Efektywność energetyczna procesu mycia w zakładach przemysłu spożywczego

Transkrypt

1 Konferencja Naukowa Problemy gospodarki energią i środowiskiem w rolnictwie, leśnictwie i przemyśle spożywczym Efektywność energetyczna procesu mycia w zakładach przemysłu spożywczego mgr inż. Maciej Wawrzyniak, dr hab. inż. Dariusz Piotrowski Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Nauk o Żywności, Katedra Inżynierii Żywności i Organizacji Produkcji SGGW, Warszawa,

2 KONSPEKT PREZENTACJI PRZEGLĄD LITERATURY PRZEDMIOT: Efektywność energetyczna procesu mycia w zakładach przemysłu spożywczego 1.1. Mycie przemysłowe uwarunkowania formalno-prawne 1.2. Zanieczyszczenia modelowe warunkowane procesem technologicznym 1.3. Metody, techniki i narzędzia projektowania higienicznego 1.4. Efektywność procesu mycia 1.5. Kinetyka procesu mycia 1.6. Klasyfikacja przemysłowych metod i technik mycia CIP (ang. cleaning-in-place) Packo Industry CIP case study Energia w procesie mycia CIP Rozwojowe i niekonwencjonalne techniki Mycie pulsacyjne (ang. pulsed flow) P-I-G (ang. pipeline intervention gauge) Mycie ultradźwiękowe (ang. ultrasound cleaning) 1.7. Wskaźniki efektywności procesu mycia 1.8. Spostrzeżenia i wnioski

3 1.1. Mycie Przemysłowe Uwarunkowania formalno-prawne Wytyczne ustawodawcy określające legalizacja działalności obowiązkowe: Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) No / 2004 nazywany pakietem higieniczny Dyrektywa maszynowa 98/37/EC Załącznik 1, Punkt 2.1. Maszyny dla przemysłu rolnospożywczego Rozporządzenie 2002: Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 178/2002z dnia 28 stycznia 2002 r. ustanawiające ogólne zasady i wymagania prawa żywnościowego Prawo energetyczne (Dz. U. z 2015 r. poz. 2365); ustawa podpisana przez Prezydenta RP dnia Wytyczne branżowe dobrowolne: PN 18001:2004 System zarządzanie bezpieczeństwem i higieną pracy (BHP) DIN 10516: Lebensmittelhygiene Reinigung und Desifektion PN-EN A1:2009: Maszyny dla przemysłu spożywczego: Pojęcia podstawowe. Część 2: Wymagania z zakresu higieny Związek Pracodawców Przemysłu Piwowarskiego w Polsce Browary Polskie (2005): Najlepsze dostępne techniki (BAT). Ministerstwo Środowiska, Warszawa, 1-31, e/10._najlepsze_dostepne_techniki BAT wytyczne_dla_przemyslu_piwowarskiego_- _opracowanie_z_inicjatywy_zwiazku_przemyslu_piwowarskiego_w_polsce_- _Browary_Polskie.pdf dostęp dnia podkreśla uwarunkowania energetyczne dla procesu mycia Komisja Europejska Zintegrowane zapobieganie zanieczyszczeniom i ich ograniczanie. Dokument referencyjny na temat najlepszych dostępnych technik w przemyśle spożywczym. Opracowanie, po polsku EF_Przemysl_spozywczy_FDM_czesc_1.pdf, dostęp dnia lub opracowanie po angielsku podkreśla uwarunkowania energetyczne dla procesu mycia

4 1.2. Zanieczyszczenia modelowe warunkowane procesem technologicznym Usuwanie zanieczyszczeń jest procesem energochłonnym. Dążąc do podniesienia standardów procesu mycia, należy doprowadzić więcej energii w celu osiągnięcia odpowiedniego stanu powierzchni. Typ 1. Lepkie ciecze Typ 2. Biofilmy Typ 3. Kohezyjne ciała stałe Podgrzana woda Chemiczne roztwory Rys. 1. Mapa mycia klasyfikująca problemy bazując na typie zanieczyszczeń i wykorzystaniu środka chemicznego Opracowanie i tłumaczenie własne na podstawie (Lewicki 2007, Kylee i wsp. 2013)

5 1.3. Metody, techniki i narzędzia projektowania higienicznego Projektowanie higieniczne HACCP Mycie i dezynfekcja Rozwiązania techniczne oraz konstrukcyjne maszyn i urządzeń, hal produkcyjnych, Nakład środków materialnych Rys. 2. Podejście procesowe koncepcji HACCP Opracowanie własne na podstawie (Ustawa 1985, Rozporządzenie 2004, Ustawa 2006, PN- EN ISO 14159:2008, PN-EN A1:2009, Ustawa 2010) Wraz z akcesją Polski do UE rozpoczęto wprowadzanie norm HACCP. Nastąpiło nie tylko podniesienie norm higienicznym, ale również podniesiono standardy produkcyjne. Wprowadzono nowocześniejsze maszyny służące produkcji żywności, które z reguły posiadały wyższą efektywność energetyczną.

