南非迪思特礦泉水廠安裝多組分混合系統

含酒精類飲品日趨繁多，細分市場持續增長。即飲類產品RTDs包括啤酒、果酒及其它含酒精類飲料與蘇打水、果汁或其它非含酒精類飲品的混合，進一步豐富了品種。

在南非，即飲類產品市場需求非常高。迪思特集團是南非烈性酒、高端葡萄酒、蘇打水和其它即飲類產品的領導制造商。迪思特礦泉水廠通過對飲料中糖濃度（°Brix）的測量控制，實現了產品從批次生產工藝到在線生產工藝的轉換。

40多年來，茨恩特Centec公司一直是提供具有全自動、撬裝式過程單元和高精度測量技術值供貨商，在業界具有幾乎獨一無二的應用覆蓋率。所設計的系統和傳感器可以很好地滿足啤酒、食品和飲料制造商的大多數需求。

作為迪思特礦泉水廠工程項目的一部分，茨恩特公司按照合同交付了帶有UV殺菌功能的150 hl/h柱狀水脫氧裝置及儲罐、400 hl/h果汁混合系統、400 hl/h果汁充氧裝置、430 hl/h包含13種液體產品流的混合系統。

茨恩特公司將自己研發的傳感器件集成在流程處理設備中。溶解氧傳感器的濃度檢測范圍為1 ppb～2 ppm，檢測精度為±1 ppb。酒精體積濃度的檢測范圍為0～100%，檢測精度為±0.02%。檢測糖濃度的傳感器其檢測范圍為0～80°Brix，檢測精度為±0.02°Brix。

一、柱狀水脫氧裝置

為了生產高品質、貨架期長的飲料產品，水中的氧含量必須降低到非常低的濃度。水脫氧過程在環境溫度下就可進行。一開始，在柱狀脫氧裝置的上部布水。柱狀脫氧裝置內部按一定方式緊密填充薄的不銹鋼薄板，這樣當水通過柱狀體向下流動時，不得不沿多條路徑流動，見圖1。

通過填料使氣體傳輸的表面積最大化以及水與汽提氣（CO2）之間的接觸時間最大化。汽提氣從柱狀脫氧裝置的底部充入，沿著柱狀體上升，與水逆向流動。分壓的顯著差異使氧從水中脫離進入氣相中。在柱狀脫氧裝置的頂部，從水中脫離的氧與殘留的汽提氣一起以氣態形式逸出系統。流到柱狀脫氧裝置底部的水氧含量低于30 ppb。從這里流出的水，再通過UV殺菌系統殺菌，然后流入容量為350 hl的儲罐中。工廠生產所需要的脫氧水全部來自于這個脫氧水儲罐，脫氧水在3 bar壓力下輸送到工廠各個脫氧水用水點。

恩特公司研發的在線式氧氣純度儀Oxytrans可對脫氧水中的氧濃度持續監控。這款非常精確的光學氧氣傳感器，可用于測量脫氧水中的氧含量，見圖2。

該傳感器可以監測和測量處在1 ppb～2 ppm范圍內水中氧濃度，檢測精度為±1 ppb。所采用的光學技術是基于通過相變釋放的能量，這種能量通過分子間的相互作用而不是通過輻射來重新分配。在裝置的測量頭部安裝了一個帶有一薄層指示分子的小玻璃組件，稱之為“光學視窗”，這些指示分子暴露在由傳感器中的LED產生的藍綠色光源下。這些分子吸收入射光，由此激發這些分子到更高的能量狀態。經過特定時間段后，這些分子恢復到基態，產生紅光，然后被傳感器檢測到。如果氧分子存在，來自激發的指示分子的能量被轉移到氧分子中。當產品中的氧分子濃度增加時，來自傳感器的檢測信號減弱。其它的氣體不吸收這些能量，因此它們不會對測量結果造成影響。

圖2：光學氧氣傳感器Oxytrans

二、果汁混合系統

產品的每一種配方都是基于不同成分按特定配比配制。一旦選用了某種配方，系統就會按此配方運行。整個混合過程完全自動執行。科里奧利Coriolis質量流量計被用于高精度的過程控制。

