El tratamiento de los jugos de frutas con la presencia de trozos

La bebidas de base de jugo de frutas con piezas en suspensión (celdas de naranja, fruta en trozos y/o cortada en cubitos), son un producto de origen japonés importado en Occidente en los años noventa, que muestra durante estos últimos años una tendencia fuertemente creciente, especialmente en el norte de África y en el Medio Oriente.

De manera más general, el mercado de bebidas ve que los consumidores siempre más conscientes, se mueven hacia productos naturales, funcional y saludables, entre ellos se encuentran las bebidas de base de frutas con trozos.

A DUE S.p.A., que diseña y construye instalaciones específicas para productos con trozos de más de 10 años, ha desarrollado una experiencia importante y variada, como es variada la tecnología de producción y de llenado.

En general, este tipo de bebida está compuesto por jugo de frutas con presencia de celdas de naranja o trozos de frutas hasta un máx. del 10%.

El jugo de frutas está compuesto por frutas en porcentaje variable del 15 al 50%, ingredientes menores (ácidos, aromas, etc.) y espesantes (en general pectinas).

Las piezas presente tiene tamaños variables en función del tipo de frutas: las celdas de naranja varían de 3x1mm a 8×2 mm, mientras que los trozos de frutas (mango, piña, fresa, etc.) van de 4x4x4 mm a un máximo de 10x10x10 mm. y en algunos mercados en los que se distribuyen bebidas con “nata de coco” y aloe en trozos, esto genera una considerable variedad de combinaciones entre bebidas “base” y piezas añadidas.

Fresa, piña y uva en piezas

La variable discriminante para la elección de la tecnología de proceso está dictada esencialmente por el embalaje.

Tradicionalmente, estos productos eran envasados en latas, contenedor que permite un llenado en caliente tanto de one-shot o double shot con el primer llenado a través de una llenadora telescópica.

Aunque la lata se mantiene aún hoy en día un contenedor de gran interés, la atención se ha desplazado marcadamente al PET con la consiguiente variación de la tecnología de proceso.

En este caso, la mayoría de las aplicaciones considera un llenado de double-shot, con el primer llenado a través de una llenadora volumetricas de pistones; el segundo llenado está en caliente, mientras que el primero puede ser independientemente en caliente o en frío.

Para este tipo de producto resultan de fundamental importancia la correcta preparación de la fase que contiene celdas y trozos, su mezclado y su suministro homogéneo a la llenadora.

Para este fin, A DUE ha desarrollado una tecnología que, aun garantizando la máxima flexibilidad, tanto en relación con el tipo de celdas o trozos, como en relación con la tecnología del packaging, es capaz de prevenir daños mecánicos y térmicos al producto.

De hecho los trozos, en especial las celdas, son sumamente frágiles, por lo que son necesarios sistemas de traslado, dosificación y mezclado “delicados”, para mantener lo más posible intactas las características organolépticas y nutricionales del producto.

Otro factor crítico es la presencia de cantidades considerables de espesantes de diverso tipo, fundamentales para dar al producto la consistencia adecuada y para mantener las céldas y las piezas en suspensión.

Para abordar esta cuestión específica, dando la mejor solución a cada necesidad, A DUE ha introducido una serie de innovaciones tecnológicas, de los turbo emulsionantes a los sistemas de dispersión hasta los disolvedores en línea.

Dada esta amplia gama de productos con piezas con sus necesidades específicas y tomando en cuenta las exigencias de los grandes embotelladores que hacen de la preservación de la calidad del producto final su objetivo primario, A DUE ha desarrollado diversas soluciones.

Sin embargo, la verdadera innovación no se limita a la identificación de las soluciones específicas, sino que se extiende principalmente a como nos acercamos a estos temas.

A DUE de hecho, a pesar de los cincuenta años de experiencia en el proceso de bebidas, se ha activado para proporcionar adecuada y específica respuesta a estas necesidades del mercado con el apoyo técnico y científico de la Universidad de Parma y, en particular, del Centro de Embalaje (CIPACK), el Laboratorio de Tecnología de Seguridad Alimentaria y la Innovación (SITEIA), y también la colaboración con la estación Experimental de Conservas de Parma (SSICA).

Las actividades del proyecto han tenido como objetivo el estudio y el desarrollo de una nueva tecnología, con un alto grado de automatización, para la preparación, el tratamiento y el llenado de jugos de frutas que contienen trozos o celdas, capace de garantizar un alto valor nutricional y alta calidad sensorial de la bebida en sí; esto ha permiso a A DUE de enriquecer y completar sus conocimientos sobre las bebidas en cuestión actualizando y ampliando su gama de productos.

En cuanto a los detalles de las actividades realizadas, el proyecto se dividió en cuatro fases sucesivas para la consecución de los objetivos generales y específicos.

Se inició con un estudio preliminar sobre el estado actual de este tema (Etapa 1), en que se definió en detalle tanto del estado actual del mercado, en términos de productos presentes, como de las diversas tecnologías existentes, sus puntos fuertes y puntos débil para explotarlos en la siguiente etapa de la investigación.

Las actividades llevadas a cabo en la Etapa 1 tuvieron, en particular, el objetivo de identificar las principales características del producto con trozos.

Además, estas actividades tuvieron el propósito de identificar que conocimientos fuerna necesarios para el estudio de los sistemas de preparación y tratamiento de bebidas con contenido de sólidos, en particular, con trozos y fibras.

Por último, se investigó en los sistemas de llenado de bebidas con trozos y fibras existentes en el mercado.

Foto: Estudio de mercado y estudio de las bebidas con trozos

El análisis científico examinó el efecto de la forma de las piezas , la concentración de las piezas , el tipo de piezas, la viscosidad, la temperatura.

Después de haber estudiado y profundizado los tipos de instrumentos tecnológicos utilizados para la caracterización de productos alimenticios con piezas similares aquellos a ser tratados y envasados, se procedió a diseñar un sistema de medición ad hoc para los productos a ensayar.

Después de esto se procedió a la elaboración de un layout final del sistema y su realización física.

Por último, se tomaron medidas para su instalación y puesta en servicio.

Las pruebas tuvieron el propósito de definir las características reológicas de los productos analizados (viscosidad aparente a diferentes velocidades de cizallamiento), la tendencia a la estratificación en el bajo o la flotación de las piezas bajo cierta velocidad de transición, así como el efecto de los daños en las piezas.

Además de esto, gracias a una desviación en salida de la bomba, fue posible evaluar el efecto de un tratamiento térmico sobre los trozos y jugo de porcentajes predeterminados.

El protocolo de prueba ejecutado, estaba compuesto de 3 fases separadas, dos de las cuales fueron realizadas simultáneamente en un lote de productos con piezas y fibras, mientras que la tercera requerió la inserción del sistema de esterilización en alternativa al pasaje a través del intercambiador de calor tubular, que es parte de la instalación inicial.

