W jaki sposób zawór może wpływać na sposób produkcji żywności i napojów

Zawór łatwo umyka uwadze. Jednak sposób, w jaki się otwiera, zamyka i utrzymuje w danej pozycji, decyduje o tym, jak działa cała linia produkcyjna: ile jesteśmy w stanie wyprodukować, jakie jest zużycie energii i na ile jest ona czysta. Nowy produkt w ofercie zaworów firmy GEA pozwala producentom żywności i napojów lepiej wykorzystać dostępną przestrzeń, energię i posiadaną już infrastrukturę.

Sposób picia piwa zmienia się na całym świecie. Wolumeny w ujęciu globalnym przestały rosnąć i utrzymują się na poziomie około 1,9 miliarda hektolitrów rocznie. Jednocześnie asortyment, jaki musi produkować pojedynczy browar, stale się poszerza – od piw klasy premium po szybko rozwijający się segment piw bezalkoholowych i o niskiej zawartości alkoholu. Na dojrzałych rynkach presja jest jeszcze silniejsza. Produkcja w Europie spadła z 367 milionów hektolitrów w 2019 roku do 345 milionów w 2024 roku, podczas gdy liczba działających browarów ustabilizowała się na poziomie około 9700.

Wyzwanie wszędzie jest to samo: zapewniać większą różnorodność przy zachowaniu istniejącej powierzchni. Zaskakujące jest to, że znaczna część tej elastyczności wynika z czynników występujących na bardzo wczesnym etapie procesu: na poziomie zaworów. W zakładach produkujących żywność i napoje zawory kierują ciecze przez sieć rur i zbiorników, regulują przepływ oraz pomagają bezpiecznie oddzielać produkt od płynów czyszczących. Niezależnie od tego, czy zakład produkuje piwo, mleko czy jogurt, odgrywają one bezpośrednią rolę w zapewnieniu bezpieczeństwa, spójności i wydajności produkcji. Wystarczy zmienić sposób działania zaworów, by zmienił się zakres możliwości całego procesu.

Obsługa zaworów przy użyciu wody

Zazwyczaj w zakładach produkujących żywność i napoje zawory są uruchamiane za pomocą sprężonego powietrza. Tymczasem w GEA Hydract® Actuation Technology do sterowania zaworami wykorzystuje się wodę w zamkniętym obiegu sterowanym cyfrowo. W rezultacie otrzymujemy zawór, który można precyzyjnie utrzymać w odpowiednim położeniu i sterować nim z dużą dokładnością. Skutkuje to mniejszym zużyciem energii i większą kontrolą. W połączeniu z danymi z poszczególnych zaworów przesyłanymi w czasie rzeczywistym oraz możliwością wykorzystania istniejących zbiorników do przechowywania szerszej gamy gotowych produktów rozwiązanie to zapewnia producentom możliwości niezbędne do radzenia sobie w kontekście zmieniających się rynków.

Pomysł ten zawdzięczamy inżynierowi, Peterowi Espersenowi, który obecnie pełni funkcję starszego dyrektora ds. rozwoju biznesowego w dziale Pure Flow Processing firmy GEA. To on porównał sytuację do ciężkich maszyn, w których układy hydrauliczne wykorzystują olej: „Tradycyjna hydraulika wykorzystująca olej to technologia oparta na sile, zaprojektowana głównie do napędzania potężnych koparek. Wymaga zastosowania wysokiego ciśnienia i dużych przepływów. „W kwestii przetwórstwa żywności, mój zespół zdawał sobie sprawę, że musimy wszystko zminiaturyzować – w tym także kwestię hydrauliki ująć w skali mikro”.

Espersen wyjaśnia to za pomocą prostego przykładu: „Jeśli przyłożysz palec do końcówki pompki rowerowej, próbując ją wcisnąć, zauważysz, że jest ona elastyczna”. Jeśli napełnisz ją wodą z obu stron, nic nie da się zrobić. Po prostu się zablokuje”. Woda jest nieściśliwa, dlatego zawór precyzyjnie utrzymuje zadane położenie, zamiast po prostu się otwierać i zamykać.

Jednak potrzeba było wielu lat spokojnych, mało spektakularnych prac rozwojowych, aby dowieść, że rozwiązanie to może działać również w zaworze higienicznym. Obecnie dokładność pozycjonowania grzybka zaworu wynosi 0,03 mm względem wartości zadanej, a pełny cykl regulacji trwa pół sekundy.

