4. Оптимизация технологических процессов

Проблемам автоматизации, регулирования, оптимизации технологических процессов в отраслях промышленности и индустрии общественного питания уделяется немало внимания, поскольку это обеспечивает не только качество продукции, но и существенный технико-экономический результат (минимизация потерь пищевых веществ, предотвращение дефектов изделий и затрат на их исправление, сокращение длительности технологических процессов за счет комбинирования и т.д.).

В индустрии общественного питания до настоящего момента преобладает ручной труд, в то время как в пищевой промышленности на крупных предприятиях действуют механизированные и автоматизированные линии [4], которые уже на стадии проектирования направлены на оптимизацию технологических процессов. Оптимизации в сфере АПК посвящены специальные публикации, например, возможности оптимизации отдельных процессов производства (возделывания) сои, широко распространенной на Дальнем Востоке (посевы до 1 млн га) и активно используемой в пищевых производствах, представлена в статье В.А. Тильба, Н.М. Тишков [5].

Индустриальные способы производства кулинарных полуфабрикатов и изделий, например, на мясокомбинатах, требовали оптимизации технологий производства мясных изделий за счет рационального использования субпродуктов, богатых белками, микроэлементами, витаминами и другими нутриентами [7].

При использовании ингредиентов в производстве пищевой продукции возникает задача оптимизации норм внесения пищевых добавок, представленных в технической документации.

В отечественной практике накоплен опыт применения методов стандартизации, которые могут быть применены для оптимизации некоторых бизнес-процессов, к которым можно относить и технологические процессы, определяемые как изменения свойств и структуры сырья, компонентов, добавок при их обработке вручную, в системе аппаратов и машин для формирования заданного уровня качества изделий.

Можно представить метод параметрической стандартизации в производстве пищевой и кулинарной продукции, позволяющей оптимизировать ассортимент изделий по главным показателям (параметрам) качества, учитывая квалиметрический метод исследования проблемы качества продукции [1]. Данная тема может быть подробно изучена на практических занятиях по данной дисциплине.

Оптимизация, как известно, направлена на формирование наилучших результатов при соответствующих условиях. В индустрии общественного питания актуальны такие практические результаты, как снижение расхода пищевого сырья и ингредиентов, электрической энергии, водных ресурсов и т.п.

При этом необходимо обеспечить, по крайней мере, стандартное качество продукции, либо оптимизировать качество по важнейшим показателям, например, пищевой ценности.

Технологический процесс рассматривается как целенаправленные изменения физико-химических, биологических и других свойств сырья при его обработках в системе пищевого оборудования – аппаратов и машин с целью выработки безопасной и качественной продукции и напитков.

Методы оптимизации технологических процессов классифицируют по различным параметрам: статические и динамические; детерминированные - закономерные и стохастические, когда изменения носят беспорядочный, статистический характер (тема 2 – понятие об оптимизации…). Вследствие вышесказанного, в этом курсе будут изучены методы статистической обработки экспериментальных данных.

К аналитическим методам оптимизации следует отнести способы, представленные в работе Н.М. Прутковой [13]:

аналитический поиск экстремума (для детерминированных процессов);
метод множителей Лагранжа (для детерминированных процессов);
принцип максимума Понтрягина (для задач широкого класса, особенно для проблем оптимального управления);
вариационные способы (оптимальный температурный режим обработок при наличии ограничений на область изменения температур, оптимизация давления и некоторых других областях, особенно в химии и технологии различных продуктов).

Способы математического программирования:

линейное программирование для задачи производства продукции с максимальным выходом при использовании различных видов сырья; задача оптимального использования оборудования;
динамическое программирование (многостадийные процессы: ректификация, экстракция, адсорбция и др.);
нелинейное программирование (многостадийные процессы, задачи оптимального управления).

Градиентные методы – применяют для общих способов оптимизации линейных и нелинейных функций без ограничений и с линейными и нелинейными ограничениями. Применяют для многих сложных процессов химической и пищевой технологии.

Статистические подходы (гл. 7):

Метод планирования эксперимента по Боксу-Уилсону и его модификациям – для оптимизации и планирования химико-технологического эксперимента и прочих задач; различных стохастических процессов.

Регрессионный анализ – для объектов с линейными и нелинейными экстремальными характеристиками.

