Classe delle Operazioni Unitarie di Cottura

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1 Classe delle Operazioni Unitarie di Cottura E una classe di operazioni unitarie di trasformazione che permettono mediante il calore di modificare la struttura, la composizione chimica e biologica di un prodotto crudo così da renderlo commestibile o più gradito e sicuro. Numerose sono le terminologie usate per descrivere la cottura: in forno, arrostimento, grigliatura, bollitura, frittura, brasatura,.. Si possono differenziare in funzione della tipologia di trasporto di calore: - Cottura in forno: propriamente detta, sottovuoto, arrostimento, tostatura,.. - Cottura su piastra - Cottura a MW - Cottura per estrusione - Cottura per immersione: bollitura, frittura. Processi di Produzione degli Alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/2019 1

2 Cottura in forno propriamente detta E un trasporto combinato di calore e di materia (soprattutto acqua) che determina una serie di fenomeni a carico dei componenti del prodotto tali da fargli assumere le volute caratteristiche di prodotto cotto. La fenomenologia della cottura dipende dalle caratteristiche dell aria (temperatura, UR, velocità, dalla tipologia del trasporto di calore, ) e dalla composizione e struttura del prodotto crudo. Possiamo distinguere una cottura in aria a T > 100 C (ad es. nella produzione dei prodotti da forno, nella ristorazione collettiva) e una cottura in aria con T < 100 C (ad es. nella produzione dei salumi cotti, nella ristorazione collettiva). Processi di Produzione degli Alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/2019 2

3 Cottura in aria a T > 100 C: fenomenologia Al trasporto di calore si associano fenomeni di trasporto di materia per convezione, ebollizione e diffusione. Processi di Produzione degli Alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/2019 3

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8 Cottura in aria a T > 100 C: fenomenologia Il trasporto di calore dal forno verso la superficie del prodotto (es. pane, ) determina un aumento della temperatura superficiale ed avvia un fenomeno di trasporto di calore conduttivo verso l interno del prodotto. Simultaneamente si verifica un trasporto convettivo di materia (evaporazione) tra la superficie del prodotto e l aria e una diffusione di acqua verso la superficie (vedi prime due fasi dell essiccamento in corrente d aria). Quando la superficie raggiunge i 100 C, la disidratazione avviene istantaneamente per ebollizione, portando alla completa disidratazione della superficie. La superficie disidratata torma ad aumentare di temperatura ed il fronte di evaporazione a 100 C regredisce nello strato sottostante. A questo punto il trasporto di calore e di materia si diversifica tra uno strato disidratato (crosta), uno strato umido (mollica) e un fronte intermedio di evaporazione (zona di contatto/rottura tra crosta e mollica). Processi di Produzione degli Alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/2019 8

9 Cottura in aria a T > 100 C: fenomenologia Tutti i fenomeni sono non stazionari. Possibili varianti: - aumentare i fenomeni alla superficie.. - diminuire i fenomeni alla superficie... Processi di Produzione degli Alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/2019 9

10 Cottura in aria a T < 100 C: fenomenologia Il trasporto di calore dall aria calda del forno verso la superficie del prodotto determina per convezione un aumento della temperatura superficiale ed avvia un fenomeno di trasporto di calore conduttivo verso l interno del prodotto. Simultaneamente si verifica un trasporto convettivo di materia (evaporazione) tra la superficie del prodotto e l aria e una diffusione di acqua verso la superficie (vedi le fasi dell essiccamento in corrente d aria). Profili di temperatura!!!! Tutti i fenomeni sono non stazionari. Possibili varianti: - aumentare i fenomeni alla superficie.. - diminuire i fenomeni alla superficie... Processi di Produzione degli Alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/

11 Temperatura ( C E ffetto della posizione h 12h 10h 8h 6h h 2h D imensione radiale (cm) Condizione operativa Valore Diametro del solido 30 cm Altezza del solido 20 cm Diffusività termica del solido m 2 /s Temperatura iniziale del solido 10.5 C Temperatura esterna 75 C Numero di Biot >>40 Processi di Produzione degli Alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/

