5.1. Химизация и комплексное использование сырья в пищевой промышленности.
Химизация – одно из направлений научно-технического прогресса, характеризующееся внедрением методов химической технологии, химических материалов и изделий из них в материальное производство. Химизация в отраслях пищевой промышленности направлена на увеличение производительности труда, снижение себестоимости продукции и максимальное извлечение из сырья комплекса полезных веществ.
Уровень химизации в пищевой промышленности определяется:
долей химических материалов, полуфабрикатов и изделий, полученных химическим путем, в общих материальных затратах (без топлива) пред-приятия в стоимостном и натуральном выражениях;
долей трудоемкости изготовления продукции с помощью химических (электрохимических) технологических процессов в общей трудоемкости пищевого производства;
количеством наименований химических материалов и полуфабрикатов химического происхождения, применяемых при изготовлении продукции;
стоимостью химического (электрохимического) оборудования, обеспечивающего переработку сырья, в общей балансовой стоимости всех видов обо-рудования;
стоимостью производственных фондов, обеспечивающих химическую (электрохимическую) технологическую переработку сырья, в общей балансовой стоимости производственных фондов предприятия, цеха, участка;
количеством участков (цехов), характеризующихся преобладанием химических (электрохимических) технологических процессов, в общем количестве производственных подразделений предприятия, объеме производимой продукции, численности работников и т. п.
Химические методы позволяют значительно расширить сырьевые ресурсы, использовать отходы и побочные продукты производства для выработки необходимых населению товаров, повысить их качество, увеличить общий объем продукций. Так, применение ионнообменных синтетических смол, активированного угля улучшает очистку сахарных растворов и повышает выход готовой продукции. Экстракция при выработке растительного масла, значительно увеличивающая его выход, невозможна, без применения химических методов очистки. Рафинация и дезодорация растительного масла, омыление жирных кислот в мыловарении, производство саломаса, маргарина, олифы также основаны на химических превращениях.
Продукты химической промышленности - незаменимое сырье для дрож-жевой, спиртовой, мясной и некоторых других отраслей. В кондитерской и хлебопекарной промышленности применяются химические консерванты, лактат натрия, эмульгаторы, разжижители, разрыхлители, фосфатидные концентраты, белки, минеральные, соли; пищевые эссенции, красители. Во многих отраслях (хлебопекарной, спиртовой, пивоваренной, винодельческой, молочной, мясной, консервной, рыбной) в качестве катализаторов приме-няются ферментные препараты. Использование в пищевой промышленности новых пленочных тарно-упаковочных материалов (полиэтилена, целлофана, сарана) удлиняет сроки хранения продукции, улучшает использование холодильного оборудования, уменьшает потери при термической обработке, способствует повышению культуры обслуживания населения.
Химизация дает возможность более полно использовать отходы производства в различных отраслях пищевой промышленности, особенно в тех, которые непосредственно связаны с переработкой сельскохозяйственного сырья. Так, из мелассы (отхода сахарного производства) вырабатывают эти-ловый спирт, глицерин, бетаин, пищевые и кормовые дрожжи, лимонную и молочную пищевые кислоты, глютаминовую кислоту, глютамат натрия, витамин В12, растворители. Хлопковую шелуху, подсолнечную и просяную лузгу, стержни початков кукурузы путем гидролиза перерабатывают на кормовые дрожжи, фурфурол, этиловый, тетрагидрофуриловый, фуриловый спирты, фуриновые соединения, уксусную кислоту, пищевую глюкозу, сухие
корма для животных. Барду спиртового производства используют при выработке хлебопекарных и кормовых дрожжей, глицерина, бетаина, витамина В12, сернокислого аммония, глютамата натрия, биомицина, кормов для скота. Из томатной мякоти получают пищевой краситель КМТ, используемый в производстве маргарина; из выжимок и отстоя, образующихся при изготовлении вина и натуральных соков из винограда, плодов и ягод, — сброженные соки, уксус, энокрасители, этиловый спирт, виннокислую известь, удобрения, виноградное масло, энантовый эфир, энотанин, пектин, винный камень, корм для скота; из косточек абрикосов, слив, персиков — миндальную пасту, эфирное масло, активированный уголь; из оболочек какао-бобов—теобрамин, ароматические вещества; пищевой краситель. В чайном производстве из формо-вочного материала (грубый чайный лист, ветви чайного куста) вырабатывают мульчу, кристаллический чай, витамин Р, кофеин, зеленый кирпичный чай, удобрения.
