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MECCANICA DEI FLUIDI PER LE INNOVAZIONI TECNOLOGICHE NELL’INDUSTRIA ALIMENTARE

ASTI 3 Giugno 2013

POLITECNICO DI TORINO Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale DIMEAS

Gruppo “Automazione e Robotica”

Argomento:

MICRO- e NANO- BOLLICINE (BUBBLES ):

• Chiarificazione dei vini, metodo di flottazione

• Micro-ossigenazione (-ossidazione) dei vini

• Aerazione e emulsione dei cibi

2 ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS

“Automazione e Robotica”

MICRO-GOCCE E MICRCOINCAPSULAZIONE: Processo, consistente nel rivestire minute goccioline di liquidi o bollicine gassose o piccole quantità di solidi con una sottile pellicola, di solito costituita da polimeri naturali o sintetici, in modo da formare microcapsule. Consente di conservare sostanze alimentari alterabili (vitamine, sostanze proteiche ecc. oppure troppo facilmente volubili o diffondibili (fitofarmaci).

MICRO- e NANO- BOLLICINE (BUBBLES )



Crescono e salirono sulla superficie: FLOTTAZIONE

Diminuiscono e dissolvono (diventano NANO - BOLLICINE):

MICRO- OSSIGENAZIONE, MICRO- AERAZIONE


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Da Wikipedia

ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS


Generazione con materiali porosi

PROBLEMI: • le dimensioni delle bolle sono diverse e il processo di generazione è difficile da controllare • le bolle troppo grandi (D > 0,5 mm) per il processo di microossidazione, salgono troppo velocemente

Una candela porosa per micro-ossigenazione




Generazione con materiali porosi

Formazione della bollicina d’aria in acqua dal 110 mkm capillare


Sono stati progettati, costruiti e studiati dei dispositivi microfluidici che sul principio

della focalizzazione di flusso (microfocuising) danno possibilità di generare micro gocce di diametro regolabile di alcuni decimi di mm. Le micro gocce possono essere di gas o liquidi. I microgocciolatori o microdroplets sono dispositivi microfluidici utilizzati in diversi processi chimici, alimentari, farmaceutici, biomedici, ecc. per le tecnologie innovative di microincapsulamento e di emulsione.






(Video)


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Possibili applicazioni:

Ossigenazione e Aerazione nella Industria Alimentare, Agricoltura ,

Acquacoltura (pesci, alghe)

• Bioreattori, Fermentazione, Ossidazione biologica

(trattamento delle acque reflue)

Tecnologie di dissoluzione di altri gas

• Sterilizzazione con ozono (vini senza solfiti), Gassificazione dei liquidi e

delle bevande (CO2, H2: hydrogen rich drinking water

(antioxidant and anti- inflammatory activities)

Pulizia e lavaggio con microbollicine

• Target: usare meno prodotti chimici

Altri applicazioni

• Emulsioni per biofuel, pulizia dentale (in medicina)

ASTI 3 Giugno 2013

Politecnico di Torino DIMEAS “Automazione e Robotica”

Argomento:

MISCELAZIONE dei PRODOTTI

MESO e MICROTECNOLOGIE Intensificazione di processo passando ai processi in meso- e microscala con uso di tecnologie ad alte velocità di mescolamento e di trasferimento di calore. Per alcuni processi produttivi potrebbe essere vantaggioso passare dai processi batch ai processi continui. Si riassumono in seguito i principali vantaggi di questa strategia produttiva:

• Ottimizzazione del processo di mescolamento, di trasferimento di

massa e di calore e del tempo di reazione • Miglioramento della qualità del prodotto • Semplicità e velocità nel cambio del prodotto • Pulizia più semplice e veloce.



MISCELAZIONE dei PRODOTTI MINI- e MICRO MISCELATORI STATICI

• Nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale (DIMEAS) di Politecnico di Torino sono stati progettati, costruiti e studiati nuovi tipi di miscelatori statici mesofluidici e microfluidici per flussi con numeri di Reynolds molto bassi (liquidi molto viscosi o liquidi nei microcanali)

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Figura. Confronto con O-micromixer (noto e utilizzato), Re =0.416




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Figura. Chain mixer, Re=0.416

zoom




Figura. Chain mixer

Viktorov V., Nimafar M. (2013), “A novel generation of 3D SAR-based passive micromixer: efficient mixing and low pressure drop at low Reynolds number”, Journal of Micromechanics and Microengineering, 23 (2013) 055023 (13pp).

