Лекція 4 Практичні методи оптимізації технології пива

1. Моделювання технологічних процесів пивоваріння

2. Якість продукції як критерій оптимальності технології.

3. Використання фундаментальних наукових дисциплін

для оптимізації технологічних процесів

1. Моделювання технологічних процесів пивоваріння постійно розвивається. Найпростішими фізичними моделями є стендові макети карусельної солодосушарки, схема суміщеної технології замочування і солодорощення,а також цехів спиртових заводів.

До діючих моделей відносяться дробарки,які разом із ситами можна використовувати для оптимізації фракційного складу помелу солоду і несолоджених зерно продуктів.для оптимізації технологічних параметрів приготування заторів із різних зернопродуктів можна використовувати лабораторні механічні заторні апарати.

Велику увагу було приділено створенню модельного сусловарильного агрегату. Такий чотирьох апаратний агрегат на 10-15л сусла був реалізований у 1976-82рр в умовах Київського пивзаводу №1 за допомогою установки виконано низку експериментів, зокрема з отримання пива із заміною до 90% солоду несолодженим ячменем із застосуванням і без ферментних препаратів. Створена також і модель бродильного апарату на таку кількість пива.

Але експлуатація цієї міні пивоварні виявила і недоліки щодо недостатньо повного моделювання реального виробництва,через значно великий коефіцієнт масштабування. Орієнтовно 2кг засипу порівняно з реальним на заводі 2000кг дає коефіцієнт 1:1000, навіть більше. Фізичні розміри шару дробини не супроводжувались відповідним до реального механізмом перемішування і створенням умов фільтрації затору та промивання дробини. Апарат бродіння і доброджування мав шпунтапарат із занадто великою інерційністю і не забезпечував необхідного тиску.

У 1986-88рр створено міні-пивоварню потужністю 100л пива за один цикл для дослідницьких цілей,в основному з технологічної оцінки сортів хмелю в НДПТІ хмелярства в м.Житомирі. Дана установка має коефіцієнт масштабування 1:100 відносно середнього пивзаводу із засипом 3т і цілком задовільно моделює всі технологічні процеси виробництва пива.

Вона призначена саме для експериментальних цілей на відміну від міні-пивоварень,які мають потужність 500-3000л за один цикл і виробляють товарне пиво.

На основі відтворення реальних технологічних процесів за допомогою фізичних моделей створюються математичні моделі В основному,це є залежності однієї величини(критерію) від іншої(впливового фактору) за умови стабілізації інших керуючих факторів. Отримуються вони під час одно факторного експерименту. Більш адекватними моделями можна визначити оптимальні значення факторів для досягнення оптимуму заданої функції(критерію).

2. Під час використання цього показника слід прагнути до його максимальної об'єктивності та інформативності. Такими критеріями для пива і напоїв є балова оцінка,для солоду-показник якості,що вбирає в себе борошнистість, число Кольбаха, кінцевий ступінь зброджування, різниця екстрактивності тонкого і грубого помелів солоду.

До якості продукції відноситься також і асортимент,оптимізацію якого вирішують за показниками впливу на здоров'я людини,а також за економічними показниками:попит, збут, маркетинг, собівартість, прибуток тощо.

Найчастіше для оцінки якості застосовують окремі показники,які є найбільш актуальними безпосередньо для конкретного виробництва. Завжди враховують вимоги стандартів, причому саме для цільової продукції. Наприклад,низький вміст білку в ячмені сприяє відмінній якості пива,але дає погану перлову крупу. Висока якість-це приріст валового продукту(кількість і вартість),скорочення втрат під час зберігання й реалізації,збільшення виходу з одиниці сировини,зниження всіх виробничих витрат.

Визначення цінності харчової продукці, її біологічна користь базуються на показниках: доброякісність, енергетична здатність, сенсорні (органолептичні) та фізіологічні властивості.

Доброякісність – це відсутність шкідливих для людини речовин(отрути, важкі метали, токсини), сторонніх домішок, патогенних мікроорганізмів.

Енергетична цінність визначається вмістом жирів, білків і вуглеводів. Для цього кількість, у відсотках, жирів множать на число 37,7, а білків – на 16,7 і вуглеводів-на 15,7. Результати складають і виражають у джоулях на 100г продукту.

