Rappresentazione dei processi e degli impianti ai fini dei bilanci di materia ed energia. Principio generale di bilancio.

Applicazione del principio generale ai bilanci di materia. Variabili di composizione. Equazione di congruenza tra le variabili di composizione. Confine di sistema. Numero di componenti indipendenti. Sistemi non reagenti: equazioni di bilancio indipendenti. Tabella input-output. Sistemi reagenti: reazioni chimiche indipendenti; equazioni stechiometriche; equazioni di conversione. Reazioni in serie ed in parallelo. Eccesso di reagente; reagente limitante. Conversione, selettività, resa. Riciclo, by-pass e spurgo. Definizione di tempo di permanenza.

Elementi di analisi dei processi. Variabili: definizioni e tipologie. Vincoli: definizioni e tipologie. Gradi di libertà: definizione e significato. Valutazione teorica dei gradi di libertà di una corrente di processo, ripartitore di flusso, nodo miscelatore, separazione "flash", condensatore e ribollitore. Procedure di determinazione empirica (per ispezione) dei gradi di libertà di un generico processo. Processi e sistemi complessi; sistemi sequenziali e con riciclo: regole pratiche per l’analisi. Considerazioni sulla tabella input-output e sulla necessità delle equazioni di congruenza. Gradi di libertà in sistemi complessi.

Diagrammi di Sankey. Confronto tra diagrammi a blocchi, diagrammi di processo e diagrammi di Sankey. Resa di processo. Esempio per il processo di produzione di concentrato di pomodoro.

Richiami sull’equilibrio liquido-vapore, entalpia, calore sensibile e calore latente. Cenni sullo scambio termico in ebollizione ed in condensazione. Proprietà del sistema acqua-vapore all’equilibrio e procedura d’interpolazione in tabella.

Evaporazione per concentrazione: concetto, definizioni, componenti d’impianto. Analisi dell’evaporatore: bilanci di materia, bilanci di entalpia, equazione di scambio termico, numero tubi. Gradi di libertà.

Comportamento non ideale nell’evaporazione: innalzamento ebullioscopico, diagrammi di Durhing, effetto della pressione idrostatica; effetto della perdita di carico nel tubo; trascinamento del liquido; schiumeggiamento; formazione di depositi sulle superfici di scambio termico.

Ricompressione del vapore: termocompressione e ricompressione meccanica. Analisi dell’evaporatore "flash". Altre tecniche di recupero energetico.

Concentrazione a multiplo effetto: principi; configurazione d’impianto in serie, parallelo, equicorrente, controcorrente, misto.

Impianti di evaporazione: classificazioni, aspetti tecnologici e tipologie costruttive: a tubi corti, a tubi lunghi, a calandria esterna, a circolazione forzata, a film sottile.

Condensatori a superficie ed a miscela. Bilanci di materia ed entalpia dei condensatori.

Concentrazione con recupero di aromi da alimenti: concetti generali; diagramma di processo.

Umidità dell’alimento su base tal quale e su base secca. Relazione tra umidità ed attività dell’acqua.

Richiami di psicrometria: umidità assoluta dell’aria, umidità assoluta percentuale, umidità relativa, temperatura di rugiada, di bulbo asciutto, di bulbo umido, di saturazione adiabatica; entalpia dell’aria umida, calore specifico umido; volume specifico umido. Diagramma psicrometrico. Procedure grafiche per la determinazione delle caratteristiche dell’aria umida: riscaldamento, raffreddamento, miscelazione ed essiccazione isoentalpica.

Essiccazione in continuo: bilanci di materia e di entalpia; consumo di vapore nello scambiatore di calore. Essiccazione isoentalpica, adiabatica e non adiabatica. Metodi per il risparmio energetico.

Essiccazione in continuo ad aria: risoluzione per via analitica e per via grafica. Essiccazione a riciclo parziale: regola della leva e bilanci. Essiccazione a riciclo totale: bilancio di materia ed energia.

Fenomenologia dell’essiccazione: diagrammi caratteristici; essiccazione a velocità costante ed a velocità decrescente. Principali meccanismi controllanti la velocità di essiccazione. Legge di essiccazione a velocità costante.

Impianti di essiccazione: principi di base, classificazioni ed aspetti tecnologici. Essiccatori ad aria, a superficie e sottovuoto. Spray Drying.

Leggi di Bigelow. Parametri D e z. Relazione tra cinetica di Arrhenius, tempo di riduzione decimale e parametro z nella distruzione termica dei microrganismi. Definizione di effetto sterilizzante, velocità letale e letalità. Cinetiche di degradazione di enzimi, principi nutritivi e costituenti degli alimenti.

Pastorizzazione: concetto, definizioni, tempo di "sosta", applicazioni al caso di alimenti acidi o poco acidi. Trattamenti termici HTST.

Pastorizzatore in continuo a piastre: diagramma di processo; bilanci di entalpia; recupero energetico. Cenni al caso del latte. Altri impianti di pastorizzazione; in continuo o batch; in massa o in contenitori.

Sterilizzazione in contenitori ("canning"): concetto, definizioni, applicazioni. Determinazione della curva di penetrazione del calore: caso dell’oggetto "lumped", Numero di Biot, altri casi. Calcolo del tempo di sterilizzazione: problema di progetto e di verifica; necessità del tempo di "sosta"; metodi di Bigelow e di Ball; risoluzione grafica e numerica. Impianti per il "canning": autoclave; sterilizzatore idrostatico; sterilizzatore a tunnel.

Sterilizzazione in massa: concetto, definizioni, processi UHT. UHT diretto: applicazioni, diagramma di processo, tecnica del "flash", grafico temperatura-tempo. UHT indiretto: applicazioni, diagramma di processo, grafico temperatura-tempo. Calcolo del tempo di sterilizzazione e di "sosta"; Impianti per sterilizzazione UHT: iniettore di vapore, infusore di vapore, scambiatori di calore tubolari ed a piastre, Jupiter.

Degradazione dei principi nutritivi; equazione di bilancio di materia in transitorio; effetto della temperatura; risoluzione grafica e numerica.