ГЛАВА 1. Анализ современных систем автоматизации технологического процесса производства кваса
1.1 Обзор технологических процессов
Производства кваса практически всегда состоит примерно из одинаковых этапов, а отличается лишь продолжительностью, соотношением ингредиентов и другими деталями. Ниже представлен классический рецепт кваса из бочки:
· Подготовка воды
· Приготовление сусла
· Процесс брожения
· Созревания
· Охлаждение
· Розлив
Рассмотрим подробнее стадии технологического процесса, которые необходимы для получения отечественного напитка. На первом этапе обычно готовится сырье и полуфабрикаты: ржаная мука, квасные хлебцы, сухой ржаной солод и другое. Далее из концентратов и экстрактов получают квасное сусло. На следующем этапе происходит брожение сусла, для которого задействуют дрожжи и молочнокислые бактерии. Процесс брожения является одним из наиболее ответственных этапов приготовления кваса. От него зависит насколько крепким и насыщенным в итоге будет напиток. Затем квас охлаждают, производят купаж, купажом называют смешивание сусла с сахарным сиропом до плотности, предусмотренной стандартом, и разливают в ёмкости.
Промышленное производство кваса может быть реализовано двумя способами: непосредственно из зерновых культур и из готового квасного сусла. В свою очередь квасное сусло получают несколькими способами в зависимости от используемого сырья: настойным, рациональным и из концентрата квасного сусла.
Необходимым сырьём для производства кваса являются чистая питьевая вода, сахар, концентрат сусла (из ржаной муки и сахарной свёклы), дрожжи, но состав ингредиентов может меняться в зависимости от рецепта кваса, так например этот, напиток, готовят на основе яблок, лимона, груш, клюквы и даже вишни. Данный список относится больше к натуральному квасу, но сейчас на рынке очень распространены газированные напитки, к ним относится и так называемый «квасной напиток», который готовится из газированной воды, ароматизаторов и подсластителей. Такой продукт лишен какой-либо пользы для организма и сама технология изготовления не подразумевает брожения.
Говоря о технологии производства кваса, можно сказать, что это не самый трудный процесс и работнику без профильного образования, возможно, его освоить, но качество готового кваса зависит от множества тонкостей, которые известны только специалистам с профильным образованием.
При производстве кваса непосредственно из зерновых культур приготовление происходит из исходного сырья квасного сусла и последующее изготовление самого хлебного напитка.
Второй способ заключается в разведении концентрата квасного сусла, сбраживание и получение семи и купажа.
Рассмотрим промышленное производство сусла, приготовленное непосредственно из зерновых культур. Следует отметить, что квас, приготовленный из квасных хлебцев, считается лучшим по качеству. На рис.1.1 представлена машинно-аппаратурная схема технологического оборудования по производству хлебного кваса непосредственно из зерновых культур.
Рис. 1.1 Машинно-аппаратурная схема комплекса технологического оборудования по производству хлебного кваса
Хлебоприпасы 1, измельчаются в дробилке 2. Из них получаются хлебцы, то есть сухой квас, он подаётся транспортером 3 на весы 4на тележке 5 , оттуда через бункер 6 – в настойный чан 9 для приготовления сусла. Туда же поступает самотеком или закачивается насосом 8 подогретая в баке 7 вода. Для кваса по технологии естественного брожения, используется только чистая питьевая вода. Она должна соответствовать СанПин 2.1.41074-01. Воду обязательно кипят или обрабатывают фильтром с ультрафиолетовым излучением, так как там не должно быть патогенных организмов, потому что они могу повредить процессу брожения. Следует отметить, что родниковая, талая или высокогорная вода придает напитку более насыщенный вкус, к тому же является более полезной, нежели вода из крана. Требования к стерильности воды для кваса достаточно высоки.
Насосом 10 готовое сусло через теплообменники 11 перемещается в бродильный чан 12 и после брожения и охлаждения перекачивается насосом 13 в купажный чан 14. Далее после купажирования насос 15 подает хлебный квас для охлаждения в теплообменник 16 и транспортную тару 17 (например, автотермоцистерну).
