Il software dedicato ad applicazioni di fluidodinamica computazionale, o CFD (Computational Fluid Dynamics), viene in genere associato ad ambiti ingegneristici e contesti di progettazione con un livello tecnologico estremamente elevato: per esempio il settore automobilistico o quello aerospaziale. Tuttavia, da diversi anni, i tool CFD si stanno diffondendo anche nell’industria food & beverage, sempre più sofisticata. L’adozione della simulazione numerica nello sviluppo di attrezzature per la preparazione di prodotti alimentari o bevande consente, infatti, di ottenere diversi vantaggi, tra i quali uno importante è la riduzione del time-to-market nella progettazione e rilascio dei macchinari.
Preparazioni alimentari: metodologie sempre più sofisticate
Oggi i consumatori, assieme alla convenienza, prestano sempre maggiore attenzione anche alla qualità e sicurezza del cibo che acquistano. E ciò, di conseguenza, ha spinto le imprese del comparto a sviluppare metodologie e processi innovativi di preparazione degli alimenti. Qui, la simulazione numerica e i software CFD specializzati nell’analisi del comportamento di un sistema in un’applicazione reale (in cui le dinamiche dei flussi di fluidi sono l’elemento guida), si rivela molto utile, per esempio per elaborare modelli e studiare la distribuzione della temperatura durante i trattamenti termici a cui gli alimenti vengono sottoposti.
Metodi come la pastorizzazione e la sterilizzazione, ampiamente utilizzati, sono fondamentali per garantire la sicurezza dei cibi preparati ed estendere la loro vita utile: alimenti come verdura, frutta, latte, pesce, pollame risulterebbero altrimenti velocemente deperibili. Da questo punto di vista, i trattamenti termici, rispetto ad altre tecniche, sono considerati la più affidabile ed efficace tecnologia di conservazione. Il calore viene somministrato al prodotto tramite iniezione nel contenitore di vapore o acqua calda a determinate pressioni; la durata stabilita per tali processi garantisce la distruzione dei microrganismi patogeni. Il problema è però progettare un processo corretto, in cui il trattamento termico, con i relativi parametri di temperatura, pressione, durata dell’esposizione, risulti sufficiente a fornire il grado di sterilizzazione desiderato, senza però causare danni collaterali capaci di compromettere la qualità del prodotto e degradare le sue caratteristiche nutrizionali e organolettiche.
Per far questo, è fondamentale prima comprendere a fondo come funziona il processo di trasferimento del calore in tali applicazioni; poi, in un secondo tempo, si arriva a definire quali sono le condizioni in cui il trattamento termico può raggiungere la massima efficacia a seconda di ogni singola tipologia di alimento.
Risparmiare tempo con la simulazione
Analizzare in profondità la meccanica e la dinamica dei fluidi in una varietà di processi che comprendono differenti trattamenti - non solo pastorizzazione e sterilizzazione, ma anche refrigerazione, essiccazione, disidratazione, cottura, congelamento, surgelazione, miscelazione di diversi componenti - è di norma un lavoro lungo, difficile e costoso da eseguire, utilizzando i tradizionali metodi di laboratorio. Si tratta infatti di fenomeni altamente complessi e difficilmente isolabili in sperimentazioni convenzionali.
Ed è a questo livello che il software di simulazione specializzato viene in aiuto ai progettisti di attrezzature (forni di cottura, refrigeratori, serbatoi di miscelazione, atomizzatori, scambiatori di calore) e agli ingegneri di processo: la simulazione numerica aiuta a descrivere e predire non solo il comportamento dei flussi di fluidi, ma anche il trasferimento di calore, massa; i cambiamenti di fase, le reazioni chimiche, i movimenti meccanici, gli effetti di stress o deformazione. E tutti questi fenomeni possono essere studiati in molto meno tempo e a costi contenuti, rispetto ai normali ritmi di laboratorio: diventa poi anche più facile e rapido esplorare nuove strade, per esempio quando si devono creare scenari “what if” e ottenere risultati con tempestività, oppure quando occorre scalare verso l’alto un modello; o, ancora, quando serve simulare condizioni in cui non risulterebbe possibile eseguire dal vivo misurazioni dettagliate, come nel caso di applicazioni caratterizzate da elevata temperatura o di ambienti ostili e pericolosi.
