Macchine e impianti della filiera agroalimentare
Indice
1) Parte introduttiva 5
1.1 Unità di misura e Sistema Internazionale (SI) 5
1.2 ISO e altri standard 6
1.3 Metrologia, Teoria delle misure (dirette-indirette), errori di misura, cifra significativa 6
1.4 Brevi cenni di meccanica applicata alle macchine (attriti, lavoro, potenza, rendimento) (23/09/22) 7
1.5 Termodinamica, trasmissione del calore (conduzione, convezione, irraggiamento) 11
1.6 Cambiamento di stato e Scambio termico 13
1.7 Pompe utilizzate nell’industria alimentare (cinetiche e volumetriche), cavitazione 15
1.8 Importanza della manutenzione e curva a vasca da bagno 21
2) Produzione agroalimentare 22
2.1 Produzione degli alimenti (primaria, secondaria e terziaria) 22
2.2 Processi e Operazioni unitarie (definizione e classificazione) 23
2.3 Diagrammi di flusso e definizioni 24
3) Macchine ed impianti della filiera olivicolo-olearia 25
3.1 Generalità e Morfologia dell’olivo 25
3.2 Momento ideale della raccolta 33
3.3 Composizione dell’oliva e fattori che influenzano la qualità dell’olio 34
3.4 Macchine, impianti, temperatura di lavorazione 35
3.5 Raccolta e Ricevimento olive 36
3.6 Defogliatura, deramificazione, lavaggio (11/10/22) 37
3.7 Frangitura, Produzione della pasta d’olive, Tipologie di frangitori 39
3.8 Gramolatura e Parametri fondamentali per la qualità 41
3.9 Decanter e Separazione dell’olio per centrifugazione 44
3.10 Filtrazione, confezionamento e conservazione 47
3.11 Classificazione e riferimenti legislativi 49
3.12 Metodo C.O.I., Difetti e attributi positivi dell’olio extravergine d’oliva 51
4) Macchine ed impianti della filiera cerealicola 53
4.1 Generalità frumento e produzioni vegetali, Scelte alimentari e Biodiversità 53
4.2 Composizione della cariosside e importanza della frazione proteica 55
4.3 Macinazione del frumento (vantaggi e svantaggi dei mulini a rulli e a pietra) 57
4.4 Impastamento e macchine impastatrici 61
4.5 Ottimizzazione e miglioramento del processo d’impastamento e delle macchine impastatrici 63
4.6 Macchine per la valutazione della qualità tecnologica delle farine (Alveografo di Chopin, Farinografo di Brabender, Falling Number) 64
14.6.1 Alveografo di Chopin 64
4.6.2 Farinografo di Brabender 68
4.6.3 Falling Number 71
4.7 Conservazione ed evoluzione delle farine durante lo stoccaggio 72
4.8 Varietà antiche di frumento versus varietà moderne 73
5) Innovazioni nelle filiere delle farine con focus su macchine ed impianti 74
5.1 Innovazioni e miglioramenti in campo (Ex ante) 75
5.1.1 Corretta gestione dei trattamenti agronomici per migliorare la composizione delle farine, la reologia degli impasti e le caratteristiche del pane. 75
5.2 Innovazioni e miglioramenti nella macinazione (Inter) 76
5.2.1 Confronto tra macinazione a pietra e a rulli: una revisione degli effetti su farina, impasti e pane. 76
5.2.2 Miglioramento della macinazione a pietra mediante la valutazione degli effetti del condizionamento del grano e della velocità di rotazione della pietra. 77
5.2.3 Miglioramento della macinazione a rulli sfruttando il break, il sizing e il reduction system per la differenziazione delle farine 78
5.3 Innovazioni e miglioramenti nella reologia degli impasti (Inter) 79
5.3.1 Modelli predittivi per individuare il contenuto ottimale d’acqua negli impasti 79
5.4 Innovazioni e miglioramenti nell’impastamento (Inter) 81
5.4.1 Il processo di impastamento: una revisione degli effetti sulla reologia degli impasti e sulle caratteristiche del pane comprensiva di strategie di miglioramento. 81
5.4.2 Effetti della aggiunta di neve carbonica durante l’impastamento su termoregolazione, reologia degli impasti e caratteristiche del pane. 82
5.4.3 Migliorare la tenacità e l’estensibilità degli impasti integrali con un processo d’impastamento innovativo. 83
5.5 Innovazioni e miglioramenti per incrementare la sostenibilità della filiera cerealicola (Ex post) 84
