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Operazioni unitarie delle tecnologie alimentari - quesiti

Quesiti di Operazioni unitarie delle tecnologie alimentari per l'esame della professoressa Giovanelli su: Dimensioni e unità di misura. Bilanci materiali. Statica e dinamica dei fluidi. Fenomeni di scorrimento e reologia dei fluidi. Trasporto di calore per conduzione e convezione. Evaporazione. Pastorizzazione e sterilizzazione termica. Essiccamento in corrente d'aria e liofilizzazione. Decantazione... Vedi di più

Esame di Operazioni unitarie delle tecnologie alimentari docente Prof. G. Giovanelli

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7.Spiegare il sistema di recupero energetico mediante compressione meccanica e termocompressione del

vapore negli evaporatori

Nella compressione meccanica il vapore liberatosi dal prodotto in concentrazione viene inviato ad un

compressore; la compressione meccanica del vapore comporta un aumento della sua pressione e della sua

temperatura. Poichè il vapore in uscita dal compressore è surriscaldato, e spesso ha una temperatura più

elevata di quella che si desidera nello scambiatore di calore, il vapore compresso viene raffreddato fino ad

avere la temperatura prevista nell’impianto. Infatti l’utilizzo di vapore di riscaldamento a temperature

troppo elevate può causare danno termico del prodotto dovuto a surriscaldamento in prossimità della

parete e fenomeni di fouling. Per poter esser utilizzato come vapore di riscaldamento, il vapore deve

essere privo di sostanze corrosive e di altre impurità che possono sporcare o danneggiare le superfici dello

scambiatore di calore.

La termocompressione consiste nel recupero parziale del vapore prodotto nell’ebollizione, che viene

miscelato a del vapore vivo ad alta pressione (mss) per ottenere un vapore con l’entalpia desiderata (alla

temperatura desiderata). In pratica il vapore di riscaldamento che si alimenta nell’evaporatore è costituito

da una miscela di vapour (mv) e di mss che costituisce lo steam di riscaldamento (ms). La

termocompressione è tanto più efficace quanto è più basso il Δθ.

Il dispositivo normalmente utilizzato per ottenere la termocompressione del vapore è l’eiettore. L’eiettore

è costituito da un ugello che produce un getto di vapore vivo a velocità supersonica, in cui l’energia

potenziale (pressione) del vapore è convertita in energia cinetica. Il vapore di riciclo viene aspirato

intorno a questo getto. Vapore vivo e vapore di riciclo si miscelano poi nella sezione convergente del tubo

di venturi dove vengono completamente miscelati nella sezione minima. Nella zona divergente del tubo di

venturi l’energia cinetica del vapore viene nuovamente convertita in pressione e si ottiene il vapore di

riscaldamento che viene alimentato nell’evaporatore. La pressione di scarico del vapore prodotto è sempre

intermedia tra quella del vapore vivo e quella del vapore di riciclo. In genere, per un salto termico fra

vapore di riciclo e vapore miscela di circa 5°C, la termocompressione permette una economia di vapore

pari a quella di un secondo effetto.

17.Descrivere i sistemi di risparmio energetico nell'operazione di evaporazione.

Singolo effetto: Il calore latente del vapore che si è prodotto dall’ebollizione della soluzione da

concentrare viene ceduto all’acqua di raffreddamento e viene perso. Consumo di vapore vivo:1-1.2 kg per

ogni kg di acqua evaporata.

Multiplo effetto: Negli evaporatori a multiplo effetto il vapore che si è prodotto dall’ebollizione della

soluzione non viene condensato e scaricato, ma viene utilizzato come vapore di riscaldamento per un

secondo evaporatore. Quindi più evaporatori sono collegati tra di loro, in modo che il vapore prodotto in

un primo evaporatore (effetto) vada nel secondo evaporatore (effetto) dove diventa vapore di

riscaldamento; il vapore prodotto nel secondo evaporatore (effetto) diventa il fluido di riscaldamento di

un ulteriore evaporatore (effetto) e così via. Il primo effetto è quello dove viene alimentato il vapore vivo.

Perchè avvenga ebollizione in tutti gli effetti, la temperatura e quindi la pressione di ebollizione devono

diminuire passando agli effetti successivi. Ciò è necessario in quanto il vapore prodotto nel primo effetto

può cedere calore e condensare solo se scambia contro un prodotto che bolle a temperatura inferiore