Качество сырья в пищевой промышленности характеризуется системой показателей, отражающих химический состав, физические свойства, влажность, засоренность, однородность, калорийность и другие характеристики, степень важности которых определяется особенностями готовой продукции. Для исходного сырья основной характеристикой качества выступают содержание полез-ного вещества, необходимого для выработки данного, вида готового продукта (например, содержание сахара в свекле, крахмала в картофеле), а также возможности его извлечения, которые, в свою очередь, зависят от структуры, прочности, однородности сырья.
Степень комплексности переработки сырья определяется как отношение числа наименований извлекаемых и полезно используемых компонентов к их общему количеству в данном веществе. Другим показателем комплексности переработки сырья является доля стоимости извлеченных компонентов в общей стоимости всех полезных компонентов, содержащихся в исходном сырье.
Степень переработки исходных материалов (уровень извлечения полезных компонентов) характеризует прогрессивность применяемых технологи-ческих процессов и выражается в процентах к общему количеству полезных компонентов, содержащихся в исходном веществе.
Степень утилизации отходов производства определяется отношением величины полезно использованных (утилизированных) отходов в натуральном или стоимостном выражении к общему количеству полученных отходов.
6. НТП в области промышленных материалов
Перевод экономики на интенсивный путь развития определяется не только передовой техникой и технологией, но не в последнюю очередь наличием высококачественных промышленных материалов для нужд промышленности и товаров широкого народного спроса.
Анализ прогнозируемых потребностей в конструкционных и специальных материалах показывает, что опережающими темпами в ближайшие годы должно развиваться производство полупроводниковых, особо чистых и специальных материалов, прецизионных сплавов и других материалов с повышенными параметрами, экономичных видов проката, биметаллов, тонкой алюминиевой и медной электролитической фольги, порошков, высокоточных неперетачиваемых пластин из твердых сплавов и минералокерамики. Одновре-менно с этим должен увеличиваться выпуск прогрессивных материалов, заме-няющих черные и цветные металлы.
Создание новых материалов связано с целенаправленным изменением структуры и строения вещества с помощью различных методов воздействия, включая разнообразные реагенты и окислительно-восстановительные среды, магнитные поля, глубокий вакуум, сверхвысокие давления, низкие и высокие температуры, световое, акустическое и радиационное облучение, бомбардировку элементарными частицами.
В области производства конструкционных материалов особое значение имеет увеличение выпуска высококачественных сталей, особенно методами электрошлакового и вакуумного переплава; расширение сортамента проката за счет преимущественного развития листового проката, фасонных профилей высокой точности. Выпуск металлов с антикоррозионным покрытием из пласт-массы, алюминия, цинка и других позволит повысить эффективность использования каждой тонны металла за счет нанесения защитного покрытия на 15%.
Большую роль среди конструкционных материалов играют алюминий, титан и их сплавы. Предполагается, что к концу столетия потребность в алюминии возрастет в 20 раз. Современные сплавы нa основе алюминия характеризуются хорошей прочностью, пластичностью, высокой коррозионной стойкостью, проводимостью, светоотражательной способностью. Существую-щие способы их упрочнения добавками церия, магния, кремния, а также введением дисперсных частиц оксида алюминия, боридов или карбидов придают таким сплавам повышенную жаропрочность, устойчивость при эксплуатации в зоне радиоактивного облучения. Это позволяет использовать их в качестве основного конструкционного материала в авиационной и криогенной технике, ядерной энергетике, нефтяной промышленности. Высокая химическая проч-ность в сочетании со стойкостью к высоким температурам и коррозионным воздействиям превращают титан в важнейший конструкционный материал для судостроения, скоростной авиации, ракетной техники и химического машиностроения. Производство титана и сплавов на его основе непрерывно увеличивается.
