Kansen en valkuilen bij opschalen van lab tot volledige productie

Opschaling van laboratoriumfase naar volledige productie zorgt bij precisiefermentatie voor uitdagingen. Zo kan bijvoorbeeld de stroperigheid van de isolaten voor een capaciteitsverlies en een flinke toename van energiekosten zorgen. Ook op het gebied van het borgen van de voedselveiligheid zijn er gevaren, die tot stilstand, productverlies en merkbeschadiging kunnen leiden.

Opschalen van de laboratoriumfase kwam 12 oktober tijdens het event The Future of Protein Production Live, tijdens een tweetal sessies aan bod. Als eerste deelt Fred van de Velde, van NIZO food research, zijn ervaringen. NIZO staat volgens hem voor het simplificeren van de voedseltransformatie. “Wij helpen klanten om voedsel en voedingswaarde te transformeren: meer succesvol, duurzaam en efficiënt. Hiervoor beschikken wij in Ede over de grootste vrij toegankelijke foodgrade pilotplant van Europa.”

Van de Velde onderscheidt drie verschillende productiefasen: laboratorium schaal, pilot plant en volledige schaal. “We spreken van laboratorium schaal als in batches wordt geproduceerd, in één shift per dag”, legt hij uit. “Bij een pilot plant is zowel productie in batch (één tot twee shifts per dag, vijf dagen in de week), als continue productie (twee tot drie shifts per dag, vijf dagen in de week) mogelijk. Bij een volledige schaal is er sprake van een continue productie, 24/7 met een output van 750- 1500 kilogram per uur.”

Veel bedrijven willen graag vanuit de laboratoriumfase opschalen naar een continue productie. Dat is echter nog niet zo gemakkelijk als het lijkt, aldus Van de Velde. Dat illustreert hij met twee casestudies: isolaat van pulse-eiwitten en faba bonen. “Pulse-eiwitten zijn afkomstig van peulvruchten zoals erwten, kikkererwten, linzen, en verschillende soorten bonen. Deze dienen in Europa als lokale alternatieven voor soja. We zijn tien jaar geleden samen met studenten op laboratorium schaal met de verwerking van deze eiwitten gestart.”

Opschalen vanuit de laboratoriumfase naar een continue productie is niet zo gemakkelijk als het lijkt

Dat bleek een vrij gemakkelijk proces te zijn. “Na het ontpellen en frezen blijft er meel over. Vervolgens vindt extractie met water plaats. In de centrifuge wordt zuur toegevoegd om het eiwit te neutraliseren. Sproeidrogen vormt de laatste stap in het proces. Het eindresultaat is geïsoleerd erwteneiwit.”

Tijdens het opschalen bleek het proces echter niet meer zo gemakkelijk te zijn. “We werden belemmerd door de apparatuur. Vooral tijdens de zuiveringsstap met zuur”, blikt Van de Velde terug. “De vezels plakten in de centrifuge. Dat bracht veel schoonmaakwerkzaamheden met zich mee en uitval van de machines lag op de loer.” Een oplossing werd gevonden in het optimaliseren van het proces om structuurverlies te voorkomen. “We ontdekten dat we door meer controle te krijgen over de procescondities de volledige hoeveelheid van de plantaardige eiwitten gebruikt konden worden.”

Eiwit van de fababoon

Een tweede voorbeeld: eiwit-isolaat van de fababoon. “We vinden het eiwit van de fababoon heel interessant, omdat deze boon de laagste waarde scoort in de klimaatparameters”, vertelt Van de Velde. Ook hierbij ging het op laboratoriumschaal om een vrij eenvoudig proces, maar dat veranderde toen er werd opgeschaald. “De impact van zuur bleek de limiterende factor te zijn in het sproeidroogproces. De hoge mate van stroperigheid van de isolaten zorgde voor een reductie van 15% van de stevigheid in de inlaat van de sprowidroger. Dat betekende een daling van de capaciteit en een flinke toename van energiekosten.”

De oplossing werd gevonden in membraanfiltratie. “Membraanfiltratie maakt het mogelijk om de hoeveelheid vaste stoffen in de drogertoevoer te verhogen. Daarom zijn we membranen gaan gebruiken om het eiwit te isoleren. Hierdoor ging het energiegebruik omlaag en de capaciteit van de spraydroger omhoog. Zo kunnen we ervoor zorgen dat alle ingrediënten in het product blijven.”

Van de Velde is trots dat het NIZO is gelukt om met succes de laboratoriumfase te optimaliseren naar een continue proces en kan daar ook andere bedrijven bij helpen. “Dat is heel belangrijk. De eiwittransitie stimuleert de zoektocht naar functionele alternatieven eiwitten en ingrediënten. Vanwege de stijgende vraag naar duurzaamheid is er ook een toenemend belang om zijstromen te upcyclen.”

Voedselveiligheid

Daarnaast brengt het opschalen van een lab scale naar medium scale productie nog veranderingen met zich mee, zoals het borgen van de voedselveiligheid. Jaclyn Simons van Donaldson vertelt tijdens haar sessie over de best practises voor bescherming van het fermentatieproces. “Dat is heel belangrijk”, legt Simons uit. “Hiermee worden eventuele gevaren in een voedselproductieomgeving geëlimineerd, waardoor stilstand, economische verliezen, productverlies en merkbeschadiging worden voorkomen.”

Met bescherming van het fermentatieproces worden eventuele gevaren in een voedselproductieomgeving geëlimineerd

Op het gebied van preventieve maatregelen zijn er bij precisiefermentatie verschillende mogelijkheden, zoals filtratie, verwarming, koelen en vriezen, UV- straling en het toepassen van hoge druk. In de voedingsmiddelenindustrie zijn volgens haar vooral filtratie en verhitting, via de autoclaaf of stoominjectie, populair.”

Bij het kiezen voor de juiste werkwijze zijn er verschillende afwegingen, die niet alleen afhankelijk zijn van de grondstof en het procestype, maar ook van het schaalniveau. Simons: “De Autoclaaf werkt heel goed in een batchproces, bij een laag volume en een hoge mate van stroperigheid. In het labotorium werkt deze manier heel prettig en heel flexibel. Maar als je wilt opschalen naar een industriële schaal, dan is deze techniek heel duur.”

Toepassing van stoom

Een andere veel gebruikte manier is de toepassing van stoom. “Dat kan uitstekend in een batchproces op laboratorium schaal”, weet Simons. “Stoom biedt voordelen op het gebied van flexibiliteit en beschikbaarheid en is geschikt voor de behandeling van veel verschillende producttypen. Een nadeel is dat het afkoelproces vrij veel tijd in beslag neemt. Je kunt stoom wel heel goed in een hoog volume in een continue proces op industriële schaal toepassen, maar dan heb je hiervoor een speciale infrastructuur nodig.” Een andere veel gebruikte toepassing op industriële schaal is filtratie. “Dit is heel geschikt voor een  hoog volume in een continue proces, voor eiwitten die niet heel stroperig zijn.”

Simons adviseert bedrijven in de sector om ook goed naar de voedingsmiddelenbranche te kijken. “Op het gebied van grondstoffen kunnen we bijvoorbeeld veel leren van de productie van wijn, sappen en frisdranken. Dat levert waardevolle kennis op.”