l’innovazione tecnologica come strumento per l’efficienza energetica nell’inustria di processo

1

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

3

“ 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)

4

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.

6

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

7

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

9

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

10

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.

11

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:

12

§ 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.

Figura 2: Materia prima del processo.

13

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.

14

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.

15

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.

16

Figura 5: Flowsheet dell'impianto.

17

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.

18

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.

19

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.

20

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.

21

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.

22

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.

23

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.

24

Figura 16: PFD del processo di trasformazione

25

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.

26

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.

27

Figura 18: Scambiatore di calore E-‐1.

Dati a disposizione: 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐶0 = 5290 𝑘𝑔/ℎ 𝑇!! = 25°𝐶 𝑇!! = 80°𝐶 𝑇! = 115°𝐶 𝜆!" = 2260 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝐶!" = 3.89 𝑘𝐽/𝑘𝑔 °𝐶 Tramite un bilancio entalpico valutiamo la potenza termica necessaria per svolgere il riscaldamento:

𝑄!!! = 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐶0 𝐶!" 𝑇! − 𝑇!

𝑄!!! = 5290 ∗ 3.89 ∗ 80− 25 = 1131795.5 𝑘𝐽/ℎ ≅ 314 𝑘𝑊 Nota la potenza termica ricaviamo la portata di vapore necessaria:

𝑄!!! = 𝑆 𝜆!" → 𝑆 = 𝑄!!!/𝜆!" = 314 / 2260 = 0.14 𝑘𝑔/𝑠 = 504 𝑘𝑔/ℎ

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 parità di specifiche un’efficienza maggiore in termini energetici. Infatti, una volta introdotte le hot utilities, questo sistema permette di utilizzare più 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 qualità, in quanto non è più un vapore saturo, e per questo risulta sconveniente andare oltre i 2-‐3 effetti. In questo caso si è scelto di lavorare in equicorrente poiché così non è necessario utilizzare una pompa che mandi il

28

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

Figura 19: Evaporatore a doppio effetto.

Dati a disposizione: 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐶1 = 5290 𝑘𝑔/ℎ 𝑇!! = 80°𝐶 𝑥!! = 11.8 °𝐵𝑟𝑖𝑥 𝑇! = 94.2°𝐶 𝑃! = 0.1 𝑏𝑎𝑟 𝑥! = 45 °𝐵𝑟𝑖𝑥 𝑃!! = 3.3 𝑏𝑎𝑟 𝑇! = 45°𝐶 𝑇!! = 137°𝐶 𝜆!! = 2153.4 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝐼𝑃𝐸1 = 0°𝐶 (𝐼𝑛𝑛𝑎𝑙𝑧𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑏𝑢𝑙𝑙𝑖𝑜𝑠𝑐𝑜𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙𝑙𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑧𝑢𝑐𝑐ℎ𝑒𝑟𝑖𝑛𝑎) 𝐼𝑃𝐸2 = 3°𝐶 (𝐼𝑛𝑛𝑎𝑙𝑧𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑏𝑢𝑙𝑙𝑖𝑜𝑠𝑐𝑜𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙𝑙𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑧𝑢𝑐𝑐ℎ𝑒𝑟𝑖𝑛𝑎) 𝑇!° = 42°𝐶 𝐶!" = 3.89 𝑘𝐽/𝑘𝑔 °𝐶 𝐶!,!"#$% = 4.18 𝑘𝐽/𝑘𝑔 °𝐶 𝐶!,!"#$% = 1.99 𝑘𝐽/𝑘𝑔 °𝐶 Bilancio globale sui due scambiatori:

29

𝐹𝐸𝐸𝐷𝐶1 = 𝑉! + 𝑉! + 𝐿! = 𝑉!" + 𝐿!𝐹𝐸𝐸𝐷𝐶1 𝑥!! = 𝐿! 𝑥!

→ 𝐿! =5290 ∗ 0.118

0.45= 1387 𝑘𝑔/ℎ

𝑉!" = 𝑉! + 𝑉! = 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐶1− 𝐿! = 3903 𝑘𝑔/ℎ

Bilancio di materia ed energia sul primo effetto:

𝐹𝐸𝐸𝐷𝐶1 = 𝐿! + 𝑉!𝐹𝐸𝐸𝐷𝐶1 𝑥!! = 𝐿! 𝑥!

𝐹𝐸𝐸𝐷𝐶1 ℎ! + 𝑆! 𝜆!! = 𝐿! ℎ! + 𝑉! 𝐻!

Bilancio di materia ed energia sul secondo effetto:

𝐿! = 𝐿! + 𝑉!𝐿! 𝑥! = 𝐿! 𝑥!

𝐿! ℎ! + 𝑉! 𝜆! = 𝐿! ℎ! + 𝑉! 𝐻!

Scegliamo come temperatura di riferimento: 𝑇! = 25°𝐶 Valutiamo il calore specifico della corrente “𝐿!” :

𝐶! = 𝑥! 𝐶!" + 1− 𝑥! 𝐶!,!"#$% = 0.45 ∗ 3.89+ 1− 0.45 ∗ 4.18 = 4.05 𝑘𝐽/𝑘𝑔 °𝐶 Valutiamo l’entalpia della corrente liquida in uscita al secondo effetto:

ℎ! = 𝐶! 𝑇! − 𝐼𝑃𝐸2 − 𝑇! = 4.05 ∗ 45− 3 − 25 = 68.9 𝑘𝐽/𝑘𝑔 Valutiamo l’entalpia del vapore in uscita al secondo effetto:

𝐻! = 𝐻!!!!° + 𝐶!,!"#$% 𝑇!−𝑇!° = 2557+ 1.99 ∗ 45− 42 = 2583 𝑘𝐽/𝑘𝑔 Valutiamo l’entalpia della corrente liquida in uscita al primo effetto:

ℎ! = 𝐶! 𝑇!−𝑇! = 4.05 ∗ 94.2− 25 = 280.3 𝑘𝐽/𝑘𝑔 Valutiamo l’entalpia del vapore in uscita al primo effetto:

𝐻! = 2667 𝑘𝐽/𝑘𝑔 Valutiamo il calore latente del vapore in uscita del primo effetto:

𝜆! = 𝐻! − ℎ! = 2667− 280.3 = 2386.7 𝑘𝐽/𝑘𝑔 Valutiamo l’entalpia della corrente di processo in ingresso al primo effetto:

30

ℎ!! = 𝐶!" 𝑇!! − 𝑇! = 3.89 ∗ 80− 25 = 214 𝑘𝐽/𝑘𝑔 Calcoliamo la portata di vapore in uscita dal primo effetto:

𝑉! =𝐿! ℎ! + 𝑉!" 𝐻! − 𝐹ℎ!

