Convegno di Medio Termine dell’Associazione Italiana di Ingegneria Agraria
Belgirate, 22-24 settembre 2011
memoria n.
Studio di una pressa continua con elicoide conica a passo
variabile
A. Formato, G. Pucillo, A.Abagnale
(1) Dipartimento di Ingegneria Agraria e Agronomia del territorio, Università degli Studi di
Napoli “Federico II "
SOMMARIO
E’ stata progettata una macchina per la pressatura delle vinacce, essa è stata derivata
da una macchina già esistente in commercio che effettua la pressatura delle vinacce
mediante un’elicoide cilindrico a passo costante. Per poter controllare la distribuzione
di pressione che agisce durante la fase di pressatura è stato utilizzato un elicoide
conico a passo variabile, che ha consentito di poter esercitare durante il processo di
pressatura due diverse distribuzioni di pressione assegnate, che hanno consentito di
ottenere vini di qualità migliore rispetto a quelli ottenuti con l’elicoide cilindrico a
passo costante. Inoltre è stato visto che con tale tipo di macchina, variando
opportunamente i parametri geometrici: conicità, passo dell’elicoide si possono
esercitare diverse tipologie di distribuzione di pressione sulle vinacce, per poter
migliorare ed ottimizzare la qualità del prodotto ottenuto.
Parole chiave: pressatura delle vinacce, pressa continua, processo di vinificazione.
1 INTRODUZIONE
Nel processo produttivo del vino, per estrarre la frazione di mosto o mosto vino presente
relativamente nelle vinacce vergini o fermentate, si utilizzano delle macchine che
effettuano un processo detto pressatura o torchiatura. La pressatura ha per scopo di
estrarre, per pressione, il succo trattenuto dalla vinaccia precedentemente sgrondata.
La pressatura si effettua sull'uva ammostata e sgrondata nella vinificazione in bianco e
sulla vinaccia (De Rosa,1985), dopo svinatura del primo vino, nella vinificazione in
rosso (De Rosa, 1983). Per realizzare questa operazione di pressatura, si utilizzano
diversi apparecchi chiamati presse, a funzionamento continuo o discontinuo. La
pressatura viene eseguita facendo aumentare la pressione in maniera graduale e
intervallando gli aumenti di pressione con delle pause in modo tale che il succo,
fuoriuscendo dalla frazione solida, può fluire attraverso la massa e le vinacce, vengono
esaurite. Per ottenere un prodotto di qualità la parte solida dell’uva deve mantenere la
sua integrità. Il mosto della prima pressatura, ha un contenuto di zuccheri maggiore e
una acidità inferiore rispetto alle altri parti di mosto che si ottengono dalle successive
torchiature. Queste avvengono ad una pressione superiore a quella della prima
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pressatura. I mosti seguenti a quello iniziale sono più acidi più ricchi di polifenoli e
meno zuccherini. Nella maggior parte dei casi le varie frazioni di mosto che si
ottengono con torchiature a pressioni diverse sono raccolte e fatte vinificare
disgiuntamente. Pertanto è necessario avere una macchina versatile nell’uso. Oggi si
stanno ampiamente diffondendo diverse tipologie di macchine tra cui le pneumo-presse,
che hanno fornito buoni risultati, (De Vita, 2004) e sono ancora in corso di
ottimizzazione. Però esse realizzano un processo discontinuo, molto sgradito alle
industrie le quali prediligono processi tecnologici continui. In questa ricerca si intende
proporre un nuovo tipo di macchina capace di effettuare il processo di pressatura in
maniera continua.
PRESSA CONTINUA
Già sono attualmente disponibili in commercio presse che operano in modo continuo.
Esse sono in grado di ottenere l'esaurimento completo delle vinacce rispettando
contemporaneamente sia la buccia che il raspo. L'ampia tramoggia di carico è costruita
con lamiere forate in acciaio inox per la separazione del mosto fiore. Questo tipo di
apparecchio è costituito essenzialmente da una camera di compressione cilindrica
perforata, munita, ad una estremità, di una tramoggia d'alimentazione ed all'altra di un
portello a cerniera, tenuto fermo da un contrappeso. Una vite d' Archimede a passo
costante assicura la compressione della vinaccia. Il portello e la « stella »
dell'alimentatore impediscono l'uscita della vinaccia pressata e questa finisce per
formare un panello più o meno compresso. L'intensità della compressione è regolata
anche dallo spostamento dei contrappesi gestiti da un impianto oleodinamico.
(Belladonna, 2001). Il succo è raccolto in due recipienti, di cui l'uno è riservato al primo
liquido della pressatura e che riceve un liquido chiaro, l'altro che raccoglie un liquido
molto più torbido.
