Operazioni unitarie

Francesca Nasatti operazioni unitarie

Organizzazione filiera alimentare

Ogni azienda è specializzata in una parte della produzione.

• Input: materia prima
• Output: prodotto finito

Operazione unitaria

Le leggi che la regolano sono generali, non dipendono dal prodotto o dal processo (es. legge del trasporto di calore per conduzione). La legge generale si applica poi al sistema in esame (la legge contiene parametri specifici).

Scopo delle tecnologie alimentari

Garantire la sicurezza e la qualità nutrizionale sono prerequisiti fondamentali. Non possono essere percepiti dal consumatore. Il resto degli obiettivi sono giudicabili dal consumatore. Queste caratteristiche possono essere modulate attraverso i processi delle tecnologie alimentari.

Classificazione delle tecnologie alimentari

Il compito del tecnologo è quello di ottimizzare la tecnologia e minimizzare le modificazioni che comporta qualsiasi trasformazione. Molto spesso si hanno in una tecnologia due effetti combinati (es. essiccamento --> il prodotto diventa stabile ma è stato anche modificato, se non c'è acqua il prodotto alimentare diventa stabile).

Conservazione

• A breve termine: Impattano poco sul prodotto ma danno una conservazione a breve termine (conservazione mild, es microfiltrazione, sottovuoto, si modifica l'atmosfera a contatto con il prodotto). Di solito è combinata alla refrigerazione per avere un effetto sinergico che fa aumentare la shelf-life del prodotto.
• A lungo termine: l'impatto della tecnologia è più severo ma la conservabilità ottenuta è maggiore.

Trasformazione

• Frazionamento: es. gli sfarinati sono ottenuti dal frazionamento. Significa separare frazioni diverse della materiali prima e purificarle dalle altre per ottenere un prodotto omogeneo. Anche il burro (separazione della sostanza grassa del latte), gli oli (es. spremitura delle olive, poi separazione olio dall'acqua).
• Combinazione: miscelare (inverso del frazionamento), testurizzare (dare struttura e reologia diversa). Esempio: maionese, pasta.

Trasformazioni chimiche

• Conserve e semiconserve sono prodotti trattati in modo da diventare conservabili.

Ottimizzazione

Raggiungere l'obiettivo minimizzando gli effetti collaterali e massimizzando l'efficienza dell'operazione (ottimizzazione economica).

Relazione cinetica

C'è il tempo, è espresso in J/s. U dice quanto tempo ci vuole, contiene la variabile cinetica (U alto scambio veloce, U basso scambio lento). Per aumentare lo scambio di calore faccio la piastra il più sottile possibile (deve comunque reggere le flessioni), ma deve essere di acciaio. Inoltre gioco sulla turbolenza del fluido, rendo il moto turbolento aumentando la velocità del flusso con una pompa. Inoltre le piastre sono rugose per aumentare la turbolenza ma anche la resistenza.

Bilanci di materia

Stato stazionario: in ciascun punto del sistema i parametri che lo caratterizzano sono costanti (sono uguali in ciascun punto ma, ad es., in uno scambiatore la temperatura all'ingresso è diversa da quella all'uscita).

Su un sistema continuo è facile operare il controllo automatizzato: è possibile tenere sotto controllo le variabili (con termometri, flussimetri, manometri). In un sistema batch è più difficile.

Tempi morti: lavaggio, carico, scarico, resettaggio dell'impianto. Essi sono ridotti quindi c'è anche un risparmio energetico.

Il costo maggiore di questi impianti è ammortizzato dalla aumentata produttività. Massa totale accumulata: massa che rimane nel sistema. Può avvenire nei sistemi batch (non si riesce a svuotare del tutto l'impianto). Non si ha questo problema nei sistemi continui.

Nei succhi di frutta o comunque succhi di origine vegetale la frazione dei solidi rappresenta, in pratica, quanti zuccheri ci sono (parte solida in soluzione).

Umidità

L'umidità sulla sostanza secca è anche detta umidità assoluta. Si usa la sostanza secca quando ci si rapporta a prodotti la cui umidità cambia --> ragiono sul secco perché il secco non cambia.

Bilanci di entalpia

Un chilo di ghiaccio, a 0°C, ha un contenuto di entalpia inferiore a quello dell'acqua (sempre un chilo a 0°C). Questa differenza è proprio il calore latente di fusione (l'entalpia dell'acqua è più grande di quella del ghiaccio di questo valore). Lo stesso vale tra acqua e vapore. Ci devono essere le stesse condizioni.

