Operazioni Unitarie

Operazioni unitarie della tecnologia alimentare

Prof. Claudio Riponi

Dipartimento di scienze e tecnologie agro-alimentari

Alimento

ALIMENTO: una qualunque sostanza che l'organismo introduce in se stesso ed utilizza per produrre energia, per accrescere la sua massa, per ripristinare le perdite e rinnovare le strutture, per regolare le attività metaboliche.

Tecnologia alimentare

TECNOLOGIA ALIMENTARE: insieme di discipline che hanno come oggetto di studio tutti quegli interventi a carattere fisico, chimico, biologico sulle materie prime grezze o sui semilavorati per una loro trasformazione in prodotti alimentari e/o una loro conservazione nel tempo.

Vi sono trattamenti fisici, sia caldi che freddi, che servono per la conservazione, trattamenti biologici. Vi sono interventi fisici, chimici e biologici che servono per la trasformazione o la conservazione dell’alimento, un esempio è il latte che grazie alla trasformazione otteniamo il formaggio, un alimento diverso. L’impatto della tecnologia può essere utile quanto molto drastico, che trasforma del tutto l’alimento.

La cosa più importante è riuscire a conservare il prodotto. Il consumare preferibilmente entro, dove se il prodotto è conservato in un modo giusto e ottimale allora l’alimento non è variato, oltre non dice che non si può mangiare ma cambia, non risponde più ai suoi requisiti. Un esempio sono le fette biscottate che cambiano il loro aspetto, dopo giorni non sono più friabili se il pacchetto rimane aperto: ciò non vuol dire che non si possono mangiare. Deve rispondere ai requisiti.

La distribuzione deve rispondere ai requisiti per rispettare la SHELF LIFE. Attualmente, il numero di persone con adeguato tenore di vita è più elevato dalla comparsa dell’uomo sulla terra, essi richiedono sempre cibi più adatti.

Tecnologie di conservazione

TECNOLOGIE DI CONSERVAZIONE hanno lo scopo di prolungare la vita commerciale di un alimento alterando nella minor misura possibile le caratteristiche geometriche, strutturali, meccaniche-fisiche e meccaniche.

Vi sono tecnologie di conservazione a breve termine che sono basate sulla semplice refrigerazione o sulla refrigerazione in combinazione con altre tecniche.

Le tecnologie di conservazione a lungo termine si applicano al prodotto trattamenti più drastici garantendone una più lunga conservabilità: prodotti sterilizzati, surgelati, liofilizzati e disidratati.

Tecnologie di trasformazione

Le TECNOLOGIE DI TRASFORMAZIONE hanno lo scopo di modificare le caratteristiche geometriche, strutturali, meccaniche, fisiche, chimiche e microbiologiche delle materie prime e dei semilavorati al fine di ottenere prodotti con adeguate proprietà sensoriali, nutrizionali, di lavorabilità, di convenienza e di conservabilità.

TECNOLOGIE DI FRAZIONAMENTO: un prodotto complesso, generalmente materia prima formata da più costituenti, è frazionato in diversi componenti. È tipica della produzione di ingredienti alimentari come zucchero, olio, farine.

TECNOLOGIE DI COMBINAZIONE: molti ingredienti vengono combinati per produrre dei prodotti più complessi.

TECNOLOGIE DI TRASFORMAZIONE CHIMICA: le materie prime o gli ingredienti trasformati per modificazione chimica dovuta al trattamento termico, ad azione chimica, enzimatica o microbica. Un esempio sono il vino, la birra.

Cibi naturali e sicurezza

Io mangio i cibi naturali perché sono sicuri (2 errori):

• Tutte le piante coltivate dall’uomo per produrre cibo, mangimi per animali e prodotti di interesse industriale, non sono “naturali”. Il pomodoro, il frumento, il riso sono il risultato di incroci, mutazioni e selezioni operate negli ultimi millenni e nel secolo appena concluso.
• La correlazione cibo/assenza di rischi è scientificamente infondata, la maggior parte delle piante produce veleni, tossine e sostanze cancerogene. Ciò ha un significato biologico ed evolutivo: la pianta produce questi composti per difendersi dai parassiti.

Un paese in via di sviluppo non ha tecnologia, il cibo deriva dall’agricoltura, è molto diffuso l’autoconsumo quindi ciò che produco me lo consumo anche.

