Transcript Il Processo di Cristallizzazione.
Formazione – “La produzione dello zucchero” CRISTALLIZZAZIONE
Knowledge & Academy A cura di: Fabio Filippini Gian Carlo Rossin
marzo.2015
Process Engineering
: UNIT operations
Per UNIT OPERATIONS si intendono le operazioni base, ovvero le fasi primarie, che stanno alla base del processo di produzione dello zucchero.
Le Unit Operations sono: JUICE EXTRACTION (Estrazione) JUICE PURIFICATION (Depurazione) EVAPORATION, HEATING and HEAT ECONOMY (Concentrazione)
CRYSTALLIZATION (Cristallizzazione)
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Macroarea: Cristallizzazione
Vapore VAPORE Circuito del vuoto Evaporazione Sugo denso Condensa Cottura 1 ° prodotto scolo z.greggio
Basso prodotto Clairce melasso raffineria zucchero Circuiti condense 3
Process Engineering
: UNIT operations
Cristallizzazione
Gli obiettivi del reparto di cristallizzazione sono i seguenti: -Produrre lo zucchero bianco della qualità richiesta -Mantenere il ritmo di produzione zucchero previsto -Esaurire il più possibile il melasso per ottenere la massima resa in estrattibile -Gestire il processo ottimizzando al minimo i consumi energetici 4
Cristallizzazione
Il saccarosio possiede la caratteristica di passare in forma cristallina (in determinate condizioni). Non tutte le sostanze in natura possiedono la caratteristica di cristallizzare.
•La cristallizzazione è una tecnica che i chimici utilizzano per purificare composti da soluzioni •Quando si cristallizza da soluzione impura si formano cristalli puri della sostanza, mentre le impurezze rimangono in soluzione •Una sostanza si definisce pura quando, sottoposta a ripetuti trattamenti di purificazione, mantiene inalterate le sue grandezze fisiche caratteristiche E‟ la ragione per la quale il fulcro del processo produttivo in zuccherificio è la
cristallizzazione
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Cristallizzazione
Per ricavare lo zucchero in cristalli dal sugo denso occorre concentrarlo fino a sovrasaturazione e poi con ulteriore concentrazione farlo cristallizzare.
Nel gergo saccarifero l‟operazione di cristallizzazione prende il nome di “cottura”, si effettua in apparecchi chiamati “bolle”, che producono una sostanza chiamata “massacotta”.
. . . . . .
la definizione esatta dell‟operazione sarebbe “
cristallizzazione in movimento per progressiva concentrazione dovuta ad eliminazione di acqua per ebollizione ” (come enunciava il C.te Dott. Guido Malaguzzi Valeri, un Maestro della tecnologia applicata all‟industria saccarifera italiana).
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Lo stato cristallino
Un cristallo è un reticolo tridimensionale costituito da una infinita ripetizione di celle elementari identiche. In funzione della simmetria della cella elementare possono esistere 7 sistemi cristallini.
La cella del saccarosio è composta da 2 molecole e cristallizza nel sistema monoclino (angolo β=103 ° ).
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Lo stato cristallino
La solubilità del saccarosio in acqua è altissima ed è dovuta alla presenza nella molecola di 8 gruppi funzionali ossidrili OH, 3 di questi gruppi OH formano legami H (idrogeno) intramolecolari mentre 5 gruppi sono coinvolti in legami H intermolecolari.
Quando i legami H intermolecolari coinvolgono i gruppi idrossili dell‟acqua si formano dei complessi che possono essere considerati delle strutture indipendenti detti “cluster” o “
struttura idrata
”. La temperatura gioca un ruolo importante in quanto è direttamente proporzionale alla stabilità della struttura idrata. Più la temperatura è alta e più le strutture sono stabili ovvero la solubilità aumenta.
Quando le molecole d‟acqua disponibili sono in numero insufficiente per creare le strutture idrate si formano legami H tra molecole di saccarosio formando aggregati tridimensionali detti “
strutture associate
”. Queste strutture sono molto stabili e conferiscono la capacità alla molecola di saccarosio di rimanere in soluzione anche in presenza di poche molecole di acqua. In altre parole conferiscono alla molecola una altissima solubilità.
In altre parole la solubilità del saccarosio in acqua per le soluzioni pure è funzione della temperatura e
solo
della temperatura:
Solubilità = f (
°
C)
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La solubilità del saccarosio
I 5 gruppi che sono coinvolti in legami H intermolecolari sono responsabili della formazione di cristalli di saccarosio durante la fase di cristallizzazione o della soluzione in acqua durante la fase di dissoluzione.
Questa particolare conformazione molecolare rende quindi il saccarosio altamente solubile in acqua tanto che già alla temperatura di 20 ° C per arrivare alla saturazione occorrono 2 parti in peso di saccarosio per 1 parte di acqua mentre alla temperatura di 100 ° C per raggiungere la saturazione occorrono 5 parti in peso di saccarosio per 1 parte di acqua.
Il fatto che i gruppi ossidrilici possono formare legami idrogeno con le molecole d‟acqua è il motivo della elevata solubilità del saccarosio in acqua.
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La solubilità del saccarosio
In soluzione acquosa la solubilità del saccarosio è sorprendentemente elevata proprio grazie al fatto che ogni molecola può legarsi con 5 molecole di acqua, Già a temperatura ambiente possiamo disciogliere 2 parti di saccarosio in una parte di acqua. Mentre a 80 gradi arriviamo ad oltre 4.
Nelle soluzioni diluite ogni molecola di saccarosio si lega quindi con 5 molecole di acqua in modo indipendente per formare la cosiddette “strutture idrate ”. Questo avviene fino ad una concentrazione del 79%. (1 mole di saccarosio si lega con 5 moli di acqua ovvero abbiamo un rapporto di 342 su 90 che dà 3,8 ovvero 79 Bx).
Quando invece siamo in soluzioni sufficientemente concentrate (> 79 Bx) da non avere più il numero sufficiente di molecole di acqua tali da formare delle forme idrate indipendenti si formano delle forme aggregate con più molecole di saccarosio. Queste forme vengono denominate “strutture associate” e contengono un numero crescente di molecole di saccarosio al crescere della concentrazione. Questo fatto comporta che si ottengono delle forme stabili in soluzione di aggregati di molecole di saccarosio le quali sono le responsabili della grande solubilità nonché del fenomeno delle supersaturazione.
Fenomeno di capitale importanza nella fase di cristallizzazione.
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La solubilità del saccarosio
Enunciamo alcuni concetti che sono di importanza essenziale nella cristallizzazione industriale del saccarosio: una
soluzione zuccherina è satura
quando rimanendo costante la temperatura non vi si può sciogliere dell‟altro zucchero,
seminandovi
dei cristalli, questi vi rimangono in sospensione senza che si verifichi un loro accrescimento; in ogni soluzione zuccherina pura e satura il rapporto ad una data temperatura, tra zucchero ed acqua, chiamato
coefficiente di solubilità
, è sempre lo stesso; la solubilità di saturazione del saccarosio nelle
soluzioni tecniche
è diversa da quella delle
soluzioni pure
alla stessa temperatura; 11
La solubilità del saccarosio
SOLUBILITA’
La solubilità del saccarosio è funzione della temperatura in modo direttamente proporzionale. Sono state trovate varie formule statistiche per calcolare la solubilità. La formula adottata ufficialmente dall‟ ICUMSA è la seguente: Ws = 64,397 + 0,07251 t + 0,0020569 t 2 9,035* 10 -6 * t 3 – Dove: • Ws è la concentrazione di saccarosio in g/100g •t è la temperatura in ° C
DENSITA’
La densità delle soluzioni pure ad una data temperatura aumenta con l‟aumentare della concentrazione. La densità di una soluzione tecnica è inferiore a quella di una soluzione pura alla stessa temperatura e concentrazione.
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La solubilità del saccarosio
TENSIONE DI VAPORE
La tensione di vapore di una soluzione pura è la tensione di vapore dell‟acqua che è in equilibrio con la soluzione.