Después, se procedió a encontrar productos con piezas en las empresas del sector de referencia.

Las pruebas se realizaron en dos tipos de productos:

[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Jugo y piezas de melocotón 10 * 10 * 10 mm (al 80-90% de piezas en tambores asépticos de 220 litros).
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Jugo y celdas de naranja (congelados en tambores de 200 litros con celdas al 70-80%).

Además se analizaron diferentes modalidades tecnológicas existentes en el mercado para la transferencia del producto con piezas y fibras, después de las fases de tratamiento y antes del llenado.

Para este propósito se estudió una planta piloto que simula el comportamiento de las piezas a través de bombas, intercambiadores de calor y el sistema de tuberías, como muestra el layout a continuación:

El sistema de la figura incluye los elementos descritos en la siguiente tabla:

Tabla de los componentes de la instalación

Posteriormente, se evaluaron los aspectos económicos relacionados con las soluciones propuestas (tratamiento térmico tradicional, óhmico, soluciones híbridas), desde el punto de vista de los costos de operación y de los relacionados a este sistema.

Las actividades del proyecto continuaron con la realización de la fase siguiente (Etapa 2), es decir la investigación de la tecnología de preparación y tratamiento del producto, cuyo principal objetivo fue recopilar informaciones básicas tanto sobre el producto a preparar como sobre el principio de funcionamiento de la todas los equipos de proceso y el estudio de las nuevas soluciones tecnológicas para poder pasar al diseño de los mismos.

De esta manera, el resultado de las actividades de Etapa 2 consistió en el conocimiento sobre el proceso de preparación, mezcla y manejo de las bebidas con piezas y fibras de tamaño variable.

Este conocimiento permitió abordar el estudio y la identificación de las tecnologías y de los sistemas de preparación, mezcla y tratamiento más adecuados para los productos con piezas y fibras.

En función del tipo de producto y el modo de recepción se procedió al estudio de la tecnología de mezclado; en particular, se llevaron a cabo las siguientes actividades:

[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Estudio de las características de los mezcladores actuales: geométricas, mecánicas y de ajuste.

[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Definición de los parámetros de funcionamiento (KPI Key Performance Indicator), incluyendo la eficiencia del mezclado, el grado de daño por unidad de volumen tratado y la homogeneidad de mezcla.

[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Medición del rendimiento operativo basado sobre los KPI definidos previamente.

[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Definición de un modelo numérico de mezcla usando herramientas de simulación disponibles como el método CFD con la posibilidad de insertar los diversos parámetros involucrados.

[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Uso de las herramientas de análisis desarrollados para la optimización y dimensionamiento del proceso descrito anteriormente (geometría, tipo de pala, velocidad de rotación, etc.).

 


Luego se procedió al estudio y al diseño del sistema de disolución de los estabilizantes, productos en polvo que se agregan a la bebida para asegurar una buena homogeneidad en la distribución de piezas de frutas dentro de la parte líquida (el jugo).

La primera actividad fue la definición de todos los componentes industriales necesarios para diseñar e implementar el sistema.

Luego se procedió a la traducción de los dibujos en CAD del sistema de disolución principal para 2 rangos de medida con una gama variable de flujo de 6.000 a 13.000 l / h, tomando en cuenta la dilución posterior del producto en la bebida terminada. Se pudo suponer una reducción variable de 5 a 10 veces del contenido de espesante en la bebida terminada respecto a lo que está previsto en el tanque.

Entonces para flujos más altos se agregó una mayor cantidad de polvo mientras que para flujos menores se agregó una cantidad menor.

Las actividades hechas han generado los siguientes resultados:

[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] definición de todos los componentes necesarios para construirlo en una escala industrial.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Valoración de la fiabilidad del sistema y las perspectivas de desarrollo de soluciones alternativas.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Presentado la solicitud de obtención de patente italiana y diseño europeo.

Luego las actividades continuaron con la investigación de la tecnología de llenado de los productos (piezas hasta 10 mm, y fibras con una longitud máxima de 15 mm) de la Etapa 3, cuyo objetivo fue estudiar y definir el tipo de llenado que mejor se adapta a diferentes tipos de bebidas con piezas y fibras.

Las actividades se llevaron a cabo por una empresa partner.

Las actividades se completaron con el la Etapa 4 en el estudio, diseño, desarrollo y prueba del prototipo, es decir utilizando los conocimientos teóricos y técnicos adquiridos en el paso anterior para diseñar un prototipo capaz de preparar, tratar y llenar los contenedores elegidos con diferentes tipos de bebidas con trozos, fibras y pulpa.

Además, se decidió ensayar y probar el prototipo.

También se llevaron a cabo en el último período también unas investigaciones sobre temas específicos típicos de bebidas naturales que ayudaron la planificación del prototipo:

[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Estudio y análisis de factibilidad de un sistema de reducción del tamaño de los bloques de jugo de cítricos congelados en entrada de la línea de embotellado.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Estudio de la mezcla de dos fluidos en movimiento dentro de un tubo.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Estudio de los sistemas de homogeneización de jarabes para la preparación de bebidas.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Estudio del fenómeno de la formación de espuma en el proceso de llenado industrial.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] La medición del daño de las piezas en una instalación a través del “Image Processing”.

Sobre este último punto, nos gustaría llamar la atención.

Image Processing: a través de un software específico, se puede procesar con el ordenador las fotos de las muestras tomadas antes y después de cada proceso / máquina / componente de la instalación, evaluar cuantitativamente el daño incremental y diferencial causado al producto.

También hay la posibilidad de evaluar los daños a nivel de producto (piezas o celdas) en el momento de la recepción, fundamental tanto para el control de calidad de la materia prima en entrada, como para evitar atribuciones erróneas de daños que el mismo producto puede sufrir durante las fase sucesivas.

Con estas mediciones es posible controlar todas las etapas de la producción, incluyendo en detalle todas las fases del proceso que puede generar daños en el producto.

Desde el procesamiento de imágenes mediante el uso de “Image Processing” se puede medir los siguientes índices de rendimiento de las piezas:

[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] No. de piezas;
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] índices de rendimiento de area (superficie media, desviación típica de área, la distribución estadística de la función de área);
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] distribución acumulativa de la función “% piezas por encima de… “;
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] índices de rendimiento de perímetro (perímetro promedio, desviación estándar de perímetro, la distribución estadística de la función de perímetro);
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] los índices de rendimiento de área/perímetro (área / perímetro promedio, la desviación estándar del área/perímetro, la distribución estadística de la función área/ perímetro);
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] índice de daño por cizallamiento;
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] índice de daño por deformación;
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] indice daño total.

En particular, gracias a este sistema de “Image Processing” es posible medir el daño de las piezas durante las diversas etapas de proceso y de llenado de líquidos alimentarios con sólidos, caracterizando el tamaño desde el inicio del proceso: de la recepción hasta el llenado del producto terminado a través de los puntos de muestreo después de las fases de mayor impacto.

