Sistemi in Batch ed in continuo - Materiali per le industrie alimentari - sistema di trasporto pneumatico

Processi e tecniche nel settore alimentare

Domanda biochimica e chimica dell'ossigeno

(BOD e COD sono gli acronomi di Biochemical Oxygen Demand e Chemical Oxygen Demand. Quando si ha una soluzione con all'interno componenti che per reazioni di ossidazione tendono a consumare ossigeno, si riduce la quantità di ossigeno a disposizione nella soluzione. Se si immettono acque con un alto BOD e COD all'interno dei sistemi fognari, di profondità si va a ridurre la quantità di ossigeno presente in corrente con risultato di accoppare tutti gli esseri viventi. Quello che si fa oggi è utilizzare sistemi a membrana di concentrazione che separano la parte problematica dall'acqua, quindi si smaltisce una quantità di reflui minore).

Microincapsulazione

Microincapsulazione serve a produrre delle microcapsule (micro sta all'ordine del settore alimentare dai 30µ in su, perché tutto quello che è più piccolo di 40µ non si sente in bocca). Esempio componenti amarostici tipo estratti di Genziano che provocano un senso di sazietà, si incapsulano sotto i 40µ, dopodiché si incapsulano con dei polimeri enterici che a ph 3 rimangono solidi e a ph 8 si aprono. Passano nello stomaco resistendo all'ambiente acido, si aprono nell'intestino e rilasciano le componenti amarostiche che danno il senso di sazietà. Ma possono essere usate anche per trasportare le vitamine o i fermenti lattici (sono probiotici, mentre i prebiotici sono la pappa del fermento lattico).

Processi in batch e in continuo

Un sistema batch è un sistema in cui si ha una serie di operazioni unitarie che vengono svolte in sequenza. Dipende da cosa si sta facendo, se è semplicemente un'operazione meccanica, un’operazione di fermentazione o una distillazione. Nei processi in continuo si ha un in-fluo e un out-fluo delle materie prime e dei lavorati che è continuo; si mette tutto dentro, si fa una pre-miscelazione, compressione estrusione ecc.

Nella pasta si entra nel batch con la semola, si idrata, si manda in una pressa a vite, che serve a comprimere e a portare fino a 100-120 bar questa miscela che ca-polimerizza. La combinazione temperatura-pressione porta alla polimerizzazione, quindi da un materiale sgranato come la semola idratata si ottiene un fluido o liquido viscoso che viene fatto uscire dagli inserti a valle della campana di estrusione. Sotto c'è un canale che taglia con continuità e si ottiene la pasta che viene poi essiccata. Tutto ciò avviene in continuo, con impianti che producono dalle 4 alle 6 tonnellate/ora di pasta per singola trafila.

Un altro processo in continuo è la distillazione. La distillazione è un processo di separazione basato sulla temperatura di separazione del fluido; abbiamo una miscela di più fluidi dove uno bolle a temperature più alte e un altro a temperature più basse e lavorando a temperatura di ebollizione differenti si possono estrarre. Esistono delle colonne che servono per la distillazione in continuo in cui questa miscela viene introdotta, la parte più volatile va verso l'alto e poi viene estratta, mentre la parte meno volatile scende giù e viene recuperata.

(Fluido perfetto: fluido a viscosità nulla. La CO₂ supercritica si avvicina a un fluido perfetto, ha una bassa viscosità. Per esempio, nel caffè porta via la caffeina, perché quando si immette la CO₂ questa porta con sé una serie di molecole, quindi tramite la CO₂ supercritica si può estrarre la caffeina).

Sistemi discreti

I sistemi discreti invece, sono sistemi continui a batch. Per esempio, la macchina che guidiamo viene prodotta in continuo, cioè a pezzi. Si monta per esempio il motore, lo sterzo ecc., si va avanti e si montano le portiere ecc. e alla fine esce fuori la macchina. Nel settore alimentare un sistema discreto è quello in cui si aggiunge la granella ad un gelato (prodotto in continuo).

La produzione in continuo ha un problema: rispetto alla produzione in batch permette minori variazioni; gli impianti sono pensati per un certo tipo di prodotto, per esempio si può cambiare il colore o aggiungere degli ingredienti ma il margine di variazione non è elevato. Quindi quando si deve cambiare continuamente ricette si preferisce usare i sistemi in batch.

