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Rachel est responsable de production dans une entreprise laitière américaine de taille moyenne. Elle aime son travail, mais un problème récurrent la frustre, et le dernier incident en date a coûté très cher à l'entreprise.
Les analyses en laboratoire d'un lot de yaourts ont révélé que le pH était largement hors normes, et les yaourts étaient impropres à la consommation. La moitié du lot avait déjà été conditionnée et a dû être détruite.
Pour aggraver les choses, ce lot était destiné à une marque de yaourts récemment lancée. Cette nouvelle marque connaissait un grand succès, et la perte de ce lot aurait entraîné des rayons vides dans certains magasins de ses clients.
De plus, en raison de la popularité de cette nouvelle gamme, Rachel et son équipe ont été chargées d'augmenter la production avec le même équipement qu'elles utilisent depuis des années. Par ailleurs, la direction exige qu'elles relèvent le défi d'une production durable en réduisant la consommation d'énergie. C'était un problème délicat à résoudre.
Elle avait également du mal à trouver du personnel qualifié et expérimenté dans des tâches telles que l'échantillonnage et la mesure, sur lequel elle pourrait compter pour l'aider à prendre les bonnes décisions en matière de production.
Après quelques recherches, Rachel a trouvé une solution qui, sans résoudre tous ses problèmes, en résoudrait une grande partie et mettrait définitivement fin aux lots de yaourts non conformes !
Mais avant d'en arriver là…
L'échantillonnage : un simple instantané…
L'échantillonnage relève du contrôle qualité ; il n'a rien à voir avec le contrôle des processus et encore moins avec l'automatisation des processus. Il ne permet pas de gagner du temps ni d'économiser des efforts, et ne contribue donc pas à rendre les usines agroalimentaires plus productives ou plus efficaces.
Le pH joue un rôle essentiel dans la production agroalimentaire, car son niveau influe sur la vitesse et l'ampleur des réactions au cours de nombreux processus de production. La surveillance du pH est donc cruciale tant pour la qualité du produit que pour le contrôle des processus.
En général, un échantillon est prélevé toutes les 20 minutes ou jusqu'à une fois par heure pendant la production. Cela fournit des informations précieuses sur la qualité du produit et du processus, mais uniquement jusqu'au moment où l'échantillon est prélevé. L'échantillon n'est donc qu'un instantané de ce qui s'est déjà passé dans le processus.
Les responsables de production ne peuvent qu'essayer d'influencer le processus suivant en se basant sur les informations issues de cet instantané.
... et très sujet aux erreurs
De plus, les résultats peuvent comporter des erreurs importantes : l'échantillon peut subir des modifications entre le moment où il est prélevé et celui où il est analysé.
Le moindre retard dans la réalisation du test, ne serait-ce qu'un simple coup de fil reçu par le technicien de laboratoire chargé de la mesure, peut entraîner un résultat erroné ; ou bien un échantillon peut être placé dans le mauvais réservoir par manque d'attention ; ou... ou... ou. Les sources d'erreur sont nombreuses.
Capteurs en verre et capteurs ISFET : aucun des deux n'est satisfaisant
Connaître le pH à n'importe quel stade du processus permet d'accélérer, de ralentir, d'équilibrer, voire d'arrêter le processus lorsqu'une valeur souhaitée est atteinte. Les capteurs de pH en ligne peuvent être utilisés pour mesurer le pH tout au long du processus, depuis la livraison du lait jusqu'au conditionnement du produit fini.
Jusqu’à présent, cependant, aucun capteur de pH en ligne n’a été en mesure de répondre pleinement aux attentes de l’industrie agroalimentaire :
Les capteurs de pH en ligne traditionnels utilisent une membrane en verre. Le problème est évident : le verre peut se briser lors de la manipulation, du nettoyage en place (CIP), ou même simplement en raison de sa présence dans le processus, par exemple lorsque des composants solides présents dans le milieu, tels que des morceaux de glace lors de la fabrication de crème glacée, endommagent, voire brisent complètement le verre.
Le transistor à effet de champ sensible aux ions (ISFET) a été la technologie suivante à faire son apparition sur le marché. Les capteurs ISFET ne sont pas en verre, mais comportent une puce dotée d’une surface sensible au pH. À première vue, cela les rend plus adaptés à la production alimentaire que les capteurs en verre traditionnels, mais les puces ne sont pas très robustes et les capteurs nécessitent un étalonnage fréquent. Il en résulte des intervalles de maintenance courts et de nombreuses interruptions de production. De plus, les capteurs ISFET ne supportent pas le nettoyage en place (CIP).
