Operazioni unitarie della tecnologia alimentare

Definizioni

Tecnologia alimentare

La tecnologia alimentare è lo studio dei processi di trasformazione e conservazione dei prodotti alimentari; inizia con la raccolta delle materie prime e termina con il consumo finale del prodotto finito.

Prodotto alimentare

Un prodotto alimentare è qualunque prodotto destinato alla consumazione alimentare. Con questo termine si possono indicare:

• Materie prime: ottenute dalla produzione primaria (allevamento, agricoltura, pesca, estrazione sale, sintesi chimica, ecc.) e destinate a subire trasformazioni per diventare alimenti. In ottica aziendale, è ciò che entra in un processo dall'esterno per subirvi manipolazioni e trasformazioni. Nella filiera sono le materie prime, nell'azienda è ciò che si compra per farlo diventare prodotto finito.
• Prodotti intermedi/semilavorati: sono nel mezzo del processo di produzione; hanno subito delle trasformazioni ma non sono ancora prodotti finiti.
• Prodotti finiti e alimenti: output ottenuti dalla trasformazione delle materie prime e destinati al commercio o al consumo.

In sintesi si può dire che: materia prima = ciò che entra; intermedio = in mezzo; prodotto = ciò che esce.

Processo tecnologico

Il processo tecnologico è una sequenza temporale di step di operazioni con un ordine preciso e una logica che vengono messe in atto per trasformare un input in output. Le linee di processo industriale sono linee chiuse, quindi la logica è molto importante per la razionalizzazione. Un processo può essere ampio o complesso a seconda dei passaggi.

Operazione: ciascuna parte/fase elementare del processo (non unitaria) es. riscaldamento, confezionamento.

Operazione unitaria: operazione tecnologica descrivibile con leggi/principi unitarie sempre uguali, ovvero le leggi fisiche che sono indipendenti dal tipo di prodotto di cui si sta parlando e quindi sono indipendenti dalla quantità, dal tipo di impianto, da quale fluido/combustibile si usa. Si parla in generale, indipendentemente dal tipo di prodotto, ed è applicabile a tutto in maniera indifferenziata.

Le operazioni unitarie possono essere classificate in base alla natura del fenomeno che ne condiziona lo svolgimento che può essere fisico/chimico/biologico: meccanica (es. molitura, confezionamento); trasporto di quantità di moto (agitazione, impastamento, pompaggio); trasporto di calore (riscaldamento, raffreddamento); trasporto di massa (saldatura, distillazione); reazioni chimiche, biochimiche e microbiologiche.

Diagrammi di flusso

I processi si descrivono con dei diagrammi di flusso, ossia schemi che rappresentano graficamente gli step di processo come sequenza di operazioni unitarie ordinata nel senso dei flussi materiali o temporali. È utile usare per la rappresentazione una simbologia standardizzata conferita dalle norme/standard, come ad esempio la norma UNI. Generalmente un diagramma di flusso è fatto in verticale ed è collegato da frecce.

Obiettivi delle tecnologie alimentari

Non tutti gli alimenti sono stabili e puri; il primo obiettivo è garantire la sicurezza degli alimenti; aumentare la shelf-life (data di scadenza), ovvero la conservabilità; aumentare l'appetibilità; garantire la qualità nutrizionale e mantenerla il più elevata possibile in quanto i processi possono danneggiarla, è necessario minimizzare il danno e ottimizzare; assicurare l'efficienza dal punto di vista monetario; migliorare la performance del prodotto e la sua comodità d'uso/convenience. Tutto questo al fine di avere un prodotto buono, sicuro, comodo e nutrizionalmente valido.

Classificazione delle tecnologie alimentari

Dal punto di vista tecnico le tecnologie si dividono in:

• Tecnologie di conservazione: con lo scopo di conservare le caratteristiche geometriche, strutturali, meccaniche, fisiche, chimiche, microbiologiche, sensoriali e nutrizionali di tutti i prodotti alimentari.
• Tecnologie di trasformazione: con lo scopo di modificare le caratteristiche geometriche, strutturali, meccaniche, fisiche, chimiche, microbiologiche di tutte le materie prime al fine di ottenere prodotti con adeguate proprietà sensoriali, nutrizionali, di conservabilità, ecc.

