3. Класифікація технологічних систем і процесів

Асортимент сировини, яка переробляється у харчових ви­робництвах, надзвичайно різноманітний, а тому існує величез­на кількість технологій її переробки у готові продукти. Техно­логії втілюються в технологічні процеси і лінії, які складають основу технологічних та виробничих систем. З метою дослідження, розробки нових та вдосконалення існуючих технологічних систем і процесів їх класифікують за різними функціональними та організаційними ознаками. Розглянемо спочатку класифікацію систем.

За рівнем ієрархії системи поділяють на макро- та мікро-системи. До макросистем належать системи народногоспо­дарського та територіально-промислових комплексів, галузей та підгалузей господарства. Мікросистемами є технологічні системи виробничих об'єднань та підприємств. Між система­ми одного та різних ієрархічних рівнів існують численні зв'яз­ки. Чим вище рівень системи, тим складніші та різноманітніші її зв'язки з оточенням, тому аналіз систем вищих рівнів є над­звичайно важким завданням. Значно простіше і легше підда­ються аналізу мікросистеми. В свою чергу, мікросистему підприємства поділяють на три ієрархічні рівні: рівень підприємства, виробничого підрозділу (цех, дільниця) та тех­нологічного процесу. Це наочно видно з рис. 1.2.

За ознакою організаційної структури технологічні системи поділяються на паралельні, послідовні та комбіновані. В систе­мах з паралельною структурою однотипні технологічні процеси виокремлюються в підсистеми (цехи, дільниці), однотипні підприємства — в об'єднання та підгалузі. У системах з послідо­вною структурою всі складові елементи є різноманітними, на­приклад, технологічні операції в системі технологічного проце­су (лінії). Комбіновані технологічні системи є поєднанням па­ралельних та послідовних систем більш низького рівня. При­кладами таких систем є сучасні виробничі комбінати.

В залежності від рівня механізації і автоматизації техно­логічні системи можна об'єднати в 3 групи: 1) немеханізовані системи, в яких використовується переважно ручна праця; 2) механізовані, в яких ручна праця замінена роботою машин і апаратів, але контроль за їх діяльністю здійснює людина; 3) автоматизовані і автоматичні, в яких функцію контролю і уп­равління також виконують машини (як правило, мікропроце­сори).

За рівнем спеціалізації розрізняють: і) системи спеціальні — такі, що виробляють тільки один вид продукції. За обсягами виробництва ці системи бувають системами масового вироб­ництва або системами з неперервним процесом; 2) системи спеціалізовані — такі, що виробляють групу однорідної або суміжної продукції. За масштабами виробництва бувають ма­совими, — коли стабільно випускається вузька номенклатура продукції в значних обсягах, або серійними, — коли продукція змінної номенклатури виробляється невеликими обсягами (серіями); 3) універсальні системи — системи, які виробляють продукцію різних груп і широкої номенклатури.

За ступенем гнучкості розрізняють: 1) жорсткі системи, які пристосовані тільки для випуску одного виду продукції; 2) перебудувальні — ті, що можуть бути використані для випуску продукції іншого виду, але після демонтажу та заміни частини або всієї технологічної лінії; 3) переналагоджувальні — ті, що не потребують заміни обладнання, але воно повинно бути на­лагоджено на інші режими, програми, порядок дії тощо; 4) гнучкі автоматизовані системи — такі, що мають здатність самі обирати нову програму і переналагоджуватися в автома­тичному режимі без втручання людини в ході перепрограму-вання. Такі системи є найвищим типом технологічних систем, за якими майбутнє.

Технологічні процеси також класифікують за низкою ознак:

1. за природою явищ, які відбуваються в сировині при її переробці;

2. за способом організації технологічного процесу;

3. за агрегатним станом компонентів у робочій зоні;

4. за тепловим ефектом процесу;

5. за напрямами руху матеріальних та енергетичних по­токів у виробничій зоні;

6. за кратністю оброблення сировини або проміжного продукту;

7. за характером технологічних зв'язків процесу.

