VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ÚSTAV VÝROBNÍCH STROJŮ, SYSTÉMŮ A ROBOTIKY INSTITUTE OF PRODUCTION MACHINES, SYSTEMS AND ROBOTICS KONSTRUKČNÍ NÁVRH TĚLESA KŘEMELINOVÉHO FILTRU S VERTIKÁLNÍMI FILTRAČNÍMI PRVKY DESIGN OF A KIESELGUHR FILTER BODY WITH VERTICAL FILTER ELEMENTS DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. Jiří Daněk doc. Ing. Radek Knoflíček, Dr. BRNO 2021

2

3 Zadání diplomové práce Ústav: Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky Student: Bc. Jiří Daněk Studijní program: Výrobní stroje, systémy a roboty Studijní obor: bez specializace Vedoucí práce: doc. Ing. Radek Knoflíček, Dr. Akademický rok: 2021/22 Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma diplomové práce: Konstrukční návrh tělesa křemelinového filtru s vertikálními filtračními prvky Stručná charakteristika problematiky úkolu: Křemelinová filtrace je v dnešní době neustále využívána v pivovarnickém průmyslu. S rostoucí poptávkou po pivních produktech rostou požadavky na velikosti, tzv. roční výstavy pivovarů. Pro tyto účely je potřeba rozšířit modelovou řadu filtračních těles, která aktuálně končí na modelu FKS 400. Cílem práce je navrhnout nové filtrační těleso FKS 600, které rozšíří modelovou řadu nabízených filtračních zařízení dle předem stanovených parametrů. Zadání DP je řešeno ve spolupráci se společností DESTILA s. r. o. v Brně. Cíle diplomové práce: Cílem je vypracovat konstrukční návrh tělesa filtru FKS 600 s vertikálními filtračními prvky pro filtraci piva s požadovaným výkonem. Rešerše v oblasti filtračních těles. Uplatnění systémového přístupu k návrhu tělesa filtru FKS 600. Výpočet parametrů filtru FKS 600. Konstrukční řešení tělesa filtru FKS 600. Pevnostní kontrola tělesa filtru FKS 600. Výkres sestavení včetně kusovníku, vybrané výrobní výkresy, komentář k výkresové dokumentaci. Blokové schéma filtru. Odhad nákladů na výrobu prototypu nebo série. Závěr a doporučení pro praxi. Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně / Technická 2896/2 / / Brno

4 Seznam doporučené literatury: KOSAŘ, Karel a Stanislav PROCHÁZKA. Technologie výroby sladu a piva. Praha: Výzkumný ústav pivovarský a sladařský, ISBN SHIGLEY, Joseph Edward, Charles R MISCHKE a Richard G BUDYNAS. Konstruování strojních součástí. 1. vyd. Editor Martin Hartl, Miloš Vlk. Brno: VUTIUM, 2010, 1159 s. ISBN ČSN ČSN EN Termín odevzdání diplomové práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2021/22 V Brně, dne L. S. doc. Ing. Petr Blecha, Ph.D. ředitel ústavu doc. Ing. Jaroslav Katolický, Ph.D. děkan fakulty Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně / Technická 2896/2 / / Brno

5 ABSTRAKT Hlavním cílem této diplomové práce je navrhnout těleso filtru FKS 600 s vertikálními filtračními elementy pro filtraci piva. Práce se v první části zabývá současným stavem na trhu, hodnotí jednotlivé druhy filtrace a jejich výrobce včetně jejího vývoje a historického hlediska. Následuje část, při které je využit systémový přístup pro návrh tělesa filtru. Praktická část této diplomové práce je věnována samotnému návrhu tělesa filtru FKS 600, tento návrh je podložen výpočty tlakové nádoby. Pro těleso filtru jsou zpracovány výkresy sestavení a vybrané výrobní výkresy, které jsou okomentovány. V poslední části jsou prezentovány bloková schémata a odhady nákladů pro výrobu prototypu nebo série, vše je ukončeno závěrem a shrnutím pro praxi. ABSTRACT The main goal of this diploma thesis is to design a filter body FKS 600 with vertical filter elements for beer filtration. The first part of the thesis deals with the current state of the market, evaluates the various types of filtration and their manufacturers, including its development and historical perspective. The following part uses the system approach for filter body design. The practical part of this diploma thesis is devoted to the design of the filter body FKS 600, this design is based on calculations of the pressure vessel. Assembly drawings and selected production drawings are processed for the filter body, which are annotated. The last part presents block diagrams and cost estimates for the production of prototypes or series, everything ends with a conclusion and summary for practice. KLÍČOVÁ SLOVA Filtr, těleso filtru, trubkovnice, křemelina, filtrační svíčka. KEYWORDS Filter, filter housing, tubesheet, kieselguhr, filter plug.

6

7 BIBLIOGRAFICKÁ CITACE DANĚK, Jiří. Konstrukční návrh tělesa křemelinového filtru s vertikálními filtračními prvky. Brno, Dostupné také z: Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky. Vedoucí práce Radek Knoflíček.

8

9 PODĚKOVÁNÍ Rád bych touto cestou poděkoval především vedoucímu mé diplomové práce panu doc. Dr. Ing. Radku Knoflíčkovi, za pomoc při vypracování diplomové práce a doplňující cenné rady, které mi pomohly vytvořit tuto práci. Dále bych chtěl poděkovat společnosti DESTILA s. r. o. za možnost vypracování diplomové práce za jejich konzultativního přispění, konkrétně panu Stanislavu Zemenovi a Ing. Rostislavu Stuhlovi.

10

11 ČESTNÉ PROHLÁŠ ENÍ Prohlašuji, že tato práce je mým původním dílem, zpracoval jsem ji samostatně pod vedením doc. Dr. Ing. Radka Knoflíčka a s použitím literatury uvedené v seznamu. V Brně dne Bc. Daněk Jiří

12

13 OBSAH 1 ÚVOD MOTIVACE REŠERŠE V OBLASTI FILTRAČNÍCH TĚLES Historický vývoj filtrace Obecné rozdělení filtrace Filtrační materiály Pivovarská hmota Křemelina Perlit Aktivní uhlí Zařízení pro filtraci piva Dávkovač křemeliny Postup filtrace křemelinou Deskové křemelinové filtry Sítové křemelinové filtry Svíčkové křemelinové filtry Naplavovací křemelinová filtrace Naplavovací křemelinová filtrace Bílek Naplavovací křemelinová filtrace Destila Mobilní svíčkové filtry Stacionární svíčkové filtry Technologický postup filtrace, sanitace Naplavovací křemelinová filtrace Bucher Unipektin AG Mobilní svíčkové filtry Stacionární svíčkové filtry Naplavovací křemelinová filtrace KHS Terminologie v pivovarském průmyslu UPLATNĚNÍ SYSTÉMOVÉHO PŘÍSTUPU K NÁVRHU TĚLESA FILTRU FKS VÝPOČET PARAMETRŮ FILTRU FKS KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ TĚLESA FILTRU FKS Konstrukční návrh tělesa filtru Konstrukční návrh trubkovnice Konstrukční návrh válcové části nádoby Konstrukční návrh kuželového dna Konstrukční návrh klenutého dna Konstrukční návrh dávkovacího zařízení naplavovacích prostředků Konstrukční návrh potrubního propojení PEVNOSTNÍ KONTROLA TĚLESA FILTRU FKS VÝKRES SESTAVENÍ VČETNĚ KUSOVNÍKU, VYBRANÉ VÝROBNÍ VÝKRESY, KOMENTÁŘ K VÝKRESOVÉ DOKUMENTACI BLOKOVÉ SCHÉMA FILTRU ODHAD NÁKLADŮ NA VÝROBU PROTOTYPU NEBO SÉRIE

14 11 ZÁVĚR A DOPORUČENÍ PRO PRAXI Závěr Doporučení pro praxi SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ SEZNAM ZKRATEK, SYMBOLŮ, OBRÁZKŮ A TABULEK Seznam symbolů použitých v rovnicích Seznam obrázků Seznam tabulek SEZNAM PŘÍLOH... 67