AUMENTO DEL PUNTO DI EBOLLIZIONE
L‟aumento del punto di ebollizione (innalzamento ebullioscopico) è funzione della concentrazione e della purezza (vale la stessa cosa per la diminuzione del punto di congelamento) 13
La solubilità del saccarosio
Solubilità, Saturazione e Supersaturazione
Con il termine di massa
solubilità
si intende il rapporto tra la massa del saccarosio e la dell‟acqua in una soluzione satura pura ad una data temperatura. E‟ una concentrazione. Si esprime con il termine
Iz = (Z/A) sat,p
dove p sta per soluzione pura ed è funzione della sola temperatura: Iz = f(t) Quando siamo in presenza di soluzioni tecniche la solubilità non è più funzione della sola temperatura ma anche della quantità di non-zuccheri presenti ovvero
Iz = f (t,Nz)
e si esprime con il termine (Z/A)sat,i dove i sta per soluzione impura.
Coefficiente di Saturazione
Con il termine di Coefficiente di Saturazione soluzione tecnica e
Cs
si indica il rapporto tra l‟Iz di una l‟Iz di una soluzione pura ad una data temperatura ovvero:
Cs = (Z/A)sat,i / (Z/A)sat,p
Questo coefficiente ci indica di quante volte la concentrazione di saturazione in una soluzione tecnica è più alta o più bassa della concentrazione di saturazione di una soluzione pura ad una data temperatura.
E‟ un numero puro e NON è una concentrazione.
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La solubilità del saccarosio
Coefficiente di supersaturazione
Il coefficiente di supersaturazione
Css
è il rapporto tra la concentrazione di una data soluzione e la concentrazione alla saturazione della stessa soluzione ad una data temperatura. Dato che questo coefficiente si applica a qualsiasi soluzione quando non siamo in presenza di soluzioni pure è fondamentale che ci si riferisca sempre allo stesso ammontare di non-zuccheri in soluzione. Le indicazioni dell‟ICUMSA sono che non deve variare l‟In, ovvero il rapporto Nz/A, nelle due concentrazioni che compaiono al numeratore ed al denominatore del rapporto.
Anche questo coefficiente è un numero puro e NON è una concentrazione. Quando il Css<1 siamo in soluzioni sottosature, quando è Css = 1 la soluzione è satura e quando è Css>1 la soluzione è soprassatura. Questo coefficiente riveste enorme importanza nella cristallizzazione 15
La solubilità del saccarosio
il
coefficiente di sovrasaturazione
indica il rapporto tra la concentrazione di saccarosio di una soluzione qualsiasi contenente più zucchero di quello corrispondente al suo stato di saturazione (Z/A ss) e quello che vi sarebbe se la soluzione fosse satura (Z/A s).
la solubilità in acqua dello zucchero dipende dalla temperatura, per cristallizzare si deve superare la
“curva” di solubilità
mediante: raffreddamento o evaporazione o auto evaporazione; le
impurezze
, cioè i non-zuccheri, presenti aumentano la solubilità del saccarosio (perciò contrastano la cristallizzazione).
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La solubilità del saccarosio
VISCOSITA’
: La viscosità delle soluzioni pure dipende in modo direttamente proporzionale dalla concentrazione ed in modo inversamente proporzionale dalla temperatura.
Le soluzioni tecniche hanno una viscosità minore delle soluzioni pure ad una data concentrazione e temperatura. In presenza di destrani e di polisaccaridi il comportamento si rovescia. I vari non-zuccheri hanno influenze differenti sulla viscosità, alcuni la riducono (es. ammonio cloruro, potassio cloruro), altri la aumentano meno di una eguale quantità di saccarosio (es. potassio carbonato, potassio solfato, potassio betaina) ed altri la aumentano di più di una eguale quantità di saccarosio (es. sodio glutammato, sodio carbonato, glutammato, calcio sodio cloruro, magnesio raffinosio, destrani, polisaccaridi).
cloruro, glucosio, cloruro, In generale la viscosità delle soluzioni tecniche dipende dal pH in modo direttamente proporzionale, anche se nel range 5,2-8,5 le variazioni sono piccole mentre dopo 10 di pH l‟andamento diventa molto più evidente. A pH 11 l‟aumento è pari al 10% 17
Cristallizzazione: indici Malaguzzi Valeri
Lo zucchero è molto solubile in acqua. La sua solubilità temperatura; una soluzione pura satura contiene: aumenta all‟aumentare della a 20 ° C circa 67% di zucchero (pol = 67) a 80 ° C circa 78% di zucchero (pol = 78) La diversa solubilità diventa più evidente se si considerano le concentrazioni sotto forma di rapporto soluto/solvente anziché in percentuale :
Iz = pol / (100-pol) soluzioni pure Iz = 67 / (100 - 67) = 2,03 Iz = 78 / (100 – 78) = 3,55 Da ciò risulta che passando da 20
°
a 80
°
C la solubilità dello zucchero quasi raddoppia nelle soluzioni pure (passando da 2,03 a 3,55); ma nelle nostre soluzioni sono presenti altre sostanze (Nz) in quantità variabile.
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Cristallizzazione: indici Malaguzzi Valeri
Questi indici sono di grande utilità per eseguire le calcolazioni necessarie per gestire correttamente gli step di cristallizzazione, cosa non possibile utilizzando i valori percentuali con cui si definiscono la concentrazione di saccarosio (Pol) la concentrazione della sostanza secca totale (Bx) ed il loro rapporto ovvero il Quoziente di Purezza (Qz)
Iz = Z/A
è il rapporto tra la massa dello zucchero e la massa ed è dato dal rapporto Pol/(100-Bx) dell‟acqua
In = Nz/A
è il rapporto tra la massa del non-zucchero e la massa dell‟acqua ed è dato dal rapporto (Bx-Pol)/(100-Bx)
Ip = Z/Nz
è il rapporto tra la massa dello zucchero e la massa del non zucchero ed è dato dal rapporto Qz/(100-Qz) Con l‟indice Ip si calcola la resa di cristallizzazione ovvero quanto zucchero verrà trasformato in cristalli partendo da un dato sciroppo ed arrivando ad un dato sciroppo madre saturo.
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Cristallizzazione: indici Malaguzzi Valeri
Conoscendo l‟Ip dello sciroppo di partenza (Ip1) e l‟Ip dello sciroppo madre di fine cristallizzazione (Ip2) si ha:
R = (Ip1 – Ip2)/Ip1
Per esempio se abbiamo uno sciroppo 1 con un quoziente di purezza di 91 e lo cristallizziamo fino ad ottenere una massa cotta avente un Bx di 90 la quale conterrà un certo quantitativo di cristalli ed uno sciroppo madre 2 avente un quoziente di purezza, supponiamo, di 79 avremo: Ip1 = 91 / (100 - 91) = 10,111 Ip2 = 79 / (100 - 79) = 3,762 La resa in cristalli sarà data da : R1 = (10,111 - 3,762) / 10,111 = 0,628 Vale a dire che per ogni parte di zucchero contenuto nello sciroppo di partenza otterremo 0,628 parti di cristalli mentre 1 – 0,628 = 0,372 parti rimarranno in soluzione nello sciroppo madre.
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Cristallizzazione: indici Malaguzzi Valeri
La massa cotta sarà invece costituita da 62,8 * (91*0.90) = 51,4 parti in peso di cristalli e 48,6 parti in peso di sciroppo madre.
E‟ da tenere presente che nelle massecotte possono essere presenti al massimo dal 50% (MC aventi basse purezze) al 55% (MC aventi alte purezze) in peso di cristalli. Di più di questa quantità non sarà possibile gestire la massa cotta perché troppo densa e troppo viscosa per poter essere pompata o centrifugata.
Lo sciroppo madre della massa cotta avrà le seguenti caratteristiche: Il contenuto di acqua come pure il contenuto di non-zucchero saranno identici a quello della massa cotta ovvero: A = 100 – Bx = 100 – 90 = 10% Nz = Bx Z = 81,9 – Pol = 90 - 81,9 = 8,1% – (0,628 * 81,9) = 30,47 % Ss = Z + Nz = 30,47 + 8,10 = 38,57% Quindi la Pol sarà : 30,47 / (38,57 + 10) = 62,7 Mentre il Bx sarà : 38,57 / (38,57 + 10) = 79,4 E il quoziente di purezza ovviamente sarà appunto 62,7 / 79,4 = 79 21
Cristallizzazione: indici Malaguzzi Valeri
Se ora partiamo per una nuova cristallizzazione con lo sciroppo 2 avente le caratteristiche indicate sopra e lo portiamo a formare una massacotta avente un Bx di 95 la quale conterrà un certo quantitativo di cristalli ed uno sciroppo madre 3 con un quoziente di purezza di 60 avremo: Ip2 = 79 / (100 - 79) = 3,762 Ip3 = 60 / (100-60) = 1,500 La resa in cristalli sarà data da: R2 = (3,762 – 1,500) / 3,762 = 0,602 ovvero avremo cristallizzato il 60,2% dello zucchero presente nello sciroppo 2.
