食用植物油充氮系統工藝設計與應用

◎ 童愈元，蔣守業，余華峰

（國糧武漢科學研究設計院有限公司，武漢 430079）

在儲存、運輸與灌裝等環節，食用植物油中飽和程度較低的脂肪酸甘油酯的穩定性差，易發生氧化酸敗。各種油脂長期儲存后都會出現不同程度的氧化酸敗，油脂氧化后先產生過氧化物，而后分解或聚合成多種產物，如醛類、酮類、醇類等，從而導致油脂風味劣變。過去為中斷氧化反應，阻止形成過氧化物，以防止油脂酸敗，通常采用添加抗氧化劑。但是天然抗氧化劑的成本較高，而氮氣作為一種易制作且性質穩定的惰性氣體，能有效將油脂與氧氣隔絕，從而提高油脂穩定性，繼而延長油脂的保質期。

1 充氮系統工藝

現有充氮系統工藝主要有罐頂氮封充氮、罐底循環充氮、油罐進油口在線充氮3 種方式，下面一一介紹3 種工藝方式的優劣。

1.1 罐頂氮封充氮

罐頂氮封系統如圖1 所示，氮氣在充入罐體之前需進行減壓，壓力一般為1 kPa 左右，通過1 組減壓閥和大管徑與罐頂連接，使油罐頂部充滿氮氣，起到隔絕氧氣氮封的作用。

圖 1 罐頂氮封充氮示意圖

為保持油罐頂部氮氣壓力穩定，對氮封系統加以控制，裝置配備氮氣調節閥與呼吸閥。當油罐出油時，開啟出油口閥門，罐內液位下降，此時，增大氮氣調節閥開度，向罐內補充氮氣使液面上方壓力增加到設定值，而當出油的速度過大，氮氣來不及補充時，此時呼吸閥可自動開啟并吸入空氣來維持壓力穩定；當油罐進油時，關閉出油口閥門，開啟進油口閥門，罐內液位上升，氣體部分容積減小，氮氣壓力上升，此時氮氣調節閥自動關閉，為保持壓力穩定，在壓力控制器作用下，呼吸閥向罐外排出氮氣，使液面上方壓力降低到設定值。此套裝置的壓力安全保障系統全靠呼吸閥來實現，所以，應在罐頂設置2 套呼吸閥。為防止呼吸閥和氮封系統同時失靈，出現儲罐內超壓或負壓的情況，還可采取從罐頂接入管道至液封罐，這樣又需要多增加1 套裝置，從而增加成本，此功能都可通過設置2 套呼吸閥來完成。在罐頂管道連接上，氮氣供氣管接口需遠離呼吸閥接口，并由罐頂部插入儲罐內約200 mm，這樣氮氣進罐后不直接被排出，以達到氮封目的。

1.2 罐底循環充氮

罐底循環充氮即油罐內先進油，而后將氮氣從罐底通入罐內，其原理是使氮氣與油充分混合，循環一定的時間，從而替換排出油中所溶解的氧氣，進而融入油中的氮氣在溢出的過程中，逐步替換液面上部空間的空氣。在這個過程中，使得油罐中油和空氣中的氧含量降低，從而抑制油脂氧化、提高油脂的穩定性[1]。其充氮工藝一般有2 種方式：①通過輸油管道，從油罐下部直接充入氮氣的方式進行。此時進油管伸入罐中心底部，利用底部進氮氣的壓力使罐內油品翻滾，達到強行替換氧氣的作用。②如圖2 所示，在油罐邊上設置溶氣泵，將油罐內的油循環，在溶氣泵的進口泵腔內通入一定量的氮氣，使油與氮氣充分混合。通過進油口將植物油輸送至油罐內，當油品的液位到達一定高度后再啟動溶氣泵，溶氣泵在運轉時，通過信號控制打開電磁閥，將調節過流量與壓力的氮氣通過進氣接管進入溶氣泵腔體，同時，與從油罐側邊出口進入溶氣泵的植物油在泵內加壓混合，而后通過溶氣泵與罐內循環管，將其泡狀氣液混合物輸送至油罐底部，從而置換溶解于油中的空氣，繼而油脂沉淀，氮氣與空氣向上穿透油層，釋放至液面上部空間，并從呼吸閥中排出，在此反復循環過程中，將油中的氧氣逐漸置換，同時，液面上部剩余空間的空氣也被氮氣替換而排出[2]。

