| OPERAZIONI UNITARIE DELLE INDUSTRIE ALIMENTARI

Italiano

Conoscenza e capacità di comprensione: scopo del corso è di fornire conoscenze per la descrizione dei fenomeni alla  base  delle  Tecnologie  Alimentari  ed  il  loro  inquadramento  nello  schema  di  approccio  delle  “Operazioni Unitarie”. I contenuti, partendo  da un quadro di riferimento formale di generale e larga valenza applicativa, che riprende i principi fondamentali della Chimica-Fisica e Fisica Tecnica, basato su forma e significato delle equazioni di “velocità” (trasporti di materia, energia e quantità di moto, cinetiche chimiche e microbiche), di equilibrio e della termofisica,   riguarderanno quindi le principali operazioni di trasferimento di fluidi (“pompaggio” etc.), frattura e modifica   di   consistenza   (macinazione,   coagulazione   etc.),   separazione   di   fasi   (filtrazione,   centrifugazione, sedimentazione,  permeazione  su  membrana  etc.),  trasferimento  di  energia  termica  (riscaldamento  tubiero, irraggiamento a piastre, cottura, blanching, pastorizzazione e sterilizzazione termica, refrigerazione, congelamento), scambio di materia (estrazione etc.),   transizioni di fase (evaporazione, distillazione, cristallizzazione) con esempi applicativi di tipo in ogni caso quantitativo. Comprensione del percorso di metodo che lega, come filo metodologico continuo,  i  principi  fisici  alla  base  delle  singole  operazioni,  i  loro  meccanismi  microscopici,  le  loro  finalità  e, sommariamente, le apparecchiature destinate alla loro realizzazione considerate come ambienti di interazione con i sistemi trattati.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione: uso delle equazioni per la risoluzione di problemi numerici applicati  ai  processi  e  individuazione,  sulla  base della  loro  lettura  ragionata,  delle variabili  che  condizionano  i processi. Capacità di inquadrare in modo quantitativo condizioni/parametri di processo come variabili di stato del sistema,  deducendole  per  via  analitica  mediante  calcolo  o  per  via  grafica  da  diagrammi  di  stato  o  tecnici computativi.  In  particolare  utilizzo  dei  diagrammi  di  stato  in  chiave  previsionale,  come  strumenti  analogici  di simulazione dei processi reali.

Autonomia di giudizio: sviluppo di una autonoma capacità di effettuare prime valutazioni e decisioni, inquadrando in modo sistematico fenomeni ed eventi osservati, individuandone variabili, modalità di azione e meccanismi di trasformazione sulla base dello schema di approccio preordinato (capacità gestionale di informazioni e conoscenze formalizzate  in  modelli  adattivi  ai  vari  casi  e  contesti),  in  modo  da  poter  fornire  indicazioni  ragionevoli  delle condizioni  di  ottimizzazione  dei  processi.  Capacità  di  individuare  le  corrette  procedure  di  trasformazione, stabilizzazione/risanamento di alimenti in funzione della caratteristiche compositive e del packaging.

Abilità comunicative: capacità di interloquire, attraverso un lessico di termini e concetti adeguati, con tecnici e laureati di settore ed anche di Discipline diverse, inquadrando i casi sotto la loro molteplicità di aspetti e interazioni. Capacità anche di descrivere in modo succinto ma coerente cause e modalità di trasformazione dei vari sistemi, relazionando    chiaramente         cause     (stimoli/ variabili  indipendenti/ ingressi)       ad           effetti (risposte/ variabili dipendenti/ uscite).

Capacità di apprendimento: capacità di orientarsi autonomamente e in modo costruttivo in nuovi argomenti e situazioni tecniche, individuando i campi di conoscenze da approfondire per il “controllo di situazione”: variabili di modificazione  di  stato,  struttura  del  sistema,  proprietà  e  trasformazioni,  utilizzando  gli  strumenti  e  le  basi  in possesso sia per il continuo della comprensione (in sede di scholar learning) che la gestione operativa (in sede di lifelong learning).