6 1.4. Efektywność procesu mycia B. Charakterystyka produktu i procesu A. Konstrukcja urządzeń C. Proces mycia Rys. 3. Schemat relacyjny czynników wpływających na przebieg procesu mycia w liniach technologicznych Opracowanie własne na podstawie (Lewicki 2007, Fellows 2009) Czynniki decydujące o skuteczności mycia: I.Rodzaj i typ poddawanych myciu zanieczyszczeń, II.Parametry procesu III.Organizacja procesu IV.Rozwiązania konstrukcyjne

7 1.5. Kinetyka procesu mycia Kinetyka procesu warunkowana jest optymalnym doborem wartości czynników procesowych (tj. czasu, temperatury, składu i stężenia środków myjących) Fazy procesu mycia Czas, t [min] Rys. 4. Wykres kinetyki mycia faza 1- faza akceleracji; faza 2 faza stagnacji; faza 3 faza opadającej szybkości Tabela 1. Chemiczne i fizyczne mechanizmy mycia Reakcja chemiczna Zasadniczy czynnik powodujący rozpuszczanie zanieczyszczeń. Reakcja fizyczne Transport masy: wnikanie detergentu do powierzchni warstwy; przenoszenia rozpuszczonego cząstek osadu z powierzchni do objętości płynu Dodatkową zaletą intensyfikacji tych oddziaływań jest możliwość obniżenia stężeń środków myjących, temperatury substancji myjącej oraz skrócenie czasu mycia. Co przekłada się na zapotrzebowanie energetyczne procesu mycia. Opracowanie własne na podstawie (Moerman i wsp. 2014, Piepiórka-Stepuk i Diakun 2014)

8 1.6. Klasyfikacja metod i technik mycia Hydro-mechaniczne Ze znaczącym oddziaływaniem środków chemicznych PRZEPŁYW CIECZY KAWITACJA ULTRADŹWIĘKOWA Zasadowe Kwasowe Enzymatyczne Środki spec. Rys. 5. Klasyfikacje metod i technik mycia Opracowanie własne na podstawie (Diakun 2013)

9 1.6.Klasyfikacja metod i technik mycia Mycie w basenach *płuczki ultradźwiękowe Mycie sprzętem mobilnym Specjalne stanowiska mycia Typ obiektów Stacje CIP Szczotki *ręczne, mechaniczne Agregaty *ciśnieniowe, pianowe Stopień organizacji i automatyzacji Rys. 6. Klasyfikacje metod i technik mycia COP Ręczne Wspomagane mechaniczne CIP W obiegu zamkniętym, czynnik krąży w instalacji Opracowanie własne na podstawie (Diakun 2013)

10 1.6. Klasyfikacja metod i technik mycia Metody, techniki i narzędzia higienizacji wspomagające usuwanie akcję higienizacji A. Ręczne B. Półautomatyczne - wspomagane mechanicznie Odkurzacze przemysłowe (metoda sucha; mokra), Myjnie zanurzeniowe części np. baseny ultradźwiękowe Urządzenia czyszczące suchym lodem Stacjonarne mycie wysokim ciśnieniem Inne C. Automatyczne: System mycia CIP (ang. cleaning-in-place) Zapotrzebowanie na energię i media myjące dla różnych sposobów mycia jest przedmiotem prac badawczych oraz badań firmach konstruujących zróżnicowane rozwiązania do mycia. Opracowanie własne na podstawie (Tamime 2008)

11 CIP (ang. Cleaning-in-Place) Badania naukowe: Badanie parametrów procesu Badania konstrukcyjne Zdefiniuj standard CIP Najlepszy konstrukcja dla procesu Najlepsze parametry procesu Wkład śr. naukowego Brak badań fundamentalnych np. wpływ parametrów CIP dla różnych typów zanieczyszczeniem Doświadczenia praktyczne Niezgodność np. niedostatecznie obsługa, kontrola Ustanowienia standardów we wszystkich lokalizacjach Poprzez edukację, szkolenia, oddelegowanie obowiązków i zapisywanie i przeglądanie wyników procesu CIP Doświadczenia praktyczne Przyczyny? NIE Czy poziom higieny został osiągnięta? TAK Rys. 7. Drzewo decyzyjne opracowywania standardów w metodzie mycia CIP Opracowanie własne i wybór na podstawie (Najlepsze dostępne techniki (BAT) 2005, Komisja Europejska 2006)

