Какие эталонные показатели по короткому времени процесса и низкому энергопотреблению достижимы в производстве пищевых ингредиентов?
В производстве пищевых ингредиентов время процесса и энергопотребление можно заметно снизить, если рецептура, качество сырья, метод сушки или смешивания, автоматизация и подача рабочих сред согласованы между собой. Однако единых наилучших показателей для всех продуктов не существует. Молочные и сывороточные продукты, белки, крахмалопродукты, ароматизаторы, смеси специй, функциональные порошки и растительные ингредиенты значительно различаются по влажности, вязкости, термостабильности, структуре частиц, гигиеническому риску и трудоёмкости очистки.
Поэтому весомые контрольные показатели всегда относятся к чётко определённой единице измерения. При сушке это обычно энергозатраты на килограмм испарённой воды. При смешивании это, например, время смешивания, энергозатраты на загрузку, число загрузок в час или достигнутая однородность. Для полных производственных линий дополнительно рассматриваются выход продукта, доля брака, продолжительность очистки, расход воды и общая эффективность оборудования.
Короткое время процесса
При распылительной сушке время контакта и сушки отдельных частиц в сушильном газе часто составляет секунды. Однако общее время пребывания продукта в установке зависит также от распыления, сушильной камеры, последующей обработки, выгрузки и возможной агломерации. Высокая производительность может сочетаться со стабильным качеством продукта только тогда, когда содержание сухих веществ, вязкость, распыление, температуры воздуха и объёмный расход воздуха согласованы с продуктом.
В процессах с псевдоожиженным слоем сушка, охлаждение и агломерация могут объединяться в одной установке. Требуемое время процесса часто составляет от нескольких минут до часа и определяется прежде всего исходной влажностью, желаемой остаточной влажностью, размером частиц, термочувствительностью и требуемой структурой продукта. Особенно для инстант-продуктов объединение нескольких технологических этапов может сокращать весь производственный цикл.
В ленточных сушилках время процесса сильно зависит от толщины слоя, направления потока воздуха, температурного профиля и свойств продукта. Многозонные концепции и целенаправленное распределение воздушных потоков могут ускорять сушку без недопустимого повышения температуры продукта. Поэтому сравнение установок не должно проводиться только по времени пребывания, а всегда также по остаточной влажности, выходу продукта, цвету, аромату, растворимости и сохранности питательных веществ.
При смешивании сухих или слегка увлажнённых пищевых ингредиентов современные смесительные установки могут достигать высокой однородности за несколько минут. Однако конкретное время смешивания необходимо проверять на фактическом продукте. Различия в размере частиц, насыпной плотности, влажности, стабильности агломератов и точности дозирования могут значительно изменять требуемое время смешивания. Очень короткое время смешивания выгодно только тогда, когда рецептура распределяется равномерно, а чувствительные частицы не повреждаются.
Продолжительность очистки — центральный фактор общей производительности. Она охватывает не только сам процесс CIP или WIP, но и опорожнение от продукта, переналадку, разрешение к работе и при необходимости микробиологический контроль. Такие оптимизации, как раздельно очищаемые технологические зоны, программы очистки по фактической потребности, измерение электропроводности для распознавания конечной точки и улучшенное механическое воздействие очистки, могут заметно сокращать время CIP. Отраслевые анализы называют потенциал сокращения циклов CIP примерно на 25–40 процентов при сохранении микробиологической валидации.
Общая эффективность оборудования — важный показатель для оценки полных пищевых линий. Он объединяет доступность, производительность и коэффициент качества. Значение 85 процентов часто называют общим эталонным показателем, однако оно происходит прежде всего из дискретного производства и не может огульно переноситься на пищевые процессы из-за обязательной очистки, смены аллергенов и специфичных для продукта гигиенических мер. Для пищевых и напиточных линий типично называют значения примерно 55–70 процентов. Хорошо управляемые установки могут достигать примерно 75–80 процентов, тогда как более высокие значения сильно зависят от типа продукта, разнообразия вариантов и корректного учёта запланированного времени очистки.
Низкое энергопотребление
В процессах сушки испарение воды — важнейший энергетический рычаг. Распылительная сушка незаменима для многих высококачественных порошков, но относится к энергоёмким методам. В зависимости от продукта, исходной влажности, направления воздушного потока и рекуперации тепла удельное энергопотребление может значительно различаться. Источники называют для обычной распылительной сушки значения до 6000 килоджоулей на килограмм испарённой воды. Для более эффективных концепций сушки сообщаются заметно более низкие значения. Поэтому энергопотребление всегда следует оценивать в пересчёте на объём испарённой воды, а также на объём полученного продукта.