Conoscenze di algebra e matematica generale, espressione dei dati in notazione esponenziale scientifica standard, sistemi di equazioni di 1° grado a più incognite, logaritmi; conversione di unità di misura ed analisi dimensionale; conoscenze base di Termodinamica con particolare riguardo al concetto di “sistema”, alla Termofisica (variazioni di entalpia) e ai diagrammi di stato di sistemi unari e binari;

conoscenze  di  base  di  Fisica  Tecnica  inerenti  l’impiego  dei  diagrammi  per  il  calcolo  grafico  del  fattore  d’attrito fluidodinamico (Moody), dei parametri “termici” e “frigoriferi” (diagrammi di entalpia-temperatura del vapore ed entalpia-pressione dei fluidi frigoriferi), dei parametri psicrometrici (diagramma di stato dell’ aria umida nella forma ASHRAE);

conoscenze di base di cinetica chimica e microbiologica limitatamente ad una dinamica del primo ordine;

conoscenze di base di informatica per la costruzione di semplici grafici da una tabella di dati (programma Excel), cfr. oltre prova facoltativa;

conoscenze base di lingua inglese (alcune parti di materiale didattico);

Trasformazioni di Processo e Fenomeni di base relativi alle Tecnologie Alimentari, con loro inquadramento nel contesto delle Operazioni Unitarie e della Termodinamica come filo conduttore; al fine di una loro presentazione in modo unitario, con approccio interconnesso e comparato. Il corso è suddiviso in 8 blocchi di 8 + 2 h (8 di lezione e 2 di esercitazioni), nel seguito numerati in progressione temporale. Blocco 1 Caratteri generali delle Operazioni Unitarie, Blocco 2 Operazioni meccaniche (elettromeccaniche e fluidodinamiche),  Blocco 3 Operazioni,meccaniche (corpi solidi e liquidi), Blocco  4  Operazioni  termiche (scambi termici)  Blocco  5  Operazioni  termiche (termofisiche e frigotecniche), Bloccchi 6 e 7 Operazioni con trasporto di materia, Blocco 8 Operazioni con trasporto di materia in senso non-convenzionale, inanimata (chimica) e animata (microbica), e con trasporti combinati (cottura).

Blocco  1.  Concetto  di  operazione  unitaria.  Classificazione  delle  operazioni  unitarie:  separazione-frazionamento, combinazione-assemblaggio, trasformazione, condizionamento. Concetto di “sistema”   e di “interazione sistema/ ambiente”.  Variabili  di  stato  dei  sistemi  tecnologici;  esemplificazione  di  sistemi  operativi  industriali (macchine), fisici (prodotti) e biologici (materie prime quali indicatori di qualità in ingresso alle operazioni, effetti delle variabili ambientali). Apparecchiature come “sistemi termodinamici” ed approccio "T, P, n" allargato alle variabili meccaniche, microbiche e dei campi di energia. Bilanci di massa ed energia. Definizione generalizzata dei fenomeni di trasporto:  flussi,  potenziali,  forze  motrici.  Meccanismi  di  trasporto  e  classi  di  trasporti:  conduttivi  (molecolari), convettivi  (massici/macroscopici),  radiativi  (elettromagnetici),  con  trasferimenti  interfase.  Operazioni  di  velocità (cinetica) in sistemi chimici, fisici (sistemi eterogenei di ripartizione) e microbici.

Richiamo  di  metodi  e  strumenti  quantitativi  per  il  calcolo  tecnico:  calcolo  grafico  di  derivate  e  costanti  di proporzionalità di leggi lineari. Nomogrammi tecnici, abachi grafici ed algoritmi procedurali (8 + 2 h).

