomato paste production line and analyzes its performance to identify opportunities for process improvement. The model was constructed based on operating data obtained from an existing processing plant. The aim was to reproduce the physical behavior of the process under both transient and steady operating conditions and to evaluate the capability of a process model to support Digital Twin development in food processing applications. The modeled production line includes hot break, extraction, three-effect forward-feed evaporation, sterilization, and cooling units. Industrial tomato processing includes energy-intensive thermal treatments and concentration steps that require precise control to maintain product quality while minimizing energy consumption. Therefore, producers must balance efficiency, yield, quality preservation, and environmental impact. To investigate these challenges, a dynamic simulation model was developed in AVEVA Dynamic Simulation (Dynsim) to create virtual replica of the process. The model successfully reproduced the hydraulic and thermal dynamics of plant operation during both transient and steady conditions. However, the study also shows that reliable implementation of a Digital Twin requires not only operating data, but also equipment-level information such as heat transfer design parameters and vacuum system operating conditions. Although nominal operating pressures were correctly implemented, the expected evaporation capacity of the multi-effect system could not be fully achieved, resulting in insufficient product concentration. This indicates that operating pressure alone is insufficient to predict evaporation performance. Despite limitations, the model demonstrates a physically consistent behavior and validates its usefulness as a digital twin for dynamic process analysis. With the integration of reliable sensors, online measurements and detailed equipment specifications, the model could be extended toward real-time monitoring, operator training, and energy optimization.

Questa tesi presenta lo sviluppo di un gemello digitale dinamico di una linea industriale di produzione di concentrato di pomodoro e ne analizza le prestazioni al fine di individuare possibili opportunità di miglioramento del processo. Il modello è stato costruito sulla base di dati operativi ottenuti da un impianto di lavorazione esistente. L’obiettivo è stato quello di riprodurre il comportamento fisico del processo sia in condizioni transitorie sia a regime, nonché di valutare la capacità di un modello di processo di supportare lo sviluppo di Digital Twin nelle applicazioni dell’industria alimentare. La linea di produzione modellata comprende le unità di hot break, estrazione, evaporazione a tre effetti in configurazione forward-feed, sterilizzazione e raffreddamento. La trasformazione industriale del pomodoro include trattamenti termici ad elevato consumo energetico e fasi di concentrazione che richiedono un controllo preciso per mantenere la qualità del prodotto minimizzando al contempo il consumo energetico. Di conseguenza, i produttori devono bilanciare efficienza, resa, conservazione della qualità e impatto ambientale. Per analizzare tali problematiche è stato sviluppato un modello di simulazione dinamica in AVEVA Dynamic Simulation (Dynsim) allo scopo di creare una replica virtuale del processo. Il modello ha riprodotto con successo la dinamica idraulica e termica dell’impianto sia durante le condizioni transitorie sia a regime. Tuttavia, lo studio evidenzia che un’implementazione affidabile di un Digital Twin richiede non solo dati operativi, ma anche informazioni a livello di apparecchiatura, quali i parametri di progetto dello scambio termico e le condizioni operative del sistema di vuoto. Sebbene le pressioni operative nominali siano state implementate correttamente, la capacità di evaporazione attesa del sistema multi-effetto non è stata completamente raggiunta, con conseguente concentrazione del prodotto insufficiente. Ciò indica che la sola pressione operativa non è sufficiente a prevedere le prestazioni di evaporazione. Nonostante tali limitazioni, il modello mostra un comportamento fisicamente coerente e conferma la sua utilità come digital twin per l’analisi dinamica di processo. Con l’integrazione di sensori affidabili, misure in linea e specifiche dettagliate delle apparecchiature, il modello potrebbe essere esteso verso applicazioni di monitoraggio in tempo reale, formazione degli operatori e ottimizzazione energetica.