Nei sistemi in continuo il flusso dei materiali è continuo, cioè entra la materia prima ed esce il prodotto finito. Il funzionamento è instazionario, cioè quando si mette in funzione un impianto in continuo nella prima ora/ora e mezza quello che si produce si butta – In questo modo si ha una variazione continua di energia e quantità di moto e di materia. Il prodotto è uniforme nel tempo sia in termini di quantità che di qualità. La produzione viene interrotta solo per la pulizia e la manutenzione programmata.

(Il gelato è una schiuma fatta da aria (over ran—percentuale di aria che viene pompata all'intero del gelato), latte in polvere, quindi proteine e grassi, stabilizzanti, emulsionanti ecc. Dopo la produzione viene stabilizzato a -18°. Spesso nel trasporto capita che una volta caricato alla temperatura giusta, durante il viaggio si spegne il sistema di refrigerazione e si riaccende un quarto d'ora prima dell'arrivo in modo tale che la temperatura venga portata nuovamente a -18. In questo lasso di tempo il gelato potrebbe sciogliersi e ricongelarsi e quindi tutta l'aria all'interno è persa, quindi quando si mangia il gelato è duro.)

Vantaggi e svantaggi

Nei processi di tipo Batch le operazioni unitarie sono tutte sganciate, sono più facili da scalare, perché ad esempio se si vuole aumentare la produzione di un processo di miscelazione si possono usare tre miscelatori invece che due.

Per calcolare i costi di produzione preliminarmente c'è una scienza, che è la progettazione preliminare delle linee di produzione, in cui c'è una fase iniziale che prevede che si parta dal laboratorio, poi si passa ad una scala pilota (scala sufficientemente grande da riprodurre le problematiche industriali, ma sufficientemente piccola da minimizzare i costi iniziali, quindi è la minima scala rappresentativa delle problematiche che bisogna affrontare a livello industriale). In questa fase si usano i sistemi in batch, perché si riesce a lavorare con le singole operazioni unitarie, infatti sono vantaggiosi per la loro alta controllabilità.

Gli impianti in continuo si bloccano solo per la manutenzione, ed esistono vari tipi di manutenzione:

• Non periodica: quando l'impianto si rompe bisogna bloccare la produzione, perché la manutenzione non è stata fatta in tempo. Approccio sconsigliato
• Periodica: si fa ogni tot di tempo, ad esempio ogni 6 mesi si ferma l'impianto, si pulisce e si sostituiscono i componenti indipendentemente dall'usura. Di conseguenza porta a spendere di più.
• Predittiva: si introducono dei sensori (ad esempio di vibrazione o di consumi energetici) su tutto l'impianto, che permettono di capire quando nell'impianto sta per rompersi qualcosa. Con l'analisi dei consumi energetici a monte dell'impianto si mette un misuratore di potenza con il quale si può vedere quanta energia l'impianto assorbe. Quando c'è un aumento di energia significa che stanno crescendo le inefficienze, e questo significa che l'impianto ha qualcosa che non va.

Industria 4.0

Industria 4.0: approccio di produzione industriale in cui le macchine sono tutte interconnesse tra loro grazie ai sensori che dialogano con una centrale operativa. È un sistema di gestione e controllo che permette di gestire il processo in maniera unificata, e di implementare pratiche di manutenzione predittiva. Per fare questi impianti bisogna spendere di più prima, ma permettono di risparmiare dopo, perché è tutto automatizzato, quindi è necessario meno personale.

Esistono altri sistemi di manutenzione più avanzati, come ad esempio la realtà aumentata (HoloLens di Microsoft), in cui avviene la proiezione olografica di oggetti in trasparenza, e con essi gli operatori possono controllare vari parametri e fare una serie di operazioni con molta facilità.

Sistemi batch

Per definizione un sistema in Batch è un sistema in cui il materiale viene prodotto con una singola esecuzione, oppure è un'entità che rappresenta la produzione di un singolo materiale in un preciso punto del processo. È più facile variare le ricette con il processo in Batch invece che in continuo.

