Operazioni unitarie delle tecnologie alimentari - domande

I

a = P / P P = pressione vapore dell’acqua nel prodotto

w I

P = pressione vapore dell’acqua pura (tabulato e dipende dalla t°)

Questo valore è importante perché influisce sulla velocità delle reazioni che portano al deterioramento del prodotto

alimentare; più l’acqua è libera e più queste reazioni sono veloci, se l’acqua è molto legata le reazioni avvengono più

lentamente.

I principali cambiamenti sono:

- Cristallizzazione degli zuccheri

- Rigonfiamento dei sistemi colloidali

- Presa in massa di materiali cristallizabili

E sono dovute da:

- Sviluppo microbico

- Reazioni chimiche

- Reazioni enzimatiche

- Modificazioni fisiche.

18. Illustrare le isoterme di absorbimento/desorbimento ed il loro significato per i prodotti alimentari

Le isoterme di adsorbimento o isoterme di desorbimento, (a seconda che il fenomeno sia valutato idratando

progressivamente un prodotto disidratato adsorbimento, oppure disidratando progressivamente un prodotto umido  5

desorbimento) sono l’espressione Attraverso dei grafici dell’igroscopicità (la

relazione tra quantità di acqua in un prodotto e la sua attività dell’acqua).

Le isoterme sono tipiche di ciascun prodotto, e la loro forma dipende dalla

natura della matrice: in generale si può dire che a bassi livelli di attività

dell’acqua i prodotti contenenti biopolimeri, come l’amido e le proteine,

appaiono i più igroscopici. Mentre invece ad attività dell’acqua più elevate

sono nettamente più igroscopici i prodotti che hanno elevati contenuti di sali e

zuccheri a basso peso molecolare. Le sostanze grasse sono evidentemente

molto poco igroscopiche.

A. Zona delle umidità relative più basse (0-20%),nella quale l’acqua è fortemente legata (forte riduzione della pressione di

vapore) ed ha una elevata energia di adsorbimento. L’acqua in questa zona si definisce acqua fortemente legata, e non è

in grado di svolgere funzioni di solvente. Le forze che trattengono le molecole di acqua sono molto forti, e sono

prevalentemente forze di Van del Waals (forze di adsorbimento, di natura fisica).

B. Zona delle umidità relative intermedie (20-65%), in cui l’acqua è ancora abbastanza fortemente legata e le molecole

sono ordinatamente orientate in strati sovrapposti. In generale fino a questo livello di umidità l’acqua è incongelabile e

viene comunemente indicata come acqua legata.

C. Zona di umidità relative elevate (65-100%) in cui le molecole di acqua non sono legate al prodotto da forze di natura

chimico-fisica, ma sono libere e disposte disordinatamente. In questa zona l’acqua è libera di condensare e la diminuzione

della sua pressione di vapore è dovuta essenzialmente a forze di capillarità, tanto più intense quanto più piccolo è il

diametro dei pori. In questa zona la diminuzione della pressione di vapore è anche dovuta alla pressione osmotica

determinata dalla presenza di soluti.

19. Descrivere l’operazione di essiccamento in corrente d’aria in termini fenomenologici ed illustrare le cinetica del processo

Il prodotto da essiccare è investito da una corrente d’aria

calda, alimentata tangenzialmente e/o in direzione normale

rispetto al piano su cui è disposto il prodotto. Alla superficie

del prodotto si hanno due fenomeni simultanei di trasporto:

• un trasporto di calore convettivo dall’aria calda

alla superficie del prodotto per effetto della

differenza di temperatura fra aria e prodotto, con

conseguente riscaldamento della superficie del

prodotto.

• un trasporto di materia (acqua allo stato di

vapore) convettivo dalla superficie del prodotto

all’aria per effetto della differenza di pressione di

vapore d’acqua fra prodotto e aria, con conseguente

disidratazione della superficie.

Questi due fenomeni, che avvengono all’interfaccia tra prodotto e aria, sono interdipendenti, nel senso che l’acqua alla

superficie del prodotto evapora grazie all’apporto di calore latente di evaporazione da parte dell’aria calda. Se non vi fosse

differenza di temperatura tra aria e prodotto e dunque non vi fosse apporto di calore da parte dell’aria verso il prodotto,

l’evaporazione cesserebbe. Altresì, se non vi fosse differenza di pressione di vapore d’acqua tra prodotto e aria,

l’evaporazione cesserebbe. I due fenomeni di trasporto sono tanto più rapidi, quanto maggiore è la superficie di scambio,

quanto maggiore è la differenza di temperatura e di pressione di vapore tra l’aria e la superficie del prodotto e quanto

maggiore sono i coefficienti di trasporto convettivo di calore e di materia. In conseguenza del trasporto di calore e di

materia alla superficie del prodotto si instaurano due conseguenti fenomeni di trasporto all’interno del prodotto:

• un trasporto di calore per conduzione in regime non stazionario dalla superficie verso l’interno con

conseguente riscaldamento dell’interno del prodotto.

• un trasporto di materia (acqua allo stato liquido) per diffusione in regime non stazionario dall’interno verso

la superficie del prodotto con conseguente disidratazione dell’interno del prodotto.

