Confronto tra filtrazione tangenziale e filtrazione sottovuoto di fondi di chiarifica del vino

ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITÀ DI BOLOGNA

CAMPUS DI CESENA

SCUOLA DI AGRARIA E MEDICINA VETERINARIA

CORSO DI LAUREA IN VITICOLTURA ED ENOLOGIA

CONFRONTO TRA FILTRAZIONE TANGENZIALE E FILTRAZIONE

TRADIZIONALE DI FONDI DI CHIARIFICA DEL VINO

Relazione finale in

Meccanizzazione viticola e impianti enologici

Relatore Presentata da

Fabio Pezzi Marco Curci

Correlatore

Ettore Sangiorgi

Sessione unica

Indice:

Capitolo 1 – Introduzione ……….……….... ›› 4

Capitolo 2 – La filtrazione ……….…›› 6

2.1. Tipologia di filtrazione ………...….…›› 8

2.2. Metodi di filtrazione ……….…….…..›› 9

2.2.1. Filtrazione con prepannello ad alluvionaggio continuo ……….. ›› 10

2.2.2. Filtro pressa con strati filtranti………..………... ›› 11

2.2.3. Filtro Housing tradizionale a membrana ……… ›› 12

2.3. Parametri tecnici che caratterizzano i mezzi filtranti ……… ›› 13

2.4. Coadiuvanti di filtrazione ……….. ›› 15

2.4.1. Perlite ... ›› 15

2.4.2. Farina fossile ………..………. ›› 16

2.4.3. Cellulosa……….. ›› 17

Capitolo 3 – Filtrazione sottovuoto tradizionale ……….. ›› 18

3.1. . Impianto del filtro sottovuoto rotativo ………... ›› 19

Capitolo 4 - Filtrazione tangenziale ………..….. ›› 21

4.1. Impianto di filtrazione tangenziale………...…...›› 23

4.2. Le membrane…...………... ›› 25

4.2.1. Materiali polimerici ……… ›› 25

4.2.2. Materiali ceramici e minerali ……….…………. ›› 26

4.3. Configurazioni geometriche delle membrane ……….... ›› 27

4.4. La produttività………..›› 28

Capitolo 5 – La ricerca………...………...………… ›› 30

Capitolo 6 – Materiale e metodi……….…………... ›› 31

6.2. Tecniche utilizzate ………...………..…… ›› 33

6.2.1. La flottazione ...……….... ›› 33

6.2.2. Filtro tangenziale “OMNIA” ………..………... ›› 38

6.2.3 Filtrazione di superficie con rotativo “TAYLO” ...……….…….………… ›› 42

6.3. Modalità di lavorazione della cantina………...………… ›› 45

Capitolo 7 – Discussione dei risultati ………...…………...……… ›› 47

7.1. Operatività degli impianti ..……… ›› 47

7.2. Valutazioni analitiche ……… ›› 48

7.3. Valutazioni operative ed economiche ……… ›› 51

Capitolo 8 – Conclusioni ……….… ›› 58

Bibliografia ... ›› 59

1. Introduzione

L’innovazione tecnologica che ha coinvolto il settore alimentare negli ultimi trent’anni è sempre stata mirata al produrre più quantità e qualità con una maggiore semplicità e mi nor s pes a possibil e. È un andam ent o sem pre pi ù in cres cit a che port a questo s ett ore a svil uppare innovazioni che adoperano fenom eni fisi ci e/o chimi ci pres enti in natura, s pess o rivis itando e prendendo spunto dall e t ecni che t radi zionali . La real izzazione di quest o fine t ecnologi co si è at tu ata grazi e a universit à e azi ende cost ruttri ci in coll aborazione con l e azi ende vit ivinicol e, che, conos cendo l a li nea di produzi one e i bi sogni s empre in evoluzi on e, form ano un tri angolo produttivo efficiente sempre più legato all’aumento della dimensione delle aziende vitivinicole (Istat, 2015). La ricerca si è applicata molto nell’ambito della “Filtrazione” in quanto è s empre più fondam entale produrre un prodotto che si a gradevol e alla vist a e al gusto del consumatore, il vino torbi do o con un evidente d eposit o s ul fondo del calice può es sere percepito com e un segno sgradevol e da parte del cli ent e come segno di det eriorament o del prodotto. Questa limpidezza del prodotto deve mant enersi s oprattut to nella part e final e dell a produzione di un vino, m a è anche fondam entale nell e part i prelim inari dell a fili era di produzione. Infatti i l m osto del le uve quando non è ancora ferm ent ato deve subi re una s eparazione dall e s ost anze pres enti sull e uve che arrivano in cantina, in quanto si poss ono avere ferm ent azioni ind esiderat e o attacchi di batt eri che port ano alla form azione di molecole non idonee con il prodott o final e. Una del le t ecni che prelimi nari s empre più usate è quell a dell a Flottazi one che è i n grado di concent rare tutt e l e s ost anze che creano torbi dità, sepa randole dal m os to e abbas sando così la sua torbi dit à (>100 NTU). Il prodott o così separato è ricco di solidi sospesi ed ha un’elevata quantità di liquido, che estratto porta all’azienda un guadagno quantitativo di vino. In questo punto è important e estrarr e più liquido possibil e da ques to concentrato m ant enendo l a qualità dell’estratto alta, per il soddisfacimento del consumatore.

Il primo requisito del consum atore che si deve rispett are solit ament e è quel lo vi sivo, perché è il prim o s enso che vi ene utili z zato nel giudicare un vino piuttost o che un alt ro, qui l a filt razione t rova il suo princi pal e impi ego, quello di forni re vini puliti limitando il più possibile perdite di struttura del vino. Dagli anni ’80, il settore enologi co fu colpito da una nuova t ecn i ca di filt razione, appl icat a già in altri sett ori alim ent ari, la mi crofiltrazione tangenzi al e, che sembrò il m et odo di fil trazione in grado di sostitui re quell a t radi zional e, e quindi di compensare i suoi limiti per l a

qualità del vino. Si pres ent arono su l m ercato i primi impianti pilota di fi ltrazione tangenzi al e; l e pri me applicazioni speri ment ali in cam po enologi co vennero effettuat e con m em brane inadatt e al prodotto da t ratt are. Ciò comportò dell e modi fiche al la qual ità organol etti ca dei vi ni t ratt ati, olt re che un aumento sost anzi ale dell a t em peratura durant e il processo che prevedeva num erosi ri ci rcoli che generano energia e quindi cal ore denat urando il prodott o e avviando ferm ent azioni non desiderate . Grazi e all e s uccess ive mi gliorie ed allo svil uppo di membrane cost ruit e con m at erial i adatti , studi ati ed el aborat i dopo una mi gliore com prensione dei composti coinvolti nel fenom eno di deposit o s ull a s uperfi ci e del le membrane, l a tecnica di mi crofiltrazione tangenzi al e è di venut a ben accetta nel sett ore enol ogi co ed ampi am ent e us at a nell e canti ne (El R ayess et al ; 2011). Ess a ha permesso il raggi ungim ent o degli obbietti vi, com e assi curare ot timi livelli di chi arifi ca (inferi ore a 2 NTU), ed abbassare net tam ente la carica mi crobi ca, s enza tuttavi a modi fi c are i mportanti param et ri analiti ci com e polifenoli, densit à otti ca, SO2 libera e acidit à vol atil e. La mi crofil trazi one t angenzial e ha i nolt re eliminat o del tutt o i coadiuvanti di filtrazione e i rel ativi costi l egati al la l oro forni tura , con maggiore tut el a dell ’ambi ent e e dell a s alute degli operatori .

2. La Filtrazione

La filt razione è un'operazione unit aria di s eparazione meccani ca in cui una fas e solida insolubil e, di una s ospensione soli do -l iqui da, è s eparat a dall a fas e utili zzando una m embrana o un s etto poroso.

Il flusso del filtrato può essere dovuto solo all’azione della gravità ; all’applicazione di una pressi one m aggiore del la pressione atmosferica al di sopra del m ezzo fil trant e (ci oè al flui do da fil trare, Fig. 1) o all’appli cazi one del sott ovuoto al di sott o del mezzo filt rant e (cioè al filt rato) . Il flui do si m uoverà s empre verso una pressione inferiore ri spetto la propri a.

