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5.9.6 应用实例

无菌包装产品杀菌系统形式多样。事实上,产品杀菌系统的设计是一门艺术。下面 介绍各类加热器组成的典型的产品杀菌系统的应用举例。

5.9.6.1 蒸汽喷射式杀菌系统

图5-62是APV-6000型超高温瞬时杀菌系统,它应用了蒸汽直接喷射加热器。

生产前,整个装置需用喷射蒸汽加热到136℃的循环热水杀菌30min,然后用无菌冷 水降温。整个系统始终保持无菌水循环直至进料产品开始杀菌。

产品由输送泵1输送,经第一预热器2进入第二预热器3,产品升温至25~80℃。然 后由泵4进行加压,经流量气动阀5送至直接蒸汽喷射杀菌器6。在该处,向产品中喷射 入压力为1MPa的蒸汽,产品瞬时升温至150℃。加热后的产品在保持管中停留2~4s, 然后进入膨胀罐9中进行闪蒸冷却,使产品温度急剧冷却到77℃左右。热的蒸汽由喷射 冷凝器18冷凝。真空泵21使膨胀罐始终保持一定的真空度。在膨胀罐内,喷入产品的 蒸汽冷凝水成为蒸汽从膨胀罐排出,同时带走产品中可能存在的一些异味。从膨胀罐排 出的热蒸汽进入管式热交换的第一预热器2中用来预热冷的产品。杀过菌的产品收集在 膨胀罐的底部并保持一定的液位。最后,产品用无菌泵11送至无菌均质机12。经均质 的无菌产品在冷却器13中进一步冷却后送往无菌灌装机或进入无菌贮罐。

为了保持产品的含水量不变,喷射入产品中的蒸汽量必须在闪蒸冷却时全部排净,这 可以通过调节器16控制喷射前产品的温度t1和闪蒸后产品的温度t2的差值来实现。调节器16是自动控制的,见图5-63。

图5-62 蒸汽直接喷射式杀菌装置流程图

1—输送泵 2—第一预热器 3—第二预热器 4—泵 5—流量气动阀 6—直接蒸汽喷射杀菌器

7—蒸汽气动阀 8—杀菌温度调节器 9—膨胀罐 10—装有液面传感器的缓冲器 11—无菌泵

12—均质机 13—冷却器 14、17—蒸汽阀 15—蒸汽气动阀 16—相对密度调节器 18—喷射冷凝器

19—冷凝液泵 20—真空调节阀 21—真空泵 22—高压蒸汽 23—低压蒸汽 24、25—冷却水

理论上,当t1和t2相等时,闪蒸冷却后的产 品含水量和蒸汽喷射前产品的含水量相同,但实 际上是不可能做到的。然而,只要t1和t2的温 度差控制在足够小的范围内,杀菌前后产品中的 含水量可以做到基本不变。在上述系统中,调节 器16的控制精度可以使t1和t2的差值△t为± 0.2℃。试验表明,温差为±1℃时,产品含水量变 化为±0.2%。因此,±0.2℃的温度差意味着产 品浓度的变化只有±0.04%,而这个误差已超出 目前的检测方法所能达到的极限。也就是说,产 品含水量的控制精确度是令人满意的。

5.9.6.2 注入式杀菌系统

图5-63 蒸汽直接喷射式杀菌 装置的温度-时间曲线

注入式杀菌系统的一个应用实例如图5-64所示,这是APV公司的注入式直接加热 杀菌系统的流程图。

系统的操作过程为: 为了对系统进行预杀菌,水从贮水桶18由泵输送通过系统加热 到136℃,在闭合回路中循环以对系统进行至少30min的杀菌。当系统杀菌结束后,系统 的无菌区用流动的无菌水进行降温,系统将发出信号通知操作人员。

产品由离心泵2从产品供应桶1通过板式热量再生器3输送至速度可调节的回转式 定量泵4。在定量泵的作用下,产品经过板式预热器5进入注入式直接加热器6,产品进 入温度为77~82℃,在加热器内产品与蒸汽直接接触瞬间加热到杀菌温度。产品液位自动控制在一定的高度。注入式加热器内的产品由第二个速度可调的回转式定量泵7抽 出,流经保持管8,并在此停留2~4s后经过背压阀9进入无菌闪蒸室10,立即沸腾急剧 蒸发,同时快速降温。闪蒸室闪蒸中产生的蒸汽由一组管式冷凝器11冷凝除去。控制闪 蒸后的产品温度和进入注入式加热器的产品温度差,可以使杀菌后的产品的水分含量恢 复到产品的原含水量(参阅上一节)。