E‟ da tenere presente che quando l‟Ip vale 1,5 non è più possibile effettuare la cristallizzazione perché 1 parte di non-zucchero trattiene in soluzione 1,5 parti di zucchero. In altre parole un Ip di 1,5 determina il termine della cristallizzazione.
Quindi per ogni parte di zucchero contenuto nello sciroppo 2 avremo cristallizzato 0,602 parti di zucchero mentre le altre : 1- 0,602= 0,398 parti saranno rimaste in soluzione nello sciroppo madre 3.
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Cristallizzazione: indici Malaguzzi Valeri
La massacotta sarà costituita da 60,2 * (95*0,79) = 45,2% in peso di cristalli e 54,8% in peso di sciroppo madre.
Lo sciroppo madre della nuova massacotta avrà le seguenti caratteristiche: Il contenuto di acqua come pure il contenuto di non-zucchero saranno identici a quello della massacotta ovvero: A = 100 – Bx = 100 – 95 = 5% Nz = Bx – Pol = 95 – (95*0.79) = 19,95 % Z = 75,05 – (0,602 * 75,05) = 29,87 % Ss = Z + Nz = 29,87 + 19,95 = 49,82% Quindi la Pol sarà : 29,87 / (49,82 + 5) = 54,49% Mentre il Bx sarà : 49,82 / (49,82 + 5) = 90,87% E il quoziente d purezza ovviamente sarà appunto 54,49 / 90,87 = 60 Quindi le due rese di cristallizzazione saranno la prima 62,8% e la seconda 60,2%. La resa totale di cristallizzazione sarà data da: Rtot = (Ip1 – Ip3) / Ip 1 = (10,111 – 1,500) / 10,111 = 0,852 Oppure dalla relazione: Rtot = R1 + R2 * (1-R1) = 0,628 + 0,602 * (1 – 0,628) = 0,852 23
Cristallizzazione: indici Malaguzzi Valeri
Indice di concentrazione dello zucchero:
Iz = Z / A = pol / (100- Bx ) = pol / acqua
Indice di purezza:
Ip = Z / Nz = pol / (Bx – pol) = Qz / (100 – Qz)
Indice di non zucchero (invariante):
In = Nz / A = (Bx –pol) / ( 100 – Bx) = ((100 – pol) / (100 – Bx)) - 1
Relazioni fra gli indici:
Iz = Ip x In Ip = Iz / In Rxx = (Ip i – Ip f ) / Ip i In = Iz / Ip
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Il processo produttivo: indici Malaguzzi Valeri
L‟analisi percentuale perde ogni significato in rapporto alla conoscenza dello stato di saturazione che è la base della cristallizzazione.
La soluzione pura precedente non sarà affatto satura a 80
°
C se contiene anche del Nz ( per esempio il 10%).
In questo caso avremo Nz = 78,4 * 10/100 = 7,8
Perciò otterremo un composto con le seguenti caratteristiche:
Bx
= 78,4
pol
= (Bx – Nz) = 78,4 – 7,8 = 70,6
Qz
= (70,6 / 78,4)* 100 = 90
Conosciamo dalle tabelle che il valore di saturazione è IZ = 3,7
Mentre il nuovo composto (con il Nz) avrà : Ip = Qz / (100 – Qz) =
Che diventa
90 / (100 – 90) = 9 In = Nz / A = 7,8 / 21,6 = 0,3611
Iz = Ip x In = 9 x 0,3611 = 3,25 ( valore di sottosaturazione)
La conoscenza del punto di saturazione ha importanza fondamentale per valutare la possibilità di cristallizzazione, la quale non può avere inizio
punto.
che al di sopra di questo
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Il processo produttivo: La solubilità del saccarosio
La solubilità in acqua dello zucchero dipende dalla temperatura.
Per cristallizzare si deve superare la curva di solubilità mediante: 1.
Raffreddamento o
2.
Evaporazione o
3.
Autoevaporazione
4,5 4 Bx = 80 sovras=1,2 Sovras=1,3 3,5 3 Bx = 75 Zona labile 2,5 metastabile 2 20 30 3 1 Curva di solubilità 40 50
temperatura °C
60 2 Soluzione sottosatura 70 80 26
Il processo produttivo: La solubilità del saccarosio
La solubilità in acqua dello zucchero dipende dalla temperatura.
Per cristallizzare si deve superare la curva di solubilità mediante: 1.
Raffreddamento o
2.
Evaporazione o
3.
Autoevaporazione
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Le impurezze presenti nei sughi aumentano la solubilità del saccarosio L‟effetto sulla solubilità dipende dalla composizione dei non zuccheri Lo scambio Mg/ K nel Quentin favorisce la cristallizzazione
Il processo produttivo: Effetto del NZ sulla solubilità
1,6 1,5 1,4 1,3 Nz tradizionale a=0,25 b=0,76 Cs = a*N/A+b 1,2 1,1 Nz Quentin a=0,15 b=0,76 1 0,9 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25
N/A
1,5 2 2,5 3 3,5 28
Il processo produttivo: cristallizzazione
La solubilità in acqua del saccarosio dipende dalla temperatura ed una formula che dà il quantitativo di saccarosio che può andare in soluzione per ogni parte di acqua è anche quella di VASATKO (altra formula statistica analoga a quella vista per ICUMSA):
S = 63,735 + 0,14189 t + 0,0005635 t 2
Ad ogni temperatura, concentrando una soluzione contenente saccarosio, si raggiungono valori via via crescenti di sovrasaturazione; spingendosi sopra ad un certo valore si avrà la formazione spontanea del cristallo.
La zona di sovrasaturazione dove si ha formazione di cristallo solo per opera di un innesco prende il nome di zona metastabile ed è la zona dove viene condotta la cristallizzazione industriale.
Nel grafico seguente viene riportato questo andamento appena descritto, tale grafico è la base fondamentale di tutta l‟operazione di cristallizzazione industriale.
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Il processo produttivo: cristallizzazione
S/W Labile zone
Css > 1
Metastable zone
Css < 1
Temperature
°
C
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Il processo produttivo: cristallizzazione
Dove
Css
è il coefficiente di sovrasaturazione : Iz che si ha nello sciroppo Css = ------------------------------------------------------------------ Iz della soluzione corrispondente satura La linea tratteggiata blu rappresenta la zona di shock, la zona cioè dove per una piccola perturbazione del sistema (ad es.
l‟innesco) si provoca l‟inizio della cristallizzazione.
L‟ingrano, come l‟intera cristallizzazione, deve avvenire nella zona metastabile, perché solo in questa zona si può formare un numero stabilito di cristalli.
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Il processo produttivo: cristallizzazione
S/W Labile zone Metastable zone
seed
Temperature
°
C
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Il processo produttivo: la cristallizzazione
Il processo di cristallizzazione lo possiamo distinguere in tre modalità, le quali a loro volta avranno una serie di sottofasi:
1. Isoterma
– operazione che avviene alla stessa temperatura con il prodotto a concentrazione crescenti (
bolle di cottura continue e discontinue
)
2. Per raffreddamento
temperature ( – alla stessa concentrazione ma a diverse
mescolatori, KKK, Toury
)
3. Per autoevaporazione-
realizzando contemporaneamente le modalità 1 e 2 nella cosiddetta cristallizzazione a flash (
MET
) 33
Il processo produttivo: la cristallizzazione
Il processo di cottura lo possiamo distinguere in tre fasi principali le quali a loro volta avranno una serie di sottofasi:
1. Piede di cotta
– concentrazione dello sciroppo e formazione del piede di cotta
2. Cristallizzazione
- alimentazione della cotta ed ingrossamento dei cristalli
3. Stretta finale-
con scarico e pulizia della bolla
Queste sono fasi delle bolle discontinue, in quelle continue esistono le tre fasi nella stesso momento in bolla ma in comparti diversi
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Il processo produttivo: la cristallizzazione
Piede di cotta
concentrazione dello sciroppo
La fase fondamentale è quella del piede di cotta perché è in questa fase che gli errori eventualmente commessi sono poi difficilmente correggibili e si ripercuotono sulla cotta finita compromettendone la buona riuscita.