Le traitement de jus de fruits avec morceaux

Les boissons à base de jus de fruits avec présence de particules (cellules d’orange, fruits en morceaux et en dés), sont des produits d’origine Japonaise importés en occident dans les années 90, qui montrent une tendance considérablement en expansion, surtout en Afrique du Nord et Moyen‐Orient. Plus généralement le marché des boissons voit de plus en plus des consommateurs conscients, capables de se diriger vers la demande de produits naturels, fonctionnels et de bonne santé, entre autres on peut trouver les boissons à base de fruits en morceaux.

A DUE S.p.A., impliquée dans la conception et la construction d’installations spécifiques pour les produits avec morceaux désormais depuis plus de 10 ans, a développé une expérience importante et variée, ainsi que varié c’est la technologie de production et de conditionnement.

Ce type de boisson est généralement composé par jus de fruits avec présence de cellules d’orange (sacs) ou morceaux de fruits jusqu’au maximum de 10%.

Le jus de fruits est constitué par fruits en pourcentage allant de 15 à 50%, avec l’ajout d’ingrédients mineurs (acides, aromes, etc.) et épaississants (en général pectines).

Les particules présentes peuvent avoir des dimensions très différentes en fonction du type de fruits : les cellules d’orange varient de 3x1mm à 8x2mm, alors que les morceaux des fruits (mangue, ananas, fraise, etc.) varient de 4x4x4mm au maximum de 10x10x10mm, dans certains marchés les boissons avec crème de coco et aloès en morceaux sont très diffusées, ce qui entraine une remarquable variété de combinaisons entre la boisson de base et les morceaux ajoutés.

Fraise, ananas et raisin en morceaux

La variable discriminatoire pour le choix de la bonne technologie de processus est essentiellement dictée par le conditionnement.

Traditionnellement ces produits étaient conditionnés en canette, conteneur qui permet un remplissage à chaud soit à 1‐coup que à 2‐coups, avec le premier remplissage par remplisseuse télescopique.

Même si la canette reste encore aujourd’hui un conteneur très intéressant, l’attention s’est vraiment tournée vers le PET avec la conséquente variation de la technologie de processus.

Dans ce cas la plupart des applications prévoit un remplissage a 2‐coups avec le premier remplissage effectué par une remplisseuse à pistons; le deuxième remplissage est à chaud, alors que le premier peut être indépendamment à chaud ou à froid.

Bien sur un facteur très important c’est la correcte préparation de la phase contenant des cellules et morceaux, son mélange et la fourniture homogène à la remplisseuse.

A cet effet A DUE a développé un système qui, même en garantissant une flexibilité maximale, soit en relation du type de cellules et morceaux, soit en relation avec la technologie du conditionnement, est en mesure d’empêcher dommages mécaniques et thermiques au produit.

Celle‐ci est une caractéristique très importante, en considérant la fragilité des sacs surtout (voir figure 1) et la nécessité de préserver le plus que possible intactes les caractéristiques organoleptiques et nutritionnelles du produit.

Un autre facteur critique est la présence d’importantes quantités d’épaississants de différentes natures, essentiels pour donner au produit le bon corps et pour maintenir en suspension les cellules et les morceaux.

Pour aborder cette question spécifique, et donner la solution la meilleure à chaque besoin spécifique,

A DUE a introduit différentes nouveautés technologiques, à partir des émulsionnateurs turbo, aux disperseurs jusqu’aux dissoluteurs en ligne.

Par rapport à la grande variété de produits avec particules et de leurs besoins spécifiques, motivés par les nouvelles variables de l’ingénierie de processus, introduites par les grands embouteilleurs, qui rendent la précision des détails fondamentale pour préserver la qualité du produit final et pour permettre l’utilisation intégrale de la matière première, A DUE a développé plusieurs solutions.

La véritable innovation n’est pas dans les solutions spécifiques identifiés, mais plutôt dans l’approche d’étude et recherche.

A DUE en effet, malgré l’expérience depuis 50 ans dans le processus des boissons, s’est activée pour donner une réponse adéquate et ciblée aux exigences du marché, à l’aide du support technico‐scientifique de l’Université des Etudes de Parme et en particulier du Centre Interdépartemental pour le Packaging (CIPACK) et du Laboratoire de Sécurité, Technologie et Innovation Alimentaire (SITEIA), en prévoyant aussi la collaboration avec la Station Expérimentale des Conserves de Parme (SSICA).

Les activités du projet ont eu comme objectif l’étude et le développement d’une nouvelle technologie, à haut niveau d’automatisation, pour la préparation, le traitement et le remplissage des jus de fruits contenants morceaux ou cellules, en mesure de garantir une valeur nutritionnelle élevée et des très bonnes qualités sensorielles de la boisson même; cela a permis à A DUE d’enrichir et compléter ses propres connaissances techniques des boissons en objet, en actualisant et en élargissant l’éventail de ses installations.

Pour ce qui concerne le détail des activités réalisées, le projet a été articulé en quatre étapes successives (Step) pour la réalisation des objectifs généraux et spécifiques.

On a commencé par un étude préliminaire de l’état de l’art (Step1) pendant lequel on a défini en détail l’état actuel de l’art soit du marché, en matière de produits présents, soit des différentes technologies existantes et de leurs points fort et points faibles pour les exploiter lors de la phase suivante de la recherche.

Les activités réalisées dans le domaine du Step1 ont eu en particulier l’objectif de détecter les caractéristiques principales du produit avec particules.

De plus, les activités du premier l’objectif d’identifier quelles connaissances sont nécessaires pour l’étude de systèmes de préparation et traitement des boissons avec particules, en particulier avec morceaux et fibres. Enfin, nous avons voulu approfondir l’état de l’art des systèmes de remplissage des boissons avec morceaux et fibres existants sur le marché.

Recherches de marché et étude des boissons avec morceaux

L’analyse scientifique a étudié l’impact de la forme des particules, de la concentration des particules, de la typologie de la particule, de la viscosité, de la température.

Après avoir étudié et approfondi les typologies des équipements technologiques utilisés en littérature pour la caractérisation des produits alimentaires avec particules similaire à ceux à traiter et conditionner, nous avons procédé au dimensionnement d’un système de mesure ad hoc pour les produits à tester.

Après le dimensionnement nous avons procédé à la rédaction du plan définitif du système et à sa réalisation matérielle. En fin nous avons procédé à son montage et mise en service.

Schéma conceptuel installation pilote de mesure

Les tests effectués ont eu l’objectif de définir les caractéristiques rhéologiques des produits analysés (viscosité apparente à différents gradients de vitesse) et la tendance à la stratification en bas, autrement à la flottation des morceaux en bas à des certaines vitesses de transition, ainsi que l’effet de l’endommagement des morceaux. A part ça, grâce a un écart en sortie de la pompe, nous avons pu évaluer l’effet d’un traitement thermique sur les morceaux et le jus à des pourcentages préétablies.

