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浅析食品研发中小试、中试、小批量生产、大生产的差异

2020-03-17  朱主任4188

很多食品的研发都需要经过小试、中试和小批量试生产的研发过程。许多从事食品研发工作的人士都曾有过这样的经历,已经在实验室做过效果很好的试验,到生产现场进行中试或者小批量试生产时的产品状况远非设想的状态。也有一些科研工作者很好的研究成果在进行成果转化时出现一些不尽人意的“意外”。

从实验室研发到工业化生产过程不是简单的放大。现以面粉及其制品为例对研发过程中试验与生产结果的差异因素进行分析,以期对加速业内同仁技术成果的转化有所助益。

1、研发过程各阶段的任务

1)小试

小试是根据实验室理论研究成果,进行初步的设计,放大一定的倍数,在实验室的条件下进行生产,对于设备的要求并不严格,有些是可以用同类型器件代替的,规模很小,易于操作。通过得到相应的工艺参数和理论依据,为以后中试作准备。

2)中试

中试指为了使研究成果产业化,减少转化风险,提高转化率,进行的批量放大试生产、试营销、试使用的过程。小试成熟后,进行中试,研究工业化生产工艺,设备选型,为工业化设计提供依据。这个过程的目的在于验证、改进、完善实验成果,消除各种不确定性因素,取得可靠的数据,使之与其他相关技术匹配,与生产实际相符合,与社会需要相一致,从而使新技术顺利应用到生产中,将新产品成功地推向市场。

3)小批量试生产

小批量试生产是从小试实验、中试到工业化生产必经的过渡环节。产品批量生产前,安排使用所有正式生产工装、过程、装置、环境、设施和周期来生产适当的小批数量产品,以验证产品设计的合理性和产品的可制造性。

2、差异形成的因素分析

1)人的因素

实验室小试,多为有着严谨的职业习惯的实验室工程技术人员,使用的仪器、设备较为精密,试样量小,所以 (每个批次间)试验效果差异较小;在生产过程中, 操作人员为经过或没有经过培训的生产线操作员工, 加之使用的称量、 加工设备精准程度稍差,且加工量较大等因素,加工出来的产品品质只能是在要求规范的合适范围内。在人员因素的影响下,试验 (小试、中试)的效果与生产线批量生产的效果会有差异。

2)设备因素

①设备参数因素

很多实验室使用的试验设备或中试生产线,多为模仿生产设备制造的,但是在设备的参数方面一定会有些差异。

例如:挂面研发用的小型压面机的转数较生产用设备的压辊转数要快,压延出来的面带效果就会有很大差异;

小麦实验磨磨辊的齿形数据与转数与生产用磨粉机的参数不可能完全一致,研磨出来的面粉的状况(粉色、纯度、面团特性)会有较大的差异。所以设备参数对产品效果的影响就成为重要的差异因素。

②设备规模因素

无论是实验室小试还是已经成型的中试生产线,其设备规模都不可能与正式生产用的设备加工规模相比拟。在很多食品加工中,诸如面粉(在单位研磨长度上碾压的力度有较大差异)、饼干(不同位置的烘焙效果对产品的口感、外观有不同)、馒头(不同规模的醒发过程和蒸煮过程对产品效果的影响)等产品,生产设备的规模对生产出的产品效果会有一定的影响。

3)原辅料因素

①原料品质差异

实验室对于原料的选择,由于用量少,所以预处理比较精细,但是选择的余地小,代表性较差;但是在生产实践中,加工量大,尤其是农产品加工时,受原料来源的影响,品质差异会很大(小麦加工就是最典型的例证)。

②投料精准程度差异

受加工量和工作环境的影响,实验室的操作和生产性操作的投料精准程度会有较大差异。其主要来源在于:实验室的小试和中试时,需要的称样量少,计量设备精准程度高,操作精细,而生产中的计量设备精度相对较低,称样量大,所以所投物料的相对比例会有差异;实验室中称样、投料环境相对稳定,相对精准,而生产过程中,生产环境的流动气流、空气中的粉尘和投料时的动作都会对投料的精准程度产生影响。

4)工艺因素

①工艺路线差异

有些试验中,实验者忽略了细小的工艺细节。例如:有面粉开发试验人员在应用实验磨做制粉试验时,小麦清理后省略了润麦过程,直接进行取粉试验。这样,制得的面粉中大量存在麸星。有些实验者在面团特性检测中忽略了水分测定,直接称取300g面粉进行检测,岂知存在结果差异的不确定性。

②工艺参数差异

仍然以面粉加工为例,实验室使用的无论是进口的布拉班德小型实验磨粉机还是国产三皮三心小麦实验磨粉机,在试验过程中的研磨参数(齿形角、斜度、齿顶等)和筛理参数(筛网孔径配置、辅助清理配置和回转半径参数等)与生产中的工艺参数状态不可能完全等同,导致生产出的产品品质(各理化及面团特性指标)有着较大的差异。

3、减少差异的对策

1)管理规范

任何一个开发团队都有自己的管理体系。那么为了减少研发试验与生产加工结果的差异,就应该建立相对应的管理体系。

首先建立面粉及其制品研发控制程序,通过开发计划书、开发任务书、样品试制记录表、工艺方案、小批试制准备情况检查表、小批试制总结报告等一系列过程控制方法规范研发过程的管理行为。同时,在产生差异时,通过这些控制方法检查出问题产生的原因,便于后续工作中的调整。每一个阶段的工作结束,要及时进行必要的总结与分析,避免其中更多的不确定性问题带到下一过程工作中。

2)技术规范

在开发设计中,要预判可能产生的不确定因素,对于这些因素进行可靠的控制;按照生产设备与工艺的现状进行工艺设计,试图模仿可能实现的生产状态,设计研发工艺,安排研发工艺,以期实现生产的“再现”,排除可能出现的差异。对于生产过程的控制,在工艺及操作技术规范时做出必要的要求,求得试验与生产状态的“一致性”。

另外,在开发试验的全过程(小试、中试及小批量试生产)中,每组试验的所有数据(包括一些暂时看起来用不上的数据和人们常常忽略的环境条件数据)一定要记录清楚,为产生问题的系统分析做好数据积累。

3)设备规范

在配备研发设备时,要尽可能与生产设备的效果相对应。即便试验结果出现差异,研发人员也可以通过经验进行矫正,对研发试验与生产的结果的差异做出预测性调整。

来源:食品研发与生产

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