第1章　乳品加工機械與設(shè)備

內(nèi)容描述

本章主要介紹典型乳制品加工工藝流程與現(xiàn)代化乳制品生產(chǎn)企業(yè)所使用的乳品加工機械與設(shè)備，包括機械設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)與特點、設(shè)備的使用與維護、常見故障原因分析與故障排除方法等。

學習目標

●了解典型乳品加工工藝流程及生產(chǎn)現(xiàn)狀。

●深入了解分離機、均質(zhì)機、板式換熱器、管式換熱器、真空濃縮設(shè)備、噴霧干燥設(shè)備及無菌包裝設(shè)備等機械設(shè)備的用途、工作原理以及結(jié)構(gòu)特點。

●熟練掌握常用乳品加工機械設(shè)備的操作規(guī)程、操作注意事項以及日常使用與維護等基礎(chǔ)知識。

能力目標

●能夠正確操作分離機、均質(zhì)機、板式換熱器、管式換熱器、真空濃縮設(shè)備、噴霧干燥設(shè)備、無菌包裝設(shè)備等機械設(shè)備。

●能正確處理常見故障并能分析原因排除故障。

1.1　典型乳品加工生產(chǎn)線

1.1.1　超高溫滅菌乳生產(chǎn)工藝流程

滅菌乳就是殺死牛乳中微生物，使牛乳保持商業(yè)無菌的過程。商業(yè)無菌（commercial sterilization）就是牛乳經(jīng)過適度殺菌后，不含有致病性微生物，也不含有在常溫下能在產(chǎn)品中繁殖的非致病性微生物。按照加工工藝，滅菌乳可分為兩大類，即超高溫滅菌乳和保持滅菌乳。

超高溫瞬時滅菌（UHT）就是采用高溫、短時間，使液體食品中的有害微生物致死的滅菌方法，滅菌溫度一般為130～150℃，滅菌時間一般為數(shù)秒。歐共體對UHT產(chǎn)品的定義：物料在連續(xù)流動的狀態(tài)下，經(jīng)135℃以上不少于1s的超高溫瞬時滅菌，然后在無菌包裝狀態(tài)下包裝于微量透氣容器中，以最大限度地減少產(chǎn)品在物理、化學及感官上的變化，這樣生產(chǎn)出來的產(chǎn)品稱為UHT產(chǎn)品。保持滅菌乳也稱二段滅菌乳，就是先將牛乳經(jīng)過超高溫瞬間處理，進行灌裝、封合后再進行105～120℃，10～30min保持滅菌。

超高溫滅菌系統(tǒng)的加熱介質(zhì)為蒸汽或熱水，有兩種加熱系統(tǒng)可用于牛乳的連續(xù)型超高溫滅菌，即直接加熱系統(tǒng)和間接加熱系統(tǒng)。其中，在直接加熱系統(tǒng)中，原料乳首先通過間接式換熱器被加熱到80～85℃，然后與過熱蒸汽直接混合，立刻升溫至滅菌溫度140～150℃。在間接加熱系統(tǒng)中，產(chǎn)品與加熱介質(zhì)由不銹鋼導熱面隔開，產(chǎn)品與加熱介質(zhì)沒有直接接觸，根據(jù)換熱器傳熱面的不同，可分為板式熱交換系統(tǒng)、管式熱交換系統(tǒng)和刮板式加熱系統(tǒng)。其工藝流程如圖1.1所示。

