автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Научно-практические основы создания автоматизированных биотехнологических процессов цельномолочного производства



/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ (ВНИМИ)

Л На правах рукописи

БРУСИЛОВСКИЙ ЛЕОНИД ПЕТРОВИЧ

НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЦЕЛЬНОМОЛОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность: 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств

ДИССЕРТАЦИЯ в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте молочной промышленности (ВНИМИ).

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

Член-корреспондент РАСХН, доктор технических наук,

профессор Липатов H.H. Доктор технических наук, профессор Протопопов И.И. Доктор технических наук, академик МАИ,

профессор Благовещенская М.М.

Ведущая организация - Научно-производственное объединение "Углич".

Защита состоится «О Мв^ЙС- 1998 года „ /7 часов на заседании Диссертационного совета Д.020.62.01 при

Всероссийском научно-исследовательском институте мясной промышленности

(ВНИИМП) по адресу 109316,г.Москва, ул.Талалихина, 16. %

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИМП.

Все отзывы на диссертацию в виде научного доклада просим направлять в диссертационный совет.

Доклад разослан " ji?"Л^-'^Я' 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат технических наук,

старший научный сотрудник А.Н.Захаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Удовлетворение потребности жителей России в полноценных и экологически безопасных молочных продуктах для питания населения и формирование рыночных отношений в сфере производства требует дальнейшего совершенствования подходов к созданию и совершенствованию техники и технологии производства молочных продуктов.

Наблюдаемое в отечественной промышленности снижение уровня производства сопровождается одновременно с повышением требований к качеству продукции и расширением ее ассортимента для обеспечения конкурентоспособности с продукцией западных производителей.

Для этого при переработке молока необходимо в первую очередь улучшить качество контроля сырья и готовой продукции, обеспечить заданные параметры технологических процессов, уменьшить затраты труда на производство продукции. Указанные требования диктуют необходимость создания новых технологических процессов с автоматизированным оборудованием и компьютерной технологией управления, инструментальных методов и приборов контроля состава и качества молока как в условиях лабораторий, так и в технологических процессах производства.

В связи с этим так актуальна проблема разработки научно-практических основ создания автоматизированных биотехнологических процессов (БТП) производства цельномолочных продуктов с разным уровнем автоматизации в зависимости от мощности предприятий , сложности и уровня технологии. 4

Принципиальной новизной проблемы является привлечение к ее решению системного подхода к созданию автоматизированны:; БТП, учитывающего непрерывно-поточные технологии, механизированное оборудование для производства цельномолочных продуктов, новые инструментальные методы контроля качества и состава молока и современные системно-технические решения по управлению технологическими процессами.

Работа проводилась с учетом трудов отечественной и зарубежной школы ученых в области технологии, механизации и автоматизации биотехнологических процессов: Вайнберга А.Я., Ивашкина Ю.А., Кошелева Л.Г., Королевой Н.С., Липатова H.H., Петрова И.К., Попова В.И., Панфилова В.А., Протопопова И.И., Рогова И.А., Семенихиной В.Ф., Харитонова В.Д., Фриденберга Г.В., Harding F., Newbould F., Sanden U., Suhren G.

В работе обобщены результаты исследований и разработок за период !970-1997 гг., выполненных автором, при его личном участии и методическом руководстве. В ней изложены итоги аналитических и экспериментальных исследований по созданию автоматизированных биотехнологических процессов цельномолочного производства и концепции развития этого направления.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Целью работы являлось создание автоматизированных биотехнологических процессов цельномолочного производства, обеспечивающих максимальную эффективность производства и повышение качества продукции, снижение энергозатрат и выполнение достоверного контроля качества используемого сырья, готовой продукции и требования санитарии и гигиены.

Для достижения поставленной цели следовало решить задачи:

- разработки методологии создания автоматизированного БТП для предприятий различной мощности;

- оптимизации технологии и разработки алгоритмов управления на основе математического моделирования процессов;

- изыскания новых инструментальных методов измерения параметров и показателей БТП и создания технических средств контроля и компьютерной обработки данных и систем автоматического управления.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Предложен системный подход к проблеме создания автоматизированных технологий как к синтезу технологической, аппаратурной, санитарно-гигиенической, информационно-управляющей подсистем.

Разработаны математические модели процессов культивирования молочнокислых бактерий при производстве кисломолочных продуктов, заквасок и баккон-цетратов, на основе которых предложены новые процессы, методы расчета их основных параметров и оптимизация по критерию получения максимальной продуктивности.

Выявлены основные закономерности процессов нормализации молока по жиру, предложены непрерывные технологии и системы управления нормализацией молока в потоке, создаваемом насосами, или с применением сепаратора-сливкоотделителя.