Le protocole de test réalisé a prévu 3 procédures bien différentes, dont deux ont été accomplies en simultané sur un déterminé lot de produits avec morceaux et fibres, tandis que la troisième a eu besoin de l’introduction de l’installation de stérilisation en alternative au passage dans l’échangeur de chaleur tubulaire, composant de l’installation initiale.

Ensuite on a procédé à trouver des produits avec morceaux auprès des sociétés de la filière de référence. Les tests ont été exécutés sur deux typologies de produits :

  1. Jus et morceaux de pèche 10*10*10mm (au 80‐90% de morceaux en futs aseptiques de 220 litres).
  2. Jus et cellules d’orange (congelés en futs de 200 litres avec cellules au 70‐80%).

En plus nous avons analysé les différentes modalités technologiques existantes sur le marché pour le transfert du produit avec morceaux et fibres, après les phases de traitement et avant le remplissage, qui ont été étudiées ultérieurement en détail dans le projet.

A cet effet nous avons étudié une installation pilote qui puisse reproduire le comportement des morceaux à travers des pompes, échangeurs de chaleur et tuyaux de l’installation, pour lesquels nous indiquons un lay‐ out maximale.

L’installation dans la figure prévoit les éléments décrits dans la table suivante:

Tableau des éléments de l’installation

Ensuite, nous avons évalué tous les aspects économiques liés aux solutions proposées (traitement thermique traditionnel, chimique, solutions hybrides) du point de vue des couts d’exploitation et de ceux liés à l’installation.

Les activités liées au projet ont continué avec la réalisation de la phase suivante (Step2), à savoir la recherche de la technologie de préparation et traitement du produit, dont l’objectif principal a été celui de recueillir les informations de base soit du produit à préparer, soit sur le principe de fonctionnement des différentes parties de l’installation de processus et l’étude des nouvelles technologies, pour passer ensuite à la conception des mêmes.

De cette façon, le résultat des activités du Step2 a consisté à mieux connaitre le processus de préparation, mélange et traitement des boissons contenantes morceaux et fibres de dimensions variables. Telles connaissances ont permis d’affronter l’étude et de trouver les technologies et les systèmes de préparation, mélange et traitement les plus appropriés pour les produits avec morceaux et fibres.

En fonction du type de produit et des modalités d’attribution, nous avons procédé à l’étude de la technologie de mélange ; en particulier nous avons conduit les activités suivantes :

Étude des caractéristiques des mélangeurs actuels: géométriques, mécaniques et de réglage.

Définition des paramètres de fonctionnalité, tels que l’efficacité de mélange, le degré d’endommagement pour unité de volume et homogénéité de mélange.

  • Mesurage des performances de fonctionnement sur la base des KPI (Key Performance Indicator) préalablement définis.
  • Définition d’un modèle numérique de mélange, en utilisant les instruments disponibles de simulation comme la méthode CFD avec la possibilité d’introduire les différents paramètres en jeu.
  • Utilise des instruments d’analyse développés pour l’optimisation et le dimensionnement du processus précédemment décrit (géométrie, type de lame vitesse de rotation, etc.).



Donc on a continué avec l’étude et la conception du système de dissolution des stabilisateurs, produits en poudre qui sont rajoutés à la boisson pour garantir une bonne homogénéité dans la distribution des morceaux de fruits à l’intérieur de la phase liquide (le jus).

Le premier travail accompli a été la définition de tous les composants industriels nécessaires pour concevoir et réaliser le système. Après quoi nous avons procédé avec la définition des plans en CAD du système principal de dissolution pour 2 gammes de mesure couvrant des capacités de fluxe variables de 6.000 à 13.000 l/h, en considérant une dilution suivante du produit dans la boisson finie. Une réduction variable de 5 à 10 fois du contenu d’épaississant dans la boisson finie est envisageable, par rapport à ce qui est prévu dans le réservoir. Donc, pour les flux majeurs, on a essayé d’introduire une plus grande quantité de poudre et de limiter cette quantité pour les flux mineurs.

Les activités menées ont généré les résultats suivants :

[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Définition de tous les composants nécessaires pour l’industrialisation du système de dissolution.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Evaluation de la fiabilité et des perspectives de développement des solutions alternatives.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Dépôt de la demande de brevet Italien et de design Européen.

Les activités ont continué avec la recherche de la technologie de remplissage des produits (morceaux jusqu’à 10 mm et filiformes avec longueur maximale de 15 mm) du Step3, dont le but a été celui d’étudier et définir la typologie de remplissage mieux adaptée pour les différents types de boissons avec morceaux et fibres. Les activités ont été réalisées par une société partenaire.

Les activités ont été accomplies avec le Step4 concernant l’étude, la conception, le développement du prototype et l’expérimentation, consistant à l’utilise des connaissances théoriques et techniques acquises pendant les Steps précédents pour concevoir un prototype capable de préparer, traiter et remplir les conteneurs choisis avec différents types de boissons avec morceaux, fibres et pulpes. In plus, nous avons procédé à vérifier et tester le prototype.

Dans la dernière période nous avons aussi exécuté des recherches sur des questions typiques des boissons naturelles qui pouvaient être de support à une correcte conception de l’installation du prototype :

[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Etude et analyse de faisabilité du système de diminution dimensionnelle des blocs de jus d’agrumes glacés à l’entrée de la ligne d’embouteillage.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Etude du mélange des deux fluides en marche à l’intérieur d’un tuyau.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Etude des systèmes d’homogénéisation des sirops pour la préparation des boissons.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Etude du phénomène de formation des écumes à l’intérieur du processus industriel de remplissage.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Mesurage de l’endommagement des morceaux à l’intérieur d’une installation par “Image Processing”.

Sur le dernier point nous voudrions attirer l’attention.

Image Processing : par un logiciel dédié, il est possible élaborer à l’ordinateur les photos des échantillons des morceaux prélevés en amont ou en aval de chaque processus / machine / composant d’installation, en évaluant quantitativement l’endommagement progressif et différentiel causé au produit.

Egalement il est possible d’évaluer le niveau d’endommagement du produit (morceaux ou cellules) au moment de la réception, fondamental soit pour le contrôle de la qualité de la matière première à l’entrée, soit pour éviter des attributions erronées d’endommagement aux processus que le produit même devra subir en suite dans l’installation.

Grace à ces mesures il est possible maitriser toutes les phases de production incluant de façon détaillé les participations que le processus / la machine / les composants d’installation engendrent en termes d’endommagement du produit.

