FLANDERS' FOOD RADAR

Reiniging van de proceslijn: kan het efficiënter?

Productafzettingen in de productielijn vormen een belangrijk probleem in de voedingsindustrie. Inzicht in de mechanismen die hierbij een rol spelen en de wijze waarop reinigingsmethoden werken, leidt tot optimalere reinigingsprotocols en hygiënischer ontworpen uitrustingen.

Reiniging verdient de nodige aandacht

Productafzettingen in tanks, pijpleidingen, warmtewisselaars en op allerlei procesoppervlaktes leiden tot problemen zoals:

  • Verminderde procesefficiëntie
  • Microbiële contaminatie
  • Cross contaminatie tussen verschillende producten
  • Allergenen versleping

Om dit te voorkomen is een efficiënte reiniging van de proceslijn vereist.

Reiniging: er is vaak nog ruimte voor verbeteringen

Het reinigen van procesinstallaties mag dan al veelal geautomatiseerd verlopen via bijvoorbeeld CIP (cleaning-in-place), het ontwerp van een reinigingsprotocol op maat van een bepaald proces gebeurt nog altijd semi-empirisch. Bovendien zijn de reinigingsprotocols vaak ‘overdesigned’. Vanuit zowel milieu (afvalwater) als economisch (kost van energie en water) standpunt streeft men er meer en meer naar om de tijd en de kosten verbonden aan reiniging te verminderen. Een bruikbare maatstaaf hierbij is het volume water dat nodig is om 1L product te maken.

Er is vaak nog ruimte om het reinigen efficiënter te maken, doch optimalisering op bedrijfsniveau is niet zo eenvoudig. Het ontbreken van online meetmethoden voor het opvolgen van de reinigingsefficiëntie is hierbij een van de voornaamste struikelblokken. Een ander probleem is dat informatie over het reinigen van een bepaald materiaal of type vervuiling vaak niet toegepast kan worden op andere materialen of types vervuiling.

Predictieve modellen zouden hier echter een antwoord op kunnen bieden. Voor voedingsbedrijven zouden ze een handig en flexibel instrument vormen om de meest efficiënte reinigingsprotocols uit te tekenen op maat van hun verschillende processen en producten. Maar ook machine- en installatiebouwers zouden ze kunnen aanwenden voor het ontwerpen van de meest hygiënische uitrustingen.

Voor ontwerpers van dergelijke predictieve modellen is het nodig om een zo volledig mogelijke classificatie van zowel vervuilings- als reinigingsmechanismen op te maken. Deze informatie is op zich al nuttig om contaminatieproblemen en reiniging binnen een voedingsbedrijf efficiënter aan te pakken. Hieronder lijsten we de classificatie op zoals die door Fryer en Asteriadou (University of Birmingham) onlangs gepubliceerd werden.

Een classificatie van vervuilingsmechanismen

De belangrijkste mechanismen zijn:

  • Biologische vervuiling Bijvoorbeeld biofilms, afzettingen van wieren,…
  • Reactie vervuiling De afzetting is hierbij het gevolg van een reactie van een bepaalde component in de vloeistof, zoals bijvoorbeeld in melk (proteïne denaturatie) en ruwe oliën.
  • Kristallisatie en precipitatie vervuiling Bijvoorbeeld afzettingen van kalk, zetmeel, ijs,…
  • Partikel vervuiling Bijvoorbeeld stofafzettingen, proteïne aggregaten op oppervlaktes,…
  • Corrosie vervuiling Losgeslagen corrosiedeeltjes kunnen zich bovendien verderop in de proceslijn afzetten via een partikel vervuilingmechanisme.

