ПОТОЧНЫЙ ИОНОМЕТРИЧЕСКИЙ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗАТОР

Поточный ионометрический экспресс-анализатор предназначен для контроля качества полупродуктов и готового пива путем измерения и анализа концентраций комплекса минералов и сбраживаемых сахаров состава сусла, молодого и готового пива в ходе технологического процесса пивоварения в режиме on-line.
Известен автоматический анализатор качества пива «BEER ANALYZER» фирмы «ANTON PAAR», позволяющий измерять концентрацию алкоголя, плотность пива, калорийность и степень ферментации; при этом прибор оснащен встроенным термостатом с возможностью работы круглые сутки. При минимальном объеме вводимой пробы анализатор производит до 30 анализов в час; при этом до 100 результатов измерений могут храниться в памяти контроллера, имеющего два канала связи RS 232 для принтера и персонального компьютера. Прибор указанного типа рекомендован основными организациями по пивоварению - ЕВС, ASBC, BCOJ, МЕВАК и вошел в единый американский стандарт пивоварения [ASBC, Methods of Analysis, 1992, Пиво- методика №4Е].
Недостатком автоматического анализатора этого типа является отсутствие возможности проведение анализа микроэлементного состава пива и полупродуктов, дисбаланс которых способен существенно исказить органолептическое качество пива или повысить его токсичность.
Известны анализаторы качества пищевых продуктов путем определения концентраций отдельных минералов при использовании ионоселективных электродов, соединенных с микропроцессором. В частности, известно устройство, использующее обработку показаний датчиков через микропроцессор [Заявка на изобретение №97121094 А МПК G01N 33/04 «Экспресс-анализатор жидких сред», опубл. 20.12.1998 г.].
Недостатком устройства является узкоограниченная функция: высокоомный преобразователь снабжен встроенным программируемым микропроцессором, обеспечивающим расчет значений титруемой кислотности и концентрации добавленных раскислителей в жидкой среде.
Известна полезная модель [№6629 U1 МПК G01N 33/04 «Ионометрический экспресс - анализатор для контроля качества пищевых продуктов», опубл. 16.05.1998 г.], включающая встроенный микроконтроллер.
Недостатком устройства является узкоограниченная функция: анализатор адаптирован для определения только ионов кальция и хлора в молоке с целью обнаружения фальсифицированной продукции.
Известен способ оценки качества фруктовых соков и зеленого чая с помощью батареи потенциометрических сенсоров [Заявка на изобретение №2008136040 А МПК G01N 27/26 «Способ оценки качества фруктовых соков и зеленого чая с помощью батареи потенциометрических сенсоров» / опубл. 10.03.2010 г., Бюл. №7]. При этом оценку качества пищевых продуктов проводят с помощью батареи сенсоров путем измерения сигнала сенсоров и их последующей многопараметровой обработкой, причем сигналом является потенциал сенсоров на основе стеклоуглерода, покрытого пленкой электрополимеризованного полианилина, содержащей тиакаликсареновый рецептор и тетрафенилборат натрия, измеренный при различных разбавлениях фруктового сока или зеленого чая в присутствии постоянной концентрации ионов трехвалентного железа, а классификацию анализируемых образцов выполняют посредством метода главных компонент и линейного дискриминантного анализа.
Недостатком устройства, реализующего способ, является ориентация конструкции измерительного электрода относительно одного минерала, а именно, иона железа. Концентрации остальных минералов согласно способу определяются расчетным методом линейного дискриминантного анализа, не адаптированного к стандартным соотношениям минералов в составе сусла, молодого пива и готового продукта. При этом известен оптимизированный состав 24 минералов сусла, необходимых для оптимизации процесса роста биомассы пивных дрожжей, обеспечивающих процесс основного брожения [Патент на изобретение №484696 «Состав культуральной среды для дрожжей», опубл. 15.09 1975 г.].