𝜆!− ℎ! + 𝐻!=1387 ∗ 68.9+ 3903 ∗ 2583− 5290 ∗ 280.3

2286.7− 280.3+ 2583 = 1854 𝑘𝑔/ℎ

Valutiamo la portata di condensato in uscita al secondo effetto:

𝑉!" = 𝑉!+ 𝑉! → 𝑉! = 𝑉!" − 𝑉! = 3903− 1854 = 2049 𝑘𝑔/ℎ Ricordando il bilancio di materia al primo effetto ricaviamo la portata della corrente liquida:

𝐹𝐸𝐸𝐷𝐶1 = 𝐿! + 𝑉! → 𝐿! = 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐶1− 𝑉! = 5290− 1854 = 3436 𝑘𝑔/ℎ Ricordando il bilancio di energia al primo effetto ricaviamo la portata del vapore e la relativa potenza termica:

𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷𝐶1 ℎ! + 𝑆! 𝜆!! = 𝐿! ℎ! + 𝑉! 𝐻! → 𝑆! =𝐿! ℎ! + 𝑉! 𝐻! − 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷𝐶1 ℎ!

𝜆!!

𝑆! =1854 ∗ 2667+ 3436 ∗ 2583− 5290 ∗ 280.3

2153.4 = 2217.7 𝑘𝑔/ℎ

𝑄 = 𝑆!𝜆!! = 2217.7 ∗ 2153 = 4774708.1 𝑘𝑗/ℎ = 1326.6 𝑘𝑊

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 proprietà 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 ∆𝑃 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

31

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.

Figura 20: Membrana a spirale.

Dati a disposizione: 𝐿! = 1387 𝑘𝑔/ℎ 𝑥! = 45°𝐵𝑟𝑖𝑥 𝑥! = 62°𝐵𝑟𝑖𝑥 𝑥! = 0°𝐵𝑟𝑖𝑥 Bilancio globale sulla membrana:

𝐿! = 𝑅 + 𝑃𝐿! 𝑥! = 𝑅 𝑥! + 𝑃 𝑥!

→ 𝑅 = (𝐿! 𝑥!)/𝑥!𝑃 = 𝐿! − 𝑅

→ 𝑅 = (1387 ∗ 0.45)/0.62 = 1006.7 𝑘𝑔/ℎ𝑃 = 1387− 1006.7 = 380.3 𝑘𝑔/ℎ

2.2.4 Recupero aromi tramite distillazione

Nelle operazioni commerciali la qualità del succo è determinata da due fattori. Uno è la qualità 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 qualità del succo e la resa in succo della frutta. Generalmente più alta è la qualità del succo, più bassa sarà la resa e viceversa. Quindi se la qualità del succo di alimentazione è di media qualità 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-‐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.

32

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

33

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-‐60%) e ciò è dovuto alla difficoltà 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: 𝑉! = 2049 𝑘𝑔/ℎ 𝑇! = 45°𝐶 𝑍! = 0.5 (𝑝𝑒𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑖 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙𝑜 𝑛𝑒𝑙𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑉!) 𝑓 = 0.4 ( 𝑡𝑖𝑡𝑜𝑙𝑜 𝑑𝑖 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑒) 𝑋! = 0.85 (𝑝𝑢𝑟𝑒𝑧𝑧𝑎) 𝐷𝐼𝑆𝑇𝐷 = 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐶1 ∗ 0.2% = 5290 ∗ 0.002 = 10.58 𝑘𝑔/ℎ ≅ 11 𝑘𝑔/ℎ 𝑟 = 2.5 (𝑟𝑎𝑝𝑝𝑜𝑟𝑡𝑜 𝑑𝑖 𝑟𝑖𝑓𝑙𝑢𝑠𝑠𝑜) 𝐿 = 𝑟 𝐷𝐼𝑆𝑇𝐷 = 2.5 ∗ 11 = 27.5 𝑘𝑔/ℎ 𝑃𝑀!"#$%&% = 46 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙 Bilancio globale sulla colonna:

𝑉! = 𝐷𝐼𝑆𝑇𝐷 + 𝐷𝐼𝑆𝑇𝑊𝑉! 𝑍! = 𝐷𝐼𝑆𝑇𝐷 𝑋! + 𝐷𝐼𝑆𝑇𝑊 𝑋!

→ 𝐷𝐼𝑆𝑇𝑊 = 𝑉! − 𝐷𝐼𝑆𝑇𝐷

𝑋! =𝑉! 𝑍! − 𝐷𝐼𝑆𝑇𝐷 𝑋!

𝐷𝐼𝑆𝑇𝐷

𝐷𝐼𝑆𝑇𝑊 = 2049− 11 = 2038 𝑘𝑔/ℎ

𝑋! =2049 ∗ 0.5− 11 ∗ 0.85

2038= 0.49

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-‐etanolo.

𝑄!"#$ = 𝑉 𝜆!"# Valutiamo la portata di vapore da condensare sfruttando la portata di vapore di esaurimento “𝑉! ”:

𝑉! = 𝑓 𝑉! − 𝐷 𝑟 + 1 = 0.4 ∗ 2049− 11 ∗ 2.5+ 1 = 781.1 𝑘𝑔/ℎ

34

𝑉 = 𝑉! + 𝑓 𝑉! = 781.1+ 0.4 ∗ 2049 = 1600.7 𝑘𝑔/ℎ

𝑉 =1600.7 𝑘ℎ/ℎ46 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙 = 34.8 𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ

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“):

𝜆 = 𝐶! (1− 𝑇!)(!!!!!!!!!!!!!)

Tabella 1: Costanti riguardanti l’etanolo e l'acqua.

𝑻𝑫[𝑲] C1 C2 C3 C4 𝑻𝒄[𝑲] 𝑻𝒓 = 𝑻𝑫/𝑻𝑪 Etanolo 351.5 5.69 10! 0.3359 0 0 513.92 0.684 Acqua 351.5 5.253 10! 0.3199 −0.212 0.25795 647.13 0.543

𝜆!"#$%&% = 38641783 𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙

𝜆!"#$% = 41776931 𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙

𝜆!"# = 𝑋!𝜆!"#$%&% + 1− 𝑋! 𝜆!"#$%

𝜆!"# = 0.85 ∗ 38641783+ 1− 0.85 ∗ 41776931 = 39112.055 𝑘𝑗/𝑘𝑚𝑜𝑙

Ricaviamo ora il carico termico al condensatore:

𝑄!"#$ = 𝑉 𝜆!"# = 34.8 ∗ 39112.055 = 1361097.6 𝑘𝑗/ℎ ≅ 378 𝑘𝑊 Per ridurre questo carico termico l’impianto utilizza una portata d’acqua “𝑊1” di 4000 𝑘𝑔/ℎ alla temperatura di 25°𝐶. Allora è possibile ricavare la temperatura “𝑇!!,!"#” alla quale l’acqua fuoriesce dal condensatore :

𝑄!!"# =𝑊1 𝐶!,!"#$% 𝑇!!,!"# − 𝑇!!,!"

