Az alternatív technológiákkal (szárítás, légmentes tárolás, mélyhûtés stb.) szemben ennek a technológiának előnyei a kisebb beruházási igény, a takarmányok beltartalmi értékének jobb megőrzése, 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 minőségben 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 (jellemzően propilénglikol és glicerin) hatása a rövid szénláncú monokarbonsavak parciális gőznyomásának (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 kezelendő szilárd alapanyagra, takarmányra stb. lehetőleg minél egyenletesebb eloszlásban kell kijuttatni a folyékony tartósítószert a szükséges adagolásban. (Folyékony kezelendő anyagokra, illetve szilárd halmazállapotú tartósítószerek adagolására jelen tanulmányunkban nem térünk ki.) A technológia már közismert alapelveit és alapfogalmait nem tárgyaljuk.



A kezelendő anyag időegység alatt kezelt mennyiségét, azaz anyagáramát általában a kezelés megkezdésekor végzett néhány mérés átlagából állapítják meg a szórást figyelmen kívül hagyva. Hasonló módon a kezelendő anyag víztartalmát (nedvességét) is szakaszosan, egy-egy mintavételből, jobb esetben kis számú mintavétel átlagértékéből határozzák meg. Belátható, hogy az adagolás meghatározásánál a kezelendő 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 időegység alatt kijuttatott mennyisége, azaz a folyadékáram lehetőleg minél pontosabban megfeleljen a megállapított szükséges adagolásnak, ebből fakadóan ne adódjék újabb jelentős mértékû hiba az ismeretlen mértékû, de sejthetően jelentős számítási hibákhoz. (A kezelendő anyag technológiai folyamat közbeni, folyamatos anyagáram- és nedvességmérésének lehetőségére később még visszatérünk.)



A gyakorlatban szokásos, elterjedt adagolástechnikai berendezések általában csak folyamatvezérlési funkciókat képesek ellátni. Jellemző megoldás, amikor a folyadékáramot egy lebegőtestes áramlásmérővel (rotaméterrel) vagy forgólapátos áramlásmérővel 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 felső!), jobb esetben két küszöbérték általában eleve túl nagy hibahatárnak felel meg, továbbá a tiszta propionsav kivételével az összes többi tartósítószer viszkozitása jelentősen változik a hőmérséklet függvényében, ezért a mért érték és a tényleges folyadékáram közötti különbségből fakadó hiba mértéke erősen hőmérsékletfüggő. Ezeknek a berendezéseknek fejlettebb változatai képesek az önmûködő folyamatindításra és -megállításra a kezelendő anyag jelenlétét jelző egy vagy több jelzőkészülékről érkező kétállapotú jel vagy jelek alapján, továbbá gyakran képesek egy vagy több szállítógépet, például a kezelés konkrét helyéül szolgáló csigát vezérelni. Félrevezető azt gondolni, hogy a digitális kijelzővel ellátott berendezések ettől lényegesen eltérően mûködnének: gyakran csak arról van szó, hogy egy áramlásmérő ellenőrzőjelét 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 áramlásmérő, a villamos vezérlő berendezésben programozható relé és programozható logikai vezérlő, hozzá „digitális kijelző”, 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 lehetőségeket, ellenben gyakran költséges és inkább csak felesleges hibaforrást jelentő 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 lehetővé tétele, amelyek:



- könnyen kezelhetők bárki által különös szakképzettség nélkül is,

- üzembiztosak, robusztus kivitelûek,

- könnyen mozgathatók és (át-)telepíthetők,

- a világpiacon létező hasonló folyamatirányítások pontosságát elérik vagy meghaladják,

- versenyképes áron előállíthatók és forgalmazhatók,

- gyakorlatilag bármilyen üzemi környezetben, bármilyen meglévő technológiához illeszthetők.