Een classificatie van reinigingsproblemen

Bij reinigingsproblemen speelt de interactie tussen enerzijds de eigenschappen van de vervuiling en anderzijds het type van reinigingsvloeistof. Als men deze twee tegenover elkaar uitzet (Figuur 1) komt men tot drie clusters van reinigingsproblemen:

  • Type 1 reiniging van hoog visceuse afzettingen met water Bijvoorbeeld zetmeel van sauzen, suikerstropen…
  • Type 2 reiniging van biofilms Meestal zal men biociden moeten gebruiken om de organismen af te doden waardoor de eigenschappen van de biofilm zodanig veranderen dat men deze met water kan verwijderen.
  • Type 3 reiniging van vaste afzettingen De verscheidenheid in de eigenschappen van de afzettingen is hierbij zeer groot. Het kan gaan van zachte proteïne gel films tot erg hardnekkige aanslag (mineralen precipitatie bij UHT behandeling van melk). Om deze problemen aan te pakken zijn reinigingschemicaliën noodzakelijk om afgezette stoffen in oplossing te brengen of ze los te weken. Zo worden zuren gebruikt om minerale afzettingen aan te pakken en alkaliën voor het verwijderen van organische films.


Figuur 1 Bij het classificeren van reinigingsproblemen komen er drie belangrijke groepen naar voor (type 1 tot en met 3). Bron: Fryer and Asteriadou (2009)

Een classificatie van reinigingsmechanismen

Reinigen komt erop neer dat men fysische en chemische krachten aanwendt om zowel cohesieve krachten (bindingskrachten in de afzetting) als adhesieve krachten (hechtingskracht tussen de afzetting en het oppervlak) te verbreken. Reinigingsmechanismen kunnen opgedeeld worden in:

Vloeistof mechanisch gebaseerde verwijdering van afzettingen

Problemen van Type 1 (zie Figuur 1) kunnen meestal aangepakt worden door de actie van de reinigingsvloeistof alleen. Dergelijke reinigingsprocessen kunnen gemodelleerd worden aan de hand van twee-fase vloeistof dynamica. De belangrijkste parameters zijn de reologische eigenschappen van zowel de afzetting als de reinigingsvloeistof en de afschuifkrachten die worden toegepast. Zo bestaat er een ‘volume-of-fluid’ CFD (computational fluid dynamics) model dat het spoelproces van yoghurt uit leidingen beschrijft.

Diffusie reactie gebaseerde verwijdering van afzettingen

Problemen van Type 2 en 3 (zie Figuur 1) vereisen het gebruik van chemicaliën. Hierbij spelen twee bijkomende fenomenen een rol, namelijk diffusie (van de chemicaliën in de afzetting) en transformatie reactie (bijvoorbeeld verzeping van vetten, emulsievorming,… in de afzetting). Ook deze reinigingsprocessen kunnen gemodelleerd worden. De belangrijkste parameters zijn massa transfer, diffusiesnelheid, reactiesnelheid (temperatuur, concentratie chemicaliën) en het effect van de reactie (stoffen kunnen in oplossing gaan, de cohesie in de afzetting kan worden verbroken of de adhesie kan verzwakt worden). Het type voorbeeld van diffusie reactie betreft de verwijdering van melkwei proteïnen van roestvast stalen oppervlaktes met alkaliën. In het begin van het reinigingsproces speelt diffusie (van alkaliën) een belangrijke rol. Vervolgens treden transformatie (het zwellen van de proteïnen, proteïneafbraak) en verwijderingsprocessen simultaan op. Bij het verwijderen van de laatste lagen spelen afschuifkrachten de belangrijkste rol. Er dient ook opgemerkt te worden dat oppervlakte eigenschappen een belangrijke invloed hebben op adhesie (parameter oppervlakte energie) en dit vormt dan ook een belangrijk aandachtspunt bij het hygiënisch ontwerp van toestellen en uitrustingen voor de voedingsindustrie.

Bron

P.J. Fryer and K. Asteriadou. A prototype cleaning map: a classification of industrial cleaning processes. Trends in Food Science and Technology, 20, 255-2623 (2009). De pdf van dit artikel kan aangevraagd worden bij: p.j.fryer@bham.ac.uk

Nuttige links