Par l’élaboration des images à travers l’utilise de “Image Processing” il est possible de mesurer les suivants indices de performance sur les particules du produit:
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] n° de morceaux;
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] indices de performance de la zone (surface moyenne, déviation normale de la zone, distribution statistique de la fonction de la zone);
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] distribution cumulée de la fonction «% morceaux au‐dessus de»;
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] indices de performance de périmètre (périmètre moyen, déviation normale du périmètre, distribution statistique de la fonction de périmètre);
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] indice de performance zone/périmètre (zone/périmètre moyen, déviation normale de zone/périmètre, distribution statistique de la fonction zone/périmètre) ;
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] indice d’endommagement de coupure ;
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] indice d’endommagement de déformation ;
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] indice d’endommagement total.

Notamment, grâce au système “Image Processing” il est possible de mesurer l’endommagement des morceaux pendant les différentes phases du processus de remplissage de fluides alimentaires avec particules, en caractérisant les particules du début du processus de réception jusqu’ au remplissage du produit fini par des points de prélèvement après les phase considérées de plus grand impact.

Treatment for fruit juices containing pieces

The fruit-based drinks with pulps and particles (orange sacs, fruit dices and chunks), originally produced in Japan and in the 90s imported in the Western world (in the West), actually evidence a substantial and continuous positive sales trend, especially in Northern Africa and in the Middle East. In fact, the beverage market in general witnesses the “informed” consumer increasingly appreciate healthy and functional natural products, which include also fruit-based beverages with pulp particles.

For more than 10 years A DUE S.p.A. has been involved in the design and manufacturing of the specific plants for the treatment of products containing particles, thus developing extensive expertise, as broad and varied as the processing and packaging technologies of these products are.

This type of beverage usually is composed of fruit juice and orange cells (sacs) or fruit pieces with their content up to a maximum of 10%.

Fruit juice contains a percentage of fruit ranging from 15 to 50%, minor ingredients (acids, flavourings, etc.) and thickeners (usually pectin).

The fruit particles can have very variable dimensions depending on the fruit type: orange sacs range from 3x1mm to 8×2 mm, while fruit chunks (mango, pineapple, strawberry, etc.) from 4x4x4 mm to a maximum of 10x10x10 mm, in some markets such beverages as “nata de coco” and aloe pulp-based drinks are common, thereby causing a remarkable variety of combinations of the “basic” beverage and added supplements (components).

Strawberry, pineapple and grape in pieces

The determining factor for the correct choice of the most appropriate processing technology basically is the type of packaging.

Traditionally these products were packed in cans, hot filled containers, either through “one-shot” or “two- shot” filling, with the first filling performed by a telescopic filler.

Even though the can is still a popular container, nowadays the attention is shifting towards PET containers, thus requiring changes in processing technology.

In this case most applications will require two-shot filling, with the first filling performed by a piston filler; the second filling is hot, while the first one can be either hot or cold.

Another extremely important aspect is the correct preparation of the liquid phase containing pulp and pieces, together with adequate mixing ensuring uniform feeding of the filler.

For this purpose A DUE has developed a system able to prevent product mechanical and thermal damaging whilst ensuring maximum flexibility, both in terms of the type of pulp particles and pieces and in terms of the packaging technology.

This is a very important characteristic especially considering the fragility of the sacs (see fig. 1) and the need to preserve the organoleptic and nutrition characteristics of the product as much as possible.

4en

Another critical factor is the presence of large quantities of various kinds of thickeners, which are fundamental to give the product the right texture and keep the pulp and pieces suspended.

To tackle this specific issue and supply the best solution to every individual need, A DUE has introduced several technological innovations, from turbo emulsifier mixers to dispersion systems up to the in-line dissolvers.

In view of this large variability of the particle containing products and their specific needs, encouraged by the new process engineering variables introduced by major bottlers focusing their attention on the extreme care for detail with the aim to preserve the quality of the finished product and allow the best use of raw ingredients, A DUE has developed a series of innovative solutions.

However, the real innovation is not limited to the identification of the specific solutions, but it extends mainly into the study and research approach.

In fact, notwithstanding half a century experience in the beverage processing, A DUE with the technical and scientific support provided by the University of Parma and in particular by Interdepartmental Centre for Packaging (CIPACK) and the Research Centre for agriculture and food safety, technology and innovation (SITEIA), coupled with the cooperation of the Experimental Station for the Food Preserving Industry (SSICA), has been active in providing an adequate and targeted response to the market development needs.

The project engineering activities had as objective the study and the development of a new technology with advanced level of automation, embracing such phases as preparation, treatment and filling of the juices with fruit pieces or cells, which will be able to ensure high nutritional value of the beverage and its physical and sensory characteristics.

This allowed A DUE to enrich and complete its know-how on the beverages in question updating and enlarging the range of offered equipment.

As regards the details of the activities performed, the project has been structured in four successive different phases (Steps) aimed at the achievement of overall objectives and specific targets.

The starting point was a preliminary study of the state of the art (Step1).

It consisted in a thorough analysis of the state of the art both of the market, in terms of products offered, and of the variety of existing technologies with their strengths and weaknesses, in order to make use of it during the research phase to follow thereafter.

The activities performed within the Step1 in particular were aimed at identification of the key characteristics of the products containing pieces.

Another purpose of the first step conduct was the determination of the nature of knowledge and expertise required for the study of the preparation and treatment processes of the drinks with particles, in particular with fibers and pieces.

Lastly, Step1 allowed to deepen the state of the art of the filling technologies for the beverages with particles and fibers existing on the market.

Market research and study on the beverages with particles

The scientific analysis examined the effects of the shape of the particles, their concentration, type, viscosity and temperature.

After a thorough study and an in-depth examination of technological instrumentation types used in sector literature for the characterization of the foodstuff containing particles similar to those intended for the treatment and filling under the project, the “ad hoc” dimensioning of the measuring system for the products subject to trials (tests) was carried out.

Subsequent to the system dimensioning the final layout was elaborated, whereupon the physical construction of the system took place. Finally the system was installed and put into operation.

schermata-2016-11-19-alle-10-08-45The purpose of the trials was to define the rheological characteristics of the products tested (apparent viscosity at different shear rates) and evaluate the tendency to stratification at the bottom or the flotation of the pieces at a certain transition speed, as well as the damaging effect on the pieces.

Besides that, the pump outlet deviation allowed to evaluate to which extent thermal treatment can impact fruit pieces and juice mixed at preset ratios.

The protocol of the trials considered three different procedures, two of which were conducted simultaneously on a given batch of product containing pieces and fibers, while the third phase required the involvement of a sterilization plant as an alternative to the fluid transiting through the tubular heat exchanger making part of the initial plant configuration.

After the validation of the protocol covering the experimental tests phase, the products with pieces were made available through the sector chain reference companies.

Therefore the tests were carried out on 2 types of products, namely:

  1. Peach juice with pieces 10*10*10mm (80-90% of pieces content in 220 l aseptic bags).
  2. Orange juice with sacs (frozen pulp in 200 l drums with 70-80% of sacs content).

Moreover, different techniques of pieces and fibres containing products transfer after the treatment and prior to filling actually in use on the market were examined and subsequently studied in detail.

