Quels benchmarks de temps de procédé courts et de faible consommation d'énergie sont atteignables dans la fabrication d'ingrédients alimentaires ?
Dans la fabrication d'ingrédients alimentaires, les temps de procédé et les consommations d'énergie peuvent être nettement réduits lorsque la recette, la qualité des matières premières, le procédé de séchage ou de mélange, l'automatisation et l'alimentation en fluides sont coordonnés entre eux. Il n'existe cependant pas de valeurs optimales uniformes pour tous les produits. Les produits laitiers et de lactosérum, les protéines, les produits amylacés, les arômes, les mélanges d'épices, les poudres fonctionnelles et les ingrédients d'origine végétale diffèrent considérablement en matière d'humidité, de viscosité, de stabilité thermique, de structure des particules, de risque hygiénique et d'effort de nettoyage.
Des repères significatifs se rapportent donc toujours à une unité clairement définie. Pour les procédés de séchage, il s'agit le plus souvent de l'apport énergétique par kilogramme d'eau évaporée. Pour les procédés de mélange, ce sont par exemple le temps de mélange, l'apport d'énergie par charge, le nombre de charges par heure ou l'homogénéité atteinte. Pour des lignes de production complètes, le rendement, le taux de rebut, la durée de nettoyage, la consommation d'eau et l'efficacité globale de l'installation sont en outre considérés.
Temps de procédé courts
Lors du séchage par atomisation, les temps de contact et de séchage des différentes particules dans le gaz de séchage se situent souvent dans la plage des secondes. Le temps de séjour total du produit dans l'installation dépend cependant aussi de l'atomisation, de la chambre de séchage, du post-traitement, de la vidange et de l'agglomération éventuelle. Un débit élevé ne peut être combiné à une qualité de produit stable que si la teneur en matière sèche, la viscosité, l'atomisation, les températures d'air et le débit volumique d'air sont adaptés au produit.
Dans les procédés en lit fluidisé, le séchage, le refroidissement et l'agglomération peuvent être combinés dans une seule installation. Le temps de procédé requis se situe souvent entre quelques minutes et une heure et est influencé avant tout par l'humidité initiale, l'humidité résiduelle souhaitée, la taille des particules, la sensibilité thermique et la structure de produit requise. En particulier pour les produits instantanés, l'intégration de plusieurs étapes de procédé peut raccourcir l'ensemble du déroulement de production.
Pour les sécheurs à bande, le temps de procédé dépend fortement de l'épaisseur de couche, du guidage de l'air, du profil de température et des propriétés du produit. Des concepts multizones et un guidage de l'air ciblé peuvent accélérer le séchage sans augmenter la température du produit de façon inadmissible. La comparaison des installations ne devrait donc pas s'effectuer uniquement sur le temps de séjour, mais toujours aussi sur l'humidité résiduelle, le rendement de produit, la couleur, l'arôme, la solubilité et la conservation des nutriments.
Pour les procédés de mélange d'ingrédients alimentaires secs ou légèrement humides, les installations de mélange modernes peuvent atteindre une homogénéité élevée en quelques minutes. Le temps de mélange concret doit cependant être vérifié avec le produit réel. Des différences de taille de particules, de masse volumique apparente, d'humidité, de stabilité des agglomérats et de précision de dosage peuvent modifier nettement le temps de mélange requis. Un mélange très court n'est avantageux que si la recette se répartit uniformément et que les particules sensibles ne sont pas endommagées.
La durée de nettoyage est un facteur central pour la productivité globale. Elle comprend non seulement l'opération CIP ou WIP proprement dite, mais aussi la vidange de produit, le changement de format, la libération et, le cas échéant, des contrôles microbiologiques. Des optimisations comme des zones de procédé nettoyables séparément, des programmes de nettoyage adaptés aux besoins, la mesure de conductivité pour la détection de point final et une action mécanique de nettoyage améliorée peuvent réduire nettement les temps CIP. Des analyses sectorielles indiquent des potentiels d'environ 25 à 40 pour cent pour le raccourcissement des cycles CIP, à condition que la validation microbiologique soit maintenue.