Сенсорна, або органолептична цінність визначається органами відчуттів. Особливо велике значення має для наших смакових продуктів, сприяє засвоєнню основної їжі, підвищенню тонуса тощо.

Фізіологічна цінність визначається наявністю корисних елементів для процесів обміну речовин, що впливає на нервову, серцево-судинну і харчову системи.

Для оцінки рівня якості продукції, тобто ступеня її відповідності згідно призначенню необхідно враховувати функції харчування,основними з яких є три наступні.

Перша - постачання організму енергії. Головне при цьому-баланс надходження і витрачання енергії для забезпечення процесів життєдіяльності.

Друга - постачання організму пластичних речовин,в основному білкових,менше-мінеральних речовин,жирів і ще менше-вуглеводів. Ця функція пов'язана з постійним руйнуванням клітин та їх компонентів,що вимагає відновлення їх за рахунок хімічних речовин продуктів харчування.

Третя - постачання організму біологічно активних речовин(БАР), необхідних для регулювання процесів життєдіяльності - ферментів і гормонів. Як і ті, і другі синтезуються в організмі з речовин,що надходять до нього а також за їх допомогою.

Четверту функцію харчування останнім часом формулюють більш вузькі спеціалісти-нутріціологи науки з харчування людини і тварин) - набуття організмом імунітету. Це залежить, перш за все, від достатнього вмісту в їжі повноцінних(необхідних)білків і вітамінів.

Цікаво,що людині потрібні біля 50 речовин, і всі вони є в хлібі, як стверджує відомий фахівець проф. Є.Д.Казаков. Якщо проаналізувати сировину сировину для хліба (зерно продукти) і для пива (ще й хміль з 400 речовинами), а також перетворення хімічних речовин, то однозначно можна стверджувати,що пиво має цілком порівнювану цінність з хлібом.

Оптимізація якості продукції спирається на процеси стандартизації: вимоги до сировини,вимоги до якості напівпродуктів,вимоги до товарної продукції. Вимоги формуються під час розроблення стандартів як державних, галузевих, так і особливо підприємств (СТП) в межах Системи управління якістю продукції. Існує навіть девіз “До якості-через стандарт”. Але для зразкових виробників, наприклад Японії, він не задовольняє. Більш перспективним є напрям задоволення споживача не тільки за найвищим рівнем, а за такими показниками ,про які він ще не знає. Тому, якщо в Європі й США стандартами допускається один-два дефектні вироби зі ста, то в Японії один-два на один мл виробів,тобто в 10⁴ разів менше.

Людський фактор також сприяє оптимізації якості. В європейських фірмах контролюють до 15% працівників,а в Японії-лише до 5% і навіть 1%. Поряд з підвищенням відповідальності,більш важливим є навчання керівників питанням якості, але щонайважливішим-навчання виконавців, які не тільки знають,а й відчувають ці питання.

Збільшення витрат на попередження браку дає скорочення загальних витрат.

Потрібна більш чітка економічна категорія - вартість якості.

3. Оптимізація виробничих процесів, які визначаються конкретністю,прикладними чіткими параметрами неможлива без глибокого знання широкого кола фундаментальних наукових дисциплін: хімічних, фізичних, математичних, економічних. Узагальнені результати їх застосування в таких науково-навчальних дисциплінах, як технічна мікробіологія,процеси і апарати та обладнання, теоретичні основи харчових виробництв, що є безпосередньою базою технології галузі. Загально визнані закони і критерії, математичні моделі є основою для оптимізації конкретних технологічних процесів. Наприклад, закон Пуазейля - для удосконалення технологій розділення пивних заторів і фільтрування пива, а закон Генрі-сатурації напоїв.

Для оволодіння теорією і практикою дисципліни оптимізації технології галузі необхідно,перш за все,приділити увагу аналізові явищ і понять,на яких базуються сучасні і перспективні технологічні способи і режими.

Бродіння і дихання:в чому вони єдині і протилежні,енергетика їх,математичне описування і аналіз рівнянь, позитивна і негативна ролі у виробництві,зовнішні фактори для регулювання їх перебігу.