(senza Δθ non ci può essere scambio di calore). I diversi effetti sono collegati in cascata al sistema del

vuoto, e le perdite di carico tra un effetto e l’altro provocano un aumento della pressione man mano che ci

si allontana dalla pompa da vuoto. Δθ= (θs-θ1)+(θ1- θ2)+(θ2-θ3) = θs-θ3

La limitazione al numero di effetti è dovuta alla differenza di temperatura massima nell’impianto ( sopra

una certa temperatura ce il rischio di provocare surriscaldamento e danno termico al prodotto mentre la

temperatura minima di ebolizione nell'ultimo effetto dipende dall'efficienza del istema a vuoto. Gli effetti

si numerano nel senso della circolazione del vapore. Gli evaporatori a multiplo effetto possono essere

alimentati in equicorrente o in controcorrente. Nel primo caso il prodotto da concentrare e il vapore

fluiscono nella stessa direzione. Il vantaggio di tale assemblaggio è che il prodotto si trova alle

temperature superiori quando è ancora diluito, e perciò meno sensibile al danno termico. Per contro, il

prodotto più concentrato e quindi più viscoso si trova nell’effetto a temperatura inferiore, con una

conseguente minore efficienza di scambio termico dovuta all’elevata viscosità. Nell’alimentazione in

controcorrente l’efficienza dello scambio termico è massimizzata, perchè il prodotto più concentrato e

quindi più viscoso è trattato a temperatura più elevata: in questo caso il danno termico è invece maggiore

(i prodotti concentrati sono più sensibili al danno termico dei prodotti diluiti).

Economia ennergetica di un evaporatore

Si definisce come economia di un evaporatore il rapporto tra portata del vapore consumato e portata

dell’acqua evaporata. Rappresenta dunque i kg di vapore necessari per evaporare 1 kg di acqua: Economia

= E = ms / mv Il prodotto da concentrare viene preriscaldato per scambio indiretto con il concentrato

uscente o con il vapore proveniente dal separatore. Un metodo efficace e il Recupero delle condense, che

sono costituite da acqua a temperatura media o alta a seconda degli effetti. La condensa del I effetto,

proveniente dal vapore vivo è costituita da acqua pura (distillata), e viene generalmente riciclata alla

caldaia che produce vapore; si ha recupero energetico corrispondente al calore sensibile posseduto dalla

condensa e si elimina l’esigenza di addolcire o deionizzare l’acqua alimentata in caldaia. Questo non è

generalmente possibile per condense che provengono dagli effetti successivi, poiché contengono delle

impurezze

18.Disegnare un impianto completo, dalla vaschetta di alimentazione alla pompa da vuoto,

di un evaporatore a tubi lunghi a film ascendente.

EVAPORATORE A TUBI LUNGHI :

L’efficienza dello scambio termico è migliorata negli evaporatori a tubi lunghi (5-7 m) di diametro

inferiore (3-5 cm).

-a film ascendente: il succo circola naturalmente all’interno dei tubi trascinato dal vapore.

È utilizzato per prodotti con bassa viscosità. Disegno slide cap 13.

Dal libro:

Alcuni svantaggi degli evaporatori a tubi corti sono stati ridotti con l’adozione di tubi lunghi (5-7 m), di

minore diametro (3-5 cm), a film ascendente (evaporatore tipo Koestner). Disegno libro pag 141.

Il vapore che si forma quasi alla base del tubo trascina un film di liquido lungo la superficie di scambio,

con miglioramento del coefficiente di trasporto di calore ed una riduzione del volume di liquido

nell’impianto.

La soluzione concentrata viene allontanata dalla sommità dei tubi dopo un solo passaggio, oppure viene

riciclata attraverso una tubazione di piccolo diametro.

L’effetto di circolazione naturale risulta in questo caso molto maggiore che nell’evaporatore a tubi corti.

Gli evaporatori a lunghi tubi verticali a film ascendente comportano un surriscaldamento del liquido nella

parte inferiore della tubazione, per la pressione idrostatica della colonna di liquido e le perdite di carico

che si hanno nel moto verso l’alto di liquido e vapore.

Gli evaporatori a film ascendente sono usati per diverse applicazioni in campo alimentare: derivati del

latte, succhi di frutta, industria saccarifera; possono trattare con efficacia liquidi non molto viscosi, anche

schiumeggianti.

Non sono però adatti a all’evaporazione di sostanze che tendono a formare incrostazioni, che

diminuirebbero considerevolmente l’efficienza dello scambio.

Illustrare come si risolvono i bilanci energetici nell’evaporazione.

19)

BILANCI DI ENTALPIA NELL’EVAPORAZIONE

I bilanci di entalpia nell’evaporatore si risolvono trascurando le dispersioni di calore, trascurando la

presenza di incondensabili e trascurando la piccola variazione di temperatura che esiste tra il vapore

condensante in ingresso e le condense in uscita.