Diagramma di fase

Un sistema in batch può essere caratterizzato da 3 fasi: c'è una fase iniziale che dà l'ok al comando di esecuzione del processo (comando di bypass), che consente di capire se l'operazione deve essere effettuata oppure no, ed dà la possibilità di usufruire di più linee di esecuzione. Una linea di esecuzione consiste nel non effettuare il bypass e passare direttamente all'operazione, se invece bisogna effettuare il bypass si salta l'operazione e ci si posizione nella fase di attesa finale che è una fase di sincronizzazione, che, nel caso in cui si hanno più processi in batch che devono confluire il prodotto nell'operazione successiva, permette di regolare i tempi di produzione in base al processo in batch più lento. Successivamente se non deve essere effettuato il bypass si passa all'operazione, dalla quale o esce il prodotto, oppure se c'è qualcosa che non va si attiva il comando di aborto dell'operazione.

I processi in batch possono essere connessi tra loro in modo più o meno complicato:

• Single-path (traiettoria singola): vari processi in batch che sono collegati in successione
• Multi-path (traiettoria multipla): si ha un processo iniziale che poi viene suddiviso in vari sotto processi a traiettoria singola
• Network

Queste modalità di connessione dipendono dal prodotto da produrre. Quando si hanno molti prodotti il grado di complicazione è elevato, ed è possibile generare una matrice di complessità che varia in funzione del numero di prodotti da produrre e della configurazione della struttura di processo.

Vantaggi e svantaggi tra processi in batch e processi in continuo

• Grandezza (delle quantità): le economie di scala per grosse produzioni favoriscono i processi in continuo, perché il numero di attrezzature da mantenere è più basso, anche se sono più grandi. Spesso però nelle linee di produzione in continuo è prevista una minima ridondanza. Cioè in alcune operazioni unitarie (ad esempio con gli scambiatori di calore o con le pompe) nel tempo si ha uno sporcamento delle superfici, che corrisponde ad una riduzione della capacità, e devono essere mantenute pulite, quindi vengono utilizzati due scambiatori o due pompe, che funzionano uno alla volta per favorirne la pulizia alternata senza mai bloccare la produzione.
• Qualità del prodotto: i processi in continuo favoriscono la produzione di un prodotto più uniforme, perché i parametri di processo sono sempre uguali, e questo per la produzione di massa è fondamentale. Però i processi in batch, essendo separati tra loro, favoriscono un maggior controllo sulle operazioni intermedie.
• Sicurezza: i processi in continuo sono più sicuri perché ci sono meno passaggi che richiedono l'intervento umano.
• Efficienza energetica: a parità di quantità sono migliori i processi in continuo, perché ci sono meno attrezzature da far funzionare, e si ha un'efficienza maggiore, e si hanno consumi ridotti.
• Costi: I processi in continuo inizialmente costano di più.
• Flessibilità operazionale: i processi in batch sono molto più flessibili.
• Disponibilità delle materie prime: gli impianti in continuo sono più idonei alle produzioni non stagionali (anche se in alcuni casi possono lavorare con prodotti stagionali come ad esempio la produzione di olio o dei pelati per un risparmio energetico).
• Efficienza di prodotto: i processi in continuo sono più efficienti perché hanno un minor numero impianti intermedi.
• Manutenzione: è ridotta negli impianti in continuo perché il numero di macchine è minore, mentre il sistema in batch duplica gli impianti, quindi necessita maggior manutenzione.
• Velocità di reazione (reaction rate): se si hanno delle operazioni che richiedono delle cinetiche, i processi in continuo sono meno efficienti, perché se si deve mantenere per lungo tempo delle quantità ferme un impianto in continuo ha bisogno di un dimensionamento maggiore, e di conseguenza il costo dell'impianto ha un costo maggiore se si hanno cinetiche di reazione molto lente. (Il prodotto dell'area per la velocità è costante ed è la portata volumetrica, a parità di portata volumetrica, se si ha bisogno di una velocità più piccola perché il prodotto deve fermarsi per un certo periodo di tempo bisogna aumentare l’area, e questo significa aumentare le dimensioni di impianto)
• Pulizia (fouling): il sistema in batch è più facile da pulire perché le attrezzature sono separate tra loro, cosa che nel continuo è più difficile fare.