15 1 ÚVOD Pivo je alkoholický nápoj s velmi specifickou, jemnou a hořkou chutí, který se vyrábí ze sladu, vody, chmele a pivovarských kvasnic. Nejen u nás se pivo těší velké oblibě a jedná se o jeden z nejvíce konzumovaných alkoholických nápojů po celém světě. Historie vaření piva v České republice má hluboké kořeny, první zmínky jsou z 11. století. Proto je právem pojem české pivo považován za český symbol. Po celém území České republiky se nachází velké pivovary s dlouhou a pestrou historií, přičemž se v dnešní době setkáváme i s velkým množstvím minipivovarů, které se taktéž těší velké oblibě. Zejména z důvodu odlišnosti technologie výroby piva a nabídce různých druhů spodně i svrchně kvašených piv, které velké pivovary většinou vůbec nenabízejí. Filtrace piva je jedním z nejdůležitějších kroků, který následuje po fermentaci a ležení piva, při jeho přípravě před plněním do obalů a jeho následné distribuci k zákazníkům a prodeji. Většina piv bez filtrace má velmi nízkou dobu trvanlivosti, zpravidla ne více jak dva měsíce i za předpokladu nízké skladovací teploty do 5 C a bez třístupu denního světla. Proto, abychom dosáhli delší trvanlivosti piva je zapotřebí produkt určitými technologickými způsoby ošetřit. Mezi takovéto způsoby se řadí filtrace a pasterace. Při filtraci piva se z něj odstraní kalící látky a mikroorganismy, zvýší se jeho biologická trvanlivost. Zároveň nesmí dojít ke změně charakteru piva jako je například jeho pěnivost či chuť. Křemelinová filtrace je dnes nejrozšířenějším způsobem filtrování piva, který nalezneme jak u nejmenších producentů z řad minipivovarů až po celosvětově známé pivovarnické skupiny, do kterých patří pivovary např. Plzeňský pivovar, pivovar Radegast, pivovar Staropramen, pivovar Velké Popovic nebo jediný státní pivovar Budvar v Českých Budějovicích. Dnes na trhu existuje celá řada výrobců a dodavatelů těchto zařízení a technologických celků, mezi nejznámější se řadí Bucher Unipektin AG, KHS, Destila, Filtry Bílek či Alfa Laval. Zmínění dodavatelé mají svá specifická zařízení s určitými stupni automatizace a výkonnostními řadami. První část diplomové práce je věnována rešerši, která detailně hodnotí současný stav na trhu včetně historického vývoje filtrace. Popisuje jednotlivé druhy filtrů a způsoby filtrování, jejich výhody a nevýhody. Porovnává a hodnotí jednotlivé druhy filtračních elementů a filtračních materiálů. Závěrem této části jsou popsány a vysvětleny základní pojmy, které jsou důležité pro popisy jednotlivých témat a dalších částí této diplomové práce. Poté následuje krátké shrnutí. V druhé, praktické části diplomové práce je popsán systémový přístup při návrhu tělesa filtru FKS 600. Jedná se o principy, které detailně popisuje prof. Marek a souvisí s optimálním výběrem varianty konstrukčního řešení. Přičemž poukazuje na míry objektivního i subjektivního výběru. Po výběru vhodného konstrukčního řešení jsou provedeny výpočty tělesa filtru, které jsou prezentovány v přehledných tabulkách a grafech. Následuje detailní popis finálního konstrukčního řešení, na které navazují výpočty tlakové nádoby. Druhá část diplomové práce končí popisem vybrané výkresové dokumentace. 15

16 Poslední, třetí část diplomové práce zpracovává a popisuje bloková schémata filtru FKS 600 včetně popisu jednotlivých možností rozšíření na plně automatickou filtrační linku. Součástí této práce je porovnání nákladů pro výrobu prototypu a série filtru. Poslední část končí shrnutím diplomové práce a doporučením pro praxi. Diplomová práce je řešena ve spolupráci se společností DESTILA s. r. o. v Brně, její historie se začala datovat již v roce 1875 pod tehdejším názvem Indra. Dnešní název společnosti DESTILA byl zaregistrován v roce 1947 jakožto výrobní družstvo. Od počátku byl výrobní program zaměřen na zařízení pro potravinářský průmysl, lihovary a cukrovary. V průběhu let rostl počet zaměstnanců a výrobních závodů, velký milník přišel v roce 1959, kdy družstvo začalo vyrábět ocelové kotle na tuhá paliva. Dva roky poté, v roce 1959 začala výroba naplavovacích filtrů s vertikálním rámem. V průběhu dalších let se postupně výrobní program rozšiřoval o plynové kotle, pekařské stoje či konvektorové radiátory. Důležitým byl rok 1972, kdy započala výroba prvních vertikálních naplavovacích křemelinových filtrů s vertikálními filtračními prvky. Tento typ filtrů se stal hlavním výrobních programem na řadu let, modernizované filtry s označením FKS se vyrábějí dodnes. V průběhu 90 let minulého století družstvo začalo vyrábět varny pro minipivovary, přičemž v roce 1998 byl dodán první kompletní restaurační minipivovar pro ruského investora. Od přelomu tisíciletí se staly dodávky restauračních minipivovarů hlavním výrobním programem. V průběhu dalších let rostla poptávka po větších varnách až na dnešní velikosti malých a středně velkých průmyslových pivovarech s ročním výstavem až hl. Rok 2007 byl pro družstvo DESTILA zásadní, výrobní družstvo se transformovalo na společnost DESTILA s. r. o. Společnost dnes vyrábí a dodává technologie pivovaru ve špičkové kvalitě po celém světě (obr. 1), přičemž nejvíce zrealizovaných zakázek je v Rusku, následuje Česká republice a Francie. Obr. 1) Realizované instalace společnosti Destila [1] 16

17 2 MOTIVACE Motivace k sepsání této diplomové práce převážně konstrukčního typu vzešla z mého velkého zájmu o obor pivovarnictví (obr. 2) a již probíhající spolupráce se společností Destila s. r. o. v Brně, kde působím na pozici konstruktéra. Společnost Destila s. r. o. ze zabývá dodávkami pivovarských technologií od jejího návrhu až po realizaci a uvedení do provozu. Právě již zmíněné křemelinové filtry jsou nedílnou součástí pivovarské technologie. Pro předpoklad řádného ukončení navazujícího magisterského studia na ÚVSSR FSI VUT v Brně jsem velmi uvítal nabídku mého zaměstnavatele na zpracování tohoto tématu s reálným výstupem pro praxi. V průběhu vypracování práce jsem měl možnost čerpat cenné rady a doporučení od odborníků z řad sládků a pivovarských technologů. Při návrhu tělesa filtru si ověřím a porovnám ruční výpočet dle normy a výpočet za pomocí softwaru. V průběhu návrhu si vyzkouším i ostatní nezbytné znalosti pro vyspecifikování procesní instrumentace a zadání prvků pro měření a regulaci. Závěrem by tento filtr měl být vyroben a otestován přímo v provozu. Obr. 2) Technologické úseky výroby piva [2] 17

18 3 REŠERŠE V OBLASTI FILTRAČNÍCH TĚLES Filtrace piva zaujímá při jeho výrobě významné místo, velkou část filtračního procesu tvoří scezovaní na scezovací nádobě nebo filtrace sladiny ve sladinových filtrech a filtrace po dokvašování pro získání čirého piva. V průběhu filtrace po jeho dokvašení se z piva odstraňují stažkové kvasnice. Při této filtraci se odstraní kalící látky a zvýší se požadovaná čirost, biologická a koloidní trvanlivost. Čirost a vysoká stabilita piva jsou základními vlastnostmi požadované spotřebitelem. Filtrace nesmí snižovat pěnivost piva, dodávat do piva kyslík, ionty kovů katalyzující oxidační reakce při skladování, ani další sloučeniny, které by negativně ovlivnili chemické složení a organoleptické vlastnosti piva. [3] Separační procesy nezahrnují pouze filtraci ale i sedimentaci a odstřeďování. Při filtraci se odstraňují kalící látky při nízkém obsahu, při vysokém obsahu hovoříme o sedimentaci a odstřeďování. Pro zvýšení rychlosti sedimentace se dříve používaly flokulanty a karagenany. Pojem separace se nejčastěji rozumí využití odstředivých separátorů, tzv. odstředivky (obr. 3). Použití membrán se velké míře rozšířilo hlavně ve vodárenství, chemickém a mlékárenském průmyslu. V pivovarském průmyslu se zpočátku používali jen zřídka, hlavním důvodem byl nevyřešený problém s velmi rychlým zanášením membrán a s tím související malý výkon filtrace. 3.1 Historický vývoj filtrace Historie filtrace piva sahá přibližně do poloviny 19. století, kdy za účelem rozvíjejícího se mezinárodního obchodu s pivem bylo zapotřebí zajistit jeho větší trvanlivost. Hlavním důvodem byly dlouhé transportní cesty, zejména v letních měsících, kdy panovaly velmi 18 Obr. 3) Odstředivka [4]