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Politecnico di Torino DIMEAS “Automazione e Robotica”


I vantaggi del nuovo tipo di miscelatore sono seguenti: • alta efficienza del processo di mescolamento, anche

con Re < 0.1 • efficienza energetica: a parità di efficienza di mescolamento,

la caduta di pressione è decisamente più bassa in confronto con i migliori miscelatori noti

• facilità di inserimento nelle zone vicine ai condotti di mescolamento dei dispositivi di riscaldamento o raffreddamento

• facilità di riempimento e di pulizia • piccolo volume interno • semplicità di costruzione



MISCELAZIONE dei PRODOTTI MISCELATORI STATICI

Applicazioni nell’industria alimentare: • Processi di emulsificazione e di pastorizzazione, esempi:

– soy beverage, “Beverage Manufacture Using a Static Mixer”, PepsiCO INC., Patent application US 2011/0086158 A1, 2011.

– meat emulsion, “Food products and methods of making food products”, Nestec S.A., EP2259690A4, 2012 e US2011/0111102, 2011.

– olio-in-acqua, “Method and Apparatus for Making Beverages”, PepsiCO INC., Patent application US 2007/0054026 A1, 2007.

• Processi di miscelazione, esempi: – production of wafers, “Fflexible depositing system”, Nestec S.A., EP2105051B1, 2011 e

US2011/0027415, 2011 and “Method and apparatus for making a low density wafer product”, Nestec S.A., EP2401921A1, 2012.

– gas/food mixture, “Method and apparatus for making aerated food product and product obtainable thereby”, Kraft Foods R & D, Inc., US2011/0052778, 2011.



MISCELAZIONE dei PRODOTTI JET MIXERS




Miscelatori fluidici con getti oscillanti Nel DIMEAS di Politecnico di Torino sono stati progettati, sulla base di idee originali, alcuni tipi dei oscillatori fluidici.

Con un getto:




Miscelatori fluidici con getti oscillanti Con un getto:




Con due getti oscillanti:




Con tre getti oscillanti:




Con tre getti:




Con tre getti (altro tipo):



MISCELAZIONE dei PRODOTTI SYNTHETIC JET MIXERS

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Membrana elastica (siliconica)

Membrana motore

Fluido motore



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1. telaio di supporto per la membrana piezoelettrica

2. elemento piezoelettrico 3. fori per il riempimento della “camera motrice” 4. telaio di supporto per la membrana siliconica 5. membrana elastica 6. telaio per e camera di mixer 7. camera interna 8. ingresso componenti da mixare (nel caso del processo continuo) 9. uscita flusso mixato (nel caso del processo continuo) 10. zona di mescolamento

MISCELAZIONE dei PRODOTTI SYNTHETIC JET MIXER

Miscelatori attivi piezoelettrici con getti sintetici e membrane di Separazione per processi meso- e microfluidici



MISCELAZIONE dei PRODOTTI SYNTHETIC JET MIXERS

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Vantaggi del metodo: • alta efficienza del processo di mescolamento • vibrazione solo della membrana elastica prevede il basso consumo energetico • bassi valori di shear rate e stress • semplicità di riempimento, svuotamento e di pulizia

Il metodo può essere applicato anche nel processo di aerazione o gasazione di un liquido. In tale caso nella zona vicina alla membrana elastica oscillante devono essere predisposti gli ugelli (microugelli) di iniezione del gas.



MISCELAZIONE dei PRODOTTI LOW SHEAR MIXING e REOLOGIA dei FLUIDI

E’ stata proposta e verificata l’idea è quella di produrre durante il miscelazione dei fluidi

delle componenti di shear stress variabili perpendicolari al moto, elongazioni e stress tridimensionali

e non solo tangenziali unidimensionali al fine di aumentare l’energia fornita al fluido.

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Gli studi e le prove sperimentali effettuate evidenziano la concreta possibilità di ottenere con meato variabile, a parità di potenza applicata, un risparmio temporale e energetico durante la miscelazione. Tale risultato è dovuto al fatto che è stato ottimizzato il trasferimento energetico dagli organi meccanici al fluido.



Progetto CHOC&TECH – Regione Piemonte- Bando di Produzione 2008 FERRERO INGEGNERIA S.P.A., SOREMARTEC ITALIA S.R.L., BOEMA S.P.A. CHIARLONE OFFICINE S.R.L. , POLITECNICO di TORINO

• Manipolazione dei prodotti con uso dei getti e dei cuscinetti ad

aria (anche per prodotti cedevoli o delicati)

• Ottimizzazione dei processi tecnologici sulla base dei letti fluidi (fluidized bed):

granulazione, essiccamento, microincapsulazione dei prodotti, ecc.

• Trasporto pneumatico (pneumatic conveying)

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Argomenti:



Argomenti:

Automazione:

• Fermentazione dei vini

• Pressa pneumatica (vinacce)

• Automazione dei sistemi meccanici: controllo discreto, continuo, con la logica fuzzy.

Ottimizzazione dei processi produttivi:

• Modelli matematici dei processi e dei sistemi di controllo

• Ottimizzazione dei sistemi meccanici.



Contatti: Prof. Vladimir VIKTOROV email: [email protected] tel. 011 0906950

mailto:[email protected]

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