Obiettivi della tecnologia alimentare

OBIETTIVI DELLA TECNOLOGIA ALIMENTARE:

• Sanitizzazione (negli impianti viene fatto una volta al giorno)
• Eliminazione di parti non desiderate ma non edibili o di contaminati
• Miglioramento delle caratteristiche nutrizionali
• Aumento della SHELF LIFE
• Diversificazione del prodotto
• Miglioramento della facilità d’uso

Operazione unitaria

OPERAZIONE UNITARIA: elemento di base con cui si costruiscono i processi. I processi sono rappresentabili come sequenze di operazioni unitarie attraverso schemi di flusso o flow sheet.

Classificazione di alcune classi di prodotto nelle categorie tecnologiche

• Prodotti freschi, come carne, latte, uova, frutta, pesce…
• Conserve, vegetali e carne
• Prodotti di 1° trasformazione: vino, formaggi, salumi, succhi, caffè, tè
• Ingredienti, intermedi e semilavorati
• Prodotti di 2° trasformazione, pane, prodotti dolciari, pasta…

Ottimizzazione

OTTIMIZZAZIONE: ogni operazione tecnologica deve essere condotta in modo tale da conservare l’effetto voluto in maniera puntuale e selettiva, minimizzando gli effetti dannosi collaterali, non voluti, che fatalmente si accompagnano all’operazione.

• Danno meccanico è dovuto ad una azione di pressione o di stress oltre i limiti di resistenza dei prodotti. Si manifesta con una serie di inconvenienti: rotture, fessurazioni, perdite di succhi…
• Danno termico: è dovuto agli effetti del calore sui componenti degli alimenti. Si manifesta con perdite di vitamine, diminuzione della digeribilità di alcuni nutrienti. Il danno termico può provocare o favorire il danno meccanico rendendo i tessuti più fragili.
• Danno chimico: è dovuto a reazioni chimiche ma può compromettere altre reazioni indesiderate eventualmente catalizzate da enzimi. L’entità di questo effetto dipende dalla concentrazione dei reagenti e dalle condizioni al contorno che favoriscono o inibiscono le reazioni.
• Contaminazioni: è dovuto all’inquinamento da parte di sostanze chimiche o agenti biologici presenti negli ambienti o nei materiali che vengono a contatto con gli alimenti. L’intensità di questo danno dipende dalla concentrazione degli agenti contaminanti.

Mild technologies, additivi e coadiuvanti

MILD TECHNOLOGIES: processi produttivi in cui si utilizzano trattamenti particolarmente rispettosi dell’alimento e/o si fa un ricorso molto limitato agli additivi.

ADDITIVI ALIMENTARI: “Qualsiasi sostanza, normalmente non consumata come alimento in quanto tale e non utilizzata come ingrediente tipico degli alimenti, indipendentemente dal fatto di avere un valore nutritivo, aggiunta intenzionalmente ai prodotti alimentari per un fine tecnologico nelle fasi di produzione, trasformazione, di preparazione, di trattamento, di imballaggio, di trasporto o immagazzinaggio degli alimenti, che si possa ragionevolmente presumere diventi, essa stessa o i suoi derivati, un componente di tali alimenti direttamente o indirettamente” (antimicrobici, antiossidanti, coloranti, aromatizzanti, emulsionanti, stabilizzanti, addensanti, gelificanti ecc.).

COADIUVANTI TECNOLOGICI: “Una sostanza che non viene consumata come ingrediente alimentare in sé, che è volontariamente utilizzata nella trasformazione di materie prime, prodotti alimentari o loro ingredienti, per rispettare un determinato obiettivo tecnologico in fase di lavorazione o trasformazione che può dare luogo alla presenza, non intenzionale ma tecnicamente inevitabile, di residui di tale sostanza o di suoi derivati nel prodotto finito a condizione che questi residui non costituiscono un rischio per la salute e non abbiano effetti tecnologici sul prodotto finito” (chiarificanti, filtranti ecc.).

Filtrazione

FILTRAZIONE: separazione di una fase dispersa (particelle solide), da un fluido (liquido o gas) che costituisce la fase continua.

Limite filtrazione = 0,1 μm (1 μm = 10^-6 m).

Ultrafiltrazione e O. I. < 0,1 μm (dispersioni colloidali, molecole, ioni).

Efficienza di ritenzione = percentuale di particelle di una data dimensione che un mezzo filtrante riesce ad asportare dal fluido che lo attraversa.

Capacità di ritenzione = quantità di solidi sospesi che un mezzo filtrante può trattenere prima che sia necessaria la sua sostituzione o rigenerazione a causa della riduzione di permeabilità sotto i limiti della convenienza.