Figur a 1 – Filt razi one per depressione i n us cit a

In base alla conti nuit à di filtrazione esist ono filt ri:

- Dis cont inui , nei quali l'all ont anam ento del deposito e del filtrat o, o l a rigenerazione del m ezzo filt rant e richi edono l a s ospensione della filt razi one . - Continui, in cui non solo la sospensi one t orbi da e il filtrat o s ono alim en t ati e scari cati in continuo, ma anche il setto filt rant e vi ene continuam ent e rigenerat o per evit are che i pori non si occludano bloccando la filt razion e. Nel s ettore enologi co, l e parti cell e s olide da el iminare, possi edono carat teristi che, dimensioni e pr opri età fis iche di vers e tra loro, si cl assi fi cano in: “P arti cell e soli de in dispersione colloidale” formate da macromolecole o aggregati di molecole pres enti al lo stato di sol o di gel, molt o comprimi bili e ad el evata azione impaccante (gom me, mucill agi ni, pect ine, fosfato di Fe, sol furo di C u, sostanze t anni che, col oranti , proteine, residui di chiari fi cant i ecc .); “parti cell e solide i n sospensione” cost ituit e da colloi di fl occulat i, piutt osto com pri mibili e ad el evato pot ere impaccant e, da mi crorganismi (batt eri , li eviti, muffe) m edi am ente comprimibili e di

medi o pot ere impaccant e, da precipit ati salini (sali di acidi organi ci e/o mi nerali ) poco im paccanti e indeform abili , nonché da residui di t rattamenti precedenti (farina foss ile, carboni decol oranti e/o deodoranti , fibre provenienti da precedent i filt razi oni ec c.) non com prim ibili e poco impaccanti.

Di s eguito si riport ano le dim ensioni carat teristi che dell e diverse parti cell e pres enti nel vino:

➢ solidi sospesi → 1÷100 micrometri; ➢ lieviti → 1÷8 micrometri;

➢ batteri → 0,5÷1 micrometri;

➢ polisaccaridi → 50.000÷200.000 dalton;

➢ proteine, tannini, antociani polimerizzat i → 10.000÷100.000 dalton; ➢ polifenoli ed antociani → 500÷2.000 dalton;

➢ sostanze volatili → 20÷60 dalton.

I tipi di mezzi filt ranti da im pi egare nel proces so di filtrazi one possono ess ere di tre tipi , che si di fferenziano in base all a loro struttura e ai ma t eri ali di cui s ono formati:

- Un “telo” di materiale sintetico o di rete metallica, che fa da supporto ad un coadi uvant e di filt razi one pol verulent o, per l a creazione prim a del prepannello e poi di un deposito “pannello di filtrazione”;

- Una “m em brana” di ma t eri al e polim eri co o cerami co di spess ore dell ’ordine di 2÷3 decimi di m ill imet ro.

- Un “cart one” di cellulosa e di altri m ateri ali polverul ent i, qual i ad es empi o l a farina fossile opportunamente compattati e con spessore dell’ordine di 5mm; I diversi proce ssi di filtrazione si cl assi fi cano i n bas e al grado di separazione volut a ed ai mezzi di filt razione impiegat i :

- Filt razione st andard: è effet tuata con fl usso frontale tradi zional e o tangenzi al e con m ezzi fil trant i diversi (teli di t ess uti naturali o sintet ici , prepannell i, st rat i fil tranti pi ani o l enticolari, m embrane), util izzat a per vari scopi in enologi a (fil trazi one per illim pidire i mosti e vi ni torbidi, i fondi di decant azione statica di mosti, di fondi di depos ito dopo coll aggio o t ravaso dei vini , nei processi di s tabili zzazione t artari ca, ecc .).

- Microfilt razi one ( 0,05–5 µm ): agisce con pressi oni di 0,5 –2 bar, con membrane a flusso t angenzi al e o frontal e oppure cartoni filt ranti a flusso

front al e t radi zional e (ut ili zzat a i n enol ogi a nei proces si di chiari fi ca e/ o sterili zzazione).

- Ultrafilt razi one (0,1 –0,01 µm ): agis ce con pressioni di 2 –10 bar, con membrane a flus so tangenzial e.

- Nanofilt razione (0,01 –0,001 µm ): agi sce con pres sione di 10 –30 bar, con membrane a flus so tangenzial e.

- Osmosi invers a (< 1 00 dalton): el evat e pressioni che si aggirano tra i 30 –100 bar, con membrane a flusso tangenziale, utilizzata per l’eliminazione dell’acqua in diversi processi di concentrazione e/o separazione di sostanze, in una sol uzione a bass o peso molecolare. In enol ogi a è autorizzat a s olt ant o nell’operazione di concentrazione degli zuccheri nei mosti, quindi del titolo al colom et ri co vol um ic o .

2.1. Tipologia di filtrazione:

Ci sono due m eccani smi di fi ltraggio del vino:

• Filtrazione di superficie (o detta per setacciamento), cioè il filtraggio del vino così fatto ferma le particelle con l’uso di pori più piccoli delle particelle stesse, facendo pas s are il liquido che in bas e alla porosit à del s etto filt rant e bloccherà parti cell e di una determi nat a dim ensione. M an mano che il filt raggio procede, i l vino diventa sempre più limpi do, ma diminui sce la port at a.

Figura 2 - Filtrazione di s uperfi ci e

• Filtrazione di profondità (o detta per assorbimento), nella quale grazie a un’attrazione esercitata dalla massa filtrante vengono arrestate le particelle. Quest a t ecni ca prevede un set to filt rant e con capill ari costit uenti i pori , e l e parti cel le vengono t rat tenut e l ungo il c anal e, il setacci am ento intercorre

inevitabilm ent e nell a filt razi one , i ndebolendo l a o annullandola in quanto i capill ari vengono os truiti dal le parti cell e. Nell e filtrazioni s i us ano diversi mezzi filtranti perché oltre all’azione di inerzia (sedimentazione fisica) nel pas saggio del li qui do att raverso il s etto filtrant e int ercorrono anche a l tre due forze: l a forza el ett rostatica e l a forza di ads orbim ent o che sono funzi one dell e parti cell e da separare e dall a costit uzione del s ett o filt rante.

Figur a 3 – Filt razi one di prof ondit à

La differenza sos tanzi ale del le due fil trazioni è l a superfici e di contatt o con l e impurit à da filt rare del prodot to, in quant o nella filt razione di s uperfi cie ho un lim ite det erminato da un colmat aggio più veloce rispett o all a fi ltrazi one di profondit à ch e nonostant e preveda fenom eni di s et acci ament o com e quell a di superfi ci e i canal i filt ranti det ermi nano una minor ost ruzione del set to fi ltrant e cons ent endo maggi ore capacit à di filt razione.

2.2. Metodi di filtrazione

La filtrazione del mosto e del vino a vvi ene riducendo l a t orbidità del prodotto man mano che si raggi unge il vino final e, e quindi riducendo i s ett i filt ranti per concent rare sost anze che hanno diamet ro sempre pi ù pi ccol o per ottenere un vino limpido e si curo mi crobi ologicam ent e.

Si fanno di vers e filt razioni con di amet ro dei pori o canali s em pre più st retti perché se si andas se a filt rare dirett am ent e un prodotto che ha m olt e sostanze grossol ane con canali molto st retti che consenti rebbero un buon risult at o i n termini di limpidit à, la filt raz ione non avverrebbe o almeno i n parte, per vi a dell ’ost ruzi one dei s etti filt ranti che caus a i l colmat aggio dei filtri e l a m ancat a estrazione di liquido dall’impianto. La torbidità è misurata in NTU (Nephelometric Turbidity Units) da uno strum ento chi am at o nefelom et ro che consent e una misurazione ogget tiva dell a luce di ffusa i n una dat a di rezione. Il nefel ometro effet tua la misurazione nell a

direzione perpendi colare a quella del fasci o inci dente (Ribéreau Gayon et al., 2010). In li nea di m assi ma si può aff erm are che il vino con NTU < 2 abbi amo un vino limpido, al di sopra può es sere t orbido, questo ri sult ato di NTU lo raggi ungiam o es eguendo più di una filt razi one nel corso del processo produttivo del vi no, con divers i impianti :

- Filt razi one a prepannello ed alluvi onaggio continuo; - Filt razi one i n profondit à s u cartoni o st rati filt ranti; - Filt razi one t radi zional e s u m embrana;

- Filt razi one t angenzial e s u m embrana.

Queste diverse tecniche prevedono l’utilizzo di coadiuvanti o setti filtranti permanenti, ciò che le aziende sce lgono c ome tecnica di filtrazione è mirata a llo sco po di rid urre il numero di operazioni, i tempi di lavoro, l’utilizzo di coadiuvanti e sopratt utto i costi di pro duzione, ma ott enendo alla fine del p rocesso u n p rodott o d i qualità sempre mag -giore.

La tecnica del flusso t angenziale, applicato alla filtrazione su me mbrana; ha dato ottim i risultati puntati a dar e un prod otto di quali tà supe riore all e altre filtrazioni e un cost o di pr oduzione relativa mente più basso. Que sta evol uzione ha ape rto n uove frontiere su tutto il pr ocesso di vi nificazione.

