A szerves savas tartósítás helyes gyakorlata, folyamatirányítási eljárás villamos irányító berendezéssel

Az alternatív technológiákkal (szárítás, légmentes tárolás, mélyhûtés stb.) szemben ennek a technológiának elõnyei a kisebb beruházási igény, a takarmányok beltartalmi értékének jobb megõrzése, a tartósítási eljárás nagyobb biztonsága, a viszonylag alacsony fajlagos tartósítási költségek és a technológia által okozott kisebb mértékû környezeti terhelés, kisebb környezetvédelmi kockázat. Propionsavat a vegyipar 99% feletti tisztaságban, élelmiszeripari minõségben gyárt és szállít. A nem csak propionsavat tartalmazó tartósítószerek leírását a BASF AG (Németország) több német és európai szabadalma tartalmazza, ezeket jól összegzi az Amerikai Egyesült Államokban bejelentett US 6,183,794 B1 számú (2001. II. 6.) szabadalmi leírásuk leíró része. A két- és háromértékû alkoholok (jellemzõen propilénglikol és glicerin) hatása a rövid szénláncú monokarbonsavak parciális gõznyomásának (kisebb párolgási veszteség, csekélyebb irritáció) és korrozivitásának (technológiai berendezések megkímélése) csökkentésében szintén közismert, de például a Borregaard Industries Ltd. (Norvégia) 2011. januárban US 20110006264 számon bejelentett szabadalmi igénye is részletesen tárgyalja ezt a kérdést. Maga a szerves savas tartósítási eljárás említésszerûen szintén szerepel ezekben a szabadalmi leírásokban, az utóbbi évtizedek gyakorlatában pedig széles körben ismertté vált. A szerves savak hatásmechanizmusáról korábban már megjelent egy összefoglaló cikkünk a legfontosabb források pontos megjelölésével. [Baross, R. (2006) A hangyasav és a propionsav hatása. Agro Napló 2006/09., 111–112.]

A rendelkezésre álló szakirodalomból jól látható, hogy míg a tartósítószerek összetételével, ezek folyamatos fejlesztésével a XX. század eleje óta sokan és mélyrehatóan foglalkoztak, addig az adagolástechnikára és a tartósítás technológiai folyamatának irányítására lényegesen kevesebb figyelmet fordítottak. A gyakorlatban elterjedtek a rögtönzésszerû megoldások, a más technológiákból átvett, felületesen adaptált elemek. Jelen tanulmányban ezért magukkal a konkrét tartósítószerekkel egyáltalán nem, csak azoknak az adagolástechnika szempontjából releváns fizikai és kémiai tulajdonságaival foglalkozunk, továbbá kifejezetten és hangsúlyosan a helyes technológiát és annak folyamatirányítását tárgyaljuk.

Problémafelvetés



Mint ismeretes, a szerves savas tartósítás során a kezelendõ szilárd alapanyagra, takarmányra stb. lehetõleg minél egyenletesebb eloszlásban kell kijuttatni a folyékony tartósítószert a szükséges adagolásban. (Folyékony kezelendõ anyagokra, illetve szilárd halmazállapotú tartósítószerek adagolására jelen tanulmányunkban nem térünk ki.) A technológia már közismert alapelveit és alapfogalmait nem tárgyaljuk.



A kezelendõ anyag idõegység alatt kezelt mennyiségét, azaz anyagáramát általában a kezelés megkezdésekor végzett néhány mérés átlagából állapítják meg a szórást figyelmen kívül hagyva. Hasonló módon a kezelendõ anyag víztartalmát (nedvességét) is szakaszosan, egy-egy mintavételbõl, jobb esetben kis számú mintavétel átlagértékébõl határozzák meg. Belátható, hogy az adagolás meghatározásánál a kezelendõ anyag számításba vett anyagárama és víztartalma rendkívül pontatlan értékek, továbbá a gyakorlatban általában figyelmen kívül hagyják ezen értékek nem ismert (ki sem számított) szórásait. Ezért különösen fontos, hogy legalább a tartósítószer idõegység alatt kijuttatott mennyisége, azaz a folyadékáram lehetõleg minél pontosabban megfeleljen a megállapított szükséges adagolásnak, ebbõl fakadóan ne adódjék újabb jelentõs mértékû hiba az ismeretlen mértékû, de sejthetõen jelentõs számítási hibákhoz. (A kezelendõ anyag technológiai folyamat közbeni, folyamatos anyagáram- és nedvességmérésének lehetõségére késõbb még visszatérünk.)



