气调包装实验定量控制装置研究

2014-08-23张希栋阎春利

森林工程 2014年5期

张希栋，阎春利

(1.东北林业大学工程技术学院；2.东北林业大学交通学院，哈尔滨 150040)

气调包装作为一种主要的技术手段用于实现果蔬和食品保鲜功能[1]。其中，果蔬气调包装选用不同透气性和透湿性的薄膜包装果蔬产品，利用密封在包装内的不同比例混合气体控制果蔬的呼吸过程，达到延长果蔬保鲜期的目的[2-3]；食品气调包装应用调制的混合气体置换包装袋内的空气，进而改变包装袋内食品的外部环境，抑制食品中细菌微生物的生长过程，减缓食品的新陈代谢进程，达到延长食品保质期或货架期的目的[4-5]。目前气调包装已成为新鲜果蔬产品保鲜包装和食品保质包装的有效技术手段，得到国内外学者的高度重视并开展相关研究[6]。

气调包装的效果主要取决于包装机械的性能、包装材料的阻隔性、密封在包装袋内混合气体的成分等因素，同时还受如混合气体充入时间、混合气体充入压力、密封在包装袋内混合气体压力等工艺参数的影响。气调包装生产过程如何确定已调制混合气体的充入时间和能够定量控制密封在包装袋内混合气体的气体压力，是实现气调包装的效果和质量的关键问题。因此本文通过设计一种气调包装实验定量控制装置；利用实验室现有气调包装实验设备，研究定量控制和测量气调包装实验过程密封在包装袋内混合气体压力，确定混合气体的充入时间；以确保气调包装实验效果，并为气调包装生产过程提供实验数据。

1 气调包装实验

1.1 实验方案

气调包装实验流程主要包含调制一定气体比例的混合气体、抽出包装袋内原来的空气并保持一定的真空度、将调制好的一定压力的混合气体充入包装袋内和将包装袋封合等过程，如图1所示。

(1)混合气体调制。气调包装实验主要应用CO2、N2和O23种气体，并将3种气体(或其中的2种气体)按一定的比例混合生成混合气体，充入包装袋内。混合气体调制过程利用实验室的气体混合配制设备的控制系统实现，该系统主要由操作面板触摸屏、PLC控制单元、电磁阀、混合气体储存罐和调压阀等组成。在设备操作面板触摸屏上分别输入CO2、N2、O23种气体混合百分比参数，输入的气体混合百分比参数作为PLC控制单元计算的依据，PLC控制电磁阀调节3种气体的接通时间，保证3种气体按照设定的比例实现混合调制并储存在储气罐内。

(2)包装袋抽气。包装袋抽气过程使用实验室的平板式真空包装机，在设定的时间内将包装袋内的气体抽出，使包装袋内达到气调包装实验要求的真空度。在混合气体充入前保证包装袋内的真空度，可以降低包装袋内剩余气体对充入混合气体比例准确性的影响，提高气调包装实验的准确性。

(3)混合气体充入。混合气体充入过程利用真空包装机工作室内与气体混合配置设备的储气罐相连的气体充入装置，在设定的时间内完成混合气体充入包装袋。

(4)包装袋封口。混合气体充入包装袋完成后，在设定的封合电压和封合时间内完成包装袋封口过程。封口的包装袋内存储一定数量的混合气体，并保持一定的包装顶空体积，完成气调包装实验过程。

1.2 实验方案分析

上述实验方案的充气过程在包装机的工作腔内完成。由于混合气体充入装置与包装袋封口处在结构上不能保证完全密封，且混合气体充入过程包装袋内部与包装机工作腔内存在压力差，因此混合气体充入包装袋时包含部分混合气体扩散到包装机工作腔内的过程，主要表现为：

图1 气调包装实验流程

(1)充入的混合气体不能完全密封在包装袋内。气调包装实验充入混合气体过程在包装机工作腔内完成。充入混合气体前，包装机工作腔内经过抽真空过程，保证包装袋内的真空度和工作腔内的真空度相同，因而包装机通过测得工作腔内的真空度获得包装袋内充入混合气体时的初始压力；混合气体充入装置的出口压力由气体混合设备设定，密封在包装袋内混合气体的物质的量根据充入包装袋的混合气体状态方程确定。建立的混合气体状态方程包括：

在混合气体充入时间[t1，t2]内，充入包装机的气体状态方程分别为：

(1)

