一種節能高質飲料殺菌控制系統

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成分和風味。現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。本文提出一種節能高質飲料殺菌控制系統，所述控制系統通過溫度傳感器、分層溫度采集系統、控制系統、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節相互配合來實現節能的控制系統，使之在降低殺菌系統能耗的同時，還可以達到殺菌效果最優、口感與風味穩定性最佳、有效成分破壞最小的效果，有較好的前景、適宜推廣。

【關鍵詞】節能；溫度傳感器；控制系統；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，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。化學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物質損失較小，口感色澤比經巴氏殺菌的料液要好。現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工藝過程，以求達到殺菌效果最優、口感與風味穩定性最佳、有效成分破壞最小、能耗最低的目的。

1 系統介紹

為解決上述不足，本文提出一種節能高質飲料殺菌控制系統，使之在降低殺菌系統能耗的同時，還可以達到殺菌效果最優、口感與風味穩定性最佳、有效成分破壞最小的效果，有較好的前景、適宜推廣。該系統通過溫度傳感器、分層溫度采集系統、控制系統、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節相互配合來實現功能。

1.1 溫度傳感器和分層溫度采集系統

通過將溫度傳感器合理地分布來檢測殺菌系統各冷卻、預熱和加熱節點的溫度，然后通過分層溫度采集系統 ，實現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，根據相關飲料的控制配方所提供的參數實現對蒸汽溫度、蒸汽流量、飲料流量、殺菌時間、冷卻預熱循環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（Negative Temperature Coefficient，NTC）溫度傳感器。

1.2 控制系統和控制配方的確立

控制配方的確立主要在生產過程中通過預設控制參數來改變殺菌時間、殺菌溫度和流量，建立對應數據表，分別根據實驗檢測數據來確定具體飲料的最優控制配方，即所述飲料的各種有效成分、穩定性、香氣、滋味、色澤和狀態等指標達到最佳。通過在生產實踐中總結得出：最優控制配方的提煉一般需要一年左右。

該飲料最優的控制配方主要根據飲料品種（葡萄汁、蘋果汁）殺菌的歷史經驗，將循環水流速、殺菌時間、殺菌段溫度、冰水流量經驗值的上下10%作為試驗區間，循環水流速分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，建立實驗數據表，總共45組數據，通過飲料品質綜合評估小組選出兩個最優配方。

1.3 殺菌評價

根據飲料的最優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，依據溫度梯度的分布要求，通過調節冷卻罐和預熱罐的容積、循環水的流速、加熱管的功率，實現所需的溫度梯度分布要求，進而達到節能的效果 。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），經過循環水第一次預熱段18預熱，然后經脫氣14和均質15進入循環水第二次預熱段18進一步預熱，再經穩定保持管19進入循環水第三次預熱段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水第一次冷卻段8和循環水第二次冷卻段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、循環水第一次冷卻段，7、循環水管路，8、循環水第二次冷卻段，9、保持延時殺菌管，10、超高溫加熱管，11、循環水第三次預熱管，12、控制系統，13、循環水第二次預熱管，14、脫氣罐，15、均質罐，16、溫度傳感器，17、飲料產品入口，18、循環水第一次預熱管，19、穩定保持管，20、分布式溫度采集中心，21、循環水緩沖池，22、飲料輸出口，23、冰水回流輸出口。

在圖2飲料殺菌系統溫控配方設計流程圖中，循環水流速、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數據通過分層溫度采集系統20據傳送到操作平臺記錄實驗數據，飲料品質的檢測數據包括飲料的各種有效成分、穩定性、香氣、滋味、色澤和狀態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數據存儲到操作平臺，作為某種飲料的控制配方。

在圖3飲料殺菌系統溫控流程圖中，操作平臺將控制配方發送到控制系統12，據配方參數將循環水緩沖池21的循環水依次通過循環水第二次冷卻段6、循環水第一次冷卻段8、循環水第三次預熱管11、循環水第二次預熱管13、循環水第一次預熱管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，來控制循環水管路7的流量，依據配方參數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，通過配方參數中殺菌時間來控制飲料管路5流量，依據配方參數中飲料出口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。

在飲料殺菌系統循環水節能控制流程（循環水流量預設定—循環水冷卻段、預熱段分段設計2段冷卻，3段預熱—設計各段熱交換量—循環水流量控制算法設計）中，操作平臺1將循環水溫度梯度控制配方發送到控制系統12中，依據配方要求，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

本文提出了一種節能高質飲料殺菌控制系統，該控制系統通過溫度傳感器、分層溫度采集系統、控制系統、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節相互配合來實現其節能的目的。本文系統各個環節配合緊湊、操作簡單，在降低殺菌系統能耗的同時，還可以達到殺菌效果最優、口感與風味穩定性最佳、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】

[1]潘見，張文成，陳從貴，等.飲料超高壓殺菌實用性工藝及設備探討[J].農業工程學報，2000，16（1）：125-128.

[2]張峰，李志斌，劉景蘭，等.殺菌技術在飲料生產管理中的應用[J].現代營銷：學苑版，2013（2）：125-125.

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