12 CIP (ang. Cleaning-in-Place) Dążąc do podniesienia standardów procesu mycia, należy doprowadzić więcej energii w celu osiągnięcia odpowiedniego stanu powierzchni. Wprowadzone elementy (np. dodatkowy zbiornik) mają za zadanie minimalizację użycia zasobów wodno-energetycznych, skrócenie czasu trwania mycia i zużycia środków chemicznych w poszczególnych etapach Energochłonność procesu mycia może zostać obniżona poprzez wprowadzenie rozwiązań automatycznej regulacji i sterowania. Różnice występują w budowie i konstrukcji np. stacja mycia typ pełnego odzysku mediów, Stacja mycia typu częściowego odzysku mediów Docelowym rozwiązaniem technicznym nie w wszystkich lecz w wielu liniach przemysłu spożywczego jest wprowadzenie metody mycia bez demontażu elementów instalacji CIP. Opracowanie własne na podstawie (Tamine 2008)

13 1.6.1 CIP (ang. Cleaning-in-Place) Głowice myjące - CIP Uwarunkowania energetyczne rozpatrywane są również przy wyborze elementów myjących (typu głowica myjąca CIP) i są na tyle ważne, że poszczególne firmy przedstawiają (w dokumentacji ofertowej lub techniczno-ruchowej) zalety swoich rozwiązań konstrukcyjnych. Całkowite zużycie wody [m 3 /h] Promień czyszczenia [m] Rys. 8. Całkowite zużycie wody [m 3 /h] w zależność dla zróżnicowanego promienia czyszczenia [m] w zbiorniku dla (1) głowice stacjonarne kierunkowe, (2) głowica obrotowo stacjonarna, (3) głowica strumieniowa Opracowanie własne i wybór na podstawie (Tamine 2008)

14 Packo Industry CIP case study Klient to średniej wielkości producent sosów i dressingów w Holandii Mobilna - 1 zbiornik - CIP System pracuje od 2011 do czyszczenia zbiorników procesowych. W związku z rozwojem, produkcja potroiła się w ciągu kilku lat. Obecnie PACKO Industry proponuje - mobilny system CIP, który służy do 6-8 cyklów czyszczenia dziennie. Obsługa jest uciążliwą, co przekłada się na wysoki koszt czyszczenia. Klient musi zdecydować, czy zamierza zainwestować w innym systemie CIP mobilny lub w system CIP 3 zbiornikowy umożliwiając ponowne wykorzystanie zasadowych roztworów czyszczących i medium płuczącego jakim jest woda. Poniższe zadanie obliczeniowe wykorzystujące procedurę obliczeniową do wyznaczania wskaźnika rentowności ROI {ang. ROI Tool - return on investment (ROI)}, które ukazuje opracowane przez PACKO Industry podejście do zwrotu z inwestycji. Tab. Dane wejściowe klienta w procedurze obliczeniowej do wyznaczania wskaźnika rentowności Tab. CUSTOMER INPUT FOR PACKO CIP ROI TOOL PROGRAM MYCIA / CLEANING PROGRAM Cleaning Step Water volume (l) Temperature ( C) Cleaning Agent (%) Prerinse Circulation with alkaline cleaning agent ,0 Intermediate rinse Circulation with desinfectant ,0 Final rinse

15 Packo Industry CIP case study Tab. Składowe kosztów Tab. COST parameters Cleaning temperature 60 C Water temperature 15 C Water cost 0,68 EUR/m 3 Waste water cost 9,65 EUR/m 3 Cost alkaline cleaning agent 1,956 EUR/l Cost desinfectant 1,975 EUR/l Cost heating (gas) 0,3681 EUR/kWh Cost heating (electricity) 0,087 EUR/kWh Cost heating (steam) 40 EUR/ton Manhours per cleaning cycle 3 tank CIP 0,25 h Manhours per cleaning 1 tank mobile CIP system 0,1 h Labor cost per hour 40 EUR/h Number of cleaning cycles per year 1750 # Dane wyjściowe w procedurze obliczeniowej do wyznaczania wskaźnika rentowności ROI OUTPUT PACKO CIP ROI TOOL 3 tanks CIP system with recuperation of alcaline cleaning solution and final rinse water Mobile CIP 1 tank CIP system without recuperation of cleaning solution or final rinse water WaterCost PerCycle Cleaning agent Cost PerCycle Energy Cost PerCycle ManhourCost Per Cycle Total Cleaning Cost PerCycle Cleaning Cycles Per Year Total Cleaning Cost Per Year CAPEX 10,07 4,55 3,65 4,00 22, Fig. 9. Blue line: Skid mounted CIP system with 3 tanks Yellow line: mobile CIP system with 1 tank Rys. 9. Niebieska linia: System 3 zbiornikowy Żółta linia: Mobilny system CIP 1 zbiornikowy WaterCost PerCycle Cleaning agent Cost PerCycle EnergyCost PerCycle ManhourCost Per Cycle Total Cleaning Cost PerCycle Cleaning Cycles Per Year Total Cleaning Cost Per Year CAPEX 14,72 10,79 4,88 10,00 40,