𝑇!!,!"# =𝑄!"#$

𝑊1 𝐶!,!"#$%+ 𝑇!!,!" =

1361097.6 4000 ∗ 4.18+ 25 = 106.4°𝐶

Per la valutazione del carico termico al ribollitore “𝑄!"#” sfruttiamo un bilancio di energia globale:

𝑉!ℎ!! + 𝑄!"# = 𝑄!"#$ + 𝐷𝐼𝑆𝑇𝐷 ∗ ℎ! + 𝐷𝐼𝑆𝑇𝑊 ∗ ℎ! Calcoliamo il peso molecolare delle correnti in ingresso e in uscita:

35

𝑃𝑀!"# = 𝑍! 𝑃𝑀!"#$%&% + 1− 𝑍! 𝑃𝑀!"#$% = 0.5 ∗ 46+ 0.5 ∗ 18 = 32 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑃𝑀!"#$! = 𝑋! 𝑃𝑀!"#$%&% + 1− 𝑋! 𝑃𝑀!"#$% = 0.85 ∗ 46+ 0.15 ∗ 18 = 41.8 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑃𝑀!"#$% = 𝑋! 𝑃𝑀!"#$%&% + 1− 𝑋! 𝑃𝑀!"#$% = 0.49 ∗ 46+ 0.51 ∗ 18 = 31.7 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙 Calcoliamo la portata molecolare delle correnti in ingresso e in uscita:

𝑉! =2049 𝑘𝑔/ℎ32 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙 = 64

𝑘𝑚𝑜𝑙ℎ = 0.0177 𝑘𝑚𝑜𝑙/𝑠

𝐷𝐼𝑆𝑇𝐷 =11 𝑘𝑔/ℎ

41.8 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙 = 0.26𝑘𝑚𝑜𝑙ℎ = 7.22 ∗ 10!! 𝑘𝑚𝑜𝑙/𝑠

𝐷𝐼𝑆𝑇𝑊 =2038 𝑘𝑔/ℎ

31.7 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙 = 64.3𝑘𝑚𝑜𝑙ℎ = 0.0179 𝑘𝑚𝑜𝑙/𝑠

Valutiamo le entalpie delle correnti in ingresso e in uscita:

ℎ!! = 1200 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑚𝑜𝑙 = 5024 𝑘𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙

ℎ! = 11350 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑚𝑜𝑙 = 47522 𝑘𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙

ℎ! = 2100 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑚𝑜𝑙 = 8793 𝑘𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙 Ricordando il bilancio di energia globale relativo alla colonna di distillazione ricaviamo il carico termico al ribollitore:

𝑉!ℎ!! + 𝑄!"# = 𝑄!"#$ + 𝐷𝐼𝑆𝑇𝐷 ∗ ℎ! + 𝐷𝐼𝑆𝑇𝑊 ∗ ℎ!

𝑄!"# = 𝑄!"#$ + 𝐷𝐼𝑆𝑇𝐷 ∗ ℎ! + 𝐷𝐼𝑆𝑇𝑊 ∗ ℎ! − 𝑉!ℎ!!

𝑄!"# = 378+ 7.22 ∗ 10!! ∗ 47522+ 0.0179 ∗ 8793− 0.0177 ∗ 5024 = 450 𝑘𝑊 Per soddisfare questo carico termico viene utilizzato vapore alla temperatura di 139°𝐶 a cui corrisponde un calore latente di vaporizzazione pari a 2147 𝑘𝐽/𝑘𝑔. Allora è possibile valutare la portata di vapore in questo modo: 𝑄!"# = 𝑆!"# 𝜆!"# → 𝑆!"# = 𝑄!"#/𝜆!"# = 450 / 2147 = 0.21 𝑘𝑔/𝑠 ≅ 756 𝑘𝑔/ℎ

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

36

di arricchire l’estratto precedentemente concentrato delle essenze principalmente responsabili del flavour di un succo di qualità, 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 necessità 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-‐14,5 °Brix). La quantità 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’unità di distillazione con l’uscita dell’unità di concentrazione. Dati a disposizione: 𝐷𝐼𝑆𝑇𝐷 = 11 𝑘𝑔/ℎ 𝑥! = 0°𝐵𝑟𝑖𝑥 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐴 = 518 𝑘𝑔/ℎ (𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑖 𝑎𝑑𝑑 − 𝑏𝑎𝑐𝑘) 𝑥! = 11.8 °𝐵𝑟𝑖𝑥 𝑅 = 1006.7 𝑘𝑔/ℎ 𝑥! = 62 °𝐵𝑟𝑖𝑥 Bilancio globale sul mixer:

𝐹𝐸𝐸𝐷𝐴 + 𝑅 + 𝐷𝐼𝑆𝑇𝐷 = 𝑃𝑅𝑂𝐷𝑂𝑇𝑇𝑂𝐹𝐸𝐸𝐷𝐴 𝑥! + 𝑅 𝑥! + 𝐷𝐼𝑆𝑇𝐷 = 𝑃𝑅𝑂𝐷𝑂𝑇𝑇𝑂 𝑥!

𝑃𝑅𝑂𝐷𝑂𝑇𝑇𝑂 = 518+ 1006.7+ 11 = 1535.7 𝑘𝑔/ℎ

𝑥! =518 ∗ 0.118+ 1006.7 ∗ 0.62+ 11 ∗ 0

1535.7= 0.446 ≅ 45 °𝐵𝑟𝑖𝑥

37

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.

38

Figura 23: Scambiatore a piastre.

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-‐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.

Figura 24: Schema pastorizzazione tramite trattamento termico HTST.

Bilancio scambiatore E-‐2 Dati a disposizione: 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 4772 𝑘𝑔/ℎ 𝑇!! = 25°𝐶 𝑇!! = 90°𝐶 𝑇!! = 139°𝐶 𝜆!! = 2147 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝐶!" = 3.89 𝑘𝐽/𝑘𝑔 °𝐶

39

Tramite un bilancio di energia valutiamo la potenza termica necessaria per svolgere la pastorizzazione tramite trattamento HTST:

𝑄!!! = 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐶0 𝐶!" 𝑇!! − 𝑇!!

𝑄!!! = 4772 ∗ 3.89 ∗ 90− 25 = 1206600.2 𝑘𝐽/ℎ ≅ 335 𝑘𝑊 Nota la potenza termica ricaviamo la portata di vapore necessaria:

𝑄!!! = 𝑆! 𝜆!! → 𝑆! = 𝑄!!!/𝜆!! = 335 / 2147 = 0.156 𝑘𝑔/𝑠 ≅ 562 𝑘𝑔/ℎ L’impianto per soddisfare questo carico termico utilizza un generatore di vapore a metano con le seguenti caratteristiche: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à = 750 𝑘𝑔/ℎ 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 = 523 𝑘𝑊 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 = 58 𝑚!/ℎ

Figura 25: Generatore di vapore.

Ai fini della gestione ottimale del processo è interessante studiare e analizzare i costi di esercizio che scaturiscono per questo tipo di trattamento.

