Co? Oczywiście mleko!

Przechowywanie rolniczych produktów spożywczych, to sprawa nie mniej ważna niż powiększanie areału zasiewów lub zwiększanie pogłowia bydła. Świeże mleko jest smaczne i wartościowe, ale szybko się psuje. Mleko pasteryzowane i konserwowane, co prawda długo się nie psuje, ale zauważalnie traci swoje właściwości smakowe i odżywcze. Naukowcy znaleźli wyjście: trzeba mleko emulgować - długo się nie skwasi, zachowuje swoje właściwości bez konserwantów i obróbki cieplnej i jest nawet smaczniejsze od naturalnego mleka. Ale opracowana technologia emulgowania przysporzyła kilka nowych problemów. Zaproszono mnie ( Podkatilina przyp. tłum.) żebym spróbował coś z tym zrobić...

         Emulgowanie mleka - to rozdrabnianie każdej cząsteczki tłuszczu na najdrobniejsze kropelki z pomocą wykorzystania efektu kawitacji. W tym celu przepuszcza się mleko przez odśrodkową pompę emulgującą. Łopatki pompy skonstruowane są tak, że tworzą w mleku pęcherzyki  kawitacyjne, które rozdrabniają duże krople tłuszczu na najdrobniejsze cząsteczki.

            Warunki emulgacji mleka są następujące:

• każda kropla tłuszczu powinna przejść przez pompę emulgująca nie mniej niż cztery razy,
• mleko w procesie emulgacji nie powinno mieć kontaktu z powietrzem.

I jeszcze: zamawiający od razu zaznaczył, że powiększać liczby pomp emulgujących w instalacji nie można, ponieważ są to bardzo drogie, importowane urządzenia.

Podczas projektowania wytwórni emulgowanego mleka wg, poniższego schematu (Rys.01) projektanci spotkali się z "nierozwiązywalnymi" problemami.

                                                     Rysunek 01

Pompa emulgująca pobiera dolnym rurociągiem mleko ze zbiornika o pojemności 5m³, emulguje je i przepompowuje z powrotem do zbiornika górnym rurociągiem. Długość rurociągów, zgodnie z wytycznymi sanitarnymi, nie może być większa niż 20 mb. ( przy średnicy wewnętrznej 100 mm). Cała instalacja jest hermetyzowana i wypełniona mlekiem tak, żeby nie miało kontaktu z powietrzem. Po czterokrotnym przepuszczeniu każdej kropli mleka  przez emulgator, produkt jest gotowy do rozlewania w hermetyczne opakowania.

Ale jak stwierdzić, że absolutnie każda kropla mleka przeszła czterokrotnie przez emulgator? Przecież po emulgacji mleko wlewa się z powrotem do zbiornika, w którym miesza się ono z mlekiem niezemulgowanym! W miejscach "zastoin" - może ono w ogóle nie być zemulgowane... A krople mleka nieemulgowanego mogą zepsuć całe emulgowane mleko! Jak zlać pięć ton emulgowanego mleka ze zbiornika? Przecież kontakt mleka z powietrzem niedopuszczalny, dla wylewania konieczne jest rozhermetyzowanie zbiornika, wpuszczenie powietrza.

Oprócz tego, jak z hermetyzowanej instalacji usunąć powietrze, wydzielające się z mleka podczas emulgacji?  I jeszcze masa podobnych problemów...

         Doświadczonych konstruktorów te problemy ani trochę nie martwiły Trzeba każda kropelkę sprawdzać?  Zamontujemy zagraniczny analizator laserowy, w połączeniu z obróbką danych na komputerze! Tak, sporo kosztuje, ale co robić...

            Trzeba oddzielić emulgowane kropelki od nieobrobionych? Wstawi się separator elektrostatyczny, wyposażony w elektroniczny system sterowania i automatyki!

Trzeba zlewać mleko bez dostępu powietrza? Zamiast powietrza wpuścimy do zbiornika azot! Trzeba dostarczyć dużą ilość azotu? Wstawimy specjalne urządzenia do otrzymywania azotu ze skroplonego powietrza! itd., itp.

            Oczywiście przy takim "szerokim podejściu" projektantów, wartość projektowana inwestycji okazała się o rząd wielkości wyższa w stosunku do planów zamawiającego. W rezultacie projekt, jako ekonomicznie nieefektywny, zamawiający skasował "w zarodku!"

