一種節(jié)能高質飲料殺菌控制系統(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。它可以彌補了膳食中營養(yǎng)成分的不足，還可以助消化、潤腸道。關于飲料殺菌，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飲料中營養(yǎng)成分和風味?，F(xiàn)有的技術進行殺菌時，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、殺菌評價算法與飲料品質評估體系和操作平臺各個環(huán)節(jié)相互配合來實現(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，還可以達到殺菌效果最優(yōu)、口感與風味穩(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。

【關鍵詞】節(jié)能；溫度傳感器；控制系統(tǒng)；殺菌評價算法

0 引言

飲料[1]一般含有各種碳水化合物、蛋白質、維生素等營養(yǎng)，特別適合多種微生物生長繁殖，為保證飲料的口感與風味在貨架期內保持穩(wěn)定，飲料在生產過程中必須進行殺菌處理。殺菌可分為物理殺菌和化學殺菌兩類。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?；瘜W殺菌是通過化學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]，將經前處理的飲料料液灌裝進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鈍化生物酶。因超高溫瞬時殺菌技術高溫維持時間短，飲料料液經高溫瞬時殺菌后營養(yǎng)物質損失較小，口感色澤比經巴氏殺菌的料液要好?，F(xiàn)有的技術進行殺菌時，殺菌效果不好、破壞成分大、而且耗能高 ，所以急需尋找針對不同飲料料液殺菌的最優(yōu)工藝過程，以求達到殺菌效果最優(yōu)、口感與風味穩(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)能高質飲料殺菌控制系統(tǒng)，使之在降低殺菌系統(tǒng)能耗的同時，還可以達到殺菌效果最優(yōu)、口感與風味穩(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、殺菌評價算法 與飲料品質評估體系和操作平臺各個環(huán)節(jié)相互配合來實現(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殺菌系統(tǒng)各冷卻、預熱和加熱節(jié)點的溫度，然后通過分層溫度采集系統(tǒng) ，實現(xiàn)溫度快速精準的采集，對不同飲料品種通過實驗法建立控制配方，根據(jù)相關飲料的控制配方所提供的參數(shù)實現(xiàn)對蒸汽溫度、蒸汽流量、飲料流量、殺菌時間、冷卻預熱循環(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液體響應時間的負溫度系數(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過程中通過預設控制參數(shù)來改變殺菌時間、殺菌溫度和流量，建立對應數(shù)據(jù)表，分別根據(jù)實驗檢測數(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)等指標達到最佳。通過在生產實踐中總結得出：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）殺菌的歷史經驗，將循環(huán)水流速、殺菌時間、殺菌段溫度、冰水流量經驗值的上下10%作為試驗區(qū)間，循環(huán)水流速分5個間隔，殺菌時間分3個間隔，殺菌段溫度分3個間隔，冰水流量分3個間隔，建立實驗數(shù)據(jù)表，總共45組數(shù)據(jù)，通過飲料品質綜合評估小組選出兩個最優(yōu)配方。

1.3 殺菌評價

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

2 實驗方案

2.1 實驗方案流程圖

本文實驗方案流程圖如圖1所示：

2.2 實驗工作過程

本文提出的實驗工作過程如圖2至圖4所示，通過飲料產品入口17投入35度的調配液（飲料），經過循環(huán)水第一次預熱段18預熱，然后經脫氣14和均質15進入循環(huán)水第二次預熱段18進一步預熱，再經穩(wěn)定保持管19進入循環(huán)水第三次預熱段11完成調配液的預熱，再經過加熱管10將調配液加熱到設定的高溫 ，調配液在保持延時殺菌管9中完成殺菌過程后的調配液經循環(huán)水第一次冷卻段8和循環(huán)水第二次冷卻段6進行冷卻，再通過冰水冷卻段4（冰水輸入口3采用10度的冰水）后從調配液出口22輸出，完成調配液殺菌。

1、操作平臺，2、殺菌評價算法體系，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、保持延時殺菌管，10、超高溫加熱管，11、循環(huán)水第三次預熱管，12、控制系統(tǒng)，13、循環(huán)水第二次預熱管，14、脫氣罐，15、均質罐，16、溫度傳感器，17、飲料產品入口，18、循環(huán)水第一次預熱管，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)溫控配方設計流程圖中，循環(huán)水流速、殺菌時間、殺菌段溫度、冰水流量通過操作平臺1設置，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)傳送到操作平臺記錄實驗數(shù)據(jù)，飲料品質的檢測數(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)等指標提交食品檢測實驗室進行測試，將評測后的兩組最優(yōu)數(shù)據(jù)存儲到操作平臺，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)水第三次預熱管11、循環(huán)水第二次預熱管13、循環(huán)水第一次預熱管18，從而對冷卻罐和預熱罐的溫度傳感器的實時溫度梯度檢測，來控制循環(huán)水管路7的流量，依據(jù)配方參數(shù)通過保持延時殺菌管9的溫度和飲料管路流量5的檢測，來控制超高溫加熱管10的電流，通過配方參數(shù)中殺菌時間來控制飲料管路5流量，依據(jù)配方參數(shù)中飲料出口22溫度的要求，通過改變殺菌評價算法體系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)水流量預設定—循環(huán)水冷卻段、預熱段分段設計2段冷卻，3段預熱—設計各段熱交換量—循環(huán)水流量控制算法設計）中，操作平臺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熱罐的容水量，達到對各冷卻罐和預熱罐熱交換量的控制，實現(xiàn)高效殺菌的同時保證飲料的品質，高效的熱交換還能大大降低能源的損耗。

3 結語

本文提出了一種節(jié)能高質飲料殺菌控制系統(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、殺菌評價算法與飲料品質評估體系和操作平臺各個環(huán)節(jié)相互配合來實現(xiàn)其節(jié)能的目的。本文系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)配合緊湊、操作簡單，在降低殺菌系統(tǒng)能耗的同時，還可以達到殺菌效果最優(yōu)、口感與風味穩(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】

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[3]王金鋒，湯毅，謝晶，等.罐裝橙汁超高溫瞬時滅菌的數(shù)值模擬研究[J].工程熱物理學報，2012，V33（2）：288-290.endprint