Operazioni unitarie delle tecnologie alimentari

Enrico Masotto S.T.A. II 2017/2018

Operazioni unitarie della tecnologia alimentare

Sommario

• Introduzione ............................................................................................................ 3
• Trasferimento di fluidi ....................................................................................... 4
• Generalità di trasporto di calore e proprietà fisiche degli alimenti ....... 11
• Refrigerazione e congelamento di alimenti ................................................... 15
• Meccanismi per lo scambio di calore ............................................................................... 20
• Scambiatori di calore ed impianti per la cottura .......................................... 23
• Effetto sterilizzante, sterilità commerciale e pastorizzazione ............... 28
• Trattamenti sterilizzanti di alimenti già confezionati ............................... 35
• Trattamenti sterilizzanti di alimenti in massa e confezionamento asettico................................................................................................................................. 43
• Generalità relative al trasporto di materia ............................................... 49
• Separazione di particelle da un fluido per filtrazione ............................... 52
• Separazione per filtrazione attraverso membrana ..................................... 57
• Separazione per flottazione, sedimentazione e centrifugazione .............. 67
• Separazione di acqua da fluidi alimentari per ebollizione .......................... 72
• Essicamento o disidratazione ......................................................................... 79
• Liofilizzazione .................................................................................................. 87
• Miscelazione ...................................................................................................... 90
• Riduzione di dimensioni di particelle presenti in un fluido (Omogeneizzazione, micronizzazione) e di solidi (Taglio) .................................. 94
• Operazioni di riempimento e confezionamento di fluidi e solidi ................. 100

Introduzione

La tecnologia è lo studio e la realizzazione dei procedimenti e delle attrezzature necessarie per la trasformazione di una data materia prima in un prodotto industriale, indifferentemente da alimenti o materie prime di altra natura. Sicuri Permettere di ottenere alimenti (in Stabili nel tempo à à OBIETTIVI grado di raggiungere Ad elevato valore nutrizionale e sensoriale anche la popolazione In modo efficiente e con minor sprechi distante dal luogo di rispondenti alle aspettative del consumatore produzione)

La trasformazione delle materie prime in prodotti finiti risponde a logiche di conservazione nel tempo, mediante:

• Stabilizzazione per inattivazione di microorganismi ed enzimi
• Fermentazione
• Riduzione dell’attività dell’acqua

Risponde inoltre anche alle modificazioni legate al miglioramento dell’apprezzamento:

• Coagulazione proteine, gelificazione, cristallizzazione, …
• Nuove strutture dovute ad operazioni di cottura, emulsioni, schiume, …

Singola operazione comune a molti processi, “OPERAZIONI UNITARIE DELLA TECNOLOGIA ALIMENTARE” descritta da principi fisici. Troviamo diversi classi di operazioni, tra le quali:

• STABILIZZAZIONE (inattivazione m.o. ed enzimi)
• SEPARAZIONE (in base a caratteristiche geometriche o proprietà fisiche)
• MODIFICA DELLE DIMENSIONI (taglio, macinazione, omogeneizzazione, granulazione, …)
• MISCELAZIONE (con o senza interazioni specifiche)
• TRASFORMAZIONE (modificazioni enzimatiche/strutturali)

Trasferimento di fluidi

Le operazioni di trasferimento di fluidi possono essere finalizzate semplicemente a trasferire un fluido da un punto ad un altro dell’impianto o essere funzionali ad altre operazioni, ed in questo caso è fondamentale gestire l’operazione secondo le rispettive esigenze (es: pastorizzazione). Sono realizzate generalmente da pompe.

Occorre fare richiamo alle leggi fisiche che descrivono il moto dei fluidi.

Equazione di discontinuità: la portata volumetrica Q di un fluido incomprimibile che scorre in una condotta a sezione variabile è costante indipendentemente dal variare della sezione della condotta. Cambiando la sezione della condotta non cambia la portata, ma la velocità del fluido.

