Rozšířené sylaby předmětu: Procesy a operace v pivovarské výrobě (N319015) Projektování a výstavba Náplň přednášky: Náměty k výstavbě, Postup projektování a výstavby, Analýza trhu, Odhad nákladů, Výběr místa, Návrh technologie, Výpočet ceny provozu, Výběr dodavatelských firem, Řízení projektu, Realizace projektu, Kolaudace a školení personálu, Specifika potravinářských výrobních procesů, Čtení technologických schémat, Symboly schémat, Označení měřících a regulačních prvků, Systém identifikace jednotlivých částí provozu a potrubí. Cenový odhad, projektování, výstavba a kolaudace celých výrobních závodů či jejich částí je složitý multidisciplinární úkol, který má svou obvyklou posloupnost a strukturu. Uskutečnění projektu vyžaduje, kromě zkušeností a teoretických znalostí, také přesnou a věcnou komunikaci mezi jednotlivými členy týmů. Nepředpokládá se, že by absolventi magisterského oboru biotechnologie vedli projektové či stavební firmy, nicméně jako potravinářští inženýři mají často za úkol komunikovat s vedením takových projektových týmu, ať už ve fázi příprav, nebo realizace projektu. Tato přednáška si klade za cíl obeznámit posluchače: s časovou posloupností projektování a výstavby technologických celků/úseků, základní terminologií nutnou k úspěšné komunikaci v multidisciplinárním kolektivu a základními principy tvorby a čtení technologických schémat. Čištění a sanitace Náplň přednášky: Desinfekční prostředky (DP), Typy DP a jejich mechanismus účinku, Výhody a nevýhody DP, Zdravotní a bezpečnostní aspekty DP, Moderní sanitace v potravinářství, Klasifikace nečistot, Složení průmyslových detergentů, Klíčové aspekty sanitace v pivovarství, Sanitace: membrán, myčky a dopravníků, Sanitace v otevřených prostorech, Osobní hygiena. Sanitace (čištění a desinfekce výrobního zařízení, transportních cest, nádob, dopravníků, stáčecích linek atd.) je nedílnou součástí výroby piva, která má vliv na zajištění biologické, koloidní i senzorické trvanlivosti výrobku. Přednáška se zaměřuje na definici a charakterizaci složení průmyslových sanitačních prostředků, jejich mechanismus působení a faktory ovlivňující jejich účinnost působení. Dále se zabývá základními aspekty aplikace sanitačních přípravků, konstrukcí CIP stanic Čisté prostory v biotechnologiích Náplň přednášky: Úvod, Termíny a definice, Požadavky a normy, Zdroje kontaminace, Druhy čistých prostorů dle použití, Koncepce prostorů, Vzduchotechnika a filtrace, Personál, Oděvy, Instalace a zkoušky, Metrologie a testovací metody, Validace a monitoring. Čisté prostory jsou v současnosti jedním ze základních předpokladů kvalitní výroby a objektivního výzkumu v mnoha oborech. Bez čistého prostoru není možné dosáhnout
standardních výsledků ve farmacii, biotechnologiích, některých potravinářských oborech, zdravotnictví, mikroelektronice, přesné mechanice, technologiích povrchových úprav atd. Cílem přednášky je seznámit studenty se základními pojmy a s problematikou oboru z hlediska uživatele. Studenti se seznámí s technickými možnostmi čistých prostorů a okolními vlivy, které ovlivňují výsledné parametry. Součástí je i základní orientace v normě EN ISO 14 644 platné v EU a USA pro konstrukci, provoz, zatřídění, testování a monitoring čistých prostorů. Mechanické míchání a provzdušňování Náplň přednášky: Účel míchání, Definice pojmů, Rozdělení míchadel, Definice příkonu a popis příkonové charakteristiky, Postup výběru míchadla podle příkonu a ukázkové výpočty, Vliv geometrie míchadla a vlastností kapaliny na příkon, Doba homogenizace, Dispergační účinek míchadla, Kritéria pro zvětšování měřítka míchání, Návrh míchání varní soupravy, Povrchové a mezifázové napětí, Viskozita, Smykové napětí, Dispergační účinek míchadla, Jednotlivé kroky přenosu kyslíku, Mechanismus přenosu hmoty a jejich definice, Přenos hmoty z plynu do kapaliny, Faktory ovlivňující přenos kyslíku a spotřebu kyslíku, Stanovení K L a Jednotková operace míchání je jednou z nejrozšířenějších v biotechnologickém a potravinářském průmyslu. Teplotní a koncentrační homogenizace vsádky a vliv míchání na přestup hmoty a tepla jsou základní funkcí míchadel. Z ekonomického a procesního hlediska ovšem existují velké rozdíly mezi míchadly a jejich výběr tudíž musí být založen na fundamentálních znalostech a empirických zkušenostech vycházejících ze znalosti procesu. Studenti budou v průběhu přednášky obeznámeni: s definicí základních fyzikálně-chemických parametrů ovlivňujících