1. Сировина харчових виробництв, як вже відзначалось ранішіе, є складним об'єктом, якому притаманні різноманітні властивості: фізичні, механічні, хімічні, біологічні, мікробіологічні. В ході технологічного процесу вони можуть змінюватись. Залежно від того, які саме властивості зміню­ються, технологічні процеси поділяються на фізико-механічні, фізико-хімічні, хімічні, біохімічні, мікробіологічні.

До фізико-механічних відноситься досить велика група процесів, які супроводжуються лише зміною фізичних та структурно-механічних властивостей сировини чи проміжно­го продукту. Суттєвих змін хімічного складу при цих процесах не відбувається. За характером процесу та умовами його про­ведення в цій групі процеси поділяють на механічні, гідроме­ханічні, теплообмінні та масообмінні.

Механічними називають процеси, в яких сировина змінює форму, розмір, структуру. До них відносяться процеси подрібнення, сортування, розділення, змішування, перемішу­вання та інші. Вони використовуються в зернопереробці (бо­рошномельне, круп'яне, макаронне виробництва), у переробці плодів, овочів, виробництві олії, кондитерському, кофейному, харчоконцентратному та інших виробництвах.

Якщо механічні процеси відбуваються у середовищі води або іншої рідини, то вони називаються гідромеханічними. Це такі процеси, як осадження, фільтрування, центрифугування. Вони поширені в молокопереробці, виробництвах соків, пива, вина, олії та інших харчових продуктів.

До теплообмінних процесів відносять ті, що супроводжу­ються перенесенням теплоти і зміною температури об'єктів та середовища. Вони надзвичайно поширені у харчових вироб­ництвах. Прикладами таких процесів є охолодження, заморо­жування, нагрівання, варка, жаріння, пастеризація, сте­рилізація, темперування та інші.

Масообмінними називають процеси, у ході яких відбу­вається перенесення маси (речовин) з однієї фази в іншу. Такі переноси (переходи) маси частіше всього відбуваються між га­зом і рідиною, між газовою та твердою фазами, між рідиною і твердою фазою, між двома рідинами. Масообмінні процеси, як і теплообмінні, є основними процесами харчових виробництв. До них відносяться такі, як розчинення, кристалізація, випа­ровування, висушування, конденсація, адсорбція, дистиляція, ректифікація, мембранізація та інші.

До групи фізико-хімічних процесів відносяться такі, як хе­мосорбція, набухання та старіння колоїдних структур. На відміну від фізико-механічних процесів вони мало поширені й переважно мають місце при зберіганні сировини або готової продукції. І хоча їх цілеспрямовано не використовують (за ви­ключенням набухання), їх потрібно враховувати при ор­ганізації переробки сировини та зберігання готової продукції.

Хімічними називають технологічні процеси, під час яких відбуваються зміни хімічного складу і внутрішньої структури компонентів сировини, проміжних та готових продуктів. В за­лежності від способу ініціювання хімічні процеси поділяються на: суто хімічні, термохімічні, фотохімічні, електрохімічні, радіаційно-хімічні, каталітичні. У харчових виробництвах ма­ють застосування такі процеси, як гідроліз, окислення, гідро­генізація, етерифікація та деякі інші. Використання їх обмеже­но деякими виробництвами — крохмалє-патокове, цукрове, олійне, маргаринове.

Біохімічними вважають процеси, які відбуваються за учас­тю ферментів (біокаталізаторів) самої сировини, або фермент­них препаратів, що додаються до сировини в ході техно­логічного процесу. Ці процеси широко використовуються в сироробному, м'ясному, плодоконсервному виробництвах. Крім цілеспрямованого використання ці процеси самоплинно відбуваються під час зберігання сировини і готової продукції.