Equazione di Bernoulli: la somma dell’energia di pressione, cinetica e potenziale è costante, in qualsiasi punto del moto di un fluido incomprimibile lungo la sezione. [Se diminuisce la velocità W del fluido, aumenta la pressione; principio noto come effetto Venturi]

Teorema di Torricelli: maggiore è il livello del fluido Z rispetto al livello del piano Z, maggiore è la velocità media di scarico.

Fattori influenzanti il moto di un fluido in una tubazione:

• Velocità
• Tipo di flusso
• Natura del fluido (viscosità)
• Caratteristiche della turbolenza
• Perdite di carico

Sulla parete del condotto, la velocità dell’aliquota infinitesima del fluido a diretto contatto, è considerabile nulla a causa delle forze di adesione. Il tipo di regime di flusso esprime il diverso rapporto tra le forze inerziali e viscose che si esercitano su di un fluido sottoposto a scorrimento.

Velocità del fluido e numero di Reynold (Re): esprime il rapporto tra le forze di inerzia e di viscosità ed è legato alle proprietà del fluido e dell’ambiente in cui il fluido scorre.

Il numero di Reynolds critico permette di distinguere i regimi di flusso. Per fluidi Newtoniani in tubazioni circolari lisce si ha: - Re critico < 2100 (moto laminare) - Re critico > 4000 (moto turbolento)

La legge di potenza spiega come varia la viscosità apparente di un fluido al variare della velocità di taglio:

• Fluidi newtoniani: non modificano la viscosità, hanno Re critico di 2100.
• Fluidi plastici/pseudoplastici: riducono la viscosità, hanno Re > 2100.
• Fluidi dilatanti: aumentano la viscosità, hanno Re < 2100.

Il regime di flusso di un fluido può essere diverso tra ingresso ed uscita dalla condotta sulla base delle forze che agiscono sul fluido. La velocità media del fluido è fondamentale per i fenomeni di trasferimento dei fluidi. La velocità massima è fondamentale per prevedere i tempi di residenza di un fluido in una condotta, ad esempio quando il fluido è sottoposto a trattamenti che prevedono scambi di calore e/o di materia.

In regime laminare V media = 0,50 x V massima

In regime turbolento V media = 0,85 x V massima

La pressione di un fluido che scorre in una tubazione diminuisce a causa dell’attrito o di altre resistenze. È molto importante prevedere le perdite di carico, ad esempio nei seguenti casi:

• In trasferimento dei fluidi con pompe, occorre prevedere la prevalenza della pompa.
• In filtrazione di particelle, la pressione applicata è la driving force dell’operazione. Una variazione di pressione può modificare quindi l’efficacia della filtrazione.
• Pressurizzazione di un ambiente, di confezione di alimenti, ad esempio.

Le perdite di carico possono essere distribuite lungo la sezione o concentrate. Aumentano con il quadrato della velocità di flusso e linearmente all’aumentare del coefficiente di frizione (f), alla lunghezza della tubazione (l), alla densità del fluido, e al diminuire del diametro.

Il coefficiente di frizione f cambia a seconda del tipo di moto, dal numero di Reynolds, ed in caso di tubazioni lisce. Se la tubazione è rugosa dipende anche dal grado di rugosità della superficie. Il fouling (incrostazione) può cambiare le caratteristiche di rugosità della superficie.

In base al tipo di fluido e di flusso cambia la velocità indicativa di scorrimento (es: per fluido poco viscoso, soggetto alla forza di gravità 0,2/0,3 m/s; per fluidi viscosi soggetti ad aspirazione da parte di una pompa 0,1/0,2 m/s).

Trasferimento di fluidi da un punto A ad un punto B di una linea, mediante l’uso di pompe

Pompa: macchina che permette di trasferire un fluido tra diversi punti di una linea, con la portata desiderata, fornendo l’energia (pressione) necessaria per superare le resistenze. Per fare ciò è necessario:

• Che la pompa sia in grado di ricevere il fluido.
• Che il punto di destinazione del fluido sia compatibile per distanza/altezza con le potenzialità della pompa (prevalenza).
• Che la pompa non vada in cavitazione (la cavitazione è un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore all’interno di un fluido, che poi implodono producendo un rumore caratteristico).

