מהמעבדה למפעל: למה מוצר מזון משתנה כשעוברים לייצור?

מהמעבדה למפעל: למה מוצר מזון משתנה כשעוברים לייצור?

נניח שפיתחתם רוטב חדש. אחרי סדרת ניסויים הגעתם בדיוק לטעם ולמרקם שרציתם. הפורמולציה סגורה, הדוגמאות עברו טעימות והגיע הזמן לייצר את המוצר במפעל.

בייצור הראשון משתמשים באותם חומרי גלם ובאותם אחוזים, אבל התוצאה שונה. הרוטב דליל יותר, הצבע השתנה מעט או שהמרקם כבר לא מרגיש כמו בדוגמה שאושרה.

מה השתבש?

לא בהכרח מדובר בטעות בפורמולציה או בבעיה במפעל. ייתכן שהמוצר פשוט עבר תהליך שונה מזה שעבר במעבדה.

זהו אחד האתגרים המרכזיים במעבר מפיתוח מוצר מזון לייצור תעשייתי, תהליך שמכונה גם Scale-Up.

להגדיל כמויות זה לא אותו דבר כמו להגדיל תהליך

כשמכינים מוצר במעבדה, קל לחשוב שהמעבר לייצור הוא בעיקר עניין של כמויות. אם פורמולציה מסוימת עובדת בשני קילוגרמים, מכפילים את המשקל של כל רכיב ומקבלים את אותה פורמולציה בכמות גדולה יותר.

מבחינת הרכב המוצר, החישוב יכול להיות נכון לחלוטין.

אבל בפועל, חומרי הגלם עוברים תהליך אחר.

במעבדה אפשר לעבוד עם מערבל קטן, לחמם את המוצר במהירות, להוסיף רכיבים בהדרגה ולשלוט כמעט בכל שלב באופן ידני.

במפעל משתמשים במכלים גדולים, במערכות ערבול אחרות, במשאבות, במחליפי חום ובקווי מילוי. גם אם הרכב המוצר נשאר זהה, התנאים שהוא עובר עשויים להיות שונים מאוד.

כדי להבין למה זה חשוב, כדאי להסתכל על שלושה גורמים מרכזיים.

1. ערבול: אותה מהירות לא בהכרח נותנת אותה תוצאה

ניקח לדוגמה רוטב סמיך שמכיל שמן, מים וחומרי הסמכה.

במעבדה אפשר להגיע למרקם אחיד בעזרת מערבל קטן שפועל במשך כמה דקות. במכל תעשייתי, אותה פעולה אינה בהכרח מתרחשת באותה צורה.

גודל המערבל, מבנה הלהבים, נפח המכל, צמיגות המוצר ועוצמת הערבול משפיעים על התוצאה.

לעיתים הערבול אינו מספיק כדי לפזר את הרכיבים בצורה אחידה. במקרים אחרים, כוחות הגזירה שמופעלים על המוצר גבוהים מדי ומשנים את המבנה שלו.

התוצאה יכולה להיות רוטב דליל יותר, אמולסיה פחות יציבה או שינוי במרקם שמורגש רק אחרי קירור ואחסון.

גם סדר הוספת הרכיבים חשוב. אבקות, חלבונים, עמילנים וחומרי הסמכה אינם תמיד מתפזרים או מתפתחים באותה מהירות. שינוי בסדר ההוספה, בטמפרטורה או במשך ההידרציה שלהם עשוי להשפיע על התוצאה הסופית.

לכן, כשעוברים לייצור תעשייתי, לא מספיק להעתיק את זמן הערבול מהמעבדה. צריך להבין מה הערבול אמור להשיג ולבחון כיצד הציוד התעשייתי מספק את התנאים הדרושים.

2. חימום וקירור: לא רק הטמפרטורה הסופית חשובה

תהליך החימום הוא דוגמה טובה נוספת.

במעבדה, כמות קטנה של מוצר יכולה להתחמם ולהתקרר במהירות יחסית. במכל גדול, מעבר החום מתרחש באופן שונה, ולעיתים נוצרים הבדלים בין אזורים שונים של המוצר.

