Principi di tecnologie alimentari - modulo Operazioni unitarie

Principi di tecnologia alimentare

Modulo 2: operazioni unitarie. Prof.ssa Giovannelli.

Principi di tecnologia alimentare. Operazioni unitarie Prof.ssa Giovannelli.

Lezione 01

La tecnologia alimentare comprende lo studio dei processi che hanno a che fare con la trasformazione dei prodotti alimentari, inizia quando finisce la produzione primaria e termina con la vendita del prodotto. Non ha limitazioni di scala, vale per la grande industria quanto per quella artigianale.

Prodotto alimentare è un termine generico che indica i prodotti destinati al consumo alimentare come tali o previa conservazione e/o trasformazione. Si possono indicare con questo termine:

• Materie prime alimentari: prodotti ottenuti dalle attività di produzione primaria (agricoltura, allevamento, pesca, biotecnologie microbiche, sintesi chimica, ecc.) e destinati a subire manipolazioni varie per essere trasformati in alimenti. In un’ottica aziendale, le materie prime sono tutti quei materiali che entrano nel processo aziendale dall’esterno, per subirvi manipolazioni e trasformazioni.
• Prodotti intermedi o semilavorati: tutti i prodotti derivanti da manipolazioni e trasformazioni delle materie prime, ma non ancora diventati prodotti finiti. I prodotti intermedi/semilavorati sono individuabili all’interno di un processo alimentare articolato. Alcuni semilavorati sono commercializzati come tali in quanto rappresentano le materie prime di altri processi industriali.
• Prodotti finiti e alimenti: prodotti ottenuti dalla conservazione o trasformazione delle materie prime e destinati come tali al commercio o al consumo.

È impossibile usare in maniera univoca queste definizioni per l’estrema variabilità e complessità delle situazioni.

Se consideriamo per esempio una farina di frumento, potremmo dire che si tratta di un semilavorato, potremmo dire che si tratta di un semilavorato, essendo situato fra la materia prima frumento e il prodotto finito pane. Tuttavia, la farina per un molino è un prodotto finito e per una panetteria è una materia prima.

Il processo, inteso come processo tecnologico, è una serie di operazioni, materiali, attività, sistemi di controllo che vengono messi in atto per trasformare un input in output, cioè le materie prime in prodotti finiti.

L’operazione unitaria è uno step del processo ma non tutte sono unitarie: sono unitarie quando la descrizione dell’operazione può prescindere dal tipo di prodotto studiato, quando le leggi fisiche che descrivono il processo sono uniche.

Un processo tecnologico è pertanto costituito da una sequenza di operazioni e il prodotto finito è il risultato di tutte le manipolazioni e trasformazioni che hanno avuto luogo nelle diverse operazioni (unitarie).

Quindi l’operazione unitaria è un’operazione tecnologica basata su principi unitari e descritta da opportune equazioni di bilancio e cinetiche.

I principi che regolano l’andamento di una data operazione unitaria non dipendono dalla specifica applicazione e dal materiale trattato, ma possono essere definiti in maniera indifferenziata (unitaria) qualunque sia il settore e il materiale di applicazione dell’operazione.

Ad esempio, le leggi della sterilizzazione sono le stesse sia che si sterilizzi il latte, la carne in scatola, una conserva di pomodoro, una bevanda, un terreno colturale, un farmaco, una condotta in acciaio inossidabile o il camice di un chirurgo. Le leggi della centrifugazione sono le stesse sia che questa operazione venga applicata per separare la panna dal latte, per chiarificare un vino, per separare l’olio dall’acqua, per separare cellule microbiche da un brodo di fermentazione, ecc.

Questa osservazione ha dato origine alla “invenzione” della nostra materia, che possiamo considerare come la materia di base per lo studio delle tecnologie alimentari.