L'efficacité globale de l'installation est un indicateur important pour l'évaluation de lignes alimentaires complètes. Elle relie la disponibilité, la performance et le taux de qualité. Une valeur de 85 pour cent est souvent citée comme repère général de pointe, mais elle provient avant tout de la fabrication discrète et n'est pas transposable de façon forfaitaire aux procédés alimentaires, en raison du nettoyage obligatoire, des changements d'allergènes et des mesures d'hygiène spécifiques au produit. Pour les installations d'alimentaire et de boissons, des valeurs d'environ 55 à 70 pour cent sont typiquement citées. Les installations bien conduites peuvent atteindre environ 75 à 80 pour cent, tandis que des valeurs plus élevées dépendent fortement du type de produit, de la diversité des variantes et du traitement correct des temps de nettoyage planifiés.
Faible consommation d'énergie
Pour les procédés de séchage, l'évaporation de l'eau est le levier énergétique le plus important. Le séchage par atomisation est incontournable pour de nombreuses poudres de grande valeur, mais compte parmi les procédés énergivores. Selon le produit, l'humidité initiale, le guidage de l'air et l'intégration thermique, les consommations spécifiques peuvent fortement varier. Des sources indiquent, pour le séchage par atomisation conventionnel, des valeurs allant jusqu'à 6 000 kilojoules par kilogramme d'eau évaporée. Pour des concepts de séchage plus efficaces, des valeurs nettement plus faibles sont rapportées. La consommation d'énergie devrait donc toujours être évaluée par rapport à la quantité d'eau évaporée et en outre à la quantité de produit générée.
Une possibilité d'économie essentielle est la préconcentration avant le séchage thermique. Lorsque les produits liquides sont d'abord concentrés par filtration membranaire ou évaporation, moins d'eau doit être éliminée dans le sécheur suivant. Le choix du procédé dépend de la stabilité du produit, de la viscosité, de la sensibilité de la membrane, de la concentration souhaitée et de la nettoyabilité.
Les évaporateurs à effets multiples et la recompression mécanique des vapeurs peuvent réduire nettement le besoin énergétique lors de la concentration. À titre d'orientation, un évaporateur à simple effet nécessite environ 2 260 kilojoules par kilogramme d'eau évaporée. Un évaporateur à quadruple effet peut, par le calcul, réduire le besoin spécifique en vapeur à environ 565 kilojoules par kilogramme. Pour les systèmes à recompression mécanique des vapeurs, des valeurs nettement plus faibles sont citées, le besoin étant alors évalué avant tout comme consommation d'énergie électrique du compresseur.
La récupération de chaleur est souvent l'approche la plus efficace pour les procédés alimentaires énergivores. L'air évacué, le condensat, les vapeurs et les flux de refroidissement peuvent être utilisés pour préchauffer l'air frais, l'eau de procédé ou les étapes préliminaires de produit. Le taux de récupération réellement atteint dépend des différences de température, de la tendance à l'encrassement, du concept d'hygiène, du puits de chaleur disponible et des durées d'exploitation. Au lieu d'un taux de récupération général, les exploitants devraient donc faire établir un bilan thermique spécifique au site et une analyse du pincement.
Les consommateurs électriques influencent également le bilan global. En font partie les ventilateurs, pompes, générateurs de vide, moulins, doseurs, technique de convoyage, installations de froid et systèmes d'air comprimé. Des moteurs à haut rendement, des variateurs de fréquence correctement dimensionnés, de faibles pertes de charge, des ventilateurs à vitesse variable et un contrôle systématique des fuites d'air comprimé réduisent souvent la consommation sans modification du produit ou du procédé de recette proprement dit.
