Sfida affascinante ma complessa
La simulazione fluidodinamica computazionale (CFD) sta finalmente entrando nel settore alimentare, offrendo alle aziende la possibilità di ottimizzare i processi produttivi, ridurre i costi e migliorare la qualità dei prodotti. Questo articolo esplora i numerosi vantaggi della CFD per l’industria alimentare, mettendo però anche in luce le sfide che essa comporta, tra cui la difficoltà di avere dati attendibili e la complessità dei modelli. Nonostante ciò, le prospettive future indicano un continuo progresso delle tecnologie CFD, promettendo soluzioni sempre più avanzate e accessibili per l’industria alimentare.
di C. A. Pasquinucci
La simulazione fluidodinamica computazionale (CFD – Computational Fluid Dynamics) è una tecnica avanzata che permette di modellare e analizzare il comportamento dei fluidi all’interno di un sistema attraverso l’uso di software specializzati. Questa tecnologia è ampiamente utilizzata in vari settori ingegneristici, inclusi l’aerospaziale, l’automotive e l’energia, ma ultimamente sta prendendo piede anche nell’industria alimentare. In effetti, in questo tipo di industria, sono presenti fluidi di tantissime tipologie, sia come prodotto finito (dai vini alle salse), sia come mezzo di cottura, in acqua, aria e vapore.
Vantaggi della simulazione fluidodinamica per l’industria alimentare
Lo scopo dell’utilizzo della CFD è l’ottimizzazione dei processi di produzione. Attraverso l’analisi dei flussi, per esempio, è possibile simulare la miscelazione di più fluidi e prevedere come diverse variabili geometriche o caratteristiche dei fluidi influenzeranno il risultato finale. Ciò consente di identificare le condizioni ottimali per ottenere un prodotto di alta qualità, riducendone la variabilità e quindi ottenendo prodotti omogenei nel tempo.
La riduzione dei costi operativi
La simulazione fluidodinamica può contribuire a ridurre i costi operativi e di manutenzione. Per esempio, è possibile studiare i flussi di aria all’interno di forni o congelatori, ottimizzando la posizione dei bruciatori o delle bocchette di immissione dell’aria e quindi ottenendo un risparmio energetico significativo. Al contempo, è possibile anche ridurre gli sprechi di prodotto, in particolare, per esempio, nelle fasi di avvio produzione.
L’omogeneità del prodotto
Un aspetto cruciale nelle aziende alimentari è quello di fornire al consumatore un prodotto il più possibile omogeneo, indipendentemente dalle condizioni ambientali esterne o dal sito di produzione. Il cliente, infatti, si aspetta di avere un prodotto sempre con lo stesso gusto e livello di cottura, indipendentemente dal fatto che esso provenga da siti produttivi anche distanti diverse centinaia di km. La simulazione CFD permette quindi di studiare come devono essere modificati i settaggi delle macchine a seconda delle condizioni ambientali di temperatura e pressione esterna.
Inoltre, è possibile analizzare la distribuzione del fluido all’interno dei contenitori, in modo che una volta versato in contenitori più piccoli, essi abbiano comunque un contenuto con una composizione uniforme, indipendentemente che esse siano le prime o le ultime. Pensiamo a quanto può essere utile uno studio simile nell’industria vinicola, dove il contenuto di una botte di diverse centinaia di litri viene versato in bottiglie più piccole. Il cliente si aspetta di trovare lo stesso sapore, sia che la bottiglia comprata sia la prima imbottigliata, sia che essa sia l’ultima della botte.
La sicurezza alimentare
Un altro aspetto cruciale è quello della sicurezza alimentare. L’analisi CFD può servire a migliorare il lavaggio dei contenitori prima o dopo l’uso, con particolare attenzione a quelle fasi dove il contenitore è utilizzato per la lavorazione o lo stoccaggio di fluidi diversi. Inoltre, l’analisi dei flussi d’aria può essere utilizzata per identificare potenziali punti critici di contaminazione incrociata fra linee di lavorazione di prodotti diversi nello stesso sito produttivo.
Inoltre, l’uso delle analisi CFD può essere utilizzato per studiare meglio il comportamento di gas esplosivi (pensiamo all’industria dei superalcolici), permettendo una riduzione dei requisiti della direttiva ATEX, che risulta essere decisamente restrittiva.
Difficoltà tecniche nell’implementazione della CFD nelle aziende alimentari
Nonostante tutti questi vantaggi, la simulazione fluidodinamica è ancora poco utilizzata nell’industria alimentare per una serie di complessità tipiche. Uno degli ostacoli principali nell’implementazione della simulazione fluidodinamica computazionale nell’industria alimentare è la complessità dei modelli fluidodinamici richiesti. I processi alimentari spesso coinvolgono una combinazione di fluidi non newtoniani (fluidi la cui viscosità varia a seconda dello sforzo di taglio che viene applicato e che quindi deve è differente cella per cella), reazioni chimiche complesse e trasferimenti di calore, sia per covenzione, ma anche per conduzione e irraggiamento. Inoltre, molte applicazioni richiedono l’analisi multifase, dove interagiscono simultaneamente diverse fasi, come liquidi, solidi e gas. Questa complessità richiede modellazioni dettagliate e accurate per ottenere risultati affidabili.
