Operazioni Unitarie

Operazioni unitarie

Lezione del 02/03/2021

Tecnologia alimentare: studio dei processi di conservazione e trasformazione dei prodotti alimentari, ha inizio con la raccolta delle materie prime e termina con la vendita del prodotto finito al consumatore.

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

• Materie prime alimentari: prodotti ottenuti dall’attività di produzione primaria (agricoltura, allevamento, pesca, eccetera) e destinate 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 manipolazione trasformazione.
• Prodotti intermedi o semilavorati: tutti i prodotti derivati da manipolazione e trasformazione delle materie prime, ma non ancora diventati prodotti finiti. 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 tale del commercio o al consumo.

Filiera alimentare: Produzione primaria (produzione agricola, allevamento, raccolta, cernita, condizionamento) Materia prima ➔ alimentare (magazzinaggio, trasporto, prima trasformazione) ➔ Prodotti di prima trasformazione/semilavorati (magazzinaggio, trasporto, seconda trasformazione) ➔ Prodotti di seconda trasformazione/Prodotti finiti (magazzinaggio, trasporto, commercializzazione, conservazione e preparazione domestica, consumo).

Processo (tecnologico): l'insieme di operazioni, materiali, attività, sistemi di controllo che vengono messi in atto per trasformare un input in output, cioè, nella logica aziendale, le materie prime in prodotti finiti.

Operazioni unitarie

Operazione unitaria (prima definizione): Fase elementare di un processo tecnologico. 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).

Operazioni unitarie (seconda definizione): Operazione tecnologica basata sui 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 dal materiale trattato, ma possono essere definiti in maniera indifferenziata (unitaria) qualunque sia il settore e il materiale di applicazione dell’operazione. Esempio: la sterilizzazione è uguale sia nel latte che nella carne, che nella conserva di pomodoro che in una bevanda, eccetera.

Flow-Sheet (Diagramma di Flusso): è la rappresentazione grafica di un processo, definito come una sequenza di operazioni unitarie ordinate nel senso dei flussi materiali e/o temporali. Il flow-sheet può essere disegnato seguendo diverse convenzioni grafiche, è tuttavia opportuno utilizzare una simbologia unificata. La simbologia per la schematizzazione dei diagrammi di flusso secondo la norma UNI è: rettangolo per indicare l'operazione, rombo per indicare il punto decisionale, quadrato per indicare il semilavorato, triangolo per indicare un sottoprodotto o uno scarto di lavorazione, freccia per indicare la direzione di flusso, ovale per indicare materie prime e prodotto finito. È possibile presentare un diagramma di flusso anche in altre forme, includenti elementi iconici ovvero disegni che evidenziano, ad esempio, il tipo di attrezzatura impiegata nelle diverse operazioni.

Scopo delle tecnologie alimentari

• Garantire la sicurezza (prerequisito)
• Garantire la qualità nutrizionale (prerequisito)
• Aumentare la conservabilità
• Migliorare l'appetibilità
• Migliora la comodità d'uso o convenience
• Assicurare l'economicità

Abbiamo diversi tipi di tecnologie alimentari:

• 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 fino al consumo.
• Tecnologie di trasformazione: hanno lo scopo di modificare le caratteristiche strutturali, geometriche, 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.

Classificazione dei prodotti alimentari

• Prodotti freschi o simil freschi (carne, pesce, latte pastorizzato, uova, eccetera).
• Conserve e semi conserve (pomodori pelati, piselli surgelati, prugne essiccate, eccetera).
• Prodotti di prima trasformazione (vino, formaggi, burro, succhi di frutta, eccetera).
• Ingredienti (farina, olio, zucchero, latte in polvere, eccetera).
• Prodotti di seconda trasformazione (pane, pasta, prodotti dolciari, bibite analcoliche, liquori, eccetera).

Studio delle operazioni unitarie

Lo studio delle operazioni unitarie seguirà sempre questa successione di argomenti:

• Definizione dell'operazione unitaria, saranno individuati gli obiettivi dell'operazione, sarà dato qualche esempio di inserimento dell'operazione nei processi della tecnologia alimentare.
• Modello fenomenologico dell'operazione, descrizione in termini essenziali generali dei fenomeni alla base dell’operazione.
• Modello matematico dell'operazione, relativo a bilanci materiali, bilanci energetici e relazioni cinetiche.
• Descrizione degli impianti principali in forma schematica.
• Criteri di ottimizzazione.

Definizioni

Grandezza: utilizzata per designare la quantità fisica considerata (tempo, massa, distanza).

Unità di misura: utilizzata per designare la grandezza o estensione della quantità fisica considerata. Noi usiamo Sistema Internazionale SI.

Grandezze/Unità di base o fondamentali: le unità che sono dimensionalmente indipendenti. Sono utilizzate per designare unicamente una dimensione.

Grandezze/Unità derivate: la maggior parte delle grandezze derivate sono una moltiplicazione o un rapporto di grandezze fondamentali. Un esempio è l’unità di forza, che include le grandezze di massa, lunghezza e tempo.