Bilancio di entalpia

Hin=Hout

Hin=entalpia in ingresso

Hout=entalpia in uscita

m .H +ms.Hs=m.H+mv.Hv+mcHc

f f

m=portata in massa concentrato

H=entalpia concentrato

=entalpia vapore

m =portata in massa condensa

c

H =entalpia condensa

c

Per quanto riguarda lo steam:

θs=θc

θc=temperatura condensa

ms.Hs–mc. Hc=ms.Λs

mc=portata in massa condensa

Hc=entalpia condensa

Λs=calore latente di evaporazione

ms.Λs= m.H +mvHv-mf.Hf

m=portata in massa concentrato

Se si considera come livello di entalpia 0 la temperatura di evaporazione, cioè θ =θ allora:

rif eb

θ = θ riferimento

rif

θ = θ ebollizione

eb

mf.Hf= mf.Cpf.(θf- θe) m.H=0

ms.Λs=mv. Λv-mf.Cpf (θf - θe)

quindi:

ms.Λs=mv. Λv+mf.Cpf (θe - θf)

ILLUSTRARE IL PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEGLI SCAMBIATORI DI CALORE

INDIRETTI E DESCRIVERE DETTAGLIATAMENTE UN IMPIANTO A SCELTA.

Quando la sorgente di calore è acqua calda o vapore acqueo che è stato a sua volta precedentemente

riscaldato con metodi diretto, parliamo di scambiatori di calore indiiretti.

Gli scambiatori di calore indiretti comprendono:

-scambiatori a vasca ad intercapedine

-scambiatori a piastre

-scambiatori tubulari a loro volta distinti in:

a serpentino

a doppio e triplo tubo

a fascio tubiero

-scambiatori a film agitato

-scambiatori a spirale: sono costituiti da due lunghe strisce metalliche avvolte a spirale e saldate al centro

in modo da generare due percorsi distinti a spirale.

Lo spessore dello spazio fra due piastre è fissato con distanziatori fra i 5 e i 25 mm, in funzione delle

caratteristiche del fluido trattato, e può essere diverso per prodotto e fluido do servizio.

Lo scambiatore a spirale ha, in ragione dell’elevata superficie, una buona efficienza.

La distribuzione del fluido sulla superficie di scambio è in generale ottima, senza spazi morti.

Insieme allo scambiatore a piastre, è il più compatto, potendo assemblare in un unico apparecchio fino a

2

500 m e, a seconda della necessità, si impiegano diversi apparecchi.

La flessibilità è evidentemente nulla, essendo definiti per ogni impianto fin dalla costruzione, la superficie

di scambio ed il modo di funzionamento.

L’accessibilità della superficie di scambio ad ispezioni ed interventi diretti è modesta o buona a seconda

delle dimensioni.

Sezione di uno scambiatore a spirale funzionante in controcorrente. Disegno pag 51 libro.

In un unico apparecchio compatto si possono avere superfici di scambio molto elevate.

ILLUSTRARE GLI SCAMBIATORIA SUPERFICIE RASCHIATA E DESCRIVERNE LE MODALITà

DI FUNZIONAMENTO.

Questi scambiatori, detti anche Votator, sono costituiti da un tubo ad intercapedine nell’interno del quale

ruota un cilindro (rotore) portante delle lame raschianti.

Il prodotto viene pompato ad un’estremità del cilindro e fluisce verso l’altra estremità mentre è mantenuto

in agitazione e continuamente rinnovato alla superficie di scambio dal moto del rotore con le lame.

Il fluido di servizio scorre nell’intercapedine. Disegno pag 48.

Gli scambiatori di calore a film agitato sono stati messi a punto per riscaldare, raffreddare o congelare

prodotti ad elevata viscosità, anche contenenti materiali fibrosi in sospensione.

Possono operare da -35°C a 180°C ed utilizzare come fluido di servizio dal vapore all’acqua, al

“dowtherm” per il riscaldamento oppure acqua gelata, salamoia o sistemi ad espansione diretta per il

raffreddamento.

L’agitatore a lame svolge un ruolo fondamentale nel rinnovare continuamente il fluido a contatto della

parete favorendo il trasporto di calore minimizzando le incrostazioni e mantenendo omogenea la

temperatura del prodotto.

Il prodotto, che viene alimentato con una pompa positiva, può percorrere un solo o più cilindri, assemblati

in serie o in parallelo a seconda del trattamento da realizzare.

Esistono diverse varianti allo schema costruttivo fondamentale a seconda della ditta costruttrice e delle

esigenze di lavoro.

In alcuni apparecchi ad esempio il rotore è internamente cavo ed anche in esso circola il fluido di servizio

per favorire un più rapido scambio di calore.

In altri casi il rotore è montato eccentricamente rispetto al cilindro per migliorare il rimescolamento e

minimizzare gli effetti di spostamento in massa che spesso si verificano con prodotti pastosi o semi-solidi.

Le lame raschianti sono fissate rigidamente al rotore quando si devono trattare prodotti fortemente

abrasivi come miscele di grassi o zucchero: in questi casi si fissa una piccola distanza fra le lame ed il

cilindro.

