一種節(jié)能高質(zhì)飲料殺菌控制系統(tǒng)

孫雅慧　陳兆國

【摘 要】飲料是人們生活中不可或缺的一類美味的飲品。它可以彌補(bǔ)了膳食中營(yíng)養(yǎng)成分的不足，還可以助消化、潤(rùn)腸道。關(guān)于飲料殺菌，一是要求殺死飲料中所污染的致病菌、腐敗菌，破壞飲料中的酶而使其在特定的環(huán)境下有一定的保存期；二是要求在殺菌過程中盡可能地保護(hù)飲料中營(yíng)養(yǎng)成分和風(fēng)味。現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行殺菌時(shí)，殺菌效果不好、破壞成分大、而且耗能高。本文提出一種節(jié)能高質(zhì)飲料殺菌控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)通過溫度傳感器、分層溫度采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、控制配方的確立、殺菌評(píng)價(jià)算法與飲料品質(zhì)評(píng)估體系和操作平臺(tái)各個(gè)環(huán)節(jié)相互配合來實(shí)現(xiàn)節(jié)能的控制系統(tǒng)，使之在降低殺菌系統(tǒng)能耗的同時(shí)，還可以達(dá)到殺菌效果最優(yōu)、口感與風(fēng)味穩(wěn)定性最佳、有效成分破壞最小的效果，有較好的前景、適宜推廣。

【關(guān)鍵詞】節(jié)能；溫度傳感器；控制系統(tǒng)；殺菌評(píng)價(jià)算法

0 引言

飲料[1]一般含有各種碳水化合物、蛋白質(zhì)、維生素等營(yíng)養(yǎng)，特別適合多種微生物生長(zhǎng)繁殖，為保證飲料的口感與風(fēng)味在貨架期內(nèi)保持穩(wěn)定，飲料在生產(chǎn)過程中必須進(jìn)行殺菌處理。殺菌可分為物理殺菌和化學(xué)殺菌兩類。物理殺菌是通過加熱、高壓、紫外線等物理方法將微生物殺滅的過程。化學(xué)殺菌是通過化學(xué)藥劑與微生物接觸使其失活或死亡的過程[2]。

飲料料液的殺菌一般采用物理殺菌，超高溫瞬時(shí)殺菌（Ultra-high temperature instantaneous sterilization，UHT）是飲料料液的殺菌的常用殺菌方法[3]，將經(jīng)前處理的飲料料液灌裝進(jìn)包裝容器前迅速升溫到135℃以上，持續(xù)2s-15s后迅速冷卻至灌裝溫度（90℃以下），在此過程中飲料料液中的微生物及芽孢被殺滅同時(shí)鈍化生物酶。因超高溫瞬時(shí)殺菌技術(shù)高溫維持時(shí)間短，飲料料液經(jīng)高溫瞬時(shí)殺菌后營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損失較小，口感色澤比經(jīng)巴氏殺菌的料液要好。現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行殺菌時(shí)，殺菌效果不好、破壞成分大、而且耗能高 ，所以急需尋找針對(duì)不同飲料料液殺菌的最優(yōu)工藝過程，以求達(dá)到殺菌效果最優(yōu)、口感與風(fēng)味穩(wěn)定性最佳、有效成分破壞最小、能耗最低的目的。

1 系統(tǒng)介紹

為解決上述不足，本文提出一種節(jié)能高質(zhì)飲料殺菌控制系統(tǒng)，使之在降低殺菌系統(tǒng)能耗的同時(shí)，還可以達(dá)到殺菌效果最優(yōu)、口感與風(fēng)味穩(wěn)定性最佳、有效成分破壞最小的效果，有較好的前景、適宜推廣。該系統(tǒng)通過溫度傳感器、分層溫度采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、控制配方的確立、殺菌評(píng)價(jià)算法 與飲料品質(zhì)評(píng)估體系和操作平臺(tái)各個(gè)環(huán)節(jié)相互配合來實(shí)現(xiàn)功能。

1.1 溫度傳感器和分層溫度采集系統(tǒng)