Значительные успехи достигнуты в производстве легирующих (особенно никеля, кобальта, вольфрама и молибдена) и редких металлов, а также полупроводниковых материалов на основе германия и кремния. Разработана технология получения некоторых сложных химических соединений, являющихся основой новых полупроводниковых материалов для микроэлектроники, квантовой акустики и оптической электроники.
Определенные успехи достигнуты в решении проблемы повышения прочности металлов. Как известно, невысокие прочностные характеристики материалов объясняются несовершенством кристаллической структуры, поэтому их прочность в 3÷4 раза меньше теоретической. Однако в 1960÷1965 гг. удалось получить сверхпрочные металлические нити, названные нитевидными кристаллами или «усами». Эти идеальные кристаллы на основе меди, железа, оксида кремния или оксида алюминия пока имеют сравнительно небольшие размеры, но достигнутая упорядоченность их кристаллической структуры повышает прочность металла до теоретической.
В настоящее время для увеличения прочности конструкционных материалов используется армирование их нитевидными кристаллами и керами-ческими волокнами.
В будущем окончательное решение проблемы повышения прочности материалов до значений, близких к теоретическим, позволит резко уменьшить материалоемкость многих видов промышленной продукции и снизить ее трудоемкость.
В общем объеме промышленных материалов постоянно возрастает доля пластмасс, химических волокон, синтетических каучуков, резин, клеев, искусственной кожи, лаков, красок, ионообменных смол и других полимеров, характеризующихся высокой экономической эффективностью. В отличие от матери-алов природного происхождения полимерные материалы имеют ценные физико-химические и механические свойства, могут быть получены синтетически, позволяют изготовлять различные изделия доступными и высокопроизво-дительными методами, снижать трудовые и материальные затраты. Так, 1 т капронового волокна в производстве автомобильных шин высвобождает 2,5–3 т, а в производстве канатов 4–6 т натуральных волокон. В производстве бытовых изделий и строительстве каждая тонна пластмассы заменяет в среднем 5–6 т черных и цветных металлов, 2–2,5 т алюминия и резины, 3–3,5 т пиломатериалов и древесины. При этом замена металла пластмассой уменьшает трудоемкость изделий на 700–800 чел.·ч и дает 900–1200 ман. экономии от снижения себестоимости, а также значительно снижает массу конструкций. Неповторимость некоторых свойств полимеров превращает их в незаменимые материалы, способствует прогрессу в создании новой техники для медицины, космоса и т. д. Примером тому могут быть полимеры с полупроводяшими и фотопроводящими свойствами, герметики, искусственные кровеносные сосуды, сердечные клапаны, бесшумно работающие шестерни, лопасти винтов верто-летов и т.д.
7. НТП в области орудий труда. Механизация, автоматизация и роботизация производства
Современный парк оборудования многих отраслей промышленности характеризуется переходом на новый уровень машинной техники. В связи с этими основными направлениями НТП в производстве орудий труда являются: рост единичных мощностей машин и агрегатов; переход от создания и внедрения отдельных машин к разработке и внедрению их систем, целиком охва-тывающих весь технологический процесс, механизацию и автоматизацию производства; возрастающее использование приборов и средств автоматизации, вычислительной техники, автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП).
Увеличение единичных мощностей машин и агрегатов обусловлено тем, что крупные высокопроизводительные и высокоавтоматизированные устройства позволяют значительно сократить удельные капиталовложения, поднять производительность труда и снизить себестоимость продукции. Так, в химической промышленности укрупнение в 3÷4 раза единичных мощностей основного технологического оборудования снижает капиталоемкость на 20÷50%. При этом численность работающих сокращается в 2÷3 раза и во столько же раз уменьшается потребность в производственных площадях.
Решающей силой для ускорения научно-технического прогресса является комплексная механизация и автоматизация производства. Она предусматривает применение машин, агрегатов, установок, приборов, позволяющих осуществлять производственные процессы без физических усилий человека, а лишь под его контролем. По словам К. Маркса, «... вместо того, чтобы быть главным агентом процесса производства, рабочий становится рядом с ним»*. Это качественно новый, длительный и сложный этап в развитии техники, коренным образом меняющий тип связи между человеком и техникой.
