氣調(diào)包裝實(shí)驗(yàn)定量控制裝置研究

張希棟，閻春利

(1.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院；2.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

氣調(diào)包裝作為一種主要的技術(shù)手段用于實(shí)現(xiàn)果蔬和食品保鮮功能[1]。其中，果蔬氣調(diào)包裝選用不同透氣性和透濕性的薄膜包裝果蔬產(chǎn)品，利用密封在包裝內(nèi)的不同比例混合氣體控制果蔬的呼吸過程，達(dá)到延長(zhǎng)果蔬保鮮期的目的[2-3]；食品氣調(diào)包裝應(yīng)用調(diào)制的混合氣體置換包裝袋內(nèi)的空氣，進(jìn)而改變包裝袋內(nèi)食品的外部環(huán)境，抑制食品中細(xì)菌微生物的生長(zhǎng)過程，減緩食品的新陳代謝進(jìn)程，達(dá)到延長(zhǎng)食品保質(zhì)期或貨架期的目的[4-5]。目前氣調(diào)包裝已成為新鮮果蔬產(chǎn)品保鮮包裝和食品保質(zhì)包裝的有效技術(shù)手段，得到國內(nèi)外學(xué)者的高度重視并開展相關(guān)研究[6]。

氣調(diào)包裝的效果主要取決于包裝機(jī)械的性能、包裝材料的阻隔性、密封在包裝袋內(nèi)混合氣體的成分等因素，同時(shí)還受如混合氣體充入時(shí)間、混合氣體充入壓力、密封在包裝袋內(nèi)混合氣體壓力等工藝參數(shù)的影響。氣調(diào)包裝生產(chǎn)過程如何確定已調(diào)制混合氣體的充入時(shí)間和能夠定量控制密封在包裝袋內(nèi)混合氣體的氣體壓力，是實(shí)現(xiàn)氣調(diào)包裝的效果和質(zhì)量的關(guān)鍵問題。因此本文通過設(shè)計(jì)一種氣調(diào)包裝實(shí)驗(yàn)定量控制裝置；利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有氣調(diào)包裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備，研究定量控制和測(cè)量氣調(diào)包裝實(shí)驗(yàn)過程密封在包裝袋內(nèi)混合氣體壓力，確定混合氣體的充入時(shí)間；以確保氣調(diào)包裝實(shí)驗(yàn)效果，并為氣調(diào)包裝生產(chǎn)過程提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 氣調(diào)包裝實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

氣調(diào)包裝實(shí)驗(yàn)流程主要包含調(diào)制一定氣體比例的混合氣體、抽出包裝袋內(nèi)原來的空氣并保持一定的真空度、將調(diào)制好的一定壓力的混合氣體充入包裝袋內(nèi)和將包裝袋封合等過程，如圖1所示。

(1)混合氣體調(diào)制。氣調(diào)包裝實(shí)驗(yàn)主要應(yīng)用CO2、N2和O23種氣體，并將3種氣體(或其中的2種氣體)按一定的比例混合生成混合氣體，充入包裝袋內(nèi)?；旌蠚怏w調(diào)制過程利用實(shí)驗(yàn)室的氣體混合配制設(shè)備的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)主要由操作面板觸摸屏、PLC控制單元、電磁閥、混合氣體儲(chǔ)存罐和調(diào)壓閥等組成。在設(shè)備操作面板觸摸屏上分別輸入CO2、N2、O23種氣體混合百分比參數(shù)，輸入的氣體混合百分比參數(shù)作為PLC控制單元計(jì)算的依據(jù)，PLC控制電磁閥調(diào)節(jié)3種氣體的接通時(shí)間，保證3種氣體按照設(shè)定的比例實(shí)現(xiàn)混合調(diào)制并儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐內(nèi)。

(2)包裝袋抽氣。包裝袋抽氣過程使用實(shí)驗(yàn)室的平板式真空包裝機(jī)，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)將包裝袋內(nèi)的氣體抽出，使包裝袋內(nèi)達(dá)到氣調(diào)包裝實(shí)驗(yàn)要求的真空度。在混合氣體充入前保證包裝袋內(nèi)的真空度，可以降低包裝袋內(nèi)剩余氣體對(duì)充入混合氣體比例準(zhǔn)確性的影響，提高氣調(diào)包裝實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

(3)混合氣體充入。混合氣體充入過程利用真空包裝機(jī)工作室內(nèi)與氣體混合配置設(shè)備的儲(chǔ)氣罐相連的氣體充入裝置，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)完成混合氣體充入包裝袋。

(4)包裝袋封口?；旌蠚怏w充入包裝袋完成后，在設(shè)定的封合電壓和封合時(shí)間內(nèi)完成包裝袋封口過程。封口的包裝袋內(nèi)存儲(chǔ)一定數(shù)量的混合氣體，并保持一定的包裝頂空體積，完成氣調(diào)包裝實(shí)驗(yàn)過程。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案分析