Существенная возможность экономии — предварительное концентрирование перед термической сушкой. Если жидкие продукты сначала концентрируются мембранной фильтрацией или выпариванием, в последующей сушилке требуется удалить меньше воды. Выбор метода зависит от стабильности продукта, вязкости, чувствительности мембраны, желаемой концентрации и очищаемости.
Многоступенчатые выпарные установки и механическая рекомпрессия пара могут заметно снижать энергозатраты при концентрировании. Для ориентира: одноступенчатому выпарному аппарату требуется около 2260 килоджоулей на килограмм испарённой воды. Четырёхступенчатый выпарной аппарат может расчётно снизить удельную потребность в паре до примерно 565 килоджоулей на килограмм. Для систем с механической рекомпрессией пара называются заметно более низкие значения, при этом потребность оценивается прежде всего как электропотребление компрессора.
Рекуперация тепла часто является наиболее эффективным подходом в энергоёмких пищевых процессах. Отработанный воздух, конденсат, вторичный пар и охлаждающие потоки могут использоваться для подогрева свежего воздуха, технологической воды или полуфабрикатов продукта. Насколько высокой окажется фактическая степень рекуперации, зависит от разности температур, склонности к загрязнению, концепции гигиены, доступного теплоприёмника и режима эксплуатации. Поэтому вместо общей нормы рекуперации эксплуатирующим организациям следует заказывать составление специфичного для площадки теплового баланса и пинч-анализа.
Общий энергобаланс определяют также электрические потребители. К ним относятся вентиляторы, насосы, вакуумные генераторы, мельницы, дозаторы, транспортная техника, холодильные установки и системы сжатого воздуха. Высокоэффективные двигатели, правильно рассчитанные частотные преобразователи, низкие потери давления, вентиляторы с регулируемой частотой вращения и систематический контроль утечек сжатого воздуха часто снижают потребление без изменения самого продукта или процесса рецептуры.
Для сравнения полных установок энергопотребление на килограмм конечного продукта полезно только тогда, когда границы баланса чётко определены. Эксплуатирующим организациям следует выяснять, включён ли в него только прямой расход электроэнергии технологической установки или также пар, холод, сжатый воздух, горячая вода, среды CIP, обработка отработанного воздуха и потери энергии центрального снабжения. Только тогда установки или производственные площадки можно достоверно сравнивать друг с другом.
Существенные факторы влияния
Достижимые показатели определяются прежде всего содержанием сухих веществ исходных продуктов, влажностью, термочувствительностью, вязкостью, желаемой структурой частиц и разнообразием рецептур. Уже более высокая исходная концентрация может существенно влиять на энергопотребность последующей сушки. И наоборот, колебания качества сырья могут приводить к более длительному времени процесса, дополнительной подстройке, повышенному браку и дополнительным затратам на очистку.
Гигиеничная конструкция установки также влияет на время и энергию. Хорошо опоражниваемые аппараты, короткие пути продукта, минимальное число мест налипания и очистка, согласованная с продуктом, снижают потери продукта и время простоя. Однако гигиеничное исполнение всегда должно быть совместимо с требованиями контроля аллергенов, микробиологической безопасности и смены продукта.
Автоматизация и анализ данных помогают делать видимыми потери энергии и времени. Системы управления процессом и системы управления производством (Manufacturing Execution Systems) могут фиксировать такие показатели, как удельная потребность в тепле, энергопотребление, длительность загрузки, время очистки, брак и простои установки. На этой основе можно выводить меры, например оптимизацию температурных профилей, сокращение переналадок, снижение времени холостого хода или адаптацию программ очистки.
Оценка контрольных показателей
Реалистичная постановка цели не должна начинаться с единого общеотраслевого показателя. Более разумен специфичный для продукта исходный показатель, фиксируемый отдельно для каждой линии. На этой основе можно определять чёткие целевые значения производительности, длительности цикла, энергии на килограмм испарённой воды, энергии на килограмм продукта, расхода воды, продолжительности очистки, брака и общей эффективности оборудования.
Примером служит производство распылительно высушенного белкового порошка. Предварительное концентрирование снижает количество воды, которую необходимо испарить в распылительной сушилке. Улучшенная рекуперация тепла отработанного воздуха снижает потребность в тепле. Стабильно регулируемый процесс сушки уменьшает пере- и недосушивание. Одновременно оптимизированная концепция очистки может сокращать время переналадки между двумя продуктовыми кампаниями. Экономическая целесообразность этих мер зависит от стоимости продукта, часов работы, стоимости энергии, требований к качеству и имеющихся сетей рабочих сред.