Ферменти і ферментні препарати: класифікація, виділення основних груп,основні принципи їх дії та особливості використання.

Екстрагування і дифузія, рушійна сила процесу, математичні моделі та їх аналіз.

Суспензії та їх розділення відстоюванням, до- та відцентровими силами.

Фільтрування та рушійні сили, впливові фактори, ультрафільтрація.

Методика функціонально-вартісного аналізу (ФВА) спрямована на системне дослідження об'єкту (процеса, вибору, структури) з метою підвищення ефективності використання ресурсів (матеріалів, праці, енергетики). Початок і становлення цієї методики припадає на 1940-1950-ті рр..

Характеризуючи суть методики, англійський економіст В.Л.Гейдж зазначив: ”ФВА є концентрованою а такою на “надлишкову” вартість, перш за все на ту її частину, яка зумовлена недосконалістю конкуренції.

ФВА є основою раціоналізаторської та винахідницької діяльності. У 1947р. фірмою “дженерал електрик” створена група на чолі з Л.Д.Майлзом. За 17 років фірма мала економію за рахунок цього 200млн дал., а в 1965-68рр-25дал на 1 дал витрат. В СССР під час 2-ї Світової війни цим питанням приділено увагу у зв'язку із впровадженням морфологічного аналізу виробництв. В 1949-52рр виконано низку робіт Ю.М.Соболєвим. Він сформулював основу метода-індивідуальний підхід до кожного елемента конструкції(процесу), розподілення елементів за принципом функціонування на основні та допоміжні,знаходження нових, більш вигідних рішень. Автор удосконалив мікротелефон із зниженням його собівартості в 1,7 рази.

З 1976р. методика ФВА застосовується Міністерством електротехнічної промисловості,а з 1979р. такі роботи ідуть в Мінмашлегхарчопромі. В Німеччині з 1978р. ціна на новий виріб затверджується лише після проведення ФВА за встановленим порядком.

Удосконалення конкретного об'єкта за допомогою ФВА на підприємстві здійснює тимчасова робоча група(ТРГ). В групу рекомендується включати,крім спеціалістів-технологів і економістів,також раціоналізаторів,не пов'язаних з досліджуваним об'єктом (“з вулиці” або з підприємства “через дорогу”)

Робота з ФВА іде в сім етапів:

1. Підготовчий. Вибір об'єкта і мети:зниження собівартості,ліквідація браку,підвищення якості напівпродукта тощо. Формування кількісного або якісного виразу,очікуваного ефекту у відсотках.

2. Інформаційний. Збір інформації щодо функціонування об'єкту на суміжних підприємствах,в літературних джерелах. Систематизація відомостей про об'єкт, створення його структурно-елементної моделі, якомога детальнішої.

3. Аналітичний. Аналізують функції об'єкта в цілому і кожного найдрібнішого елемента. Класифікують, виявляють найголовніші й другорядні,ліквідують гіпотетично недоліки за допомогою економічних розрахунків.

4. Творчий. Уточнюють відомості про об'єкт (етап 2), виходячи з потреб попереднього етапу 3. Розробляють методику досягнення обраної мети з активізацією всієї роботи, залученням різних варіантів.

5. Дослідницький. Відбір і випробування різних рішень. Порівняння їх і визначення оптимального рішення за цільовим призначенням.

6. Рекомендаційний.аналіз всієї виконаної роботи за етапами і прийняття підсумкового рішення для впровадження.

7. Впроваджувальний. Оформлення офіційного наказу,розпорядження з призначенням виконавців, термінів, заохочень тощо.

Таким чином, одне з основних положень ФВА – розподілення функцій технічного об'єкту (процесу) на основні і допоміжні, тобто систематизація їх з наступним аналізом. Ця методика подібна просто техніко-економічному аналізу (ТЕА), але має принципову відмінність. Якщо ТЕА має констатуючий, фіксуючий характер, то ФВА-створюючий. ФВА спирається на колективну творчість в пошуку нових способів виконання функцій об'єкта.

