L’INNOVAZIONE TECNOLOGICA COME STRUMENTO PER L’EFFICIENZA ENERGETICA NELL’INUSTRIA DI PROCESSO.

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SALERNO

Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale

Titolo della tesi L’INNOVAZIONE TECNOLOGICA COME STRUMENTO PER L’EFFICIENZA ENERGETICA NELL’INUSTRIA DI PROCESSO: ANALISI DI UN IMPIANTO DI PRODUZIONE DI SUCCO D’ARANCIA

Tesi in Gestione degli impianti di processo

Relatori: Ch.mo Prof. Ing. Giorgio Donsì Ch.mo Ing. Gianpiero Pataro

Matricola: 0612600341 Anno Accademico 2012/2013

Candidato: Marcello Miccio

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“ Sognate e mirate sempre più in alto di quello che ritenete alla vostra portata. Non cercate solo di superare i vostri contemporanei o i vostri predecessori. Cercate, piuttosto, di superare voi stessi”.

(William Faulkner)

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Ringraziamenti

Eccomi qui finalmente giunto alla fine del mio percorso. È stata dura arrivare fino alla fine e saltare tutti gli ostacoli che quotidianamente mi si paravano davanti ma grazie all’aiuto di diverse persone che mi hanno sostenuto e incoraggiato sono riuscito in questa impresa.

Per questo ringrazio la mia famiglia: Mucca, Papà, Marino, Nonna, Nonno e Mitty che con la loro vicinanza e con il loro affetto mi hanno sempre trasmesso la forza necessaria per andare avanti. Grazie a loro sono riuscito a scalare la montagna che ha portato a questo traguardo.

Ringrazio la mia Fidanzatina perché quando ho dovuto affrontare il momento più difficile e più pesante del mio percorso di studi con pazienza e amore mi ha infuso la tranquillità di cui avevo bisogno. Da quando c’è lei al mio fianco, tutto è diventato più semplice e più leggero.

Ringrazio la pallavolo perché mi ha insegnato ad affrontare le sfide (esami) con la giusta determinazione e spregiudicatezza.

Ringrazio gli amici Salvo, Raffaele, Michele, Geggè, Rosella, Magliaro ed Enzo perché con loro ho condiviso le gioie di questo percorso e sono stati sempre in grado di farmi distaccare dal peso dello studio con momenti di svago e spensieratezza.

Ringrazio il Prof. Giorgio Donsì e l’Ing. Gianpiero Pataro per la disponibilità e l’aiuto ricevuto durante la stesura di questa tesi.

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SOMMARIO SCOPO DELL’ELABORATO ................................................................................................................................................... 9 CAPITOLO I .................................................................................................................................................... 11 ORIGINE, CARATTERISTICHE E PROVENIENZA DELLE ARANCE .......................................................... 11 1.1 Caratteristiche del prodotto e aspetti del mercato ............................................................................... 11 1.2 Produzione degli agrumi a livello mondiale ............................................................................................ 12 1.3 Il succo d’arancia nel mondo .......................................................................................................................... 13 CAPITOLO II .................................................................................................................................................. 15 BILANCI DI MATERIA ED ENERGIA DEL PROCESSO DI PRODUZIONE ................................................ 15 2.1 Descrizione della linea di processo ............................................................................................................... 15 2.1.1 Raccolta e approvvigionamento arance ............................................................................................................................... 18 2.1.2 Cassoni di scarico ........................................................................................................................................................................... 19 2.1.3 Vasche di lavaggio .......................................................................................................................................................................... 19 2.1.4 Selezionatore frutta ....................................................................................................................................................................... 20 2.1.5 Selezionatore per dimensione .................................................................................................................................................. 20 2.1.6 Estrazione .......................................................................................................................................................................................... 21 2.1.7 Rifinitura ............................................................................................................................................................................................ 22

2.2 Descrizione e analisi dei processi di trasformazione ........................................................................... 23 LINEA FROZEN CONCENTRATED ORANGE JUICE ........................................................................................................ 25 2.2.1 Riscaldamento e pastorizzazione ............................................................................................................................................ 26 2.2.2 Evaporatore a doppio effetto .................................................................................................................................................... 27 2.2.3 Filtrazione a membrana .............................................................................................................................................................. 30 2.2.4 Recupero aromi tramite distillazione .................................................................................................................................... 31 2.2.5 Bilancio al mixer ............................................................................................................................................................................. 35 LINEA CHILLED ORANGE JUICE ..................................................................................................................................... 37 2.2.6 Pastorizzazione mediante trattamento HTST .................................................................................................................... 37

2.3 Analisi centrale termica .................................................................................................................................... 41 2.4 Analisi torre raffreddamento .......................................................................................................................... 43

CAPITOLO III ................................................................................................................................................. 46 RECUPERO DI CALORE ............................................................................................................................................. 46 3.1 Gestione energetica ............................................................................................................................................. 46 3.2 Definizione processo d’integrazione ............................................................................................................ 47 3.3 Stato corrente del processo d’integrazione .............................................................................................. 47 3.4 Dalla storia al futuro .......................................................................................................................................... 48 3.5 Il concetto di " Pinch analysis " ...................................................................................................................... 49 3.6 Procedura della Pinch analysis ...................................................................................................................... 50 3.7 Recupero di calore ............................................................................................................................................... 53 CAPITOLO IV ................................................................................................................................................. 59 INNOVAZIONE TECNOLOGICA .............................................................................................................................. 61 4.1 Tecnologie non termiche di sanitizzazione degli alimenti ................................................................ 61 4.2 Campi elettrici pulsati di elevata intensità (PEF): generalità ......................................................... 62 4.3 Meccanismo di inattivazione microbica mediante PEF ...................................................................... 64 4.3 Componenti di un sistema PEF e principi di funzionamento ............................................................ 66 4.3.1 Il generatore di impulsi ............................................................................................................................................................... 66 4.3.2 Le camere di trattamento .......................................................................................................................................................... 67 4.3.3 Sistemi di trasporto del fluido ................................................................................................................................................. 69 4.3.4 Sistema di monitoraggio e controllo ...................................................................................................................................... 69

4.4 Parametri elettrici caratteristici di un processo PEF .......................................................................... 70 4.4.1 Il campo elettrico ............................................................................................................................................................................ 70 4.4.2 Il tempo di trattamento ................................................................................................................................................................ 70 4.4.3 Frequenza di ripetizione degli impulsi ................................................................................................................................. 71 4.4.4 Energia specifica WT ...................................................................................................................................................................... 71

4.5 Trattamenti combinati PEF -­‐ moderate Temperatura ....................................................................... 72 ANALISI TECNOLOGIA PEF ............................................................................................................................................. 76 4.6 Impatto sulla qualità del succo ...................................................................................................................... 85 CAPITOLO V ................................................................................................................................................... 86

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COSTI E VALUTAZIONE DEL PROGETTO .......................................................................................................... 86 5.1 Costi, ricavi e profitti .......................................................................................................................................... 86 5.1.1 Investimento di capitale fisso ................................................................................................................................................... 87 5.1.2 Capitale circolante .......................................................................................................................................................................... 88 5.1.3 Costi variabili di produzione ..................................................................................................................................................... 88 5.1.4 Costi fissi di produzione .............................................................................................................................................................. 88

5.2 Precisione e scopo delle stime dei costi ...................................................................................................... 89 5.3 Verifica delle stime .............................................................................................................................................. 90 CAPITOLO VI ................................................................................................................................................. 93 CONCLUSIONI ............................................................................................................................................................... 93 BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................................. 95 SITOGRAFIA ....................................................................................................................................................................... 97

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Scopo dell’elaborato

Negli ultimi tempi si è verificata una netta crescita del valore aggiunto dei prodotti agro-­‐ alimentari, legata in particolare alla maggiore attenzione dei consumatori evoluti verso la qualità dei prodotti, specie in relazione alle caratteristiche salutistiche possedute.

Queste esigenze sempre più spinte del mercato, accompagnate da un notevole sviluppo tecnologico, hanno favorito una vera e propria globalizzazione dell'industria alimentare.

Infatti la sempre più diffusa ed omogenea richiesta di prodotti di qualità, almeno nei mercati dei Paesi occidentali, ha favorito la posizione commerciale di aziende ad alta tecnologia, come le grandi multinazionali o le loro affiliate locali all’interno del mercato globale. La stessa tendenza sta prendendo piede nella parte “ricca” dei mercati dei Paesi emergenti (come la Cina) rafforzando sempre di più la posizione dominante delle aziende leader.

La commercializzazione e le nuove tecnologie disponibili riflettono le attuali tendenze di queste imprese che hanno puntato sempre più spesso su prodotti freschi, ad alto contenuto di servizio e con elevato profilo nutrizionale. In particolare mirano a consolidare il mercato di succhi di frutta quali arancia, uva, ananas, mela, pomodoro e loro miscele, piuttosto che di succhi di frutta tropicali che hanno tenuto banco nel precedente decennio.

Per questi motivi assumono notevole interesse, a livello locale anche in Italia, gli impianti di produzione di succhi cosiddetti primari, ovvero a partire da frutta fresca. La qualità del prodotto finale dipende infatti in gran parte dalle tecniche di prima lavorazione, ed i relativi impianti devono essere progettati e gestiti in modo idoneo, attento alla qualità ma anche all’ottimizzazione delle condizioni operative, trattandosi per lo più di tecniche di lavorazione ad alto consumo energetico.

Nell’ambito del presente lavoro viene affrontato lo studio di un impianto di produzione di succo di frutta (in particolare arance) concentrato e congelato (Frozen Concentrated Orange Juice FCOJ) e succo di frutta pastorizzato-­‐refrigerato (Chilled Orange Juice COJ).

Vengono innanzitutto valutate le condizioni di esercizio, almeno in termini d’individuazione dei principali flussi di materia e di energia coinvolti nel processo, e delle principali voci di costo di gestione relative.

Tale analisi è preceduta dall’esame delle caratteristiche principali del frutto di partenza considerato, a partire da morfologia, composizione e caratteristiche agronomiche del frutto. Questa parentesi si rende necessaria poiché molti aspetti della produzione, della manipolazione, della sicurezza alimentare, della qualità, delle procedure di confezionamento, così come delle operazioni unitarie di trasformazione, sono funzione del tipo di materia prima trattata.

Nella filosofia secondo la quale è oggi necessario porre attenzione, anche dal punto di vista sociale e di immagine, al contenimento dei consumi energetici ed agli altri aspetti con ricadute ambientali, sono state proposte alcune ipotesi di modifica del ciclo di trattamento finalizzate all’ottimizzazione energetica e delle risorse ambientali.

Questo elaborato si propone quindi di affrontare quantitativamente, utilizzando il concetto di bilancio energetico, di bilancio materiale e di utilizzazione di tecnologie innovative già competitive, la tematica della riduzione dei consumi energetici, del

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contenimento dei consumi di acqua, e del contemporaneo miglioramento del livello qualitativo, e quindi del valore aggiunto del prodotto.

Si prendono le mosse dall’analisi delle tecniche attuali di produzione e dalla merceologia del prodotto, individuando gli interventi possibili per la soluzione del problema posto e procedendo all’analisi tecnica ed economica degli stessi.

Nel primo capitolo viene condotta un’indagine esplorativa sullo stato dell’arte della produzione del succo di arancia fresco, al fine di acquisire elementi sugli aspetti qualitativi e quantitativi della situazione dell’industria alimentare mondiale per quanto riguarda le tecniche di produzione del succo di arancia e l’approvvigionamento di materia prima.

Nel secondo capitolo si affronta l’analisi di un impianto attualmente in attività, soffermandosi sulla valutazione dei flussi di materia ed energia presenti, e si proce al dimensionamento di massima della relativa centrale termica, in grado di produrre il vapore necessario al normale svolgimento del processo, nonché a quello del ciclo delle acque e della relativa torre di raffreddamento. Su questa base vengono quantificati i costi d’esercizio dell’impianto relativi ai consumi energetici.

Nel terzo capitolo, dopo una preliminare panoramica sui problemi relativi alla gestione energetica di un impianto, si valutano le possibili vie di miglioramento dell’impianto esistente in relazione alla riduzione dei consumi energetici e di acqua, ed al possibile collaterale miglioramento della qualità del prodotto.

Nel capitolo quarto viene presentata ed illustrata la tecnologia PEF (Pulsed Electric Fields), che oggi riscuote l’interesse delle aziende alimentari a valle di positive sperimentazioni. Si tratta di un processo alternativo per la pastorizzazione del succo d’arancia refrigerato, e si confronta l’introduzione di tale tecnologia rispetto al convenzionale trattamento High Temperature Short Time (HTST), e si fornisce una stima dei possibili benefici di tale operazione in termini economici e qualitativi.

Nel capitolo quinto si presenta il problema della stima dei costi a livello di esercizio migliorativo di impianti di processo esistenti, illustrando come una stima anche approssimata dei costi di esercizio e di impianti consenta al responsabile di gestione di poter decidere tra le diverse alternative di modifica di impianto e di ottimizzazione dei parametri di esercizio. Da questo approccio, in base ad un’analisi economico-­‐energetica, sarà possibile evidenziare la convenienza globale di alcune modalità operative tra quelle proposte.

L’obiettivo principale del lavoro svolto è quello di sperimentare una metodologia di analisi adatta a proporre soluzioni tecnologiche e operative concrete per minimizzare gli sprechi energetici e di risorse e massimizzare l’efficienza e la qualità della produzione, anche per diversi tipi di produzione.

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Capitolo I ORIGINE, CARATTERISTICHE E PROVENIENZA DELLE ARANCE

1.1 Caratteristiche del prodotto e aspetti del mercato

Gli agrumi ed i loro derivati costituiscono una consistente aliquota dei prodotti agricoli oggetto del commercio internazionale e si possono distinguere due mercati principali: il commercio degli agrumi freschi, con una predominanza di arance, e quello dei prodotti lavorati e trasformati, come il succo d'arancia ed i diversi tipi di concentrato.

La vendita al consumo di succhi di arancia è notevolmente aumentata negli anni grazie alle attività di promozione pubblicitaria e ai passi avanti fatti dalla tecnologia del processo di lavorazione, conservazione e confezionamento del succo, che hanno consentito al consumatore di poter indirizzare le proprie preferenze verso prodotti di maggiore convenienza, qualità e risparmio.

Dal punto di vista industriale, si può considerare un’arancia come una materia primacomposta circa per il 45% di succo e per circa il 50% di buccia e polpa.

Figura 1: Caratteristiche dell'arancio.

Ovviamente queste cifre possono variare notevolmente, dato che non esistono due arance che presentano esattamente le stesse caratteristiche sia di forma che nutrizionali.

Il problema principale del settore dell’industria alimentare che riguarda la produzione di succo d’arancia è la formazione di composti aromatici. Nell'industria si usano un gran numero di processi diversi per combattere questo problema e per valutare l'efficacia dei trattamenti applicati bisogna misurare la qualità del prodotto trasformato. I parametri utilizzati per valutare la qualità del prodotto sono i seguenti:

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§ § § § § § § § § § § § Figura 2: Materia prima del processo.

Acidità (acido citrico) Colore Densità Estratto secco Vitamina C Acidità (acido citrico) Oli Essenziali Indice di maturità Contenuti Limonina Pectin metil esterasi (PME) Indice formale Hidroximetilfurfural (HMF) Gradi Brix

Dove il grado Brix è la misura della percentuale del peso di solidi solubili (zuccheri e acidi) in un campione di succo rispetto al peso del campione intero (peso specifico).

E 'molto importante prendere in considerazione che tutti questi parametri variano con il tempo, il tipo di arancio, i processi di separazione utilizzati, i trattamenti termici effettuati e le condizioni di conservazione.

1.2 Produzione degli agrumi a livello mondiale

La produzione mondiale di agrumi ha registrato una crescita costante negli ultimi decenni del XX secolo. La produzione complessiva annuale di agrumi è stata stimata negli ultimi anni per oltre 105 milioni di tonnellate. Secondo i dati della “Food and Agriculture Organization” (FAO), sono ben 140 i Paesi produttori di agrumi. Tuttavia, la produzione si concentra principalmente in alcune aree ben determinate. La maggior parte degli agrumi viene coltivata nell'emisfero settentrionale (circa il 70 % della produzione totale di agrumi). I principali Paesi produttori di agrumi sono il Brasile, i Paesi del Mediterraneo, gli Stati Uniti e la Cina. Questi Paesi rappresentano più dei due terzi della produzione mondiale di agrumi.

Per quanto riguarda il consumo delle arance come frutta fresca i principali fruitori sono la California, l’Arizona e il Texas, mentre per quanto riguarda la produzione del succo vero e proprio il paese principalmente produttore è la Florida.

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Figura 3: Produzione mondiale di arance.

1.3 Il succo d’arancia nel mondo

Gli agrumi sottoposti a processi di trasformazione rappresentano circa un terzo della produzione totale, di cui oltre l'80 % viene impiegato per la produzione di succo d'arancia. La caratteristica principale del mercato mondiale del succo d'arancia è la concentrazione geografica delle zone di produzione. Le zone di maggior interesse a riguardo sono lo Stato della Florida, negli Stati Uniti, e la città di San Paulo, in Brasile, come visibile dal seguente grafico:

Figura 4: Produzione mondiale succo d'arancia.

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La produzione di succo d'arancia in Florida e in Brasile rappresenta circa il 75 % della produzione del mercato mondiale. La differenza principale tra i due sta nel fatto che il Brasile esporta il 99 % della sua produzione, mentre il 90 % della produzione della Florida è indirizzata al mercato interno e solo il 10 % viene esportato. Il commercio internazionale del succo d'arancia riguarda soprattutto il succo d'arancia concentrato e congelato (FCOJ) in questo modo si riduce il volume utilizzato e quindi i costi di deposito e di trasporto saranno più bassi. Il succo concentrato congelato rappresenta un trionfo combinato di ricerca accademica, agricoltura e marketing, un processo sviluppato all’università della Florida nel 1948 specializzata in ricerca sugli agrumi. L'Unione Europea rappresenta il maggior importatore di succo d'arancia concentrato, infatti costituisce oltre l’ 80 % delle importazioni nel mondo.

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Capitolo II BILANCI DI MATERIA ED ENERGIA DEL PROCESSO DI PRODUZIONE

2.1 Descrizione della linea di processo

L’impianto preso in esame per la produzione di succo d’arancia si compone di una linea comune di produzione che interessa le fasi di raccolta, lavaggio, selezione ed estrazione delle arance, dopo la quale si realizza la separazione di due correnti individuali, una diretta alla produzione di Chilled Orange Juice (COJ) ovvero succo refrigerato, l’altra diretta alla realizzazione del Frozen Concentrated Orange Juice (FCOJ) ovvero succo d’arancia concentrato e congelato (figura 5).

Il succo refrigerato viene pastorizzato mediante un trattamento High Temperature Short Time (HTST) e successivamente imbottigliato e indirizzato alla cella frigorifera, dove si realizza lo stoccaggio.

Di contro, il succo concentrato e congelato viene invece dapprima riscaldato, poi concentrato tramite un evaporatore a doppio effetto e successivamente filtrato con una membrana a spirale. Durante e dopo la fase di concentrazione subisce rispettivamente una distillazione per il recupero degli aromi e una ridiluizione per essere poi imbottigliato, congelato e conservato in cella frigorifera a temperature inferiori rispetto al succo refrigerato.

Per meglio rendere l’idea del processo utilizziamo ora un diagramma a blocchi che è la forma più semplice per presentare un’attività. Ogni blocco può rappresentare una fase completa del processo. I diagrammi a blocchi sono estremamente utili per mostrare processi semplici. Con processi complessi, il loro utilizzo è limitato a mostrare il processo complessivo, ossia il dettaglio delle sue tappe principali.

Questi diagrammi sono spesso realizzati utilizzando programmi di grafica semplici come “Visio” o Microsoft “PowerPoint” e sono utili soprattutto per rappresentare un processo in forma semplificata nei rapporti, libri di testo e presentazioni, ma hanno un uso limitato solo come documenti di progettazione.

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Figura 5: Flowsheet dell'impianto.

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Le operazioni comuni a entrambi i tipi di succo, grazie allo schema della linea di processo (figura 6) vengono meglio specificate secondo l’ordine con cui si susseguono.

Figura 6: Schema della linea di processo dell'impianto.

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2.1.1 Raccolta e approvvigionamento arance In Italia il sistema principale di raccolta delle arance è quello manuale che viene utilizzato per circa il 99,9% della produzione totale. Infatti, una volta che i frutti vengono prelevati dagli alberi, sono trasportati direttamente alle industrie di trasformazione senza mai essere imballati. Grazie ad un’importante manodopera le arance sono raccolte a mano e in seguito sono depositate in sacchi da 400 kg che vengono poi scaricati in dei recipienti a forma di bidoni. Questi bidoni sono sollevati da piccoli camion e portati allo stabilimento di trasformazione. Il tempo che passa dalla raccolta alla trasformazione è in genere di un giorno o al massimo due perché la raccolta della frutta costituisce una fase vitale per il funzionamento continuo dell'impianto di trasformazione.

La figura 7 mostra i passaggi principali cui è sottoposta la frutta prima di procedere all’estrazione del succo.

Figura 7: Linea preliminare di produzione.

Com’è possibile notare nell’illustrazione sottostante, la frutta è soggetta a pesatura e registrazione del carico. Successivamente si procede allo scarico attraverso piani inclinati che indirizzano le materie prime ai nastri trasportatori che mettono in comunicazione l’esterno dell’impianto con il suo interno, dove avviene la vera e propria trasformazione del prodotto.

Figura 8: Scarico e pesatura delle arance.

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Dopo lo scarico, si procede alla rimozione di foglie, steli e altri detriti, oltre che di frutta marcia, la quale può essere rimossa meccanicamente o manualmente. In seguito le arance sono lavate con detergenti, spazzolate e risciacquate con acqua pulita prima di essere accuratamente indirizzate ad appositi dimensionatori installati per ogni fila di estrattori. Le operazioni di pulizia devono essere eseguite immediatamente prima della trasformazione. Una volta lavati gli agrumi, è meno probabile che si verifichi un deterioramento della frutta, se tenuta a temperatura ambiente. Un lavaggio riduce al minimo le possibilità di crescita di microrganismi nel succo. Illustriamo ora i macchinari che sono presenti nell’impianto sotto esame, atti a svolgere le operazioni preliminari di trasformazione.

2.1.2 Cassoni di scarico I cassoni fungono da risorsa per il controllo e il mantenimento di un flusso adeguato e costante di frutta lungo la linea di produzione. Il frutto passa prima attraverso una serie di setti interni, permettendo una distribuizione uniforme e poi delicatamente scende fino alla base del cassone. Un cancello di scarico ad apertura regolabile controlla la quantità di frutta tirata fuori attraverso un nastro. Sensori di livello opzionali, che si trovano nei punti alti e bassi all'interno dei cassoni, chiudono il ciclo di controllo del flusso di frutta.

Figura 9: Cassoni di scarico.

2.1.3 Vasche di lavaggio La macchina predisposta all’allontanamento di sporcizia e impurità dalla superfice delle arance, pulisce l'esterno degli agrumi con un detergente schiumogeno combinando l’azione delle spazzole per rimuovere lo sporco e i detriti. Non appena la frutta entra in contatto con le spazzole rotanti, essa comincia a girare, massimizzando la superficie che è esposta agli spruzzi di acqua e al lavaggio delle spazzole. La spazzola è costruita in acciaio inossidabile ed è dotata di 27 pennelli, 2 rulli di aspirazione e 1 rullo di scarico.

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Figura 10: Vasche di lavaggio.

2.1.4 Selezionatore frutta Questo macchinario distribuisce uniformemente la frutta in un unico livello al fine di essere ispezionata e valutata in modo più efficiente. I frutti che vengono respinti sono indirizzati ad una corsia centrale o di abbattimento adiacente al classificatore.

Figura 11: Selezionatore frutta.

2.1.5 Selezionatore per dimensione L’apparecchiatura di selezione per dimensione della frutta recita un ruolo fondamentale all’interno dell’impianto di trasformazione. Infatti, è importantissimo garantire un’omogeneità della dimensione del frutto al fine di poter prevedere le quantità di succo estratto, oltre che assicurare uniformità di composizione. Per questo motivo deve essere scelto opportunamente il tipo di macchinario in modo tale che l’operazione sia svolta nel modo più veloce e più preciso possibile. Il sizer è costruito in acciaio inossidabile al fine di garantire una estrema affidabilità, precisione nel dimensionamento, velocità e versatilità. Ogni modulo di dimensionamento può essere facilmente alzato o abbassato con il meccanismo di regolazione del motore.

Figura 12: Selezionatore per dimensione.

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2.1.6 Estrazione La trasformazione della materia prima in ingresso alla linea di processo di succo congelato e refrigerato prevede che, a seguito dello scarico e del successivo trasferimento al sistema di lavaggio per la selezione delle arance attraverso la calibratrice a coppie di rulli regolabili di vario diametro, gli agrumi vengano inviati al sistema per mezzo del quale si ottiene l’estrazione del succo .

Si tratta nello specifico di estrattori FMC, disposti su due distinte linee contenenti frutti di piccolo, medio e grande calibro. In questo modo si è in grado di ridurre al minimo i tempi di sosta degli agrumi, prima che questi siano sottoposti a trasformazione e si può garantire la conservazione delle qualità organolettiche del frutto.

L'aspetto unico del sistema FMC è che è il solo ad operare senza un preventivo taglio in due metà degli agrumi. Si tratta di macchine che, in base al tipo, sono in grado di estrarre il succo da 3, 5 oppure 8 frutti per ogni ciclo; le coppe superiori sono montate su di una barra che le fa muovere su e giù attraverso un sistema di trasmissione, mentre le coppe inferiori sono rigidamente fissate al ponte della macchina. Entrambe le coppe sono formate da "dita" che si intersecano quando la coppa superiore scende verso quella inferiore. La macchina è dotata di una tramoggia di alimentazione a canali, dove arrivano i frutti provenienti da un nastro di alimentazione inclinato; un sistema a canne lancia i frutti dentro le coppe inferiori e, a quel punto, le coppe superiori cominciano a scendere; mentre avviene questo, i frutti cominciano ad essere pressati contro dei coltelli circolari che si trovano in fondo alle coppe inferiori e sono montati in cima a degli "strainer tubes" che fungono da elementi preraffinatori del succo.

