Quali benchmark per tempi di processo brevi e basso consumo energetico sono raggiungibili nella produzione di ingredienti alimentari?
Nella produzione di ingredienti alimentari, i tempi di processo e i consumi energetici possono essere ridotti in modo significativo se ricetta, qualità delle materie prime, procedimento di essiccazione o di miscelazione, automazione e alimentazione dei fluidi ausiliari sono armonizzati tra loro. Non esistono tuttavia valori ottimali uniformi validi per tutti i prodotti. Prodotti a base di latte e siero di latte, proteine, prodotti amidacei, aromi, miscele di spezie, polveri funzionali e ingredienti a base vegetale si differenziano notevolmente per umidità, viscosità, stabilità termica, struttura delle particelle, rischio igienico e onere di pulizia.
Benchmark significativi si riferiscono quindi sempre a un'unità chiaramente definita. Nei processi di essiccazione si tratta per lo più del fabbisogno energetico per chilogrammo di acqua evaporata. Nei processi di miscelazione si tratta, ad esempio, del tempo di miscelazione, dell'apporto energetico per lotto, del numero di lotti all'ora o dell'omogeneità raggiunta. Per le linee di produzione complete si considerano inoltre la resa, il tasso di scarto, la durata della pulizia, il consumo d'acqua e l'efficienza globale dell'impianto.
Tempi di processo brevi
Nell'essiccazione a spruzzo, i tempi di contatto e di essiccazione delle singole particelle nel gas di essiccazione si collocano spesso nell'ordine dei secondi. Il tempo di permanenza complessivo del prodotto nell'impianto dipende tuttavia anche dall'atomizzazione, dalla camera di essiccazione, dal trattamento successivo, dallo scarico e da un'eventuale agglomerazione. Una portata elevata può essere combinata con una qualità del prodotto stabile solo se il tenore di solidi, la viscosità, l'atomizzazione, le temperature dell'aria e il flusso volumetrico dell'aria sono armonizzati con il prodotto.
Nei processi a letto fluido, essiccazione, raffreddamento e agglomerazione possono essere combinati in un unico impianto. Il tempo di processo necessario si colloca spesso nell'ordine da alcuni minuti fino a un'ora ed è influenzato soprattutto dall'umidità iniziale, dall'umidità residua desiderata, dalla dimensione delle particelle, dalla sensibilità termica e dalla struttura del prodotto richiesta. In particolare per i prodotti istantanei, l'integrazione di più fasi di processo può accorciare l'intero flusso di produzione.
Negli essiccatori a nastro, il tempo di processo dipende fortemente dallo spessore dello strato, dalla conduzione dell'aria, dal profilo di temperatura e dalle proprietà del prodotto. Concetti multizona e una conduzione mirata dell'aria possono accelerare l'essiccazione senza aumentare la temperatura del prodotto oltre i limiti ammessi. Il confronto tra impianti non dovrebbe quindi basarsi soltanto sul tempo di permanenza, ma sempre anche su umidità residua, resa di prodotto, colore, aroma, solubilità e conservazione dei nutrienti.
Nei processi di miscelazione per ingredienti alimentari secchi o leggermente umidi, i moderni impianti di miscelazione possono raggiungere un'elevata omogeneità in pochi minuti. Il tempo di miscelazione concreto deve tuttavia essere verificato con il prodotto effettivo. Differenze nella dimensione delle particelle, nella densità apparente, nell'umidità, nella stabilità degli agglomerati e nella precisione di dosaggio possono modificare in modo significativo il tempo di miscelazione richiesto. Un processo di miscelazione molto breve è vantaggioso solo se la ricetta si distribuisce in modo uniforme e le particelle sensibili non vengono danneggiate.
La durata della pulizia è un fattore centrale per la produttività complessiva. Comprende non solo la vera e propria operazione CIP o WIP, ma anche lo svuotamento del prodotto, il riattrezzaggio, il rilascio ed eventuali controlli microbiologici. Ottimizzazioni come aree di processo pulibili separatamente, programmi di pulizia adeguati alle necessità, la misurazione della conducibilità per il rilevamento del punto finale e un'azione meccanica di pulizia migliorata possono ridurre notevolmente i tempi CIP. Le analisi di settore indicano potenziali di riduzione dei cicli CIP di circa il 25-40%, a condizione che la validazione microbiologica venga mantenuta.