C‟è la necessità di evaporare dell‟acqua perché il sugo o lo scolo che si tira in bolla non costituisce una soluzione satura (C < 1); questa fase assorbe una notevole quantità di vapore, in quanto la bolla non è l‟apparato più idoneo. Per questo motivo lo sciroppo di alimentazione deve avere un Bx “vicino” al Bx di piede di cotta, ma non tale da cristallizzare spontaneamente.
deve essere ridotta al minimo.
Questa fase 35
Il processo produttivo: la cottura
Piede di cotta
formazione del grano nel piede di cotta
Da questa fase in poi si è sempre nel campo della soprasaturazione più o meno accentuata, dove il valore di C è sempre > 1. in questa fase si debbono formare i cristalli necessari e sufficienti per dare una massacotta finale con la giusta granulometria.
E‟ prassi utilizzare l‟innesco o semina con una quantità dosata di zucchero “impalpabile” o con una sospensione di zucchero in cristalli molto piccoli, in modo da introdurre una quantità certa di cristalli che nel periodo di cottura dovranno solo aumentare di grandezza fino a raggiungere quella desiderata.
Magma --------- -------------------------- bolle continue Slurry ------------------------------------- bolle di raffinato innesco (con “impalpabile”) ----------- bolle discontinue (basso prodotto) 36
Il processo produttivo: la cristallizzazione
Cristallizzazione
alimentazione della cotta ed ingrossamento dei cristalli
In questa fase della cottura, a differenza del piede dove si lavorava con un volume fisso di sugo, abbiamo una continua immissione di sugo in bolla, fino al raggiungimento dal valore massimo prefissato del livello a cotta ultimata.
E‟ la fase di maggior durata nella cottura discontinua, specialmente nei getti a minor purezza; può essere considerevolmente abbreviata se viene adottato il sistema di alimentazione con magma, come del resto nella fase precedente se si usa per l‟innesco una sospensione di cristalli già formati.
Si tratta di fare ingrandire i cristalli presenti progressivamente, senza modificare troppo il grado di soprasaturazione e controllando che non si formi “farina”, cioè piccoli cristalli supplementari non voluti.
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Il processo produttivo: la cottura
Cristallizzazione
alimentazione della massacotta e sviluppo del cristallo
Per la cottura di semolato è della massima importanza che lo sciroppo standard sia ad una concentrazione costante e ad una temperatura compresa fra 90 e 95
°
C.
Anche per le altre cotture è importante la concentrazione di sugo denso e scoli; se gli scoli sono solitamente costanti, non sempre è così per il sugo denso, la cui concentrazione dipende dal funzionamento della batteria di evaporazione.
A questo proposito il cuocitore deve avere presente che una buona concentrazione del sugo denso dipende anche da lui, cioè da come usa il prelievo di vapore.
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Il processo produttivo: la cristallizzazione
Stretta finale
con scarico e pulizia della bolla
Dopo che nella bolla, con la necessaria gradualità, è stato raggiunto il livello prefissato , viene sospesa l‟introduzione di altra soluzione zuccherina e si inizia l‟ultima fase operativa della cotta.
Da questo momento si vuole unicamente raggiungere il Bx prefissato nella massacotta, che sarà indicativamente: 90 – 91 per le bolle di raffinato 92 – 93 per il primo prodotto ≥95 per il basso prodotto La fase di scarico inizia con la chiusura delle valvole di vapore e vuoto, prosegue con l‟apertura della valvola rompivuoto e l‟apertura della valvola di scarico.
Il lavaggio lo si effettua aprendo la valvola dello svaporamento o del lavaggio, serve ad eliminare i residui di massacotta all‟interno della bolla.
Se la pulizia fosse incompleta, si otterrebbe un cattivo piede di cotta nella cotta successiva, perché nella bolla sarebbe rimasta parte della massacotta precedente.
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Il processo produttivo: l’innesco
Per variare il numero di cristalli che si ottengono nella cotta finita occorre agire sul numero dei cristallini contenuti nell‟impalpabile utilizzato per l‟innesco; occorre quindi variare il volume ( o meglio il peso) dell‟innesco.
Dato però che il volume è legato al cubo della dimensione lineare, per raddoppiare il numero di cristalli occorre aumentare di 2 3 volte (=8 volte) il quantitativo dell‟ingrano; alla stessa maniera per dimezzare il numero di cristalli occorre diminuire di 8 volte il quantitativo dell‟ingrano.
Supponiamo di avere una massacotta di 1 ° prodotto del peso di 60 t ed un impalpabile con cristalli di dimensioni 0,01 mm; e si desidera avere una massacotta finita con cristallo di dimensioni medie di 0,8 mm.
La cotta finita avrà densità di 1,5 e contiene il 50% di cristalli, avremo quindi 30 t di cristalli (xx) : Peso di 1 cristallo = 0,8 N di cristalli = 30t * 10 6 3 * 1,5 = 7,68 *10 / 7,68 * 10 -4 -4 g = 3,9 * 10 10 Impalpabile, il peso di 1 xx è = 0,01 3 * 1,5 = 1,5 * 10 -9 g Peso dell‟innesco = 1,5 * 10 -9 Dovremo * 3,9 * 10 10 = 58,5 ( cioè circa 60 g) all‟ingrano immettere 60 g di impalpabile; per ottenere invece cristalli con 0,4 mm di dimensioni medie finali, si dovrà aumentare di 8 volte il peso dell‟ingrano cioè si dovranno immettere 480 g di impalpabile.
40
Il processo produttivo: la sovrasaturazione
Il Claasen fu il primo a studiare e applicare apparecchi per il controllo della sovrasaturazione, fondati sull‟aumento del punto di ebollizione. Dall‟indicazione del vuoto si desume la corrispondente temperatura di ebollizione dell‟acqua, e per differenza rispetto alla temperatura della massa, indicata dal termometro, si deduce l‟aumento del punto di ebollizione. Vi sono poi apposite tabelle che in base a questa differenza ed al quoziente indicano la soprasaturazione (misura dell‟innalzamento ebullioscopico che è funzione della concentrazione).
A eliminare la complicazione e la perdita di tempo dovuta a calcoli e tabelle, il Teatini ideò un doppio apparecchio registratore molto ingegnoso il cui diagramma è doppio, cioè tracciato da due penne indipendenti, un termometro immerso nella massa, l‟una delle quali è comandata da l‟altra è comandata da un galleggiante che segue il livello del mercurio nel vuotometro, costruito in modo che la penna indichi la corrispondente temperatura di ebollizione dell‟acqua. La distanza tra i due tracciati dà l‟aumento del punto di ebollizione.
Da considerare però che il valore della temperatura di ebollizione varia molto con il variare del quoziente, quindi per valutare la soprasaturazione è necessario conoscere quasi esattamente il quoziente dello sciroppo al momento della lettura.
41
Il processo produttivo: la sovrasaturazione
Dato però che non è pratico determinare le variazioni del Bx prelevando ed analizzando una serie di campioni perché, pur volendosi sobbarcare un lavoro improbo, i risultati dell‟analisi sarebbero sempre troppo tardivi, si è dovuto costruire strumenti che permettessero di rilevare il Bx nell‟apparecchio stesso.
“ . . . .
D’altra parte si va sempre più affermando e realizzando la possibilità di regolare le operazioni con apparecchi di controllo automatici, la cui applicazione tende a superare i metodi empirici, ed esige la conoscenza approfondita dei fenomeni che si verificano durante le varie fasi del lavoro e delle leggi fisiche o delle teorie che li riguardano, e richiede sempre più l’intervento del tecnico consapevole a dirigere o sostituire l’opera del cuocitore empirico. . . . . . . .
(come enunciava il C.te Dott. Guido Malaguzzi Valeri negli anni „30)
42
Il processo produttivo: la sovrasaturazione
Va subito detto che nessuna apparecchiatura può integralmente sostituire un cuocitore provetto ed attento; tuttavia bisogna anche dire che l‟acquisizione della necessaria perizia richiede tempi piuttosto lunghi e non è sempre facile prestare la dovuta attenzione.