For this purpose a pilot plant simulating the behaviour of the particles during their transit through the pumps, heat exchanger and plant pipework was designed, the indicative layout of which is reported here below.

2enThe table below summarizes up the parts included in the plant referred to in the above layout:

Parts of the plant

Subsequently the economic aspects of the proposed solutions (traditional and ohmic thermal treatments, hybrid solutions), were evaluated from the viewpoint of operating costs and those plant-related as well.

The project development moved forward through implementation of the subsequent phase (Step2), i.e. the identification of the appropriate technology for the product preparation and treatment, which core objective was to collect the basic information both on the product to be produced and on the operating principles of the various parts of the processing plant and the examination of the new technological solutions in order to get started the engineering phase.

In this way the outcome of the Step2 activities led to the acquisition of knowledge referred to the processes of preparation, mixing and treatment of the beverages with pieces and fibres ranging in size. This knowledge made it possible to deepen the study and identify the most appropriate technologies and the most suitable systems for the accomplishment of the assigned technological tasks.

Depending on the type of the product and the way it is introduced into the process the mixing technology was examined and the following related activities were carried out:

  •   Evaluation of the characteristics of the currently used mixers: geometrical, mechanical features and adjustability of the machines.
  •   Definition of the operating parameters (KPI – Key Performance Indicator), including mixing efficiency indicator, damage degree expressed by mass/unit of volume under treatment and mixing homogeneity indicator.
  •   Measuring unit operating performance on the basis of the previously defined KPI parameters.
  •   Definition of the numerical mixing model making use of available simulation instruments, such as CFDmethod with the possibility to insert different parameters involved.
  •   Use of the analysis instruments and systems developed with the aim of optimization and correct

    dimensioning of the process described above (geometry, blade type, revolution speed etc.)

 

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The next phase was the study and engineering of the system suitable to dissolve stabilizers and powder components added to the beverage to ensure homogeneous distribution of the fruit pieces within the liquid phase, i.e. juice.

At the first stage all the industrial components required for the system design and execution were defined.

Thereafter the CAD drawings of the main dissolving system for two size ranges covering the flowrates varying within 6.000 and 13.000 l/h were executed, taking into account subsequent dilution of the product in the finished drink.

It was conceivable a variable reduction of the thickener content in the finished drink by a factor of 5 to 10 compared to the provision made for the tank. Thus the major powder quantities were decided to be used for the major flow rates while the powder quantity for the minor flow rate was intended to be limited.

The following results were obtained from the conducted activities:

Specification of all components required for the design and execution of a dissolving system suitable for industrial-scale applications.

[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon]  Evaluation of the system reliability and of the prospects for further development of the alternative solutions.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon]  Lodging of the Italian patent and European design application.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Further activities were focused on the research of the adequate filling technology for the products (chunks up to 10 mm and fibres with length max 15 mm) meant for the Step2 whose principle objective was to examine and identify the most appropriate filling technology for a wide range of the beverages containing pieces and fibres.The relevant activities were conducted by a partner company.

The project completion phase Step4 covered study, engineering and development of the laboratory pilot plant and its testing, and consisted in application of the theoretical knowledge and practical skills acquired throughout the previous Steps in order to design a pilot plant able to prepare, treat and fill into the selected container different types of beverages with pieces, fibres and pulps.

Whereupon the pilot plant was subject to trials and final testing.

Moreover, to support a correct implementation of the pilot plant design and engineering, in the recent period a series of research investigations on specific aspects peculiar to the natural beverages were carried out, such as:

[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon]  Feasibility study and analysis of the system aimed at downsizing the citrus juice frozen blocks used as ingredients for juice preparation.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon]  Study on the mixing process involving two fluids in motion inside a pipeline.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon]  Study on the homogenizing process involving the syrups used for the beverage preparation.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon]  Study on the foaming phenomena in relation to the industrial filling process.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon]  Measuring of the mechanical damages degree of the pieces transiting through the plant by means of “Image Processing”.

This application claims special attention.

Image Processing : By using a dedicated software it is possible to process images of the particles contained in the samples taken upstream and downstream each processing phase / machine / plant part, thus evaluating quantitatively the incremental and differential damage caused to the product.

Moreover, the above application allows to estimate the degree of damage of the product (pieces or cells/sacs) at the receiving phase, being of utmost importance for the quality control of the incoming raw materials and also representing an excellent instrument allowing to avoid damages erroneous attribution to the technological phases the product undergoes during processing.

On the basis of the above measurements it is possible to monitor each processing phase and get detailed and clear vision of how each process / machine / plant component can influence the product in terms of damaging effect.

The elaboration of the images through “Image Processing” allows to measure the following performance parameters relating to the product weighing:

[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] number of pieces,
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] performance area indexes (average area index, standard area deviation index, statistical distribution of the area function);
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] cumulated distribution of the function «% pieces exceeding given dimension»;
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] perimeter performance indexes (average perimeter, standard perimeter deviation, statistical distribution of the perimeter function);
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] performance indexes of area/perimeter (average area/perimeter index, standard area/perimeter deviation index, statistical distribution of the function area/perimeter);
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] cutting damage index, deformation damage index, total damage index.

In particular, the “Image Processing application“ allowed measurement of damage to pulp pieces and cells during various processing and filling phases undergone by foodstuffs with particles in course of the production cycle, with thorough analysis of the product conditions starting from the receiving phase up to the finished drink filling, by using sampling points positioned downstream the production phases of major impact.

Il trattamento di succhi di frutta con presenza di pezzi

Le bevande a base di succo di frutta con presenza di particolato (celle di arancio, frutta in pezzi e a cubetti), sono un prodotto di origine Giapponese importato in occidente negli anni 90, che mostra un trend decisamente in crescita, soprattutto nel nord africa e medio oriente. Più in generale il mercato delle bevande vede sempre più il consumatore consapevole orientarsi verso la richiesta di prodotti naturali, funzionali e salutisti, tra cui si incontrano le bevande a base frutta con pezzi.

A DUE S.p.A., coinvolta nella progettazione e costruzione di impianti specifici per prodotti con pezzi ormai da più di 10 anni, ha sviluppato un’esperienza importante e varia, così come varia è la tecnologia di produzione e di confezionamento.

Questo tipo di bevanda è in genere composta da succo di frutta con presenza di celle di arancio (sacs) o pezzi di frutta fino ad un massimo del 10%.
Il succo di frutta è costituito da frutta in percentuale variabile dal 15 al 50%, con l’aggiunta di ingredienti minori (acidi, aromi, ecc.) ed addensanti (in genere pectine).
Il particolato presente può avere dimensioni molto variabili in funzione del tipo di frutta: le celle d’arancio variano dai 3x1mm ai 8×2 mm, mentre i pezzi di frutta (mango, ananas, fragola, ecc.) vanno dai 4x4x4 mm ad un massimo di 10x10x10 mm, in alcuni mercati sono diffuse le bevande con “nata de coco” ed aloe in pezzi, generando quindi una notevole varietà di combinazioni tra bevanda “base” e pezzi aggiunti.