Il n’est donc pas étonnant que la mesure du pH en ligne n’ait pas réussi à s’imposer dans l’industrie agroalimentaire.
Jusqu’à présent.
L'InPro X1 : une nouvelle ère dans la mesure du pH
Nous sommes convaincus que la mesure du pH en ligne représente l'avenir de l'industrie agroalimentaire. Elle permet à nos clients de maîtriser et d'automatiser entièrement leurs processus, d'être plus productifs, d'utiliser leurs équipements de manière plus efficace et durable, et de suivre chaque étape du processus à la seconde près. C'est pourquoi nous avons entrepris de développer un capteur de pH en ligne aussi précis qu'un capteur en verre, mais extrêmement robuste, explique Balz Aebli, chef de produit chez METTLER TOLEDO.
Son développement a pris plusieurs années, mais il s'agit désormais du premier capteur de pH en ligne au monde à la fois robuste et résistant au CIP : l'InPro X1™ HLS. Sa précision est au moins aussi bonne que celle des meilleurs capteurs en ligne et de laboratoire, et il élimine le besoin de mesurer le pH à partir d’échantillons ponctuels.
C’est véritablement une révolution, déclare Balz. Depuis des décennies, l’industrie laitière réclamait un capteur de pH en ligne sûr et compatible avec le CIP. Elle en dispose désormais.
Capteur de pH incassable pour une sécurité de production optimale
Depuis des décennies, l'industrie agroalimentaire recherche un capteur de pH en ligne, adapté à un usage alimentaire et capable de résister aux processus de nettoyage. Comme l'explique ce livre blanc, l'InPro X1 répond exactement à ces exigences.
Comprendre le processus de fermentation
Le graphique illustre le processus de fermentation dans la fabrication du yaourt, en montrant l'interaction entre le pH, la température et l'acidité au fil du temps.
La courbe bleu foncé représente la valeur du pH, qui diminue à mesure que les cultures métabolisent le sucre et produisent des acides, indiquant une augmentation de l'acidité indispensable à la qualité du yaourt.
La courbe bleu clair suit la température du yaourt, qui est cruciale pour contrôler la vitesse de fermentation et obtenir le produit final souhaité.
Les repères verts indiquent les valeurs d'acidité mesurées sur des échantillons, servant de points de contrôle pour s'assurer que le processus de fermentation respecte les spécifications.
Au fur et à mesure que le processus avance, le capteur de pH en ligne transmet toutes les données qu'il détecte.
Tirer pleinement parti des avantages de la mesure en ligne
Grâce à la mesure en ligne avec le nouvel InPro X1, les responsables de production comme Rachel n’ont plus besoin de se fier uniquement à des échantillons prélevés toutes les 20 minutes. À tout moment du processus de production, ils disposent désormais d’informations fiables et en temps réel sur la valeur actuelle du pH.
La surveillance continue rend l'ensemble du processus transparent, et l'opérateur peut intervenir activement et ajuster le processus si celui-ci est trop lent ou trop rapide. Il est possible d'aller encore plus loin en définissant des seuils : une réaction peut être automatiquement déclenchée dans le système lorsque ces seuils sont atteints, dépassés ou non respectés. Ainsi, l'ensemble du processus peut être automatisé.
Meilleure efficacité et meilleure qualité des produits
Holger Schmidt, responsable du secteur agroalimentaire, explique : Le responsable de production peut définir des paramètres et des valeurs limites au sein du système de contrôle. Par exemple, dans la production de yaourt, une fois la cuve pleine, la culture est dosée, et à mesure que la fermentation progresse, le pH baisse. L'InPro X1 fournit en permanence une mesure du pH et, lorsque celui-ci atteint le niveau souhaité, la cuve peut être refroidie, ce qui stoppe la fermentation.
Outre une qualité et une sécurité accrues des produits, un processus de production parfaitement régulé est plus rapide et plus efficace, car les temps de traitement et la température sont contrôlés avec précision. Cela garantit une utilisation optimale des équipements tout en réduisant la consommation d’énergie et l’utilisation des ressources.
Une meilleure sécurité des procédés
Les anomalies au cours du processus, telles que la contamination par des bactéries ou des produits de nettoyage, peuvent également être détectées immédiatement.
