artikel

Kwaliteit uit de computer

Algemeen

Bakken is een kunst. De bakker weet door jarenlange ervaring producten met de juiste kleur, korst, kruim en het perfecte volume te bakken. Maar de bakker weet niet alles wat een computer kan berekenen. Promovendus aan Wageningen Universiteit, Hadiyanto, ontwikkelde een model om optimale procescondities te berekenen voor bakkerijproducten uitgaande van de gewenste productkwaliteit.

Kwaliteit is het belangrijkste criterium waar consumenten een voedingsmiddel op selecteren. Kwaliteitsparameters zijn dus uitermate belangrijk in de voedingsmiddelenindustrie. Maar de procesingenieur ontwerpt het proces vaak niet met kwaliteit in zijn achterhoofd. Hadiyanto ontwierp een model om de ingenieur te helpen zijn productieproces zo in te richten dat de gewenste eigenschappen van een product worden bereikt.

Delft Design Matrix
“Je bepaalt welke kwaliteit je wilt bereiken en van daaruit ga je het proces ontwerpen”, zegt Hadiyanto. “Deze manier van productkwaliteit gestuurd procesontwerp is voor chemische processen gebruikelijk, maar voor de voedingsmiddelentechnologie nieuw.” De promovendus ging op zoek naar een model dat geschikt zou zijn om te gebruiken voor het ontwerp van voedingsmiddelenprocessen en stuitte op de Delft Design Matrix (DDM) van Johan Grievink, professor in Process Systems Engineering aan de Technische Universiteit van Delft.

De keuze viel op de DDM omdat het een flexibel model is dat het mogelijk maakt een procesontwerp om te draaien. Het combineert een aantal ontwerpmethoden. Het productieproces wordt opgedeeld in stappen, waardoor een complex vraagstuk hanteerbaar wordt. Zelfs bij de complexe eisen van de voedingsmiddelensector – consumenteneisen, microstructuur in producten, productveiligheid en de kosten – bleek de DDM een goede basis voor het ontwerpproces.

Kwaliteit kwantificeren
Hadiyanto nam als case voor zijn model bakkerijproducten. “De bakkerij hanteert een moeilijke, gevarieerde productielijn. Er worden verschillende producten gemaakt op dezelfde lijn. Brood, biscuit, croissants en koekjes worden door hetzelfde proces gemaakt, maar vragen andere condities om tot optimale kwaliteit te komen”, zegt hij.

In eerste instantie haalde Hadiyanto uit de literatuur parameters die belangrijk zijn voor de kwaliteit van bakkerijproducten. Hij koos voor kleur, volume, structuur, textuur en veroudering. Bij deze parameters deed hij een aantal aannames om het model simpeler te maken. Zo ging hij er bijvoorbeeld van uit dat de kleur alleen wordt veroorzaakt door de Maillard-reactie en liet hij processen als caramelisatie buiten beschouwing. Verder moest het begrip kwaliteit worden gekwantificeerd. “Bij brood is het moeilijk om iets over bijvoorbeeld de structuur of kleur te zeggen. Dat moest gekwantificeerd worden door er een waarde aan te verbinden om de kwaliteit van een product te kunnen voorspellen.”

Pareto front
Aan de hand van kwantitatieve en kwalitatieve kennis en een aantal aannames werd een model ontwikkeld bestaande uit drie stappen. De eerste stap is het model voor warmte- en stoftransport, gebaseerd op fysische behoudswetten. Het voorspelt de wateractiviteit en CO2-vorming. De tweede stap berekent de verandering van de zetmeelstructuur en de kleurvorming. De laatste stap is voornamelijk gebaseerd op kwalitatieve kennis en definieert de kwaliteitseigenschappen.
Nadat het model was gevormd, moest het nog worden verfijnd om de beste procescondities te vinden. Deze optimalisatie omvatte een groot deel van het onderzoek.

Hadiyanto gebruikte twee methoden van dynamische optimalisatie: gebaseerd op variatierekening en stuurvector-parameterisatie van een beperkt aantal schakelpunten. Bij de eerste wordt het bakproces gezien als een continu vloeiend traject. De tweede methode verdeelt het proces in stapsgewijze constante variabelen. De optimalisatiemethode gebaseerd op variatierekening gaf betere resultaten dan de methode gebaseerd op schakelfuncties, tenzij de stuurvector-parameterisatie niet op een paar, maar op veel schakelfuncties werd toegepast.

Het bakproces zou dan in veel stapjes moeten worden ingedeeld en deze methode vroeg een erg grote rekencapaciteit. Hadiyanto loste dit op door met een grof raster te beginnen en op plaatsen waar de gevoeligheid van de belangrijkste parameters voor de procesomstandigheden het grootst was, in te zoomen met meer meetpunten. Deze procedure halveerde de rekentijd. Niet alle combinaties van productkwaliteit bleken haalbaar. Als de consument bijvoorbeeld graag een brood met een donkere korst heeft, dan hangt daarmee samen dat de korst knapperig wordt. Een donkere, zachte korst is niet haalbaar. Tussen de combinaties van kwaliteitseisen die haalbaar en die onhaalbaar zijn, ligt het zogenaamde Pareto front. Een ontwerper kan het Pareto front gebruiken om zo dicht mogelijk bij gewenste kwaliteitseisen te komen.

Uit optimalisatie van het model bleek dat de startkwaliteit van het deeg (watergehalte en temperatuur) erg belangrijk is voor de flexibiliteit van het model. En dat verschillende manieren van verwarmen betere eindproducten kunnen leveren. Hadiyanto: “Als er nu een brood wordt gebakken in een oven, wordt een constante temperatuur gebruikt. Via dit model werd berekend dat de beste procescondities vragen om variërende temperatuur. Ook werd in het model gebruik gemaakt van de magnetronverhitting. Het voordeel van de magnetron is dat water in het midden van het brood kan verdampen en niet alleen aan het oppervlak, zoals in de oven gebeurt.”

Van rekenen naar bakken
Na veel gereken was het tijd om te gaan bakken. Sluit het model aan bij de werkelijkheid? Er bleken nog een paar kleine aanpassingen nodig, maar uiteindelijk kwam het model goed overeen met de experimenten. De afwijkingen die er nog zijn tussen model en experimenten betekenen dat het model nog verder kan worden geoptimaliseerd. Hadiyanto: “We hebben dus de juiste aannames gedaan en een juiste simpele weergave van het bakproces in een model weten te vangen. Het is mogelijk om aan de hand van gewenste kwaliteit een proces te ontwerpen. Dat geldt niet alleen voor brood, maar het model kan in principe gebruikt worden voor alle voedingsmiddelen. De enige voorwaarde is dat kwalitatieve aspecten op een kwantitatieve manier worden vastgelegd.“

Verder benadrukt de wetenschapper dat hij nu gefocust heeft op het broodbakproces, maar dat het model is toe te passen op de volledige keten van boer tot consument en ook bij andere processen.
Hadiyanto werkt inmiddels bij NIZO Food Research, maar hoopt dat zijn onderzoek in de praktijk toepassing zal vinden. Hij heeft zijn proefschrift dan ook naar verschillende bedrijven gestuurd.

Reageer op dit artikel