Operazioni unitarie delle tecnologia alimentari

Appunti operazioni unitarie della tecnologia alimentare

Prof. Gabriella Giovanelli

Operazioni unitarie

Definizioni

Tecnologia alimentare: studio dei processi di conservazione e di trasformazione dei prodotti alimentari. Non ha limitazioni di scala, vale per la grande industria quanto per la produzione artigianale. Ha inizio con la raccolta delle materie prime e termina con la vendita del prodotto finito al consumo.

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

Materie prime alimentari: prodotti ottenuti dalle attività di produzione primaria (agricoltura, allevamento, pesca, biotecnologie microbiche, sintesi chimica, ecc.) e destinati 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 manipolazioni e trasformazioni.

Prodotti intermedi o semilavorati: tutti i prodotti derivanti da manipolazioni e trasformazioni delle materie prime, ma non ancora diventati prodotti finiti, oggetto di commercio.

Prodotti finiti e alimenti: prodotti ottenuti dalla conservazione o trasformazione delle materie prime e destinati come tali al commercio o al consumo. È impossibile usare in maniera univoca queste definizioni per l’estrema variabilità e complessità delle situazioni. Se consideriamo per esempio una farina di frumento, potremmo dire che si tratta di un semilavorato, essendo situato fra la materia prima frumento e il prodotto finito pane. Tuttavia, la farina per un molino è un prodotto finito e per una panetteria è una materia prima.

Filiera generale della produzione degli alimenti

• Produzione agricola - allevamento raccolta, cernita, condizionamento
• Materia prima alimentare magazzinaggio
• Trasporto
• Prima trasformazione
• Semilavorato magazzinaggio
• Trasporto
• Seconda trasformazione
• Prodotto finito 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.

Operazione (unitaria): 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).

Operazione unitaria (seconda definizione): operazione tecnologica basata su 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 e dal materiale trattato, ma possono essere definiti in maniera indifferenziata (unitaria) quale che sia il settore e il materiale di applicazione dell’operazione. Le leggi della sterilizzazione sono le stesse sia che si sterilizzi il latte o la carne in scatola o una conserva di pomodoro o una bevanda o un terreno colturale o un farmaco o una condotta in acciaio inossidabile o il camice di un chirurgo. Le leggi della centrifugazione sono le stesse sia che questa operazione venga applicata per separare la panna dal latte o per chiarificare un vino o per separare l’olio dall’acqua o per separare cellule microbiche da un brodo di fermentazione, ecc. Questa osservazione ha dato origine alla "invenzione" della nostra materia, che possiamo considerare come la materia di base per lo studio delle tecnologie alimentari.

Flow-sheet o diagramma di flusso

Criteri di classificazione delle operazioni unitarie: è una rappresentazione grafica di un processo come una sequenza di operazioni unitarie, ordinata nel senso dei flussi materiali o temporali. Il flow-sheet può essere disegnato seguendo diverse convenzioni grafiche. È tuttavia opportuno utilizzare una simbologia unificata.

Simbologia per la schematizzazione dei diagrammi di flusso secondo la norma UNI: è possibile presentare un diagramma di flusso anche in altre forme, includendo elementi iconici (disegni) che evidenziano, ad esempio, il tipo di attrezzature impiegate nelle diverse operazioni.

Scopo delle tecnologie alimentari

Gli obiettivi di un processo alimentare possono essere così schematizzati:

• Garantire la sicurezza
• Aumentare la conservabilità
• Migliorare l’appetibilità
• Garantire la qualità nutrizionale
• Migliorare la comodità d'uso o convenience
• Assicurare l’economicità

Classificazione delle 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, in vista della loro utilizzazione o del loro consumo. Degradazione: la causa principale sono i microrganismi.

Tecnologie di trasformazione: hanno lo scopo di modificare le caratteristiche geometriche, strutturali, meccaniche, fisiche, chimiche, microbiologiche delle materie prime e dei semilavorati al fine di ottenere prodotti con adeguate proprietà.

• Livello 1: gruppi tecnologici
• Livello 2: sottogruppi tecnologici
• Livello 3: principali procedure tecnologiche
• Conservazione a breve termine: refrigerazione o mild technologies
• Conservazione congelamento
• Conservazione a lungo termine: sterilizzazione
• Disidratazione
• Frazionamento: separazione meccanica
• Separazione fisica e chimico-fisica
• Combinazione semplice: miscelazione
• Trasformazione: miscelazione con testurizzazione
• Reazioni termoindotte
• Trasformazioni chimiche: reazioni chimiche ed enzimatiche
• Reazioni microbiche

Conservazione a breve termine: pastorizzazione. Spesso la pastorizzazione è abbinata alla refrigerazione.

