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在食品配料生产中,短工艺时间和低能耗方面可实现哪些基准水平?

在食品配料生产中,若配方、原料质量、干燥或混合工艺、自动化和介质供应相互协调,工艺时间和能耗可以显著降低。但并不存在适用于所有产品的统一最佳值。乳制品和乳清产品、蛋白质、淀粉产品、香精香料、香辛料混合物、功能性粉体和植物基原料,在水分、黏度、温度稳定性、颗粒结构、卫生风险和清洁工作量方面存在显著差异。

因此,有意义的基准值,始终应基于明确界定的单位。对于干燥工艺,通常是每千克蒸发水分所需的能耗;对于混合工艺,则例如混合时间、每批次的能量输入、每小时批次数或达到的均匀度。对于完整的生产线,还需考察产出率、废品率、清洁时长、用水量和设备综合效率。

短工艺时间

在喷雾干燥中,单个颗粒与干燥气体的接触和干燥时间通常在数秒范围内。但产品在设备中的总停留时间,还取决于雾化方式、干燥室、后处理、卸料和可能的团聚过程。只有当固含量、黏度、雾化方式、空气温度和空气流量与产品相匹配时,较高的产量才能与稳定的产品质量相结合。

在流化床工艺中,干燥、冷却和团聚可在一台设备中集成完成。所需的工艺时间通常在数分钟至一小时的范围内,主要受初始水分、所需最终水分、颗粒大小、热敏感性和所需产品结构的影响。尤其对于速溶产品,多个工艺步骤的整合可以缩短整个生产流程。

在带式干燥机中,工艺时间在很大程度上取决于料层厚度、气流组织、温度曲线和产品特性。多区段方案以及有针对性的气流组织,可以在不使产品温度过度升高的前提下加快干燥速度。因此,设备之间的比较不应仅基于停留时间,还应始终结合最终水分、产品收率、颜色、香气、溶解性和营养保留情况。

对于干燥或轻微潮湿食品配料的混合工艺,现代混合设备可在数分钟内实现较高的均匀度。但具体的混合时间必须以实际产品加以验证。颗粒大小、堆积密度、水分、团聚稳定性和计量精度上的差异,都可能显著改变所需的混合时间。只有当配方能够均匀分布、敏感颗粒不受损伤时,极短的混合过程才是有利的。

清洁时长是影响整体生产效率的核心因素,不仅包括实际的CIP或WIP过程,还包括产品排空、换型、放行,必要时还有微生物检测。诸如可分区清洁的工艺区域、按需设定的清洁程序、用于终点检测的电导率测量,以及改进的机械清洁效果等优化措施,可以显著缩短CIP时间。行业分析指出,在保持微生物验证有效的前提下,CIP周期存在约25%至40%的缩短潜力。

设备综合效率(OEE)是评估完整食品生产线的重要指标,它综合了可用性、性能和合格率。85%这一数值常被引用为普遍的最高水平,但该数值主要来自离散制造业,由于食品工艺中强制性的清洁、过敏原更换和产品专属卫生措施,并不能笼统套用到食品工艺上。食品和饮料设备通常给出约55%至70%的数值。管理良好的设备可达到约75%至80%,而更高的数值则很大程度上取决于产品类型、品种多样性,以及对计划内清洁时间的正确处理方式。

低能耗

对于干燥工艺,水分蒸发是最主要的能耗杠杆。喷雾干燥对许多高价值粉体而言不可或缺,但属于高能耗工艺。根据产品、初始水分、气流组织和热集成情况不同,单位能耗可能存在较大差异。有资料显示,常规喷雾干燥每千克蒸发水分的能耗可高达6,000千焦。对于更高效的干燥方案,报告的数值则明显更低。因此,能耗评估应始终同时基于蒸发水量和产出的产品量进行。

热干燥前的预浓缩,是一项重要的节能途径。若液态产品先通过膜过滤或蒸发实现浓缩,则后续干燥机需去除的水分就会减少。工艺的选择取决于产品稳定性、黏度、膜的敏感性、所需的浓缩程度以及可清洁性。

多效蒸发器和机械蒸汽再压缩,可以显著降低浓缩过程的能耗需求。作为参考,单效蒸发器每千克蒸发水分约需2,260千焦。四效蒸发器可将单位蒸汽需求理论上降低至约每千克565千焦。对于配备机械蒸汽再压缩的系统,报告的数值明显更低,此时的能耗需求主要以压缩机的电能消耗来评估。

在能耗密集型食品工艺中,余热回收通常是最有效的方式。废气、冷凝水、二次蒸汽和冷却流均可用于预热新风、工艺用水或产品预处理物料。实际可达到的回收率取决于温差、结垢倾向、卫生方案、可用的热汇以及运行时间。因此,运营方应制定针对具体厂址的热平衡分析和夹点分析,而非采用笼统的回收率数值。

电力用电设备同样影响整体能耗平衡,其中包括风机、泵、真空发生器、粉碎机、计量装置、输送技术、制冷设备和压缩空气系统。高效电机、正确设计的变频器、较低的压降、变速控制的风机,以及系统化的压缩空气泄漏检测,通常可以在不改变产品本身或配方工艺的情况下降低能耗。

