Processing GFM

Il Gap Filling Module Trasformazione calcola le emissioni di gas serra dalle operazioni di trasformazione alimentare. Copre un'ampia gamma di processi inclusi congelamento, essiccazione, cottura, produzione di succhi e molti altri. La trasformazione può influenzare significativamente l'impronta ambientale dei prodotti alimentari, rendendo questo modulo essenziale per valutazioni accurate del ciclo di vita.

Riferimento Rapido

Proprietà	Descrizione
Eseguito su	ModeledActivityNode con genitore FoodProductFlowNode, o FoodProcessingActivityNode per prodotti combinati
Dipendenze	OriginGapFillingWorker, AttachFoodTagsGapFillingWorker, ConservationGapFillingWorker, MatchProductNameGapFillingWorker, AddClientNodesGapFillingWorker
Input Chiave	Tag di trasformazione (termini glossario), origine prodotto, composizione nutrizionale
Output	Nodi attività di trasformazione con consumo elettricità, flussi materie prime
Trigger	Prodotto abbinato a combinazioni specifiche di termini del glossario

Quando Viene Eseguito

Il modulo si attiva quando:

1. Un prodotto ha un ModeledActivityNode con genitore FoodProductFlowNode contenente un nome prodotto
2. Il prodotto ha termini del glossario abbinati che attivano un modello di trasformazione
3. Tutti i GFM dipendenti sono completati (origine, conservazione, tag alimentari)
4. Il prodotto non e abbinato a un termine non alimentare

Output Chiave

Il modulo aggiunge nodi attività di trasformazione al grafo di calcolo:

• Consumo elettricità: Flussi mercato elettrico specifici per paese
• Flussi materie prime: Materiali di input richiesti per la trasformazione
• Attività di trasformazione: Life Cycle Inventory completo per il processo

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Metodologia Scientifica

Il Processing GFM utilizza due approcci fondamentalmente diversi basati sul tipo di trasformazione:

Modelli di Trasformazione Semplici

I modelli di trasformazione semplici aggiungono attività di trasformazione sopra i prodotti base esistenti. Questi processi:

• Hanno un rapporto input-output 1:1 (1 kg input = 1 kg output)
• Scalano linearmente con il peso del prodotto
• Non cambiano fondamentalmente le proprietà del prodotto

Esempi: Taglio, sminuzzamento, miscelazione, raffreddamento, macinazione

Modelli di Trasformazione Complessi

I modelli di trasformazione complessi creano nuovi Life Cycle Inventory per prodotti trasformati. Questi processi:

• Possono avere rapporti input-output non unitari (ad esempio, più materia prima necessaria dell'output)
• Dipendono dalle caratteristiche del prodotto (composizione nutrizionale)
• Possono creare prodotti fondamentalmente diversi

Esempi: Essiccazione, congelamento, produzione succhi, produzione marmellate, produzione yogurt

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Categorie di Modelli di Trasformazione

Il Processing GFM implementa diversi tipi di modello organizzati in una gerarchia di classi:

AbstractProcessingModel
    |
    +-- ProcessWithElectricityNode (modelli solo elettricita)
    |       |
    |       +-- ProcessWithFixedElectricityAmount
    |       +-- FreezingProcessingModel
    |
    +-- ProcessWithBWNode (modelli Brightway/Ecoinvent)
            |
            +-- ProcessWithUnitRawMaterial
            +-- ProcessWithNonUnitRawMaterial
            +-- DryingProcessingModel

ProcessWithFixedElectricityAmount

Processi semplici che richiedono solo consumo di elettricità, scalato per peso del prodotto.

Formula:

Elettricita [kWh] = Quantita elettricita fissa [kWh/kg] * Quantita produzione [kg]

Processi che usano questo modello:

• Macinazione
• Taglio
• Sminuzzamento
• Fermentazione
• Soffiatura
• Liofilizzazione
• Raffreddamento
• Miscelazione

ProcessWithUnitRawMaterial

Processi che usano nodi attività Brightway/Ecoinvent con un rapporto materia prima 1:1.

Formula:

Materia prima [kg] = Quantita produzione [kg]
Flusso trasformazione = Attivita Brightway * Quantita produzione

ProcessWithNonUnitRawMaterial

Processi che usano nodi attività Brightway/Ecoinvent dove l'input di materia prima differisce dall'output.

Formula:

Materia prima [kg] = Rapporto materia prima * Quantita produzione [kg]
Flusso trasformazione = Attivita Brightway * Quantita produzione

Processi che usano questo modello:

• Cottura al forno
• Produzione marmellata
• Produzione succo
• Produzione yogurt

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Modello di Trasformazione Congelamento

Il modello di congelamento calcola i requisiti energetici basati sulla composizione del prodotto usando principi termodinamici.

Formula di Calcolo dell'Energia

L'energia totale di congelamento e calcolata come:

Q_totale = Q_carico_termico + Q_refrigeratore

Dove:

• Q_carico_termico: Energia per raffreddare e congelare il prodotto
• Q_refrigeratore: Energia per il funzionamento del sistema di refrigerazione

Carico Termico del Prodotto

Q_prodotto = W_pr / t_pr * (c_u * (T_i - T_if) + L * 1000 + c_fr * (T_if - T_out))

Dove:

• W_pr: Massa del prodotto (kg)
• t_pr: Tempo di residenza (s)
• c_u: Calore specifico non congelato (J/kg K)
• T_i: Temperatura iniziale (20 gradi Celsius)
• T_if: Temperatura iniziale di congelamento (-1,7 gradi Celsius)
• L: Calore latente di congelamento (kJ/kg)
• c_fr: Calore specifico congelato (J/kg K)
• T_out: Temperatura di uscita (-18 gradi Celsius)