L'azione discendente taglia un dischetto di scorza nel frutto (“plug”) e quando le dita delle coppe si intersecano, tutta la parte interna del frutto è forzata verso il basso attraverso lo “strainer tube” e da lì il succo passa in un collettore (“juice mainfold”); la scorza non viene a contatto con il succo per cui la contaminazione di questo con i liquidi della scorza è realmente ridotta al minimo. La pressione della coppa superiore forza il succo ad uscire dalle pareti perforate dello “strainer tube” nel “juice manifold” che è completamente chiuso. Nello stesso tempo, dentro lo “strainer”, un ulteriore tubo, (“orifice tube”) si muove verso l'alto comprimendo i pezzetti di carpelli intrappolati e forzando il succo rimasto ad uscire attraverso lo “strainer”. La polpa, i semi e le membrane sono, quindi, espulsi dalla parte inferiore dell'”orifice tube” durante il suo movimento verso l'alto. Il ciclo di estrazione è completato quando l'”orifice tube” raggiunge il limite superiore del tubo prefinitore.

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Figura 13: Estrattore FMC.

Figura 14: Dinamica dell'estrazione.

2.1.7 Rifinitura Prima di essere indirizzato alle due diverse linee di produzione, il succo viene fatto passare attraverso un rifinitore detto “finisher” il quale provvede alla vera e propria rifinitura del succo e al recupero di eventuali solidi solubili. Il modello utilizzato in questo impianto è un modello di avanzata tecnologia, che permette la separazione del succo dalla polpa e il recupero della polpa stessa.

15: Rifinitore.

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2.2 Descrizione e analisi dei processi di trasformazione

Ultimati i processi iniziali di lavorazione che vanno dalla raccolta all’estrazione, si entra nel vivo del processo di trasformazione. Infatti, in seguito alla rifinitura del succo la linea di produzione si divide in due e la materia prima in lavorazione sarà sottoposta a trattamenti differenti al fine di ottenere i due output desiderati.

Allora descriviamo prima le funzioni e le caratteristiche di uno schema di processo e in seguito presentiamo il Process Flow Diagram dell’impianto, dove sono raffigurate le unit operations che costituiscono le due linee di produzione.

Il Process Flow Diagram (PFD) è il documento base su cui si costruisce l’impalcatura dell’intero impianto. Può essere considerato un’evoluzione tecnica dello schema a blocchi: su di esso sono rappresentate, in maniera simbolica e nella giusta sequenza, le macchine e le apparecchiature che servono per ottenere il prodotto desiderato.

Tale schema è un documento elaborato da tecnici e diretto ai tecnici: la sua elaborazione è responsabilità primaria dell'ingegnere di processo.

Esso costituisce dunque un documento fondamentale per il progetto, i cui scopi principali possono essere sintetizzati di seguito:

Ø Mettere in evidenza il tipo di processo dell'impianto.

Ø Stabilire la sequenza del processo mediante la rappresentazione della linea principale di flusso (processo) e di tutte quelle secondarie (servizi).

Ø Specificare le funzioni delle singole apparecchiature o delle singole macchine.

Ø Quantificare l’entità dei flussi presenti nell'impianto, riportando le condizioni di portata, temperatura, pressione e composizione per ognuno di essi.

Questi tipi di diagrammi sono molto dettagliati e vengono utilizzati per la progettazione e per verifiche di funzionamento. Qui le apparecchiature sono normalmente disegnate mediante un’opportuna simbologia. Per i documenti ufficiali e per le brochure aziendali, a volte sono utilizzati disegni in scala reale delle apparecchiature, ma è più comune utilizzare una rappresentazione semplificata. Ci sono diversi standard internazionali per la rappresentazione delle apparecchiature nei diagrammi PFD, ma la maggior parte delle aziende utilizza una propria simbologia, quindi è sempre opportuno consultare la leggenda per la corretta interpretazione dello schema. Ogni singola operazione sarà poi illustrata e studiata nel dettaglio dal punto di vista quantitativo mediante l’utilizzo dei bilanci di materia ed energia. In questo caso il processo di trasformazione viene descritto evidenziando le diverse operazioni a cui viene sottoposto il prodotto. Il succo FCOJ ( Frozen Concentrated Orange Juice) viene prima riscaldato poi subisce un processo di concentrazione per evaporazione e per ultrafiltrazione a membrana, in seguito abbiamo il recupero di aromi per distillazione dei vapori e infine una ridiluizione.

Invece il succo COJ (Chilled Orange Juice) viene pastorizzato mediante un trattamento termico HTST e in seguito raffreddato.

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24 Figura 16: PFD del processo di trasformazione

Linea Frozen Concentrated Orange Juice

Il succo d'arancia concentrato e congelato è il prodotto più lavorato dall’industria alimentare della Florida. Questo prodotto, è stato sviluppato nel 1945-­‐46, e richiede circa l'80% della produzione annuale di arance per soddisfare la domanda dei consumatori.

Durante la stagione 1979-­‐1980, 173 milioni di casse di arance della Florida sono state utilizzate per produrre il succo d’arancia concentrato e congelato.

Questo tipo di prodotto è diventato così popolare e diffuso poiché è molto comodo usufruirne e permette di risparmiare molto tempo rispetto al voler preparare un succo in casa spremendolo e filtrandolo. Inoltre, si versa prontamente quando viene scongelato e data la sua temperatura viene gustato molto piacevolmente. Inoltre, gran parte del successo del FCOJ è probabilmente dovuto al suo buon sapore. La mancanza di sapore, dovuta all’evaporazione di parte della corrente in lavorazione, era un problema che è stato agevolmente superato nello sviluppo del FCOJ, grazie ad una piccola aggiunta di succo fresco non concentrato.

Un aspetto molto importante da considerare sta anche nel fatto che durante la trasformazione di questo prodotto non si perdono i principi nutritivi fondamentali dell’arancia. Infatti, quando il FCOJ viene preparato vi è solo una piccola perdita dei valori nutritivi. Per esempio, il 98% di vitamina C, che rappresenta la vitamina più abbondante nel succo fresco, è trattenuto durante il processo di trasformazione. Vi è una perdita esclusivamente del 2% di vitamina C durante il processo di estrazione, di concertazione e refrigerazione.

Per la linea di produzione FCOJ ( Frozen Concentrated Orange Juice) vengono affrontati di seguito i dimensionamenti relativi al processo di riscaldamento, concentrazione per evaporazione e per ultrafiltrazione a membrana, recupero di aromi per distillazione dei vapori e ridiluizione.

Figura 17: Linea FCOJ.

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2.2.1 Riscaldamento e pastorizzazione La preferenza del consumatore verso i succhi pastorizzati è in continua evoluzione. La necessità di bevande sicure e di qualità richiede la pastorizzazione del succo prima del packaging e della distribuzione.

La pastorizzazione è volta all’inattivazione dell’enzima pectin metil esterasi (PME) responsabile della perdita di stabilità e decolorazione del succo. La temperatura necessaria alla disattivazione enzimatica è più alta di quella richiesta per uccidere i microrganismi. È da considerare inoltre che i succhi di agrumi sono sensibili al calore.

Il loro contenuto vitaminico e minerale, è delicato e il sapore e la sensazione di freschezza possono essere persi o danneggiati durante l’esposizione al calore, quindi solitamente si cerca di pastorizzarli per il più breve tempo possibile.

Nel succo di agrumi, in particolare quello d’arancia, è importante la presenza di molti nutrienti quali zuccheri, acidi, vitamine, i quali sono abbastanza stabili alle condizioni termiche del processo di pastorizzazione. Il pH gioca un ruolo fondamentale nella pastorizzazione del succo. Ad un basso valore di pH, la disattivazione enzimatica viene raggiunta in breve tempo, e questo comporta una maggiore qualità del succo.

E’ stato osservato che trattamenti termici nel regime tempo-­‐temperatura (65-­‐95°C, 3-­‐ 30s) non abbassano la qualità del succo. Nelle industrie solitamente il succo viene rapidamente riscaldato per raggiungere una temperatura intorno agli 80°C e la temperatura esatta dipende dal tipo di apparecchiatura utilizzata e dalla portata del succo. Il prodotto in questione può transitare nel pastorizzatore per una frazione di tempo molto piccola da pochi secondi a 40s. Gli ultimi trends sono orientati all’utilizzo dell’HTST (high temperature short time) sia con scambiatori tubolari sia a piatti, che sono entrambi riscaldati con acqua calda o vapore.

Gli scambiatori di calore moderni sono controllati automaticamente in modo da prevenire sotto riscaldamenti di alcune porzioni del flusso di succo ed eventualmente apportare loro correzioni. Nel caso in esame la pastorizzazione è stata considerata come un’operazione di preriscaldamento che precede la concentrazione per evaporazione.

Dunque, prima di effettuare l’operazione di concentrazione è necessario effettuare un preriscaldamento al fine di aumentare la shelf-­‐life del prodotto realizzando in sostanza una pastorizzazione La portata di succo di frutta concentrato (FCOJ) deve essere riscaldata da una temperatura di 25 °C ad una di 80 °C. Tale operazione si effettua mediante uno scambiatore di calore e il processo viene poi completato nel successivo passaggio di evaporazione in cui si raggiungono temperature anche più elevate. Per il riscaldamento della corrente di processo si utilizza vapore a una temperatura di 115 °C.

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Figura  18:  Scambiatore  di  calore  E-­â€?1. Â

Â

Dati  a  disposizione:   đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ś0 = 5290  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?‘‡!! = 25°đ??ś  đ?‘‡!! = 80°đ??ś  đ?‘‡! = 115°đ??ś  đ?œ†!" = 2260  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  đ??ś!" = 3.89  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  °đ??ś   Tramite  un  bilancio  entalpico  valutiamo  la  potenza  termica  necessaria  per  svolgere  il  riscaldamento:   đ?‘„!!! = đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ś0   đ??ś!"  đ?‘‡! − đ?‘‡!   đ?‘„!!! = 5290 ∗ 3.89 ∗ 80 − 25 = 1131795.5  đ?‘˜đ??˝/â„Ž  ≅   314   đ?‘˜đ?‘Š   Nota  la  potenza  termica  ricaviamo  la  portata  di  vapore  necessaria:   đ?‘„!!! = đ?‘†  đ?œ†!"       →       đ?‘† = đ?‘„!!! /đ?œ†!" =   314   /   2260 = 0.14   đ?‘˜đ?‘”/đ?‘  = 504  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž    2.2.2  Evaporatore  a  doppio  effetto  Per  compiere  l’operazione  di  concentrazione  si  è  scelto  di  utilizzare  un  evaporatore  a  duplice  effetto  in  modo  tale  da  ottenere,  a  paritĂ Â di  specifiche  un’efficienza  maggiore  in  termini  energetici.  Infatti,  una  volta  introdotte  le  hot  utilities,  questo  sistema  permette  di  utilizzare  piĂš  volte  lo  stesso  vapore,  in  particolare  si  utilizza  nel  primo  effetto  una  corrente  di  vapore  saturo  mentre  nel  secondo  effetto  si  utilizza  il  vapore  generato  dal  primo  effetto.  Questo  consente  di  risparmiare  dal  punto  di  vista  energetico,  anche  se  il  vapore  dal  secondo  effetto  in  poi  perde  di  qualitĂ ,  in  quanto  non  è  piĂš  un  vapore  saturo,  e  per  questo  risulta  sconveniente  andare  oltre  i  2-­â€?3  effetti.  In  questo  caso  si  è  scelto  di  lavorare  in  equicorrente  poichĂŠ  cosĂŹ  non  è  necessario  utilizzare  una  pompa  che  mandi  il  Â

27 Â

liquido  contro  il  gradiente  di  pressione,  ma  soprattutto  per  far  in  modo  che  il  succo  piĂš  concentrato  non  vada  incontro  a  temperature  piĂš  elevate,  in  quanto  le  alte  temperature  rendono  piĂš  sensibile  il  succo  ad  un  grado  di  concentrazione  maggiore.  Questa  tipologia  di  operazione  preserva  quanto  piĂš  possibile  le  caratteristiche  nutrizionali  e  organolettiche  del  prodotto.  Â

Figura  19:  Evaporatore  a  doppio  effetto. Â

Â

  Dati  a  disposizione:   đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ś1 = 5290  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?‘‡!! = 80°đ??ś  đ?‘Ľ!! = 11.8  °đ??ľđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘Ľ  đ?‘‡! = 94.2°đ??ś  đ?‘ƒ! = 0.1  đ?‘?đ?‘Žđ?‘&#x;  đ?‘Ľ! = 45  °đ??ľđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘Ľ  đ?‘ƒ!! = 3.3  đ?‘?đ?‘Žđ?‘&#x;  đ?‘‡! = 45°đ??ś  đ?‘‡!! = 137°đ??ś  đ?œ†!! = 2153.4  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  đ??źđ?‘ƒđ??¸1 = 0°đ??ś  (đ??źđ?‘›đ?‘›đ?‘Žđ?‘™đ?‘§đ?‘Žđ?‘šđ?‘’đ?‘›đ?‘Ąđ?‘œ  đ?‘’đ?‘?đ?‘˘đ?‘™đ?‘™đ?‘–đ?‘œđ?‘ đ?‘?đ?‘œđ?‘?đ?‘–đ?‘?đ?‘œ  đ?‘‘đ?‘’đ?‘™đ?‘™đ?‘Ž  đ?‘ đ?‘œđ?‘™đ?‘˘đ?‘§đ?‘–đ?‘œđ?‘›đ?‘’  đ?‘§đ?‘˘đ?‘?đ?‘?â„Žđ?‘’đ?‘&#x;đ?‘–đ?‘›đ?‘Ž)  đ??źđ?‘ƒđ??¸2 = 3°đ??ś  (đ??źđ?‘›đ?‘›đ?‘Žđ?‘™đ?‘§đ?‘Žđ?‘šđ?‘’đ?‘›đ?‘Ąđ?‘œ  đ?‘’đ?‘?đ?‘˘đ?‘™đ?‘™đ?‘–đ?‘œđ?‘ đ?‘?đ?‘œđ?‘?đ?‘–đ?‘?đ?‘œ  đ?‘‘đ?‘’đ?‘™đ?‘™đ?‘Ž  đ?‘ đ?‘œđ?‘™đ?‘˘đ?‘§đ?‘–đ?‘œđ?‘›đ?‘’  đ?‘§đ?‘˘đ?‘?đ?‘?â„Žđ?‘’đ?‘&#x;đ?‘–đ?‘›đ?‘Ž)  đ?‘‡!° = 42°đ??ś  đ??ś!" = 3.89  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  °đ??ś  đ??ś!,!"#$% = 4.18  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  °đ??ś  đ??ś!,!"#$% = 1.99  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  °đ??ś   Bilancio  globale  sui  due  scambiatori:   Â

28 Â

đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ś1 = đ?‘‰! + đ?‘‰! + đ??ż! = đ?‘‰!" + đ??ż!    →    đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ś1  đ?‘Ľ!! = đ??ż!  đ?‘Ľ!

5290 ∗ 0.118 = 1387  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  0.45 đ?‘‰!" = đ?‘‰! + đ?‘‰! = đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ś1 − đ??ż! = 3903  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž đ??ż! =

 Bilancio  di  materia  ed  energia  sul  primo  effetto:   đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ś1 = đ??ż! + đ?‘‰! đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ś1  đ?‘Ľ!! = đ??ż!  đ?‘Ľ!  đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ś1  ℎ! +  đ?‘†!  đ?œ†!! =  đ??ż!  ℎ! + đ?‘‰!  đ??ť!  Bilancio  di  materia  ed  energia  sul  secondo  effetto:   đ??ż! = đ??ż! + đ?‘‰! đ??ż!  đ?‘Ľ! = đ??ż!  đ?‘Ľ!   đ??ż!  ℎ! + đ?‘‰!  đ?œ†! = đ??ż!  ℎ! + đ?‘‰!  đ??ť!  Scegliamo  come  temperatura  di  riferimento:  đ?‘‡! = 25°đ??ś   Valutiamo  il  calore  specifico  della  corrente  “đ??ż! â€?  :   đ??ś! = đ?‘Ľ!  đ??ś!" + 1 − đ?‘Ľ!   đ??ś!,!"#$% = 0.45 ∗ 3.89 + 1 − 0.45 ∗ 4.18 = 4.05  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  °đ??ś   Valutiamo  l’entalpia  della  corrente  liquida  in  uscita  al  secondo  effetto:   ℎ! = đ??ś! đ?‘‡! − đ??źđ?‘ƒđ??¸2 − đ?‘‡! = 4.05 ∗ 45 − 3 − 25 = 68.9  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”   Valutiamo  l’entalpia  del  vapore  in  uscita  al  secondo  effetto:   đ??ť! = đ??ť!!!!° + đ??ś!,!"#$% đ?‘‡! −đ?‘‡!° = 2557 + 1.99 ∗ 45 − 42 = 2583  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”   Valutiamo  l’entalpia  della  corrente  liquida  in  uscita  al  primo  effetto:   ℎ! = đ??ś! đ?‘‡! −đ?‘‡! = 4.05 ∗ 94.2 − 25 = 280.3  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”   Valutiamo  l’entalpia  del  vapore  in  uscita  al  primo  effetto:   đ??ť! = 2667  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”   Valutiamo  il  calore  latente  del  vapore  in  uscita  del  primo  effetto:   đ?œ†! = đ??ť! − â„Ž! = 2667 − 280.3 = 2386.7  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”   Valutiamo  l’entalpia  della  corrente  di  processo  in  ingresso  al  primo  effetto:   Â

29 Â

â„Ž!! = đ??ś!" đ?‘‡!! − đ?‘‡! = 3.89 ∗ 80 − 25 = 214  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”   Calcoliamo  la  portata  di  vapore  in  uscita  dal  primo  effetto:   đ??ż!  ℎ! + đ?‘‰!"  đ??ť! − đ??šâ„Ž!  1387 ∗ 68.9 + 3903 ∗ 2583 − 5290 ∗ 280.3 đ?‘‰! = = = 1854  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?œ†! −  ℎ! + đ??ť!

2286.7 − 280.3 + 2583  Valutiamo  la  portata  di  condensato  in  uscita  al  secondo  effetto:   đ?‘‰!" = đ?‘‰! +  đ?‘‰!     →    đ?‘‰! = đ?‘‰!" − đ?‘‰! = 3903 − 1854 = 2049  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž   Ricordando  il  bilancio  di  materia  al  primo  effetto  ricaviamo  la  portata  della  corrente  liquida:   đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ś1 = đ??ż! + đ?‘‰!     →     đ??ż! = đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ś1 − đ?‘‰! = 5290 − 1854 = 3436  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž   Ricordando  il  bilancio  di  energia  al  primo  effetto  ricaviamo  la  portata  del  vapore  e  la  relativa  potenza  termica:   đ??ż!  ℎ! + đ?‘‰!  đ??ť! − đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇđ??ś1  ℎ! đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇđ??ś1  ℎ! +  đ?‘†!  đ?œ†!! =  đ??ż!  ℎ! + đ?‘‰!  đ??ť!      →      đ?‘†! =  đ?œ†!!  1854 ∗ 2667 + 3436 ∗ 2583 − 5290 ∗ 280.3 đ?‘†! = = 2217.7  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  2153.4  đ?‘„ = đ?‘†! đ?œ†!! = 2217.7 ∗ 2153 = 4774708.1  đ?‘˜đ?‘—/â„Ž = 1326.6  đ?‘˜đ?‘Š    2.2.3  Filtrazione  a  membrana  Per  il  processo  di  ultrafiltrazione  della  corrente  “L2“  in  uscita  dalla  batteria  di  evaporatori,  si  è  deciso  di  operare  tramite  una  membrana  anisotropica,  cioè  la  proprietĂ Â per  la  quale  un  determinato  materiale  ha  caratteristiche  che  dipendono  dalla  direzione  lungo  la  quale  vengono  considerate.  Tale  membrana  è  caratterizzata  da  fori  di  dimensione  dell'ordine  di  grandezza  dei  nanometri  e  che  nel  caso  in  esame  è  a  base  di  acetato  di  cellulosa.  La  forza  motrice  del  processo  è  rappresentata  della  differenza  di  pressione,  applicata  a  monte  e  a  valle  del  mezzo  filtrante  per  ottenere  il  passaggio  del  fluido.  Per  l’applicazione  trattata  nel  seguente  lavoro  si  è  scelto,  da  letteratura,  un  valore  di  ∆đ?‘ƒ  pari  a  9000  kPa.  Come  qualunque  filtrazione,  la  procedura  ha  lo  scopo  di  separare  una  fase  dispersa,  costituita  da  particelle  solide  ed  un  fluido,  liquido  o  gas,  che  forma  una  fase  continua.  La  sospensione  viene  inviata  contro  un  mezzo  filtrante,  la  membrana.  Il  fluido  passa  attraverso  esso  e  viene  raccolto  a  valle  prendendo  il  nome  di  filtrato  o  permeato  che  nel  caso  in  esame  deve  avere  composizione  nulla,  mentre  i  solidi  sospesi  Â

30 Â

che  vengono  trattenuti,  tutti  o  in  parte,  sulla  superficie  della  membrana,  costituiscono  il  retentato  che  in  questo  caso  ha  una  composizione  pari  a  62  °Brix.  Â

Figura  20:  Membrana  a  spirale. Â

Â

  Dati  a  disposizione:   đ??ż! = 1387  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?‘Ľ! = 45°đ??ľđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘Ľ  đ?‘Ľ! = 62°đ??ľđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘Ľ  đ?‘Ľ! = 0°đ??ľđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘Ľ   Bilancio  globale  sulla  membrana:   đ?‘… = (1387 ∗ 0.45)/0.62 = 1006.7  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž đ??ż! = đ?‘… + đ?‘ƒ đ?‘… = (đ??ż!  đ?‘Ľ! )/đ?‘Ľ!   →    →  đ??ż!  đ?‘Ľ! = đ?‘…  đ?‘Ľ! + đ?‘ƒ  đ?‘Ľ! đ?‘ƒ = đ??ż! − đ?‘… đ?‘ƒ = 1387 − 1006.7 = 380.3  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž   2.2.4  Recupero  aromi  tramite  distillazione  Nelle  operazioni  commerciali  la  qualitĂ Â del  succo  è  determinata  da  due  fattori.  Uno  è  la  qualitĂ Â della  frutta  che  determina  le  caratteristiche  di  flavour  e  l’altro  è  la  strumentazione  utilizzata  per  l’estrazione  e  la  rifinitura  del  succo.  Le  condizioni  operative  di  solito  rappresentano  un  compromesso  tra  la  qualitĂ Â del  succo  e  la  resa  in  succo  della  frutta.  Generalmente  piĂš  alta  è  la  qualitĂ Â del  succo,  piĂš  bassa  sarĂ Â la  resa  e  viceversa.  Quindi  se  la  qualitĂ Â del  succo  di  alimentazione  è  di  media  qualitĂ Â può  essere  migliorata  con  un  processo  di  recupero  degli  aromi  persi  durante  le  operazioni  di  concentrazione.  La  sensazione  di  freschezza  del  succo  è  conferita  da  alcuni  alcoli  a  basso  peso  molecolare  (etanolo  e  metanolo),  aldeidi  (acetaldeide)  ed  esteri  (etil-­â€?butirato).  Siccome  questi  composti  sono  relativamente  volatili  essi  possono  essere  persi  facilmente.  Un  metodo  per  il  recupero  di  questi  aromi  consiste  nella  distillazione  della  corrente  ultima  di  vapore  all’uscita  del  secondo  stadio  di  concentrazione;  una  volta  recuperati  gli  aromi  si  procede  alla  condensazione  e  alla  reimmissione  nella  corrente  di  succo  concentrato.  Â

31 Â

Da studi effettuati sulla composizione del vapore in uscita al secondo effetto si deduce che il componente in maggiore quantità (50%) è l’etanolo sul quale andiamo ad effettuare la separazione per distillazione.

Nella realizzazione delle operazioni di distillazione occorre procedere attraverso una successione di stadi di vaporizzazione parziale del liquido e condensazione parziale del vapore.

Le operazioni di distillazione vengono effettuate in colonne di distillazione, schematizzate come mostra la figura 21: la miscela da separare, alimentazione, entra di norma nella parte centrale della colonna come liquido, miscela liquido-­‐vapore o vapore.

In testa alla colonna viene condensato il vapore ed il condensato si raccoglie in un serbatoio, detto accumulatore di riflusso, da cui sono prelevati il distillato ed il riflusso: quest’ultimo viene inviato in testa alla colonna mediante una pompa. In fondo alla colonna viene prelevato il residuo, mentre parte del liquido di fondo viene vaporizzato in un ribollitore e reimmesso al fondo.

Man mano che si procede lungo la colonna dall’alto verso il basso variano le composizioni (va aumentando la concentrazione dei componenti meno volatili), aumenta la temperatura, poiché tali componenti bollono a temperatura più alta, ed aumenta anche, seppure non di molto, la pressione, per effetto delle perdite di carico. La temperatura più alta si ha quindi al fondo e quella più bassa in testa: tali temperature sono funzione della pressione operativa che è, convenzionalmente, quella misurata in testa.

Figura 21: Colonna di distillazione.

