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• gocce
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• schiuma

In questa tesi sono analizzate dal punto di vista teorico e sperimentale le cause di formazione della schiuma nel processo di imbottigliamento di bevande gassate.
La schiuma è un fenomeno problematico nell’industria del beverage, perché provoca rallentamenti nel processo produttivo e perdite di prodotto. È quindi fondamentale individuare delle opportune strategie in grado di controllarne lo sviluppo.
Tuttavia, le schiume sono sistemi dinamici complessi, le cui proprietà dipendono da numerosi parametri chimico-fisici. Per questo motivo, benché le schiume siano oggetto di diversi studi da parecchi anni, su di esse non è ancora stata formulata una teoria generale ed omnicomprensiva.
Si svolge qui per la prima volta uno studio sistematico sulle schiume generate negli impianti di imbottigliamento come effetto del riempimento in pressione e della successiva fase di decompressione. Un’analisi dettagliata della letteratura esistente ha portato all’identificazione dei principali fattori che governano il fenomeno. L’esistenza di nuclei preformati all’interno della soluzione pare indispensabile per lo sviluppo della schiuma in una bevanda gassata. Questi nuclei raggiungono dimensioni molto piccole, tali da sfuggire al rilevamento ottico, e possono essere attivati da un abbassamento di pressione nel sistema. La loro introduzione avviene ad opera di molteplici meccanismi, come l’intrappolamento di bolle causato dall’impatto del getto o l’intrappolamento di sacche gassose lungo le pareti del contenitore nel corso del riempimento. Inoltre, le dinamiche turbolente del fluido dentro la bottiglia possono innescare la crescita dei nuclei per cavitazione.
Questi processi sono strettamente collegati fra loro durante l’imbottigliamento, per cui non è chiara la loro effettiva incidenza sulla quantità di schiuma prodotta. È quindi necessario analizzare singolarmente i vari meccanismi.
Come primo caso si considera l’intrappolamento di bolle sotto la superficie del liquido, provocato dalle gocce che si distaccano dal getto principale durante il riempimento. Allo scopo è stata realizzata una serie di esperimenti sull’impatto di gocce di acqua distillata sulla superficie libera dello stesso liquido, contenuto dentro una vasca. Le dimensioni e l’altezza di caduta delle gocce sono variate insieme alla distanza dai bordi della vasca, per riprodurre più fedelmente le reali condizioni di riempimento. La dinamica dell’impatto è osservata tramite fotocamere ad alta velocità. Dalle immagini s ricavano il volume di aria intrappolata e il tempo di permanenza delle bolle nel liquido, il cui confronto con gli effettivi tempi di imbottigliamento permette di stabilire l’importanza di questo particolare meccanismo nell’intero processo. Attraverso la tecnica PIV si esamina inoltre l’influenza del campo di moto del fluido conseguente all’impatto sulla risalita delle bolle verso la superficie libera. I limiti di validità dei risultati ottenuti sono discussi e vengono tracciate le linee guida per ulteriori sviluppi.
Si riporta infine uno studio PIV sul flusso interno a una valvola di riempimento, utilizzata per l’imbottigliamento di bevande piatte. Le misure PIV hanno rivelato la presenza di comportamenti critici nel flusso, come strozzamenti, asimmetrie e generazione di vortici. Gli effetti riscontrati sono attribuibili all’attuale conformazione della valvola e influiscono negativamente sulle sue prestazioni e sull’efficienza di tutto il riempimento. Nonostante le differenze di funzionamento tra questa valvola e quelle progettate per le bevande gassate, i risultati sperimentali danno indicazioni valide per il processo di imbottigliamento in generale. Infatti, il flusso dentro la valvola condiziona fortemente le proprietà del getto e, quindi, i meccanismi di intrappolamento di gas e il campo di moto del fluido nella bottiglia. Questi ultimi si ripercuotono in definitiva sulle dinamiche di produzione di schiuma.

In this work, the causes of foam formation in the bottling process of carbonated beverages have been theoretically and experimentally investigated. In the beverage industry foam formation is an unwanted phenomenon because it slows down the production rates and it is responsible of losses of liquid product. For this reason, suitable strategies able to inhibit the inception of foam or to destroy it must be detected and implemented. However, foams are very complex dynamical systems, whose properties depend on a broad variety of chemical and physical parameters, such as the product composition, the adsorption kinetics of surfactants and the specific conditions governing the foam development. Consequently, even though foams have been extensively studied in different research areas for many years, an exhaustive and general theory on foam formation is still missing. Here a systematic study has been performed for the first time on foams arising in bottling plants as an effect of the pressure filling of bottles and the subsequent decompression phase. A detailed analysis of the existing literature has been conducted and the main contributions to foam formation in the bottling process have been found out. It has been pointed out that an essential factor for a carbonated beverage to foam is the existence of pre-formed gaseous nuclei in the solution. These nuclei are very small, escaping optical detection, and they may be activated by pressure reduction. Several mechanisms are at the base of nuclei introduction, including bubble entrainment by liquid-liquid impacts and bubble entrapment along the bottle walls during filling. Furthermore, the turbulent dynamics of the flow inside the bottle can trigger the growth of nuclei by cavitation. All of those phenomena are deeply interrelated during the bottling process so that their exact incidence on the final foam column can not be understood, unless the involved mechanisms are decoupled and analysed separately. Therefore, as a first case, the entrainment of bubbles under the liquid surface caused by drops detaching from the principal filling jet has been considered. A series of experiment has been carried out using drops of distilled water impacting on a deep pool of the same liquid. The drop size has been varied together with the falling height and the lateral wall proximity, in order to get closer to the real filling conditions. High-speed imaging has been used to observe the impact dynamics. The volume of entrained air has been measured and the residence time of the bubbles has been compared to the actual bottling times, allowing a better understanding of the relative importance of bubble entrainment in the whole process. PIV technique has been implemented to infer how the flow field generated at the impact affects bubble rising towards the free surface. Limitations inherent to the results obtained have been accounted for and the outlines for future developments have been delineated. Finally, a PIV study of the flow inside a filling valve is presented. The valve in question is actually used in a bottling plant for the dosage of still beverages. PIV results revealed the presence of critical fluid behaviours, such as throttling, asymmetric flow and vortex generation. Those effects are caused by the valve conformation. They strongly affect the valve performance and, more generally, the efficiency of the whole filling process. Though the mode of operation of this valve is quite different from the one typical for valves designed for carbonated beverages, experimental results give directions valid for the bottling processes in general. In fact, the flow inside the valve has a great influence on the filling jet properties, in terms of the entrainment mechanisms and the flow field within the bottle. Both factors ultimately condition the formation of foam.