HTST智能滅菌系統(tǒng)在啤酒生產(chǎn)中的應(yīng)用

張冠坤

（山東密友機(jī)械有限公司，山東濟(jì)南 250000）

1 研究背景

高溫瞬時殺菌（High Temperature Short Time，HTST）工藝在國內(nèi)的啤酒行業(yè)的應(yīng)用處于興起階段，但在國外的酒精類飲料生產(chǎn)消費(fèi)大國，如德國、美國、法國等國家，高溫瞬時滅菌工藝已經(jīng)廣泛應(yīng)用。對比傳統(tǒng)的隧道式殺菌機(jī)，兩種滅菌方式有著本質(zhì)的不同，傳統(tǒng)的隧道式巴氏殺菌機(jī)將水加熱至60～70 ℃，然后利用熱水的熱能加熱瓶裝或灌裝啤酒，維持20～30 min，從而實(shí)現(xiàn)殺菌的目的。高溫瞬時殺菌的滅菌方式是在酒液灌裝前，通過間壁式的換熱裝置，通過高溫水與酒液進(jìn)行換熱，通過短時的溫度更高的滅菌過程實(shí)現(xiàn)酒液的工業(yè)無菌，而后再進(jìn)行灌裝和包裝。

2 市場前景

大型啤酒廠節(jié)能降耗、環(huán)保壓力以及成本壓縮的內(nèi)在需求；產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，大型啤酒廠迫切需要擴(kuò)充產(chǎn)品線。異質(zhì)化產(chǎn)品的出現(xiàn)需要更高要求的殺菌形式；原麥汁濃度回升。消費(fèi)市場對現(xiàn)有的工業(yè)化啤酒認(rèn)可程度越來越低，大型啤酒廠開始推出新鮮的原漿啤酒，僅能通過瞬時殺菌來保證酒液的釀造風(fēng)味和包裝特點(diǎn)。啤酒釀造行業(yè)的很多數(shù)據(jù)顯示出了特色啤酒包裝小型化和特異化的趨勢，既可以體現(xiàn)啤酒釀造文化，又可體現(xiàn)啤酒產(chǎn)品的衛(wèi)生和安全。今后的發(fā)展趨勢是特異化包裝的啤酒產(chǎn)品的生產(chǎn)比例將穩(wěn)步上升，特別是PET瓶的廣泛應(yīng)用，更加順應(yīng)了這一趨勢。小型精釀啤酒廠存在滅菌需求，同時又受規(guī)模限制，大型殺菌釜匹配困難，舊有的殺菌形式難以滿足精釀啤酒市場對口味品質(zhì)的追求。

3 殺菌形式對啤酒品質(zhì)的影響

啤酒中的揮發(fā)性酯是啤酒香氣的來源。由表1可知，傳統(tǒng)滅菌方式的滅菌時間較長，使滅菌后的酯類物質(zhì)含量顯著降低，而采用高溫瞬時滅菌的生產(chǎn)方式將會明顯減少脂類物質(zhì)損失。這是由于傳統(tǒng)的巴氏滅菌將會提高滅菌值，將會使啤酒損失更多的風(fēng)味物質(zhì)。

表1 啤酒中風(fēng)味物質(zhì)含量分析檢測表（單位：mg/L）

4 高溫瞬時滅菌的特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)意義

4.1 項(xiàng)目主要研發(fā)內(nèi)容及解決的關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)組應(yīng)具備自動操作功能，能夠?qū)U值進(jìn)行設(shè)定，可按照設(shè)定完成CIP功能；系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)滅菌過程的運(yùn)行曲線，整個工作過程都可以被記錄。機(jī)組可根據(jù)客戶的不同要求、物料的不同情況，適當(dāng)選配板式換熱器或者管殼式換熱器。高溫瞬時殺菌機(jī)組以完善的安全技術(shù)文件作為支撐，安全性能更高，這也是滅菌機(jī)組的一個競爭優(yōu)勢。機(jī)組集成滅菌值計(jì)算及全自動控制，CIP/SIP自動清洗，專門開發(fā)啤酒PLC軟件，實(shí)現(xiàn)不同物料不同殺菌強(qiáng)度控制。

4.2 主要技術(shù)創(chuàng)新之處

滅菌機(jī)組采用衛(wèi)生設(shè)計(jì)（全排空設(shè)計(jì)），具備換熱壓力監(jiān)測的功能，消除交叉污染風(fēng)險(xiǎn)，增壓泵可對物料增壓，保證產(chǎn)品質(zhì)量安全與品質(zhì)；專門開發(fā)的啤酒PLC軟件可實(shí)現(xiàn)全自動運(yùn)行，物料自動回流，內(nèi)置CIP自動清洗；控制系統(tǒng)可以進(jìn)行準(zhǔn)確的滅菌值控制，實(shí)現(xiàn)不同物料不同殺菌強(qiáng)度控制；機(jī)組控制安裝成本最小，安裝方便，占地面積小，易于維護(hù)；加熱器的換熱形式靈活多變，高效節(jié)能；滅菌系統(tǒng)可通過觸摸模擬界面進(jìn)行交互式人機(jī)控制；控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊易于擴(kuò)展增容改造；機(jī)組設(shè)置了CIP系統(tǒng)，設(shè)備實(shí)現(xiàn)自清洗；系統(tǒng)運(yùn)行成本低，運(yùn)行成本僅為隧道式殺菌系統(tǒng)成本的20%～30%；滅菌時，物料加熱均勻，不存在冷核，殺菌徹底[1]。

