P3863IT00 - deposito descrizione - E

P3863IT00
Impianto e metodo per il trattamento di fluidi
Plant and method for processing fluids
DESCRIZIONE
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Settore della tecnica
La presente invenzione si riferisce ad un impianto e ad un metodo per il trattamento
di fluidi.
Più in particolare, la presente invenzione si riferisce ad un impianto e ad un metodo
finalizzati alla riduzione della carica batterica in fluidi da trattare.
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Arte nota
La presenza di microorganismi e/o la crescita del tenore di microorganismi in seno
ad un fluido, sono spesso causa del deperimento delle caratteristiche qualitative del fluido
stesso, per via dell’insorgere di muffe, batteri, lieviti ed enzimi.
Questi fenomeni fanno si che un fluido possa divenire un mezzo per la generazione
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e la crescita di microorganismi e, per questa ragione, possa rappresentare un veicolo per il
trasporto di patologie ed infezioni.
La tutela della salute del consumatore, così come delle proprietà nutraceutiche e/o
applicative in genere dei fluidi trattati, è un aspetto molto importante, che rientra nel
dominio più ampio della sicurezza di tutti quei fluidi, che vengono in contatto con gli
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esseri viventi.
Si rende pertanto necessario, molto spesso, ridurre la carica dei microorganismi nei
fluidi, soprattutto quella dei batteri patogeni, per rispettare sia gli standards di sicurezza,
sia quelli di qualità, al fine di preservare la conservabilità del fluido stesso, e/o di
estenderne la cosiddetta “shelf life”.
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Attualmente, per l’eliminazione o la disattivazione dei microorganismi, quali virus
e batteri, contenuti all’interno di alcuni fluidi, in particolare liquidi, vengono ad esempio
effettuati trattamenti ad alta temperatura o ad alta pressione.
I trattamenti tradizionali ad alta temperatura oggi comunemente applicati
nell’industria, come ad esempio la pastorizzazione e la sterilizzazione, si basano sul
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principio dell’inattivazione e/o distruzione di alcuni microorganismi, per effetto di elevate
temperature.
I trattamenti ad alta pressione costituiscono un’altra pratica tradizionale applicata
industrialmente per distruggere e/o inattivare i microorganismi presenti nei fluidi; l’alta
pressione, infatti, può generare dapprima modificazioni a livello di morfologia cellulare ed
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in seguito può determinare un notevole aumento della permeabilizzazione della membrana
cellulare, che può condurre alla morte del microorganismo.
In alcune pubblicazioni scientifiche (Ferrentino, G., 2009. Microbial Stabilization
of Liquid Food With Carbon Dioxide Under Pressure. Tesi di Dottorato. Università di
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Salerno.), (Erkmen, O., 1997. Antimicrobial Effect of Pressurized Carbon Dioxide on
Staphylococcus aureus in Broth and Milk. Lebensm.-Wiss. u.-Technol., 30, 826–829.),
(Ferrentino, G., et al., 2009. Microbial inactivation and shelf life of apple juice treated with
high pressure carbon dioxide. Journal of Biological Engineering 2009, 3:3.) è stato
proposto di associare la tecnologia di sterilizzazione ad alta pressione, all’iniezione di
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anidride carbonica, con lo scopo di migliorare la distruzione e/o inattivazione di alcuni
microorganismi.
Tecniche di inattivazione e sterilizzazione di microorganismi mediante impiego di
anidride carbonica ad alta densità, alimentata in continuo ad un dispositivo operante in
condizioni di alta pressione sono anche descritte in CN 201188863 e JP 2006-333835.
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Come noto i fluidi a base acquosa, in contatto con CO2 pressurizzata, generalmente
divengono acidi, poiché avvengono le seguenti reazioni:
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CO2 (g) ↔ CO2 (l)
(1.1)
CO2 (l) + H2O ↔ H2CO3
(1.2)
H2CO3 ↔ H+ + HCO3-
(1.3)
HCO3- ↔ H+ + CO32-
(1.4)
La formazione e la dissociazione di H2CO3 libera ioni H+, favorendo un
abbassamento del pH nel bulk del liquido trattato, contribuendo ad incrementare la
permeabilità delle cellule dei microorganismi alla CO2 e quindi facilitando la sua
penetrazione all’interno delle cellule stesse.
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La CO2 disciolta può diffondere all’interno della membrana cellulare e accumularsi
nello strato lipofilico (fosfolipidico), data l’elevata affinità tra la CO2 ed il plasma
cellulare. L’accumulo di CO2 nella fase lipidica e la presenza di ioni HCO3 - creano
un’alterazione strutturale e funzionale alla membrana cellulare stessa.
La membrana cellulare è governata da un equilibrio, risultato anche di una
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regolazione del pH interno (uno dei meccanismi per questa regolazione è l’espulsione di
protoni in risposta ad una variazione di pH tra l’interno e l’esterno della cellula stessa). Se
troppa CO2 disciolta entra nel citoplasma della cellula, questa non riesce più ad espellere
protoni all’esterno ed il pH interno inizia a decrescere. Se detto pH raggiunge valori troppo
bassi, la vitalità della cellula è seriamente indebolita. Molti aspetti funzionali e strutturali
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della cellula sono fortemente influenzati dal pH interno, specialmente l’attività catalitica
degli enzimi essenziali per la regolazione dei processi e del metabolismo della cellula. La
presenza di CO2 e HCO3- altera la funzione enzimatica della cellula responsabile delle
reazioni metaboliche, tra cui quelle di carbossilazione e decarbossilazione. L’accumulo di
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CO2 nel citoplasma favorisce la conversione degli ioni HCO3 - in CO32-, responsabili della
precipitazione intracellulare di carbonati di magnesio (MgCO3) e di calcio (CaCO3),
andando ad alterare la regolare pressione osmotica cellulare.