Мікробіологічними називають процеси, які викликані дією мікроорганізмів (дріжджів, бактерій, мікрогрибів). До них відносяться такі надзвичайно поширені в харчових виробництвах процеси, як бродіння, дозрівання, пліснявіння та гниття. Вони використовуються у пивоварінні, виноробстві, сироробстві, хлібовипічці, кисломолочному та ковбасному ви­робництвах, виробництві спирту, дріжджів, харчових кислот тощо. Разом з біохімічними процесами вони мають місце при зберіганні і транспортуванні сировини і готової продукції.

В останні роки набувають швидкого поширення біотехнології — харчові технології, в основу яких покладені фермен­тативні перетворення сировини. Більш детально згадані вище процеси будуть розглянуті в курсі "Теоретичні основи харчових технологій".

2. За способом організації технологічні процеси поділяють на періодичні, безперервні та комбіновані. Схеми цих процесів наведені нарис. 1.3.

Періодичними ( їх ще називають дискретними) називають такі процеси, при організації яких подання сировини на пере­робку в технологічну машину або агрегат здійснюється певни­ми порціями. Так само порціями виводиться з агрегату і готова або проміжна продукція. Процес обробки за цим способом но­сить циклічний, що періодично повторюється, характер. Напри­клад, на багатьох консервних підприємствах процес сте­рилізації має періодичний характер. Підготовлений до термічної обробки проміжний продукт завантажується в авто­клав, потім автоклав герметизується, виводиться на потрібний режим, певний час продукт витримується при цьому режимі, після чого автоклав і продукт охолоджуються і розвантажують­ся. А далі цей цикл повторюється з новою порцією продукту.

Недоліками цього способу організації технологічних про­цесів є відносно великі витрати часу на завантаження та ви­вантаження продукту, на зміни режиму роботи агрегату, а то­му продуктивність таких процесів менша, ніж при інших спо­собах. Через нестабільність режиму роботи агрегату усклад­нюється його обслуговування, автоматизація тощо. Але пере­вагами періодичних процесів є їх мобільність, менша вартість, а тому швидка їх окупність, більша компактність, тому що при цьому способі необхідна менша кількість машин і апаратів і менші виробничі площі. Такий спосіб організації більш доцільний і частіше використовується на малих переробних підприємствах, при створенні нових і модернізованих видів продукції, при серійному випуску продукції, коли процес не­обхідно періодично переналагоджувати або перебудовувати. Навіть на великих переробних підприємствах деяка частина цехів (наприклад, дослідні або експериментальні) створюєть­ся саме за цим способом.

Безперервними називають технологічні процеси, при яких сировина надходить в агрегат, а продукція виводиться з нього безперервним потоком (рис. 1.3). Ці процеси мають і другу на­зву — поточні. Вони, як правило, виконуються на конвейєрних механізованих лініях і після виходу на робочий режим працю­ють довгий час, аж до ремонту або демонтажу лінії. їхньою пе­ревагою є те, що вони не мають простою агрегатів, працюють в сталому стабільному режимі, вимагають комплексної ме­ханізації і автоматизації, а тому мають значно більшу продук­тивність, ніж періодичні. Недоліками цього способу організації процесів є потреба в великій кількості машин і агрегатів, у значних виробничих площах, а тому початкова вартість і терміни окупності набагато більші, ніж у періодичних процесів, на них неможлива швидка зміна асортименту продукції.

Такі процеси використовуються переважно на крупних переробних підприємствах, які виробляють продукцію вузької номенклатури але в великих обсягах ( масове виробництво).

Комбіновані процеси — це комбінація періодичних і безпе­рервних процесів, яка дозволяє уникати їх недоліків та вико­ристовувати переваги. Вони можуть бути реалізовані в різних варіантах (рис. 1.3).

3. В залежності від агрегатного стану сировини або проміжного продукту у робочій зоні процеси поділяються на гомогенні і гетерогенні. Гомогенні — це процеси, коли взаємодіючі в робочій зоні компоненти знаходяться в однако­вому агрегатному стані ( газовому, рідинному або твердому), а гетерогенні — коли стан компонентів різний, тобто коли між компонентами є межі поділу фаз. Можливі різні комбінації фаз в цих процесах: газ і тверде тіло, газ і рідина; тверде тіло і рідина, наявність усіх трьох фаз.