Dopo aver applicato i servocomandi alle valvole principali e gli elicoagitatori all‟interno delle bolle, si è cercato di realizzare un‟apparecchiatura che potesse rilevare con sicurezza il grado di soprasaturazione della soluzione esistente in bolla in tutto l‟arco della cotta, essendo questo il parametro che determina la sequenza delle operazioni.
Ad oggi questo strumento non è stato ancora inventato, ma sono state individuate altre grandezze misurabili che sono in qualche modo correlate alla soprasaturazione come: la consistenza, la conducibilità ed il contenuto di acqua.
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Il processo produttivo: gli autocuocitori
Reometria –
misurando con molta precisione lo sforzo compiuto da una massa rotante immersa nella soluzione all‟interno della bolla, se ne può ricavare un segnale, ad esempio per aprire la valvola dello sciroppo o per altro; gli apparecchi sono chiamati misuratori di consistenza o anche reometri.
Conduttività-
questa è funzione della soluzione zuccherina, della sua viscosità e dei non zuccheri presenti, i quali conducono molto meglio l‟elettricità di quanto possa fare l‟acqua o lo zucchero e ne conducono tanta di più quanto più numerosi essi sono; gli apparecchi si chiamano misuratori di conduttività o conduttimetri.
Raggi gamma-
il loro funzionamento si basa sul diverso assorbimento dei raggi gamma, emessi da sorgenti radioattive, dovuto al variare della concentrazione e quindi della massa di un fluido.
Microonde-
emesse da leggono le onde elettromagnetiche di ampiezza superiore ad 1 Gigahertz, un‟antenna trasmittente ad una ricevente e passanti attraverso la massa in bolla; l‟attenuazione e lo sfasamento delle onde emesse è proporzionale al contenuto di acqua e quindi alla concentrazione della massa.
La cristallizzazione gestita dagli autocuocitori non si differenzia per nulla, dal lato teorico, dalla cristallizzazione condotta manualmente; le differenze si hanno dal punto di vista pratico in quanto con gli strumenti le manovre sono più precise e questo permette una conduzione più vicina all‟andamento teorico della curva di cristallizzazione.
44
Il processo produttivo: velocità di accrescimento
Il secondo processo di cristallizzazione raffreddamento nei seguenti apparecchi: avviene per •i cristallizzatori
raffreddanti
(mescolatori, Toury, KKK) a pressione atmosferica •i cristallizzatori
raffreddanti sottovuoto
(MET, MCSV) 45
Il processo produttivo: trattamento delle massacotte
Nella pratica corrente, la massacotta, dopo essere stata prodotta dalle bolle di cottura, viene scaricata in recipienti corredati di agitatori a movimento lento, sottovuoto o a pressione atmosferica. Questi apparecchi hanno diverse funzioni: 1. Continuare la cristallizzazione già avvenuta in bolla, facendo aumentare le dimensioni dei cristalli di zucchero con parte dello zucchero ancora sciolto nello scolo madre, sfruttando il calore residuo contenuto nella massacotta scaricata, che viene ceduto all‟ambiente in un tempo più o meno lungo, secondo il tipo di massacotta, 2. Realizzare la continuità del processo fra un reparto e l‟altro, in modo che le centrifughe non siano mai senza prodotto da centrifugare e quindi tutti i reparti funzionino con continuità 3. Consentire l‟assorbimento del liquido di svaporamento che si produce nella fase finale di pulizia (per le bolle discontinue), in modo che la massacotta acquisti la consistenza più adatta per la successiva centrifugazione. Nei maturatori ( MET e Toury) post bolle continue verrà aggiunto dello scolo saturo per ottenere gli stessi effetti (questa operazione è chiamata ” governo della massacotta”).
46
Il processo produttivo: resa di cristallizzazione
Dove:
C = Ms – Mr
Il
rendimento o resa di cristallizzazione η
(espresso come %) è il rapporto tra la quantità di zucchero (soluto che è cristallizzato) ottenuto (C) e la quantità iniziale di saccarosio presente in soluzione (Ms), moltiplicato per 100:
η = C * 100 /
Ms Ms = massa del saccarosio in soluzione Mr = massa residua (di zucchero non cristallizzato) Msolv= massa residua di solvente 47
Il processo produttivo: resa di cristallizzazione
Esempio di calcolo della resa di cristallizzazione:
Partiamo da una 1
°
Clairce a Qz =99,6, che dopo MET, porta ad una 2
°
Clairce a Qz = 98,4 Avremo Ip1 = 249 e Ip2 = 61,5 Perciò R =(249 - 61,5)/ 249= 0,75 Dalla 2
°
Clairce a Qz = 98,4 , arriviamo a Scolo eliminato a Qz = 96,52 Avremo Ip2 = 61,5 e Ip3 = 27,73 Perciò R =(61,5 - 27,73)/ 61,5= 0,55
Se consideriamo tutta la raffineria, otteniamo:
Rtot = (249 – 27,73)/249 = 0,88
Da cui, togliendo il 3% w ed il 5% di scarto, otteniamo una resa totale di raffineria:
0,828
48
Il processo produttivo: resa di cristallizzazione
Esempio di calcolo della resa di cristallizzazione in assenza di MET:
Partiamo da una 1
°
Clairce a Qz =99,6, porta ad una 2
°
Clairce a Qz = 99,12 Avremo Ip1 = 249 e Ip2 = 112,05 Perciò R =(249 – 112,05)/ 249= 0,55 Dalla 2
°
Clairce a Qz = 99,12 , arriviamo a Scolo eliminato a Qz = 98,06 Avremo Ip2 = 112,05 e Ip3 = 50,42 Perciò R =(112,05 – 50,42)/ 112,05= 0,55
Se consideriamo tutta la raffineria, otteniamo:
Rtot = (249 – 50,42)/249 = 0,797
Da cui, togliendo il 3% w ed il 5% di scarto, otteniamo una resa totale di raffineria:
0,741
49
Il processo produttivo: nucleazione del cristallo
La formazione dei cristalli dipende anche dall'esistenza di altri cristalli in soluzione.
Per concentrazioni poco maggiori della concentrazione a saturazione si ha una zona detta "metastabile", in cui la precipitazione avviene solo in presenza di altri cristalli, la cui azione è quella di ridurre la tensione interfacciale necessaria alla formazione del cristallo.
La formazione del cristallo avviene per due stadi successivi: •nucleazione •accrescimento
Per valori di concentrazione di soluto al di sotto del limite di solubilità, il soluto è completamente disciolto nel solvente, per cui la formazione del cristallo non può avvenire. Per valori di concentrazione di soluto che superano il limite di solubilità, l'eccesso di soluto invece precipita sotto forma di cristallo.
50
Il processo produttivo: nucleazione del cristallo
All'interno della soluzione si avranno dei punti in cui la concentrazione locale è maggiore rispetto alle zone circostanti; questi punti sono chiamati
cluster
.
I cluster evolvono organizzandosi in strutture con un certo ordine: questi sono gli
embrioni
.
Dagli embrioni si generano i
nuclei
, che rispecchiano fedelmente l'ordine del cristallo (ovvero hanno uguale geometria del reticolo cristallino), ma hanno dimensioni ancora microscopiche.
La nucleazione (
breeding
) può avvenire secondo diversi meccanismi. Quello descritto sopra è il meccanismo di alla sovrasaturazione.
nucleazione primaria omogenea
, che è strettamente correlato 51
Il processo produttivo: accrescimento del cristallo
Una volta che si è formato il primo abbozzo di cristallo, detto "nucleo", questo agisce come punto di aggregazione delle molecole instabili (a causa della sovrasaturazione) di solvente che entrano in contatto con lui (o entrano nel suo raggio di influenza), e quindi il cristallo si ingrandisce per strati successivi, un po' come una cipolla .
La quantità di soluto sovrasaturo che il nucleo riesce a
velocità di accrescimento catturare
nell'unità di tempo, detta (
growth rate
) ed espressa in kg/(m 2 *h), è un valore specifico del processo, in quanto dipende da numerose caratteristiche fisiche, quali ad esempio la tensione superficiale della soluzione, la pressione, la temperatura, e la velocità relativa del cristallo nella soluzione.