Lambda: calore latente. Il calore latente di fusione è uguale al calore latente di solidificazione e il calore latente di vaporizzazione è uguale al calore latente di condensazione (nelle stesse condizioni).

Tabella del vapore: dati termo-fisici dell'acqua in equilibrio con il suo vapore saturo (acqua e vapore nelle condizioni di T e p a cui corrisponde il cambiamento di stato).

Ebollizione

Momento in cui il liquido e il vapore sono in equilibrio. Il vapore saturo è il vapore nelle condizioni del suo cambiamento di stato (equilibrio tra T e p).

Il vapore, essendo un gas, è molto comprimibile, quindi il suo volume specifico varia molto con la pressione. L'entalpia del vapore saturo è l'entalpia del liquido + il calore latente di evaporazione (lambda). Quest'ultimo diminuisce all'aumentare della T (se la T aumenta le molecole hanno più energia interna, si muovono di più, quindi è meno difficile portarle dallo stato liquido - in cui sono legate - allo stato vapore - in cui sono slegate), mentre i valori di entalpia aumentano all'aumentare della T. Il deltaT medio logaritmico non si calcola quando c'è un passaggio di stato perché è uguale in entrata e in uscita.

Curva di ebollizione

La relazione tra deltaT e q non è lineare perché h non è costante. Si ha una curva di ebollizione, detta curva di Nukiyama. È in scala logaritmica. Una piccola differenza di T (5-10), provoca un grande aumento di flusso di calore --> ciò significa che h è aumentato tanto a causa della turbolenza creata dalle bolle che si staccano. Questo concetto è valido fino al punto C.

Riscaldando tanto la parete: più cedo calore, più l'acqua bolle, quindi più bolle di vapore si formano. Ad un certo punto di formano delle colonne di vapore (bolle attaccate), e poi un film di vapore: tutta la superficie della parete è rivestita da un film di vapore. La formazione delle colonne ha inizio nel punto D, da D ad E le colonne diventano un film. Continuo ad aumentare deltaT, ma a questo punto q diminuisce, ciò significa che h sta diminuendo. h diminuisce perché c'è meno turbolenza (formazione di colonne), ma soprattutto perché il film di vapore è come se fosse una resistenza al passaggio di calore (il vapore è un cattivo conduttore).

Continuando ad aumentare deltaT, q ricomincia ad aumentare. Come all'inizio, l'aumento è più che proporzionale all'aumento della differenza di T. In questo caso non c'entra h: la T della parete è molto alta (circa 900, sapendo che la Teb è 100), quindi si ha il fenomeno dell'irraggiamento e le onde elettromagnetiche passano bene attraverso il film di vapore. Per avere tanta ebollizione dobbiamo trasferire tanto calore, perché dobbiamo trasferire il calore latente necessario all'ebollizione (è una grossa quantità). Per cedere tanto calore (in poco tempo, si parla di efficienza) è più conveniente fornire vapore che condensa piuttosto che acqua calda che si raffredda. Questo perché il vapore condensante ha una buona conduttanza convettiva e cede il suo calore latente. Siccome per avere trasporto di calore deve esserci una deltaT, uso vapore condensante a 105°C per far bollire a 100°C. L'acqua, invece, cede il suo calore sensibile e si raffredda. Cede poco calore rispetto a quello che mi serve. --> serve un fluido di servizio che ceda tanto calore, cioè calore latente: vapore condensante.

Evaporazione

Il fluido (vapore) scorre in una conduttura, quindi ci sono perdite di carico --> scorrendo, il fluido perde pressione (a valle è più bassa che a monte). La conduttura è corta per minimizzare le perdite di carico, perché voglio che la pressione nell'evaporatore sia bassa. Per lo stesso motivo, la sezione della conduttura è larga (più è larga, minore è la velocità, minori sono le perdite di carico). Il vapore che si forma sale perché è aspirato dalla pompa da vuoto (risale in modo rapido). Non sale per gravità. Perché si estrae la condensa? Siccome la pressione esterna (patm) è maggiore di quella interna, bisogna aspirare da fuori la condensa, altrimenti sarebbe l'aria ad essere risucchiata all'interno.

