Projektlaboration i enhetsoperationer 2006

AB Dricka -

Pastörisering av Mjölk

Av: Åsa Janfalk Carlsson B03 Patrik Knöös B03 Armina Mustafic B03 Stefan Hamad Orsud B04

Lunds Tekniska Högskola 2006-03-17 Handledare: Hanna Åberg Kursledare: Christian Trägårdh

2

Sammanfattning Detta projekt gick ut på att undersöka om ett litet företag, AB Dricka, skulle kunna starta upp en produktion av ekologisk mjölk. Tillgång till apparatur fanns redan, bestående av fyra stycken plattvärmeväxlare. Det enda som krävdes innan produktionsuppstart var en smärre ombyggnad. En stor del utav uppgiften stod i att optimera energiförbrukningen genom effektivisering av värmeväxlarna samt minimering av ångförbrukningen. För att minska energiförbrukningen omdirigerades den varma produktströmmen, ut från värmeväxlare två, för att agera värmemedium i värmeväxlare ett. Till följd av denna ombyggnad behövdes därmed bara en av de två kylande värmeväxlarna användas. En laboration utfördes, där erhållna temperaturer för de olika strömmarna användes för beräkning av värmegenomgångstal för respektive värmeväxlare. Utifrån dessa förvärvade data blev en simulering av systemet möjlig. Ett simuleringsprogram skapades, där olika produktflödens inverkan på diverse parametrar kunde studeras. Exempel på parametrar var näringsbeständighet, avdödning av mikroorganismer samt energiåtgång per liter produkt, det vill säga kostnad per liter mjölk. Val av optimalt produktflöde baserades på en balans mellan hög avdödning, hög näringsbeständighet samt låg kostnad. Det optimala flödet bestämdes till 120 l/h, vilket gav en godkänd avdödning av mikroorganismer och sporer samtidigt som näringsinnehållet inte påverkades alltför mycket. Ett högt flöde innebär en effektivare värmeöverföring som i sin tur resulterar i mindre förbrukad energi och därmed en bättre ekonomi. Utifrån uppehållstiden och temperaturen i holdingcellen kunde vår mjölk slutligen klassas som UHT-behandlad. Fördelen med UHT- behandling, jämfört med andra mildare behandlingar, är att denna mjölk kan transporteras längre sträckor, utan kylbil, vilket ger en helt ny marknad. Man slipper även kravet på kylrum för förvaring av paketerad produkt. Icke-sålda produkter kan dessutom returneras och kunden behöver ej handla produkten så ofta. Dock tillkommer kostnader för bland annat framställning av aseptiska förpackningar. Konsumenternas efterfrågan på ekologiska produkter ökar konstant till följd av ökad miljömedvetenhet. En investering i ekologisk mjölkproduktion för företaget AB Dricka skulle därför kunna vara en god idé. Detta kunde även visas utifrån vår ekonomiska bedömning, där till och med utrymme för en mindre reklamkampanj finnes.

3

Innehållsförteckning 1. Inledning……………………………………………………………... 4

2. Teori…………………………………………………………………. 5 2.1 Mjölkens sammansättning……………………………….…... 5 2.2 Allmän mjölkbehandling……………………………………. 5 2.3 Plattvärmeväxlare…………………………………………... 6 2.4 Avdödning…………………………………………………. 7 2.5 Värmebehandlingssmetoder………………………………….. 7 2.6 Värmebehandlingens påverkan……………………………….. 8 2.7 Krav på ekologiska produkter………………………………...9

3. Investeringsbedömning ……………………………………..................10

4. Praktiskt utförande…………………………………………………… 12 4.1 Syfte………………………………………………………. 12 4.2 Processchema………………………………………………. 12 4.3 Material och utrustning……………………………………… 12 4.4 Riskanalys…………………………………………………. 12 4.5 Utförande………………………………………………….. 13 4.6 Data……………………………………………………….. 14

5. Antaganden…………………………………………………………... 15

6. Beräkningar…………………………………………………………... 15 6.1 F-värde……………………………………………………. 15 6.2 C-värde……………………………………………………. 15 6.3 K-värde……………………………………………………. 16 6.4 Energibalanser……………………………………………… 16 6.5 Energiförbrukning…………………………………………... 18

7. Resultat ……………………………………………………………… 18

8. Diskussion……………………………………………………………. 22 8.1 Laboration…………………………………………………. 22 8.2 Simulering…………………………………………………. 22 8.3 Energikostnader…………………………………………….. 23

9. Slutsats……………………………………………………………….. 24

10. Referens…………………………………………………………….. 25

11. Bilagor………………………………………………………………. 25

4

1. Inledning AB dricka är ett litet företag som, för att bredda sitt produktionssortiment, vill börja tillverka ekologisk mjölk. I dagsläget väntar bönder på att bli godkända av mejerierna för produktion av ekologisk mjölk. Detta innebär att det, för AB Dricka, inte är några problem att få tag på ekologisk råvara. Samtidigt ökar även intresset för miljöfrågor i samhället vilket medför att marknaden för ekologiskt producerade livsmedel växer. Ett mål med processen är att hålla nere investeringskostnader genom att använda redan tillgänglig utrustning. Den befintliga utrustningen utgjordes av fyra plattvärmeväxlare varav endast tre användes. För att utnyttja energin på bästa sätt gjordes en ombyggnad av anläggningen. Vid undersökning av värmeöverföring samt energiåtgång utfördes praktiska försök i laborationsskala där parametrar som flöden och temperaturer studerades. Vid behandling av mjölken eftersträvas total avdödning av patogener och så hög avdödning av sporer som möjligt. Bevarande av näringsämnen samt bibehållning av mjölkens goda smak är dessutom önskvärt. För att finna optimalt tid/temperatur förhållande görs ett simuleringsprogram med hjälp av beräkningsprogrammet MATLAB. Värmebehandlingssteget i mjölkproduktion är mycket energikrävande vilket innebär höga kostnader. Optimeringen bör således även ske så att ångförbrukningen blir låg, samtidigt som värmen utnyttjas maximalt. I våra beräkningar har vi valt att fokusera oss på förlusterna av det värmekänsliga vitaminet tiamin för bestämning av den värmebehandlade mjölkens näringsinnehåll. Bacillus Cereus är en sporbildande bakterie som är svår att avdöda. Denna används som utgångspunkt vid studering av total bakterieavdödning, eftersom detta indikerar att mindre värmeresistenta organismer dör.