Лекція № 5 ОПТИМІЗАЦІЯ ПОДРІБНЕННЯ ЗЕРНА ТА ПРИГОТУВАННЯ ЗАМІСІВ СПИРТОВОГО ВИРОБНИЦТВА

1. Вплив якості подрібнення зерна на розварювання замісу, оцукрювання розвареної маси та зброджування сусла.

2. Одержання помелу рівномірного ступеню подрібнення та надтонкого помелу.

3. Використання ферментних препаратів на стадії приготування замісу.

Виробництво спирту з крохмалевмісної сировини передбачає використання картоплі та різних зернових культур. З причини економічної недоцільності переробки картоплі в спирт питання оптимізації такої технології дана дисципліна не розглядає. Крім цього, за виключенням стадій підготовлення сировини і температурно-часових умов розварювання принципової різниці між технологією спирту з зерна і картоплі немає.

Першою технологічною стадією виробництва спирту з зерна є його подрібнення, приготування та водно-теплова обробка одержаного замісу.

Мета водно-теплової обробки зерна полягає в зруйнуванні клітинної структури сировини і переведення крохмалю в розчинний стан. Це необхідно для забезпечення оптимальних умов оцукрювання крохмалю амілолітичними ферментами і гідролізу білкових речовин.

Порушення клітинної структури сировини досягають подрібненням її на дробарках і спеціальних машинах з наступною водно-тепловою обробкою. Високодисперсні помели (ВД) зерна, одержані з використанням дезинтеграторів, шарових дробарок, корундових, струменевих та інших машин не тільки порушують структуру зерна, клітин і крохмальних зерен, а і механодеструдують полімери - крохмаль, білки та ін., що дозволяє проводити їх водно-теплову обробку при температурах не вище 100°С. У результаті використання ВД помелів зерна зменшуються втрати зброджуваних речовин при розварюванні і зменшуються витрати теплової енергії.

Одним із нових наукових напрямів на стику двох наук - механіки і хімії є механохімія. Механохімія вивчає хімічні перетворення речовин, що проходять під дією механічних сил та переходу механічної енергії в різні форми хімічної. Такі пе­ретворення відкривають перспективи створення нових оригінальних способів пе­реробки зерна в спирт.

Саме тому перспективним для спиртової промисловості є створення прогресивних технологій спирту з використанням дезінтеграторних, вібраційних, електромагнітних та інших подрібнювачів з метою більш ефективного викорис­тання сировини і оцукрюючих матеріалів, а також зменшення витрат теплової енергії.

На всіх спиртових заводах України, що переробляють крохмалевмісну сировину, встановлені безперервно діючі апарати для подрібнення, водно-теплової об­робки і оцукрювання розвареної маси. Усі безперервні способи переробки сирови­ни в спирт потребують попереднього його подрібнення.

При використанні звичайних подрібнювачів (молоткові дробарки, вальцеві станки), дисперсність помелів характеризується такими показниками: прохід помелу зерна крізь сито з діаметром отворів 1 мм складає 60...90 %. Такий помел, як правило є неоднорідним за розміром частинок, тому мілкі частинки підлягають надмірній тепловій обробці, утворюється значна кількість продуктів оксиметилфурфурольного розкладу цукрів і меланоїдинової реакції, а крохмаль великих частинок не повністю переходить у розчинний стан, внаслідок чого збільшуються втрати зброджуваних речовин.

На деяких заводах для одержання більш високодисперсного і рівномірного помелу використовують спосіб подрібнення зерна в дві стадії. На першій стадії зерно подрібнюють на молотковій дробарці, одержаний помел пневмотранспортом або системою механічних транспортерів спрямовують на розділювач з ситами для одержання двох фракцій помелу з різними розмірами частинок, наприклад, більше 1 мм і менше 1 мм. На другій стадії крупну фракцію помелу подають на повторне подрібнення на валкових станках.

Використання двоступеневого способу подрібнення зерна дозволяє зменшити температуру і тривалість розварювання замісів сировини і зменшити втрати збро­джуваних речовин. Але використання такого способу ускладнює технологічну схе­му, потребує додаткового обладнання і виробничих площ, збільшує витрати електроенергії на подрібнення зерна та транспортування помелу.

