Serbatoio per concentrazione sottovuoto con raschiatura della superficie: concentrazione della marmellata di frutta senza bruciare colore, pectina o aroma

Riempi una caldaia per marmellate con purè di fragole, accendi il vapore e allontanati per un’ora: otterrai della marmellata. Otterrai anche un colore marrone-rosso opaco, un aroma piatto, uno strato di frutta bruciata incollato alla giacca riscaldata e una pulizia che nessuno vorrebbe mai fare. Il problema non è la ricetta. Il problema è il punto in cui il calore entra in contatto con la frutta.

Un concentratore sottovuoto a superficie raschiata risolve entrambe le parti di tale problema in un solo colpo: abbassa il punto di ebollizione della massa di frutta a circa 45–60 °C e mantiene costantemente pulita la parete riscaldata ad ogni singola rotazione, così che il prodotto non rimanga mai fermo abbastanza a lungo da bruciare.

Questo articolo spiega come funzionano i due meccanismi, quali cambiamenti si osservano nel prodotto finito in barattolo, i parametri standard delle nostre serie RY-GBNS / RY-ZN e come dimensionare un’unità per il proprio prodotto.

Concentratore sottovuoto a superficie raschiata montato su skid, con vasca a doppia parete, unità motrice per raschiatori, colonna condensatrice e serbatoio ricevente del distillato

Perché la marmellata è il prodotto più difficile da concentrare

La maggior parte degli evaporatori è progettata per liquidi chiari e facilmente fluibili. La marmellata viola contemporaneamente tre dei loro presupposti fondamentali.

È termicamente fragile. Le antocianine presenti nella fragola, nella lampone, nella ciliegia e nel mirtillo si degradano rapidamente al di sopra degli 80 °C. La pectina – la sostanza che fa addensare la marmellata – subisce depolimerizzazione se esposta a calore prolungato. I composti aromatici volatili, quelli che fanno dire alle persone «questo sa di frutta vera», iniziano a evaporare non appena la massa raggiunge un forte bollore. Mantenere una purea di frutta alla temperatura di ebollizione atmosferica comporta la perdita definitiva di tutti e tre questi elementi.

È viscosa, e diventa sempre più viscosa man mano che procede l’evaporazione. Una purea di frutta entra nel serbatoio con un contenuto zuccherino di circa 12–20 °Brix e ne esce con 65–68 °Brix. In questo intervallo la viscosità aumenta di diversi ordini di grandezza, fino a far comportare la massa meno come un liquido e più come una pasta. Pompe, tubazioni e superfici convenzionali a film cadente smettono semplicemente di funzionare.

Forma incrostazioni sulla parete riscaldata. In qualsiasi recipiente con doppia parete si forma uno strato limite stagnante contro il metallo caldo. Con l’acqua tale strato è sottile e innocuo. Con una pasta di frutta ricca di zuccheri, invece, si ispessisce, surriscalda, caramella e infine carbonizza, formando un film bruciato che isola la doppia parete, rallenta la produzione, altera il sapore e deve essere rimosso manualmente. L’incrostazione da surriscaldamento è la causa di guasto più costosa nella produzione della marmellata: comporta spreco di energia, riduzione del rendimento, alterazione del colore e maggiore impiego di manodopera.

Due meccanismi risolutivi: il vuoto e un raschiatore in movimento continuo

Abbassare il punto di ebollizione anziché aumentare il calore

L’acqua bolle a 100 °C soltanto perché si trova sotto una pressione atmosferica pari a un’atmosfera. Rimuovendo tale pressione, il punto di ebollizione diminuisce rapidamente.

