Typpigeneraattorin käytön edut elintarviketeollisuudessa
Pitkä säilyvyysaika on yksi tärkeimmistä elintarvikkeen ominaisuuksista maun ja koostumuksen ohella. Kun tuotteella on enemmän myyntiaikaa valmistuksen ja käytön välillä, sen hävikki on todennäköisesti pienempi kuin nopeasti pilaantuvan vastaavan tuotteen. Tämän takia elintarvikkeiden säilyvyyttä on pyritty pidentämään mahdollisimman paljon ilman, että tuotteen halutut ominaisuudet kärsisivät säilytyksen aikana.
Suojakaasupakkaamisella on haluttu ehkäistä elintarvikkeen pilaantumisen aiheuttavien mekanismien ilmaantumista pakkauksen jälkeen. Tämä yhdistettynä prosessiin kuuluviin säilyvyysmenetelmiin ja kylmäsäilytykseen on usein tehokas keino vähentää pilaantumisesta johtuvaa hävikkiä.
Suojakaasujen käyttö prosessin jatkeena lisää tuotannon kustannuksia ja samalla mahdollisesti myös tuotteen hintaa. Siksi eri kaasuvaihtoehdot ja niiden käyttömuodot on sovitettava aina tuotekohtaisesti kustannuksien minimoimiseksi. Kustannusten lisäksi kaasun lisääminen prosessin osaksi monimutkaistaa jonkin verran huoltoinfrastruktuuria ja henkilökunnan työkuormaa, esimerkiksi kaasupullojen vaihdon tai kaasun valmistuslaitteiden käynnistyksen muodossa.
Suojakaasut elintarviketeollisuudessa
Useimpien suojakaasujen tarkoitus on syrjäyttää tuotteen pakkauksesta pilaajamikrobien kasvun kannalta oleellinen käyttökelpoinen happi. Korkean rasvapitoisuuden omaavien tuotteiden kohdalla tämän menetelmän kanssa ehkäistään myös rasvojen peroksidoitumista, jossa rasvaketjut hajoavat hapen yhteisvaikutuksesta pienemmiksi molekyyleiksi, jotka aiheuttavat tuotteessa usein kitkerän maun. Suojakaasu ei saa vaikuttaa tuotteen makuun, koostumukseen tai ulkonäköön heikentävästi, joten kaasujen ominaisuuksien tulee olla elintarvikkeen ominaisuuksien mukaan valittu.
Yleisesti hapen syrjäyttävinä suojakaasuina elintarviketeollisuudessa käytetään typpeä ja hiilidioksidia niiden helpon saatavuuden ja suhteellisen edullisen hinnan takia. Joissain tapauksissa myös eri kaasuseoksia, kuten hiilidioksidi-happi -seos sen eri muodoissa, käytetään pakkauskaasuna. Pakkauksen aikana kaasua kuluu esimerkiksi linjastojen ja pakkauskoneiden huuhteluihin, jolla laitteistosta poistetaan ei-halutut kaasut. Lisäksi pakkaustilassa halutaan pitää usein lievä ylipaine, jolloin pakkauslaitteen ympäristöstä ei kulkeudu epäpuhtauksia laitetilaan käytön aikana. Tämän vuoksi kaasun kulutus on usein paljon suurempi, kuin mitä vain elintarvikepakkauksien sisälle laitetaan.
Suuren potentiaalisen kulutuksen takia yksittäisen elintarviketehtaan on löydettävä ratkaisu, joka sopii kyseisen yksikön tarpeisiin. Pienemmissä pakkauslinjastoissa kaasun kulutus voi olla niin pientä, että kaasua voidaan käyttää pienemmistä kaasupulloista pidemmänkin aikaan, kun taas toisessa yksikössä kaasu tuotetaan paikallisesti useita kymmeniä NTP-kuutiometrejä tunnissa.