Grâce à la mesure en ligne, il est également possible de déterminer si du lait potentiellement aigre a été livré, car tout le lait est analysé, et pas seulement des échantillons individuels.
Il en va de même si le lait a été stocké dans des cuves de stockage intermédiaires. Un point de contrôle critique (PCC) avant le conditionnement garantit qu’aucun détergent de nettoyage ne se retrouve accidentellement dans le produit fini.
Traçabilité
« La traçabilité de la qualité du lait à l'entrée constitue un atout considérable pour la qualité du processus »,explique Holger. Nous le constatons dans une laiterie allemande où l'InPro X1 mesure l'ensemble du lait entrant, et pas seulement des échantillons prélevés dans chaque section de la cuve. En cas de retard dans le déchargement du lait, une séparation peut se produire dans les sections de la cuve, ce qui rend l'échantillon non représentatif. La mesure en continu avec l'InPro X1 permet de tout détecter.
Grâce à la surveillance en ligne de la production, chaque étape du processus – de la livraison des matières premières au conditionnement – est entièrement traçable. Ceci est particulièrement important pour les entreprises engagées dans la Global Food Safety Initiative. Dans le cas de la laiterie allemande mentionnée, l’intégration des informations et leur enregistrement avec le lot permettent également une traçabilité complète, de la ferme au produit fini.
Protection des équipements
Les utilisateurs de l'InPro X1 bénéficient également d'avantages en matière de protection de leurs équipements. En s'appuyant sur un cas client, Holger explique :
Lors du traitement du lactosérum, le client utilise la mesure du pH fournie par l'InPro X1 pour déterminer si le lactosérum est encore « doux ». Le lactosérum passe ensuite par un système de filtration. Pendant le nettoyage, les mesures de l’InPro X1 sont utilisées pour surveiller la concentration en soude caustique. Si le pH dépasse 11, les membranes de l’équipement de filtration risquent d’être endommagées et devront être remplacées.
Des applications similaires sont en place chez des clients en Nouvelle-Zélande et aux États-Unis, dans ces cas-là pour le lactose, et le premier fabricant d’équipements a commencé à mettre en œuvre l’InPro X1 pour améliorer l’automatisation des processus et la satisfaction client.
Des centaines de mesures correctes compensent le bruit
La mesure en ligne montre exactement ce qui se passe à chaque étape du processus, avec autant de précision que la mesure d'un échantillon en laboratoire.
Il n'est donc pas étonnant que la mesure du pH en ligne soit déjà bien établie dans des secteurs tels que l'industrie chimique et pharmaceutique. Ce qui irrite souvent les utilisateurs du secteur agroalimentaire, cependant, c'est le bruit visible dans les relevés du système de contrôle.
Cela s'explique par le fait qu'un milieu tel que le lait n'est pas une masse homogène. L'InPro X1 détecte toutes les variations, y compris le bruit indésirable causé par les bulles de gaz. L'InPro X1 nettoie les données, afin que vous n'obteniez qu'une mesure précise du pH.
La puce X-Chip : le cœur de l'InPro X1
La X-Chip, une technologie entièrement nouvelle qui surpasse toutes les technologies existantes de détection du pH, est le capteur proprement dit et le cœur de l'InPro X1. Située dans une pointe en titane, la X-Chip est en contact direct avec le milieu et utilise le même principe de mesure potentiométrique que le verre sensible au pH. Cependant, la surface en silicate de lithium de la X-Chip est liée à une couche métallique dans une structure composite et est extrêmement robuste.
Un capteur de température est situé à proximité de la puce X-Chip pour la compensation de température, et le corps du capteur est fabriqué en polymère PEEK de qualité alimentaire très résistant.
L'InPro X1 fait partie de nos capteurs Intelligent Sensor Management (ISM™). L'un des principaux avantages de l'ISM est que le signal de mesure analogique est converti dans le capteur en un signal numérique robuste qui ne subit aucune perte entre le capteur et le transmetteur.
L'InPro X1 est installé de manière permanente dans l'équipement, ce qui réduit les coûts d'installation et d'exploitation. Il est conçu non seulement pour supporter, mais aussi pour faciliter le nettoyage CIP, car il n'est pas affecté par les changements rapides de température, résiste à tous les produits de nettoyage et peut donc être utilisé pour indiquer l'activité nettoyante de la soude caustique.
Le capteur affiche en permanence la valeur actuelle du pH dans l'équipement. Et grâce au CIP, il est toujours au même niveau d'hygiène que le reste du système et prêt à l'emploi dès sa mise en service, explique M. Balz.