Si comprende quindi che i fattori determinanti da considerare sono:
•valore della
sovrasaturazione
, in quanto indice della quantità di prodotto disponibile all'accrescimento del cristallo •quantità di
superficie
di cristallo presente nell'unità di massa fluida, in quanto indice della capacità di fissare nuove molecole sulla superficie dello stesso; •
tempo
di stazionamento, in quanto indice della probabilità che una molecola di soluto entri in contatto con la superficie del cristallo; 52
Il processo produttivo: Potere melassigeno
E’ la capacità di mantenere in soluzione il saccarosio e quindi di aumentare la quantità di zucchero che rimane nel melasso a danno dell’estrattibile.
soda caustica potassio carbonato sodio carbonato potassio acetato sodio acetato sodio cloruro potassio cloruro Potere melassigeno Z/N g/ g 4,61 3,38 2,88 2,85 2,71 2,58 2,48 betaina sodio lattato calcio carbonato sodio nitrato calcio lattato calcio acetato calcio nitrato Potere melassigeno Z/N g/ g 1,03 0,81 0,56 0,42 -0,14 -0,55 -1,14 53
Il processo produttivo: Energia di attivazione
Il livello energetico nei cristalli è più basso che nella soluzione satura. Le molecole di saccarosio tuttavia devono superare una barriera energetica per passare dalla soluzione allo stato cristallino. Questa barriera è più elevata per la formazione di nuovi nuclei.
54
Il processo produttivo: Nucleazione secondaria
La nucleazione secondaria si verifica contemporaneamente alla crescita dei cristalli nelle zone a più elevata sovrasaturazione.
E’ la principale causa della formazione di “falsa grana”
55
Il processo produttivo: cristallizzazione Meccanismo di crescita dei cristalli
Si ipotizzano due step: 1-diffusione e 2-reazione di superficie
56
Il processo produttivo: crescita e imperfezioni
Le imperfezioni del reticolo cristallino agevolano la crescita. Osservazione di una dislocazione a spirale sulla superficie di un cristallo di zucchero in crescita.
57
Il processo produttivo: velocità di cristallizzazione
Velocità di crescita dei cristalli a 60
°
C in funzione della sovrasaturazione a differenti purezze.
La velocità massima è oltre il limite della zona labile (nucleazione secondaria)
58
Il processo produttivo: effetto della temperatura
Velocità di crescita dei cristalli in funzione della temperatura a diverse purezze, a sovrasaturazione costante.
La temperatura più favorevole è quella che si ha in bolla.
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Il processo produttivo: effetto agitazione
70,5 ° C con agitatore 70,0 ° C agitatore fermo 41,0 ° C con agitatore 40,0 ° C agitatore fermo 40,0 ° C cristallo fermo 60
Il processo produttivo: effetto agitazione
................. Sulla velocità di evaporazione Cottura discontinua di basso prodotto.
Dipendenza del coefficiente di scambio
•
termico da: Bx della massacotta
•
velocità di rotazione dell’agitatore
Agitatore fermo 61
Il processo produttivo: viscosità sciroppi e scoli
La viscosità dipende dalla concentrazione e dalla temperatura. Influenza direttamente le velocità di cristallizzazione ed evaporazione 62
Il processo produttivo: viscosità delle massacotte
Rapporto “viscosità magma/viscosità scolo madre”
Dopo condizionamento La viscosità delle massecotte aumenta „drammaticamente‟ con il contenuto in peso dei cristalli. Questo condiziona la resa massima ottenibile in ogni getto.
Alla stretta Durante la cottura 63
Il processo produttivo: tempi di permanenza
Tempi di ritenzione in reattori perfettamente miscelati collegati in cascata.
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Il processo produttivo: velocità di accrescimento
La velocità di accrescimento (
growing
) del cristallo è data dalla seguente formula; si noti che la velocità di accrescimento non dipende dalle dimensioni L del cristallo, ma dalla sua variazione.
Negli studi riguardanti la cristallizzazione industriale si fa riferimento alla velocità di accrescimento complessiva di un cristallo, che si può esprimere come velocità lineare:
d L G = ----------- d T G = velocità accrescimento cristalli d L = variazione della dimensione d T = variazione di tempo
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Il processo produttivo: EVITARE inclusioni
EVITARE INCLUSIONI
Per evitare inclusioni di solidi, e possibilmente anche di colloidi, si deve fare riferimento a quanto detto sulla depurazione dei sughi. In cristallizzazione possono essere adottate le seguenti misure: Per la semina usare cristalli cresciuti in soluzioni di elevata purezza Durante la cristallizzazione sono da evitare periodi di scioglimento dei cristalli o zone di sottosaturazione È assolutamente necessario lavorare con crescita lenta, costante e senza interruzioni Per garantire condizioni di crescita uniformi è necessaria un‟adeguata agitazione Non alimentare le fasi finali con sciroppi a sostanza secca particolarmente elevati Adeguare a limiti ragionevoli i tempi di cristallizzazione e di esaurimento delle massacotte nei mescolatori Produrre cristalli relativamente omogenei I tensioattivi potrebbero ridurre le inclusioni, ma devono essere usati quelli a norme HACCP 66
Il processo produttivo: quanti getti?
Ma di quanti getti necessitiamo per cristallizzare lo zucchero prima di arrivare al melasso?
Il numero dei getti dipende dall’ Ip del sugo denso
Maggiore è il dato di Ip, più getti servono e viceversa. (Francesi e tedeschi hanno 3 getti perché hanno purezze al denso maggiori dei sughi italiani). Per calcolare il numero dei getti necessari si deve tener conto principalmente di due circostanze: la purezza del denso da cui si parte e la qualità dello zucchero che si deve ottenere.
Fino a che punto dobbiamo raffreddare le massecotte?
Ogni getto ha un proprio limite massimo di raffreddamento!!!!
Il limite del raffreddamento è dato dal compromesso fra il numero di centrifughe a disposizione ed il rispetto impiantistico delle stesse.
67
Il processo produttivo: produzione di melasso
Il melasso che si ottiene a Qz = 60 contiene 1,5 parti di zucchero per 1 parte di Nz.
Facciamo il caso più semplice dove da una massacotta a Qz = 90, otteniamo uno scolo a Qz = 75 ed un melasso a Qz = 60.
Nel caso ipotizzato si avrà: Ip 1 = 90/10 = 9 (zucchero nella massacotta) Ip 2 = 75/25 = 3 (zucchero nello scolo) Ip 3 = 60/40 = 1,5 (zucchero nel melasso)
La quantità di saccaromelasso, rispetto al saccarosio entrato in lavorazione, dipende dal rapporto iniziale fra Z e Nz nel sugo denso, cioè dalla purezza.
Se il Qz iniziale è 90 o 92 si hanno rispettivamente i rendimenti calcolati con la seguente formula:
100 * ( Qz1 – Qz2) R = ---------------------------------- . (100/Qz1) = (100 – Qz2) (( Ip 1 – Ip 3) / Ip1 ) *100 Con Qz = 90 R = (( 9 – 1,5) / 9) * 100 = 83,3 % zz da S.D. (saccmel = 16,7%) Con Qz = 92 R = (( 11,5 – 1,5) / 11,5) * 100 = 87 % zz da S.D. (saccmel = 13 %)
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Il processo produttivo: le bolle continue
Bolla continua tipo BMA VKT verticale
69
Il processo produttivo: le bolle continue
Bolla continua orizzontale tipo FCB
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Il processo produttivo: cristallizzatori
Cristallizzatori TOURY per massacotte prodotto di basso
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Il processo produttivo: cristallizzatori sotto vuoto
Cristallizzatori MET Con 3 camere
utilizzato per: •MC zucchero 1 ° greggio •MC zucchero bianco 72
Processo produttivo
: la centrifugazione
La centrifugazione è un‟operazione meccanica per mezzo della quale, in una massacotta prodotta nella fase di cottura, vengono separati i cristalli di zucchero dall‟acqua-madre ( o scolo) che li accompagna per mezzo della forza centrifuga e successivamente il cristallo viene affinato.
Perciò la fase di centrifugazione può essere divisa in due momenti: 1.
Separazione del cristallo dallo scolo madre 2.
