工业化生产级超高压食品加工装备若干问题探讨

徐 鹏

(合肥通用机械研究院,合肥 230031)

工业化生产级超高压食品加工装备若干问题探讨

徐 鹏

(合肥通用机械研究院,合肥 230031)

简要介绍了超高压食品加工原理和工艺流程,重点对用于规模化生产的大型超高压食品加工装备系统若干技术关键包括超高压容器筒体结构、设计方法、装备系统配置与安全等进行了分析和讨论,并且有针对性地提出了设计技术解决方案。

超高压;食品加工;装备

1 原理与应用

利用超高压力 (≥100M Pa)对食品进行等静压处理,使其产生酶失活、蛋白质变性、淀粉糊化和微生物灭活等物理化学及生物效应,从而达到杀菌和改性的效果[1-2],这种食品加工方法对食品的风味物质、维生素、色素等没有影响,营养成分损失很少,特别适合对热敏性食品(哈密瓜、西瓜、番茄、苹果、草莓、黑莓等)、含活性成分高的食品(维生素、益生菌、不饱和脂肪酸、类胡萝卜素等)和鲜食的高附加值水产品 (海参、龙虾、牡蛎、金枪鱼等)等食品进行处理。

2 超高压食品加工工艺及装备构成

2.1 超高压食品加工工艺

根据固态食品和液态食品种类的不同,其加工工艺流程有所区别(详见图 1)。首先是对原料进行前处理,对固体和液体食品用小包装袋软包装,码放在篮筐中,然后顺序放入容器中。对液体食品物料:当以液体物料为工作介质时,可将一种或几种液体物料,同时用泵输入容器内;对大包液体的软包装,可直接吊进高压容器中的工艺支架上,选择工作介质并充满容器。超高压处理结束,将固体食品从容器中取出表面干燥后包装;工作介质是液体食品时,用泵注入无菌中间罐,然后进 行真空无菌包装(可避免二次污染)[3-4]。

图 1 超高压食品加工基本工艺流程

2.2 超高压食品加工装备系统构成

超高压食品加工装备系统包括主机 (超高压容器、管道系统及附属框架等)、压力发生系统(液压系统和辅助系统)、控制系统 (电气及控制系统)部分,详见图 2。各部分占总造价的比例大致为 50%～60%、30%～35%、10%～15%[5]。对于较小型的装备系统,可采用撬装模块式结构,将各部分组装为一体,单机即可实现加压和参数控制调节等单元操作,控制水平高,可实现数据自动采集、处理、分析和储存;其优点是结构紧凑,可轻易地进行拆装和维护;占地小,节省投资。因此具有操作维护方便、运行费用低和性能稳定等优点。

图 2 超高压食品加工装备系统构成

2.3 主机结构

主机是系统最为重要的部分,其结构型式与系统的压力来源、所加工处理的原料及其处理方式密切相关。

系统的超高压力来自于液压系统。有两种加压方式:外部加压,压力 100～300M Pa,可采用超高压泵直接加压;内部加压,当压力≥300M Pa,一般采用增压器来产生超高压。

根据所加工处理的食品原料固、液态不同,超高压容器按照开启与否,分为开启式和封闭式。而根据液压装置与超高压容器连接形式又分为分体式和整体式,前者是通过增压器将超高压力输入密闭的超高压容器内,后者则是将超高压容器顶盖作为增压活塞直接加压(如图 3所示)。

(a)分体式间接加压 (b)整体式直接加压图 3 超高压容器加压方式

整体式直接加压容器本体结构大,但不需要配置专门的增压器和超高压配管,整体性好,还可以杜绝油污染,较适合小型试验装置用;分体式间接加压容器本体结构小,昂贵的超高压容积利用率高,并且超高压容器采用静密封结构,密封性好,更适用于大中型生产装置。

3 大型食品加工生产用超高压装备关键技术

目前国外超高压食品加工装置技术发展很快,已实现通用型和专用型设备的定型化、标准化及批量化生产。日本 1989年就制造出 30台超高压试验机,居领先水平,已经形成超高压果酱、果汁、米饭及肉制品产业,在市场有很大的影响,而且整条生产线出口韩国、中国及其它地区。美国、英国等国家早在 1992年就开始生产商品化的超高压生物处理设备,现能为研究机构和工业生产企业提供几十种设备,压力可达 900M Pa,但这些设备价格比较昂贵,影响了该项技术的推广使用[6]。

与国外相比,我国超高压食品加工工艺和装备技术研究的差距非常明显,超高压技术仍然处在研究阶段,没有一种成熟的超高压加工食品推向市场。原因之一是受到试验及生产设备的限制,国外设备价格昂贵,而国内科研人员自行设计、组装的简易试验设备,在系统设计、设备选型、制造质量、使用维护上均有不足之处,难以理想地满足试验要求。目前国内也有 2～3家企业生产超高压食品加工设备,但其规模、产量都不大,产品主要用于研究试验。至今没有一种定型的超高压加工设备产品可用于食品规模化生产。

