W produkcji składników spożywczych czasy procesu i zużycie energii można wyraźnie zmniejszyć, jeśli receptura, jakość surowców, metoda suszenia lub mieszania, automatyzacja i zaopatrzenie w media są ze sobą dopasowane. Jednolitych wartości najlepszych dla wszystkich produktów jednak nie ma. Produkty mleczne i serwatkowe, białka, produkty skrobiowe, aromaty, mieszanki przypraw, proszki funkcjonalne i składniki roślinne różnią się znacznie pod względem wilgotności, lepkości, stabilności termicznej, struktury cząstek, ryzyka higienicznego i nakładu na czyszczenie.

Miarodajne benchmarki odnoszą się zatem zawsze do jasno zdefiniowanej jednostki. Przy procesach suszenia jest to zwykle nakład energii na kilogram odparowanej wody. Przy procesach mieszania są to na przykład czas mieszania, wprowadzanie energii na wsad, liczba wsadów na godzinę lub osiągnięta jednorodność. Przy kompletnych liniach produkcyjnych rozpatruje się dodatkowo wydajność, wskaźnik braków, czas czyszczenia, zużycie wody i całkowitą efektywność wyposażenia.

Krótkie czasy procesu

Przy suszeniu rozpyłowym czas kontaktu i suszenia poszczególnych cząstek w gazie suszącym leży często w zakresie sekund. Cały czas przebywania produktu w instalacji zależy jednak również od rozpylania, komory suszenia, obróbki końcowej, wyładunku i ewentualnej aglomeracji. Wysoka wydajność może być połączona ze stabilną jakością produktu tylko wtedy, gdy zawartość substancji stałych, lepkość, rozpylanie, temperatury powietrza i strumień objętości powietrza są dopasowane do produktu.

Przy procesach fluidalnych suszenie, chłodzenie i aglomeracja mogą być łączone w jednej instalacji. Wymagany czas procesu leży często w zakresie od minut do godziny i jest determinowany przede wszystkim przez wilgotność wyjściową, pożądaną wilgotność resztkową, wielkość cząstek, wrażliwość termiczną i wymaganą strukturę produktu. Zwłaszcza przy produktach instant integracja kilku etapów procesu może skracać cały przebieg produkcji.

Przy suszarkach taśmowych czas procesu zależy w dużym stopniu od grubości warstwy, prowadzenia powietrza, profilu temperatury i właściwości produktu. Koncepcje wielostrefowe i celowe prowadzenie powietrza mogą przyspieszać suszenie bez niedopuszczalnego podwyższania temperatury produktu. Porównanie instalacji nie powinno zatem odbywać się wyłącznie na podstawie czasu przebywania, lecz zawsze również na podstawie wilgotności resztkowej, wydajności produktu, koloru, aromatu, rozpuszczalności i zachowania składników odżywczych.

Przy procesach mieszania dla suchych lub lekko wilgotnych składników spożywczych nowoczesne instalacje mieszające mogą osiągać wysoką jednorodność w ciągu kilku minut. Konkretny czas mieszania musi być jednak sprawdzony z rzeczywistym produktem. Różnice w wielkości cząstek, gęstości nasypowej, wilgotności, stabilności aglomeratów i dokładności dozowania mogą wyraźnie zmieniać wymagany czas mieszania. Bardzo krótki proces mieszania jest korzystny tylko wtedy, gdy receptura rozprowadza się równomiernie i nie dochodzi do uszkodzenia wrażliwych cząstek.

Czas czyszczenia jest centralnym czynnikiem całkowitej produktywności. Obejmuje on nie tylko sam proces CIP lub WIP, lecz również opróżnianie produktu, przezbrojenie, zwolnienie i ewentualnie kontrole mikrobiologiczne. Optymalizacje, takie jak osobno czyszczalne obszary procesowe, programy czyszczenia dostosowane do potrzeb, pomiar przewodności do rozpoznawania punktu końcowego oraz poprawione mechaniczne działanie czyszczące, mogą wyraźnie skracać czasy CIP. Analizy branżowe wskazują potencjał rzędu około 25 do 40 procent skrócenia cykli CIP, o ile zachowana zostaje walidacja mikrobiologiczna.

Całkowita efektywność wyposażenia jest ważnym wskaźnikiem oceny kompletnych linii spożywczych. Łączy ona dostępność, wydajność i wskaźnik jakości. Wartość 85 procent jest często podawana jako ogólna wartość szczytowa, pochodzi jednak przede wszystkim z produkcji dyskretnej i ze względu na obowiązkowe czyszczenie, zmiany alergenowe i specyficzne dla produktu środki higieniczne nie jest ogólnie przenoszalna na procesy spożywcze. Dla instalacji spożywczych i napojowych podaje się typowo wartości rzędu około 55 do 70 procent. Dobrze prowadzone instalacje mogą osiągać około 75 do 80 procent, podczas gdy wyższe wartości silnie zależą od typu produktu, różnorodności wariantów i prawidłowego traktowania zaplanowanych czasów czyszczenia.

Niskie zużycie energii

Przy procesach suszenia parowanie wody jest najważniejszą dźwignią energetyczną. Suszenie rozpyłowe jest niezbędne dla wielu wysokowartościowych proszków, należy jednak do procesów energochłonnych. Zależnie od produktu, wilgotności wyjściowej, prowadzenia powietrza i integracji cieplnej zużycie jednostkowe może silnie się różnić. Źródła podają dla konwencjonalnego suszenia rozpyłowego wartości do 6000 kilodżuli na kilogram odparowanej wody. Dla bardziej efektywnych koncepcji suszenia podawane są wyraźnie niższe wartości. Zużycie energii powinno być zatem zawsze oceniane w odniesieniu do odparowanej ilości wody, a dodatkowo do wytworzonej ilości produktu.

