Innovazioni: food engineering* e simulazione multifisica*

Nella foto: preparazione di un sorbetto alla frutta con l’utilizzo di ultrasuoni. Inserimento del sistema Getwave nella gelatiera.

food engineering* ingegneria alimentare (nota anche come “food engineering”) è un ramo dell’ingegneria che si occupa della progettazione, sviluppo e gestione dei processi di produzione e trasformazione degli alimenti. Si tratta di un’area di specializzazione che combina conoscenze scientifiche, ingegneristiche e tecnologiche per garantire la qualità, la sicurezza e l’efficienza dell’intera filiera agroalimentare.

La crescente attenzione verso l’efficienza e la sostenibilità nella filiera agroalimentare sta spingendo le aziende a ricorrere sempre più spesso alla *simulazione multifisica, uno strumento in grado di prevedere il comportamento di alimenti e processi prima della loro realizzazione fisica.

Che cos’è la simulazione multifisica

La simulazione multifisica è un metodo computazionale che consente di modellare e analizzare sistemi complessi in cui interagiscono più fenomeni fisici. Questi fenomeni possono riguardare diversi ambiti della fisica, come fluidodinamica, termodinamica, elettromagnetismo, meccanica strutturale e chimica.
La possibilità di prevedere il comportamento reale di fenomeni complessi in diverse situazioni rende la simulazione multifisica un alleato prezioso nella progettazione e nell’ottimizzazione di dispositivi e processi. Il suo utilizzo riduce infatti la necessità di prototipi e consente di migliorare il time to market.

Come viene usata la simulazione nell’industria alimentare

La simulazione multifisica ha un ruolo importante nel food engineering, soprattutto in ambito R&D, ma anche in altre fasi della filiera. È infatti estremamente utile per lo sviluppo di nuovi prodotti: permette di testare virtualmente nuove tecnologie, evitare difetti strutturali e anche prevedere come ingredienti e processi possono influenzare le caratteristiche del prodotto. La possibilità di simulare le reazioni chimiche tra gli ingredienti durante la produzione consente inoltre di ottimizzare le ricette già esistenti.

Un software di simulazione come COMSOL Multiphysics® consente di studiare l’intero ciclo di vita dei prodotti e le loro modalità di produzione, identificando strategie per ridurre il consumo di risorse e migliorare la sostenibilità. Anche i processi di conservazione possono essere perfezionati: la simulazione permette di prevedere, per esempio, come le variabili ambientali (temperatura, umidità, pressione) possano influenzare la durata degli alimenti.

La simulazione è ampiamente utilizzata anche per la progettazione di attrezzature e macchinari, perché consente di simulare il loro funzionamento prima ancora della prototipazione, risparmiando tempi e costi di sviluppo.
Il software COMSOL Multiphysics, in particolare, offre anche la possibilità di trasformare i modelli in vere e proprie app di simulazione. Queste app possono essere usate anche da chi non ha un’esperienza specifica in questo campo. in questo campo.

Ridurre gli sprechi alimentari con la simulazione

È utile delineare come l’utilizzo della simulazione multifisica nel food engineering offra, tra gli altri vantaggi, la possibilità di ridurre gli sprechi alimentari.
L’ottimizzazione dei processi termici, per esempio, passa attraverso la modellazione del trasferimento di calore nei forni, nei pastorizzatori e nei congelatori. Poter controllare e prevedere la convezione termica in un forno o la distribuzione del calore all’interno di un prodotto permette di ridurre il rischio di surriscaldamenti e raffreddamenti non uniformi, che possono rovinare il prodotto con conseguenti sprechi. Anche lo studio del riscaldamento elettromagnetico può aiutare a ottimizzare le bobine all’interno dei piani a induzione o la progettazione dei forni a microonde.

L’efficienza della catena del freddo, d’altra parte, è essenziale per migliorare la conservazione dei prodotti, anche durante il trasporto, e aumentare la shelf life. Comprendere come si comporta una camera di refrigerazione o dove posizionare un’unità di refrigerazione in celle frigorifere su un camion può avere un impatto significativo sulla riduzione degli sprechi alimentari e ridurre il consumo energetico degli impianti.
Tra i processi che possono trarre vantaggio dalla simulazione multifisica ricordiamo anche essiccazione e liofilizzazione: l’analisi del trasporto di umidità aiuta a ridurre il consumo energetico e migliorare la qualità del prodotto finale.

La simulazione per migliorare produzione e packaging

Un altro aspetto in cui la simulazione può offrire vantaggi tangibili è la riduzione degli sprechi nelle linee di produzione. Analizzare il flusso dei materiali nelle linee individuando punti critici può aiutare a evitare il sovradosaggio e gli sprechi di materia prima. Attraverso analisi fluidodinamiche è possibile, per esempio, ottimizzare i processi di miscelazione per evitare separazioni di fase e instabilità nelle emulsioni, oppure ottimizzare il riempimento di contenitori riducendo gli scarti di prodotto.

Anche il packaging è un aspetto delicato per la conservazione degli alimenti e la riduzione degli sprechi. La simulazione multifisica consente di testare diverse configurazioni di confezionamento, ottimizzando la protezione del prodotto e riducendo l’utilizzo di materiali superflui. La scelta di materiali più adatti e sostenibili e della forma più adeguata permette di ridurre l’impatto ambientale.
Questi sono soltanto alcuni esempi di utilizzo della simulazione nell’industria alimentare per limitare gli sprechi.

Tra le tecnologie che beneficiano della simulazione multifisica ci sono anche gli ultrasuoni. Gli ultrasuoni rappresentano un altro splendido esempio di come l’innovazione tecnologica possa giocare un ruolo cruciale nel ridurre gli sprechi e ottimizzare i processi produttivi.

