列管式超高温瞬时灭菌机的特点和电气控制
摘要： 本文介绍了超高温瞬时灭菌和商业无菌的含义，论述了列管式超高温瞬时灭菌的工艺过程、原理、结构特点，从而论证了这是一门提高热交换效率，降低能耗的先进技术。关键词：超高温瞬时灭菌；管式换热器；板式换热器Feature and Electrical Control of Tubular UHT(Ultra-high Temperature) SterilizingZHANG you-liang1 ZHAO gang2 FU jian-sheng2 (1.Xi’an Huasun Packaging Technology Research Insitute,Xi’an 710086, China 2. Xi’an Huawei Technical Development of light Industrial Machinenry Co.,LTD) Abstract: The article narrates the implication of UHT sterility and commercial one,and discusses its process,theory,structure,thus it testified it is a advanced technology,which both improve effiency of heat-exchange and reduce energy. Key words: UHT sterility Tubular- exchange Plate- exchange 随着国内人民生活水平的提高，“学生饮用奶计划”等项目的推广，饮用液态乳制品有了较高的认识。我国的国情是，牛奶主要是养牛户和小型企业分散饲养，多分布于北方的小城镇附近。这些本来就不充分的奶源，没有完整的冷链系统，牛奶无法运往中心城市，在某种程度上增加了乳品企业的生产成本。为了解决鲜牛奶的运输，就必须进行牛奶的无菌处理和包装，将包装的产品销往本地区中心城市，让人们真正的喝上鲜牛奶而不是还原液态奶，促进养牛业的兴旺发达，改善人们的饮食习惯，提高人口素质。随着市场化的需求，国内产生了无数家大型和超大型乳品企业，这些大型企业引进国外超高温灭菌机和无菌包装设备，投入了大量的资金购置设备，产生了不斐的经济效益，缓解了乳品的消费需求。高昂的价格使中小型乳品企业无法引进国外设备，迫切需求适合于国情的牛乳超高温瞬时灭菌设备。1.超高温瞬时灭菌的含义牛乳经过135 ~150 C，2~8秒的杀菌过程的这种工艺设备称之为超高温瞬时杀菌。经过超高温杀菌的牛乳，仍然可能含有可存活的孢子甚至微生物，但是它们不会在发生微生物转变，使产品发生微生物个体的繁衍而，称之为商业无菌。一般情况下，产品达到商业无菌就证明产品为合格的产品。经过无菌包装后，可保持30~60天，使产品保持原有风味的品质。在牛乳的高温处理过程中，最普通的化学变化之一是由蛋白质和还原糖相互作用产生一种黑色素的褐变作用。尽管牛乳褐变的速度随温度的上升而加快，并不与超高温范围温度内杀菌效率上升速度正比。一般而言，温度上升10 C，褐变速率不到3倍。在135 C以上温度，杀菌效应比褐变效应的增长要快的多。在140 C，杀菌效应的褐变效应速率增长大2000倍，在150 C更增长到大5000多倍，因此牛乳在135 C或者更高温度进行处理可以成为颜色变化很小的无菌产品。这种方法杀菌实际上并不比高温短时巴氏杀菌的牛乳黑。在实践中，人们总结出，牛乳在135 C~150 C超高温范围和几秒钟情况下进行处理，就有可能获得事实上没有存活的细菌或很少有抵抗能力的孢子，以及比传统灌装杀菌更少不良色泽的牛乳制品。大多数乳品企业的超高温灭菌采用的杀菌温度135 C保持时间8秒，灭菌后，最终孢子数0.0004/毫升，已经达到了商业无菌的理想状态。2.原料奶的预处理在牛奶中，菌类繁殖比较快，为了保证奶原料的质量，为进一步生产提供优质的原料，收购采集的奶必须进行预处理，是乳品厂生产过程中不可少的工段，直接影响产品的品质。预处理过程包括脱气、净乳、初始杀菌（63-65℃/15秒）、冷却（4℃）、冷藏（4℃），如图1所示。脱气可以提高牛奶标准化精度，减少巴氏杀菌机结垢，并保护均质头。净乳主要除去白细胞、乳腺组织、灰尘等。初始杀菌有利于杀死原奶中的嗜冷菌，延长贮存时间。 图1 原料奶处理工艺流程图3. 列管式超高温瞬时灭菌3.1超高温灭菌的工艺过程超高温灭菌的工艺过程是将原料奶放入平衡罐，通过浮球阀控制液位，利用奶泵送入灭菌系统，图2所示。将奶加热至83℃，送入 图2 超高温灭菌的工艺原理均质机，从均质机到加热保持系统，牛奶在137℃保持4-8秒，达到超高温瞬时灭菌，通过三次热交换，将奶温度降到20-30℃可包装温度，包装剩余的回流奶，降到4℃，回流到平衡罐或贮存。在整个灭菌过程中，利用了5个管式热交换器，1个板式热交换器，如何节约能耗是超高温瞬时灭菌机研究的关键。 