Istotną możliwością oszczędności jest wstępne zagęszczanie przed suszeniem termicznym. Jeśli produkty płynne są najpierw zagęszczane poprzez filtrację membranową lub odparowanie, w kolejnym suszeniu trzeba usunąć mniej wody. Wybór metody zależy od stabilności produktu, lepkości, wrażliwości membrany, pożądanego stężenia i czyszczalności.

Wyparki wieloefektowe i mechaniczna kompresja brei mogą wyraźnie obniżać zapotrzebowanie na energię przy zagęszczaniu. Jako orientację można podać, że wyparka jednoefektowa potrzebuje około 2260 kilodżuli na kilogram odparowanej wody. Wyparka czteroefektowa może rachunkowo obniżyć jednostkowe zapotrzebowanie na parę do około 565 kilodżuli na kilogram. Dla systemów z mechaniczną kompresją brei podawane są wyraźnie niższe wartości, przy czym zapotrzebowanie ocenia się wtedy przede wszystkim jako zużycie energii elektrycznej przez sprężarkę.

Odzysk ciepła jest przy energochłonnych procesach spożywczych często najskuteczniejszym podejściem. Powietrze wywiewane, kondensat, brej i strumienie chłodzące mogą być wykorzystywane do wstępnego podgrzewania świeżego powietrza, wody procesowej lub półproduktów. To, jak wysoki jest rzeczywisty stopień odzysku, zależy od różnic temperatur, skłonności do zanieczyszczania, koncepcji higienicznej, dostępnego odbiornika ciepła i czasów pracy. Zamiast ogólnego wskaźnika odzysku użytkownicy powinni zatem zlecić sporządzenie specyficznego dla lokalizacji bilansu cieplnego i analizy pinch.

Również odbiorniki elektryczne wpływają na bilans całkowity. Należą do nich wentylatory, pompy, wytwornice próżni, młyny, dozowniki, technika transportu, instalacje chłodnicze i systemy sprężonego powietrza. Wydajne silniki, prawidłowo dobrane przemienniki częstotliwości, niskie straty ciśnienia, wentylatory regulowane prędkością obrotową i systematyczna kontrola nieszczelności sprężonego powietrza zmniejszają zużycie często bez zmiany samego produktu czy procesu receptury.

Dla porównania kompletnych instalacji zużycie energii na kilogram produktu końcowego jest pomocne tylko wtedy, gdy granice bilansu są jednoznacznie zdefiniowane. Użytkownicy powinni wyjaśnić, czy zawarte jest w nim tylko bezpośrednie zużycie prądu przez instalację procesową, czy również para, chłód, sprężone powietrze, gorąca woda, media CIP, obróbka powietrza wywiewanego i straty energii centralnego zaopatrzenia. Dopiero wtedy można rzetelnie porównywać ze sobą instalacje lub lokalizacje produkcyjne.

Istotne czynniki wpływu

Osiągalne wskaźniki są determinowane przede wszystkim przez zawartość substancji stałych produktów wyjściowych, wilgotność, wrażliwość termiczną, lepkość, pożądaną strukturę cząstek i różnorodność receptur. Już wyższe stężenie wejściowe może istotnie wpływać na zapotrzebowanie na energię kolejnego suszenia. Odwrotnie, wahające się jakości surowców mogą prowadzić do dłuższych czasów procesu, większej liczby korekt, wyższych braków i dodatkowego nakładu na czyszczenie.

Higieniczna konstrukcja instalacji wpływa również na czas i energię. Dobrze opróżnialne aparaty, krótkie drogi produktu, możliwie mało miejsc przywierania i czyszczenie dostosowane do produktu zmniejszają straty produktu i czasy przestoju. Wykonanie higieniczne musi być jednak zawsze zgodne z wymaganiami dotyczącymi kontroli alergenów, bezpieczeństwa mikrobiologicznego i zmiany produktu.

Automatyzacja i analiza danych pomagają uwidaczniać straty energii i czasu. Systemy sterowania procesem i systemy realizacji produkcji (Manufacturing Execution System) mogą rejestrować wskaźniki, takie jak jednostkowe zapotrzebowanie na ciepło, zużycie prądu, czas trwania wsadu, czas czyszczenia, braki i przestoje instalacji. Na tej podstawie można wyprowadzać działania, na przykład optymalizację profili temperatury, skrócenie przezbrojeń, obniżenie czasów jałowych lub dostosowanie programów czyszczenia.

Klasyfikacja benchmarków

Realistyczne wyznaczanie celów nie powinno zaczynać się od pojedynczej liczby obowiązującej dla całej branży. Sensowniejsza jest specyficzna dla produktu wartość wyjściowa, rejestrowana osobno dla każdej linii. Na tej podstawie można definiować jasne wartości docelowe dla wydajności, czasu cyklu, energii na kilogram odparowanej wody, energii na kilogram produktu, zużycia wody, czasu czyszczenia, braków i całkowitej efektywności wyposażenia.

Przykładem jest produkcja suszonego rozpyłowo proszku białkowego. Wstępne zagęszczanie zmniejsza ilość wody, która musi zostać odparowana w suszarce rozpyłowej. Ulepszony odzysk ciepła z powietrza wywiewanego obniża zapotrzebowanie na ciepło. Stabilnie regulowany proces suszenia zmniejsza przesuszenie i niedosuszenie. Jednocześnie zoptymalizowana koncepcja czyszczenia może skracać czas przezbrojenia między dwiema kampaniami produktowymi. Czy te działania są opłacalne ekonomicznie, zależy od wartości produktu, godzin pracy, kosztów energii, wymagań jakościowych i dostępnych sieci medialnych.