Classificazione dei prodotti alimentari

• Prodotti freschi o simil-freschi (es. carne, pesce, latte pastorizzato, uova, etc.): sono prodotti che sono poco trattati e trasformati.
• Conserve e semiconserve (es. pomodori pelati, piselli surgelati, prugne essiccate, etc.): prodotti più stabili, trattati con pastorizzazione, sterilizzazione, refrigerazione o altre tecnologie più complesse. Le conserve sono prodotti molto stabili, mentre semiconserve hanno una stabilità intermedia.
• Prodotti di prima trasformazione (es. vino, formaggi, burro, succhi di frutta, etc.): sono prodotti alimentari che derivano da un unico processo di trasformazione di una materia prima.
• Ingredienti (es. farina, olio, zucchero, latte in polvere, etc.)
• Prodotti di seconda trasformazione (es. pane, pasta, prodotti dolciari, bibite analcoliche, liquori, etc.): derivano da una prima trasformazione; pane e pasta sono sfarinati. Ad esempio, dal vino si ottiene l’aceto.

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 e generali dei fenomeni alla base dell’operazione.
• Modello matematico dell’operazione, relativo a:
  • Bilanci materiali
  • Bilanci energetici
  • Relazioni cinetiche
• Descrizione degli impianti principali in forma schematica (schemi funzionali).

L’ottimizzazione e il controllo delle operazioni unitarie richiedono una conoscenza dei fenomeni fondamentali (meccanici, chimici, fisici e biologici) che le determinano e la loro descrizione con relazioni matematiche. Tali relazioni si riferiscono in particolare a bilanci materiali, bilanci energetici e cinetiche.

Esempio: Operazione di trasporto di calore in regime stazionario - scambio di calore in uno scambiatore a piastre

Bilancio Materiale: m*Hsi = m*Hse m*Csi = m*Cse (m* = portata in massa)

Bilancio Energetico: q = m* Cp (T - T ) = m* Cp (T - T ) Hs Hs Hsi Hse Cs Cs Csi Cse (m* = portata in massa, Cp = calore specifico; T = temperatura)

Relazione cinetica: q = A·U·ΔT (A = superficie di scambio; U = coefficiente globale di scambio termico; ΔT = differenza media di temperatura)

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

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

Unità di misura: utilizzata per designare la grandezza o estensione della quantità fisica considerata (es: m per la lunghezza, kg per la massa).

Sistema internazionale di misura (SI)

Grandezze/Unità di base o fondamentali, le unità che sono dimensionalmente indipendenti. Sono utilizzate per designare unicamente una dimensione (es: unità di lunghezza, massa o tempo). Tra i diversi sistemi di misura disponibili ed utilizzati nel mondo, la comunità scientifica internazionale adotta il Sistema Internazionale SI.

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.

Unità di misura

Esistono altri sistemi, utilizzati per vari scopi, tra i quali: il sistema di misura CGS (centimetro-grammo-secondo), il sistema di misura MKS (metro-chilogrammo-secondo), le unità di misura di Planck, il sistema consuetudinario USA, il sistema britannico. È possibile utilizzare i loro multipli o sottomultipli decimali, impiegando i prefissi riportati nella tabella.

Proprietà estensive e intensive

Proprietà estensive: Il valore di una proprietà estensiva dipende dalle dimensioni o dall’estensione di un sistema. Per esempio, massa, lunghezza, volume ed energia dipendono dalla dimensione del sistema. Queste proprietà sono additive; una proprietà estensiva di un sistema è la somma delle proprietà estensive delle parti che compongono il sistema. Possiamo determinare se una proprietà è estensiva semplicemente raddoppiando la dimensione del sistema: se il valore della proprietà raddoppia, allora la proprietà è estensiva. Sono: entalpia, quantità di moto, energia cinetica, quantità di calore.

Proprietà intensive: Le proprietà intensive non dipendono dalla dimensione o dall’estensione del sistema. Sono esempi di proprietà intensive la temperatura, la pressione e la densità. Per un sistema omogeneo, le proprietà intensive sono spesso ottenute dividendo tra loro due proprietà estensive. Ad esempio, la massa diviso il volume, entrambe proprietà intensive, forniscono la densità, che è una proprietà intensiva.