La CO2, avendo alto potere solvente, può estrarre i costituenti vitali dalle cellule o
dalle membrane cellulari. In questo meccanismo, la CO2 pressurizzata, prima penetra nella
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cellula e, in seguito, estrae i suoi costituenti intracellulari, come fosfolipidi e composti
idrofobici, alterando la struttura della membrana e il bilancio biologico del sistema,
promuovendone l’inattivazione.
Più nello specifico è possibile riassumere i meccanismi di inattivazione batterica
determinati dall’azione di CO2 pressurizzata con i seguenti steps:
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- solubilizzazione di CO2 pressurizzata nel liquido da trattare;
- modificazione della membrana cellulare;
- decremento del pH intracellulare;
- inattivazione degli enzimi principali e inibizione del metabolismo cellulare dovute ad una
riduzione del pH citoplasmatico;
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- inibizione dovuta all’effetto diretto indotto sul metabolismo dalle molecole di CO2 e
HCO3- alterazione dell’equilibrio elettrolitico intracellulare;
- rimozione dei costituenti vitali delle membrane cellulari e delle cellule.
Altre tecniche di disinfezione comunemente utilizzate sono la clorazione, la
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filtrazione e il trattamento mediante raggi UV.
In generale, gli svantaggi principali associati ai processi tradizionali derivano dagli
elevati costi operativi e consumi energetici, da complicazioni impiantistiche ed operative,
dagli alti costi di manutenzione, dall’impiego importante di sostanze chimiche,
dall’impossibilità, talvolta, di applicazione a certe tipologie di fluidi, dalla severità delle
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condizioni operative e di conseguenza dalle criticità legate alla selezione dei materiali
costruttivi degli impianti.
Per superare gli svantaggi delle tecniche tradizionali, sono stati sviluppati in passato
processi, e relativi impianti, per il trattamento di correnti fluide, principalmente allo stato
liquido, mediante l'impiego di elementi che provocano la cavitazione.
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Per indurre il fenomeno cavitazionale in un fluido è necessario generare un evento
critico intenso e concentrato localmente. Le tecniche più utilizzate sono la cavitazione
ottica, mediante l’impiego di laser, quella acustica, grazie alla generazione di ultrasuoni, e
quella idrodinamica, definita “statica” nel caso di passaggio del fluido in un elemento
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cavitazionale di tipo statico, o “dinamica” nel caso in cui l’elemento che provoca la
cavitazione sia in movimento. Durante il regime cavitazionale si ha una transizione di stato
liquido-gas, con conseguente formazione ed implosione, nell’arco di frazioni infinitesime
di tempo, di uno sciame di bolle fortemente instabile. Spesso, la cavitazione è un fenomeno
indesiderato, in particolare nelle pompe crea problemi di funzionamento, associati
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all’erosione delle parti metalliche. Altre volte si induce la cavitazione per favorire la
generazione, nel volume e nel tempo di implosione, di condizioni di pressione/temperatura
che impediscono la sopravvivenza di batteri, virus, spore e microorganismi in genere.
La necessità di identificare delle soluzioni processistiche per la disinfezione e la
sterilizzazione di fluidi che consentano di ridurre i costi operativi e l’impronta di carbonio,
15
ha motivato lo sviluppo di queste tecniche innovative che vengono impiegate in
associazione o in sostituzione alle tecniche tradizionali. Questi metodi non termici
innovativi consentono di effettuare il trattamento senza alterare le proprietà organolettiche
e denaturare il prodotto e senza indurre la degradazione degli attributi (caratteristiche
fisiche, chimiche, ottiche e meccaniche).
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Impianti e relativi processi del tipo suddetto sono descritti, ad esempio, in US
7,833,421 e RU 2 359 763. US 7,833,421 descrive un metodo per la distruzione di
microrganismi in un fluido mediante un dispositivo che induce cavitazione o
supercavitazione. RU 2 359 763 descrive un elemento composto da differenti moduli che,
posti in serie, creano le condizioni ideali per indurre la cavitazione del fluido trattato. Nello
25
specifico, vengono descritte le possibili applicazioni di detto elemento: creazione di
emulsioni, sospensioni, dispersioni e disinfezione di liquidi.
L’arte nota, inoltre, riporta la descrizione di apparati cavitazionali, in cui sono
previsti uno o più punti di iniezione di gas o vapore, come descritto ad esempio in WO
2005/000453.
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La principale limitazione dei sistemi sopra citati è legata alla parziale eliminazione
del carico batterico. Ciò comporta, per alcune applicazioni, un incompleto trattamento di
disinfezione o sterilizzazione.
Un primo scopo dell’invenzione è quello di provvedere un impianto ed un metodo
per il trattamento di fluidi, che non presenti gli inconvenienti dell’arte nota e che consenta
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in particolare di ottenere un più elevato effetto di eliminazione del carico batterico dal
fluido trattato.
Un altro scopo dell’invenzione è quello di provvedere un impianto ed un metodo
per il trattamento di fluidi, che permetta di preservare le proprietà qualitative dei fluidi
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trattati.