Из сироповарки сахарный сироп 19 концентрацией 60–65 , который готовят при соотношении воды и сахара 1 : 1,5 или 1 : 1,8 ,задается дозатором 20 в бродильный 12 и купажный 14 чаны, заметим, что брожение кваса представляет собой метаболический процесс незавершенного спиртового (сахар превращается в спирт) и молочно - кислого брожения. Дрожжи и молочно - кислая закваска поступают из сборников 21 и 22 в бродильный чан 12 через смеситель 22. Необходимо следить, чтобы температуры была 24 градусов. Рассол для охлаждения из холодильной установки 26 насосом 27 подается в бродильный чан 12, теплообменник 16 и при необходимости в теплообменники 11. Гуща из аппаратов 9 и 12 перекачивается в сборник 18 насосом 25.
Хлебный квас приготовляется по непрерывно-замкнутой схеме, в бродильно-купажных аппаратах, при всех существующих способах получения сусла. Процесс проходит в замкнутом контуре в анаэробных условиях при периодическом поступлении квасного сусла на брожение. Сироп, дрожжи, молочнокислая закваска вносятся пневматически, также пневматически квас поступает на розлив. В бродильно-купажных аппаратах совмещаются процессы брожения, дрожжеотделания, охлаждения, купажирования и насыщения кваса диоксидом углерода, который образуется в результате брожения, благодаря чему напиток и пениться, но в отличие от газировки, квас не насыщают СО2 искусственно.
Хлебное сусло из настойного чана насосом перекачивается в теплообменник для охлаждения. Как только сусло охлаждается до 30°С оно поступает в бродильно-купажный аппарат, куда через смеситель монжи, монжа – это вертикальная или горизонтальная ёмкость из алюминия, которая снабжена охлаждающей рубашкой и устройствами для подвода воды и СО2, пневматически под давлением, которое создаётся воздушным компрессором, подаются дрожжи и молочнокислая закваска.
Сахарный сироп из двустенного котла под давлением поступает в сборник-дозатор, а из него также пневматически на брожение и купаж.
При сбраживании квасного сусла закрытым способом оно поступает через теплообменники в бродильно-купажный аппарат, охлажденным до температуры 30 °С. В сусло добавляют из сборника-дозатора сахарный сироп плотностью 62…65 % по сахарометру (25 % сахара от его общего расхода). Одновременно пневматически через смеситель монжу подают чистую культуру дрожжей и молочнокислую закваску.
Производство кваса из концентрации квасного сусла.
При получении квасного сусла из концентрата, процесс значительно упрощается.
В соответствии с рисунком 1.2, концентрат квасного сусла, доставляемый на завод в автоцистернах 1, перекачивается насосом 2 через мерник 4 в сборник 3. При поступлении концентрата квасного сусла в бочках 5 их устанавливают на поддон 6, ополаскивают горячей водой, и концентрат насосом 7 перекачивают через мерник 4 в сборник 3 для хранения. Сахар (жидкий рафинированный), доставляемый в автоцистернах 11, насосом 2 через теплообменник 12 и мерник 14 подают в сборники 13 с бактерицидными лампами 15. При поступлении на завод затавренного в мешки 16 сахара-песка последние снимают с автомашины на поддон, 18 автопогрузчиком 19 и перевозят для хранения на склад. По мере надобности сахар взвешивают на весах 20, норией 21 загружают в бункер 22 и подают в сироповарочный котел 23, куда предварительно налита вода. Готовый сахарный сироп насосом перекачивают через фильтр 24 и теплообменник 25 в сборник 17.
Воду, используемую на технологические нужды, направляют в промежуточный сборник 36. Оттуда она поступает в песочный фильтр 37 и из него через сборник 35 насосом направляется на керамические свечные фильтры 39 для тонкого фильтрования. Отфильтрованная вода поступает в сборник 40.