Blocco    2.   Operazioni   meccaniche   I.   Trasporto    del   momento   meccanico   in   elettro-meccanica  (coppia motore/utilizzatore) e in fluido-meccanica (utilizzatori contenenti fluidi). Trasporto di quantità di moto nei fluidi. Moto laminare e turbolento. Viscosità (eq. di Newton, fluidi newtoniani e non-newtoniani). Bilancio di energia (eq. di Bernoulli generalizzata). Conduzione idraulica (pompaggio). Equazioni fluidodinamiche: Poiseuille, Fanning e Darcy-W. Filtrazione (8 + 2 h).

Blocco 3. Operazioni meccaniche II.  Meccanica dei corpi solidi, coesione ed energia interna: macinazione. Operazioni basate sulla composizione dei moti: ventilazione. Sedimentazione e centrifugazione, separazione ciclonica. Coesione e tensione  superficiale  dei  liquidi:  nebulizzazione.  Agitazione-miscelazione,  equazione  di  potenza  del  processo. Operazioni combinate meccanico/chimico-fisiche: emulsionamento. Operazioni basate sulle equazioni di “vantaggio”: estrusione, spremitura, sezionamento-taglio. Operazioni con movimenti compositi: bottalatura, vagliatura, lavaggio (8 + 2 h).

Blocco  4.  Operazioni  termiche I.  Trasporto  del  calore nei  sistemi  tecnici “a  più corpi” (equazioni di trasporto a coefficienti “globali”): conduzioni, adduzioni, trasmissioni. Calcoli termofisici (calore/entalpia latente e sensibile) nel raffreddamento/riscaldamento e cottura. Calore specifico. Conduzione (parete piana e cilindrica), convezione (parete e fluido, fluidi separati da parete piana e cilindrica), eq. di Newton dell’ adduzione e di Dittus-B. Stati stazionari e transitori. Scambio termico: scambiatori a parete piana e curva, in equi- e contro-corrente (8 + 2 h).

Blocco  5.  Operazioni  termiche  II.  Generazione  del  “caldo”  (richiamo  alla  caldaia).  Concentrazione-evaporazione, vaporizzazione e stati termodinamici e termotecnici del vapore, bilancio termico e di materia di un evaporatore. Irraggiamento, fattori di vista e di irraggiamento, impatto nella cottura (a forno, grill, micro-onde). Riscaldamento ohmico. Generazione del “freddo” (richiamo alla macchina frigorifera). Effetto frigorifero da dati entalpici e carico termico di magazzino. Congelamento e surgelamento, eq. di Planck (8 + 2 h).

Blocco 6. Operazioni con trasporto di materia I. Classificazione dei materiali e loro proprietà fisiche/tecniche: solidi, liquidi, aeriformi, fluidi in stato supercritico; sistemi omogenei ed eterogenei di interesse tecnologico. Diffusione e permeazione.  Equilibri eterogenei, isoterme di ripartizione; isoterma di adsorbimento s/v dell’ acqua (igroscopicità eattività termodinamica aw dell’ acqua). Diagrammi di stato di sistemi mono-, bi- e tricomponenti; equilibri l/v, s/l, s/g (adsorbimento, desorbimento) e g/v o aria-vapore (diagramma psicrometrico), diagrammi entalpici l/v dei vapori tecnici. Equazione della leva in sistemi bi componenti (8 + 2 h).

Blocco 7. Operazioni con trasporto di materia II. Processi a membrana: ultra- e iper-filtrazione (osmosi inversa), unità di processo. Confezionamento/packaging, permeazione gassosa e migrazione diffusiva. Distillazione, “monostadio” e frazionata, in corrente di vapore (oli essenziali). Cristallizzazione. Estrazione (lisciviazione), diagrammi triangolari. Estrazione supercritica, unità di processo. Crioessiccazione (liofilizzazione), sublimazione. Essiccazione (desorbimento), bilancio  di  materia  e  calore  da  dati  psicrometrici.  Condizionamento  ambientale:  magazzinaggio,  maturazione  e stagionatura (8 + 2 h).