Le membrane hanno una bassa capacità di ritenzione.

Equazione di Darcy

EQUAZIONE DI DARCY: Q = portata = dv/dt; p = pressione; K = permeabilità specifica differenziale; A = superficie mezzo; l = spessore mezzo filtrante; μ = viscosità fluida.

Equazione filtrazione con deposito: K = L/k = resistenza specifica del mezzo filtrante; R_d = resistenza specifica del deposito; R_d varia nel tempo aumentando con l’aumentare dello spessore del deposito.

Telai filtranti

I telai hanno la funzione di sostenere. Il telaio è un materiale inerte che ha uno spessore, non è uno spessore compatto di materiale plastico, all'interno ha una camera vuota dove all'interno passa il liquido. Come si fa a fare arrivare il liquido? Con gli anelli, messi uno affianco, si crea una condotta. Il torbido grazie alla condotta riempie dentro. Gli anelli hanno ad alternanza un taglio, ferritura, e dove si ha il taglio il liquido entra riempiendo la camera.

Il liquido torbido all'interno della camera esce dai fori passando per un telaio filtrante. E così via via, il liquido non è più torbido ma è limpido. La parte rossa è il liquido torbido e le camere gialle creano una condotta di liquido limpido, viene poi raccolto per andare nella vasca di stoccaggio.

Classificazione dei filtri

• Funzionamento: continui o discontinui
• Caratteristiche mezzo filtrante: massa filtrante, cartoni filtranti, tela e membrana

Effetto Tyndall: particelle disperse in una soluzione, aventi indice di rifrazione diverso da quello del liquido, provocano la diffusione della luce.

Il disco ha nella parte superiore un'apertura. Entra il liquido coadiuvante e esce, esce il liquido limpido che però lo faccio passare nella vasca più volte.

Il liquido deposita il coadiuvante, capisco che il materiale filtrante si è depositato. Si ha quindi una filtrazione sia di superficie che di profondità.

Mi dà modo di utilizzarlo di più rispetto al feltro di cartone. Un altro vantaggio è che nel primo tipo di feltro “a pressa” il liquido comunque un po’ esce, è un'operazione meno pulita.

Questo invece ha un coperchio in alto e si ha solo una guarnizione perché al contrario del primo serve anche meno pulizia da fare.

Nastro pressa

NASTRO PRESSA: è una apparecchiatura che lavora in continuo costituita da due bande di tela filtrante messe in moto da una serie di rulli. La distanza tra le due serie di rulli, relativamente grande nella zona di alimentazione, si va sempre più riducendo, in maniera da obbligare il liquido ad attraversare la tela filtrante.

Alla fine del percorso il solido cade, aiutato da una apposita lama che ne facilita il distacco dalla tela. Quindi viene raccolto e successivamente smaltito.

Filtro sottovuoto

VANTAGGI DEL FILTRO SOTTOVUOTO: funzionamento continuo, superficie filtrante esterna e variazione dello spessore del deposito in funzione della velocità di avanzamento.

SVANTAGGI DEL FILTRO SOTTOVUOTO: costo per la produzione del vuoto, costruzione complessa e non è possibile operare sotto battente di gas inerte.

Coadiuvanti di filtrazione

COADIUVANTI DI FILTRAZIONE: materiali finemente suddivisi, chimicamente inerti, che rendono incomprimibile il deposito anche in presenza di un parere e colmatanti.

L'uso dei coadiuvanti è limitato ai casi in cui ciò che interessa ottenere è il liquido limpido, mentre i solidi sospesi non hanno alcun valore.

Requisiti sono:

• Formare un deposito poroso
• Superficie specifica del prodotto
• Alta rigidità
• Granulometria uniforme

Coadiuvanti di filtrazione:

• Fauna fossile
• Perlite
• Cellulosa
• Amianto
• Vermiculite
• Materiali plastici

Membrane filtranti

• Tipici filtri di superficie, come ad esempio le membrane che però hanno una porosità ridotta e sono quindi in grado di agire su determinati batteri. Sono fogli con microfori.
• Elevata efficienza di ritenzione alle più basse porosità
• Adatte per filtrazioni sterilizzanti
• Foglio microporoso da gelificazione di polimeri
• La tecnica di fabbricazione permette la regolazione media di pori
• Foratura mediante radiazioni di un film di policarbonato

Le membrane essendo riutilizzabili devono essere lavate e mantenute in modo corretto.

