Сыроварня на >12 л своими руками (DIY). Часть 1.

Начиная какое-то дело (бизнес) хочется на начальном этапе минимизировать инвестиции, чтобы быстрее преодолеть «долину смерти», когда работа уже начата, она требует вливания денег, а до момента, когда начнет приносить доход ещё нужно как-то дожить.

В случае с производством сыра можно сразу потратится и приобрести полу- или профессиональное оборудование. Это позволит сэкономить немного нервов на самом процессе.

Зачем вообще нужно профессиональное оборудование для варки сыра, ведь можно варить в кастрюльке? Основная задача — это максимально стандартизовать процесс производства и исключить случайности. Автоматика позволяет экономить своё время и снижать зависимость от людей, исключить человеческий фактор.

Качество молоко постоянно меняется, другой вкус, жирность, запах, pH и т.п., но нужно при варке сыра каждый раз достигать схожего качества готового продукта. Процесс производства должен происходить всегда при одной и той-же температуре. Стабилизация этого параметра позволяет исключить его влияние на конечный продукт. По крайней мере если сыр не удался, очевидно, что проблема в чем-то другом, легче искать проблему и проводить работу над ошибками.

Можно ли сочетать желание сократить инвестиции и все-же получить стандартизованный процесс? В общем-то можно попробовать, поскольку все профессиональное оборудование для варки сыра — это:

  1. Котел с «водяной рубашкой». Она нужна для «мягкого» нагревания и быстрого охлаждения молока.
  2. Термодатчик(и) для определения температуры молока.
  3. Автоматика для отключения ТЭНа, чтобы не перегреть молоко выше температуры 60-65 градусов при котором погибают бактерии.
  4. В случае, елси происходит пастеризация молока, нужна автоматика для слива горячей воды в «водяной рубашке» и замещение её холодной водой. В большинстве сыроварен это ручная операция. Молоко при пастеризации должно находится при температуре 60 градусов не более 30 минут. При превышении времени могут погибнуть помимо мезофильных и термофильные бактерии.
  5. Оборудование должно быть сделано из нержавеющей стали AISI 304 или AISI 201/202.

«Водяная рубашка»

Специализированный котел с «водяной рубашкой» для варки сыра стоит дорого, поскольку это заказное решение, т.е. мелкосерийное производство. Для изготовления сыроварни целесообразно использовать серийные решения, поскольку в этом случае цена будет минимальной. В качестве емкости для варки сыра можно использовать различные нержавеющие сосуды (если нашли удачное решение, пожалуйста поделитесь с коллегами, написав на 2af@mail.ru):

  • Два котла различной емкости один в другой. Например, 25 л и 20 л / 12 л. Между ними заливается вода. Этот вариант хорош тем, что позволяет относительно легко масштабироваться. На рынке есть котлы до 70-100 литров. Сыроварня-же на 70 литров будет стоить довольно дорого.  Вся автоматика останется той-же, меняются только емкости.
  • Мармит с гастроемкостями. Сам мармит может стоит достаточно дорого. Плюс этого варианта, что тен и терморегулятор уже встроен в нержавеющий корпус. Гастроемкости можно менять, регулируя объем производства сыра. Например, гастроемкости GN 1/1 есть до глубины в 250 мм. Это около 30 л. Соотвественно, это предел для мармита с одной гастроемкостью GN 1/1. Далее только использование мармитов на несколько гастроемкостей или нескольких мармитов.
  • Кипятильник из нержавейки (бак электрический/бойлер) с котлом внутри. К сожалению, кипятильники на большие емкости стоят довольно дорого. Небольшие кипятильники производства: Термаль, АВАТ, ДЕБИС (диаметр маленький 250 мм). Но в них чаще всего нет двойных стенок, вода подогревается теном напрямую, т.е. нужно помещать внутрь котел с малым диаметром (редкость).
  • Можно заказать изготовление бака с «водяной рубашкой». Умельцев найти можно, но это уже будет заказное производство с высокой стоимостью изготовления.

Термодатчик (thermocouple)

Обычно термопара из нержавейки размещается во внутренней емкости для измерения непосредственно температуры молока, а не воды в «водяной рубашке». В некоторых сыроварнях датчик термопары монтируется в стенку внутренней емкости, но чаще всего это выносная термопара, помещаемая в емкость с молоком сверху. Расчет стоимости конструкции приведен ниже. Термопара (Thermocuple Temperature Measurement Sensor Probe) используется длиной 200 мм.

В некоторых случаях имеет смысл добавить термопару в «водяную рубашку» или непосредственно на ввод воды в контур «водяной рубашки». Это позволит точнее поддерживать заданную температуру молока, не допуская перегрева.

Насос горячей воды (hot water pump)

Если не хочется портить внешнюю емкость, высверливая отверстие в нержавейке (что само по себе не просто) под слив в самой низкой части емкости, то можно удалять воду с помощью насоса рассчитанного на температуру воды до 100 градусов С.