上述實(shí)驗(yàn)方案的充氣過程在包裝機(jī)的工作腔內(nèi)完成。由于混合氣體充入裝置與包裝袋封口處在結(jié)構(gòu)上不能保證完全密封，且混合氣體充入過程包裝袋內(nèi)部與包裝機(jī)工作腔內(nèi)存在壓力差，因此混合氣體充入包裝袋時(shí)包含部分混合氣體擴(kuò)散到包裝機(jī)工作腔內(nèi)的過程，主要表現(xiàn)為：

圖1 氣調(diào)包裝實(shí)驗(yàn)流程

(1)充入的混合氣體不能完全密封在包裝袋內(nèi)。氣調(diào)包裝實(shí)驗(yàn)充入混合氣體過程在包裝機(jī)工作腔內(nèi)完成。充入混合氣體前，包裝機(jī)工作腔內(nèi)經(jīng)過抽真空過程，保證包裝袋內(nèi)的真空度和工作腔內(nèi)的真空度相同，因而包裝機(jī)通過測(cè)得工作腔內(nèi)的真空度獲得包裝袋內(nèi)充入混合氣體時(shí)的初始?jí)毫?；混合氣體充入裝置的出口壓力由氣體混合設(shè)備設(shè)定，密封在包裝袋內(nèi)混合氣體的物質(zhì)的量根據(jù)充入包裝袋的混合氣體狀態(tài)方程確定。建立的混合氣體狀態(tài)方程包括：

在混合氣體充入時(shí)間[t1，t2]內(nèi)，充入包裝機(jī)的氣體狀態(tài)方程分別為：

(1)

(2)

P1(t2)V(t2)=n3RT。

(3)

式中：P0為混合氣體充入裝置的出口壓力，MPa；P1(t)為充氣過程軟包裝袋內(nèi)t時(shí)刻的混合氣體壓力，MPa；P2(t)為充氣過程t時(shí)刻由軟包裝袋內(nèi)擴(kuò)散到包裝機(jī)工作腔內(nèi)的混合氣體壓力，MPa；d0為混合氣體充入裝置出口處工況孔徑，mm；d1為包裝袋內(nèi)的混合氣體向包裝機(jī)工作腔擴(kuò)散過程包裝袋封口處折算的工況孔徑，mm；n1(t)為充氣過程內(nèi)t時(shí)刻充入的混合氣體的物質(zhì)的量，mol；n2(t)為充氣過程內(nèi)t時(shí)刻由軟包裝袋內(nèi)擴(kuò)散到包裝機(jī)工作腔內(nèi)的混合氣體的物質(zhì)的量，mol；n3為混合氣體充入過程結(jié)束時(shí)包裝袋內(nèi)混合氣體的物質(zhì)的量，mol；Qin(P0,P1(t),d0)為充氣過程t時(shí)刻混合氣體充入裝置出口處的氣體流量，l/s；R為氣體常數(shù)，J@mol-1·k-1;T為體系絕對(duì)溫度，k；V(t2)為充氣結(jié)束時(shí)包裝袋內(nèi)的氣體體積,l。

公式(1)表示由混合氣體儲(chǔ)存裝置充入的混合氣體狀態(tài)方程，充入的混合氣體的物質(zhì)的量為：

(4)

公式(4)表示包裝袋內(nèi)的混合氣體擴(kuò)散到包裝機(jī)工作腔過程的混合氣體狀態(tài)方程，擴(kuò)散到包裝機(jī)工作腔內(nèi)的混合氣體的物質(zhì)的量為：

(5)

公式(5)表示充氣結(jié)束時(shí)刻包裝袋內(nèi)的混合氣體狀態(tài)方程。由于充入的混合氣體一部分?jǐn)U散到包裝機(jī)工作腔內(nèi)，因此混合氣體充入過程結(jié)束時(shí)密封在包裝袋內(nèi)的混合氣體的物質(zhì)的量n3為：

(6)

公式(6)表明，密封在包裝袋內(nèi)的混合氣體物質(zhì)的量n3不等于由混合氣體儲(chǔ)存裝置充入的混合氣體物質(zhì)的量，即充入的混合氣體不能完全密封在軟包裝袋內(nèi)。

(2)不能準(zhǔn)確測(cè)定充氣結(jié)束時(shí)軟包裝袋內(nèi)的混合氣體壓力。上述實(shí)驗(yàn)方案充氣過程混合氣體壓力分布如圖2所示。在圖2中，P0(t1)為充氣開始t1時(shí)刻充氣裝置出口混合壓力，P1(t1)為充氣開始t1時(shí)刻包裝袋內(nèi)混合氣體壓力，P2(t1)為充氣開始t1時(shí)刻包裝機(jī)工作腔內(nèi)混合氣體壓力；P0(t)為充氣過程t時(shí)刻充氣裝置出口混合壓力，P1(t)為充氣過程t時(shí)刻包裝袋內(nèi)混合氣體壓力，P2(t)為充氣過程t時(shí)刻包裝機(jī)工作腔內(nèi)混合氣體壓力；P0(t2)為充氣結(jié)束t2時(shí)刻充氣裝置出口混合壓力，P1(t2)為充氣結(jié)束t2時(shí)刻包裝袋內(nèi)混合氣體壓力，P2(t2)為充氣結(jié)束t2時(shí)刻包裝機(jī)工作腔內(nèi)混合氣體壓力。