16 Energia w procesie mycia CIP 1. Energia potrzeba na ogrzewanie medium myjącego 2. Energia potrzeba na wymuszenie przepływu czynnika myjącego 1. Wysokie zużycie energii związane jest przede wszystkim z ilością i temperatura wody którą wykorzystujemy w procesie mycia 2. W procesie mycia należy ograniczyć ilość podgrzewanej wody i nie stosować (w miarę możliwości) wysokich temperatur. 3. Wzrost całkowitego zużycia energii nie zawsze przekłada się na wzrost skuteczności mycia! Opracowanie własne na podstawie (Diakun I Mierzejewska 2012)

17 Rozwojowe i niekonwencjonalne techniki mycia i dezynfekcji P-I-G Technologia P-I-G polega na wyprowadzaniu przez rurociąg zawartości produktu przez dokładnie dopasowany tłok tzw. P-I-G (ang. pipeline intervention gauge), napędzany przykładowo sprężonym powietrzem. Elementy tłoczące mogą mieć wiele rozwiązań konstrukcyjnych. Opracowanie własne na podstawie (Fellows 2009)

18 Rozwojowe i niekonwencjonalne techniki mycia i dezynfekcji - PP 1. Udokumentowane i mierzalne rezultaty prac badawczych pozwalają zakwalifikować metodę mycia pulsacyjnego do współczesnych i rozwojowych technik mycia zamkniętych linii aparaturowych z kapitałem na wdrożenie w realiach przemysłowych. Podstawową zaletą dyskutowanego rozwiązania jest możliwość uzyskania wzrostu skuteczności mycia w systemie CIP przy równoczesnym ograniczeniu zużycia mediów energetycznych. 2. Można wyszczególnić różnego rodzaju rozwiązania konstrukcyjne, gdzie możliwe jest generowanie przepływu pulsacyjnego o zróżnicowanej charakterze prowadzenia procesu. 3. Obecnie w literaturze polskojęzycznych nie spotyka się omówienia wariantów technicznych generowania przepływu pulsacyjnego dla celów mycia. Analiza własna na podstawie porównywanej literatury (Gillham i wsp. 2000, Augustin i wsp. 2010)

19 Rozwojowe i niekonwencjonalne techniki mycia i dezynfekcji Mycie ultradźwiękowe Mycie ultradźwiękowe ma miejsce w myjkach zanurzeniowych. Stosowanie fal o małej częstotliwości (od 18 do 45 khz) jest skuteczne w porównaniu do fal o częstotliwościach powyżej 45 khz. Rys. 15. Ultradźwiękowa częstotliwość a wielkość kawitacji i liczebność Opracowanie własne na podstawie (Fellows 2009)

20 1.7. Wskaźniki efektywności procesu mycia 1. Wskaźnik czasowy: E t (kg s -1 ) = (usunięta masa osadu) (czas mycia) Wskaźnik zużycia cieczy: E V (kg (m 3 ) -1 ) = (usunięta masa osadu) (zużyta objętość cieczy myjących) Wskaźnik energetyczny: E E (kg J -1 ) = (usunięta masa osadu) (dostarczona energia) Wskaźnik kosztowy: E COST (kg zł -1 ) = (usunięta masa osadu) (poniesione koszty) -1 Analiza i tłumaczenie na podstawie (Kylee i wsp. 2014, Skoczkowski i Bielecki 2016)

21 1.8. Spostrzeżenia i wnioski 1. Zapotrzebowanie na energię i media myjące dla różnych sposobów mycia jest przedmiotem prac w ośrodkach badawczych oraz badań firmach konstruujących zróżnicowane rozwiązania do mycia. 2. Wśród czynników wpływających na koszt procesu mycia wymienia się m.in.: koszty środków czyszczących, straty produktów, zużytej wody, procesów oczyszczania ścieków, pary wodnej, elektryczności, robocizny i nadzoru, utrzymania technicznego, utraty zdolności produkcyjnych, koszty inwestycyjne maszyn i urządzeń. Ewentualny wzrost kosztów mycia jest w wielu przypadkach związany z zwiększonym zużyciem energii i czynników energetycznych wykorzystywanych podczas jego trwania.