(2)

P1(t2)V(t2)=n3RT。

(3)

式中：P0为混合气体充入装置的出口压力，MPa；P1(t)为充气过程软包装袋内t时刻的混合气体压力，MPa；P2(t)为充气过程t时刻由软包装袋内扩散到包装机工作腔内的混合气体压力，MPa；d0为混合气体充入装置出口处工况孔径，mm；d1为包装袋内的混合气体向包装机工作腔扩散过程包装袋封口处折算的工况孔径，mm；n1(t)为充气过程内t时刻充入的混合气体的物质的量，mol；n2(t)为充气过程内t时刻由软包装袋内扩散到包装机工作腔内的混合气体的物质的量，mol；n3为混合气体充入过程结束时包装袋内混合气体的物质的量，mol；Qin(P0,P1(t),d0)为充气过程t时刻混合气体充入装置出口处的气体流量，l/s；R为气体常数，J@mol-1·k-1;T为体系绝对温度，k；V(t2)为充气结束时包装袋内的气体体积,l。

公式(1)表示由混合气体储存装置充入的混合气体状态方程，充入的混合气体的物质的量为：

(4)

公式(4)表示包装袋内的混合气体扩散到包装机工作腔过程的混合气体状态方程，扩散到包装机工作腔内的混合气体的物质的量为：

(5)

公式(5)表示充气结束时刻包装袋内的混合气体状态方程。由于充入的混合气体一部分扩散到包装机工作腔内，因此混合气体充入过程结束时密封在包装袋内的混合气体的物质的量n3为：

(6)

公式(6)表明，密封在包装袋内的混合气体物质的量n3不等于由混合气体储存装置充入的混合气体物质的量，即充入的混合气体不能完全密封在软包装袋内。

(2)不能准确测定充气结束时软包装袋内的混合气体压力。上述实验方案充气过程混合气体压力分布如图2所示。在图2中，P0(t1)为充气开始t1时刻充气装置出口混合压力，P1(t1)为充气开始t1时刻包装袋内混合气体压力，P2(t1)为充气开始t1时刻包装机工作腔内混合气体压力；P0(t)为充气过程t时刻充气装置出口混合压力，P1(t)为充气过程t时刻包装袋内混合气体压力，P2(t)为充气过程t时刻包装机工作腔内混合气体压力；P0(t2)为充气结束t2时刻充气装置出口混合压力，P1(t2)为充气结束t2时刻包装袋内混合气体压力，P2(t2)为充气结束t2时刻包装机工作腔内混合气体压力。

图2 充气过程混合气体压力分布

充入混合气体结束时，包装机压力表测得的压力值为包装机工作腔内的混合气体压力P2(t2)，并非为包装袋内的混合气体压力P1(t2)；因此该实验方案中包装机不能直接测量充气结束时包装袋内的混合气体压力，即不能通过控制包装袋内混合气体的压力实现定量控制密封在包装袋内的混合气体的物质的量。

2 定量控制装置的提出

2.1 定量控制装置结构

定量控制装置利用气动元件构建的气动控制系统实现，如图3所示。气动控制系统操作过程包括：

(1)保证包装袋内的空气被吸入气缸，并将吸入汽缸内的空气排出。

(2)将调制的混合气体吸入气缸和将吸入气缸的混合气体充入包装袋内。

图3 定量控制装置简图

(1)抽出包装袋内空气。首先关闭手滑阀2，防止存储在系统中的调制混合气体被抽出；打开手滑阀1，包装袋内的空气经压力表、连接件1、手滑阀1、单向阀1、连接件2、连接件4被抽出到气缸内；气缸内吸入的空气经连接件4、连接件2、单向阀2排出装置外，其中单向阀1防止气缸内的空气被充入包装袋内；压力表直接测量包装袋内的气体压力。

(2)充入调制的混合气体。首先关闭手滑阀1，防止充气过程混合气体经抽气通路回流到气缸；打开手滑阀2，打开手滑阀3，存储在混合气源内的混合气体经手滑阀3、单向阀4、连接件3、连接件4被抽出到气缸内；吸入到气缸内的混合气体经连接件4、连接件3、单向阀3、手滑阀2、连接件1、压力表被充入到包装袋内；压力表能够直接测量混合气体充入过程包装袋内的混合气体压力P1(t)，实验结束时压力表能够直接测量密封时包装袋内的混合气体压力P1(t2)。