La trasformazione e la conservazione degli alimenti consistono

La trasformazione e la conservazione degli alimenti consistono in una successione di operazioni, chiamate… operazioni unitarie

I macchinari possono essere: • versatili (adatti a diversi tipi di lavorazioni) • dedicati (specifici solo per una lavorazione) es. filtro pressa, usato sia nell’industria alimentare, che nell’industria chimica es. pressa olearia, per la spremitura della pasta di olive

Spesso l’industria agroalimentare impiega LE BIOTECNOLOGIE che richiedono impianti… … molto particolari.

I processi industriali agroalimentari si sono profondamente evoluti, negli ultimi decenni, a causa di… • un’ automazione sempre più completa, con l’ausilio dell’informatica; • la ricerca applicata e la tecnologia dei materiali sempre più efficiente; • una sempre più profonda conoscenza dei processi biochimici; • l’esigenza di tutelare la salute e l’ambiente • l’attenzione alla qualità del prodotto.

Quando due fluidi, uno più caldo e uno più freddo, sono separati da una superficie di contatto che trasmette il calore, il fluido più caldo CEDE calore al fluido più freddo. superficie di contatto = k S (Tsup - Tinf) flusso di calore coefficiente di scambio differenza di temperatura

SCAMBIATORI DI CALORE Apparecchiature che scambiano calore sfruttando il moto di un fluido “di servizio” rispetto al prodotto da scaldare (o refrigerare) Prodotto e fluido “di servizio” sono separati da una parete sottile di materiale “termoconduttore” a volte può mancare (es. uperizzazione

Es. pastorizzazione del latte, con flusso “in controcorrente” E’ possibile avere anche il flusso “in equicorrente” Si è dimostrato però che nel flusso “in controcorrente” l’efficienza di scambio è superiore

Caratteristiche dello “scambiatore di calore: Superficie utile di scambio (S): più estesa è la superficie, maggiore è la quantità di calore scambiata nell’unità di tempo. Problema: ingombro e costo dei macchinari. Soluzione: • aumentare la superficie, mantenendo costante il volume (superfici scanalate, serpentine, ecc. ) • velocizzare il flusso dei due fluidi.

Differenza di temperatura ( T) più alta è la differenza di temp. , più calore si scambia nell’unità di tempo. Problemi: • alti costi energetici • difficoltà nel controllo della temp. del prodotto in entrata. Per questo, spesso si fa il preriscaldamento (o il preraffreddamento) del prodotto da trattare.

Coefficiente di scambio termico (k) Dipende: • dalla natura del materiale dello scambiatore. (Materiale più indicato: l’acciaio) • dalla natura dei fluidi scambianti (per scaldare: acqua; per refrigerare: azoto, ammoniaca, CO 2) Quando il fluido subisce un cambiamento di stato, l’efficienza dello scambio termico aumenta enormemente (es. ammoniaca che evapora, vapore che condensa)

Tipo di moto dei liquidi Fluidi che scorrono veloci, si scambiano maggior calore per unità di tempo. Il flusso “laminare” è più efficiente del flusso “turbolento” Efficienza di isolamento Le pareti dello scambiatore devono essere “coibentate”, per evitare dispersioni di calore.

SCAMBIATORI A FASCIO TUBIERO • consentono portate notevoli, in spazi contenuti; • usati per preriscaldare o preraffreddare alimenti fluidi Un fluido passa nel fascio tubiero, l’altro fluido passa nelle intercapedini in controcorrente.

SCAMBIATORI A PIOGGIA Usati per refrigerare L’acqua esce dagli ugelli e percola sulla superficie di un serpentino.

Serbatoi incamiciati Il fluido “di servizio” circola in una camicia del serbatoio, che contiene un agitatore. Sistema adatto alla refrigerazione di liquidi in trasformazione (es. mosto fermentante)

SCAMBIATORI A PIASTRE Sono i più usati, soprattutto per pastorizzare il latte o il vino. Le piastre hanno superfici sagomate con rientranze e sporgenze, per aumentare la superficie di contatto. Sui rilievi delle superfici aderiscono i microrganismi, che subiscono così uno “shock” termico, e vengono distrutti dal calore.

SCAMBIATORI A TUBI CONCENTRICI Il fluido da trattare scorre nel cilindro mediano, mentre il fluido “di servizio” scorre nei cilindri interno ed esterno. Molto efficaci nello scambio termico, meno efficaci nel devitalizzare i microrganismi.

SCAMBIATORI A TUBI CONCENTRICI A SUPERFICI RASCHIATE Adatti per alimenti fluidi viscosi o con particelle in sospensione. Il fluido di servizio scorre nel cilindro esterno, il fluido da trattare scorre nel cilindro interno, dotato di coltelli raschianti, che ruotano rimuovendo i depositi sulle pareti interne.