2.2.1. Filtrazione con prepannello ad alluvionaggio continuo

La filtrazione in questo caso si ottiene elaborando il prepannello con l’aggiunta di coadi uvant e di filt razione (fari na fossile, perlit e o cellulos a) che vengono i mmess i in conti nuo nell a condott a di alim ent azione del fil tro (all uvi onaggio continuo). La reali zzazi one del prepannell o avvi ene addi zionando in una vas ca di piccole dimensioni, m ant enendo l a m as sa m escolat a con un agitat ore, una det erminat a quantit à di coadiuvante di filt razione i n acqua oppure mosto o vi no gi à fil trati. La miscel a ott enut a vi ene mandat a i n un ri circolo dall a cam era di filt razione, dove è posto i l supporto di filt razi one sul quale deposit erà il coadiuvante e impurità, nel reci pient e dove si el aborava l a m is cel a, si gestisce il tutt o con il circuito chiuso. Sulla magli a m etal li ca d el support o di fil trazi one si form erà i l sett o filtrante grazi e ai coadi uvanti in s ospensione nella miscela che si depositano progressivam ent e su di esso, fino a formare uno strato uniforme, detto per l’appunto “prepannello”. Successivam ent e all a formazi o ne del prepannell o, si provvede ad i nvi are nell a camera di filt razione i l li qui do di processo addi zionat o i n continuo con una dat a

quantit à di agent e coadiuvant e, i n modo da aum ent are l o spess ore del filtro. Tal e sistema di alim entazi one del filt ro (alluvi onaggio) rinnova i ncessantemente il m ezzo filt rant e m ant enendone la st rutt ura ri gida e permeabi le ed impedendone il colmataggio. La differenza di pressione (Δp) all’inizio della filtrazione si mantiene bas sa e cresce gradualm ent e col procedere dell a filt ra zi one in quanto i l prepannello aum ent ando di dim ensione e accumul ando im purità s i com pat terà s empre di più. Il process o si int errom pe quando s i esauris ce lo spazio disponi bile fra i vari s upporti , che consegue al progressi vo i spessim ent o del pannello, oppu re per vi a del raggiungim ento del la depres sione massim a prefiss at a.

Finita la filtrazione, si svuota il filtro dal liquido che c’era in circolo e si procede con il lavaggio dell’impianto (Fig. 4).

Figur a 4 – Pr epannello ad al luvionaggi o continuo (filt razi one t er minat a)

2.2.2. Filtro pressa con strati filtranti

Gli s trati filt ranti sono el ementi perm eabili prefabbri cati (cart oni) costit uiti

ess enzi alm ent e da una mi scel a di fibre di cellulosa e/o cot one ass oci at e a compos ti granul osi (fari na fos sile o alt ri m at eriali ad alt o pot ere adsorbent e) ed eventuali resine cationiche. I fi ltri pres sa a pi ast re sono studiati e reali zzati per l a fil trazione di fecce e, con l'aggi unt a di una pom pa centri fuga, di vi ni, m osti e sottoprodotti di lavorazione d el vi no, costitui scono da sempre una soluzione sempli ce ed efficace per tutte l e l avorazioni che prevedono l a separazi one dell a parte li qui da dai solidi in sospensi one. I filt ri press a a pi ast re consentono il recupero dell a part e li qui da

che l e fecce ancor a cont engono, ott enendo cont emporaneam ente panel li s olidi ricchi di m ateri e util izzabili dal le indust rie che l avorano i sott oprodot ti di cantina. Costruiti impi egando i migl iori m at eri ali e com ponent i, s ono estrem ament e

affidabili e garanti scono una l unga durat a nel t empo. Tutt e l e parti a cont atto con il prodotto sono i n acciai o i nox AIS I 304. Tutti i fil tri sono dotati di pom pa di alim ent azione e sist ema i draul ico di chiusura m anual e o aut om ati zzat o, pacco filt rant e costi tuito da pias tre a cam era i n mat er i ale pl asti co con coll ett ore cent ral e di di stri buzione e collett ori angol ari per l 'uscit a del liquido (Fig. 5).

Figura 5 – Filtropressa a piastre

2.2.3. Filtro Housing tradizionale a membrana

I filt ri housing di mi crofi ltrazione sono filtri a cam era di pressione nei quali s ono installati elementi filtranti a cartuccia pronti per l’uso. La profondità di filtrazione è determinata dal tipo di cartuccia installata nell’housing e può andare dalla filt razi one m edi a, utili zzando cart ucce di prefilt razione, fino all a filt razi one sterili zzante, ut ili zzando apposit e cartucce con poros ità assol uta pari a 0,45 mi cron, fondam entale per la riuscita dell a filt razione che i l prodot to da filt rare con porosità così piccol e si a precedent em ent e fil trato, o che com unque present i un basso li vel l o di torbidi tà per non colmat are il s etto filt rant e. I filt ri sono cost ituiti da una campana in acci aio inox AIS I 316 all’int erno dell a quale si inst all ano le cartucce filtranti (Fig. 6)

Figur a 6 – Filt ro Housing a membrana

2.3. Parametri tecnici che caratterizzano i mezzi filtranti

I setti fil trant i ris pondono all a filt razi one a s eguito di diversi param et ri t ecni ci che ne decretano la loro effi ci enza in termi ni qual itativi e quant itativi .

 Porosità: si intende come il rapporto tra il volume dei passaggi vuoti e quello total e di un mezzo filtrant e, di pende da forma e dis posi zi one del materi al e che form a il mezzo; viene espresso in percentual e.

 Permeabilità: indica la proprietà del mezzo filtrante di lasciarsi attraversare da un liqui do; vi ene espress a i n Darcy.

 Ciclo di filtrazione: è la fase che intercorre tra l’inizio della filtrazione e il suo arresto, con s uccessivo cambi o o ri generazi one del m ezzo filtrante in seguito al suo intasament o.

 Colmataggio: fenomeno dovuto alle particelle solide, che accumulandosi sulla superfi ci e del m ezzo filt rant e, form ano un deposito comprimi bil e che diminuisce la permeabilità del setto fino a determinare l’arresto della filt razi one.

 Capacità di ritenzione: indica la proprietà del mezzo filtrante di trattenere dal flui do torbido che l o att raversa, particel le con di ametro maggiore di quell o dei suoi pori; vi ene espressa in percentual e.

 Port at a: indica i l vol ume orario di filtrat o (m3/s) che pass a at traverso l ’uni tà di superfi ci e filtrant e (m2), si calcola applicando l’equazione di Darcy che descrive il mot o di un fl uido in un m ezzo poroso.

In idrauli ca l a legge di Darcy è una l egge cost ituti va che des cri ve il mot o di un flui do in un m ez zo poroso. Quest a im port ant e legge vi ene util izzat a in tutt e quell e applicazioni ingegneristi che che cont emplano l 'int erazi one puram ente fisi ca tra un flui do i n movim ent o laminare ent ro un m ezzo poroso.

Equazione di Henr y Darcy (1856)

dove:

Q = port at a del volume (m3/s );

K = coeffi ci ent e di perm eabi lità (Darcy) A = s uperfi ci e del m ezzo filtrante (m2); Δp = pressione differenziale (bar);

η = viscosità dinamica della sospensione (cP); l = spessore dello strato fil trant e (m ).

La t emperat ura ha un e ffett o di ret to sulla vis cosit à del fluido in quanto l a sospensione post a a bas se t em peratura aum ent a l a sua vis cosit à migli orando l a limpidezza e dimi nuisce l a s olubilit à dell e sost anze da filtrare diminuendo il colm at aggio del filt ro rendendo l a filt razi o ne più effi ci ent e, dalla formul a possi amo enunciare che l a portat a è di rett am ent e proporzionale all a superfi ci e filtrante e al val ore dell a pressi one t rasm embrani ca, ment re è i nvers amente proporzi onal e al l a viscosit à del liquido.

L’equazione adattata alla filtrazione enologica di un setto filtrante prende in considerazione l a res istenza che oppone l a sospensione al s ett o:

Il primo R (resis tenza di membrana) dovuto al t elo pi ù il prepannello R (m- 1), il secondo Rd (resi stenza del deposit o) dovut o all a feccia più il coadiuvant e alluvionat o, quindi al deposit o Rd (m- 1). La resist enza tot al e è l a somm a dei due contri buti R e Rd, equivalent e al rapport o (l/K) t ra lo spessore del m ezzo fi ltrant e l e il coeffi ci ent e di p erm eabili tà del mezzo K. La portata sarà i nversam ent e proporzi onal e a queste due forze somm at e in quanto ostacolano l a fil trazione limitando sempre di più l a filt razione (consi derando le pressi oni cost anti ). La

resist enza tot al e non è m ai costant e nel t emp o nonost ante R può ess ere consi derat a cost ante, l a resi stenza del deposit o Rd varia nel tempo, aumentando con l’aumentare dell o spessore del deposit o. Si può infatti considerare proporzi onale al la quant ità di mat eri al e deposi tat o (Fri so, 2013).