In particolare, si parla di conservazione a breve termine o a lungo termine:

Breve termine: (una settimana) refrigerazione/cambiamento atmosfera/pastorizzazione/mild technologies combinate = trattamenti leggeri. Un prodotto con trattamenti mild leggeri è meno trasformato, trattato rispetto a uno con tecnologie hard, viene modificato di meno. L’ideale sarebbe conservare senza modificare.

Lungo termine: (anni, molti mesi es. conserve in scatola che hanno subito la sterilizzazione/disidratazione/essicazione/congelamento e surgelazione).

Tecniche di trasformazione

Le tecniche di trasformazione sono tantissime: frazionamento, ovvero la separazione dalla materia prima in frazioni diverse (frazionamento del latte in crema e latte); si ottengono più ingredienti che poi sono usati per la combinazione, ossia la miscela di diversi elementi (es. gelato=emulsione, maionese, pasta alimentare con semola e acqua); trasformazioni chimiche=serie di processi.

Classificazione prodotti alimentari

I prodotti alimentari si classificano in:

• Prodotti freschi/simil-freschi: carne, latte pastorizzato, pesce, uova.
• Conserve e semi-conserve: pomodori pelati, piselli surgelati.
• Prodotti alimentari di prima trasformazione: alimenti già finiti che derivano da un unico processo principale es. vino, burro, formaggi, succhi di frutta.
• Prodotti alimentari di seconda trasformazione: si parte da prodotti di prima trasformazione e si fanno ulteriori processi es. pane, pasta, prodotti dolciari.
• Ingredienti: farina, olio, zucchero.

Lo studio delle operazioni unitarie

Lo studio delle operazioni unitarie segue sempre la stessa successione di argomenti: definizione dell’operazione unitaria, ossia i suoi obiettivi con relativi esempi di inserimento nei processi della tecnologia alimentare; modello fenomenologico, ovvero la descrizione dei fenomeni che stanno alla base dell’operazione; modello matematico semplice relativo a bilanci materiali, energetici e relazioni cinetiche; descrizione degli impianti (semplici/complessi) con schemi operativi con flussi di materia ed energia; criteri di ottimizzazione per raggiungere il risultato riducendo il tempo e quindi il denaro, si tratta di massimizzare l’efficienza e la qualità alimentare.

Unità di misura, grandezze, fattori di conversione e analisi dimensionale

Grandezza: termine che designa la caratteristica o la quantità fisica considerata.

Unità di misura: modo in cui si quantificano le grandezze.

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

Grandezze/unità derivate: contengono una combinazione di grandezze, sono dei prodotti fattoriali di grandezze fondamentali.

Unità di misura: Esistono diversi sistemi di unità di misura; il sistema più diffuso è quello internazionale (SI) che è fondato su 7 unità base. Esistono poi altri sistemi utilizzati per vari scopi come il sistema britannico, il sistema consuetudinario USA, il sistema di misura CGS ecc.

Ciascun sistema di unità di misura individua un modo omogeneo di esprimere le grandezze; la comunità scientifica utilizza il SI, dove le fondamentali sono: lunghezza (m), massa (kg), tempo (s), temperatura (K), corrente elettrica (Ampere), quantità di sostanza (mol), intensità luminosa (candela); tra le grandezze derivate si trovano la forza (Newton) e l’energia (Joule). Il SI è di uso universale.

Il sistema metrico è molto simile a quello internazionale, a eccezione per la temperatura (Celsius) e la forza (kilogrammoforza). I sistemi inglesi e americani sono molto diversi, possiedono grandezze per quantità di riferimento diverse da quello internazionale; per questi sistemi si usano le tabelle di conversione.

Le dimensioni servono a trattare le grandezze a prescindere dall’unità di misura (analisi dimensionale).

Proprietà estensive/intensive

Le proprietà estensive sono caratteristiche dei corpi che dipendono dalla massa del sistema, sono additive, si possono sommare/sottrarre (entalpia, quantità di moto, energia cinetica, quantità di calore); per i sistemi si definiscono inoltre unità specifiche, cioè proprietà espresse per unità di misura (es. calore specifico=quantità di calore per 1 kg).

Le proprietà intensive non dipendono dalla massa del sistema, sono misurabili a un punto o a un enorme grande sistema; un esempio è la temperatura la quale non varia al variare della massa del sistema (temperatura, viscosità, densità, concentrazione, pressione, conducibilità termica).