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à =

523750 = 0.69

𝑘𝑊 ℎ𝑘𝑔

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:

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑎 = 𝑆! 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à = 562 ∗ 0.69 = 387.8 𝑘𝑊ℎ

40

𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜 = 𝑆! 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à = 562 ∗

58750 = 43.46 𝑚!/ℎ

𝐴𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑧𝑎𝑡𝑎 =𝑆!

𝜌!"#$%=5621000 = 0.562 𝑚!/ℎ

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/ℎ𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 = 532 𝑘𝑊

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 = 58 𝑚!/ℎ

Capitale investito: 40 𝑘€

Costi operativi: 0.0129 €/𝑘𝑔

41

Bilancio scambiatore E-‐3 Dati a disposizione: 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 4772 𝑘𝑔/ℎ 𝑇!! = 25°𝐶 𝑇!! = 90°𝐶 𝑊2 = 4000 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝑇!!,!" = 25°𝐶 𝐶!" = 3.89 𝑘𝐽/𝑘𝑔 °𝐶 Per ricavare la temperatura alla quale l’acqua di raffreddamento fuoriesce dallo scambiatore E-‐3 scriviamo:

𝑄!!! = 𝑄!!! =𝑊2 𝐶!,!"#$% 𝑇!!,!"# − 𝑇!!,!"

𝑇!!,!"# =𝑄!!!

𝑊2 𝐶!,!"#$%+ 𝑇!!,!" =

1206600.2 4000 ∗ 4.18+ 25 = 97.2°𝐶

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 attività 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:

𝑆!"# = 𝑆 + 𝑆! + 𝑆!"# + 𝑆! = 504+ 2217.7+ 756+ 562 ≅ 4040 𝑘𝑔/ℎ 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: 𝑆!"# = 4040 𝑘𝑔/ℎ 𝑇!"#! = 15°𝐶 𝑇!"#$% = 15°𝐶 𝑇!!! = 15°𝐶 𝑇!"#$ = 120°𝐶

42

𝑇!"#$% = 140°𝐶 𝜆!"#$% = 2147 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝑃𝐶𝐼!!! = 50 𝑀𝐽/𝑘𝑔 𝐶!,!"#$ = 1.29 𝑘𝐽/𝐾𝑔 °𝐶 𝐶!,!"#$% = 4.18 𝑘𝐽/𝑘𝑔 °𝐶 𝐶!,!"#$% = 1.99 𝑘𝐽/𝑘𝑔 °𝐶 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜!!! = 0.35 €/𝑚! Fissiamo come temperatura di riferimento 𝑇! = 15°𝐶, valutiamo le entalpie delle diverse correnti e in seguito scriviamo un bilancio di energia:

𝐼𝑁 → ℎ! = 𝐶!,!"#$% 𝑇!"#$% − 𝑇! = 0ℎ!"#! = 𝐶!,!"#! 𝑇!"#! − 𝑇! = 0ℎ!!! = 𝐶!,!"! 𝑇!"! − 𝑇! = 0

𝐺𝐸𝑁 → 𝑃𝐶𝐼!!! = 50000 𝑘𝐽/𝑘𝑔

𝑂𝑈𝑇 → ℎ!"#$% = 𝐶!,!"#$% 𝑇!"#$% − 𝑇! + 𝜆!"#$% = 1.99 140 − 15 + 2147 = 2395.7 𝑘𝐽/𝑘𝑔

ℎ!"#$ = 𝐶!,!"#$ 𝑇!"#$ − 𝑇! = 1.29 120 − 15 = 135.45 𝑘𝐽/𝑘𝑔

𝐼𝑁 + 𝐺𝐸𝑁 = 𝑂𝑈𝑇

0+ 𝐹!!! 𝑃𝐶𝐼!!! = 𝑆!"# ℎ!"#$% + 𝐹!"#$ 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:

8𝑁! + 2𝑂! + 𝐶𝐻! → 8𝑁! + 𝐶𝑂! + 2𝐻!𝑂

𝐹!!! = 11 𝐹!"#$

𝐹!!! 𝑃𝐶𝐼!!! = 𝑆!"# ℎ!"#$% + 11 𝐹!!!ℎ!"#$

𝐹!!! = 𝑆!"# ℎ!"#$%

𝑃𝐶𝐼!!! − 11 ℎ!"#$=

4040 ∗ 2395.750000− 11 ∗ 135.35 = 199.5 𝑘𝑔/ℎ

Poiché in condizioni standard (𝑇! = 25°𝐶) la densità del metano è pari a 0.717 𝑘𝑔/𝑚! possiamo ricavare la portata volumetrica e di conseguenza il costo mensile di combustibile.

𝑉!!! =𝐹!!!𝜌!!!

= 199.5 /0.717 = 278.2 𝑚!/ℎ

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑀𝑒𝑛𝑠𝑖𝑙𝑒!!! = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜!!! 𝑉!!! #𝑔𝑖𝑜𝑟𝑛𝑖 #𝑜𝑟𝑒 = 0.35 ∗ 278.2 ∗ 30 ∗ 24 = 70106.4 €

43

2.4 Analisi torre raffreddamento Una torre di raffreddamento è uno “scambiatore di calore gas-‐liquido” nel quale la fase liquida cede energia alla fase gassosa sotto forma di calore di evaporazione, riducendo così 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 pioggia” 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 gravità, assente nei solidi e trascurabile per i fluidi molto viscosi, caratterizzato da moti di circolazione interni al fluido.

Figura 26: Torre di raffreddamento.

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, così definita:

𝑇!" = 𝑇 + 𝑌 − 𝑌!" Δ𝐻!"#𝐶!,!"#

Dove i vari termini indicano: 𝑇!" = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑎𝑑𝑖𝑎𝑏𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎

44

𝑇 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠

𝑌 = 𝑈𝑚𝑖𝑑𝑖𝑡à 𝑎𝑠𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎

𝑌!" = 𝑈𝑚𝑖𝑑𝑖𝑡à 𝑎𝑠𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 𝑎 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑎𝑑𝑖𝑎𝑏𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎

Δ𝐻!"# = 𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑖𝑧𝑧𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑎𝑐𝑞𝑢𝑎

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 = ℎ(𝑇!"#)𝑑 = 𝑑(𝐹!"#$%)

Considerando il processo in esame la portata d’acqua che deve essere raffreddata è pari a circa 8000 𝑘𝑔/ℎ 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: 𝐶! = 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖 𝑖𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑒 = 0.001 𝑘𝑔/𝑘𝑔

𝐶!"# = 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑖 𝑠𝑎𝑙𝑖 = 0.02 𝑘𝑔/𝑘𝑔

𝑊!"! = 8000 𝑘𝑔/ℎ

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-‐ 2% dell’acqua totale in circolo.

𝑊!"#$%&#'# = 2% 𝑊!"! = 8000 ∗ 0.02 = 160 𝑘𝑔/ℎ

Per ovviare a questo inconveniente s’introduce una corrente di “Make Up” (M), che ha la funzione di ripristinare la quantità 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 “Co” la concentrazione di Sali nella corrente di make-‐up, e “CMAX” la concentrazione massima ammissibile di sali nell’impianto, si può scrivere:

𝑀 𝐶! = 𝑆 𝐶!"# → 𝑆 = 𝑀 (𝐶!"# 𝐶!)

