Simulazione DEM nella produzione alimentare: vantaggi e casi pratici

La produzione alimentare è un processo complesso e articolato in più fasi, in cui efficienza, qualità e sicurezza sono fondamentali.

Il metodo degli elementi discreti (DEM)

Dalla gestione degli ingredienti al confezionamento finale, i produttori devono garantire che ogni fase funzioni in modo ottimale, riducendo al minimo gli sprechi e i costi di produzione. Il prototipaggio virtuale e la simulazione avanzata sono diventati strumenti indispensabili in questo ambito, consentendo agli ingegneri di progettare e ottimizzare i macchinari, migliorare l’affidabilità e accelerare lo sviluppo dei prodotti.

Una delle tecnologie di simulazione più potenti oggi disponibili è il metodo degli elementi discreti (DEM). Il software basato su DEM permette a ricercatori e ingegneri di analizzare il comportamento dei materiali granulari, come polveri e particelle alimentari. Grazie a questi strumenti, i produttori possono ottimizzare i processi di miscelazione, rivestimento, omogeneizzazione, trasporto pneumatico, fluidizzazione e scarico dai silos.

Questo articolo esplora il ruolo sempre più rilevante della simulazione nell’ottimizzazione e nella razionalizzazione della lavorazione degli alimenti.

Le sfide della produzione alimentare

La produzione alimentare implica la gestione di materiali sfusi, con sfide quali segregazione, formazione di agglomerati, usura delle particelle e distribuzione non uniforme dei rivestimenti. Garantire la qualità ottimizzando i parametri operativi richiede una conoscenza approfondita del comportamento dei materiali in diverse condizioni.

Le problematiche più critiche

Tra le problematiche più critiche vi sono la riduzione delle perdite di materiale per limitare i danni al prodotto e l’ottimizzazione dei flussi per prevenire sprechi. Evitare blocchi e fenomeni di segregazione assicura un prodotto uniforme e riduce le inefficienze. Inoltre, migliorare la progettazione delle macchine consente ai produttori di sviluppare attrezzature affidabili, facilitando la transizione dalla sperimentazione su scala di laboratorio alla produzione su larga scala.

Il ruolo della simulazione DEM nei processi alimentari

La simulazione DEM fornisce informazioni difficili da ottenere con i metodi tradizionali. Grazie al DEM, i produttori possono comprendere meglio il comportamento delle polveri modellando il loro flusso e quello dei materiali granulari in diverse condizioni. Inoltre, possono ottimizzare la progettazione delle apparecchiature testando varie configurazioni delle macchine in un ambiente virtuale, prima del prototipo fisico. L’efficienza del processo migliora grazie alla regolazione dei parametri operativi per aumentare la produttività e ridurre il consumo energetico, mentre la qualità del prodotto è garantita attraverso la previsione delle interazioni tra i materiali e l’ottimizzazione delle formulazioni.

Ottimizzazione dello stoccaggio e del trasporto

Stoccare e trasportare efficientemente le particelle alimentari è fondamentale per mantenere la continuità del processo e la qualità. La simulazione DEM analizza il comportamento di scarico in tramogge e silos, prevedendo il flusso, i rischi di intasamento, la tendenza alla segregazione del materiale, la capacità del sistema e i requisiti di potenza. Ottimizzando i sistemi di stoccaggio, i produttori possono prevenire costosi fermi macchina e garantire il funzionamento regolare. Le simulazioni dettagliate permettono agli ingegneri di esaminare diversi fattori che influenzano la gestione dei materiali sfusi, dalla distribuzione delle dimensioni delle particelle all’impatto dell’umidità sul comportamento del flusso. Comprendere queste variabili assicura soluzioni progettuali più efficaci e migliora l’affidabilità.

Miglioramento dei processi di estrusione

L’estrusione è un processo cruciale nella produzione alimentare, in particolare per prodotti come pasta, snack e cibo per animali.

La simulazione DEM consente agli ingegneri di analizzare le forze che agiscono sul materiale, prevedere l’integrità strutturale e l’uniformità dei prodotti estrusi e ottimizzare il throughput e il consumo di energia, migliorando così la consistenza del prodotto e riducendo le inefficienze operative.

Esaminando le variazioni di pressione e gli effetti delle modifiche alla formulazione, i produttori possono affinare le prestazioni degli estrusori, garantendo uniformità e minimizzando i requisiti energetici. L’integrazione dei risultati della simulazione nei flussi di lavoro di produzione consente un miglior controllo del processo e innovazione nello sviluppo di nuovi prodotti.