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Diagrammi di flusso e layout

Nei processi si utilizzano molto i flow-sheet o diagrammi di flusso; ovvero la sequenza delle operazioni che descrivono il processo; può essere disegnato seguendo diverse convenzioni grafiche, ma è opportuno utilizzare una simbologia unificata; la simbologia da adottarsi per la schematizzazione dei diagrammi di flusso secondo la norma UNI è:

Nota: gli input non sono solo materie prime e gli output non sono solo il prodotto finito ma possono essere anche scarti di lavorazione o sottoprodotti.

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Possono essere presentati anche layout ovvero rappresentazioni in pianta degli impianti e fa vedere come è posizionato l’impianto ed evidenziano il tipo di attrezzature impiegate nelle diverse operazioni:

Generalmente in impianti si usano linee continue frazionarie il più possibile, in quanto un tubo più lungo porta un consumo maggiore e un maggior rischio di controllo. Le linee sono quindi il più possibili chiuse e frazionarie.

Lo scopo delle tecnologie alimentari

Gli obiettivi dei processi sugli alimenti sono:

• Garantire la sicurezza: non deve provocare un danno al consumatore.
• Garantire la qualità nutrizionale: mangiamo per nutrirci, la qualità nutrizionale dipende dal prodotto ma anche dal processo di produzione che non deve danneggiare le caratteristiche intrinseche del prodotto che entra in lavorazione.
• Aumentare la conservabilità.
• Migliorare l’appetibilità.
• Migliorare la comodità d’uso o convenience.
• Assicurare l’economicità.

I primi due sono prerequisiti in quanto intrinsechi, devono essere presenti in tutti i prodotti alimentari ma il consumatore non è in grado di giudicare queste caratteristiche che devono essere garantite dal produttore. Le altre caratteristiche sono tutte importanti per consumatore, mercato e produttore ma sono oggetto di scelta dello stesso consumatore.

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Classicamente le tecnologie alimentari sono classificate come:

• Tecnologie di conservazione: hanno lo scopo di conservare le caratteristiche geometriche, strutturali, meccaniche, fisiche, chimiche, microbiologiche e dunque sensoriali e nutrizionali delle materie prime o dei semilavorati o dei prodotti finiti, in vista della loro utilizzazione o del loro consumo.
• Tecnologie di trasformazione: hanno lo scopo di modificare le caratteristiche geometriche, strutturali, meccaniche, fisiche, chimiche, microbiologiche delle materie prime e dei semilavorati al fine di ottenere prodotti con adeguate proprietà sensoriali, nutrizionali, di conservabilità, di lavorabilità, di convenience, … .

I prodotti alimentari possono essere classificati a seconda di diversi parametri:

I prodotti possono essere classificati genericamente dal punto di vista tecnologico anche in:

• → Prodotti freschi o simil-freschi: carne, pesce, latte pastorizzato, uova, …
• → Conserve e semi conserve: pomodori pelati, piselli surgelati, prugne essiccate, …
• Prodotti di prima trasformazione: i prodotti che dalla materia prima diventano, in un processo di trasformazione, un → prodotto finito; hanno quindi solamente un solo passaggio produttivo. Vino, formaggi, burro, succhi di frutta, …
• Prodotti di seconda trasformazione: i prodotti che derivano dai prodotti di prima trasformazione in un altro step produttivo → fatto normalmente da un’altra azienda. Pane, pasta, prodotti dolciari, bibite analcoliche, liquori, …
• → Ingredienti: farina, olio, zucchero, latte in polvere, …

Argomenti delle operazioni unitarie

Quando parliamo di operazioni unitarie bisogna seguire sempre la successione di una serie di argomenti:

1. La definizione dell’operazione unitaria: si individuano gli obiettivi della trasformazione, dando esempio d’inserimento dell’operazione nei processi di tecnologia alimentare.
2. Il modello fenomenologico dell’operazione: descrive in termini essenziali e generali dei fenomeni alla base dell’operazione.
3. Il modello matematico dell’operazione relativo a:
   • Bilanci materiali.
   • Bilanci energetici.
   • Relazioni cinetiche: descrizione di un fenomeno dove c’è il tempo.
4. La descrizione degli impianti principali in forma schematica.
5. I criteri di ottimizzazione.