míchání, postupem výběru vhodného míchadla na základě charakteristiky míchadel a s postupem při zvětšování měřítka míchadel. Dále se seznámí s případovou studií vývoje nového míchadla pro varní soupravu a získají základní informace o vlivu reologických vlastností kapaliny na míchání (viskozita, smykové napětí). Jelikož míchaní má dispergační účinek na plynnou fázi v bioreaktorech, náplň přednášky zahrnuje také mechanismu přenosu kyslíku z plynu do kapaliny, jeho kinetický popis a faktory, které ho ovlivňují. Studenti budou informováni o energetické náročnosti dispergace bublin plynu. Konstrukční materiály a koroze Náplň přednášky: Základní postup výběru materiálu, Rozdělení konstrukčních materiálů, Kovové materiály, Struktura kovových materiálů, Oceli, Legované oceli, Slitinové prvky, Rozdělení ocelí podle použití, Korozivzdorné oceli, Kovy a jejich slitiny, Anorganické nekovové materiály, Významné druhy keramiky, Polymerní materiály, Kompozitní materiály, Konstrukční materiály fermentorů, Konstrukční materiál potrubních systémů, Koroze a její základní mechanismus, Druhy koroze a pasivita, Faktory ovlivňující korozi, Způsoby ochrany proti korozi, Koroze nekovových materiálů S materiály se technolog v průmyslové výrobě praxi setkává ve své každodenní praxi. Vzhledem k velkému počtu různých materiálů bude zavedený vhodný systém jejich třídění tj. materiály
kovové, anorganické nekovové, polymerní a kompozitní. Žádný z uvedených skupin materiálů není zcela univerzální, výhody a nevýhody jednotlivých skupin budou náplní další částí přednášky. Zvláštní pozornost bude zaměřena na kovové materiály (slitiny kovů), na nichž jsou závislá prakticky všechna odvětví lidské činnosti. Přednáška se zaměří na jejich složení, chemické a fyzikální vlastnosti a možnosti úpravy těchto vlastností pomocí legujících prvků. Dále se v prezentaci zaměří pozornost na různé typy a mechanismy poškozování materiálů, které mohou nastat při jejich používání, jako jsou lomy, únava, tečení a zejména koroze. Koroze je souhrn nežádoucích fyzikálně-chemických interakcí materiálů s okolním prostředím. Z hlediska hospodářské závažnosti je nejvýznamnější koroze kovových materiálů. Přednáška se zaměří na mechanismy koroze, její druhy, rizika, které představují a možnosti ochrany materiálů vůči korozi. Výroba nealkoholických piv Náplň přednášky: Úvod, Pivo a zdraví, Způsoby produkce nealkoholických piv, Odstraňování etanolu (tepelné procesy: vakuová rektifikace, odparky s tenkým filmem, membránové procesy: dialýza, reverzní osmóza), Metody omezené tvorby ethanolu (úpravy rmutování, omezené kvašení, speciální kvasinky, kontinuální kvašení), Senzorické úpravy nealkoholických piv, Aditiva, Ekonomické srovnání procesů. Rostoucí zájem spotřebitelů v otázkách zdravé výživy a spotřeby alkoholu motivuje pivovary rozšířit sortiment výrobků s nízkým obsahem alkoholu. Cíle vyrobit pivo s nízkým obsahem alkoholu, může být dosaženo pomocí dvou hlavních strategií, a to šetrným odstraněním alkoholu z alkoholického piva a omezenou tvorbou ethanolu během kvašení piva. V rámci těchto dvou základních strategií, existuje celá řada technik, které se liší ve výkonu, účinnosti a použitelnosti. Tato přednáška prezentuje přehled a srovnání všech současných metod výroby nízko- nebo nealkoholických piv a poskytuje vyhodnocení jejich senzorických vlastností a dále naznačuje možnosti pro jejich další zlepšování. Kontinuální kvašení piva Náplň přednášky: Výhody kontinuální fermentace, Historický přehled, Typy kontinuálních reaktorů, Problémy a jejich řešení, Způsoby imobilizace buněk, Přestup hmoty u imobilizovaných buněk, Stárnutí imobilizovaných kvasinek, Mutace imobilizovaných kvasinek, Senzorické problémy a jejich možnosti řešení. O aktuálnosti výroby ethanolu technologií alkoholového kvašení z obnovitelných zdrojů nelze pochybovat. Svědčí o tom také celá řada směrnic Evropské komise o biopalivech (bionafta a bioethanol) jenž se neustále upravují a korigují a o jejich uskutečnitelnosti se vedou spory. Výroba bioethanolu v průtočných systémech s biomasou imobilizovanou ve formě biofilmu je jednou z mnoha vyvinutých a neustále zkoumaných technologických variant. Produkci ethanolu lze ve srovnání s výrobou piva považovat za jednodušší proces, jelikož hlavním kritériem řízení a provozu je zejména produktivita ethanolu. Naopak výroba piva se kromě výtěžnosti procesu řídí také hygienickými hledisky a kvalitativními požadavky.