Nella maggior parte dei casi le lame sono incernieriate sul rotore e mantenute in pressione elastica contro

la superficie di scambio.

Per prodotti estremamente viscosi la forma delle lame è a spirale.

Negli scambiatori a film agitato molto spesso la resistenza maggiore al trasporto di calore è quella offerta

dalla parete metallica che separa il fluido di servizio dal prodotto.

Si tende pertanto a ridurre lo spessore, compatibilmente con le esigenze di rigidità e di resistenza

meccanica ed a sostituire l’acciaio inossidabile con leghe di nichel e cromo, se non vi sono

controindicazioni con l’aggressività dei prodotti trattati.

Inizialmente impiegati nella produzione in continuo della margarina, gli scambiatori a film agitato hanno

ora una diffusione larghissima come impianti continui di cottura, raffreddamento, pastorizzazione,

congelamento in crioconcentrazione ecc.

Questi apparecchi consentono il trattamento dei più diversi materiali: da impasti di farine a concentrati di

latte e di succhi vegetali, puree di frutta, creme, gelati, budini ed altri prodotti gelificati.

In scambiatori di questi tipo vengono cotti e presterilizzati gli omogeneizzati per l’infanzia ed altri

impasti e miscele destinate al condizionamento o all’essiccamento.

Riassumendo, gli scambiatori a superficie raschiata sono molto efficienti, consentono valori elevati del

coefficiente globale si scambio ed avendo un’elevata superficie specifica di scambio

Essi hanno requisiti igienici ottimi.

Tra le limitazioni possiamo indicare la limitata capacità complessiva, la scarsa elasticità e, soprattutto il

costo elevato.

Ciò non toglie che questi scambiatori siano praticamente i soli a poter trattare prodotti semi-solidi e

pastosi aventi comportamento non-newtoniano.

Spiegare com'è fatta e come funziona la centrifuga orizzontale tipo decanter.

Il Decanter centrifugo sfrutta la differenza di densità tra l’acqua e i solidi in sospensione in un fango da

depurazione civile. Tale differenza viene aumentata esponenzialmente dalla forza centrifuga prodotta

dalla rotazione del tamburo tronco-conico del Decanter. All’interno del tamburo una vite senza fine

denominata coclea spinge il fango addensato verso una estremità lasciando uscire l’acqua con una

percentuale di solidi inferiore verso l’altra estremità. Agendo sulla velocità del tamburo e sulla differenza

di velocità tra tamburo e coclea è possibile ottenere in uscita un fango addensato (ispessito) in maniera

variabile. Questo risulta di notevole importanza in funzione del carico di fanghi da trattare. È quindi

l’operatore che sceglie il grado di ispessimento richiesto e non la macchina, che può dare sempre e solo il

massimo ispessimento per il determinato carico ricevuto.

L’utilizzo di un Decanter per l’ispessimento dei fanghi riduce di molto l’utilizzo dei flocculanti. Questo

perché la notevole forza centrifuga sviluppata agisce molto più rapidamente sui fiocchi che si formano e

quindi il prodotto deve permanere all’interno per un tempo inferiore rispetto ad un ispessitore dinamico.

Inoltre, in alcuni casi nei quali una non eccellente chiarificazione della fase liquida possa essere ritenuta

accettabile, il Decanter può lavorare anche in assenza di condizionamento chimico. Il decanter ha un

duplice utilizzo. La concezione del Decanter ed il suo impiego principale è la disidratazione dei fanghi.

Questo fa’ si che alla bisogna un Decanter che normalmente viene impiegato per l’ispessimento possa

essere utilizzato per la disidratazione, alleggerendo così il carico della sezione successiva dell’impianto.

Ovviamente per questo utilizzo si rende indispensabile l’aggiunta di un flocculante

Descrivere le pompe centrifughe e le pompe positive.

Illustrare gli scambiatori di calore a superficie raschiata e funzionamento.

Gli scambiatori di calore a superficie raschiata, nei quali un albero dotato di palette viene fatto ruotare per

rimuovere il prodotto dalle pareti di scambio termico, sono appropriati per il riscaldamento e il

raffreddamento di prodotti alimentari delicati.

Disegnare lo schema di un’autoclave statica con i sistemi di controllo e descrivere il suo

funzionamentoL’autoclave è un impianto discontinuo è semplice la sua costruzione, è facile il suo

mantenimento ed è poco costoso.Quella tradizionale è cilindrica e al suo interno vengono posti i prodotti

da sterilizzare in un cesto metallico. Il vapore viene insuflato dal basso mediante opportuni distributori e

la condensa, per gravità, viene scarica anchessa dal basso. Costituito anche da un manometro e da un

termometro per verificare le condizioni attuali di lavoro perché la pressione deve essere maggiore della

temperatura del vapore saturo; per migliorare questo parametro bisogna far uscire l’aria da una valvola. Al

termine si interrompe il vapore e si fa entrare acqua (o altro) per raffreddare i contenitori. Durante il

processo i contenitori si potrebbero aprire o rompere, per non far avvenire ciò oltre all’acqua si fa entrare

aria in pressione in modo da bilanciare le pressioni.

