一种节能高质饮料杀菌控制系统

孙雅慧　陈兆国

【摘 要】饮料是人们生活中不可或缺的一类美味的饮品。它可以弥补了膳食中营养成分的不足，还可以助消化、润肠道。关于饮料杀菌，一是要求殺死饮料中所污染的致病菌、腐败菌，破坏饮料中的酶而使其在特定的环境下有一定的保存期；二是要求在杀菌过程中尽可能地保护饮料中营养成分和风味。现有的技术进行杀菌时，杀菌效果不好、破坏成分大、而且耗能高。本文提出一种节能高质饮料杀菌控制系统，所述控制系统通过温度传感器、分层温度采集系统、控制系统、控制配方的确立、杀菌评价算法与饮料品质评估体系和操作平台各个环节相互配合来实现节能的控制系统，使之在降低杀菌系统能耗的同时，还可以达到杀菌效果最优、口感与风味稳定性最佳、有效成分破坏最小的效果，有较好的前景、适宜推广。

【关键词】节能；温度传感器；控制系统；杀菌评价算法

0 引言

饮料[1]一般含有各种碳水化合物、蛋白质、维生素等营养，特别适合多种微生物生长繁殖，为保证饮料的口感与风味在货架期内保持稳定，饮料在生产过程中必须进行杀菌处理。杀菌可分为物理杀菌和化学杀菌两类。物理杀菌是通过加热、高压、紫外线等物理方法将微生物杀灭的过程。化学杀菌是通过化学药剂与微生物接触使其失活或死亡的过程[2]。

饮料料液的杀菌一般采用物理杀菌，超高温瞬时杀菌（Ultra-high temperature instantaneous sterilization，UHT）是饮料料液的杀菌的常用杀菌方法[3]，将经前处理的饮料料液灌装进包装容器前迅速升温到135℃以上，持续2s-15s后迅速冷却至灌装温度（90℃以下），在此过程中饮料料液中的微生物及芽孢被杀灭同时钝化生物酶。因超高温瞬时杀菌技术高温维持时间短，饮料料液经高温瞬时杀菌后营养物质损失较小，口感色泽比经巴氏杀菌的料液要好。现有的技术进行杀菌时，杀菌效果不好、破坏成分大、而且耗能高 ，所以急需寻找针对不同饮料料液杀菌的最优工艺过程，以求达到杀菌效果最优、口感与风味稳定性最佳、有效成分破坏最小、能耗最低的目的。

1 系统介绍

为解决上述不足，本文提出一种节能高质饮料杀菌控制系统，使之在降低杀菌系统能耗的同时，还可以达到杀菌效果最优、口感与风味稳定性最佳、有效成分破坏最小的效果，有较好的前景、适宜推广。该系统通过温度传感器、分层温度采集系统、控制系统、控制配方的确立、杀菌评价算法 与饮料品质评估体系和操作平台各个环节相互配合来实现功能。

1.1 温度传感器和分层温度采集系统

通过将温度传感器合理地分布来检测杀菌系统各冷却、预热和加热节点的温度，然后通过分层温度采集系统 ，实现温度快速精准的采集，对不同饮料品种通过实验法建立控制配方，根据相关饮料的控制配方所提供的参数实现对蒸汽温度、蒸汽流量、饮料流量、杀菌时间、冷却预热循环水流量和冰水流量的精确控制。在本文方案中，温度传感器为30ms液体响应时间的负温度系数（Negative Temperature Coefficient，NTC）温度传感器。

1.2 控制系统和控制配方的确立

控制配方的确立主要在生产过程中通过预设控制参数来改变杀菌时间、杀菌温度和流量，建立对应数据表，分别根据实验检测数据来确定具体饮料的最优控制配方，即所述饮料的各种有效成分、稳定性、香气、滋味、色泽和状态等指标达到最佳。通过在生产实践中总结得出：最优控制配方的提炼一般需要一年左右。

该饮料最优的控制配方主要根据饮料品种（葡萄汁、苹果汁）杀菌的历史经验，将循环水流速、杀菌时间、杀菌段温度、冰水流量经验值的上下10%作为试验区间，循环水流速分5个间隔，杀菌时间分3个间隔，杀菌段温度分3个间隔，冰水流量分3个间隔，建立实验数据表，总共45组数据，通过饮料品质综合评估小组选出两个最优配方。