Il recupero degli aromi è effettuato in colonne di distillazione impaccate a piatti forati per capacità medio-­‐piccole. Il numero dei piatti teorici è stimato sulla separazione di due componenti chiave che di solito sono l’acqua e un altro particolare componente responsabile dell’aroma. Il componente aromatico dovrebbe avere volatilità più alta di

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quella  degli  altri  composti,  quindi  il  suo  recupero  assicura  anche  il  recupero  di  tutti  gli  altri  componenti  nella  distillazione.  Nel  recupero  di  aromi  da  succo  la  concentrazione  dei  componenti  volatili  è  alquanto  bassa  (di  solito  in  ppm)  e  quindi  l’acqua  è  il  maggiore  componente  nella  colonna  di  distillazione.  L’efficienza  della  colonna  è  relativamente  bassa  (50-­â€?60%)  e  ciò  è  dovuto  alla  difficoltĂ Â di  miscelazione  acqua/vapore.  Questo  è  causato  dall’alta  tensione  superficiale  dell’acqua  pura,  che  ritarda  il  trasporto  effettivo  di  materia  tra  le  fasi.  Una  colonna  di  recupero  aromi  tipicamente  è  costituita  da  10  piatti  di  1  m  di  diametro  e  5  m  di  altezza  (distanza  tra  i  piatti  di  circa  0,5m).    Dati  a  disposizione:   đ?‘‰! = 2049  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?‘‡! = 45°đ??ś  đ?‘?! = 0.5     (đ?‘?đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘?đ?‘’đ?‘›đ?‘Ąđ?‘˘đ?‘Žđ?‘™đ?‘’  đ?‘‘đ?‘–  đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Žđ?‘›đ?‘œđ?‘™đ?‘œ  đ?‘›đ?‘’đ?‘™đ?‘™đ?‘Ž  đ?‘?đ?‘œđ?‘&#x;đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘›đ?‘Ąđ?‘’  đ?‘‰! )  đ?‘“ = 0.4       (  đ?‘Ąđ?‘–đ?‘Ąđ?‘œđ?‘™đ?‘œ  đ?‘‘đ?‘–  đ?‘Łđ?‘Žđ?‘?đ?‘œđ?‘&#x;đ?‘’)  đ?‘‹! = 0.85  (đ?‘?đ?‘˘đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘§đ?‘§đ?‘Ž)  đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ??ˇ = đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ś1 ∗ 0.2% = 5290 ∗ 0.002 = 10.58  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž ≅ 11  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?‘&#x; = 2.5       (đ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘?đ?‘?đ?‘œđ?‘&#x;đ?‘Ąđ?‘œ  đ?‘‘đ?‘–  đ?‘&#x;đ?‘–đ?‘“đ?‘™đ?‘˘đ?‘ đ?‘ đ?‘œ)  đ??ż = đ?‘&#x;   đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ??ˇ = 2.5 ∗ 11 = 27.5  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?‘ƒđ?‘€!"#$%&% = 46  đ?‘˜đ?‘”/đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™   Bilancio  globale  sulla  colonna:   đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ?‘Š = đ?‘‰! − đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ??ˇ đ?‘‰! = đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ??ˇ + đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ?‘Š đ?‘‰!  đ?‘?! − đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ??ˇ  đ?‘‹!  →   đ?‘‰!  đ?‘?! = đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ??ˇ  đ?‘‹! + đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ?‘Š  đ?‘‹!  đ?‘‹! = đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ??ˇ  đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ?‘Š = 2049 − 11 = 2038  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž 2049 ∗ 0.5 − 11 ∗ 0.85   đ?‘‹! = = 0.49 2038  Per  la  valutazione  del  carico  termico  al  condensatore  si  deve  tenere  conto  che  esso  è  costituito  da  due  contributi:  la  portata  di  vapore  nella  zona  di  arricchimento  che  alimenta  il  condensatore  e  il  calore  latente  di  vaporizzazione  della  miscela  acqua-­â€? etanolo.    đ?‘„!"#$ = đ?‘‰  đ?œ†!"#   Valutiamo  la  portata  di  vapore  da  condensare  sfruttando  la  portata  di  vapore  di  esaurimento  “đ?‘‰ !  â€?:   đ?‘‰ ! = đ?‘“  đ?‘‰! − đ??ˇ  đ?‘&#x; + 1 = 0.4 ∗ 2049 − 11 ∗ 2.5 + 1 = 781.1  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž   Â

33 Â

đ?‘‰ = đ?‘‰ ! + đ?‘“  đ?‘‰! = 781.1 + 0.4 ∗ 2049 = 1600.7  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž   đ?‘‰=

1600.7  đ?‘˜â„Ž/â„Ž = 34.8  đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™/â„Ž  46  đ?‘˜đ?‘”/đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™

 Per  calcolare  il  carico  termico  al  condensatore  si  deve  valutare  il  calore  latente  di  vaporizzazione  della  miscela  acqua-­�etanolo  sfruttando  la  seguente  formula  empirica  (“Perry's  Chemical  Engineer's  Handbook“):   !

đ?œ† =  đ??ś!  (1 − đ?‘‡! )(!! !!! !! !!! !! )   Tabella  1:  Costanti  riguardanti  l’etanolo  e  l'acqua.  Â

Etanolo  Acqua

đ?‘ťđ?‘Ť [đ?‘˛]  351.5  351.5 Â

C1 5.69 Â 10! Â 5.253 Â 10! Â

C2 0.3359 Â 0.3199 Â

C3 0 −0.212 Â

C4 Â 0 0.25795

�� [�]  513.92 647.13

đ?‘ťđ?’“ = đ?‘ťđ?‘Ť /đ?‘ťđ?‘Ş Â 0.684 0.543

 đ?œ†!"#$%&% = 38641783  đ??˝/đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™   đ?œ†!"#$% = 41776931  đ??˝/đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™   đ?œ†!"# = đ?‘‹! đ?œ†!"#$%&% + 1 − đ?‘‹! đ?œ†!"#$%   đ?œ†!"# = 0.85 ∗ 38641783 + 1 − 0.85 ∗ 41776931 = 39112.055  đ?‘˜đ?‘—/đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™   Ricaviamo  ora  il  carico  termico  al  condensatore:    đ?‘„!"#$ = đ?‘‰  đ?œ†!"# = 34.8 ∗ 39112.055 = 1361097.6  đ?‘˜đ?‘—/â„Ž ≅ 378  đ?‘˜đ?‘Š   Per  ridurre  questo  carico  termico  l’impianto  utilizza  una  portata  d’acqua  “đ?‘Š1â€?  di  4000  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  alla  temperatura  di  25°đ??ś.  Allora  è  possibile  ricavare  la  temperatura  “đ?‘‡!!,!"# â€?  alla  quale  l’acqua  fuoriesce  dal  condensatore  :  đ?‘„!!"# = đ?‘Š1  đ??ś!,!"#$%  đ?‘‡!!,!"# − đ?‘‡!!,!"   đ?‘„!"#$ 1361097.6  đ?‘‡!!,!"# = + đ?‘‡!!,!" = + 25 = 106.4°đ??ś  đ?‘Š1  đ??ś!,!"#$% 4000 ∗ 4.18  Per  la  valutazione  del  carico  termico  al  ribollitore  “đ?‘„!"# â€?  sfruttiamo  un  bilancio  di  energia  globale:   đ?‘‰! â„Ž!! + đ?‘„!"# = đ?‘„!"#$ + đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ??ˇ ∗ â„Ž! + đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ?‘Š ∗ â„Ž!   Calcoliamo  il  peso  molecolare  delle  correnti  in  ingresso  e  in  uscita:   Â

34 Â

đ?‘ƒđ?‘€!"# = đ?‘?!  đ?‘ƒđ?‘€!"#$%&% + 1 − đ?‘?!  đ?‘ƒđ?‘€!"#$% = 0.5 ∗ 46 + 0.5 ∗ 18 = 32  đ?‘˜đ?‘”/đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™   đ?‘ƒđ?‘€!"#$! = đ?‘‹!  đ?‘ƒđ?‘€!"#$%&% + 1 − đ?‘‹!  đ?‘ƒđ?‘€!"#$% = 0.85 ∗ 46 + 0.15 ∗ 18 = 41.8  đ?‘˜đ?‘”/đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™   đ?‘ƒđ?‘€!"#$% = đ?‘‹!  đ?‘ƒđ?‘€!"#$%&% + 1 − đ?‘‹!  đ?‘ƒđ?‘€!"#$% = 0.49 ∗ 46 + 0.51 ∗ 18 = 31.7  đ?‘˜đ?‘”/đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™   Calcoliamo  la  portata  molecolare  delle  correnti  in  ingresso  e  in  uscita:   2049  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™ đ?‘‰! = = 64 = 0.0177  đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™/đ?‘  32  đ?‘˜đ?‘”/đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™ â„Ž  11  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™ đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ??ˇ = = 0.26 = 7.22 ∗ 10!!  đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™/đ?‘  41.8  đ?‘˜đ?‘”/đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™ â„Ž  2038  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™ đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ?‘Š = = 64.3 = 0.0179  đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™/đ?‘  31.7  đ?‘˜đ?‘”/đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™ â„Ž  Valutiamo  le  entalpie  delle  correnti  in  ingresso  e  in  uscita:   ℎ!! = 1200  đ?‘˜đ?‘?đ?‘Žđ?‘™/đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™ = 5024  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™   ℎ! = 11350  đ?‘˜đ?‘?đ?‘Žđ?‘™/đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™ = 47522  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™   ℎ! = 2100  đ?‘˜đ?‘?đ?‘Žđ?‘™/đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™ = 8793  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘šđ?‘œđ?‘™   Ricordando  il  bilancio  di  energia  globale  relativo  alla  colonna  di  distillazione  ricaviamo  il  carico  termico  al  ribollitore:   đ?‘‰! â„Ž!! + đ?‘„!"# = đ?‘„!"#$ + đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ??ˇ ∗ â„Ž! + đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ?‘Š ∗ â„Ž!   đ?‘„!"# = đ?‘„!"#$ + đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ??ˇ ∗ â„Ž! + đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ?‘Š ∗ â„Ž! − đ?‘‰! â„Ž!!   đ?‘„!"# = 378 + 7.22 ∗ 10!! ∗ 47522 + 0.0179 ∗ 8793 − 0.0177 ∗ 5024 = 450  đ?‘˜đ?‘Š   Per  soddisfare  questo  carico  termico  viene  utilizzato  vapore  alla  temperatura  di  139°đ??ś  a  cui  corrisponde  un  calore  latente  di  vaporizzazione  pari  a  2147  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”.  Allora  è  possibile  valutare  la  portata  di  vapore  in  questo  modo:   đ?‘„!"# = đ?‘†!"#  đ?œ†!"#       →      đ?‘†!"# = đ?‘„!"# /đ?œ†!"# =   450   /   2147 = 0.21   đ?‘˜đ?‘”/đ?‘ ≅  756  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž   2.2.5  Bilancio  al  mixer  L’utilizzo  di  sistemi  di  ridiluizione  del  succo  d'arancia  concentrato  e  congelato  (FCOJ)  mantiene  viva  la  lotta  nel  competitivo  mercato  del  succo  d'arancia,  in  quanto  permette  Â

35 Â

di  arricchire  l’estratto  precedentemente  concentrato  delle  essenze  principalmente  responsabili  del  flavour  di  un  succo  di  qualitĂ ,  in  modo  tale  da  ottenere  prodotti  dal  gusto  e  dall’aroma  simili  a  quelli  di  un  succo  fresco.  E’  possibile  in  questo  modo  soddisfare  la  domanda  dei  consumatori,  senza  la  necessitĂ Â di  una  spesa  consistente.  Il  succo  di  arancia  è  sempre  valutato  in  termini  di  °Brix,  che  è  la  misura  della  percentuale  del  peso  di  solidi  solubili  (zuccheri  e  acidi)  in  un  campione  di  succo  rispetto  al  peso  del  campione  intero  (peso  specifico)  ;  la  vendita  istituzionale  di  FCOJ  prevede  che  questo  sia  nella  gamma  di  41,8  °  e  47,0  °  Brix  (a  fronte  di  un  arancio  maturo  che  ha  8,5-­â€?14,5  °Brix).  La  quantitĂ Â di  componenti  aromatici  recuperata  mediante  distillazione  e  condensata  per  essere  reintrodotta  nel  succo  concentrato,  deve  quindi  restituire  un  valore  in  termini  di  °Brix  che  rispetti  l’intervallo  tipico  del  prodotto  in  questione.  La  ridiluizione  avviene  mediante  una  linea  di  trasporto  del  succo  che  collega  l’uscita  dell’unitĂ Â di  distillazione  con  l’uscita  dell’unitĂ Â di  concentrazione.   Dati  a  disposizione:   đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ??ˇ = 11  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?‘Ľ! = 0°đ??ľđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘Ľ  đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??´ = 518  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž   (đ?‘?đ?‘œđ?‘&#x;đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘›đ?‘Ąđ?‘’  đ?‘‘đ?‘–  đ?‘Žđ?‘‘đ?‘‘ − đ?‘?đ?‘Žđ?‘?đ?‘˜)  đ?‘Ľ! = 11.8  °đ??ľđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘Ľ  đ?‘… = 1006.7  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?‘Ľ! = 62  °đ??ľđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘Ľ   Bilancio  globale  sul  mixer:   đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??´ + đ?‘… + đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ??ˇ = đ?‘ƒđ?‘…đ?‘‚đ??ˇđ?‘‚đ?‘‡đ?‘‡đ?‘‚  đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??´  đ?‘Ľ! + đ?‘…  đ?‘Ľ! + đ??ˇđ??źđ?‘†đ?‘‡đ??ˇ = đ?‘ƒđ?‘…đ?‘‚đ??ˇđ?‘‚đ?‘‡đ?‘‡đ?‘‚  đ?‘Ľ!  đ?‘ƒđ?‘…đ?‘‚đ??ˇđ?‘‚đ?‘‡đ?‘‡đ?‘‚ = 518 + 1006.7 + 11 = 1535.7  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž 518 ∗  0.118 + 1006.7 ∗ 0.62 + 11 ∗ 0  đ?‘Ľ! = = 0.446 ≅ 45  °đ??ľđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘Ľ 1535.7

Â

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Linea Chilled Orange Juice

Figura 22: Linea COJ.

Per la linea di produzione COJ (Chilled Orange Juice) vengono affrontati di seguito i dimensionamenti relativi al trattamento con pastorizzatore a piastre HTST, cella di refrigerazione e stoccaggio, riempimento e distribuzione.

2.2.6 Pastorizzazione mediante trattamento HTST La pastorizzazione è quel trattamento termico che consente l’eliminazione di alcuni microrganismi patogeni fino ad un valore non inferiore a 5 cicli logaritmici ed è necessaria per prolungare la shelf-­‐life di un prodotto che, tuttavia, deve essere conservato da poche settimana e fino a qualche mese in condizioni refrigerate. Per il processo oggetto di studio in questo lavoro di tesi, si è pensato di eseguire tale processo mediante un trattamento convenzionale High Temperature Short Time (HTST). Questo tipo di pastorizzazione, detta anche pastorizzazione flash, è oggi uno dei metodi maggiormente utilizzati, in particolare per l'elaborazione di elevati volumi di produzione. Il trattamento HTST presenta il vantaggio di essere più veloce e più efficiente degli altri tipi di trattamenti.

Praticamente il succo di frutta viene immesso nella sistema di pastorizzazione e passa nella sezione di riscaldamento rigenerativa dello scambiatore di calore. Questo scambiatore a piastre è fondamentalmente costituito da una serie di piastre in acciaio inox impilate una sopra l’altra, così facendo nell’interspazio tra le piastre si formano gli alloggiamenti per contenere il succo che è in fase di trattamento. Ciascuna coppia di piastre delimita una camera di passaggio per il fluido caldo o per il fluido freddo, a seconda della posizione delle piastre. Infatti, ciascuna piastra è a contatto da un lato con il fluido caldo e dall'altro lato con il fluido freddo, in maniera alternata.

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Figura  23:  Scambiatore  a  piastre. Â

Â

Il  succo  caldo  alla  temperatura  di  processo  viene  poi  fatto  passare  attraverso  un  tubo  di  sosta  generalmente  coibentato.  Tale  operazione  dura  circa  20  secondi,  in  modo  tale  da  soddisfare  la  condizione  di  tempo-­â€?Temperatura  necessaria  a  garantire  il  livello  di  inattivazione  richiesto  per  la  pastorizzazione  del  succo.  All’uscita  dal  tubo  di  sosta,  il  succo  pastorizzato  attraversa  prima  la  sezione  di  rigenerazione  dello  scambiatore  a  piastre  e,  successivamente,  nell'ultima  parte  del  processo,  la  sezione  di  raffreddamento  dello  scambiatore  di  calore  che  utilizza  acqua  fredda  per  portare  il  succo  pastorizzato  a  circa  25°C. Â

Figura  24:  Schema  pastorizzazione  tramite  trattamento  termico  HTST. Â

Â

 Bilancio  scambiatore  E-­â€?2   Dati  a  disposizione:   đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ = 4772  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?‘‡!! = 25°đ??ś  đ?‘‡!! = 90°đ??ś  đ?‘‡!! = 139°đ??ś  đ?œ†!! = 2147  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  đ??ś!" = 3.89  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  °đ??ś  Â

38 Â

 Tramite  un  bilancio  di  energia  valutiamo  la  potenza  termica  necessaria  per  svolgere  la  pastorizzazione  tramite  trattamento  HTST:   đ?‘„!!! = đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ś0   đ??ś!"  đ?‘‡!! − đ?‘‡!!   đ?‘„!!! = 4772 ∗ 3.89 ∗ 90 − 25 = 1206600.2  đ?‘˜đ??˝/â„Ž ≅  335   đ?‘˜đ?‘Š   Nota  la  potenza  termica  ricaviamo  la  portata  di  vapore  necessaria:   đ?‘„!!! = đ?‘†!  đ?œ†!!       →      đ?‘†! = đ?‘„!!! /đ?œ†!! =   335   /   2147 = 0.156   đ?‘˜đ?‘”/đ?‘ ≅  562  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž   L’impianto  per  soddisfare  questo  carico  termico  utilizza  un  generatore  di  vapore  a  metano  con  le  seguenti  caratteristiche:   đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘–đ?‘Žđ?‘™đ?‘–đ?‘ĄĂ = 750  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘Ž = 523  đ?‘˜đ?‘Š  đ??śđ?‘œđ?‘›đ?‘ đ?‘˘đ?‘šđ?‘œ  đ?‘€đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Žđ?‘›đ?‘œ = 58  đ?‘š! /â„Ž  Â

Figura  25:  Generatore  di  vapore. Â

Â

Ai  fini  della  gestione  ottimale  del  processo  è  interessante  studiare  e  analizzare  i  costi  di  esercizio  che  scaturiscono  per  questo  tipo  di  trattamento.   đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘Ž 523 đ?‘˜đ?‘Š  ℎ = = 0.69  đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘–đ?‘Žđ?‘™đ?‘–đ?‘ĄĂ 750 đ?‘˜đ?‘”  Ricaviamo  l’energia  utilizzata  durante  il  processo,  considerando  la  portata  della  corrente  in  lavorazione,  il  consumo  di  combustibile  e  l’acqua  consumata  per  generare  il  vapore  richiesto:   đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘Ž đ??¸đ?‘›đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘”đ?‘–đ?‘Ž  đ?‘?đ?‘œđ?‘›đ?‘ đ?‘˘đ?‘šđ?‘Žđ?‘Ąđ?‘Ž = đ?‘†!  = 562 ∗ 0.69 = 387.8  đ?‘˜đ?‘Šâ„Ž  đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘–đ?‘Žđ?‘™đ?‘–đ?‘ĄĂ Â

39 Â

𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜 = 𝑆!

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 58 = 562 ∗ = 43.46 𝑚! /ℎ 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à 750

𝐴𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑧𝑎𝑡𝑎 =

𝑆! 𝜌!"#$%

=

562 = 0.562 𝑚! /ℎ 1000

Note le quantità di acqua, energia e combustibile necessario per portare a termine la pastorizzazione del COJ è possibile quantificare i costi di esercizio.

Dati a disposizione:

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑑𝑖 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑧𝑖𝑜 = 0.13 €/𝑚! 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 0.12 €/𝑘𝑊ℎ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜!!! = 0.35 €/𝑚!

𝐴𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑧𝑎𝑡𝑎 ∗ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑑𝑖 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑧𝑖𝑜 = 0.562 ∗ 0.13 = 0.0736 €/ℎ

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑎 ∗ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 387.8 ∗ 0.12 = 46.54 €/ℎ

𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜 ∗ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜!!! = 43.46 ∗ 0.35 = 15.21 €/ℎ

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜 = 15.21 + 46.54 + 0.0736 = 61.82 €/ℎ

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑜 = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜/𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 61.82/4772 = 0.0129€/𝑘𝑔

Tabella 2: Costi operativi della pastorizzazione tramite trattamento termico HTST.

Pastorizzazione tramite HTST Variabili operative del trattamento: 𝑇!"#$%&&' = 25°𝐶 𝑇!"#$%& = 90°𝐶 𝑡 = 20 𝑠 Caratteristiche del generatore di vapore: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à = 750 𝑘𝑔/ℎ 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 = 532 𝑘𝑊

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 = 58 𝑚 ! /ℎ Capitale investito: 40 𝑘€ Costi operativi: 0.0129 €/𝑘𝑔

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Bilancio  scambiatore  E-­â€?3   Dati  a  disposizione:   đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ = 4772  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?‘‡!! = 25°đ??ś  đ?‘‡!! = 90°đ??ś  đ?‘Š2 = 4000  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  đ?‘‡!!,!" = 25°đ??ś  đ??ś!" = 3.89  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  °đ??ś   Per  ricavare  la  temperatura  alla  quale  l’acqua  di  raffreddamento  fuoriesce  dallo  scambiatore  E-­â€?3  scriviamo:  đ?‘„!!! = đ?‘„!!! = đ?‘Š2  đ??ś!,!"#$%  đ?‘‡!!,!"# − đ?‘‡!!,!"   đ?‘„!!!

1206600.2  đ?‘‡!!,!"# = + đ?‘‡!!,!" = + 25 = 97.2°đ??ś  đ?‘Š2  đ??ś!,!"#$% 4000 ∗ 4.18  2.3  Analisi  centrale  termica   Data  la  presenza  di  diverse  unit  operations  che  hanno  bisogno  di  una  corrente  calda  per  il  loro  normale  funzionamento,  è  compito  dell’ingegnere  di  processo  quantificare  il  fabbisogno  di  hot  utilities  e  progettare  un’opportuna  centrale  termica  che  permetta  il  normale  svolgimento  delle  attivitĂ Â dell’impianto.  Nel  caso  in  esame  valutiamo  la  richiesta  complessiva  minima  di  vapore  e  mediante  una  valutazione  di  esercizio  saremo  alla  fine  in  grado  di  determinare  economicamente  il  peso  di  tale  operazione.  In  prima  approssimazione  si  può  ricavare  il  fabbisogno  di  vapore  necessario  alla  produzione  considerando  tutte  le  operazioni  in  cui  è  richiesto:   đ?‘†!"# = đ?‘† + đ?‘†! + đ?‘†!"# + đ?‘†! = 504 + 2217.7 + 756 + 562 ≅ 4040  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž   La  centrale  termica,  dell’impianto  analizzato,  utilizza  il  metano  come  combustibile  per  la  produzione  di  vapore.  Ci  proponiamo  ora  di  valutare  la  portata  di  combustibile  necessaria  a  coprire  il  fabbisogno  dell’impianto  e  il  suo  costo.   Dati  a  disposizione:   đ?‘†!"# = 4040  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?‘‡!"#! = 15°đ??ś  đ?‘‡!"#$% = 15°đ??ś  đ?‘‡!!! = 15°đ??ś  đ?‘‡!"#$ = 120°đ??ś  Â

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đ?‘‡!"#$% = 140°đ??ś  đ?œ†!"#$% = 2147  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  đ?‘ƒđ??śđ??ź!!! = 50  đ?‘€đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  đ??ś!,!"#$ = 1.29  đ?‘˜đ??˝/đ??žđ?‘”  °đ??ś  đ??ś!,!"#$% = 4.18  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  °đ??ś  đ??ś!,!"#$% = 1.99  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  °đ??ś  đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ!!! = 0.35  ₏/đ?‘š!   Fissiamo  come  temperatura  di  riferimento  đ?‘‡! = 15°đ??ś,  valutiamo  le  entalpie  delle  diverse  correnti  e  in  seguito  scriviamo  un  bilancio  di  energia:   ℎ! = đ??ś!,!"#$% đ?‘‡!"#$% − đ?‘‡! = 0 đ??źđ?‘  →   ℎ!"#! = đ??ś!,!"#! đ?‘‡!"#! − đ?‘‡! = 0  ℎ!!! = đ??ś!,!"! đ?‘‡!"! − đ?‘‡! = 0  đ??şđ??¸đ?‘   →    đ?‘ƒđ??śđ??ź!!! = 50000  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”   đ?‘‚đ?‘ˆđ?‘‡   → Â

â„Ž!"#$% = đ??ś!,!"#$% đ?‘‡!"#$% − đ?‘‡! + đ?œ†!"#$% = 1.99 140 − 15 + 2147 = 2395.7  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘” â„Ž!"#$ = đ??ś!,!"#$ đ?‘‡!"#$ − đ?‘‡! = 1.29 120 − 15 = 135.45  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”

Â

 đ??źđ?‘ + đ??şđ??¸đ?‘ = đ?‘‚đ?‘ˆđ?‘‡  0 +  đ??š!!!  đ?‘ƒđ??śđ??ź!!! = đ?‘†!"#  ℎ!"#$% + đ??š!"#$  ℎ!"#$   Per  chiudere  il  bilancio  consideriamo  la  reazione  di  combustione  del  metano  e  osserviamo  che  per  ogni  mole  di  metano  vi  sono  11  moli  di  fumi:   8đ?‘ ! + 2đ?‘‚! + đ??śđ??ť! → 8đ?‘ ! + đ??śđ?‘‚! + 2đ??ť! đ?‘‚   đ??š!!! = 11  đ??š!"#$   đ??š!!!  đ?‘ƒđ??śđ??ź!!! = đ?‘†!"#  ℎ!"#$% + 11  đ??š!!! â„Ž!"#$   đ?‘†!"#  ℎ!"#$% 4040 ∗ 2395.7 đ??š!!! =  = = 199.5  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž   đ?‘ƒđ??śđ??ź!!! − 11  ℎ!"#$ 50000 − 11 ∗ 135.35  PoichĂŠ  in  condizioni  standard  (đ?‘‡! = 25°đ??ś)  la  densitĂ Â del  metano  è  pari  a  0.717  đ?‘˜đ?‘”/đ?‘š!  possiamo  ricavare  la  portata  volumetrica  e  di  conseguenza  il  costo  mensile  di  combustibile.  đ??š!!! đ?‘‰!!! = = 199.5  /0.717 = 278.2  đ?‘š! /â„Ž  đ?œŒ!!!  đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ  đ?‘€đ?‘’đ?‘›đ?‘ đ?‘–đ?‘™đ?‘’!!! = đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ!!!  đ?‘‰!!!  #đ?‘”đ?‘–đ?‘œđ?‘&#x;đ?‘›đ?‘–   #đ?‘œđ?‘&#x;đ?‘’ = 0.35 ∗ 278.2 ∗ 30 ∗ 24 = 70106.4  ₏  Â