Typpigeneraattorin periaate
Ilmakehästä noin 78 % on typpeä, 20-21 % happea, <1 % argonia ja loput muita eri kaasuja. Tämän vuoksi typen tuotanto on suhteellisen edullinen prosessi, koska raaka-aineena voidaan käyttää tavallista huoneilmaa. Ennen generaattoriin tuomista ilma kuivataan ja puhdistetaan epäpuhtauksista, jotta laitteistoon ei pääse prosessia haittaavia aineita. Elintarvikelaatuisen typen valmistukseen otettava ilma puhdistetaan lisäksi hienosuodattimella, jolloin siitä poistetaan mikrobitason komponentit.
Teollisuudessa käytetään yleisesti kahta eri typen valmistusmenetelmää – membraanimenetelmää tai PSA-menetelmää (Pressure Swing Adsorption). Membraanimenetelmä tai kalvomenetelmä perustuu tiiviisti kalvomoduuleihin pakattuihin onttoihin suodatinkuituihin, joiden kautta ilmasta suodatetaan pois muut kaasut. Typpimolekyylit läpäisevät kalvoa heikommin, joten ne jatkavat generaattorissa eteenpäin.
Tämä on edullinen ratkaisu paikallisesti tapahtuvan typentuotannon vaihtoehdoksi, sillä sen asentaminen on nopeampaa ja usein myös edullisempaa. Lisäksi sen tuotantokyvyn lisääminen onnistuu asentamalla useampia kalvosuodattimia. Tällä menetelmällä on kuitenkin heikkoutena muun muassa suhteellisesti suurempi sähkönkulutus, koska kalvoyksikkö suodattaa typpeä paremmin, kun tuloilma on lämmitetty vähintään yli 45 celsiusasteeseen. Lisäksi kalvomoduulien suodatuskyky heikkenee ajan myötä, koska kalvokuidut ovat herkkiä rikkoutumaan rasituksen alla. (1)
PSA-menetelmässä yksikkö sisältää kaksi tai useampia suodatusyksikköä, jotka vaihtelevat tuotantoa keskenään. Suodatinyksikön sisällä on huokoista matriisiainetta, jonka pintaan typpimolekyyli tarttuu heikommin kuin muut ilman molekyyleistä. Typpi pääsee suodattimesta läpi muiden jäädessä suodattimen sisään kiinni. Kun suodatin on kyllästetty suodatetuilla molekyyleillä, vaihdetaan virtaus toiseen puhdistettuun suodattimeen ja typen tuotanto jatkuu suhteellisen katkeamatta. Samalla kylläiseen suodattimeen päästetään osa tuotetusta typestä, jolloin puhdas typpikaasu työntää suodattimessa olleet muut ilman molekyylit poistoputken kautta ulos laitteesta. Tätä sykliä kutsutaan regenerointisykliksi ja sen avulla generaattori pystyy tuottamaan typpeä jatkuvalla tahdilla ilman suurempia pysähdyksiä. (2)
Molempien menetelmien rinnalle asennetaan usein erilaisia kompressori ja puskurisäiliöratkaisuja, joilla typpikaasun kulutuksen ja tuotannon vaihteluja pystytään tasaamaan.
Typen paikallisen valmistuksen edut
Verrattuna typen varastoimiseen elintarviketehtaalla pulloissa tai säiliöissä, typpigeneraattori on käyttöönottonsa jälkeen suotuisa ratkaisu, sillä se vaatii vähemmän tilaa ja tuo yksikölle omavaraisuutta, joka ei nojaa ulkoisen toimijan kykyyn toimittaa suojakaasuja tehtaalle. Pidemmällä aikavälillä typpikaasun paikallinen valmistus käyttää verrattain vähemmän resursseja, kuin jatkuva täysien ja tyhjien kaasupullojen vaihtaminen. Generaattori käyttää toimintansa aikana vain sähköä typen tuotantoon ja usein sen huoltosuunnitelma sisältää pääosin ilmansuodattimien tasaista vaihtoaikataulutusta tai, valinnasta riippuen, paineilmakompressorin öljytason seuraamista.