            Jeżeli - teoretycznie - całe pięć ton mleka wlać do jednej zamkniętej rury o średnicy wewnętrznej 100 mm, podłączonej do pompy emulgującej, to każda kropla mleka z pewnością przejdzie obróbkę jeden raz. Tę operację można powtórzyć cztery razy i produkt gotowy! Ale w takim przypadku długość rurociągu powinna wynosić 160 m. A dla mleczarni obowiązują przepisy sanitarne, ograniczające długość rurociągów do 20 m. Wynika z tego, że rurociąg musi być długi ( 160 m ), żeby pomieścić 5 t mleka i musi być krótki,  ( 20 m ) żeby sprostać wymaganiom sanitarnym. Tak postawione zadanie często wydaje się trudne, nierozwiązywalne, a dla specjalisty TRIZ to podpowiedź i rozwiązanie - "jak ręką sięgnąć".

            Sprzeczność wymagań zadania rozwiążemy w przestrzeni i w czasie: w jednym miejscu i czasie zbiornik pojemny i długi, mieszczący 5 t mleka, w drugim miejscu i czasie zbiornik krótki, o małej pojemności, w którym przeprowadza się emulgowanie. W rezultacie otrzymujemy prosty schemat wytwórni emulgowanego mleka. ( Rys 02) Mleko w krótkim rurociągu roboczym na pewien czas odcina się od podstawowej ilości, hermetyzuje się i cztery razy przepędza przez dwudziestometrowy rurociąg i emulgator. Następnie emulgowane mleko podawane jest do zbiornika zbiorczego z ruchomym tłokiem - pokrywą, a nowa partia świeżego mleka wpada w rurociąg roboczy. I cykl się powtarza. Przełączanie trójdrożnych zaworów przeprowadza się automatycznie po czasie nieco dłuższym niż czas czterokrotnego obiegu mleka przez rurociąg roboczy. Emulgowane mleko gromadzi się w zbiorniku z "pływającym"  tłokiem, chroniącym mleko przed kontaktem z powietrzem.

Rysunek 02

                                                           Rysunek 03

            W rezultacie schemat wytwórni mleka emulgowanego okazał się na tyle prosty, że zleceniodawca wdrożył go nawet bez opracowania specjalnego i drogiego projektu i prosto ze szkiców przeszedł do montażu urządzenia. Koszt projektu obniżono o rząd wielkości, ciężar kilkukrotnie, a termin uruchomienia - dwukrotnie.

Opracowano już zgłoszenie do opatentowania: "procesu technologicznego emulgowania mleka z pomocą kawitacji"

         Jeśli prowadzić emulgowanie, zalewając mleko i hermetyzując je w dwudziestometrowym rurociągu, to problemu z emulgowaniem nie będzie, ale spadnie wydajność procesu. Dla zemulgowania 5 ton mleka trzeba będzie osiem razy zlewać zemulgowane mleko i wlewać świeże, a to znaczy przerywać proces, tracąc czas.

              Dla   podniesienia  wydajności  zaleca  się  przyjąć  następujące  elementarne zasady ( chwyty ):

1. Zwiększyć liczbę jednocześnie pracujących obiektów.
2. Przejść od procesu przerywanego do ciągłego.
3. Podzielić obiekt na części, analizować każdą z nich oddzielenie, a później połączyć je razem.
4. Przejść od sekwencyjnego prowadzenia procesu do równoległego.

            Prawidłowo sformułowaną sprzeczność fizyczną można zlikwidować następującymi sposobami:

1. Rozdzielić sprzeczne wymagania w przestrzeni.
2. Rozdzielić sprzeczne wymagania w czasie.
3. Rozdzielić sprzeczne wymagania w czasie i w przestrzeni.
4. Rozdzielić sprzeczne wymagania na poziomie systemu: w całości obiekt wypełnia jedno zadanie, a część obiektu wypełnia inne.

Uwaga! Proszę określić, który z w/w chwytów został wykorzystany la usunięcia SF (sprzeczności fizycznej): "Rura powinna być długa (160m), żeby pomieścić 5 ton mleka i powinna być krótka (20m) zgodnie z wymaganiami sanitarnymi.