45

Inoltre, la corrente di Make Up deve integrare anche la piccola perdita di fluido dovuta all’evaporazione, quindi è costituita da due contributi:

𝑀 = 𝑆 +𝑊!"#$%&#'#

Abbiamo cosi un sistema di due equazioni e due incognite:

𝑀 = 𝑆 +𝑊!"#$%&#'# 𝑀 𝐶! = 𝑆 𝐶!"#

𝑀 = 𝑆 + 160 𝑀 = 20 𝑆

𝑆 = 8.42 𝑘𝑔/ℎ 𝑀 = 168.42 𝑘𝑔/ℎ

46

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

47

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

48

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.

49

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.

50

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

51

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 flessibilità 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.

Ø STEP 1 “Ottenere i dati” I dati più 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. È 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'unità. Gli ambienti di raffreddamento, acqua oppure aria, possono essere rappresentati come un dissipatore di calore, anche qui mediante una singola temperatura.

Ø STEP 2 “Generare obiettivi energetici e di utility” Dopo un’attenta e oculata osservazione dei dati estratti precedentemente, è necessario impostare il valore minimo del ∆𝑇!"# . Infatti, questo parametro riflette il compromesso tra capitale investito e il costo di esercizio. E 'possibile esplorare questo trade-‐off quantitativamente, ma in pratica avviene raramente. Piuttosto, i valori che di regola ottimizzano il trade-‐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 finché la distanza verticale minore fra le curve è uguale al valore di ∆𝑇!"#. In pratica, gli obiettivi energetici sono calcolati utilizzando ciò che è noto sfruttando un opportuno

52

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.

53

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.

54

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

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.

𝑪𝑨𝑺𝑶 𝑨: 𝑹𝑬𝑪𝑼𝑷𝑬𝑹𝑶 𝟓𝟓% Dati a disposizione: 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 4772 𝑘𝑔/ℎ 𝑇!! = 25°𝐶 𝑇!! = 90°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 la pastorizzazione tramite trattamento HTST:

𝑄!!! = 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐶0 𝐶!" 𝑇!! − 𝑇!!

𝑄!!! = 4772 ∗ 3.89 ∗ 90− 25 = 1206600.2 𝑘𝐽/ℎ ≅ 335 𝑘𝑊 Consideriamo uno scambiatore di calore a recupero con “ℎ𝑒𝑎𝑡 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑣𝑒𝑟𝑦 = 55%", allora la potenza termica da fornire all’unita di riscaldamento sarà:

𝑄! = 𝑄!!! 1− 0.55 = 335 1− 0.55 = 159.75 𝑘𝑊

55

Nota la potenza termica ricaviamo la portata di vapore necessaria: 𝑄! = 𝑆! 𝜆!! → 𝑆! = 𝑄!/𝜆!! = 159.75 / 2147 = 0.074 𝑘𝑔/𝑠 ≅ 267.86 𝑘𝑔/ℎ

L’impianto per soddisfare questo carico termico utilizza un generatore di vapore a metano con le seguenti caratteristiche: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à = 750 𝑘𝑔/ℎ 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 = 523 𝑘𝑊 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 = 58 𝑚!/ℎ Ai fini della gestione ottimale del processo è interessante studiare e analizzare i costi di esercizio che scaturiscono per questo tipo di trattamento.


523750 = 0.69




𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à = 267.86 ∗ 0.69 = 184.82 𝑘𝑊ℎ

𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜 = 𝑆! 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à = 267.86 ∗

58750 = 20.71 𝑚!/ℎ


𝜌!"#$%=267.861000 = 0.268 𝑚!/ℎ





56

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜 = 22.18+ 7.25+ 0.035 = 29.46 €/ℎ

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑜 = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜/𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 29.46/4772 = 0.0062€/𝑘𝑔

𝑪𝑨𝑺𝑶 𝑩: 𝑹𝑬𝑪𝑼𝑷𝑬𝑹𝑶 𝟔𝟓% Dati a disposizione: 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 4772 𝑘𝑔/ℎ 𝑇!! = 25°𝐶 𝑇!! = 90°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 la pastorizzazione tramite trattamento HTST:

𝑄!!! = 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐶0 𝐶!" 𝑇!! − 𝑇!!


𝑄! = 𝑄!!! 1− 0.65 = 335 1− 0.65 = 117.25 𝑘𝑊 Nota la potenza termica ricaviamo la portata di vapore necessaria:

𝑄! = 𝑆! 𝜆!! → 𝑆! = 𝑄!/𝜆!! = 117.25 / 2147 = 0.055 𝑘𝑔/𝑠 ≅ 198 𝑘𝑔/ℎ L’impianto per soddisfare questo carico termico utilizza un generatore di vapore a metano con le seguenti caratteristiche: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à = 750 𝑘𝑔/ℎ 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 = 523 𝑘𝑊 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 = 58 𝑚!/ℎ Ai fini della gestione ottimale del processo è interessante studiare e analizzare i costi di esercizio che scaturiscono per questo tipo di trattamento.

57


523750 = 0.69




𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à = 198 ∗ 0.69 = 136.62 𝑘𝑊ℎ

𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜 = 𝑆! 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à = 198 ∗

58750 = 15.31 𝑚!/ℎ


𝜌!"#$%=1981000 = 0.198 𝑚!/ℎ






𝑪𝑨𝑺𝑶 𝑪: 𝑹𝑬𝑪𝑼𝑷𝑬𝑹𝑶 𝟕𝟓% Dati a disposizione: 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 4772 𝑘𝑔/ℎ 𝑇!! = 25°𝐶 𝑇!! = 90°𝐶 𝑇!! = 139°𝐶

58

𝜆!! = 2147 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝐶!" = 3.89 𝑘𝐽/𝑘𝑔 °𝐶 Tramite un bilancio di energia valutiamo la potenza termica necessaria per svolgere la pastorizzazione tramite trattamento HTST:

𝑄!!! = 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐶0 𝐶!" 𝑇!! − 𝑇!!


𝑄! = 𝑄!!! 1− 0.75 = 335 1− 0.75 = 83.75 𝑘𝑊 Nota la potenza termica ricaviamo la portata di vapore necessaria: 𝑄! = 𝑆! 𝜆!! → 𝑆! = 𝑄!/𝜆!! = 83.75 / 2147 = 0.039 𝑘𝑔/𝑠 ≅ 140.43 𝑘𝑔/ℎ

L’impianto per soddisfare questo carico termico utilizza un generatore di vapore a metano con le seguenti caratteristiche: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à = 750 𝑘𝑔/ℎ 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 = 523 𝑘𝑊 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 = 58 𝑚!/ℎ

Ai fini della gestione ottimale del processo è interessante studiare e analizzare i costi di esercizio che scaturiscono per questo tipo di trattamento.