Per i sistemi si definiscono inoltre alcune proprietà specifiche, cioè proprietà espresse per unità di massa. Così, il volume specifico è volume/massa e l’energia specifica è energia/massa. Sono: temperatura, viscosità, densità, concentrazione, pressione, conducibilità termica. I fenomeni di trasporto sono determinati da differenze nelle grandezze intensive. I sistemi fisici scambiano proprietà estensive tendendo all’uguaglianza delle proprietà intensive. Da questa osservazione nascono le definizioni dei tre fondamentali fenomeni di scambio o trasporto che sono alla base di tutte le operazioni unitarie della tecnologia alimentare.

Valori da conoscere

• Accelerazione di gravità: 9.8 m/s²
• Costante dei gas: 8.134 J/mol K
• Densità dell’acqua: 1000 kg/m³
• 1 atmosfera: 101300 Pascal (Pa)
• Densità di mercurio: 13600 kg/m³
• 1 caloria: 4.187 J

Densità: La densità è definita come massa per unità di volume. Dimensioni: massa/lunghezza³ (ML^-3). Unità di misura nel SI: kg/m³. La densità di una data sostanza può essere divisa per la densità dell’acqua, ottenendo la densità relativa.

Tre diverse espressioni della densità per i prodotti alimentari

• Densità del solido
• Densità delle particelle
• Densità di massa o densità apparente, relativa a materiali particolati o in polvere

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. La densità di massa è definita come la massa delle particelle che occupano un volume unitario di letto. La densità delle particelle tiene conto della presenza di porosità interne alle particelle. Questa densità è definita come il rapporto tra la massa totale della particella e il suo volume totale. I volumi vuoti nei materiali alimentari possono essere definiti determinando la porosità, che è definita come il volume non occupato dal materiale solido. Porosità = 1 – densità del solido / densità di massa. La porosità tra le particelle può essere definita come segue porosità tra le particelle = 1 - densità delle particelle.

Qualità delle misure

Precisione: Sinonimo di riproducibilità, è il grado di convergenza di dati individualmente rilevati su un valore medio della serie cui appartengono. Spesso espressa attraverso un segno più o meno davanti a un numero che rappresenta il più piccolo valore che può essere consistentemente determinato.

Accuratezza: è il grado di corrispondenza del dato teorico, desumibile da una serie di valori misurati, con il dato reale o di riferimento. Per verificare l'accuratezza di una misura, la media di un certo numero di determinazioni è comparata con uno standard noto. L'accuratezza dipende dalla appropriata calibrazione dello strumento di misura ed all’abilità di chi esegue la misura.

Temperatura

L'unità di temperatura più usata è il grado centigrado o grado Celsius proposto dall'astronomo svedese A. Celsius (1701 - 1744). Il grado è la centesima parte della scala termometrica, ottenuta fissando a 0 °C (273 K) la temperatura del ghiaccio fondente e a 100° (373 K) quella dell'acqua bollente. Oltre la scala Celsius esistono altre due scale, la Réaumur usata in Francia, e la scala Fahrenheit utilizzata nei paesi anglosassoni. Un sistema è detto in stato o regime stazionario se le proprietà che lo definiscono non cambiano in funzione del tempo.

Corrispondenze: Sistema e stato di un sistema

Un sistema è detto in stato o regime non stazionario o transitorio se le caratteristiche cambiano in funzione del tempo. Le proprietà o grandezze cui ci riferiamo sono meccaniche (ad es. volume, massa, velocità) o termodinamiche (ad es. viscosità, temperatura, pressione).

Sistema e stato di un sistema

Sistema chiuso: non scambia materia con l’esterno, (può scambiare calore e lavoro), quindi la massa rimane costante.

Sistema aperto: può scambiare sia materia che energia.

Sistema isolato: non scambia né materia né energia con l’esterno; la sua massa totale e la sua energia totale rimangono invariati.

Sistema adiabatico: un sistema aperto o chiuso che non scambia calore con l’esterno.

Sistema isotermico: la temperatura del sistema rimane costante.

Un sistema è detto continuo se i flussi materiali di entrata e di uscita sono continui. Un sistema continuo di norma opera in regime stazionario. Un sistema è detto discontinuo o batch se viene alimentato e scaricato con discontinuità. Un sistema discontinuo opera in regime non stazionario.