Affinaggio del cristallo 73
Processo produttivo
: la sedimentazione
È noto il fenomeno della sedimentazione di un corpo solido ad alta densità miscelato ad un fluido a densità più bassa. Questo fenomeno fisico è dovuto al principio di Archimede : dal momento che la massa del fluido spostato M l è minore di quella M s ad ambedue è applicata del solido che lo sposta, e l‟accelerazione di gravità
g
, si avrà una forza risultante pari a (M s - M l ) x g applicata al solido; questa forza causa appunto il movimento di sedimentazione. Se si considera poi la legge di Stokes sul moto dei solidi in mezzi viscosi, si verifica che la velocità terminale di sedimentazione della particella solida è proporzionale alla forza applicata, e quindi all'accelerazione assicurata, nella sedimentazione ordinaria, dal campo gravitazionale terrestre. Appare quindi naturale la ricerca di mezzi atti ad aumentare il valore dell'accelerazione applicata alla sospensione solido-liquido: il metodo più semplice consiste nel sostituire (o integrare) l'accelerazione di gravità con l'accelerazione centrifuga generata da un moto circolare uniforme.
74
Processo produttivo
: la Centrifugazione
Essendo il cristallo più pesante del liquido che lo circonda la separazione può avvenire per sedimentazione grazie alla forza peso che si esercita sul cristallo data dalla accelerazione di gravità g applicata alla massa m del cristallo.
Dato che la differenza del peso tra il cristallo ed il liquido è molto piccola (densità del cristallo 1,50 kg/dm3; densità del liquido 1,35 kg/dm3) e che la viscosità del liquido è molto elevata si ottiene che la sedimentazione per sola gravità richiede tempi molto lunghi.
E‟ questo comunque il sistema utilizzato fino al secondo Dopoguerra per la separazione dei cristalli dallo scolo madre (utilizzo di contenitori conici con una apertura sul fondo per lo “scolamento” del liquido). Con l‟avvento delle centrifughe l‟operazione è stata decisamente velocizzata e inoltre è possibile effettuare una ottima pulizia del cristallo (washing).
75
Processo produttivo
: Z factor
In pratica ci dice di quante volte sulla massa del cristallo
m,
l‟accelerazione è maggiore di
g a,
che viene applicata . Considerando che le moderne centrifughe hanno una velocità di rotazione di oltre 1000 rpm e cesti con diametri superiori ai 1000 mm, si ottengono dei fattori Z di oltre 1000 g quindi si possono ottenere velocità di sedimentazione decisamente elevate con conseguente riduzione dei tempi necessari e con un notevole aumento dell‟efficacia di separazione dello sciroppo dal cristallo.
Nel processo di separazione dei cristalli dal liquido madre di una massa cotta, di cui i cristalli sono il 50-55%, sono coinvolte due distinte operazioni: 1 – l‟allontanamento dello sciroppo e la sua rapida separazione lasciando un film il più possibile piccolo attorno al cristallo 2 – l‟operazione di pulizia (washing) consistente nella rimozione del film di sciroppo dalla superficie del cristallo per mezzo di idoneo liquido di lavaggio. Generalmente acqua di condensa 76
Processo produttivo
: la centrifugazione
In pratica con la centrifuga non si fa altro che applicare comunque la tecnica della sedimentazione, ma invece di avvalersi della forza peso ovvero dell‟accelerazione di gravità g ci si avvale della forza centrifuga applicando una accelerazione determinata dalla velocità di rotazione e dalla dimensione del cesto (basket).
Definita come
v
la velocità di rotazione e centrifuga
a
è data da:
a = v 2 /r
Nel moto circolare uniforme la velocità
v
angolare
omega v = r * omega r
il raggio del cesto è data dal raggio
r
l‟accelerazione per la velocità Quindi la forza centrifuga
Fcen Fcen = m * a = m * v 2
che si applica sul cristallo di massa
/r = m * r * omega 2 m
sarà: Relazionando la forza di gravità
Fgr = m * g
alla forza centrifuga
Fcen / Fgr = (m * r * omega 2 ) / (m * g) = r * omega 2
Dato che m * omega 2 = a (accelerazione centrifuga) si ha:
/ g Fcen
si ha:
Fcen / Fgr = a / g
Questo rapporto lo si definisce con il simbolo Z e prende il nome di fattore di separazione (separation factor Z) 77
Processo produttivo
: la centrifugazione
Forza centrifuga e fattore di separazione Un importante parametro di efficacia centrifuga è la forza erogata dall‟accelerazione centrifuga, correlata alla velocità di rivoluzione.
L‟uso delle centrifughe permette la separazione della parte solida dalla parte liquida del miscuglio in tempi molto brevi. La centrifugazione ha quindi il grosso vantaggio di essere un processo abbastanza rapido.
Per la separazione è necessario che esista una sufficiente differenza di peso specifico fra le sostanze che si vogliono separare, oppure che sia apposto un ostacolo materiale allo spostamento di una delle sostanze: p. es. una parete filtrante, come negli
idroestrattori
.
78
Processo produttivo
: la centrifugazione
Un corpo pesante
P
kg che ruota intorno ad un asse, con raggio di rotazione
r
metri, compiendo
n
giri al minuto primo, è soggetto a una forza centrifuga kilogrammetri sec 2 ).
C
(in Siccome la forza centrifuga è proporzionale al raggio di rotazione e al quadrato del numero dei giri, si può portarla a valori molto alti aumentando la velocità di rotazione.
79
Processo produttivo
: la centrifugazione
Idroestrattori
Servono a separare liquidi da solidi eliminandoli attraverso una rete o una tela filtrante disposta contro il
paniere
rotante che trattiene il solido.
Aumentando l'effetto centrifugo si può naturalmente diminuire l'umidità residua; analogamente aumentando il tempo di centrifugazione. Lo spessore di materiale per ogni carica può essere variabile; va limitato per materiali finissimi o quando si vuole un buon lavaggio. Il riempimento può essere fatto a recipiente girante a bassa velocità; si deve evitare che il materiale si costipi troppo inizialmente, perciò si dovrà tenere bassa la velocità immettendo poco prodotto.
80
Processo produttivo
: la centrifugazione
La macchina chiamata
Idroestrattori
“idroestrattore centrifugo”, o più comunemente centrifuga, è costituita essenzialmente da un paniere metallico forato, perfettamente bilanciato e dinamicamente equilibrato, guarnito al suo interno da reti metalliche e lamiere forate (chiamate “veli”) a basso spessore, in ottone o in acciaio inossidabile o leghe nichel-cromo, con fori piccolissimi tondi od oblunghi, in grado di trattenere i cristalli di zucchero, ma di lasciar passare l‟acqua madre (o scolo), che viene perciò espulsa dal paniere con la forza centrifuga creata dal movimento rotatorio del paniere stesso.
Il carico nelle centrifughe auto equilibranti deve essere fatto con molta cura.
Per il lavaggio il metodo migliore è a mezzo di spruzzatori a getti sottili e non violenti.
Le centrifughe si distinguono in “continue” e “discontinue” in base alle loro caratteristiche costruttive e secondo determinati criteri di funzionamento.
81
Processo produttivo
: la centrifugazione
Centrifughe discontinue con cestello forato
Sono centrifughe ad asse verticale dotate di cestello forato cilindrico con gestione automatica del ciclo e dello scarico.
Il ciclo tipico è il seguente: • Alimentazione della massacotta • Centrifugazione • Lavaggio del pannello • Centrifugazione finale • Scarico del prodotto • Lavaggio del paniere 82
Processo produttivo
: la centrifugazione
Tenendo presente che il fattore di separazione dipende dalla velocità di rotazione, il diagramma fattore Z/tempo mostra che solo una piccola frazione (200-400) è disponibile per la rapida separazione dello scolo.
Filling = carica Acceleration= accelerazione Max speed of rotation = velocità di massima rotazione Braking = frenata Discharging = scarico 83
Processo produttivo
: la centrifugazione
Centrifughe discontinue con cestello forato
Vengono caricate con una certa quantità di massacotta attraverso una valvola servocomandata ad apertura completa, del tipo a ghigliottina o a farfalla, mentre il paniere gira ancora piuttosto lentamente. Finita la carica, determinata dalla capacità geometrica del paniere, la macchina sale velocemente di giri fino a raggiungere quelli massimi consentiti.
Durante l‟accelerazione viene evacuato lo scolo madre e si inserisce il lavaggio. I due sciroppi sono tenuti separati tramite il cambio scoli. La macchina poi accelera e resta in rotazione per un tempo stabilito dalla tipologia della massacotta introdotta durante la quale espelle gran parte dell‟umidità residua; passato il quale, la macchina va in frenatura e, a bassi giri, per mezzo di un dispositivo chiamato “vomere”, lo zucchero rimasto nel paniere viene rimosso e scaricato, rendendo così disponibile la macchina per un ciclo successivo.