EVAPORATORI Apparecchiature che concentrano una soluzione acquosa mediante evaporazione del solvente. il vapore viene rimosso continuamente e viene sfruttato per riscaldare il liquido da concentrare camera di evaporazione elemento riscaldante (fascio tubiero) prodotto da concentrare

Principi di funzionamento: 1. la pressione del vapore saturo in equilibrio con il liquido varia con la temperatura d’equilibrio. Il punto di ebollizione del liquido aumenta a pressioni alte, diminuisce a pressioni basse. 2. più una soluzione è concentrata, più alto è il suo punto di ebollizione. Gli evaporatori sono molto usati per la preparazione dei mosti concentrati, dei latti concentrati, dei succhi di frutta.

Problemi: • l’eccessivo riscaldamento degli alimenti provoca danni termici nutrizionali e organolettici al prodotto; • i trattamenti prolungati aumentano i costi e i tempi di lavorazione. Poiché la temperatura di ebollizione dipende dalla pressione del vapore, se si diminuisce la pressione diminuirà anche la temp. di ebollizione. Si potrebbe operare in depressione, ma il vuoto troppo spinto aumenta i costi di esercizio e allunga i tempi di lavorazione.

Soluzione: evaporazione a multiplo effetto in equicorrente Vantaggi: le pressioni di esercizio (e quindi le temp. di eb. ) decrescono da un evaporatore al successivo I liquidi si spostano automaticamente, per effetto della depressione. I risultati migliori si hanno con tre evaporatori in serie.

Evaporatori multieffetto:

Processo in cui: • si fa evaporare una o più sostanze, partendo da una miscela o da una soluzione; • si riportano allo stato liquido i vapori (condensazione)

La distillazione serve a separare dei liquidi miscibili da una soluzione (o da un residuo solido). La soluzione viene scaldata fino al punto di ebollizione: inizia ad evaporare.

Il vapore sarà più ricco del componente più volatile. Il liquido sarà più ricco del componente meno volatile ( o più altobollente). La temperatura di ebollizione della soluzione tende a salire.

Diagramma di stato di una miscela binaria di liquidi miscibili TC – TE = intervallo di ebollizione curva di inizio condensazione curva di inizio ebollizione

Spesso con la distillazione tradizionale, è difficile ottenere in quantità rilevanti i componenti allo stato puro Per avere una separazione più efficace delle diverse componenti, bisogna usare degli accorgimenti tecnici. Es. distillazione “flash”: La miscela viene preriscaldata in uno scambiatore a fascio tubiero. Poi viene fatta passare in una camera di espansione, dove si separano i vapori, ricchi della componente più volatile, e il liquido, con la componente più altobollente.

Distillazione semplice o differenziale. La miscela viene scaldata, i vapori vengono aspirati in un condensatore, il liquido condensato viene suddiviso in diverse frazioni, con diversi punti di ebollizione.

Si ottengono in questo modo… le acqueviti o grappe

Per ottenere una più netta separazione delle componenti, si usa il “deflemmatore”, uno scambiatore a fascio tubiero posto sopra la caldaia. I vapori, più ricchi della componente più volatile, passano a un secondo condensatore, mentre il liquido ricade in caldaia

Distillazione “frazionata” Serie di condensazioni parziali, con recipienti comunicanti. I vapori salgono e i liquidi scendono i on po zi m si co po l e m de co e e ion le ch til liz o, ric ola ol nd ù v eb ) le pi iù di se sa no e p p. as so nt em ù b ne t pi (le no so

Colonna di “rettifica” a piatti testa cuore coda

Metodo di separazione liquido – liquido, liquido – solido, solido – solido basato sulla differenza di densità fra le fasi e sulla forza centrifuga.

Separatore centrifugo per l’olio d’oliva

Centrifughe a piatti (Alfa Laval) Possono separare tra di loro due liquidi immiscibili oppure uno o due liquidi da un solido

Centrifughe a forma tronco-conica, con piatti forati sovrapposti. Tra un piatto e l’altro si creano due flussi laminari, in senso opposto: il liquido meno denso migra nella parte interna; quello più denso e pesante migra verso l’esterno

Macchine molto usate nell’industria lattiero-casearia… es. scrematrice centrifuga per separare il grasso del latte … e nell’industria olearia per separare l’olio dall’acqua di vegetazione…

Il “decanter” Speciale centrifuga ad asse orizzontale, di forma cilindrica e tronco-conica, che serve a separare due fasi liquide e una solida. liquido meno denso liquido più denso coclea tamburo

… estrattori centrifughi… …dekanter…

Tecnica di separazione usata da tempo nell’industria chimica, e solo di recente nell’industria agro-alimentare, ad es. nell’industria del vino, dei succhi di frutta e dell’olio.

