CZ31587U1 - Zařízení pro stanovení barvy sladu - Google Patents

Description

Oblast techniky

Předkládané technické řešení spadá do oblasti výroby sladu a týká se zařízení pro rychlé at-line objektivní určení barvy vyráběných sladů se zvláštním zřetelem na speciální slady.

Dosavadní stav techniky

Sladovaná zrna obilovin jsou základní surovinou při výrobě řady potravin, zejména pak nápojů. Pro pivo je dominantní ječný slad. Výchozí surovina a postup sladování určuje typ sladu a složení sladu spolu s technologií výroby piva pak určuje jeho finální kvalitu. Pro běžná světlá piva se používá zejména světlý slad, pro tmavá pak slad bavorský případně speciální.

Mezi speciální slady patří karamelový a barvicí slad. Tyto slady se vyrábí metodou pražení při různých teplotách (120 až 220 °C) po dobu 2 až 3 hod dle typu sladu. Jednotlivé typy sladu se od sebe liší obsahem barevných a aromatických látek, které vznikají při hvozdění a pražení sladu. Vlivem vysoké pražící teploty mají speciální barevné slady výrazně změněné íyzikálně-chemické, fyziologické a dietetické vlastnosti oproti světlému sladu.

Pro charakterizaci a diferenciaci tmavých speciálních sladů je nej důležitější analytickou vlastností barva sladu. I když se používá pojmu barva sladu, nejedná se ve skutečnosti o barvu samotného sladu, ale protože nej důležitější z technologického hlediska je barva finálního výrobku (např. piva), jde o barvu sladiny připravené ze sladu standardním tzv. kongresním postupem. Tím je v laboratoři provedený infuzní rmutovací postup s jemně rozemletým sladem. Výsledná barva kongresní sladiny se pak uzančně označuje jako barva sladu. Pro měření barvy sladu (kongresní sladiny) se používají subjektivní či objektivní metody. Stále akceptovanou subjektivní metodou je porovnávání zkoumaného vzorku s barevným standardem - sadou barevných skel (stupnice EBC). Barva kongresní sladiny se vizuálně porovnává v komparátoru se sadou barevných sklíček za standardních podmínek osvětlení.

Spektrofotometrická standartní referenční metoda podle EBC resp. ASBC, je založena na měření absorbance vzorku sladiny při jedné (430 nm) vlnové délce. Hodnota barvy se udává v EBC resp. °SRM jednotkách, které jsou absorbancemi pro dráhu 25 cm resp. 5 palců. Případně se barva popisuje souřadnicemi v některém z barevných prostorů (např. CIELAB či CIE XYZ). Pro jejich určení je třeba proměřit transmitanci vzorku v intervalu 380 až 780 nm a příslušné souřadnice vypočítat na základě definičních vztahů koordinát v těchto prostorech.

Barva sladu závisí na vlastnostech výchozí suroviny a technologii výroby. Čas a průběh teploty pražení jsou hlavními procesními parametry výroby. Doposud jejich nastavení vychází z empirických poznatků a kontrola procesu závisí na zkušenosti obsluhy pražíce.

Výroba sladu probíhá dávkovým způsobem. I když jsou procesní parametry nastaveny na konstantní hodnoty, mohou se barvy sladu z jednotlivých výrobních dávek lišit. Po dokončení pražení se vyrobený slad ukládá do skladovacích sil, kde je důležité zachovávat homogenitu obsahu. Výsledné dodávky zákazníkům totiž mohou vznikat i mícháním jednotlivých vyrobených šarží tak, aby se dosáhlo požadovaných parametrů, mezi nimiž hraje barva dominantní roli.

Při výrobě sladu je tedy žádoucí mít k dispozici přímo u pražiče sladu jednoduché, dostatečně přesné zařízení, které by poskytovalo informaci o změnách barvy sladu v průběhu jeho přípravy, resp. po ukončení pražení tak, aby bylo možné vhodně modifikovat procesní parametry, resp. danou vyrobenou šarži vhodně uskladnit či míchat za účelem získání sladu s daným výrobním rozsahem tolerance barvy.

Uzanční měření barvy sladu je založené na přípravě sladiny kongresním způsobem, který trvá kolem dvou hodin a vyžaduje speciální zařízení a laboratoř, takže je nutné odebrat ve výrobě vzorky sladu, poslat je do laboratoře a čekat na výsledky. Tento způsob měření barvy je výrobně neakceptovatelný, protože s ohledem na časovou náročnost nedovoluje operativní řízení hlavních procesních parametrů. Proto byly vyvinuty i zjednodušené metody pro přípravu sladiny či výluhu s barvou korespondující barvě kongresní sladiny, které jsou podstatně kratší (vzorek výluhu ze

-1 CZ 31587 Ul sladu lze získat v časovém intervalu několika minut) a jsou realizovatelné v provozních podmínkách.