19 vysoké teploty. S otevřením a postupným nárůstem mezinárodního obchodu s pivem rychle rostla konkurenceschopnost oproti jiným alkoholickým i nealkoholickým nápojům. Původní filtrace nebyla zdaleka tak účinná, jako je ta dnešní. V počátcích se jednalo zejména o velmi jednoduché plachetky, dřevěné hobliny nebo vyzinu. Až na konci 19. století byl na trh uveden tzv. miskový filtr na pivovarskou hmotu, ta se běžně používala až do poloviny 50. let minulého století. Ve velmi ojedinělých případech se s tímto způsobem filtrace můžeme setkat i dnes. V době druhé světové války se postupně začala rozšiřovat tzv. naplavovací filtrace, která používala speciálních sypkých materiálů přírodního původu, jednalo se o křemelinu nebo perlit. Nicméně až v druhé polovině 20. století došlo k masivnějšímu rozšíření a skokovému pokroku této technologie zejména v oblasti automatizace a sanitačních procesů. Křemelinová naplavovací filtrace je dodnes nejpoužívanějším způsobem filtrace piva. V následujících letech byla zavedena dofiltrace piva za pomoci odzárodkovacích desek. Tímto způsobem filtrace se dosáhlo několikatýdenní až měsíční trvanlivosti piva bez použití pasterace [3]. K tomuto způsobu filtrace se začaly uplatňovat postupy separace piva za pomoci různých typů odstředivek, jednalo se o bezodpadovou technologii s vyššími energetickými náklady a zásadně s ne tak dobrými výsledky konečného filtrátu. Zcela nový typ filtrace byl popsán v 60. letech minulého století, jednalo se o membránovou filtraci. Původně se technologie membránové filtrace používala k úpravě sterilního vzduchu, následně k výrobě nízkoalkoholických a bezalkoholických piv na principu odstraňování alkoholu z hotového piva. V současné době se s membránovou filtrací můžeme setkat při dofiltraci piva anebo filtraci k získání vyšší koloidní stability. Membránová technika filtrace představuje v pivovarském průmyslu jistý vývojový trend. Stále je tato filtrace velmi finančně nákladná, nicméně ekologicky šetrná k životnímu prostředí, protože odpadá likvidace filtračního materiálu, tak jak je to aktuálně u nejpoužívanějšího sypkého filtračního materiálu, křemeliny. 3.2 Obecné rozdělení filtrace Filtraci lze v obecné rovině rozdělit do pěti skupin dle velkosti pórů, každá skupina je vhodná na filtrování různě velkých částic. Standartní filtrace nm Mikrofiltrace nm Ultrafiltrace nm Nanofiltrace 1 10 nm Reverní osmóza < 1 nm Při filtraci dochází k separaci kalových částic, které mohou mít dva různé charaktery. První z nich jsou mikroorganismy, největší podíl jich tvoří kvasinky a ve velmi malé míře i bakterie. Druhý typ kalových částic jsou zákalotvorné částice, zejména jde o bílkoviny, polyfenoly, kondenzované polyfenoly a další látky. Tyto látky vytváří v pivu chladový zákal a s klesající teplotou klesá i jejich rozpustnost. Kalové částice se v průběhu filtrace zachycují na filtračním materiálu, hovoříme o základních principech a jedná se o tři možné varianty, síta, póry filtrační přepážky a vnitřní stěny pórů filtrační přepážky (obr. 4). U sít dochází k zachycování největších 19

20 částic na povrchu přepážky, póry filtrační přepážky zachytí menší částice. Nejmenší částice se zachycují na vnitřní stěně přepážky, zde se uplatňují elektrostatické interakce nebo chemické vazby. Nejhůře se z piva odstraňují koloidní částice, vysokomolekulární bílkovinné štěpy, z důvodu jejich velikosti, které dosahují rozměrů méně než 1 μm. V průběhu filtrace se velmi malá část koloidních částic zachytí na pórech filtrační přepážky, zbytek jich přepážkou projde. V průběhu filtrování dochází k ucpávání filtračního materiálu, z tohoto důvodu se snižuje filtrační plocha a tím pádem i průtok piva filtrem. Nejvíce se s tímto jevem můžeme setkat u filtrací, kde není dávkování filtračního materiálu, membránové a deskové filtrace. V případě křemelinové a crosflow filtrace se tento jev eliminuje, dochází k pozvolnému zanášení filtrační vrstvy, jelikož kalové částice do ní pronikají. Kde: Obr. 4) Filtrační přepážky [6] 1 filtrace na povrchu filtrační přepážky, sítový efekt, částice nepostupují do pórů filtrační vrstvy 2 filtrace uvnitř filtrační přepážky, částice jsou zachycovány na mechanickém principu 3 filtrace uvnitř filtrační přepážky, částice se udrží ve filtrační vrstvě na základě absorpce 3.3 Filtrační materiály Filtrační materiály rozdělujeme na tři základní skupiny: Vláknité pivovarská hmota, syntetické tkaniny Zrnité a práškovité křemeliny, perlity, kombinované materiály s celulosovými vlákny, silikagely, aktivní uhlí Pórovité membrány z plastu, kovu nebo keramiky Pokud se použijí jednotlivé filtrační materiály na vhodná zařízení, tak podle velikosti přepážek a pórů dokážou separovat různě velké částice, a to až po koloidní částice. V roce 2005 se z celkové světové výroby 1,53 bilionů hektolitrů piva 91 % filtrovalo křemelinou Pivovarská hmota Pivovarská hmota je vláknitý materiál a jedná se o nejstarší filtrační prostředek, dnes již velmi zřídka používaný pro filtraci piva. Připravuje se z odtučněných a vyčištěných bavlněných odpadů, takto vyrobená hmota má vysoký polymerační stupeň P, dlouhou životnost a obsahuje až 100 % alfa celulosy. Filtrační koláče se lisují o průměru 50 až 55 cm a tloušťce 5 až 6 cm. Vkládají se do filtru, při filtraci dokáží zachytit částice větší jak 12 μm. Pro zvýšení absorpčního účinku se dříve přidával azbest, který se je dnes zakázaný, a proto se přidávají vlákna skleněného materiálu anebo umělá hmota v rozsahu od 0,2 až 2 %. 20

21 3.3.2 Křemelina Křemelina se řadí mezi práškové filtrační materiály s velikostí částic od 5 do 20 μm, tyto částice vytvářejí na filtrační přepážce filtrační vrstvu s velkou účinností. V dnešní době je křemelina jedním z nejrozšířenějším filtračním materiálem v pivovarství. Samostatné používání křemeliny se začalo uplatňovat přibližně ve dvacátých letech minulého století v anglosaských zemích, později v Severní Americe a do střední Evropy se dostal tento způsob filtrace piva po druhé světové válce. Obr. 5) Filtrační přepážka [3] Kde: 1 nefiltrované pivo 2 zfiltrované pivo 3 pórovitá přepážka 4 základní vrstva křemeliny 5 filtrační koláč dávkované křemeliny se zachycenými částečkami Obr. 6) Rozsivky sladkovodního původu vlevo a mořského původu vpravo [3] Křemelina pochází ze sladkovodních nebo mořských rozsivek, kterých se po celém světě rozlišuje na druhů. Schránky ze sladkovodních rozsivek jsou většinou čtyřhranné, 21

22 kulové nebo jehlové a jsou menší než schránky z mořských rozsivek, které mají velmi rozmanité tvary. Rozsivky jsou mikroskopické bezkvěté vodní rostliny, jednobuněčné řasy. V nalezištích křemelin je jejich vrstva až tři sta metrů hluboká, přičemž po výšce profilu vrstvy jsou zastoupeny i jiné nerosty, jako například různé písky a štěrky či hlína. Zdroje křemeliny se nacházejí prakticky po celém světě s tím, že k těžbě se využívají ložiska nejméně znečištěná. Takové největší ložiska se nacházejí v USA v kalifornii a v Nevadě, v Evropě ve francouzském středohoří, v Itálii, ve Španělsku, na Islandu a v Rusku [3]. I v České republice se těží křemelina v oblastech jižních Čech. Vytěžená křemelina se upravuje za pomocí dvou základních způsobů, suchým a mokrým postupem, díky těmto úpravám se z křemeliny odstraní veškeré nečistoty. Hlavním účelem úpravy křemelin je odstranit organické i anorganické nečistoty, a tím zajistit její inertnost vůči filtrované kapalině a získat produkt s požadovanou a reprodukovatelnou průtočností [3]. Suchý postup Suchý postup neboli kalcinace se standardně provádí s přísadou tavidla, nejběžněji se používá uhličitan nebo chlorid sodný. V průběhu kalcinace se na povrchu křemeliny tvoří křemičitan sodný, takto upravená křemelina má podstatně vyšší průtočnost než surová, vytěžená křemelina. Barva křemeliny je závislá na množství železa a uhlíku, bílá křemelina je při obsahu oxidu železa do 6%, při vyšším obsahu se jedná o barvu žlutou či nahnědlou. Křemelina vytěžená z kvalitních ložisek se nemusí upravovat kalcinací při vysokých teplotách, k úpravám stačí mechanické způsoby za nízkých teplot. Mokrý postup Jedná se o ekonomicky náročnější způsob zpracování, kterým se upravuje křemelina s vysokým obsahem železa, které nelze odstranit suchou cestou. Železo se z k křemeliny odstraňuje za pomocí anorganických kyselin, nejběžněji se k používá kyselina chlorovodíková. V dalším kroku následuje sušení, kalcinace a třídění. Hlavní rozdíl mezi mokrou a suchou metodou je v tom, jak velké množství železa zůstane v upravené křemelině. Chemické složení křemelin Primární složkou křemeliny je křemík, jeho obsah se vyjadřuje jako oxid křemičitý, přičemž ve filtračních křemelinách se pohybuje od 80 do 90%. Podle kvality surové křemeliny a použitého způsobu úpravy obsahují dodávané křemeliny různá množství železa, hliníku, titanu, vápníku, hořčíku a alkalických kovů [3]. Hodnoty jednotlivých prvků jsou zobrazeny na následujícím obrázku. Fyzikální vlastnosti křemelin Jde o velmi důležité parametry křemelin pro jejich praktické využití k filtraci piva, hlavní vlastnosti křemelin jsou: - průtočnost - objem za mokra - sypná hmotnost - podíl těžších částic - granulometrické složení - měrná hmotnost 22