2.4. Coad iuvanti di fil trazi one

I coadi uvanti di fil trazione pos sono ess ere defini ti com e dei mat eri ali ausili ari del process o di filt razi one, spess o essi costitui scono il mezzo filt rante m ediante il qual e avviene l a ritenzione dell e parti cell e contenut e nel liquid o di proces so. La loro funzione fondam ent ale è quel la di rendere poroso e i ncompri mibil e il deposit o di parti cel le sol ide che si accum ul a sul m ezzo fi ltrant e.

I coadi uvanti devono rispondere a determinat e caratt eri st iche; l a capacit à di ads orbim ento e/o at t razi one el ettrost ati ca che atti va l ’important e meccanism o di rit enzione (è uno dei princi pal i crit eri di s celt a dei coadiuvanti) poi t rovi amo; inerzia chimi ca, idonea porosit à (rapporto tra volum e dei pori e volum e t otale >0,85), rigi dit à, s uperfi ci e s pec i fi ca (m2/g di sostanza), alt a resistenza al gradiente di pressione (Δp), elevata resistenza all'usura meccanica ed essere disponibili in una vast a gamm a di granulomet ri e divers e. La probl em ati ca principal e di t ali coadi uvanti è quell a di es sere peri col osi per la salut e dell ’operatore e per l’ambiente, secondo la IARC (International Agency on Research of Cancer, WHO) da giugno del 1997, il quarzo, l a t ridi mit e e la cri stobali te appart engono al gruppo 1 dell e sost anze cancerogene per gli um ani (l a st rutt ura crist all ina rende l a pol vere parti col arment e aggressi va per gl i organi interni e quindi pot enzi alm ent e tossi ca) e lo smaltim ento del la past a dell a farina fossile es aurit a che in pas sat o pot eva ess ere rimossa i nsi em e al le acque di rifi uto nell e discariche pubbli che, i nsi em e ai residui di col tivazione o es sere utili zzat a com e fertili zzant e nei terreni agri coli , o ggi è considerat a un ri fiut o speci ale e questo per l e aziende che la utili zzano divent a un cost o aggiunt ivo.

I coadiuvanti di filt razione tradizi onal e attual mente im piegati sono: perl ite, farina fossile, cellul os a.

2.4.1. Perlite

Molto usat a per l a sua bassa densit à (circa 0, 16g/cm3), che consente mi nori dosi di impiego e costi inferiori . Si t ratta di un m inerale di ori gine vul cani ca com post o per

il 75% di sil ice ( Si O2), per il 13% di allumina (Al203 ) e per il res to da i mpuri tà vari e. L'im piego del la perlit e è parti col arm ente indicat o per l a preparazione di prepanelli nei fi ltri rotati vi sott o vuot o, i n quanto il mineral e origi nari am ent e non ha la porosit à adeguat a all a filt razione per lo spazio interm olecol are che occupa l’acqua, quindi ponendolo a un riscaldamento (circa 1000°C) ottengo la perlite espansa (Fig. 7), l a sua es pansione dovut a all’evaporazione dell ’acqua, gl i attribuisce una forma porosa e molto leggera al minerale. L’espansione la fa aum ent are di vol um e abbas sando l a densit à origi nari a fino a circa 0, 16g/ cm3. Successivam ent e vi ene macinat a e selezionata in bas e all a granul om etria che si ottiene.

Figur a 7 – Perlit e es pansa al mi cr os copi o

2.4.2. Farina fossil e

La fari na fos sil e è costit uit a da gusci sil icei (Si02) di parti col ari alghe micros copiche uni cellul ari, dette di atomee (Fi g. 8). Queste alghe una volt a foss ili zzat e in si lice con i l pass are del t empo vengono est ratt e, essi ccate, maci nat e e purificate per l’utilizzo enologico. Si distingue per la sua grandissima porosità (rapporto tra il volume dei pori e il volume totale, fino al 93%), per l’enorme sviluppo dell a sua superficie (12 –42m2_{/g) nonché per la sua bass a densi tà} (0,3g/ cm3).

Rappres ent a i l coadi uvant e dell a filt razion e di uso più comune per le sue parti col ari capacit à filt ranti; essa viene impi egat a sia nel la preparazi one di prepanelli si a nell’alluvionaggio continuo.

Figur a 8 – Di verse f orme di di atomee

2.4.3. Cellulosa

La cel lulosa è un polisaccaride di ori gine vegetale ed è ottenut a dal l egno grezzo medi ant e una seri e di tratt am enti fi si co -chimici.

Si pres ent a sotto forma di un int recci o di fibre, dell e dim ens ioni di 50 -150μm di lunghezza e 15 -20μ m di diamet ro (Fi g. 9) , con un elevat o pot ere di im bibi zione grazie ad una porosità stimata di 10μm, la lavorazione prevede una serie di trattamenti di puri fi cazi one dal legno fi no ad ott enere una polvere di una cert a granul om etria.

Viene im piegata pri nci palm ente per formare il primo st rat o del prepanell o o per preparare dei prepanelli misti con i coadi uvanti minerali , mi gl iorandone l a coesione. Possi ede una debol e cari ca elett ri ca che es erci ta un'azione elettrost ati ca, che consent e l a rit enzione dell e parti cell e di cari ca oppos ta.

3. Filtrazione sottovuoto tradizionale

Il filt ro rot ativo è st ato invent ato int orno al 1900 e trovava il s uo pri ncipale ut ili zzo nell a depurazi one delle acqua reflue. È difficil e imputargli una data di creazione es att a in quant o nel corso degli anni sono st at e numeros e l e modi fiche fatt e al fi n e di mi gliorarne il suo util izzo, qui ndi è provvisto di numerosi brevetti mondi ali. Il filt ro per vino rot ati vo s ottovuot o è cos ti tuito da un t amburo cilindrico ori zzont al e con l a s uperfi ci e forata in acci ai o inox (Fi g. 10) in grado di ruotare s ul propri o as se sul qual e si porrà i l coadi uvant e di fil trazi one che s arà il vero s etto filt rant e, successi vamente verrà parzi alm ente im merso in una vas ca in cui è cont enuto il liquido da filt rare. Un el em ento neces sari o per l a formazi one del vuoto s arà cost ituit o da una pompa che aum ent ando il Δ di pres sione del si stema atti rerà all’interno del cilindro il liquido e lascerà i solidi sospesi e composti che hanno un diametro maggiore, o una carica differente del setto filtrante, all’esterno del tamburo rot ant e, una l am a raschi ant e s ervirà per pul ire, e quindi rinnovare, l a superfi ci e fi ltrant e. Il funzi onam ento di quest i fil tri a t amburo può ess ere defi nito in conti nuo, poiché si ha lo scari co cont inuo di filt rat o con continua rimozi one e allontanamento del deposito di filt razione.

Figur a 10 – Fil tro s ottovuot o r otati vo “ Taylo TMC I Padovan

Le appli cazioni pi ù int eres santi di tali fil tri riguardano: l a filt razi one di mos ti uscent i dall e linee di sgrondatura e pressat ura, la sgrossatura dei vini mol to fecci osi, la filt razi one dei depositi delle vasche di stoccaggio e di chiarifi ca del vino e p er il recupero del m osto nei fondi di decant azi one o di flot tazione.

3.1. Impianto del filtro sottovuoto rotativo

La filt razi one avviene prim a con la form azione del s etto filt rante (prepannell o) con l’ausilio dei coadiuvanti (farina fossile, perlite e/o cellulosa). Inizialmente il precoat deve avere un certo quantit ativo di acqua di mis celazione , che s erve a idrat are l a torba di form azione del prepannell o, s ucces sivam ent e si ini zi a ad alim ent are il precoat di coadiuvante , t enendo tutt o in mis cel azione (cons ent e ndo l a corrett a mis cel azi one ). S olo quando l a miscel a ott enuta nel precoat è idonea (non troppo dens a e non troppo fl uida) per i param etri di : dim ensi oni del t am buro, granul om etria del coadiuvant e, spess ore che si vuole ott enere di prepannell o, si manda l a soluzione nel recipi ente del fil tro tramit e una pom pa oppure per cadut a aprendo una valvol a, alim ent ando i n cont inuo il precoat di coadi uvant e e acqua, si azionano l e pompe del vuot o quando il t amburo che gira al m assim o dei gi ri s fiora appena il livell o dell a mis cel a, i giri al m as simo consentono di avere un innalzam ent o abba st anza vel oce dell a depressi one neces saria al supporto del prepannello di trattenerlo al di sopra, l’acqua che si estrarrà dalla miscela viene rim andat a nel precoat tramit e una pompa cent rifuga, creando un si st ema chiuso da cui , si rall ent ano i giri del t a mburo gradualm ente (ques ta prati ca cons ent e una maggiore uni formit à di dist ri buzione del coadi uvant e s u tut ta l a superfi cie del support o) quando l a depressi one t ende ad aum entare m ant enendo un li vell o cos tant e intorno a 0,4 -0,6bar (ass oluti ). Importante in quest a fas e non abbas sare brus cam ent e i gi ri del tamburo in quanto il calo di depressi one cons egue nell a cadut a del prepannell o. Il coadiuvant e che si depositerà sul supporto raggiungerà la mis ura prest abili ta i n funzi one della quantit à di coadi uvant e e d alla distanza che esso ha dall a l am a ras chi ant e.