Proprietà estensive: dipendono dalla grandezza del sistema: massa, lunghezza, volume ed energia.

Proprietà intensive: non dipendono dalla grandezza del sistema, spesso si ottengono dividendo tra loro due proprietà estensive: temperatura, viscosità, densità, concentrazione, pressione, conducibilità termica. I fenomeni di trasporto sono determinati da differenze nelle grandezze intensive.

Il trasporto di calore si genera per differenza di temperatura che è una grandezza intensiva. La velocità di scambio dipende dalla differenza tra le grandezze intensive e da un fattore cinetico che indica la facilità/difficoltà dello scambio. In questo caso il fattore cinetico è la conducibilità termica.

Trasporto di massa: dovuto a scambio di materia, proprietà intensiva all’equilibrio è la concentrazione, e il fattore cinetico è la diffusività materiale.

Trasporto di quantità di moto: dovuto a scambio di moto, proprietà intensiva all’equilibrio è velocità e il fattore cinetico è la viscosità.

Costanti da conoscere a memoria

• Accelerazione di gravità g: 9,81 m/s²
• Costante dei gas R: 8,314 J/(mol K)
• Densità dell’acqua: 1000 kg/m³
• 1 Atmosfera: 101300 Pascal (Pa: N/m²)
• Densità del mercurio: 13600 kg/m³
• 1 caloria: 4187 J

Densità: massa per unità di volume, UM: kg/m³. La densità di una sostanza può essere divisa per la densità dell’acqua per ottenere la densità relativa. Tre diverse espressioni della densità per i prodotti alimentari: densità del solido, densità delle particelle e densità di massa o densità apparente. Se le porosità non vengono considerate, la densità del solido della maggior parte dei prodotti alimentari è 1400-1600 kg/m³ ad eccezione delle matrici ricche di grasso o ad alto tenore salino.

Lezione del 23/03/2021

Sistema e stato di un sistema

• Sistema isolato: non scambia né materia né energia; la sua massa totale e la sua energia totale rimangono invariati
• Sistema chiuso: non scambia materia con l’esterno ma può scambiare calore e lavoro
• Sistema aperto: può scambiare sia materia che energia
• Sistema adiabatico: aperto o chiuso, non scambia calore
• Sistema isotermico: la temperatura del sistema resta costante
• Regime o stato stazionario: un sistema è detto così se le proprietà che lo definiscono non cambiano in funzione del tempo
• Regime o stato non stazionario o transitorio: se le caratteristiche cambiano in funzione del tempo. Le proprietà o grandezze cui ci riferiamo sono meccaniche o termodinamiche.
• Continuo: un sistema è detto così se i flussi materiali di entrata e di uscita sono continui. Un sistema continuo di norma opera in regime stazionario.
• Discontinuo o batch: un sistema è detto così se viene alimentato e scaricato con discontinuità. Un sistema discontinuo opera in regime non stazionario.

Vantaggi dei processi/operazioni continui

• Sono eliminate le fasi di carico/scarico e sono ridotti i tempi morti
• L’energia è meglio utilizzata
• La composizione dei prodotti è più uniforme
• È possibile automatizzare le operazioni, riducendo i costi di manodopera

Svantaggi dei processi/operazioni continui

• Le materie prime devono presentare composizione uniforme ed 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.

Bilanci materiali

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.

Massa tot in = massa tot out + massa tot accumulata

Materie prime = prodotto finale + sottoprodotti + materiale accumulato. Se non avvengono modificazioni chimiche, la legge di conservazione di massa si applica ai singoli componenti materiali.

Massa a in = massa a out + massa a accumulata

Massa b in = massa b out + massa b accumulata, eccetera.

Grandezze in gioco nei bilanci di massa

• Massa
• Portata in massa
• Volume
• Portata in volume
• Concentrazione p/v
• Concentrazione p/p
• Frazione in massa
• Concentrazione molare
• Frazione molare

Frazione di massa: nei bilanci materiali è particolarmente utile, se si moltiplica la massa totale per la frazione di massa di un dato componente si ottiene la massa del componente considerato: m a = pm * x a , m b = m * x b , m = V *

Umidità: quantità di acqua presente in una matrice. Massa di acqua/massa di campione umido. Oppure Massa di acqua/massa di sostanza secca.

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

• Separazione: tipicamente una corrente di materiali entra e due o più escono dall’operazione. M1 = M2 + M3 , M1x1 = M2x2 + M3x3
• Miscelazione: due o più correnti entrano ed una esce. M1 + M2 = M3 , M1x1 + M2x2= M3x3
• Trasporto di materia: due correnti entrano e due escono, mentre alcuni componenti sono trasferiti da una corrente all'altra. M1 + M2 = M3 + M4 , M1x1 + M2x2 = M3x3 + M4x4
• Trasporto di calore: due correnti entrano e due escono, mentre nessun componente è trasferito da una corrente all'altra. M1 = M3 ; M2 = M4 , M1x1 = M3x3 ; M2x2 = M4x4

Procedura per risoluzione bilanci di massa

1. Fare lo schema del processo indicando i flussi in entrata e in uscita oppure iniziale e finale.
2. Fissare la quantità di base per i calcoli: portata in ingresso? Portata in uscita? Massa Totale? Massa di un componente? Se la massa o la portata non sono date, adottare un valore opportuno: 1 kg? 100 kg?
3. Porre e risolvere le equazioni di bilancio impostando tante equazioni quante sono le incognite.