« Nous avons fait de notre mieux pour le casser ! »
« Nous nous sommes bien amusés à essayer de casser l'InPro X1 », raconte Balz. « Nous les avons lancés à travers la pièce, les avons fait tomber d'un toit, les avons écrasés avec une voiture, et avons même utilisé deux capteurs comme baguettes de batterie !
Avec plus d’un millier d’InPro X1 utilisés par des clients dans le monde entier, aucun dommage mécanique n’a été signalé. Le capteur a même passé avec succès le test de chute MIL-STD-810H, une procédure rigoureuse définie par l’armée américaine.
Performances solides
La robustesse du capteur est particulièrement utile dans les milieux à haute viscosité. Holger Schmidt donne deux exemples :
Le beurre aigre met un certain temps à traverser la première étape de la baratte. Pendant ce temps, les cultures ajoutées à l'entrée ont le temps d'agir et de faire baisser le pH. En contrôlant le résultat en ligne, il est possible d'ajouter les cultures avant la deuxième moitié du processus de barattage, ce qui permet de gagner du temps.
Des clients en Angleterre ont déjà mis en œuvre cette option de contrôle avec succès. Le capteur fonctionne également dans la production de mozzarella, où la viscosité est encore plus élevée. Chez un client italien, l'InPro X1 contrôle le pH et émet une alerte précoce si le produit ne se situe pas dans la plage de pH souhaitée.
Holger Schmidt, responsable du secteur agroalimentaire
Entièrement compatible et facile à manipuler
L'InPro X1 est entièrement compatible avec les équipements existants. Il peut être facilement installé a posteriori à l'aide d'un simple raccord, tel que l'InFit 761/NC de METTLER TOLEDO.
Équipé d’un raccord Ingold, SMS, DIN11851, à pince ou Varinline, l’ensemble est certifié 3A et EHEDG, et facile à nettoyer.
Grâce à une autre fonctionnalité de l’ISM, les outils de diagnostic prédictif, le nombre de jours restants avant que l’étalonnage et le remplacement du capteur ne doivent être effectués s’affiche sur le transmetteur connecté. Cela permet de planifier les travaux de maintenance pendant les périodes de non-production, évitant ainsi les interruptions imprévues du processus.
Après 80 ans - Enfin un capteur en ligne fiable
Rachel, la responsable de production, est impressionnée par les possibilités offertes par l'InPro X1, ainsi que par sa grande précision et sa robustesse.
La technologie X-Chip, entièrement développée en interne par METTLER TOLEDO, est la première innovation sur le marché des capteurs de pH destinés à l'industrie agroalimentaire depuis environ 80 ans de technologie du verre et 40 ans de technologie ISFET. Ce capteur marque le début d'une nouvelle ère : pour la première fois, la mesure en ligne du pH dans la production laitière et d'autres secteurs de l'industrie agroalimentaire est fiable et sûre, à tous les égards.
Des processus de production précis et plus rapides
Rachel souhaite que sa laiterie tire parti des avantages de la mesure du pH en ligne. Des processus de production plus précis et plus rapides permettraient à son équipe de produire davantage dans le même laps de temps sans compromettre la qualité. Une maintenance réduite rendrait leur production encore plus efficace, et la direction apprécierait l'amélioration du rapport coût/qualité/performance.
Elle est particulièrement impressionnée par la capacité à suivre 100 % du processus de production et par la facilité d'utilisation du capteur. Pour Rachel, les lots de yaourt perdus en raison d'un pH hors spécifications vont bientôt appartenir au passé.
Souhaitez-vous utiliser l'InPro X1 dans votre production ?
Holger apporte plus de 20 ans d'expérience internationale dans la mise en relation des producteurs agroalimentaires, des constructeurs d'installations et de machines, ainsi que des entreprises d'automatisation, avec une spécialisation dans les technologies de capteurs hygiéniques. Il possède 10 ans d'expérience dans la vente de machines pour l'industrie des boissons et l'ingénierie d'installations, et a obtenu le titre de maître brasseur à Weihenstephan, à l'Université technique de Munich (TUM). Holger aide les clients de METTLER TOLEDO à mettre en œuvre des solutions d'analyse en ligne afin d'améliorer leurs processus et de garantir une production de haute qualité. En tant que membre actif de l'EHEDG, il promeut et conseille sur les meilleures solutions possibles en matière d'intégration hygiénique et de nettoyage.
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