Spiegare i principi della liofilizzazione e descrivere il processo dei prodotti alimentari

La liofilizzazione è l’operazione di disidratazione che meglio minimizza il danno tecnologico sul

prodotto, preservandone la qualità sensoriale e nutrizionale. Il costo elevato dell’operazione ne ha però

spesso limitato l’utilizzo ad alimenti con elevato valore commerciale come le bevande nervine, gli

alimenti dietetici per l’infanzia e particolari prodotti della pesca. Nella liofilizzazione la disidratazione

avviene per sublimazione del ghiaccio, portando il sistema acquoso al di sotto del punto triplo. Il prodotto

viene prima raffreddato a temperature comprese tra –10 e –35 °C; l’acqua passa in tal modo dallo stato

liquido allo stato solido. Si fa quindi il vuoto raggiungendo pressioni residue corrispondenti alla pressione

di vapore del ghiaccio alla temperatura d’esercizio . Infine si disidrata il prodotto per sublimazione,

fornendo il necessario calore latente mediante conduzione o irraggiamento.

La distribuzione dei diversi componenti in un liofilizzato è la stessa che si ha nel prodotto di partenza.

Poiché la temperatura dell’intero trattamento è bassa, è anche possibile ridurre tutti i fenomeni di danno

termico. Si realizzano così prodotti ottimi dal punto di vista qualitativo e conservabili per tempi molto

lunghi; l’elevata porosità del materiale liofilizzato lo rende infine facilmente reidratabile. Data l’elevata

porosità e il basso livello di attività dell’acqua, i liofilizzati sono particolarmente suscettibili

all’ossidazione e devono pertanto essere protetti dall’ossigeno nel confezionamento e durante lo

stoccaggio.

Spiegare il principio della centrifugazione. Descrivere le centrifughe separatrici a calotte e a scarico

automatico dei sedimenti

La centrifugazione è una tecnica che sfrutta la forza generata da una centrifuga per separare i componenti

aventi densità diversa di una sospensione.

Le centrifughe industriali sono per la maggior parte di casi centrifughe a calotte. Le calotte sono dei

dischi conici, che si impilano l’uno sull’atro con distanziatori che mantengono tra una calotta e l’altra uno

spazio di pochi millimetri. La funzione delle calotte è principalmente quella di suddividere il volume della

centrifuga in tanti bacini di decantazione paralleli, aumentando così enormemente la portata dell’impianto

e quindi la sua capacità. Sono dotate di calotte sia l e centrifughe decantatrici che le centrifughe

separatrici.

Nel caso dei decantatori centrifughi, le calotte hanno una superficie continua e un diametro uguale a

quello del disco distributore. La sospensione alimentata dal fondo si ripartisce tra le calotte. Le particelle

solide sono proiettate sulla superficie inferiore di ciascuna calotta, mentre il liquido limpido risale verso

l’asse della centrifuga ed è scaricato dall’alto. I solidi depositati sulle calotte scivolano per effetto della

forza centrifuga verso la camera dei fanghi dove sono raccolti. Per consentire lo scivolamento dei fanghi

sulle calotte l’inclinazione delle stesse non può superare certi valori: generalmente è di 45°.

Nei separatori centrifughi, le calotte presentano dei fori in corrispondenza della periferia del disco

distributore. Questi fori vanno a costituire i canali di alimentazione della sospensione tra le calotte. Il

liquido pesante viene sospinto verso la periferia lungo le calotte, mentre il liquido leggero risale tra le

calotte verso l’asse della centrifuga. Entrambi i liquidi sono scaricati dall’alto come nelle centrifughe a

paniere.

La funzione delle calotte non è solo quella di aumentare la superficie di decantazione/separazione,

aumentando quindi la portata limite della centrifuga. Un’altra funzione importante è quella di

minimizzare le turbolenze del liquido nella centrifuga, dovute al moto accelerato. Infatti la velocità delle

particelle in una centrifuga è funzione del raggio e aumenta dunque spostandosi dall’asse verso la

periferia dell’impianto. Tutte le masse si muovono dunque con moto accelerato mentre vanno dal centro

verso la periferia e con moto decelerato mentre risalgono dalla periferia verso l’asse centrale. L’attrito del

fluido sulle calotte da una parte impedisce la formazione di turbolenze nel flusso, che renderebbero più

difficile la separazione, e d’altra parte recupera l’energia cinetica delle particelle nella fase di moto

decelerato. In pratica esse recuperano nella fase centripeta del moto del fluido parte dell’energia che è

stata spesa nella fase centrifuga.