22 WYBRANA LITERATURA 1. Augustin, W., Fuchs, T., Föste, H., Schöler, M., Majschak, J.-P., & Scholl, S. (2010). Pulsed flow for enhanced cleaning in food processing. Food and Bioproducts Processing, 88(4), doi: 2. Diakun J. (2013): Przegląd, systematyka i analiza metod mycia.inżynieria Przetwórstwa Spożywczego, tom. 1, (5), Diakun J., Mierzejewska S. 2012: Energia w funkcji skuteczności mycia w systemie CIP. Inżynieria Rolnicza, 3(140), Fellows P.J. 2009: Food processing technology - Principles and Practice (3rd Edition). Woodhead Publishing, Cambridge, , Gillham C.R., P.J. Fryer, A.P.M. Hasting, D.I. Wilson (2000): Enhanced cleaning of whey protein soils using pulsed flows. Journal of Food Engineering 46, Komisja Europejska Zintegrowane zapobieganie zanieczyszczeniom i ich ograniczanie. Dokument referencyjny na temat najlepszych dostępnych technik w przemyśle spożywczym. Opracowanie, po polsku olskuhttp:// esc_1.pdf, dostęp dnia lub po angielsku , dostęp dnia Kylee R.G., Asteriadou K., Robbins P.T., Fryer P.J. (2013): Fouling and cleaning studies in the food and beverage industry classified by cleaning type. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, vol. 12, (2), , DOI: / Lewicki P.P. (2007): Skuteczność procesów mycia w przemyśle spożywczym. Przemysł Spożywczy, vol. 60, (2), Moerman F., Rizoulières P., Majoor F.A Cleaning in place (CIP) in food processing. In: Hygiene in Food Processing (Second Edition), Woodhead Publishing Limited, Cambridge, Piepiórka-Stepuk J., Diakun J Energetyczne aspekty procesu i skuteczności mycia płytowego wymiennika ciepła. Postępy Techniki Przetwórstwa Spożywczego, 24, (2), PN-EN A1:2009: Maszyny dla przemysłu spożywczego: Pojęcia podstawowe. Część 2: Wymagania z zakresu higieny 12. PN-EN ISO 14159:2008: Bezpieczeństwo maszyn -- Wymagania w zakresie higieny dotyczące projektowania maszyn 13. Rozporządzenie 2004: Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 852/2004 z dnia 29 kwietnia 2004 r. w sprawie higieny środków spożywczych (Dz. Urz. UE L 139/1) 14. Prawo energetyczne (Dz. U. z 2015 r. poz. 2365); ustawa podpisana przez Prezydenta RP dnia Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) No / Skoczkowski T., Bielecki S Efektywność energetyczna - polityczno-formalne uwarunkowania rozwoju w Polsce i Unii Europejskiej. Polityka Energetyczna - Energy Policy Journal, 19, (1), Tamime A. (2008): Cleaning-in-Place: Dairy, Food and Beverage Operations, 3rd Edition April 2008, Wiley-Blackwell 18. Ustawa 1985: Ustawa z dnia 14 marca 1985 r. o Państwowej Inspekcji Sanitarnej (Dz.U nr 12 poz. 49) 19. Ustawa 2006: Ustawa z dnia 25 sierpnia 2006 o bezpieczeństwie żywności i żywienia (Dz. U. Nr 136, poz. 914) 20. Ustawa 2010: Ustawa z dnia 8 stycznia 2010 r. o zmianie ustawy o bezpieczeństwie żywności i żywienia oraz niektórych innych ustaw (Dz. U. z 2010 Nr 21, poz. 105) 21. Związek Pracodawców Przemysłu Piwowarskiego w Polsce Browary Polskie (2005): Najlepsze dostępne techniki (BAT). Opracowanie Ministerstwo Środowiska, Warszawa, 1-31, poradniki_branzowe/10._najlepsze_dostepne_techniki BAT wytyczne_dla_przemyslu_piwowarskiego_- _opracowanie_z_inicjatywy_zwiazku_przemyslu_piwowarskiego_w_polsce_-_browary_polskie.pdf, dostęp dnia