Рис 1.3. Варіанти організації технологічних процесів

С- потоки сировини; П – потоки продукції

Для гомогенних процесів характерна найбільша швидкість перебігу процесу, особливо коли компоненти зна­ходяться у газовому або паровому стану. Але процеси у газовій фазі для харчових виробництв не характерні. Частіше мають місце гомогенні процеси у рідкій фазі. Швидкість у них мен­ша, ніж у газових, але більша, ніж в гетерогенних процесах. То­му інколи діючі речовини заздалегідь переводять у рідку фазу розчиненням або плавленням. Так, швидкість процесу соління при консервуванні плодів, м'яса, риби розсолом значно більша, ніж при солінні сухою сіллю. Швидкість перебігу гете­рогенних процесів найменша, але в технології накопичений досвід інтенсифікації процесів, про що піде мова в наступних главах посібника.

4. У багатьох технологічних процесах має місце тепловий ефект, тобто виділення або поглинання теплоти з оточуючого середовища. Якщо в результаті перебігу процесу в робочій зоні виділяється теплота (тепловий ефект позитивний), такий про­цес називається екзотермічним. При негативному тепловому ефекті (теплота поглинається) процес називається ендо­термічним. Більшість процесів у харчових виробництвах є ен­дотермічними. Для їх проведення необхідно підводити теплоту в робочу зону машини. Таке підведення здійснюється шляхом нагрівання сировини або проміжного продукту гарячою водою, водяною парою, газами від згоряння палива, електронагріваль­ними засобами та іншими способами. Для економії паливно-енергетичних ресурсів такий підігрів здійснюють вторинними енергоресурсами: вторинною парою, гарячим конденсатом, га­рячим готовим продуктом, який потрібно охолоджувати.

5. За напрямом руху матеріальних та енергетичних по­токів у робочій зоні машини (агрегату) технологічні процеси поділяються на прямоточні, протиточиі та перехресні.

До прямоточних (їх ще називають однобічними) відносять-

Рис 1.4.Схему руху потоків у агрегаті:

а) прямоточні

б) проти точні

в) перехресні

ся процеси, коли напря­ми матеріального та енергетичного потоків збігаються (рис. 1.4 а). Якщо ж ці потоки руха­ються у взаємно проти­лежних напрямах, то такі процеси називають про-титачними (або зустріч­ними, рис. 1.4 6). При пе­рехресних процесах пото­ки рухаються перпенди кулярно один до одного (рис. 1.4в).

6. За кратністю оброблення сировини або проміжного про­дукту процеси поділяються на відкриті, коли матеріальний потік (сировина) проходить через технологічну машину або агрегат один раз (рис. 1.5а), замкнені (їх ще називають рецикли) — коли матеріальний потік (весь або його окрема частина) по­вторно проходить через одну й ту ж машину (рис. 1.56) і комбіновані, коли окрема частина матеріального потоку багато раз повертається в одну й ту ж машину (рис. 1.5 в).

Рис. 1.5. Схеми процесів за кратністю обробки

С,С₁, С₂ — потік сировини; П,П₁ — потік продукції;

а) відкриті; б) замкнені; в) комбіновані

В якості приклада замкненого процесу може слугувати по­вторне повернення до мийного агрегату частини сировини яка не пройшла інспекцію за якістю миття. Ілюстрацією комбіно­ваного процесу може бути багаторазове використання розчин­ника при екстракційному способі вилучення олії з насіння со­няшника.

7. Складовими елементами технологічного процесу є не тільки окремі операції або стадії, а й зв'язки між ними. Стабільне функціонування процесу як системи багато в чому визначається саме характером технологічних зв'язків між опе­раціями, стадіями та гілками процесу.