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Nota: efficacia e efficienza sono due concetti differenti; l’efficacia è il perseguimento dell’obiettivo, l’efficienza riguarda più il come questo viene raggiunto.

L’ottimizzazione e il controllo delle operazioni unitarie richiedono una conoscenza dei fenomeni fondamentali (meccanici, chimici, fisici e biologici) che le determinano e la loro descrizione con relazioni matematiche. Tali relazioni si riferiscono in particolare a bilanci materiali, bilanci energetici e cinetiche.

Il bilancio materiale: + = + = + Con: m = massa / portata in massa, Hs = hot stream e Cs = cold stream

Il bilancio energetico: ( ) = ∗ ∗ − = ∗ ∗ ( − ) Con: m = portata in massa, Cp = calore specifico e T = temperatura

La reazione cinetica: = ∗ ∗ Δ Con: U = coefficiente globale di scambio termico, A = superficie di scambio e T = temperatura

Sistema e stato di un sistema

Il sistema si può definire in fase di studio sulla base di scambi di materia e energia in tre modi:

• Sistema isolato: non scambia né materia né energia con l’esterno; la sua massa totale e la sua energia totale rimangono invariati.
• Sistema chiuso: non scambia materia con l’esterno, (può scambiare calore e lavoro), quindi la massa rimane costante.
• Sistema aperto: può scambiare sia materia che energia. Sistema adiabatico: un sistema aperto o chiuso che non scambia calore con l’esterno. Sistema isotermico: la temperatura del sistema rimane costante.

A seconda dello stato può inoltre definirsi in due regimi in alle variazioni relazione del tempo:

• Sistema in stato stazionario: le grandezze che la definiscono e descrivono non cambiano in considerazione del tempo in diversi punti del sistema.
• Sistema in stato non stazionario o transitorio: le grandezze che definiscono il sistema variano in funzione del tempo. Le proprietà o grandezze cui ci riferiamo sono meccaniche (ad es. volume, massa, velocità) o termodinamiche (ad es. viscosità, temperatura, pressione).

Inoltre un sistema a seconda dei flussi che vi interagiscono si definisce:

• Continuo: i flussi di materiali di entrata e di uscita sono continui; di norma opera in regime stazionario, si ragiona in ingresso e uscita (in e out).
• Discontinuo o batch: i flussi di alimentazione vengono scaricati con discontinuità; normalmente questo genere di sistema opera in regime transitorio, si ragiona in tempo iniziale e tempo finale.

Quando possibile le operazioni sono continue, stazionarie con controllo automatizzato; la tecnologia moderna è orientata verso l’attuazione di operazioni continue, perché di più facile controllo e con minori tempi morti. Tuttavia nella tecnologia alimentare molte importanti operazioni sono ancora discontinue (in genere, ad esempio, quelle che richiedono attività microbiche, oppure nei casi di produzioni piccole o saltuarie).

Per avere un buon regime stazionario c’è bisogno di standardizzazione della materia prima, capacità di stoccaggio, ….

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Tra i vantaggi dei processi e operazioni continui abbiamo che:

• Sono eliminate le fasi di carico e scarico riducendo i tempi morti,
• Un’automatizzazione delle operazioni con conseguente riduzione dei costi di mano d’opera,
• Composizione dei prodotti più uniforme,
• L’energia è sfruttata nel modo migliore.

Tra gli svantaggi dei processi e operazioni continui abbiamo che:

• Le materie prime devono presentare composizione uniforme e omogenea per evitare fluttuazioni nell’operazione,
• Poiché è generalmente costoso avviare l’operazione, gli arresti devono essere ridotti o evitati,
• È necessario disporre di considerevoli stock di materie prime per consentire la continuità del processo,
• A causa dell’automazione delle operazioni, gli impianti sono più costosi e delicati.

I bilanci materiali

Fare un bilancio significa uguagliare quello che entra a quello che esce. Nelle operazioni unitarie e nei processi delle tecnologie alimentari, di qualunque natura essi siano, la massa e l’energia vengono conservate.

