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Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica

Secondo modulo – Parte seconda (fondamenti dei fenomeni di trasporto del calore)

Aniello (Daniele) Mennella

Dipartimento di Fisica

Aniello Mennella Corso di fisica generale con elementi di fisica tecnica A.A. 2016-2017

Lezione 7

Applicazioni nella conservazione degli alimenti


Sistemi tradizionali di conservazione

● Pastorizzazione (trattamento termico a temperature medio-alte per tempi relativamente brevi – decine di minuti a temperature < 70°C fino a pochi secondi per temperature fino a 85°C)

● Sterilizzazione (trattamento termico ad alta temperatura, > 100 °C, per pochi secondi – es. trattamento UHT)

● Surgelamento

● Disidratazione

● Salagione

● Affumicamento

● Marinatura


Limiti dei sistemi tradizionali

● Alterazione delle proprietà nutritive

● Alterazione delle proprietà organolettiche (profumo, sapore)


Tecnologie emergenti

● Riscaldamento ohmico

● Microonde

● Radiofrequenza

● Induzione termica

● Alte pressioni

● Campi elettrici pulsati

● Ultrasuoni

● Luce pulsata

● Ultravioletti

● Ozono

● Plasma freddo

● Radiazioni ionizzanti

● CO2 a fase densa

Tecnologie termiche Tecnologie non termiche



Il riscaldamentoOhmico


Riscaldamento ohmico

Generatore di corrente alternata

Matrice alimentare

Resistenza alimentoR

● Nel trattamento mediante riscaldamento ohmico una corrente alternata viene fatta scorrere direttamente dentro l'alimento da trattare

● La potenza dissipata termicamente per effetto Joule, P, è data da:

dove I è la corrente e R la resistenza della matrice alimentare

● Gli elettrodi sono a diretto contatto con l'alimento. Possibile contaminazione per effetto elettrolitico che può essere evitata utilizzando alte frequenza (~ 25 kHz)

● A basse frequenze (50 – 60 Hz) si può operare sostituendo utilizzando elettrodi di acciaio ricoperti di Platino o Carbonio


Meccanismo

● L'attività antimicrobica avviene per due meccanismi

(1) Termico. La potenza dissipata per effetto Joule riscalda la matrice determinando l'azione antimicrobica


Meccanismo

● L'attività antimicrobica avviene per due meccanismi

(2) Elettrostatico. Il campo elettrico indotto produce la formazione di cariche positive e negative sulla superficie dei batteri

La forza di attrazione fra queste cariche determina la rottura della membrana con la formazione di pori (elettroporazione)

Meccanismo attivo per basse frequenze (50 – 60 Hz).

+

-

-

-

-

-

-

-+

+

+ +

+

+


Vantaggi rispetto a tratt. termici tradizionali

● Nel trattamento Ohmico fluido e solido si riscaldano con tempi comparabili mentre nei trattamenti termici tradizionali il fluido si riscalda molto prima dei solidi

● Possibilità di trattare fluidi viscosi o con presenza di solidi in sospensione

● Rapidità di trattamento → prodotti di più alta qualità con minor dispendio di energia


Fattori critici nel riscaldamento ohmico

● La potenza termica trasferita per effetto Joule è:

● Questa relazione ci dice che i fattori critici sono sia la differenza di potenziale applicata che la resistenza dell'alimento. A parità di differenza di potenziale applicata si riscalderà più efficacemente un alimento più conduttivo di uno con maggiore resistività

● Perché il trattamento ohmico sia efficace è necessario che vi sia un passaggio di corrente elettrica. L'alimento deve, quindi, essere elettricamente conduttivo, altrimenti il riscaldamento avverrà solo per conduzione o convezione (riscaldamento tradizionale)


da cui vediamo che sono preferibili contenitori corti di sezione grande in modo da minimizzare la resistenza finale

Fattori critici nel riscaldamento ohmico

● La resistenza dipende sia dalla resistività del materiale, ρ, dalla lunghezza, ℓ, e dalla sezione A del contenitore. Ricordiamo che:

● La resistenza va anche ottimizzata rispetto alla corrente massima che può scorrere nell'impianto. Ricordiamo che, dalla legge di Ohm, si ha

per cui una resistenza troppo bassa può portare al raggiungimento della corrente massima dell'impianto con conseguente possibilità di blocco dello stesso


Applicazioni del riscaldamento ohmico

● Sterilizzazione e pastorizzazione: molto efficace e con ampi margini di utilizzo

● Cottura: poco efficace se sono presenti grasso, olio, acqua, ghiaccio, aria

● Scongelamento: generalmente poco efficace per lunghi tempi di trattamento e possibilità di formazione di micro-organismi sulla superficie

● Blanching (scottatura): efficace nelle operazioni di blanching di frutta e vegetali, rapidità di riscaldamento, poca acqua utilizzata rispetto al metodo tradizionale (immersione in acqua calda)



Luce pulsata


Luce pulsata

0.01 nm 1 nm 100 nm 1 mm 1 cm 1 m 1 km

Luce pulsata

● Trattamento basato sull'invio di impulsi luminosi ad alta intensità per brevi periodi (100 ms) sull'alimento da trattare

● Gli impulsi coprono la parte visibile e ultravioletta dello spettro

Corrente continua ad alta

tensione

Batteria di condensatori in

parallelo

Lampada UV

Impulsi elettrici

● Generata da una lampada UV che converte impulsi elettrici in impulsi luminosi

● Gli impulsi elettrici sono generati da una batteria di condensatori in parallelo alimentati ad alta tensione che vengono caricati e scaricati rapidamente


Interazione degli alimenti con luce pulsata

● Quando l'onda luminosa di intensità I0 incide sul

materiale, una parte, r, viene riflessa mentre una frazione, (1-r), penetra per uno spessore dI

0

d

● La legge con cui la radiazione penetra nel materiale è detta di Lambert-Beer:

● α rappresenta l'opacità del materiale. Più un materiale è opaco più la radiazione penetrerà per uno spessore minore prima di venire completamente assorbita.

● Materiali molto opachi subiranno trattamento efficace solo per un piccolo spessore, materiali molto trasparenti non subiranno modificazioni da parte della radiazione.

● È necessaria, quindi, un'ottimizzazione fra l'intensità del campo, l'opacità e la profondità del trattamento che vogliamo ottenere


Aumento di temperatura

● L'energia trasmessa dall'onda luminosa all'alimento viene dissipata, per lo più, come energia termica, causando un aumento di temperatura dato da:

dove Eass

è l'energia assorbita, A, ρ e cp sono la sezione, la densità e il

calore specifico dell'alimento, d la distanza di penetrazione dell'impulso

● Il gradiente che si sviluppa fra l'esterno e l'interno della matrice alimentare genera un trasferimento di calore per conduzione.

● È necessario che il materiale abbia buone caratteristiche di conduzione termica in modo da evitare un eccessivo riscaldamento della parte superficiale senza un significativo trasferimento di energia termica all'interno


Effetto della luce pulsata sugli alimenti

● Sono trattamenti efficaci per inattivare spore batteriche e cellule vegetative di batteri, lieviti e funghi (muffe)

● Il meccanismo non è ancora del tutto chiaro. Si pensa all'azione di tre meccanismi

– Effetto fotochimico, dovuto all'interazione con la parte UV dello spettro

– Effetto fototermico, dovuto all'innalzamento locale di temperatura

– Effetto fotofisico, dovuto a modifiche di carattere fisico della membrana cellulare causate da impulsi ad alta intensità

● Sono stati dimostrati effetti su molti enzimi di frutta, verdura, carne, pesce. In particolare la luce pulsata rende inattiva la polifenolossidasi (PPO), l'enzima che causa l'imbrunimento dei cibi esposti all'aria

● I pochi studi sugli effetti nutrizionali e sensoriali indicano che i trattamenti di luce pulsata non alterano in modo significativo le proprietà nutritive e organolettiche del cibo



Campi elettricipulsati


Storia e principio di funzionamento

● Primi test di sanitizzazione di alimenti mediante campi elettrici risalgono alla fine del secolo XIX

● I primi studi sistematici risalgono alla fine degli anni '60 che hanno mostrato l'interazione fra i campi elettrici pulsati e le membrane cellulari

● Fattori critici: intensità del campo elettrico, durata dell'impulso, grandezza e forma dei micro-organismi


Esempio di funzionamento

Resistore, R

Gen

erat

ore

di t

ensi

one,

ΔV

C0

C0

C0

Condensatori in parallelo

Interruttore aperto

alimento da trattare

Elettrodi



Resistore, R

Gen

erat

ore

di t

ensi

one,

ΔV

C0

C0

C0

Condensatori in parallelo

Interruttore chiuso

alimento da trattare



● Un generatore di tensione viene utilizzato per caricare una batteria di condensatori in parallelo.