Descrivere i principi della filtrazione e illustrare la filtrazione di superficie e la filtrazione di profondità

La filtrazione è una tecnica di separazione meccanica di particelle solide disperse in una fase continua,

liquida o gassosa. La separazione avviene mediate passaggio della sospensione attraverso un mezzo

poroso in grado di trattenere le parti solide sospese mentre viene attraversato dalla parte liquida.

La filtrazione di superficie (detta anche “filtrazione di rifiuto”) i solidi sono trattenuti sulla superficie

del mezzo filtrante a causa delle dimensioni dei pori: le particelle con dimensione superiore a quella dei

pori sono trattenute, mentre quelle con dimensioni inferiori attraversano il mezzo ritrovandosi nel filtrato.

La si usa per liquidi con una percentuale di solidi molto bassa e per separare particelle di dimensioni

ridotte. Il fattore limitante di questa filtrazione è che i solidi tendono ad occludere i pori e, proprio per

questo motivo si usano delle membrane anisotropiche che presentano un diametro crescente dalla

superficie a contatto con la sospensione da filtrare verso la superficie opposta.

La filtrazione di profondità le particelle hanno normalmente dimensioni inferiori a quella dei pori, ma

sono comunque trattenute all’interno delle porosità del mezzo filtrante (letto poroso con natura dei pori

disomogenea) per sedimentazione o inerzia e vi rimangono trattenute da forze di natura chimico-fisico

quali l’adsorbimento e l’attrazione elettrostatica.

Queste due tipologie di filtrazioni posso coesistere, ma il nome lo prende da quella che prevale.

Spiegare gli impianti di pastorizzazione del latte fresco

Per il ciclo di scambio termico sono previsti scambiatori a piastre (per prodotti eventualmente più viscosi

si potrà valutare l'inserimento di scambiatori tubolari in luogo di quelli a piastre).

L'impianto è concepito per realizzare un recupero termico il più elevato possibile, facendo percorrere gli

scambiatori in controcorrente da parte dei due flussi: il prodotto già trattato da raffreddare e quello freddo,

da preriscaldare.

L'utilizzo di un PLC consente all'utente di immagazzinare diversi cicli di produzione.

Si possono infatti settare le temperature di preriscaldamento, di pastorizzazione e di raffreddamento

finale.

Tutte le temperature di pastorizzazione sono registrate in continuo e possono essere stampate su carta a

richiesta dell'operatore. La sosta tubolare viene effettuato in spezzoni di tubazione, per cui la eventuale

variazione del numero di questi tratti consente la variazione del tempo di sosta a temperatura elevata.

Disegnare lo schema di uno sterilizzatore idrostatico e descrivere il funzionamento (oppure sterilmatic,

sterilflamme ecc)

sterilizzatore Con il passare degli anni si è inventato l’autoclave a funzionamento automatico senza

paniere nella quale i contenitori vengono caricati dall’alto (nell’autoclave c’è dell’acqua che permette di

non far danneggiare i contenitori), si toglie l’acqua e si insufla vapore, si reinserisce acqua con aria a

pressione per raffreddare e, in fine i contenitori vengono scaricati dal basso dell’autoclave e posti su un

nastro trasportatore.

L’unico inconveniente è che i contenitori rimangono fermi durante il processo e lo shock termico è molto

lento; proprio per questo alcuni sono dotati di un agitatore

Lo sterilizzatore sterilmatic è costituito da un cilindro ruotante che contiene una spirale fissa che

mantiene i contenitori in una posizione periferica che li fa spostare secondo un’elica di passo

leggermente superiore a quella dal contenitore. È fornita da una valvola a stella per l’alimentazione

continua dei contenitore.

Il processo inizia nella parte superiore del cilindro dove si ha una temperatura di cerca 220° e i contenitori

ruotano solo intorno all’asse centrale dell’apparecchio, quando i contenitori arrivano nella parte più bassa

si ha una temperatura di circa 100° e le scatole ruotano anche su se stesse.

In fine, quando i contenitori raggiungono le zone intermedie, si ha una temperatura di 20° dove si ha uno

scivolamento.

È costituito da diversi cilindri, in serie o il parallelo collegati tra loro con valvola e a tenuta, che servono

per la presterilizzazione, sterilizzazione e raffreddamento (dove si ha l’acqua per metà cilindro).

Gli sterilizzatori a fiamma sono sterilizzatori muniti di bruciatori sulla quale scivolano velocemente i

contenitori provocando un effetto agitato del prodotto.