Impatto della Composizione Nutrizionale

Il modello utilizza il contenuto di acqua e grassi per calcolare le proprietà termofisiche:

# Frazione solida
x_s = 1 - x_w - x_f

# Frazione acqua legata (limitata dall'acqua totale)
x_b = min(0.25 * x_s, x_w)

# Frazione ghiaccio
x_i = (x_w - x_b) * (1 - T_if / T)

# Calore latente di congelamento
L = 334 * x_i  # kJ/kg

Costanti Fisiche

Parametro	Valore	Unità
Temperatura alimento congelato (T)	-23	gradi Celsius
Temperatura centro (T_c)	-15	gradi Celsius
Temperatura mezzo refrigerante (T_f)	-32	gradi Celsius
Coefficiente di prestazione (COP)	2,75	-
Densità acqua (p_w)	1000	kg/m3
Densità grasso (p_f)	930	kg/m3
Densità solidi (p_s)	1450	kg/m3

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Modello di Trasformazione Essiccazione

Il modello di essiccazione calcola l'evaporazione dell'acqua basandosi sul rapporto di upscale dei nutrienti dal GFM Nutrient Subdivision.

Calcolo della Perdita d'Acqua

Acqua da evaporare [kg] = (Rapporto upscale - 1,0) * Quantita produzione [kg]

Il rapporto di upscale rappresenta quanto prodotto fresco è necessario per produrre 1 kg di prodotto essiccato.

Formula di Evaporazione

La percentuale di perdita d'acqua e calcolata come:

Perdita acqua % = 100 * {1 - [(% acqua finale / 100) * (Peso totale - Peso acqua)] /
                         [(1 - % acqua finale / 100) * Peso acqua]}

Per prodotti essiccati:

• Contenuto acqua finale: 0-20% (contenuto peso secco 80-100%)
• Basato sulla ricerca di Afolabi 2014

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Esempio di Calcolo

Scenario: 1 kg di piselli congelati, prodotti in Germania

Passo 1: Determinare la Composizione Nutrizionale

Dai dati nutrizionali:

• Contenuto acqua (x_w): 78,9%
• Contenuto grassi (x_f): 0,4%

Passo 2: Calcolare le Proprietà Termofisiche

# Frazione solida
x_s = 1 - 0,789 - 0,004 = 0,207

# Frazione acqua legata
x_b = min(0,25 * 0,207, 0,789) = 0,052

# Frazione ghiaccio a -23 gradi Celsius
x_i = (0,789 - 0,052) * (1 - (-1,7) / (-23)) = 0,682

# Calore latente
L = 334 * 0,682 = 227,8 kJ/kg

Passo 3: Calcolare i Requisiti Energetici

# Calore specifico non congelato
c_u = 4180 * 0,789 + 1600 * 0,207 + 1900 * 0,004 = 3638 J/kg K

# Calore specifico congelato (semplificato)
c_fr = 2650 J/kg K

# Carico termico prodotto
Q_prodotto = 1 * (3638 * (20 - (-1,7)) + 227800 + 2650 * ((-1,7) - (-18)))
          = 79.005 + 227.800 + 43.185 = 349.990 J

# Totale inclusi componenti congelatore (60% carico prodotto)
Q_calore_totale = 349.990 / 0,6 = 583.317 J

# Energia refrigeratore (COP = 2,75)
Q_refrigeratore = 583.317 / 2,75 * 1,175 = 249.425 J

# Energia totale
Q_totale = 583.317 + 249.425 = 832.742 J = 0,231 kWh/kg

Passo 4: Applicare Elettricità Specifica del Paese

Emissioni = 0,231 kWh * Mix elettrico tedesco [kg CO2eq/kWh]

Output Finale

Il modulo aggiunge:

1. Nodo attività di trasformazione per congelamento
2. Flusso elettricità (0,231 kWh) collegato al mercato elettrico tedesco bassa tensione

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Limitazioni Note

Copertura del Modello

• Non tutti i tipi di trasformazione hanno modelli dedicati
• Alcuni processi usano approcci semplificati solo-elettricità
• Processi complessi multi-fase potrebbero non essere completamente catturati

Lacune Dati

• Quantità elettricità predefinite potrebbero non riflettere la pratica industriale reale
• Alcuni parametri di trasformazione specifici del prodotto non sono disponibili
• Variazioni regionali nell'efficienza di trasformazione non catturate

Rischio di Doppio Conteggio

Prodotti con trasformazione esistente nell'inventario base potrebbero avere la trasformazione contata due volte. Una potenziale soluzione comporta l'etichettatura delle attività Brightway che già includono la trasformazione.

Dipendenza Nutrizionale

Per essiccazione e congelamento:

• I modelli richiedono dati sulla composizione nutrizionale
• Se i nutrienti non sono disponibili, vengono usati valori predefiniti
• Il predefinito assume 90% di contenuto peso secco per l'essiccazione

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Riferimenti

1. Afolabi, I.S. (2014). Moisture Migration and Bulk Nutrients Interaction in a Drying Food Systems. Food and Nutrition Sciences, 5(8), 692-714. http://dx.doi.org/10.4236/fns.2014.58080

2. ASHRAE Handbook - Refrigeration (2018). Capitolo 19: Thermal Properties of Foods.

3. Camenzind, R. (2016). Food Processing LCA Data. Rapporto ZHAW per Eaternity.

4. Ecoinvent Database v3.6. Swiss Centre for Life Cycle Inventories.

5. FoodEx2 Classification System. Autorità Europea per la Sicurezza Alimentare (EFSA).