La prevalenza h indica la pressione esercitata da una pompa, che varia al variare della portata, poiché al variare della portata variano le perdite di carico al suo interno. La dipendenza tra prevalenza e portata è molto diversa in funzione del tipo di pompa.

B/A = caratteristica tipica delle pompe centrifughe, la cui pendenza può variare in funzione del numero delle giranti o dell’inclinazione delle palette.

C = per pompe volumetriche che trattano portate volumetriche di fluido praticamente indipendenti dal fluido dal salto di pressione ai loro capi.

La pompa muove il fluido dalla tubazione in ingresso alla pompa (ASPIRAZIONE) e lo trasferisce superando la pressione in uscita (MANDATA). Per fare questo compie un lavoro legato alla potenza, ovvero all’energia elettrica assorbita. La mandata del fluido crea un effetto aspirazione che consente al fluido presente nella tubazione di entrare nel corpo.

Aspirazione: la pressione atmosferica che si esercita sul fluido è l’energia disponibile per spingere il fluido nella pompa. Il dislivello negativo riduce l’energia disponibile fino potenzialmente ad impedire l’azione della pompa.

Ogni cambiamento di direzione del flusso crea perdite di carico. Devono essere calcolate e sottratte dall’energia disponibile necessaria per far entrare il fluido nel corpo della pompa. Se la pressione del fluido all’ingresso non è sufficiente, la pompa opererà con portate inferiori al previsto o non opererà del tutto.

La pressione del fluido all’ingresso è in relazione con la probabilità che parte del fluido entri in fase vapore, aumentando il rischio di cavitazione. Se la pressione in ingresso della pompa diventa inferiore alla pressione di vapore del liquido a quella temperatura, il fluido entra in ebollizione formando bolle di vapore nel liquido.

A causa dell’aumento di pressione generato dall’azione della girante della pompa, collassano tra loro dando origine a bolle più grandi che riducono la portata del fluido in mandata.

Altre cause di cavitazione possono essere:

• Temperature troppo alte del liquido da pompare
• Ingresso di aria nel liquido
• Malfunzionamenti che aumentano la velocità

Ogni pompa è caratterizzata da un proprio valore minimo di pressione in ingresso NIPR (il quale valore deve essere fornito dalla casa costruttrice), la pompa viene quindi alimentata in modo tale da assicurare una pressione del fluido in ingresso al corpo della pompa NIPA sia superiore al valore di NIPR.

NIPA > NIPR

I fattori che intervengono sulla pressione del fluido in ingresso nel corpo della pompa sono diversi, tra i quali troviamo:

• Velocità di rotazione della girante della pompa (nel caso di pompe centrifughe)
• Diametro della linea di alimentazione della pompa
• Lunghezza della linea di alimentazione alla pompa (comprese le caratteristiche di perdite di carico)
• Dislivello positivo

Conviene usare una piccola vasca di alimentazione a livello costante se si usa una pompa a centrifuga, in tal modo si ha una pressione in ingresso costante, secondo il principio di Torricelli e Bernoulli.

Come riempire il serbatoio? Si hanno due possibilità, dall’alto o dal basso.

Dal basso, aumentano le perdite di carico a causa della maggiore pressione statica esercitata dal fluido che si va ad accumulare.

Dall’alto, è meglio per la gestione delle perdite di carico, ma occorre valutare e gestire il rischio di formazione di schiuma (assente nel caso dell’acqua ma possibile in altri fluidi proteici).

POMPA CENTRIFUGA Composta da una parte rotante chiamata girante ed una parte statica chiamata corpo della pompa entro cui si muove il fluido accelerato dalla forza centrifuga impressa dalla rotazione della girante.

Girante Converte l’energia cinetica in energia di pressione. Le pompe centrifughe non sono adatte per fluidi viscosi, ed inoltre non sono autoadescanti, nel senso che non sono in grado di aspirare fluidi da dislivelli negativi. Si ha un rapporto inverso tra portata e prevalenza.

