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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 )
3 ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
Crescono e salirono sulla superficie: FLOTTAZIONE
Diminuiscono e dissolvono (diventano NANO - BOLLICINE):
MICRO- OSSIGENAZIONE, MICRO- AERAZIONE
MICRO- e NANO- BOLLICINE (BUBBLES )
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Da Wikipedia
ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
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
MICRO- e NANO- BOLLICINE (BUBBLES )
5 ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
Generazione con materiali porosi
Formazione della bollicina d’aria in acqua dal 110 mkm capillare
MICRO- e NANO- BOLLICINE (BUBBLES )
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.
6 ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
MICRO- e NANO- BOLLICINE (BUBBLES )
7 ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
(Video)
MICRO- e NANO- BOLLICINE (BUBBLES )
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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.
9 ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
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
ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
MISCELAZIONE dei PRODOTTI MINI- e MICRO MISCELATORI STATICI
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Figura. Chain mixer, Re=0.416
zoom
ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
MISCELAZIONE dei PRODOTTI MINI- e MICRO MISCELATORI STATICI
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).
12 ASTI 3 Giugno 2013
Politecnico di Torino DIMEAS “Automazione e Robotica”
MISCELAZIONE dei PRODOTTI MINI- e MICRO MISCELATORI STATICI
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
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“Automazione e Robotica”
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.
14 ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
MISCELAZIONE dei PRODOTTI JET MIXERS
15 ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
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:
16 ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
MISCELAZIONE dei PRODOTTI JET MIXERS
Miscelatori fluidici con getti oscillanti Con un getto:
17 ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
MISCELAZIONE dei PRODOTTI JET MIXERS
Con due getti oscillanti:
18 ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
MISCELAZIONE dei PRODOTTI JET MIXERS
Con tre getti oscillanti:
19 ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
MISCELAZIONE dei PRODOTTI JET MIXERS
Con tre getti:
20 ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
MISCELAZIONE dei PRODOTTI JET MIXERS
Con tre getti (altro tipo):
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“Automazione e Robotica”
MISCELAZIONE dei PRODOTTI SYNTHETIC JET MIXERS
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Membrana elastica (siliconica)
Membrana motore
Fluido motore
ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
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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
ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
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.
ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
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.
ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
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:
ASTI 3 Giugno 2013 Politecnico di Torino DIMEAS
“Automazione e Robotica”
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.
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“Automazione e Robotica”
Contatti: Prof. Vladimir VIKTOROV email: [email protected] tel. 011 0906950