Sul principio della conservazione della massa e dell’energia è possibile scrivere per ogni operazione o processo i bilanci materiali ed energetici.

In un’operazione continua non si può avere perdita di massa, in un processo discontinuo tuttavia può esserci una perdita di massa ma non confideremo questo aspetto.

Per il principio di conservazione della massa: la massa non può essere né creata né distrutta; la sua composizione può essere modificata da una forma all’altra.

Per i bilanci materiali: massa totale in = massa totale out + massa totale accumulata. Materie prime = prodotto finale + sottoprodotti + materiale accumulato.

Se non intervengono modificazioni chimiche, la legge di conservazione di massa si applica anche ai singoli componenti materiali, cioè: massa in = massa out + massa accumulata a a a massa in = massa out + massa accumulata, eccetera b b b

Nota: spesso quando lavoriamo considereremo bilanci di acqua ma anche bilanci di materia secca.

Le grandezze che entrano in gioco nei bilanci di massa con le relative unità di misura sono:

Solitamente negli impianti continui si lavora in kg/h e in kW/h o kJ/h; bisogna stare attenti ad avere un’omogeneità nelle unità di misura, non ci si riferisce all’unità di misura del SI in impianti continui in quanto si lavora con bilanci di grande portata.

La frazione di massa nei bilanci di materiale è particolarmente utile: se si moltiplica la massa totale per la frazione di massa di un dato componente di ottiene la massa del componente considerato: = ∗ , = ∗ La frazione di massa del componente identificato con x può avere un valore che va da 0 a 1.

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Nei bilanci materiali è frequente che si debbano calcolare le masse o le portate in massa conoscendo i volumi o le portate in volume e le densità, ricordando che: ρ() = ( ) ∗ ( ), ρ̇ ( ) = ( ) ∗ ( )

Nota: un bilancio dei fluidi di servizio si può fare solo quando abbiamo uno scambiatore indiretto, avendo uno scambiatore diretto bisognerà utilizzare un altro tipo di calcolo in quanto il fluido di servizio andrebbe a mischiarsi con il fluido di processo.

La concentrazione indica la quantità di sostanza contenuta nell’unità di volume e può essere espressa in diversi modi:

Il contenuto di umidità, o più semplicemente umidità, rappresenta la quantità di acqua presente in una matrice. Può essere espresso in funzione del peso umido, cioè del peso totale: = Oppure può essere espresso in rapporto alla sola sostanza secca: = Poiché la massa totale = massa di sostanza secca + umidità, e allo stesso modo, sostanza secca = massa totale – umidità: = = − +

Molte operazioni unitarie e relativi bilanci possono essere affrontate con questa metodologia:

• A. Separazione (decantatori, centrifughe, evaporatori, cristallizzatori ed essiccatori sotto vuoto): tipicamente, una corrente di materiali entra e due (o più) escono dall’operazione. M1 = M2 + M3. M1x1 = M2x2 + M3x3
• B. Miscelazione: due o più correnti entrano ed una esce. M1 + M2 = M3. M1x1 + M2 x2 = M3x3
• C. Trasporto di materia (estrazione, essiccamento): due correnti entrano e due escono, mentre alcuni componenti sono trasferiti da una corrente all’altra. M1 + M2 = M3 + M4. M1x1 + M2x2 = M3x3 + M4x4
• D. Trasporto di calore (scambiatori a piastre o a tubi): due correnti entrano e due escono, mentre nessun componente è trasferito da una corrente all’altra. M1 = M3; M2 = M4. M1x1 = M3x3; M2x2 = M4x4

Per risolvere un problema di bilancio bisogna avere un numero di relazioni pari al numero di incognite, avendo due incognite si scriverà il bilancio di materia totale più un altro bilancio che messo a sistema consente di risolvere il problema.

Affronteremo al massimo relazioni di primo grado.

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Nella risoluzione dei bilanci di massa si cerchi di adottare la seguente procedura:

• Fare lo schema del processo indicando i flussi in entrata e in uscita (operazioni continue) oppure iniziale e