5

2. Teori 2.1 Mjölkens sammansättning Mjölk består av två olika faser. Vattenfasen innehåller laktos (mjölksocker), proteiner, vattenlösliga vitaminer och mineraler medan fettfasen består av fettlösliga vitaminer, fosfolipider och steroler såsom kolesterol (se figur 1). Magra eller fettfria produkter består av samtliga vattenlösliga ämnen, men saknar eller har endast ett fåtal fettlösliga näringsämnen.

Figur 1. Figuren ovan visar mjölkens sammansättning. 2.2 Allmän mjölkbehandling Nedanstående stycken beskriver, i ord, mjölkens väg från mjölkbilen till färdig produkt. För närmare visuell förklaring, se figur 2. Behandlingen av mjölk inleds med invägning och kylning samt undersökning av dess sammansättning och kvalitet. Kylningen är nödvändig för att kvaliteten skall hållas oförändrad ända tills det är dags för vidarebehandling. Mjölken kyls i ett slutet system till +2 till +4 grader när det kommer till mejeriet och till under +6 grader innan transport från mejeriet. Mjölken genomgår en separering, vilket innebär att dess fett avskiljs i form av grädde. Detta leder i sin tur till att grädde och fettfri mjölk (skummjölk) erhålls. Vid separering används en separator som utnyttjar centrifugalkraften. Vid separeringen förändras inte mjölkens kemiska egenskaper. I separeringsbehandlingen ingår nästan alltid standardisering av mjölken. Under standardiseringen regleras mjölkens fetthalt till önskad nivå. Detta kan ske antingen genom avlägsning av fettet eller genom tillsats av skummjölk eller grädde till råvaran. För att förbättra mjölkens hållbarhet och förinta eventuella patogener i mjölken genomgår mjölken en värmebehandling kallad pastörisering. Pastöriseringen utförs i en s.k. pastör

6

som är en plattvärmeväxlare. Efter värmebehandling genomgår produkten olika eventuella efterbehandlingssteg, såsom syrning, för att sedan paketeras.

Figur 2. Figuren ovan beskriver mjölkens väg från råvara till produkt. 2.3 Plattvärmeväxlare I en plattvärmeväxlare består värmeöverföringsytan av tunna plåtar, oftast av rostfritt stål, som genom pressning formats så att ett korrugerat mönster erhålls. Plattorna är monterade i ett stativ så att de lätt kan sättas till eller tas bort. De smala kanalerna som vätskan flödar igenom ger ett turbulent flöde även vid låga Reynolds tal vilket bidrar till ett högre värmegenomgångstal. Det varma respektive kalla flödet strömmar i varannan kanal, utan kontakt med varandra. Plattvärmeväxlare kan köras både med- och motströms. Arbetsbetingelserna begränsas av packningarnas värmekänslighet och stativets trycktålighet. Vid värmebehandling av mjölk är det inte bara värmegenomgångstalet som är av intresse utan även väggarnas temperatur. Detta på grund av att alltför höga temperaturer bidrar till att mjölkstenar (salter) lättare faller ut vilket leder till fouling.

7

2.4 Avdödning Den färska mjölken, direkt från kon, innehåller 103-104 bakterier/ml. När råvaran når mjölkindustrin har antalet ökat något, till 104-106 bakterier/ml1. Det finns olika sätt att studera värmebehandlingens påverkan på produktens kvalitet. En del metoder beskriver avdödningen av mikroorgansimer och sporer medan andra uttrycker förluster av näringsämnen.

• D-värdet är ett mått på den tid som ger en decimal reduktion av antalet mikroorganismer, vid en viss referenstemperatur.

• Z-värdet är den temperaturhöjning som krävs för en decimal reduktion av D-värdet, vid en viss referenstemperatur.

• B-värdet berättar hur effektiv avdödningen av bakterier och deras sporer är. B*=1 innebär ett D-värde på 9 för värmeresistena sporer. Ett så högt B-värde som möjligt eftersträvas.

• C-värdet beskriver hur de kemiska egenskaperna hos mjölken ändras. Ett bra mått på detta är hur tiamin, ett av de känsligaste vitaminerna, förstörs. Ett så lågt C-värde som möjligt är önskvärt.

• F-värdet är värmebehandlingsgraden för bakterieavdödningen vid en viss referenstemperatur. För UHT-behandlad mjölk krävs ett F-värde på 5-6 minuter2.

2.5 Värmebehandlingssmetoder Målet med värmebehandling av mjölken är att avdöda samtliga mikroorgansimer, inaktivera värmetåliga enzymer samtidigt som smak, lukt, utseende och näringsämnen bibehålls. För att finna optimala förhållanden vägs för- och nackdelar mellan de olika värmebehandlingsmetoderna mot varandra. Detta redovisas Tabell 1, nedan.

