Più resa e più qualità per l'olio extra vergine d'oliva grazie alla cavitazione acustica

Le ricerche scientifiche degli ultimi anni stanno consolidando l’idea che il futuro dell’arte frantoiana risieda negli ultrasuoni a bassa frequenza: la prima tecnologia che, capovolgendo il paradigma storico tra quantità e qualità del prodotto, consente al contrario di incrementare la resa in olio (fino a un 1 kg in più ogni 100 kg di olive) preservando i polifenoli.
Il grande fermento ed interesse che suscita la sperimentazione merita di essere soddisfatta rispondendo ai più comuni quesiti.

Cosa sono gli ultrasuoni?
Gli ultrasuoni sono delle onde meccaniche sonore con frequenze a partire da 20 kHz, alle quali l'orecchio umano non è più sensibile.
Perché gli ultrasuoni sono risultati più promettenti di altre tecnologie emergenti disponibili nell’industria agro-alimentare?
Perché sono in grado di indurre controllati effetti meccanici inducendo trascurabili effetti termici, con un dispendio energetico ridotto rispetto alla gramolazione tradizionale.

Perché gli ultrasuoni riescono ad indurre nella pasta olearia un effetto meccanico?
La propagazione degli ultrasuoni in un mezzo fluido determina dei transitori di pressione. Durante le oscillazioni del valore della pressione, accade che i valori di pressione divengano inferiori alla pressione del vapor saturo (tensione di vapore) della fase liquida presente nella pasta olearia, determinandone la vaporizzazione a bassa temperatura (20-25°C). Si generano quindi delle bolle di vapore che crescono di diametro fino a raggiungere un volume critico oltre il quale implodono per il sopraggiungere di pressioni più elevate. L’implosione genera getti di liquido nel contorno della bolla che lacerano i tessuti vegetali nelle immediate vicinanze liberando l’olio dalle cellule passate integre alla frangitura, inducendo anche la rottura dello strato dei tessuti dell’epicarpo della drupa dove si concentrano gli antiossidanti ed in particolare le molecole fenoliche.

Tutti gli ultrasuoni sono uguali?
Il campo di frequenza degli ultrasuoni si estende da 20 kHz (ultrasuoni a bassa frequenza) fino a quasi 10 GHz (ultrasuoni ad alta frequenza). Gli ultrasuoni sono prodotti da trasduttori che convertono l’energia ottenuta dall’applicazione di una elevata differenza di potenziale in un’onda ultrasonica, essenzialmente una vibrazione meccanica, grazie all’effetto piezoelettrico del quarzo scoperto dai Curie nel 1880. Il fenomeno della cavitazione, cioè la creazione di microscopiche bolle gassose che implodendo rompono le pareti cellulari, può avvenire solo al di sotto dei 200-300 kHz (in funzione del tipo di liquido) giacché all’aumentare della frequenza l’attenuazione indotta dall’inerzia del mezzo smorza, fino a vanificarlo, l’effetto meccanico. Il campo utile di applicazione alla pasta olearia, che per densità, viscosità e struttura (solidi + due liquidi immiscibili tra loro), manifesta elevate azioni di attenuazione sull’onda in grado di smorzare le vibrazioni indotte dal trasduttore, è al di sotto dei 50 kHz.

Quali sono le criticità che possono minare l’efficacia dell’applicazione degli ultrasuoni in campo oleario?
1. La geometria dell’impianto che influenza lo spessore della pasta olearia che investe i trasduttori e la loro distanza. Infatti, il globo ultrasonico generato da una sonda puntuale è divergente e ciò comporta una progressiva riduzione della pressione acustica all’aumentare della distanza dalla sorgente.
2. Le discontinuità nella pasta olearia (bolle d’aria) che, modificando l’interazione tra le onde elastiche e le particelle della materia, agiscono nella direzione di ridurre progressivamente il contenuto energetico del fascio con una riduzione della pressione acustica.

Come è possibile in fase di progettazione superare le criticità descritte assicurando un processo efficace ed efficiente per l’incremento simultaneo delle rese e della qualità del prodotto?
L’approccio tradizionale alle applicazioni industriali degli ultrasuoni è di tipo empirico: si testano geometrie e frequenze differenti fino ad individuare, tra i prodotti commerciali, la soluzione più idonea allo scopo. La scala di applicazione dell’approccio empirico è generalmente ridotta e la matrice interessata non ha uno dei limiti più grandi del settore oleario: la disponibilità limitata nel tempo della materia prima. Quasi un secolo di sperimentazioni condotte in frantoio dimostra che nel mondo dell’olio la scalabilità dei risultati spesso è scarsa. Infatti, tecnologie che hanno dato buoni risultati in impianti di piccola taglia hanno spesso visto ridotti gli effetti positivi all’aumentare della capacità lavorativa degli impianti. La breve durata della campagna olearia, che limita la disponibilità di prodotto per validare gli esperimenti, non consente di modulare e validare le condizioni di prova.
In un articolo appena pubblicato sulla rivista Energy Procedia, nato dalla collaborazione dei due Atenei baresi, Politecnico di Bari e Università Aldo Moro, è stata messa a punto una tecnica CFD (Computational Fluid Dynamics) innovativa e senza precedenti, per la simulazione dell’effetto dei trasduttori ultrasonici, applicata su un modello 3D della geometria per simulare la propagazione delle onde all’interno del flusso di pasta olearia che percorre il sistema in condizioni controllate di pressione e scambio termico.