Lezione del 09/03/2021

Bilanci di entalpia

Tra le varie forme di energia quella che interessa più spesso le operazioni unitarie è il calore. Le grandezze in gioco nei bilanci di calore sono:

• Temperatura: indicata con theta, T (°C) o T (°K). La temperatura è una proprietà intensiva della materia, non dipende cioè dalla massa e può essere misurata in un punto.
• Calore o flusso di calore: indicati con q (Q) o q° (Q°). Il calore si misura in J mentre il flusso di calore si misura in J/s (W). È detto sensibile se il suo trasporto è associato ad una variazione di T. È detto latente se il suo trasporto è associato ad un cambiamento di fase, che avviene a T costante. Ad esempio, il calore latente di fusione nel passaggio da solido a liquido o da liquido a vapore. A parità di Pressione il calore latente di fusione è uguale a quello di solidificazione, il calore latente di vaporizzazione è uguale al calore latente di condensazione.

Temperatura: il più usato è il °C che corrisponde a 1 K, 0,8°R e 1,8°F. Da C a K aggiungiamo 273. Da C a F moltiplicare per 9, dividere per 5 e aggiungere 32. Da F a C sottrarre 32, moltiplicare per 5 e dividere per 9.

Calore specifico: è la quantità di calore necessaria ad innalzare di 1 ° l'unità di massa di un corpo. Si indica con il simbolo Cp e si misura in J/kg K o J/kg C. In altre parole, è la differenza di entalpia di una massa unitaria di un corpo per una differenza di temperatura di 1 °. Un'altra unità di misura del calore è la cal o kcal. 1 cal è definita come la quantità di energia necessaria per innalzare di 1 ° una massa di acqua pari a 1 g. La kcal è la quantità di calore necessaria ad innalzare di 1 ° una massa di acqua pari a 1 kg. cal: 4,187 J kcal: 4187. Cp specifico dell’acqua è circa 4187 J/kg C. Per i prodotti alimentari, si considera generalmente un valore medio di calore specifico dei solidi pari a 1672 J/kg C o J/kg K.

Entalpia H: nelle trasformazioni a pressione costante, molto frequenti nei processi della tecnologia alimentare, la variazione di entalpia corrisponde alla variazione della quantità di calore e l'entalpia viene semplicemente chiamata quantità di calore. L'entalpia è dunque la misura del contenuto di energia termica di un corpo, ed è una grandezza estensiva che si indica con il simbolo H. I termini contenuto termico o quantità di calore sono utilizzati come sinonimi di entalpia. L'entalpia è una proprietà dei corpi, funzione del calore specifico e della temperatura, il cui valore si misura rispetto a un livello di riferimento, ovvero lo zero assoluto 0 K. L’Entalpia dell’acqua a 0°C è 0. Si definisce vapore saturo il vapore alla T e pressione di ebollizione. L’entalpia del liquido si calcola moltiplicando T per Cp. Es: T= 3°C e Cp: 4,187 KJ/kg°C H= 12,57 KJ/kg.

Bilanci di Entalpia: si basano sulla legge di conservazione dell’energia, cioè sull’assunto che in un sistema adiabatico, l’energia entrante è uguale all’energia uscente, ovvero che l’energia iniziale è uguale all’energia finale. Il trasporto di calore costituisce un fenomeno molto importante nella tecnologia alimentare. Stiamo parlando di riscaldamento/raffreddamento che sono alla base o intervengono in molte operazioni unitarie:

• Nelle operazioni di evaporazione, essiccamento, distillazione occorre fornire il calore latente di evaporazione
• Nella liofilizzazione occorre fornire il calore latente di sublimazione.
• Nella pastorizzazione, sterilizzazione, blanching, cottura: occorre fornire calore sensibile fino a raggiungere la T necessaria a determinare l’inattivazione di MO ed enzimi, la coagulazione delle proteine, la gelificazione dell’amido, l’imbrunimento, ecc.
• Nel congelamento e nella surgelazione occorre sottrarre il calore di solidificazione dell’acqua, nonché il calore sensibile per raggiungere e mantenere le opportune T.
• Nella cristallizzazione occorre sottrarre il calore di dissoluzione.

Perché ci sia trasporto di calore ci deve essere differenza di T. L’energia termica ceduta da un sistema deve essere uguale a quella ricevuta dall’altro. Il calore passa dal corpo più caldo a quello più freddo. 3 tipi di trasmissione del calore: conduzione, convezione, irraggiamento.

Conduzione

Abbiamo due tipi di processi di scambio per conduzione: processi stazionari (tutte le grandezze fisiche non dipendono dal tempo) e processi non stazionari o transitori (al contrario i processi transitori implicano variazioni temporali che inte...