Quando il prepannell o ha raggiunto l a l am a ed es aurito il coadi uvant e nell a mi scel a del precoat si può impost are il filt ro all a soluzi one da fi ltrare, s vuot ando il recipiente dove è posto il tamburo dall’ac qua, per non diluire troppo la sostanza da filt rare, azionando l a pom pa di alim ent azi one che chi am erà il prodott o (Fig . 1 1). Il filt ro spesso è provvisto di una specula tra il t amburo e l a campana del vuoto affinchè si poss a vedere il pas saggio t ra acqua d ell a mis cel a precedente che è ancor a impregnat a nel prepannell o e dentro al filt ro st esso, al li quido est ratto dalla soluzione da fi ltrare, fase non imm edi at a, e che prevede una certa di lui zione del liquido est ratto.

Figur a 11 – Schema di un filt ro rota ti vo sottovuoto a r egi me

Durante l a rot azione il tamburo vi ene divi so in 3 zone: • Zona di filtrazione (parte immersa);

• Zona di asciugamento (o zona di distacco);

• Zona con strato filtrante rinnovato (tra la zona al di sotto della lama e la parte immers a).

La separazione t ra aria e filt rat o avvi ene con il t amburo m ant enuto in depressione. Il filtrato si deposita sulla parte inferiore cava del tamburo e l’aria viene aspirata nell a part e superiore. I vant aggi di quest o sis tem a sono: il mi nore assorbim ent o di ossigeno (l a pompa di estrazione preleva il liqui do sott o batt ent e, i n posi zione distante dal pelo libero dell’aria), la minor potenza installata (la pompa di estrazione reali zza l a depressi one necess ari a fungendo da pom pa del vuot o). Il livell o di vuot o applicabile vari a da 0,4 a 0,8bar (assolut i). L’imm ers ione del t amburo può ess ere vari ata dal 20 al 45%. Aument ando i l grado di imm ersione aum ent a l a superfi ci e effettiva di filt razione e si riduce l a superfi ci e di as ciugam ento, paramet ro che s i può m odi fi care dim i nuendo la velocit à di rot azione del t amburo. La vel ocit à di rot azione può vari are da 0,1 a 2 gi ri/mi n è i n funzione dal di am etro del t amburo e dell a filtrabilit à dell a torbida. Una veloci tà minore aum ent a lo spes sore del pannell o e dim inui sce l a port at a speci fica del fil t rat o. Una vel oci tà m aggiore diminuis ce l o spessore del deposit o, minore resist enza al passaggio, m a ne aum ent a l a port at a specifica con incremento dell’umidità residua. Il rendimento ottenibile è circa 100L/m2/h per fil trazione de ll e fecce, 200 -300L/m2/h per filt razione dei mosti . I gi ri sono soli tam ente 1 -2 gir/min.

I filt ri s ottovuot o present ano i vantaggi di pot er lavorare fecce consist enti, di programm are m egl io il l avoro; grazie al la lunga aut onomia e minor richi est a di manodopera, alt a capacità est ratti va di liquido e possi ede anche un’el evata port ata. Gli s vant aggi sono: maggior consumo energetico, maggior i m piego di coadi uvanti (5 volt e di più), non perfetto es aurim ent o del pannello s cari cato (Fiori, L. 2014), problemi di sm altim ent o del coadiuvant e uti lizzato e ri schi s anit ari legati all ’alt a volatilità di esso (legati alla respirazione dell’operatore).

4. Filtrazione tangenziale

La filt razione t angenzi al e su m embrana (Fig. 12) è una t ecnica che sta vedendo sorgere nuovi e interess ant i st rum enti, uti lizzata nel s ett ore caseari o già negli anni Sett ant a del s ecol o scors o, in impi anti di osm osi invers a e di ult rafil tazione, ed est es a dopo un decenni o anche all a micro e all a nanofilt razione. L’at tuale disponibil ità di membrane utili zzabili nell a filt razione tangenzi al e different i per porosit à, per m at eri ali utili zzati e per confi gurazione, può coprire un cam po tecnol ogi co molt o ampio.

Figur a 12 – Fl usso t angenzi al e al s etto fi ltrant e

Nel la tras form azione enologica i l m aggi ore interess e riguarda l a mi crofilt razi one che, utilizzando membrane con porosità variabile da 0,1 a 10μm di diametro, può ess ere appli cata su quasi tutti i prodotti: dai m osti o dai vini appena ferment ati si no ai vini chiarificati pronti all’imbottigliamento. Per quanto riguarda le altre tecniche di filtrazione tangenziale, come l’ultra e la nano filtrazione (Fig . 13), vi è interesse soprat tutto per la concent razi one di sost anze poli fenoli che e di zuccheri , anche s e

non mancano applicazioni particolari come l’impiego dell’osmosi inversa per la separazi one t artari ca (P ezzi , F. 2017) .

Figur a 1 3 – Campo di appli cazi one di di verse t ecni che di s eparazi one in funzione dell e dimensioni dell e parti cell e da s epar are

La fil trazione tangenzi ale rappres enta in quest o m om ento l a t ecnologia di fi ltrazione più avanzata a di sposizione degl i enol ogi, ed in co ntinua evoluzione grazi e all a possi bilit à di s cegli ere m embrane di diverso m at eri al e (polim eri o cerami che) e di vari a conform azi one (pi ana, tubol are, a fibra cava e spi ral at a) perm ett endo di lavorare prodotti con caratt eri sti che m olto di fferenti, dai fond i di s edim ent azione ai vini destinati all’imbottigliamento. I miglioramenti tecnologici più evidenti sono stati raggiunti con l e membrane spi ral at e che, di fferent em ent e da quell e a fibra cava, operano con bass a vel ocit à di flusso, rispettando m aggi orment e l a component e

colloidale e polifenolica dei vini. L’ambizioso traguardo della filtrazione tangenzi al e è quello di sostitui re tot alm ente la filt razione t radizi onal e anche nell a filt razi one escl usiva dei fondi di chi ari fica per decant azione stati ca (fecce). Nel corso dell’operazione di filtrazione tradizionale il liquido da filtrare attraverserà il sett o perpendicol arm ent e, l e parti cell e da all ont anare si deposit eranno sul m ezzo filtrante, provocando una riduzione della portata fino all’intasamento (colmatagg io) del setto filt rant e, ed il s ucces sivo blocco della filtrazione. Al contrario, nell a filt razi one t angenziale la direzione con cui il prodotto t orbi do lam bis ce i l m ezzo filt rant e è parallela (tangenzi al e) all a sua superfi ci e. Lo s corri ment o t angenzi al e d el prodotto minimizza la formazione del deposito di particelle chiamato “fouling” sulla membrana, e quindi il rischio di colmataggio della stessa. Un’altra innovazione tecnol ogi ca è rappres ent at a dall e caratteristi che costrutti ve del le membrane. Quest’ultime sono dotate di una superficie estremamente liscia e di una via capillare molto breve, olt re a pres ent are una li mitat a dimensione dei pori, con form a anis ot ropi ca (st rutt ura asimm et ri ca), e dal profi lo conico con diam etro cres cent e.

4.1. Impianto di fil trazione tangenziale

L’operazione di filtrazione utilizzando un filtro tangenziale (Fig. 14), è com plet am ente automati zzat a con ci cli di lavoro a gesti one comput erizzat a t ramit e PLC. Il prodotto da filtrare ( torbi do), viene m andato dal serbatoio di stoccagg i o al serbatoi o di s ervi zi o del filt ro, utili zzato come polmone per il prodotto. Dal serbatoi o di servi zi o, con una pompa centri fuga di alim ent azi one, il t orbido viene invi ato verso l e m em brane, contenut e in un sist em a chius o di rici rcolo, in cui ent ra in azione un’altra pompa cent ri fuga chi am ata appunto “pompa di ri ci rcolo”, ad el evata portata e bassa preval enza. Il fl usso torbido l ambi s ce parall elamente l e membrane ed in parte permea finendo all’interno di un serbatoio predisposto precedentemente e colleg at o all ’impi ant o. La res tante part e del flusso non perm eat a (ri tenuto) tras cina con s e il fouli ng form ato sulla m embrana. La part e non perm eat a del flusso viene fatta ricircolare all’interno del sistema, o alternativamente ritorna nel serbatoio polmone per dil uirsi con alt ro prodott o non concent rato. La perdit a di carico dovuta alla filtrazione con produzione di permeato è ripristinata dall’azione simult anea del le due pom pe (alim ent azione e ri circol o). La prima, ovvero quell a di alim ent azione (press uri zzazi one), ri pristi na l a quantit à perm eat a con l’i nvio di una pari quantit à di prodotto torbi do al ci rcuit o di rici rcol o. Cont emporaneament e

all’invio di prodotto torbido all’interno del su detto circuito, calibra costantemente la di fferenza di press ione att rav ers o le m embrane (press ione di transm embrana) Δp, respons abil e dell a fil trazi one, e m ant enendol a su valori cost anti e ottim ali al ti po di prodott o t rattato. La seconda pompa, quella di ri circolo, perm ett e di m ant enere un el evato fl uss o t angenzi ale s ulle m e mbrane. Nel cont em po la pompa di ri ci rcolo, olt re a m ant enere un el evat o fl uss o sull e m embrane, controlla l a velocit à del fluido torbido in ri ci rcolo nel sist em a, t enendol a com pres a t ra 1 e 3m/ s, al fine di agevol are l’asportazione del deposito di particel le sulle membrane (Zappulla, A. 2017).