Generaattoria valittaessa on tärkeää tarkastella yksikön tuotantokapasiteettia ja sen kasvaessa pitää typentuotannonkin kasvaa samassa suhteessa. Membraanigeneraattorilla kapasiteetin lisääminen jälkeenpäin on yksinkertaisempaa, mutta PSA-generaattorilla tämä vaatii enemmän investointeja, sillä yksittäisen generaattorin kapasiteettia ei pystytä nostamaan maksimista, vaan tehtaalle pitää hankkia toinen generaattori.
Kun vertaillaan pullotetun typen ja typpigeneraattorilla tuotetun typen käyttökuluja voidaan esimerkiksi ottaa yleisesti käytetty 12 x 50 L pullopatteri, jonka typen puhtaus on luokkaa 99,95 % ja paine 200 bar. Pakatessa 1 atm paineessa pullopatterista saa täysin tyhjennettynä noin 118 m3 typpeä. Tämänkaltainen patteri kustantaa tehtaalle hyvin vaihtelevan summan, mutta sopivana haarukkana voidaan pitää 500–1000 euroa/patteri.
Paikallisesti generaattorilla tuotetussa typessä pääasiallinen käyttökustannus tulee käytetyn sähkön hinnasta. Alkuinvestoinnin jälkeen muita kuluja lisäävät myös vapaaehtoiset huoltosopimukset tai varaosien hankinta. Esimerkkinä käytettäessä AtlasCopcon GA7-kompressoria (3) ja NGP 12+-generaattoria (4) kuluu saman typpimäärän ja laadun tuottamiseen 18 tuntia. Laitteiden yhteinen tehontarve on 7,7 kW (kompressori 7,5 kW ja generaattori 0,2 kW), jolloin työhön kuluvan 138,6 kWh ja sähkönhinnan (vaihteluväli 5-50 snt/kWh, ei sisällä siirtohintoja) arvoilla laskettuna tämän typpimäärän hinnaksi tulisi 6,93-69,3 € olettaen, että molemmat laitteet olisivat päällä jatkuvasti. Kyseessä on pienen kapasiteetin paikallisvalmistus, joten käyttökustannukset ovat tapauskohtaisia.
Milloin typenvalmistusta generaattorilla tulisi harkita?
Tuotannon keskittäminen tuo yrityksille toimintavarmuutta, koska toimitusvaikeuksien ja muiden häiriöiden riskiä pystytään pienentämään. Käytettäessä generaattorilla tuotettua typpeä voidaan tuotantoa jatkaa tämän osalta keskeytymättä. Laiterikon sattuessa järjestelmään on kuitenkin mahdollista liittää edelleen typpipulloja, jolloin aikaisemmin käytettyä järjestelmää voidaan pitää varalla, mutta paljon pienemmällä kapasiteetilla.
Typpigeneraattorien hinnat ovat menetelmästä riippuen vielä monen pienemmän yrityksen kipurajan yläpuolella, mutta typen kulutuksen noustessa generaattori voi säästää hintansa verran hyvinkin lyhyessä ajassa. Siksi yritysten on hyvä pitää ajantasaista kirjaa käyttökuluistaan ja pysyä ajan tasalla eri vaihtoehdoista.
Lähteet
Sveholm, K. 2023. Typenlähteen vaihtaminen elintarvikepakkauslinjastossa – Theseus, Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyö.
(1) https://mechanicalengineeringsite.com/membrane-type-nitrogen-generation-system-working-principle/ viitattu 21.1.2023
(2) https://www.atlascopco.com/en-in/compressors/wiki/compressed-air-articles/pressure-swing-adsorption-generator viitattu 21.1.2023
(3) https://www.atlascopco.com/content/dam/atlas-copco/compressor-technique/industrial-air/documents/leaflets/compressors/g2-22/G2-22_EN.pdf viitattu 22.1.2023
(4) https://www.atlascopco.com/content/dam/atlas-copco/compressor-technique/industrial-air/documents/leaflets/gas-generators/industrial-gases/2935097745_L.pdf viitattu 22.1.2023