对于完整设备的比较,只有在明确界定核算边界的情况下,每千克终产品的能耗才具有参考价值。运营方应明确该数值是仅包含工艺设备的直接用电,还是也包含蒸汽、冷量、压缩空气、热水、CIP介质、废气处理以及中央供应系统的能量损失。只有如此,才能对不同设备或生产厂址进行严谨的比较。

主要影响因素

可达到的指标,主要取决于原料的固含量、水分、热敏感性、黏度、所需的颗粒结构以及配方的多样性。仅仅提高进料浓度,就可能显著影响后续干燥的能耗需求。反之,波动的原料质量可能导致工艺时间延长、更多的调节干预、更高的废品率以及额外的清洁工作量。

卫生化的设备设计同样会影响时间和能耗。易于排空的设备、较短的产品流程、尽可能少的黏附部位,以及与产品相匹配的清洁方式,可以减少产品损耗和停机时间。但卫生化设计必须始终与过敏原控制、微生物安全和产品更换方面的要求相协调。

自动化和数据分析有助于使能耗和时间损失变得可见。工艺控制系统和制造执行系统(MES)可以采集单位热需求、耗电量、批次时长、清洁时间、废品率和设备停机等指标,并据此推导出相应措施,例如优化温度曲线、缩短换型时间、降低空转时间或调整清洁程序。

对基准值的解读

切实可行的目标设定,不应以单一的行业通用数值为起点,更合理的做法是针对每条生产线分别采集产品专属的基准值。在此基础上,可以为产量、周期时间、每千克蒸发水分的能耗、每千克产品的能耗、用水量、清洁时长、废品率和设备综合效率制定明确的目标值。

以喷雾干燥蛋白粉的生产为例:预浓缩可以减少喷雾干燥机中需要蒸发的水量;改进的废气余热回收可以降低热量需求;稳定受控的干燥工艺可以减少过度干燥或干燥不足的情况;同时,优化的清洁方案可以缩短两个产品批次之间的换型时间。这些措施是否具有经济性,则取决于产品价值、运行小时数、能源成本、质量要求以及现有的介质管网条件。

amixon®如何评估工业混合机的能效、总拥有成本和投资回收

工业混合机的经济性并非仅由采购价格或装机功率决定。在实际使用年限内,起决定性作用的尤其是能耗、产品收率、清洁和换型时间、维护需求、备件供应以及可能的现代化改造。每吨产品的笼统能耗指标参考意义有限,因为配方、填充率、批量大小、混合时间和所要求的均匀度都会显著影响能耗需求。

因此,amixon®通过以原始产品开展的试验来确定相关指标。在amixon®技术中心,会在贴近实际的条件下评估混合时间、能耗、混合质量、产品保护性、残余物排空、可清洁性和产品更换时间等方面。这些有据可查的数据,为设备设计以及经济性和投资回收测算提供了可靠依据。帕德博恩配有30余台试验设备,此外amixon®还在德国、美国、中国、日本、印度、泰国和韩国设有技术中心。

amixon®混合机的设计理念是以较低的机械能量输入实现产品友好的工艺操作。较低的转速和有针对性引导的物料流,有助于实现高效的混合。Gyraton® GM专为大批量设计,将较低的功率需求与精确、温和的混合效果相结合。据amixon®介绍,可提供有效容积约10至70立方米的规格。

较短的混合时间可以降低每批次的能耗,并提高设备的生产可用时间。在KoneSlid®混合机KS中,整个物料体积在约转动4圈后即完成一次完整的翻转重排。对于合适的产品,在约转动20至30圈后即可达到最佳混合质量。实际所需的混合时间,须针对每种配方通过试验确定。

较高的残余物排空程度可以提高收率并减少产品损耗。amixon®的ComDisc®技术可实现几乎完全且不发生离析的排空。根据产品和应用不同,排空程度最高可达99.997%。这在高价值食品配料、频繁的配方更换以及过敏原关键型应用中,具有重要的经济意义。

清洁时间同样显著影响总拥有成本。amixon®采用可编程定向喷射清洗喷枪,以提高的水压对混合腔及污染较严重的区域进行有针对性的冲洗。可重复的清洁策略能够有效去除黏附物、降低用水量并缩短清洁时间,这对于食品和制药行业中需要经过验证的清洁工艺尤为重要。

在湿法清洁后,混合机必须完全干燥,才能重新加工对水分敏感的粉体。amixon®为此提供WaterDragon®系统等解决方案:可伸缩的洗涤喷枪对混合腔进行清洁,随后通入大量干燥热空气,从而使喷枪和产品接触面得到快速而彻底的干燥。干燥可在清洁后立即进行,无需等待先前受热的混合机重新冷却。

amixon®混合机坚固的结构设计有助于实现较长的使用寿命。在混合工具完全采用上部支承的方案中,可省去产品接触区域内的下部轴贯穿部位,从而减少产品接触密封点的数量,并有助于简化维护和清洁工作。此外,amixon®还提供终身备件服务、维护、加装升级和现代化改造,使现有设备能够持续进行技术升级并长期使用。

对于食品配料,amixon®混合机可根据要求实现卫生化设计。易于清洁的表面、易于接触的混合腔、微细的液体混入方式,以及近乎完全的排空,均有助于在频繁的产品更换中保持可重复的产品质量。对于特定的设备方案,可满足FDA、EHEDG和3-A Sanitary Standards的要求。