12 Temperatura ( C) Effetto delle dimensioni nel centro geometrico 10 cm x 15 cm 12 cm x 17 cm 15 cm x 20 cm Tempo (h) 20 cm x 30 cm Condizione operativa Valore Diffusività termica del solido m 2 /s Temperatura iniziale del solido 10.5 C Temperatura esterna 70 C Numero di Biot >>40 Processi di Produzione degli Alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/

13 Temperatura ( C) Effetto della diffusività termica h h 6h 4h 2h Dimensione radiale (cm) Condizione operativa Diametro del solido Altezza del solido Valore 30 cm 20 cm Diffusività termica del solido m 2 /s Temperatura iniziale del solido 5 C Temperatura esterna 20 C Numero di Biot >>40 Processi di Produzione degli Alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/

14 Temperatura ( C Effetto della diffusività termica h h 6h 2h 4h Dimensione radiale (cm) Condizione operativa Diametro del solido Altezza del solido Valore 30 cm 20 cm Diffusività termica del solido m 2 /s Temperatura iniziale del solido 5 C Temperatura esterna 20 C Numero di Biot >>40 Processi di Produzione degli Alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/

15 Cottura in forno pd: progettazione Si vuole prevedere il tempo di cottura. Si devono conoscere i fenomeni chimici e biochimici che avvengono in cottura a carico del prodotto e le loro cinetiche in funzione delle condizioni operative (temperatura, ). Si devono mettere in relazione le cinetiche delle suddette reazioni con i fenomeni di trasporto di calore e di materia. Attività complessa perché tutta i fenomeni non sono stazionari (risoluzione matematica dei modelli per punti/elementi e per tempi infinitesimi). Vie semplificate (vedi tabella, soluzioni grafiche Fourier e Fick). Processi di Produzione degli Alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/

16 Processi di Produzione degli Alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/

17 Cottura: macchine e impianti Processi di Produzione degli Alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/

18 Cottura in forno pd: macchine e impianti Processi di Produzione degli Alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/

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25 Temperature "vecchio" forno 14/05/2013 Temperature "nuovo" forno C C Ore Estremità Centro Estremità Centro ,6 97,4 93,3 91, ,8 96,8 94,1 88, ,3 97,8 91,6 91, ,4 96,9 90,2 89, ,0 96,8 98,2 93, ,8 97,5 89,9 91, ,8 97,7 88,5 88, ,1 97,3 88,9 89, ,6 96,9 90,6 91, ,2 97,4 90,6 93, ,2 96,6 92,9 94, ,0 97,2 91,8 91,7 DS DS DS DS Temperatura media 97,2 0,7 97,2 0,4 91,7 2,5 91,3 1,7 Temperatura media 97,2 0,5 91,5 2,2 Processi di Produzione degli Alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/

26 16/05/2013 Biscotti "nuovo" forno Biscotti "vecchio" forno Umidità (%) Umidità (%) Estremità Centro Estremità Centro 4,45 4,41 6,65 5,62 4,22 4,81 5,62 5,14 5,33 4,52 5,72 5,54 4,94 3,47 6,21 6,1 4,16 5,87 5,96 4,8 5,24 4,59 6,37 5,6 4,34 4,45 5,47 6,25 4,9 4,39 6,2 4,43 4,23 4,91 5,76 6,99 4,78 4,76 5,97 5,92 4,12 4,95 6,11 6,12 5,13 4,23 5,69 5,76 DS DS DS DS Umidità media 4,65 0,43 4,61 0,53 5,98 0,33 5,69 0,65 Umidità media 4,63 0,4 9 5,83 0,5 4 Processi di Produzione degli Alimenti - ZANONI/CANUTI - AA 2018/