23 Obr. 7) Parametry křemelin [5] V praxi se křemelina rozděluje na dvě skupiny, hrubé jako základní naplavovací materiál a jemné, tyto křemeliny se přidávají k hrubým pro získání perfektně čirého filtrátu. Čím více jemné křemeliny se použije, tím více se snižuje filtrační výkon. Dodnes se křemelina používá jako jednorázová. S čím dál větším použitím křemeliny zejména ve velkých pivovarech se objevují problémy s její likvidací. V dnešní době se objevují snahy o opuštění křemeliny jako filtračního materiálu, nicméně přechod z křemeliny na jiný filtrační materiál bude ještě nějakou dobu trvat a proto je důležité se zabývat likvidací použité křemeliny. Použitou křemelinu lze v omezené míře přidávat do sladového odpadního mláta, deponuje se, přenáší se na zemědělské plochy spolu s biologickým odpadem. [3] Některé pivovary se snaží křemelinu předávat výrobcům stavebních materiálů. Ti se jí snaží zregenerovat za pomocí určitých způsobů tepelného, chemického či chemicko-enzymatického zpracování. Reálně se o tyto metody zpracování odpadní křemeliny nejeví de-facto žádný zájem Perlit Perlit je znám taktéž jako vulkanické sklo, tento materiál se řadí mezi zrnité materiály hojně používané ve stavebnictví a také jako filtrační materiál pro filtraci nápojů. Pochází z hlinitokřemičitých hornin, vyskytuje se v několikakilometrových vrstvách na řadě míst po celém světě. Například ve Spojených státech, Japonsku, Belgii, Řecku, Turecku, Bulharsku, Polsku, Rusku anebo Slovenské republice a řadě dalších míst. Pro účely filtrace se perlit musí upravit vhodnými způsoby, rozemele se a třídí, poté se zpracuje ve vertikálních expandérech při teplotách okolo 850 C, při kterých se mění jeho vlastnosti a výsledkem je produkt s pórovitou strukturou. Při těchto procesech se využívá odpařování vody, která se přemění na páru za působení vysokých teplot, expanduje a díky tomu zvětší svůj původní objem až třicetinásobně. Vytváří se tříšť úlomků a dutých kuliček, které mají velmi dobré izolační vlastnosti a lze je využívat ve stavebnictví jako izolační materiál. Po rozdrcení a vytřídění se perlit používá jako filtrační materiál nápojů. 23

24 Chemické složení perlitu je velmi podobné chemickému složení křemeliny, přičemž obsahuje 13 až 15% oxidu uhličitého. S rozdílem, že v případě perlitu je chemicky vázán v hlavní složce, křemičitanu hlinitém. U křemelin se jedná o nežádoucí prvek, který zhoršuje jejich filtrační vlastnosti. Perlit obsahuje celou řadu dalších prvků, železo, vápník, sodík, draslík, titan, hořčík, fosfor. Oproti křemelině nemá pórovitou sktrukturu, má menší hustotu a vyšší obsah křemičitých solí, větší průtočnost a prostupnost, ale nižší filtrační schopnost. [3] Primárně se používá pro filtraci sladiny a mladiny pro její vyšší hodnoty ph, aby se zabránilo uvolňování železa a vápníku do výsledného filtrátu. Obecně perlity mají obdobné fyzikální vlastnosti jako křemeliny Aktivní uhlí Aktivní uhlí má velký povrch, 500 až 1200 m 2 g 1 a velkou absorpční schopnost, především vůči barevným látkám piva. Používá se spíše jako pomocná látka pro snižování barvy piva či k odstraňování pachů. [3] 3.4 Zařízení pro filtraci piva Správná volba filtrační techniky, materiálů a optimální provádění filtrace je základním předpokladem pro docílení čirého piva a pro zajištění mikrobiologické, fyzikální, chemické i senzorické stability stočeného piva ošetřeného dalšími úpravami (pasterací, stabilizací). Filtrační linky musí být po každé sérii ukončené filtrace dokonale umyty a dezinfikovány. [3] Filtrační linka jako taková se skládá ze samotných filtrů, jeden či více podle technologických nároků na danou filtrační linku. Dávkovačů filtračních hmot, i v tomto případě záleží na technologických nárocích, podle nich se určuje počet dávkovačů křemeliny a/nebo stabilizace. Dále je linku možno vybavit vstupními a výstupními tanky pro minimalizaci tlakových rázů a stabilizaci filtračního cyklu. Součástí každé linky jsou snímače tlaků, teplot, zaplavení, průtoku, analyzátory stupňovitosti, zákalu, CO2 a O2. Další technologická zařízení, o které lze filtrační linky rozšiřovat budou popsána v následujících kapitolách. U automatizovaných filtračních linek se sleduje množství dávkovaného filtračního prostředku, při zhoršení čirosti se filtrát vrací zpět na vstup do filtru, anebo se volí jemnější filtrační prostředek. 24

25 3.4.1 Dávkovač křemeliny K nanášení základní vrstvy křemeliny při tzv. prvním náplavu, někdy označováno jako rychlonáplavu a dávkování v průběhu filtrace se používají různá dávkovací zařízení (obr. 8), která jsou osazená membránovými nebo peristaltickými čerpadly napojená na potrubní rozvod filtrační linky. Tyto čerpadla zajišťují přítok suspenze křemeliny do filtru, křemelina se rozdmýchává v odplyněné vodě za působení oxidu uhličitého kvůli odstranění kyslíku, který byl obsažen v sypkém materiálu. Obr. 8) Dávkovací zařízení suspenze křemeliny Postup filtrace křemelinou Pro dnes nejběžněji používanou technologii filtrace křemelinou je důležité vhodně zvolit kombinaci křemeliny pro základní náplav, který se zpravidla vždy provádí dvěma vrstvami. První vrstva je ze směsi hrubé a jemné křemeliny, druhá vrstva je tvořena ještě jemnější křemelinou dávkovanou s pivem v průběhu filtrace. Vrstva křemeliny na svíčkách se pohybuje v rozmezí 1 až 4 mm přičemž se náplav pohybuje v rozmezí od 800 do 1300 gm 2. V průběhu filtrace piva se dávkování pohybuje okolo 80 až 120 ghl 1, tak aby nedocházelo k tlakovým výkyvům a tlakový nárůst odpovídal běžným hodnotám od 0,1 do 0,06 MPa. V průběhu filtrace nesmí docházet k nárůstu rozpuštěného kyslíku ani k základním změnám dalších fyzikálně chemických kritérií piva, např. ztráta barvy, hořkých látek, snižování antioxidačních vlastností a podobně. Filtrace musí probíhat v mikrobiologicky a chemicky nekontaminovaném prostředí. [3] Protláčky, pivo ze začátku a konce filtrace lze přidávat do filtrovaného piva za předpokladu mikrobiologické nezávadnosti a za předpokladu, že zásadním způsobem nesníží koncentraci extraktu piva. 25

26 3.4.3 Deskové křemelinové filtry V polovině 20. století se začala ve velké míře uplatňovat křemelinová filtrace, deskové křemelinové filtry (obr. x) patřili k prvním provozním filtrům. Filtrační přepážky byly vyrobené z bavlněné nebo nylonové tkaniny, později se desky vyráběli z filtrodurových desek. Na filtru s filtračním povrchem 2 m2 a průtokem 20 hl/h byla spotřeba křemeliny přibližně 50 až 80 g na 1 hl piva. Deskové naplavovací filtry jsou univerzální filtrační zařízení. Do filtru jsou mezi rošty zařazeny přítokové rámy, čímž se získá pro naplavení křemeliny, průtok lze měnit počtem vložených rámů. Deskové křemelinové filtry se používají jak pro jednoduchou, tak dvojitou filtraci, rozměry filtračních desek se pohybují od 20 x 20 cm až do 140 x 140 cm s velkou filtrační plochou až 300 m 2. Obr. 9) Deskový křemelinový filtr KHS [3] Sítové křemelinové filtry Dalším typem naplavovací křemelinoví filtrace jsou sítové filtry (obr. 10), jedná se o filtry s přepážkou tvořenou kovovým sítem, perforovanou kovovou folií nebo deskou. Filtr může být jak vertikální, tak horizontální konstrukce. Pórovitost sít se pohybuje v rozmezích od 40 až do 12 μm, přičemž nejběžnější pórovitost je 80 μm. Tělesa těchto filtrů jsou konstrukčně řešeny na tlak až 1 MPa a pro základní náplav se doporučuje vrstva křemeliny 500 až 1000 gm 2, při těchto hodnotách se filtrační koláč pohybuje v tloušťce od 1,5 do 3 cm. Na základě potřebných 26