Если высверливается емкость, то достаточно поставить электромагнитный клапан для слива воды. Клапан стоит около 300-700 руб. Отверстие лучше всего в дне, но тогда потребуется подставка под внешний котел.

Если емкость не портим, то достаточно в зазор между емкостями подвести трубу/шланг, для откачки воды. Насос рассчитанный на прокачивание 3-5 литров горячей воды в минуту стоит около 1 тыс. руб., т.е. не намного дороже соленойдного клапана.

Электромагнитные клапаны (solenoid valve)

При использовании сыроварни в помещении, где есть горячая вода от центрального водоснабжения — имеет смысл немного сэкономить на нагреве, подключив водяную рубашку непосредственно к горячему водоснабжению. Здесь нужно быть осторожным, поскольку температура может быть высокой. Однако, поскольку объем молока гораздо больше объема «водяной рубашки» и оно достаточно холодное, то по уравнению теплового баланса, можно рассчитать объемы подаваемой горячей воды, чтобы не перегреть жидкость в внутеннем котле.

Нагрев молока

Возможно несколько вариантов нагрева:

  1.  Горячая вода поступает в «водяную рубашку», срабатывает датчик уровня в «водяной рубашке», отключая подачу воды. Клапан слива воды из «водяной рубашки» закрыт, вода не вытекает. Включается тен и догревает воду до тех пор, пока температара снимаемая с термодатчика в молоке не окажется выше заданной. Отключение тена с упреждением, учитывая инерционность процессов обмена. Для решения уравнения теплового баланса можно снимать данные с термодатчика в «водяной рубашке». Объем молока примерно изестен. Объем воды в «водяной рубашке» постоянный. Реализация алгоритма достаточно сложная.
  2. Горячая вода поступает в «водяную рубашку». Клапан сброса воды (насос) закрыт. Если температура воды выше температуры молока, вода находится в «водяной рубашке» до тех пор, пока температуры не начнут сравниваться. Срабатывает выпускной клапан (насос) и впусной, удаляя остывшую воду в «водяной рубашке» и подмешивая горячую воду. Этот процесс идет до тех пор, пока молоко не нагреется до температуры горячей воды. Если этой температуры недостаточно для пастеризации, то включается тен. После нагрева до нужной температуры, молоко выдерживается при этой температуре определенное время, затем включается клапан сброса воды (насос) и открывается клапан холодной воды, охлаждая «водяную рубашку».
  3. В «водяную рубашку» поступает только холодная вода. Подвода горячей воды нет. Экономим на одном клапане (на горячую воду), тройнике и термодатчике в «водяной рубашке». Включается тен и нагревает воду до тех пор, пока температура, снимаемая термодатчиком в молоке не преблизится к установленной, после чего тен отключается. Поскольку нагрев производится с температуры ниже температуры молока и идет постепенно, т.е. теплообмен проходит постоянно, температуры близкие, то нет необходимости рассчитывать уравнение теплового баланса. Среды достаточно инерционны, чтобы при отключении тена не перегреть молоко. Самая простая реализация алгоритма. Обычно такой вариант и используется в сыроварнях.
  4. Для дополнительной экономии на нагреве, можно внешний сосуд нагревать на газовой плите. Это один из самых недорогих вариантов нагревания. Можно комбинировать такой нагрев с подачей горяей воды. Огромный минус такого подхода — процесс сложно контролировать, т.к. при превышении температуры молока единственный вариант отключения — подать звуковой сигнал, т.к. реализовать отключение подачи газа затратно.

В алгоритм работы сыроварни относительно несложно заложить данные по ценам на электричество и горячую/холодную воду и сделать выбор режима работы полуавтоматическим в зависимости от экономики.

Датчик уровня жидкости

Поскольку «водяная рубашка» в случае самосбора — не замкнутая емкость, необходимо контролировать уровень воды в емкости «водяной рубашки», чтобы исключить перелив при срабатывании электромагнитного впускного клапана.

В качестве датчика уровня жидкости могут использоваться различные варианты: поплавковый (Ball Float Switch), оптический, электрический (сопротивление солей растворенных в воде), ультразвуковой (дорогой). В качестве ограничения выступает температура воды. Пластиковые поплавковые датчики рассчитаны на температуру до 60 градусов. Этого недостаточно. Соотвественно, нужен поплавковый датчик из нержавеющей стали. Датчики бывают для горизонтальной и вертикальной установки.

Недостаток у поплавкового датчика один — поплавок достаточно большой в диаметре, что накладывает ограничение на зазор «водяной рубашки», поскольку именно туда он монтируется.

Оптический датчик (optical liquid level sensor) также достаточно габаритный в диаметре.