Migliore miscelazione e omogeneizzazione

Raggiungere una miscela uniforme degli ingredienti è essenziale. La simulazione DEM aiuta a identificare i modelli di miscelazione convettivi e diffusi, le zone morte in cui la miscelazione è inefficiente e l’impatto della dimensione, forma e densità delle particelle sulla miscelazione. Ottimizzare questi fattori garantisce consistenza nei sapori, nelle texture e nell’aspetto.

Gli strumenti di simulazione possono analizzare il modo in cui le diverse tecniche di miscelazione influenzano la distribuzione degli ingredienti e rivelano le inefficienze nella lavorazione dei lotti. Le tecniche di modellazione avanzate supportano anche gli sforzi di scalabilità, garantendo che i risultati dei test di laboratorio si traducano in ambienti di produzione su larga scala.

Miglioramento dei rivestimenti e dei trattamenti superficiali

Molti prodotti alimentari richiedono un rivestimento uniforme, che si tratti di aromatizzanti, condimenti o strati protettivi. La simulazione DEM consente di prevedere la distribuzione del rivestimento nel tempo, ottimizzare i parametri del processo per un’applicazione uniforme e minimizzare la perdita di materiale e gli sprechi. Affinando questi processi, i produttori possono migliorare l’appeal del prodotto riducendo al contempo i costi. Grazie a esperimenti virtuali, gli ingegneri possono analizzare gli effetti della velocità di spruzzatura, delle dimensioni delle gocce e della velocità di rotazione sull’uniformità del rivestimento. Questo consente ai produttori di perfezionare le impostazioni del processo senza ricorrere a tentativi ed errori eccessivi, riducendo gli sprechi di materiale e migliorando la coerenza da un lotto all’altro.

Ottimizzare la macinazione e l’agglomerazione

La dimensione delle particelle gioca un ruolo cruciale nella texture e nella solubilità degli alimenti. La simulazione DEM aiuta gli utenti a comprendere le forze micro-meccaniche e le sollecitazioni durante la macinazione, prevedere la formazione e la rottura degli agglomerati e ottimizzare le condizioni di processo. Affinando le operazioni di macinazione, i produttori possono ottenere le dimensioni delle particelle desiderate con un consumo energetico minimo.

Gli strumenti di modellazione aiutano anche a prevedere i modelli di usura sulle parti della macchina di macinazione, consentendo strategie di manutenzione proattive che allungano la durata delle attrezzature. La possibilità di visualizzare la distribuzione delle sollecitazioni e i meccanismi di rottura del materiale migliora l’efficienza e supporta un controllo qualità più efficace.

Trasporto pneumatico e fluidificazione

Trasportare polveri in modo efficace richiede un equilibrio tra il flusso d’aria e il comportamento delle particelle. Affiancando la simulazione DEM con l’analisi fluidodinamica (CFD) si ottiene una visione completa della qualità della fluidificazione, dell’adesione e della viscosità delle polveri, della segregazione e dell’agglomerazione. Ottimizzare questi processi garantisce un trasporto affidabile e riduce i costi di manutenzione.

Gli studi sulle proprietà di flusso delle polveri in condizioni di umidità e temperatura variabili migliorano anche la stabilità del processo. L’uso di gemelli digitali (digital twin) per modellare i sistemi di trasporto pneumatico consente alle aziende di anticipare i colli di bottiglia e progettare strategie di trasporto più efficienti.

Simulazione: il futuro della lavorazione degli alimenti

Man mano che la produzione alimentare cresce per soddisfare la domanda globale, le tecnologie di simulazione come il DEM giocheranno un ruolo sempre più cruciale nel migliorare l’efficienza, ridurre gli sprechi e garantire la qualità del prodotto. I futuri sviluppi nell‘intelligenza artificiale (AI) e nel machine learning sono destinati a potenziare ulteriormente le capacità di modellazione predittiva dei produttori, consentendo loro di apportare aggiustamenti in tempo reale sulla base delle informazioni provenienti dalle simulazioni. Integrando il DEM nel loro flusso di lavoro, i produttori alimentari possono affrontare in anticipo le sfide del settore, accelerare l’innovazione e rendere i processi produttivi più sostenibili. Di conseguenza, la simulazione non è solo uno strumento, ma un vantaggio competitivo. Dall’ottimizzazione dello stoccaggio e della miscelazione alla garanzia di rivestimenti uniformi e trasporto efficiente, la simulazione DEM sta trasformando la lavorazione degli alimenti. Sfruttando questi strumenti avanzati, i produttori possono migliorare l’efficienza, ridurre i costi e fornire prodotti di alta qualità ai consumatori molto più velocemente.