Следует различать несколько ступеней автоматизации: частичную, комплексную и полную. Частичная предполагает автоматизацию управления технологическими параметрами на отдельных агрегатах, узлах и в процессах данного производства. Это станки с программным управлением, отдельные автоматические линии с контрольными приборами. Комплексная предполагает автоматизацию управления производством во всех основных и вспомогательных процессах, начиная с поступления сырья и кончая выходом готовой продукции. Примером может быть цех-автомат с системой общего электрон-ного управления, осуществляющего контроль за ходом всех производственных процессов, наладку оборудования, загрузку, разгрузку, транспортировку и т. д. В данном случае рабочий становится наблюдателем и регулятором производ-ственного процесса.
Полная автоматизация — это система, обеспечивающая автоматическое функционирование всех без исключения участков производства — от проектирования до выдачи готовой продукции, включая переход на подготовку
новых видов продукции, самопроектирование по заданной программе. Здесь уже происходит автоматизация управленческого, конструкторского и другого инженерного труда, а не только груда рабочего. В системе полной автоматизации функции человека поручаются машине, благодаря чему высвобождается рабочее время миллионов людей для творчества в сфере науки, культуры и т. д. Однако полная автоматизация производства — дело будущего.
В настоящее время на многих промышленных предприятиях все еще велика доля ручного труда. На фоне высокомеханизированных участков одного и того же производства существуют участки, где преобладает малоквалифицированный ручной труд. До последнего времени механизация и автоматизация охватывали, как правило, основные технологические процессы. Вспомогательные же работы - механизированы недостаточно. В результате этого только в машиностроении и металлообработке более половины рабочих сейчас занято на подсобных и вспомогательных работах.
Сложившаяся диспропорция в механизации основных и вспомогательных работ приводит к дефициту трудовых ресурсов. Для повышения эффективности производства необходимо создание системы машин, способствующих комплексной механизации трудоемких, погрузочно-разгрузочных, вспомогатель-ных, подземных, подъемно-транспортных и складских работ
Наряду с комплексной механизацией производства высокими темпами идет процесс его комплексной автоматизации. Автоматизировать следует весь процесс в целом. Автоматизация на этой стадии заключается в применении автоматических устройств, самонастраивающихся автоматов, различных видов автоматического оборудования, в том числе станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и автоматических линий (AЛ). Например, агрегатный автоматический станок с несколькими головками обрабатывает детали 20÷40 инструментами, одновременно высвобождая 8÷10 станочников, повышая производительность труда в 7 раз.
Комплексная автоматизация производства предполагает автоматизацию всех основных и вспомогательных операций (включая транспортировку). Она осуществляется по заранее заданным программам с помощью различных средств автоматики, объединенных общей системой управления. В машиностроении создание комплексно-автоматизированных участков программированных станков, управление ими с помощью ЭВМ позволят повысить производительность труда станочников в 13 раз (на 1200%), сократить в 7 раз число станков и в 5 раз производственные операции.
Другое направление комплексной автоматизации — использование автоматических линии для производства продукции массового применения.
Автоматическая линия (AЛ) — это система производственных автоматов, расположенных в последовательности технологических операций и связанных автоматическими транспортно-загрузочными устройствами. Согласованность работы станков AЛ обеспечивается единой системой управления. При использовании автоматизированных линий из агрегатных станков производитель-
ность по сравнению с универсальными станками увеличивается более чем в 30 раз. В отдельных случаях эффективность AЛ может быть повышена примене-нием станков с ЧПУ, а также автоматических транспортных и складских сис-тем, управляемых ЭВМ, работающей в режиме разделения времени.
К перспективному направлению комплексной автоматизации простых операций относится внедрение роторных машин и роторных линий. Так, авто-матизация участка, производящего изделия из пластмасс на роторных машинах, снижает трудоемкость в 6÷10 раз, уменьшает производственные площади в 5÷8 раз, дает годовой эффект до 7 млн. ман.
В настоящее время в промышленности получает большое развитие робо-тотехника, при этом для автоматизации многих работ практический интерес представляют манипуляторы и роботы.