5.5.1 Uso dell’ LCA per valutare la sostenibilità ambientale delle filiere di produzione della pasta: un approccio integrato per comparare scenari locali e globali. 84
5.5.2 Insetti come alimento: una revisione sistematica dei rischi connessi agli insetti commestibili in relazione ad un primo sviluppo di macchine e impianti 85
5.5.3 Valutazione delle proprietà reologiche degli impasti e delle caratteristiche del pane da fonti proteiche alternative (ceci, grilli e larve). 86
6) Macchine ed impianti per la produzione di pasta secca 87
6.1 Definizione legale semola di grano duro e di pasta di semola di grano duro 87
6.2 Classificazione della pasta 88
6.3 Processo di produzione della pasta secca 89
6.3.1 Pre-miscelazione 89
26.3.2 Impastamento principale e impastamento sottovuoto 89
6.3.4 Compressione e trafilatura 91
6.3.5 Taglio e Incartamento 94
6.3.6 Processo di essiccazione della pasta 95
6.4 Soluzioni tecnologiche per impianti di medie e piccole dimensioni 100
6.5 Confronto tra pasta convenzionale e di alta qualità e Parametri qualitativi per la pasta di semola di grano duro 102
7) Macchine ed impianti per la produzione dei vini spumanti 103
7.1 Introduzione e Generalità del vino 103
7.2 Nascita del vino spumante 106
7.3 Produzione vino base e cuvée per i vini frizzanti 106
7.4 Metodo Classico (o Champenoise) 107
7.4.1 Tiraggio 107
7.4.2 Presa di spuma 108
7.4.3 Messa in punta (Mise sur pointe) 108
7.4.4 Sboccatura o Degorgement 109
7.4.5 Dosaggio, tappatura e Classificazione 109
7.5 Metodo Martinotti – Charmat 111
Impianti dell’industria agroalimentare
8) Usabilità di macchine ed 114
8.1 Definizione e campi di applicazione 114
8.1.1 Principali caratteristiche di un sistema usabile 114
8.1.2 Approccio metodologico basato sull’usabilità nello sviluppo di una lavatrice innovativa per il frantoio 115
8.2 Approccio metodologico per macchine e impianti attraverso 4 elementi chiave 115
8.3 Step operativi nello sviluppo di macchine ed impianti usabili, efficaci ed efficienti 116
8.4 Vantaggi multidisciplinari dell’approccio innovativo 117
8.5 Caso studio sulla lavatrice della filiera olivicolo-olearia 118
9.1 HACCP – Hazard Analysis and Critical Control Point 120
9.2 Storia, descrizione e riferimenti legislativi 120
9.2.1 Il Regolamento CE n. 178/2002 del Parlamento europeo: 121
9.2.2 Il Regolamenti Europei (Pacchetto Igiene) 121
9.2.2 Innovazioni e miglioramenti dell’HACCP nella produzione alimentare 122
9.3 I 7 principi base dell’HACCP 123
9.3.2 Identificare i CP ed i CCP 125
9.3.3 Stabilire limiti critici e valori soglia 126
9.3.4 Procedure di Sorveglianza 126
39.3.5 Stabilire azioni correttive 127
9.3.6 Procedure di Verifica 127
9.3.7 Registrazioni e Documenti 127
9.4 FMEA – Failure Mode and Effect Analysis 129
9.5 Funzionamento dell’FMEA 130
41) Parte introduttiva
1.1 Unità di misura e Sistema Internazionale (SI)
Il sistema internazionale è uno standard internazionalmente riconosciuto per cui ogni grandezza di misura è esprimibile in funzione delle cosiddette 7 grandezze principali.
Si basa sul sistema decimale come base di numerazione e ha precise regole di scrittura per le grandezze ed i simboli che le rappresentano.
Per descrivere queste grandezze unitarie esistono regole base di scrittura:
- Quando non precedute dal valore, le unità SI si scrivono per esteso in minuscolo senza accenti;
- Quando precedute dal valore si usano i simboli scritti in minuscolo, ad eccezione di quelli in cui l'unità di misura deriva dal nome di una persona (per esempio Pa);
- Le unità di misura rimangono invariate al plurale.
Bel e grado celsius non appartengono al SI ma comunque sono unità di misurazione utilizzate. 5
1.2 ISO e altri standard
ISO = International Organization for Standardization.
L’organizzazione Internazionale per la Normazione (ISO), è la più importante organizzazione mondiale per la definizione di norme tecniche, svolge funzioni consultive per l’UNESCO e per l’ONU.
ISO non è un acronimo, ma bensì deriva dal greco ìsos che significa uguale.