גם סוג הציוד משנה את התמונה. חימום במכל עם דופן מחוממת אינו זהה בהכרח לחימום במחליף חום רציף.

נחשוב על משקה המכיל חלבון.

במעבדה אפשר לקבל משקה חלק ויציב לאחר חימום. אבל כאשר משנים את משך החשיפה לחום, את קצב העלייה בטמפרטורה או את תנאי הקירור, החלבונים עשויים להגיב אחרת.

לפעמים הדבר מתבטא בעלייה בצמיגות, בהיווצרות חלקיקים או בשקיעה במהלך האחסון.

זה לא אומר בהכרח שצריך להחליף את החלבון או להוסיף חומר מייצב. קודם צריך להבין איזה שינוי בתהליך הוביל לתוצאה.

יש כאן גם עניין מהותי של בטיחות מזון.

כאשר מוצר דורש טיפול תרמי, לא מספיק לבדוק שהציוד הגיע לטמפרטורה שנקבעה. צריך לוודא שתהליך החימום והקירור בפועל מתאים למוצר, לסיכונים הרלוונטיים ולתנאי הייצור. כאשר נדרש תיקוף של התהליך, יש לבצע אותו בהתאם למוצר ולמערכת שבה הוא מיוצר.

3. הציוד עצמו יכול לשנות את המוצר

במעבדה, אחרי שמסיימים להכין מוצר, בדרך כלל מעבירים אותו ישירות לכלי או לאריזה.

במפעל, הדרך ארוכה יותר.

המוצר יכול לעבור דרך משאבה, צנרת, מסננת, מחליף חום ומכונת מילוי. כל אחד מהשלבים האלה עשוי להשפיע על המרקם, על המבנה או על אחידות המוצר.

במוצרים סמיכים או רגישים לגזירה, השפעת השאיבה יכולה להיות משמעותית.

במוצרים המכילים חלקיקים צריך לבחון גם כיצד הם עוברים במערכת, האם הם נשארים שלמים והאם הם מתפזרים בצורה אחידה בזמן המילוי.

לעיתים אפילו זמן ההמתנה בין שלבי הייצור משפיע על התוצאה. מוצר שנשאר במכל לפני המילוי עשוי להתנהג אחרת ממוצר שנארז מיד לאחר ההכנה.

לכן חשוב להכיר את קו הייצור המתוכנן כבר בשלבי הפיתוח, ולא רק לאחר שהפורמולציה אושרה.

מה צריך לבדוק לפני שעוברים לייצור?

אחת הטעויות הנפוצות בפיתוח היא להתייחס לדוגמת המעבדה המאושרת כאל מוצר שכבר מוכן לייצור.

היא בהחלט מהווה נקודת פתיחה טובה, אבל עדיין צריך להבין מה נדרש כדי לייצר אותה באופן עקבי.

לפני ניסוי פיילוט או ייצור ראשון כדאי להגדיר כמה דברים:

• מהן התכונות הקריטיות של המוצר, למשל טעם, מרקם, צמיגות, pH, יציבות או אחידות?

• באיזה ציוד ייוצר המוצר, ומה ההבדלים בין הציוד הזה לבין ציוד הפיתוח?

• אילו שלבי תהליך עלולים לשנות את המוצר?

• אילו מדידות ובדיקות יאפשרו להשוות בין הדוגמה המקורית לבין המוצר המיוצר?

• מהן דרישות הבטיחות, האחסון, האריזה וחיי המדף שיש לאמת?

לא כל מדד מתאים לכל מוצר. ברוטב סמיך ייתכן שהצמיגות תהיה אחד הפרמטרים המרכזיים, בעוד שבמשקה חלבון נרצה לבחון גם שקיעה, התפלגות חלקיקים ויציבות לאורך האחסון.

המטרה היא להגדיר מראש מה נחשב לתוצאה מוצלחת, במקום לגלות רק בסיום הניסוי שהמוצר אינו תואם את הציפיות.

למה כדאי לבצע ניסוי פיילוט?