Разработаны системы технологических параметров и показателей процессов цельномолочного производства и инструментальных методов контроля состава и качества сырья и продуктов.

Созданы новые инструментальные методы измерения состава и качества молока и продуктов на основе исследований их оптических, акустических, физико-химических и микробиологических свойств. Предложена методика выбора наиболее перспективных инструментальных методов для создания экспресс-анализаторов и автоматических приборов. * %

Предложена концепция создания отраслевой системы (комплекса) технических средств контроля и управления (ОС ТСКУМ) для молочной промышленности.

Дана методология синтеза автоматизированных биотехнологических комплексов на основе технологических модулей с выбором рационального оборудования, средств и уровней автоматизации для предприятий разной мощности. Впервые разработана концепция компьютерной технологии управления (КмТУ) основными производствами молочного предприятия.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ И ВНЕДРЕНИЕ.

На основе выполненных исследований разработаны и аттестованы инструментальные методы измерения показателей молока и молочных продуктов: "Приборный турбидиметрический метод определения массовой доли жира в молоке" (раздел 3 ГОСТа 5867), "Методика выполнения измерений массовых долей жира и COMO в молоке с помощью приборов "Лактан 1-4" и "Клевер-1М" и "Методика выполнения измерений массовых долей жира, белка и влаги в сухом молоке с помощью прибора "Аналикон-1", внесенные в отраслевой реестр N2.01-040-93, N2.01-044-95 и № 2.04-019-98, "Методика измерения рН молока и молочных продуктов", ВНИМИ, 1995г., а также ГОСТ 26781 "Молоко. Метод измерения рН", "Методика ионометрического измерения активности натрий и аммоний ионов в молоке для контроля фальсификации", ВНИМИ, 1995г. и "Методика ионометрического контроля анормальности молока путем измерения активности ионов хлора", ВНИМИ, 1996г.

С использованием научных и практических рекомендаций работы совместно с приборостроительными организациями создана отраслевая система (комплекс) технических средств контроля и управления для молочной промышленности ТСКУМ. В состав комплекса входят измерительные преобразователи для контроля расхода, объема, давления, уровня, плотности, рН, массовой доли сухих веществ, концентрации моющих растворов и влажности молочных продуктов; сигнализаторы (уровня, раздела, сред "вода-молоко", "вода-моющий раствор" и др.); экспресс-анализаторы для измерения состава и свойств молока и молочных продуктов (массовой доли жира, белка, COMO, титруемой кислотности, рН, вязкости,

влажности и др.); микропроцессорные средства обработки информации; клапаны дистанционного управления потоками молока, молочных продуктов и моющих сред - всего более 50 наименований технических средств.

Организовано производство технических средств комплекса и их внедрение.

Созданы и внедрены модульные технические решения локальных устройств контроля и.управления для резервуаров хранения молока и производства кисломолочных продуктов, установок для нормализации молока и мойки оборудования, пластинчатых пастеризационно-охладительных установок, механизированных линий производства творога Я9-ОПТ.

Выполнен синтез автоматизированных ВТК цельномолочного производства с компьютерной технологией управления: приемки, хранения и нормализации молока, производства питьевого молока, производства кисломолочных напитков резервуарным способом, творога на механизированных линиях.

Созданы и щироко внедряются на молочных заводах лабораторные комплексы технохимического и микробиологического контроля ТХМК параметров и показателей при приемке сырья, в процессах обработки молока, выработки продуктов и готовой продукции. Комплексы специфицированы под заводы разной мощности с различным ассортиментом выпускаемой продукции.

Созданы компьютерные информационно-справочные системы и банки данных "Поиск-ТСКУМ", "Поиск-ТХМК" и "Поиск-АСУТП" по автоматизированным БТП цельномолочного производства.

Осуществлено внедрение разработок более чем на 100 предприятиях отрасли.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ ДИССЕРТАЦИИ.

Концепция системного подхода к созданию новых технологий производства молочных продуктов.

Математические модели основных технологических процессов цельномолочного производства на примере непрерывно-поточного культивирования микроорганизмов при производстве кисломолочных продуктов, нормализации и тепловой обработки молока; методы формализации описания процессов с дискретными переменными и алгоритмы управления.

Материалы по результатам исследований инструментальных методов измерений состава и качества молока и созданию отраслевого комплекса технических средств контроля и управления.

Концепция синтеза интегрированной автоматизированной системы управления молочного завода.

