artikel

Microtechnologie: Versnel productontwikkeling met nieuwe microheater

Algemeen

Voor het snel screenen van productieprocessen heeft NIZO food research het Micro-pilot-plant-concept ontwikkeld. Onderdeel hiervan is een microheater waarmee in korte tijd het effect van verschillende warmtebehandelingen op producten kan worden bepaald. Door de koppeling met processimulatieplatform Premia is het mogelijk om zeer snel tot optimale productieprocessen voor nieuwe, maar ook bestaande producten te komen.

Voor het snel screenen van productieprocessen heeft NIZO food research het Micro-pilot-plant-concept ontwikkeld. Onderdeel hiervan is een microheater waarmee in korte tijd het effect van verschillende warmtebehandelingen op producten kan worden bepaald. Door de koppeling met processimulatieplatform Premia is het mogelijk om zeer snel tot optimale productieprocessen voor nieuwe, maar ook bestaande producten te komen.

Het ontwikkelen van nieuwe levensmiddelen kost tijd. De laatste jaren is het aantal nieuwe producten sterk gegroeid, maar met die toename neemt de beschikbare time-to-market af. De tijd om nieuwe productieprocessen te ontwikkelen, is korter geworden.
Daarnaast is er steeds meer aandacht voor duurzame productieprocessen die leiden tot een verbeterde productkwaliteit en lager energieverbruik. NIZO food research heeft daarom voor de industrie een nieuw concept ontwikkeld waarmee zeer snel productieprocessen kunnen worden gescreend: het micro-pilot-plant-concept (zie figuur 1).

Micro-pilot-plant-concept
Het micro-pilot-plant-concept gaat ervan uit dat de ontwikkeltijd voor een nieuw of verbeterd productieproces sterk kan worden verkort door het gebruik van voorspellende (computer)modellen die het effect van een bepaalde behandeling op producten beschrijven. Probleem tot nu toe was echter het gebrek aan kinetische data die beschrijven hoe snel een bepaalde productverandering (bijvoorbeeld afdoding van bacteriën) verloopt. Om deze data te verkrijgen, is een aantal experimenten nodig die zelfs op pilot-plant-schaal (50 tot 200 l/h) al duur zijn en veel tijd kosten (zie tabel). Zo is er voor metingen aan eiwitveranderingen al gauw 50 liter aan sample nodig en duurt het een uur om goed te meten.
De experimenteertijd is echter terug te brengen door het productieproces te verkleinen. Zo’n geminiaturiseerd proces is ook veel flexibeler te regelen en bovendien zijn er veel kleinere hoeveelheden ingrediënten nodig, wat met name interessant is voor kostbare en moeilijk te produceren ingrediënten. Voor goede sporeninactivatie-experimenten moet bijvoorbeeld al zoveel sample worden gemaakt dat pilot-plant-experimenten bijna niet mogelijk zijn. In combinatie met de voorspellende computermodellen zijn de optimale samenstelling, het productieproces en de productiecondities in een veel kortere tijd te bepalen en dus ook tegen lagere kosten.
Het micro-pilot-plant-concept is als eerste getest voor het pasteurisatie/sterilisatieproces: het verhittingsproces is namelijk een van de meest gebruikte technologische processen in de voedingsmiddelenindustrie. Daarbij is de kinetiek van diverse reacties sterk afhankelijk van het product en de specifieke omstandigheden, waardoor deze dus vaak experimenteel moet worden bepaald.