1 Tetra Pak Processing Systems AB, Dairy Processing Handbook, LP Grafiska AB, 1995 2 H.G. Kessler, Food and Bio Process Engineering, Dairy Technology, Verlag A. Kessler 2002

8

Tabell 1. Tabellen nedan visar en jämförelse mellan olika värmebehandlingsmetoder. Metod Behandling3 Fördelar Nackdelar Pastörisering 72 °C

16 s

+ Skonsam värmebehandling.

- Ingen avdödning av värmeresistenta mikroorganismer, avdödar endast vegetativa celler.

LTH = Low Temperature Holdning

62.8 °C i 30 min

+ Alla smakämnen samt näringsämnen bibehålls.

- Ingen avdödning av värmeresistenta mikroorganismer.

HTST = High Temperature Short Time

71 °C i 15 s + Skonsam värmebehandling, smak och näringsämnen bibehålls. + Längre hållbarhet än LTH.

- Ingen avdödning av värmeresistenta mikroorganismer.

UHT = Ultra High Temperature

141 °C i 2 s + Mycket hög avdödning av värmeresistenta sporer samt katalytiska enzymer. + Relativt hög bevarande av färg och smak. + Extremt lång hållbarhet. + Behöver ej förvaras eller transporteras kylt.

- En del aminosyror och vitaminer går förlorade. - Höga energikostnader.

2.6 Värmebehandlingens påverkan Mjölk består av 30 olika proteiner med olika värmestabilitet. Om proteinerna utsätts för alltför höga temperaturer kan detta leda till att de denatureras. Detta behöver nödvändigtvis inte betyda att näringsvärdet hos mjölken förändras. Vassleproteinerna i mjölken värmedenatureras lättare än kaseinerna, vilket leder till att de lättare faller ut och bidrar till fouling. För att vassleproteinerna inte skall sätta sig på värmeväxlarytorna och därmed försämra värmeöverföringen rekommenderas en förvärmning, 90-95˚C4, av UHT-produkten. Eftersom att förvärmarens väggar inte är tillräckligt varma leder detta till att proteinerna aggregerar med varandra, och i viss mån med kasein-miceller, istället för att sätta sig på väggarna. Förvärmningen har ingen negativ inverkan på 3 Harley, Klein, Prescott, Microbiology, 5th edition, McGrawHill, 2002. 4H.G. Kessler, Food and Bio Process Engineering, Dairy Technology, Verlag A. Kessler 2002

9

näringsinnehållet.5 Istället förbättrar UHT-behandlingen kroppens förmåga att bryta ned dessa denaturerade proteiner genom att en mer öppen struktur antas vilket gör att enzymer i magen har lättare att attackera dem.6 Färgförändringar kan ske hos mjölken vid höga temperaturer till följd av att melanoid, en brunfägad substans, uppkommer. Denna produkt bildas via en så kallad. Maillardreaktion där aminosyra-kedjan från ett protein reagerar med aldehydgruppen från laktos. Lysin, en av de essentiella aminosyrorna, är ofta den som reagerar vilket leder till en liten förlust av just detta ämne.7 Vid mycket korta uppehållstider sker inte denna reaktion i någon större utsträckning och förlusten av lysin blir således inte högre än vid vanlig pastörisering. Maillardreaktionen utnyttjas bland annat vid framställning av toffee och choklad. Vid värmebehandling sker förluster av värmekänsliga vitaminer i olika grad beroende på uppehållstid och temperatur. Till största del sker förluster av B- och C-vitamin, dock är dessa förluster ej signifikanta. En del termofila bakterier producerar extremt värmetåliga enzymer, proteaser och lipaser, vilka kan behöva över 150˚C för att inaktiveras.8 I vissa fall kan dessa enzymer ställa till problem för UHT-behandlad mjölk, genom att bidra till gelbildning. Trots att värmerestistena bakterier reduceras genom UHT-behandling behöver detta inte innebära längre hållbarhet relativt den för ordinärt pastöriserad mjölk. Detta baseras på att de, vid den senare metoden, överlevande värmetåliga bakterierna knappast kan växa till vid kylförvaring. 2.7 Krav på ekologiska produkter Ett krav på ekologiskt framställda produkter är att de ej får innehålla någon form av tillsatta kemikalier. Undantag finns dock och däribland den godkända tillsatsen av D-vitamin. Produktionsmetoderna skall även vara så skonsamma som möjligt. Detta har gjort att det i USA har riktats skarp kritik mot att UHT-behandlad mjölk får kallas ekologisk9. Ekologiska produkter kräver dessutom hårdare kontroller, hela vägen från mjölkbonde till konsument. I Sverige har livsmedelsverket samt jordbruksverket överlåtit produktionskontrollen åt KRAV. KRAV-anslutna gårdar kontrolleras minst 2 gånger per år.

