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 стандартизировать 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, если происходит пастеризация молока, нужна автоматика для слива горячей воды в «водяной рубашке» и замещение её холодной водой. В недорогих сыроварнях 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 дорого.  Вся автоматика останется той-же, меняются только емкости.
• Мармит с гастроемкостями. Сам мармит может стоить 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 этой статье я описал как с ней работать.

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. Можно будет на уровне алгоритма прописать все нюансы процесса подогрева, чтобы воспроизводить все с предельной точностью.

Да и логи (журнал) по нагреву останутся после каждой варки сыра. Опять-же помощь в последующих варках, чтобы максимально точно воспроизвести удачный сыр.

Насос горячей воды (hot water pump)

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

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, чтобы использовать в дальнейшем по прямому назначению, 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 молоко во внутреннем котле.

Нагрев молока

Возможно несколько вариантов нагрева:

1.  Горячая вода поступает в «водяную рубашку». Срабатывает датчик уровня в «водяной рубашке», отключая подачу воды. Требуемый объем горячей воды определенной температуры несложно рассчитать, зная объем и температуру молока. Клапан слива воды из «водяной рубашки» закрыт, вода не сливается. Включается тен и догревает воду до заданного уровня, отслеживаемого термодатчиком в молоке. Отключение тена с упреждением, учитывая инерционность процессов теплообмена. Для решения уравнения теплового баланса можно снимать данные с термодатчика в «водяной рубашке». Объем молока либо замеряется датчиком уровня (возможно, подойдет ультразвуковой или инфракрасный/лазерный дальномер), либо задается вручную. Объем воды в «водяной рубашке» постоянный. Реализация алгоритма достаточно несложная.
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, поскольку реализуется тривиально, нужна лишь простая автоматика отключения тэна при достижении определенной температуры. Таки платы стоят на Aliexpress дешево.
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 простой способ отключения — подать звуковой сигнал. Хотя можно поставить и клапан на газ, некоторые газовые плиты (из недорогих — Брест-овские)им уже укомплектованы с управлением от таймера.

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). Можно попробовать использовать нестандартные варианты, вроде лазерного дальномера, если структура молока позволяет лазеру отражаться. В качестве ограничения выступает температура воды. Пластиковые поплавковые датчики рассчитаны на температуру до 60 градусов. Этого недостаточно. Кроме того в пищевке, где есть контакт с молоком, должна применятся нержавейка. 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, они стоят очень дешево.

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, что может привести к затоплению помещения.

Твердотельные реле (solid state relay — SSR)

Для коммутации нагрузки (тены, электромагнитные клапаны, насос) необходимо использовать реле. Можно использовать как обычные механические реле, так и твердотельные (на семисторах). У твердотельных свои проблемы, поскольку у них не нулевое сопротивление, а, соотвественно, они греются. Однако, при нормально подобранном SSR и радиаторе нагрев несущественный.

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