Uno scopo ulteriore dell’invenzione è quello di provvedere un impianto ed un
metodo del tipo suddetto, che risulti maggiormente economico rispetto ai trattamenti noti.
Non ultimo scopo dell’invenzione è quello di provvedere un impianto ed un metodo
del tipo suddetto, che possano essere realizzati industrialmente a costi contenuti e si
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prestino ad essere impiegati per il trattamento di elevati flussi di fluidi.
Descrizione dell’invenzione
Questi ed altri scopi sono ottenuti con l’impianto ed il metodo, come rivendicati
nelle unite rivendicazioni.
Vantaggiosamente, l'impianto ed il metodo secondo la presente invenzione, sono
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adatti al trattamento di fluidi, in particolare liquidi, contenenti microorganismi di varia
natura. Più in dettaglio, l'impianto ed il metodo secondo l’invenzione, sono adatti al
trattamento di fluidi contenenti microorganismi come quelli di seguito indicati a titolo
esemplificativo non esaustivo: Saccharomyces Cerevisiae, Escherichia Coli, Lactobacillus
Plantarum, Lactobacillus Sakei, Zygo Saccharomyces Bailii, Bacillus Coagulans,
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Clostridium sporogenes, Fecal Coliforms, Fecal Streptococci, Listeria, Monocytogenes,
Staphylococcus
aureus,
Bacillus
cereus,
Pseudomonas,
Aeruginosa,
Yersinia
Enterocolitica, Absidia Coelurela, Pseudomonas Fluorescens, Salmonella Typhimurium,
Vibro Cholerae, Shigella, Flexneri, Legionella Pneumophila.
Vantaggiosamente, la combinazione del trattamento per saturazione di gas o
25
miscela di gas con l’induzione dell’effetto cavitazionale nel fluido saturato, determina una
riduzione più spinta del contenuto di microorganismi in un fluido, rispetto a quanto noto
finora.
Una forma particolare di realizzazione dell’invenzione è basata sulla scoperta di un
effetto sorprendente derivante dall’impiego di CO2, nei reattori a cavitazione. E’ stato
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infatti accertato sperimentalmente che, contrariamente a quanto noto nel settore, l’utilizzo
di CO2 in un reattore a cavitazione migliora l’effetto di riduzione della carica batterica in
fluidi da trattare. Parag R. Gogate in “Hydrodynamic Cavitation for Food and Water
Processing. Food Bioprocess Technol – (2010)” e in “Application of cavitational reactors
for water disinfection: current status and path forward. Journal of Environmental
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Management 85 (2007) 801-815”, riferisce infatti, che condizioni favorevoli per il
funzionamento di reattori a cavitazione, sono determinate dall’uso di gas con elevata
costante politropica e bassa conducibilità termica, ossia gas monoatomici, con ciò
scoraggiando l’uso di gas con molecole triatomiche, quali ad esempio CO2, nei reattori a
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cavitazione.
In una forma particolare di realizzazione dell’invenzione, gli effetti di riduzione
della carica batterica indotti dal fenomeno della cavitazione, sono pertanto associati a
quelli indotti dall’anidride carbonica, con ciò determinandosi un vantaggioso effetto di
enfatizzazione delle prestazioni del trattamento complessivo.
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Vantaggiosamente, secondo una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, la
CO2 o miscela contenente un’elevata percentuale di CO2 sono introdotte nel saturatore
come gas di saturazione o miscela di gas di saturazione, e grazie alla successiva fase di
cavitazione, esplicano più efficacemente il loro effetto disinfettante.
Vantaggiosamente, la cavitazione è preferibilmente assistita da un gas o miscela di
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gas o vapore che inducono la cavitazione. Detto gas o miscela di gas o vapore sono
finalizzati in particolare a favorire la formazione di bolle, ossia ad indurre più
efficacemente il fenomeno cavitazionale e, in accordo con una prima forma di
realizzazione dell’invenzione, potranno vantaggiosamente comprendere CO2 o una miscela
contenente un’elevata percentuale di CO2.
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Vantaggiosamente, secondo un’altra forma di realizzazione dell’invenzione,
quando il gas di saturazione o miscela di gas di saturazione introdotta nel saturatore è CO2
o comprende un’elevata percentuale di CO2, detto secondo gas o miscela di gas o vapore,
finalizzati ad indurre la cavitazione, potranno comprendere un gas diverso da CO2, ad
esempio un gas monoatomico, o una miscela di gas con basso contenuto di CO2 o
25
eventualmente vapore.
Vantaggiosamente, secondo l’invenzione, il trattamento del fluido avviene
sostanzialmente a freddo, ossia senza un apprezzabile aumento della temperatura del
fluido, così da conservarne le proprietà.
Inoltre, vantaggiosamente, l'impianto ed il metodo secondo l'invenzione,
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permettono di ridurre i consumi energetici e la denaturazione del fluido, grazie all’impiego
di anidride carbonica quale gas di processo per la cavitazione assistita.
Descrizione Sintetica delle Figure
Alcune forme preferite di realizzazione dell’invenzione saranno descritte a titolo
esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni annessi, in cui:
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- la Figura 1 è uno schema a blocchi di un impianto in accordo con una forma preferita di
realizzazione dell’invenzione;
- la Figura 2 è una vista schematica in sezione di un particolare dell’elemento
cavitazionale.