Для приготовления квасного сусла концентрат квасного сусла насосом 2 перекачивают через мерник 4 в сборник 8, где его разбавляют горячей водой. Из сборника 8 разбавленный концентрат квасного сусла насосом 9 через теплообменник 10 поступает в бродильно - купажный аппарат 27. Сюда же из сборника 17 подают расчетное количество сахарного сиропа, из сборника 40 – воду, а из аппарата 33 – смешанную дрожжевую и молочно-кислую закваску. Чистую культуру дрожжей готовят в аппаратах 31 и 32, а чистую культуру молочнокислых бактерий – в аппаратах 34 и 38. Затем чистые культуры дрожжей и бактерий перекачивают в аппарат 33. Сброженное в аппарате 27 квасное сусло охлаждают, выводят осевшие дрожжи в сборник 26, а в бродильно-купажный аппарат вводят еще раз расчетное количество сахарного сиропа и колера, который готовят в аппарате 30 и выдерживают в сборнике 29. Купаж кваса тщательно перемешивают и направляют на розлив в автоцистерны 28. При фасовании в бочки или бутылки в схеме предусмотрено использование изобарических фасовочных машин.
Рис. 1.2 Линия производства хлебного кваса из концентрата квасного сусла
Линия производства хлебного кваса из концентрата квасного сусла включает в себя следующее оборудование: 1,11,28 – автоцистерны; 2,7,9 – насосы; 3,8,13,17,26,29,35,40 – сборники; 4,14 – мерники; 5 – бочки; 6,18 – поддон; 10,12,25 – теплообменники; 15 – бактерицидные лампы; 16 – мешки; 19 – автопогрузчик; 20 – весы; 21 – нория; 22 – бункер; 23 – сироповарочный котел; 24 – фильтр; 27 – бродильно-купажный аппарат; 30 – аппарат; 31,32 – аппараты для приготовления чистой культуры дрожжей; 33 – аппарат для приготовления смешанной закваски; 34,38 – аппараты для приготовления чистой культуры молочнокислых бактерий; 36 – промежуточный сборник; 37 – песочный фильтр; 39 – керамические свечные филь
Рассмотрим еще одну технологию производства хлебного кваса и концентрата квасного сусла.
Как уже было сказано выше, процесс получения квасного сусла из концентрата намного проще.
В целях повышения аромата купажированного кваса на брожение поступает 70 % расчетного количества концентрата, а 30% – при купаже с сахарным сиропом. Аппарат герметически закрывают, брожение идет в анаэробных условиях. Весь образующийся диоксид углерода сохраняется, между крышкой аппарата и поверхностью сусла создается атмосфера насыщенного диоксида, создающая избыточное давление 0,12…0,15 МПа. После 8 ч брожения сусло охлаждают до температуры 6…8 °С. При этом основная масса дрожжей оседает в камере дрожжеотделителя аппарата. Дрожжеотделитель перекрывают ложным дном до окончания розлива кваса.
В аппарате же производят купажирование, добавляя остальные 75 % – необходимое количество сахара в виде сиропа и 30 % концентрата квасного сусла. Сироп и концентрат подаются под давлением, превышающим давление в аппарате на 0,02…0,03 МПа во избежание потерь диоксида углерода.
Скупажированный хлебный квас выдерживают в купажных аппаратах при циркуляции хладагента в змеевиках и рубашке. В течение 30…60 мин происходит некоторое охлаждение кваса, осаждание остаточных частиц хлебоприпасов и взвешенных остаточных дрожжей. После этого квас самотеком или принудительно насосом подается в теплообменник, где окончательно охлаждается до температуры 6…8 °С. Квас из теплообменника разливают в транспортную тару или же направляют в сборники готовой продукции.
Освобожденный бродильно-купажный аппарат заполняют суслом для следующего цикла. Каждый аппарат непрерывно делает 6…8 оборотов с использованием 50 % остаточных дрожжей и молочнокислых бактерий. Микрофлора контролируется лабораторией. После 6…8 оборотов аппарат подвергают санитарной обработке, а дрожжевой осадок удаляют в сборник кормовых отходов.
