Smart sensor and optimisation systems for future food biorefineries

Enzymatisk proteinhydrolyse (EPH) er en prosessteknologi som brukes for å oppgradere restråstoffer fra animalsk og marin matproduksjon. Tilsetning av enzymer sørger for nedbrytning av råstoffet til løselige proteiner og peptider, en fettfraksjon, samt mineralrike sedimenter. Tre bedrifter har deltatt i dette prosjektet, og en viktig målsetting for dem alle er å kunne tilby godt betalte proteinprodukter for humant konsum. En hovedutfordring for å nå dette målet er å tilfredsstille de strenge kravspesifikasjonene til produkter i dette markedet. Den store råvarevariasjonen gjør at det er meget krevende å opprettholde et jevnt prosessutbytte og ønsket produktkvalitet. For å få til dette er man nødt til å ta i bruk prosesstyring, der variasjonen på innkommende restråstoffer måles og prosessen justeres til ønsket resultat. Denne type styringssystemer finnes ikke for EPH prosesser. Målet for SmartBio er derfor å videreutvikle prosesstyringsverktøy for hydrolyseprosesser, slik at EPH industrien kan ta et avgjørende steg videre mot kontrollerte og stabile prosesser, mindre avfall og mer skreddersydde produkter. Karakterisering av råvarer er et viktig steg for å kunne etablere en robust og optimal EPH prosess. Nær-infrarød spektroskopi (NIR) brukes i dag i utstrakt grad for å måle fett, protein og vann i mat. I prosjektet har vi derfor bygget opp store kalibreringer basert på råvarer fra henholdsvis Bioco og Biomega, hvor vi i tillegg har gjort kjemiske analyser av råstoffet. Etter å ha oppnådd tilfredsstillende resultater på laboratoriet, har NIR-systemet blir fraktet til Bioco / Biomega for ytterligere tilpasninger før instrumentet faktisk kunne tas i bruk. Tilfredsstillende kalibreringer ble bygget for både fett, vann og protein i begge prosesser, og instrumenteringer kunne dermed brukes videre for å dokumentere faktisk råvarevariasjon hos Biomega og Bioco. Vi har i prosjektet også arbeidet med Raman spektroskopi for å kunne kvantifisere kollagen og aske i råvarestrømmer fra Bioco. I vår studie jobbet vi med fjærfe-skrog i laboratoriet, men resultatene viser at denne teknikken har potensiale til å kunne brukes inline for estimering av både aske og kollagen i råvarestrømmer. I dag har EPH-industrien få muligheter til å analysere produktkvalitet på fabrikken. Nofima har tidligere arbeidet mye med å utvikle en metode basert på Fourier-Transform Infrarød spektroskopi (FTIR) for å estimere gjennomsnittlige molekylvekter av proteinhydrolysatene. I Smartbio-prosjektet har vi ved hjelp av produktuttak hos Biomega og Bioco for første gang vist at FTIR kan benyttes til å estimere gjennomsnittlig molekylvekter av produkter fra industriell EPH. Dette baserer vi på analyse av over 400 proteinhydrolysater med referanseanalyser. Resultatene viser dermed at FTIR-metoden er følsom nok til å plukke opp den produktvariasjonen som naturlig finnes i de industrielle prosessene, hvilket er et viktig skritt i utvikling av et industri-system for denne typen analyser. Vi har også vist at kollagen-innholdet i produktene, hvilket er en viktig faktor spesielt ved EPH av fjærfe, kan bestemmes ved hjelp av FTIR. I tillegg har vi vist at FTIR-spektret selv kan benyttes for økt prosessforståelse og prosessoptimering. En viktig del av prosjektet har omhandlet storskala testing av teknologi og metoder hos industripartnerne. For å undersøke mulige sammenhenger mellom råvaresammensetning, prosesseringsbetingelser og sluttprodukt i industriell produksjon har bedriftene stilt sine prosessdata til disposisjon. Dette har vært svært utfordrende for bedriftene, både grunnet tekniske problemer med eksport av data fra bedriftenes systemer, og på grunn av at enkelte viktige parametere ikke logges automatisk. Det er i tillegg svært ressurskrevende forskningsarbeid å sortere, vaske og strukturere prosessdata, og synkronisere dem med produktuttak og råvareanalyser. Resultatene viste likevel tydelige effekter av gitte prosesseringsbetingelser på både utbytte og hydrolysegrad. I tillegg til de konkrete funnene har både bedriftene og forskerne fått ny kunnskap om hvordan prosessdata kan eksporteres og analyseres for lignende analyser i framtidige prosjekter. For bioraffineriene Biomega og Bioco er dette første gang at kontinuerlig monitorering av råstoffet kobles med prosessparametere under hydrolysering, og frekvente uttak og kjemisk analyser av vandig fraksjon etter hydrolyse. Denne typen multivariat analyse er verktøy som bedriftene forventer å bruke mer av i fremtiden, og det er forventet at dette kan bidra til ytterligere standardisering av produktene, noe som er essensielt for å nå høyere betalte markeder. I tillegg kan kontinuerlig monitorering bidra til at en mer tilpasset bruk av prosessparametre, og dermed et høyere utbytte. Smartbio gir totalt sett et viktig bilde på mulighetene og utfordringene knyttet til industriell prosessoptimering og digitalisering, og resultatene har aktualitet langt utover enzymatisk prosessering av restråstoffer.