目前在全球范围内,食品的安全问题日益突出,消费者要求无害、营养、原汁原味的食品呼声越来越高。超高压加工技术能满足这一需求,不仅能保证食品中微生物方面的安全性,还能较好地保持食品固有的营养品质、质构、风味、色泽、新鲜度,显示出巨大的商业价值。随着我国人民生活水平的提高,健康绿色食品越来越被大众接受,超高压食品产业化与装备的大型化已成为食品研究领域与加工行业的必然趋势。有专家建议,“十二五”期间我国应重点开发工业化应用的超高压食品加工装备,建设万吨级果蔬汁超高压杀菌示范生产线,其装备规模要达到:

(1)单机超高压装备,最高承压 600M Pa、容量 500 L以上;

(2)连续化超高压装备,最高承压 400M Pa以上,单机流量 2L/m in以上。

从商业利益的角度看,大型超高压装备要尽可能满足有效容积大、外形尺寸小、重量轻、造价低的要求,同时还要求安全可靠、性能稳定。因此对装备系统各组成部分都应进行有针对性的研究与分析。

3.1 超高压容器

(1)筒体结构型式

超高压容器筒体结构包括单层厚壁筒体、双层或多层筒体、绕丝式筒体及层间充压式筒体等型式,多层容器的承载能力和安全性优于同样参数的单层容器。筒体结构的选择至关重要,结构型式不同,则受力状态与制造难易不同,决定了大型超高压容器的经济合理性与安全可靠性。对于较小型试验用超高压容器,多选择双层筒体结构,内筒采用不锈钢,外筒采用高强度结构钢,利用装配套合时内外筒之间的过盈产生预应力,使筒壁的应力分布比较均匀,从而提高了容器的强度。

超高压容器的大型化将使重量急剧增加。如承压 600M Pa、长径比为 2的超高压容器,容积200 L,重量 100 t,当容积为 300 L时,重量将超过150 t。将热套与绕丝两种筒体结构容积与重量进行对比,长径比为 2,最高承压 400 M Pa,容积100 L的热套结构,容器重量为 29 t;同样容积的绕丝结构,容器重量只有 9 t,不到前者的三分之一;如果绕丝结构的容器重量也为 29 t,则其容积增至 315 L,超过同样重量热套结构容积的 2倍[7]。再如前述的研究目标,最高承压 600M Pa、容量500 L的超高压容器按照长径比2,内径达到700mm、净高度 1400mm,如果采用单层或热套等多层结构,将面临着设计、材料和制造等诸多方面难题。所以对于这样规模的大型超高压容器采用绕丝结构是比较理想的选择。

绕丝筒体是一种综合性能较好的预应力式组合结构承压筒体,它是在内筒外壁缠绕多层扁形钢带(或圆形钢丝)制成,相同条件下绕丝容器的最大承载能力比整体容器提高 2倍。因食品卫生要求,内筒采用不锈钢,缠绕于内筒外壁的钢丝可用普通高强钢,重量轻,外形尺寸小;受力情况良好,缠绕应力易于控制、承载能力高,整体应力分布均匀;轴向载荷可由框架承受,内筒仅受双向应力,钢丝产生的预应力使内筒处于压应力状态下工作,抗疲劳强度高;结构具有自保护能力,即使内筒发生爆破,外层钢丝也不会断裂,使用安全可靠。

筒体结构型式的选择最终还是要根据超高压食品加工工艺、原材料来源、经济合理性以及制造厂能力等多方面因素来确定。

(2)设计方法与依据

国际上关于超高压容器设计规范有美国ASM EⅧ-3“高压容器建造的另一规程”,适用于包括 69M Pa(10000psi)压力以上的高压容器的设计要求,对其设计压力的上限没有规定;日本HPIS-C-103“超高压圆筒容器设计指针”,适用范围为 100～1000M Pa的压力容器。为了保证安全运行,防止和减少事故,我国国家质检总局于2005年 11月颁布了 TSG R0002-2005《超高压容器安全技术监察规程》,对超高压容器 (≥100M Pa)的材料、设计、制造、使用、管理、检验和安全附件等问题,提出了明确的要求和规定,作为对超高压容器安全监察和检验的依据。但是我国至今仍没有适用于超高压容器设计、制造和检验方面的国家标准。

超高压食品加工为间歇操作,加工时间一般不超过半小时,需要不断地进行升压—保压—卸压循环操作来完成连续化生产。按照 10年左右的设计寿命,循环次数约为 104～106次,因此在超高压容器设计时应当进行疲劳强度分析。