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Descrizione di una Forma Preferita di Realizzazione
Con riferimento alla Figura 1, l’impianto per il trattamento di fluidi secondo
l’invenzione, complessivamente indicato con il riferimento 11, comprende sostanzialmente
un saturatore 13 ed un elemento cavitazionale 15 posto a valle del saturatore 13 nel verso
di percorrenza del fluido da trattare. In tal modo, secondo l’invenzione, il saturatore 13 e
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l’elemento cavitazionale 15 risultano attraversati in successione dal fluido da trattare.
Sempre secondo l’invenzione, inoltre, il saturatore 13 e l’elemento cavitazionale 15 sono
disposti in stretta successione l’uno dopo l’altro, ossia ad una distanza relativamente
ridotta, ad esempio 1 m, così da ottimizzare l’effetto sinergico della saturazione, sul fluido
trattato nell’elemento cavitazionale 15.
15
Il saturatore 13 è un apparato adatto a solubilizzare un gas o una miscela di gas nel
fluido da trattare e per questa ragione è associato ad un condotto 17 per l’immissione di
detto gas nel saturatore 13. Detto condotto 17 proviene da una sorgente di gas quale, ad
esempio, un serbatoio o un circuito di erogazione (non illustrati).
Secondo una forma particolare di realizzazione dell’invenzione il gas alimentato al
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saturatore 13 è preferibilmente CO2 o una miscela di gas contenente un’elevata percentuale
di CO2, detta percentuale essendo preferibilmente maggiore del 40%.
Il saturatore 13 è preferibilmente un saturatore comprendente un involucro 19,
preferibilmente cilindrico ad asse verticale, ed ospita al suo interno un letto 21 di materiale
di riempimento ad alta superficie specifica. Un materiale che soddisfa le caratteristiche
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suddette è ad esempio il prodotto commercializzato con il nome “Raschig Super Ring”.
Il materiale 21 risulta preferibilmente impaccato all’interno dell’involucro 19 ed
occupa sostanzialmente tutta la sezione trasversale interna a detto involucro, in modo tale
da garantire un’elevata superficie di contatto tra le fasi e, quindi, un’elevata efficienza di
scambio di materia.
30
Il fluido da trattare è inoltre preferibilmente alimentato al saturatore 13 dall’alto ed
è fatto fuoriuscire dal basso, in modo che la corrente di fluido fluisca attraverso tutto il
letto di materiale di riempimento 21.
Il saturatore 13 è inoltre preferibilmente alimentato con il gas o la miscela di gas,
preferibilmente CO2 o contenente un’elevata percentuale di CO2, in controcorrente,
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mediante un distributore 23 posto nell’involucro 19, al di sotto del letto 21 di materiale
riempimento, preferibilmente appena al di sotto di detto letto 21.
L’elemento cavitazionale 15 è un apparato atto ad indurre il fenomeno
cavitazionale e, secondo l’invenzione, comprende preferibilmente un’unità cavitazionale di
5
tipo idrodinamico statico, che sarà descritta in maggior dettaglio nel seguito.
Riferendoci sempre alla Figura 1, l’impianto secondo l’invenzione, nella sua forma
preferita di realizzazione, comprende una pompa 25, il cui scopo principale è quello di
alimentare il fluido da trattare al saturatore 13, alla pressione operativa del saturatore 13,
ad esempio compresa fra 1 e 10 bar.
10
Nell’esempio di realizzazione illustrato, la pompa 25 riceve il fluido da trattare
attraverso un condotto 27 proveniente, ad esempio, da un serbatoio di raccolta o da un
circuito di alimentazione (non illustrati). Un condotto 29, associato all’uscita della pompa
25, conduce il fluido da trattare al saturatore 13 e, preferibilmente, come precedentemente
evocato, alla sommità 31 di detto saturatore 13. Un condotto 33, preferibilmente associato
15
alla base 35 del saturatore 13, è previsto per trasferire il fluido in uscita dal saturatore 13
all’elemento cavitazionale 15. Secondo l’invenzione, detto fluido in uscita dal saturatore
13 risulta saturo di gas o miscela di gas, preferibilmente CO2 o contenente un’elevata
percentuale di CO2, immessi nel saturatore 13 attraverso il condotto 17. Un condotto 37
sarà inoltre previsto per l’uscita e l’eventuale recupero del gas o della miscela di gas in
20
eccesso dal saturatore 13.
In una forma particolare di realizzazione dell’invenzione, allo scopo di migliorare
ulteriormente l’efficienza di abbattimento dei microorganismi contenuti nel fluido da
trattare, è previsto il ricircolo attraverso l’elemento cavitazionale 15, del fluido da trattare.
Detto ricircolo viene ottenuto mediante un circuito di ricircolo 39 il quale intercetta parte
25
del flusso in uscita dall’elemento cavitazionale 15 attraverso il condotto 65 e lo
ridistribuisce all’ingresso di detto elemento 15 cosicché il fluido da trattare attraversa più
volte l’elemento cavitazionale 15.
Poiché i passaggi multipli del fluido nell’apparato cavitazionale 15 determinano un
aumento di temperatura nel fluido stesso, potrà risultare necessario, a seconda del fluido da
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trattare e delle sue caratteristiche richieste a seguito del trattamento, di raffreddarlo
mediante uno scambiatore di calore 41 disposto lungo il condotto 43 del circuito di
ricircolo 39.
Qualora la pressione in uscita dal saturatore 13 non sia sufficiente a superare le
perdite di carico che subisce il fluido passando attraverso l’elemento cavitazionale 15, o
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nel caso in cui si voglia semplicemente incrementare la pressione del fluido da trattare in
uscita dal saturatore 13, potrà essere prevista una pompa 45 ad esempio collocata in una
ramificazione 47 del condotto 43, come nell’esempio illustrato, o lungo il condotto
principale 43.