S ohledem na komplexní složení tohoto nápoje ovšem není jednoduchým úkolem opakovaně a dlouhodobě splnit všechny požadavky kladené na výrobek, vyžaduje to citlivé propojení pivovarských tradic, empirických zkušeností a vědecko-technologického vývoje. Pivovarský průmysl vyspělých zemí se vyznačuje velkou konkurencí a značným ekonomickým potenciálem. Tato konstelace vedla v uplynulých desetiletích, a to i přes odpor tradicionalistů, k rozsáhlé aplikaci nových vědeckých poznatků s cílem intensifikace výrobního procesu. Obecně se dá říci, že úspěšnost technologických inovací má svou ekonomickou stránku, ale také měřítka hodnotící provozní a kvalitativní aspekty. Použití imobilizovaných pivovarských kvasinek v procesu kontinuálního kvašení piva je podnětný i náročný úkol, kterým se pivovarský obor zabývá již řadu desetiletí. Přes toto dlouhotrvající úsilí a počáteční nadšení pramenící z dramatické úspory času, kterou tato technologie nabízí, je však počet průmyslových aplikací kontinuální výroby piva omezen na ojedinělé příklady kontinuálního dokvašování a výroby nealkoholického piva. Hlavním důvodem nízkého počtu aplikací jsou inženýrské problémy (odstranění přebytečné biomasy, zvýšené riziko kontaminace, optimalizace provozu), často negativní a těžko předvídatelný vliv imobilizace buněk a kontinuálního provozu na senzorickou kvalitu piva a nerealizované ekonomické výhody provozu (vysoká cena nosiče, nákladné a náročné řízení průtočných systémů). Cílem aplikace levného imobilizačního materiálu získaného z pivovarského (mláto) a zemědělského (kukuřiční palice) odpadu bylo studovat a posléze nabídnout levnější alternativu komerčních imobilizačních materiálů. Výběr vhodných reaktorů a optimalizace provozních podmínek byly prováděny zejména z hlediska zlepšení senzorické kvality piva. Vliv technologie a složení surovin na pivní pěnu Náplň přednášky: Pěna - disperze plynu ve spojité fázi, Povrchové napětí a povrchově aktivní látky, Tvorba bublin nukleací, Hydrodynamický průběh tvorby pěny, Děje ovlivňující stabilitu a vzhled pěny (disproporcionace, odvodňování, koalescence), Obrazová analýza změna struktury pěny, Faktory ovlivňující pivní pěnu, Pivní pěna a technologie, Přepěňování. Podstata pěn, dvoufázových systému plyn-kapalina (případně plyn-pevná fáze) spočívá v dynamické rovnováze mezi procesy tvorba pěny, její stabilita a rozpad. Přednáška bude zaměřena na definici základních fyzikálně-chemických parametrů ovlivňujících pěny, děje související s tvorbou bublin (nukleace), stabilitou a rozpadem pěny. Základem experimentálního zkoumání pěn jsou vizualizační techniky pro záznam chování a vlastností pěny a následné vyhodnocení vizuálních dat programy pro zpracování obrazu za účelem získání kvantitativního popisu systému. Na pivní pěnu má vliv celá řada faktorů od kvality a složení surovin, přes technologii výroby až po uchování a podávání piva. V případě pivní pěny se hodnotí zejména struktura (tvar bublin, rozložení jejich velikostí, 2D a 3D struktura pěny, geometrie lamel kapalného filmu), stabilita (statická odolnost pěny, chemická odolnost pěny) a rozpad (spontánní pokles objemu pěny, strukturální změny během rozpadu, dynamika drénování lamel, koalescence). Na základě těchto informací budou identifikovány základní fyzikální procesy a chemické složky zodpovědné za chování pěny za daných okolností. Energetická bilance a možnosti úspory energie v pivovaru