Širší at-line aplikaci kontroly barevných změn sladu při jejich výrobě ale v současné době brání absence vhodného zařízení pro měření barvy takto připravených vzorků výluhů, které by bylo dostatečně přesné, jednoduché a robustní pro provozní podmínky.

Subjektivní metoda určování barvy pomocí komparátoru je poměrně rychlá, nenáročná na přístrojové vybavení, ale reprodukovatelnost výsledků je nízká zejména díky subjektivnímu barevnému vnímání posuzovatelů, možnosti automatizace jsou omezené a metoda vyžaduje kvalifikovanou obsluhu.

Reprodukovatelnost výsledků při objektivním určování barvy, při níž se používají UV-VIS spektrofotometry či kolorimetry, je vysoká, ale uvedené přístroje jsou drahé a pro jejich provozování je navíc nezbytné zajistit relativně velmi čisté prostředí. Přístroje také vyžadují kvalifikovanou obsluhu a nejsou proto vhodné pro použití přímo v provozních podmínkách.

Jednoúčelové kapesní fotometry poskytující údaje o útlumu světla ve vzorku pracují obvykle pouze na jedné vlnové délce světla a mohou tak poskytnout informaci pouze o koncentraci přítomných chromoforů, ale nemohou rozlišit změny v barevném odstínu mezi jednotlivými druhy a typy sladu.

Podstata technického řešeni

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny předkládaným technickým řešením zařízení pro stanovení barvy speciálních sladů, jehož podstatou je, že barva kapalného vzorku sladiny či výluhu se zjišťuje na základě měření útlumu paprsku světla v kapalném sladovém výluhu minimálně ve 3 úzkých spektrálních pásmech. Zařízení je vybavené třemi nezávislými spektrálně úzkopásmovými zdroji světla pro minimálně 3 nezávislá pásma vlnových délek, která jsou generována buď nezávislými úzkopásmovými LED či jednou vícebarevnou LED. Zařízení dále obsahuje minimálně dva detektory světla - fotodetektor FDT pro měření intenzity světla prošlého vzorkem (signál Transmise - značen T) a fotodetektor FFDR pro monitorování změn intenzity světelných zdrojů (signál Reference - značen R).

Monitorování intenzity světelných zdrojů fotodetektorem FDR se provádí na optickém paprsku před jeho interakcí se sledovaným vzorkem výluhu či sladiny. Sondující optický paprsek prochází vzorkem umístěným ve speciální skleněné kyvetě nebo vstupuje do ponorné optické sondy pro transmisní či transflexní měření, která je do vzorku ponořena. Intenzita optického svazku po průchodu měřeným vzorkem je detekována fotodetektorem FDT umístěným v ose sondujícího paprsku za měřicí kyvetou nebo napojeným přes optický konektor k výstupnímu svazku transmisní či transflexní ponorné sondy. Výstupní elektrické signály z optických detektorů jsou vedeny do elektronického bloku zpracování signálů, aby byly dále přes příslušný A/D převodník zpracovány v řídícím mikropočítači.

Řídící mikropočítač dále zajišťuje rozsvícení a zhasnutí jednotlivých LED, nastavení intenzity světelného toku LED, probíhají v něm příslušné výpočty a zajišťuje zobrazení výsledků na displeji, případně přenos dat po standardním rozhraní do nadřazeného řídícího provozního systému a/nebo na záznamové médium.

Použité LED jsou vybrány tak, že centrální vlnová délka jedné z nich (ozn. LED_B) odpovídá uzanční vlnové délce pro měření parametru barva dle metodik EBC a ASBC tj. 430 nm a centrální vlnové délky pro další 2 LED (ozn. LED_G, resp. LED_R) jsou v zelené, resp. červené oblasti spektra. Postupným rozsvícením těchto LED se z výstupních signálů fotodetektoru FDT určí hodnoty jednotlivých světelných intenzit po průchodu paprsku kyvetou naplněnou čistou vodou a následně měřeným vzorkem sladiny či sladového výluhu.