Вначале приготовляют купажный сироп, для чего в купажный аппарат подают расчетное количество питьевой воды и при постоянном перемешивании вводят концентрат квасного сусла, сахарный сироп, колер и молочную кислоту в количестве, определяемом рецептурой и обеспечивающем содержание 7,3 г сухих веществ 100 г напитка. Готовый купаж охлаждают до 6…8 °С и подают к сироподозирующему автомату разливочной линии, посредством которого его наливают в бутылки; затем бутылки доливают газированной водой.
Для лучшего осветления молодой квас охлаждают до 4…5 °С и отстаивают в течение 8…12 ч.
Затем в него добавляют сахарный сироп до стандартной концентрации, фильтруют и разливают квас в бутылки. В бутылках при температуре склада 16…18 °С брожение усиливается, в результате чего за 34…40 ч напиток насыщается СО2 и приобретает вкус, аромат и освежающие свойства, присущие хлебному квасу.
Средние размеры потерь кваса принимаются следующие: в бродильном отделении – до 4 %, при купажировании – 3…4 %, при розливе в бочки – до 2 %, розливе в бутылки – 3 %.
Расход холода, включая охлаждение склада готовой продукции, составляет 3900 кДж, а расход воды – 8,9 дал на 1 дал кваса.
Рис. 1.3 Машинно-аппаратурная схема комплекса технологического оборудования для производства хлебного кваса из концентрата квасного сусла
Комплекс включает в себя следующее оборудование: электрокар 1; весы 2; подъемник 3; бункер 4; автоматические весы 5; сироповарочный котел 6; сетчатый фильтр 7; насосы 8 и 15; теплообменник 9; сборник сахарного сиропа 10; дозатор 11; бродильно-купажный автомат 12; автотермоцистерна 13; сборник дрожжей 14; стерилизатор 16; бродильный сосуд для дрожжей 17; бродильный сосуд 18 для молочно-кислых бактерий; аппарат 19 для приготовления закваски; трубка 20 для уравнивания давления.
Комплекс технологического оборудования для ускоренного производства кваса из концентрата квасного сусла представлен на рис. 1.4.
При таком методе приготовления кваса, концентрат квасного сусла перекачивают с помощью насоса через мерник в емкость сборника. Здесь его разбавляют водой заданной температуры до необходимой концентрации. Полученная смесь насосом перекачивается через теплообменный аппарат и попадает в бродильно-купажный.
В бродильно-купажном аппарате раствор смешивается с расчётным количеством сахарного сиропа, добавочным количеством воды из сборника и необходимой массой комбинированной молочной и дрожжевой закваски. Для оседания и удаления из сброженного сусла дрожжей, его расхолаживают. Осевшие дрожжи выводят в специальный сборник.
В бродильно-купажный аппарат вновь вводят необходимое количество колера и сахарного сиропа. Готовый продукт направляется на розлив, укупорку, оформление этикетками и упаковку в полиэтиленовую термоусадочную пленку.
Вода, которая использовалась для технических нужд, перекачивается из промежуточного сборника через песочный фильтр. Здесь она осветляется и затем насосом пропускается через керамические свечные фильтры, для процесса тонкого фильтрования. Рекуперированная вода сохраняется в емкости сборника.
Рис. 1.4 Машинно-аппаратурная схема комплекса технологического оборудования для ускоренного производства кваса из концентрата квасного сусла
Техническая характеристика комплекса технологического оборудования для ускоренного производства кваса из концентрата квасного сусла:
• Производительность л/сут 600
• Установленная мощность, кВт 110
• Габаритные размеры, мм 4300х400х210
Сравнивая эти три процесса производства кваса, мы пришли к выводу, что необходима автоматизация некоторых процессов.
Анализ технологических особенностей производства кваса показывает, что при управлении технологическим процессом необходимо проведение правильного дозирования компонентов.
Анализ современных систем автоматизации технологического процесса производства кваса показал, что необходима автоматизации некоторых процессов, одним из таких процессов является участок дозирования компонентов.
1.2.Анализ современных систем автоматизации технологического процесса производства кваса
Автоматизация – это техническая дисциплина, которая занимается изучением, созданием и разработкой автоматических устройств и механизмов, с целью освобождения человека в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов, изделий и информации, либо существенного уменьшения степени этого участия или трудоёмкости выполняемых операций.
