Modelling filling of carbonated soft drinks

In this thesis, an analysis of the foam formation during the bottling phase of carbonated drinks has been carried out and in particular, it can be divided into three main sections. The first section introduces what carbonated drinks are, what ingredients they contain, the history of how they were born, how they came to be on the market and how they became so successful over the years. The second section not only describes the entire production process in detail, but also discusses the problems that companies face during the bottling process, focusing on one of the main problems which is foam formation. In this section, the dynamics of bubbles forming in liquids, all the mechanisms of foam formation and the concept of foam stability over time are analysed and explained in depth. In this section, a list of what are the ways and techniques to avoid or minimise foaming within a process is also present. Lastly, the third section includes a laboratory analysis done with the aim of seeing if and how the different ingredients of a carbonated drink could influence the formation and stability of the foam that is formed during the bottling process. To do so, three mixtures comprising water, citric acid and a different type of sweetener, the first containing granulated sugar, the second fructose and the third stevia, were observed to have a higher foam formation and stability respectively. This was explained by the fact that the surface tension of the water was increased by granulated sugar, fructose and stevia respectively. Lastly, a model was created to calculate the foam and liquid heights at each step of the bottling simulation, which was carried out by alternating filling and degassing phases in order to avoid any product leakage from the top of the bottle.

In questa tesi, è stata condotta un'analisi sulla formazione di schiuma durante la fase di imbottigliamento delle bevande gassate e in particolare, essa può essere divisa in tre sezioni principali. La prima sezione introduce cosa sono le bevande gassate, quali sono gli ingredienti che le compongono, la storia di come sono nate, approdate sul mercato e di come negli anni hanno acquisito un così grande successo tutt'ora ancora evidente. La seconda sezione, oltre a descriverne l'intero processo di produzione nel dettaglio, tratta di quali sono le problematiche che le aziende imbottigliatrici riscontrano durante il processo stesso, focalizzandosi su uno dei problemi principali, ovvero quello della formazione di schiuma. In questa sezione infatti, vengono analizzati e spiegati in maniera esaustiva le dinamiche delle bolle che si formano all'interno dei liquidi, tutti i meccanismi di formazione della schiuma e il concetto di stabilità nel tempo relativo ad essa. In questa sezione, è presente anche un elenco di quali sono le modalità e le tecniche per evitare o ridurre al minimo la formazione di schiuma all'interno di un processo. Infine, la terza sezione comprende un'analisi di laboratorio fatta con l'obiettivo di vedere se e come i diversi ingredienti di una bevanda gassata potessero influenzare la formazione e la stabilità della schiuma che si viene a formare durante il processo di imbottigliamento. Per fare ciò, tre miscele comprendenti acqua, acido citrico e un diverso tipo di dolcificante, la prima contenente zucchero granulato, la seconda fruttosio e la terza stevia, sono state osservate avere una formazione ed una stabilità di schiuma rispettivamente maggiore. Ciò è stato spiegato dal fatto che la tensione superficiale dell'acqua è stata aumentata in maniera crescente rispettivamente dallo zucchero granulato, dal fruttosio e dalla stevia. Infine è stato creato un modello per il calcolo delle altezze di schiuma e del liquido ad ogni singolo step della simulazione di imbottigliamento, avvenuta attraverso fasi di riempimento alternate a fasi di degasaggio, così da evitare eventuali fuoriuscite del prodotto dagli estremi superiori della bottiglia.