4.3 達(dá)到的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

目前，國內(nèi)大、中型啤酒廠普遍是36 000瓶/h的灌裝線，基本都采用隧道式滅菌的方式，占地面積巨大，能耗較高。采用高溫瞬時滅菌單元進(jìn)行啤酒滅菌，將會極大地縮小占地面積，一套處理量為25 t/h滅菌單元體積約為3.5 m×3 m×1.8 m，每小時耗蒸汽量僅為傳統(tǒng)隧道式滅菌的20%～30%，節(jié)能效果明顯。此外，高溫瞬時殺菌系統(tǒng)能夠保證商業(yè)無菌，有效地保證了啤酒的品質(zhì)。

針對650 mL/瓶、20 000瓶/h的包裝生產(chǎn)線來說，傳統(tǒng)隧道式殺菌蒸汽耗量為1 200 kg/h，高溫瞬時殺菌工藝的蒸汽耗量為210 kg/h；滅菌過程不需要大量的水參與，只有清洗和酒頭引水，不需要大量水的循環(huán)，可節(jié)水5～7 t/h；高溫瞬時滅菌可以避免大量滅菌水循環(huán)帶來的電力損耗，可節(jié)約電力30 kW/h。隧道式巴氏滅菌過程中會有大量的瓶裝啤酒由于加熱而產(chǎn)生爆瓶現(xiàn)象。一般情況下，巴氏殺菌會有0.85%左右的破瓶率，這樣也會產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的酒損。因此，對于年生產(chǎn)20萬kL的啤酒企業(yè)來說，每年產(chǎn)生的啤酒損失為1 000～2 000 t，損失玻璃瓶數(shù)量約為174～350萬個，可回收的包裝瓶以0.2元/個計(jì)算，成品瓶裝啤酒每千升出售價(jià)為1 500元計(jì)算，每年造成的損失為184萬～368萬元。

由表2可知，高溫瞬時殺菌工藝的應(yīng)用，相比于傳統(tǒng)巴氏殺菌工藝，能夠節(jié)省大量能源。其蒸汽用量、耗水量都低于于巴氏殺菌的生產(chǎn)工藝。高溫瞬時滅菌工藝是在酒業(yè)包裝前就完成了滅菌過程，可以避免酒液在酒瓶中的膨脹爆瓶現(xiàn)象，有效地降低了包裝物的損耗[2]。

表2 實(shí)際走訪啤酒廠滅菌情況統(tǒng)計(jì)表

5 主要的設(shè)備組件

高溫瞬時滅菌系統(tǒng)中采用了高效螺旋纏繞管系列換熱器以及其他形式換熱器，其節(jié)能高效的特點(diǎn)早已被人們認(rèn)可，此高溫瞬時滅菌機(jī)組以此類換熱器作為滅菌器進(jìn)行滅菌生產(chǎn)，使滅菌過程可靠、節(jié)能、高效[1,3]。公司現(xiàn)有產(chǎn)品系列可滿足啤酒飲料行業(yè)常規(guī)包裝線物料以下幾方面殺菌需求。①1～3 t/h處理量采用4 m2換熱器組合。②5 t/h處理量采用6～8 m2系列換熱器組合。③10 t/h處理量采用12～20 m2系列換熱器組合。④25 t/h以上處理量采用20 m2系列換熱器組合[4-5]。

①3段升、降溫系統(tǒng)可以有效進(jìn)行產(chǎn)品滅菌，使產(chǎn)品最終能夠達(dá)到工業(yè)無菌級的要求。設(shè)備將會配置兩臺輸送泵，一臺為循環(huán)泵，一臺為加壓泵，能夠保證滅菌后的酒液在管路中的壓力始終高于未滅菌的物料管路，保證系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏時，滅菌后的物料不會受到未滅菌物料的影響。②高效的自動控制閥門能夠在接受傳感器信號后于1 s內(nèi)完成動作，保證溫度控制的精準(zhǔn)性，有效保證產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約蒸汽及冷卻介質(zhì)的用量。考慮到系統(tǒng)中無菌的影響，管路設(shè)計(jì)嚴(yán)格參照排空及無殘留的要求，合理配置各組件之間的安裝距離，保證生產(chǎn)質(zhì)量。③控制系統(tǒng)。滅菌系統(tǒng)采用PLC系統(tǒng)精確進(jìn)行編程控制，使系統(tǒng)能夠精確控制，完成滅菌過程。

6 設(shè)備文件要求

基于制藥行業(yè)藥機(jī)設(shè)備的生產(chǎn)、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。食品、飲料行業(yè)產(chǎn)品也需要配備完善的可追溯認(rèn)證文件，有效地保證了設(shè)備產(chǎn)品的使用質(zhì)量。可提供的可追溯資質(zhì)文件一般包含驗(yàn)證主計(jì)劃、車間驗(yàn)收文件、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)評估、安裝確認(rèn)文件、風(fēng)險(xiǎn)分析表格、運(yùn)行確認(rèn)文件、功能設(shè)計(jì)說明、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)確認(rèn)文件、檢驗(yàn)報(bào)告及工廠驗(yàn)收文件[5]。

7 結(jié)語

HTST高效滅菌機(jī)組是一款技術(shù)成熟的啤酒、飲料行業(yè)的在線滅菌設(shè)備。機(jī)組系統(tǒng)內(nèi)配置了高效的換熱組件、潔凈輸送設(shè)備、高靈敏的傳感、反應(yīng)設(shè)備，以及邏輯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目刂葡到y(tǒng)，系統(tǒng)可以完成高效、安全的滅菌過程，實(shí)現(xiàn)自清洗過程，保證系統(tǒng)清潔；合理的系統(tǒng)組件選配使系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，節(jié)能高效；全面準(zhǔn)確的文件支持可以保證客戶通過驗(yàn)證，幫助生產(chǎn)。綜上所述，機(jī)組能夠成功應(yīng)用于液體產(chǎn)品的在線滅菌并實(shí)現(xiàn)工業(yè)無菌。