Lo sterilizzatore hydrolock è un sistema continuo a sviluppo orizzontale costituito da una serie di mastri

trasportatori sui quali vi sono delle sagome cilindriche di dimensioni leggermente superiori al contenitore

i quali entrano mediante una valvola ruotante ad alveoli. Nella parte superiore del sterilizzatore si ha la

vera e propria sterilizzazione, mentre nella parte inferiore si ha il raffreddamento del prodotto per

immersione. Successivamente i contenitori sono riportati pressioni atmosferica attraverso la stessa

valvola.

Questo tipo è utilizzato anche per confezionati in busta flessibile e può avere una lunghezze differenti e

operare a diverse temperature e portate d’acqua.

Lo sterilizzatore idrostatico è utilizzato per i prodotti fragili e la sterilizzazione è ottenuta per l

passaggio in una camera di vapore, mediante mastri trasportatori sui quali vi sono delle sagome

cilindriche di dimensioni leggermente superiori al contenitore, la cui pressione è bilanciata da due

colonne d’acqua che funzionano da preriscaldamento e postraffreddamento con le quali si recupera circa

il 70% di calore. La durata del ciclo è di 1,5 2 ore.

I suoi vantaggi sono: Elevate capacità (perché è continuo), Shock termico ridotto, Buon rendimento del

ciclo termico, Minimo ingombro, Possibilità di trattare varie forme di contenitori

Gli svantaggi però sono: Poca agitazione, Costo elevato, Difficile raggiungere t° elevate

Descrivere gli essiccatori a nastro e spiegare il modo di funzionamento (lo stesso per essiccatori sotto

vuoto, a tamburo e a letto fluido)

Gli essiccatori a nastro sono gli essiccatori attualmente più diffusi per l’essiccamento di prodotti solidi.

Son o essiccatori continui e possono funzionare con aria sia a circolazione normale che a circolazione

tangenziale. Possono avere uno sviluppo verticale con nastri sovrapposti, o uno sviluppo orizzontale con

sezioni successive, in serie. Questi ultimi sono caratterizzati da una grande flessibilità di funzionamento e

di impiego; le sezioni possono infatti funzionare con caratteristiche dell’aria diverse.

Gli essiccatori a cilindri il prodotto liquido, anche di tipo pastoso, viene stratificato sulla superficie di

uno o due cilindri rotanti, riscaldati internamente da vapore. L’acqua evapora per ebollizione, lasciando

uno strato di prodotto essiccato che viene allontanato in continuo sotto forma di scaglie mediante coltelli

raschiatori. La durata dell’essiccamento è inferiore al tempo necessario per la rotazione completa del

cilindro. La rapidità dell’operazione si deve prevalentemente all’elevata velocità di trasferimento del

calore ed all’ampia superficie di scambio fra il sottile film di prodotto e la superficie riscaldante.

Gli essiccatori a letto fluido possono essere discontinui o continui adatti all’essiccamento di prodotti

termosensibili granulari o in fiocchi, quali spezie, tè, camomilla e starter microbici. Il principio del letto

fluido è il seguente. Quando l’aria o un altro gas fluisce verso l’alto attraverso uno strato di particelle, si

genera una perdita di carico attraverso il letto che aumenta all’aumentare della velocità dell’aria. Quando

la perdita di carico è tale da vincere il peso delle particelle e causare, quindi, il loro distacco dal supporto,

ha inizio la “fluidificazione”. Se si continua ad aumentare la velocità dell’aria, si nota come la perdita di

carico rimanga costante, poiché le particelle tendono a distanziarsi ulteriormente tra loro facendo così

aumentare la sezione di passaggio del gas e riducendone di conseguenza la velocità; questa fase è detta di

“espansione del letto” e corrisponde alla fluidificazione vera e propria nella quale lo strato di particelle si

comporta come un fluido. Infine, se si aumenta la velocità dell’aria oltre un certo limite, l’effetto di

compensazione dovuta all’aumento della sezione di passaggio non è più sufficiente e le particelle

vengono trascinate via dal gas; questa fase è detta “fuga del letto”. È chiaro che la fluidificazione può

essere utilizzata ottimamente per l’essiccamento di prodotti termosensibili. L’elevata superficie di

scambio, dovuta al contatto individuale aria-prodotto, e gli elevati coefficienti di scambio termico, dovuti

all’elevata turbolenza dell’aria, permettono di essiccare a basse

temperature e per tempi relativamente brevi. Il setto poroso può essere vibrante o munito di agitatore per

prodotti difficili da fluidificare; si può operare con riciclo dell’aria o sotto gas inerte. Gli impianti continui

sfruttano il principio della regolazione della velocità dell’aria in modo che le particelle essiccate,

raggiungendo un basso peso specifico, vengano trascinate dalla corrente d’aria; si può regolare in questo

modo anche l’umidità residua del prodotto essiccato.

