Jak zmierzyć zawartość cukru w soku i tlenu w piwie?

STEROWANIE PROCESAMI WSADOWYMI

Kolejne etapy produkcji są w większości procesami wsadowymi (batch), które przebiegają przez określony czas, przeważnie w jednym urządzeniu, zgodnie z wcześniej ustaloną sekwencją kroków (recepturą). Zakłada ona załadowanie surowców do zbiornika (kotła, mieszalnika), a następnie ich przetwarzanie w kontrolowanych warunkach (temperaturze, ciśnieniu). Przykładem jest fermentacja.

Sterowanie procesami wsadowymi jest zagadnieniem złożonym, gdzie trzeba uwzględnić wiele czynników, analizować dane z czujników i synchronizować działanie wielu urządzeń (dozowników, regulatorów). Błędy bywają kosztowne, ponieważ procesów tych przeważnie nie da się zatrzymać, tak żeby odzyskać surowce.

By ułatwić projektowanie systemów sterowania procesami wsadowymi, opracowano normę ISA-88 (S88, IEC 61512-1). Rozwiązała ona wiele problemów, takie jak: brak uniwersalnego modelu sterowania, niespójność terminologii, utrudniająca dobór wyposażenia linii produkcyjnych oraz kwestie integracji urządzeń od różnych dostawców. ISA-88 ułatwia także dostosowanie systemu sterowania do zmian w produkcji. Udało się to osiągnąć dzięki standaryzacji pojęć, oddzieleniu prac nad recepturą od projektowania systemu sterowania sprzętem oraz modularyzacji receptur i urządzeń produkcyjnych.

Zmiana typu czujnika zapobiegła przepełnianiu się zbiornika

Drożdże są niezbędnym surowcem w produkcji piwa. Organizmy te biorą udział w jednym z jej najważniejszych etapów - fermentacji. W procesie tym drożdże przetwarzają cukry zawarte w brzeczce w etanol i dwutlenek węgla.

Pod koniec fermentacji w większości osadzają się one na dnie zbiornika fermentacyjnego. Po jej zakończeniu są stamtąd usuwane i kilkukrotnie wykorzystywane ponownie. Gdy już nie nadają się do dalszego użycia gromadzi się je w specjalnym zbiorniku. Po jego zapełnieniu drożdże sprzedaje się. Znajdują one zastosowanie m.in. w produkcji karmy zwierzęcej.

W pewnym browarze występował problem przepełniania się zbiornika ze zużytymi drożdżami. Okazało się, że jego przyczyną było zbieranie się na powierzchni płynu drożdżowej piany, która fałszowała wskazania sensora wibracyjnego, którego używano do pomiaru poziomu zapełnienia zbiornika. W rezultacie, pomimo przekroczenia wartości granicznej, stan przepełniania nie był wykrywany.

Aby problem ten rozwiązać, zdecydowano się zastąpić czujnik wibracyjny sensorem pojemnościowym. W przypadku tych urządzeń pomiarowych piana nie wpływa bowiem na wiarygodność pomiaru.

W metodzie pojemnościowej mierzy się zmianę pojemności kondensatora utworzonego między elektrodą pomiarową a ścianami zbiornika czy też elektrodą odniesienia. Zmiany wartości mierzonych powstają na skutek wypełnienia przestrzeni pomiędzy nimi przez ciecz. Metodę tę można stosować do mediów przewodzących i nieprzewodzących.

PODZIAŁ RECEPTUR WEDŁUG ISA-88

W normie wyróżniono cztery rodzaje receptur:

general recipe - określają surowce, ich ilość i sposób przetwarzania, bez precyzowania miejsca i urządzeń,
site recipe - uwzględniają warunki oraz ograniczenia miejsca produkcji,
master recipe - zawierają szczegółowe wymagania odnośnie do sprzętu,
control recipe - to receptury konkretnych wsadów, uwzględniające specyfikę surowców i urządzeń.

Receptura musi zawierać informacje porządkowe (m.in. wersję, historię zmian), wymagania sprzętowe, procedurę oraz formułę. Formuła opisuje zmienne wejściowe (składniki, ich ilość), parametry (szybkość mieszania, temperaturę) i zmienne wyjściowe procesu (gotowy produkt, jego ilość). Procedura wyjaśnia, jak połączyć składniki.