通過將溫度傳感器合理地分布來檢測(cè)殺菌系統(tǒng)各冷卻、預(yù)熱和加熱節(jié)點(diǎn)的溫度，然后通過分層溫度采集系統(tǒng) ，實(shí)現(xiàn)溫度快速精準(zhǔn)的采集，對(duì)不同飲料品種通過實(shí)驗(yàn)法建立控制配方，根據(jù)相關(guān)飲料的控制配方所提供的參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽溫度、蒸汽流量、飲料流量、殺菌時(shí)間、冷卻預(yù)熱循環(huán)水流量和冰水流量的精確控制。在本文方案中，溫度傳感器為30ms液體響應(yīng)時(shí)間的負(fù)溫度系數(shù)（Negative Temperature Coefficient，NTC）溫度傳感器。

1.2 控制系統(tǒng)和控制配方的確立

控制配方的確立主要在生產(chǎn)過程中通過預(yù)設(shè)控制參數(shù)來改變殺菌時(shí)間、殺菌溫度和流量，建立對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表，分別根據(jù)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)來確定具體飲料的最優(yōu)控制配方，即所述飲料的各種有效成分、穩(wěn)定性、香氣、滋味、色澤和狀態(tài)等指標(biāo)達(dá)到最佳。通過在生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)得出：最優(yōu)控制配方的提煉一般需要一年左右。

該飲料最優(yōu)的控制配方主要根據(jù)飲料品種（葡萄汁、蘋果汁）殺菌的歷史經(jīng)驗(yàn)，將循環(huán)水流速、殺菌時(shí)間、殺菌段溫度、冰水流量經(jīng)驗(yàn)值的上下10%作為試驗(yàn)區(qū)間，循環(huán)水流速分5個(gè)間隔，殺菌時(shí)間分3個(gè)間隔，殺菌段溫度分3個(gè)間隔，冰水流量分3個(gè)間隔，建立實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表，總共45組數(shù)據(jù)，通過飲料品質(zhì)綜合評(píng)估小組選出兩個(gè)最優(yōu)配方。

1.3 殺菌評(píng)價(jià)

根據(jù)飲料的最優(yōu)配方進(jìn)而來高精度控制殺菌時(shí)間和溫度，在保持殺菌時(shí)間和溫度恒定的前提下，依據(jù)溫度梯度的分布要求，通過調(diào)節(jié)冷卻罐和預(yù)熱罐的容積、循環(huán)水的流速、加熱管的功率，實(shí)現(xiàn)所需的溫度梯度分布要求，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的效果 。冷卻管和預(yù)熱罐的容積通過空氣包來改變，從而達(dá)到對(duì)各冷卻罐和預(yù)熱罐熱交換的控制，實(shí)現(xiàn)高效殺菌的同時(shí)保證飲料的品質(zhì)，高效的熱交換還能大大降低能源的損耗。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)方案流程圖

本文實(shí)驗(yàn)方案流程圖如圖1所示：

2.2 實(shí)驗(yàn)工作過程

本文提出的實(shí)驗(yàn)工作過程如圖2至圖4所示，通過飲料產(chǎn)品入口17投入35度的調(diào)配液（飲料），經(jīng)過循環(huán)水第一次預(yù)熱段18預(yù)熱，然后經(jīng)脫氣14和均質(zhì)15進(jìn)入循環(huán)水第二次預(yù)熱段18進(jìn)一步預(yù)熱，再經(jīng)穩(wěn)定保持管19進(jìn)入循環(huán)水第三次預(yù)熱段11完成調(diào)配液的預(yù)熱，再經(jīng)過加熱管10將調(diào)配液加熱到設(shè)定的高溫 ，調(diào)配液在保持延時(shí)殺菌管9中完成殺菌過程后的調(diào)配液經(jīng)循環(huán)水第一次冷卻段8和循環(huán)水第二次冷卻段6進(jìn)行冷卻，再通過冰水冷卻段4（冰水輸入口3采用10度的冰水）后從調(diào)配液出口22輸出，完成調(diào)配液殺菌。