图5-64 APV蒸汽直接注入式杀菌系统流程图

1—产品供应桶 2—离心泵 3—板式热量再生器 4—回转式定量泵 5—板式预热器

6—注入式直接加热器 7—回转式定量泵 8—保持管 9—背压阀 10—无菌闪蒸室

11—管式冷凝器 12—无菌离心泵 13—无菌均质机 14—管式热交换器 15—转向阀

16—背压阀 17—管式冷凝器 18—贮水桶 19—真空泵 20—水循环离心泵

图5-65 APV蒸汽 直接注入式热交换器

闪蒸室内的产品由无菌离心泵12送至无菌均质 机13(根据需要选用),再送至管式热交换器14进一步 冷却。冷却介质的水通过一个闭合回路将热量传送给板式热量再生器。

在管式热交换器14后面有一转向阀15控制无菌 产品的流向,将其送至无菌包装机。而在产品杀菌温 度偏离或停留时间不足的情况下,产品自动转向送至产品供应桶1。

图5-65是APV蒸汽直接注入式热交换器。

5.9.6.3 板式换热器杀菌系统

板式热交换器是间接式加热器,产品和加热介质 不直接接触。图5-66是一个应用实例,该系统应用 于牛乳的高温短时灭菌。

加入进料罐1的牛乳用泵送入第一组板式热交换器的预热段2加热到85℃。然后 进入平衡容器3并保持6min以稳定乳蛋白,这可以防止牛乳在第二组板式热交换器的高 温加热区段内产生过多的沉淀物。“稳定牛乳”用泵送入均质机4,经均质作用后进入第 二组板式热交换器的主要加热区段5和6加热到138~150℃后,进入保持管视需要保持 2~4s。然后到达转向阀7。如果牛乳温度等于或高于杀菌温度,无菌乳继续向前流动进 入快速板式冷却器9用冰水冷却至100℃左右。然后进入第一组板式热交换器的换热区 段2进行热量回收,再经板式热交换器10进一步冷却到灌装温度,最后送至无菌灌装机。

图5-66 板式热交换器杀菌系统流程图

如果由于某种原因,转向阀处的温度下降到预定的杀菌温度以下,牛乳将经过冷却器 8返回到进料罐1。整个系统由控制柜11控制。

在牛乳进入系统之前,需对系统进行预杀菌。系统的预杀菌是用加压水进行的,在整 个系统充满水之后,蒸汽进入主加热器将循环水迅速加热到136℃或更高的温度,在此温 度下热水循环30min对系统进行充分杀菌。然后,冷却水进入冷却器使系统冷却到70℃ 左右。保持水不断循环直至产品准备就绪,送入产品,开始杀菌。

5.9.6.4 管式热交换器杀菌系统

管式热交换器杀菌系统也是一种间接加热杀菌系统。图5-67是APV管式热交换 器杀菌系统流程图。这套系统的特点是相对于流量管式热交换器其管径很小,因此,管内 的流速极高,最大限度地造成湍流,大大促进传热速率,便于实现高温短时杀菌。这套杀 菌系统适用于中、高黏度产品,如浓缩果汁、果浆、番茄浆以及果泥、蔬菜泥的杀菌。

杀菌系统的操作过程: 在系统预杀菌过程中,水从供水桶1通过离心泵2送入整个 系统。在系统中,水被加热到杀菌温度136℃并在闭合回路中循环。当达到杀菌要求时, 系统发出信号并自动转入产品进入状态。

产品在离心泵2的作用下从进料桶通过板式热量再生器4进入脱气机(此为可选设 备)5。脱气机中的产品从下方由离心泵6抽出送往高压定量泵7。高压定量泵由速度可 调电机驱动,因此,可以根据杀菌工艺规程调整产品的流速。

一组卧式管式热交换器8以及立式安装的保持管9使产品达到所要求的杀菌温度和 时间。对于低酸性食品通常温度为149℃,时间为2~4s,对于高酸性食品,温度通常为93℃,时间为30s。

图5-67 APV管式热交换器杀菌系统流程图

1—供水桶 2—离心泵 3—进料桶 4—板式热量再生器 5—脱气机 6—离心泵 7—高压定量泵

8—卧式管式热交换器 9—保持管 10—立式管式热交换器 11—离心泵 12—无菌均质机

13—管式热交换器 14—转向阀 15—背压阀 16—管式冷凝器

产品通过保持管之后进入另外一组立式管式热交换器10进行冷却。在第一冷却阶 段,冷却介质为水。水在离心泵11的作用下通过板式热交换器4形成一个闭合回路对产 品进行预热以实现热量回收。

如果产品需要均质,产品在第一阶段冷却之后控制在适宜的温度下通过无菌均质机 12进行均质。均质后的产品进入管式热交换器13进一步进行冷却。

降温后的无菌产品通过转向阀14送往无菌灌装机或无菌贮罐。在产品未达到无菌 时通过转向阀回流入进料桶。图5-68是这个系统使用的管式热交换器的结构图。

图5-68 管式热交换器结构图

5.9.6.5 刮板式热交换器杀菌系统

典型的刮板式热交换器杀菌系统如图5-69所示。

系统预杀菌是使用循环热水进行的。原料由泵输送,先进入刮板加热器。多组分产 品可以在配料桶中按配方要求进行调配,或由进料器加入各组分。产品加热到杀菌温度 后进入保持管,然后进入第一级刮板冷却器。对于酸性食品仅需加热到90℃,保持30s (视产品不同而异)。如果产品中含有块状食品,则需要保持3min以使热渗透到块状食品 内部。低酸性食品需要加热到149℃保持数十秒钟。第一级冷却后的产品再经第二级冷 却器进一步冷却即可送往无菌灌装机进行无菌包装。

图5-69 APV刮板式热交换器杀菌系统流程图

1—供水桶 2—配料桶 3—冷凝管 4—背压阀 5—转向阀 6—刮板式热交换器

7—保持管 8—定量泵 9—进料器 10—旋转泵