Per questo le centrifughe discontinue sono dette anche “a cicli ripetuti”.
84
Processo produttivo
: la centrifugazione
Centrifughe continue con cestello forato
Si tratta di centrifughe ad asse verticale dotate di cestello conico con funzionamento continuo, quindi con carico e scarico del materiale senza interruzioni o variazioni di velocità.
Vengono messe in marcia e poste in rotazione massima (fino a circa 1200-1500 giri al minuto); quindi vengono alimentate con una ben dosata quantità di massacotta, uscente da una valvola dosatrice con otturatore a sezione variabile detto “a iride” o a fungo, regolato generalmente da un predispositore di assorbimento di corrente elettrica del motore di comando, ossia la valvola dosatrice si apre fino a quando il motore assorbe la corrente prefissata.
La massacotta, che scende al fondo del paniere, che in questo caso è conico, risale rapidamente verso il bordo superiore del paniere disponendosi in uno strato sottile e perdendo lo scolo nel tragitto.
Quindi in una centrifuga continua in funzione c‟è pochissima massacotta e pochissimo zucchero all‟interno del paniere e la materia (zucchero e scolo) è sempre in movimento dal basso verso l‟alto, fino all‟espulsione dei cristalli.
85
Processo produttivo
: la centrifugazione
86
Condizionamento zucchero
Il condizionamento dello zucchero rappresenta un aspetto critico per la conservazione del prodotto; umidità, temperatura e distribuzione granulometrica sono i parametri di riferimento per una corretta stabilità nel tempo delle caratteristiche dello zucchero.
Nel corso degli anni si è assistito a interventi di miglioramento impiantistico che hanno influito sull‟efficienza sia in termini energetici che di processo.
87
Condizionamento zucchero
Aspetti teorici - Umidità
UMIDITA’ ZUCCHERO
acqua inclusa: è quella parte di sciroppo inclusa nel cristallo durante la cristallizzazione acqua di confine: strettamente aderente ai cristalli sotto forma di soluzione fortemente concentrata (fase di passaggio delle molecole tra soluzione e cristallo) acqua libera: presente come soluzione più diluita intorno al cristallo
UMIDITA’ RELATIVA DI EQUILIBRIO (ERH)
Rappresenta il valore di umidità relativa dell‟aria dove la tensione di vapore della soluzione del film adeso al cristallo eguaglia la pressione parziale del vapore dell‟aria 88
Condizionamento zucchero
Isoterme di equilibrio
l’andamento Rappresentano dell’umidità dello zucchero in funzione dell’umidità relativa dell’aria a contatto con esso e riportano il luogo di punti dove, per una certa temperatura e per un certo tipo di zucchero: p H2O = p v
La tensione di vapore dell‟acqua presente nel film (p L‟umidità relativa H2O ) è proporzionale all‟umidità relativa di equilibrio (ERH).
di equilibrio rappresenta il valore di umidità relativa dell‟aria che circonda lo zucchero dove la tensione di vapore della soluzione del film uguaglia la pressione parziale del vapore dell‟aria : 89
Condizionamento zucchero
Isoterme di equilibrio
Quindi nel caso si abbia p H2O < p v lo zucchero tenderà a diventare umido e nel caso p inaridirsi. H2O > p v lo zucchero tenderà a Questi equilibri vengono rappresentati dalle curve (isoterme di equilibrio) che danno l‟andamento dell‟umidità dello zucchero in funzione dell‟umidità relativa dell‟aria ambiente a contatto con esso.
Le curve costituiscono il luogo di punti dove, per una certa temperatura e per un certo tipo di zucchero, p H2O = p v (vengono ricavate sperimentalmente) 90
Condizionamento zucchero
Essiccamento
91
Condizionamento zucchero
Raffreddamento
Lo stoccaggio di zucchero a temperatura elevata comporta un doppio effetto: - la maggiore temperatura fa diminuire l‟umidità relativa dell‟aria l‟ERH dello zucchero aumenta all‟aumentare della temperatura Quindi il prodotto tenderà, per portarsi in equilibrio, a cedere dell‟acqua
La corretta temperatura di stoccaggio dovrebbe essere a 30
°
C
Tutti quei fenomeni che portano a spostamenti del punto di equilibrio sono critici per l‟innesco della catena dell‟impaccamento
Dimensione dei cristalli
Correzione delle frazioni granulometriche per eliminare cristalli o agglomerati > 2,5 mm e la frazione fine < 0,2 mm 92
Condizionamento zucchero
La tecnologia
• • Le tecnologie principali disponibili possono essere così raggruppate: TAMBURO ROTANTE > essiccatori a tamburo > essiccatori e raffreddatori combinati a tamburo > LETTO FLUIDO > raffreddatori essiccatori e a tamburo raffreddatori > essiccatori e raffreddatori a letto fluido (aria, statici) a letto fluido (aria, vibro) > acqua, orizzontali) > raffreddatori raffreddatori a letto fluido con circuito di raffreddamento (aria + a letto fluido con circuito raffreddamento (aria + acqua, verticali) • BULK FLOW > raffreddatori bulk flow (acqua, verticali) 93
Condizionamento zucchero
Essiccatori
- Gli essiccatori a tamburo rotante
TAMBURO
sono riconosciuti come dei sistemi efficaci e affidabili, dove si ha una ridotta formazione di agglomerati e sopportano maggiormente le variazioni qualitative del prodotto. Possono essere combinati con essiccamento e raffreddamento e con flussi in equi o controcorrente.
LETTO FLUIDO
- Sono nati come sistemi di raffreddamento dello zucchero per poi essere usati anche come essiccatori.
Il principio si basa sul fatto che quando dell’aria viene inviata su uno strato di zucchero, questo si espande ed i cristalli hanno un comportamento simile ad un fluido 94
Condizionamento zucchero
Raffreddamento
Il raffreddamento dello zucchero ad una temperatura di 30 ° C è lo standard per il corretto stoccaggio nel silo 95
Condizionamento zucchero
Letto fluido - verticale
Struttura compatta Riduzione della portata di aria (50 a 80% in meno rispetto al modello orizzontale) Ridotti trascinamenti di polveri, l’aria in uscita passa su un piccolo filtro depolveratore Date le ridotte portate di aria in ingresso, essa può essere deumidificata efficientemente 96
Condizionamento zucchero
Letto fluido - orizzontale
Ridotto ingombro strutturale Elevata efficienza L‟inserimento di un circuito di raffreddamento ad acqua permette di recuperare notevole efficienza dell‟impianto 97
Condizionamento zucchero
Bulk - flow
Raffreddamento: ACQUA Struttura compatta Basso consumo energetico Nessun utilizzo di aria: riduzione del rischio di contaminazione del prodotto: per odori e microbiologia temp ° C – zucc. in ingresso Temp ° C – zucc. in uscita Potenzialità t/h Temp. ° C – acqua in ingresso Temp ° C – acqua in uscita
DATI MEDI
43 28 70 18 24 98
Condizionamento zucchero
Impianto di condizionamento
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Condizionamento zucchero
Vagliatura
Vagli Mogensen Sizer da 25 t/h per vaglio
> Separazione statistica > Alta capacita‟ di vagliatura in relazione alle dimensioni del vaglio Il movimento vibratorio che viene generato nel centro di gravità della macchina si sviluppa su una vibrazione ellittica. Questo genera un‟accelerazione del materiale in ingresso che viene rapidamente vagliato.
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Condizionamento zucchero
Caratteristiche del vaglio
Diversi piani vaglianti (4 piani) Inclinazione delle dell’apertura reti della maglia cresce al diminuire La forte inclinazioni delle reti consente di adottare ampiezze di maglie particolarmente elevate, superiori alla necessità imposta dal taglio reale desiderato L’inclinazione delle reti elimina il problema della granulometria limite, a cavallo del taglio stabilito, responsabile dell’intasamento delle reti 101
«Quelli che si innamorano di pratica senza scienza, son come il nocchiere, ch’entra in un navilio senza timone o bussola, che mai ha certezza dove si vada. Sempre la pratica deve essere edificata sopra la bona teorica».
Leonardo da Vinci
GRAZIE
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