Автоматизация технологического процесса – это совокупность методов и средств, которые позволяют управлять производственными процессами, без участия физического труда человека. Автоматизация производственных процессов существенно упрощает работу, увеличивает производительность труда, повышает его безопасность, повышает качество продукции, позволяет использовать производственные ресурсы более рационально, в частности и человеческий потенциал. Все эти процессы требуют высокой квалификации специалистов, разработки и введения различных программ, конструирования ,наладки автоматических систем и многих других функций, тем самым труд человека не исчезает, а лишь меняет характер и содержание.
При автоматизации технологических процессов и производств создается автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП), где перераспределяются ресурсы с учетом степени автоматизации.
АСУ ТП – это автоматизированная система управления для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления (ТОУ) в соответствии с принятым критерием управления – показателем, характеризующим качество работы технологического объекта управления и принимающим определенные значения в зависимости от используемых управляющих воздействий.
ТОУ – технологический объект управления – это совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства.
Автоматизированные системы управления должны отвечать следующим требованиям:
• Простое управление
• Безопасность
• Надежность
• Оперативность
• Энергетическая эффективность
При разработке АСУ ТП учитывается предназначение автоматики, специфика производства и прочие важные моменты, которые обеспечивают нормальное функционирование предприятия. Однако существует общий принцип построения систем промышленной автоматики, согласно которому АСУ ТП строится по иерархической схеме, трёхуровневому принципу.
Рис. 1.5 Иерархическая схема АСУ ТП
1. Нижний уровень (полевой уровень).
Уровень оборудования (входов/выходов – Input|Output-level).
АСУ ТП представляет собой датчики (сенсоры), измерительные устройства, измерительные устройства, контролирующие управляемые параметры, исполнительные механизмы, воздействующие на параметры процесса, для приведение их в соответствие с заданием. На этом уровне осуществляется согласование сигналов датчиков с входами устройства управления, а вырабатываемых команд с исполнительными устройствами.
2. Средний уровень (уровень контроллеров).
Уровень управления оборудованием – Control level.
Это уровень контроллеров (ПЛК-PLC, Progrаmаblе Lоgiс Сontroller), которые устанавливаются внутри шкафов автоматизации. Получая информацию от нижнего уровня, контроллеры передают ее на верхний уровень. ПЛК – программируемый логический контроллер – получает информацию с контрольно – измерительного оборудования и датчиков о состоянии технологического процесса и выдаёт команды управления, в соответствии с запрограммированным алгоритмом управления, на исполнительные механизмы. Контроллеры при этом функционируют без участия человека.
3. Верхний уровень (диспетчерский уровень)
Высшая ступень в иерархии АСУ ТП. Этот уровень общей структуры АСУ ТП представляет собой систему серверов, компьютеров, мониторов, на которых визуализируются все изменения параметров работы технологических процессов, аварийное срабатывание оборудование.
Верхний уровень – уровень мониторинга (диспетчеризации), в работе которого принимают участие операторы. Оборудование и программное обеспечение осуществляет выдачу, хранение, сбор необходимой информации по запросу
Рассмотрев типовую структуру АСУ ТП, мы пришли к выводу, что нам для автоматизации процесса производства кваса с использованием пряно-ароматического сырья подходит трёхуровневая ступень.
Различаю три степени автоматизации: частичную, комплексную и полную автоматизацию.
1. Частичная автоматизация затрагивает только отдельные операции или установки, которые выполняют ряд действий, недоступных или сложных для человека. В этом случае человек не освобождается от участия в производственном процессе, но такая степень автоматизации облегчает его труд, если операция, например, слишком быстрая.
2. Комплексная автоматизация охватывает целую цепь отдельного узла или цеха, которая выполняет ряд действий по выполнению поставленной задачи. В данном случае функции человека сводятся к наблюдению, анализу за ходом процесса, изменению режима работы оборудования для достижения наилучших технико-экономических показателей.