Un altro aspetto critico è che normalmente è necessario anche modellare il calore trasmesso nei solidi facendo quindi analisi appunto (CHT – Conjugate Heat Transfer), che permette di comprendere le interazioni termiche tra i fluidi e le superfici solide. Questo è particolarmente importante nei processi di cottura e raffreddamento, dove la distribuzione del calore deve essere controllata con precisione per garantire la qualità e la sicurezza del prodotto alimentare. Le simulazioni CHT richiedono una comprensione approfondita delle proprietà termiche dei materiali coinvolti e delle condizioni operative, aumentando ulteriormente la complessità delle modellazioni.
Simulare fluidi non-omogenei
Inoltre, un’importante difficoltà nell’implementazione della CFD nell’industria alimentare è la caratterizzazione dei fluidi complessi e non omogenei, come i succhi di frutta o le salse. Questi fluidi presentano una sfida significativa a causa della loro natura non newtoniana e della presenza di particelle sospese, polpa e fibre, che possono variare in concentrazione e dimensione.
Per caratterizzare accuratamente questi fluidi, è necessario ottenere dati dettagliati sulle proprietà reologiche, come la curva di viscosità in funzione del tasso di taglio. Inoltre, la presenza di particelle solide richiede una descrizione dettagliata delle interazioni tra le particelle e il fluido circostante. Questo può includere fenomeni come la sedimentazione, l’aggregazione e la dispersione delle particelle, che influenzano significativamente il comportamento del fluido.
Per questo, in molti casi è necessario utilizzare delle simulazioni DEM (Discrete Element Method), dove in fatti, è possibile analizzare il comportamento delle singole particelle, utilizzando dei metodi lagrangiani, che seguono il movimento della singola particella o fibra. Questo tipo di simulazione è molto utile per vedere l’omogeneità del prodotto finito o le zone in cui c’è un maggior concentrazione di particelle.
Inoltre, la variabilità naturale degli ingredienti, come la differenza tra lotti di frutta, può rendere difficile ottenere una caratterizzazione rappresentativa e costante. Senza dati precisi e affidabili, le simulazioni CFD possono produrre risultati inaccurati, compromettendo l’ottimizzazione dei processi produttivi e la qualità del prodotto finale.
FSI, ossia analisi di contenitori morbidi
Un’altra particolarità dell’ambito alimentare è l’utilizzo di contenitori morbidi e deformabili, soprattutto per l’utilizzo nei succhi di frutta, bubble tea, o altre bevande simili. In questo tipo di simulazione, la geometria del contenitore si deforma a seconda della pressione del liquido al suo interno. I contenitori, spesso realizzati con materiali plastici o laminati, devono resistere a diverse sollecitazioni meccaniche durante il riempimento, il trasporto e l’uso da parte dei consumatori. La simulazione fluido-struttura permette di simulare come questi contenitori reagiscono alla pressione del fluido interno, in particolare in fase di riempimento, e agli stress esterni, come le vibrazioni durante il trasporto o le variazioni di temperatura durante lo stoccaggio. Infatti, delle deformazioni troppo rapide possono anche rovinare o addirittura distruggere il contenitore.
Ovviamente, questo tipo di simulazione risulta essere particolarmente complessa, in quanto necessita di una simulazione CFD unita a una strutturale, per monitorare la deformazione dell’oggetto. Questo tipo di simulazioni sta prendendo sempre più piede, visto che le aziende stanno investendo sempre di più per ottenere contenitori più green, con meno plastica e più materiale ecologico, come il cartone per esempio.
Prospettive dell’analisi CFD nell’industria alimentare
Come abbiamo visto, la simulazione fluidodinamica computazionale offre numerosi vantaggi per le aziende alimentari. Permette l’ottimizzazione dei processi produttivi, come miscelazione, pastorizzazione e fermentazione, garantendo una qualità uniforme del prodotto. Riduce i costi operativi individuando inefficienze e migliorando il design degli impianti. La CFD consente inoltre di risparmiare energia attraverso l’ottimizzazione dei processi termici e di refrigerazione e riduce gli scarti di produzione. Infine, migliora la qualità del prodotto finale e contribuisce a garantire la sicurezza alimentare e la conformità normativa. Nonostante i numerosi vantaggi, l’implementazione della CFD presenta diverse difficoltà tecniche. La complessità dei modelli fluidodinamici richiesti, in particolare per fluidi non newtoniani e processi multifase, rappresenta una sfida significativa. La validazione dei risultati delle simulazioni richiede dati sperimentali accurati, che possono essere difficili e costosi da ottenere. Però, le tecnologie CFD in continua evoluzione offrono nuove opportunità per il settore alimentare che devo essere colte e approfondite.
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