Электрический датчик — самый простой и дешевый. Его проще всего сделать, измеряя сопротивление между электродом в «водяной рубашке» и котлом. Естественно, в этом случае электрод должен крепится к емкости через диэлектрик.

Измерение сопротивления можно производить через аналоговый вход контроллера (Arduino). Есть риск выхода из строя аналогового входа контроллера или самого контроллера. Гальванически развязать конструкцию можно через оптрон, но это усложнит конструкцию.

Контроллер датчика уровня жидкости (liquid level controller)

Если сыроварка надолго остается без присмотра, чтобы обезопасить себя от перелива воды через край внешней емкости, лучше использовать «тупое» устройство для закрытия клапана входной воды. Если используется программное обеспечение на Arduino для управления датчиком перелива — есть риск, что что-то пойдет не так и клапан не закроется.

Твердотельные реле (solid state relay — SSR)

Для коммутации нагрузки (тены, электромагнитные клапаны, насос) необходимо использовать реле. Поскольку большая мощность нагрузки для реле с контактами может приводить к их подгоранию, стоит попробовать твердотелльные реле (на семисторах).

Есть твердотельные реле на один канал, т.е. при подаче постоянного напряжения на цепь управления идет коммутация одного канала нагрузки по переменному или постоянному напряжению. Есть вариант сборного SSR на 5 каналов на DIN рейку.

Нужно внимательно смотреть по нагрузке. Поскольку доверия к китайской электронике немного, лучше по мощности брать SSR с приличным запасом. И внимательно выбирать SSR в зависимости от типа нагрузки: переменное и постоянное напряжение. В случае с теном мощность потребления большая, SSR будет нагреваться. SSR нужно ставить на радиатор.

Тен

Вопрос с теном можно решить по-разному. Можно заказать тен (порядка 1 тыс. руб.) и врезать его в котел, но это опять-же вариант порчи котла и сложности при высверливании отверстий в нержавейке. Вместо тена можно использовать длинный кипятильник (250-300 мм) защищенный по IP 68.

Бюджет

Название деталиЦена, руб.Кол-во, шт.Ст-ть, руб.СсылкаКомментарии
Котел внутренний , 12 л. Диаметр 250 мм, глубина 250 мм217012170Ссылка
Котел внешний 25 л, диаметр 320 мм, высота 320 мм364013640Ссылка
Термопара во внутренний котел, 200 мм3001300СсылкаЕсть два варианта установки термопары:
1. Внутреннний котел сверлится и ставится короткая термопара под резьбу. Это выглядит аккуратнее.
2. Используется внешняя термопара, чтобы не сверлить нержавеющую сталь котла. Цена примерно одинаковая.
Клапан соленойдный G 1/2" на холодную воду2501250СсылкаПри пастеризации в внешний котел по истечении 30 минут нужно добавить
Клапан соленойдный G 1/2" на горячую воду2501250СсылкаЕсли есть горячее водоснабжение, имеет смысл добавлять горячую воду в котел, чтобы сократить расходы на нагрев.
Тройник G 1/2"1501150Тройник для объединения холодной и горячей воды.
Датчик уровня горячей воды2601260СсылкаДатчик уровня воды имеет смысл ставить только если во внешнем котле в верхней части нет отверстия для слива жидкости.

Поплавковый датчик желательно использовать из нержавейки. Он достаточно большой в диаметре, поэтому зазор в простенке между емкостями должн быть большим. Можно использовать оптический датчик или недорогой датчик сопротивления.
Насос для удаления горячей воды из "водяной рубашки"100011000СсылкаМожно обойтись без насоса для горячей. Достаточно врезать в нижнюю часть внешнего котла кран. Сверление нержавеющей стали - непростой процесс. Да и емкость будет испорчена.
Твердотельное реле DC-AC 100А (SSR) для включения тена3001300СсылкаТвердотельное реле управляемое постоянным напряжением для коммутации переменного напряжения 220 В
Радиатор для твердотельного реле1501150СсылкаТен - большая нагрузка, семисторы будут хорошо прогреваться.
5-ти канальное твердотельное реле (SSR)100011000СсылкаМногоканальное реле для монтажа на DIN рейку занимает меньше места. Можно приобрести 3(4) отдельных SSR.
Кипятильник (вместо тена)1501150Если устанавливать тен, то необходимо сверлить нержавейку внешнего котла. Можно использовать погружной кипятильник IP68. Это будет дешевле.
Arduino Mini для управления клапанами и тенами1501150СсылкаМожно использовать как Arduino Mini, так и любой другой вариант.
Wi-Fi или Bluetooth shield для управления настройками2501250СсылкаУправления Arduino можно реализовать как кнопочное, так и более удобное через web интерфейс, например.
Spread the love
Запись опубликована в рубрике Производство сыра, Размышления о бизнесе. Добавьте в закладки постоянную ссылку.