全自动连续式杀菌釜的创新设计

张 亮,邵潍淮,陈久文

(中天昊宇科技股份有限公司,上海201712)

设计探讨

全自动连续式杀菌釜的创新设计

张 亮,邵潍淮,陈久文

(中天昊宇科技股份有限公司,上海201712)

杀菌釜广泛应用于我国食品加工行业。本文介绍了一种采用创新结构设计的连续式杀菌釜,论述了新型杀菌釜的设计原理和节能效果,比较了普通杀菌釜与新型连续式杀菌釜的差别,新型杀菌釜不但可以提高产品的杀菌质量,同时减少了杀菌时蒸汽的消耗量,从而达到提高食品生产企业综合效益的目的。

连续杀菌;节约蒸汽;产品质量;效益

鉴于我国食品行业发展的历程和现状,如今绝大多数食品企业所采用的食品二次高温杀菌设备都是间断性分批次装卸的杀菌釜,这类杀菌釜的结构、规格种类多样,例如上喷淋式杀菌釜、侧喷淋式杀菌釜、全水式杀菌釜、蒸汽式杀菌釜等。但这些间断性分批次杀菌的杀菌釜有着一个难以逾越的结构性障碍,每次杀菌一定要等到食品全部装满杀菌釜后才能开始杀菌。这就带来一个问题:食品罐装或包装工序的生产是逐个进行的,而杀菌釜则是一批一批对产品进行杀菌的。每批杀菌的产品在包装工序中要有一定的时间间隔。每批中首先包装出的产品在等待最后一只产品的过程中,物料中的细菌难免会继续繁殖,这就给后续的杀菌工序和车间的温度环境带来了更高的要求,使整批产品的杀菌强度都要加大。由于杀菌强度的加大,使得产品在高温环境下停留的时间加长,高温破坏作用也随之加大,从而降低了产品的综合品质(高温将导致产品色、香、味品质的下降)。最理想的方式就是产品包装完毕后就立即进行杀菌,在杀菌前使物料内的细菌原始数量处于尽可能低的数量水平,并且所有的被杀菌产品的原始细菌含量尽可能的一致,使杀菌强度刚好达到要求为最佳。我们设计的连续式杀菌釜从食品杀菌的工艺角度来考虑就很好地解决了这一问题。

1 全自动连续杀菌釜组成部分

在全自动连续杀菌釜中,被杀菌产品在进入连续式杀菌釜罐体以后可以连续快速地完成升温、保温杀菌和降温冷却过程。图1是全自动连续式杀菌釜及外围配套输送与装卸笼盘装置的整体示意图。的温差达到了最大值,所以热量由制品表面向中心传递的速度也达到了最大化,这又进一步地缩短了被杀菌产品在高温阶段所需要停留的时间。

图1 全自动连续式杀菌釜的外形示意图

由于热水舱和冷却舱处于同一个容器内,所以被杀菌产品在整个的杀菌过程中始终是处于同一个压力之下,这就特别适合于高温蒸煮袋包装类的产品进行杀菌和一些其它结构形式的软包装类产品的杀菌。杀菌釜内压力的确定原则是根据被杀菌食品包装材料特性和被杀菌产品所需要的杀菌温度共同来确定的,但杀菌罐内的压力至少要高于对应于杀菌温度时水的汽化压力约0.02～0.04MPa。这主要是为避免水的汽化和防止被杀菌产品包装材料内物料中剩余气体由于受热而膨胀。从热传递的角度和被杀菌产品感官品质的角度来讲(特别是对于软包装类产品)适当的提高压力可以使被杀菌产品的质地更加致密。对于金属易拉罐类包装的产品,可以采取在杀菌釜内调整冷却结束温度的方式来达到压力的适应,因为金属罐有一定的强度,可以承受一定的内、外压力的变化。

1.2 传动部分

传动部分由驱动装置和链条传动装置组成。杀菌笼盘从热水端的过渡舱进入杀菌釜罐体内后(见图2所示杀菌笼盘运行轨迹),杀菌全程都是在同一组链条的驱动下运行的。由于过渡舱是位于杀菌釜的下部,所以杀菌笼盘在通过过渡舱以后就直接进入杀菌舱的高温热水中。为了在一定尺寸的罐体内使笼盘的运行时间达到相应的杀菌时间,杀菌笼盘在连续杀菌釜内运行的轨迹被设计成一条曲回的折线形式,以便延长笼盘在罐体内的行走距离。杀菌笼盘从热水舱运行到冷却舱是在图2中所示隔板以上的空间(杀菌笼盘此时已经从水中出来)通过的,当进入冷却舱以后,杀菌笼盘即刻由冷却水进行冷却。