L'efficienza globale dell'impianto è un indicatore importante per valutare le linee alimentari complete. Combina disponibilità, prestazione e tasso di qualità. Un valore dell'85% viene spesso citato come valore massimo generale, ma deriva soprattutto dalla produzione discreta e non è trasferibile in modo generico ai processi alimentari a causa della pulizia obbligatoria, dei cambi allergeni e delle misure igieniche specifiche del prodotto. Per gli impianti alimentari e delle bevande vengono tipicamente indicati valori di circa il 55-70%. Gli impianti ben gestiti possono raggiungere circa il 75-80%, mentre valori più elevati dipendono fortemente dal tipo di prodotto, dalla varietà delle referenze e dal corretto trattamento dei tempi di pulizia pianificati.
Basso consumo energetico
Nei processi di essiccazione, l'evaporazione dell'acqua è la leva energetica più importante. L'essiccazione a spruzzo è indispensabile per molte polveri di alta qualità, ma rientra tra i procedimenti ad alta intensità energetica. A seconda del prodotto, dell'umidità iniziale, della conduzione dell'aria e dell'integrazione termica, i consumi specifici possono variare notevolmente. Alcune fonti indicano per l'essiccazione a spruzzo convenzionale valori fino a 6.000 kilojoule per chilogrammo di acqua evaporata. Per concetti di essiccazione più efficienti vengono riportati valori nettamente inferiori. Il consumo energetico dovrebbe quindi sempre essere valutato in rapporto alla quantità di acqua evaporata e, in aggiunta, alla quantità di prodotto generata.
Una possibilità di risparmio essenziale è la preconcentrazione prima dell'essiccazione termica. Se i prodotti liquidi vengono prima concentrati mediante filtrazione a membrana o evaporazione, nel successivo essiccatore deve essere rimossa una minore quantità d'acqua. La scelta del procedimento dipende dalla stabilità del prodotto, dalla viscosità, dalla sensibilità della membrana, dalla concentrazione desiderata e dalla pulibilità.
Gli evaporatori a effetto multiplo e la ricompressione meccanica del vapore possono ridurre notevolmente il fabbisogno energetico nella concentrazione. Come orientamento, un evaporatore a effetto singolo richiede circa 2.260 kilojoule per chilogrammo di acqua evaporata. Un evaporatore a quattro effetti può ridurre, sul piano teorico, il fabbisogno specifico di vapore a circa 565 kilojoule per chilogrammo. Per i sistemi con ricompressione meccanica del vapore vengono indicati valori nettamente inferiori, con il fabbisogno valutato in questo caso soprattutto come consumo di energia elettrica del compressore.
Il recupero di calore è spesso l'approccio più efficace nei processi alimentari ad alta intensità energetica. Aria di scarico, condensa, vapori e flussi di raffreddamento possono essere utilizzati per preriscaldare aria fresca, acqua di processo o fasi preliminari del prodotto. Quanto risulti effettivamente elevato il tasso di recupero dipende dalle differenze di temperatura, dalla tendenza allo sporcamento, dal concetto igienico, dal pozzo termico disponibile e dagli orari di esercizio. Invece di un tasso di recupero generico, i gestori dovrebbero quindi far elaborare un bilancio termico specifico del sito e un'analisi pinch.
Anche le utenze elettriche influenzano il bilancio complessivo. Ne fanno parte ventilatori, pompe, generatori di vuoto, mulini, dosatori, tecnica di trasporto, impianti frigoriferi e sistemi ad aria compressa. Motori ad alta efficienza, convertitori di frequenza dimensionati correttamente, basse perdite di pressione, ventilatori a velocità regolata e un controllo sistematico delle perdite nell'aria compressa riducono spesso il consumo senza modificare il prodotto vero e proprio o il processo di ricetta.