Figur a 1 4 – Schema funzi onal e i mpi ant o di filt razi one tangenzial e.

Parametri funzionali della MFT Dimensione dei pori : 0,1÷10 µm Vel oci tà del flusso: 1 -3 m/ s Pressione del f luid o: 1 -3 bar Rici rcolo prodott o = QR/ QP ≈ 30-60

La filtrazione a regime può presentare cali di portata, dovuti all’accumulo di parti cel le (fouli ng) che si deposit ano sul sett o filt rant e, m ol to cont enut o ri spetto all e filt razi oni tradi zionali , m a comunque ost acol a l a filt razione . Ost acolo che è molto più presente quando il prodott o da filt rare sono i fondi di chi arifica, molt i filt ri t angenzial i pres ent ano un flus som etro che arres ta l a filt razi one quando i l sistema ril eva un innal zam ento dell a pressione, dovut o all a di fficolt à di fil trazione, il quale l’impianto provvederà autonomamente alla rapida pulizia delle membrane, con un m etodo m olto sempli ce chi amato B ack -wash (i mpulso di pressi one controcorrent e). Questo processo può essere reali zzato tramit e il ri flusso del

perm eat o che provoca il dist acco del pi ccol o st rato deposit at o, con una s peci fi ca pompa o con alt ri si s temi pi ù s empli ci , come l a chius ura ist ant anea delle valvol e di alim ent azione (con arrest o dell a rel ativa pompa) e di s cari co o com e l a evacuazi one del perm eato con im pulsi pneum ati ci controcorrente, dal lat o dell a m em brana che vede il perm eato, contro il fluido da filt rare i n modo da rigenerare le membrane e rist abil ire l a port ata.

La filtrazione t ermi na quando il prodot to da filtrare è fi nit o, a quest o punto il sistema ha concent rato tutti i sol idi s ospesi e l e sost anze t rat t enute i n un s erbatoio di s ervi zio che verrà svuot at o pneumaticament e i n una vas ca.

4.2. Le membrane

La filtrazione tangenziale prevede l’utilizzo di membrane come setti filtranti per microfilt razione, ult rafilt razione, nano filt razi one e osm osi invers a, adattate e cost ruite a seconda dell e esigenze. Le m embrane più utili zzate in questo m oment o hanno stru ttura anis otropi ca, pi ù funzionali ri spetto le tradi zionali m embrane con strut tura i sot ropi ca. Le m embrane anisotropi che sono caratteri zzat e da una s truttura asimm et ri ca com pos ta da una s ottil e pelli col a superfici al e chi amat a “Skin ” di qualche μm di spessore, composta da una fitta rete di fori calibrati dal lato del rit enut o. Il res to della st rut tura risult a per tutt o il s uo s pessore alveolat o con porosit à e diam et ro dei pori crescenti verso il lat o del perm eat o, questo per minimi zzare il colm at aggi o; ciò c ons ente di aum ent are le rese e dim inui re l e pressi oni di fferenzi ali di es erci zi o. Ul teriore vant aggio è dat o dall a possi bilit à di liberare part e dell a superfi ci e fi ltrant e colma, dai t anti soli di accumul ati . Ques to può essere fat to sem plicem ent e invertendo l a di rezione di flus so (back -wash). Per l a fabbricazione dell e mem brane si poss o utili zzare mat eri ali di natura polim erica o ceramica (mi nerali ), con propri et à fisi che e resist enza chim ica di vers e. La s cel ta di un m ateriale, piuttosto che di un alt ro, vi e ne fatta in base al ti po di applicazione ed esigenze a cui è riservat a la mem brana.

4.2.1. Materiali polimerici

Le mem brane organi che vengono definit e polim eriche, poi ché ott enut e da reazioni di polim eri zzazione di unit à st rutt urali ri petit ive (m onom eri), in grado di combi narsi tra loro per form are un polim ero. In al cuni casi t al e reazione è precedut a da un’opportuna miscelazione con monomeri di natura diversa (co -monomeri), che

consentono di ott enere un m at eri al e (co -polim ero) con det erminat e caratteris ti che desiderate. La maggior parte dei polimeri utilizzati dall’industria per la fabbri cazione dell e membrane polim eri che sono ott enuti da m at eri e plasti che e fibre sint eti che.

Le propri et à fi siche del pol imero sono infl uenzat e da determinat i fattori quali il pes o mol ecol are, l a polarit à e l a cri stallini tà. Un elevato peso molecol are determi na un’elevata resistenza meccanica ed una buona resistenza ai solventi; la presenza di gruppi pol ari e di catene l at eral i infl uis ce sull a com pat tezza e s ull a rigi dit à del l a strut tura, così com e l a pres enza di carboni asimm et rici port a al la sint es i di pol imeri cri st allini , che per loro natura sono poco flessibili, aum ent ano il modul o di rottura dell a mem brana st essa, abbas sando l a sua durat a. I mat eriali più util izzati i n enologi a per l a cos truzi one dell e membrane possono es sere costitui ti dai s eguenti polim eri:

• Polieteresulfone “PES”: molto resistente a qualsiasi variazione di pH, a valori est remi di al col ed el evat a resist enza all e alt e t em perature (t ermo -st abilit à); m al sopport a invece pressioni di esercizio el evate e l ’utili zzo di solventi pol ari impiegati nell a puli zia e s aniti zzazione.

• Polivinildenfluoruro “PVDF”: materiale fisiologicamente inerte quindi adatto al contatt o con alim enti, ottim a resist enza all e alt e t empe rature, con eccell enti propri et à m eccaniche ed am pia compati bilità chimi ca.

• Teflon “PTFE”: si tratta di un materiale chimicamente e biologicamente inerte, molto res ist ent e al le alt e tem perature e che perm ett e di l avorare con ampi range di pH, in pres enza d i agenti chimi ci di fferenti . Un’alt ra caratt eristi ca è l’el evat a resistenza meccanica, che gli conferisce un’adeguata protezione nei confronti di com ponenti solide a forte azi one abrasiva, presenti nei fluidi da filt rare.

4.2.2. Materiali ceramici e miner ali

Per quanto riguarda le membrane i norganiche sviluppate i n epoca più recent e, vi sono l e m em brane minerali in ceram ica, chi am at e così poi ché cost ruit e per sovrapposizione di vari st rati filt ranti di di versi mi neral i, con granulom et ri a decrescent e. I div ersi minerali vengono uniti i nsi em e medi ant e si nteri zzazi one, processo nel quale l e parti cel le di un material e soli do in forma di polvere, sottopost e a riscal damento, si avvici nano e si sal dano, ori ginando un pezzo di m ateri al e com patt o. La si nt eri zzazi one può essere svolt a a pressi one atm osferica o a pressione

elevata, nel primo caso è preceduta da un’operazione di compattazione delle polveri. I vari strati sovrapposti sono form ati da os sido di zi rconi o o tit anio negli s trati att ivi con granulom et ria minor e, e da una part e interna in ossi do di allumi nio con granul om etria m aggi ore che ha funzi one di s upport o st rutt ural e. I pori che ne risul tano sono m eno uni formi nell a cali brazione, qui ndi si ha m eno s el etti vit à rispett o a quell e organi che. Tutt avi a tali mat eri ali cerami ci donano alle m embrane maggior resist enza meccani ca, chimi ca, all e alt e t emperat ure, ed una li fe -tim e maggiore rispetto all e m em brane organi che (Zappul la, A. 2017) Quest o cons ent e l a possi bilit à di fil trare sospensi oni molto viscos e e con un alto numero di s olidi sospesi , i nfatti trovano l argo impi ego nell e filt razi oni di fondi di chi arifi ca dei most i e dei vini . Nel le versioni di m aggior di am etro dell a l oro confi gurazi one ti pica, quella t ubol are, l e m embrane ceram iche ben si prest ano al recup ero del le fecce. Un recupero val ido da un punt o di vis ta quali tativo e parti col armente interess ant e anche da quello economi co quando le fecce provengono da prodotti di elevato val or e comm ercial e.