5 H.G. Kessler, Food and Bio Process Engineering, Dairy Technology, Verlag A. Kessler 2002 6 Tetra Pak Processing Systems AB, Dairy Processing Handbook, LP Grafiska AB, 1995 7 Tetra Pak Processing Systems AB, Dairy Processing Handbook, LP Grafiska AB, 1995 8 H.G. Kessler, Food and Bio Process Engineering, Dairy Technology, Verlag A. Kessler 2002 9 www.konsumentsamverkan.se/11verk/kampanj/foradling/ekoprocess.htm#varme

10

3. Investeringsbedömning Anläggningen som finns tillgänglig på fabriken hos AB Dricka behöver genomgå vissa modifieringar (se Figur 3.) för att optimera dess effektivitet. Kostnaden för modifieringarna utgörs av en grundinvestering på ca 551 000 kr. Merparten av denna kostnad utgörs av en ny aseptisk förpackningsmaskin samt design av förpackningen. Förutom grundinvesteringen tillkommer det även nyanställning av minst två operatörer för att sköta maskinerna. Lönekostnaderna för dessa uppskattas till ca 20 000 kr per person och månad. Utöver dessa fasta kostnader tillkommer ett antal rörliga kostnader såsom kostnader för mjölk, energi samt förpackningsmaterial. Lokalkostnaderna antas vara oförändrade. I investeringsbedömningen förutsätts produktens samt anläggningens ekonomiska livslängd vara 10 år. Anläggningen som redan idag är föråldrad antas efter sin livstid ej inneha något restvärde. Anläggningen önskas bli lönsam, med en kalkylränta på 18 %, inom 5 år. För en närmare förklaring se tabell 2 nedan. Framställningen av ekologisk mjölk medför att mejerierna betalar ett något högre pris till bönderna, ca 50 öre mer per kg mjölk10. Ekologiska mjölkprodukter stod för 8.8 % av den totala mjölkproduktionen år 200511, och vi antar att vi kan sälja all den mjölk vi producerar. I affären är ekologisk mjölk ca 1 kr dyrare. Investeringsbedömningen baseras på att vi kan producera mjölk 14 timmar per dygn, 300 dygn/år, vid mjölkflödet 120 L/h. Detta ger en årsproduktion på

L/år 50400012030014 =⋅⋅ Tabell 2. Tabellen nedan visar verkliga och uppskattade (*) värden använda vid investeringsbedömning. (**) Värden som beräknas fram ur simuleringsprogrammet Kr/L mjölk Kr totalt (per år) Fasta Kostnader (Grundinvestering)

Ombyggnad (löner samt material)

1000*

Förpackningsmaskin 500 000* Design av förpackning 50 000* Direkt lön (2 personer à 20 000 kr/mån)

480 000*

Rörliga kostnader Energi12 0.15 ** 75600 Råvara (mjölk) 1 kr/L* 504000 Förpackningsmaterial 1 kr/st* 504000 Intäkter Mjölkförsäljning till butiker 5 kr/l* 2520000

10 Arla Foods, Ann Freudenthal, Brand Manager 11 Arla Foods, Ann Freudenthal, Brand Manager 12 Skånemejerier, Kenneth Andersson FoU-chef

11

Bedömningen görs enligt:

GCaaG

år −⋅=

=

%18,10Nuvärde

Paybacktid

där G = Grundinvestering

a = Inbetalningsöverskott = Inbetalningar – Utbetalningar

18.018.11mmefaktorNuvärdessu

10

%18,10

−−==årC

Paybacktiden beräknas till 0,58 år, och nuvärdet av investeringen är 3,75 Mkr. Detta innebär att investeringen är mycket lönsam enligt önskade kriterier. Den lägsta driftskostnaden (beräknad på maxkapaciteten 546000 L/år) är 1.41 Mkr/år.

12

4. Praktiskt utförande 4.1 Syfte Syftet med laborationen var att få fram temperaturer för de olika strömmarna, med hjälp av vilka k-värden för respektive värmeväxlare kunde beräknas. Varierade flöden gav flera k-värden som behövdes för en någorlunda exakt simuleringsmodell. 4.2 Processchema

Figur 3. Figuren ovan visar processchemat över steriliseringsapparaturen. 4.3 Material och utrustning Mjölk Vatten Ånga Modifierad pastöriseringsapparatur (motströms värmeväxlare) pH-stickor 4.4 Riskanalys

• Kontrollera att utrustningen (rör) är fastsatta ty jobbar med höga tryck. • Var försiktig vid hantering av ångan ty denna är mycket varm. • Var aktsam för heta rör och andra delar av utrustningen under körningen. • Bär lämpliga skyddskläder under laborationen. • Vid rengörning, ta hänsyn till farliga kemikalier.

Förklaring till temperaturer 1. T-kall in 1 (20 °C) 2. T-kall ut 1, T-kall in 2 3. T-kall ut 2, T-varm in 1 4. T-varm ut 1, T-varm in 3 5. T-varm ut 3 (20 °C) 6. T-varm in 2 (142 °C) 7. T-varm ut 2 8. T-kall in 3 (10 °C) 9. T-kall ut 3 ---------- Enbart vid laboration

VVX 1 VVX 2 VVX 3

Feed

Holdingcell

Varmvatten in Varmvatten

Kylvatten in Kylvatten ut

Produk

1. 2. 3.

4.

5.

6. 7.

8. 9.

13

Tabell 3. Tabellen nedan visar vilka kemikalier, blandningar och lösningar som ingår vid rengörning av anläggningen. Kemikalie/Blandning/Lösning Mängd Farlighet NaOH HNO3

400 ml 300 ml

R-fras: 35; S-fras: 26-36/37/39-45 R-fras: 35; S-fras: 23.2-26-36/37/39-45

Tabell 4. Tabellen nedan visar de delmoment som kan innebära risk för olycksfall och ohälsa. Delmoment/Aktivitet Risk/Problem Konsekvens Sannolikhet

Bedömd Risk Riskbegränsade åtgärder

Vid disk av anläggningen Överförning av NaOH från en dunk till mätglas och vidare till öppen matartank.

Stänk av lut. Frätskador. Möjligt. Riskfyllt.

Använd skyddshandskar, skyddsglasögon och skyddsrock. Ha vermikulit tillgängligt. Arbeta ej ensam.