Ne conseguono due implicazioni ingegneristiche, entrambe in grado di ridurre i costi:

1. Il prodotto non raggiunge mai una temperatura sufficiente a danneggiarsi. A 45-60 °C la pectina rimane intatta, gli antociani conservano il loro colore e i composti aromatici volatili restano nel prodotto invece di condensare.
2. La differenza di temperatura motrice diventa maggiore, non minore. Il vapore a ≤ 0,15 MPa è saturo a circa 111 °C. Rispetto a una massa che bolle a 50 °C, ciò corrisponde a una differenza di temperatura superiore a 60 K: pertanto, è sufficiente una piccola superficie di riscaldamento e il vapore a bassa pressione o il vapore di recupero diventano utilizzabili come fonte termica.

Poiché lo zucchero disciolto e la pectina innalzano il punto di ebollizione della soluzione, una massa fruttata a 65 °Brix bolle di alcuni gradi al di sopra del valore relativo all’acqua pura. Per questo motivo indichiamo come intervallo operativo pratico 45–60 °C anziché il minimo teorico.

Mantenere pulita la parete riscaldata a ogni rotazione

Il solo vuoto non risolve il problema di un prodotto viscoso. Ridurre il punto di ebollizione non elimina comunque il cosiddetto strato limite contro la giacca riscaldata: esso rimane presente, stagnante e causa ancora surriscaldamento.

È lo scraper a colmare tale divario. All’interno del recipiente, lame per uso alimentare montate su un albero centrale ruotano contro la parete giaccata con un gioco controllato. A ogni passaggio sollevano il film di prodotto dalla superficie metallica calda e lo reiniettano nella massa principale. Il risultato:

• Nessun film stagnante significa nessun surriscaldamento localizzato e nessuno strato bruciato o caramellato da pulire.
• La superficie di scambio termico viene rinnovata continuamente, quindi il coefficiente non diminuisce durante il ciclo, come invece accade in un recipiente a vuoto non agitato.
• La massa rimane omogenea, quindi il valore °Brix è uniforme dal primo litro all’ultimo, senza stratificazione tra la parete calda e il nucleo più freddo.
• Prodotti altamente viscosi e pastosi restano facilmente gestibili fino al punto finale. Gli evaporatori a raschietto Ruiyuan sono progettati per concentrare fino a una densità specifica superiore a 1,4 — un campo in cui un semplice recipiente a vuoto con giacca termica cessa di funzionare.

La geometria del corpo del serbatoio è adattata al prodotto e alle esigenze di scarico: corpo sferico (GNQ) per un contatto uniforme con la parete e un flusso regolare del prodotto, oppure corpo conico (GNZ) per uno svuotamento affidabile di concentrazioni spesse e pastose.

Cosa contiene un serbatoio di concentrazione a vuoto con raschietto

La configurazione standard Ruiyuan è composta da cinque blocchi funzionali, oltre ai gruppi di azionamento e di controllo:

• Corpo del concentratore - recipiente con giacca riscaldante, fondo bombato e copertura concava, superfici bagnate lucidate a specchio, sportello di ispezione, vetrino di osservazione con spazzola tergivetro e agitatore raschiante azionato tramite riduttore ad angolo retto.
• Separatore vapore-liquido - elimina le goccioline trascinate dal vapore, impedendo al prodotto di raggiungere il condensatore.
• Condensatore - a fascio tubiero, dimensionato per ridurre il volume di vapore da gestire da parte della pompa a vuoto.
• Raffreddatore - a serpentina, raffredda il condensato fino a una temperatura sicura per lo scarico.
• Serbatoio di ricezione - raccoglie il distillato; il suo volume è calcolato in base alla quantità di carica, consentendo l’esecuzione di un intero ciclo di concentrazione senza interrompere il vuoto.

Intorno a questo nucleo aggiungiamo il sistema a vuoto, il circuito di riscaldamento della giacca (vapore, acqua calda o elettrico), la sfera di pulizia CIP, gli strumenti di misura (manometro a vuoto, display digitale della temperatura, valvola di campionamento) e il quadro di comando – dai semplici rubinetti manuali e indicatori digitali fino a PLC + HMI con memorizzazione ricette e registrazione dati di ciclo.