3. Полная автоматизация предполагает, что система сама осуществляет не только процесс производства, но и полный контроль над ним, который проводят автоматические системы управления. При полной автоматизации физический труд человека полностью заменяется машинным.
Рассмотрев все степени автоматизации, мы можем сказать, что в нашем случае, нам подходит полная автоматизация, так как введение пряно-ароматического сырья увеличивает требования к параметрам технологического процесса, то есть к концентрации всех добавок и к точности температуры сырья на всех этапах жизненного цикла продукции.
Поскольку пряно-ароматическое сырье чувствительно к параметрам температуры и дозирования, существующий технологический процесс не позволяет выдерживать нужные параметры и зависит от человеческого фактора, вследствие того, что контроль всех параметров проводился за счет визуально информации (визуальных датчиков), показательных приборов.
Для того чтобы избавиться от этих недостатков, необходима полная автоматизация технологического процесса производства кваса, для этого нами была разработана функциональная схема участка дозирования и регулирования температурных параметров.
?
ГЛАВА 2. Разработка функциональной схемы автоматизации технологического процесса производства кваса с использованием натурального пряно-ароматического сырья
2.1 Разработка основной функциональной схемы автоматизации технологического процесса производства кваса с использованием натурального пряно-ароматического сырья
На основании технологического процесса (рис. 1.4) с учетом параметров влияющих на качество продукции нами была разработана функциональная схема участка дозирования и регулирования технологических параметров (рис. 1.2),что позволяет получить наглядное представление о том, на каком этапе необходимо регулировать те или иные параметры. Функциональная схема автоматизации производства кваса помогает получить более наглядное представление о том, как выглядит технологический процесс, когда установки и оборудование функционируют в автоматическом режиме. Как уже было сказано ранее, автоматизация технологических операций повышает производительность и сокращает производственные потери.
Рис.2.1 Функциональная схема автоматизированного процесса производства кваса с использованием натурального пряно-ароматического сырья
Линия производства хлебного кваса из концентрата квасного сусла включает в себя следующее оборудование:1- бак с водой; 2- насос; 3- котел сироповарочный; 4- насос; 5- котел варочный; 6- насос; 7 – бродильный аппарат; 8- купажная ёмкость; 9 – насос; 10 – ёмкость с натурально пряно-ароматическим сырьем; 11 - насос.
Это происходит за счет того, что персоналу больше не требуется вручную подготавливать сырье, дозировать компоненты, разливать готовый продукт в ёмкости. Работники освобождаются от однотипных и сложных операций, специальные датчики модули и контроллеры, которые регулируют, сигнализируют и выполняют другие важные функции, при этом предприятие получает очевидную экономическую выгоду.
Таблица 2.1 Технологические процессы, рабочие параметры
Номер участка
Название участка
Процесс Рабочие параметры процесса
1. Бак подготовки воды Вода, использованная для технических нужд, перекачивается из промежуточного сборника через песочный фильтр. Здесь она осветляется и затем насосом пропускается через керамические свечные фильтры, для процесса тонкого фильтрования. Рекуперированная вода сохраняется в ёмкости сборника.
?
Продолжение табл. 2.1
Номер участка Название участка
Процесс Рабочие параметры процесса
2. Насос тип «Calpeda» Самовсасывающие моноблочные центробежные насосы с открытым рабочим колесом.
3. Котел сироповарочный Колероварочный аппарат предназначен для производства сахарных сиропов различных видов. Котел представляют собой емкость, состоящую из трех слоев и рубашки, теплоносителя или пара под давлением, который утеплен при помощи минеральной ваты, он располагается на опорах, дно в виде конуса, крышка 1/3. Перемешивающее устройство оборудовано фторопластовыми скребками и мотором редуктором.
Для нагрева используется ТЭНая коробка, которая расположена в нижней части котла.
Дабы в нижней части котла не образовывалась застойная зона, котел оборудован грибковой пробкой. Колеровароч-ный котел оборудован большим числом нагреватель-ных ТЭНов, разогревающих до более высокой температуры (до 250 °С).
Количество оборотов мешалки составляет 28…30 мин-1
?
Продолжение табл. 2.1
