Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 89
nov./dicembre
ISSN 1128-3874
CFD

Valutazione dell’omogeneità di processo all’interno di essiccatori statici per pasta alimentare

Mattia Armenzoni

In ambito alimentare il mercato ha sempre richiesto particolare attenzione al prodotto rispetto a qualsiasi altro settore. In particolare, sono pressanti le esigenze relative al mantenimento della naturalezza del prodotto, il quale, pur essendo il risultato di un processo industriale, deve riuscire a stimolare nel consumatore le stesse sensazioni del prodotto tradizionale “fatto in casa”.
Quanto detto è ancora più importante per un’operazione come l’essiccamento, la quale risulta storicamente una delle prime operazioni di conservazione dei cibi pertanto largamente utilizzata, osservata e studiata dalla tecnica industriale.

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Il processo di essiccazione deve essere progettato, e ottimizzato, in modo da restituire i migliori risultati possibili all’interno del contesto nella quale si trova ad essere inserito. Inoltre, questo processo deve essere sviluppato ad hoc sulle caratteristiche del prodotto che si vuole processare, al fine di non ledere le sue qualità estetiche, chimiche, fisiche e organolettiche.

Attraverso la disidratazione del prodotto solitamente si vuole ottenere uno o più dei seguenti effetti:

l’estensione della vita utile del prodotto;

il miglioramento della qualità di prodotto;

l’aumento della lavorabilità del prodotto;

il miglioramento dei processi ulteriori che subirà il prodotto in seguito all’essiccazione;

l’aumento della pulizia e della sterilità dell’alimento.

L’essiccazione della pasta è una delle operazioni di trasformazione più antiche nell’ambito alimentare, poiché questo particolare prodotto mal si presta ad essere conservato a lungo nella sua versione fresca. Pertanto, l’ottenimento del prodotto secco è stato per molto tempo l’unica alternativa possibile e percorribile al fine di aumentarne la vita commerciale. A conferma di quanto detto, si pensi soltanto che prima dell’avvento delle moderne tecnologie di essiccazione, la possibilità o meno di attuare un buon processo di essiccamento su questo prodotto tramite la sola esposizione del prodotto alle condizioni atmosferiche ne ha limitato fortemente la diffusione commerciale, confinandolo in zone dalle particolari condizioni climatiche, laddove queste risultavano ideali per ottenere l’idonea asciugatura.

Ciò sottolinea ulteriormente l’importanza del processo all’interno di un settore che vede protagonista un prodotto dalle caratteristiche interne fortemente eterogenee, le quali fanno in modo che il giusto essiccamento dello stesso debba essere raggiunto grazie al mantenimento di un delicato equilibro termodinamico all’interno dell’impianto dedicato allo scopo, per un idoneo intervallo di tempo.

La ricerca di tale equilibrio di processo è estremamente importante al fine di ottenere l’omogeneità di trattamento, caratteristica fondamentale per ottenere un buon prodotto. Da un’operazione di essiccazione non correttamente bilanciata sarà infatti difficile ottenere prodotti esenti da difetti evidenti sotto il profilo estetico, strutturale e/o microbiologico, raccogliendo come prodotto finito una pasta bottata, collosa, bruciata in superficie o cosparsa di punti bianchi.

Nell’industria pastiera moderna, le delicate fasi che compongono il processo di essiccamento vengono effettuate grazie a due tipologie di impianti: gli essiccatori dinamici e gli essiccatori statici. Nei primi, il prodotto è in grado di muoversi mentre viene processato. In tal caso risulta possibile ottenere una asciugatura omogenea della pasta tramite la giusta progettazione dal punto di vista termodinamico delle zone dell’impianto in cui è imposto il passaggio del prodotto, che saranno strettamente collegate alle fasi del ciclo di essiccamento. Questa soluzione è ideale per aziende dalle grandi capacità produttive, che possono permettersi di lavorare pressoché in continuo per lunghi periodi temporali, riducendo al minimo le soste di lavorazione e i cambi di produzione. Negli essiccatori statici invece la produzione avviene in batch, ossia in maniera discontinua: all’interno della cella di essiccazione vengono immessi volumi finiti di prodotto, nella maggior parte dei casi disposti su vassoi impilati lungo supporti semovibili, ma fermi durante il processo.