Náplň přednášky: Charakter spotřeby energie v pivovarech, Zdroje energie v pivovarech, Specifická spotřeba energie podle zemí původu a velikosti pivovarů, Způsoby úspory energie, Zásahy do jednotlivých kroků technologického procesu, Zásahy ovlivňující širší spektrum procesů (inženýrské sítě), Efektivní využití surovin, meziproduktů a produktu, Případové studie, Budoucí trendy vývoje Energetické aspekty výroby sladu a piva ve vyrovnaném tržním prostředí mají z hlediska důležitosti velkou důležitost s vzrůstající tendencí. Optimalizace energetického hospodářství je vždy dána charakterem provozu, požadavky technologie a pokročilostí řízení jednotlivých systémů. Nejprve bude charakterizována spotřeba jednotlivých forem energie v pivovarech a následně budou uvedeny konkrétní příklady úspor energie v jednotlivých technologických krocích. Budou popsány různá zdroje energií v pivovarech využitelné ke snížení celkové spotřeby. Kromě zásahů do samotné technologie budou vysvětleny možnosti šetření energií také úpravou a modernizací inženýrských sítí. Zlepšením funkce inženýrských sítí se zasahuje do provozů zajišťující technické podmínky výroby tj. množství tepla, chladu, elektrické energie a vody pro správné vedení technologického procesu. Inženýrské sítě v pivovarech Náplň přednášky: Definice inženýrských sítí, Paliva a jejich manipulace, Elektrická energie, Parní kotle a parní potrubí, Chladící systémy v pivovarech, Procesní plyny, Možnosti získání procesních plynů v pivovarech, Zpětné jímání, čištění a zkapalnění CO 2, Z technologického hlediska moderního pivovaru jsou spolehlivě a ekonomicky fungující inženýrské sítě zcela nezbytné. V přednášce bude definován rozsah těchto pomocných technologických okruhů a budou popsány způsoby, pomocí kterých se médii a nosiči energie v pivovarství manipuluje. Dále budou vysvětleny základní provozní charakteristiky klíčového strojního zařízení inženýrských sítí a podmínky jejich úsporného provozu. Dostatečná pozornost bude věnována různým formám energií, jejich vzájemné konverzi, dále procesním plynům používaným v pivovarech, způsobům jejich získávání, čištění, uchovávání, rekuperaci a distribuci. Tato přednáška nezahrnuje tematiku varní a užitkové vody, její úpravy a čištění, jelikož toto je prezentováno v rámci předmětu Pivovarství. Plnění a uzavírání, etiketování Náplň přednášky: Stáčení a expedice piva, Současný trendy vývoje stáčení piva, Tok kapalin v potrubí, Stáčírny piva uspořádání linky, Návrh a dimenzování linek, Manipulační zařízení, Mycí zařízení, Plnění a uzavírání, Pasterace, Etiketování, Kontrolní zařízení lahvárenských linek, Mytí a plnění sudů, Sklady k stáčírnám piva. Pivovarský průmysl v rozvinutém tržním hospodářství představuje jednu z oblastí potravinářského průmyslu s největším konkurenčním prostředím. Tato skutečnost nutí výrobce snižovat výrobní náklady a prezentovat kvalitní produkty s atraktivním vzhledem. V obou
oblastech hraje stáčení (plnění a uzavírání, etiketování) klíčovou roli. Jelikož jsou energetické nároky na stáčení produktů to malých a velkých transportních obalů jsou vysoké a složitost strojního zařízení a její automatizace je vysoká, lze v této části výroby dosáhnou značných investičních i provozních úspor. Kvalita dokončovacích operací ovšem neovlivňuje pouze výrobní náklady, ale také obchodní a marketingové strategie související s produktem. V rámci přednášky se studenti seznámí se strojním vybavením stáčecích linek, základními kroky manipulace a plnění obalů, etiketování, principy dimenzování stáčecích linek, jejich údržby a regulace. Součástí předmětu jsou také prezentace významných odborníků z pivovarského (potravinářského) průmyslu, nebo ze souvisejících technických oborů, které rozšíří pohled studentů o praktické aspekty resp. zkušenosti s plánováním a řízením procesů, ale také strojním zařízením a měřící technikou používanou v pivovarském (potravinářském) průmyslu.