Технология пищевого и молочного производства: почему нельзя просто соединить оборудование трубами

Пищевое производство часто кажется простым только на первый взгляд. Если посмотреть на технологическую линию со стороны, можно увидеть емкости, насосы, теплообменники, трубопроводы, фасовочные автоматы и шкафы управления. Возникает ощущение, что достаточно соединить несколько аппаратов нержавеющей трубой, добавить насос или гомогенизатор — и линия начнет выпускать новый продукт.

На практике производство масла, спреда, сметаны, сыра, майонеза и других пищевых продуктов отличается не только рецептурой, но и логикой технологического процесса. Для каждого продукта важны свои температуры, последовательность операций, режимы перемешивания, условия охлаждения, санитарная обработка, контроль качества и автоматизация.

Особенно это важно при реконструкции существующих линий, когда предприятие хочет использовать имеющееся оборудование для выпуска нового продукта. Часть аппаратов действительно можно сохранить, но наличие емкостей, насосов, теплообменника, CIP-станции и фасовки еще не означает, что существующая линия подходит для другой технологии.

Основные операции пищевого производства

Большинство технологических процессов в пищевой промышленности включает несколько базовых операций:

• прием и подготовку сырья;
• дозирование компонентов;
• смешивание;
• нагрев или пастеризацию;
• гомогенизацию;
• выдержку или созревание;
• охлаждение;
• фасовку;
• мойку оборудования и трубопроводов;
• контроль технологических параметров.

Но у разных продуктов эти операции имеют разный смысл.

Для майонеза важна стабильная эмульсия. Для спреда — работа с жировой фазой, охлаждение и кристаллизация. Для сметаны — пастеризация сливок, гомогенизация, внесение закваски, сквашивание и охлаждение. Для сыра — образование сгустка, обработка зерна, отделение сыворотки, прессование, посолка и созревание.

Поэтому одно и то же оборудование может быть важным в одной технологии и практически не использоваться в другой.

Производство сметаны: почему одного гомогенизатора недостаточно

Один из типовых вопросов при реконструкции пищевого производства: можно ли установить гомогенизатор, соединить существующее оборудование трубопроводами и начать выпускать сметану?

В общем случае этого недостаточно.

Гомогенизатор выполняет отдельную технологическую операцию: механически обрабатывает продукт под давлением, улучшая однородность жировой фазы и стабильность структуры. Но он не заменяет остальные этапы производства.

Для сметаны технологическая последовательность обычно включает:

1. подготовку сливок или смеси;
2. пастеризацию;
3. гомогенизацию;
4. охлаждение до температуры заквашивания;
5. внесение закваски;
6. сквашивание в емкости при контролируемой температуре;
7. охлаждение готового продукта;
8. фасовку;
9. CIP-мойку оборудования.

Ключевым узлом является не только гомогенизатор, но и емкость сквашивания. Для такой емкости важны санитарное исполнение, мешалка, возможность поддержания температуры, датчики, нижний слив, CIP-мойка и отсутствие застойных зон.

Если пытаться производить сметану на неподготовленной линии, возможны:

• нестабильная структура продукта;
• отделение сыворотки;
• нарушение температурных режимов;
• сложности с мойкой;
• микробиологические риски;
• нестабильное качество от партии к партии;
• сложности с автоматизацией процесса.

Производство майонеза: эмульсия и перемешивание

Майонез — эмульсионный продукт. Для такой технологии особенно важны дозирование компонентов, порядок их загрузки, интенсивность перемешивания, диспергирование и стабильность получаемой эмульсии.

В линии майонеза могут использоваться:

• емкости подготовки компонентов;
• смесители;
• вакуумные или атмосферные гомогенизаторы-смесители;
• насосы для вязких продуктов;
• фасовочные автоматы;
• CIP-мойка;
• системы дозирования жидких и сухих компонентов.

В отличие от сметаны, здесь нет стадии сквашивания. Но возрастает значение равномерности смешивания, последовательности загрузки компонентов, аккуратной перекачки и санитарной обработки оборудования.

При автоматизации майонезной линии полезно использовать рецептуры, последовательности загрузки, контроль времени перемешивания, управление насосами и блокировки от ошибок оператора.

Производство спреда: работа с жировой фазой

Для спреда важны операции, связанные с жировой фазой: плавление, смешивание, эмульгирование, охлаждение и кристаллизация.

В составе такой линии могут применяться:

• установки расплавления масла или жиров;
• емкости подготовки жировой и водной фазы;
• теплообменники;
• маслообразователи;
• кристаллизаторы;
• насосы для вязких продуктов;
• фасовочное оборудование.

Оборудование линии спреда не всегда подходит для кисломолочной продукции. Например, маслообразователь или кристаллизатор могут быть важны для спреда, но не требоваться для сметаны.

При этом часть существующей инфраструктуры — емкости, насосы, CIP-станция, паровая гребенка и некоторые трубопроводы — может быть использована при реконструкции, если это подтверждается технологической схемой.

Производство сыра: отдельная технологическая логика

Сырное производство еще сильнее отличается от линий майонеза, спреда и сметаны.

Здесь важны:

• сыродельные ванны;
• точный температурный режим;
• бережное перемешивание;
• контроль кислотности;
• правильная обработка сгустка;
• отделение сыворотки;
• формование и прессование;
• посолка;
• созревание;
• санитарная мойка;
• учет партий и технологических параметров.