ניסוי פיילוט מאפשר לבחון את המוצר בתנאים שמתקרבים לתהליך הייצור המתוכנן, לפני שמתחייבים לייצור מסחרי בהיקף גדול.

במהלך הניסוי אפשר לבדוק את התנהגות חומרי הגלם, את סדר ההוספה, את תנאי הערבול והחימום, את מעבר המוצר בציוד ואת התוצאה לאחר המילוי.

אבל יש הבדל בין לבצע פיילוט לבין ללמוד ממנו.

אם המוצר יצא סמיך מדי, למשל, לא מספיק לרשום שצריך להוסיף מים. צריך לבדוק האם השינוי נגרם מהידרציה שונה של חומרי הגלם, מהחימום, מהערבול או מגורם אחר.

שינוי בפורמולציה יכול לפתור בעיה מסוימת, אבל גם ליצור בעיה חדשה בטעם, ביציבות או בהרכב התזונתי.

לכן חשוב לתעד את תנאי הניסוי, לבצע מדידות רלוונטיות ולהשוות את המוצר לדוגמה המאושרת.

במקרים המתאימים כדאי לקחת דוגמאות מנקודות שונות לאורך הריצה ולבחון גם את המוצר לאחר אחסון בתנאים המתוכננים.

ניסוי פיילוט מוצלח אינו מבטיח שכל הייצורים הבאים יהיו זהים, והוא גם אינו מחליף בדיקות בטיחות ותיקוף נדרש. הוא כן יכול לחשוף בעיות מוקדם יותר ולספק מידע שמאפשר לקבל החלטות טובות לפני הייצור המסחרי.

לפעמים צריך לשנות את הפורמולציה, ולפעמים את התהליך

כשמוצר לא מתנהג כמצופה במפעל, אחת השאלות הראשונות היא מה צריך לשנות.

אין לכך תשובה אחת.

יש מקרים שבהם הפורמולציה מתאימה למעבדה, אבל אינה מספיק עמידה לתנאי הייצור. במקרים כאלה עשויה להידרש התאמה של חומרי הגלם או של היחסים ביניהם.

במקרים אחרים, דווקא התהליך הוא זה שדורש שינוי. אולי צריך לעבוד עם סדר הוספה אחר, להגדיר תנאי ערבול שונים או להתאים את שלבי החימום והקירור.

לפעמים מתברר שהציוד הקיים במפעל פשוט אינו מתאים למוצר כפי שתוכנן, ואז צריך לבחון פתרון ייצור אחר.

ההחלטה צריכה להתבסס על הבנת מקור הבעיה, ולא רק על ניסיונות להגיע מחדש למרקם הרצוי.

חשוב גם לזכור שהמטרה אינה בהכרח להעתיק כל פרט מדוגמת המעבדה. המטרה היא לשמר את המאפיינים החשובים של המוצר במסגרת תהליך ייצור מעשי, בטוח ועקבי.

מתי נכון להתחיל לחשוב על Scale-Up?

לא אחרי שהפיתוח מסתיים.

כדאי להתחיל לחשוב על הייצור כבר כאשר מגדירים את המוצר.

אם ידוע מראש שהמוצר מיועד לייצור במפעל מסוים, אפשר לבדוק אילו תהליכים וציוד זמינים בו. אם עדיין לא נבחר יצרן, אפשר לפחות להגדיר את דרישות הייצור ולזהות מגבלות שיצטרכו להיבדק בהמשך.

המידע הזה משפיע על בחירת חומרי הגלם, על הפורמולציה ועל אופן ביצוע הניסויים.

כך אפשר למנוע מצב שבו משקיעים חודשים בפיתוח מוצר מצוין, ורק לקראת הייצור מגלים שנדרשים בו שינויים משמעותיים.

המעבר מהמעבדה למפעל הוא לא רק שלב של הגדלת כמויות. זהו שלב שבו צריך לוודא שהמוצר, הפורמולציה, הציוד ותהליך הייצור מתאימים זה לזה.

ככל שבודקים את ההתאמה הזאת מוקדם יותר, כך אפשר להגיע לייצור עם פחות הפתעות ועם בסיס טכני טוב יותר לקבלת החלטות.