Fragola, ananas e uva in pezzi

La variabile discriminante per la scelta della giusta tecnologia di processo è sostanzialmente dettata dal packaging.

Tradizionalmente questi prodotti venivano confezionati in lattina, contenitore che consente un riempimento a caldo sia a singolo colpo che a doppio colpo con primo riempimento tramite riempitrice telescopica.

Anche se la lattina rimane ancora oggi un contenitore di grande interesse, l’attenzione si è decisamente spostata verso il PET con conseguente variazione della tecnologia di processo.

In questo caso la maggioranza delle applicazioni prevede un riempimento a doppio colpo con primo riempimento eseguito tramite riempitrice a pistoni; il secondo riempimento è a caldo, mentre il primo può essere indipendentemente a caldo o a freddo.

Ovviamente un fattore estremamente importante è la corretta preparazione della fase contenente celle & pezzi, la sua miscelazione e la fornitura omogenea alla riempitive.

Per questo scopo A DUE ha sviluppato un sistema che, pur garantendo la massima flessibilità, sia in relazione al tipo di celle & pezzi, sia in relazione alla tecnologia del packaging, è in grado di prevenire danni meccanici e termici al prodotto.

Questa è una caratteristica molto importante vista la fragilità soprattutto dei sacs (vedi fig. 1) e alla necessità di preservare il più possibile intatte le caratteristiche organolettiche e nutrizionali del prodotto.

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Altro fattore critico è la presenza di quantità notevoli di addensanti di varia natura, fondamentali per conferire al prodotto il giusto corpo e per mantenere in sospensione le celle e i pezzi.

Per affrontare questo tema specifico, dando la soluzione migliore ad ogni singola necessità, A DUE ha introdotto diverse novità tecnologiche, dai turbo emulsionatori ai dispersori passando attraverso i dissolutori in linea.

A fronte di questa grande variabilità di prodotti particolati e delle loro necessità specifiche, spinti dalle nuove variabili nell’ingegneria del processo introdotte dai grandi bottlers che rendono la cura del dettaglio fondamentale per conservare la qualità del prodotto finale e per consentire l’utilizzo completo della materia prima, A DUE ha sviluppato varie soluzioni.

Ma la vera innovazione non sta nelle specifiche soluzioni individuate, bensì nell’approccio di studio e ricerca.

A DUE infatti, nonostante l’esperienza cinquantennale nel processo delle bevande, si è attivata per dare una risposta adeguata e mirata a queste esigenze di mercato, avvalendosi del supporto tecnico-scientifico dell’Università degli Studi di Parma ed in particolare del Centro Interdipartimentale per il Packaging (CIPACK) e del Laboratorio di Sicurezza Tecnologia e Innovazione Alimentare (SITEIA), prevedendo anche la collaborazione con la Stazione Sperimentale delle Conserve di Parma (SSICA).

Le attività progettuali hanno avuto come obiettivo lo studio e lo sviluppo di una nuova tecnologia, ad elevato grado di automazione, per la preparazione, il trattamento ed il riempimento di succhi di frutta contenenti pezzi o celle, in grado di garantire un alto valore nutrizionale ed elevate qualità sensoriali della bevanda stessa; ciò ha permesso ad A DUE di arricchire e completare il proprio know-how sulle bevande in oggetto aggiornando e ampliando la gamma dei propri impianti.

Per quanto riguarda il dettaglio delle attività realizzate, il progetto è stato articolato in quattro diverse fasi successive (Step) per il conseguimento degli obiettivi generali e specifici.

Si è partiti con uno studio preliminare dello stato dell’arte (Step1) in cui si è definito in dettaglio lo stato dell’arte sia del mercato, in termini di prodotti presenti, sia delle varie tecnologie esistenti e dei loro punti di forza e punti deboli per sfruttarli nella successiva fase di ricerca.

Le attività realizzate nell’ambito dello Step1 hanno avuto in particolare l’obiettivo di individuare le principali caratteristiche del prodotto con pezzatura.

Inoltre, le attività di questo primo step hanno avuto la finalità di individuare quali conoscenze fossero necessarie per lo studio di sistemi di preparazione e trattamento di bevande con pezzatura, in particolare con pezzi e fibre. Infine, si è voluto approfondire lo stato dell’arte dei sistemi di riempimento di bevande con pezzi e fibre esistenti sul mercato.

Ricerche di mercato e studio delle bevande con pezzature presenti

L’analisi scientifica ha preso in esame l’effetto della forma delle particelle, della concentrazione delle particelle, della tipologia di particella, della viscosità, della temperatura.

Dopo aver studiato ed approfondito le tipologie di strumentazioni tecnologiche utilizzate in letteratura per la caratterizzazione di prodotti alimentari con pezzatura simili a quelli da trattare e confezionare, si è proceduto al dimensionamento di un sistema di misurazione ad hoc per i prodotti da testare.

Dopo il dimensionamento si è proceduto alla stesura di un layout definitivo del sistema ed alla sua realizzazione fisica. Infine si è provveduto alla sua installazione e messa in funzione.

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I test effettuati hanno avuto la finalità di definire le caratteristiche reologiche dei prodotti analizzati (viscosità apparente a diversi gradienti di velocità) e la tendenza alla stratificazione sul basso, oppure alla flottazione dei pezzi sotto a determinate velocità di transizione, nonché l’effetto di danneggiamento sui pezzi.

Oltre a questo, grazie ad una deviazione in uscita dalla pompa si è potuto valutare l’effetto di un trattamento termico su pezzi e succo a percentuali prefissate.

Il protocollo di test realizzato ha previsto 3 procedure distinte, due delle quali sono state svolte in simultaneo su un determinato lotto di prodotto con pezzi e fibre, mentre la terza fase necessita l’inserimento dell’impianto di sterilizzazione in alternativa al passaggio nello scambiatore di calore tubolare componente l’impianto iniziale.

Validato il protocollo per la fase di test sperimentali, si è proceduto a reperire prodotti con pezzi presso aziende della filiera di riferimento. I test sono stati eseguiti su 2 tipologie di prodotti:

1. Succo e pezzi di pesca 10*10*10mm (al 80-90% di pezzi in fusti asettici da 220 litri).
2. Succo e celle di arancia (congelati in fusti da 200 litri con cellule al 70-80%).

Sono state analizzate inoltre le differenti modalità tecnologiche esistenti sul mercato per il trasferimento del prodotto con pezzi e fibre, dopo le fasi di trattamento e prima del riempimento, che sono state studiate successivamente in dettaglio nel progetto.

A tale scopo è stato studiato un impianto pilota che simulasse il comportamento dei pezzi attraverso pompe, scambiatori di calore e piping di impianto, di cui si riporta il layout di massima.