All'interno del recipiente: le pale raschianti spazzolano la parete riscaldata a ogni rotazione, impedendo così la formazione di un film stagnante e prevenendo qualsiasi bruciatura.

File video del processo: assets/web/scraper-wall-demo-h264.mp4

Cosa cambia nel barattolo finito

• Il colore rimane stabile. I frutti di bosco, le ciliegie e i frutti a nocciolo conservano la tonalità attesa dagli acquirenti, invece di scurirsi verso il marrone.
• L'aroma rimane nel prodotto. Un condensatore raffreddato e una bassa pressione riducono al minimo la perdita di composti volatili, che vengono condensati e reinseriti nel processo anziché evaporare; inoltre, una colonna opzionale per il recupero degli aromi può catturare la frazione aromatica da reintrodurre successivamente.
• Nessuna nota bruciata. Il profilo aromatico è fruttato, non caramellato né cenereo.
• La pectina continua a gelificare. Un tempo di permanenza più breve a una temperatura più bassa significa che il sistema gelificante funziona come previsto dalla ricetta, un aspetto ancora più importante per le formulazioni a ridotto contenuto di zucchero e ad alto contenuto di frutta.
• Resa superiore. Il prodotto che non si attacca alle pareti è un prodotto che si può vendere. Sia le perdite per attaccamento alle pareti sia il prodotto trattenuto durante la pulizia con raschiatore sono ridotti.
• Gradi Brix costanti. Una concentrazione uniforme rende prevedibili, lotto dopo lotto, i pesi di riempimento, l’attività acquosa e la durata di conservazione.
• Pulizia più rapida. Parti bagnate lucidate a specchio, geometria interna arrotondata e ugelli di pulizia CIP trasformano un intervento manuale con scalpello in un semplice ciclo di lavaggio. Il design igienico segue in ogni sua parte le buone pratiche di produzione alimentare (GMP).

Parametri tecnici standard

La tabella seguente elenca la serie standard di concentrazione a vuoto. Le dimensioni vanno da unità pilota da 10 L a vasche di produzione da 500 L; capacità maggiori e configurazioni a effetto multiplo o con ricompressione termica vengono progettate su ordinazione. Poiché l’area di riscaldamento, l’area di condensazione e il livello di vuoto devono essere tutti adattati al prodotto, i valori finali vengono confermati in base alla vostra purea, al vostro °Brix obiettivo e alla vostra velocità di evaporazione richiesta.

I parametri si riferiscono alla serie standard e sono soggetti a conferma ingegneristica per ogni prodotto, viscosità e applicazione.

Opzioni e personalizzazioni

• Geometria della vasca - corpo sferico (GNQ) o corpo conico (GNZ) per adattarsi al flusso e allo scarico del prodotto.
• Capacità - da 10 L a 500 L come standard; recipienti su scala produttiva e linee complete realizzati su ordinazione.
• Materiali in contatto con il fluido - acciaio inossidabile SS304 o SS316L, finitura speculare o satinata, con certificati di materiale forniti.
• Mezzi di riscaldamento - vapore saturo, acqua calda o riscaldamento elettrico laddove non sia disponibile una caldaia.
• Sistema di vuoto - pompa ad anello d’acqua dove l’acqua di raffreddamento è abbondante; vuoto secco dove lo scarico dell’acqua è limitato.
• Recupero dell’aroma - configurazione con condensatore e colonna di recupero per prodotti in cui le note superiori devono essere catturate e reimmesse.
• Automatizzazione - dai manometri locali e dalle valvole manuali al PLC con interfaccia utente (HMI), gestione delle ricette, registrazione dei lotti e gestione degli allarmi.
• Apparecchiature elettriche antideflagranti - disponibile per preparazioni fruttate contenenti alcol e per ricette a base di distillati.
• Mobilità e disposizione - telai mobili su skid per impianti pilota e stabilimenti multi-prodotto.