Il fluido non può andare dal vuoto (parziale) alla patm, bisogna fare il salto di pressione, equilibrarla attraverso una pompa o una colonna idrostatica. Per la stessa ragione viene estratto il concentrato. Il singolo passaggio è fattibile quando si deve concentrare poco. Dal flusso di calore che posso fornire dipende il flusso di vapore che posso generare (mvapor dipende da q). Il flusso di vapore dipende dal calore scambiato, quindi dall'efficienza e dalle dimensioni dello scambiatore di calore.

Evaporazione con ricircolo

Con ricircolo del prodotto da concentrare: il concentrato viene in parte scaricato e in parte miscelato al succo grezzo, quindi diluito. Il feed ha una concentrazione intermedia tra succo fresco e succo concentrato. Si ripete fino ad ottenere la concentrazione desiderata.

Bilanci di entalpia

Lo steam cede lambda. Il calore ceduto dallo steam è la differenza di entalpia tra steam e condensa, che sono alla stessa T (ms x lambdas). Il concentrato è alla T di ebollizione: se quella è il riferimento, la sua entalpia vale zero. (H liquido). L'entalpia del vapore, che è alla Teb, la leggo sulla tabella del vapore. Il vapore contiene lambda, quindi la sua H non è zero: l'H di un vapor che si trova alla T di riferimento, è esattamente il lambda a quella T. (guarda esempio a T=0 sulla tabella).

Il calore ceduto (ms x lambdas) è uguale al calore acquistato dal prodotto (Mf x cpf x deltaT) + calore latente necessario per evaporare il vapor (mv x lambdav). Mf x cpf x deltaT è la quantità di calore sensibile necessaria a riscaldare il feed. Una volta riscaldato alla Teb, voglio farlo bollire, voglio evaporare: il calore che serve per evaporare un solvente che è già alla Teb e farlo diventare vapore alla stessa T è lambda. Lambdas è alla T dello steam. Lambdav è alla Teb.

Evaporazione flash

Con questo tipo di evaporazione non si hanno elevate capacità evaporative perché viene ceduto calore sensibile (piccolo) ma acquistato calore latente (grande) --> a spese del calore sensibile ceduto dal prodotto si ricavano pochi kg di vapore (per evaporare, il vapore ha bisogno del calore latente). --> ha delle applicazioni particolari, si usa quando bisogna evaporare poco e in determinate condizioni.

Bilancio di entalpia

• Nello scambiatore: il calore sensibile acquistato dal prodotto = calore ceduto dal fluido di servizio (in questo caso vapore di riscaldamento, ma potrebbe essere anche acqua).
• Teta valvola è la T di uscita dallo scambiatore di calore.
• Nel separatore: il prodotto perde calore sensibile e scende alla Teb. Il calore sensibile ceduto = calore latente di evaporazione acquistato dal vapore.

Evaporatori a multiplo effetto

Il circuito del prodotto ha una logica: ci sono valvole, miscelazioni, ecc. per mantenere delle portate opportune (la portata in ogni evaporatore diminuisce perché il prodotto che man mano si concentra è di meno di quello iniziale, mentre il vapore di evaporazione è sempre uguale)). L'economia migliora, si passa da un rapporto 1 a 1 (1 kg di steam per fare evaporare 1kg di acqua) a 1 a 3 (In questo caso), perché la quantità di steam iniziale è sempre la stessa, ma si alimentano 3 evaporatori. Di solito gli effetti sono 3, è il numero di effetti ottimale per un evaporatore. Uno dei vincoli è che il vapore deve essere pulito, e dato che proviene dal feed può contenere sostanze volatili che ci sono nel prodotto. Il vapore deve essere pulito se no può sporcare e corrodere le superfici dello scambiatore. Il vapore più sporco di tutti è il primo.

Termocompressione e compressione meccanica del vapore

Il vapore viene rimandato nello stesso effetto da dove è uscito. Siccome si trova alla T di ebollizione, bisogna aumentare la sua entalpia per poterlo riutilizzare come steam (se no non scambia calore).

• Compressione meccanica del vapore: è un sistema vantaggioso dal punto di vista economico se l'energia necessaria per alimentare il compressore è meno costosa della produzione di steam.
• Termocompressione: è un miscelatore, si miscela il vapore a bassa entalpia con un vapore ad alta entaplia (super steam) per ottenere un vapore a entalpia intermedia (steam).