Per il confronto di impianti completi, il consumo energetico per chilogrammo di prodotto finale è utile solo se i confini del bilancio sono definiti in modo univoco. I gestori dovrebbero chiarire se esso comprenda solo il consumo elettrico diretto dell'impianto di processo oppure anche vapore, freddo, aria compressa, acqua calda, fluidi CIP, trattamento dell'aria di scarico e perdite energetiche dell'alimentazione centrale. Solo allora è possibile confrontare seriamente impianti o siti produttivi tra loro.
Fattori di influenza essenziali
I parametri raggiungibili sono determinati soprattutto dal tenore di solidi dei prodotti di partenza, dall'umidità, dalla sensibilità termica, dalla viscosità, dalla struttura delle particelle desiderata e dalla varietà delle ricette. Già una concentrazione in ingresso più elevata può influenzare notevolmente il fabbisogno energetico della successiva essiccazione. Al contrario, qualità delle materie prime fluttuanti possono portare a tempi di processo più lunghi, a maggiori regolazioni successive, a uno scarto più elevato e a oneri di pulizia aggiuntivi.
Anche una progettazione igienica dell'impianto incide su tempo ed energia. Apparecchi facilmente svuotabili, percorsi del prodotto brevi, il minor numero possibile di punti di adesione e una pulizia adattata al prodotto riducono le perdite di prodotto e i tempi di fermo. La progettazione igienica deve tuttavia sempre essere compatibile con i requisiti relativi al controllo degli allergeni, alla sicurezza microbiologica e al cambio prodotto.
Automazione e analisi dei dati aiutano a rendere visibili le perdite di energia e di tempo. I sistemi di controllo di processo e i sistemi di esecuzione della produzione possono rilevare indicatori come il fabbisogno termico specifico, il consumo elettrico, la durata del lotto, il tempo di pulizia, lo scarto e i fermi impianto. Da questi dati è possibile derivare misure, ad esempio l'ottimizzazione dei profili di temperatura, l'accorciamento dei riattrezzaggi, la riduzione dei tempi morti o l'adeguamento dei programmi di pulizia.
Inquadramento dei benchmark
Un obiettivo realistico non dovrebbe partire da un singolo valore valido per tutto il settore. È più sensato un valore di partenza specifico del prodotto, rilevato separatamente per ogni linea. Su questa base è possibile definire obiettivi chiari per portata, tempo di ciclo, energia per chilogrammo di acqua evaporata, energia per chilogrammo di prodotto, consumo d'acqua, durata della pulizia, scarto ed efficienza globale dell'impianto.
Un esempio è la produzione di una polvere proteica essiccata a spruzzo. Una preconcentrazione riduce la quantità d'acqua che deve essere evaporata nell'essiccatore a spruzzo. Un recupero di calore dall'aria di scarico migliorato riduce il fabbisogno termico. Un processo di essiccazione regolato in modo stabile riduce la sovra ed sotto-essiccazione. Allo stesso tempo, un concetto di pulizia ottimizzato può accorciare il tempo di riattrezzaggio tra due campagne di prodotto. Se queste misure siano economicamente vantaggiose dipende dal valore del prodotto, dalle ore di esercizio, dai costi energetici, dai requisiti di qualità e dalle reti di fluidi ausiliari disponibili.
Come amixon® valuta l'efficienza energetica, il Total Cost of Ownership e l'ammortamento di un miscelatore industriale
La redditività di un miscelatore industriale non è determinata soltanto dal prezzo d'acquisto o dalla potenza installata. Determinanti, nell'arco dell'effettiva durata di utilizzo, sono in particolare il consumo energetico, la resa del prodotto, i tempi di pulizia e di cambio, il fabbisogno di manutenzione, l'approvvigionamento dei ricambi e le eventuali modernizzazioni. Indicatori energetici generici per tonnellata di prodotto sono poco significativi, poiché ricetta, grado di riempimento, dimensione del lotto, tempo di miscelazione e omogeneità richiesta influenzano in modo sostanziale il fabbisogno energetico.
amixon® determina quindi i parametri rilevanti mediante prove con il prodotto originale. Nel centro prove amixon® vengono valutati in condizioni realistiche, tra l'altro, il tempo di miscelazione, l'assorbimento energetico, la qualità di miscelazione, la delicatezza sul prodotto, lo svuotamento residuo, la pulibilità e il tempo di cambio prodotto. Questi dati documentati costituiscono una base solida per la progettazione dell'impianto nonché per i calcoli di redditività e di ammortamento. A Paderborn sono disponibili più di trenta impianti di prova. Inoltre amixon® gestisce centri prove in Germania, Stati Uniti, Cina, Giappone, India, Thailandia e Corea del Sud.