Sul tubo di mandata è opportuna la presenza di una valvola di non ritorno per impedire il reflusso del fluido una volta che la girante è stata spenta.

Nella pompa centrifuga:

• La portata varia linearmente con la velocità di rotazione
• La pressione sviluppata (Pa) varia linearmente con il quadrato della velocità di rotazione della girante (prevalenza)
• La potenza assorbita varia linearmente con il cubo della velocità di rotazione (attenzione, quindi, ai consumi energetici)
• Mettendo in serie due pompe centrifughe si ottiene una prevalenza totale data dalla somma delle singole prevalenze.

Due pompe in parallelo:

Si ha prevalenza uguale, ma somma delle portate.

Due pompe in serie:

Si ha portata uguale, ma somma delle prevalenze.

Nel momento in cui si deve scegliere la pompa centrifuga per andare a creare la nostra linea produttiva, occorre definire:

• Portata (in base alle esigenze)
• Prevalenza (in base alla localizzazione del fluido da trasferire)

Sul grafico della pompa di individua la girante che corrisponde alle nostre esigenze. Definita la girante si individua la potenza sulla base del valore di NIPR. Per ogni pompa, la ditta costruttrice fornisce una scheda tecnica su cui sono indicate le informazioni necessarie.

Come è possibile, però, fornire una portata variabile di fluido?

• È possibile usare pompe differenti con caratteristiche adeguate
• Regolare la portata della pompa centrifuga con valvole ad apertura variabile o orifizi tarati in modo tale che si inducano perdite di carico concentrate
• Modificando la frequenza del motore, ovvero variando il numero di giri

POMPA CENTRIFUGA AUTOADESCANTE Serve in applicazioni particolari, come ad esempio per caricare il latte su autobotti. Sono pompe in grado di operare con liquidi che liberano gas o che formano schiuma, oppure con i tubi di aspirazione. Sono anche utili per la ripresa dei lavaggi CIP.

POMPA POSITIVA Può essere rotativa oppure alternativa. Viene trasferita una quantità precisa e costante indipendentemente dalla resistenza al flusso offerta dal sistema. Il trasporto del fluido ad intervalli regolari. Non c’è limite teorico alla prevalenza se non quello della potenza della pompa.

POMPA POSITIVA ROTATIVA

1. Aspirazione, il liquido entra nel corpo della pompa
2. Il liquido riempie una camera a capacità prefissata delimitata dallo spazio tra i due rotori ognuno con i 2 o 3 lobi
3. Mandata, dove il liquido viene trasferito

POMPA POSITIVA A MOVIMENTO ALTERNATO Il movimento alternato di un pistone aspira il fluido e lo manda in modo discontinuo.

CARATTERISTICHE GENERALI DA CONSIDERARE PER SCEGLIERE UNA POMPA Il trasferimento del fluido deve rispondere a specifici requisiti di processo e alla natura del fluido stesso.

• Prevalenza. Distanza cui deve essere trasferito il fluido [prevalenza pompe positive > prevalenza pompe centrifughe]
• Portata. In funzione del tempo a disposizione
• Flusso. Costanza della portata del tempo. le pompe positive assicurano un flusso costante
• Capacità di AUTOADESCAMENTO

Generalità di trasporto di calore e proprietà fisiche degli alimenti

Generalità: Scambio di calore spontaneo: caldo freddo modalità di scambio di calore:

• Conduzione (solidi)
• Convezione (fluidi)
• Irraggiamento (corpo nero, energia elettromagnetica)

Il trasporto di calore è definito:

• In stato stazionario, quando la quantità di calore che fluisce da un punto all’altro del sistema per unità di tempo è costante, e la temperatura di ogni punto del sistema, pur essendo diversa, non cambia nel tempo. È una condizione di equilibrio termico
• In stato transitorio, quando in un sistema la temperatura cambia in funzione del tempo e dello spazio, quindi in ogni punto. È una condizione di disequilibrio

Scambio di calore conduttivo La quantità di calore (qx) trasmessa nell’unità di tempo attraverso una superficie A è proporzionale alla differenza di temperatura ma inversa alla resistenza R, data dallo spessore.