Nei fenomeni di trasporto le proprietà sono molto importanti: sono determinati da differenze nelle grandezze intensive; i sistemi fisici scambiano proprietà estensive tenendo all’uguaglianza delle proprietà intensive. Esistono tre fondamentali fenomeni di trasporto o scambio che sono alla base di tutte le operazioni unitarie delle tecnologie alimentari: trasporto di massa, in cui avviene uno scambio materia a causa di una differenza di concentrazione; trasporto di calore, si ha una differenza di calore se varia la temperatura; trasporto di quantità di moto a causa di una variazione di velocità.

Nelle relazioni non c’è un solo bilancio ma intervengono dei fattori cinetici che tengono conto della velocità con cui avviene il passaggio: ad esempio, la conducibilità termica misura la cinetica del trasporto di calore (bassa conducibilità passa velocemente); il calore passa fino a quando c’è il gradiente di temperatura.

Valori da sapere

• Accelerazione gravità g = 9,81 m/s²
• Costante gas R = 8,314 J/mol K
• Densità acqua = 1000 kg/m³
• 1 atm = 10⁵ Pa
• 1 cal = 4187 J
• Calore specifico acqua = 1 cal/g °C = 4186 J/kg°C

Densità

La densità si misura in kg/m³, è definita come massa per unità di volume; la densità di una sostanza può essere divisa per la densità dell’acqua, ottenendo la densità relativa. Una sostanza grassa ha densità minore dell’acqua.

Per quanto riguarda i prodotti alimentari esistono tre diverse espressioni di densità: densità delle particelle; densità del solido che le contiene (con spazi vuoti); densità di massa o densità apparente, relativa ai singoli materiali che compongono le particelle. Es. saccarosio 1590 (solido); zucchero in grani con aria 800 (riferito ad esempio a un liquido). La densità apparente è quella che comprende anche l’aria, ovvero la porosità = quantità di spazi vuoti rispetto al volume totale.

Qualità delle misure

Quando si svolgono delle misure, si parla di precisione e accuratezza; la precisione si identifica come riproducibilità di una misura: quando si hanno n volte risultati vicini tra di loro, è la più o meno vicinanza dei risultati (es. 38 +- ds = dispersione). L’accuratezza dipende da quanto il numero si avvicina al valore vero della misura (standard), dipende se lo strumento è ben tarato o poco preciso, dipende dalla bontà dello strumento di misura e dalla capacità dell’operatore di usare lo strumento.

Cifre significative: 38 0,0038 sempre due cifre significative; tenere circa 3/4 cifre significative.

Bilanci materiali

Sistema e stato di un sistema

Un sistema ha dei confini con input e output e si definisce in base alle caratteristiche: un sistema chiuso scambia energia ma non materia con l’esterno; un sistema aperto scambia energia e materia; un sistema isolato non scambia né materia né energia; un sistema adiabatico è aperto o chiuso e scambia calore con l’esterno; in un sistema isotermico la temperatura non cambia, è costante.

Inoltre, un sistema può essere in stato stazionario o in stato transitorio. Lo stato o regime stazionario si ha quando le variabili del sistema rimangono costanti nel tempo nei diversi punti del sistema (la differenza di temperatura è costante) e il gradiente è costante; lo stato o regime non stazionario/transitorio è caratterizzato da una variazione delle variabili come ad esempio massa, concentrazione, calore specifico, conducibilità termica, temperatura.

Un sistema è continuo se i flussi di materiali in entrata e di uscita sono continui, di norma opera in regime stazionario. Un sistema è discontinuo o batch (es. scambiatore di calore a serbatoio) se viene alimentato e scaricato con discontinuità.

In un impianto industriale è preferibile un impianto a sistema continuo e stazionario perché l’industria mira a lavorare in continuo in quanto ci sono dei vantaggi: si eliminano le fasi di carico/scarico; è più facile controllare, tenere sotto controllo, in particolare le temperature di entrata e uscita con un termometro (sistema di verifica) e un operatore (sistema di controllo) che interviene; è possibile automatizzare le fasi, riducendo i costi di manodopera (in un sistema batch l’automatizzazione è molto più difficile perché i flussi non sono costanti); la composizione dei prodotti è più uniforme, il risultato è più omogeneo; vi è un minore spreco di energia utilizzata (meno dispersioni termiche e fermi macchina).