A gyakorlatban szokásos, elterjedt adagolástechnikai berendezések általában csak folyamatvezérlési funkciókat képesek ellátni. Jellemzõ megoldás, amikor a folyadékáramot egy lebegõtestes áramlásmérõvel (rotaméterrel) vagy forgólapátos áramlásmérõvel mérik, és ha a mért folyadékáram túllép egy megadott küszöbértéket, akkor a berendezés hibajelzéssel leállítja a technológiai folyamatot. Ebben az esetben a megadott egy (csak alsó vagy csak felsõ!), jobb esetben két küszöbérték általában eleve túl nagy hibahatárnak felel meg, továbbá a tiszta propionsav kivételével az összes többi tartósítószer viszkozitása jelentõsen változik a hõmérséklet függvényében, ezért a mért érték és a tényleges folyadékáram közötti különbségbõl fakadó hiba mértéke erõsen hõmérsékletfüggõ. Ezeknek a berendezéseknek fejlettebb változatai képesek az önmûködõ folyamatindításra és -megállításra a kezelendõ anyag jelenlétét jelzõ egy vagy több jelzõkészülékrõl érkezõ kétállapotú jel vagy jelek alapján, továbbá gyakran képesek egy vagy több szállítógépet, például a kezelés konkrét helyéül szolgáló csigát vezérelni. Félrevezetõ azt gondolni, hogy a digitális kijelzõvel ellátott berendezések ettõl lényegesen eltérõen mûködnének: gyakran csak arról van szó, hogy egy áramlásmérõ ellenõrzõjelét egy panelmûszeren megjelenítik, amelyen be lehet állítani egy vagy két abszolút küszöbértéket, amelynél a folyamat hibaüzenettel le fog állni. Egyes szofisztikált modelleken szinte minden megtalálható: rotaméter és turbinás áramlásmérõ, a villamos vezérlõ berendezésben programozható relé és programozható logikai vezérlõ, hozzá „digitális kijelzõ”, de számunkra érthetetlen módon ezek az igen drága berendezések gyakorlatilag semmivel sem tudnak többet, mint a már említett egyszerûbbek.

Célkitûzések és eredmények



Látható, hogy a gyakorlatban elterjedt berendezések nem felelnek meg korunk technológiai szintjének, nem alkalmazzák a rendelkezésre álló mûszaki lehetõségeket, ellenben gyakran költséges és inkább csak felesleges hibaforrást jelentõ megoldásokat tartalmaznak. Ezért 2004-ben saját készítésû folyamatvezérlések fejlesztésébe kezdtünk, amit 2005-ben már szabályozókört is tartalmazó folyamatirányítás fejlesztésével folytattunk. A fejlesztéseket, a kapcsolodó irodalmi kutatásokat és laboratóriumi kísérleteket, valamint a prototípus berendezések gyártását a Vertumnus Kft. keretein belül végeztük. A fejlesztés során meghatározó cél volt olyan berendezések egyedi vagy kisszériás gyártásának lehetõvé tétele, amelyek:



- könnyen kezelhetõk bárki által különös szakképzettség nélkül is,

- üzembiztosak, robusztus kivitelûek,

- könnyen mozgathatók és (át-)telepíthetõk,

- a világpiacon létezõ hasonló folyamatirányítások pontosságát elérik vagy meghaladják,

- versenyképes áron elõállíthatók és forgalmazhatók,

- gyakorlatilag bármilyen üzemi környezetben, bármilyen meglévõ technológiához illeszthetõk.

Az elsõ berendezést, amely a technológiai folyamatból érkezõ kétállapotú ellenõrzõjelek idõbeli állapota (változása) és azok kombinációi alapján vezérli a technológiai folyamatot, már 2004-ben üzembe helyeztük a Szirák-Farm Kft. sajószentpéteri üzemében; ez egyébként késõbbi átalakításokkal, kiegészítésekkel azóta is ott üzemel. 2005-ben végeztük az elsõ folyamatirányító berendezés próbaüzemét az Enyingi Agrárgazdaság Rt.-nél: ebben a berendezésben már egy programozható logikai vezérlõ fogadta a technológiai folyamat digitális, illetve az áramlásmérõ készülék analóg ellenõrzõjeleit, és az ember-gép kapcsolat már egy érintõképernyõs felületen valósult meg. Ez a berendezés 2006-ban az Eastern Sugar kabai cukorgyárába került, ahol ismét sikeresen mûködött az üzemi gyakorlatban. Ezt követõen több különbözõ technikai lehetõség kipróbálása történt, közben a gyakorlat számára gyártott modellek egyre több helyen szerepeltek sikeresen, majd végül az elektronikai eszközök gyors fejlõdése és csökkenõ árai 2010-ben lehetõvé tették kisebb széria továbbfejlesztett folyamatirányító berendezés gyártását a Pro-Feed Kft. számára. Ezek a berendezések már újabb programmal készültek, az érintõképernyõs felület több nyelvû kommunikációt tesz lehetõvé, és képesek önmûködõen kiszámítani a szükséges adagolás értékét. A gyakorlat (az évek során több száz gyakorlati alkalmazás közel száz helyszínen, több százezer tonna termény kezelése) igazolta, hogy a kitûzött fejlesztési célokat sikerült elérni. További fontos körülmény, hogy a berendezés hibájából származó hibás kezelés, ebbõl fakadó kár nem keletkezett, ami a piacon egyébként elterjedt, korábbi technológiák esetében nem mindig mondható el.