Materiali per le industrie alimentari

Per materiali utilizzati nel settore alimentare si intendono 2 famiglie di materiali:

• Materiali che vengono utilizzati nell'impiantistica e nei sistemi ausiliari
• Materiali che vengono utilizzati per il packaging

La transizione che viene spinta verso materiali biodegradabili sta aprendo una serie di problematiche che riguardano le caratteristiche di permeabilità ai gas e al vapore acqueo che la maggior parte dei materiali biodegradabili non ha (es. PLA acido polilattico), altri materiali hanno problematiche di rilascio (es. copoliesteri aromatici). Esempio: Nel settore del caffè c'è stato un problema. Un grosso produttore di caffè ha effettuato la transizione per le capsule verso il biodegradabile utilizzando dei copoliesteri. A valle della transizione il risultato è che queste capsule utilizzate per il caffè espresso rilasciavano una quantità di idrofurano (idrosolubile) superiore ai limiti di legge e ovviamente le capsule sono state ritirate dall'associazione dei produttori nel settore alimentare di confindustria.

In questo momento il trend è verso i materiali completamente riciclabili che verso i biodegradabili. Se si riuscisse a fare un materiale in polietilene o polipropilene è riciclabile perché non essendo una plastica mista può essere riutilizzata per lo stesso utilizzo. In realtà, non è così vero perché se si prende il propilene (i tappi delle bottiglie sono in polipropilene; all'interno dei tappi non c'è solo polipropilene ma anche dei master che servono a regolarne le caratteristiche termiche, dei coloranti per dare colore. Quando si recuperano bottiglie di shampoo, tappi di plastica, vasetti di yogurt, non si ha più il controllo su tutti i master che sono stati utilizzati e di conseguenza non possono essere riutilizzati nel settore alimentare a differenza del polipropilene puro, altrimenti ci posso essere delle problematiche di rilascio sull'alimento).

Da questo punto di vista le aziende cercano di ridurre i costi e sono attente alle problematiche ambientali. L'utilizzo di materiali riciclabili permette di mantenere le proprietà barriera. Quando un materiale è definito riciclabile o biodegradabile, all'interno dei parametri di legge è previsto un 5% di materiale che può non esserlo. Questo 5%, se il film è poliaccoppiato viene utilizzato per le colle che possono essere o non essere biodegradabili. C'è il problema dello stampaggio, si deve stampare sopra il packaging tutte le informazioni, colori ecc.., e in questo caso ci sono varie soluzioni: una potrebbe essere quella di utilizzare colori a base acqua, questo permette di ridurre i rischi durante la lavorazione perché non si utilizza l'acetato di etile e gli operai non devono respirarlo; la maggior parte dei colori a base di acqua hanno dei pigmenti che non sono a base di acqua. Alcune aziende stanno sviluppando colori a base acqua con pigmenti naturali (soluzione migliore per lo stampaggio sul packaging), l'inconveniente è che quando si sceglie dei colori ottenuti da fonti riciclabili non si riesce a ottenere tutta l'estensione dei colori pantone e quindi non si hanno a disposizione tutti i colori che si hanno quando si sceglie come stampare un packaging. Il packaging bio-attivo invece, è un packaging sulla cui superficie vengono posizionate delle molecole che possono svolgere un’attività antimicrobica.

Caratteristiche materiale da costruzione ottimale per l'industria alimentare

• Resistenza all'azione corrosiva che può essere quella degli alimenti o dei prodotti chimici utilizzati per la pulizia. Generalmente negli impianti a valle del processo di lavorazione si fa una pulizia con soda che serve alla disattivazione antimicrobica e poi una pulizia con acido per rimozione dei Sali o di tutto ciò che è rimasto all'interno delle tubazioni, delle pompe ecc… La pulizia viene effettuata con sistemi CIP (Cleaning in Place), ovvero gli impianti possono essere puliti senza smontare le varie parti.
• Finitura superficiale sufficientemente liscia. È molto importante perché la presenza di rugosità può generare l'accumulo di sporcizia che nel caso di materiali biologici porta alla contaminazione. Se si ha una superficie ruvida il materiale biologico rimane attaccato e il flusso all'interno della tubazione non è in grado di rimuoverlo, e quando per un lungo tempo rimangono in una certa posizione danno luogo a muffe che si possono formare.