27 parametrů se v průběhu filtrace přidává křemelina v rozmezích od 50 do 120 g/hl filtrovaného piva. Obr. 10) Sítový křemelinový filtr KHS [3] Kde: 1 nefiltrované pivo s křemelinou 2 horizontální filtrační síto 3 křemelina 4 centrální trubka 5 odpad křemeliny 6 filtrát 7 rotace Svíčkové křemelinové filtry Posledním typem křemelinových naplavovacích filtrů je v dnešní době nejběžnější svíčkový filtr (obr. 11). Svíčky jsou pod odnímatelným horním víkem válcové části filtrační nádoby zavěšeny a připojeny na odvod zfiltrovaného piva. Nefiltrované pivo je přivedeno na nátokové hrdlo ve spodní části kuželového dna filtrační nádoby, pivo prochází z prostoru filtrační nádoby do vnitřní části svíčky a odtud do potrubí zfiltrovaného piva. 27

28 Obr. 11) Svíčkový křemelinový filtr KHS [3] Kde: 1 filtrát 2 distanční vložka 3 filtrační svíčka 4 křemelina 5 odpad křemeliny 6 závěrečné vyprazdňování 7 nefiltrované pivo Konstrukce filtračních elementů (obr. 12) a jejich délek je různá, ve většině případech se jedná o perforovanou trubku, na které je navinutý profilovaný drát, anebo jsou na ni osazené kovové kroužky, které vytvářejí štěrbinu podle přesně určených rozměrů. Síla drátu, velikost vytvořených pórů, délky svíček a velikosti filtračních ploch má každý výrobce stanoven na základě svého vývoje a know-how, veškeré tyto informace jsou běžně dostupné u daných výrobců. 28

29 Obr. 12) Filtrační element, svíčka [7] Následující obrázek x znázorňuje základní technologické schéma filtru a dávkovacího zařízení včetně potrubního propojení a popisů vstupů a výstupů jednotlivých medií. Detailní technologická schémata s popisem technologických operací nejsou běžně veřejně dostupná, každý výrobce si velmi pečlivě hlídá jako svoje know-how. Obr. 13) Technologické schéma filtru KHS [3] 29

30 3.5 Naplavovací křemelinová filtrace Používá se pro filtraci kapalin, jako jsou voda, pivo, víno, olej, emulze, atd. Filtrace probíhá pomocí naplavené filtrační křemeliny nebo perlitu na vertikálních filtračních elementech, svíčkách. Svíčkový křemelinový filtr se vyznačuje vysokou účinností filtrace a zároveň velmi ekonomickým provozem. Podle složení filtrační vrstvy lze dosáhnout různých stupňů čistoty a průtoku filtrované kapaliny. Průběžné dávkování křemeliny dávkovacím čerpadlem udržuje filtr stále dostatečně propustným. To umožňuje vysoké kapacitní výkony. Čištění (regenerace) filtru je velmi snadné a rychlé, bez nutnosti demontáže tlakové nádoby. Filtrační vrstva je vytvořena z filtračního materiálu (křemeliny), naplaveného na filtrační nosiče filtrační svíčky z oceli speciální spirálové konstrukce, zajišťující vysokou deformační odolnost a životnost těchto nosičů, z čehož vyplývá vysoká účinnost filtrace. Filtrační prostředek suspenze (nejčastěji křemelina) se připravuje v nádobě míchače. Základní filtrační vrstva se na svíčky naplaví rychlo naplavením, resp. cirkulací prostřednictvím oběhového čerpadla, kdy křemelina v proudu kapaliny přes svíčky ulpívá na jejich povrchu a vytváří filtrační vrstvu. Filtrovaná tekutina je oběhovým čerpadlem hnaná přes filtrační vrstvu, kde jsou zachycovány zákalotvorné mechanické částice. Aby byl filtrační cyklus dostatečně objemově kapacitní a ekonomicky úsporný, je pomocí dávkovacího čerpadla průběžně a kontrolovaně při filtraci dodávána další křemelina na svíčky. Tím je udržován filtrační koláč v propustném stavu s relativně konstantním průtokem a filtrační účinností po předpokládaně definovaný čas. Po ukončení filtrace se filtrační koláč ze svíček odstraňuje odstřelem manuálně, poloautomaticky, nebo automaticky. Pro křemelinovou filtraci jsou charakteristické velmi nízké provozní náklady na objemovou jednotku filtrované kapaliny a vysoká produktivita i účinnost. 30

31 3.6 Naplavovací křemelinová filtrace Bílek Společnost Filtrace Bílek nabízí křemelinové naplavovací filtry ve dvou variantách, jedna je mobilní zařízení s maximálním výkonem 240 hl/h a poté stacionární filtrační linky s maximálním výkonem 600 hl/h. S ohledem na výkony filtrů se jedná spíše o menšího dodavatele pro malé a středně velké pivovary. V případě malého pojízdného filtru se jedná o poloautomatické řízení. U větších modelů lze volit různé stupně automatizace s ohledem na další technologická zařízení u každého zákazníka individuálně. Zároveň lze tyto typy filtrů využívat např. i pro filtraci vína či ciderů. Na obrázku číslo čtrnáct je zobrazen pojízdný křemelinový filtr s označením FKS 20 a stacionární filtr s označením FKS 300 (obr. 15). Obr. 14) Pojízdný křemelinový filtr Bílek [7] Společnost Filtry Bílek nabízí jako možné rozšíření o vyrovnávací výstupní tank pro zvýšení kvality filtrátu a zamezení tlakových rázů v průběhu filtrace. Oproti jiným dodavatelům chybí v nabídce integrace s technologií HGB High Gravity Brewing. Jedná se o technologii vaření piv s vyšší stupňovitostí a následným řezáním na danou stupňovitost. Z tohoto důvodu se s touto technologií od výrobce Filtry Bílek nesetkáme ve velkých pivovarech. Hojné zastoupení lze najít jak v českých minipivovarech, tak větších výrobců např. v Rusku. V základním provedení se jedná o těleso filtru s dávkovacím zařízením a nádobou na rozdmýchávání suspenze křemeliny. Celý desing filtru je proveden pro potravinářský provoz se všemi náležitostmi, které vyžadují příslušné normy a předpisy. 31

32 Obr. 15) Stacionární křemelinový filtr Bílek [8] Tab 1) Parametry filtrů Bílek [8] Provedení filtru typu FKS Základní filtrační plocha m Objem tělesa filtru litry Aktivní kalový objem litry Pracovní tlak (max.) MPa 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 Průtok filtrem (pivo) hl/h Dimenze připojovacího potrubí DN Příkon elektrické energie kwh Naplavovací křemelinová filtrace Destila Naplavovací křemelinová filtrace pro malé, střední a malé průmyslové pivovary je nabízena ve dvou variantách, tak jak u konkurenčních výrobců, mobilní a stacionární filtry a filtrační linky Mobilní svíčkové filtry Mobilní svíčkové filtry slouží k filtraci piva, vína i jiných nápojů. Z jednoho cyklu filtrace lze vytěžit hl filtrovaného piva na 1 m 2 základní filtrační plochy. 32

33 Výhody: nízký počet opotřebitelných komponentů mají pevnou a masivní konstrukci, nedochází na nich k vibracím, které by narušily filtrační vrstvu dlouhá životnost filtračních elementů filtry a jejich filtrační prvky se dobře čistí a sanitují při dodržení doporučených vstupních parametrů piva a podmínek filtrace, garance průměrně do 5 kvasinkových buněk na 100 ml filtrovaného piva Tab 2) Parametry mobilních filtrů Destila Provedení filtru typu FKS Základní filtrační plocha m2 0,2 0, Objem tělesa filtru litry Aktivní kalový objem litry Pracovní tlak (max.) kpa Objem nádoby pro přípravu dávkovaných suspenzí litry Průtok filtrem hl/h 1-1,6 2, Objem protláček l/cyklus 2x3 2x9 2x17 2x40 2x75 2x83 Dimenze připojovacího potrubí DN Příkon elektrické energie kwh 1,1 1,4 1,4 1,8 1,9 2,6 Obr. 16) Mobilní křemelinový filtr Destila 33