42 Â

2.4  Analisi  torre  raffreddamento   Una  torre  di  raffreddamento  è  uno  “scambiatore  di  calore  gas-­â€?liquidoâ€?  nel  quale  la  fase  liquida  cede  energia  alla  fase  gassosa  sotto  forma  di  calore  di  evaporazione,  riducendo  cosĂŹ  la  propria  temperatura.  Nella  grande  maggioranza  dei  casi  la  fase  gassosa  è  costituita  da  aria   e  la  fase  liquida  da  acqua  .  Questa  apparecchiatura  è  un  involucro,  essenzialmente  vuoto,  in  cui  l’acqua  scende  dall’alto  “a  pioggiaâ€?  e  incontra  un  flusso  di  aria  ascendente  movimentata  da  una  ventola  oppure  a  convezione  naturale,  ossia  un  tipo  di  trasporto  causato  da  un  gradiente  di  pressione  e  dalla  forza  di  gravitĂ ,  assente  nei  solidi  e  trascurabile  per  i  fluidi  molto  viscosi,  caratterizzato  da  moti  di  circolazione  interni  al  fluido.  Â

Figura  26:  Torre  di  raffreddamento. Â

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 Sfruttando  il  raffreddamento  per  evaporazione  (Transpiration  Cooling),  l’apparecchiatura  è  in  grado  di  raffreddare  l’acqua  a  una  temperatura  minore  del  fluido  raffreddante  (contraddizione  del  II  principio  della  termodinamica).  Tale  processo  ha  come  limite  inferiore  di  temperatura  la  temperatura  di  saturazione  adiabatica  dell’aria  o  di  bulbo  umido  dell’aria,  cosĂŹ  definita:   Δđ??ť!"# đ?‘‡!" = đ?‘‡ + đ?‘Œ − đ?‘Œ!"   đ??ś!,!"# Dove  i  vari  termini  indicano:   đ?‘‡!" = đ?‘‡đ?‘’đ?‘šđ?‘?đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘˘đ?‘&#x;đ?‘Ž  đ?‘ đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘˘đ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘§đ?‘–đ?‘œđ?‘›đ?‘’  đ?‘Žđ?‘‘đ?‘–đ?‘Žđ?‘?đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘–đ?‘?đ?‘Ž Â

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đ?‘‡ = đ?‘‡đ?‘’đ?‘šđ?‘?đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘˘đ?‘&#x;đ?‘Ž  đ?‘‘đ?‘’đ?‘™  đ?‘”đ?‘Žđ?‘  đ?‘Œ = đ?‘ˆđ?‘šđ?‘–đ?‘‘đ?‘–đ?‘ĄĂ  đ?‘Žđ?‘ đ?‘ đ?‘œđ?‘™đ?‘˘đ?‘Ąđ?‘Ž  đ?‘Œ!" = đ?‘ˆđ?‘šđ?‘–đ?‘‘đ?‘–đ?‘ĄĂ  đ?‘Žđ?‘ đ?‘ đ?‘œđ?‘™đ?‘˘đ?‘Ąđ?‘Ž  đ?‘Ž  đ?‘ đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘˘đ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘§đ?‘–đ?‘œđ?‘›đ?‘’  đ?‘Žđ?‘‘đ?‘–đ?‘Žđ?‘?đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘–đ?‘?đ?‘Ž  Δđ??ť!"# = đ??¸đ?‘›đ?‘Ąđ?‘Žđ?‘™đ?‘?đ?‘–đ?‘Ž  đ?‘Łđ?‘Žđ?‘?đ?‘œđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘§đ?‘§đ?‘Žđ?‘§đ?‘–đ?‘œđ?‘›đ?‘’  đ?‘Žđ?‘?đ?‘žđ?‘˘đ?‘Ž  La  torre  di  raffreddamento  si  dimensiona  attraverso  calcoli  termodinamici  e  di  trasporto  di  materia  e  di  energia,  che  consentono  di  ricavare  un’altezza  che  dipende  dalla  temperatura  minima  che  si  vuole  raggiungere  ed  un  diametro  che  dipende  dalla  portata  d’acqua.  ℎ = â„Ž(đ?‘‡!"# )  đ?‘‘ = đ?‘‘(đ??š!"#$% ) Considerando  il  processo  in  esame  la  portata  d’acqua  che  deve  essere  raffreddata  è  pari  a  circa  8000  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  e  il  raffreddamento  avviene  mediante  l’utilizzo  di  una  torre  di  raffreddamento.  Ci  proponiamo  ora  di  dimensionare  la  corrente  di  spurgo  e  di  make  up.   Dati  a  disposizione:   đ??ś! = đ??śđ?‘œđ?‘›đ?‘?đ?‘’đ?‘›đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘§đ?‘–đ?‘œđ?‘›đ?‘’  đ?‘ đ?‘Žđ?‘™đ?‘–  đ?‘–đ?‘›đ?‘§đ?‘–đ?‘Žđ?‘™đ?‘’ = 0.001  đ?‘˜đ?‘”/đ?‘˜đ?‘”  đ??ś!"# = đ??śđ?‘œđ?‘›đ?‘?đ?‘’đ?‘›đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘§đ?‘–đ?‘œđ?‘›đ?‘’  đ?‘šđ?‘Žđ?‘ đ?‘ đ?‘–đ?‘šđ?‘Ž  đ?‘‘đ?‘–  đ?‘ đ?‘Žđ?‘™đ?‘– = 0.02  đ?‘˜đ?‘”/đ?‘˜đ?‘”  đ?‘Š!"! =  8000  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  Nelle  torri  di  raffreddamento  i  consumi  energetici  sono  limitati  a  quelli  delle  pompe  di  circolazione  dell’acqua  e  dei  ventilatori  dell’aria,  ma  il  raffreddamento  è  ottenuto  a  spese  dell’evaporazione  dell’1-­â€?  2%  dell’acqua  totale  in  circolo.  đ?‘Š!"#$%&#'# = 2%  đ?‘Š!"! = 8000 ∗ 0.02 = 160  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  Per  ovviare  a  questo  inconveniente  s’introduce  una  corrente  di  “Make  Upâ€?  (M),  che  ha  la  funzione  di  ripristinare  la  quantitĂ Â di  fluido  evaporato  e  che  deve  essere  depurata  per  evitare  un  eccessivo  accumulo  di  sali  la  messa  in  circolo  di  particelle  nocive,  infatti  si  escludono  ioni  di  calcio  e  iodio.  Tuttavia,  nonostante  i  trattamenti  di  addolcimento,  non  è  mai  assicurata  la  totale  rimozione  di  sali  ed  altri  elementi  di  disturbo,  quindi  si  deve  introdurre  nel  bilancio  complessivo  anche  una  corrente  di  spurgo  S  per  evitare  l’accumulo  eccessivo  di  sali  e,  quindi,   il  formarsi  di  incrostazioni  all’interno  del  piping  e  degli  scambiatori  di  calore.  Attraverso  un  bilancio  di  materia  si  può  stabilire  la  portata  della  corrente  di  spurgo.  In  particolare,  detta  “Coâ€?  la  concentrazione  di  Sali  nella  corrente  di  make-­â€?up,  e  “CMAXâ€?  la  concentrazione  massima  ammissibile  di  sali  nell’impianto,  si  può  scrivere:  đ?‘€  đ??ś! = đ?‘†  đ??ś!"#      →    đ?‘† = đ?‘€  (đ??ś!"# đ??ś! )  Â

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Inoltre,  la  corrente  di  Make  Up  deve  integrare  anche  la  piccola  perdita  di  fluido  dovuta  all’evaporazione,  quindi  è  costituita  da  due  contributi:  đ?‘€ = đ?‘† + đ?‘Š!"#$%&#'#  Abbiamo  cosi  un  sistema  di  due  equazioni  e  due  incognite:  đ?‘€ = đ?‘† + đ?‘Š!"#$%&#'# đ?‘€ = đ?‘† + 160 đ?‘† = 8.42  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž            đ?‘€ = 168.42  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?‘€  đ??ś! = đ?‘†  đ??ś!"#  đ?‘€ = 20  đ?‘†  Â

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Capitolo III RECUPERO DI CALORE

3.1 Gestione energetica

L'industria di processo è un grande consumatore di materie prime, che sono utilizzate sia come fondamenta per i suoi numerosi prodotti sia come fonte di energia per realizzare i vari processi. Nell'ambito dello sviluppo sostenibile ha acquisito notevole importanza il problema relativo alla limitata disponibilità delle risorse naturali e attualmente l’attenzione dell’industria di processo si focalizza essenzialmente sull’efficienza e la sostenibilità dei processi.

Ormai, la maggior parte degli esperti del settore energetico sembra concordare sul fatto che le riserve di combustibili fossili siano limitate, e un giorno si esauriranno. Tuttavia, non esiste una stima, che possa essere ritenuta abbastanza attendibile, di quando questo si verificherà. Inoltre, è largamente diffusa la sensazione che l'uso dei combustibili fossili porterà a livelli elevati di gas nell’atmosfera e ciò contribuirà a incrementare l’effetto serra, e che il conseguente riscaldamento globale potrà essere in grado di modificare i modelli meteorologici convenzionali, causando inondazioni e siccità.

Nonostante tutto, è importante pensare e soprattutto credere che il futuro non sia per niente “oscuro”. Infatti, l'efficienza e la sostenibilità non sono più temi limitati esclusivamente ai circoli accademici e inoltre si è fortemente sviluppata la giusta sensibilità verso l’utilizzo di fonti di energia alternative.

Da queste considerazioni di carattere generale, si è giunti alla consapevolezza che la gestione e la conservazione dell'energia sono le uniche due vie per utilizzare in modo più efficiente combustibili ed energia elettrica. Una corretta gestione energetica può portare a grandi risparmi sui costi di esercizio di un impianto. Infatti, se il carburante e il consumo di energia elettrica diminuiscono, si avrà un risultato concreto in termini di risparmi sui costi generali dell’impianto. Attualmente, molti impianti industriali hanno già subito alcune modifiche alla loro struttura originaria che hanno determinato un risparmio significativo in termini energetici e quindi monetari. Ogni impianto può essere reso più efficiente a livello energetico quando si applicano delle corrette procedure di gestione dell'energia.

Una buona gestione energetica degli impianti contribuirà anche a preservare le nostre preziose risorse naturali. Il risparmio e la conservazione di denaro sono i due principali vantaggi della gestione dell'energia. Alcuni altri importanti risultati, invece, sono soggetti alla variabilità del prezzo dei combustibili e di altre fonti di energia, ed anche della durata utile di vita delle apparecchiature di processo.

Si deve considerare anche che il progredire della scienza e della tecnologia ha portato a un gran numero di cambiamenti molto importanti nella struttura di base di un impianto e nelle apparecchiature che vengono utilizzate per mantenerlo operativo. Inoltre, la maggior parte delle apparecchiature è diventata leggermente più complessa e richiede personale specializzato per mantenerle in funzione. I tecnici sono chiamati ad analizzare

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queste apparecchiature, mantenerle in buono stato di funzionamento, e raccomandare misure di conservazione dell'energia. Per far fronte a queste situazioni è necessaria una grande esperienza in diverse aree.

Un tempo, la maggior parte delle apparecchiature poteva essere messa in funzione con pochi semplici strumenti e un po’ di buon senso. Oggi invece, la grande parte di queste attrezzature necessita di una qualche forma di controllo che esegue automaticamente le operazioni con elevata precisione. Ora il personale deve essere interessato a cose come le procedure di valutazione, di taratura, la strumentazione e tecniche di risoluzione dei problemi. In aggiunta a questo, vi è una maggiore preoccupazione per cose come l’efficienza operativa, la manutenzione preventiva e la gestione dell'energia.

Considerando tutte le problematiche esistenti e il grado di sviluppo tecnologico della maggior parte dei processi di trasformazione, si può affermare che un qualsiasi impianto può essere sempre soggetto a dei miglioramenti.

Data la tipologia dei processi di trasformazioni presenti nell’impianto in esame si può pensare di intervenire effettuando uno studio di ottimizzazione dei flussi termici oppure di compiere alcuni step del processo, come la pastorizzazione del succo di frutta diluito, con delle nuove tecnologie che permettano risparmi energetici e che assicurano una maggiore qualità del prodotto.

Approfondiamo ora la possibilità di recuperare energia termica dai processi già presenti dell’impianto e a tal proposito introduciamo il concetto di “processo d’integrazione”.

3.2 Definizione processo d’integrazione

Il processo di integrazione è un termine abbastanza nuovo che è emerso a partire dagli anni 80 ed è stato ampiamente utilizzato negli anni novanta per descrivere alcuni sistemi e attività orientate principalmente al processo di progettazione. E 'stato erroneamente interpretato da molte persone e addetti ai lavori come l'integrazione di calore, questa confusione probabilmente è stata causata dal fatto che gli studi di recupero del calore ispirati al concetto della “Pinch analysis” sono elementi fondamentali del processo di integrazione. Tale processo risulta essere piuttosto dinamico e presenta nuovi metodi e campi di applicazione. La definizione utilizzata in questo contesto è quella data dall’International Energy Agency (IEA) dal 1993:

"Metodi sistematici e generali per la progettazione di sistemi di produzione integrati, che vanno da operazioni individuali a processi globali, con particolare attenzione all'uso efficiente di energia e la riduzione delle incidenze ambientali ".

3.3 Stato corrente del processo d’integrazione

Il processo d’integrazione è un settore in forte crescita dell’Ingegneria di processo. E 'ormai un punto fondamentale del percorso di studio e formazione per gli ingegneri chimici, meccanici e gestionali di tutto il mondo, sia come argomento specifico o come

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parte di un processo di progettazione. Mentre il recupero di calore è stato il focus iniziale del processo di integrazione, il campo di applicazione è stato notevolmente ampliato durante la fine degli anni ottanta e novanta per coprire vari aspetti del processo di progettazione. Una caratteristica fondamentale di questa espansione è stata l'uso dei concetti di base del recupero di calore in altre aree attraverso l'uso di analogie.

Questo ha, per esempio, reso possibile usare le tecniche di recupero del calore per studiare i processi in generale di trasferimento di massa e in particolare di gestione delle acque.

Strumenti appropriati, come ad esempio software user-­‐friendly, sono le chiavi per uso industriale e ora ci sono a disposizione circa cinquanta programmi per computer per aiutare l'ingegnere in una vasta gamma di aree del processo d’integrazione e la qualità del software va da prodotti commerciali standard a prodotti di elevata tecnologia utilizzati di routine nel settore industriale.

Con questa tecnologia, è possibile ridurre significativamente i costi di esercizio degli impianti esistenti, mentre nuovi processi possono spesso essere progettati con riduzione sia dei costi d’investimento e costi di esercizio.

3.4 Dalla storia al futuro

Il processo di progettazione si è evoluto attraverso diverse "generazioni".

Originariamente, le invenzioni della prima generazione che erano basate su esperimenti in laboratorio, sono stati testati in impianti pilota prima della costruzione dell'impianto.

La seconda generazione del processo di progettazione si è basata sul concetto di Unit Operations, che hanno fondato la disciplina dell’Ingegneria Chimica.

Le operazioni unitarie agiscono come blocchi di costruzione che il tecnico utilizza nel processo di progettazione. La terza generazione ha considerato l’integrazione tra queste unità, per esempio il recupero di calore tra flussi di processo al fine di ottenere un concreto risparmio energetico.

Oggi una forte tendenza, di quella che può essere considerata la quarta generazione, è di allontanarsi dalle operazioni unitarie e concentrarsi sui fenomeni. Processi basati sul concetto di operazioni unitarie tendono ad avere molte unità di processo con tubazioni significative e complesse tra le unità, che permettono più di un fenomeno (reazione, trasferimento di calore, trasferimento di massa, ecc.). Grazie a quest’approccio si sono osservati risparmi significativi sia in costi di investimento sia in costi operativi (energia e materie prime). La maggior parte delle applicazioni industriali che seguono questa filosofia sono basati su prove ed errori, infatti, la ricerca è tuttora in corso. Non c’è dubbio, che questa tendenza influenzerà la disciplina del processo d’integrazione, poiché non si ha più integrazione tra le sole unità, ma si tende a un’integrazione all'interno delle unità.

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3.5 Il concetto di " Pinch analysis "

La Pinch analysis è un approccio rigoroso e strutturato che può essere utilizzato per affrontare una vasta gamma di miglioramenti relativi al processo e l'utilità dell’impianto.

Questo include molte opportunità come la riduzione dei costi operativi e l’eliminazione dei colli di bottiglia, migliorando l'efficienza e riducendo investimenti di capitale.

In sostanza è un metodo di ottimizzazione di reti complesse di scambiatori, che si possono presentare in impianti particolarmente sofisticati dove si presentano carichi termici e carichi di raffreddamento a diversi livelli di temperatura.

Le applicazioni fondamentali della Pinch Analysis si trovano nell’industria chimica (produzione di composti di base per materie plastiche, raffinerie di petrolio, ecc.) dove i carichi termici di riscaldamento e di raffreddamento si incontrano di frequente nelle stesse aree di impianto. La diminuzione dei carichi termici limita il consumo di combustibile, mentre la riduzione dei carichi di raffreddamento limita i problemi d’interazione con l’ambiente, sotto forma di acqua di raffreddamento o di torri evaporative: soluzioni comunque costose per la reiezione termica.

I principali motivi del successo della Pinch analysis sono la semplicità dei concetti alla base del metodo, e i risultati impressionanti che ha ottenuto in tutto il mondo. Tale metodologia analizza una quantità, principalmente energia, idrogeno oppure acqua, in termini di qualità e quantità, riconoscendo che il costo di utilizzo di tale merce sarà una funzione sia della quantità sia della qualità.

In generale, in qualsiasi tipo di processo si sfrutta un’utility di alto valore qualitativo e in seguito dopo l’operazione essa viene restituita ad un valore più basso.

27: Schema di utilizzo delle utility di processo.

La Pinch analysis ha stabilito un record in risparmio di energia e riduzione dei consumi di acqua.

In tutti i casi, il principio fondamentale alla base dell'approccio è la capacità di soddisfare la domanda individuale per una quantità di materia in lavorazione con un’alimentazione adeguata.

Ovviamente la soddisfazione della domanda dipende sia dalla quantità richiesta sia dalla qualità offerta.

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Per quanto concerne la gestione delle utility, il prodotto può essere calore, con la sua qualità misurata come temperatura, o può essere acqua o idrogeno, la cui qualità sarebbe purezza o pressione. Avvicinando il punto d’incontro tra forniture e richieste, si riduce al minimo l'importazione di utility e dunque di costi.

Figura 28: Minimizzazione dell'uso di utility.

Ad esempio, l’applicazione della Pinch analysis identifica come obiettivo principale la minimizzazione del costo delle hot utility, così come gli studi progettuali preliminari si prefiggono di raggiungere questi obiettivi.

Quando si considera un qualsiasi problema può sempre essere applicata un’analisi di questo tipo, sia essa legata all’energia, acqua o gas di processo, si applicano gli stessi principi:

Ø I processi possono essere definiti in termini di forniture e richieste (sorgenti e pozzi) di materie prime (energia, acqua, ecc.).

Ø La soluzione ottimale si ottiene considerando un’opportuna corrispondenza tra sorgenti e pozzi.

Ø Si stabilisce il parametro determinante che definisce l'idoneità del valore minimo di qualità richiesto, ad esempio, temperatura o purezza.

Ø Un trasferimento inefficiente delle risorse ostacola la ricerca della soluzione ottimale. Infatti, la quantità trasportata inefficientemente è uguale allo spreco di materie prime importate.

3.6 Procedura della Pinch analysis

La Pinch analysis è stata inizialmente sviluppata esclusivamente per progetti d’impianti ex novo. Nel nostro caso è necessario un retrofit del lavoro, ossia una ristrutturazione organizzativa dell’impianto, e dunque le tecniche convenzionali di analisi devono essere

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modificate.  La  differenza  fondamentale  è  che  in  situazioni  di  retrofit,  il  rinnovamento  deve  tener  conto  di  attrezzature  esistenti  e  gli  spazi  prestabiliti,  mentre  il  progettista  di  un  nuovo  impianto  ha  la  flessibilitĂ Â di  aggiungere  o  eliminare  apparecchiature  senza  alcun  tipo  di  vincolo.  Sono  possibili  molti  approcci  diversi  per  attuare  una  Pinch  analysis  ed  ora  esaminiamo  i  principali  step  da  seguire  per  effettuare  un  lavoro  di  analisi  completo  ed  esaustivo. Â Â Â Ă˜ďƒ˜ STEP  1  “Ottenere  i  datiâ€?   I  dati  piĂš  importanti  per  uno  studio  di  questo  tipo  sono  i  carichi  termici  e  le  temperature  per  tutte  le  correnti  di  processo  e  utilities.  Nella  maggior  parte  dei  casi,  questa  informazione  è  ottenuta  da  una  combinazione  di  dati  di  test,  dati  d’impianto,  di  misura  e  simulazioni  spesso  supportate  da  dati  di  progetto  originali. Â Ăˆ  importante  che  i  dati  per  lo  studio  rappresentino  condizioni  realistiche  e  veritiere.  Una  volta  che  i  dati  necessari  per  l'analisi  sono  stati  assimilati,  devono  essere  organizzati  nel  formato  corretto  per  effettuare  la  pinch  analysis.  Questo  processo  è  indicato  come  l'estrazione  dei  dati.  I  requisiti  variano  generalmente  a  seconda  di  quale  pacchetto  software  viene  utilizzato,  ma  di  solito,  i  dati  estratti  forniscono  una  rappresentazione  semplificata  delle  funzioni  di  calore  e  delle  temperature  di  uscita  connesse  con  tutti  i  riscaldatori,  refrigeratori  e  scambiatori  di  calore.  Tutti  i  dati  che  non  sono  potenzialmente  utili  per  scopi  d’integrazione  termica  vengono  volutamente  omessi.  Le  fasi  di  riscaldamento  e  raffreddamento  delle  utility  devono  essere  ben  specificate.  I  forni,  ad  esempio,  sono  tipicamente  rappresentati  semplicemente  come  fonti  di  calore  mediante  una  singola  temperatura  che  risulta  essere  abbastanza  alta  per  soddisfare  qualsiasi  carico  termico  previsto  nell'unitĂ .  Gli  ambienti  di  raffreddamento,  acqua  oppure  aria,  possono  essere  rappresentati  come  un  dissipatore  di  calore,  anche  qui  mediante  una  singola  temperatura. Â Â Ă˜ďƒ˜ STEP  2  “Generare  obiettivi  energetici  e  di  utilityâ€?   Dopo  un’attenta  e  oculata  osservazione  dei  dati  estratti  precedentemente,  è  necessario  impostare  il  valore  minimo  del  ∆đ?‘‡!"# .  Infatti,  questo  parametro  riflette  il  compromesso  tra  capitale  investito  e  il  costo  di  esercizio.  E  'possibile  esplorare  questo  trade-­â€?off  quantitativamente,  ma  in  pratica  avviene  raramente.  Piuttosto,  i  valori  che  di  regola  ottimizzano  il  trade-­â€?off  per  le  diverse  classi  di  processi,  e  tra  correnti  di  processo  e  utility,  possono  essere  applicati,  in  molti  casi  con  un  elevato  livello  di  fiducia.  In  secondo  luogo  fondamentale  è  determinare  gli  obiettivi.  Infatti,  il  passo  successivo,  ossia  l’energy  targeting,  coinvolge  concettualmente  le  curve  composite  di  fluidi  caldi  e  fluidi  freddi  su  un  insieme  di  assi  cartesiani.  Tali  curve  vengono  spostate  orizzontalmente  finchĂŠ  la  distanza  verticale  minore  fra  le  curve  è  uguale  al  valore  di  ∆đ?‘‡!"# .  In  pratica,  gli  obiettivi  energetici  sono  calcolati  utilizzando  ciò  che  è  noto  sfruttando  un  opportuno  Â

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algoritmo di calcolo. Le curve composite mostrano gli obiettivi generali minimi delle correnti calde e fredde. Confrontando queste con il consumo di utility esistente si ricava la portata complessiva per il risparmio energetico.

Ø STEP 3 “Identificare le principali inefficienze nella rete degli scambiatori di calore”

Questa fase comprende essenzialmente considerazioni e analisi di progettazione.

La maggior parte dei software commerciali ha gli strumenti per identificare le principali inefficienze e determinare dove il calore che attraversa una rete di scambiatore di calore è più vulnerabile. I risultati possono essere presentati mediante una di riepilogo, oppure come un diagramma a griglia. Entrambi forniscono essenzialmente le stesse informazioni, ma in diversi formati.

Ø STEP 4 “Definire le possibilità per ridurre o eliminare le maggiori inefficienze”

Nei progetti retrofit, dovrebbero essere generalmente considerate tre tipi di opzioni:

v Ridisporre gli scambiatori di calore esistenti per aumentare la portata di fluido preriscaldato e la generazione di vapore.

v Aumentare la superficie di scambio delle macchine esistenti, per esempio aggiungendo nuovi gusci agli scambiatore di calore.

v Introdurre nuovi scambiatori per permettere un’opportuna interazione tra i flussi che non sono attualmente correlati.

Ø STEP 5 “Valutazione e scelta delle diverse opzioni”

Un confronto tecnico-­‐economico delle diverse opzioni che sono state identificate è ora necessario per valutare oggettivamente quelle che soddisfano i criteri di investimento e quelle che sono più attraenti, in termini di ottimizzazione e possibili risparmi.

Si deve tenere in debito conto che in ogni rete di scambiatori di calore, ogni cambiamento di un semplice particolare può avere effetti a catena su altri scambiatori di calore. Alcuni pacchetti software di pinch analysis disponibili in commercio comprendono strumenti per la stima di tali effetti, anche se molti professionisti preferiscono usare fogli di calcolo o altri strumenti di simulazione per valutare queste interazioni. A prescindere da quale approccio viene utilizzato, è necessario un certo tipo di modello per valutare le prestazioni della rete di scambiatori di calore che permetta di quantificare il risparmio di utility attribuibili a ciascuna opzione e la combinazione di tutte le possibili opzioni.