3.2列管式超高温瞬时灭菌机控制系统组成 列管式超高温瞬时灭菌机控制系统由核心控制单元PLC、人机界面、无纸记录仪、变频器、温度检测元件Pt100、接近开关、电磁阀、电控气动阀及控制元件组成。 PLC要求有8路温度检测单元，对所有热交换处进行温度检测显示，4路模拟量输出单元，用于变频器频率设置，温度控制输出等，变频器主要对产量、均质机压力的调整。无纸记录仪要求能记录1周的实时杀菌温度和时间，并能上传到上位机，以备查询和产品质量跟踪。 灭菌温度的控制是列管式超高温瞬时灭菌机控制系统的核心，由PLC、人机界面、电气转换器、气动薄膜阀、热电阻Pt100、无纸记录仪等组成。通过人机界面设定温度、PID调节参数，显示测试 图3 灭菌温度控制原理方框图温度。热电阻Pt100检测温度，输入PLC的IN A口，PLC进行PID运算，将4-20mA的电流输出到OUT A口，通过电气转换器控制气动薄膜阀的开度，进行蒸汽量的控制，达到温度控制的目的，如图3所示。3.3列管式超高温瞬时灭菌机主要组成和作用列管式超高温灭菌机从功能上分，主要由供给系统、灭菌（升温）系统，降温系统。3.3.1供给系统供给系统主要由原料供给泵、平衡罐、输送（牛奶）泵、清洗液供给泵，如图4所示。供给系统是生产、CIP清洗、清水清洗、蒸汽杀菌过程中不可缺少的重要组成部分。在生产中，平衡罐主要是储存原料奶，通过浮球阀控制原料的液位，保证在生产过程中原料的充足。CIP清洗中平衡罐主要是作为清洗液储存罐，M13、M12分别是酸碱泵，酸碱对是有害的试剂，不可食用，为了避免人为因素 图4 原料供给系统工艺原理图的失误，图中QS1、QS2分别检测酸碱供给管道的位置，在正常生产过程中，酸碱供给管道不能在平衡罐的上方，否则将不能生产而报警。输送泵M2是将平衡罐中的液体输送到热交换系统。3.3.2灭菌（升温）系统 为了节约能源，实际灭菌（升温）系统，降温系统是相互交叉、相互利用，不可分割，为了突出叙述灭菌（升温），降温过程，这里分别进行论述。 灭菌（升温）系统主要是由板式热交换器、管式热交换器和保持管组成升温灭菌系统，图5所示。 图5 升温灭菌系统工艺原理图 灭菌加热主要是6bar的蒸汽通过板式换热器HE1，将循环水加热到140℃，通过管式换热器3，将从均质机出来的奶加热到137℃，经过保温管保持4-8秒，达到灭菌的目的。板式换热器HE1的控制是通过检测管式换热器3出口奶的温度，利用TC44（包括Pt100、PLC、人机界面、电气转换器等）控制气动薄膜阀V44的流量，达到要求的灭菌温度。为了使用者对加热情况的了解，加热过程设置了3处温度检测点，TE9检测管式换热器3循环热水的入口温度，如果该处温度过高，说明管式换热器3换热效率过低，就要对设备进行清洗。TE44是监测杀菌温度，TE45、TE42同时检测保温管的温度，说明保温温度的重要性。管式热交换器4对灭菌奶第一次降温，温度从137℃降到85℃，利用该热量，将循环水温度从85℃升到110℃，充分利用了热源。3.3.3降温系统降温系统是把高温瞬时灭菌奶从137℃高温，快速分次降到25℃的包装温度，将包装余料的回流奶降到4℃，贮存或回流到平衡罐。降温系统主要由4个管式换热器组成，如图6所示。管式换热器1主要是将杀菌后的奶降到20-25℃的可包装的温度，用V26调节冷却水的流量，达到合适的温度。管式换热器2是利用杀菌奶第1次降温后的余热，将原料奶加热到85℃，输送到均质机。完成了杀菌奶第2次降温和原料奶的第1次升温。后续包装机包装产量同超高温瞬时杀菌机的产量基本匹配，一般情况下产量低于杀菌机，这样才能保证产品的供给和产品品质。管式换热器4是对回流奶降温到4℃储存或流入平衡罐。 图6 灭菌后降温工艺原理图4.列管式超高温瞬时灭菌CIP清洗 CIP清洗是列管式超高温瞬时灭菌生产过程中的重要环节，清洗的目的是清除热交换管壁面上的积垢物改善热交换效果。在6-8个小时必须进行一次清洗，如果发现生产能力显著下降，或热循环水和杀菌温相差较大，应进行清洗。一般情况下，出现不合格产品的70%原因在于清洗没有做好。 CIP清洗工艺为水洗→碱洗→水洗→酸洗→水洗。 水洗，当生产结束时，用水清洗，排除残余物料，直到设备中流出的水变清时结束； 碱洗，在平衡罐中配制成2%体积浓度的NaOH碱性洗涤剂，加热到80℃，循环30分钟。碱液能溶解蛋白质乳脂肪，并使积垢发泡松散; 水洗，排除碱液后用水冲洗15分钟; 酸洗，在平衡罐中配制成2%体积浓度的HNO3酸性洗涤剂，加热到80℃，循环30分钟; 水洗，排除酸液后用水冲洗15分钟，防止下次生产时酸对物料的污染。冲洗完毕后，应将清水充满设备中，直到下次操作。 在生产前，用蒸汽杀菌45分钟，确保设备内部无菌。 5.结束语 本文主要从杀菌工艺和控制原理进行了比较详细的论述，为了保护设计者的技术权益，对于诸多测温点具体位置和详细控制过程、生产工艺流程控制、CIP工艺控制过程没有论述，但不影响对列管式超高温瞬时杀菌机设计的先进性的论述，体现它的节能性和温度控制的准确性。