За характером зв'язків між операціями та стадіями розрізняють процеси з жорсткими зв'язками, напівжорсткими та гнучкими (рис. 1.6 а-в). Жорсткий зв'язок передбачає ре­тельне узгодження вихідних параметрів потоку кожної опе­рації з вхідними параметрами наступної. При цьому виду

зв'язку тривалість циклу обробки сировини або проміжного продукту на суміжних операціях по­винна бути однаковою або кратною до неї. До­сягти такого рівня син­хронізації між опера­ціями в багатостадійних ⁴ процесах важко або про­сто неможливо. Тому на практиці доволі часто між стадіями встанов­люється напівжорсткий

Рис. 1.6. Схеми побудови процесу з різним характером зв'язків:

а) жорстким; б) напівжорстким;

в) гнучким

зв’язок — такий, що дозволяє не узгоджувати вхідні та вихідні параметри між операціями. Зазвичай він виконується у ви­гляді операції зберігання. Конструктивно ця операція ре­алізується у вигляді проміжних ємностей, бункерів, накопичувачів тощо. В окремих випадках така операція зберігання пе­редбачається після кожної операції. Такі процеси отримали назву процесів з гнучким зв'язком. Завдяки операції зберігання вдається уникнути необхідності синхронізації процесу але при цьому він значно уповільнюється і знижує свою продук­тивність.

В залежності від просторового розміщення машин і агре­гатів у складі технологічної лінії розрізняють технологічні процеси нерозгалужені; розгалужені, що сходяться; розгалу­жені, що розходяться; розгалужені з паралельними гілками (рис. 1.7 а-г).

Нерозгалужепа лінія будується у вигляді лан­цюга з послідовно розта­шованими машинами та агрегатами. Розташуван­ня може бути прямо-, криволінійним або ком­бінованим. Таке просто­рове розміщення мають процеси, на яких з одно­го виду сировини вироб­ляють один вид готової продукції. Наприклад, лінії з виробництва пас­теризованого молока, за­морожених плодів, ягід, м'яса та риби.

Якщо для вироб­ництва готової продукції використовується декілька видів си­ровини, які проходять попередню обробку на окремих гілках, а потім комбінуються у складі одного продукту, тоді процес ви­робництва буде розгалуженим з гілками, що сходяться. В проти­лежному випадку, коли з одного виду сировини під час процесу виготовляється декілька видів готового продукту на окремих гілках лінії — процес називається розгалуженим з гілками, що розходяться. Ілюстрацією першого процесу може бути процес хлібовипічки, або виробництва харчоконцентратів, м'ясних та рибних консервів, твердих сирів тощо. Прикладами розгалуже­ного процесу, гілки якого розходяться, можуть слугувати техно­логічні процеси виготовлення борошна при сортових помелах, виготовлення фруктових та овочевих консервів з одного виду сировини (яблучних компотів, пюре, повидла, соків).

Розгалужений процес з паралельними гілками має місце тоді, коли в безперервному процесі окремі операції мають

Рис.1.7. Схеми просторового розміщення машин у складі технологічної лінії:

а) не розгалужений процес;

б) розгалужений, що сходиться;

в) розгалужений, що розходиться;

періодичний (дискретний) характер. Щоб не порушувати стабільності і безперервності процесу, дискретні операції ви­конуються почергово на паралельних гілках (від двох до чотирьох і більше). Прикладом може бути процес консерву­вання, коли на лінії використовуються автоклав_и (стериліза­тори) періодичної дії. В цьому випадку на лінії створюється дві і більше паралельних дільниці стерилізації, які працюють по черзі. Поки одна дільниця працює, інші підготовлюються до стерилізації або розвантажуються.

У розгалужених процесах виокремлюють головну та до­поміжні гілки. На допоміжних гілках виконуються операції з підготовки допоміжної сировини, виготовлення, миття та сте­рилізації тари, виготовлення побічної продукції переробка відходів тощо. На головній гілці виконується переробка ос­новної сировини в головну, профільну продукції