Методология создания автоматизированных биотехнологических комплексов процессов цельномолочного производства и комплекса технохимического и микробиологического контроля состава и качества молока и молочных продуктов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы доложены и опубликованы на Научной конференции "Теория и практика непрерывного культивирования микроорганизмов"(Москва, 1973г.); XIX международном молочном конгрессе (Индия, 1974г.); Всесоюзном семинаре "Внедрение автоматизации технологических процессов в молочной промышленности" (Москва, 1975г.); XX Международном молочном конгрессе (Франция, 1978г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и основные направления создания автоматизированных систем управления в молочной промышленности на основе микропроцессорной техники" (Москва, 1989г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизация технологических процессов и производств в пищевой промышленности" (Москва, 1989г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Научно-технический прогресс в цельномолочной и молочно-консервной промышленности" (Москва, 1990г.); Научно-практической конференции "Использование молочной сыворотки для производства пищевых продуктов"

(Москва, 1992г.); Всероссийском коллоквиуме "Процессы и аппараты пищевых производств" (Москва, 1993г.); Научно-технической конференции "Диагностика, информатика и метрология - 94" (Санкт-Петербург, 1994г.); Международной научно-технической конференции "Автоматизация биотехнических систем в условиях рыночной экономики и конверсии" (Москва, 1994г.); 24 Международном молочном Конгрессе (Австралия, 1994г.); Международной научно-технической конференции "Прикладная биотехнология на пороге XXI века" (Москва, 1995г.); Первой Всероссийской научно-практической конференции "Автоматизация технологических процессов и управления производством на предприятиях пищевой промышленности" (Москва, 1996г.); Второй Всероссийской научно-теоретической конференции "Прогрессивные экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности" (Углич, 1996г.); Международной конференции "Научные и практические аспекты совершенствования качества продуктов детского и геродиетического питания" (Истра, 1997г.); Научно-практической конференции "Системы технологических процессов и системы машин для пищевой и перерабатывающей промышленности АПК" (Углич 1997г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано более 125 работ, в том числе 6 монографий, 17 брошюр, 88 статей в центральных журналах и сборниках научных трудов и тезисы докладов на международных конгрессах и всесоюзных научных конференциях и симпозиумах, 17 авторских свидетельств, один патент и 2 решения о выдаче свидетельства на полезную модель. Кроме того, основные результаты исследований отражены в научных отчетах по госбюджетным и хоздоговорным работам, в которых автор являлся научным руководителем или ответственным исполнителем.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ЦЕЛЬНОМОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ

1.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

При традиционной разработке технологических процессов решаются обычно задачи, охватывающие технологию производства (данные о сырье и материалах, технологических операциях, контролируемых показателях, технологическом оборудовании).

Однако, для достижения высокой эффективности производства при реализации процессов и получении экологически безопасных продуктов заданного качества необходимо также решать вопросы: получения достоверной информации о показателях состава и свойствах сырья и продуктов, технологических параметрах процессов, о параметрах санитарной обработки, использования рациональных средств измерения и отображения информации и управляющих воздействиях на процесс, эффективного учета сырья, продуктов и энергетических ресурсов, а также воздействия оперативного персонала на процесс,

В связи с этим нами предлагается создавать технологический процесс как синтез технологической, аппаратурной, санитарно-гигиенической и информационно-управляющей подсистем. Только в их взаимосвязи возможна разработка автоматизированных процессов нового поколения, использующих малоотходные технологии, новые принципы обработки молока и методы контроля, более эффек-

тивное автоматизированное оборудование, компьютерные методы обработки информации и управления.

Предложенная концепция комплексного подхода к созданию новых технологий производства продуктов позволила рекомендовать в укрупненном виде алгоритм разработки автоматизированных процессов. Он включает: выбор непрерывных или поточных технологий, математическое моделирование процессов с целью выявления закономерностей для расчета оптимальных параметров, обоснование основных измеряемых показателей и алгоритмов управления, создание новых методов измерений и технических средств контроля и управления, синтез аппаратно-технологического комплекса с выбором рационального оборудования, гидравлической схемы процесса и системы циркуляционной мойки, создание автоматизированной системы контроля и управления процессом.

Данный алгоритм принят нами за основу как при разработке научных основ создания автоматизированных технологических процессов цельномолочного производства, так и при их технической реализации.

1.2. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЦЕЛЬНОМОЛОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА (ЦП)

На рис. 1.1 приведена предложенная нами общая структура основных технологических процессов производства цельномолочных продуктов. Она включает процессы приемки и подготовки сырья (а), производства питьевого молока и сливок (б), кисломолочных напитков (в), творога и творожных изделий (г), сметаиы (Д).

Рис. 1.1. Структура основных технологических процессов производства > цельномолочных продуктов

1 - приемка, 2 - очистка, 3 - охлаждение, 4 - хранение, 5 - нормализация, 6 - подогрев, 7 - сепарирование, 8 - пастеризация, 9 - подготов