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E 'anche importante considerare i vincoli che potrebbero influenzare la fattibilità di un nuovo schema d’integrazione di calore. Per esempio: alcuni vincoli idraulici possono limitare il numero di scambiatori di calore che può essere aggiunto.

Utilizzando il modello stabilito e tenendo conto di tutti i vincoli noti, le valutazioni economiche e di qualità sono effettuate mediante questi calcoli:

v Quantificare i risparmi di utilità attribuibili a ciascuna opzione e la combinazione di opzioni. Il risparmio di utility è convertito in risparmio monetario utilizzando i costi dei servizi.

v Stimare il costo di attuazione di ciascuna opzione. In genere, questo richiede la stima delle dimensioni dei nuovi scambiatori di calore e qualsiasi altra nuova attrezzatura necessaria, e le lunghezze dei nuovi collegamenti idraulici.

v Valutare la fattibilità economica. La stima dei costi e dei risparmi per l'opzione considerata vengono utilizzati per calcolare il semplice ammortamento (costo / risparmio annuo), così come altre misure di valore, come ad esempio il ritorno sugli investimenti (ROI) o il valore attuale netto (VAN), per quantificare l'attrattiva di ogni opzione.

3.7 Recupero di calore

In conformità a tutto ciò che è stato detto precedentemente, interessante è valutare la possibilità di recuperare calore sfruttando uno scambiatore rigenerativo che abbia lo scopo di preriscaldare la corrente di succo ingresso sfruttando il succo pastorizzato che deve essere raffreddato.

Infatti, in questa operazione il succo fresco è pompato in una sezione di rigenerazione, dove è preriscaldato dal succo caldo che è stato appena pastorizzato. In seguito viene portato alla temperatura di pastorizzazione in una sezione di riscaldamento e viene mantenuto a questa temperatura in un tubo di sosta, per il tempo necessario a garantire la pastorizzazione del succo. Se non viene raggiunta la temperatura di pastorizzazione, una valvola deviatrice di flusso automaticamente fa ritornare il succo nella sezione di riscaldamento. Il prodotto pastorizzato viene poi raffreddato nella sezione rigenerativa, simultaneamente preriscalda in succo in ingresso, e in seguito ulteriormente raffreddato sfruttando l’acqua di raffreddamento.

53

Figura  29:  Schema  pastorizzazione  tramite  trattamento  termico  HTST  con  recupero. Â

Â

La  rigenerazione  di  calore  in  questo  modo  porta  a  notevoli  risparmi  di  energia  e  può  essere  recuperato  fino  al  95%  di  calore.  Nel  caso  in  esame  ci  proponiamo  di  introdurre  questa  tipologia  di  recupero  termico  nell’operazione  di  pastorizzazione  del  succo  COJ  e  valutare  i  possibili  benefici  a  diversi  valori  di  efficienza.   đ?‘Şđ?‘¨đ?‘şđ?‘ś  đ?‘¨:  đ?‘šđ?‘Źđ?‘Şđ?‘źđ?‘ˇđ?‘Źđ?‘šđ?‘ś  đ?&#x;“đ?&#x;“%   Dati  a  disposizione:   đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ = 4772  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?‘‡!! = 25°đ??ś  đ?‘‡!! = 90°đ??ś  đ?‘‡!! = 139°đ??ś  đ?œ†!! = 2147  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  đ??ś!" = 3.89  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  °đ??ś   Tramite  un  bilancio  di  energia  valutiamo  la  potenza  termica  necessaria  per  svolgere  la  pastorizzazione  tramite  trattamento  HTST:   đ?‘„!!! = đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ś0   đ??ś!"  đ?‘‡!! − đ?‘‡!!   đ?‘„!!! = 4772 ∗ 3.89 ∗ 90 − 25 = 1206600.2  đ?‘˜đ??˝/â„Ž ≅  335   đ?‘˜đ?‘Š    Consideriamo  uno  scambiatore  di  calore  a  recupero  con  “ℎđ?‘’đ?‘Žđ?‘Ą  đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘?đ?‘œđ?‘Łđ?‘’đ?‘&#x;đ?‘Ś  = 55%",  allora  la  potenza  termica  da  fornire  all’unita  di  riscaldamento  sarĂ :   đ?‘„! = đ?‘„!!! 1 − 0.55 =  335  1 − 0.55 = 159.75  đ?‘˜đ?‘Š   Â

54 Â

Nota  la  potenza  termica  ricaviamo  la  portata  di  vapore  necessaria:   đ?‘„! = đ?‘†!  đ?œ†!!       →      đ?‘†! = đ?‘„! /đ?œ†!! =   159.75   /   2147 = 0.074   đ?‘˜đ?‘”/đ?‘ ≅  267.86  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž    L’impianto  per  soddisfare  questo  carico  termico  utilizza  un  generatore  di  vapore  a  metano  con  le  seguenti  caratteristiche:   đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘–đ?‘Žđ?‘™đ?‘–đ?‘ĄĂ = 750  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘Ž = 523  đ?‘˜đ?‘Š  đ??śđ?‘œđ?‘›đ?‘ đ?‘˘đ?‘šđ?‘œ  đ?‘€đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Žđ?‘›đ?‘œ = 58  đ?‘š! /â„Ž   Ai  fini  della  gestione  ottimale  del  processo  è  interessante  studiare  e  analizzare  i  costi  di  esercizio  che  scaturiscono  per  questo  tipo  di  trattamento.    đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘Ž 523 đ?‘˜đ?‘Š  ℎ = = 0.69  đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘–đ?‘Žđ?‘™đ?‘–đ?‘ĄĂ 750 đ?‘˜đ?‘”  Ricaviamo  l’energia  utilizzata  durante  il  processo,  considerando  la  portata  della  corrente  in  lavorazione,  il  consumo  di  combustibile  e  l’acqua  consumata  per  generare  il  vapore  richiesto:   đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘Ž đ??¸đ?‘›đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘”đ?‘–đ?‘Ž  đ?‘?đ?‘œđ?‘›đ?‘ đ?‘˘đ?‘šđ?‘Žđ?‘Ąđ?‘Ž = đ?‘†!  = 267.86 ∗ 0.69 = 184.82  đ?‘˜đ?‘Šâ„Ž  đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘–đ?‘Žđ?‘™đ?‘–đ?‘ĄĂ  đ??śđ?‘œđ?‘›đ?‘ đ?‘˘đ?‘šđ?‘œ  đ?‘€đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Žđ?‘›đ?‘œ 58 đ?‘€đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Žđ?‘›đ?‘œ  đ?‘?đ?‘œđ?‘›đ?‘ đ?‘˘đ?‘šđ?‘Žđ?‘Ąđ?‘œ = đ?‘†!  = 267.86 ∗ = 20.71  đ?‘š! /â„Ž  đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘–đ?‘Žđ?‘™đ?‘–đ?‘ĄĂ 750  đ?‘†!

267.86 đ??´đ?‘?đ?‘žđ?‘˘đ?‘Ž  đ?‘˘đ?‘Ąđ?‘–đ?‘™đ?‘–đ?‘§đ?‘§đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘Ž = = = 0.268  đ?‘š! /â„Ž  đ?œŒ!"#$% 1000  Note  le  quantitĂ Â di  acqua,  energia  e  combustibile  necessario  per  portare  a  termine  la  pastorizzazione  del  COJ  è  possibile  quantificare  i  costi  di  esercizio.   Dati  a  disposizione:    đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ  đ?‘Žđ?‘?đ?‘žđ?‘˘đ?‘Ž  đ?‘‘đ?‘–  đ?‘ đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘Łđ?‘–đ?‘§đ?‘–đ?‘œ = 0.13  ₏/đ?‘š!  đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ  đ?‘’đ?‘›đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘”đ?‘–đ?‘Ž  đ?‘’đ?‘™đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘?đ?‘Ž = 0.12  ₏/đ?‘˜đ?‘Šâ„Ž  đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ!!! = 0.35  ₏/đ?‘š!   đ??´đ?‘?đ?‘žđ?‘˘đ?‘Ž  đ?‘˘đ?‘Ąđ?‘–đ?‘™đ?‘–đ?‘§đ?‘§đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘Ž ∗ đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ  đ?‘Žđ?‘?đ?‘žđ?‘˘đ?‘Ž  đ?‘‘đ?‘–  đ?‘ đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘Łđ?‘–đ?‘§đ?‘–đ?‘œ = 0.268 ∗ 0.13 = 0.035  ₏/â„Ž   đ??¸đ?‘›đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘”đ?‘–đ?‘Ž  đ?‘?đ?‘œđ?‘›đ?‘ đ?‘˘đ?‘šđ?‘Žđ?‘Ąđ?‘Ž ∗ đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ  đ?‘’đ?‘›đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘”đ?‘–đ?‘Ž  đ?‘’đ?‘™đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘?đ?‘Ž = 184.82 ∗ 0.12 = 22.18  ₏/â„Ž   đ?‘€đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Žđ?‘›đ?‘œ  đ?‘?đ?‘œđ?‘›đ?‘ đ?‘˘đ?‘šđ?‘Žđ?‘Ąđ?‘œ ∗ đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ!!! = 20.71 ∗ 0.35 = 7.25  ₏/â„Ž  Â

55 Â

 đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ  đ?‘Ąđ?‘œđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘™đ?‘’  đ?‘œđ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘œ = 22.18 + 7.25 + 0.035 = 29.46  ₏/â„Ž   đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ  đ?‘Ąđ?‘œđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘™đ?‘’  đ?‘˘đ?‘›đ?‘–đ?‘Ąđ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘œ =  đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ  đ?‘Ąđ?‘œđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘™đ?‘’  đ?‘œđ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘œ/đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ = 29.46/4772 = 0.0062â‚Ź/đ?‘˜đ?‘”     đ?‘Şđ?‘¨đ?‘şđ?‘ś  đ?‘Š:  đ?‘šđ?‘Źđ?‘Şđ?‘źđ?‘ˇđ?‘Źđ?‘šđ?‘ś  đ?&#x;”đ?&#x;“%   Dati  a  disposizione:   đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ = 4772  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?‘‡!! = 25°đ??ś  đ?‘‡!! = 90°đ??ś  đ?‘‡!! = 139°đ??ś  đ?œ†!! = 2147  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  đ??ś!" = 3.89  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  °đ??ś   Tramite  un  bilancio  di  energia  valutiamo  la  potenza  termica  necessaria  per  svolgere  la  pastorizzazione  tramite  trattamento  HTST:   đ?‘„!!! = đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ś0   đ??ś!"  đ?‘‡!! − đ?‘‡!!   đ?‘„!!! = 4772 ∗ 3.89 ∗ 90 − 25 = 1206600.2  đ?‘˜đ??˝/â„Ž ≅  335   đ?‘˜đ?‘Š    Consideriamo  uno  scambiatore  di  calore  a  recupero  con  “ℎđ?‘’đ?‘Žđ?‘Ą  đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘?đ?‘œđ?‘Łđ?‘’đ?‘&#x;đ?‘Ś  = 65%",  allora  la  potenza  termica  da  fornire  all’unita  di  riscaldamento  sarĂ :   đ?‘„! = đ?‘„!!! 1 − 0.65 =  335  1 − 0.65 = 117.25  đ?‘˜đ?‘Š   Nota  la  potenza  termica  ricaviamo  la  portata  di  vapore  necessaria:   đ?‘„! = đ?‘†!  đ?œ†!!       →      đ?‘†! = đ?‘„! /đ?œ†!! =   117.25   /   2147 = 0.055   đ?‘˜đ?‘”/đ?‘ ≅  198  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž    L’impianto  per  soddisfare  questo  carico  termico  utilizza  un  generatore  di  vapore  a  metano  con  le  seguenti  caratteristiche:   đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘–đ?‘Žđ?‘™đ?‘–đ?‘ĄĂ = 750  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘Ž = 523  đ?‘˜đ?‘Š  đ??śđ?‘œđ?‘›đ?‘ đ?‘˘đ?‘šđ?‘œ  đ?‘€đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Žđ?‘›đ?‘œ = 58  đ?‘š! /â„Ž   Ai  fini  della  gestione  ottimale  del  processo  è  interessante  studiare  e  analizzare  i  costi  di  esercizio  che  scaturiscono  per  questo  tipo  di  trattamento.    Â

56 Â

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 523 𝑘𝑊 ℎ = = 0.69

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à 750 𝑘𝑔

Ricaviamo l’energia utilizzata durante il processo, considerando la portata della corrente in lavorazione, il consumo di combustibile e l’acqua consumata per generare il vapore richiesto:

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑎 = 𝑆! = 198 ∗ 0.69 = 136.62 𝑘𝑊ℎ 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 58 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜 = 𝑆! = 198 ∗ = 15.31 𝑚! /ℎ 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à 750

𝑆!

198 𝐴𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑧𝑎𝑡𝑎 = = = 0.198 𝑚! /ℎ 𝜌!"#$% 1000

Note le quantità di acqua, energia e combustibile necessario per portare a termine la pastorizzazione del COJ è possibile quantificare i costi di esercizio.

Dati a disposizione:

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑑𝑖 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑧𝑖𝑜 = 0.13 €/𝑚! 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 0.12 €/𝑘𝑊ℎ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜!!! = 0.35 €/𝑚!

𝐴𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑧𝑎𝑡𝑎 ∗ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑑𝑖 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑧𝑖𝑜 = 0.198 ∗ 0.13 = 0.026 €/ℎ

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑎 ∗ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 136.62 ∗ 0.12 = 16.39 €/ℎ

𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜 ∗ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜!!! = 15.31 ∗ 0.35 = 5.36 €/ℎ

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜 = 11.63 + 3.8 + 0.018 = 21.78 €/ℎ

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑜 = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜/𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 21.78/4772 = 0.0046€/𝑘𝑔

𝑪𝑨𝑺𝑶 𝑪: 𝑹𝑬𝑪𝑼𝑷𝑬𝑹𝑶 𝟕𝟓% Dati a disposizione:

𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 4772 𝑘𝑔/ℎ 𝑇!! = 25°𝐶 𝑇!! = 90°𝐶 𝑇!! = 139°𝐶

57

đ?œ†!! = 2147  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  đ??ś!" = 3.89  đ?‘˜đ??˝/đ?‘˜đ?‘”  °đ??ś   Tramite  un  bilancio  di  energia  valutiamo  la  potenza  termica  necessaria  per  svolgere  la  pastorizzazione  tramite  trattamento  HTST:   đ?‘„!!! = đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ś0   đ??ś!"  đ?‘‡!! − đ?‘‡!!   đ?‘„!!! = 4772 ∗ 3.89 ∗ 90 − 25 = 1206600.2  đ?‘˜đ??˝/â„Ž ≅  335   đ?‘˜đ?‘Š    Consideriamo  uno  scambiatore  di  calore  a  recupero  con  “ℎđ?‘’đ?‘Žđ?‘Ą  đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘?đ?‘œđ?‘Łđ?‘’đ?‘&#x;đ?‘Ś  = 75%",  allora  la  potenza  termica  da  fornire  all’unita  di  riscaldamento  sarĂ :   đ?‘„! = đ?‘„!!! 1 − 0.75 =  335  1 − 0.75 = 83.75  đ?‘˜đ?‘Š   Nota  la  potenza  termica  ricaviamo  la  portata  di  vapore  necessaria:   đ?‘„! = đ?‘†!  đ?œ†!!       →      đ?‘†! = đ?‘„! /đ?œ†!! =   83.75   /   2147 = 0.039   đ?‘˜đ?‘”/đ?‘ ≅  140.43  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž    L’impianto  per  soddisfare  questo  carico  termico  utilizza  un  generatore  di  vapore  a  metano  con  le  seguenti  caratteristiche:   đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘–đ?‘Žđ?‘™đ?‘–đ?‘ĄĂ = 750  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘Ž = 523  đ?‘˜đ?‘Š  đ??śđ?‘œđ?‘›đ?‘ đ?‘˘đ?‘šđ?‘œ  đ?‘€đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Žđ?‘›đ?‘œ = 58  đ?‘š! /â„Ž    Ai  fini  della  gestione  ottimale  del  processo  è  interessante  studiare  e  analizzare  i  costi  di  esercizio  che  scaturiscono  per  questo  tipo  di  trattamento.    đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘Ž 523 đ?‘˜đ?‘Š  ℎ = = 0.69  đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘–đ?‘Žđ?‘™đ?‘–đ?‘ĄĂ 750 đ?‘˜đ?‘”  Ricaviamo  l’energia  utilizzata  durante  il  processo,  considerando  la  portata  della  corrente  in  lavorazione,  il  consumo  di  combustibile  e  l’acqua  consumata  per  generare  il  vapore  richiesto:   đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘Ž đ??¸đ?‘›đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘”đ?‘–đ?‘Ž  đ?‘?đ?‘œđ?‘›đ?‘ đ?‘˘đ?‘šđ?‘Žđ?‘Ąđ?‘Ž = đ?‘†!  = 140.43 ∗ 0.69 = 96.89  đ?‘˜đ?‘Šâ„Ž  đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘–đ?‘Žđ?‘™đ?‘–đ?‘ĄĂ  đ??śđ?‘œđ?‘›đ?‘ đ?‘˘đ?‘šđ?‘œ  đ?‘€đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Žđ?‘›đ?‘œ 58 đ?‘€đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Žđ?‘›đ?‘œ  đ?‘?đ?‘œđ?‘›đ?‘ đ?‘˘đ?‘šđ?‘Žđ?‘Ąđ?‘œ = đ?‘†!  = 140.43 ∗ = 10.86  đ?‘š! /â„Ž  đ?‘ƒđ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘›đ?‘§đ?‘–đ?‘Žđ?‘™đ?‘–đ?‘ĄĂ 750 đ?‘†!

140.43 đ??´đ?‘?đ?‘žđ?‘˘đ?‘Ž  đ?‘˘đ?‘Ąđ?‘–đ?‘™đ?‘–đ?‘§đ?‘§đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘Ž = = = 0.140  đ?‘š! /â„Ž  đ?œŒ!"#$% 1000 Â

58 Â

 Note  le  quantitĂ Â di  acqua,  energia  e  combustibile  necessario  per  portare  a  termine  la  pastorizzazione  del  COJ  è  possibile  quantificare  i  costi  di  esercizio.   Dati  a  disposizione:    đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ  đ?‘Žđ?‘?đ?‘žđ?‘˘đ?‘Ž  đ?‘‘đ?‘–  đ?‘ đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘Łđ?‘–đ?‘§đ?‘–đ?‘œ = 0.13  ₏/đ?‘š!  đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ  đ?‘’đ?‘›đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘”đ?‘–đ?‘Ž  đ?‘’đ?‘™đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘?đ?‘Ž = 0.12  ₏/đ?‘˜đ?‘Šâ„Ž  đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ!!! = 0.35  ₏/đ?‘š!   đ??´đ?‘?đ?‘žđ?‘˘đ?‘Ž  đ?‘˘đ?‘Ąđ?‘–đ?‘™đ?‘–đ?‘§đ?‘§đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘Ž ∗ đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ  đ?‘Žđ?‘?đ?‘žđ?‘˘đ?‘Ž  đ?‘‘đ?‘–  đ?‘ đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘Łđ?‘–đ?‘§đ?‘–đ?‘œ = 0.140 ∗ 0.13 = 0.018  ₏/â„Ž   đ??¸đ?‘›đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘”đ?‘–đ?‘Ž  đ?‘?đ?‘œđ?‘›đ?‘ đ?‘˘đ?‘šđ?‘Žđ?‘Ąđ?‘Ž ∗ đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ  đ?‘’đ?‘›đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘”đ?‘–đ?‘Ž  đ?‘’đ?‘™đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘?đ?‘Ž = 96.89 ∗ 0.12 = 11.63  ₏/â„Ž   đ?‘€đ?‘’đ?‘Ąđ?‘Žđ?‘›đ?‘œ  đ?‘?đ?‘œđ?‘›đ?‘ đ?‘˘đ?‘šđ?‘Žđ?‘Ąđ?‘œ ∗ đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ!!! = 10.86 ∗ 0.35 = 3.8  ₏/â„Ž   đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ  đ?‘Ąđ?‘œđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘™đ?‘’  đ?‘œđ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘œ = 11.63 + 3.8 + 0.018 = 15.45  ₏/â„Ž   đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ  đ?‘Ąđ?‘œđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘™đ?‘’  đ?‘˘đ?‘›đ?‘–đ?‘Ąđ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘œ =  đ??śđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘œ  đ?‘Ąđ?‘œđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘™đ?‘’  đ?‘œđ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘œ/đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ = 15.45/4772 = 0.0032â‚Ź/đ?‘˜đ?‘”   Tabella  3:  Stima  dei  costi  operativi  del  trattamento  termico  HTST  con  recupero  di  calore Â

đ?‘Żđ?’†đ?’‚đ?’•  đ?’“đ?’†đ?’„đ?’?đ?’—đ?’†đ?’“đ?’š  [%]  đ?&#x;“đ?&#x;“  đ?&#x;”đ?&#x;“  đ?&#x;•đ?&#x;“ Â

đ?‘Şđ?’?đ?’”đ?’•đ?’?đ?‘Żđ?&#x;? đ?‘ś  [â‚Ź/đ?’Žđ?&#x;‘ ]  đ?&#x;Ž. đ?&#x;‘đ?&#x;“   đ?&#x;Ž. đ?&#x;‘đ?&#x;“   đ?&#x;Ž. đ?&#x;‘đ?&#x;“  Â

đ?‘Şđ?’?đ?’”đ?’•đ?’?đ?‘Şđ?‘Żđ?&#x;’  [â‚Ź/đ?’Žđ?&#x;‘ ]  đ?&#x;Ž. đ?&#x;?đ?&#x;‘  đ?&#x;Ž. đ?&#x;?đ?&#x;‘  đ?&#x;Ž. đ?&#x;?đ?&#x;‘ Â

E. Elettrica [â‚Ź/đ?’Œđ?‘žđ?’‰]  đ?&#x;Ž. đ?&#x;?đ?&#x;?  đ?&#x;Ž. đ?&#x;?đ?&#x;?  đ?&#x;Ž. đ?&#x;?đ?&#x;? Â

đ?‘ťđ?’?đ?’•đ?’‚đ?’?đ?’†  [â‚Ź/đ?’Œđ?’ˆ]  đ?&#x;Ž. đ?&#x;Žđ?&#x;Žđ?&#x;”đ?&#x;?  đ?&#x;Ž. đ?&#x;Žđ?&#x;Žđ?&#x;’đ?&#x;”  đ?&#x;Ž. đ?&#x;Žđ?&#x;Žđ?&#x;‘đ?&#x;? Â

 Come  si  evince  facilmente  dalla  tabella,  l’introduzione  di  una  sezione  rigenerativa  all’interno  dello  scambiatore  a  piastre  comporta  un  netto  abbattimento  dei  costi  di  esercizio,  tuttavia  per  un’analisi  globale  dei  benefici  introdotti  da  questo  recupero  termico,  si  deve  anche  considerare  gli  effetti  che  tale  operazione  hanno  sulla  qualitĂ Â del  prodotto  in  trasformazione.   Infatti,  tempi  di  permanenza  molto  lunghi  del  succo  ad  alte  temperature  compromettono  la  qualitĂ Â del  prodotto  alterando  le  caratteristiche  nutrizionali  e  organolettiche  richieste  dal  prodotto  per  essere  competitivo  sul  mercato  globale.  Valutiamo  il  costo  e  l’investimento  necessario  per  l’introduzione  della  seziona  rigenerativa  nello  scambiatore  presente  nell’impianto. Â

 Dati  a  disposizione:   đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ = 4772  đ?‘˜đ?‘”/â„Ž  đ?‘‡!! = 25°đ??ś  đ?‘‡!! = 90°đ??ś  Â

59 Â

𝑇!! = 139°𝐶 𝑈 = 2000 𝑊/𝑚! 𝐾 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑠𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑡𝑜𝑟𝑒 = 20 $/𝑓𝑡 !

Calcoliamo l’area dello scambiatore necessaria per compiere il trattamento termico HTST.

𝑄!!! = 𝑈 𝐴 ∆𝑇!" → 𝐴 = 𝑄!!! /𝐴 ∆𝑇!"

90 − 25 ∆𝑇!" = = 76.98 139 − 25 ln(139 − 90)

335000 𝐴= = 2.17 𝑚! = 23,17 𝑓𝑡 !

2000 ∗ 76.98

𝐼𝑛𝑣𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑠𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑡𝑜𝑟𝑒 = 𝐴 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑠𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑡𝑜𝑟𝑒

𝐼𝑛𝑣𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑠𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑡𝑜𝑟𝑒 = 23,17 ∗ 20 = 463.4 $ = 345.8 €

In prima approssimazione possiamo stimare l’investimento necessario per l’introduzione della sezione rigenerativa in proporzione al costo totale. L’investimento più ingente si avrà sicuramente nel caso di recupero maggiore (75%).

𝐼𝑛𝑣𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑠𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑡𝑜𝑟𝑒 𝑟𝑖𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 = 75% 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑠𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑡𝑜𝑟𝑒

𝐼𝑛𝑣𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑠𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑡𝑜𝑟𝑒 𝑟𝑖𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 = 0.75 ∗ 345.8 = 259.35 €

60

Capitolo IV INNOVAZIONE TECNOLOGICA 4.1 Tecnologie non termiche di sanitizzazione degli alimenti

Tradizionalmente nell’industria alimentare la sanitizzazione degli alimenti, necessaria al fine di ridurre la carica microbica e per prolungare la conservabilità degli alimenti nel tempo, viene condotta per via termica riscaldando l’alimento per un certo tempo a temperature comprese tra 70 e 150 °C. A causa di queste elevate temperature di trattamento, i processi termici richiedono generalmente elevati consumi di energia e riducono la qualità intrinseca dei prodotti alimentari causando la parziale perdita dei costituenti termolabili e la denaturazione dei costituenti termosensibili ed alterandone le caratteristiche organolettiche. Anche concetti intelligenti come HTST (High-­‐ Temperature-­‐Short-­‐Time) falliscono se il trasferimento e/o la penetrazione del calore è limitata dalle proprietà termofisiche intrinseche del prodotto.