1.3 杀菌评价

根据饮料的最优配方进而来高精度控制杀菌时间和温度，在保持杀菌时间和温度恒定的前提下，依据温度梯度的分布要求，通过调节冷却罐和预热罐的容积、循环水的流速、加热管的功率，实现所需的温度梯度分布要求，进而达到节能的效果 。冷却管和预热罐的容积通过空气包来改变，从而达到对各冷却罐和预热罐热交换的控制，实现高效杀菌的同时保证饮料的品质，高效的热交换还能大大降低能源的损耗。

2 实验方案

2.1 实验方案流程图

本文实验方案流程图如图1所示：

2.2 实验工作过程

本文提出的实验工作过程如图2至图4所示，通过饮料产品入口17投入35度的调配液（饮料），经过循环水第一次预热段18预热，然后经脱气14和均质15进入循环水第二次预热段18进一步预热，再经稳定保持管19进入循环水第三次预热段11完成调配液的预热，再经过加热管10将调配液加热到设定的高温 ，调配液在保持延时杀菌管9中完成杀菌过程后的调配液经循环水第一次冷却段8和循环水第二次冷却段6进行冷却，再通过冰水冷却段4（冰水输入口3采用10度的冰水）后从调配液出口22输出，完成调配液杀菌。

1、操作平台，2、杀菌评价算法体系，3、冰水输入口，4、冰水冷却段，5、饮料管路，6、循环水第一次冷却段，7、循环水管路，8、循环水第二次冷却段，9、保持延时杀菌管，10、超高温加热管，11、循环水第三次预热管，12、控制系统，13、循环水第二次预热管，14、脱气罐，15、均质罐，16、温度传感器，17、饮料产品入口，18、循环水第一次预热管，19、稳定保持管，20、分布式温度采集中心，21、循环水缓冲池，22、饮料输出口，23、冰水回流输出口。

在图2饮料杀菌系统温控配方设计流程图中，循环水流速、杀菌时间、杀菌段温度、冰水流量通过操作平台1设置，分布式放置的温度传感器16数据通过分层温度采集系统20据传送到操作平台记录实验数据，饮料品质的检测数据包括饮料的各种有效成分、稳定性、香气、滋味、色泽和状态等指标提交食品检测实验室进行测试，将评测后的两组最优数据存储到操作平台，作为某种饮料的控制配方。

在图3饮料杀菌系统温控流程图中，操作平台将控制配方发送到控制系统12，据配方参数将循环水缓冲池21的循环水依次通过循环水第二次冷却段6、循环水第一次冷却段8、循环水第三次预热管11、循环水第二次预热管13、循环水第一次预热管18，从而对冷却罐和预热罐的温度传感器的实时温度梯度检测，来控制循环水管路7的流量，依据配方参数通过保持延时杀菌管9的温度和饮料管路流量5的检测，来控制超高温加热管10的电流，通过配方参数中杀菌时间来控制饮料管路5流量，依据配方参数中饮料出口22温度的要求，通过改变杀菌评价算法体系2、冰水回流输出口23管路的流量。

在饮料杀菌系统循环水节能控制流程（循环水流量预设定—循环水冷却段、预热段分段设计2段冷却，3段预热—设计各段热交换量—循环水流量控制算法设计）中，操作平台1将循环水温度梯度控制配方发送到控制系统12中，依据配方要求，通过空气包来改变冷却罐和预热罐的容水量，达到对各冷却罐和预热罐热交换量的控制，实现高效杀菌的同时保证饮料的品质，高效的热交换还能大大降低能源的损耗。

3 结语

本文提出了一种节能高质饮料杀菌控制系统，该控制系统通过温度传感器、分层温度采集系统、控制系统、控制配方的确立、杀菌评价算法与饮料品质评估体系和操作平台各个环节相互配合来实现其节能的目的。本文系统各个环节配合紧凑、操作简单，在降低杀菌系统能耗的同时，还可以达到杀菌效果最优、口感与风味稳定性最佳、有效成分破坏最小的效果，有较好的前景、适宜推广。

【参考文献】

[1]潘见，张文成，陈从贵，等.饮料超高压杀菌实用性工艺及设备探讨[J].农业工程学报，2000，16（1）：125-128.

[2]张峰，李志斌，刘景兰，等.杀菌技术在饮料生产管理中的应用[J].现代营销：学苑版，2013（2）：125-125.

[3]王金锋，汤毅，谢晶，等.罐装橙汁超高温瞬时灭菌的数值模拟研究[J].工程热物理学报，2012，V33（2）：288-290.endprint