Как amixon® оценивает энергоэффективность, совокупную стоимость владения (TCO) и срок окупаемости промышленного смесителя
Экономическая эффективность промышленного смесителя определяется не только закупочной ценой или установленной мощностью. За фактический срок эксплуатации решающее значение имеют прежде всего энергопотребление, выход продукта, время очистки и переналадки, потребность в техническом обслуживании, обеспечение запасными частями и возможные модернизации. Обобщённые показатели энергопотребления на тонну продукта при этом малоинформативны, поскольку рецептура, степень заполнения, размер загрузки, время смешивания и требуемая однородность существенно влияют на энергопотребность.
Поэтому amixon® определяет значимые показатели в испытании с оригинальным продуктом. В испытательном центре amixon® в реалистичных условиях оцениваются, среди прочего, время смешивания, энергопотребление, качество смешивания, бережность к продукту, остаточное опорожнение, очищаемость и время смены продукта. Эти документированные данные образуют надёжную основу для проектирования установки, а также для расчётов экономической эффективности и окупаемости. В Падерборне доступно более тридцати испытательных установок. Дополнительно amixon® эксплуатирует испытательные центры в Германии, США, Китае, Японии, Индии, Таиланде и Южной Корее.
Смесители amixon® рассчитаны на бережное для продукта ведение процесса с низким вложением механической энергии. Низкие частоты вращения и целенаправленно направляемые потоки смешиваемого продукта способствуют эффективному перемешиванию. Смеситель Gyraton® GM разработан для крупных загрузок и сочетает низкую потребляемую мощность с точным и бережным смешивающим воздействием. По данным amixon®, доступны типоразмеры с полезным объёмом примерно от десяти до семидесяти кубических метров.
Короткое время смешивания снижает энергопотребление на загрузку и увеличивает продуктивно доступное время работы установки. В смесителе KoneSlid® KS весь объём смешиваемого продукта полностью перемещается один раз примерно за четыре оборота. Для подходящих продуктов оптимальное качество смешивания может достигаться примерно за двадцать-тридцать оборотов. Фактически необходимое время смешивания определяется для каждой рецептуры в испытании.
Высокая степень остаточного опорожнения улучшает выход продукта и снижает его потери. Технология ComDisc® от amixon® обеспечивает практически полное и не приводящее к расслоению опорожнение. В зависимости от продукта и применения достижимы степени опорожнения до 99,997 процента. Это особенно значимо с экономической точки зрения для высококачественных пищевых ингредиентов, частой смены рецептур и применений, критичных с точки зрения аллергенов.
Продолжительность очистки также существенно влияет на совокупную стоимость владения. amixon® использует программируемые моющие копья с точечным распылением, которые целенаправленно воздействуют на смесительную камеру и особенно загрязнённые зоны повышенным давлением воды. Воспроизводимая стратегия очистки эффективно устраняет налипания, снижает расход воды и сокращает время очистки. Это особенно значимо для валидируемых процессов очистки в пищевой и фармацевтической промышленности.
После мокрой очистки смеситель должен полностью высохнуть, прежде чем в нём снова можно будет обрабатывать чувствительные к влаге порошки. Для этого amixon® предлагает, среди прочего, систему WaterDragon®. Убирающиеся моющие копья очищают смесительную камеру, после чего через них пропускается большой объём сухого тёплого воздуха. Благодаря этому моющие копья и контактирующие с продуктом поверхности могут быстро и тщательно высыхать. Сушка может выполняться сразу после очистки и не требует времени ожидания, пока ранее нагретый смеситель охладится.
Прочная конструкция смесителей amixon® способствует длительному сроку службы. В исполнениях с мешалкой, опирающейся исключительно сверху, отсутствует нижний вывод вала в зоне контакта с продуктом. Это уменьшает число уплотнительных точек, контактирующих с продуктом, и может упрощать техническое обслуживание и очистку. Дополнительно amixon® предлагает пожизненный сервис по запасным частям, техническое обслуживание, ретрофит и модернизацию, чтобы существующие установки можно было технически развивать и использовать в долгосрочной перспективе.
Для пищевых ингредиентов смесители amixon® могут исполняться гигиенично в зависимости от требований. Удобные для очистки поверхности, доступные смесительные камеры, микротонкое вмешивание жидкостей и практически полное опорожнение способствуют воспроизводимому качеству продукта при частой смене продукта. Для определённых концепций установок могут учитываться требования FDA, EHEDG и стандартов 3-A Sanitary Standards.