Blocco 8. Operazioni con trasporto di materia in senso non-convenzionale, inanimata (chimica) e animata (microbica). Richiami  sui  caratteri  generali  della  “materia  chimica”  (diagrammi  di  stato  concentrazione-pH  delle  specie ioniche/molecolari  in  soluzione)  e  della  “materia  animata”  microscopica  (diagrammi  di  stato  “T,  pH,  aw“  dei microrganismi).  a)  Operazioni  chimiche:  idrogenazione  (cenno),  neutralizzazione,  coagulazione.  b)  Operazioni biochimiche e biotecnologiche: fermentazione tradizionale (calcolo delle rese stechiometriche, termiche e gassose). Trasformazione enzimatica su enzimi o cellule immobilizzate. c) Operazioni combinate (trasporti combinati a base termica): pastorizzazione e sterilizzazione (fattori termo-cinetici D10  e Z, algoritmo di calcolo del fattore “Fo”). d) Cottura come processo di sintesi delle varie specie di trasporti (8 + 2 h).

Parte esercitativa

Le esercitazioni di calcolo, applicato alla risoluzione di semplici problemi inerenti la determinazione di parametri significativi  delle  varie  operazioni  unitarie,  saranno  svolte  anche  con  l’uso  di  tabelle,  diagrammi,  abachi  e nomogrammi.

Prova informatica finale (facoltativa e comunque legata ad una soglia minima di frequenza), consistente nel calcolo di una costante di proporzionalità di una legge cinetica lineare fisica o chimica o microbiologica partendo da una serie di dati numerici. Dal valore così calcolato del coefficiente angolare della retta, viene richiesta la previsione del valore della variabile fenomenica dipendente della data legge presa in esame quale stimato ad un dato tempo.

Nelle lezioni in aula (64 h) vengono presentati i vari argomenti del corso, ciascuno con la/le relazioni quantitative fra le variabili caratterizzanti i fenomeni descritti e nelle 16 ore di esercitazioni si presentano esemplificazioni di calcolo ad esse  relative.  La  conduzione  delle  lezioni  viene  effettuata  con  applicazione  a  tenere  sotto  costante  controllo  l’ attenzione  e  la  comprensione  dell’  uditorio  attraverso  la  tecnica  “maieutica”,  stimolando  con  interrogazioni  e domande la sua capacità deduttiva  del “tirar fuori da sè” le previsioni delle conclusioni. Particolare attenzione viene posta al  “principio di continuità” di verificare il possesso dei “prerequisiti” di  volta  in volta necessari per i  vari argomenti, o almeno di richiamarli esplicitamente per un collegamento.

Materiale didattico per le lezioni on-line. Al termine di ogni lezione on-line, viene inviato tramite piattaforma un prospetto degli argomenti della lezione successiva, con corrispondente indicazione delle pagine delle Dispense a cui gli argomenti elencati sono riferibili.

Alla fine del corso gli studenti che hanno mostrato una frequenza di almeno del 50 % sono ammessi ad una prova facoltativa di esercitazione informatica numerica in Excel (2 h) presso il CISIT che, sulla base della relazione, dei risultati e dei grafici consegnati, consente una votazione addizionale fino ad un massimo di 2/30 da sommare al voto conseguito nella prova scrittografica e colloquio orale finale.

Il corso prevede inizialmente una prova esplorativa di ingresso sulle “specifiche conoscenze presupposte”, al fine di responsabilizzare l’ uditorio verso il necessario “ripasso” di nozioni propedeutiche.

L’obiettivo  delle  prove  d’esame  consistono  nel  verificare  il  livello  di  raggiungimento  degli  obiettivi  formativi precedentemente indicati.