Seria GEA VARIVENT® staje się coraz lepsza

Firma GEA wprowadza tę technologię do swojej sprawdzonej serii zaworów GEA VARIVENT® przeznaczonych do instalacji produkcji żywności i napojów, zaczynając od najczęściej stosowanych typów zaworów, a następnie rozszerzając ofertę o kolejne modele. Dla producentów oznacza to możliwość stosowania hydraulicznego napędu wodnego bez konieczności przechodzenia na oddzielny system zaworowy.

Wdrażanie rozpoczyna się od obszarów, w których efekty są najbardziej odczuwalne: trzy najczęściej stosowane typy zaworów GEA VARIVENT® (do odcinania, rozdzielania i zapobiegania mieszaniu) już teraz obejmują większość procesów przetwarzania żywności płynnej. W dalszej kolejności planowane jest rozszerzenie zastosowania napędów hydraulicznych na całą gamę produktów GEA VARIVENT®, a w planach modernizacji uwzględniono również zawory aseptyczne.

Dlaczego browary zwracają uwagę na zawory

Rynek piwa kurczy się, a to skłania browary do ponownego przemyślenia swojej oferty. Niektóre firmy, takie jak Krombacher, poszerzają ofertę o zupełnie nowe napoje. Inne browary, takie jak Störtebeker, już teraz oferują szeroki wybór piw o niskiej zawartości alkoholu lub bezalkoholowych. Browary muszą sprostać nie tylko coraz większej różnorodności piw, ale i bardziej rygorystycznym celom w zakresie zrównoważonego rozwoju oraz stałej presji na koszty operacyjne. Efektywne wytwarzanie tak szerokiej gamy piw sprowadza się do pilnowania odpowiedniego momentu, w którym każde piwo uzyskuje swoją ostateczną postać. Precyzyjne sterowanie zaworami pozwala browarowi utrzymywać niewielką liczbę piw bazowych i mieszać je w gotowe odmiany tuż przed rozlewem. W branży nazywa się to późnym różnicowaniem produktów. Oznacza to mniej zbiorników do napełniania i czyszczenia oraz mniej gotowego piwa przechowywanego w magazynach.

Carlsberg: Większy wybór produktów, mniej zbiorników

„W browarze Carlsberg w duńskiej miejscowości Fredericia na nowo przemyślano sposób, w jaki piwo trafia ze zbiornika do butelki” – wyjaśnia Bastian Tolle, wiceprezes ds. rozwoju biznesowego i cyfryzacji w Dziale Zaworów i Pomp. „Obecnie w zakładzie miesza się kilka skoncentrowanych piw bazowych z wodą i innymi składnikami w trakcie ich przepływu w kierunku linii rozlewniczej, a rolą zaworów jest zagwarantować, że każda mieszanka jest w pełni zgodna z recepturą”.

Zmiana ta znajduje odzwierciedlenie w liczbie zbiorników: Dawniej firma Carlsberg przechowywała 39 rodzajów piwa w 26 zbiornikach na piwo jasne. Piwo było przechowywane przed pakowaniem, ale zbiorniki były wypełnione średnio tylko w 54 procentach. Zmodernizowana linia produkcyjna pozwala wytwarzać te same odmiany piwa, wykorzystując od 8 do 10 piw bazowych przechowywanych w zaledwie 14 zbiornikach napełnionych w 90 procentach. Oznacza to znacznie mniej zbiorników do czyszczenia i dużo lepsze wykorzystanie przestrzeni. Koszty czyszczenia mniejszej liczby zbiorników spadły o około 55%, a browar zyskuje szacunkowo od 86 do 160 procent dodatkowej pojemności użytkowej bez dodawania choćby jednego zbiornika.

„Wyniki testów zaworów hydraulicznych przerosły nasze oczekiwania” – mówi Anders Kokholm, dyrektor browaru Carlsberg Supply Company w Danii. „Precyzja i niezawodność osiągane dzięki zaworom hydraulicznym w porównaniu z zaworami sterowanymi sprężonym powietrzem umożliwiają zupełnie nowe podejście do wydajnej produkcji piwa. To zasadniczo zmienia sposób, w jaki będziemy mogli produkować piwo w przyszłości”.

I na tym polega znaczenie strategiczne. Mniejsza liczba wykorzystywanych zbiorników oznacza mniej pracy związanej z czyszczeniem, a co za tym idzie – mniejsze zużycie wody, energii i środków chemicznych, dzięki czemu koszty eksploatacji maleją, a wskaźniki zrównoważonego rozwoju ulegają poprawie. Wyższy początkowy nakład inwestycyjny związany z zastosowaniem napędu hydraulicznego zwraca się zazwyczaj w ciągu pięciu do sześciu lat lub jeszcze szybciej w przypadku zakładów budowanych od podstaw, w których nigdy nie instalowano sieci sprężonego powietrza.