Verktøyene utviklet i Smartbio er noe bedriftene forventer å bruke mer av i fremtiden og som vil hjelpe bedriftene med videre standardisering av produkter, hvilket er essensielt for å nå høyere betalte markeder. I tillegg vil en mer tilpasset bruk av prosessbetingelser bidra til et høyere utbytte. Ved videre utvikling av teknologiene er dette noe både Biomega og Bioco ønsker å implementere ytterligere. Resultatet fra prosjektet er derfor viktig for å synliggjøre mulighetene for økt verdiskapning som ligger i teknologien, også som grunnlag for investeringsbeslutninger. Prosjektet har i tillegg gitt et unikt bilde av råvare- og produktvariasjon, samt kritiske prosessparametre. Aktivitetene i Smartbio vil i stor grad videreføres, både bedriftsspesifikt og gjennom andre pågående prosjekter. Smartbio viser mulighetene og utfordringene knyttet til industriell prosessoptimering, og resultatene har aktualitet langt utover enzymatiske prosesser.

Enzymatic protein hydrolysis (EPH) is a versatile processing technology of animal and marine by-products. The process involves addition of enzymes to by-products, which results in three fractions: soluble proteins and peptides, lipids, and a mineral-rich sediment. Companies worldwide are investing in this technology to fully utilise their by-products. A primary goal is to introduce protein and peptide fractions to a well-paying human market, e.g. nutrition ingredients, sports nutrition, weight control, or special products for the pet food market. The main obstacle for this goal is to meet the strictly defined product specifications in these markets. The large quality variation in the raw materials fed into the EPH processes is a challenge, since it results in a corresponding undesirable and critical variation in both process yield and product quality. Continuous process monitoring and control is required to achieve optimal yield and specified quality. The processing control tools for achieving this is non-existing in the current EPH industry. SmartBio will meet this challenge by developing novel process analytical technology, which will lead to new product innovations in the EPH industry. The technology will consist of the following parts: - New analytical tools for in-line raw material characterisation - New analytical tools for efficient product characterisation - New approaches for process control and optimization of EPH based on in-line monitoring tools The project results will enable the project partners to produce products for existing and new markets ensuring stable production, less waste and optimal product qualities. The project comprises companies like Bioco and Biomega that are and will be major players in EPH of animal and marine by-products. The SmartBio partners have all acknowledged that a successful project outcome is key to fulfil the great ambition of the participating companies: to maximise value creation from animal and marine by-products.