523750 = 0.69





𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜 = 𝑆! 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à = 140.43 ∗

58750 = 10.86 𝑚!/ℎ


𝜌!"#$%=140.431000 = 0.140 𝑚!/ℎ

59






Tabella 3: Stima dei costi operativi del trattamento termico HTST con recupero di calore

𝑯𝒆𝒂𝒕 𝒓𝒆𝒄𝒐𝒗𝒆𝒓𝒚 [%]

𝑪𝒐𝒔𝒕𝒐𝑯𝟐𝑶 [€/𝒎𝟑]

𝑪𝒐𝒔𝒕𝒐𝑪𝑯𝟒 [€/𝒎𝟑]

E. Elettrica [€/𝒌𝑾𝒉]

𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍𝒆 [€/𝒌𝒈]

𝟓𝟓 𝟎.𝟑𝟓 𝟎.𝟏𝟑 𝟎.𝟏𝟐 𝟎.𝟎𝟎𝟔𝟐 𝟔𝟓 𝟎.𝟑𝟓 𝟎.𝟏𝟑 𝟎.𝟏𝟐 𝟎.𝟎𝟎𝟒𝟔 𝟕𝟓 𝟎.𝟑𝟓 𝟎.𝟏𝟑 𝟎.𝟏𝟐 𝟎.𝟎𝟎𝟑𝟐

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 qualità del prodotto in trasformazione. Infatti, tempi di permanenza molto lunghi del succo ad alte temperature compromettono la qualità 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. Dati a disposizione: 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 4772 𝑘𝑔/ℎ 𝑇!! = 25°𝐶 𝑇!! = 90°𝐶

60

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!"

∆𝑇!" =90− 25

ln(139− 25139− 90)= 76.98

𝐴 =335000

2000 ∗ 76.98 = 2.17 𝑚! = 23,17 𝑓𝑡!

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 €

61

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.

62

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.

63

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.

64

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).

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

65

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>>EcE<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.

66

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

Microrganismo Ec [kV/cm] Escherichia coli 8,3 Klebsiella pneumonia 7,2 Pseudomonas aeruginosa 6 Staphylococcus aureus 13 Listeria monocytogenes 10 Candida albicans 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:

67

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.

68

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. 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.

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

69

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

70

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:

LUE =

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

71

τ∗= nttr 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:

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):

vE

W n=

kMAXMAXMAXMAX R

UIUPEn τττ ⋅=⋅⋅=⋅= 2

72

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:

P

T

CWT =Δ

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:

FWvf

W impulsoT

⋅⋅=

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:

p

impulso

CFWvf

T⋅

⋅⋅=Δ

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

Fvfn ⋅

=

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.

73

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

74

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.

75

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.

76

Analisi tecnologia PEF Per scegliere il generatore d’impulsi più 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 d’intensità di campo elettrico, tensione, durata d’impulsi, frequenza e dimensione della cella. In questo modo è stata valutata la potenza richiesta da tutte le celle.

Figura 40: Schema pastorizzazione tramite trattamento PEF.

Dati a disposizione:

𝐶𝑎𝑟𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖𝑠𝑡𝑖𝑐ℎ𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑖 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 4772 𝑘𝑔/ℎ𝐾!|!!!"° = 3,56 𝑚𝑆/𝑐𝑚𝜌! = 1250 𝑘𝑔/𝑚!

𝐶𝑎𝑟𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖𝑠𝑡𝑖𝑐ℎ𝑒 𝑡𝑒𝑐𝑛𝑜𝑙𝑜𝑔𝑖𝑎 𝑃𝐸𝐹

𝐸 = 27 𝑘𝑉/𝑐𝑚𝑉! = 35 𝑘𝑉𝜏 = 5 𝜇 𝑠𝑓 = 800 𝐻𝑧

𝐷𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑖 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 𝑑 = 0.01 𝑚 𝐿 = 0.013 𝑚

𝑛! = 6 (𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑖 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑒)

Per valutare la quantità d’impulsi per la i-‐esima cella "𝑛!" e il tempo di trattamento "𝑡" è necessario calcolare prima altre grandezze. Portata volumetrica: 𝑄!"# = 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷/𝜌! = 4772/1250 = 3.818 𝑚!/ℎ

77

Volume i-‐esima cella: 𝑉! =! !!

!𝐿 = ! !.!"!

!∗ 0.013 = 1.021 ∗ 10!! 𝑚!

Tempo residenza i-‐esimo:

𝑡!" = 𝑉!/ 𝑄!"# =1.021 ∗ 10!!

3.818 = 2.674 ∗ 10!!ℎ = 0.963 ∗ 10!! 𝑠

Numero impulsi i-‐esima cella: 𝑛! = 𝑓 𝑡!" = 800 ∗ 0.963 ∗ 10!! = 0.77 Tempo di trattamento: 𝑡 = 𝑛! 𝜏 = 0.77 ∗ 5 ∗ 10!! = 3.85 𝜇 𝑠 Per valutare l’energia specifica richiesta per completare il processo di pastorizzazione del succo d’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 l’inattivazione microbica di E. coli in funzione dell’energia specifica totale e per diversi valore di temperature ad un fissato campo elettrico applicato. Da questi dati è stato possibile determinare (tabella 6) l’energia specifica totale necessaria per abbattere una carica microbica pari a 5 log-‐cycle, che rappresenta il requisito minimo per la commercializzazione del succo come prodotto pastorizzato.

Tabella 6: Valori dell’energia specifica in funzione della temperatura.

Temperatura °C WT (kJ/kg) 25* 180 35 140 45 100 55 50

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, verrà valutata la potenza media richiesta per ciascuna temperatura di processo ed il relativo costo energetico. 𝑪𝒂𝒔𝒐 𝑨: 𝑻 = 𝟐𝟓 °𝑪 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 dell’energia elettrica richiesta per raggiungere il desiderato livello di pastorizzazione.

𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 4772 𝑘𝑔/ℎ = 1.326 𝑘𝑔/𝑠

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 180 ∗ 1.326 = 238.68 𝑘𝑊

78

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 =

238.684772 = 0.050 𝑘𝑊ℎ/𝑘𝑔

Ricaviamo il costo totale al kilogrammo del trattamento PEF:

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑝𝑎𝑠𝑡𝑜𝑟𝑖𝑧𝑧𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 =𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎

𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑝𝑎𝑠𝑡𝑜𝑟𝑖𝑧𝑧𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 = 0.050 ∗ 0.12 = 0.0060 €/𝑘𝑔

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. Poiché l’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 poiché quest’ultima è stata ottenuta considerando tutte e 6 le celle di trattamento.