MICROPOROSE: i pori sono dovuti alla evaporazione del solvente per la fabbricazione del polimero.

NUCLEOPOROSE: i pori sono ottenuti con l’impiego di radiazioni.

MICROFIBROSE: ottenute da microfibre di materiali diversi, come polimeri, vetro, legate da resine inerti.

1. Microfiltrazione, i pori sono così piccoli che il materiale non passa se non è una soluzione.
2. Ultrafiltrazione, possiamo agire sia sulle soluzioni che sulle sospensioni.
3. Osmosi inversa, il liquido fluisce e in teoria passa solamente la soluzione. Il fluido fluisce attraverso la struttura del polimero. Utilizzate nelle acque marine per purificarle.
4. Elettrodialisi.

Ultrafiltrazione → separazione a livello molecolare e ionico.

Osmosi inversa → molecolare e ionico.

Sono filtrazioni di superficie limitate da fenomeni di colmaggio superficiale.

Osmosi diretta

OSMOSI DIRETTA: l’osmosi è quel fenomeno per cui si assiste al movimento di acqua da una soluzione meno concentrata a una soluzione più concentrata, attraverso una membrana semipermeabile. Per semipermeabile si intende una membrana che permette il passaggio del solvente, per esempio l’acqua, ma non di determinati soluti, per esempio zuccheri e proteine.

Osmosi inversa

OSMOSI INVERSA: applicando nel comparto della soluzione a maggior concentrazione una pressione superiore a quella osmotica, il processo si inverte dando luogo al fenomeno dell’osmosi inversa. In questo caso le molecole di acqua passano attraverso la membrana, mentre le molecole dei sali vengono respinte.

Vengono altresì respinte le molecole organiche e nella quasi totalità le cariche microbiche.

Nell'osmosi inversa l'elemento filtrante è la membrana semipermeabile.

• Vantaggi: concentrazione su succhi, estratti e soluzioni a temperatura inversa
• Permeabilità: quantità di acqua separata nell'unità di tempo e per unità di superficie
• Ritenuto: ciò che ottieni è un concentrato
• Acqua: permeato

Sanitizzazione e sterilizzazione di sistemi per microfiltrazione

SANITIZZAZIONE E STERILIZZAZIONE DI SISTEMI PER MICROFILTRAZIONE: vanno seguite le indicazioni del fornitore per ciascun tipo di sistema microfiltrante. Si possono usare:

• Vapore: vapore fluente o sotto pressione
• Acqua calda
• Agenti chimici: ossidanti o denaturanti

Ultrafiltrazione

ULTRAFILTRAZIONE: processo che è in grado di rinnovare dall'acqua particelle con diametro fino a 5×10^-3 μm con un meccanismo a setaccio.

Le membrane per ultrafiltrazione possono essere di 2 tipi:

• Membrane tubolari
• Membrane a foglio

Polarizzazione in osmosi inversa e ultrafiltrazione

POLARIZZAZIONE in osmosi inversa e ultrafiltrazione:

• Membrane da 1,2 μm per la ritenzione di lieviti
• Membrane da 0,65 ÷ 0,45 μm per ritenere lieviti e batteri
• Resa teorica = 1.440 L/h per una cartuccia di 1,8 m² (ø 30 pollici)
• Per alimentare una imbottigliatrice da 3.000 bott./h occorrono tre cartucce da 1,8 m² ciascuna.

Tipologia di membrane sintetiche:

• Poliammide
• Polivinilidene
• Polipropilene
• Fibra di vetro
• Minerali in ceramica
• Estere di cellulosa

Elettrodialisi

ELETTRODIALISI: tecnica di separazione che sfrutta quale driving-force un campo elettrico che opera all’interno di un sistema di membrane. Le membrane utilizzate sono di tipo selettivo, non hanno dunque una vera funzione di filtrazione, ma servono solamente per separare gli ioni contenuti e ad isolare gli elettrodi utilizzati per creare il campo magnetico.

Le membrane semipermeabili sono polielettroliti e sono definite cationiche se caricate negativamente, anioniche se caricate positivamente. Le cationiche sono sulfonati di polistirene, le anioniche polistirene con ammina quaternaria.

Sedimentazione

SEDIMENTAZIONE: ci si serve di separare il materiale in sospensione in base al diametro, differenza di densità e gravità delle particelle. Per le particelle finissime il processo di sedimentazione è estremamente lento.