5
Sebbene l’esempio descritto si riferisca ad una configurazione in cui è previsto un
solo saturatore 13 ed un solo elemento cavitazionale 15, è tuttavia possibile, sempre in
accordo con l’invenzione, prevedere un impianto dotato di una pluralità di saturatori e/o
elementi cavitazionali, sia in una disposizione in parallelo, sia in serie.
Secondo l’invenzione, il fluido che ha attraversato il saturatore 13 o i saturatori 13,
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perviene all’elemento cavitazionale 15, o agli elementi cavitazionali, dove subisce un
ulteriore trattamento provocato dal fenomeno cavitazionale. In generale, i parametri
essenziali per valutare la resa del fenomeno cavitazionale, indotto impiegando un elemento
idrodinamico statico, sono: la pressione di alimentazione del fluido all’apparato
cavitazionale, le proprietà fisico-chimiche del fluido ed il raggio iniziale di nucleazione e
15
la geometria della restrizione.
Un parametro che tiene conto di tutti i suddetti fattori, essenziale nella predizione
del regime cavitazionale, è il numero di cavitazione, definito in letteratura come:
p2 -
pv
Cv = ───────
20
1/2 ρ v02
dove p2 è la pressione recuperata a valle dell’elemento cavitazionale, pv è la tensione di
vapore del fluido, ρ è la sua densità e v0 è la velocità media del fluido nella sezione ristretta
dell’elemento cavitazionale. La cavitazione si verifica idealmente per valori di cv uguali o
inferiori all’unità. La velocità v0, in regime cavitazionale, raggiunge valori prossimi ai 20 –
25
35 m/s. Dall’istante in cui la bolla si è generata si può assistere alla sua implosione o ad
un’oscillazione del volume delle bolle, che generano onde di pressione di intensità
variabile a seconda della geometria dell’elemento cavitazionale e che può raggiungere
l’ordine delle centinaia di bar. Il fenomeno è anche accompagnato da oscillazioni di
temperatura tali da provocare innalzamenti localizzati di temperatura, prossimi alle
30
migliaia di gradi centigradi. In generale, pertanto, la cavitazione, indotta da un elemento
idrodinamico statico, favorisce la formazione e la successiva implosione di bolle, creando
condizioni puntuali (di durata temporale dell’ordine di microsecondi) di altissima
temperatura (i.e. 400 – 10000 K) e pressione (5 – 5000 bar).
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In condizioni reali, il fluido da trattare può contenere corpi estranei come solidi
sospesi o gas disciolti, che possono favorire il regime di cavitazione anche per valori del
numero di cavitazione di poco superiori all’unità (ad esempio 2 o 4).
Con riferimento alla Figura 2, in una forma preferita di realizzazione
5
dell’invenzione, l’elemento cavitazionale 15 comprendente un’unità cavitazionale di tipo
idrodinamico statico provvista di uno o più tubi di Venturi 51, ciascuno comprendente un
sistema di iniezione di gas/vapore 53 posto a monte della zona 55, in cui avviene il
fenomeno della cavitazione.
In alternativa o in combinazione all’almeno un tubo di Venturi 51, l’apparato
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cavitazionale 15 può comprendere una o più piastre forate, ciascuna comprendente almeno
un foro di geometria tale da massimizzare il rapporto perimetro per area di passaggio.
Detta almeno una piastra forata sarà preferibilmente disposta trasversalmente alla corrente
del fluido da trattare. I fori saranno inoltre preferibilmente disposti al centro della piastra,
in virtù del profilo di velocità di un liquido fluente in regime turbolento in un tubo. Lo
15
spessore della piastra potrà essere compreso preferibilmente tra 1 e 10 mm.
Il tubo di Venturi 51 presenta, nella sezione ristretta 57, preferibilmente una sezione
(trasversale al flusso di passaggio del liquido) di forma circolare, ellittica, quadrata o
rettangolare; e, considerando la sezione longitudinale del tubo di Venturi 51, il profilo
della geometria risulta preferibilmente lineare nelle zone di convergenza 59 e divergenza
20
61, senza punti di discontinuità. Il fluido è dunque forzato a passare in una zona 59 con
angolo di convergenza α preferibilmente compreso tra i 10° e i 40°, poi nella sezione
ristretta 57, e infine in una zona 61 con angolo di divergenza β preferibilmente compreso
tra 4° e 20°.
L’energia cinetica del fluido da trattare, in prossimità della sezione ristretta 57,
25
incrementa a discapito dell’energia di pressione, come descritto nell’arte nota
dall’equazione di Bernoulli. Nell’istante in cui, idealmente, la pressione del fluido che
attraversa il tubo di Venturi, raggiunge la sua tensione di vapore, si genera un passaggio di
transizione di fase liquido-gas nel bulk del fluido, ove si generano bolle. Dette bolle
vengono trascinate dal flusso del fluido e implodono a causa del recupero crescente di
30
pressione a valle della sezione ristretta 57. La zona di cavitazione 55 è identificata come lo
spazio entro il quale si verifica la formazione e la successiva implosione delle bolle,
ovvero dove il fluido è in regime di cavitazione.