A folyamatirányítás leírása

Az itt bemutatásra kerülõ folyamatirányítás az alábbi lényeges új tulajdonságokkal jellemezhetõ, amelyek a korábban megszokott, illetve a piacon mások által gyártott eddigi megoldásokban nem fordulnak elõ.

I. A vezérlés a technológiai folyamatból és magából a folyamatirányító berendezés készülékeibõl érkezõ, illetve maga a vezérlés által generált digitális ellenõrzõjeleknek nemcsak a pillanatnyi állapota és kombinációi, hanem azok idõbeli változása, illetve idõtartama alapján ad kimenõ digitális vezérlõjeleket a technológiai folyamat többi eszköze, illetve állapotjelzõ jeleket a felhasználó számára.



II. A szabályozás a tartósítószer folyadékáramát az áramlásmérõ készülék analóg ellenõrzõjele alapján PID-szabályozással a szükséges értéken, illetve a megengedett tartományokon belül tartja üzem közben.



III. A felhasználó dönthet arról, hogy saját maga állapít meg egy szükséges adagolási értéket, vagy a gépre bízza annak kiszámítását. A berendezés a felhasználó által az érintõképernyõn át megadott 1.) várható tárolási idõ, 2.) víztartalom és 3.) a kezelendõ anyag árama („csiga teljesítménye”) adatok alapján kiszámítja a szükséges adagolást. Ennek során az algoritmus egy lineáris függvénykompozíció értékét számítja ki, ami igen kis hibával jól közelíti egy a valóságot jobban tükrözõ matematikai modellben szintén csak közelítõ értéket megadó nemlineáris kétváltozós függvénykompozíció értékét (a kezelendõ anyag áramával utólag szokták szorozni a fajlagos adagolás értékét).



IV. Az érintõképernyõn a kommunikáció, a változók beírása és megjelenítése a felhasználó számára érthetõ nemzeti nyelven történik, a gyakorlatban megszokott dimenziók (mértékegységek) és fogalmak használatával.



V. A folyamatirányító berendezés slave eszközként közvetlen gép-gép kapcsolattal, vagy hálózaton keresztül egy magasabb hierarchiájú master eszközhöz (számítógéphez) csatlakoztatható, onnan (annak grafikus felhasználói felületérõl) üzemeltethetõ.

Ez a megoldás lehetõvé teszi a két különbözõ gyakori hibafajta: a téves hibajelzés és leállás, illetve a valós technológiai hiba figyelmen kívül hagyása elkerülését. A folyamatirányító berendezés rendesen a folyadékadagoló szivattyú háromfázisú indukciós motorjának fordulatszámát szabályozza egy frekvenciaváltó által; igény szerint más irányítástechnikai megoldás is alkalmazható. Nem tiszta propionsav tartósítószer esetén olyan áramlásmérési technikát kell alkalmazni, amelynek mérési hibája kevésbé, de mindenképp ismert mértékben függ a közeg viszkozitásától. (A tartósítószerek sûrûsége elhanyagolható mértékben változik a gyakorlati alkalmazáskor szokásos hõmérsékleteken.)

Most bemutatjuk a folyamatirányítás programjának részletét a Boole-algebra alkalmazásával egy egyszerû példán, a teljesség igénye nékül; a vezérlés alapelvének és lényegének megértéséhez az alább közölt vázlat is elegendõ. A könnyebb áttekinthetõség érdekében nem egy létezõ program memóriacímeit, hanem részben a mûszaki rajzban szokásos betûjeleket (B, H, ill. S), részben a változók programozásban elterjedt betûjeleit (D, M, Q, ill. T) alkalmazzuk az alábbi vázlatban.