∆𝑇 =𝑃!"!/3

𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 𝐶!"=

238.68/31.326 ∗ 3.89 = 15.42°𝐶

Sulla base di questo risultato la temperatura del succo all’uscita dalle celle PEF sarà pari a 25+15.42=40.42°C. In seguito, sarà valutato il fabbisogno di energia elettrica necessario per compiere il trattamento PEF quando la corrente di processo subisce un preriscaldamento, che porterà il succo ad una temperatura superiore rispetto al caso trattato poco anzi, prima di essere sottoposta all’azione dei campi elettrici pulsati. Considerato che l’impianto già dispone di un generatore di vapore, valutiamo, a livello quantitativo, i possibili benefici che scaturiscono dall’utilizzo della tecnologia PEF variando la temperatura di ingresso alla cella PEF del succo di frutta da pastorizzare.

𝐶𝑎𝑟𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖𝑠𝑡𝑖𝑐ℎ𝑒 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑒 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à = 750 𝑘𝑔/ℎ𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 = 532 𝑘𝑊


𝐷𝑎𝑡𝑖 𝑑𝑖 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑜 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑑𝑖 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑧𝑖𝑜 = 0.13 €/𝑚!

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 0.12 €/𝑘𝑊ℎ𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜!!! = 0.35 €/𝑚!

79

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


523750 = 0.69


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

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑎 = 𝑆∗ 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎


𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜 = 𝑆∗ 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑖𝑎𝑙𝑖𝑡à = 86.46 ∗

58750 = 6.69 𝑚!/ℎ

𝐴𝑐𝑞𝑢𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑧𝑎𝑡𝑎 =𝑆∗

𝜌!"#$%=86.461000 = 0.08646 𝑚!/ℎ




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

80

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑜 = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜/𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 9.59/4772 = 0.0020 €/𝑘𝑔

Ricordando i risultati di tabella 6, si ha che l’energia specifica totale necessaria per abbattere una carica microbica di 5 log-‐cycle alla temperatura di 35°C, è pari a 140 kJ/kg.



185.644772 = 0.039 𝑘𝑊ℎ/𝑘𝑔


𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 0.039 ∗ 0.12 = 0.0047 €/𝑘𝑔

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 = 0.0020+ 0.0047 = 0.0067 €/𝑘𝑔

∆𝑇 =𝑃!"!/3


185.64/31.326 ∗ 3.89 = 11.99°𝐶

Dunque la temperatura del succo all’uscita dalle celle PEF sarà pari a 35+11.99=46.99°C. 𝑪𝒂𝒔𝒐 𝑪: 𝑻 = 𝟒𝟓 °𝑪 Dati a disposizione: 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 4772 𝑘𝑔/ℎ 𝑇!" = 25°𝐶 𝑇!"# = 45°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!"

81

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


523750 = 0.69






58750 = 13.37 𝑚!/ℎ


𝜌!"#$%=172.921000 = 0.1729 𝑚!/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.



132.6 4772 = 0.0278 𝑘𝑊ℎ/𝑘𝑔



82



∆𝑇 =𝑃!"!/3


132.6 /31.326 ∗ 3.89 = 8.57°𝐶

La temperatura del succo all’uscita dalle celle PEF sarà pari a 45+8.57=53.57°C. 𝑪𝒂𝒔𝒐 𝑫: 𝑻 = 𝟓𝟓 °𝑪 Dati a disposizione: 𝐹𝐸𝐸𝐷𝐷 = 4772 𝑘𝑔/ℎ 𝑇!" = 25°𝐶 𝑇!"# = 55°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 ∗ 55− 25 = 556892.4 𝑘𝐽/ℎ ≅ 154.69 𝑘𝑊 Nota la potenza termica ricaviamo la portata di vapore necessaria:

𝑄 = 𝑆∗ 𝜆!! → 𝑆∗ = 𝑄/𝜆!! = 154.69 / 2147 = 0.072 𝑘𝑔/𝑠 ≅ 259.38 𝑘𝑔/ℎ


523750 = 0.69





83


58750 = 20.06 𝑚!/ℎ


𝜌!"#$%=259.381000 = 0.25938 𝑚!/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.



66.3 4772 = 0.0139 𝑘𝑊ℎ/𝑘𝑔





∆𝑇 =𝑃!"!/3


66.3 /31.326 ∗ 3.89 = 4.28°𝐶

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

84

Tabella 7: Stima dei costi operativi del trattamento PEF

𝑻𝑰𝒏𝒈𝒓𝒆𝒔𝒔𝒐 [°𝑪]

𝚫𝑻 [°𝑪]

𝑷𝒕𝒐𝒕 [𝒌𝑾]

[𝒌𝑾𝒉/𝒌𝒈] E. Elettrica [€/𝒌𝑾𝒉]

𝑷𝑬𝑭 [€/𝒌𝒈]

𝑯𝒆𝒂𝒕𝒊𝒏𝒈 [€/𝒌𝒈]

𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍𝒆 [€/𝒌𝒈]

𝟐𝟓 15.42 238.68 0.050 0.12 0.060 0 0.0060 𝟑𝟓 11.99 185.64 0.039 0.12 0.0047 0.0020 0.0067 𝟒𝟓 8.57 132.6 0.0278 0.12 0.0033 0.0040 0.0073 𝟓𝟓 4.28 66.3 0.0139 0.12 0.0017 0.0060 0.0077

85

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.

86

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

87

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

88

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

89

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

90

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.

91

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.

92

Tabella 8: Stima dei costi totali del trattamento.

Pastorizzazione tramite PEF


Variabili operative del trattamento: Variabili operative del trattamento: 𝐸 = 27 𝑘𝑉/𝑐𝑚

𝑇!"#$%&&' = 25 − 35 − 45 − 55°𝐶 𝑒 = 180 − 140 − 100 − 50 𝑘𝐽/𝑘𝑔

𝑇!"#$%&&' = 25°𝐶 𝑇!"#$%& = 90°𝐶

𝑡 = 20 𝑠 Caratteristiche del sistema PEF: Caratteristiche del generatore di vapore:

𝑉! = 30 𝑘𝑉𝑓 = 800 𝐻𝑧𝜏 = 5 𝜇 𝑠𝑑 = 0.01 𝑚 𝐿 = 0.013 𝑚 𝑛! = 6



Capitale investito: Capitale investito: 250 𝑘€ 40 𝑘€

Costi operativi: Costi operativi: 0.0060 − 0.0077 €/𝑘𝑔 0.0129 €/𝑘𝑔

Come si evince facilmente dalla tabella riassuntiva, l’introduzione della tecnologia PEF comporta una grossa diminuzione dei costi di esercizio (circa il 50%) a fronte però di un maggiore costo d’investimento rispetto ai trattamenti convenzionali.

93

Capitolo VI

CONCLUSIONI Il punto di partenza del lavoro svolto in questa tesi è stato l’analisi di un impianto esistente per la produzione di succo d’arancia. In seguito sono state illustrate due possibili alternative per il miglioramento dell’impianto: l’integrazione termica e l’innovazione tecnologica. Per entrambe le alternative è stata effettuata una analisi concreta e quantitativa degli effettivi benefici economici che scaturiscono dall’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.