Gli svantaggi di un sistema continuo sono: le materie prime devono avere composizione uniforme e omogenea, quindi non è conveniente quando le operazioni sono piccole e le caratteristiche delle materie prime variano; è necessario avere grandi quantità di materia prima elevata per consentire la continuità del processo e la standardizzazione; gli arresti devono essere ridotti o evitati; gli impianti sono più costosi e delicati.

Alcune operazioni sono batch per forza come ad esempio la sterilizzazione.

Bilanci materiali

All’interno del sistema tanta massa entra tanta massa esce: la massa e l’energia vengono conservate (es. un po’ nel concentrato, un po’ nel vapore d’acqua e scarti). Fare un bilancio significa: massa totale in = massa totale out + massa totale accumulata. Es. materie prime = prodotto finale + sottoprodotti + materiale accumulato. È possibile sapere anche dove le frazioni di materia vanno a finire facendo il bilancio dei solidi/acqua, i quali sono bilanci parziali.

Concentrazione

Indica la quantità di materia contenuta nell’unità di volume; può essere espressa in diversi modi: peso/peso, peso/volume, molarità, frazione di massa, frazione molare ecc.

Umidità

L’umidità è molto importante per analizzare l’acqua; è la massa d’acqua presente in una matrice (percentuale). Es. 20% frazione acqua = 0,2.

È interessante stimare anche la quantità d’acqua che si ha sui solidi Uss = massa acqua/massa di sostanza secca si tratta dell’umidità assoluta. Es. 30% 30 kg/100 kg = 0,3 = frazione di acqua; umidità assoluta del prodotto = 30 kg/70 kg di solidi. È comodo perché i solidi non cambiano.

Bilanci materiali

I bilanci materiali si fanno sulle masse; si possono avere diverse operazioni: frazionamento, separazione dove tipicamente una corrente di materiale entra e due o più escono (es. essicazione, centrifughe, evaporatori); miscelazione, dove due o più correnti escono e una esce; trasporto di materia, in cui due correnti entrano e due escono mentre alcuni componenti sono trasferiti da una corrente all’altra (es. estrazione, essicamento); trasporto di calore (scambiatori a piastre o a tubi) in cui non avviene scambio di materia.

Nei bilanci materiali è necessario fare sempre lo schema dell’operazione con i flussi; fissare una base di calcolo (1 kg o 100 kg) e stabilire le relazioni di bilancio.

Lo studio dei fluidi

I fluidi possono essere liquidi o gas ma rispondono alle stesse leggi; i gas hanno una mobilità maggiore dei liquidi, infatti occupano tutto lo spazio a loro disposizione. Il volume di un gas dipende dalla pressione e sono comprimibili; al contrario i liquidi sono incomprimibili.

La relazione tra pressione e volume di un gas è espressa dalla legge di Gay-Lussac (valida per i gas perfetti o ideali, a bassa pressione applicabile ai gas reali): PV = nRT = k dove P = pressione V = volume n = n. di moli R = costante dei gas T = temperatura assoluta. Questa legge è valida per i gas perfetti, ideali.

Pressione

La pressione è la forza che gli urti delle particelle esercitano su una superficie; quindi P=F/A. È una proprietà intensiva, si esercita in qualunque punto; si misura in N/m² che sono i Pascal (Pa); le dimensioni della pressione sono: (massa)(tempo)^-2(lunghezza)^-1.

Statica dei fluidi

I fluidi a riposo sono fermi, esercitano una pressione su una superficie che è dovuta al loro peso e si parla quindi di pressione idrostatica. La forza che un fluido fermo esercita su una superficie è proporzionale all’accelerazione di gravità e alla massa del fluido: F = m*g = V* ρ *g dove V è il volume del fluido, ρ è la sua densità e g l’accelerazione gravitazionale.

Considerando un piano orizzontale, a una profondità Z dal pelo del fluido, la forza esercitata sul piano di superficie A a profondità Z è pari a: F =ZA ρ g e la pressione P è pari a P= F/A=Z ρ g= h ρ g. Si nota che la pressione non dipende dalla massa del liquido ma dalla sua densità e profondità a cui si trova. Se si tiene conto della pressione atmosferica allora si ha P = P0 + Z ρ g; P0 è costante e pari a 1 atm = 101300 Pa.

Si parla di pressione assoluta quando si tiene conto anche della pressione atmosferica: P assoluta = P0 + P relativa. È comodo riferirsi alla pressione esprimendola relativamente alla pressione atm.