Pertanto negli ultimi anni è cresciuto l’interesse verso le tecniche di pastorizzazione o sterilizzazione non-­‐termica degli alimenti da utilizzare come alternativa o in maniera complementare alle tecniche termiche convenzionali. Tra i trattamenti non termici si possono ricordare quelli che utilizzano elevate pressioni idrostatiche, campi magnetici oscillanti, campi elettrici pulsati di elevata intensità, radiazioni (raggi γ), luce UV, luce UV pulsata, CO2 ad alta pressione.

Queste tecnologie sono state riconosciute come metodi non termici di conservazione di prodotti alimentari solo nel recente passato, e mentre alcune sono già entrate nella pratica industriale, altre sono oggetto di ricerca e se ne valutano le potenziali applicazioni.

Ciascuna delle tecnologie non termiche ha uno specifico campo di applicazione in termini di tipo di alimento che può essere processato. Per esempio le alte pressioni, i campi magnetici oscillanti , la luce UV pulsata sono usualmente usate sia per alimenti liquidi che solidi; i campi elettrici pulsati sono più adatti per i liquidi e l’irradiazione è usata per alimenti solidi.

Inoltre, mentre le pulsazioni luminose sono più utili per pastorizzazioni di superficie, le radiazioni e i campi magnetici possono essere usati per processare alimenti confezionati in asettico prima del trattamento, riducendo così il rischio di contaminazioni durante e dopo il processo di sanitizzazione.

Quindi, le tecnologie non termiche non sono applicabili al trattamento di tutti i tipi di alimenti. Ciascuna tecnologia non termica ha i suoi vantaggi e le sue limitazioni. In molti casi, come per esempio nell’inattivazione di spore, è necessario usare un metodo di approccio combinato che preveda l’impiego di più tecnologie o fattori di conservazione in serie.

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4.2 Campi elettrici pulsati di elevata intensità (PEF): generalità

Tra le tecnologie innovative proposte negli ultimi anni per la stabilizzazione microbiologica non termica di matrici alimentari liquide, merita un’attenzione particolare il trattamento con campi elettrici pulsati, oggetto di studi sperimentali e teorici nell’ultimo decennio. La tecnica consiste nell’applicazione di impulsi di campo elettrico di breve durata (1-­‐10 μs) e di elevata intensità (10-­‐50 kV/cm) ad alimenti posti tra due elettrodi. L’utilizzo di impulsi di breve durata minimizza gli effetti del riscaldamento per effetto Joule e riduce il consumo di energia (Barsotti et al., 1999a).

Inoltre, attraverso una opportuna scelta delle condizioni operative, questa tecnica consente di inattivare cellule vegetative di batteri, lieviti e muffe in liquidi alimentari omogenei di bassa viscosità e conducibilità elettrica (succhi di frutta, latte, uova liquide etc.) mantenendo inalterate le caratteristiche organolettiche, sensoriali e nutrizionali del prodotto fresco. Tuttavia, l’inattivazione di molte spore ed enzimi richiede la combinazione dei PEF con altri processi di conservazione (temperatura, antimicrobici, alte pressioni, etc.). Per questo motivo la tecnologia PEF da sola si presta ad essere utilizzata in sostituzione o in maniera complementare a quei processi, come la pastorizzazione, che non richiedono la disattivazione delle spore.

Il trattamento di sanitizzazione mediante PEF può essere condotto a temperatura ambiente, in condizioni refrigerate o a temperature leggermente superiori a quella ambiente e l’energia persa nel riscaldamento degli alimenti è minima. Studi sulla richiesta di energia hanno concluso che il PEF è un processo più efficiente, dal punto di vista energetico, rispetto ai trattamenti termici di pastorizzazione, in particolare quando si usa un sistema continuo (Qin et al., 1996), e non mostra i ritardi di tempo tipici dell’inattivazione termica nella propagazione delle intensità letali del trattamento.

A tutt’oggi numerose Università e Centri di Ricerca in tutto il mondo (tabella 4), con il sostegno di enti governativi e dell'industria agro-­‐alimentare, hanno intrapreso, soprattutto negli USA e in Europa, studi di base sull'inattivazione microbica mediante PEF e indagini per la valutazione degli aspetti tecnologici e di processo. Un ruolo trainante è riconosciuto ai gruppi di ricerca americani diretti da Q. Howard Zhang (Ohio State University) e da G. V. Barbosa-­‐ Cánovas (Washington State University) per le molte pubblicazioni e brevetti nel campo dell’impiantistica PEF. A partire dalla metà degli anni 90’ in Europa sono risultati particolarmente attivi gruppi di ricerca dell’Università di Berlino (Germania), di Leuven (Olanda), Montpellier (Francia) e Saragozza (Spagna), oltre ai laboratori di ricerca della Unilever (Olanda), all'Istituto svedese per l'alimentazione e le biotecnologie (SIK), al Centro di Ricerche Pernod-­‐Ricard (Francia), alla Tetra Pak e Processing Systems AB (Svezia). In Italia l’unica Università attiva nell’ambito della ricerca sui PEF è l’Universita degli Studi di Salerno e il Consorzio ProdAl Scarl. Di minor rilievo risulta essere la dotazione impiantistica della SSICA di Parma.

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Tabella 4: Enti di ricerca impegnati nello studio del trattamento PEF.

Ente di ricerca

Nazione

Ohio State University, Columbus Washington State Univ. Pullman Purepulse Technol. Inc., San-­‐Diego, CA Old-­‐Dominion Univ., Norfolk USDA/ARS Subtropical Agic. Res., Weslaco, TX Minnesota Agricultural Experiment Station State University of New Jersey Univ. Manitoba, Winnipeg Univ. Guelph, Guelph Ontario Agric. and Food Eng. Res. Univ. of Buenos Aires Katolieke Universiteit, Leuven TNO Nutr. & Food Res. Inst.

Agrotechnol Res. Inst., DLO, ATO, Bornsesteeg Unilever Res.Labs, Vlaardingen Netherlands Inst.Dairy Res., Ba Ede Berlin Univ. Tech., Berlino Tech. Univ., Hamburg CPC-­‐Europe Consumer Foods Ltd. Ecole Nat.-­‐Superieure de Agronomie, Rennes Univ. Sci. & Tech., Montpellier Centre de Recherche. Pernod-­‐Ricard Tetra Pak Processing Systems AB Swedish Institute for Food and Biotechnology Univ. Saragozza Univ. Barcelona Univ. Lleida Univ. Salerno & Prodal scarl Stazione Sperim. Ind. Conserve Alim., Parma Kyungwon Univ., Kyungwon Gunma Univ., Gunma

USA USA USA USA USA USA USA Canada Canada Canada Argentina Belgio Olanda Olanda Olanda Olanda Olanda Germania Germania Germania Francia Francia Francia Svezia Svezia Spagna Spagna Spagna Italia Italia Corea Giappone

A livello sperimentale, molti prodotti sono stati finora processati mediante la tecnologia PEF quali, ad esempio, latte, yogurt, succo d’arancia, di mela, di fragole, di carota, uova liquide, zuppe di piselli (Barbosa-­‐Canovas, 2007).

Ad oggi, seppur aziende di rilievo nella produzione industriale internazionale quali TetraPack ed Unilever continuino attività di ricerca nel campo dei PEF l’unica produzione industriale che utilizza il processo PEF è relativa a succhi di frutta prodotti dalla Genesis Juice nello stato dell’Oregon (USA) figura 30.

63

Figura 30: Succhi di frutta Genesis Juice processati con trattamento PEF

Questo è stato reso possibile dal fatto che l'ente federale statunitense Federal Drug Administration (FDA) ha riconosciuto la tecnologia PEF come un possibile tecnica per la sanitizzazione di alimenti liquidi acidi.

Tuttavia, mentre negli Stati Uniti da circa 11 anni la tecnologia PEF è riconosciuta come valida alternativa di pastorizzazione di matrici liquide alimentari, attualmente in Europa essa non è stata ancora valutata dalla Comunità Europea come BAT (Best aviable tecniques) per la sanitizzazione di alimenti nell’ambito dell’Industria Alimentare Europea.

4.3 Meccanismo di inattivazione microbica mediante PEF

Il meccanismo di inattivazione microbica dovuto all’azione dei PEF ancora oggi non è del tutto chiaro ma tra le tante teorie diffuse la più accreditata sembra quella del modello elettromeccanico sviluppato da Ziemmermann (1974), la cui schematizzazione è riportata nelle figure 31 e 32.

Questo modello considera la membrana cellulare come un materiale dielettrico posto tra le armature di un condensatore.

Secondo tale modello, il meccanismo di inattivazione dei microrganismi è legato ad un processo fisico di elettroporazione della membrana cellulare determinato dall’azione elettro-­‐compressiva di cariche elettriche di segno opposto indotte da un campo elettrico esterno sui due lati della membrana cellulare elettricamente isolante.

In particolare, l’applicazione di un campo elettrico induce una separazione di carica su entrambi i lati (interno ed esterno) della cellula microbica generando un potenziale transmembrana ΔVm, che rappresenta la differenza tra il potenziale intra ed extra-­‐ cellulare. La formazione di pori (elettroporazione) si ha quando il potenziale transmembrana supera il valore critico ΔVmc, che per la maggior parte delle cellule microbiche è pari a circa 1V. Al di sopra di questo valore critico la forza di attrazione reciproca tra le cariche di segno opposto distribuite sulle due facce della membrana cellulare potrà raggiungere valori tali da provocare un assottigliamento della membrana stessa con conseguente rottura locale. Al valore del potenziale critico ΔVmc corrisponderà un ben preciso valore del campo elettrico critico Ec oltre il quale avrà inizio il fenomeno di elettroporazione che, a seconda del valore del campo applicato sarà di tipo reversibile (E>Ec) o irreversibile (E>>Ec).

64

Inoltre, il valore del campo elettrico critico dipenderà anche dalla temperatura dal momento che, all’aumentare della temperatura la membrana cellulare diventa più fluida e la sua resistenza meccanica diminuisce. Valori tipici del campo elettrico critico (tabella 5) sono compresi nell’intervallo tra 4 e 14 kV/cm per i vari microrganismi (Castro et al.

1993).

Figura 31: Rappresentazione schematica del meccanismo di permeabilizzazione della membrana.

E<Ec

E=Ec

E>>Ec

Figura 32: Elettroporazione della membrana; (a) la membrana vista come una

barriera dielettrica, (b) caricamento della membrana attraverso l’applicazione dei campi elettrici, (c) formazione reversibile dei pori dopo il raggiungimento del campo elettrico critico, (d) espansione dei pori e rottura irreversibile.

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Tabella 5: Valori di Ec. di alcuni microrganismi (Heinz et. al 2002).

Microrganismo Escherichia coli Klebsiella pneumonia Pseudomonas aeruginosa Staphylococcus aureus Listeria monocytogenes Candida albicans

Ec [kV/cm] 8,3 7,2 6 13 10 8,4

4.3 Componenti di un sistema PEF e principi di funzionamento

Un impianto di trattamento PEF in flusso continuo, quale quello rappresentato in figura 33, si compone essenzialmente di: • un generatore di impulsi ad alta tensione in corrente continua; • una camera di trattamento; • una unità di monitoraggio e controllo; • un sistema di movimentazione dell’alimento;

Figura 33: Schema di un sistema PEF per la trasformazione dei prodotti alimentari.

4.3.1 Il generatore di impulsi

Il generatore ha il compito di generare impulsi ad alta tensione che abbiano la forma, la durata e l’intensità richieste dall’operatore. Questo fondamentale componente dell’impianto PEF svolge tre specifiche funzioni:

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1) Tramite un generatore di potenza genera una corrente elettrica continua (d.c.), alla tensione richiesta e con una potenza massima di circa 1.5 kW per impianti in scala da laboratorio, mentre impianti in scala pilota o semi-­‐industriali possono essere dotati di generatori con una potenza fino a un centinaio di kW.

2) Accumula temporaneamente l’energia elettrica in un singolo condensatore oppure in un banco di condensatori collegati in parallelo (in dipendenza dalla grandezza dell’impianto);

3) Rilascia sull’alimento posto nella cella di trattamento, tramite uno switch, l’energia elettrica ad alta tensione attraverso un cosiddetto “pulse forming network (PFN)” che non è altro che un circuito elettrico costituito da diverse componenti: uno o più alimentatori a corrente continua (DC), un resistore di carica, una batteria di condensatori formata da due o più unità collegate in parallelo, uno o più interruttori, induttori e resistenze. La specifica configurazione del PFN determina la forma d’onda dell’impulso. Tipicamente, gli impulsi a decadimento esponenziale e quelli ad onda quadra sono quelli maggiormente utilizzati nelle applicazioni PEF.

Figura 34: Schema semplificato del circuito elettrico di un generatore di impulsi.

4.3.2 Le camere di trattamento

Le camere di trattamento hanno come funzione principale quella di trasferire gli impulsi di campo elettrico ad elevata intensità all’alimento da trattare.

Sono costituite da due elettrodi di materiale elettricamente conduttivo separati da uno spaziatore in materiale isolante, che fornisce il canale di passaggio del fluido nei sistemi continui, oppure la cavità che è destinata a contenere l’alimento nei sistemi batch.

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I materiali scelti per realizzare una camera di trattamento devono essere lavabili ed autoclavabili, in modo da garantire la sterilità delle operazioni. Gli acciai inossidabili sono i materiali più utilizzati per la costruzione degli elettrodi. Lo spaziatore isolante è in genere realizzato in plexiglass, policarbonato, teflon, resine polisulfoniche, PTFE o altri polimeri ad alta resistenza elettrica e forza dielettrica.

La geometria di una camera di trattamento deve essere tale da consentire sia il raggiungimento di elevate intensità del campo che una sua uniforme distribuzione in modo da poter ottenere la massima disattivazione microbica e ottimizzare così l'efficienza del processo.

Le camere di trattamento possono essere classificate in base al tipo di funzionamento come camere batch o statiche e camere in flusso continuo.

Le camere statiche sono idonee per effettuare studi preliminari su scala di laboratorio, mentre quelle a flusso continuo sono da preferire per impianti pilota e in operazioni in scala industriale.

Le prime sono in genere piccole camere di trattamento con un volume di riempimento compreso tra 3 e 30 ml e sono per lo più costituite da elettrodi sotto forma di piastre o di cilindri a facce piane e parallele.

Un esempio di queste tipo di camera e rappresentato nella figura 35.

Figura 35: Camera statica con elettrodi cilindrici ( Raso et. al. 2000).

Per quanto riguarda le camere di trattamento in flusso continuo, anche per queste sono state proposte negli anni diverse configurazioni.

Tuttavia, le configurazioni di camere in flusso continuo più utilizzate sono quelle di tipo tubolare (camere co-­‐field) con campo elettrico co-­‐lineare brevettata da un gruppo di ricercatori del Ohio State University nel 1997 rappresentata in figura 36. Si tratta di camere costituite da due elettrodi tubolari separati un spaziatore anch’esso tubolare, e che presentano indubbi vantaggi fluidodinamici e sono caratterizzate da un’elevata resistenza elettriche che ne consente l’utilizzo in collegamenti in serie alimentati da un unico generatore.

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Figura 36: Schemi e aspetto di camere ad elettrodi cilindrici co-­‐lineari sviluppate presso la OSu nel 1997.

4.3.3 Sistemi di trasporto del fluido

Un sistema continuo per il trattamento con campi elettrici pulsati è dotato di pompe e tubazioni per trasportare il prodotto fresco dal serbatoio di carico fino a quello di stoccaggio, passando per la zona di trattamento.

Per ragioni di sicurezza, dal momento che il sistema di trasporto e quello elettrico sono connessi tramite il liquido da trattare, è opportuno realizzare la messa a terra di tutti i dispositivi. Valvole per la regolazione o l’interruzione del flusso possono essere installate in parecchi punti del circuito per render possibile in ogni momento la ricircolazione o la variazione dei flussi.

In un impianto PEF continuo devono essere previsti degli appositi sistemi di lavaggio [Cleaning in place (CIP)] e sterilizzazione [Sterilizing in place (SIP)].

4.3.4 Sistema di monitoraggio e controllo Le periferiche di un sistema PEF sono tutte collegate ad un calcolatore centrale che, tramite un opportuno software (per es. in LabView), controlla non solo il funzionamento del generatore di impulsi ad alta tensione ma regola le specifiche condizioni di tensione e di frequenza degli impulsi, controlla il funzionamento delle pompe e delle valvole

69

comandate elettricamente presenti nel sistema, e infine gestisce anche il sistema di acquisizione dei dati e la successiva elaborazione.

Particolari sonde adatte per rilevare forme d’onda impulsive di alta tensione e corrente vengono posizionate in corrispondenza della cella di trattamento. I segnali rilevati da queste sonde vengono letti attraverso l’ausilio di un oscilloscopio e trasmessi al computer centrale per la elaborazione ed il controllo dei dati.

La variazione di temperatura del prodotto per effetto Joule tra ingresso e uscita della camera di trattamento viene solitamente monitorata mediante termocoppie posizionate lungo l’asse delle tubazioni. La registrazione in continuo della temperatura permette di evitare surriscaldamenti indesiderati dell'alimento operando sul sistema di raffreddamento.

La portata del fluido deve essere monitorata perché condiziona, insieme con il volume della camera di trattamento, il tempo di residenza tra gli elettrodi e quindi, tenuto conto della frequenza, il numero di impulsi applicati.

4.4 Parametri elettrici caratteristici di un processo PEF

I principali parametri elettrici caratteristici di un processo PEF sono l’intensità del campo elettrico, il tempo di trattamento, il tipo di impulso (forma d’onda), la durata dell’impulso, la frequenza di ripetizione degli impulsi, la temperatura del campione e l’energia specifica.

4.4.1 Il campo elettrico

L’intensità del campo elettrico è uno dei fattori più importanti nel determinare l’inattivazione microbica mediante PEF. L’intensità media del campo elettrico è definita come il rapporto tra la differenza di potenziale U tra i due elettrodi della camera di trattamento e la loro distanza L:

U E = L 4.4.2 Il tempo di trattamento I trattamenti PEF vengono effettuati attraverso l’applicazione ripetuta di impulsi di breve durata per evitare sia il riscaldamento eccessivo sia l’innescarsi di reazioni elettrolitiche indesiderate. Il tempo di trattamento, che insieme al campo elettrico costituisce uno dei principali fattori che influenzano un trattamento PEF, rappresenta il lasso di tempo durante il quale i microrganismi risultano effettivamente esposti all’azione del campo elettrico applicato. Pertanto il tempo di trattamento è definito come il prodotto del numero di impulsi applicati per la durata del singolo impulso τ

70

t tr = n ∗ τ

e dipende anche dalla forma d’onda utilizzata.

4.4.3 Frequenza di ripetizione degli impulsi I trattamenti PEF sono basati sull’applicazione di impulsi di campo elettrico intermittenti ad alta intensità con una frequenza che varia nell’intervallo tra 1-­‐10 kHz. La frequenza di ripetizione degli impulsi è definita come il numero di impulsi applicati per unità di tempo.

In un sistema batch una più alta frequenza comporta una riduzione del tempo di trattamento totale. In un sistema in flusso continuo, fissata la portata ed il volume della camera di trattamento, la frequenza di trattamento il numero di impulsi e quindi l’energia scaricata sull’alimento. In entrambi i tipi di celle, comunque, la temperatura del mezzo di trattamento aumenta all’aumentare della frequenza in conseguenza dell’aumento dell’energia scaricata nell’unità di tempo.

4.4.4 Energia specifica WT L’ammontare di energia WT trasferita all’unità di massa (o di volume) dell’alimento trattato è stata suggerito come parametro di controllo particolarmente adatto nel caso dei sistemi continui e più accurato del tempo di trattamento soprattutto quando si utilizzano onde a decadimento esponenziale (Heinz et al., 2002). Infatti, poiché WT è definito come un parametro integrato del campo elettrico, del tempo di trattamento e della resistenza della camera di trattamento, è in grado di offrire un’informazione complessiva sull’intensità del trattamento e sul consumo energetico.

Nel caso di impulsi ad onda quadra, l’energia scaricata su un alimento per ciascun impulso (in J) è data da:

2 En = PMAX ⋅ τ = U MAX ⋅ I MAX ⋅ τ = U MAX ⋅

τ Rk

in cui PMAX è la potenza massima, UMAX e IMAX sono i valori di tensione e corrente (costanti misurati durante l’impulso), Rk è la resistenza del campione trattato e τ è la durata dell’impulso.

Una volta nota l’energia per impulso En (in J), l’energia specifica per unità di volume W (in J/ml impulso) si calcola dividendo la stessa per il volume della camera di trattamento v (in ml):

E W = n v

71

Gli impulsi a bassa energia, oltre a realizzare un trattamento meno costoso e l’utilizzo di gruppi di alimentazione non eccessivamente potenti, producono un minor riscaldamento del prodotto trattato come si evince della equazione che esprime il riscaldamento Joule del prodotto processato:

W ΔT = T CP dove ΔT rappresenta l’aumento di temperatura, WT l’energia totale specifica trasferita al prodotto (in kJ/kg) e CP il calore specifico dell’alimento (in kJ/kg°C).

In un processo continuo, l’energia totale trasferita WT può essere calcolata come:

f ⋅ v ⋅ Wimpulso

WT = F

dove f è la frequenza degli impulsi (in Hz), v è il volume della camera (in ml) F è la portata volumetrica (in ml/s) Wimpulso l’energia erogata per singolo impulso.

Pertanto, l’aumento di temperatura sarà dato da:

f ⋅ v ⋅ Wimpulso

ΔT = F ⋅Cp

dove il prodotto tra la frequenza degli impulsi f e il tempo medio di residenza (v/F) fornisce il numero di impulsi applicati n:

f ⋅v

n= F

4.5 Trattamenti combinati PEF -­‐ moderate Temperatura

La temperatura di processo è uno dei fattori che influenzano in modo significativo tutti i processi biologici e come tale influenza anche l’inattivazione microbica mediante PEF. Nei trattamenti PEF, tuttavia, la temperature non è una variabile di processo indipendente dal momento che è possibile solo impostare la temperatura di inizio trattamento in un processo batch o la temperatura di ingresso nella camera in un processo in flusso continuo.

Diversi gruppi di ricerca hanno riscontrato un effetto sinergico tra moderate temperature del mezzo (fino a 65 °C) e l’azione dei PEF sull’inattivazione di microrganismi ed enzimi (Dunn e Pearlmann, 1987; Sensoy et al., 1997; Heinz et al.

2003).

In figura 37 viene riportato in grafico il tipico profilo Temperature-­‐tempo per per un processo combinato PEF-­‐Temperatura e per confronto è stato anche riportato il corrispondente profilo relativo a un trattamento termico HTST.

72

Figura 37: Profilo temperatura-­‐tempo.

Il maggiore grado di inattivazione, riscontrato nei processi combinati PEF-­‐temperatura, è stato associato ad una più alta fluidità della membrana fosfolipidica alle più alte temperature, che rende le cellule microbiche più suscettibili alla formazione di pori (Jayaram et al., 1992, Aronson et al 2001).

Pertanto, il preriscaldamento dell’alimento fino a temperature considerate non letali dal punto di vista del processo di inattivazione termica (fino a circa 65°C per pochi secondi) potrebbe essere sfruttato vantaggiosamente al fine di incrementare il livello di inattivazione microbica ottenibile a parità di condizioni di trattamento PEF, ovvero di ridurre il consumo energetico necessario all’ottenimento di un dato livello di inattivazione microbica a parità di campo elettrico applicato.

Chiaramente, oltrepassati i limiti di temperatura letali per i microrganismi, risulterebbe difficile discriminare tra l’effetto di inattivazione di tipo termico e quello non termico dei PEF ed evitare una perdita di qualità globale del prodotto.

Heinz et al. (2003) hanno cercato di migliorare l’efficienza energetica del processo PEF di pastorizzazione del succo di mela inoculato con E. coli, studiando le relazioni che esistono fra il grado di mortalità microbica, il campo elettrico, la temperatura di trattamento ed il consumo di energia elettrica. Molti studi riportano che operando a temperatura ambiente è richiesta un’energia specifica pari a circa 100-­‐400 kJ/kg (Schoenbach, Joshi, and Stark, 2000) per ottenere livelli di inattivazione microbica minimi per pastorizzare alimenti mediante PEF. Per questo motivo, Heinz et al. (2003) sfruttando l’effetto sinergico tra PEF e temperatura hanno cercato di ridurre il consumo di energia valutando anche la possibilità di recuperare l’energia termica della corrente di prodotto uscente dalla cella di trattamento per preriscaldare la corrente in ingresso.

In figura 38 è riportato l’effetto della temperatura del prodotto all’ingresso della cella di trattamento sulla velocità di inattivazione e sull’energia specifica. I risultati mostrano

73

che la velocità di inattivazione aumenta sensibilmente all’aumentare della temperatura di ingresso cella e che la stessa efficienza del processo migliora notevolmente dal momento che, ad esempio, per ottenere una riduzione microbica di 3 log è necessaria una quantità di energia specifica pari a 60 kJ/kg a 35°C mentre sono sufficienti soli 5 kJ/kg a 65°C. Un ulteriore vantaggio riscontrato dagli autori nel lavorare a moderate temperature consiste in un maggiore controllo della temperatura di processo conseguente al minor consumo di energia. Infatti, operando ad una temperatura di 45 °C è necessario un ammontare di energia specifica pari a 100 kJ/kg per ottenere una riduzione della popolazione microbica di 5 log con un aumento di temperatura fino a 71 °C. Se l’alimento viene preriscaldato fino ad una temperatura di 65 °C, invece, grazie agli effetti sinergici tra temperatura e PEF si può realizzare un’inattivazione di 6 log con un consumo di energia di appena 10 kJ/kg e un aumento di temperatura di soli 2.5 °C.