Vantaggiosamente, in accordo con una forma preferita di realizzazione
dell’invenzione, il fenomeno cavitazionale indotto nell’elemento 15 risulta enfatizzato
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introducendo una certa quantità di gas o miscela di gas nel flusso di fluido da trattare, nelle
immediate vicinanze a monte della zona in cui viene indotto il fenomeno cavitazionale e
corrispondente, nell’esempio illustrato, con la zona di cavitazione 55 immediatamente a
valle della sezione ristretta 53. Vantaggiosamente, secondo una forma di realizzazione
5
dell’invenzione, detto gas è CO2 o una miscela contenente un’elevata percentuale di CO2,
preferibilmente almeno del 40%.
Quando, secondo una forma particolare di realizzazione dell’invenzione, il gas
alimentato al saturatore 13 è CO2 o una miscela di gas contenente un’elevata percentuale di
CO2, detto secondo gas o miscela di gas introdotti nell’elemento cavitazionale 15 per
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indurre la cavitazione possono eventualmente anche comprendere un gas diverso da CO2,
ad esempio anche un gas monoatomico, o una miscela di gas con percentuale di CO2
inferiore al 40%, o eventualmente anche vapore. Il secondo gas o miscela di gas di
trattamento del fluido è infatti finalizzato in particolare a favorire la formazione di bolle e
quindi a migliorare ed enfatizzare il fenomeno cavitazionale.
In una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, il gas o la miscela di gas
15
vengono introdotti nell’elemento cavitazionale 15 attraverso un condotto 63 associato al
sistema di iniezione 53.
Nel seguito sarà descritta una forma preferita di realizzazione del metodo di
trattamento secondo l’invenzione.
Secondo l’invenzione, il fluido da trattare viene sottoposto ad una prima fase di
20
saturazione e successivamente ad una seconda fase di cavitazione.
In accordo con una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, la fase di
saturazione avviene in un saturatore con immissione di CO2 o una miscela contenente
un’elevata percentuale di CO2, preferibilmente di almeno il 40%.
Sempre in accordo con una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, la fase
25
di cavitazione avviene in un elemento cavitazionale, preferibilmente di tipo idrodinamico
statico.
La fase di cavitazione è preferibilmente assistita con l’introduzione di un secondo
gas o una miscela di gas o un vapore.
30
Sempre in accordo con una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, la fase
di cavitazione avviene con l’immissione in detto elemento cavitazionale di CO2 o una
miscela contenente un’elevata percentuale di CO2, preferibilmente superiore al 40%. Come
più sopra evocato, quando il gas alimentato al saturatore 13 è CO2 o una miscela di gas
contenente un’elevata percentuale di CO2, detto secondo gas o miscela di gas introdotti
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nell’elemento cavitazionale 15 per indurre la cavitazione, possono eventualmente anche
comprendere un gas diverso da CO2, ad esempio anche un gas monoatomico, o una miscela
di gas con percentuale di CO2 inferiore al 40%, o eventualmente anche vapore. Il secondo
gas o miscela di gas di trattamento del fluido è infatti finalizzato in particolare a favorire la
5
formazione di bolle e quindi a migliorare ed enfatizzare il fenomeno cavitazionale.
Secondo l’invenzione, il fluido da trattare è pompato al saturatore ad una pressione
prestabilita, funzione principalmente della quantità di gas che si vuole disciogliere nel
liquido da trattare e dell’efficienza complessiva di abbattimento di microorganismi che si
vuole ottenere. Preferibilmente, la saturazione viene effettuata con anidride carbonica
10
immessa ad una pressione, preferibilmente superiore a 1 atm, tale da garantire la necessaria
quantità di CO2 disciolta desiderata.
In una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, oltre agli effetti della
cavitazione, si beneficia anche della presenza della CO2 disciolta nella fase precedente,
mediante saturazione. Infatti, la cavitazione, creando zone a forte gradiente di pressione,
15
enfatizza la solubilizzazione di CO2 pressurizzata nel liquido da trattare e di conseguenza
promuove la penetrazione della CO2 attraverso la membrana della cellula microbica e
quindi promuove gli steps di inattivazione successivi.
Trattamenti chimici noti (ad es. basati su Cl2, H2O2, O3) possono essere inoltre
utilizzati vantaggiosamente in associazione al metodo descritto, grazie al fatto che la
20
cavitazione favorisce la penetrazione degli agenti chimici ossidanti attraverso la membrana
della cellula microbica, grazie al forte gradiente di pressione che si genera. Inoltre, la
cavitazione può facilitare la disagglomerazione di cluster di microorganismi in soluzione e
incrementare l’efficacia dei disinfettanti chimici.
ESEMPI
Si è definito un caso rappresentativo di inattivazione batterica mediante un
25
impianto dotato di solo dispositivo cavitazionale, identificato come Esempio 1, dal punto
di vista delle caratteristiche della corrente liquida da trattare; i dati sotto riportati si
riferiscono a tale Esempio 1.
Esempio 1
30
Caratteristiche dell’alimentazione:
Alimentazione
Acqua di mare + microorganismi
Portata
1,3 L/s
Temperatura
15 ˚C
Pressione
1 bar
12
P3863IT00
Densità
998 kg/m3
Microorganismi oggetto di indagine
Zooplancton
≈ 100000 microorganismi/m3
Conc. di Zooplancton (con dim. > 50 μm)
Caratteristiche del prodotto:
5
Corrente uscente
Acqua di mare + microorganismi
Temperatura
15 ˚C
Pressione
3 bar
Densità
998 kg/m3
≈ 25000 microorganismi/m3
Conc. di Zooplancton (con dim. > 50 μm)
10
Caratteristiche dell’elemento cavitazionale:
Pressione di alimentazione
6 bar
Tipo
15
Piastra forata
Numero di fori
1
Geometria del foro
Circolare
Posizione del foro
Centrale
Diametro del foro
17 mm
Rapporto tra il diametro del tubo e il diametro del foro
1,43
Spessore della piastra
2 mm
Cavitazione assistita da gas/vapore
NO
Si è definito un secondo caso rappresentativo di inattivazione batterica combinata
20
“cavitazione + CO2“, identificato come Esempio 2, dal punto di vista delle caratteristiche
della corrente liquida da trattare; i dati sotto riportati si riferiscono a tale Esempio 2.