流量計，其運行基于科里奧利原理，一旦管路受到力作用時，它能檢測管路振動。當介質流過振動管路時，科里奧利力產生，它使管路彎曲。此時傳感器檢測管路振動頻率的變化。傳感器信號的相移與質量流量成正比。流動介質的密度可通過測量管路的振動頻率測算。質量流量計也能測定介質的溫度。微處理器轉換數字信號來記錄流動介質的質量流量、密度和溫度。當一個配方選定后，輸入的流量在任何時間內都能被精確地控制，一旦溫度發生任何偏差時，均能自動地補償所受到的任何影響。為了避免出現異常，該過程系統還安裝了防混合雙座閥。

茨恩特公司研發的Combitec在線傳感器應用在混合系統中，以確保成品中專用于發酵的蔗糖含量控制精確無誤。傳感器非常適用于三組分溶液，可同時測量密度、濃度和聲速，見圖3。

圖3：高精度傳感器Combitec，可測量酒精濃度和糖度

密度測量是基于U型振蕩管測量液體密度原理。為了測量聲速，聲波脈沖由超聲波發射器產生并由超聲波接收器檢測。濃度和密度或聲速之間的關系是每個流體特有的屬性，可以用數學多項式來描述。

在水溶液中，蔗糖分解成葡萄糖和果糖。這種可逆過程稱為“水解”。采用Combitec裝置，可測量單個的成分，并測定蔗糖的含量，其精度可達±0.02°Brix。混合后，產品就可以進行巴氏殺菌，然后充氧。

三、果汁充氧裝置

向果汁產品中充氧可提高酵母活性，并開始產品的發酵過程。該裝置裝配茨恩特公司研發的特定尺寸的Vortex-Venturi噴射器，以此向產品中充氧，見圖4。

通過這種裝置，大量非常細小的氧氣泡直接噴射入產品流中，由于高的壓力和紊流環境，氧完全溶解在介質中。控制閥安裝在末端，并在這里氧溶解。在該系統中，控制閥始終保持恒壓。為了精確控制果汁和氧的靶式流量，氣體通過科里奧利Coriolis質量流量計控制，按質量計算其測量精度可達±0.5%，果汁通過電磁流量計控制，按質量計算其測量精度可達±0.2%。充氧后的果汁注入果酒中，其氧含量為20 mg/l。果汁通過酵母添加站進入發酵罐。

四、混合系統

為迪思特礦泉水廠安裝的混合系統是茨恩特公司迄今為止制造和交付使用的最大的過程處理系統之一。在項目的第一階段，設計并安裝了一個過程處理系統，該系統實現了已發酵產品同8種不同液體成分的混合。目前，經過擴張后，該系統能將已發酵產品同多達13種不同的產品流混合，見圖5。

圖4：Vortex-Venturi噴射器

流入混合系統的每一種液體流都安裝有科里奧利Coriolis質量流量計，按質量計算其測量精度可達±0.1%。對于每一種配方來說，每種液體流的配比是特定的，通過對任何溫度波動的自動補償，可以可靠地實現目標配比。在這里，也應用了防混合閥和雙座閥技術。

應用集成在混合系統上的茨恩特公司研發的Combitec在線傳感器測量成品的酒精濃度和糖度°Brix，該測量裝置應用在過程控制中。依據體積計算，成品的酒精測量精度可達到±0.025%，成品的糖百分濃度精度可達到±0.03°Brix。

所有的系統可通過CIP進行清洗，安裝有西門子的S7控制器。這些系統在運輸到南非前，需要在制造工廠進行工廠驗收試驗。在任何時候均可通過VPN路由器對系統進行遠程操作。

五、小結

1995年南非豪登省迪思特礦泉水廠投產，生產能力為3萬千升的包裝線有兩條。從那時起，歷經了不斷的擴張。目前，它是迪思特集團最大的即飲類產品RTDs生產工廠，現有7條包裝生產線及全自動的RTDs和果酒生產設備。

這些系統在2015年建設并交付使用。這一階段的擴張使迪思特礦泉水廠RTDs產品發生了革命性的變化。連同13種不同液體產品流混合系統的安裝，茨恩特公司還給安裝了一套柱狀水脫氧裝置及用于果汁混合和充氧裝置。該項目由茨恩特公司實施，并同High-Tech Processing公司進行了密切合作。High-Tech Processing公司是南非一家為釀酒和飲料工業提供設備及服務的供貨商，長期為非洲、東歐和中東區域的釀酒及飲料工業提供更廣范圍的技術解決方案，包括工廠的工程設計、咨詢、項目管理及整套的交鑰匙安裝。

圖5：混合系統能混合13種不同的液體產品流