Figura 38: Inattivazione di E. coli nel succo di mela in funzione dell’energia specifica assorbita a differenti temperature di trattamento. Condizioni operative: campo elettrico 36kV/cm, portata 3 kg/h. (Heinz et al., 2003)

Heinz et al. (2003) hanno analizzato anche il consumo di energia specifica richiesto per ottenere un livello di inattivazione di Escherichia coli in succo di mela pari a 7 log-­‐cycles.

I risultati riportati in figura 39 in funzione della temperatura e dell’intensità del campo [(a) e (b)] ed in funzione della temperatura e del livello di inattivazione ad un campo elettrico costante (c) mostrano che l’intensità del campo e la temperatura hanno un’influenza rilevante sull’efficienza del trattamento. Aumentando l’intensità del campo elettrico e/o la temperatura il consumo di energia richiesta può essere ridotto.

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Figura 39: Consumo di energia specifica per la riduzione di 7 log-­‐cycles di E. coli nel succo di mela: (a) al variare della temperatura e per differenti valori del campo elettrico; (b) al variare del campo elettrico e a differenti temperature: (c) al variare della temperatura e per diversi livelli di inattivazione e ad un campo elettrico fissato e pari a 42kV/cm. (Heinz et al., 2003)

Tuttavia, quando si studia l’influenza della temperatura come parametro di processo sull’inattivazione microbica mediante PEF è importante tenere sempre presente che lavorare a temperature di processo più alte comporta lavorare a conducibilità elettriche del prodotto più elevate avremo, di conseguenza, ad una ridotta resistenza della camera di trattamento. A causa di ciò, per quanto già discusso in precedenza, l’utilizzo di temperature di processo più alte si traduce in una diminuzione dell’efficienza nel trasferimento di energia dai condensatori alla cella di trattamento e, allo stesso tempo, in un aumento di corrente che attraverso il circuito che potrebbe richiedere switch più sofisticati.

Nel seguito verranno valutati i costi della pastorizzazione del succo di arancia mediante l’utilizzo della tecnologia PEF.

75

Analisi  tecnologia  PEF   Per  scegliere  il  generatore  dâ&#x20AC;&#x2122;impulsi  piĂš  adatto  al  processo  è  necessario  valutare  la  potenza  minima  necessaria  ad  effettuare  il  trattamento  di  pastorizzazione  mediante  la  tecnologia  dei  campi  elettrici  pulsati.  Alla  base  del  calcolo  sono  stati  scelti  dei  valori  standard  dâ&#x20AC;&#x2122;intensitĂ Â di  campo  elettrico,  tensione,  durata  dâ&#x20AC;&#x2122;impulsi,  frequenza  e  dimensione  della  cella.  In  questo  modo  è  stata  valutata  la  potenza  richiesta  da  tutte  le  celle. Â

 Figura  40:  Schema  pastorizzazione  tramite  trattamento  PEF. Â

 Dati  a  disposizione:  đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ = 4772  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;/â&#x201E;&#x17D; đ??śđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?â&#x201E;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2019;  đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;  đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013;  đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018; đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x153; đ??ž!|!!!"° = 3,56  đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2020;/đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x161;  đ?&#x153;&#x152;! = 1250  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;/đ?&#x2018;&#x161;!  đ??¸ = 27  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x2030;/đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x161; đ?&#x2018;&#x2030;! = 35  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x2030; đ??śđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?â&#x201E;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2019;  đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x17D;  đ?&#x2018;&#x192;đ??¸đ??š   đ?&#x153;? = 5  đ?&#x153;&#x2021;  đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x201C; = 800  đ??ťđ?&#x2018;§  đ?&#x2018;&#x2018; = 0.01  đ?&#x2018;&#x161;  đ??ż = 0.013  đ?&#x2018;&#x161; đ??ˇđ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2013;  đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x17D;        đ?&#x2018;&#x203A;! = 6   (đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x153;  đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013;  đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;)  Per  valutare  la  quantitĂ Â dâ&#x20AC;&#x2122;impulsi  per  la  i-­â&#x20AC;?esima  cella  "đ?&#x2018;&#x203A;! "  e  il  tempo  di  trattamento  "đ?&#x2018;Ą"  è  necessario  calcolare  prima  altre  grandezze.   Portata  volumetrica:  đ?&#x2018;&#x201E;!"# = đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ/đ?&#x153;&#x152;! = 4772/1250 = 3.818  đ?&#x2018;&#x161;! /â&#x201E;&#x17D;   Â

76 Â

Volume  i-­â&#x20AC;?esima  cella:  đ?&#x2018;&#x2030;! =

! Â ! ! !

đ??ż=

! Â !.!"! !

â&#x2C6;&#x2014; 0.013 = 1.021 â&#x2C6;&#x2014; 10!! Â đ?&#x2018;&#x161;! Â

 Tempo  residenza  i-­â&#x20AC;?esimo:  1.021 â&#x2C6;&#x2014; 10!! đ?&#x2018;Ą!" = đ?&#x2018;&#x2030;! /  đ?&#x2018;&#x201E;!"#  = = 2.674  â&#x2C6;&#x2014; 10!! â&#x201E;&#x17D; = 0.963 â&#x2C6;&#x2014; 10!!  đ?&#x2018;  3.818  Numero  impulsi  i-­â&#x20AC;?esima  cella:  đ?&#x2018;&#x203A;! = đ?&#x2018;&#x201C;  đ?&#x2018;Ą!" = 800 â&#x2C6;&#x2014; 0.963 â&#x2C6;&#x2014; 10!! = 0.77   Tempo  di  trattamento:  đ?&#x2018;Ą = đ?&#x2018;&#x203A;!  đ?&#x153;? = 0.77 â&#x2C6;&#x2014; 5 â&#x2C6;&#x2014; 10!! = 3.85  đ?&#x153;&#x2021;  đ?&#x2018;   Per  valutare  lâ&#x20AC;&#x2122;energia  specifica  richiesta  per  completare  il  processo  di  pastorizzazione  del  succo  dâ&#x20AC;&#x2122;arancia  alla  temperatura  di  25°C  sfruttiamo  i  risultati  sperimentali  conseguiti  da  Heinz  et  al.,  (2003).  In  particolare,  i  risultati  di  questo  lavoro  riportati  nel  paragrafo  precedente,  riportano  lâ&#x20AC;&#x2122;inattivazione  microbica  di  E.  coli  in  funzione  dellâ&#x20AC;&#x2122;energia  specifica  totale  e  per  diversi  valore  di  temperature  ad  un  fissato  campo  elettrico  applicato.  Da  questi  dati  è  stato  possibile  determinare  (tabella  6)  lâ&#x20AC;&#x2122;energia  specifica  totale  necessaria  per  abbattere  una  carica  microbica  pari  a  5  log-­â&#x20AC;?cycle,  che  rappresenta  il  requisito  minimo  per  la  commercializzazione  del  succo  come  prodotto  pastorizzato.   Tabella  6:  Valori  dellâ&#x20AC;&#x2122;energia  specifica  in  funzione  della  temperatura. Â

Temperatura  °C 25* 35 45 55

WT Â (kJ/kg) 180 140 100 50 Â

Il  valore  di  WT  alla  temperatura  di  25°C  è  stato  ricavato  da  (Heinz  et  al,  2003)   Nel  seguito,  sulla  base  di  questi  dati  di  letteratura,  verrĂ Â valutata  la  potenza  media  richiesta  per  ciascuna  temperatura  di  processo  ed  il  relativo  costo  energetico.    đ?&#x2018;Şđ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;&#x201D;đ?&#x2019;?  đ?&#x2018;¨:     đ?&#x2018;ť = đ?&#x;?đ?&#x;&#x201C;  °đ?&#x2018;Ş Â Â In  questo  caso,  non  essendo  richiesto  alcun  preriscaldamento  del  succo  di  frutta  prima  del  suo  ingresso  nelle  camere  PEF,  è  possibile  valutare  il  costo  energetico  da  sostenere  solo  sulla  base  dellâ&#x20AC;&#x2122;energia  elettrica  richiesta  per  raggiungere  il  desiderato  livello  di  pastorizzazione.   đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ = 4772  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;/â&#x201E;&#x17D; = 1.326  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;/đ?&#x2018;   đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x17D;  đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D; = đ??¸đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x17D;  đ?&#x2018; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D;   đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ = 180 â&#x2C6;&#x2014; 1.326 = 238.68  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x160;  Â

Â

77 Â

đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x17D;  đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D; 238.68 = = 0.050  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x160;â&#x201E;&#x17D;/đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;  đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ 4772

 Ricaviamo  il  costo  totale  al  kilogrammo  del  trattamento  PEF:   đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x17D;  đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D; đ??śđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;  đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2019; =  đ??śđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;  đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x17D;  đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D;  đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ  đ??śđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;  đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2019; = 0.050 â&#x2C6;&#x2014; 0.12 = 0.0060  â&#x201A;Ź/đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;   Importante  è  anche  tenere  conto  che  il  trattamento  con  campi  elettrici  pulsati  è  generalmente  considerato  un  trattamento  non  termico,  tuttavia,  come  detto  in  precedenza,  la  generazione  di  questi  campi  elettrici  comporta  un  piccolo  aumento  di  temperatura  legato  al  valore  della  potenza.  PoichĂŠ  lâ&#x20AC;&#x2122;impianto  è  costituito  da  tre  moduli,  ognuno  dei  quali  formato  da  2  celle,  per  valutare  il  salto  di  temperatura  cui  è  soggetto  il  succo  bisogna  considerare  un  terzo  della  potenza  calcolata  precedentemente  poichĂŠ  questâ&#x20AC;&#x2122;ultima  è  stata  ottenuta  considerando  tutte  e  6  le  celle  di  trattamento.   đ?&#x2018;&#x192;!"! /3 238.68/3 â&#x2C6;&#x2020;đ?&#x2018;&#x2021; = = = 15.42°đ??ś  đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ  đ??ś!" 1.326 â&#x2C6;&#x2014; 3.89  Sulla  base  di  questo  risultato  la  temperatura  del  succo  allâ&#x20AC;&#x2122;uscita  dalle  celle  PEF  sarĂ Â pari  a  25+15.42=40.42°C.  In  seguito,  sarĂ Â valutato  il  fabbisogno  di  energia  elettrica  necessario  per  compiere  il  trattamento  PEF  quando  la  corrente  di  processo  subisce  un  preriscaldamento,  che  porterĂ Â il  succo  ad  una  temperatura  superiore  rispetto  al  caso  trattato  poco  anzi,  prima  di  essere  sottoposta  allâ&#x20AC;&#x2122;azione  dei  campi  elettrici  pulsati.   Considerato  che  lâ&#x20AC;&#x2122;impianto  giĂ Â dispone  di  un  generatore  di  vapore,  valutiamo,  a  livello  quantitativo,  i  possibili  benefici  che  scaturiscono  dallâ&#x20AC;&#x2122;utilizzo  della  tecnologia  PEF  variando  la  temperatura  di  ingresso  alla  cella  PEF  del  succo  di  frutta  da  pastorizzare.   đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;ĄĂ = 750  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;/â&#x201E;&#x17D; đ??śđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?â&#x201E;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2019;  đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2019;  đ?&#x2018;Łđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2019;  đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x17D; = 532  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x160;  đ??śđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x153;  đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x153; = 58  đ?&#x2018;&#x161;! /â&#x201E;&#x17D;  đ??śđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;  đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x17D;  đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013;  đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;Łđ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x153; = 0.13  â&#x201A;Ź/đ?&#x2018;&#x161;! đ??ˇđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2013;  đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013;  đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;  đ??śđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;  đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x17D;  đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D; = 0.12  â&#x201A;Ź/đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x160;â&#x201E;&#x17D;  đ??śđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;!!! = 0.35  â&#x201A;Ź/đ?&#x2018;&#x161;!    Â

Â

78 Â

𝑪𝒂𝒔𝒐 𝑩: 𝑻 = 𝟑𝟓 °𝑪

Dati a disposizione:

𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 4772 𝑘𝑔/ℎ 𝑇!" = 25°𝐶 𝑇!"# = 35°𝐶 𝑇!! = 139°𝐶 𝜆!! = 2147 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝐶!" = 3.89 𝑘𝐽/𝑘𝑔 °𝐶

Tramite un bilancio di energia valutiamo la potenza termica necessaria per svolgere il preriscaldamento:

𝑄 = 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐶0 𝐶!" 𝑇!"# − 𝑇!"

𝑄 = 4772 ∗ 3.89 ∗ 35 − 25 = 185630.8 𝑘𝐽/ℎ ≅ 51 .56 𝑘𝑊

Nota la potenza termica ricaviamo la portata di vapore necessaria:

𝑄 = 𝑆∗ 𝜆!! → 𝑆∗ = 𝑄/𝜆!! = 51.56 / 2147 = 0.024 𝑘𝑔/𝑠 ≅ 86.46 𝑘𝑔/ℎ

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 523 𝑘𝑊 ℎ = = 0.69

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à 750 𝑘𝑔

Valutiamo l’energia utilizzata durante il processo, il consumo di combustibile e l’acqua consumata per generare il vapore richiesto:

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑎 = 𝑆∗ = 86.46 ∗ 0.69 = 59.7 𝑘𝑊ℎ 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 58 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜 = 𝑆∗ = 86.46 ∗ = 6.69 𝑚! /ℎ 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à 750

𝑆∗ 86.46 𝐴𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑧𝑎𝑡𝑎 = = = 0.08646 𝑚! /ℎ 𝜌!"#$% 1000

𝐴𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑧𝑎𝑡𝑎 ∗ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑑𝑖 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑧𝑖𝑜 = 0.08646 ∗ 0.13 = 0.01124 €/ℎ

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑎 ∗ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 59.7 ∗ 0.12 = 7.16 €/ℎ

𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜 ∗ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜!!! = 6.69 ∗ 0.35 = 2.34 €/ℎ

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜 = 7.16 + 2.34 + 0.01124 = 9.59 €/ℎ

79

 đ??śđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;  đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;  đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x153; =  đ??śđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;  đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;  đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x153;/đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ = 9.59/4772 = 0.0020  â&#x201A;Ź/đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;   Ricordando  i  risultati  di  tabella  6,  si  ha  che  lâ&#x20AC;&#x2122;energia  specifica  totale  necessaria  per  abbattere  una  carica  microbica  di  5  log-­â&#x20AC;?cycle  alla  temperatura  di  35°C,   è  pari  a  140  kJ/kg.   đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x17D;  đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D; = đ??¸đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x17D;  đ?&#x2018; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D;   đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ = 140 â&#x2C6;&#x2014; 1.326 = 185.64  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x160;   đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x17D;  đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D; 185.64 = = 0.039  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x160;â&#x201E;&#x17D;/đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;  đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ 4772  Ricaviamo  il  costo  totale  al  kilogrammo  del  trattamento  PEF:   đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x17D;  đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D;  đ??śđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;  đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x17D;  đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D; = 0.039 â&#x2C6;&#x2014; 0.12 = 0.0047  â&#x201A;Ź/đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;  đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ  Considerando  il  costo  del  preriscaldamento  e  il  costo  del  trattamento  vero  e  proprio  si  ottiene  il  costo  al  kilogrammo  del  processo  di  pastorizzazione.   đ??śđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;  đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2019; = 0.0020 + 0.0047 = 0.0067  â&#x201A;Ź/đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;   â&#x2C6;&#x2020;đ?&#x2018;&#x2021; =

đ?&#x2018;&#x192;!"! /3 185.64/3 = = 11.99°đ??ś  đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ  đ??ś!" 1.326 â&#x2C6;&#x2014; 3.89

 Dunque  la  temperatura  del  succo  allâ&#x20AC;&#x2122;uscita  dalle  celle  PEF  sarĂ Â pari  a  35+11.99=46.99°C.    đ?&#x2018;Şđ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;&#x201D;đ?&#x2019;?  đ?&#x2018;Ş:     đ?&#x2018;ť = đ?&#x;&#x2019;đ?&#x;&#x201C;  °đ?&#x2018;Ş Â Â Dati  a  disposizione:   đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ = 4772  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;/â&#x201E;&#x17D;  đ?&#x2018;&#x2021;!" = 25°đ??ś  đ?&#x2018;&#x2021;!"# = 45°đ??ś  đ?&#x2018;&#x2021;!! = 139°đ??ś  đ?&#x153;&#x2020;!! = 2147  đ?&#x2018;&#x2DC;đ??˝/đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;  đ??ś!" = 3.89  đ?&#x2018;&#x2DC;đ??˝/đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;  °đ??ś   Tramite  un  bilancio  di  energia  valutiamo  la  potenza  termica  necessaria  per  svolgere  il  preriscaldamento:   đ?&#x2018;&#x201E; = đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ś0   đ??ś!"  đ?&#x2018;&#x2021;!"# â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2021;!"  Â

80 Â

𝑄 = 4772 ∗ 3.89 ∗ 45 − 25 = 371261.6 𝑘𝐽/ℎ ≅ 103 .13 𝑘𝑊

Nota la potenza termica ricaviamo la portata di vapore necessaria:

𝑄 = 𝑆∗ 𝜆!! → 𝑆∗ = 𝑄/𝜆!! = 103.13 / 2147 = 0.048 𝑘𝑔/𝑠 ≅ 172.92 𝑘𝑔/ℎ

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 523 𝑘𝑊 ℎ = = 0.69

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à 750 𝑘𝑔

Valutiamo l’energia utilizzata durante il processo, il consumo di combustibile e l’acqua consumata per generare il vapore richiesto:

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑎 = 𝑆∗ = 172.92 ∗ 0.69 = 119.31 𝑘𝑊ℎ 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 58 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜 = 𝑆∗ = 172.92 ∗ = 13.37 𝑚! /ℎ 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à 750

𝑆∗ 172.92 𝐴𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑧𝑎𝑡𝑎 = = = 0.1729 𝑚! /ℎ 𝜌!"#$% 1000

𝐴𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑧𝑎𝑡𝑎 ∗ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑑𝑖 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑧𝑖𝑜 = 0.1729 ∗ 0.13 = 0.0225 €/ℎ

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑎 ∗ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 119.31 ∗ 0.12 = 14.32 €/ℎ

𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜 ∗ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜!!! = 13.37 ∗ 0.35 = 4.68 €/ℎ

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜 = 14.32 + 4.68 + 0.0225 = 19.022 €/ℎ

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑜 = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜/𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 19.022/4772 = 0.0040 €/𝑘𝑔

In queste condizioni, l’energia specifica necessaria per abbattere una carica microbica pari a 5 log-­‐cycle, che rappresenta il requisito minimo per la commercializzazione del succo alla temperatura di 45°C, è pari a 100 kJ/kg.

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 100 ∗ 1.326 = 132.6 𝑘𝑊

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 132.6 = = 0.0278 𝑘𝑊ℎ/𝑘𝑔 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 4772

Ricaviamo il costo totale al kilogrammo del trattamento PEF:

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 0.0278 ∗ 0.12 = 0.0033 €/𝑘𝑔 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷

81

Considerando  il  costo  del  preriscaldamento  e  il  costo  del  trattamento  vero  e  proprio  si  ottiene  il  costo  al  kilogrammo  del  processo  di  pastorizzazione.   đ??śđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;  đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2019; = 0.0040 + 0.0033 = 0.0073  â&#x201A;Ź/đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;   â&#x2C6;&#x2020;đ?&#x2018;&#x2021; =

đ?&#x2018;&#x192;!"! /3 132.6  /3 = = 8.57°đ??ś  đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ  đ??ś!" 1.326 â&#x2C6;&#x2014; 3.89

 La  temperatura  del  succo  allâ&#x20AC;&#x2122;uscita  dalle  celle  PEF  sarĂ Â pari  a  45+8.57=53.57°C.    đ?&#x2018;Şđ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;&#x201D;đ?&#x2019;?  đ?&#x2018;Ť:     đ?&#x2018;ť = đ?&#x;&#x201C;đ?&#x;&#x201C;  °đ?&#x2018;Ş Â Â Dati  a  disposizione:   đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ˇ = 4772  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;/â&#x201E;&#x17D;  đ?&#x2018;&#x2021;!" = 25°đ??ś  đ?&#x2018;&#x2021;!"# = 55°đ??ś  đ?&#x2018;&#x2021;!! = 139°đ??ś  đ?&#x153;&#x2020;!! = 2147  đ?&#x2018;&#x2DC;đ??˝/đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;  đ??ś!" = 3.89  đ?&#x2018;&#x2DC;đ??˝/đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;  °đ??ś   Tramite  un  bilancio  di  energia  valutiamo  la  potenza  termica  necessaria  per  svolgere  il  preriscaldamento:   đ?&#x2018;&#x201E; = đ??šđ??¸đ??¸đ??ˇđ??ś0   đ??ś!"  đ?&#x2018;&#x2021;!"# â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2021;!"   đ?&#x2018;&#x201E; = 4772 â&#x2C6;&#x2014; 3.89 â&#x2C6;&#x2014; 55 â&#x2C6;&#x2019; 25 = 556892.4  đ?&#x2018;&#x2DC;đ??˝/â&#x201E;&#x17D; â&#x2030;&#x2026;  154.69  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x160;   Nota  la  potenza  termica  ricaviamo  la  portata  di  vapore  necessaria:   đ?&#x2018;&#x201E; = đ?&#x2018;&#x2020;â&#x2C6;&#x2014;  đ?&#x153;&#x2020;!!       â&#x2020;&#x2019;      đ?&#x2018;&#x2020;â&#x2C6;&#x2014; = đ?&#x2018;&#x201E;/đ?&#x153;&#x2020;!! =   154.69   /   2147 = 0.072   đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;/đ?&#x2018; â&#x2030;&#x2026;  259.38  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;/â&#x201E;&#x17D;   đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x17D; 523 đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x160;  â&#x201E;&#x17D; = = 0.69  đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;ĄĂ 750 đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;  Valutiamo  lâ&#x20AC;&#x2122;energia  utilizzata  durante  il  processo,  il  consumo  di  combustibile  e  lâ&#x20AC;&#x2122;acqua  consumata  per  generare  il  vapore  richiesto:   đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x17D; đ??¸đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x17D;  đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D; = đ?&#x2018;&#x2020;â&#x2C6;&#x2014;  = 259.38 â&#x2C6;&#x2014; 0.69 = 178.97  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x160;â&#x201E;&#x17D;  đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;ĄĂ Â

Â

82 Â

𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜 = 𝑆∗

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 58 = 259.38 ∗ = 20.06 𝑚! /ℎ 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à 750

𝐴𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑧𝑎𝑡𝑎 =

𝑆∗ 𝜌!"#$%

=

259.38 = 0.25938 𝑚! /ℎ 1000

𝐴𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑧𝑎𝑡𝑎 ∗ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑑𝑖 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑧𝑖𝑜 = 0.25938 ∗ 0.13 = 0.0337 €/ℎ

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑎 ∗ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 178.97 ∗ 0.12 = 21.47 €/ℎ

𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜 ∗ 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜!!! = 20.06 ∗ 0.35 = 7.021 €/ℎ

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜 = 21.47 + 7.021 + 0.0337 = 28.524 €/ℎ

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑜 = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜/𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 28.524 /4772 = 0.0060 €/𝑘𝑔

Ricordando i risultati sperimentali conseguiti da Heinz nel 2003, si ha che l’energia specifica necessaria per abbattere una carica microbica pari a 5 log-­‐cycle, che rappresenta il requisito minimo per la commercializzazione del succo alla temperatura di 55°C, è pari a 50 kJ/kg.

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 50 ∗ 1.326 = 66.3 𝑘𝑊

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 66.3 = = 0.0139 𝑘𝑊ℎ/𝑘𝑔 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 4772

Ricaviamo il costo totale al kilogrammo del trattamento PEF:

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 0.0139 ∗ 0.12 = 0.0017 €/𝑘𝑔 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷

Considerando il costo del preriscaldamento e il costo del trattamento vero e proprio si ottiene il costo al kilogrammo del processo di pastorizzazione.

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑝𝑎𝑠𝑡𝑜𝑟𝑖𝑧𝑧𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 = 0.0060 + 0.0017 = 0.0077 €/𝑘𝑔

∆𝑇 =

𝑃!"! /3 66.3 /3 = = 4.28°𝐶 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 𝐶!" 1.326 ∗ 3.89

Allora la temperatura del succo all’uscita dalle celle PEF sarà pari a 55+4.28=59.28°C.

83

Tabella 7: Stima dei costi operativi del trattamento PEF

𝑻𝑰𝒏𝒈𝒓𝒆𝒔𝒔𝒐 [°𝑪] 𝟐𝟓 𝟑𝟓 𝟒𝟓 𝟓𝟓

𝚫𝑻 [°𝑪]

𝑷𝒕𝒐𝒕 [𝒌𝑾]

[𝒌𝑾𝒉/𝒌𝒈] E. Elettrica [€/𝒌𝑾𝒉]

15.42 11.99 8.57 4.28

238.68 185.64 132.6 66.3

0.050 0.039 0.0278 0.0139

0.12 0.12 0.12 0.12

𝑷𝑬𝑭 [€/𝒌𝒈]

𝑯𝒆𝒂𝒕𝒊𝒏𝒈 [€/𝒌𝒈]

𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍𝒆 [€/𝒌𝒈]

0.060 0.0047 0.0033 0.0017

0 0.0020 0.0040 0.0060

0.0060 0.0067 0.0073 0.0077

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4.6 Impatto sulla qualità del succo

Fin ora l'attenzione si è concentrata principalmente sull’ottimizzazione energetica del trattamento PEF, non bisogna però trascurare la qualità richiesta dal prodotto e il carattere di freschezza necessario per essere competitivi sul mercato.

Nel 2005 una prima applicazione commerciale del PEF per la produzione di succo di frutta è stata raggiunta in un impianto di produzione con una capacità di 200 l / h (Clark, 2006). I prodotti, dopo essere stati trasformati in questo impianto, sono distribuiti in una catena di fornitura refrigerata tramite una società (Genesis, Eugene) e pubblicizzato come prodotto avente un sapore fresco e genuino come se fosse un alimento biologico.