Esempio 2
Caratteristiche dell’alimentazione:
25
30
Alimentazione
Acqua di mare + microorganismi
Portata
1,3 L/s
Temperatura
15 ˚C
Pressione
1 bar
Densità
998 kg/m3
Microorganismi oggetto di indagine
Zooplancton
≈ 100000 microorganismi/m3
Conc. di Zooplancton (con dim. > 50 μm)
Caratteristiche del prodotto:
Corrente uscente
Acqua di mare + microorganismi
Temperatura
15 ˚C
13
P3863IT00
Pressione
3 bar
Densità
998 kg/m3
≈ 12000 microorganismi/m3
Conc. di Zooplancton (con dim. > 50 μm)
Caratteristiche del saturatore:
5
Pressione di saturazione CO2
6,2 bar
Perdite di carico
30 mbar
Diametro
450 mm
Altezza
2500 mm
Riempimento
10
Raschig Super Ring n˚ 03
Superficie specifica del riempimento
315 m2/m3
Grado di vuoto del riempimento
0,96
Altezza del riempimento
1400 mm
Caratteristiche dell’elemento cavitazionale:
Pressione di alimentazione
15
20
6 bar
Tipo
Piastra forata
Numero di fori
1
Geometria del foro
Circolare
Posizione del foro
Centrale
Diametro del foro
17 mm
Rapporto tra il diametro del tubo e il diametro del foro
1,43
Spessore della piastra
2 mm
Cavitazione assistita da gas/vapore
SI
Tipo di gas
CO2
Portata di gas
25
0,06 L/s (@ 6 bar, 15 ˚C)
L’efficienza di abbattimento di Zooplancton, con dimensione superiore a 50 μm,
calcolata come (concentrazione di Zooplancton in ingresso – concentrazione di
Zooplancton in uscita) / (concentrazione di Zooplancton in ingresso), risultante
dall’Esempio 1, in assenza di saturazione con CO2 ed in assenza di cavitazione assistita, è
risultata pari al 75%, mentre nell’Esempio 2 sale all’88%, in presenza di saturazione con
30
CO2 a 6,2 bar e in presenza di cavitazione assistita da CO2, a parità delle rimanenti
condizioni operative.
Si è definito un terzo caso rappresentativo di inattivazione batterica combinata
“cavitazione + CO2“ (CO2 di sola saturazione), identificato come Esempio 3, dal punto di
14
P3863IT00
vista delle caratteristiche della corrente liquida da trattare; i dati sotto riportati si
riferiscono a tale Esempio 3.
Esempio 3
Caratteristiche dell’alimentazione:
5
10
Alimentazione
Latte + microorganismi
Portata
2 L/s
Temperatura
15 ˚C
Pressione
1 bar
Densità
1030 kg/m3
Microorganismi oggetto di indagine
Clostridium sporogenes
Concentrazione di Clostridium
≈ 5 log CFU/mL
Caratteristiche del prodotto:
Corrente uscente
15
Latte + microorganismi
Temperatura
15 ˚C
Pressione
5 bar
Densità
1030 kg/m3
Concentrazione di Clostridium
≈ 4,3 log CFU/mL
Caratteristiche del saturatore:
20
Pressione di saturazione CO2
8,2 bar
Perdite di carico
30 mbar
Diametro
450 mm
Altezza
2500 mm
Riempimento
25
Raschig Super Ring n˚ 03
Superficie specifica del riempimento
315 m2/m3
Grado di vuoto del riempimento
0,96
Altezza del riempimento
1400 mm
Caratteristiche dell’elemento cavitazionale:
Pressione di alimentazione
8 bar
Tipo
30
Piastra forata
Numero di fori
1
Geometria del foro
Circolare
Posizione del foro
Centrale
Diametro del foro
13 mm
Rapporto tra il diametro del tubo e il diametro del foro
1,87
15
P3863IT00
Spessore della piastra
2 mm
Cavitazione assistita da gas/vapore
NO
Si è definito un quarto caso rappresentativo di inattivazione batterica combinata
“cavitazione + CO2“ (CO2 sia di saturazione, sia in presenza di cavitazione assistita),
5
identificato come Esempio 4, dal punto di vista delle caratteristiche della corrente liquida
da trattare; i dati sotto riportati si riferiscono a tale Esempio 4.