Vid disk av anläggningen Överförning av HNO3 från en dunk till mätglas och vidare till öppen matartank.

Stänk av syra. Frätskador. Möjligt. Riskfyllt.

Använd skyddshandskar, skyddsglasögon och skyddsrock. Ha vermikulit tillgängligt. Arbeta ej ensam.

Utrustningen värms upp med ånga till 140°C .

Mycket varma rör.

Brännskador. Möjligt. Riskfyllt.

Följ alltid uppstartmanual vid utrustningen. Använd skyddshandskar, skyddsglasögon och skyddsrock. Arbeta ej ensam.

4.5 Utförande Laborationen påbörjades med en ombyggnad av anläggningen. För att öka effektiviteten i processen, uppvärmdes den kalla produktströmmen (in) med den varma produktströmmen från värmeväxlare 2 (se Figur 3). Ombyggnaden utfördes under den första laborationsdagen. Den nya holdingcellens volym antas i senare beräkningar vara den samma den ursprungliga. Den andra laborationsdagen inleddes med sterilisering av apparaturen, vilket inte gick helt problemfritt eftersom rätt temperatur på grund av ombyggnaden inte uppnåddes i samtliga produktströmmar. Detta faktum till trots

14

genomfördes laborationen som planerat. Sterilisering av mjölk utfördes vid olika flöden enligt given manual (se Bilaga 4) förutom att recirkulering av produktflödet ägde rum. Avläsning av temperaturer skedde med 30 minuters mellanrum för att stabilisering av flöden skulle hinna ske. 4.6 Data Tabell 5. Tabellen nedan visar temperaturer vid flödet 100l/h. Tkall in Tkall ut Tvarm in Tvarm ut VVX1 11.5 117.6 139.6 34.7 VVX2 117.6 139.0 143.0 116.6 VVX3 11.4 25.8 34.7 13.6 Tabell 6. Tabellen nedan visar temperaturer vid flödet 120l/h. Tkall in Tkall ut Tvarm in Tvarm ut VVX1 12.8 114.2 134.8 35.0 VVX2 114.2 13.4 142.2 112.5 VVX3 11.6 28.0 35.0 15.0 Tabell 7. Tabellen nedan visar temperaturer vid flödet 140l/h. Tkall in Tkall ut Tvarm in Tvarm ut VVX1 13.5 108.2 127.8 34.4 VVX2 108.2 112.7 140.7 107.1 VVX3 11.7 28.9 34.4 16.4 Tabell 8. Tabellen nedan visar temperaturer vid flödet 160l/h. Tkall in Tkall ut Tvarm in Tvarm ut VVX1 114.3 105.5 123.7 34.8 VVX2 105.5 123.0 139.5 104.4 VVX3 12.0 30.2 34.8 18.1

15

5. Antaganden Densitet, viskositet samt specifik värmekapacitet antas vara oberoende av temperaturen för både vatten och mjölk. Antagna värden listas i tabell 9 nedan. Vid simuleringen antas även att ingen värmeförlust till omgivningen sker samt att all mängd mjölk uppehålls lika länge i rören. Tabell 9. Tabellen nedan visar data för mjölk samt vatten. Densitet (kg/m3) Specifik värmekapacitet (J/(kgּK)) Mjölk 1000 4200 Vatten 1000 3950 6. Beräkningar 6.1 F-värde För att beskriva hur avdödningen av sporer och bakterier i vår process beror på flödet samt temperaturen studeras nedanstående samband (se ekvation 1). Som referens används den värmeresistenta bakterien Bacillus cereus.

(1)

där Tref = 121 °C

Z = 10 °C t = uppehållstid [s] 6.2 C-värde Eftersom samtliga näringsämnen i mjölk har olika värmekänslighet kommer påverkan av temperatur och tid att vara olika. Vi har valt att fokusera på C-värdet för vitaminet tiamin som är ett av de mest värmekänsliga näringsämnena. C-värdet för tiamin beskrivs enligt följande formel (se ekvation 2)

(2)

där Tref = 100 °C

Z = 33 °C t = uppehållstid [s] Både C-värdet och F-värdet beräknas i holdingcellen samt i de områden där en förhöjning av produkttemperaturen sker. Dessa beräkningar utförs för att erhålla en så bra bild som möjligt av den totala avdödningen samt näringsämnenas påverkan.

ZTT reftF

−

⋅= 1060

ZTT reftC−

⋅= 1060

16

6.3 K-värde Utifrån de resultat som gavs vid laborationen och med hjälp av Matlabs kommando polyfit kunde nedanstående samband, samt plottar mellan flöde och värmegenomgångstalen skapas.

Figur 4. Figuren ovan beskriver hur de experimentella k-värdena påverkas av flödet.

55345133

140971.

3

.