Pour la comparaison d'installations complètes, la consommation d'énergie par kilogramme de produit final n'est utile que si les limites du bilan sont clairement définies. Les exploitants devraient clarifier si seule la consommation électrique directe de l'installation de procédé y est incluse, ou également la vapeur, le froid, l'air comprimé, l'eau chaude, les fluides CIP, le traitement de l'air évacué et les pertes d'énergie de l'alimentation centrale. Ce n'est qu'alors que des installations ou des sites de production peuvent être sérieusement comparés entre eux.
Facteurs d'influence essentiels
Les indicateurs atteignables sont déterminés avant tout par la teneur en matière sèche des produits initiaux, l'humidité, la sensibilité thermique, la viscosité, la structure de particules souhaitée et la diversité des recettes. Déjà une concentration d'entrée plus élevée peut influencer considérablement le besoin énergétique du séchage suivant. Inversement, des qualités de matières premières fluctuantes peuvent entraîner des temps de procédé plus longs, davantage de réajustements, un rebut plus élevé et des efforts de nettoyage supplémentaires.
La conception hygiénique de l'installation influence également le temps et l'énergie. Des appareils bien vidangeables, des trajets de produit courts, aussi peu de points d'adhérence que possible et un nettoyage adapté au produit réduisent les pertes de produit et les temps d'arrêt. La conception hygiénique doit cependant toujours être compatible avec les exigences de contrôle des allergènes, de sécurité microbiologique et de changement de produit.
L'automatisation et l'analyse des données aident à rendre visibles les pertes d'énergie et de temps. Les systèmes de conduite de procédé et les systèmes d'exécution de la fabrication (MES) peuvent saisir des indicateurs comme le besoin de chaleur spécifique, la consommation électrique, la durée de charge, le temps de nettoyage, le rebut et les arrêts d'installation. Des mesures peuvent en être déduites, par exemple l'optimisation des profils de température, le raccourcissement des changements de format, la réduction des temps morts ou l'adaptation des programmes de nettoyage.
Classification des repères
Un objectif réaliste ne devrait pas commencer par un chiffre unique valable pour tout le secteur. Une valeur de départ spécifique au produit, saisie séparément pour chaque ligne, est plus judicieuse. Sur cette base, des valeurs cibles claires peuvent être définies pour le débit, le temps de cycle, l'énergie par kilogramme d'eau évaporée, l'énergie par kilogramme de produit, la consommation d'eau, la durée de nettoyage, le rebut et l'efficacité globale de l'installation.
Un exemple est la fabrication d'une poudre de protéine séchée par atomisation. Une préconcentration réduit la quantité d'eau devant être évaporée dans le sécheur par atomisation. Une récupération améliorée de la chaleur de l'air évacué réduit le besoin de chaleur. Un procédé de séchage régulé de façon stable réduit le sur-séchage et le sous-séchage. Simultanément, un concept de nettoyage optimisé peut raccourcir le temps de changement de format entre deux campagnes de produit. Le fait que ces mesures soient rentables dépend de la valeur du produit, des heures de fonctionnement, des coûts de l'énergie, des exigences de qualité et des réseaux de fluides disponibles.
Ainsi amixon® évalue l'efficacité énergétique, le coût total de possession et l'amortissement d'un mélangeur industriel
La rentabilité d'un mélangeur industriel n'est pas déterminée uniquement par le prix d'achat ou la puissance installée. Ce qui est déterminant sur la durée d'utilisation réelle, ce sont en particulier la consommation d'énergie, le rendement de produit, les temps de nettoyage et de changement, le besoin de maintenance, l'approvisionnement en pièces de rechange et les modernisations possibles. Les indicateurs énergétiques forfaitaires par tonne de produit ont alors une portée limitée, car la recette, le taux de remplissage, la taille de charge, le temps de mélange et l'homogénéité requise influencent de façon essentielle le besoin énergétique.
amixon® détermine donc les indicateurs pertinents par essai avec le produit d'origine. Dans la halle d'essais amixon®, sont évalués dans des conditions réalistes, entre autres, le temps de mélange, la consommation d'énergie, la qualité de mélange, le ménagement du produit, la vidange résiduelle, la nettoyabilité et le temps de changement de produit. Ces données documentées constituent une base solide pour la conception de l'installation ainsi que pour les calculs de rentabilité et d'amortissement. À Paderborn, plus de trente installations d'essai sont disponibles. amixon® exploite en outre des centres techniques en Allemagne, aux États-Unis, en Chine, au Japon, en Inde, en Thaïlande et en Corée du Sud.