4.3. Configurazioni geometriche delle membrane

La possi bilit à di gest ire la superfi ci e del setto filt rant e è fondament al e per compi ere le diverse fil trazioni, e i diversi bisogni enologi ci, di videndo l e princi pal i m embrane in questo m odo:

➢ Membrane a fibre cave: sono dei sottili tubicini cavi, realizza ti con un process o di est rusi one con sezi one t rasvers ale di 1 -2mm . Le fibre cave vengono comunem ente raccolt e i n fasci di 200 -1000 unità alloggi ati in un contenitore tubolare (cartuccia) per costituire un modulo, fissat e all a loro est remit à da una resi na c he ha il compit o di isolare il com parto del permeat o da quel lo del ri tenuto. Com e vantaggi present a una buona superfici e di filt razi one in rapporto al volum e del modul o e una buona capacit à di controfl usso, quando il back -was h si at tua si rigenerano dis cre t ament e, com e inconveni ente hanno la fragilit à dei singol i tubi ci ni cavi.

➢ Membrane tubolari: costituite da una membrana cilindrica avvolta in un support o ri gido e macroporoso, a forma cilindri ca. Ogni singol a unit à di sezione ha un diam et ro int erno, del s et to filtrant e del l’ordine di 2 -7mm, m ent re quello est erno del supporto vari a da 5 a 30mm. Quest a candela in genere viene coll ocat a in più unit à in un involucro est erno di cont enim ento del perm eat o. Il

passaggio del permeato avviene verso l’esterno del cil indro mentre il concentrato viene raccolto all’uscita del tubo. Grazie al loro elevato diametro perm ettono di m ant enere alt e vel ocit à di rici rcolo con form azione di una buona turbolenza del prodotto con velocità dell’ordine di 5 -6m/s, sono adatte a liquidi m olto densi o con el evat a concent razi one di sol idi. Per cont ro richi edono molt a energi a e alti vol umi di acqua e di prodot ti chimi ci per i lavaggi.

➢ Membrane a s piral e: sono m embrane costitui te da più unit à, compos te da coppi e di m embrane separate da uno s t rat o poroso. Le uni tà, s eparate da spazi atori a ret e, sono coll egat e e avvolt e su di un cilindro centrale. Il li quido da filt rare si dist ri buisce negli s pazi atori scorrendo con un moto t urbol ento sull e m em brane, m entre il perm eato si raccoglie nel t ubo ce nt ral e per deflui re poi all’esterno. La membrana spiralata risulta interessante per i bassi valori dell a vel ocità di flus so e dell a pressi one necess ari a, m a presenta l imiti per i prodotti vis cosi e ri chiede at tenzi one per la puli zi a.

➢ Membrane piane: sono costituite da una coppia di membrane separate e dist anziate da un apposit o supporto che forma al loro i nt erno tanti pi ccoli canali, per perm ett ere il defl usso del perm eato. Le pl acche fi ltranti sono pi att i, ottenuti abbinando due membrane opportunam ent e dis t anzi ate i n modo da perm ett ere l a ci rcol azione del prodott o, e collocati in cam era di pressione.

4.4. La produttività

La port at a di questo i mpianto, quindi la sua produttivit à, l a ricaviam o dalla formul a che abbiam o visto in precedenza, prendere spunt o da ll ’equazi one di Darcy:

Q =

A × DP

m

× R

(

+ R

)

K =

1

m

× R

(

+ R

)

La port at a dunque è proporzi onal e all a superfi ci e filt rant e (m2) e al valore dell a pressi one t ransm embrani ca (bar), m ent re è inversam ente proporzional e all a vi scosit à del liquido (cP) e alla resistenza opposta durante l’attraversamento della membrana e del fouling deposit ato (m- 1).

L’inverso della resistenza totale e della viscosità della sospensione ci definisc e la perm eabilit à di m em brana che, nel cas o dell a fil trazione t angenzi al e s e abbi amo un sett o a punta cava nella mi crofil trazione sappiam o che abbi am o una perm eabilit à di membrana di 33L/ h per ogni m2 di setto, e per ogni bar di pres sione, quindi definendo che l a perm eabi lità di m em brana si a l ’inverso dei 3 denom inatori dell’equazione precedente, la formula sarà:

Q = K × A× DP

Q = 33, 5× 20 ×1, 5 = 1.000

L

h

Le quatt ro configurazioni di m embrane possono ess ere comparat e utili zzando val ori medi del la loro superficie fil trant e, del l oro ingom bro e della loro port ata di permeato. Rapportando la superficie di filtrazione con l’ingombro volumetrico dell’impianto il valore nettamente più elevato si raggiunge con le membrane a fibra cava, con 15.000 m² di s uperf i ci e fil trant e per m3 di spazio occupato. Il flus so di perm eat o di quest e m embrane risulta però molto bass o, circa 50 L/h per m2 di s uperfi ci e, e ci ò det ermi na una port at a riferit a all ’ingom bro di poco

superi ore a quell a delle m em brane spi ralate. Ques to pa rametro ris ult a m eno vantaggioso per l e m embrane pi ane e quel le t ubol ari (P ezzi,F. 2017) .

5. La ricerca

Lo s tudi o condott o è rivolto all a comparazione t ecni ca ed economica di due diverse tecnol ogi e di fil trazione ed es aurim ento dell e fecce ott enut e nell a chi ari fi ca preferm ent ativa di m osti di uve bi anche. Un i nt ervento che è sempre s tat o oggett o di grande in teress e per gli as petti tecnologi ci ed economici che coi nvolge, soprat tutto nel le grandi cantine dove riguarda grandi quantit à di sottoprodotti che devono essere tratt ate cel erm ent e per non comprom ett ere l a qualità dei prodotti ottenuti , evit ando at t acchi di batt eri, li evi ti e alt ri mi crorgani s mi presenti nel m osto. Nel caso es aminato sono st at e pres e i n considerazione l e due t ecnologi e che attualm ent e s embrano offri re le migliori prestazi oni: l a filt razione con t amburo rot ant e s ottovuot o, più t radi zional e e diffus a, e l a filt razione t angenzi al e a membrana, più recente e innovativa. In parti col are sono stat i utili zzati il filtro a tamburo “Taylo” della TMCI Padovan S.p.A e Il filtro tangenziale “Omnia” con membrane st ati che di ceramica prodot t o da Dell a Tof fola S.p.A.. Le fecce di flott azione ut ili zzat e proveni vano dall a fl ott azione di most i prevalent ement e di Trebbiano.

Oltre ad es ami nare s ingol arment e l e pres tazioni dei due impi anti si è provveduto a val utare una t erza i pot esi operativa basat a sull a com binazione dei due filtri che operano in s equenza sull e st es sa fecci a. In prati ca il rit enuto del fi ltro t angenzial e, ancora ri cco di most o, è st ato l avorato dal filtro sott ovuoto per m igliorare il livell o di esaurimento.

Nel la filt razione t angenzi al e si è not ato che il concent rato, l a part e che vi ene trattenut a dal s ett o d i fi ltrazione, è abbastanza li qui d o. Ciò accade perché una part e di m osto , che non è ri us cit a a passare attraverso i pori, può ess ere tratt enut a dal foul ing , andando nel s erbatoi o di stoccaggio ins iem e a tut to l o s carto . Ques to rit enut o viene cedut o, di solit o, all e dis tilleri e, come accade per il coadiuvant e saturo dall a filt razi one tradi zi onale rot ati va , perdendo del pot enzi ale prodotto . L’obbiettivo ricade su questa porzione di liquido presente nel ritenuto e la sua effettiva es traibi lit à con un fil tro a t amburo sottovuoto, al fi ne di produrre più vino e lim itare l a produzi one di sott oprodotti dall a fili era enol ogi ca .

Occorrono diversi as petti per pot er decret are se la filt razi one di questo sottoprodott o può essere uno sbagl io o m eno, prim a di tutto l a qualità del prodotto est ratto non deve discost arsi mo l to dai param et ri enologi ci, l a valut azione di ciò è st at a fatt a el aborando analisi chimico -fisiche dei di versi el em enti dell a filt razi one:

• Feccia di flottazione in entrata al filtro tangenziale Omnia,

• Il mosto limpido estratto dalla feccia di flottazione (con metodo tradizionale e t angenzi al e),

• Il concentrato che il filtro tangenziale Omnia ha trattenuto,

• Il vino limpido estratto dal concentrato , mediante filtrazione tradizionale rot ativa.

Oltre alle analisi qualit ati ve dei prodotti, è st ato preso in oss ervazione anche l’aspetto operativo ed economico scaturito dall’utilizzo di tale pratica comparando i due filt ri con l a m edesi ma mansi one, e con l a prati ca si nergi ca.

