Operazioni unitarie delle tecnologia alimentari

APPUNTI OPERAZIONI UNITARIE

della tecnologia alimentare

Prof. Gabriella Giovanelli

Operazioni unitarie

DEFINIZIONI

1. 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.

2. Prodotto alimentare: temine generico per indicare i prodotti destinati al consumo alimentare come tali o previa

conservazione o trasformazione. Si possono indicare con questo termine:

3. 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.

4. Prodotti intermedi o semilavorati: tutti i prodotti derivanti da manipolazioni e trasformazioni delle materie

prime, ma non ancora diventati prodotti finiti, oggetto di commercio

5. 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

6. 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.

7. 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 manipolazione 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: E’ una rappresentazione grafica di un processo come una sequen

unitarie, ordinata nel senso dei flussi materiali o temporali.

- Natura del fenomeno che ne condiziona lo svolgimento Il flow-sheet può essere disegnato seguendo diverse convenzio

Flow-sheet o diagramma di flusso tuttavia opportuno utilizzare una simbologia unificata.

E’ 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. E’ tuttavia

Simbologia per la schematizzazione dei diagrammi di flusso second

opportuno utilizzare una simbologia unificata.

Simbologia per la schematizzazione dei diagrammi di flusso secondo la norma UNI

E’ possibile presentare un diagramma di flusso anche in altre forme, includenti

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 : livello 2 : livello 3 :

gruppi tecnologici sottogruppi tecnologici principali procedure tecnologiche

conservazione a breve refrigerazione o mild technologies

termine combinate

Conservazione congelamento

conservazione a lungo sterilizzazione

termine 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:

1) Prodotti freschi o simil-freschi (es. carne, pesce, latte pastorizzato, uova, etc.): sono prodotti che sono poco

trattati e trasformati.

2) 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.

3) 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.

4) Ingredienti (es. farina, olio, zucchero, latte in polvere, etc.)

5) 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.

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

1. definizione dell’operazione unitaria; saranno individuati gli obiettivi dell’operazione; sarà dato qualche esempio

di inserimento dell’operazione nei processi della tecnologia alimentare

2. modello fenomenologico dell’operazione; descrizione in termini essenziali e generali dei fenomeni alla base

dell’operazione

3. modello matematico dell’operazione, relativo a:

3.1. bilanci materiali

3.2. bilanci energetici

3.3 relazioni cinetiche

4. descrizione degli impianti principali in forma schematica (schemi funzionali)

L’ottimizzazione e il controllo delle operazioni unitarie richiedono una c

dei fenomeni fondamentali (meccanici, chimici, fisici e biologici) che le

5. criteri di ottimizzazione determinano e la loro descrizione con relazioni matematiche. Tali relazio

riferiscono in particolare a bilanci materiali, bilanci energetici e cinetich

L’ottimizzazione e il controllo delle operazioni unitarie richiedono una conoscenza dei fenomeni fondamentali

Es: Operazione di trasporto di calore in regime stazionario - scamb

(meccanici, chimici, fisici e biologici) che le determinano e la loro descrizione con relazioni matematiche. Tali

in uno scambiatore a piastre

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)

∆T

Relazione cinetica: q = A∙U∙ ∆T

(A = superficie di scambio; U = coefficiente globale di scambio termico; = differenza media di temperatura)

UNITA’ 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

SISTEMA INTERNAZIONALE DI MISURA (SI)

lunghezza, kg per la massa).

Grandezze/Unità di base o fondamentali, le unità che sono dimensionalmente indipendenti. Sono utilizzate per

Ciascun SISTEMA di MISURA individua un

modo omogeneo di esprimere le grandezze

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

Grandezze/Unità derivate. La maggior parte delle grandezze derivate sono una moltiplicazione o un rapporto di

internazionale adotta il Sistema Internazionale SI

grandezze fondamentali. Un esempio è l'unità di forza, che include le grandezze di massa, lunghezza e tempo.

UNITA’ di MISURA

grandezze fondamentali grandezze derivate

SISTEMA USO Lunghezza Massa Tempo Temperatura Forza Energia

Esistono diversi sistemi di misura, basati su differenti ANGLOSASSONE

insiemi di unità di misura fondamentali. Il sistema di Scientifico piede libbra secondo Farenheit poundal BTU

Inglese

misura più diffuso è il sistema internazionale di unità Industriale piede slug secondo Farenheit libbraforza BTU

Inglese

di misura (SI), che è fondato su sette unità base Industriale piede libbra secondo Farenheit libbraforza BTU

Americano

(fondamentali), e in cui tutte le altre unità derivano da METRICO Scientifico centimetro grammo secondo Celsius dyne erg

queste. c.g.s. Industriale metro kilogrammo secondo Celsius kilogrammoforza Joule

M.K.S. Universale metro kilogrammo secondo Kelvin Newton Joule

SI

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: 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. Cosi, 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: 2

Accelerazione di gravità: 9.8 m/s

Costante dei gas: 8.134 J/mol K

3

Densità dell’acqua: 1000kg/m

1 atmosfera: 101300 Pascal (Pa) 3

Densità di mercurio: 13600kg/m

1 caloria: 4.187J

Densità: La densità è definita come massa per unità di volume

3 -3

Dimensioni: massa/lunghezza (ML )

3

Unità di misura nel SI: kg/m .

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 e 1400-1600

3

kg/m , 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

densità di massa

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 e

dall’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

Corrispondenze: SISTEMA E STATO DI UN SISTEMA

definiscono non cambiano in funzione del tempo.

KELVIN 273 K 373 K CELSIUS 0 °C 100 °C REAUMUR 0 °R 80 °R FAHRENHEIT 32 °F 212 °F

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

SISTEMA E STATO DI UN SISTEMA Sistema chiuso: non scambia materia con

ci riferiamo sono meccaniche (ad es. volume, massa, velocità) o

Sistema chiuso: non scambia materia con l’esterno, (può scambiare calore e lavoro), quindi

l’esterno, (può scambiare calore e lavoro), quindi

termodinamiche (ad es. viscosità, temperatura, pressione).

la massa rimane costante la massa rimane costante

Sistema aperto: può scambiare sia materia che energia

Un sistema è detto continuo se i flussi materiali di entrata e di uscita sono

Sistema aperto: può scambiare sia materia che

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

continui. Un sistema continuo di norma opera in regime stazionario. energia

energia totale rimangono invariati

Un sistema è detto discontinuo o batch se viene alimentato e scaricato con

Sistema isolato: non scambia né materia né

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

discontinuità. Un sistema discontinuo opera in regime non stazionario. energia con l’esterno; la sua massa totale e la sua

Sistema isotermico: la temperatura del sist