Non potendo così agire sulla movimentazione del prodotto, in questi essiccatori ci si dovrà concentrare sulla giusta progettazione della cella, per poter garantire un ciclo di essiccamento della pasta ottimale e quindi ottenere la giusta omogeneità di processo.

Per questi particolari impianti risulta fondamentale riuscire a prevedere quale sarà l’andamento dei flussi del mezzo essiccante al suo interno, cioè l’aria calda che andrà a lambire il prodotto, estraendo di fatto l’umidità superflua.

In quest’ottica è stato inserito il lavoro proposto, incentrato sulla possibilità di valutare e ottimizzare la configurazione interna di un essiccatore statico mediante simulazioni termiche e fluidodinamiche CFD, al fine di valutarne gli effetti sulla qualità del prodotto.

Nel corso del progetto ci si è serviti del software TDyn Multiphysics, uno strumento in grado di ricevere ed elaborare una geometria di partenza, in questo caso la camera di essiccamento e il  prodotto al suo interno. Il programma inoltre permette l’impostazione delle condizioni di partenza della camera stessa sia dal punto di vista termo-fluidodinamico sia da quello delle proprietà dei materiali, e in funzione di questi può restituire risultati in grado di riprodurre le caratteristiche del processo di essiccamento. 

TDyn, in particolare, una volta suddivisa la geometria di riferimento tramite una suddivisione tetraedrica, in grado di identificare i nodi di analisi, restituisce la temperatura dei nodi di analisi lungo tutta la durata del processo.

In seguito alla comparazione tra i risultati forniti da due simulazioni dello stesso processo di essiccamento, eseguite rispettivamente avvalendosi dello strumento TDyn e tramite Analisi alle Differenze Finite in grado di riprodurre l’andamento reale del ciclo produttivo, è stato possibile verificare la qualità della predizione della temperatura del prodotto durante il processo da parte di TDyn; tale predizione è risultata ottima.

Dopo questa opera preliminare di validazione, è stata analizzata l’opera di essiccamento tramite l’analisi delle temperature che si raggiungono durante il processo all’interno del prodotto: più questo innalzamento di temperatura sarà omogeneo, tanto più l’opera di disidratazione sarà omogenea e tanto più il prodotto risulterà di migliore qualità al termine del processo.

In particolare gli essiccatori statici, cioè gli impianti analizzati in questo studio, sono in grado di processare batch di prodotto relativamente esigui, presentando quindi la possibilità di andare ad inizializzare il ciclo di essiccamento ottimizzandolo in funzione del particolare prodotto che si intende essiccare, sia dal punto di vista del formato sia da quello relativo alle caratteristiche dell’impasto di partenza (grado di agglutinazione, densità, tenore di umidità interna ecc.). Sono stati analizzati diversi layout di essiccatore statico, i quali differiscono tra loro per la disposizione degli ingressi e delle uscite del mezzo essiccante (Figura 1):

 

Fig. 1- Le quattro configurazioni analizzate in ordine crescente

caso 1, ingresso ed uscita singoli: questa particolare disposizione di inlet e outlet del mezzo essiccante rappresenta lo stato dell’arte tecnologico a riguardo, ossia il layout solitamente proposto per questo genere di essiccatori. Il problema già ricordato riguardante l’omogeneità di essiccazione per design di cella d’essiccamento di questo tipo è molto sentito, al punto che, nel corso degli anni i principali produttori hanno pensato di aggirarlo provando diverse soluzioni (movimentare durante il ciclo produttivo in camera i carrelli stessi per esempio);

caso 2, ingressi ed uscite disposte lungo direzioni verticali: questa disposizione è stata ricavata ipotizzando di migliorare la situazione illustrata nel caso precedente, aumentando il numero di ingressi e uscite del mezzo essiccante;

caso 3, ingressi ed uscite disposte a quote differenti lungo direzioni orizzontali: continuando nell’ipotetico miglioramento del processo, si sono disposti ingressi e uscite del mezzo essiccante non più alla stessa altezza bensì a quote diverse ed opposte, inducendo un percorso ad “S” del fluido essiccante;

caso 4, ingressi e uscite interne con getto rivolto verso la parete: in questo caso, nell’ottica di aumentare la diffusione dell’aria in camera, così da ottimizzare l’uniformità del processo, si sono posizionati due collettori di ingresso internamente alla stanza stessa, i quali presentano i fori di uscita e di ingresso rivolti verso la parete. In tal modo, si è cercato di ottenere “un’apertura” del flusso di aria essiccante, così da fare in modo che esso coinvolga la maggioranza del prodotto inserito nella cella di essiccazione.