Alcuni altri apparecchi presentano qualche variante:
-lunghezza della camera di compressione regolabile per mezzo di una vite;
-presenza di due viti d'Archimede, che girano in senso contrario;
-peso oscillante, che aumenta la pressatura.
Questi torchi hanno una portata notevole, ma danno spesso liquidi fecciosi, dato che le
vinacce sono più o meno lacerate dalla rotazione dell'elica, con passaggio nel liquido di
fini particelle. A causa della frantumazione e triturazione del pigiato, provocate dallo
sfregamento dell’elica e dell’azione della pressione non regolata opportunamente, i
mosti ottenuti risultano molto fecciosi ad elevata torbidità, difficili da chiarificare,amari
e di gusto erbaceo, nonché ricchi di tannino, polifenoli e con pH elevato, e producono
vini di qualità scadente (De Vita P. & De Vita G, 2004). Ciononostante l’interesse per
tale tipo di macchina rimane ancora alto poiché essa è in grado di effettuare il processo
di pressatura in maniera veramente continua, cosa che è molto gradito dalle industrie
enologiche. Una delle cause che generano tutti i difetti elencati è che con tale macchina
non si è in grado in alcun modo di controllare la pressione a cui è sottoposto un
determinato volume di pigiato né tantomeno di controllare la distribuzione di pressione
sia lungo l’asse della coclea che nel tempo. Pertanto è stato deciso di effettuare una
sperimentazione con la stessa struttura di macchina, ma utilizzando una coclea
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opportunamente dimensionata che consente di imporre una assegnata distribuzione di
pressione lungo l’asse della coclea stessa e nel tempo, in maniera da migliorare la
qualità del prodotto ottenuto
2. MATERIALI E METODI
Con questo progetto si intende mettere a punto una pressa continua da utilizzare nel
settore enologico, avente la capacità di esercitare un pressione media sul prodotto
variabile da 0 a 4 x 105 Pa, così come richiesto da esigenze enologiche. La potenza di
lavoro è stata ottenuta tramite un sistema a vite elicoidale conica a passo variabile che
induce sul volume elementare di controllo col quale interagisce un Dp di pressione che
dipende sia dalla geometria della superficie elicoidale considerata, sia da come varia la
geometria dell’elicoide, man mano che il volume del prodotto avanza lungo l’asse della
macchina. Pertanto particolare importanza riveste lo studio delle superfici elicoidali che
interagiscono col volume di prodotto considerato, nonché come queste variano lungo
l’asse della macchina. In tal modo si può determinare sia la pressione a cui è sottoposto
il volume di controllo considerato e sia il gradiente di pressione che si genera lungo
l’asse. La macchina è costituita essenzialmente da una vite elicoidale conica a passo
variabile ed è stata dimensionata con codici di calcolo agli elementi finiti, per ridurne il
costo senza penalizzare le prestazioni. Le scelte progettuali hanno avuto lo scopo di
selezionare materiali e accessori presenti normalmente sul mercato locale. Tutta la
struttura è in lamiera Acciaio AISI 340 e rinforzata nei punti di massima sollecitazione.
L’elicoide è azionato mediante un motore elettrico che lo mette in rotazione ad un
numero di giri ottimizzato che è stato determinato mediante delle simulazioni
numeriche, tutto il materiale è stato dimensionato in base alle potenze richieste e scelto
tra quello normalmente disponibile in commercio. Il quadro elettrico molto semplice è
appositamente assemblato, la macchina è munita di PLC (sistema elettronico di
controllo) capace di poter controllare e gestire i tempi e i modi di lavoro. Nel progetto
della macchina sono stati usati dei codici di calcolo per la verifica strutturale e per la
redazione dei disegni complessivi dei particolari costruttivi. Per il dimensionamento
della macchina si è partiti dal dimensionamento delle superfici elicoidali che
interagiscono con il volume di materiale da trattare, che è il cuore di tutta la macchina.
Pertanto è stato considerato il volume di controllo elementare che è compreso tra le
superfici elicoidali, e seguendo un procedimento di tipo “Lagrangiano” sono state
studiate le sue vicissitudini durante il suo movimento roto-traslatorio che avviene lungo
l’asse della macchina considerata.
