Курсовая работа по метрологии на тему Система автоматического контроля технического процесса творога

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация и управление представляют собой одну из ключевых областей науки и техники, направленную на создание и применение комплексных систем контроля и управления технологическими процессами. Внедрение таких систем позволяет минимизировать непосредственное участие человека в процессах получения, преобразования и использования материалов и информации, что способствует повышению эффективности, безопасности и стабильности производства [1].
Производство творога является важным сегментом пищевой промышленности. Качество конечного продукта напрямую зависит от строгого соблюдения технологического режима на всех этапах процесса: от приемки и подготовки молока до сквашивания, отделения сыворотки и охлаждения творожного зерна. Нарушение любого из параметров (температуры, кислотности, длительности фазы сквашивания и др.) может привести к получению некондиционной продукции, браку и экономическим потерям. В связи с этим, актуальность данной работы обусловлена необходимостью внедрения надежной и точной системы автоматического контроля, обеспечивающей поддержание оптимальных технологических условий.
Целью данного курсового проекта является разработка системы автоматического контроля технологического процесса производства творога.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ технологического процесса производства творога, выявить его ключевые стадии и параметры, подлежащие контролю.
2. Выбрать и обосновать методы и средства измерения технологических параметров (температуры, уровня, pH/кислотности, давления).
3. Разработать функциональную схему автоматического контроля.
4. Выполнить расчет выбранного измерительного устройства и определить его основные характеристики.
5. Описать монтаж системы контроля на объекте измерения.
Объектом исследования и проектирования в данной работе является технологический процесс производства творога.
Предметом исследования является система автоматического контроля ключевых технологических параметров (таких как температура, уровень, кислотность/pH) в рамках данного процесса.
 
1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ТВОРОГА
1.1. Физико-химические основы процесса

Производство творога основано на комплексных физико-химических процессах, ключевым из которых является коагуляция белков молока с последующим отделением образовавшегося сгустка от сыворотки. Основу данного процесса составляет денатурация и последующая агрегация казеиновых комплексов под действием молочной кислоты, вырабатываемой молочнокислыми микроорганизмами, и/или сычужного фермента [2].
Основные физико-химические процессы:
1. Сбраживание лактозы. Молочнокислые бактерии (закваска) сбраживают молочный сахар – лактозу – с образованием молочной кислоты. Накопление кислоты приводит к снижению pH молока от исходного значения ~6,6-6,8 до изоэлектрической точки казеина (pH ≈ 4,6-4,7). Данный процесс может быть описан упрощенной формулой брожения:
C₁₂H₂₂O₁₁ (лактоза) + H₂O → 4 CH₃CHOHCOOH (молочная кислота) (1.1)
2. Коагуляция казеина. По мере снижения pH солевые связи в мицеллах казеина, стабилизированных коллоидным фосфатом кальция, разрушаются. Ионы кальция переходят в растворимую форму, а казеин, достигнув своей изоэлектрической точки, теряет заряд и стабильность, что приводит к агрегации мицелл и формированию пространственной гелеобразной сети – сгустка, удерживающего жир и влагу. Процесс коагуляции критически зависит от температуры, которая должна поддерживаться в оптимальном диапазоне для активности бактерий (28-32°C для мезофильных культур) и формирования плотного, но не переупрочненного сгустка.
3. Синерзис. После формирования сгустка происходит его уплотнение и отделение сыворотки под действием собственной массы. Этот физический процесс, известный как синерзис, интенсифицируется при повышении температуры (нагревании сгустка на этапе пастеризации/отделения) и механическом воздействии (разрезке, перемешивании). Скорость синерзиса описывается эмпирическими зависимостями и зависит от кислотности сгустка, температуры и его механической обработки.
Ключевыми параметрами, определяющими скорость и качество протекания этих процессов, являются:
• Температура на всех этапах;
• Кислотность (pH) среды;
• Продолжительность сквашивания;
• Массовая доля жира и сухих веществ в исходном сырье.
Для наглядности взаимосвязи основных параметров процесса сквашивания ниже представлена блок-схема технологического процесса (Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Блок-схема технологического процесса производства творога

Таким образом, физико-химическая сущность производства творога заключается в управляемом процессе кислотной или кислотно-сычужной коагуляции белков молока. Эффективный контроль этого процесса, а значит, и стабильного качества готовой продукции, невозможен без непрерывного или периодического мониторинга критических параметров, прежде всего температуры и кислотности (pH) на ключевых технологических этапах.


1.2. Описание технологического процесса производства творога

Технологический процесс производства творога представляет собой последовательность взаимосвязанных операций, направленных на коагуляцию белков молока и выделение творожного сгустка. Для обеспечения стабильного качества продукции процесс должен осуществляться в строгом соответствии с установленными параметрами технологического режима [3].
Основные технологические этапы производства творога:
1. Приемка и подготовка молока
o Молоко принимается по качественным показателям (жирность, кислотность, плотность)
o Очистка от механических примесей
o Нормализация по массовой доле жира
2. Пастеризация и охлаждение
o Нагрев до температуры 72-76°C с выдержкой 15-20 секунд
o Охлаждение до температуры заквашивания (28-32°C)
3. Заквашивание и сквашивание
o Внесение бактериальной закваски (2-5%)
o Сквашивание в течение 6-10 часов до достижения pH 4,6-4,7
o Контроль образования сгустка
4. Обработка сгустка
o Разрезка сгустка на кубики размером 2×2×2 см
o Нагрев (декантирование) для отделения сыворотки
o Охлаждение творожного зерна
5. Прессование и охлаждение
o Отделение сыворотки под давлением или центрифугированием
o Охлаждение готового творога до 4-6°C
o Фасовка и упаковка
Критические точки контроля технологического процесса:
• Температура пастеризации (72-76°C) - обеспечивает уничтожение патогенной микрофлоры
• Температура сквашивания (28-32°C) - оптимальная для развития мезофильных культур
• Кислотность сгустка (pH 4,6-4,7) - определяет готовность сгустка к дальнейшей обработке
• Температура охлаждения готового продукта (4-6°C) - обеспечивает сохранность качества при хранении
Технологический процесс производства творога характеризуется наличием нескольких критических точек, требующих постоянного контроля основных параметров. Наиболее важными для автоматизации являются контроль температуры на этапах тепловой обработки и контроль кислотности на этапе сквашивания, что определяет качество конечного продукта и эффективность всего производственного процесса.


1.3. Основное оборудование технологического производства

Технологическое оборудование для производства творога представляет собой комплекс взаимосвязанных аппаратов, обеспечивающих последовательное выполнение всех стадий технологического процесса. Конструктивные особенности оборудования определяют качество готового продукта и возможности автоматизации контроля технологических параметров [4].