Současně se zaznamenají pro jednotlivé LED signály z fotodetektoru FDR, které jsou použity pro korekci změn světelného toku vyzařovaného z LED, k nimž může docházet. V řídícím mikropočítači jsou vypočteny hodnoty transmitancí T(B), T(G) a T(R), resp. absorbancí A(B), A(G) a A(R) pro jednotlivé LED (B, G, R). Z hodnoty A(G) je pak vypočtena hodnota koeficientu BS,

-2CZ 31587 Ul který odpovídá uzančnímu parametru barvy sladiny dle metodiky EBC jako: BS = A(B)/1*25, kde 1 je šířka použité kyvety v cm. Tento uzanční parametr charakterizuje intenzitu barvy, odpovídá koncentraci přítomných chromoforů, ale neurčuje barevný odstín sladu.

Sladina i sladinový výluh vykazují obdobné zabarvení jako karamelové roztoky. Jejich absorpční spektra jsou s rostoucí vlnovou délkou monotónně klesající křivky bez absorpčních maxim. Vlastností těchto spekter je, že v logaritmické škále absorbance (Log absorpční spektra) jsou tato spektra v rozhodující viditelné části spektra lineární. Barvu lze potom vyjádřit pouhými dvěma parametry, intenzitou a zabarvením. Zabarvení je možné určit ze směrnice přímky log absorpčního spektra. Z naměřených hodnot A(G) a A(R) je proto v řídícím mikropočítači vypočítán index zabarvení Hl, který charakterizuje barevný odstín sladiny či sladového výluhu. Index Hl je obdobou tzv. Linnerova indexu zabarvení HL pro karamelové roztoky.

Hl = 10 x Log (A(G)/A(R))

Na displeji jsou současně zobrazeny hodnoty BS a Hl, které plně charakterizují intenzitu i barevný odstín sladu. Hodnoty BS, Hl a výchozí A(B), A(G) a A(R) mohou být standardním komunikačním rozhraním z řídícího mikroprocesoru předány do nadřazeného systému (průmyslové PC, PLC...) pro potřeby procesního řízení pražení sladů a jejich následného míchání na požadovanou barevnou intenzitu a odstín.

Objasnění výkresů

Řešení podle předloženého užitného vzoru bude podrobněji popsáno na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů, na nichž je schematické znázornění nárysu a bokorysu hlavních částí zařízení pro stanovení barvy sladů.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1

Zařízení pro stanovení barvy sladiny, mladiny a sladů je provedeno tak, že sestává z řídícího a vyhodnocovacího mikropočítače i propojeného s displejem 4 a dále přes elektronický blok 2 s alespoň třemi světelnými zdroji 21, 22, 23 a přes přijímací elektronický blok 3 s alespoň dvěma fotodetektory 31, 32. Světelné zdroje 21, 22, 23 jsou tvořeny jednou výkonnou LED diodou se třemi nezávislými čipy, z nichž jeden je s centrální vlnovou délkou 430 nm a dva zbývající leží v zelené a červené oblasti viditelného spektra. LED dioda je integrována v optický vysílač 20, který obsahuje i fotodiodu 31 pro monitorování změn intenzity záření z jednotlivých čipů. Optický paprsek 200 z optického vysílače 20 prochází optickou kyvetou 5 s kapalným vzorkem sladiny či sladového výluhu. Změna intenzity paprsku způsobená absorpcí a rozptylem po průchodu vzorkem je snímána fotoprijímačem 32. Signály z fotopřijímačů 31 a 32 jsou vedeny přes blok detekční elektroniky 3 do vyhodnocovacího mikropočítače i. Mikropočítač 1 postupně rozsvěcuje jednotlivé světelné zdroje na RGB LED a zaznamenává signály z fotopřijímačů 31 a 32, a to nejprve pro kyvetu naplněnou čistou vodou a následně pro kyvetu naplněnou vzorkem. Po provedení korekcí na změny intenzit světelných zdrojů vypočítává hodnoty transmitancí T(B), T(G) a T(R) resp. absorbancí A(B), A(G) a A(R) pro jednotlivé LED diody (B, G, R). Dále se pro absorbanci A(B) - tj. pro vlnovou délku 430 nm vypočítává hodnota koeficientu BS, který odpovídá uzančnímu parametru barvy sladiny dle metodiky EBC jako: BS = A(B)/1 *25, kde 1 je šířka kyvety v cm. Rovněž se z naměřených hodnot A(G) a A(R) vypočítává index zabarvení Hl jako

Hl = 10 x Log (A(G)/A(R)).

Hodnoty BS a Hl, které plně charakterizují intenzitu i barevný odstín sladu, se zobrazují na displeji 4. Hodnoty BS, Hl a výchozí A(B), A(G) a A(R) mohou být standardním komunikačním rozhraním z řídícího mikroprocesoru předány do nadřazeného systému (průmyslové PC, PLC...) pro potřeby procesního řízení pražení sladu a jejich následného míchání na požadovanou barevnou intenzitu a odstín.