为了减小链条的磨损,延长其使用寿命,采用了分段驱动、各驱动轴以相同的扭矩输出传动力的动力加载形式。各个传动电机的运行参数由控制器统一监控与调整,保证了各个传动轴动力传递的均衡一致。

通过改变链条的运行速度,就可以连续、均匀地改变被杀菌产品在热水中停留的时间,也就达到了改变杀菌时间的目的。

1.3 杀菌笼盘部分

特殊设计的笼盘,其产品的装载形式与现有

连续式杀菌釜的整体结构主要由以下几部分所组成:

1.1 罐体部分

罐体部分由杀菌的热水舱和降温的冷却舱组成,在全自动连续杀菌釜罐体内(见图2),一端是热水杀菌舱,另一端是降温冷却舱,中间用隔板将杀菌用的高温水与冷却用的低温水加以分隔,热水杀菌舱和降温冷却舱共同组成了一个密闭的高压容器,在正常的杀菌过程中利用向杀菌釜罐体内注入压缩空气或排出杀菌釜内气体的方式来稳定地维持杀菌釜罐体内的压力,使之保持在杀菌工艺要求的压力数值范围内。从入口端过渡舱进入的装有产品的笼盘直接进入处于杀菌温度(例如121℃)的高温热水中,这样对于产品的整个杀菌过程来讲就几乎没有了升温的阶段,故而极大地缩短了被杀菌产品处于高温阶段的时间。同时由于产品是直接进入高温水中,制品中心与表面的各类杀菌釜几乎一致,这在制订杀菌工艺时为创新设计的全自动连续杀菌釜与现有的各类包装形式产品的衔接创造了极为有利的条件。对于各类型的食品企业,完全可以在不改变现有产品的前处理工艺和市场销售包装形态的前提下,直接引进连续式杀菌釜,用来强化杀菌阶段产品的质量和提高企业综合经济效益。

图2 全自动连续杀菌釜罐内部示意图

1.4 高效的能源利用和节能装置

在连续式杀菌釜整体设计当中充分考虑了运行过程中降低能源消耗的问题,不但能源利用率得到了很大地提高,还由于其特殊的结构设计,通过一定的装置还可以将杀菌后产品所携带的余热加以回收利用(而其他类型的杀菌釜仅仅是将产品降温,这部分热量被白白浪费掉),这一点在其他类型杀菌釜当中几乎是无法实现的。

从图3中我们可以看到,冷却水与被冷却的产品相互之间是逆向运行,冷却效果显著、冷却水耗量显著降低、大量的余热可以被回收。当产品杀菌结束被输送到冷却段时,采取的冷却方法是分步逆流冷却的方式。冷却水从产品将要被送出冷却舱的部位注入,其流动方向是逆行于产品运行方向的,冷却水从冷却水入口处进入杀菌釜以后在隔板的限制下流动的路径是与杀菌笼盘的运行方向是相逆的,这样设置的结果对于被杀菌产品来讲所接触到的冷却水温度总是比自身的低,而对冷却水来讲所遇到的产品温度都是高于自身温度的,这样就最大限度地发挥了冷却水的降温效果。冷却,热水接盘将这部分温度较高的冷却水收集起来,这样就可以获得大量温度较高的冷却水。利用这些温度较高的冷却水所携带的热量可以做许多其它的事情,例如通过换热器来加热工厂里的器皿清洗用水、加热职工卫生用水、冬天时车间或办公室的采暖循环用水、给溴化锂制冷机提供热源等等。普通杀菌釜是无法利用被杀菌产品在杀菌结束后所携带的余热的,而连续杀菌釜则使能源的重复利用率大为提高。

1.5 过渡舱部分

过渡舱的作用是将杀菌笼盘输送到连续杀菌釜内及从连续杀菌釜内将杀菌笼盘输送出来。特殊设计的产品进出杀菌釜罐体的过渡舱结构,保证了产品杀菌工艺平稳、顺畅的进行。

过渡舱的结构如图4。过渡舱在连续杀菌釜中是一个非常关键的部件,它的作用主要是使载着被杀菌产品的笼盘从连续杀菌釜外面的常压、常温的环境逐步运行过渡到连续杀菌釜内部的高压、高温环境中。因为是连续杀菌,连续杀菌釜内部的高压气体和高温循环水是不可以泄露出来的,所以杀菌笼盘要首先进入过渡舱内,然后关闭过渡舱外门,待过渡舱内的压力和杀菌釜罐体内的压力相等后,再开启过渡舱的内门将杀菌笼盘输送到杀菌釜内进行杀菌。反之,冷却段的过渡舱则是要平稳地将载有已经杀菌好的产品从连续杀菌釜内的高温环境输送到连续杀菌釜外面的常压环境。