● Un interruttore chiude la seconda parte del circuito che collega i condensatori alla camera di trattamento

● L'alimento da trattare è a contatto con due elettrodi sui quali la carica scaricata dai condensatori si accumula e genera un campo elettrico che si scarica attraverso l'alimento (che sarà caratterizzato da una certa conducibilità)

Impulso di campo elettricoscaricato attraverso il materiale


Riscaldamento dovuto al campo elettrico

d

● La differenza di potenziale, ΔV, ai capi degli elettrodi è data da ΔV = E d

● La corrente che passa attraverso l'alimento è data da I = ΔV A/ (ρ d), dove ρ è la resistività dell'alimento e A la superficie degli elettrodi

● La potenza dissipata per effetto Joule è data da P = ΔV I = E2 d A / ρ

● Per un impulso della durata τ si ha che l'energia termica trasferita sarà Q = P τ = E2 τ d A / ρ

● L'aumento di temperatura associato al calore Q sarà ΔT = Q / (m c

p) = E2 τ d A / (ρ m c

p) =

= E2 τ / (ρ ρv c

p) dove m è la massa, c

p il

calore specifico e ρv la densità dell'alimento

Area, A


Esempio: il latte

● Il latte intero è caratterizzato da resistività ρ = 200 Ω cm, densità ρ

v = 1.030 g / cm3,

calore specifico cp = 0.92 cal/g°C

● Se immaginiamo di applicare un campo elettrico di 40 kV /cm otteniamo un riscaldamento per effetto Joule di 1.81 °C/μs

● Per tempi di trattamento superiori ai 30 μs si hanno degli aumenti di temperatura non trascurabili, per cui è necessario identificare metodologie per ridurre il problema

● Una possibilità è quella di implementare dei sistemi a più camere in modo da effettuare trattamenti multipli con stadi di raffreddamento intermedi


Tipi di impulsi – a decadimento esponenziale

● I sistemi a decadimento esponenziale sono di facile realizzazione ma espongono l'alimento al campo massimo per un breve periodo.

● La restante parte dell'impulso genera riscaldamento senza effetto battericida


Tipi di impulsi – a onda quadra

● I sistemi a onda quadra sono tecnologicamente più complessi ma consentono di mantenere la massima ampiezza del campo per un tempo maggiore

● L'efficacia di questi sistemi dal punto di vista del trattamento battericida è maggiore di quelli a decadimento esponenziale


Tipi di impulsi – bipolari

● Nei sistemi bipolari o oscillatori l'efficacia è maggiore, probabilmente perché l'alternanza delle cariche positive e negative sulla superficie delle cellule batteriche aumenta il fenomeno dell'elettroporazione

Impulso a onda quadra Impulso a decadimento esponenziale


Meccanismo di sterilizzazione

+

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● La membrana cellulare ha una costante dielettrica diversa rispetto all'interno e all'esterno della cellula.

● Un campo elettrico genera delle cariche di segno opposto all'interno della cellula causando una compressione a causa dell'attrazione elettrostatica

● Se il campo è poco intenso la cellula rimane comunque integra


Meccanismo di sterilizzazione

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● La membrana cellulare ha una costante dielettrica diversa rispetto all'interno e all'esterno della cellula.

● Un campo elettrico genera delle cariche di segno opposto all'interno della cellula causando una compressione a causa dell'attrazione elettrostatica

● Se il campo è poco intenso la cellula rimane comunque integra

● Se il campo supera una certa intensità allora si formano dei pori sulla membrana che determinano la fuoriuscita della parte interna e la morte della cellula stessa

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