Tecnica che consente la separazione di particelle solide da una miscela liquida, mediante l’insufflaggio di aria o altri gas. Le particelle solide aderiscono alle bolle gassose e vengono trasportate a galla, dove vengono rimosse meccanicamente. Per accelerare la separazione, al liquido viene aggiunto un “coadiuvante di flottazione” (minerale tensioattivo in polvere, es. bentonite)

Impianto di flottazione per la chiarificazione dei mosti

Impianti di flottazione

Metodo di separazione di un solido da un liquido, che avviene con l’uso di filtri. Molto usato nell’industria agroalimentare, ad es. per l’illimpidimento dei mosti, dei vini, degli oli, o per la sterilizzazione del latte (microfiltrazione)

Il passaggio del liquido attraverso il filtro è agevolato: … da una compressione in entrata… … e/o da una decompressione in uscita P = differenza di pressione tra il fluido in entrata e il fluido in uscita dal setto filtrante. Maggiore è il P , maggiore è la velocità di flusso del liquido attraverso il filtro.

P = R (psi): portata (o velocità) di flusso: quantità di liquido filtrata nell’unità di tempo differenza di pressione resistenza incontrata dal liquido nell’attraversare il filtro

La resistenza (R) dipende da: 1. Le caratteristiche del filtro. Un filtro è costituito da una superficie filtrante porosa e sottile (setto filtrante), su cui si deposita il materiale solido (“torta” o “pannello”)

Problema: dopo un po’ di tempo il filtro si intasa Per limitare l’intasamento: coadiuvanti di filtrazione materiali solidi porosi in polvere, che formano un filtro ausiliario. Possono essere depositati sul pannello prima della filtrazione, o possono essere mescolati al materiale da filtrare.

Possono trattenere il solido per: • azione setacciante (quando le particelle solide hanno dimensioni maggiori dei pori del filtro) Es farina fossile (filtrina), formata da rocce polverizzate contenenti scheletri silicei di DIATOMEE Es. perlite (microsfere cave di roccia vulcanica)

• azione adsorbente (trattengono le particelle per attrazione elettrostatica) Es. cellulosa La resistenza dipende anche: 2. dalla natura del liquido (in particolare dalla sua densità e dalla sua viscosità) 3. dalla natura del solido (in particolare, dalla forma, dalle dimensioni e dal grado di compressibilità)

discontinuo in pressione TIPI DI FILTRO continuo FILTRIPRESSA in depressione filtri discontinui che funzionano per pressione

FILTRI ROTATIVI SOTTOVUOTO Cilindro cavo rotante a parete porosa, immerso in una vasca contenente il liquido da filtrare, con il coadiuvante di filtrazione. All’interno una pompa da vuoto crea una depressione che aspira il liquido filtrandolo. Un coltello raschiante rimuove le parti solide sulla superficie del cilindro.

filtri rotativi sottovuoto

FILTRI A CAMPANA P = piastre in acciaio F = prepannelli in filtrina

Filtri a membrana Filtripressa molto compatti, che utilizzano dischi di fibra di polimeri o di ceramica o misti, con una porosità tale da bloccare particelle dimensioni dei microrganismi (effetto sterilizzante).

Filtri a campana

Filtri a candela o cartuccia

Utilizzano cartucce speciali, con pori di dimensioni decrescenti dalla periferia al centro, in grado di fermare anche le particelle più piccole.

Filtri a spira Il filtro è costituito da una spirale metallica avvolta su un’asta cava forata. Il liquido passa nell’asta ma il materiale solido rimane negli spazi tra le spire. Si prepara un prepannello di farina fossile, mescolandola al liquido con un dosatore

Osmosi diretta Viene utilizzata per ottenere una blanda disidratazione di prodotti come frutta o verdura. Immersi in una soluzione di saccarosio al 70%, gli alimenti perdono acqua (e acidi, sali, monosaccaridi), ma si arricchiscono di saccarosio (es. canditi) Rappresenta un pretrattamento per la liofilizzazione, il surgelamento o la pastorizzazione.

Osmosi inversa La soluzione da concentrare viene compressa in una camera divisa da una membrana semimpermeabile. La soluzione si concentra ulteriormente.

Applicazioni: • preconcentrazione di liofilizzati (caffè, tè) • concentrazione di soluzioni zuccherine es. mosti d’uva, succhi di frutta, succo di pomodoro. • preparazione di sciroppi.

Ultrafiltrazione Filtrazione attuata con membrane con pori da 1 mm a 10 -3 m, che riescono a trattenere macromolecole colloidali. Applicazioni: purificazione delle proteine del latte, delle uova, della soia; concentrazione di pectine e gomme.

Filtrazione tangenziale Il liquido fluisce tangenzialmente alla superficie della membrana filtrante. Le particelle vengono continuamente rimosse dal flusso del liquido

Tecnica usata con crescente successo nella MICROFILTRAZIONE di particelle sospese con dimensioni da 10 -2 a 10 micron brillantatura del vino e per l’abbattimento della carica batterica del latte Usata per la (latte “microfiltrato”, es. Fresco. Blu della Parmalat.

A cura del prof. Renato Conti Istituto Tecnico Agrario Statale “Emilio Sereni” Succ. le di via della Colonia agricola ROMA