L’esperienza è stata condotta presso la Cantina di Faenza Società Agricola Cooperati va, durant e la vendemmi a 2020 nell a qual e sono s t ati conferiti 329000 quint ali di uva. La C anti na S oci al e di Faenza nas ce nel 1932 per i ni ziativa di al cuni dei m aggiori esponenti dell'agri colt ura faenti na, che videro nell'as sociazi onism o l o strum ento migl iore per la val ori zzazi one dell a propria produzione viti cola. La Canti na S oci al e di Faenza risulta es sere l a prim a Cooperativa sort a nell a provinci a di Ravenna. Dopo s ess ant 'anni di proficua attivi tà nel la vecchi a s ede, ubi cat a i n pieno cent ro citt adi no, nel 1992 la Cantina ha t rasferito l avorazioni e uffi ci nel nuovo st abilim ento di vi a Sol data, dove il continuo aggiornam ent o t ecnol ogi co e il cost ante m iglioram ento variet al e ed agronomi co nel la conduzi on e dei vigneti dei soci , arrivati a quota 1550, s empre pi ù concentrati in zona col linare, hanno consentito di produrre vini di s empre maggiore qualit à ot t enendo, da part e dei consum atori un cons ens o cres cent e.

6. Materiale e metodi

Da un punt o di vist a ope rativo i l confront o t ra l e due tecnologi e di filt razione è st at o reali zzato i l pi ù possibil e una uni formi tà di prodott o ut ili zzat o e una cel erit à adeguat a nei t em pi di lavorazi one per garantire l a m assi ma qualit à dei prodotti est ratti, evit ando quals iasi a vvio ferm ent ativo che avrebbe fals at o i param et ri analiti ci cont roll ati.

L’operatività e la funzionalità degli impianti sono state seguite per cicli giornalieri di lavoro, durant e i quali sono st ati controll ati ad i ntervalli regol ari i param etri analiti ci sui seguenti campi oni:

1. Fondi di chi ari fica (fecce) ott enuti per fl ottazione

2. Mosto lim pido in uscita dal t angenzial e al iment at o con l a fecci a di flot tazione 3. Mosto limpi do in uscita dal sot tovuoto al i ment ato con la fecci a di flott azione

4. Concentrato t ratt enut o dal l a filt razi one t angenzial e

5. Mosto lim pido parzi alm ent e fermentato i n us cit a dal sott ovuoto alim entat o con il concentrato del tangenzi ale

I cam pioni sono st ati posti nell e m edesime condi zioni di analisi chimi co -fisi che, che sono st at e eseguit e nel laboratorio dell a stess a cantina, filt randoli precedent em ent e all’analisi con un doppio filtro carta, in quanto per i campioni fecciosi si possono ris contrare dei lim iti e misurazi oni falsat e, mentre sui campi oni lim pidi si poss ono es egui re t utt e l e mi s urazioni anche s enza la precedent e filt razione, di s eguito s ono elencati i parametri su cui è stata posta l’attenzione:

❖ Titolo alcolometrico volumico effettivo; ❖ Titolo alcolometrico volumico totale; ❖ Azoto prontamente assimilabile; ❖ Zuccheri riducenti; ❖ Acidità totale; ❖ Acidità volatile; ❖ pH; ❖ Polifenoli totali; ❖ Intensità colorante; ❖ Estratto secco.

Inoltre è stato controllata l’umidità del materiale filtrante del filtro rotativo prodott o, sia per l a lavorazi one dell e fecce , si a per l a l avorazione dello scart o prodott o dal filt ro t angenzial e.

Infine è s tat a appli cat a l a m etodologi a di cal col o del costo di eserci zio propost a dall’American Society of Agricultural Biological Engineers (A.S.A.B.E., 2011) per ricavare dei confront i economi ci fra l e soluzi oni tecni che cons iderate.

6.1. Fondi di chiarifica per flottazione

La chiarifica dei mosti ottenuta per flottazione è in grado di separare con l’ausilio di Gel atina, B ent onit e e Azoto, parti sol i de degli aci ni, cellul e e spore mi crobi che, nonché tutte quelle sostanze “inquinanti” che dalla vigna accompagnano le uve, e quindi il mos to, i n cantina. Il prodotto di scart o della fl ottazi one vi ene comunemente denominato “Feccia di flottazione”, leggerm ente diversa dalla Feccia di decant azione st ati ca prodott a dal vino, a seguito di ferment azi oni e travas i, l a qual e è com post a da sedi ment o pi ù o meno abbondante di m icrorgani smi, mol ecol e

coll oidali, olt re che da cri st alli di t artrati e da sost anze uti liz zat e come chi ari ficant i (es. bent onit e). Le fecce dopo essere stat e allontanate dal mosto, durant e l a flott azione, vengono accumul at e in serbatoi di stoccaggio per ess ere successi vamente filtrat e, i n modo da poterne est rarre l a frazi one li quida.

6.2. Tecniche utilizzate 6.2.1. La flottazione

Le fecce fil trat e con i due impi anti cono s tat e ott enute con l a flottazi one del mosto. La flottazione è un processo fisico di chiarifica dei mosti, nato circa trent’anni fa per il settore enologi co. Si t ratta di un a s eparazione per gall eggi amento che sfrut t a la forza di adesione gas/particella solida, la densità dell’aggregato deve essere inferiore a quella del liquido per poter affiorare grazie alla spinta dell’azoto che verrà precedent em ente i nsufflat o.

Per poter parl are di flott azione bi sogna t rat tare precedent emente il concetto dell a separazi one att ravers o l a legge di St okes che è in grado di affermare che l a vel ocità di s edim entazione delle parti cell e è correl at a all a risul tante del le forze che agis cono su di ess e:

Dove:

“D” è il diametro della particella in caduta; “g” è l’accelerazione di gravità;

“p2” è la densità delle particelle;

“p1” la densità del fluido in cui sono immerse le particelle;

“η” è il coefficiente di viscosità che determina il grado di resistenza del fluido. Tranne che per l’accelerazione di gravità (g) tutti gli altri fattori sono gestibili al fine di ott imizzare l a velocit à (vs) della part icell a. Nella flott azione l a di fferenza di densit à (p2 – p1) risulta essere negativa, grazie a questo ho l’affioramento verso l’alto.

Nel la Flott azione i soli di dovranno essere idrofobi o resi idrofobi (Fig. 1 5) att raverso opport uni int erventi, t ramit e agenti floccul anti che sono i n grado di com binar si sel etti vament e con al cuni componenti (gel di sili ce, bentoni te, gel atina, caseinato di K, prot ei ne vegetali), ol tre a quest i ti pi di coadiuvanti, di può agevol are

la chiarifica con l’ausilio di enzimi pectolitici che diminuendo la grandezza delle parti cel le da asport are, l e rendono più facili da affiorare. I s olidi sos pesi pres ent i nel mos to dovranno ess ere in quantit à i nferiore al 10%, m ent re i prodotti us centi dovranno avere meno dell’1% di solidi sospesi per il limpido e meno del 40 -50% per l a fecci a.

Figur a 1 5

A: Adesi one s uperfi ciale

B: Parti cel le i nglobat e nel floccul o (Ferrari ni et al., 1992)

Il fi ne è quello di di minui re l a densit à delle parti cel le da rim uovere, per poterl e far affiorare t ramit e l e boll e di gas, che dovranno ess ere di dim ensi one est remam ent e ridotta (< 120μm), per favorire il moto laminare. Per questo riguardo, si utilizza l’azoto anziché l’ anidride carbonica che presenta un diametro delle bolle maggiore. Altro aspett o important e che riguarda l a dim ensione delle boll e è dovuto al la press uri zzazi one intorno ai 4 -5 bar, pressi oni i nferiori caus erebbero bol le di gas pi ù grandi , n on i donee all ’affioramento. Anche l a t emperat ura a cui viene compi ut a questa azione ha un ruol o import ant e, ess a m odi fi ca l a viscosit à del most o, temperature più alt e (mos ti non refrigerati ) dimi nuis cono l a vis cosit à del mezzo, aum ent ando l a ri sali ta dell e part icell e che avranno m eno resi stenza, a t al punto è opportuno com pi ere la flott azione in vasche basse e l arghe, non i n vas che alt e e strett e.

La flott azione viene es egui ta da im pi anti che possono ess ere elaborati per lavorare in modo continuo o in modo dis continuo, a seconda del modello (Fi g. 16). I modi discontinui prevedono l’utilizzo di un impianto di piccole dimensioni, solitamente trasport abil e, che consente di produrre l a fl ott azione di ret tam ent e in vasca, ci rca i n 2 ore fi niscono il ciclo, success ivam ent e si prel eva il mosto li mpido dal basso dell a vasca con l’ausilio di una specula per vedere il passaggio tra limpido e cappello di fecci a.