Gli ultrasuoni e la simulazione nell’industria alimentare

Ultrasuoni e alimentazione – L’uso degli ultrasuoni nel mondo del ‘food’ sta guadagnando sempre più attenzione perché consente di migliorare l’efficienza delle lavorazioni, ridurre i tempi di processazione e limitare gli scarti. Questa tecnologia, basata sulla propagazione di onde acustiche ad alta frequenza, sta trasformando diversi aspetti della produzione alimentare, garantendo maggiore sostenibilità ed efficienza.

Gli ultrasuoni di potenza utilizzano onde sonore con frequenze comprese tra i 20 e i 40 kHz, che possono interagire con le matrici alimentari generando fenomeni come cavitazione, vibrazione meccanica e riscaldamento localizzato. Questi effetti possono essere sfruttati per migliorare la qualità del prodotto e ridurre i consumi energetici.

L’utilizzo degli ultrasuoni di potenza nel settore agroalimentare è uno degli ambiti in cui è attiva Everywave, spin-off della società Unitech Ultrasonics, entrambe site a Villa del Conte (PD).
Racconta Lorenzo Spicci, progettista in Everywave: “I nostri sistemi a ultrasuoni di potenza sono impiegati in numerose applicazioni nel settore alimentare, tra cui: l’estrazione di composti da matrici vegetali in acqua, solventi idroalcolici o a base oleosa; l’aromatizzazione di bevande (in particolare analcoliche); la produzione di miscele o emulsioni funzionali; la modifica di strutture proteiche o fibrose in alimenti complessi come uova, latte e carne. Tra le applicazioni ‘a secco’, il taglio ultrasonico è ampiamente adottato per una vasta gamma di prodotti solidi come: torte, merendine e panificati, garantendo precisione e pulizia nel processo”.

Gli ultrasuoni contro gli sprechi alimentari

L’uso degli ultrasuoni è di grande aiuto per ridurre gli sprechi: nei processi di marinatura e infusione accelera la diffusione dei liquidi all’interno del prodotto, riducendo drasticamente la durata del processo rispetto ai metodi tradizionali. Anche la cristallizzazione di zuccheri e grassi può essere ottimizzata, consentendo di migliorare la struttura di prodotti come cioccolato e latticini e di ridurre i tempi di solidificazione. Gli ultrasuoni facilitano la rimozione dell’acqua dagli alimenti, riducendo il tempo necessario per l’essiccazione e diminuendo il consumo energetico.

“In generale gli ultrasuoni di potenza possono essere considerati degli ‘acceleratori’ di processi quali estrazione, emulsione, miscelazione, taglio, ma favoriscono anche l’arricchimento o la modifica delle proprietà reologiche ed organolettiche degli alimenti”, spiega Spicci. “In altre parole, è possibile ottimizzare molti processi di produzione e trattamento di ingredienti alimentari, con riduzione dei tempi di lavorazione e maggiore ‘resa’ dell’ingrediente stesso”.

Il sonicatore per la ristorazione

Anche la ristorazione professionale sta cominciando a comprendere i vantaggi degli ultrasuoni. Proprio in collaborazione con Everywave, la Scuola Professionale Dieffe di Valdobbiadene ha offerto agli studenti del quinto anno la possibilità di sperimentare il sonicatore da banco GetWave, ovvero il dispositivo che consente di sfruttare le potenzialità degli ultrasuoni in cucina.

I ragazzi hanno testato l’uso del sonicatore in alcune preparazioni: l’impasto (poolish) del pane, l’intenerimento della fibra nei fagioli cannellini e per la realizzazione di gelato alla frutta, ottenendo un risultato più gustoso, con una migliore dispersione degli ingredienti e una struttura più fine e stabile. Hanno provato anche ad aromatizzare un cocktail con botaniche – agrumi e spezie: il processo è stato veloce ed efficace.

“Gli ultrasuoni si rivelano una tecnologia con potenzialità ancora inesplorate, che potrebbe rivoluzionare il settore con una cucina più rapida, efficiente e creativa”, ha dichiarato Marco Pesce, docente della Scuola, durante l’evento “Ultrasuoni in Cucina” che ha avuto luogo lo scorso 18 febbraio a Valdobbiadene. “Oltre a velocizzare la montatura, il sonicatore ha migliorato la cremosità di composti come meringhe e gelati e ha dato risultati molto interessanti nei lievitati”.

La simulazione e gli ultrasuoni

Per creare un dispositivo come il sonicatore GetWave, Everywave si affida alla simulazione multifisica. Questo approccio consente di studiare e prevedere il comportamento dei sistemi ultrasonici in diversi contesti operativi, ottimizzando le prestazioni e riducendo i costi di sviluppo. L’analisi delle onde acustiche e delle vibrazioni meccaniche aiuta a migliorare la trasmissione dell’energia ultrasonica nei materiali alimentari, aumentando l’efficacia del trattamento.

“La simulazione FEM con il software COMSOL Multiphysics (assieme al collegamento diretto al CAD) permette di realizzare modelli affidabili per progettare e modificare qualsiasi dispositivo di alta tecnologia, riducendo costi e tempi di realizzazione rispetto a qualsiasi altro strumento di progettazione”, conferma Spicci. “In particolare, per i sistemi a ultrasuoni di alta potenza la progettazione è relativamente semplice e diretta con i soli Structural Mechanics Module e Acoustics Module di COMSOL”.

Conclusioni

L’integrazione di simulazione multifisica e tecnologie a ultrasuoni rappresenta oggi una leva concreta per trasformare la produzione alimentare: meno sprechi, maggiore resa, sostenibilità reale. Un futuro possibile, già presente.

Fonte: Food Hub.it