Tapasztalataink azt mutatják, hogy e₀ = 0,05*SV abszolút hibahatár megadásakor a tényleges, tartósan fennálló adagolási hiba laborkörülmények között 0,10–0,15 %, üzemi gyakorlatban legfeljebb 2–3 % mértékû, ha a PID-paramétereket jól választottuk meg. Szûkebb hibahatár meghatározása csak felesleges hibajelzéseket és indokolatlan leállásokat eredményez. (Az e₀ értékét a PLC programja számítja ki SV₀ változó értéke és a programban rögzített vagy a felhasználó által meghatározott relatív hibahatár szorzatából.)

Magyarázat: B10 a „puffer alsó szint” érzékelõ állapota, B11 pedig a „puffer felsõ szint” érzékelõ állapota (1: van kezelendõ anyag, 0: nincs). A „puffer alsó szint” a kezelés helye elõtti, rendesen közvetlenül a csiga garatja felett meghatározott érzékelési hely; „puffer felsõ szint” a puffertartály felsõ érzékelési helye. Az egyérzékelõs megoldásnál csak az alsó szintjelzõ szükséges.

Az alapjel kiszámításához alkalmazott algoritmus:

A tartósítószer szükséges relatív (fajlagos) adagolása függ a várható tárolási idõtõl és a kezelendõ anyag víztartalmától; a gyakorlati alkalmazás során a releváns értelmezési tartományon az alábbi kétváltozós lineáris függvénnyel jól közelíthetõ:

D = A*(B + C*h)*(n – E)

D a relatív adagolás értéke [kg/tonna vagy liter/tonna]; A, B, C és E konstansok; h a tárolási idõ [hónap]; n a kezelendõ termény víztartalma [%].

(Az A konstans dimenzióval is rendelkezik, az áttekinthetõség végett nem jelezzük.) A konstansok értékei szemes termények (kalászos gabona és kukorica) és propionsav esetén:

A = 0,116           B = 3           C = 0,2           E = 6,4

értelmezési tartományok: h = [0, 18] n = [12, 32]

Az abszolút adagolás (azaz a szabályozás alapjelének) értéke egyszerûen kiszámítható: D* = D*Q, ahol D* az abszolút adagolás (ténylegesen szükséges folyadékáram) és egyúttal a szabályozás alapjelét meghatározó érték [kg/óra vagy liter/óra (a tartósítószerek sûrûsége általában 1-hez közeli érték)], Q a kezelendõ anyag tömegárama [tonna/óra].



A várható tárolási idõ h változóját a kezelõnek (vagy a master eszköz kezelõjének) kell bevinnie a programba. A víztartalom n változóját és a terményáram Q változóját rendesen szintén a kezelõ határozza meg és viszi be a programba, de a termény nedvességét, illetve tömegáramát mérõ készülékek analóg ellenõrzõjelei is szolgálhatnak ezen változók forrásául: például a Metrisoft (Magyarország) által gyártott, a kezelendõ termény tömegáramát mérõ, illetve az Intelscan (Izland) által gyártott folyamatos nedvességmérõ készülékek vagy más, hasonló méréstechnikai eszközök visszacsatoló jeleit is használhatja a berendezés az algoritmus független változóiként. A numerikus adatokat tároló változókat és az azokat kezelõ programot, valamint az idõrelék késleltetési idejét terjedelmi okokból sem tudjuk itt ismertetni. Az alapértelmezett „szemes gabona és kukorica” kezelendõktõl eltérõ takarmányok és alapanyagok, továbbá különleges tárolási viszonyok esetében a D relatív adagolás értékét konstanssal kell szorozni (0,8...1,5 faktorral) vagy növelni (negatív vagy pozitív számmal); ezen értékek meghatározásához a tartósítási szakirodalom és a rendelkezésre álló gyakorlati tapasztalat elegendõ ismeretet biztosít.

Összefoglalás



Bemutattuk a helyes folyamatirányítási gyakorlatot megvalósító berendezés mûködési elvét, egyúttal felhívtuk a figyelmet a gyakorlat számára fontos szempontokra, követelményekre. Célunk volt az is, hogy megmutassuk, létezik egyszerû, üzembiztos, költségkímélõ módon kivitelezhetõ megoldás a szerves savas tartósítás technológiai folyamatának irányítására. Az itt bemutatott eljárás és a fentebb körülírt berendezés a rendes üzemi gyakorlatban az elmúlt évek tapasztalatai alapján megfelelõnek bizonyult, a korábbi megoldásoknál magasabb mûszaki színvonalat testesít meg, nagyobb biztonsággal üzemeltethetõ.

Baross Rezsõ