Quali vantaggi è possibile trarre dalla disponibilità di un modello di simulazione CFD 3D?
La disponibilità di questo strumento di progettazione riduce il tempo con cui la tecnologia ad ultrasuoni potrà raggiungere un livello di maturità tecnologica vicino al mercato (TRL 9). Consente a chi progetta la macchina di definire al meglio la geometria e le condizioni del flusso che assicurino una cavitazione efficace.

Quali cambiamenti si prospettano nel layout di impianto?
Le attività di ricerca condotte rientrano in un modello di generazione di innovazione denominato «demand-pull», cioè che nasce dalla necessità di soddisfare un bisogno esplicito dell’industria olearia:
- Eliminare la discontinuità della gramolazione
- Incrementare le rese

L’impianto che è scaturito dalla progettazione assistita dalla una tecnica CFD è il primo sistema continuo e combinato ad ultrasuoni e scambio termico denominato Sono-Heat-Exchanger. Si tratta della conversione di una invenzione nata nei laboratori dell’Università di Bari, in una innovazione, intesa come un prodotto che trova una applicazione commerciale. L’innovazione generata è di tipo radicale poiché non si tratta di un lieve cambiamento di soluzioni preesistenti (innovazione incrementale) ma una novità che produce un nuovo paradigma produttivo: le obsolete, ingombranti e discontinue gramole saranno un lontano ricordo, e tra il frangitore ed il decanter si vedrà l’impianto continuo ad ultrasuoni.

Perché gli ultrasuoni sono stati combinati con lo scambio termico?
Una macchina che guarda al futuro non può prescindere dalla valutazione dei cambiamenti in corso nel settore olivicolo oleario: il progressivo anticipo dell’epoca di raccolta e gli inevitabili cambiamenti climatici che mitigano le temperature autunnali rendono sempre più necessaria l’applicazione delle basse temperature. Il Sono-Heat-Exchanger è stato progettato dimensionando sia lo scambio termico per il riscaldamento che per il raffreddamento, in modo da consentire al frantoiano esperto la massima modulazione della qualità del prodotto.

Esistono “effetti collaterali” legati all’impiego degli ultrasuoni?
L’unico effetto sorprendente riscontrato riguarda la valutazione sensoriale. Il risultato del panel test mostra un effetto vantaggio e inatteso. Come è possibile osservare, i grafici della analisi sensoriale rivelano che l’olio sottoposto al trattamento con ultrasuoni, pur mantenendo l’impronta varietale fedele all’olio estratto con tecnologia continua tradizionale (con gramolazione), presenta un profilo organolettico più armonico sotto l’aspetto dell’amaro e piccante, che rende il prodotto più accettabile per i consumatori.

Quanto è necessario aspettare per vedere lavorare un frantoio con gli ultrasuoni?
Già in questa campagna olearia l’impianto Sono-Heat-Exchanger sta operando grazie al supporto di diversi frantoiani che mettono a disposizione la propria esperienza e competenza per testare la macchina. Infatti è importante sottolineare che il reattore ultrasonico progettato e realizzato è un dispositivo in scala reale in grado di operate in un impianto industriale con altre macchine al pieno della propria capacità lavorativa (2000 kg/h di olive).

I costi della tecnologia sono compatibili con il regime economico di una industria che ogni anno lotta con un andamento dei prezzi dell’olio extravergine non sempre soddisfacenti?
L’analisi economica che rivela che l’impiego dell’impianto continuo combinato ultrasuoni scambio termico garantisce un incremento dei ricavi tale da ripagare l’impianto dopo la prima campagna olearia.

Bibliografia

Amirante, R., Distaso, E., Tamburrano, P., Paduano, A., Pettinicchio, D., & Clodoveo, M. L. (2017). Acoustic cavitation by means ultrasounds in the extra virgin olive oil extraction process. Energy Procedia, 126, 82-90.

La ricerca ha beneficiato del supporto finanziario di:
Progetto: “PERFORM TECH (PUGLIA EMERGING FOOD TECHNOLOGY) - La sicurezza alimentare mediante l’impiego di tecnologie emergenti per l’elaborazione di prodotti funzionali, recupero di sostanze nutraceutiche dai sottoprodotti e valorizzazione energetica degli scarti” - codice LPIJ9P2
Progetto “AGER Foundation— Olive Tree and Oil: Competitive —Claims of olive oil to improve the market value of the product”
Progetto FIR - Future in Research 2014 – Regione Puglia - codice pratica V5OORX4: Ultrasuoni nel processo di estrazione dell’olio di oliva