圖2 充氣過程混合氣體壓力分布

充入混合氣體結(jié)束時(shí)，包裝機(jī)壓力表測(cè)得的壓力值為包裝機(jī)工作腔內(nèi)的混合氣體壓力P2(t2)，并非為包裝袋內(nèi)的混合氣體壓力P1(t2)；因此該實(shí)驗(yàn)方案中包裝機(jī)不能直接測(cè)量充氣結(jié)束時(shí)包裝袋內(nèi)的混合氣體壓力，即不能通過控制包裝袋內(nèi)混合氣體的壓力實(shí)現(xiàn)定量控制密封在包裝袋內(nèi)的混合氣體的物質(zhì)的量。

2 定量控制裝置的提出

2.1 定量控制裝置結(jié)構(gòu)

定量控制裝置利用氣動(dòng)元件構(gòu)建的氣動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。氣動(dòng)控制系統(tǒng)操作過程包括：

(1)保證包裝袋內(nèi)的空氣被吸入氣缸，并將吸入汽缸內(nèi)的空氣排出。

(2)將調(diào)制的混合氣體吸入氣缸和將吸入氣缸的混合氣體充入包裝袋內(nèi)。

圖3 定量控制裝置簡(jiǎn)圖

(1)抽出包裝袋內(nèi)空氣。首先關(guān)閉手滑閥2，防止存儲(chǔ)在系統(tǒng)中的調(diào)制混合氣體被抽出；打開手滑閥1，包裝袋內(nèi)的空氣經(jīng)壓力表、連接件1、手滑閥1、單向閥1、連接件2、連接件4被抽出到氣缸內(nèi)；氣缸內(nèi)吸入的空氣經(jīng)連接件4、連接件2、單向閥2排出裝置外，其中單向閥1防止氣缸內(nèi)的空氣被充入包裝袋內(nèi)；壓力表直接測(cè)量包裝袋內(nèi)的氣體壓力。

(2)充入調(diào)制的混合氣體。首先關(guān)閉手滑閥1，防止充氣過程混合氣體經(jīng)抽氣通路回流到氣缸；打開手滑閥2，打開手滑閥3，存儲(chǔ)在混合氣源內(nèi)的混合氣體經(jīng)手滑閥3、單向閥4、連接件3、連接件4被抽出到氣缸內(nèi)；吸入到氣缸內(nèi)的混合氣體經(jīng)連接件4、連接件3、單向閥3、手滑閥2、連接件1、壓力表被充入到包裝袋內(nèi)；壓力表能夠直接測(cè)量混合氣體充入過程包裝袋內(nèi)的混合氣體壓力P1(t)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)壓力表能夠直接測(cè)量密封時(shí)包裝袋內(nèi)的混合氣體壓力P1(t2)。

(7)

由公式(7)可知，能夠依據(jù)氣調(diào)包裝實(shí)驗(yàn)要求的密封在包裝袋內(nèi)混合氣體的物質(zhì)的量和氣體壓力確定出混合氣體的充入時(shí)間，能夠定量控制針對(duì)不同產(chǎn)品氣調(diào)包裝的混合氣體充入時(shí)間，以節(jié)約混合氣體的使用量。

由上述分析可知，在設(shè)計(jì)的定量控制裝置中與包裝袋直接相連的壓力表能夠直接測(cè)量抽氣過程和調(diào)制的混合氣體充入過程包裝袋內(nèi)的氣體壓力，能夠定量控制充入包裝袋內(nèi)的混合氣體的物質(zhì)的量和確定混合氣體的充入時(shí)間。

3 結(jié) 論

研究結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的氣調(diào)包裝定量控制裝置在完成氣調(diào)包裝實(shí)驗(yàn)過程能夠?qū)崿F(xiàn)以下三項(xiàng)功能：

(1)設(shè)計(jì)的氣調(diào)包裝定量控制裝置能夠直接控制氣調(diào)包裝實(shí)驗(yàn)軟包裝袋抽氣和充入混合氣體過程。

(2)設(shè)計(jì)的氣調(diào)包裝定量控制裝置能夠直接測(cè)量氣調(diào)包裝實(shí)驗(yàn)包裝袋的真空度和充入的混合氣體量和氣體壓力。

(3)設(shè)計(jì)的氣調(diào)包裝定量控制裝置能夠確定氣調(diào)包裝實(shí)驗(yàn)需要的混合氣體沖入時(shí)間。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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