21

−⋅=

−⋅==

mjölk

mjölk

mk

mkk

där k = värmegenomgångstalet [W/(m2 °C)] Värmegenomgångstalet för värmeväxlare 2 (se figur 4) kunde ej bestämmas utifrån experimentella data då dessa gav upphov till ett icke realistiskt k-värde. För att kunna utföra simuleringen antogs därför värmeväxlare ett och två ha samma värmeöverföring. 6.4 Energibalanser Som tidigare nämnts, gjordes antagandet om att inga signifikanta densitetsförändringar i processen förekom. Detta för att underlätta simuleringen. Därför behövdes inga massbalanser ställas upp utan systemet kunde enbart bestämmas utifrån följande energibalanser (se ekvation 3 och 4)

[ ] [ ]kg/h 120 115 110 105 100 95 90 85 80mmjölk

.=

0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04 0.042 0.044 0.046200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Flöde [kg/s]

k-vä

rde

[W/(m

2 °C

)]

Värmegenomgångstal som funktion av flöde

Värmeväxlare 1Värmeväxlare 2Värmeväxlare 3

17

(3)

där k = värmegenomgångstalet [W/(m2 °C)]

A = total värmeöverföringsyta [m2] ΔTL = logaritmisk medeltemeratur [°C]

(4)

där Cp = specifik värmekapacietet [J/(kg °C)] ΔT = Tvarm-Tkall

(5)

där Δ1 = Tvarm,in – Tkall,ut [°C] Δ2 = Tvarm,ut – Tkall,in [°C] Dessa samband ställdes upp för varje värmeväxlare varvid nio ekvationer skapades. Då vi endast hade fem okända parametrar till följd av att vissa temperaturer var desamma, reviderades dessa om till följande fem ekvationer

)33(0

)33(0

)22(0

)22(0

)11()11(0

.

3

.

3

var

.

2

.

2

..

vuviCpmQ

kikuCpmQ

vuviCpmQ

kikuCpmQ

vuviCpmkikuCpm

mjölkmjölk

vattenkallvatten

vattenmvatten

mjölkmjölk

mjölkmjölkmjölkmjölk

−⋅⋅−=

−⋅⋅−=

−⋅⋅−=

−⋅⋅−=

−⋅⋅−−⋅⋅=

där Cp = specifik värmekapacietet [J/(kg °C)] ku = Temperatur på den kalla strömmen ut från respektive värmeväxlare [°C] ki = Temperatur på den kalla strömmen in till respektive värmeväxlare [°C] vi = Temperatur på den kalla strömmen in till respektive värmeväxlare [°C] vu = Temperatur på den varma strömmen ut från respektive värmeväxlare [°C]

[ ]kg/h flöde m.=

LTAkQ Δ⋅⋅=.

TCmQ p Δ⋅⋅=..

2

1

21

lnΔΔΔ−Δ

=Δ LT

[ ]kg/h flöde m.=

18

6.5 Energiförbrukning Optimeringen av vårt system skulle, förutom avdödning och näringsförluster, även inkludera energiförbrukningen. Antagandet gjordes att den energi som förbrukas i vår process är den som tillsätts av det varma flödet i värmeväxlare 2. Vi antog också att värmeöverföringen mellan ångan och det varma flödet sker utan några större värmeförluster vilket ger upphov nedanstående uttryck (se ekvation 6).

(6)

Det är dock inte enbart genom bildning av ångan som vi förbrukar energi. Energi förbrukas även utav de pumpar som används för pumpning vätskeflödena. Den energi som pumparna tillsammans förbrukar (Qpump) är 6550 W.13 14 Den totala energin som förbrukas blir kan därmed beskrivas enligt ekvation 7

(7)

där η = effektivitetsfaktor = 50 % Effektivitetsfaktorn är en uppskattad siffra som förmodar att 50 % av den energi som tillsätts ångan förloras innan den hinner överföras i värmeväxlare 2. 7. Resultat Simuleringsprogrammet, som skrevs i MATLAB, användes för att få fram de olika strömmarnas temperaturer och gav följande resultat. Notera att vissa temperaturer är konstanta samt att några är desamma. Tabell 10. Tabellen nedan visar temperaturer vid de olika flödena i VVX 1(för närmare förklaring av de olika flödenas beteckningar mellan värmeväxlarna, se Figur 3). Flöde [L/h]

T-kall in [°C]* T-kall ut [°C]** T-varm in [°C]*** T-varm ut [°C]****

80 20 105.4 141.7 56.3 85 20 103.0 141.6 58.6 90 20 101.4 141.4 60.0 95 20 100.3 141.2 60.9 100 20 99.8 140.9 61.1 105 20 99.7 140.7 60.9 110 20 99.9 140.2 60.3 115 20 100.3 139.8 59.5 120 20 100.9 139.3 58.4 13 Alfa Laval, Alcurd Pilot Plant, Instruction book, Order No. 101130 14 Alfa Laval, Lab. Anläggning, Lunds Tekniska Högskola, Ref. No. U138001

TCmQ OHpmvattenånga Δ⋅⋅=2,var

..

ηångapump

TOT

QQQ

.. +

=

19

Tabell 11. Tabellen nedan visar temperaturer vid de olika flödena i VVX 2(för närmare förklaring av de olika flödenas beteckningar mellan värmeväxlarna, se Figur 3). Flöde [L/h]

T-kall in [°C]**

T-kall ut [°C]*** T-varm in [°C]* T-varm ut [°C]****

80 105.4 141.7 142 119.2 85 103.0 141.6 142 116.3 90 101.4 141.4 142 113.8 95 100.3 141.2 142 111.6 100 99.8 140.9 142 109.8 105 99.7 140.7 142 108.3 110 99.9 140.2 142 107.2 115 100.3 139.8 142 106.4 120 100.9 139.3 142 105.9 Tabell 12. Tabellen nedan visar temperaturer vid de olika flödena i VVX 3 (för närmare förklaring av de olika flödenas beteckningar mellan värmeväxlarna, se Figur 3). Flöde [L/h]