Gli essiccatori con trasporto pneumatico sono utilizzati per prodotti, in forma granulare o in fiocchi,

particolarmente sensibili al danno termico. La tipologia più comune di essiccatore con trasporto

pneumatico è quella denominata essiccatore “flash”. Esso consiste di una condotta verticale più o meno

lunga di sezione circolare o quadrata, in cui il prodotto è trascinato, dal basso verso l’alto, ed essiccato da

una corrente d’aria calda ad alta velocità. Il prodotto essiccato è opportunamente separato dall’aria esausta

nella parte alta della condotta. Data la grande superficie di contatto aria-prodotto e gli ottimi coefficienti

di scambio convettivo di calore e materia, l’essiccamento avviene rapidamente, in pochi secondi.

Gli essiccatori sotto vuoto sono costituiti da un cilindro a tenuta ad asse orizzontale di acciaio

inossidabile, all’interno del quale scorrono uno o più nastri su cui è posto il prodotto da essiccare;

l’essiccamento avviene sempre in condizioni di vuoto spinto.

Il nastro scorre su un supporto ad intercapedine al cui interno circola il fluido di servizio: vapore, acqua o

fluidi diatermici. Il supporto è diviso in diverse sezioni successive mediante le quali si può regolare

indipendentemente l’apporto di calore; l’ultima sezione, prima dello scarico, è di raffreddamento,

particolarmente utile quando si essiccano materiali termoplastici che, raffreddandosi, diventano friabili e

si staccano più facilmente dal nastro. Durante l’essiccamento il prodotto si disidrata sotto forma di

schiuma. Tale struttura si forma al momento dell’alimentazione per l’improvviso effetto di ebollizione e

sviluppo di vapore. Si deve fare in modo che nelle prime fasi dell’operazione, l’evaporazione continui

vivacemente per mantenere porosa la struttura ed evitarne il collasso. Quando la sottrazione di acqua

rende rigida la struttura del prodotto, l’apporto di calore deve invece essere ridotto per evitare

surriscaldamenti del prodotto a contatto con il nastro. Il vuoto dell’impianto raggiunge valori molto spinti,

In queste condizioni la temperatura teorica di ebollizione dell’acqua è inferiore a 10 °C; A causa

dell’innalzamento ebullioscopico, il prodotto si disidrata in realtà a temperature superiori, mai al di sopra

dei 40 °C. Il prodotto essiccato viene scaricato in continuo.

Illustrare i principi dell’ottimizzazione dei trattamenti termici di sterilizzazione

Se ci riferiamo al prodotto sono: Partire con un prodotto con una carica microbica contenuta

Se invece ci riferiamo allo sterilizzatore i principali sono: Maggior esaurimento dell’aria (riducendo l’aria

entrante, riducendo le portate di prodotto fresco e aumentando il tempo di permanenza aumentando le

dimensioni dell’impianto trovando un punto di equilibrio tra i costi di ammortamento e i costi energetici);

Riciclo totale dell’aria (inconveniente è che non ho un andamento regolare); Riciclo parziale dell’aria;

migliorare le coibentazioni; fare una fase di concentrazione prima di sterilizzare (per i fluidi); utilizzare

fonti energetiche a basso costo dal momento che le temperature non sono così elevate.

Definire il parametro attività dell’acqua e spiegare la sua importanza per la conservazione dei prodotti

alimentari

Per attività dell'acqua si intende non il contenuto totale di acqua,ma l’acqua disponibile cioè libera da

particolari legami con gli altri componenti; per poterla misurare lo si fa mediante la misurazione della

tensione di vapore (pressione esercitata dalle molecole di acqua liberatesi in fase vapore) trovando valori

I

che vanno da 0 a 1 (0 legata 1 non legata) o da 0 a 100 se in % (0 legata 100 non legata). a = P / P

w

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.

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.

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 oppure disidratando

adsorbimento,

progressivamente un prodotto umido 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


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DESCRIZIONE ESERCITAZIONE

Quesiti di Operazioni unitarie delle tecnologie alimentari per l'esame della professoressa Giovanelli su: Dimensioni e unità di misura. Bilanci materiali. Statica e dinamica dei fluidi. Fenomeni di scorrimento e reologia dei fluidi. Trasporto di calore per conduzione e convezione. Evaporazione. Pastorizzazione e sterilizzazione termica. Essiccamento in corrente d'aria e liofilizzazione. Decantazione e centrifugazione. Filtrazione e processi per membrana. Estrazione solido-liquido. Per le operazioni unitarie trattate, soluzione di bilanci materiali ed energetici e relazioni cinetiche, descrizione dei principali impianti e criteri di
ottimizzazione.


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in scienze e tecnologie alimentari
SSD:
Università: Milano - Unimi
A.A.: 2011-2012

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher stylerock87 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Operazioni unitarie delle tecnologie alimentari e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Milano - Unimi o del prof Giovanelli Gabriella.

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