34 3.7.2 Stacionární svíčkové filtry Nepohyblivé, stacionární filtrační zařízení s naplavovacími filtry typu FKS s vertikálními filtrační elementy, jsou určené primárně k filtraci piva. Májí základní filtrační plochu 6 40 m2 a jsou stavebnicového typu. Lze je sestavit na míru podle požadavků investora. Dodávané filtrační linky s různými stupni automatizace od ovládaných ručně až po plně automatizované filtrační linky. Filtrační linky jsou zpravidla doplněné vyrovnávacími tanky, které při přepínání tanků před a za filtrem brání přenosu rázové vlny do filtru, zároveň zlepšují kvalitu výsledného filtrátu. Výhody: volitelný stupeň automatizace vyšší míra automatizace garantuje vyšší spolehlivost filtrace sestava na míru filtrační linky lze složit tak, aby plně vyhovovaly potřebám z hlediska koncepce a prostorového, dispozičního uspořádání Tab 3) Parametry stacionárních filtrů Destila Provedení filtru FKS Základní filtrační plocha m ,5 20,5 30,4 37,3 Objem tělesa filtru litry Aktivní kalový objem litry Pracovní tlak (max) kpa Objem nádoby pro přípravu litry dávkovaných suspenzí Průtok filtrem (pivo) hl/h Kapacitní výkonnost (při hl/cyklus Dimenze připojovacího potrubí Příkon elektrické energie základní sestavy DN kwh 6 8 9, Křemelinové naplavovací filtry společnost Destila nabízí s velkou škálou doplňků, od vstupně výstupního přepojovacího panelu, zásobníku vzduchu, technologie HGB až po měření zákalu či stupňovitosti. Detailnější popis jednotlivých rozšiřujících bloků bude popsán v kapitole XXX. Instalace filtračních linek Destila lze vidět jak u nás v tuzemsku (obr. XX), tak např. v Rusku či na Kubě. S velmi rozšířenou automatizací prakticky na nejvyšší stupeň řízení se řadí filtry Destila po boku nejznámějších a kvalitativně nejrozšířenějších filtrů společnosti Bucher Unipektin AG. 34

35 Obr. 17) Filtrační linka s filtrem FKS 300, pivovar Bakalář v Rakovníku Technologický postup filtrace, sanitace Svíčkové filtry FKS lze promývat protiproudem vody a vzduchu o vysokém tlaku. Spolehlivě se lze zbavit zbytků křemeliny a nečistot včetně zaklíněných zbytků křemeliny ve štěrbinách svíček. Aby se předešlo trvalému usazování nečistot a kontaminaci mikroorganismy, provádí se čistící, sanitační proces s použitím vhodné kombinace chemikálií. Sanitace probíhá buď samostatně ve filtru, kdy je prostředek připraven v dávkovači křemeliny, nebo s využitím příslušné CIP stanice pro studený blok, sklep. Doporučenými sanitačními a sterilizačními prostředky filtrů Destila jsou: horká voda o teplotě C tekutý louh sodný (NaOH) o koncentraci 1 3 % hmot. a teplotě C s následným výplachem horkou vodou kyselina dusičná (HNO3) o koncentraci 0,5 2 % hmot. a teplotě C s následným výplachem horkou vodou Na následujícím obrázku (obr. 18) je popsán obecný technologický postup filtrace. Tento postup se vztahuje na obecný popis procesů filtrů společnosti Destila. Každý výrobce udává své specifické postupy pro filtrace. Obecně tyto postupy nelze dohledat na veřejně dostupných zdrojích, prakticky ve všech případech se jedná o informace obsažené v návodu k obsluze filtru, filtrační linky. 35

36 Obr. 18) Obecný technologický postup filtrace, sanitace [6] Kde: 1. Začátek cyklu, filtr a potrubní rozvody jsou naplněny obvykle vodou nebo pivem a systém je odvzdušněn, ventily jsou nastaveny na cirkulační okruh. 2. Rychlonáplav, dochází k načerpání suspenze křemeliny do tělesa filtru. 3. Po každém náplavu je filtr přibližně 10 až 15 minut provozován v cirkulačním okruhu. 4. Zahájení filtrace, filtrované pivo pomalu vytlačuje vodu z filtru. V případě, že rychlonáplav provádíme pivem, tak tento krok odpadá. 5. Filtrace při dávkování křemeliny, tlakový rozdíl na filtru pomalu stoupá. 6. Konec filtrace, tlaková rozdíl dosáhl maximální přípustné hodnoty, tj. 0,6 MPa. Pivo se začíná protláčet odplyněnou vodou. 7. Odstranění křemeliny z povrchu svíček, provádí se tlakovými rázy tlakové vzduchu. Křemelina ve formě pasty se vyplaví spodní částí, kalníku ven do kanálu. 8. Čištění, provádí se v opačném směru proudění piva, tzv. protiproudně. 9. Sterilizace, provádí se horkou vodou. 36

37 3.8 Naplavovací křemelinová filtrace Bucher Unipektin AG Společnost Bucher Unipektin AG dodává na trh špičkové filtry a filtrační linky pro největší producenty po celém světě. S rostoucím počtem malých a craftových pivovarů začala společnost nabízet i malé pojízdné filtry v obdobném vybavení a velikostech, tak jako např. Filtry Bílek či Destila. Oproti ostatní konkurenci se jedná o zařízení ve vyšší cenové relaci Mobilní svíčkové filtry V případě malých pojízdných filtrů se jedná o poloautomatické řízení, plně automatické řízení se u filtrů takovéto velikosti finančně nevyplatí, proto se tyto varianty vůbec nenabízejí. Obr. 19) Mobilní filtr Bucher Unipetin AG [9] Stacionární svíčkové filtry Stacionární svíčkové tělesa filtrů jsou v základním provedení dodávány včetně obslužné plošiny, další rozšiřující zařízení jako např. dávkovací zařízení křemeliny nebo stabilizačního prostředku jsou vždy řešeny přímo na míru danému zákazníkovi. Odlišná konstrukce trubkovnice, kde není přímo navařena na válcovou část nádoby, si vyžaduje relativně velký prostor nad tělesem filtru. Při servisování svíček je nutné pomocí manipulační techniky vyjmout celou trubkovnici včetně svíček ven z filtru. Oproti konkurenci, kde se vytahují jednotlivé svíčky postupně. Společnost nabízí filtry s výkonem až hl/h, což je staví do pozice absolutní světové špičky, žádná z konkurenčních firem se s filtry v takto vysokém výkonu zatím neblíží. Pro dodavatele to znamená jistou prestiž a výhradní zastoupení v globálním měřítku. 37

38 Obr. 20) Stacionární těleso filtru Bucher Unipektin AG [9] 3.9 Naplavovací křemelinová filtrace KHS Německá společnost KHS nabízí filtrační zařízení o maximálním výkonu hl/h pro filtraci křemelinou, nebo stabilizační filtraci pomocí PVPP (polyvinylpolyrrolidone). KHS používá patentovaný systém bajonetových zámků pro snadnou montáž one-man mounting, filtraci lze využívat pro širokou škálu nápojů. Obr. 21) Filtr KHS [10] 38

39 3.10 Terminologie v pivovarském průmyslu Pro popis jednotlivých částí tělesa filtru, jeho zapojení a pro pochopení souvislostí je nutné vysvětlit následující základní pojmy, které se běžně používají v tomto oboru: Těleso filtru jedná se o válcovou, tlakovou nádobu se spodním kuželovým a horním klenutým dnem Filtr nejmenší nutná sestava pro filtraci piva, která se skládá z tělesa filtru, dávkovacího zařízení filtračního materiálu, čerpadla, potrubního propojení a prvků měření a regulace Dávkovací zařízení válcová, netlaková nádoba pro přípravu suspenze křemeliny, která se pomocí čerpadla naplavuje na filtrační svíčky Filtrační svíčka speciální lichoběžníkový drát navinutý do kruhového průřezu, mezi jednotlivými závity je přesně definovaná spára (obr. 22, obr. 23) Trubkovnice část tlakové nádoby ve které jsou uchycené filtrační svíčky Kaly směs křemeliny se zbytky kvasnic či jiných nečistot odfiltrovaných v průběhu filtrace Kalový koláč vrstva kalů na filtračních elementech, po odstřelu se kaly odvádí kalníkem z nádoby na kanál Kalník spodní část kuželového dna tělesa filtru, kalník je spojen s horní částí kuželového dna pomocí přírubového spoje Filtrát pivo, které je již zfiltrované a připravené k plnění do obalů Sanitace proces čištění a umívání technologie za pomocí sanitačních roztoků kyselých, zásaditých, anebo desinfekčních Protláčky jedná se o směs piva a vody, která vzniká při vytlačení/dotláčení piva z jednoho technologického celku do druhého, například z tanku na filtr nebo plnící zařízení Obr. 22) Řez filtrační svíčkou [7] 39

40 40 Obr. 23) Filtrační svíčka [7]