绕丝式容器的设计计算内容主要包括缠绕层及内筒外径确定、钢丝预紧应力计算、内筒稳定性校核、容器器壁应力分布及钢丝疲劳强度校核等[8]。由于超高压食品加工容器的内筒及钢丝材料如不锈钢和 65M n的屈强比较高,其失效多属剪切破坏,故钢丝缠绕采用等剪应力缠绕法,其内筒壁厚最小。采用的设计原则为“不允许内筒上出现拉应力”,因此内筒具有无限疲劳寿命。而缠绕钢丝承受交变拉应力,所以容器的疲劳寿命完全由绕丝层的疲劳强度决定。该设计原则的目的是为了提高容器的抗疲劳能力,但在过程计算中并没有对内筒及缠绕层尺寸确定、应力计算等进行充分地疲劳分析,只是对缠绕钢丝进行了疲劳强度校核,容易造成容器疲劳寿命不足或过剩,在设计计算时应予以考虑。

关于疲劳设计方法,美国ASM EⅧ-2“压力容器另一规程”及我国 JB 4732-1995《钢制压力容器 -分析设计标准》均按照安全寿命设计准则和先漏后爆失效模式,采用以最大主应力差为定义的应力幅度,在和使用材料疲劳设计曲线相对比的基础上进行疲劳设计。具体可按照规范上分析计算方法与原则进行设计分析,也可以采用有限元或实验方法进行分析。

特别需要指出的是,通过对国内外超高压容器的典型破坏事例分析不难发现,发生破坏的原因包括结构、材质、设计、制造和使用等多方面。所以应采用基于风险与寿命的设计(RBD)方法,就是在设计寿命(预定的使用寿命)内,考虑全寿命过程中动态服役条件下可能出现的各种失效模式和损伤机理产生的风险对容器安全性与寿命的影响,通过合理选材、改进结构设计,优化制造工艺等措施,在设计、制造早期控制和降低容器在全寿命过程中的风险,并结合从工艺流程及装备系统上采取的其他保障措施,使其安全服役到预定的设计寿命。这样既避免了容器因设计制造要求不足导致在使用过程中发生突然失效或者过早失效,也没有因要求过高造成不必要浪费,对保证超高压容器在设计寿命内的长周期安全使用意义重大[9]。

3.2 超高压泵与液压系统

液压系统由高压泵、增压器或超高压泵和管道、控制阀等组成 (图 2)。超高压泵与增压器是超高压发生设备的 2种形式,超高压泵采用轴向柱塞泵或径向柱塞泵;增压器的特点是低压控制、相对结构较为复杂。

与试验室较短时间试验不同,生产设备需要长时间连续工作,各部件在反复、频繁的高压冲击下容易出现系统发热、效率降低、故障率增加等一些问题,降低设备的可靠性和减少使用寿命;而且大型装备液压系统有关元件 (如柱塞、各阀件和管道等)口径尺寸也相应增大,加大了密封难度。超高压密封件的寿命大致为 200h,其失效多是由于磨损造成,压力越高、密封寿命越短。这些问题在设计时都应予以重视。

(1)超高压泵包括增压器的柱塞和缸体之间采用间隙密封,间隙小、加工精度高,工作状态下运动副之间磨损及油液的清洁度和温度都是影响正常工作的重要因素,容易造成密封破坏导致泄漏[10]。

(2)超高压系统配置的各类超高压控制阀门及仪表,与常规高压阀门和仪表相比,密封难度更大,对使用环境要求更严格,故障率也相应更高。

(3)循环升降压操作导致卸压阀受到超高压力液流频繁冲击、磨损极易损坏,密封失效。采用气动可控卸压阀加阻尼作为超高压卸压组件或设置无级调速卸压阀组实现多级卸压组合,可控制卸压速率,有效地减小超高压卸压液流冲击,使用寿命长,可靠性高,满足不同食品加工工艺的需要。

3.3 控制系统

控制系统主要有两个功能,其一,控制系统内所有部件的运转和动作,包括泵的启停,换向阀的换向,压力的调节,超压的保护和报警等;其二,操作数据的输入、显示、采集、记录和输出,包括时间、压力、压力 -时间曲线等。

控制系统采用可编程控制器(PLC)作为主控制元件。它减少了系统中电线电缆的接头数量,增加了系统的可靠性;而且使用 PLC,更改控制功能时仅需要更改控制程序即可,不需要更改系统的硬件和接线。控制系统使用计算机作为主控机,系统的启动、停止、运转和报警等均可直接通过鼠标点击显示器上显示的控制按钮或根据需要直接点击触摸屏上的系统控制元件来完成操作。系统的数据采集和控制参数设置部分均采用模块化编程方式来实现,由系统控制软件直接读取用户通过普通编辑软件自行生成的参数文件来实现压力、时间、数据采集的要求等各种参数的设置。