Адаптационная оптимизация – для стохастических процессов, поиска дрейфующего оптимума и т.п.

Учитывая сложность изучаемых задач, в настоящее время актуальны автоматические и компьютеризированные методы с т.н. самонастраивающимися моделями технологических, химических и других процессов.

Построение блок-схем позволяет оптимизировать технологии производства продукции путем, например, комбинирования отдельных операций, выполнения процессов обработки в одном многофункциональном аппарате, например, пароконвектомате или использования специализированного аппарата для контролируемого эффективного размораживания сырья (рисунок).

Рисунок 5.1 - Оборудование Electrolux: размораживатель, пароконвекционная печь Electrolux (Air-o-Steam), измерение температуры в центре полуфабриката термощупом (принцип мониторинга процесса тепловой обработки)

В частности, новое технологическое оборудование позволяет автоматизировать и компьютеризировать производство продукции и контролировать процессы обработки (размораживание сырья, подготовка к основным технологическим процессам, тепловая обработка, охлаждение и т.д.).

Так, новейшие пароконвектоматы (Electrolux Air-O-Steam), аппараты для интенсивного охлаждения и замораживания продукции (Electrolux Air-O-Chill) и другие предусматривают работу по программным циклам (конвекция, подача пара, смешанный цикл, низкотемпературный цикл, регенерация; замораживание при различных температурах и др.).

Например, предусматривается цикл с температурным датчиком в центре продукта; режим "HACCP", что соответствует принципам концепции ХАССП, а именно, процедурам мониторинга, обеспечивающим контроль критических контрольных точек (измерения температуры и длительности тепловой обработки продуктов), их верификацию, регистрацию данных и т.д. (принципы 4-7).

Концепция ХАССП предусматривает, что критические контрольные точки, в которых обеспечивается безопасность продукции, должны быть под постоянным контролем (М.П. Могильный, 2016).

Концепция ХАССП включена в нормативные документы РФ (техрегламенты, стандарты), методические рекомендации Роспотребнадзора и т.п.

Следует упомянуть оптимизацию как метод научных исследований. Например, William Tchabo et. al. изучали влияние параметров водной экстрации (температура, длительность, жидкостный коэффициент, размер частиц и др.) на пищевую ценность и антиоксидантную активность водного деривата из листа шелковицы. В результате были получены оптимальные параметры водной экстракции: продолжительность - 40 мин, жидкостный коэффициент 40:1, размер частиц 25 мкм; были необходимы два цикла экстракции. По данным параметрам компания вырабатывает продукцию с требуемыми свойствами, не привлекая отдел разработки, инженерную службу и т.д.

Следовательно, на практике используются методы квалиметрии (измерения параметров качества), стандартизации (параметрический метод) и оптимизации (выбор наилучших) количественных и качественных показателей продукции.

[1] Андреенков В. А. Научно-практические основы комплексной оценки качества мяса и мясных продуктов / В. А. Андреенков. Дис. … д-ра техн. наук. – М.: ВНИИМП, 1996. – 51 с.

[2] Принципы ХАССП. Безопасность продуктов питания и медицинского оборудования; пер. с англ. О. В. Замятиной. - М.: РИА "Стандарты и качество", 2006. - 232 с.

[3] Могильный М.П. и др. Контроль качества продукции общественного питания / М.П. Могильный, Т.В. Шленская, Е.А. Лежина. Под ред. М.П. Могильного. - М.: ДеЛи плюс, 2016. - 412 с.

[4] Технология продукции общественного питания: Учебник / Под ред. проф. А.С. Ратушного. - М.: ИТК "Дашков и К", 2016. - 336 с.

[5] Тильба В.А. Биология сои: возможности оптимизации отдельных продукционных процессов / В.А. Тильба, Н.М. Тишков // Масла и жиры. - 2018. № 3-4. С. 32-35.

[6] Пароконвекционные (комбинированные) печи // Презентация компании Electrolux.

[7] William Tchabo, Yongkun M., Emmanuel Kwaw et. al. Impact of extraction parameters and their optimization on the nutraceuticals and antioxidant properties of aqueous extract mulberry leaf. International Journal of Food Properties. 2018, Vol. 21, No. 1, 717-732.