41 4 UPLATNĚNÍ SYSTÉMOVÉHO PŘÍSTUPU K NÁVRHU TĚLESA FILTRU FKS 600 Za systémový přístup považujeme způsob myšlení, způsob řešení problémů či způsob jednání, při němž jsou jevy chápány komplexně ve svých vnitřních a vnějších souvislostech [15]. VSTUPY SYSTÉM VÝSTUPY Obr. 24) Princip systémového přístupu Systémový přístup se uplatňuje hlavně při řešení komplikovaných problémů, které zasahují do několika rozličných oborů lidského poznání a vedení (tzv. interdisciplinární problémy). Přitom návrh a realizace automatizace je právě takovým problémem, při kterém je nutno řešit současné radu prolínajících se dílcích problému [11]: - problém znalosti potřeb trhu a vývoje požadavku zákazníku - technické problémy technologického procesu, který se automatizuje - technické problémy návrhu mechanických, hydraulických, pneumatických a elektronických automatizačních prostředků využívaných pro automatizaci - problémy technického a programového vybavení použitých počítačů - sociální a psychologické problémy dopadu automatizace - ekonomické aspekty automatizace - organizační problémy při zavádění a využívání automatizace - personální problémy spojené s výcvikem a výukou obsluhy automatizace - stavební úpravy stávajících prostoru nebo výstavba nových prostoru souvisejících s automatizací Jako příklad nesystémového přístupu můžeme uvést skutečný případ, kdy se automatizovala jen část výrobního řetězce stáčecí linka v pivovaru vysoce výkonným dovozovým zařízením, aby se vzápětí zjistilo, že předchozí pracoviště není schopno stáčecí automat plynule zásobovat čistými láhvemi a následné pracoviště není schopno plynule odebírat plné láhve, takže plnící automat byl zcela nevyužit. Poté, co se k výkonu automatu přizpůsobila další automatizací obě navazující pracoviště se zjistilo, že zákazníci stejně dávají přednost pivu v plechovkách před pivem v klasických láhvích, takže pivovar nepotřeboval tolik piva v láhvích, bohužel však nemel zařízení na stáčení piva do plechovek. Abychom automatizaci v následujícím období zaváděli na kvalitativně vyšší úrovni ve srovnání s dosavadní praxí, měli bychom k jejímu řešení přistupovat vždy systémové. [11] 41

42 5 VÝPOČET PARAMETRŮ FILTRU FKS 600 Pro výpočet parametrů tělesa filtru je zvolena filtrační svíčku výrobce Tristol o průměru D sv 30 mm, délka svíčky L sv 1700 mm, dále volím rozteč R sv mezi svíčkami 74 mm. Jedna filtrační svíčka má celkovou filtrační plochu F sv 0,160 m 2. Pro těleso FKS 600 je zvolen celkový počet 354 kusů filtračních svíček. Celková filtrační plocha F c = F sv n sv = 0, = 56,718 m 2 (1) Maximální průměr koláče D kmax = R sv 2 = 74 2 = 72 mm (2) Maximální objem koláče jedné svíčky V ksvmax = π (D 2 D kmax 2 sv ) L sv = π ( ) 1700 = 5,72 l (3) Maximální celkový objem koláče V kcmax = V ksvmax n sv = 5, = 2021,84 l (4) 42

43 6 KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ TĚLESA FILTRU FKS 600 Tato kapitola se zaobírá konstrukčním řešením návrhu tělesa filtru, konstrukční návrh je proveden na základě vypočtených parametrů tělesa filtru. Tyto parametry, jejich volba, návrh a výpočet jsou řešeny v předchozí páté kapitole. V následujících podkapitolách jsou popsány konstrukční návrhy jednotlivých hlavních částí. Navržené rozměry budou v následující sedmé kapitole zkontrolovány výpočtem tlakové nádoby. 6.1 Konstrukční návrh tělesa filtru Filtr je základním blokem filtračního zařízení. Je to stojatá válcová nádoba dole ukončená kuželovým dnem, nahoře plnou kruhovou deskou (trubkovnicí) s proti přírubou a klenutým dnem. Do kruhové desky jsou vloženy vertikálně uspořádané filtrační prvky (svíčky). Ve válcové části nádoby jsou umístněné dva průzory. Nádoba je vybavena připojovacími hrdly pro napojení potrubí (filtrované kapaliny i pomocných médií). Obr. 25) Těleso filtru FKS

44 Tab 4) Parametry filtru Materiál nádoby DIN X5CrNi Průměr nádoby mm 1600 Objem litry 4550 Základní filtrační plocha bez naplavení m2 56,6 Počet filtračních svíček o Ø 30 mm; l = mm ks 354 Aktivní kalový objem litry 2021 Průtok filtrem při filtraci piva hl*h Maximální provozní tlak kpa 600 Dimenze hrdel vstup-výstup DN 100 Výška filtru mm 3930 Montážní výška pro svíčky mm Konstrukční návrh trubkovnice Na základě zvolené rozteče filtračních svíček, které jsou rozmístěné v trojúhelníkovém tvaru, a maximální možné ploše, na které jsou rozmístěné otvory pro svíčky. Proto je zvolen vnější průměr nádoby 1600 mm. Průchozí otvory pro svíčky mají průměr 32H8. Celková tloušťka trubkovnice je zvolena na 60 mm. Obr. 26) Trubkovnice filtru FKS Konstrukční návrh válcové části nádoby Základním konstrukčním prvkem tělesa je jeho válcová část, pro tento návrh je zvolen materiál o síle 8 mm tak. Vnější průměr 1600 mm, výška válcové části nádoby 1750 mm Konstrukční návrh kuželového dna Kuželové dno je konstrukčně řešeno s anuloidovým přechodem, s tloušťkou materiálu 8 mm, dno je výrobně řešeno se subdodavatelem na základě dokumentace firmy Destila. 44

45 6.1.4 Konstrukční návrh klenutého dna Klenuté dno je řešeno jako torosférické o vnějším průměru 1600 mm dle DIN 28013, síla stěny je 6 mm. 6.2 Konstrukční návrh dávkovacího zařízení naplavovacích prostředků Nádoba dávkovače s příslušenstvím je určena k přípravě a dávkování naplavovacích filtračních prostředků. Nádoba dávkovače je beztlaková, válcového tvaru, dole ukončená kruhovým dnem, nahoře uzavíratelným víkem. Je vybavena pomaluběžným míchadlem, stavoznakem, zařízením k odsávání prachu při sypání filtračních prostředků, mycí fixní hlavicí a připojovacími hrdly. K příslušenství dávkovače také patří hadicové dávkovací čerpadlo, jehož otáčky jsou regulovány pomocí frekvenčního měniče. Obr. 27) Dávkovač křemeliny DK 1000 Tab 5) Parametry nádoby Materiál nádoby DIN X5CrNi Typ dávkovače DK 1000 Průměr nádoby mm 1000 Objem litry 1000 Příkon motoru míchadla kw 0,75 Otáčky rámového míchadla ot/min 50 45

46 Tab 6) Parametry dávkovacího čerpadla Typ DURA 25 SP (Bia Verder) Průtok litry/h Tlak kpa 600 Příkon motoru (otáčky jsou regulovány FM) kw 1,7 Připojovací rozměry DN Konstrukční návrh potrubního propojení Potrubní připojení propojuje filtr s dávkovacím zařízením, vstupem filtrované kapaliny k filtru a výstupem filtrátu. Je osazeno prvky, které se podílejí na zajištění regulovaných parametrů v jednotlivých režimech. Součástí je také hlavní čerpadlo. Tab 7) Parametry pro blok P-PF Použitý materiál potrubí DIN X5CrNi Hlavní čerpadlo ks 1 Typ - SolidC-3 (Alfa Laval) Příkon motoru hlavního čerpadla, (otáčky jsou regulovány frekvenčním měničem) kw 15 Dimenze hlavního potrubí DN 100 Tab 8) Prvky regulace a měření 46 Těleso Filtru Armatura Rozměr Dodavatel ks Poznámka Klapka přímá 100 NIOB 1 Klapka přímá 65 NIOB 4 Klapka přímá 32 NIOB 3 Klapka přímá 25 NIOB 10 Tlakoměr 25 Wplus, Ø63, glycerín., DIN zadní 2 INOX CZ, Ø63, Tlakoměr G1/4" spodní přip. 1 Snímač tlaku 25 Klapka zpětná 65 Klapka zpětná 25 Siemens SITRANS P, DIN NIOB FLUID, o.č.: 5082 B 1 NIOB FLUID, o.č.: 5082 B 1 Snímání tlaků na filtru (vstup, výstup), rozsah měření 0-10 bar Snímání tlaku zásobníku vzduchu, rozsah měření 0-10 bar Snímání tlaků na filtru (vstup, výstup), rozsah měření 0-10 bar, 4-20 ma Ventil pojistný 32/50 Armat 296 AP 1 6 bar Ventil regulační 25 Stasto 1

47 Kohout vzorkovací 10 NIOB 1 Dávkovací zařízení Dávkovací čerpadlo 1,7 kw Verderflex DURA 25 1 El. motor 1,7 kw Součást DČ 1 Převodovka s motorem 1,1 kw Sumitomo CYCLO Drive El. motor 1,1 kw Součást převod. míchadla 1 Siemens MAG 1100 Průtokoměr 25 Food 1 Klapka přímá 50 NIOB 1 Klapka přímá 25 NIOB 7 Pneupohon klapky (spřažené) 25 NIOB 1 Klapka přímá 65 NIOB 1 Pneupohon klapky 65 NIOB 1 Klapka přímá 25 NIOB 1 Pneupohon klapky 25 NIOB 1 NIOB FLUID, o.č.: Klapka zpětná B 2 Ventil regulační G1/4" Stasto, série 110VA 1 Kohout kulový G1/4" Bickel Wolf, Typ A Limitní čidlo hladiny 1/2" IFM LMT100 + E Potrubní propojení Hlavní čerpadlo 11 kw Alfa Laval SolidC-3 1 El.motor 11 kw Průtokoměr 100 Součást hlavního čerpadla 1 Siemens MAG 1100 Food 1 Zákaloměr 80 Sigrist TurBiScat 1 Otáčky motoru řízeny pomocí FM, počítá se s provozem až na 60 Hz! Rozsah měření 120 až 290 l/h Pneupohon Z=vzduch, O=vzduch, vč. snímače polohy Z/O Pneupohon Z=vzduch, O=vzduch, vč. snímače polohy Z/O Pneupohon Z=pružina, O=vzduch, vč. snímače polohy Z/O Otáčky motoru řízeny pomocí FM, počítá se s provozem až na 60 Hz! Otáčky motoru řízeny FM, D/ Y/50Hz;IP55;PTC- Thermistor Rozsah měření 100 až 600 hl/h In-line s řídící jednotkou Sicon, měření zákalu pod úhly 90 a 25 stupňů [j.ebc] 47