Наиболее близким аналогом технического решения, принятым нами за прототип, является принципиальная конструкция поточного ионометрического анализатора, в которой один измерительный потенциометрический электрод размещен в потоке жидкости, подвергаемой анализу, а показания другого аналогичного измерительного электрода, помещенного в кювету со стандартизованной жидкостью, используют для сравнения как точку отсчета разницы концентрационных цепей [Камман, К. Работа с ионселективными электродами: Пер. с немецкого/ К.Камман Издательство «Мир», 1980. С.241-242].
Недостатком устройства является невозможность его использования в высокоскоростном технологическом потоке анализируемой жидкости, а также невозможность обеспечения в потоке стандартизированных условий проведения измерений, существенно влияющих на точность и достоверность показаний сенсорных устройств.
Техническим результатом заявляемой полезной модели поточного ионометрического экспресс-анализатора для контроля качества сусла, молодого и готового пива является возможность проведения анализа концентраций комплекса минералов и сбраживаемых сахаров состава сусла, молодого и готового пива в ходе технологического процесса в режиме on-line.
Техническая задача решается тем, что в известном устройстве поточного ионометрического экспресс-анализатора, включающего сенсорные датчики, соединенные попарно, один из которых расположен в анализируемой жидкости, а другой в эталонной жидкости, согласно изобретению измерительные тракты сенсорных датчиков имеют выходы в блоки сравнения микроконтроллера, при этом сенсорные датчики, регистрирующие концентрации индикаторных ионов и сбраживаемых сахаров, объединены в батареи сенсорных датчиков и размещены в двух термостатируемых аналитических камерах, одна из которых имеет пробоотборное устройство для забора анализируемой жидкости из продуктопровода или технологической емкости, а другая соединена с дозатором эталонной жидкости, причем каждая из аналитических камер имеет соединения с системами периодического промывания, при этом микроконтроллер, объединяющий блоки сравнения показаний измерительных трактов, имеет выходы на исполнительные механизмы, корректирующие отклонения состава анализируемой жидкости от заданного программой микроконтроллера.
На чертеже представлена схема поточного ионометрического экспресс-анализатора для контроля качества сусла, молодого и готового пива.
Заявляемая полезная модель включает батарею сенсорных ионометрических датчиков 1, расположенных в аналитической камере 2 эталонной жидкости, соединенной с дозатором 3 эталонной жидкости, при этом аналитическая камера 2 оснащена блоком промывки, включающем соединение с водопроводом 4 и сливом 5 промывочной жидкости в канализацию; при этом измерительные тракты каждого из ионоселективных электродов батареи сенсорных ионометрических датчиков 1 имеют выходы 6 в блоки сравнения 7 микроконтроллера 8. При этом каждый блок сравнения 7 соединен с выходом измерительных трактов 9 каждого из датчиков бактерии сенсорных ионометрических датчиков 10, размещенных в аналитической камере 11 анализируемой жидкости (сусло, молодое пиво или пиво), соединенной пробоотборным устройством 12 с магистральным продуктопроводом 13 (или технологической емкости). При этом аналитическая камера 11 имеет соединения с водопроводной сетью 14 и сливом в канализацию 15, используемых для промывки аналитической камеры 11 перед каждым анализом. При этом микроконтроллер 8 имеет выходы 16 на исполнительные механизмы 17 (дозаторы), включаемые импульсом с соответствующего блока сравнения 7 при выявлении существенных расхождений фактических параметров среды, выявленных блоком сравнения конкретной пары датчиков батарей 1, 10 от заданных программой микроконтроллера 8 диапазонов; при этом для привлечения внимания оператора устройство оснащено тревожной сигнализацией 18.
Заявляемая полезная модель поточного ионометрического экспресс-анализатора для контроля качества сусла, молодого и готового пива действует следующим образом.
Каждая пара измерительных сенсоров предварительно калибруется в аналитической лаборатории согласно инструкции по эксплуатации.