Zdefiniowano też dwa modele procedur receptur. Pierwszy (process model) dotyczy receptur general oraz site, drugi (procedural control model) tych typu master i control. W drugim modelu procedura jest zbiorem uporządkowanych procedur jednostkowych, z których każda jest zbiorem uporządkowanych operacji realizowanych w jednej jednostce sprzętowej, na przykład mieszalniku lub reaktorze. Ich efektem jest fizyczna, chemiczna lub biologiczna przemiana surowców. Operacja składa się z faz, na przykład dozowania surowca.

Jak się dezynfekuje opakowania kartonowe?

W przemyśle napojowym powszechnie korzysta się z wielofunkcyjnych maszyn pakujących. Na przykład w przypadku opakowań tekturowych, w które pakowane są soki, mleko lub maślanka, pierwszym krokiem jest załadowanie do maszyny spłaszczonych pudełek. Następnie z kartonów formuje się opakowania, a potem zgrzewa się ich dna.

W kolejnym etapie, żeby ułatwić późniejsze zamknięcie pudełka, odpowiednio zagina się jego wieczko. Następnym krokiem jest dezynfekcja. W tym celu do opakowania wprowadza się środek odkażający, aplikowany w postaci na przykład gorącej pary. W produkcji napojów używa się m.in. środka na bazie nadtlenku wodoru.

Aby go aktywować, wnętrze kartonu naświetla się promieniowaniem ultrafioletowym. Pozostałości nadtlenku wodoru są usuwane przez przedmuchanie opakowań gorącym powietrzem. Kolejnym etapem jest nalanie do środka napoju. Następnie wieczka kartonów zamyka się przez odpowiednie złożenie i zgrzanie ich brzegów. Jeżeli zdecydowano się na opakowanie kartonowe z zakrętką, wcześniej w wieczku wycina się otwór. Umieszcza się w nim nakrętkę, którą mocuje się, na przykład używając zgrzewarek ultradźwiękowych. W ostatnim kroku zamknięcie się zakręca.

MODELE SPRZĘTU ZGODNE Z ISA-88

Sprzęt produkcyjny odwzorowuje się przez poziomy modelu fizycznego: przedsiębiorstwo (enterprise), zakład (site), obszar (area), komórkę procesu (process cell), która obejmuje sprzęt produkcyjny, jednostkę (unit), która przetwarza wsad według receptury (mieszalnik, reaktor), moduł sprzętowy (equipment module) - grupę urządzeń, która realizuje jedną albo więcej funkcji oraz moduł sterowania (control module).

Moduł sprzętowy może się składać z innych modułów sprzętowych lub modułów sterowania. Moduł sterowania jest z kolei zbiorem czujników, elementów wykonawczych, innych urządzeń lub innych modułów sterowania, które dla systemu sterowania stanowią jedność.

Komórka procesu może wykonać tylko procedurę. W jednostce sprzętowej można zrealizować zarówno procedurę jednostkową, operację, jak i fazę. Rola modułu sprzętowego jest ograniczona do wykonania fazy. Moduł sterowania nie realizuje z kolei żadnej sekwencji zadań, gdyż może jedynie przejść w określony stan (otwarty, zamknięty, zatrzymany). System zarządzania recepturami z systemem sterowania sprzętem komunikują się zwykle, przesyłając parametry procesu i raport o jego przebiegu na poziomie fazy.

Zastosowanie klasyfikacji zdefiniowanych w normie ISA-88 przedstawiono na rysunku 1 na przykładzie procesu wzbogacania soku warzywnego o dodatki smakowe.

JAK ZMIERZYĆ ZAWARTOŚĆ CUKRU W SOKU I TLENU W PIWIE?

W czasie produkcji napojów należy kontrolować ich różne parametry, od których zależy ich smak i konsystencja. Na przykład w przypadku soków ważna jest zawartość cukrów. Wpływa ona nie tylko na ich smak, ale jest również regulowana przez normy. Do badania zawartości cukru w soku używa się refraktometrów. Przyrządy te mierzą współczynnik załamania światła zależny od typu i stężenia substancji rozpuszczonych w danym roztworze.