3.4 系统安全设计

操作工况下,包括液压系统在内所有过流部件均处在高压或超高压蓄能状态,一旦发生破坏,后果要比一般压力容器严重得多,而且一般食品加工企业对于超高压设备管理水平也相对比较低。为确保整个装备系统操作的安全性,在对每一部分功能设计时,还必须考虑其安全性,即所谓系统的安全设计。

(1)超高压容器运行安全监测装置。如在大型绕丝容器筒体外部保护薄壳上装设在线安全状态监控装置,一旦内筒发生泄漏,该装置能即时自动报警和泄压,防止造成更严重后果。

(2)安全保护屏障。在超高压工作区域如容器、超高压泵或增压器、管道等处设置安全防护罩,以免泄露时造成伤害,以确保操作人员的人身安全。

(3)超压保护。在液压系统通过溢流阀和调压阀调节系统的工作压力,以及在超高压管道上设置超高压安全阀,避免系统因非正常工况造成超压导致危险。此外其它控制阀也应设计自锁机构,以防止误操作或设备的意外动作。

(4)采用集成回路。液压系统采用集成阀块,除了具有液压阀本身功能外,还兼起介质通道的作用;超高压回路采用液压回路块。优点是最大限度地缩短管路长度和减少泄漏通道,各接口尺寸统一,也便于更换及维修。

4 结束语

超高压装备技术在我国应用范围非常广泛,包括石油化工、等静压、粉末冶金和金属挤压成型等,对其研究比较深入,也具备相当的技术基础。通过食品工艺、压力容器、液压与控制等多专业协作攻关,相信在不久的将来,必然会开发出具有我国自主知识产权的超高压食品规模化加工装备。

除文中提到的部分关键技术外,建议在以下几个方面开展研究:

(1)有针对性地研发适应超高压食品加工需要的新型超高压容器结构,满足容器有效容积大型化,外体积小型化,重量轻型化的要求,以降低设备投资,提高效益。

(2)超高压食品加工为间隙操作,食品进出容器的速度对生产效率的影响至关重要,所以需要密封可靠的快开门结构;传统的超高压密封结构拆装相当困难,劳动强度大,难以适应生产需求。因此需对新型超高压容器快开门结构进行研发,要求拆装快捷、密封可靠、能实现连锁和自动报警。

(3)制定超高压容器国家标准,对相关技术内容提出更为详尽的规定,进一步指导和规范超高压容器的设计制造。

[1]赵立川,唐玉德,祁振强,等.超高压食品加工及其装置[J].河北工业科技,2002,19(2):21-28.

[2]梁彦,赵鹏.高压技术及其在食品加工中的应用[J].包装与食品机械,2004(1):40-44.

[3]肖庆升,朱勉学.国内外食品超高压加工技术 [J].食品研究与开发,2004,25(1):22-28.

[4]夏远景,薄纯智,张胜勇,等.超高压食品处理技术[J],食品与药品,2006,8(02A):62-67.

[5]贾培起.超高压实验机及生产设备的选型[J].食品研究与开发,2005,26(2):151-155.

[6]陆怡,颜惠庚,沈士明,等.超高压生物处理技术及装备研究进展[J].食品与机械,2007,23(5):109-111.

[7]彭超英,曾庆孝,陈柏暖,等.食品超高压处理容器的发展[J].中国机械工程,1996,7(4):54-55.

[8]陈国理.超高压容器设计[M].北京:化学工业出版社,1997.

[9]陈学东,王冰,艾志斌,等.以风险与寿命为基准的承压设备设计与制造[J].压力容器,2007,24(10):1-5.

[10]毛智勇.超高压钢筋挤压连接机液压系统改进研究[J].液压与气动,2001(4):6-8.

D iscussion on Som e Prob lem sabou t Industr ia l-sca le Super-h igh Pressure Food Processing Equ ipm en t

XU Peng
(HefeiGeneralM achinery Research Institute,Hefei230031,China)

By briefly introducing the p rincip le and technical flow of super-high p ressure food p rocessing, this paper is particu larly em phasized on the analysis and d iscussion of the key technical issues of large-scale super-high p ressure food p rocessing equipm ent form assm anufacturing,this issues inc luding the shell structure of super-high p ressure,designm ethod,equipm ent configuration and it’s safety.The paper has also p rovided pertinent technical so lutions.

super-high p ressure;food p rocessing;equipm ent

2010-10-12;

2010-10-20

徐鹏(1968-),男,博士,研究员,主要从事化工装备的科研、产品开发。通讯地址:230088合肥市高新区天湖路29号通用机械研究院,E-m ail:xum ixu@163.com。

TS203;TS205.9

A

1005-1295(2010)06-0054-05

do i:10.3969/j.issn.1005-1295.2010.06.013