A tal fine l’esame è diviso in 2 parti:

o  una prova scrittografica su tutti gli argomenti tratti nel corso, finalizzata a valutare la comprensione, con valenza applicativa, degli argomenti trattati attraverso la soluzione di 6-7 problemi numerici (tempo 3 h); per superare la prova è necessario acquisire la votazione di 18/30. E’ consentito l’ uso di un formulario, redatto in proprio da ciascuno studente, delle varie equazioni di processo.

o  un colloquio orale inteso a valutare la capacità dello studente ad aver compreso gli aspetti formali e gestionali tecnici di approccio generale meta- e transdisciplinare ai vari argomenti trattati, focalizzato cioè sulla capacità dello studente di orientarsi nelle varie descrizioni, che consente una votazione addizionale fino ad un massimo di 2/30, da sommarsi al voto conseguito nella prova scrittografica.

o  Il  voto  finale  è  dato  dalla  somma  dei  2  punteggi  e  dell’  ulteriore  punteggio  relativo  alla  prova  facoltativa informatica di cui alla sezione precedente.

- Materiale didattico e dispense fornite: Elementi di teoria dei fenomeni di trasporto e delle operazioni unitarie, Parte Generale del Corso (su supporto magnetico), elaborati a cura di G. Grasso;

- Materiale didattico e dispense fornite: Raccolte delle parti teoriche numeriche degli argomenti, delle parti descrittive inerenti gli schemi delle strutture dei prodotti e delle apparecchiature, delle parti degli esempi numerici, degli esercizi e casi applicativi (su supporto cartaceo), elaborati a cura di G. Grasso. Materiale fornito ad inizio di ogni blocco di argomenti: Trasporti di energia meccanica e quantità di moto, calore,  materia, “trasporto chimico” e “trasporto microbico” (= cinetiche di trasformazione).

- Materiale didattico per le lezioni on-line. Al termine di ogni lezione on-line, viene inviato tramite piattaforma un prospetto degli argomenti della lezione successiva, con corrispondente indicazione delle pagine delle Dispense a cui gli argomenti elencati sono riferibili.

- Peri C., Le Operazioni Fondamentali della Tecnologia Alimentare, CEA, Milano,2009;

Earle  R.L.,  Earle  M.D.,  Unit  Operations  in  Food  Processing  -  An  introduction  to  the  principles  of  food  process

engineering, The Web Edition, NZIFST-NZ, 1983;

[disponibile online] http://www.nzifst.org.nz/unitoperations/introduction2.htm

- McCabe W.L., Smith J.C., Harriott, P. (2005) Unit Operations of Chemical Engineering, 7th ed., McGraw-Hill, New York, NY, 5th ed. [disponibile online] http://cc.sit.edu.cn:805/upload/ 2016_1/3_8/gKauNveQ/Unit%20Operations%20of%20Chemical%20EngineeringWarrenL.%20McCabe.pd

- Singh R.P., Heldman D.R., Introduction to food engineering, Academic Press, San Diego, 2001; trad. It. Principi di Tecnologia Alimentare, Casa Editrice Ambrosiana/ Zanichelli, 2015.

All'inizio del corso vengono descritti obiettivi e programmi, lo schema delle dispense che verranno fornite ed i metodi di valutazione. Particolare attenzione è volta alla motivazione verso gli argomenti e lo “spirito” della nuova Disciplina, presentata come il “cuore applicativo” delle varie Discipline affrontate nel primo anno e nel precedente semestre. Durante le lezioni vengono forniti i materiali didattici relativi.

Immediatamente dopo ogni prova scritta viene fornita la soluzione degli esercizi proposti e, contestualmente alla  notifica dei risultati, viene fornita descrizione delle categorie degli errori principalmente riscontrati;

Orario di ricevimento: il martedì dalle 14:30 alle 15:30 nello studio del docente (stanza 218 piano II). Oltre al ricevimento settimanale, il docente sarà sempre disponibile via e-mail.

Un  appello  con  frequenza  mensile,  generalmente  di  lunedì  o  martedì (29/07/2021, 27/09/2021, 25/10/2021, 29/11/2021, 20/12/2021, 24/01/2022, 28/02/2022, 24/03/2022, 26/04/2022, 23/05/2022, 27/06/2022).

Nessuno

Commissione d’ esame.

Presidente:  Grasso  Gianni.  Membri  di  commissione  d’esame: Galgano Fernanda (componente), Caruso  Marisa  Carmela (supplente).