图3 冷却水与被冷却的产品相互之间运行

图4 过渡舱的结构

通过图3我们还可以看到,在冷却舱的水位的中上部,将温度已经升高了的冷却水抽出一部分,对刚从热水舱被传送过来的产品进行喷淋式1.6 循环水的在线过滤装置

特殊设计的固体杂质在线过滤装置和漂浮油污在线清除装置,延长了杀菌循环水的使用周期。

在正常的杀菌过程当中,很难避免产品包装破损现象的发生。由于是连续式杀菌釜,循环水的使用更换周期希望是达到最大化,这就要解决将破损产品所产生的杂质从循环热水中清理出去的问题。为此专门研制了适应连续杀菌釜使用的在线过滤装置,很好地解决了这一问题。

图5 循环水在线过滤装置

(3)考虑到国内现有各个类型食品企业的多样性,全新结构设计的连续式杀菌釜具有多种尺寸规格和结构形式,可以根据客户产品的不同进行具有针对性的结构设计和配置更改,以适应不同需求的各类客户。

3 节能效果和特点

由于巧妙的整体结构设计,这套连续杀菌釜从升温加热到冷却降温都体现了很好的节能效果,可以为食品企业的节能降耗发挥明显的作用。

(1)首先是保温措施的强化处理,保温层的厚度达到了100mm,将环境散热的影响降到了最小限度;

(2)在正常的杀菌过程中,连续式杀菌釜的热水舱内循环水的温度被恒定地控制在杀菌保温所需要的温度。每次进入杀菌釜内的杀菌笼盘及携带的被杀菌产品的总质量只有循环水总质量的约1/150,这样少数量温度较低的物品进入杀菌釜罐体内所引起循环水温度的变化是非常微小的,对热水舱内循环水的整体温度所引起的变化波动是超不出控制范围的;

(3)在循环水的加热方式上,采取的是间接加热的方式,使局部水温的变化更趋平稳。对于进入杀菌釜内的笼盘,在其运行路径的初始阶段(温度较低的产品刚进入连续式杀菌釜罐体内的部位)有针对性地在局部增加加热强度,使得产品的升温速度进一步提高。由于是间接的加热,则可以回收大量纯净的冷凝水,这些冷凝水都是纯度非常高的软化水。食品企业的管理者都知道,循环水中的钙镁离子受热所形成的水垢对产品感官品质的负面影响是非常大的。企业往往要投入很大的人力物力来解决水垢对产品外观的影响。我们在设计连续式杀菌釜时充分考虑到了这个问题,对循环水采用间接加热的形式,将加热保温所耗用的蒸汽冷凝水全部加以回收,用以定期更换杀菌釜内热水舱中的循环水。这不但解决了水垢对被杀菌产品污染的难题,还节约了大量的杀菌用循环水。

(4)由于在一个罐内设置了热水舱和冷却舱,在需要更换热水舱内的循环水时利用逆流式换热器,在排除热水舱内的热水时,通过换热器利用准备排放掉的循环水所含有的热量将新进的循环水加热并暂存在冷却舱内,这样在日常的生产

在图5所示的循环水在线过滤装置中,当正常的循环水流动时,反冲控制阀处于开启状态,杂质排出控制阀处于关闭状态,循环水从循环水入口进入通过反冲控制阀后经循环水过滤网将杂质过滤后由循环水出口流出。当循环水过滤网处存有杂质时,关闭反冲水控制阀,同时开启杂质排出控制阀,循环水将通过循环水反冲过滤网和反冲水流通管道后,大部分循环水由循环水出水口流出,但由于杂质排出控制阀的开启,一小部分循环水将从循环水过滤网处反向流动,并且携带着被滤网阻挡住的杂质从杂质排出口流出,这样就达到了不停机在线过滤得目的。