Grazie all’analisi effettuata con il software di fluidodinamica computazionale TDyn, è stato possibile valutare oggettivamente due proprietà del processo:

in prima analisi, è possibile visualizzare il percorso che il flusso di aria calda compie all’interno della cella di essiccazione. Da tale indagine è già possibile osservare a livello qualitativo la bontà del processo, valutando quanto prodotto è interessato dal flusso principale del mezzo essiccante, una volta che questo è sviluppato;

in seconda istanza, è possibile verificare l’andamento delle temperature del prodotto posto all’interno dell’ambiente di essiccamento durante l’evoluzione del processo;

per quanto riguarda la prima analisi, è possibile confrontare tra loro i quattro layout di impianto (Figura 2).

 

Fig. 2 - Le quattro situazioni fluidodinamiche dei flussi interni riferite alle quattro configurazioni

 

Dall’immagine proposta, l’ultima configurazione sembra, a una prima analisi visiva, quella in grado di aprire maggiormente il flusso del mezzo essiccante, riuscendo così a fare in modo che il processo riesca a interessare la maggior quantità di pasta. Pensando a tutta la durata del processo, il fatto appena esposto si riflette in una miglior omogeneità di processo: interessando una maggior quantità di prodotto, il flusso risulta meglio distribuito, riscaldando in maniera più equilibrata l’intero batch di prodotto e minimizzando gli episodi di sovrariscaldamento, dovuti a un’insistenza del flusso di aria calda in una particolare zona dell’impianto.

Al fine di verificare questa prima ipotesi, suffragata dalla simulazione fluidodinamica, attraverso il software, è stato possibile estrapolare e confrontare tra loro le temperature raggiunte dal prodotto posto all’interno delle quattro diverse celle dopo un periodo temporale definito (nello specifico, 1 ora e 30 minuti).

 

Fig. 3 - Confronto tra le distribuzioni statistiche delle temperature dei noti di prodotto dopo un’ora e mezza di processo riferite ai quattro layout proposti

 

Dopo aver verificato la natura della distribuzione dei risultati derivanti dai 4 layout (Figura 3), ci si è premurati di osservare come il processo di essiccamento sia in grado di fare evolvere nel tempo la temperatura dei singoli nodi. In particolare, il software ci permette di ricavare il valore della temperatura riferita a tutti i nodi interni ai moduli di pasta: nelle simulazioni si è impostata la temperatura del prodotto ad inizio processo pari a 293 K (20 °C). Al procedere del processo sempre più nodi vedono la loro temperatura aumentare. Pertanto, è possibile ricavare la distribuzione delle temperature della pasta per ogni istante temporale. Proprio tale distribuzione caratteristica rappresenta l’oggetto in grado di fornirci indicazioni utili al fine di valutare l’omogeneità di processo. Una volta osservata la distribuzione della temperatura indotta dal processo al termine dell’orizzonte temporale di riferimento, si possono ricavare due stimatori in grado di indicare la bontà dei vari layout proposti in termini di efficacia e di efficienza del processo:

  1. per quanto riguarda l’efficacia del processo si prende come indicatore la media aritmetica delle temperature dei nodi (intesa come media aritmetica delle stesse), in quanto, una volta fermate le simulazioni allo stesso istante temporale, e avendo dimostrato il parallelismo tra aumento di temperatura e diminuzione dell’umidità contenuta, risulta essere più efficace un processo che globalmente abbia innalzato di più la temperatura media del prodotto nello stesso periodo temporale. In secondo luogo, questo valore è stato valutato insieme all’analisi di un ulteriore parametro della distribuzione, ossia la mediana della distribuzione della temperatura dei nodi, la quale rappresenta il valore della distribuzione che divide in due parti uguali la popolazione dei dati; risulta quindi molto più utile per distribuzioni che, come la nostra, sono fortemente asimmetriche: al di sotto e al di sopra di tale valore, risiederà il 50% dei dati della popolazione. In quest’ottica, sarà bene tenere in considerazione anche questo parametro, il quale è in grado di fornire un’idea dell’avanzamento del processo in cella: più questo valore sarà basso e meno l’opera di essiccamento avrà fatto il suo corso, poiché solo la metà dei nodi si troverà in quell’istante ad un valore di temperatura maggiore al valore stesso della mediana;
  2. l’efficienza  del processo è invece un indicatore dell’omogeneità dell’essiccamento. Questa proprietà del processo verrà determinata esaminando il valore di varianza (o deviazione standard), la quale fornisce un’indicazione globale riguardo alla dispersione dei valori di temperatura dei vari nodi rispetto alla temperatura media che è stata raggiunta. In sostanza infatti, un processo sta operando più omogeneamente quando innalza la temperatura dei nodi del prodotto in maniera omogenea, distribuendoli su un range di temperature non troppo ampio, concetto che per l’appunto può essere ricondotto al valore di deviazione standard della distribuzione.