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L’impianto in figura ha previsto gli elementi descritti in tabella seguente:

6Tabella elementi dell’impianto

Successivamente, si sono valutati gli aspetti economici legati alle soluzioni proposte (trattamento termico tradizionale, ohmico, soluzioni ibride), dal punto di vista dei costi di esercizio e di quelli legati all’impianto.

Le attività progettuali sono continuate con la realizzazione della fase successiva (Step2), ovvero la ricerca della tecnologia di preparazione e trattamento prodotto, il cui principale obiettivo è stato quello di raccogliere le informazioni di base sia sul prodotto da preparare che sul principio di funzionamento delle varie parti dell’impianto di processo e studio delle nuove soluzione tecnologiche per poter poi passare alla progettazione delle stesse.

In questo modo, il risultato delle attività dello Step2 è consistito nella conoscenza in merito al processo di preparazione, miscelazione e trattamento di bevande contenenti pezzi e fibre di dimensioni variabili.

Tali conoscenze hanno consentito di affrontare lo studio e di individuare le tecnologie ed i sistemi di preparazione, miscelazione e trattamento più idonei per i prodotti con pezzi e fibre.

In funzione del tipo di prodotto e delle modalità di conferimento si è proceduto allo studio della tecnologia di miscelazione; in particolare sono state condotte le seguenti attività:

Studio delle caratteristiche degli attuali miscelatori: geometriche, meccaniche, di regolazione e le leve operative di controllo del funzionamento della macchina.

Definizione di opportune metriche (KPI Key Performance Indicator), tra cui efficacia di miscelazione, grado di danneggiamento per unità di volume trattato e omogeneità di miscelazione.

Misurazione delle performance di funzionamento in base ai KPI precedentemente definiti.

Definizione di un modello numerico di miscelazione avvalendosi di strumenti disponibili di simulazione come il metodo CFD con la possibilità di inserire i vari parametri in gioco.

Utilizzo degli strumenti di analisi sviluppati per l’ottimizzazione e il dimensionamento del processo precedentemente descritto (geometria, tipo di pala, velocità di rotazione ecc.).

 

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Si è quindi proceduto allo studio e progettazione del sistema di dissoluzione degli stabilizzanti, prodotti in polvere che vengono aggiunti alla bevanda per garantire una buona omogeneità nella distribuzione dei pezzi di frutta all’interno della fase liquida (il succo).

La prima attività svolta è stata la definizione di tutte le componenti industriali necessarie per progettare e realizzare il sistema.

Dopodiché si è proceduto con la definizione di disegni in CAD del sistema principale di dissoluzione per 2 range di misura che coprano portate di flusso variabili da 6.000 a 13.000 l/h, considerando una successiva diluizione del prodotto nella bevanda finita.

È ipotizzabile una riduzione variabile da 5 a 10 volte il contenuto di addensante nella bevanda finita rispetto a quanto previsto in serbatoio. Si è cercato quindi per flussi maggiori di inserire una maggiore quantità di polvere e di limitare questa quantità per i flussi minori.

Le attività svolte hanno generato i seguenti risultati:

[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Definizione di tutta la componentistica necessaria per industrializzare il sistema di dissoluzione.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Valutazione dell’affidabilità e delle prospettive di sviluppo di soluzioni alternative.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Deposito di domanda di brevetto italiano e di design europeo.

Le attività sono poi continuate con la ricerca della tecnologia di riempimento prodotti (pezzi fino a 10 mm e filiformi con lunghezza massima di 15 mm) dello Step3, il cui obiettivo è stato quello di studiare e definire la tipologia di riempimento maggiormente adatta per le differenti tipologie di bevande con pezzi e fibre.

Le attività sono state svolte da un’azienda partner.

Le attività si sono poi completate con lo Step4 riguardante studio, progettazione, sviluppo prototipo e sperimentazione, consistito nell’utilizzare le conoscenze teoriche e tecniche acquisite negli Step precedenti per progettare un prototipo in grado di preparare, trattare e riempire i contenitori prescelti con diverse tipologie di bevande con pezzi, fibre e polpe. Inoltre, si è provveduto a testare e collaudare il prototipo.

Sono state inoltre eseguite nell’ultimo periodo anche ricerche su specifiche tematiche tipiche delle bevande naturali che potessero essere di supporto ad una corretta progettazione dell’impianto prototipale:

[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Studio e analisi di fattibilità di un sistema di riduzione dimensionale dei blocchi di succo di agrumi ghiacciati in ingresso in linea di imbottigliamento.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Studio della miscelazione di due fluidi in moto all’interno di una tubazione.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Studio di sistemi di omogeneizzazione sciroppi per la preparazione bevande.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Studio del fenomeno di formazione delle schiume all’interno del processo industriale di riempimento.
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] Misurazione del danneggiamento dei pezzi all’interno di un impianto attraverso “Image Processing”.

Su quest’ultimo punto vorremo richiamare l’attenzione.

Image Processing : tramite un software dedicato, è possibile elaborare al computer le foto di campioni di pezzi prelevati monte-valle di ciascun processo / macchina / componente di impianto, valutando quantitativamente il danneggiamento incrementale e differenziale causato al prodotto.

E’ inoltre possibile valutare il livello di danneggiamento del prodotto (pezzi o celle) al momento del conferimento, fondamentale sia per il controllo qualità della materia prima in ingresso, sia per evitare errate attribuzioni di danneggiamento ai processi che lo stesso prodotto dovrà subire in seguito nell’impianto.

Grazie a queste misurazioni è possibile tenere sotto controllo tutte le fasi produttive comprendendo in modo dettagliato i contributi che processo / macchina / componente di impianto genera in termini di danneggiamento sul prodotto.

Dall’elaborazione delle immagini attraverso l’utilizzo del “Image Processing” è possibile misurare i seguenti indici di performance sulla pezzatura del prodotto:

[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] n° pezzi;
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] indici di performance di area (area media, deviazione standard dell’area, distribuzione statistica della funzione area);
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] distribuzione cumulata della funzione «% pezzi al di sopra di»; indici di performance di perimetro (perimetro medio, deviazione standard del perimetro, distribuzione statistica della funzione perimetro);
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] indici di performance di area/perimetro (area/perimetro medio, deviazione standard di area/perimetro, distribuzione statistica della funzione area/perimetro);
[dticon ico=”icon-miu-right150″][/dticon] indice di danneggiamento di taglio; indice di danneggiamento di deformazione; indice di danneggiamento totale.

In particolare, grazie ad un sistema di “Image Processing” è possibile misurare il danneggiamento dei pezzi durante le varie fasi di processo e riempimento di fluidi alimentari con pezzatura, caratterizzando la pezzatura dall’inizio del processo di conferimento fino al riempimento del prodotto finito attraverso punti di prelievo dopo le fasi ritenute di maggior impatto.