I miscelatori amixon® sono progettati per una conduzione di processo delicata sul prodotto, con un basso apporto di energia meccanica. Velocità di rotazione ridotte e flussi di prodotto guidati in modo mirato favoriscono una miscelazione efficiente. Il Gyraton® GM è concepito per lotti di grandi dimensioni e combina un basso fabbisogno di potenza con un'azione di miscelazione precisa e delicata. Secondo amixon® sono disponibili dimensioni costruttive con un volume utile di circa dieci-settanta metri cubi.
Tempi di miscelazione brevi riducono il consumo energetico per lotto e aumentano il tempo di impianto disponibile in modo produttivo. Nel miscelatore KoneSlid® KS l'intero volume del prodotto viene completamente ridistribuito dopo circa quattro rotazioni. Per prodotti idonei, la qualità di miscelazione ottimale può essere raggiunta dopo circa venti-trenta rotazioni. Il tempo di miscelazione effettivamente necessario viene determinato per ogni ricetta mediante prova.
Uno svuotamento residuo elevato migliora la resa e riduce le perdite di prodotto. La tecnologia ComDisc® di amixon® consente uno svuotamento pressoché completo e privo di segregazione. A seconda del prodotto e dell'applicazione sono raggiungibili gradi di svuotamento fino al 99,997%. Questo è particolarmente rilevante dal punto di vista economico per ingredienti alimentari di alto valore, cambi di ricetta frequenti e applicazioni critiche per gli allergeni.
Anche il tempo di pulizia influisce notevolmente sul Total Cost of Ownership. amixon® utilizza lance di lavaggio a getto mirato programmabili, che sottopongono in modo mirato lo spazio di miscelazione e le aree particolarmente sporche a una pressione dell'acqua maggiorata. La strategia di pulizia riproducibile può dissolvere efficacemente le incrostazioni, ridurre il consumo d'acqua e accorciare il tempo di pulizia. Questo è particolarmente rilevante per i processi di pulizia validabili nell'industria alimentare e farmaceutica.
Dopo la pulizia a umido, il miscelatore deve asciugarsi completamente prima che possano essere nuovamente lavorate polveri sensibili all'umidità. amixon® offre a tale scopo, tra l'altro, il sistema WaterDragon®. Le lance di lavaggio retrattili puliscono lo spazio di miscelazione e vengono successivamente attraversate da grandi quantità di aria calda secca. In questo modo le lance di lavaggio e le superfici a contatto con il prodotto possono essere asciugate in modo rapido e accurato. L'asciugatura può avvenire immediatamente dopo la pulizia e non richiede tempi di attesa fino al raffreddamento di un miscelatore precedentemente riscaldato.
La costruzione robusta dei miscelatori amixon® favorisce una lunga durata di utilizzo. Nelle esecuzioni con gruppo di miscelazione sostenuto esclusivamente dall'alto, viene eliminato il passaggio d'albero inferiore nella zona a contatto con il prodotto. Ciò riduce il numero di punti di tenuta a contatto con il prodotto e può semplificare la manutenzione e la pulizia. amixon® offre inoltre un servizio ricambi a vita, manutenzione, retrofit e modernizzazione, in modo che gli impianti esistenti possano essere sviluppati tecnicamente e utilizzati a lungo termine.
Per gli ingredienti alimentari, i miscelatori amixon® possono essere realizzati in esecuzione igienica in base ai requisiti. Superfici facili da pulire, spazi di miscelazione accessibili, incorporazione microfine dei liquidi e svuotamento pressoché completo favoriscono una qualità di prodotto riproducibile in caso di cambi di prodotto frequenti. Per determinati concetti di impianto possono essere considerati i requisiti FDA, EHEDG e degli standard 3-A Sanitary.