Oltre all’inattivazione microbica l’attività residua enzimatica determina la durata di conservazione dei succhi di frutta, se non viene utilizzata alcuna distribuzione refrigerata. L'effetto del trattamento PEF sugli enzimi è oggetto di discussione in letteratura e sembra essere dipendente dal tipo specifico di enzima, nonché delle condizioni di trasformazione applicate. Alcuni studi effettuati da Castro (2001), Bendicho (2002), Yang (2004) e Elez-­‐Martínez (2005) hanno mostrato un impatto molto limitato del trattamento PEF sugli alimenti in trasformazione, ma una discreta inattivazione è stato trovata quando è stato applicato un trattamento combinato di calore e PEF. Si può presumere che un trattamento ad elevata temperatura potrebbe anche consentire una quasi parziale inattivazione degli enzimi nei succhi di frutta, come riportato da Schuten (2004) per il succo d'arancia. Per escludere la possibilità che gli effetti elettrolitici abbiano conseguenze dannose sui prodotti è stato analizzato e confrontato il gusto dei succhi d'arancia ottenuti con un processo PEF combinato con calore e un trattamento termico convenzionale. Nessuna differenza significativa è stata riscontrata tra i succhi di frutta, ottenuti con due diversi procedimenti, con un test su un campione di 20 persone . L'impatto di un trattamento PEF sulla qualità degli alimenti è stato studiato da diversi gruppi di ricerca come Yeom (2000), Zárate-­‐Rodriguez e Ortega-­‐Rivas (2000), Ayhan (2002), Evrendilek (2004), Cserhalmi (2006), e non è stato evidenziato nessun cambiamento apparente nelle proprietà fisiche o chimiche, causate dall’esposizione a campi elettrici, nel succo di mele, mirtillo rosso, latte, zuppa di piselli e succo arancia. In confronto ai trattamenti termici convenzionali è stata trovata una percentuale maggiore di vitamina C nel succo di mela (Barbosa e Canovas et al., 1998), e nel succo di arancia ( Yeom et al., 2000), insieme a una perdita di circa il 5-­‐ 9% di componenti aromatici, in confronto al 25% che si era soliti avere utilizzando un trattamento termico. In uno studio, svolto da Cserhalmi et al., (2006), che ha valutato l’impatto del PEF su quattro varietà di succo di agrumi non sono state riscontrate significative differenze per il grado Brix, il pH, la conducibilità, la viscosità dopo un trattamento con un campo elettrico di 28 kV / cm e 50 impulsi.

L’energia in ingresso non è specificata, ma può essere stimata in un range di 68 kJ/kg per il pompelmo, 66 kJ/kg di limone e succo di arancia e 83 kJ/kg per il succo di mandarino per i parametri di impulso menzionato. L’Intensità di elaborazione era in una range simile a quello necessario per l'inattivazione microbica, così questi risultati sottolineano il minore impatto del trattamento PEF sulla qualità del succo in contrapposizione con un trattamento termico convenzionale.

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Capitolo V COSTI E VALUTAZIONE DEL PROGETTO 5.1 Costi, ricavi e profitti

L’ingegneria di processo si occupa della progettazione, della gestione, e dell’analisi economica degli impianti di trasformazione. Applicazioni di economia nell’ingegneria di processo per l'industria alimentare sono limitate, a causa della diversità dei processi alimentari e per la mancanza di dati economici relativi ai prodotti alimentari complessi.

Tuttavia, recenti progressi in ingegneria alimentare, in particolare nella domanda di computing in food design, hanno permesso lo sviluppo e la gestione dell'economia nel settore alimentare, con una conseguente più efficiente e redditizia trasformazione.

La pressione dei costi, i problemi ambientali e la crescente domanda di prodotti con elevato valore aggiunto sono le principali sfide che ogni giorno un’impresa si trova a sostenere.

Allo stesso tempo, i rapidi cambiamenti nel panorama economico e la forte concorrenza nel mercato richiedono un'attenzione costante sul raggiungimento di elevate prestazioni attraverso una maggiore efficienza, produttività e qualità. In risposta, le aziende hanno sostenuto un grande sforzo per modernizzare i loro impianti, hanno installato nuove reti di comunicazione, dispositivi intelligenti, macchine e apparecchiature di controllo, come ad esempio controllori logici programmabili e sistemi di controllo automatici, e hanno messo in uso nuovi strumenti software. Questi sforzi hanno richiesto un significativo investimento ma nel contempo hanno restituito risultati molto positivi.

Infatti, una società che produce un bene ha necessariamente investito buona parte dei suoi fondi in terreni, edifici e attrezzature. Alcune industrie richiedono ingenti investimenti di capitale per avviare la produzione, soprattutto se sono in fase di startup.

Queste industrie, dette "capital intensive", sono generalmente di grandi dimensioni, annoverano tra i loro macchinari attrezzature molto costose e apparecchiature di controllo automatico. Esempi di tali industrie sono i siti per la produzione del petrolio greggio, l'energia, la raffinazione del petrolio, prodotti chimici e farmaceutici. Altri settori che richiedono una grande quantità di manodopera per la produzione o la vendita di un prodotto si dice che sono "labor intensive”. Esempi tipici sono il merchandising, tessuti e prodotti di consumo non alimentari. Alcune riviste nazionali occasionalmente pubblicano informazioni che elencano le attività e il numero di dipendenti in modo che il capitale e l’intensità del lavoro possono essere agevolmente determinate.

Dunque, il totale degli investimenti di capitale include i fondi necessari per l'acquisto di terreni, la progettazione, l'acquisto oppure la costruzione degli edifici e l'installazione delle attrezzature e le spese necessarie a permettere il normale esercizio dell’impianto.

La maggior parte dei progetti d’ingegneria sono svolti per fornire informazioni da cui è possibile effettuare stime dei costi operativi e di capitale. Tutti gli impianti chimici sono costruiti per realizzare un profitto, tuttavia non è necessaria una stima degli investimenti e del costo di produzione prima che possa essere valutata l’effettiva

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redditività di un progetto. La stima dei costi è una problematica ben precisa e un’area a sé stante, ma il progettista deve essere in grado di offrire stime approssimative dei costi in modo da poter decidere tra le diverse alternative di progetto e di ottimizzazione.

5.1.1 Investimento di capitale fisso L'investimento di capitale fisso rappresenta il costo totale di progettazione, costruzione e installazione di un impianto e le modifiche necessarie per preparare il sito dell'impianto. L'investimento di capitale fisso è costituito da:

I. Il costo dell'impianto che comprende il costo di acquisto e installazione di tutte le apparecchiature di processo che costituiscono il nuovo impianto. All’interno di tali costi sono compresi i costi diretti come tutto il processo riguardante il reperimento di attrezzature pesanti, ad esempio reattori, colonne, forni, scambiatori di calore, refrigeratori, pompe, compressori, motori, ventilatori, turbine, filtri, centrifughe, essiccatori. Articoli all'ingrosso, come ad esempio tubazioni, valvole, cavi, strumenti, strutture, isolamento, vernici, oli lubrificanti, solventi. Opere civili quali strade, fondazioni, palificazioni, edifici, fogne, fossi, argini. Lavoro d’installazione e supervisione.

Poi oltre ai costi diretti vi saranno anche i costi indiretti quali i costi di costruzione come il noleggio di macchine edili. Spese di campo e costi di servizi quali mense dei campi, i costi degli specialisti, il pagamento degli straordinari.

Altri cosi come quelli legali, dazi all'importazione, costi speciali di trasporto, tasse locali, tasse di brevetti o diritti d'autore e le spese generali aziendali.

II. Le modifiche e i miglioramenti che devono essere fatte all’infrastruttura, conosciuto come investimento fuori sede. Tale costo include i costi delle aggiunte che devono essere fatte alle infrastrutture del sito per ospitare l'aggiunta di un nuovo impianto o per aumentare la capacità di un impianto esistente.

III. I costi di progettazione, che a volte sono indicati come costi di ufficio o spese dell'appaltatore, includono i costi in dettaglio di progettazione e di altri servizi d’ingegneria necessari per la realizzazione del progetto. Pochissime società operative mantengono un personale d’ingegneria di grandi dimensioni sufficienti per svolgere internamente tutte le attività, ad eccezione dei progetti molto piccoli. Nella maggior parte dei casi, sarà richiesto aiuto ad una o più delle principali imprese appaltatrici di ingegneria nel momento in cui vi sia la necessità.

IV. Le spese di contingenza sono costi extra aggiunti al budget del progetto per consentire la variazione della stima dei costi. Tutte le stime di costo sono incerte, e il costo di installazione finale di molti articoli non si sa fino a quando l'installazione è stata completata con successo. A parte gli errori nella stima dei

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costi, i costi di emergenza contribuiscono a coprire anche eventuali variazioni nell’area di progetto, variazioni dei prezzi (ad esempio, i prezzi di acciaio, rame, catalizzatore, ecc.), fluttuazioni di valuta e altri problemi inaspettati.

5.1.2 Capitale circolante Il capitale circolante è il denaro necessario aggiuntivo, oltre a quello speso per costruire il sito produttivo, per avviare l'impianto e mantenere viva la produzione fino a quando non si inizia a guadagnare. Il capitale circolante può variare da un minimo del 5% del capitale fisso per un semplice processo, mono prodotto, con poco oppure nessuno stoccaggio di prodotto finito, fino a raggiungere il 30% per un processo di produzione di una vasta gamma di tipi di prodotti per un mercato sofisticato, quali ad esempio la produzione di fibre sintetiche.

5.1.3 Costi variabili di produzione I costi variabili di produzione sono i costi che sono proporzionali al volume della produzione e al grado di saturazione dell’impianto. Questi includono i costi di:

I. Materie prime consumate dal processo.

II. Utility, combustibile utilizzato durante il processo, vapore, acqua di raffreddamento, elettricità e altri servizi.

III. Materiali di consumo come solventi, acidi, materiali inerti, inibitori di corrosione, additivi, catalizzatori, adsorbenti e che richiedono continui o frequenti sostituzione.

IV. Smaltimento degli effluenti.

V. Imballaggio e spedizione di fusti, sacchi, cisterne e spese di trasporto.

I costi variabili di solito possono essere ridotti utilizzando una progettazione più efficiente oppure ottimizzando il funzionamento dell'impianto.

5.1.4 Costi fissi di produzione I costi fissi di produzione sono i costi che sono sostenuti indipendentemente dalla velocità di funzionamento dell'impianto. Se, infatti, si presenta una diminuzione dei volumi di produzione, tali costi non saranno ridotti.

I costi fissi non devono mai essere trascurati, anche nelle prime fasi di progettazione, in quanto possono avere un impatto significativo sull'economia di progetto.

Tali costi sono anche un forte disincentivo per la costruzione di piccoli impianti. Infatti, quando viene aumentata la dimensione dell'impianto, il lavoro, la supervisione, e le spese generali di solito non aumentano, di conseguenza, il costo fisso per ogni chilo di

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prodotto diminuisce. Questo, insieme con le economie di scala degli investimenti di capitale, conferisce agli impianti più grandi maggiore flessibilità e la possibilità di ridurre i prezzi e, quindi, spingere gli impianti più piccoli fuori dal mercato durante le recessioni del ciclo economico.

5.2 Precisione e scopo delle stime dei costi

La stima dei costi è più un'arte che una scienza. Uno stimatore deve usare una buona dose di giudizio e molta attenzione nella preparazione di una stima. Più uno stimatore guadagna esperienza, più alta sarà la precisione della stima. L'accuratezza di una stima dipende dalla quantità di dettagli disponibili, dalla precisione dei dati di costo, e il tempo speso per la preparazione della stima. Nelle prime fasi di un progetto, sarà richiesta solo una stima approssimativa relativa alla quantità d’informazioni disponibili, in seguito si scenderà maggiormente nel dettaglio.

Il problema della stima ha ricevuto una notevole attenzione in letteratura come dimostra il gran numero di riferimenti e studi a riguardo. Un problema piuttosto importante è costituito dalla quantificazione dei costi operativi che generalmente sono stimati grazie a report aziendali non sempre facilmente reperibili.

Le spese previste per la realizzazione del sito si verificano una sola volta durante la vita di un progetto, ma le spese di funzionamento sono uscite ricorrenti e, in quanto tali, influenzano in modo significativo il flusso di cassa e la redditività di una impresa. Alcune spese, come ad esempio le materie prime e il fabbisogno di utility, possono essere stimati con ragionevole precisione sfruttando i bilanci di materia e di energia. Invece, elementi come la manutenzione e l’ammontare delle spese indirette sono stimate in percentuale dell'investimento del capitale fisso, mentre l'ammortamento è fissato da precise regole.

Spesso occorrono errori nella stima dei costi operativi a causa di uso improprio oppure di una errata interpretazione dei dati di riferimento. Proprio per questo motivo è consigliato ad una persona inesperta di chiedere una consulenza a riguardo oppure considerare come guida il personale più esperto della produzione durante la preparazione di un preventivo dei costi di esercizio.

Oggi l'”Associazione per l'Avanzamento della stima del costo internazionale” (AACE International) è l'associazione professionale che rappresenta la professione dell’ingegnere di costo negli Stati Uniti. L’AACE international classifica le stime dei costi di capitale in cinque tipologie in base alla loro accuratezza e finalità:

Ø Classe 5: stima abbastanza approssimativa con una precisione tipicamente del 30-­‐50%, di solito è bastata sulla conoscenza dei costi dei processi simili e che essenzialmente non richiedono nessuna informazione di design. Questa stima è utilizzata in studi di fattibilità iniziali a scopo di screening.

Ø Classe 4: stima preliminare che gode di una precisione tipicamente maggiore del 30%, generalmente viene utilizzata per effettuare scelte grossolane tra

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alternative di progetto. Essa si basa su dati relativi ai costi limitati e ai dettagli di design.

Ø Classe 3: stima definitiva, con precisione tipicamente del 10-­‐15%. Questa viene utilizzata per l'autorizzazione di fondi e per procedere al punto in cui può essere effettuata una accurata e dettagliata stima. In una organizzazione contraente questo tipo di stima potrebbe essere usata come fattore di contingenza per ottenere un prezzo per la gara d’appalto. Normalmente, però, sarebbe necessaria una precisione di circa il 5%.

Ø Classe 2: stima dettagliata, con accuratezza del 5-­‐10%, che viene utilizzata per il controllo dei costi di progetto e per stime per contratti a prezzo fisso. Questa stima è basata sul progetto completato (o quasi completo) del processo, sui costi delle attrezzature e sulla stima del costo di costruzione. A questo punto l'imprenditore di solito può presentare un elenco di tutti gli elementi che devono essere acquistati e può eseguire un fermo impegno per il cliente.

Ø Classe 1: stima di controllo, con accuratezza del 5-­‐10%. Questa è basata su un disegno completato e concluso dei negoziati relativi agli appalti degli articoli specializzati.

Il costo per preparare un preventivo con almeno il 30% di accuratezza aumenta di circa dello 0,1% il costo totale del progetto, mentre una stima dettagliata con una precisione maggiore del 5% incrementa di circa il 3% il costo del progetto.

5.3 Verifica delle stime

Dopo aver stimato i costi relativi al trattamento vero e proprio, ora si pone particolare attenzione ai costi d’investimento fondamentali per effettuare il trattamento di pastorizzazione di alimenti liquidi. Queste applicazioni sono state ampiamente studiate e discusse nella letteratura negli ultimi decenni, ma ancora non è stato avviato lo sfruttamento di questa tecnologia su scala industriale. In prima approssimazione per un impianto produttivo con capacità fino a 20 t/h la gamma dei costi di investimento per l'applicazione del PEF per l’inattivazione microbica è mostrata nella figura sottostante.

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Figura 41: Stima dei costi d’investimento per l'applicazione del PEF. Töpfl (2006).

I dati si riferiscono a esperienze sperimentali raccolte e documentate durante la realizzazione di studi in laboratorio su scala ridotta. I prezzi indicati ovviamente variano da fornitore a fornitore ma lo scopo di questo grafico è di restituire una panoramica dei costi d’investimento previsti. In particolare il costo dipende dalla tipologia del generatore d’impulsi (potenza, tipo e polarità dell’ onda, frequenza) e dagli altri componenti così come anche dai parametri di lavorazione e dal grado di inattivazione microbica richiesto.

Nel nostro caso, avendo l’impianto una produttività di circa 4.7 t/h di succo, possiamo stimare in prima approssimazione un costo di investimento per il sistema PEF di circa 250 k€, mentre il costo dell’investimento sostenuto per il generatore di vapore già presente nell’impianto è pari a 40 k€.

Dunque, alla luce dei costi d’investimento previsti per il sistema PEF e dopo aver illustrato a livello teorico i suoi vantaggi, avvalendoci dei risultati sperimentali di Heinz e Toepfl (2003), valutiamo gli effettivi benefici in termini economici riassumendo e confrontando i risultati ottenuti dallo studio di entrambi i trattamenti di pastorizzazione.

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Tabella  8:  Stima  dei  costi  totali  del  trattamento.  Â

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Pastorizzazione  tramite  PEF

Pastorizzazione  tramite  HTST

Variabili  operative  del  trattamento: đ??¸ = 27  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x2030;/đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x161;  đ?&#x2018;&#x2021;!"#$%&&' = 25 â&#x2C6;&#x2019; 35 â&#x2C6;&#x2019; 45 â&#x2C6;&#x2019; 55°đ??ś Â

Variabili  operative  del  trattamento: đ?&#x2018;&#x2021;!"#$%&&' = 25°đ??ś Â

đ?&#x2018;&#x2019; = 180 â&#x2C6;&#x2019; 140 â&#x2C6;&#x2019; 100 â&#x2C6;&#x2019; 50  đ?&#x2018;&#x2DC;đ??˝/đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;  Caratteristiche  del  sistema  PEF: đ?&#x2018;&#x2030;! = 30  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x2030; đ?&#x2018;&#x201C; = 800  đ??ťđ?&#x2018;§ đ?&#x153;? = 5  đ?&#x153;&#x2021;  đ?&#x2018;  đ?&#x2018;&#x2018; = 0.01  đ?&#x2018;&#x161;  đ??ż = 0.013  đ?&#x2018;&#x161;  đ?&#x2018;&#x203A;! = 6  Â

đ?&#x2018;&#x2021;!"#$%& = 90°đ??ś  đ?&#x2018;Ą = 20  đ?&#x2018;  Caratteristiche  del  generatore  di  vapore: đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;ĄĂ = 750  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;/â&#x201E;&#x17D; đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x17D; = 532  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x160;  đ??śđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x153;  đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x153; = 58  đ?&#x2018;&#x161; ! /â&#x201E;&#x17D;

Capitale  investito:  250  đ?&#x2018;&#x2DC;â&#x201A;Ź Â

Capitale  investito:  40  đ?&#x2018;&#x2DC;â&#x201A;Ź Â

Costi  operativi:  0.0060 â&#x2C6;&#x2019; 0.0077  â&#x201A;Ź/đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D; Â

Costi  operativi:  0.0129  â&#x201A;Ź/đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D; Â

   Come  si  evince  facilmente  dalla  tabella  riassuntiva,  lâ&#x20AC;&#x2122;introduzione  della  tecnologia  PEF  comporta  una  grossa  diminuzione  dei  costi  di  esercizio  (circa  il  50%)  a  fronte  però  di  un  maggiore  costo  dâ&#x20AC;&#x2122;investimento  rispetto  ai  trattamenti  convenzionali. Â

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92 Â

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Capitolo  VI  CONCLUSIONI   Il  punto  di  partenza  del  lavoro  svolto  in  questa  tesi  è  stato  lâ&#x20AC;&#x2122;analisi  di  un  impianto  esistente  per  la  produzione  di  succo  dâ&#x20AC;&#x2122;arancia.  In  seguito  sono  state  illustrate  due  possibili  alternative  per  il  miglioramento  dellâ&#x20AC;&#x2122;impianto:  lâ&#x20AC;&#x2122;integrazione  termica  e  lâ&#x20AC;&#x2122;innovazione  tecnologica.  Per  entrambe  le  alternative  è  stata  effettuata  una  analisi  concreta  e  quantitativa  degli  effettivi  benefici  economici  che  scaturiscono  dallâ&#x20AC;&#x2122;utilizzo  del  recupero  di  calore  e  della  tecnologia  PEF.   Tabella  9:  Confronto  generale  dei  costi  di  produzione  di  4.7  t/h  di  succo  di  arancia  pastorizzato.  Â

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Pastorizzazione  tramite  HTST Variabili  operative  del  trattamento: đ?&#x2018;&#x2021;!"#$%&&' = 25°đ??ś  đ?&#x2018;&#x2021;!"#$%& = 90°đ??ś  đ?&#x2018;Ą = 20  đ?&#x2018;  Caratteristiche  del  generatore  di  vapore:  đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;ĄĂ = 750  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;/â&#x201E;&#x17D; đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x17D; = 532  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x160;  đ??śđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x153;  đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x153; = 58  đ?&#x2018;&#x161; ! /â&#x201E;&#x17D;

Pastorizzazione  tramite  HTST  con  recupero Variabili  operative  del  trattamento: đ?&#x2018;&#x2021;!"#$%&&' = 25°đ??ś  đ?&#x2018;&#x2021;!"#$%& = 90°đ??ś  đ?&#x2018;Ą = 20  đ?&#x2018;  Caratteristiche  del  generatore  di  vapore:  đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;ĄĂ = 750  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;/â&#x201E;&#x17D; đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x17D; = 532  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x160;  đ??śđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018; đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x153;  đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x153; = 58  đ?&#x2018;&#x161; ! /â&#x201E;&#x17D;

Pastorizzazione  tramite  PEF

Generatore  di  vapore  40  đ?&#x2018;&#x2DC;â&#x201A;Ź Â

Investimento  aggiuntivo  di  capitale  Piastre  aggiuntive  Impianto  PEF  259.35  â&#x201A;Ź  250  đ?&#x2018;&#x2DC;â&#x201A;Ź Â

0.0129 Â â&#x201A;Ź/đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D; Â

Costi  operativi  0.0032 â&#x2C6;&#x2019; 0.0062  â&#x201A;Ź/đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D; Â

Variabili  operative  del  trattamento: đ??¸ = 35  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x2030;/đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x161;  đ?&#x2018;&#x2021;!"#$%&&' = 25 â&#x2C6;&#x2019; 35 â&#x2C6;&#x2019; 45 â&#x2C6;&#x2019; 55°đ??ś  đ?&#x2018;&#x2019; = 180 â&#x2C6;&#x2019; 140 â&#x2C6;&#x2019; 100 â&#x2C6;&#x2019; 50  đ?&#x2018;&#x2DC;đ??˝/đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;  Caratteristiche  del  sistema  PEF: đ?&#x2018;&#x2030;! = 30  đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x2030; đ?&#x2018;&#x201C; = 800  đ??ťđ?&#x2018;§ đ?&#x153;? = 5  đ?&#x153;&#x2021;  đ?&#x2018;  đ?&#x2018;&#x2018; = 0.01  đ?&#x2018;&#x161;  đ??ż = 0.013  đ?&#x2018;&#x161;  đ?&#x2018;&#x203A;! = 6  Â

0.0060 â&#x2C6;&#x2019; 0.0077 Â â&#x201A;Ź/đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D; Â

  La  questione  è  stata  affrontata  al  fine  di  dimostrare  gli  effettivi  benefici  del  recupero  di  calore  e  della  tecnologia  PEF  sia  in  termici  economici  sia  qualitativi  e  fare  in  modo  che  tali  metodologie  possano  essere  utilizzate  su  larga  scala  nellâ&#x20AC;&#x2122;industria  alimentare.  Di  conseguenza,  parte  di  questo  lavoro  è  stata  dedicata  ad  esplorare  le  possibili  applicazioni  del  PEF  come  trattamento  per  la  promozione  della  permeabilizzazione  non  termica  della  membrana  cellulare  del  prodotto  in  trasformazione  e  compiere  una  valutazione  quantitativa  dell'efficacia  e  dei  costi  del  processo.  Da  questo  punto  di  vista,  sono  stati  ottenuti  risultati  interessanti  che  aprono  nuove  alternative  di  processo  allâ&#x20AC;&#x2122;industria  alimentare.  Naturalmente,  non  tutte  le  domande  fondamentali  hanno  Â

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trovato risposta, tuttavia, è possibile trarre alcune utili conclusioni al fine di dare una direzione più precisa per ulteriori lavori.

Le seguenti dichiarazioni finali possono essere formulate sulla base del lavoro svolto:

Ø Il trattamento HTST senza recupero d calore si conferma essere un trattamento ad alto consumo energetico e quindi con costi operativi elevati. Inoltre, a causa delle elevate temperature di processo anche la qualità finale del succo di frutta potrebbe risultare compromessa.

Ø In trattamento HTST con recupero di calore mediante l’introduzione di uno scambiatore rigenerativo consente di ridurre i modo significativo i consumi energetici e, quindi, costi operativi . Tuttavia resta da valutare la qualità finale del prodotto a causa del prolungarsi dei tempi di permanenza del prodotto ad alte temperature.

Ø Il trattamento innovativo con campi elettrici pulsati come alternativa ai trattamenti termici di pastorizzazione convenzionali, consente una significativa riduzione dei costi di esercizio rispetto al trattamento HTST senza recupero a fronte, tuttavia, di un investimento iniziale più elevato. Rispetto invece al trattamento HTST con recupero di calore, i costi di esercizio stimati per il caso con PEF sembrano leggermente più elevati. Tuttavia, questo gap potrebbe essere colmato considerando che è possibile immaginare un recupero di calore dal prodotto in uscita dalle celle PEF. Inoltre, sula base dei dati di letteratura, essendo la pastorizzazione mediante PEF essenzialmente un trattamento di pastorizzazione a “freddo”, la qualità del succo ottenuto dovrebbe essere più elevata rispetto a quella dei trattamenti termici tradizionali così come sui dovrebbero essere ridotti i fabbisogni di acqua di raffreddamento necessaria a portare il succo alla temperatura di stoccaggio.

Indipendentemente dalle soluzioni proposte appare necessario diffondere tra gli imprenditori l’adozione di pratiche e comportamenti tesi a qualificare e valorizzare la produzione attraverso l’impiego di nuove tecnologie che garantiscano una maggiore sostenibilità dei processi e un minore impatto ambientale.

Ci si augura che le informazioni raccolte in questo studio possano fornire spunti interessanti per il miglioramento dei processi di trasformazione e siano un riferimento per il futuro della produzione.

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