Перед началом цикла производственных анализов аналитическую камеру 11 анализируемой жидкости поточного ионометрического экспресс-анализатора соединяют проботборным устройством 12 с продуктопроводом 13 (или с требуемой технологической емкостью, например, с сусловарочным котлом, с ЦКТ основного брожения или с емкостями дображивания).
Одновременно аналитическую камеру 2 стандартизованной по составу ионов жидкости с батареей индикаторных сенсоров 1 подключают к дозатору 3 стандартизованной по составу ионов жидкости. При этом камеру 2 и камеру 11 для обеспечения их промывки перед каждым исследованием подключают к водопроводным линиям 4 и 14 и линиям слива 5 и 15 соответственно.
Принципиально важно отметить, что в аналитическую камеру сравнения 2 из дозатора 3 подается эталонная смесь, эквивалентная по концентрациям 24-х ионов, наиболее характерных для сусла, молодого пива и готового продукта, а также сахарозы по концентрациям, обеспечивающим получение пива заданной крепости, тогда как батарея сенсоров 1 содержит всего четыре ионометрических датчика на четыре индикаторных иона и датчик на сахарозу (обоснование количества сенсоров приведено ниже).
Микроконтроллер 8 считается подготовленным к циклу исследования при программировании блоков сравнения 7 на допустимые диапазоны регламентных значений показаний измерительных трактов 6 и В, при этом для обеспечения оперативности контроля программируется повтор серии анализов каждый час. При этом на чертеже схемы устройства не показаны типовые составляющие микроконтроллера 8 в виде устройств оперативной визуализации и архивирования параметров процесса.
После заполнения аналитической камеры 2 эталонной жидкостью по команде микроконтроллера 8 пробоотборное устройство 12 забирает из продуктопровода 13 (или технологической емкости) в аналитическую камеру 11 анализируемой жидкости около одного литра анализируемой пробы (сусла, молодого или готового пива); при этом датчики 10 батареи сенсоров регистрируют концентрацию индикаторных ионов и передают информацию по измерительным трактам 9 в соответствующие блоки сравнения 7 микроконтроллера 8 для сопоставления с соответствующими показателями измерительных трактов 6 батареи сенсоров 1 аналитической камеры 2 эталонной жидкости.
При обнаружении в каждом блоке сравнения 7 расхождений сигналов измерительных трактов 6 и 9 на величину, большую, чем погрешность, заданная в программе микроконтроллера 8, включается тревожная сигнализация 18 (для привлечения внимания оператора) и инициируется управляющий сигнал 16 на включение исполнительных механизмов 17 в виде соответствующих дозаторов.
По завершению каждого цикла измерений полости аналитических камер 2 и 11 подвергают промыванию (для повышения точности последующего измерения) путем подачи воды в аналитические камеры по каналам 4 и 14 и открытием кранов сливов 5 и 15 в канализацию; при этом опорожнение камер 2 и 11 обеспечивается расположением кранов сливов 5 и 15 в самой нижней точке дна аналитических камер 2 и 11. Кроме того стабильность условий проведения измерений обеспечивается не только стабилизацией температуры (аналитические камеры 2 и 11 термостатированы) и кислотности среды, но и постоянным перемешиванием содержимого аналитических камер электромагнитными мешалками (на чертеже не показаны). При этом оперативность анализов, обеспечивающих использование результатов в режиме on-line, достигается ежечасным дробным режимом проботбора, позволяющим оценить эффективность предшествующих корректирующих мероприятий. Режим дробного проботбора имеет преимущества перед непрерывным измерением концентраций минералов и сахарозы в технологическом потоке не столько за счет увеличения ресурса эксплуатации датчиков, сколько за счет значительного повышения точности измерений.
Таким образом, мы конструктивно реализовали принцип отвода порции анализируемой жидкости, который соответствует требованиям проведения анализа при измерениях в потоке путем работы в отводе с известной и постоянной скоростью потока [Камман, К. Работа с ионселективными электродами: Пер. с немецкого / К.Камман Изд-во «Мир», 1980. С.240, Раздел 6.2.1.3 «Проведение анализа при измерениях в потоке»].