Applicazioni

Lo stesso principio – bassa temperatura più parete raschiata – è adatto a qualsiasi prodotto a base di frutta denso, termolabile o entrambi:

• Marmellate e confetture di bacche - fragola, lampone, mirtillo, mora, ribes nero, dove il colore è un punto di forza per la vendita.
• Puree di frutta a nocciolo e tropicale - albicocca, pesca, mango, frutto della passione, guava, fico, banana.
• Marmellate e preparazioni agrumate - formulazioni con buccia inclusa e basi di arancia amara.
• Preparazioni fruttate per l'industria - farce per prodotti da forno, basi fruttate per latticini e yogurt, venature per gelati, composti per bevande.
• Paste di dattero, jujube e fico - solidi molto elevati, viscosità molto elevata.
• Apple butter e burri di frutta cotti lentamente .
• Spalmate di frutta a basso contenuto di zuccheri e senza zuccheri aggiunti - dove i solidi della frutta conferiscono la consistenza e i danni termici sono immediatamente visibili.
• Purè per l’alimentazione infantile - dove il mantenimento dei nutrienti e del colore è una dichiarazione obbligatoria sull’etichetta, non una semplice preferenza.
• Concentrazione di pomodoro, peperone e paste di frutta salata - gli stessi problemi di incrostazione e di alterazione del colore, la stessa soluzione.

Bollitura di purè di frutta sotto vuoto profondo, osservabile attraverso il vetro di ispezione di un concentratore a vuoto con superficie raschiata.

File video del processo: assets/web/jam-concentration-1-h264.mp4

Come dimensionare un’unità per il proprio prodotto

La concentrazione è un bilancio di massa e il parametro che determina le dimensioni della macchina non è il volume del lotto, bensì la quantità d’acqua da rimuovere e la velocità con cui farlo.

Acqua da evaporare = M_alimentazione × (1 - \frac{Brix_in}{Brix_out})

Esempio svolto. 500 kg di purè di frutta a 12 °Brix concentrati a 65 °Brix:

500 × (1 - (12) ÷ (65)) = 500 × 0,815 = 408 kg di acqua

Il lotto termina con circa 92 kg di marmellata. Dividere i 408 kg per la durata del lotto richiesta e si ottiene la portata di evaporazione necessaria in kg/h — il valore che determina la superficie di riscaldamento, le dimensioni del condensatore e la capacità della pompa per vuoto.

Inviarci questi sei dati e provvederemo a dimensionare l’unità e fornire un preventivo:

3. Prodotto e ricetta (frutta, zucchero, pectina, alcol aggiunto o solidi).
4. Massa o volume di alimentazione per lotto e numero di lotti al giorno.
5. Brix (o solidi totali) in ingresso e in uscita.
6. Viscosità prevista o gravità specifica finale — e se sono presenti pezzi di frutta.
7. Riscaldamento disponibile: pressione del vapore, temperatura dell’acqua calda o esclusivamente elettricità.
8. Temperatura e portata dell’acqua di raffreddamento, oltre ai vincoli della vostra rete di servizi e di scarico.

Scelta tra tecnologie di concentrazione

Se il tuo prodotto si versa come un succo, un evaporatore a film cadente lo concentrerà a minor costo per tonnellata. Se il tuo prodotto solidifica in un barattolo, occorre una raschia sulla parete della giacca.

Guarda il processo in azione

Un impianto completo di concentrazione sotto vuoto: corpo concentratore, colonna condensatrice, vetrino di ispezione e valvole di controllo montati su un unico telaio.

File video del processo: assets/web/jam-concentration-2-h264.mp4

Perché collaborare con Ruiyuan

Shanghai Ruiyuan Machinery Equipment Co., Ltd. progetta e costruisce impianti per l’estrazione, la concentrazione e la lavorazione di liquidi dal 2011, dalla nostra sede nel distretto di Fengxian, a Shanghai. La nostra offerta comprende unità per laboratorio e per scala pilota, nonché linee industriali per i settori alimentare, lattiero-caseario, delle bevande, della fermentazione, farmaceutico e della chimica fine: impianti per estrazione e concentrazione, evaporatori a film discendente ed a semplice effetto, sterilizzatori UHT, cristallizzatori, essiccatori a spruzzo e linee di produzione complete chiavi in mano.