Поэтому переоборудование линии майонеза или спреда под сырное производство обычно требует специализированного технологического оборудования, а не только новой трубопроводной обвязки.

Почему важна CIP-мойка

Для пищевого производства недостаточно просто обеспечить перемещение продукта между аппаратами. Все элементы, контактирующие с продуктом, должны нормально промываться.

CIP-мойка позволяет выполнять санитарную обработку емкостей, трубопроводов, теплообменников, насосов и других аппаратов без полной разборки линии.

Для этого необходимо предусмотреть:

• подачу и возврат моющего раствора;
• отсутствие застойных зон;
• дренажи;
• правильно подобранные клапаны;
• достаточную скорость потока;
• контроль температуры;
• контроль концентрации моющего раствора;
• контроль времени мойки.

Если при реконструкции линии CIP не продуман заранее, оборудование может быть работоспособным с технологической точки зрения, но неудобным или непригодным для нормальной санитарной эксплуатации.

В автоматизированных системах CIP целесообразно контролировать стадии мойки, маршруты раствора, температуру, время и другие параметры. Подробнее автоматическая часть таких процессов рассмотрена в статье «АСУ ТП молочного производства».

Роль трубопроводов и арматуры

В пищевой промышленности трубопровод — это часть технологического процесса, а не просто соединение между двумя аппаратами.

При проектировании необходимо учитывать:

• диаметр трубопровода;
• скорость движения продукта;
• вязкость продукта;
• возможность полного слива;
• уклоны;
• тип соединений;
• санитарное исполнение;
• возможность мойки;
• расположение клапанов;
• точки отбора проб;
• места установки датчиков;
• разделение продуктовых и моечных потоков.

Для молочных и вязких пищевых продуктов применяются санитарные трубопроводы из нержавеющей стали, санитарная арматура и специальные присоединения для приборов.

Выбор диаметра DN25, DN32, DN40 или большего значения зависит не только от длины участка, но и от производительности линии, вязкости продукта, характеристик насосов и режима мойки.

Поэтому трубопроводную обвязку желательно разрабатывать вместе с технологической схемой, а не после выбора оборудования.

Автоматизация пищевой линии

Автоматизация нужна не только для удобства оператора. Ее задача — обеспечить повторяемость технологического процесса и уменьшить количество ручных операций.

На пищевых линиях автоматизируют:

• работу насосов;
• дозирование компонентов;
• нагрев и охлаждение;
• контроль температуры продукта;
• контроль уровня в емкостях;
• контроль давления;
• последовательность технологических операций;
• блокировки от ошибок оператора;
• режимы CIP-мойки;
• аварийную сигнализацию;
• архивирование параметров партии.

Для небольшой линии может быть достаточно локального шкафа управления с датчиками, приводами и частотными преобразователями.

Для более сложного производства применяются ПЛК, операторские панели, рецептуры, журналы аварий и регистрация технологических параметров. Эти вопросы подробнее рассмотрены в статье «АСУ ТП молочного производства: автоматизация оборудования и технологических процессов» и в разделе проектирования промышленной автоматизации.

Реконструкция существующей пищевой линии

При реконструкции важно не просто купить недостающий аппарат, а определить, как он встраивается в существующий технологический процесс.

Перед проектированием необходимо понять:

• какие аппараты можно использовать;
• какие аппараты не подходят для нового продукта;
• где будет выполняться каждая технологическая операция;
• как будет организована мойка;
• какие трубопроводы нужно добавить;
• какие клапаны и датчики потребуются;
• нужна ли новая емкость;
• достаточно ли существующих насосов;
• хватает ли пара, холода, воды, воздуха и электроэнергии;
• подходит ли существующее фасовочное оборудование.

Правильный порядок — начинать с предпроектного обследования и разработки технологической схемы. Только после этого имеет смысл оценивать трубопроводы, арматуру, автоматику, монтаж и пусконаладочные работы.

На этой стадии удобно одновременно определить состав автоматики инженерных и технологических систем и объем монтажа промышленной автоматизации и КИПиА.

Типичная ошибка: начинать с оборудования, а не с технологии

Проблема многих реконструкций заключается в обратной последовательности действий: сначала покупается аппарат, а затем пытаются понять, как его подключить к существующей линии.

Более надежный подход:

1. определить продукт и требуемую технологическую последовательность;
2. составить технологическую схему;
3. проверить пригодность существующего оборудования;
4. определить недостающие аппараты;
5. разработать трубопроводную обвязку;
6. определить состав клапанов и датчиков;
7. разработать алгоритмы управления;
8. после этого переходить к монтажу и программированию.

Так снижается риск приобрести оборудование, которое технически исправно, но не решает задачу конкретного производства.

Вывод

Пищевое производство невозможно корректно спроектировать по принципу «поставим аппарат и соединим трубой».

Для масла, спреда, сметаны, сыра, майонеза и других продуктов важна полная технологическая цепочка. Один и тот же гомогенизатор, насос или теплообменник может быть полезен, но сам по себе не определяет технологию производства.

При реконструкции сначала необходимо разработать технологическую схему, определить состав существующего и недостающего оборудования, продумать трубопроводы, санитарную мойку, арматуру, датчики и систему управления.

И только после этого можно корректно переходить к проектированию автоматики, монтажу и пусконаладке линии.