Microheater
Het verhittingsproces is geminiaturiseerd door de microheater te ontwikkelen. Met de microheater kunnen vloeibare levensmiddelen worden verhit bij verschillende tijden en temperaturen. Om de experimenteertijd nog verder te reduceren, is er recentelijk een inline meetmethode aan gekoppeld, waardoor de veranderingen in levensmiddelen direct – in plaats van achteraf – in het proces kunnen worden gemeten.
De microheater is een warmtewisselaar de bestaat uit een cilinder van quartz. In de cilinder lopen een productkanaal en een kanaal voor de verhittingsvloeistof. De rechthoekige kanalen zijn respectievelijk 0,7 bij 1,5 mm en 1,5 bij 2 mm en meer dan 2 meter lang.
In de opstelling wordt onbehandeld product naar de microheater gevoerd, waar het binnen 1 à 2 seconden tot de gewenste temperatuur wordt verhit. Het product wordt vervolgens gedurende de gewenste tijd in een heethouder op temperatuur gehouden. Daarna wordt het in een microkoeler afgekoeld. Vervolgens zijn de producteigenschappen te meten.
Met de microheater is het mogelijk om 1 tot 5 liter product per uur te behandelen, wat voldoende is om metingen aan het product te kunnen doen. Er zijn verschillende metingen mogelijk, zoals het bepalen van microbiële inactivatie (bepalen van de hitteresistentie), denaturatie en aggregatie van eiwitten, optimalisatie van nutriëntenafbraak en inactivatiekinetiek van enzymen. Producten die kunnen worden getest zijn melkproducten, wei, dranken en andere vloeibare levensmiddelen.
Het grote voordeel van de microheater is dat er weinig product nodig is en dat er in korte tijd veel condities kunnen worden gescreend. Zo kan bijvoorbeeld binnen 1 á 2 uur de afdodingskinetiek van een bacteriële spore worden bepaald.

Premia
De reactiekinetiek die volgt uit experimenten met de microheater zijn direct toe te passen in Premia® (Predictive Models ready for Industrial Application). Dit processimulatieplatform bevat zowel kennis over processen als over verschillende producten, waardoor het mogelijk is om specifieke procesapparatuur te beschrijven en het effect van deze behandeling op producten te bepalen. Zo is het nu mogelijk in de microheater de inactivatiekinetiek van een bepaald micro-organisme te bepalen, deze in Premia in te voeren en vervolgens de optimale instellingen voor het pasteurisatieproces op een specifieke pasteur te bepalen.
Daarnaast zijn deze optimale instellingen op semi-industriële schaal te testen bij NIZO food research voordat ze in eigen apparatuur worden toegepast, zodat het effect van de behandeling op grotere schaal ook wordt getest.

Inline meten
Hoewel de ontwikkeltijd voor nieuwe processen met de microheater al sterk is gereduceerd, is de tijd nog verder terug te brengen wanneer het effect van een bepaalde behandeling direct wordt gemeten en zichtbaar is in Premia. Daarvoor is het nodig om inline (in de productstroom) producteigenschappen te meten.
Dit is voor het eerst getest door de troebelheid van een wei-eiwitisolaat-oplossing (WPI) te meten als modelsysteem voor wei. Deze oplossing is in het begin helder, maar door verhitting treedt er denaturatie en aggregatie van eiwitten op, waardoor het troebel wordt. In de praktijk moet heldere wei worden gepasteuriseerd voordat het kan worden toegepast als toevoeging in bijvoorbeeld frisdranken. Daarbij moet troebeling worden voorkomen omdat hierdoor de waarde van het product daalt.
De troebeling (turbiditeit) in de WPI-oplossing is zowel inline als offline gemeten (zie figuur 2). Hieruit blijkt dat de troebelheid toeneemt naarmate de oplossing meer wordt verhit. Inline meting van de turbiditeit is vergelijkbaar met offline metingen, wat betekent dat het meetproces sterk kan worden versneld en dat resultaten dus direct zichtbaar zijn. Deze inline meting kan bijvoorbeeld worden toegepast om optimale procescondities te bepalen. Indien een turbiditeit van maximaal 0.05 en een log 6-reductie van B. cereus minimaal gewenst is, moet de behandeltemperatuur tussen de 80ºC en 86.5ºC zijn.

Toekomstige ontwikkelingen
Deze ontwikkeling van inline-metingen in de microheater wordt voortgezet. Een volgende stap is de directe koppeling van deze metingen aan Premia, zodat er een micro-pilot-plant ontstaat waarin het resultaat van de experimenten direct zichtbaar is en nog snellere metingen mogelijk zijn.
Daarnaast wordt het concept uitgebreid met meer unit operations, zoals een micro-sproeidroger of een micro-membraanunit. Hiermee wordt het voor een bedrijf mogelijk om met een nieuw productidee binnen enkele uren een geheel nieuw en geoptimaliseerd proces te ontwikkelen in de micro-pilot-plant.

Reageer op dit artikel