La Figura 4 illustra i parametri appena discussi relativi alla valutazione delle quattro celle, ottenuti grazie a una elaborazione dei dati forniti dal software di simulazione TDyn Multhiphysics eseguita tramite Microsoft Excel.

Fig. 4 - Parametri di valutazione dei quattro processi di essiccamento

Dall’analisi di questi parametri, vengono fornite le conclusioni dello studio proposto:

il primo layout proposto, ricavato dalla cella di essiccazione statica attualmente più comune e utilizzata, dotata di ingresso ed uscita singole del mezzo essiccante, risulta avere le peggiori prestazioni sul lato dell’omogeneità di processo, dimostrabili con l’elevato valore di deviazione standard. È possibile integrare quest’ultima affermazione osservando il dato di mediana: un valore così esiguo di tale parametro indica che il processo di essiccamento globalmente è meno avanzato al termine dell’orizzonte temporale di riferimento rispetto ad ogni altra configurazione considerata. Con questa cella si ottiene un processo assolutamente eterogeneo, come viene anche confermato dalla visualizzazione tramite il software TDyn dei flussi del mezzo essiccante che interessano la cella ed il prodotto;

nella seconda configurazione, il valore di deviazione standard caratteristico del processo è sensibilmente diminuito, pertanto l’omogeneità di essiccamento risulta essere aumentata. Dall’immagine relativa all’analisi fluidodinamica dell’essiccatore (Figura 2) il concetto appena espresso è facilmente visualizzabile: sono leggermente migliorati i flussi interni, che ora interessano più parti del prodotto, grazie alla diversa grandezza delle luci di uscita rispetto a quelle di ingresso che induce un rimescolamento dei flussi d’aria;

nel terzo layout si sono posti gli ingressi e le uscite lungo la direzione orizzontale alle estremità della cella. Per quanto riguarda l’efficacia del processo, il valore di mediana torna a stabilirsi sui valori relativi al primo layout, e allo stesso tempo cala leggermente il valore della media. La deviazione standard vede nel frattempo una diminuzione apprezzabile, pertanto anche in questo caso l’omogeneità di essiccamento garantito al prodotto risulta migliore rispetto al caso precedente;

in ultima istanza, gli ingressi e le uscite sono state disposte in un collettore posto all’interno della cella stessa con il lancio e l’aspirazione dell’aria rivolti verso la parete e non verso il prodotto; in questo modo si è cercato di diminuire il fenomeno dovuto al contatto diretto tra flusso di aria calda e prodotto. Il miglioramento del processo è evidente soprattutto sotto il profilo dell’omogeneità del trattamento, com’è evidenziato dall’ulteriore diminuzione del valore di deviazione standard della distribuzione delle temperature. Si ha oltretutto un aumento sia della media globale sia della mediana della distribuzione delle temperature del prodotto rispetto al precedente caso. Il processo di essiccamento risulta quindi il più efficace (trattamento più avanzato a parità di durata) e più efficiente (maggiore omogeneità di trattamento) rispetto agli altri layout considerati.

L’analisi presentata in questo studio porta quindi a concludere che gli strumenti CFD possono essere utilizzati, già in fase di progettazione, per la valutazione dell’efficienza e dell’efficacia del processo di essiccamento. In tale ottica risultano essere degli importanti strumenti di progettazione di impianto, in grado di prevedere a priori le prestazioni di determinate configurazioni dello stesso, e di apprezzare gli effetti relativi a miglioramenti di layout. Questo tipo di approccio porta ad un abbattimento notevole dei costi relativi a tale verifica, altrimenti riproducibile soltanto attraverso la costruzione di costosi impianti pilota.

 

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