1、操作平臺(tái)，2、殺菌評(píng)價(jià)算法體系，3、冰水輸入口，4、冰水冷卻段，5、飲料管路，6、循環(huán)水第一次冷卻段，7、循環(huán)水管路，8、循環(huán)水第二次冷卻段，9、保持延時(shí)殺菌管，10、超高溫加熱管，11、循環(huán)水第三次預(yù)熱管，12、控制系統(tǒng)，13、循環(huán)水第二次預(yù)熱管，14、脫氣罐，15、均質(zhì)罐，16、溫度傳感器，17、飲料產(chǎn)品入口，18、循環(huán)水第一次預(yù)熱管，19、穩(wěn)定保持管，20、分布式溫度采集中心，21、循環(huán)水緩沖池，22、飲料輸出口，23、冰水回流輸出口。

在圖2飲料殺菌系統(tǒng)溫控配方設(shè)計(jì)流程圖中，循環(huán)水流速、殺菌時(shí)間、殺菌段溫度、冰水流量通過操作平臺(tái)1設(shè)置，分布式放置的溫度傳感器16數(shù)據(jù)通過分層溫度采集系統(tǒng)20據(jù)傳送到操作平臺(tái)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，飲料品質(zhì)的檢測(cè)數(shù)據(jù)包括飲料的各種有效成分、穩(wěn)定性、香氣、滋味、色澤和狀態(tài)等指標(biāo)提交食品檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，將評(píng)測(cè)后的兩組最優(yōu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到操作平臺(tái)，作為某種飲料的控制配方。

在圖3飲料殺菌系統(tǒng)溫控流程圖中，操作平臺(tái)將控制配方發(fā)送到控制系統(tǒng)12，據(jù)配方參數(shù)將循環(huán)水緩沖池21的循環(huán)水依次通過循環(huán)水第二次冷卻段6、循環(huán)水第一次冷卻段8、循環(huán)水第三次預(yù)熱管11、循環(huán)水第二次預(yù)熱管13、循環(huán)水第一次預(yù)熱管18，從而對(duì)冷卻罐和預(yù)熱罐的溫度傳感器的實(shí)時(shí)溫度梯度檢測(cè)，來控制循環(huán)水管路7的流量，依據(jù)配方參數(shù)通過保持延時(shí)殺菌管9的溫度和飲料管路流量5的檢測(cè)，來控制超高溫加熱管10的電流，通過配方參數(shù)中殺菌時(shí)間來控制飲料管路5流量，依據(jù)配方參數(shù)中飲料出口22溫度的要求，通過改變殺菌評(píng)價(jià)算法體系2、冰水回流輸出口23管路的流量。

在飲料殺菌系統(tǒng)循環(huán)水節(jié)能控制流程（循環(huán)水流量預(yù)設(shè)定—循環(huán)水冷卻段、預(yù)熱段分段設(shè)計(jì)2段冷卻，3段預(yù)熱—設(shè)計(jì)各段熱交換量—循環(huán)水流量控制算法設(shè)計(jì)）中，操作平臺(tái)1將循環(huán)水溫度梯度控制配方發(fā)送到控制系統(tǒng)12中，依據(jù)配方要求，通過空氣包來改變冷卻罐和預(yù)熱罐的容水量，達(dá)到對(duì)各冷卻罐和預(yù)熱罐熱交換量的控制，實(shí)現(xiàn)高效殺菌的同時(shí)保證飲料的品質(zhì)，高效的熱交換還能大大降低能源的損耗。

3 結(jié)語

本文提出了一種節(jié)能高質(zhì)飲料殺菌控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)通過溫度傳感器、分層溫度采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、控制配方的確立、殺菌評(píng)價(jià)算法與飲料品質(zhì)評(píng)估體系和操作平臺(tái)各個(gè)環(huán)節(jié)相互配合來實(shí)現(xiàn)其節(jié)能的目的。本文系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)配合緊湊、操作簡(jiǎn)單，在降低殺菌系統(tǒng)能耗的同時(shí)，還可以達(dá)到殺菌效果最優(yōu)、口感與風(fēng)味穩(wěn)定性最佳、有效成分破壞最小的效果，有較好的前景、適宜推廣。

【參考文獻(xiàn)】

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