48 Klapka přímá 100 NIOB 4 Pneupohon klapky 100 NIOB 3 Klapka přímá 100 NIOB 2 Klapka přímá 25 NIOB 2 Redukční ventil 2" Armat 1 Kohout kulový 50 NIOB 1 Klapka zpětná 50 NIOB FLUID, o.č.: 5082 B 1 Průhledítko 100 NIOB FLUID, o.č.: LED osvětlení průhledítka 100 NIOB FLUID, o.č.: NIOB FLUID, o.č.: Průhledítko Omezovací ventil 65 NIOB 1 Zásobník vzduchu Pneupohon Z=vzduch, O=vzduch, vč. snímače polohy Z/O Regulace tlaku vody pro dotláčku UNAP = 12V DC; IMAX = 200 ma (2,5 W) Regulace protitlaku při protláčce vody na kanál Klapka přímá 25 NIOB 2 Klapka zpětná 25 NIOB FLUID, o.č.: 5082 B 1 Sterilní filtr vzduchu 10 1 Tlakový spínač 1/4" IFM PK Rozsah měření 0-10 bar 48

49 7 PEVNOSTNÍ KONTROLA TĚLESA FILTRU FKS 600 Pevnostní kontrola spočívá ve výpočtu tlakové nádoby, je proveden za pomoci softwaru CODEX. Výpočet obsahuje jednotlivé části tlakové nádoby, kterými jsou: klenuté dno, příruba klenutého dna, trubkovnice, válcový plášť, kuželové dno, příruba kuželového a kuželový kalník. Pevnostní výpočet je proveden dle normy ČSN EN 13445, část pět, tlakové nádoby stabilní. Obr. 28) Sestava pro výpočet Výpočtový model se skládá ze třech menších podsestav, všechny tři podsestavy jsou při výpočtu navázané na sebe. Jednotlivé části jsou zobrazeny na dalším obrázku (obr. x). Obr. 29) Rozpad sestavy v programu Codex 49

50 Obr. 30) Zadané parametry pro Příruba 1 Obr. 31) Zadané parametry pro Lem 1 50

51 Obr. 32) Zadané parametry pro Dno 1 Obr. 33) Zadané parametry pro Příruba 2b 51

52 Obr. 34) Zadané parametry pro Kužel 1b Obr. 35) Zadané parametry pro Trubkovnici 52

53 Obr. 36) Zadané parametry pro Příruba 2a Obr. 37) Zadané parametry pro Kužel 1a 53

54 Obr. 38) Zadané parametry pro Plášť 1 Pevnostní kontrola tělesa filtru prokázala, že navržené rozměry jednotlivých částí tělesa jsou vhodně dimenzované. V jednom případě u trubkovnice výpočet upozornil na neexistující polotovar z knihovny materiálů programu Codex. Součástí příloh této diplomové práce je i výpočtový protokol dané sestavy tělesa filtru 54

55 8 VÝKRES SESTAVENÍ VČETNĚ KUSOVNÍKU, VYBRANÉ VÝROBNÍ VÝKRESY, KOMENTÁŘ K VÝKRESOVÉ DOKUMENTACI Jednou z hlavních a velmi důležitých kapitol této diplomové práce je výkresová dokumentace. Na základě výkresové dokumentace lze vyrobit sestavu tělesa filtru, dávkovače křemeliny a potrubního propojení včetně jednotlivých dílčích podsestav, obráběných a plechových dílů. Součástí příloh této diplomové práce je prezentována část výkresové dokumentace, jedná se o výkresy sestav a dílčí výrobní výkresy. Vytvořená výkresová dokumentace neslouží pouze jako příloha diplomové práce ve vybraném a předem stanoveném rozsahu ale je kompletně dokončena, zpracována a připravena pro možnost výroby dané sestavy filtru. Pro diplomovou práci byla vybrána následující výkresová dokumentace: F-0399, Těleso filtru, sestava složena z plechových dílů, obrobků a svařenců F-0377, Trubkovnice, díl je obroben na CNC obráběcím centru, obsahuje velké množství průchozích děr F-0381, Příruba průhledítka, díl je obroben na CNC obráběcím centru F-0127, Deska, jedná se o díl stavěcí nohy, který umožňuje sestavu zakotvit k podlaze F-0395, Ložisko, kluzné pouzdro mechanismu zvedání horního víka F-0123, Závitová vložka, soustružený díl následně navařený na noze filtru F-0400, Katalogový list filtrační linky, zpracovává se pro odsouhlasení dané linky investorem a jako přílohu dodávané dokumentace Značení výkresové dokumentace vychází ze standartního značení výrobků dle typu na základě interního dokumentu společnosti Destila. Názvosloví výkresové dokumentace je odsouhlaseno vedoucím diplomové práce. 55

56 9 BLOKOVÉ SCHÉMA FILTRU Pro správné pochopení problematiky a návazností v celé technologii je vždy nezbytně nutné pracovat s technologickým schématem filtru, respektive celé filtrační linky. Technologické schéma zobrazuje detailní propojení jednotlivých prvků včetně veškeré procesní instrumentace. Takto zpracovaný podklad slouží pro popis technologických operací, časových diagramů a v neposlední řadě pro tvorbu ovládacího programu. Každé technologické schéma podléhá určitému stupni utajení a není běžně dostupné. Hlavním důvodem je fakt, že se jedná o knowhow dané společnosti. Blokové schéma zobrazuje jednotlivé celky, propojení tělesa filtru, dávkovače křemeliny a hlavního čerpadla bez detailních informací, které by mohly být v určitých případech zneužity. Následující blokové schéma popisuje čtyři základní části filtru a jejich návaznosti mezi sebou. Jsou to: Blok F-PF Filtr (primární filtrace) - Těleso filtru včetně filtračních prvků (svíček) Blok D1 Dávkovací zařízení Blok P-PF Připojovací potrubí (propojení bloku F-PF s D2) Blok EZ-PF Elektrické zařízení (pro F-PF, D1, P-PF) Obr. 39) Blokové schéma základní verze filtrační linky Druhé blokové schéma představuje maximální možný rozsah filtrační linky nabízené společností Destila. Doplňujícími částmi k zajištění stejnoměrnosti provozu, bez negativních faktorů na vstupu do filtru i výstupu z filtru, hospodaření s protláčkami a filtračními prostředky mohou být následující bloky: Blok T1 Vstupní vyrovnávací tank Blok T2 Výstupní vyrovnávací tank Blok P Tank protláček 56

57 Bloky D2, D3 Dávkovací zařízení k samostatnému dávkování podílů jemné křemeliny, resp. stabilizačního prostředku metodou do ztracena Blok EZ-EBC Rozšíření EZ o automatizovanou kontrolu čirosti filtrátu (limitní jednotky EBC) Blok EZ-PFa Rozšíření EZ elektrického zařízení k doplněným blokům (řízení konstantních tlaků) Blok EZ-OPTI Rozšíření EZ k automatizované regulaci dávkování (program OPTIMALIZACE dávek) Blok EZ-A Doplnění automatizovaného řízení technologických kroků Obr. 40) Blokové schéma rozšířené verze filtrační linky 57

58 10 ODHAD NÁKLADŮ NA VÝROBU PROTOTYPU NEBO SÉRIE Předposlední kapitola popisuje odhad pořizovacích nákladů na nejmenší nutnou sestavu filtrační linky, která je schopna plnohodnotného provozu. Odhad nákladů je proveden pro prototyp z důvodu velmi malé, de-facto nulové pravděpodobnosti výroby série filtru FKS 600. Kalkulace zahrnuje veškeré náklady na výrobu jedince včetně všech režijních nákladů, jedná se tedy o finální výrobní cenu. Náklady na jednotlivé položky jsou uvedeny bez DPH, přičemž částky jsou zaokrouhleny. Tab 9) Kalkulace nákladů na výrobu prototypu Název Cena v Kč Těleso filtru FKS ,- Filtrační elementy ,- Dávkovač křemeliny DK ,- Potrubní propojení ,- Elektroinstalace ,- Zásobník tlakového vzduchu ,- Celkem ,- Obr. 41) Filtrační linka FKS 600, přední ISO pohled 58

59 Obr. 42) Filtrační linka FKS 600, zadní ISO pohled 59