Pastorizzazione tramite HTST con recupero

Pastorizzazione tramite PEF

Variabili operative del trattamento:



𝑇!"#$%&&' = 25°𝐶 𝑇!"#$%& = 90°𝐶

𝑡 = 20 𝑠

𝑇!"#$%&&' = 25°𝐶 𝑇!"#$%& = 90°𝐶

𝑡 = 20 𝑠

𝐸 = 35 𝑘𝑉/𝑐𝑚 𝑇!"#$%&&' = 25 − 35 − 45 − 55°𝐶 𝑒 = 180 − 140 − 100 − 50 𝑘𝐽/𝑘𝑔

Caratteristiche del generatore di vapore:

Caratteristiche del generatore di vapore:

Caratteristiche del sistema PEF:





𝑉! = 30 𝑘𝑉𝑓 = 800 𝐻𝑧𝜏 = 5 𝜇 𝑠𝑑 = 0.01 𝑚 𝐿 = 0.013 𝑚 𝑛! = 6

Investimento aggiuntivo di capitale Generatore di vapore Piastre aggiuntive Impianto PEF

40 𝑘€ 259.35 € 250 𝑘€ Costi operativi

0.0129 €/𝑘𝑔 0.0032 − 0.0062 €/𝑘𝑔 0.0060 − 0.0077 €/𝑘𝑔

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 nell’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 all’industria alimentare. Naturalmente, non tutte le domande fondamentali hanno

94

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.

95

Bibliografia

1. Ayhan Z., Q. H. Zhang & D.B. Min. (2002). “Effects of pulsed electric field processing and storage on the quality and stability of single-‐strength orange juice”. Journal of Food Protection. 65(10): 1623-‐1627.

2. Barsotti L., P. Merle & J. Cheftel. (1999a). “ Food processing by pulsed electric fields. I. Phisical aspects” . Food Rev. Int., 15, 163-‐180.

3. Buckow R., S. Schroeder, P. Berres, P. Baumann & K. Knoerzer, ( 2010). “Simulation and evaluation of pilot scale pulsed electric field (PEF) processing”. Journal of Food Engineering. 101:67–77

4. Castro A.J., B. G. Swanson, G.V. Barbosa-‐Cánovas & Q. H. Zhang (2001). “Pulsed electric field modification of milk alkaline phosphatase activity”. Electric Fields in Food Processing. 5: 65-‐82.

5. Clark J.P.. (2006). “Pulsed Electric Field Processing”. Food Technology 60: 66-‐67.

6. Cserhalmi Z., A. Sass-‐Kiss, M. Tóth-‐Markus & N. Lechner. (2006). “Study of pulsed electric field treated citrus juices”. Innovative Food Science and Emerging Technologies. 7: 49-‐54.

7. De Vito F.. “Application of Pulsed Electric Field (PEF) Techniques in Food Processing”. Università degli studi di Salerno.

8. Dunn, J. E. and Pearlman, J. S. (1987). “Methods and apparatus for extending the shelf-‐life of fluid food products”. Maxwell Laboratories, Inc. U. S. Patent 4, 695,472.

9. Evrendilek G. A., S. Li, W.Q. Dantzer & Q.H. Zhang. (2004). “Pulsed Electric Field processing of beer: microbial, sensory and quality analyses”. Journal of Food Science. 96(8): 228-‐232.

10. Garland M. P. & D. W. Donahue.“Review of potential pasteurization methods for apple cider”.

11. Green D., R. Perry. (1998). “Perry's Chemical Engineers' Handbook”.7th Edition McGraw-‐Hill.

12. Heinz V., S. Toepfl & D. Knorra, (2003). “Impact of temperature on lethality and energy efficiency of apple juice pasteurization by pulsed electric fields treatment”. Innovative Food Science and Emerging Tecnologies. 4: 167-‐175

13. Rafferty D., P.E.Gene Culver. (1998). “HEAT EXCHANGERS”.

96

14. Raso J., Calderon, M. L., Gongora, M., Barbosa-‐Cánovas, G. V. and Swanson, B. G. (1998). “Inactivation of Zygosaccharomyces Bailii in fruit juices by heat, high hydrostatic pressure and pulsed electric fields”. J Food Sci. 63, 1042-‐1044

15. Raso J., M. L. Calderón, M. Góngora, G.V. Barbosa-‐Cánovas & B.G. Swanson. (1998). “Inactivation of mold ascospores and conidiospores suspended in fruit juices by pulsed electric fields”. Lebensmittel-‐Wissenschaft und Technologie. 31: 668-‐672.

16. Rossiter A. P.. “Improve Energy Efficiency by Heat Integration”

17. Schuten H., K. Gulfo-‐van Beusekom, I. Pol, H. Mastwijk & P. Bartels. (2004). “Enzymatic stability of PEF processed orange juice”. Safe Consortium Seminar: Novel Preservation technologies in relation to food safety., Brussels, Belgium.

18. Sensoy, I., Zhang, Q. H. and Sastry, S. K. (1997). Inactivation kinetics of Salmonella dublin by pulsed electric field. J Food Process Eng. 20:367-‐381.

19. Smith R.. (1995). “Chemical Process Design”, McGraw-‐Hill.

20. Toepfl S., A. Mathysa, V. Heinz & D. Knorra, (2006). “Potential of High Hydrostatic Pressure and Pulsed Electric Fields for Energy Efficient and Environmentally Friendly Food Processing”. � Food Reviews International. 22: 405-‐423

21. Töpfl S..(2006). “Pulsed Electric Fields (PEF) for Permeabilization of Cell Membranes in Food-‐ and Bioprocessing – Applications, Process and Equipment Design and Cost Analysis.”

22. Towler G. & R. K. Sinnott. (2007). “Chemical Engineering Design: Principles, Practice and Economics of Plant and Process Design”. Butterworth-‐Heinemann.

23. Yeom H. W., C. B. Streaker, Q. H. Zhang & D.B. Min. (2000). “Effects of Pulsed Electric Fields on the Quality of Orange Juice and Comparison with Heat Pasteurization”. Journal of Agricultural Food Chemistry 48: 4597-‐4605.

24. Zárate-‐Rodriguez E. & E. Ortega-‐Rivas. (2000). “Quality changes in apple juice as related to nonthermal processing”. Journal of Food Quality. 23: 337-‐349.

25. Zhang Q., G. V. Barbosa-‐Cánovas, and B. G. Swanson. (1995) “Engineering aspects of pulsed electric field pasteurization” J. Food Eng. 25: 261-‐281.

26. Zimmermann U., G. Pilwat & F. Riemann. (1974). “Dielectric breakdown of cell membranes”. Biophysical Journal. 14: 881-‐899.

97

27. Zimmermann U.. (1986). “Electrical breakdown, electropermeabilization and electrofusion” Rev. Phys. Biochem. Pharmacol. 105: 176-‐256.

Sitografia

1. http://www.indexmundi.com

2. http://www.jbtcorporation.com/

3. http://www.sciencedirect.com/

l’innovazione tecnologica come strumento per l’efficienza energetica nell’inustria di processo

Documents