Les mélangeurs amixon® sont conçus pour une conduite de procédé ménageante pour le produit, avec un faible apport d'énergie mécanique. De faibles vitesses de rotation et des flux de produit guidés de façon ciblée soutiennent un brassage efficace. Le Gyraton® GM est conçu pour de grandes charges et associe un faible besoin de puissance à une action de mélange précise et ménageante. Selon amixon®, des tailles allant d'environ dix à soixante-dix mètres cubes de volume utile sont disponibles.
Des temps de mélange courts réduisent la consommation d'énergie par charge et augmentent le temps d'exploitation productivement disponible de l'installation. Pour le mélangeur KoneSlid® KS, l'ensemble du volume de produit à mélanger est entièrement recirculé une fois après environ quatre rotations. Pour les produits adaptés, la qualité de mélange optimale peut être atteinte après environ vingt à trente rotations. Le temps de mélange réellement requis est déterminé par essai pour chaque recette.
Une vidange résiduelle élevée améliore le rendement et réduit les pertes de produit. La technologie ComDisc® d'amixon® permet une vidange quasi complète et exempte de ségrégation. Selon le produit et l'application, des degrés de vidange allant jusqu'à 99,997 pour cent sont atteignables. Cela est particulièrement pertinent économiquement pour les ingrédients alimentaires de grande valeur, les changements de recette fréquents et les applications critiques du point de vue des allergènes.
Le temps de nettoyage influence également considérablement le coût total de possession. amixon® utilise des lances de lavage programmables à jet dirigé, qui soumettent la chambre de mélange et les zones particulièrement encrassées de façon ciblée à une pression d'eau accrue. La stratégie de nettoyage reproductible peut dissoudre efficacement les adhérences, réduire la consommation d'eau et raccourcir le temps de nettoyage. Cela est particulièrement pertinent pour les procédés de nettoyage validables dans l'industrie alimentaire et pharmaceutique.
Après le nettoyage humide, le mélangeur doit sécher complètement avant que des poudres sensibles à l'humidité puissent à nouveau être traitées. amixon® propose à cet effet notamment le système WaterDragon®. Les lances de lavage rétractables nettoient la chambre de mélange puis sont traversées par de grandes quantités d'air chaud sec. Les lances de lavage et les surfaces en contact avec le produit peuvent ainsi être séchées rapidement et complètement. Le séchage peut avoir lieu immédiatement après le nettoyage et ne nécessite pas d'attendre le refroidissement d'un mélangeur préalablement chauffé.
La construction robuste des mélangeurs amixon® soutient une longue durée d'utilisation. Pour les exécutions avec un outil de mélange exclusivement monté en partie haute, le passage d'arbre inférieur dans la zone en contact avec le produit est supprimé. Cela réduit le nombre de points d'étanchéité en contact avec le produit et peut simplifier la maintenance ainsi que le nettoyage. En complément, amixon® propose un service de pièces de rechange à vie, la maintenance, le rétrofit et la modernisation, afin que les installations existantes puissent être techniquement développées et utilisées à long terme.
Pour les ingrédients alimentaires, les mélangeurs amixon® peuvent être exécutés de façon hygiénique selon les exigences. Des surfaces faciles à nettoyer, des chambres de mélange accessibles, une incorporation microfine de liquide et une vidange quasi complète soutiennent une qualité de produit reproductible en cas de changements de produit fréquents. Pour certains concepts d'installation, les exigences de la FDA, de l'EHEDG et des 3-A Sanitary Standards peuvent être prises en compte.