圖 2 罐底溶氣泵循環充氮示意圖

1.3 油罐進油口在線充氮

油罐進油口在線充氮是指在油罐進油的過程中，將氮氣直接充入進油管道，使油與氮氣一起進入罐內，使罐內充滿氮氣，起到充氮和氮封作用。圖3 為進油口在線充氮示意圖，如圖3 所示，在線充氮系統包括充氮管、油氣混合裝置與呼吸閥。充氮管接于安裝在進油管上的油氣混合裝置，氮氣通過此裝置可實現進油的同時，將油與氮氣進行充分混合，而后一起進入油罐中，從而實現在線充氮的功能。其氮氣逸出置換氧氣的原理與罐底循環充氮一樣。為保證油罐壓力穩定，安全進出油，同樣需要在罐頂設置2 套呼吸閥，其原理也與以上2 種方式一樣。

圖 3 進油口在線充氮示意圖

對于以上充氮系統的氮氣計量控制系統，一般設置如下：氮氣→手動調壓閥→單項節流閥→氣體流量計→電磁閥→氮氣。

以上形式充氮系統的油罐都需設置呼吸閥、微壓壓力變送器，對油罐內的壓力進行監測，以保證油罐的安全使用。

2 不同生產環節適用的充氮系統工藝

2.1 油脂儲存

在油罐內儲存的過程中，油脂一直保持在靜置狀態，油脂中的水分、雜質會沉積到罐底，形成沉積物，靜置的油脂僅有油面與頂部氣體接觸，接觸面小。當采取罐底循環充氮時，油罐內的油脂會產生翻滾，沉積在罐底的水分、雜質會重新混合，增大了油脂與罐內氣體的接觸概率，在緩解油脂氧化方面，其效果不如罐頂氮封充氮工藝理想。所以，在一般儲存油品的環節，采取進油口在線充氮的方式較合適，在儲存一級成品油的油罐內，采取進油口在線充氮與罐頂氮封相結合的方式。

2.2 食用油調配

在食用油調配的工藝系統中，成品油需要在罐內進行循環，調配為調和油，此時油品不是靜置儲存的狀態，而是不斷混合、攪動的狀態，所以，選擇配置溶氣泵的罐底循環充氮系統較合適。

2.3 食用油灌裝

在食用油灌裝階段，使用氮氣將瓶內的氧氣置換出來，不僅可以防止油脂氧化，還可增加瓶內的壓力，使其大于大氣壓力，從而有效減少憋瓶現象。在灌裝前進行在線充氮[3-5]，融于食用油中的高純度氮氣在灌入瓶內時氣液分離，隨著油瓶內的液位上升，食用油中的氮氣持續被排出，瓶內的空氣被迅速排出，其含氧量也逐漸減小，以此提高瓶裝油的穩定性。此種方法可操作性比較強，也無需配備較多成套設備，對灌裝機也沒有什么特殊要求，是目前灌裝線應用較廣泛的方式。

2.4 吹掃工藝

在油罐與管道更換油品時，需要將管道內的油吹回油罐排出，或是將附著在管道內的殘油清除干凈，也需要使用高流速的氮氣進行吹掃，從而既可以減少因更換油品而造成的新老油品的混合污染程度，又可通過吹掃充入的氮氣而降低管內壁的金屬氧化速度，所以，使用氮氣吹掃管道比壓縮空氣吹掃更加適用于成品油系統。

3 結論

充氮系統被廣泛應用于食用油的儲存、調配、灌裝與管道吹掃工藝中，以保證油品的品質，對減緩油脂的氧化酸敗起到了積極的作用。綜上所述，對于中長期需要儲存的油脂，采取罐頂氮封工藝；對于需要進行調配的油脂，采取配置溶氣泵的罐底循環充氮系統工藝；對于一般生產運輸特別是灌裝的系統，采取進油口在線充氮工藝；對于清除管道內的油脂或者更換油品則使用氮氣吹掃工藝。