W przypadku piwa natomiast istotnym parametrem jest stopień jego utlenienia - w tym napoju wpływa on bowiem na jego smak oraz klarowność. Kontrolować powinno się przede wszystkim ilość tlenu, jaką dodaje się do brzeczki w czasie fermentacji. Jeżeli będzie go za dużo, fermentacja będzie zbyt szybka, jeśli z kolei będzie go zbyt mało, proces ten będzie zachodził za wolno. Oba stany wpłyną niekorzystnie na rozwój drożdży, a w efekcie na smak piwa. Dopływ tlenu powinien być również ograniczany w czasie pakowania.

W browarnictwie do pomiaru ilości tlenu rozpuszczonego używane są m.in. czujniki amperometryczne. W wyniku reakcji elektrochemicznej, która zachodzi na skutek przenikania tlenu przez membranę sensora, generowany jest prąd. Jego natężenie jest proporcjonalne do ciśnienia cząstkowego tlenu w badanej próbce.

Wielkość tę należy następnie podstawić do równania opisującego prawo Henry’ego. Wynika z niego, że cząstkowe ciśnienie par lotnego składnika roztworu jest wprost proporcjonalne do jego ilości w tym roztworze. Aby wyznaczyć współczynnik proporcjonalności, trzeba zbadać próbkę tlenu o znanym ciśnieniu cząstkowym.

Piotr Huryń

B&R Automatyka Przemysłowa

Jakie są trendy na globalnym rynku napojowym?

Przemysł pakujący, w tym rozlewniczy, jest coraz bardziej konkurencyjny. Przy spadających marżach, zwiększających się wymaganiach konsumentów i agresywnym marketingu obserwować można także krótsze czasy życia produktów i ich pełną indywidualizację (tj. Batch Size 1).

Producenci napojów planują obniżanie kosztów produkcji optymalizując zużycie energii, monitorując i optymalizując procesy produkcyjne oraz zużycie materiałów. Światowy rynek produktów warty jest 90 mld euro, podczas gdy koszty produkcyjne szacowane są na 40 mld euro. Zwiększenie efektywności tylko o 0,1% oznacza czysty zysk dla właścicieli w wysokości 400 mln euro!

Jakie są wymogi stawiane dostawcom automatyki przez producentów maszyn dla branży napojowej?

Producenci maszyn wytwarzają maszyny niekoniecznie najtańsze w zakupie, ale takie, których całkowity koszt posiadania (TCO) będzie najniższy. Istotna jest więc nie tylko cena samej maszyny, ale także jej zapotrzebowanie na energię, wysoka wydajność, szybki czas usunięcia awarii czy wręcz wykrywanie możliwości wystąpienia awarii i przeprowadzenie prewencyjnej akcji naprawczej w zaplanowanym przestoju (czyli TPM).

Ważna jest wszechstronność maszyny pozwalająca produkować różne produkty przy zachowaniu krótkich czasów przezbrojenia. Urządzenia powinny przy tym być bezpieczne dla operatorów, ale bez zbędnego obniżenia wydajności w sytuacjach potencjalnego zagrożenia. Oczywiście czas wyjścia na rynek dla prototypowych maszyn powinien być jak najkrótszy. Wszystkie te wymagania przenoszą się na dostawców systemów automatyzacji.

Branża napojowa ma dodatkowo swoją specyfikę. Maszyny powinny być relatywnie małe, modułowe, mieć możliwość łatwej integracji i interakcji z pozostałymi maszynami. Z powodów zachowania szczególnej higieny (CIP/SIP) wymagane są specjalne konstrukcje ze stali nierdzewnej i z podwyższonym stopniem ochrony, takim jak IP67 czy IP69K.

Czy polscy producenci podążają za tymi trendami? Co wytwarza się u nas w kraju?

Rodzimi producenci maszyn z tej branży nie tylko podążają za producentami zagranicznymi, ale też potrafią wyznaczać nowe trendy i innowacje na skalę światową. Klienci B&R w Polsce produkują systemy transportowe, etykieciarki, miksery, saturatory, stacje przygotowania napojów i mycia CIP, maszyny do rozdmuchu opakowań PET (nie tylko butelki, ale też słoiki a nawet puszki) czy wręcz całe linie rozlewnicze.

O innowacyjności i jakości ich produktów mogą świadczyć ich patenty międzynarodowe na rozwiązania techniczne a także ich zadowoleni klienci z Polski, Europy, Azji i Bliskiego Wschodu oraz z wymagającego rynku USA.