Per i progetti specifici di concentrazione, ciò significa che non state acquistando un semplice recipiente, bensì un’unità progettata su misura in base alla curva di viscosità del vostro prodotto, al contenuto solido desiderato, alle vostre utilities e al vostro regime di pulizia, con supporto completo durante installazione, messa in servizio e formazione degli operatori.

Domande frequenti

Quali solidi finali può raggiungere l’unità?

La serie standard è progettata per concentrare fino a una densità specifica superiore a 1,4; la viscosità – e non il livello di vuoto – rappresenta normalmente il limite pratico. Per la maggior parte delle confetture di frutta ciò corrisponde a 65–68 °Brix. Indicaci il tuo punto finale e ti confermeremo il valore raggiungibile in relazione al tuo prodotto.

La raschiatura danneggerà i pezzi di frutta o la consistenza?

Le pale ruotano contro la parete con un gioco controllato, asciugando la superficie riscaldata invece di macerare il prodotto in massa. I pezzi di frutta vengono solitamente aggiunti dopo la concentrazione per mantenerli integri; qualora debbano resistere all’intero ciclo, selezioniamo opportunamente la geometria dell’agitatore e la sua velocità.

La temperatura è sufficientemente bassa da proteggere la pectina e il colore?

Sì. Le unità standard operano a un vuoto relativo di 600–700 mmHg, corrispondente a un punto di ebollizione di circa 45–60 °C per una massa di frutta ricca di zuccheri. Tale intervallo è ben al di sotto della fascia in cui antocianine e pectina si degradano rapidamente.

Di quali utilities ho bisogno?

Vapore a ≤ 0,15 MPa (vapore a bassa pressione o vapore recuperato è sufficiente), acqua di raffreddamento per il condensatore e il refrigeratore, e un’alimentazione elettrica standard. Poiché la temperatura di ebollizione è bassa, la differenza di temperatura attraverso la giacca rimane elevata, quindi un’area di riscaldamento modesta è sufficiente.

Quanto dura un ciclo?

Dipende dalla quantità di acqua da rimuovere e dalla portata di evaporazione dimensionata per la vostra unità. Usate il bilancio di massa indicato sopra per ottenere i kg di acqua, quindi dividete per il tempo di ciclo richiesto: da tale valore dimensioniamo l’area di riscaldamento e di condensazione.

È possibile eseguire la pulizia in situ?

Sì. Le parti a contatto con il prodotto sono lucidate a specchio e presentano una geometria interna arrotondata; le teste di pulizia CIP sono fornite di serie. L’insieme raschiante è progettato per ispezioni periodiche e sostituzione delle lame senza smontaggi importanti.

Quali documenti accompagnano l’apparecchiatura?

Certificati di materiale per le parti a contatto con il prodotto, registri di fabbricazione e di prova idrostatica, documentazione elettrica e strumentale, nonché manuale d’uso e manutenzione. I test di accettazione in fabbrica e la formazione degli operatori possono essere organizzati prima della spedizione.

Richiedi un preventivo

Inviaci il tuo prodotto, la dimensione del lotto, il contenuto di solidi solubili in entrata e in uscita (Brix) e le utilities disponibili. Ti forniremo un’unità dimensionata, una descrizione del processo e un preventivo; inoltre, qualora la ricetta sia nuova per te, possiamo eseguire prove di concentrazione sulla tua purea di frutta prima che tu decida l’investimento per la capacità produttiva.

Contatto

Tony Zhang
Shanghai Ruiyuan Machinery Co., Ltd.
No. 168 Qingling Road, Qinggang Park, Fengxian District, Shanghai, Cina
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E-mail: [email protected]
Sito web: www.ruiyuanextraction.com