Esempio 4
Caratteristiche dell’alimentazione:
Alimentazione
10
Latte + microorganismi
Portata
2 L/s
Temperatura
15 ˚C
Pressione
1 bar
Densità
1030 kg/m3
Microorganismi oggetto di indagine
15
Clostridium sporogenes
Concentrazione di Clostridium
≈ 5 log CFU/mL
Caratteristiche del prodotto:
Corrente uscente
20
Latte + microorganismi
Temperatura
15 ˚C
Pressione
5 bar
Densità
1030 kg/m3
Concentrazione di Clostridium
≈ 3,95 log CFU/mL
Caratteristiche del saturatore:
25
Pressione di saturazione CO2
8,2 bar
Perdite di carico
30 mbar
Diametro
450 mm
Altezza
2500 mm
Riempimento
30
Raschig Super Ring n˚ 03
Superficie specifica del riempimento
315 m2/m3
Grado di vuoto del riempimento
0,96
Altezza del riempimento
1400 mm
Caratteristiche dell’elemento cavitazionale:
Pressione di alimentazione
8 bar
Tipo
Piastra forata
Numero di fori
1
16
P3863IT00
5
Geometria del foro
Circolare
Posizione del foro
Centrale
Diametro del foro
13 mm
Rapporto tra il diametro del tubo e il diametro del foro
1,87
Spessore della piastra
2 mm
Cavitazione assistita da gas/vapore
SI
Tipo di gas
CO2
Portata di gas
0,06 L/s (@ 8 bar, 15 ˚C)
L’efficienza di abbattimento di Clostridium sporogenes, calcolata come
10
(concentrazione di Clostridium sporogenes in ingresso – concentrazione di Clostridium
sporogenes in uscita) / (concentrazione di Clostridium sporogenes in ingresso), risultante
dall’Esempio 3, in presenza di saturazione di CO2 , è pari all’80%, mentre nell’Esempio 4
sale al 91%, in presenza di saturazione di CO2 e cavitazione assistita da CO2.
L’impianto ed il metodo così come descritti ed illustrati sono suscettibili di
15
numerose varianti e modificazioni, rientranti nello stesso principio inventivo.
==========
17
P3863IT00
RIVENDICAZIONI
1.
Impianto (11) per il trattamento di fluidi, comprendente un saturatore (13)
alimentato con un primo gas di saturazione o una prima miscela di gas di saturazione ed un
elemento cavitazionale (15), detto elemento cavitazionale (15) essendo disposto a valle del
5
saturatore (13) cosicché detto saturatore e detto elemento cavitazionale risultano
attraversati in successione da detto fluido da trattare.
2.
Impianto secondo la rivendicazione 1, in cui detto primo gas è CO2 o detta prima
miscela di gas contiene un’elevata percentuale di CO2.
10
3.
Impianto secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto elemento cavitazionale (15) è
alimentato con un secondo gas o una seconda miscela di gas ed in cui detto secondo gas è
CO2 o detta seconda miscela di gas contiene un’elevata percentuale di CO2.
15
4.
Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il saturatore
(13) comprende un involucro (19) ad asse verticale in cui è ospitato un letto (21) di
materiale di riempimento ad alta superficie specifica impaccato all’interno dell’involucro
(19) in modo da occupare sostanzialmente tutta la sezione trasversale interna a detto
involucro, così da garantire un’elevata superficie di contatto tra le fasi e, quindi, un’elevata
20
efficienza di scambio di materia ed in cui il fluido da trattare è alimentato al saturatore (13)
dall’alto ed è fatto fuoriuscire dal basso, in modo che la corrente di fluido fluisca attraverso
tutto il letto di materiale di riempimento (21).
5.
25
Impianto secondo la rivendicazione 4, in cui il saturatore (13) è alimentato con il
gas o la miscela di gas di saturazione in controcorrente, mediante un distributore (23) posto
nell’involucro (19), al di sotto del letto (21) di materiale riempimento.
6.
Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’elemento
cavitazionale (15) è suscettibile di indurre il fenomeno cavitazionale nel fluido che lo
30
attraversa e comprende un’unità cavitazionale di tipo idrodinamico statico.
7.
Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui è previsto il
ricircolo attraverso l’elemento cavitazionale (15) del fluido da trattare, detto ricircolo
essendo ottenuto mediante un circuito di ricircolo (39) il quale intercetta parte del flusso in
1
P3863IT00
uscita dall’elemento cavitazionale (15) e lo ridistribuisce all’ingresso di detto elemento
(15) cosicché il fluido da trattare attraversa più volte l’elemento cavitazionale (15).
8.
5
Metodo per il trattamento di fluidi comprendente una prima fase di saturazione del
fluido da trattare, detta prima fase essendo ottenuta mediante un primo gas di saturazione o
una prima miscela di gas di saturazione, ed una seconda fase di trattamento del fluido, che
ha subito detta fase di saturazione, mediante induzione in detto fluido del fenomeno della
cavitazione.
10
9.
Metodo secondo la rivendicazione 8, in cui detto primo gas è CO2 o detta prima
miscela di gas contiene un’elevata percentuale di CO2.
10.
Metodo secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui detta fase di cavitazione è una fase
di cavitazione assistita da un secondo gas o una seconda miscela di gas ed in cui detto
15
secondo gas è CO2 o detta seconda miscela di gas contiene un’elevata percentuale di CO2.
==========
2
P3863IT00
RIASSUNTO
Impianto (11) per il trattamento di fluidi, comprendente un saturatore (13) ed un elemento
cavitazionale (15), detto elemento cavitazionale (15) essendo disposto a valle del saturatore
(13) cosicché detto saturatore e detto elemento cavitazionale risultano attraversati in
5
successione da detto fluido da trattare ed in cui il gas di saturazione è CO2 o una miscela di
gas contenente un’elevata percentuale di CO2.
(Fig.1)
1
I/II
11
Fig. 1
53
51
59
II/II
β
α
57
Fig. 2
55
61