Il lato... 'dolce' della simulazione: dietro le quinte di Nestlé

In Nestlé, il processo di ricerca, progettazione e produzione che si conclude con la realizzazione di una barretta di cioccolata perfetta costituisce una realtà affascinante, non del tutto diversa dal fantastico mondo della fabbrica di cioccolato di Willy Wonka. Forse non troverete gli umpa-lumpa a supervisionare la produzione dei dolci, ma il perfezionamento di questo processo richiede molto studio e un intenso lavoro di simulazione.  

Gli ingegneri al Product Technology Centre Nestlé di York, UK (PTC York) si occupano, tra le altre cose, della ricerca e dello sviluppo di tre diversi prodotti: un dosatore di cioccolato per produrre barrette, una piastra di cottura per wafer e un estrusore, usato per cucinare e, nello stesso tempo, smistare cereali. Al PTC di York, che è sede della ricerca e dello sviluppo dei prodotti dolciari Nestlé, i tecnici si affidano alla simulazione multifisica per ottimizzare e standardizzare il processo produttivo.

Attività di ricerca e sviluppo sul cioccolato

Le tavolette di cioccolato al latte e gli snack al cioccolato come Kit Kat^®, Aero^® e Crunch sono prodotti con un dosatore che riempie di cioccolato fuso uno stampo. Il cioccolato entra nel dosatore tramite un braccio posto sopra di esso e cola nello stampo dall’estremità degli ugelli (Figura 1).

“Assicurarsi che la quantità di cioccolato sia sempre uguale per ogni barretta significa fare in modo che la velocità del flusso e la pressione del cioccolato che esce da ciascun ugello siano sempre le stesse,” afferma William Pickles, ingegnere di processo in Nestlé. “Non solo dobbiamo assicurarci che ogni barretta abbia lo stesso peso per ottimizzare i costi e standardizzare il prodotto, ma ci impegnamo anche per garantire che le informazioni nutrizionali riportate sulla confezione siano anch’esse corrette. Questo ci permette di fornire prodotti con un contenuto nutrizionale preciso, adeguato alle diete bilanciate dei nostri clienti.” Per ottenere questa standardizzazione, l’uniformità del flusso e della pressione tra le estremità degli ugelli deve ricadere all’interno di una tolleranza ristretta.

Per raggiungere questa uniformità, Nestlé combina l’uso di diversi strumenti di modellazione e simulazione. Il dosatore di cioccolato mostrato nella Figura 1 è stato prima progettato con il software SOLIDWORKS^® e la geometria è stata poi importata nel software di simulazione COMSOL Multiphysics^® per le successive analisi. La simulazione è stata usata per ottimizzare il flusso, testare gli sforzi meccanici e analizzare le proprietà termiche per una particolare geometria.

“Ogni produttore di cioccolato ha la propria ricetta speciale, dalla quale ottiene una cioccolata con caratteristiche uniche,” spiega Pickles. “Siamo stati in grado di modellare perfettamente il comportamento non newtoniano del cioccolato Nestlé, importando nel software una curva sperimentale che mette in relazione la velocità di taglio con lo sforzo di taglio del fluido. In questo modo, abbiamo avuto la sicurezza di modellare un cioccolato con le stesse proprietà fluidodinamiche del prodotto reale.”

Grazie alla simulazione, il gruppo ha individuato aree di elevata e di bassa velocità e ha determinato le differenze nel flusso tra ogni ugello del dosatore. Per analizzare le condizioni in alcuni punti della geometria, sono state posizionate sonde numeriche nei canali e alle estremità degli ugelli.

“Ottimizzando la progettazione del dosatore, siamo riusciti a ottenere un flusso che è costante in ogni ugello entro lo 0,1% del valore desiderato,” racconta Pickles. I risultati di questa simulazione sono mostrati nella Figura 2.

La simulazione mantiene la croccantezza

Cosa sarebbe un Kit Kat® senza il famoso “croc” del wafer interno quando si spezza? Un riscaldamento non uniforme durante la cottura di un wafer può determinare differenti concentrazioni di umidità al suo interno, rovinandone la texture croccante o persino causandone la rottura spontanea.

Il processo di cottura dei wafer in Nestlè prevede l’uso di due piastre di cottura tra le quali viene compressa la pastella (Figura 3). Durante la cottura, le piastre vengono passate sopra una serie di circa 40 fiamme.