Манипулятор — это техническое устройство для воспроизведения двига-тельных функций руки человека. Он снабжен захватом, подобным кисти руки, и сервоприводами, перемещающими эту механическую руку. Такие манипуляторы выполняют функции «взять — повернуть — положить». Отечественные образцы первого поколения 1950-х годов применялись на операциях свободной ковки. Повторяя команды человека и многократно усиливая его руку с помощью различных сервомеханизмов, они удерживали многотонный раска-ленный слиток металла и поворачивали его между бойками кузнечного молота. Однако практика показала, что внедрение отдельных манипуляторов на отдельных процессах не дает нужного эффекта. Это произошло по двум причинам: во-первых, манипулятором была передана только мышечная, а не инфор-мационная функция деятельности человека; во-вторых, при внедрении манипу-ляторов не была обеспечена автоматизация их загрузки и межоперационной передачи деталей. Конечно, такие манипуляторы, но улучшенной конструкции, будут использоваться и впредь. Но вместе с ними уже в ближайшие годы долж-ны получить широкое применение роботы-манипуляторы с программным управлением, обеспечивающие быструю переналадку для выполнения других механических операций. Для этого роботы оснащаются адаптивными устрой-ствами, в какой-то мере эквивалентными органам чувств человека — техни-ческим зрением, тактильными датчиками и другими средствами восприятия рабочей среды. Такие датчики снабжаются соответствующими преобразовате-лями для ввода информации в управляющие устройства.
В перспективе развитие адаптивных систем управления должно привести к появлению роботов нового поколения. Такие роботы будут оснащены развитой системой датчиков и устройств для распознавания окружающей среды. По этим данным с помощью ЭВМ строится упрощенная модель. Сопоставлением этой модели с поставленной задачей мини-ЭВМ будет вырабатывать решение в действиях робота в данной обстановке, планировать их и отдавать соответствующие команды на исполнение своим манипуляторам. Иными словами, подобные роботы будут иметь иерархическую систему управления со многими контурами обратной связи, обеспечивающую им высокую автономность действий.
Роботы с высокой автономией действий позволят исключить присутствие человека при выполнении вредных, опасных и особо опасных работ, связанных с радиацией, загазованностью, высокими и низкими температурами и давлениями. Такие роботы будут применяться в металлургических, литейных и гальванических цехах, на предприятиях атомной промышленности и энергетики, подземной добыче полезных ископаемых и нефтепромыслах, подводных работах.
В настоящее время роботы начинают применять для автоматизации сварки, окраски, транспортировки, сборки и др. По мере совершенствования роботов-автоматов их технологические возможности и экономическая рентабельность повышаются.
8. Применение вычислительной техники и АСУ в технологии
Будущее автоматических манипуляторов и автоматизации связано с электронно-вычислительной техникой. Современная технология ее производства характеризуется использованием интегральных схем, модульных конс-трукций и единой архитектурой.
Современные качества, присущие ЭВМ, делают их очень удобными и эффективными при решении многих задач. Они способны производить разно-образные и сложные расчеты с очень большой скоростью (до 5 млн. операций в секунду). Кроме того, они оперируют с большим количеством данных, которые хранятся в их памяти.
Электронные машины универсальны, так как работают по программному принципу, они автоматически выдают необходимые запрограммированные команды на станки, управляют производственными операциями, контролем качества продукции, начинают применяться при проектировании, в управленческом труде. На основе ЭВМ стала интенсивно развиваться комплексная автоматизация процессов производства и управления. Это направление HTP олицетворяет собой принципиальное изменение положения и роли человека в процессе производства — передачу логических функций человека машине в пределах программы, составленной человеком.
В последние два десятилетия для оптимизации и управления технологическими процессами и более эффективного проведения научно-исследовательских работ успешно применяются методы математического моделирования и планирования эксперимента. Планирование многофакторного экстремального эксперимента позволяет разрабатывать математические модели, связывающие параметры оптимизации с влияющими на них факторами. При решении урав-нений, адекватно описывающих модель процесса, определяют его оптимальные технологические режимы. При современном уровне развития технологии и вычислительной техники математические методы положены в основу системы автоматизированного управления производством.