Витрати пари на розварювання досить значні - біля 15 кг на 1 дал виробленого спирту (приблизно 50 % по масі сировини). Використання високодисперсного помелу дозволяє проводити теплову обробку замісів сировини при температурі не вище 100 °С, зменшити витрати пари на розварювання замісів на 50...70 % у порівнянні з розварюванням замісів із крупного помелу зерна і збільшити вихід спирту на 2,5...3 %.

Для одержання високодисперсних помелів можуть бути використані апарати різної конструкції.

Ролико-маятникові млини з сепаратором типу СМ-493 випробувані в промислових умовах з позитивними результатами. Проте, навіть, для забезпечення помелом зерна спиртового заводу потужністю біля 1000 дал спирту на добу такі досить громіздкі за конструкцією.

Високодисперсні суспензії одержують за допомогою ультразвукових прохідних хімічних апаратів типу УПХА- РЗ, УПХА-Р18 та ін., створені на основі циліндричних магнітострикційних або п'єзокерамічних випромінювачів різних діаметрів (від 76 до 260 мм). Суспензія безперервно проходить в апарат через ультразвукове поле високої інтенсивності. Такі апарати випробувані в лабораторних умовах НУХТ, розроблено спосіб одержання ВД суспензій зерна для спиртового виробництва.

Перспективними для спиртової промисловості є апарати з вихровим шаром типу АВС, в яких на суспензію зерна діє вихровий шар феромагнітних частинок, який створюється дією на них обертаючого електромагнітного поля. Інтенсифікація технологічних процесів у таких апаратах проходить внаслідок спільної дії інтенсивного перемішування, диспергування, тертя, високих локальних тисків, акустичної и електромагнітної обробки. Ці апарати випробувані в промислових умовах і можуть у подальшому використовуватися в спиртовій промисловості.

Для одержання ВД помелу зерна на Вузлівському спиртзаводі сконструйовано дезин­тегратор (В.О.Маринченко, Р.І.Чіпчар), який складається з корпуса, всередині якого розміщені два ротори, виконані у вигляді дисків з мелючими елементами, що обертаються в протилежні боки. Ротори встановлені безпосередньо на валах електродвигунів. На найбільшому за діаметром роторі встановлені вентиляційні лопат­ки. Продуктивність дезінтегратора до 5 т за годину помелу зерна з розміром части­нок менше 250 мкм. Більші за розміром частинки помелу відділяються в сепараційній камері повертаються на повторне подрібнення в дезінтегратор. Витрати електроенергії на одержання 1 т ВД помелу складають 18-20 кВтгод.

Сконструйована і впроваджена на деяких спиртових заводах установка для одержан­ня високодисперсного помелу зерна і приготування замісів зображена на рис. 5.1.

Як, відомо, заміс готують шляхом змішування помелу зерна з водою у співвідношенні 2,5...3,0 л на 1 кг помелу. Кількість води вибирають в залежності від крохмалистості і вологості зерна з урахуванням того, щоб концентрація сусла була 18...20 % за цукроміром.

Температуру замісу регулюють в залежності від дисперсності помелу зерна. Для замісів із грубого помелу вона повинна бути 40...45° С.

Оптимальна температура для приготування замісів із ВД помелів зерна пшениці, ячменю і жита - 60° С, сорго - 70° С, кукурудзи - 80° С. Найбільша кількість розчинних вуглеводів накопичується в замісах, приготовлених при температурі 60...65 °С. Для приготування замісу використовують воду від дефлегматорів брагоректифікаційної установки. Підігрівають заміс вторинною парою.

Для зменшення в'язкості замісу доцільно використовувати бактеріальні препарати α-амілази - Амілосубтилін ГЗх, Аміломезентерин Гх-467, Термаміл-120L та ін. Дози препаратів становлять 0,3...0,4 од. амілолітичної здатності на 1 г крохмалю, або 0,2...0,3 л Термамілу 120 L на 1т крохмалю. Використання α-амілази приводить до розрідження замісів, не викликає значного накопичення цукрів і не впливає на втрати зброджуваних речовин при розварюванні.

Для забезпечення гомогенності замісу його доцільно перемішувати не тільки пропелерним перемішувачем, а й використовувати роторно-пульсаційний апарат.