T-kall in [°C]* T-kall ut [°C] T-varm in [°C]****

T-varm ut [°C]*

80 10 31.0 119.2 20 85 10 33.7 116.3 20 90 10 36.1 113.8 20 95 10 38.1 111.6 20 100 10 39.7 109.8 20 105 10 41.1 108.3 20 110 10 42.1 107.2 20 115 10 42.9 106.4 20 120 10 43.3 105.9 20 * Konstanta temperaturer ** T-kall ut (VVX1) = T-kall in (VVX2) *** T-varm in (VVX1) = T-kall ut (VVX2) **** T-varm ut (VVX1) = T-varm in (VVX3) Utifrån ovanstående resultat, erhållna med hjälp av simuleringsprogrammet, kunde följande värden för vår process beräknas (se Tabell 13, nedan). Tabell 13. Tabellen nedan visar resultat från MATLAB – simuleringen. Flöde [L/h]

Tid i holdingcell [s]

Temp. i holdingcell [°C]

F-värde [min]

C-värde [min]

Fhold/Ftot [%]

Chold/Ctot [%]

Kostnad [kr/L mjölk]

80 7.2 141.7 13.8 2.8 99.92 78.24 0.25 85 6.8 141.6 12.6 2.5 99.95 80.74 0.23 90 6.4 141.4 11.4 2.3 99.97 82.27 0.21 95 6.1 141.2 10.3 2.2 99.97 83.08 0.20 100 5.8 140.9 9.2 2.0 99.97 83.34 0.19 105 5.5 140.7 8.1 1.9 99.97 83.14 0.18 110 5.2 140.2 7.1 1.7 99.97 82.58 0.17 115 5.0 139.8 6.2 1.6 99.96 81.71 0.16 120 4.8 139.3 5.3 1.5 99.95 80.56 0.15

20

Genom att studera avdödningen, näringsinnehållet samt kostnaden för mjölken (se Tabell 13) kunde det optimala flödet bestämmas till 120 l/h. Vid detta flöde blir F = 5.3 min och C = 1.5 min samt en kostnad på 0.15 kr/L mjölk. Detta flöde ger även upphov till en temperatur på 139°C i holdingcellen där produkten hålls i 4.8 s. Dessa betingelser medför att mjölken kommer att klassas som UHT-behandlad. Vid dessa förhållanden ser man även att mestadels av avdödningen sker i holdingcellen. För att kunna ge en klarare bild av sambandet mellan avdödning och näringsförlust som funktion av flödet plottades dessa mot varandra och resultatet ses i nedanstående figurer.

Figur 5. Figuren ovan visar näringsförlust som funktion av flödet.

21

Figur 6. Figuren ovan visar avdödning som funktion av flödet.

Figur 7. Figuren ovan visar kostnad per liter mjölk som funktion av flödet.

22

8. Diskussion För att få en så effektiv värmeöverföring som möjligt och samtidigt en låg ångförbrukning, är höga k-värden önskvärda. Vid värmebehandling av mjölken eftersträvas dessutom ett så högt F-värde och ett så lågt C-värde som möjligt. Höga temperaturer ger ett högt F-värde, hög avdödning, men samtidigt även en ökning av C-värdet och därmed näringsförlusterna. Därför är det viktigt att finna en optimal balans mellan dessa faktorer. 8.1 Laboration Avläsning av temperaturer skedde med 30 minuters mellanrum, dock kan anläggningen ha krävt längre tid för stabilisering efter ändrat flöde. Icke stabiliserade temperaturer medför osäkerhet vid beräkning av värmegenomgångstalet, k. Temperaturdifferenserna över värmeväxlare 2 var så små att en del korrigeringar var tvungna att göras för att överhuvudtaget erhålla ett k-värde. Detta värde uppvisade ändock ett något suspekt beteende (se figur 4) och approximerades därför till samma k-värde som för värmeväxlare 1, som gav ett mer rimligt värde. Under laborationen recirkulerades produktströmmen vilket gjorde att en högre viskositet hos produkten kunde observeras. I våra beräkningar tas dock inte hänsyn till viskositetsförändringar. En ökad viskositet innebär mindre turbulent flöde och därmed sämre värmeöverföring. Detta faktum leder till att experimentet gett ett skenbart lägre k-värde än vad som kommer erhållas i verklig produktion. Det lägre k-värdet kommer i sin tur att påverka både F- och C-värdet. Enligt manualen har värmeväxlarna som användes under laborationen ett k-värde på 6000 W/(m2 °C). Som synes i figur 4 erhålls ett maximalt k- värde på ca 1800 W/(m2 °C), vilket är väldigt lågt. Anledningen till detta kan vara förluster till omgivningen samt instabilt flöde av produkt och vatten. Under laborationen observerades även oönskade färg- och luktförändringar hos mjölken. Anledningen till detta anses vara en följd av recirkuleringen samt att redan färdigpastöriserad mjölk användes. Vid stark upphettning frigörs vätesulfit och reducerade svavelföreningar produceras. Detta problem kommer antagligen inte att uppstå i den verkliga produktionen. Den uteblivna steriliseringen under vår laboration behöver inte medföra problemet för företaget, då detta problem lätt kan lösas med en digrare tidsplan. 8.2 Simulering Simuleringen bygger på k- värden, som erhållits från de eventuellt icke stabiliserade temperaturerna från laborationen. Därför bör man ha i åtanke att detta medför en viss osäkerhet vid simuleringen. Vid simuleringen antogs att all värme som värmemediet avger upptas av produkten, eller kylmediet beroende på vilken värmeväxlare som studeras. Detta gäller förstås inte i