-3CZ 31587 Ul

Příklad 2

Základní uspořádání a funkce zařízení pro stanovení barvy sladiny, mladiny a sladů je stejná jako v příkladu provedení 1 s tím, že úzkopásmové vysílače světelného záření jsou nyní realizovány minimálně třemi jednotlivými nezávislými LED diodami, k nimž jsou připojena světlovodná vlákna 241, která jsou integrována do společného konce upevněného v optickém konektoru 24 (např, typ SMA-95). Další nezávislé optické vlákno 202 vyvedené ze společného konce světlovodů v optickém konektoru je zavedeno přímo do fotopřijímaěe 31 tak, že výstupní signál z tohoto detektoru je vyvolán světelným tokem vláknem 202 při rozsvícení odpovídající LED diody a lze ho použít k monitorování změn světelného toku jednotlivých LED v čase. Na výstupu optického konektoru 24 je připojeno vstupní optické vlákno 200 ponorné vláknové optické transmisní či transflexní sondy, která se postupně ponořuje do nádoby 5 s čistou vodou, resp. se sladinou či sladovým výluhem. Výstupní optické vlákno 201 vede optické záření po interakci s kapalinou do fotopřijímaěe 32. Výstupní signály z fotopřijímačů jsou zpracovány v elektronickém bloku 3 a v řídícím mikropočítači jsou zpracovány stejně jako v Příkladu 1.

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle užitného vzoru umožňuje rychlé a přesné stanovení barvy sladu dle konvencí ASBC i EBC vjedné vlnové délce (430 nm) a současně charakterizovat barevný odstín pomocí indexu zabarvení HI. Naměřené transmitance T(B(, T(G) a T(R) resp. absorbance A(B), A(G) a A(R) v modré, zelené a červené oblasti spektra poskytují údaje pro míchání hotových sladů do směsí s požadovanou barvou a dovolují např. s využitím RGB barevných generátorů modelování vizuálního vjemu požadovaného výsledku míchání.

Zařízení nemá žádné pohyblivé optické části a je proto odolné vůči vibracím. Prachotěsná konstrukce optických prvků zvyšuje jeho odolnost vůči nekontrolovanému zanášení optických prvků, použití barevných LED jako světelných zdrojů zajišťuje dlouhodobou stabilitu světelného výkonu. Zařízení nevyžaduje speciálně kvalifikovanou obsluhu, je proto využitelné přímo v provozních podmínkách pro rychlé a přesné měření změn barvy speciálních sladů v průběhu jejich přípravy a následnou optimalizaci hlavních procesních parametrů - doby a teploty pražení tak, aby bylo vždy dosaženo požadované barvy sladu.

Dále dovoluje přesně charakterizovat barvu (barvicí schopnost) již vyrobeného sladu pro účely jeho uskladnění, míchání v zásobních silech.

Zvláštní předností zařízení dle užitného vzoruje to, že umožňuje jednak stanovení hodnoty barvy sladu korespondující s normativními hodnotami barvy sladu určované na jedné vlnové délce (430 nm) dle konvencí EBC i ASBC a současně hodnotu relativní normované barevné odchylky sladu od standardní požadované barvy v trichromatickém prostoru.

Zařízení lze použít i k určování barvy sladiny či mladiny v pivovarských laboratořích ěi přímo v provozních podmínkách ve varně.

Claims (3)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro stanovení barvy sladiny, mladiny a sladů, vyznačující se tím, že se sestává z fotometrické jednotky složené z řídícího a vyhodnocovacího mikropočítače (1), displeje (4), elektronické budicí jednotky (2), elektronické jednotky zpracování signálů fotodetektorů (3), alespoň třech úzkopásmových světelných zdrojů tvořených svítícími LED diodami (21, 22, 23) a dvěma fotopřijímači (31, 32) pro monitorování změn světelného výkonu optických zdrojů a změn intenzity světelného paprsku po jeho průchodu optickou kyvetou (5) se vzorkem sladiny, mladiny či sladinového výluhu.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že výstupní světelné svazky z LED diod jsou soustředěny do jednoho svazku, který prochází buď měřicí kyvetou (5) nebo

   -4CZ 31587 Ul vstupuje do optického konektoru (24), ke kterému se připojuje transmisní či transflexní ponorná vláknová sonda (6).
3. 3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že LED diody jsou vybrány tak, že centrální vlnová délka jedné z nich je 430 nm a dvě další jsou v zelené, resp. červené oblasti

   5 spektra.