Le norme ISO hanno formato del tipo: "ISO nnnn:yyyy-titolo”
- Nnnn è il numero della norma
- Yyyy l'anno di pubblicazione o revisione
- Titolo è una breve descrizione della norma.
Esempio: ISO 27971:2008 - Cereals and cereal products
Spesso le norme ISO sono accompagnate da altre sigle:
- UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione): Associazione senza scopo di lucro con attività di normazione tecnica
- EN (che significa European Norm)
- CEN (European Committee for Standardization) Ente normativo con lo scopo di armonizzare e produrre norme tecniche
1.3 Metrologia, Teoria delle misure (dirette-indirette), errori di misura, cifra significativa
La metrologia è la scienza che si occupa della misurazione e delle sue applicazioni.
La misura è l'assegnazione di un intervallo di valori ad una particolare grandezza fisica chiamata misurando.
L'attività svolta per assegnare una misura si definisce misurazione.
La misurazione può essere: Misurazione diretta o Misurazione indiretta
La misurazione diretta è la misura che si effettua per un confronto diretto tra la grandezza data e un campione dell’unità di misura, questo confronto avviene per mezzo di uno strumento di misura, il quale possiede:
4 caratteristiche fondamentali:
- Precisione: è il grado di concordanza tra i valori misurati ottenuti da un certo numero di misurazioni ripetute dello stesso oggetto o di oggetti similari, eseguite in condizioni specifiche.
- Portata: è il più grande valore della grandezza fisica che lo strumento può misurare correttamente
- Soglia: è il più piccolo valore o la più piccola variazione della grandezza fisica che lo strumento può misurare correttamente.
- Prontezza: è la rapidità con cui lo strumento risponde a una variazione della grandezza da misurare.
3 caratteristiche importanti:
- Stabilità: Proprietà di un sistema di sviluppare reazioni che compensino effetti perturbatori, ristabilendo successivamente la condizione di equilibrio. La mancanza di stabilità della misurazione è nota col nome di Deriva cioè lo spostamento graduale nel tempo della posizione di equilibrio dell'indice di uno strumento di misura).
- Linearità: Proprietà di uno strumento di misura di dare in uscita (lettura) valori che possano mettersi in relazione lineare con il segnale d'ingresso (misurando).
- Accuratezza: È il grado di corrispondenza del dato teorico, desumibile da una serie di ripetizioni di una misura, con il dato reale o di riferimento.
Un esempio di misura diretta è il conteggio delle mattonelle presenti in un pavimento. 6
La misura indiretta è una grandezza fisica che viene ricavata da tramite operazioni matematiche a partire da misure precedentemente effettuate.
Esempio: Calcolo la base e l’altezza del terreno rettangolare, moltiplico tra loro i risultati ottenuti e determino l’area del rettangolo di terreno (A=b*h).
Errori di misura sono l'insieme degli scostamenti tra il valore reale ed il valore misurato di una grandezza.
Sono sempre presenti, per cause dovute alla qualità della strumentazione, delle condizioni ambientali, del metodo sperimentale e delle capacità dell’operatore.
Gli errori possono essere:
Errori sistematici sono commessi da uno strumento o da un metodo di misura che produce un valore della misura costantemente più alto o più basso del valore reale
Sono prodotti da cause in linea di principio individuabili.
Se ripetuti, sono provocati dalla stessa causa fisica e danno risultati di entità e segno invariato.
Il loro effetto si può quindi prevedere, calcolare e di conseguenza correggere (in linea di principio)
Operativamente, gli effetti degli errori sistemaci non sono attenuanti dal procedimento di ripetizione delle misure
Possono essere quantificati per via deterministica (ad es. cambiando metodo di misura) o ridotti significativamente tarando lo strumento.
Errori casuali o accidentali sono errori dovuti a fenomeni casuali e non controllabili, che influenzano la lettura della misura.
Sono prodotti da cause occasionali, variabili continuamente e non determinabili in dettaglio.
Non possono essere previsti e eliminati del tutto, ma la loro influenza sulla misurazione può essere fortemente ridotta grazie a strumenti statistici.
Gli effetti degli errori accidentali sulla dispersione dei risultati sperimentali possono essere attenuati ripetendo più volte la misura (più repliche) e calcolando la media e la deviazione standard dei risultati.
1.4 Brevi cenni di meccanica applicata alle macchine (attriti, lavoro, potenza, rendimento) (23/09/22)
La Forza d’attrito è la forza che si oppone al movimento, allo scorrimento, o allo spostamento di un corpo in relazione alla superficie su cui esso si trova.