23

verkligheten, men på grund av tidsbrist, till följd av programmeringsproblem, var dessa förenklingar nödvändiga. Om inte detta gjort hade alltför komplicerade beräkningar erhållits. Av samma anledning, antogs viskositet, densitet samt specifik värmekapacitet ha ett temperaturoberoende. Efter att ha studerat dessa fysikaliska datas temperaturberoende, visade det sig att våra antaganden troligtvis inte var rimliga, inom de temperaturintervall mjölken befann sig. Kanske hade det varit nödvändigt att undersöka felet, till följd av detta antagande om parametrarnas temperaturoberoende, närmare för mer korrekta resultat. Som synes i tabell 13 medför ökat flöde, förutom kortare uppehållstider, en lägre steriliseringstemperatur hos produktströmmen. Den lägre temperaturen medför att färre mikroorganismer avdödas samtidigt som näringsvärdet i mjölken bibehålls. Det handlar således hela tiden om att hitta en balans mellan tillräcklig avdödning och acceptabla näringsförluster. Vid beräkningar av F och C-värden antogs att produkten momentant värms upp resp. kyls ned till sluttemperatur och denna temperatur bibehålls fram till nästa värmings- eller kylningssteg. Värmeutbytet sker egentligen stegvis i värmeväxlarna och tiden som produktströmmen befinner sig i värmeväxlaren är inte heller försumbar. Trots detta antagande erhölls ganska rimliga F- och C-värden. Enligt litteraturen15 nämns det att förvärmningen i värmeväxlare 1 inte har någon negativ inverkan på näringsinnehållet. Som synes i tabell 13, sker dock enbart 80 % av förstörelsen i holdingcellen, vilket innebär att förvärmningen har en markant påverkan. Däremot har uppvärmningen ingen påverkan på F-värdet eftersom 99.9 % av avdödningen av mikroorganismer och sporer sker i holdingcellen. Under simuleringen uppmärksammades även att endast produktflöden mellan 80- 120 l/h kunde användas. Dock kunde vi under vår laboration, variera flödet från 100-160 l/h. Då värmeöverföringen baserades på dessa flöden kan detta vara ytterligare ett bidrag till osäkerheten hos k-värdena. Anledningen till att flöden lägre än 80 l/h och högre 120 l/h inte gick att simulera kan vara att vissa temperaturer har satts till fixa värden varvid systemet automatiskt blir begränsat. 8.3 Energikostnader Energikostnaderna sänktes tack vare ombyggnaden där den redan fullt uppvärmda mjölken används för att förvärma inkommande produktström. För att ytterligare minska åtgången av energi, och därmed sänka kostnaden för ångan, skulle en mer effektiv panna kunna användas. Effektiviteten hos pannan som användes i simuleringen är dock bara ett uppskattat värde och skulle mycket väl kunna vara högre i verkligheten. Antaganden gjordes även för effekten hos pumparna och är baserade på maxeffekten hos liknande modeller. Även här skulle energisnålare pumpar kunna användas men detta skulle i sin tur innebära höga investeringskostnader för ett litet företag som AB Dricka. 15 H.G. Kessler, Food and Bio Process Engineering, Dairy Technology, Verlag A. Kessler 2002

24

Eftersom vi utifrån våra resultat kunde klassa vår mjölk som UHT-behandlad medför detta att inget kylrum för förpackad produkt krävs, vilket i sin tur innebär lägre kostnader. 9. Slutsats Eftersom konsumenternas efterfrågan på ekologiska produkter hela tiden ökar skulle en investering i ekologisk mjölkproduktion kunna vara lönsam. Den ekonomiska biten pekar även mot detta, förutsatt att man kan slå sig in på marknaden. Som investeringsbedömningen visar är det dock fullt möjligt att satsa pengar på t ex en reklamkampanj och ändå ha ett lönsamt företag. Det är dock viktigt, inte minst ur miljö/ekologisynpunkt, att optimera energiåtgången genom till exempel en enkel ombyggnad av anläggningen där energin hos den redan uppvärmda mjölken återanvänds. Det optimala flödet bestämdes till 120 l/h eftersom detta ger en bra balans mellan avdödning av mikroorganismer (F = 5.3 min) och näringsinnehåll (C = 1.5 min) hos produkten. Vid detta flöde erhålls en temperatur på 139 °C i holdingcellen där produkten hålls i 4.8 s. Dessa betingelser medför att mjölken kommer att klassas som UHT-behandlad. Fördelen med UHT- behandling, jämfört med andra mildare benhandlingar, är att denna mjölk kan transporteras längre sträckor, utan kylbil, vilket ger en helt ny marknad. Man slipper även kravet på kylrum för förvaring av paketerad produkt. Icke-sålda produkter kan returneras och kunden behöver ej handla denna produkt så ofta. Dock tillkommer kostnader för framställning av aseptiska förpackningar.

25

10. Referens Litteratur

• H.G. Kessler, Food and Bio Process Engineering, Dairy Technology, Verlag A. Kessler 2002

• Tetra Pak Processing Systems AB, Dairy Processing Handbook,LP Grafiska AB,

1995

• Harley, KleinPrescott, Microbiology 5th edition, McGraw-Hill 2002

• Alfa Laval, Alcurd Pilot Plant, Instruction book, Order No. 101130

• Alfa Laval, Lab. Anläggning, Lunds Tekniska Högskola, Ref. No. U138001 Internet

• www.konsumentsamverkan.se/11verk/kampanj/foradling/ekoprocess.htm#varme, 2006-03-16

Företag

• Skånemejerier, Kenneth Andersson, FoU-chef

• Arla Foods, Ann Freudenthal, Brand Manager. 11. Bilagor 1. MATLAB-fil, ’kvarden’ 2. MATLAB-fil, ’temperaturer’ 3. MATLAB-fil, ’solvaren’ 4. STERILAB, laborationshandledning