2 全自动连续式杀菌釜的应用优势

(1)随着许多企业的发展壮大,其产量也在同步的提高,但按现有的各类间断性杀菌釜所设计的产品在生产车间内的物流路线,从笼盘的装卸、输送、空笼盘的储存等都会占据大量的场地。此次设计的连续式杀菌釜,则可以突破这一瓶颈工序,从包装线传送过来的产品可以直接摆放到杀菌笼盘中并在很短的时间内迅即被送入连续式杀菌釜中进行杀菌。另一方面,装满杀菌结束产品的笼盘在卸出产品后就立即被再次摆放入待杀菌的产品,这就最大限度地减少了生产场地的占用和物品流动所占用的场地。

(2)由于全新的连续杀菌釜所具有的特殊结构设计,可以很好地与各类产品的笼盘装卸、输送装置相适应,这就为生产不同类型产品的食品企业采用连续式杀菌釜创造了非常有利的条件。当中又可以回收大量的热能。

(5)特殊设计的过渡舱结构,保证了杀菌釜内杀菌过程的平稳运行。由于杀菌釜的热水舱内循环水的温度始终被稳定地保持在杀菌所需要的温度,且连续式杀菌釜罐体内的压力也被始终保持在一定的数值,杀菌笼盘的进或出都要避免杀菌釜内压力的较大波动,这对过渡舱来讲都提出了相当苛刻的要求。通过精心设计过渡舱门的启闭形式和密封形式,我们很好地解决了这一难题,使得杀菌笼盘的进出自如、密封可靠。

(6)由于是连续式的杀菌过程,在杀菌循环水的管道中设置有在线过滤装置,一旦过滤到破损产品所产生的残渣等杂物,即可随时予以排出而不影响正常的生产,这样就延长了循环水的使用周期,相应地也就节约了由于更换循环水所产生的能源损耗。

(7)在杀菌保温阶段结束前的一段时间,被杀菌产品所接受的循环水是以喷淋的形式喷洒到产品上的,由于循环水是从杀菌釜的底部抽出来的,基本没有漂浮的油污,循环水对产品进行喷淋,这样可以最大限度地减少破损产品所产生的油污对被杀菌产品所带来的影响,减少了杀菌后清洗产品表面的工作量,同时也延长了杀菌循环水的使用周期。

4 与普通杀菌釜的性能对比

同普通杀菌釜相比,使用全新结构的连续式杀菌釜,可给企业带来较大的经济效益(相关数据来自国内某知名大型食品企业),如表1所示。

表1 连续式杀菌釜同普通杀菌釜的比较

5 结束语

全自动连续式杀菌釜是一台完全从我国国情出发,采用多项独创的结构来进行设计的,具有非常宽阔的产品适应性,可以对火腿肠类、高温蒸煮袋类、塑料杯类、塑料瓶类、易拉罐类产品等进行定压式杀菌。由于采用了特殊的独创设计,同普通的杀菌釜相比,在设备运行过程中可以节约大量的蒸汽,减少生产车间的占地面积和操作人员的数量,总之,采用这种连续杀菌釜对提高企业效益和社会效益将带来很大的促进作用。

[1]天津轻工业学院,无锡轻工业学院合编.食品工艺学[M].北京:中国轻工业出版社出版,1984.

[2]无锡轻工业学院,天津轻工业学院合编.食品工程原理(上)[M].北京:中国轻工业出版社出版,1987.

[3]张德善,项占胜,邵潍潍.试论食品杀菌工艺与新装备[J].包装与食品机械,2010,28(3):46-49.

Innova tive Design of Automa tic Con tinuous Autoclave Ster ilizer

ZHANG Liang,SHAO Wei-huai,CHEN Jiu-wen
(CNZH Technology Co.Ltd.,Shanghai201712,China)

The sterilizerwidely app lies in our country food p rocessing p rofession.The article introduces the innovative structuraldesign of new continuous autoclave sterilizer and p rincip le of design and the energy conservation effect.Compared with ordinary sterilizerand new continuous-type sterilizerdifference,the new one imp rove the quality of the sterilization p roducts,while reducing the consump tion of steam during sterilization, consequently imp rove the comp rehensive benefits of food p roduction enterp rises.

continuous sterilization;energy-saving steam;p roductquality;efficiency

book=4,ebook=50

TS203

A

1005-1295(2010)04-0026-05

10.3969/j.issn.1005-1295.2010.04.006

2010-05-27;

2010-06-07

张亮(1969-),男,温州市天宇轻工机械有限公司总经理,工程师,从事食品杀菌设备的研制及管理工作。