Se si manifesta tra superfici in quiete relativa si parla di attrito statico;
Se invece si manifesta tra superfici in moto relativo si parla di attrito dinamico.
Esistono 3 tipologie di attrito: Radente, Volvente, Interno (fluidi).
In ogni caso l’attrito dà luogo alla trasformazione di energia meccanica in energia termica (calore).
È importante conoscere la forza d’attrito in diverse situazioni:
- Lubrificazione: l’attrito è legato alla viscosità;
- Lavorazioni paste: mosti, legno, melasse, polveri;
- Operazioni di Pompaggio e Mescolamento;
- Temperature: in ogni operazione meccanica l’attrito interno si traduce in un aumento di T;
- Rendimento e condizioni operative: quando parte del lavoro si perde per attrito. 7
L’attrito Radente è la forza che si oppone al movimento (scorrimento) tra due superfici a contatto che strisciano l'una sull'altra.
Per questo attrito si usa Legge di Coulomb (per superficie asciutte o quasi asciutte):
Il coefficiente f di attrito fra superfici asciutte dipende essenzialmente dalla scabrosità delle superfici e dalla natura dei materiali;
Inoltre è sensibilmente indipendente dall’estensione delle superfici a contatto e dalla velocità
Si tratta di una legge largamente approssimata, infatti, l’andamento del coefficiente d’attrito radente f non è costante con la velocità.
Nel transitorio si ha un valore maggiore detto attrito radente di primo distacco
Mentre a regime si ha una certa diminuzione di attrito cinetico.
L’attrito radente di primo distacco (RR) è la forza necessaria per mettere in moto un oggetto, il corpo infatti passerà da uno stato di quiete a uno stato di moto.
Vediamo l’attrito su un piano inclinato:
m= massa g=9,8 angolo= 45
RR= f*g*cos*a
Il corpo sarà fermo se: g*sin*a > RR
m*g*sin45 = m*g*cos45
5000*sin45= 1500*cos45
3535,53 N = 787,98 N
In questo caso il corpo è in moto, perché le forze che agiscono sul corpo m sono maggiori di RR. 8
L’attrito Volvente è la resistenza che incontra un cilindro di raggio r nel rotolamento senza strisciamento su una superficie piana.
È una forma di attrito che contribuisce a dissipare l’energia cinetica di un corpo in rotolamento
Una pallina che rotola, prima o poi si fermerà a causa delle forze dissipative (compreso l’attrito volvente) e della forza peso.
L’azione dell’attrito volvente (opposta al rotolamento) ha le dimensioni di un momento (N * m) =
La formula per il calcolo dell’attrito volvente è: ℎ
L’attrito Interno si ha quando fra due superfici si interpone un fluido viscoso (lubrificante) il moto relativo fra le due superfici viene sostituito da quello fra le particelle liquide che agiscono fra i due corpi.
La forza di attrito interno che si esercita su uno strato dipenderà ovviamente:
- Dalle dimensioni dello strato considerato;
- Dalla rapidità con cui avviene la variazione di velocità (gradiente di velocità tra gli strati)
I fluidi newtoniani sono quelli caratterizzati da un valore costante di η (viscosità)
Esempi = liquidi omogenei come Acqua e olio
I fluidi non newtoniani sono fluidi la cui viscosità varia a seconda dello sforzo di taglio che viene applicato
I fluidi non newtoniani non hanno un valore definito di viscosità.
Esempi = sangue, dentifricio etc.
Poiché le forze di attrito viscoso sono molto minori di quelle dovute all'attrito radente si usa lubrificare le parte in movimento per ridurre l'attrito dei macchinari.
La lubrificazione consiste nel porre uno strato di liquido viscoso (lubrificante) nello spazio tra le parti che altrimenti striscerebbero in modo da tenerle separate.
La lubrificazione consente di ridurre notevolmente le forze d'attrito così come il riscaldamento e il consumo delle parti soggette ad attrito.
Il lavoro è un concetto importante in fisica e meccanica che mette in relazione forza, spostamento ed energia.
Il lavoro compiuto da una forza è dato dal prodotto scalare tra un vettore forza ed un vettore spostamento: L = F * s = F * s * cos α
A livello dimensionale L = F * s = [N * m] = [Joule]
Se la forza applicata è perpendicolare alla direzione dello spostamento, il lavoro compiuto da essa è nullo.
Se la forza F (o la sua componente Fp) agisce nella stessa direzione e verso dello spostamento, il lavoro è positivo.
Se la forza F (o la sua componente Fp) agisce nel verso opposto a quello dello spostamento, il lavoro &egrav
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