PRESSA A VITE ELICOIDALE
La struttura comprende un telaio centrale con attacchi di aspirazione e mandata ricavati
all’estremità opposte, che racchiude la vite elicoidale. Durante il funzionamento il
pigiato d’uva, è trasportato all’estremità opposta lungo le cavità esterne esistenti tra le
viti ed il telaio. Essa consente di ottenere grande silenziosità e assenza di pulsazione. Le
componenti principali sono il "rotore" - vite elicoidale metallica - che ruotando
all'interno dello "statore" - parte fissa - crea tra i due elementi una linea di contatto
ermetico che permette lo spostamento uniforme e costante del pigiato d’uva, poiché il
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volume elementare va incontro a vani interstiziali, di volume decrescente con una certa
legge, esso subirà un incremento di pressione proporzionale al decremento di volume
subito. La "portata teorica" nella pressa monovite considerata è una funzione della
velocità e della geometria del rotore. La "portata" teorica è quindi la seguente:
Qth= 4e x d x S x v
(1)
dove: e = eccentricità del rotore ; d = diametro del rotore ;S = passo del rotore ;v =
velocità del rotore
Fig.1 Schema elicoide conica a passo variabile
Fig.2 Elemento elicoide conico a passo variabile
La pressa considerata forma in tal modo le camere nelle quali sono disposte le vinacce .
L’entità della pressatura può essere gestita variando il passo dell’elicoide conico e/o
cambiando il diametro esterno della stessa:
V=π(D2-d2)P/4
(2)
Dove: V è il volume tra due spire successive; D è il diametro esterno; d è il diametro
interno; P è il passo (distanza tra due spire).
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L’energia richiesta per il funzionamento: detto n il numero di giri/s della coclea ρ la
densità del materiale si ha:
ρVn= Ṁ (portata massica in Kg/s)
Il Lavoro eseguito è:
L=ΔpAmedial
dove: Δp è l'incremento di pressione; Amedia è la sezione media di passaggio; l è la
lunghezza del condotto. La potenza richiesta è
P=ṀL=ρVn*ΔpAmedial/ηmeccηvol
Dove: ηmecc è il rendimento meccanico ed ηvol è il rendimento volumetrico
Conoscendo la legge pressione/schiacciamento da realizzare la vite viene dimensionata
di conseguenza anche lo statore deve avere forma tronco conica per realizzare una
buona tenuta.
Prove sperimentali
Sono state considerate due distribuzioni di pressione , p1 e p2, che generalmente sono
utilizzate durante il processo di pressatura con altri tipi di macchine (pneumopresse
ecc.) e tali distribuzioni di pressione, riportate in tab.1, sono state considerate per
determinare la geometria delle varie spire dell’elicoide conico a passo variabile
considerato, ottenendo in tal modo la forma geometrica dei due elicoidi che
realizzavano le distribuzioni di pressione assegnate p1,p2.
Tab. 1 distribuzione di pressione p1 e p2 utilizzate
n. spira
Camera1
Camera2
Camera3
Camera4
Camera5
Camera6
Camera7
P1
(105 Pa)
0.20
0.40
0.80
1,20
1.50
1.80
2.0
P2
(105Pa)
0.40
0.80
1.60
2.40
3.0
3.60
4.0
Sono state effettuate delle prime prove presso una cantina di primaria importanza,
effettuando una valutazione analitica sulla qualità del vino ottenuto. I risultati sono stati
molto incoraggianti, poiché il prodotto ottenuto è nettamente migliore a quello che si
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ottiene con la pressa con elicoide cilindrico a passo costante. Tali vini ottenuti con la
macchina considerata presentano un livello medio di qualità, che però è suscettibile di
miglioramenti, variando ulteriormente le caratteristiche della macchina. Infatti la
macchina è capace di esercitare qualunque tipo di distribuzione di pressione assegnata,
modificando opportunamente i parametri geometrici e di realizzare il processo di
pressatura in maniera continua.
CONCLUSIONI
E’ stata progettata e realizzata una macchina capace di effettuare l’operazione di
pressatura continua nei processi enologici. Essa è risultata molto efficiente da un punto
di vista operativo con capacità di lavoro molto elevata nei confronti di altre macchine di
pari potenza, già disponibili sul mercato. La qualità di lavoro è risultata soddisfacente in
quanto sia il valore di pressione totale che i Dp parziali, sono stati esercitati secondo
disciplinari enologici ampiamente diffusi. Ulteriori studi sono necessari per individuare
le distribuzioni di pressione ottimali per ciascuna varietà di uva considerata.
5. BIBLIOGRAFIA
Belladonna U., Elementi di oleodinamica, Hoepli, Milano 2001
De Rosa T., Tecnologia dei vini rossi, AEB, Brescia 1983
De Rosa T., Tecnologia dei vini bianchi, AEB, Brescia 1985
De Rosa T., Tecnologia dei vini liquorosi e da dessert, AEB, Brescia
De Vita P., Corso di Meccanica Enologica, Hoepli, Milano 1997
Formato A., Scaglione G.,Carillo M., Federico R. Optimized Design of a Grape Marc
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Castino M., Vini bianchi - tecnologia di produzione, Edagricole, Bologna 1993
Castino M, Saracco C, Gozzellino A., Guida pratica dell'enologo, Edagricole, Bologna
1996
De Vita P, De Vita G., Corso di meccanica enologica, 3a ed., Hoepli, Milano 2004