20. Descrivere il processo di essiccamento con spry-dryer (disegnando uno schema dell’impianto) e l’instantaneizzazione

delle polveri

L’essiccamento spray è il sistema più importante di essiccamento di prodotti

liquidi ed è adottato correntemente per l’essiccamento di latte e derivati,

estratti di caffè e di orzo, succhi di frutta, lieviti, ecc. Il prodotto liquido viene

nebulizzato in una camera in cui viene in contatto con aria molto calda. Le

maggiori differenze rispetto agli essiccatori a letto fluido sono lo stato fisico

del prodotto trattato (fluido in quelli spray, solido in quelli a letto fluido), il

tempo di residenza (5-100 s per quelli spray, 1-300 min per quelli a letto

fluido), le dimensioni delle particelle essiccate (10-500 μm per quelli spray,

10-3000 μm per quelli a letto fluido).

La prima è la fase di nebulizzazione del prodotto nella corrente d’aria

calda. Il prodotto viene inviato mediante una pompa positiva ad un

atomizzatore generalmente ad ugelli ad alta pressione o di tipo centrifugo

(Fig. 33). Si forma un sottile film di liquido che a contatto con l’aria si rompe

per effetto della tensione superficiale in forma di goccioline. La finezza e

l’omogeneità della nebulizzazione sono essenziali per un buon 6

funzionamento dell’impianto; esse dipendono in modo diretto dalla velocità di rotazione degli atomizzatori centrifughi e dal

valore della pressione degli atomizzatori ad ugelli e, in modo inverso, dalla tensione superficiale del prodotto. In generale,

gli atomizzatori ad ugello producono gocce con diametri di 150-250 μm, mentre quelli centrifughi danno gocce di 50-125

μm. L’aria, che proviene da un riscaldatore indiretto o da un bruciatore, è filtrata e viene alimentata a temperature

comprese fra 180 e 220 °C, generalmente in equicorrente rispetto al flusso del prodotto nebulizzato, per minimizzare il

danno termico.

La seconda fase è quella di essiccamento all’interno di una camera, in genere di forma tronco conica. Il dimensionamento

della camera è un fattore critico di efficienza; si deve far in modo che le gocce siano già ben essiccate quando

raggiungono le pareti della camera di essiccamento, altrimenti vi aderiscono e vi rimangono per lunghi tempi subendo una

forte degradazione. In alcuni casi le pareti della camera sono tenute pulite da spazzole o da sistemi vibranti, che

provvedono a rimuovere continuamente le polveri che vi aderiscono.

La terza fase prevede il recupero delle polveri e lo scarico dell’aria. Vi sono all’interno della camera di essiccamento due

punti di scarico delle polveri: uno all’estremità inferiore della camera per le particelle di maggiori dimensioni, che

decantano per gravità, l’altro posto ad una certa altezza all’interno della parte conica della camera, attraverso il quale

escono l’aria esausta e le particelle più fini. Le particelle più fini vengono inviate ad un ciclone per separarle dall’aria in cui

sono in sospensione. La miscela polveri-aria entra tangenzialmente nella parte alta del ciclone e si mette in rotazione

attorno al tubo centrale. Per effetto centrifugo le particelle solide vanno verso la parete del ciclone e per gravità cadono

sul fondo, all’interno di una valvola ad alveoli, che, ruotando a scatti permette lo svuotamento del ciclone senza

comprometterne la tenuta. L’aria esce invece in alto dal foro centrale d’uscita del ciclone, aspirata da un ventilatore. L’aria

uscente, poiché può contenere ancora particelle molto fini, passa attraverso un altro ciclone (di piccolo diametro per

essere più efficace) oppure attraverso un filtro a maniche oppure attraverso un abbattitore “scrubber”) a pioggia d’acqua

oppure attraverso sistemi misti ciclone — filtro a maniche o ciclone — “scrubber”. L’aria esausta e così depurata viene

infine scaricata a temperature variabili tra 100 e 130 °C.

Una caratteristica importante di un prodotto in polvere è la sua reidratabilità, cioè la rapidità e completezza con cui può

essere disciolto in acqua. Si è osservato innanzitutto che le polveri più fini si reidratano con maggiore fatica di quelle

grosse e quelle più leggere più difficilmente di quelle a maggiore densità. Per questo motivo le polveri fini che si ottengono

in un essiccatore spray non sono generalmente riunite al resto delle polveri ma vengono riciclate per favorirne

l’agglomerazione con le polveri che si vanno formando nell’essiccatore. Ciò avviene generalmente a livello

dell’atomizzatore. Oltre a ciò si può effettuare un’operazione di agglomerazione ed essiccamento supplementare delle

polveri, che viene detta istantaneizzazione e che ha come conseguenza rendere “istantaneamente” reidratabili le polveri.

In pratica, le polveri uscenti dall’essiccatore spray vengono disperse in una camera in cui si invia dell’acqua finemente

nebulizzata o del vapore saturo; questo bagna la superficie delle particelle e ne provoca l’agglomerazione in ammassi più

o meno grandi in cui le singole particelle hanno uno o pochi punti di contatto; si genera così una struttura molto porosa.

Successivamente tali aggregati di particelle sono definitivamente disidratati in essiccatori a letto fluido.

Risultati analoghi si possono ottenere con sistemi di istantaneizzazione “diretta” senza fase di umidificazione. In questo

caso le polveri escono dall’essicc