Существующий научно-технический уровень использования ионоселективных электродов ориентирован на анализ содержания отдельных минералов отдельных сенсором. Исключение составляет аналог заявляемого технического решения [Заявка на изобретение №2008136040 А МПК G01N 27/26 «Способ оценки качества фруктовых соков и зеленого чая с помощью батареи потенциометрических сенсоров / Заявка опубликована 10.03.2010, Бюл. №7] в котором по показаниям одного датчика, настроенного на определение трехвалентного железа, можно прогнозировать концентрацию других элементов. Специфика состава плодово-ягодных соков и пива существенно различаются. В связи с этим пришлось провести исследование возможности прогнозирования концентраций одних минералов состава пива относительно других, используя статистические допуски, разрешенные МУ 2.1.5.720-98 «Обоснование гигиенических нормативов химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурного водопользования. Методические указания [Третьяк Л.Н., Герасимов Е.М. «Методика расчета возможной загрязненности пива по индикаторному веществу состава пива» / Известия вузов, Пищевая технология, №1, 2010, С.98-100].
Для целей эксплуатации заявляемой полезной модели поточного ионометрического экспресс-анализатора для контроля качества сусла, молодого и готового пива комплекс из изученных нами 24 минералов мы разделили на три специфические группы: макроэлементов (Ca, P, Mg, Si, Na, K, Li, Al); микроэлементов (Fe, I, Zn, Se, Cu, Cr, Mn) и потенциальных токсикантов (As, Cd, B, Co, Hg, Ni, Pb, Sn, Sr, V). Каждый из этих минералов является обязательным элементом состава пива и полупродуктов. Согласно международным согласованным нормам нутрициологов, а так же национальным нормам МР 2.3.1.1915-04 «Рациональное питание. Рекомендованные уровни потребления пищевых и биологически активных веществ» каждый из указанных минералов имеет адекватную норму суточного потребления и, следовательно, максимально допустимую концентрацию содержания в пищевом продукте. При этом практически каждый из них имеет специализированный потенциометрический сенсор. В каждой из указанных выше групп мы выделили по одному индикаторному иону: в группе макроэлементов выбран фосфор, в группе микроэлементов выделен цинк, а потенциальных токсикантов - кадмий; четвертым из обязательных элементов контроля является сахароза. Контроль температуры как фактор, влияющий на работоспособность ионометрических сенсоров, не производится, поскольку измерительные камеры 2 и 11 находятся в термостатирующих оболочках. При этом обязательным средством контроля среды измерения является наличие pH-метра в составе батарей потенциометрических датчиков 1 и 10, в связи с тем, что кислотность среды является одним из факторов, определяющим стабильность концентраций ионов. Таким образом, для практического применения заявляемой полезной модели необходимо использование батареи сенсоров 1 и 10 из не менее пяти сенсоров.
Устройство обеспечивает автоматизированное поддержание заданного состава минералов и сахарозы за счет обратной связи, формирующейся путем коррекции дозаторами 17 минеральной составляющей производственной среды в продуктопроводе 13 (или технологической емкости) по управляющему сигналу 16 микроконтроллера 8, обнаружившего в блоках сравнения 7 расхождение фактических концентраций ионов, контролируемых сенсорами батареи 10, от заданных программой. При этом управляющий сигнал 16 будет повторяться до тех пор, пока последующие анализы не покажут восстановление заданного соответствия. Таким образом, заявляемое устройство реализует принцип автоматизированного управления технологическим процессом по отклонению от заданного качества конечного продукта.
Таким образом, каждый из составных элементов заявляемой полезной модели используется по своему прямому назначению, но в новой совокупности, что придает модели новые полезные свойства по контролю качества и безопасности производства пива как пищевого продукта. При этом устройство позволяет контролировать и стабилизировать состав сусла, подаваемого на брожение, а также молодого пива в процессе брожения.