На ряде передовых предприятий многие рабочие процессы охвачены АСУ — автоматизированной системой управления. АСУ синхронизирует потоки изделий и полуфабрикатов. Основой системы является центральная ЭВМ, с которой состыкованы малые электронные управляющие машины треть-его поколения. На наиболее ответственных операциях действуют автомати-зированные системы управления технологическими процессами (АСУТП).
Автоматизированные системы управления технологическими процессами эффективно применяются на многих крупных предприятиях основных отраслей промышленности.
В настоящее время АСУТП не только внедряются в основные и вспомо-гательные производства, но и объединяются в комплексную систему управления производственно-хозяйственной деятельностью предприятия, образуя АСУ предприятия (АСУП).
При внедрении АСУТП не только значительно возрастает производи-тельность труда, но и существенно улучшается качество продукции в результате оптимизации и стабилизации технологических параметров в процессе производства. Широкое внедрение АСУТП позволяет все более полно удовлетворять повышение требований к техническому уровню выпускаемой про-дукции, что характерно для современного промышленного производства. В условиях повышенного спроса на многие материалы и изделия удовлетворить эти требования полностью можно только с помощью автоматизации, способной обеспечить точное соблюдение технологических режимов в течение длительного времени.
В последние годы началась подготовка к созданию общегосударственной автоматизированной системы сбора и учета информации, планирования и управления народным хозяйством (ОГАС). Разработка ведется неразрывно с развитием производственных автоматизированных систем управления всех уровней и созданием Единой автоматизированной системы связи (EACС). В состав ОГАС войдет Государственная сеть вычислительных центров (ГСВЦ) и общегосударственная система передачи данных (часть EACC).
9. Экологические проблемы НТП
Научно-техническая революция порождает невиданные ранее возможности для покорения и эксплуатации сил природы, а вместе с тем и для ее загрязнения и разрушения. Она интенсифицирует и ускоряет размах индустриальной деятельности человека, придает ей глобальный характер, многие с граны в различных частях планеты стали на путь интенсивного промышленного развития. По некоторым данным общий объем продукции в развитых странах удваивается каждые 15 лет, соответственно увеличивается количество отходов деятельности человека, засоряющих природную среду.
Процесс получения и отдачи веществ и энергии должен быть сбалансированным, иначе нарушается экологическое равновесие в природе. Важной проблемой, порождаемой научно-техническим прогрессом, становится созда-ние экологически безвредных производств. Для этого необходимо от созерцательно-констатирующей экологической позиции переходить к общей стратегии взаимно координированных и взаимно уравновешенных отношений техники и природы. Задача состоит в том, чтобы по возможности сокращать использование природных ресурсов, а там, где это практически нереально, развитие производства обеспечивать с наибольшей экономической и экологической эффективностью. Отсюда вытекает необходимость рассмотрения современного производства и живой природы как единой эколого-экономической системы.
Основная причина отрицательного воздействия производства на окружающую среду состоит не столько в росте масштабов производства, сколько в несовершенстве его технологии. Два принципиально различных пути борьбы с загрязнением среды состоят в очистке вредных выбросов и в более радикальном и экономичном пути создания безотходных или малоотходных техно-логических процессов. Однако к выбору пути следует подходить только после тщательного эколого-экономического анализа, так как возникает проблема поиска допустимого уровня загрязнений и экономического оптимума затрат на предотвращение загрязнений с учетом экономии от снижения ущерба от загряз-нений и с учетом повышения затрат на создание новой безотходной техно-логии.
Науке предстоит создать систему эколого-экономических моделей для оптимального управления процессами природопользования. Это даст возмож-ность совместной оптимизации экономической и экологической систем, т. е. обеспечит рост общественного производства и повысит его эффективность при жестких экологических ограничениях.
Контрольные вопросы.
1. Дайте понятие и направления НТП, их взаимосвязь, состояние.
2. Какими показателями характеризуется НТП?
3. Области применения НТП в отраслях пищевой промышленности.
4. Какие проблемы Вы знаете в оценке состояния НТП, пути их решения?
5. Какова роль химизации в развитии НТП?
6. Какая связь НТР с технологией?
7. В чём заключается сущность, значение и основные направления НТП?