Az első berendezést, amely a technológiai folyamatból érkező kétállapotú ellenőrzőjelek időbeli állapota (változása) és azok kombinációi alapján vezérli a technológiai folyamatot, már 2004-ben üzembe helyeztük a Szirák-Farm Kft. sajószentpéteri üzemében; ez egyébként későbbi átalakításokkal, kiegészítésekkel azóta is ott üzemel. 2005-ben végeztük az első folyamatirányító berendezés próbaüzemét az Enyingi Agrárgazdaság Rt.-nél: ebben a berendezésben már egy programozható logikai vezérlő fogadta a technológiai folyamat digitális, illetve az áramlásmérő készülék analóg ellenőrzőjeleit, és az ember-gép kapcsolat már egy érintőképernyős felületen valósult meg. Ez a berendezés 2006-ban az Eastern Sugar kabai cukorgyárába került, ahol ismét sikeresen mûködött az üzemi gyakorlatban. Ezt követően több különböző technikai lehetőség kipróbálása történt, közben a gyakorlat számára gyártott modellek egyre több helyen szerepeltek sikeresen, majd végül az elektronikai eszközök gyors fejlődése és csökkenő árai 2010-ben lehetővé tették kisebb széria továbbfejlesztett folyamatirányító berendezés gyártását a Pro-Feed Kft. számára. Ezek a berendezések már újabb programmal készültek, az érintőképernyős felület több nyelvû kommunikációt tesz lehetővé, és képesek önmûködően 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, ebből fakadó kár nem keletkezett, ami a piacon egyébként elterjedt, korábbi technológiák esetében nem mindig mondható el.

A folyamatirányítás leírása

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

I. A vezérlés a technológiai folyamatból és magából a folyamatirányító berendezés készülékeiből érkező, illetve maga a vezérlés által generált digitális ellenőrzőjeleknek nemcsak a pillanatnyi állapota és kombinációi, hanem azok időbeli változása, illetve időtartama alapján ad kimenő digitális vezérlőjeleket a technológiai folyamat többi eszköze, illetve állapotjelző jeleket a felhasználó számára.



II. A szabályozás a tartósítószer folyadékáramát az áramlásmérő készülék analóg ellenőrzőjele 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 érintőképernyőn át megadott 1.) várható tárolási idő, 2.) víztartalom és 3.) a kezelendő 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 tükröző matematikai modellben szintén csak közelítő értéket megadó nemlineáris kétváltozós függvénykompozíció értékét (a kezelendő anyag áramával utólag szokták szorozni a fajlagos adagolás értékét).



IV. Az érintőképernyőn a kommunikáció, a változók beírása és megjelenítése a felhasználó számára érthető 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 felületéről) üzemeltethető.

Ez a megoldás lehetővé teszi a két különböző 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 hőmérsékleteken.)

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 elegendő. A könnyebb áttekinthetőség érdekében nem egy létező 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” érzékelő állapota, B11 pedig a „puffer felső szint” érzékelő állapota (1: van kezelendő anyag, 0: nincs). A „puffer alsó szint” a kezelés helye előtti, rendesen közvetlenül a csiga garatja felett meghatározott érzékelési hely; „puffer felső szint” a puffertartály felső érzékelési helye. Az egyérzékelős megoldásnál csak az alsó szintjelző szükséges.

Az alapjel kiszámításához alkalmazott algoritmus:

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

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 idő [hónap]; n a kezelendő termény víztartalma [%].

(Az A konstans dimenzióval is rendelkezik, az áttekinthetőség 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 kezelendő anyag tömegárama [tonna/óra].



A várható tárolási idő h változóját a kezelőnek (vagy a master eszköz kezelőjének) kell bevinnie a programba. A víztartalom n változóját és a terményáram Q változóját rendesen szintén a kezelő határozza meg és viszi be a programba, de a termény nedvességét, illetve tömegáramát mérő készülékek analóg ellenőrzőjelei is szolgálhatnak ezen változók forrásául: például a Metrisoft (Magyarország) által gyártott, a kezelendő termény tömegáramát mérő, illetve az Intelscan (Izland) által gyártott folyamatos nedvességmérő készülékek vagy más, hasonló méréstechnikai eszközök visszacsatoló jeleit is használhatja a berendezés az algoritmus független változóiként. A numerikus adatokat tároló változókat és az azokat kezelő programot, valamint az időrelék késleltetési idejét terjedelmi okokból sem tudjuk itt ismertetni. Az alapértelmezett „szemes gabona és kukorica” kezelendőktől eltérő 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 elegendő 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, költségkímélő módon kivitelezhető 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 megfelelőnek bizonyult, a korábbi megoldásoknál magasabb mûszaki színvonalat testesít meg, nagyobb biztonsággal üzemeltethető.

Baross Rezső

A cikk szerzője: Baross Rezső