“Stiamo usando la simulazione per ottimizzare la progettazione delle piastre di cottura, studiando il flusso di aria calda sotto e intorno alle piastre per assicurarci di avere un profilo di temperatura uniforme su tutta la loro superficie,” spiega Pickles. “Il nostro obiettivo in questo studio è quello di correggere la potenza e l’orientamento dei bruciatori per ottenere il miglior wafer possibile, riducendo contemporaneamente la quantità di combustibile usato.” Questo si accorda con la policy di Nestlé, che è quella di cercare continuamente di migliorare l’efficienza in tutti i suoi processi produttivi.

Le fiamme sotto le piastre di cottura sono state modellate come getti di aria calda, in cui il calore si propaga per convezione. La Figura 4 mostra il profilo della fiamma sotto la piastra di cottura e il flusso d’aria attorno alla piastra.

“Siamo riusciti a validare il nostro modello confrontandolo con le piastre di cottura usate negli esperimenti e abbiamo riscontrato che i risultati delle nostre simulazioni concordavano molto bene,” racconta Pickles. I risultati mostrano anche come vi siano punti più caldi dovuti a una maggiore conduzione di calore nei bulloni che tengono insieme le piastre di cottura (Figura 5).

“Il prossimo passo sarà quello di ottimizzare questo progetto per distribuire il calore nel modo più uniforme possibile attraverso la parte superiore della piastra e ridurre al minimo i picchi di temperatura,” dice Pickles.

Cuocere durante l’estrusione

Cheerios^®, Trix^®, Nesquik^® e molti altri cereali sono prodotti da Nestlé con l’uso di un estrusore. “L’estrusore ad alta temperatura usato in Nestlé per produrre alcuni tipi di cereali funziona spingendo l’impasto attraverso una matrice. La pressione e l’attrito creati durante questo processo fanno sì che  l’impasto venga cotto per riscaldamento viscoso,” spiega Pickles, riferendosi all’estrusore mostrato nella Figura 6.

“Gli estrusori sono comuni perché sono uno strumento compatto ed economico per produrre i cereali.” Pickles sta lavorando alla progettazione del supporto di un viscosimetro che possa essere posizionato nell’estrusore per misurare la viscosità dell’impasto mentre passa nella matrice. Questo assicurerà una qualità uniforme dell’impasto, in modo da poterne prevedere la cottura. “Per il nostro progetto dovevamo assicurarci che il supporto del viscosimetro potesse resistere alla pressione elevata all’interno del dispositivo,” spiega Pickles.

Nel progetto originale dell’estrusore, la pressione era troppo elevata perché il supporto del viscosimetro potesse sopportarla. 

“Abbiamo riprogettato il supporto in modo da ridurre la pressione. Siamo poi riusciti a progettare la matrice in modo tale da non superare lo sforzo di snervamento (yield stress), così che potesse contenere il viscosimetro senza rischi,” racconta Pickles. Inoltre, la simulazione è stata usata per verificare che lo spostamento (displacement) dell’estrusore fosse sempre uguale, perché una variazione nello spostamento del dispositivo potrebbe determinare, durante la produzione, una mancanza di omogeneità nella forma e nella dimensione dei cereali (Figura 7).

Prodotti migliori e più sicuri con la simulazione multifisica

In Nestlé la simulazione occupa un ruolo importante nel processo di progettazione, dalla produzione di cioccolato a quella di wafer, cereali e tutto il resto. “Poiché i prodotti Nestlé saranno consumati dai nostri clienti, dobbiamo poter essere sicuri che i nostri progetti funzionino anche nel mondo reale,” conclude Pickles. “Siamo certi dei risultati ottenuti con le nostre simulazioni e sappiamo che possono esserci di valido aiuto per realizzare progetti sicuri e della migliore qualità possibile. Questo a sua volta ci permette di offrire costantemente prodotti più gustosi e più sani.”

Aero e KIT KAT sono marchi registrati della Société des Produits Nestlé S.A. Corporation Switzerland. SOLIDWORKS è un marchio registrato di Dassault Systèmes SolidWorks Corp. Cheerios, Nesquik e Trix sono marchi registrati di General Mills IP Holdings II, LLC.

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