Gdy sprężarka schodzi na dalszy plan, oszczędności energii gwałtownie rosną

Obsługa zaworów przy użyciu wody zamiast sprężonego powietrza pozwala zmniejszyć zapotrzebowanie firmy Carlsberg na energię elektryczną o ponad 90 procent. Powód jest prosty: w przypadku sprężonego powietrza konieczna jest całodobowa praca sprężarki, podczas gdy instalacja wodna wymaga jedynie niewielkiej pompy działającej przez kilka minut dziennie. W firmie Carlsberg oznaczało to wymianę sprężarki o mocy 250 kilowatów na silnik o mocy 2,2 kilowata – co odpowiada mniej więcej mocy czajnika elektrycznego – która pozwoliła zaoszczędzić około 5700 kilowatogodzin dziennie. W ciągu roku daje to w sumie około dwóch milionów kilowatogodzin.

Każdy zawór stanowi źródło danych w czasie rzeczywistym

Precyzja ma jeszcze jedną zaletę. Ponieważ siłownik hydrauliczny precyzyjnie utrzymuje zadaną pozycję i steruje nią cyfrowo, zawsze wie, gdzie się znajduje i jaką pracę wykonał. Każdy ruch jest rejestrowany, dzięki czemu każdy zawór staje się źródłem przesyłanych w czasie rzeczywistym danych dotyczących procesu oraz swojego własnego stanu. „Wiemy dokładnie, jaką pracę zawór wykonał w dowolnym momencie i czy system działa, czy nie” – mówi Espersen. „Chodzi o monitorowanie stanu naszego własnego produktu”. Dzięki tej świadomości zakład może wykryć zużycie uszczelki, zanim dojdzie do jej uszkodzenia, i zaplanować konserwację w oparciu o rzeczywiste oznaki zużycia, a nie o harmonogram. W zakładzie produkującym wiele różnych wyrobów taki poziom przejrzystości pomaga operatorom przewidywać konieczność przeprowadzenia konserwacji, co przekłada się na skrócenie przestojów w produkcji.

Dlaczego zawory mają kluczowe znaczenie w przetwórstwie mlecznym

W przypadku produktów mlecznych punkt wyjścia jest inny. Mleko jest cennym, łatwo psującym się i biologicznie aktywnym surowcem. Kwestia zerowej ilości odpadów i ścisłej kontroli procesów stanowi dla nas stały priorytet. Zakłady mleczarskie stosują rygorystyczne procedury czyszczenia i muszą spełniać normy higieniczne, którym niewiele innych gałęzi przemysłu spożywczego jest w stanie sprostać. Oznacza to, że każda technologia wprowadzana do procesu musi dowieść swojej wartości pod względem niezawodności i możliwości precyzyjnego sterowania.

„To właśnie w tym obszarze cyfrowy aspekt napędów hydraulicznych ma największe znaczenie” – mówi Frederik Wellendorph, dyrektor ds. sprzedaży w dziale Hydract Technology firmy GEA. „Każdy ruch zaworu jest rejestrowany, dlatego technologia ta przekazuje dane dotyczące położenia zaworów do systemów monitorowania zakładu, zwiększając identyfikowalność procesu i zapewniając operatorom stały wgląd w działanie każdego zaworu. Te same dane są wykorzystywane również w ramach konserwacji opartych na stanie technicznym urządzeń”.

Dodatkową wartość stanowi precyzyjna regulacja. Utrzymanie zaworu dokładnie w pozycji zadanej pozwala na ciągłe dozowanie i dokładniejsze ujednolicenie produktu końcowego. Umożliwia to także późne różnicowanie produktów na wybranych etapach procesu, takich jak mieszanie różnych rodzajów tłuszczu na linii rozlewniczej lub dodawanie owoców do jogurtu bazowego. „W przemyśle mleczarskim usprawnienia te zazwyczaj ograniczają się do konkretnych obszarów zakładu, a nie powodują tak gruntownych zmian w całej linii produkcyjnej, jak ma to miejsce w browarnictwie. Aktywnie badamy jednak, w jakich obszarach można je zastosować”.

Nowe spojrzenie na potrzeby zakładu

To, co początkowo miało być sposobem na przemieszczanie zaworu przy mniejszym zużyciu energii, stało się punktem wyjścia do szerszej dyskusji na temat tego, jak budowana jest elektrownia i co faktycznie może ona wytwarzać. Od branży piwowarskiej po mleczarską — proste przejście ze sprężonego powietrza na wodę w konstrukcji zaworów firmy GEA zapewni klientom więcej możliwości i przyniesie ogromne oszczędności w momencie, gdy są one najbardziej potrzebne.