圖1.1　超高溫滅菌乳工藝流程圖

1）以板式換熱器為基礎(chǔ)的間接UHT設(shè)備

如圖1.2所示，約4℃的牛乳由貯存缸泵送至UHT系統(tǒng)的平衡槽1，由此經(jīng)供料泵2送至板式換熱器的熱回收段。在此段中，牛乳被已經(jīng)UHT處理過的乳預熱至約75℃，同時，殺菌過后的乳被冷卻。預熱后的牛乳隨即在18～25MPa的壓力下均質(zhì)。預熱均質(zhì)的產(chǎn)品繼續(xù)到板式換熱器的加熱段被加熱至137℃，加熱介質(zhì)為一封閉的熱水循環(huán)，通過蒸汽噴射頭5將蒸汽噴入循環(huán)水中控制溫度。加熱后，產(chǎn)品流經(jīng)保溫管6，保溫4s。最后冷卻分成兩段進行熱回收，首先牛乳與循環(huán)熱水換熱，隨后與進入系統(tǒng)的冷牛乳換熱，離開熱回收段后，產(chǎn)品直接連續(xù)流至無菌包裝機或流至一個無菌罐作中間貯存。

圖1.2　間接加熱UHT乳生產(chǎn)線（板式換熱器）

1—平衡槽；2—供料泵；3—板式換熱器；4—均質(zhì)機；5—蒸汽噴射頭；6—保溫管；7—無菌罐；8—無菌灌裝

2）以板式換熱器和蒸汽注射為基礎(chǔ)的直接UHT設(shè)備

圖1.3　直接蒸汽噴射加熱的UHT生產(chǎn)線（板式換熱器）

1a—牛乳平衡槽；1b—水平衡槽；2—供料泵；3—板式換熱器；4—正位移泵；
5—蒸汽噴射頭；6—保持管；7—蒸發(fā)室；8—真空泵；9—離心泵；
10—無菌均質(zhì)機；11—無菌罐；12—無菌灌裝

如圖1.3所示的流程圖，由平衡槽提供的大約4℃的產(chǎn)品通過喂料泵2流至板式換熱器3的預熱段，在預熱至80℃時，產(chǎn)品經(jīng)泵4加壓后繼續(xù)流動至環(huán)形噴嘴蒸汽注射器5，蒸汽注入產(chǎn)品中，迅速將產(chǎn)品溫度提升至140℃。產(chǎn)品在UHT溫度下于保持管6中保溫幾秒鐘，隨后閃蒸冷卻。閃蒸冷卻在裝有冷凝器的蒸發(fā)室7中進行，由真空泵8保持蒸發(fā)室部 分真空狀態(tài)，控制真空度，保證閃蒸出的蒸汽量等于蒸汽最早注入產(chǎn)品的量。一臺離心泵將UHT處理后的產(chǎn)品送入二段無菌均質(zhì)機10中。由板式換熱器3將均質(zhì)后的產(chǎn)品冷卻至約20℃，并直接連續(xù)送至無菌灌裝機灌裝或一個無菌罐進行中間貯存以待包裝。冷凝所需冷水循環(huán)由平衡槽1b提供，并在離開蒸發(fā)室7后再經(jīng)過蒸汽加熱器加熱后預熱介質(zhì)。在預熱中水溫降至約11℃，這樣，此水可用作冷卻介質(zhì)，冷卻從均質(zhì)機流回的產(chǎn)品。

1.1.2　酸乳生產(chǎn)工藝流程

酸乳又稱酸奶，已成為我國發(fā)展最快的乳制品之一。根據(jù)FAO統(tǒng)計，世界年人均乳品消費量達到100kg，而在一些發(fā)達國家，人均乳品消費量更是達到了300kg。酸奶在我國也正成為大眾化的乳制品。按成品的組織狀態(tài)可分為兩類：凝固型酸奶，其發(fā)酵過程在包裝容器中進行，從而使成品因發(fā)酵而保留其凝乳狀態(tài)；攪拌型酸奶，成品是先發(fā)酵后灌裝而得。發(fā)酵后的凝乳已在灌裝前和灌裝過程中攪碎而成黏稠狀組織狀態(tài)，因此而得其名。

酸奶以牛乳為主要原料，經(jīng)過標準化、接種乳酸菌發(fā)酵劑、培養(yǎng)發(fā)酵而制成。其工藝流程如圖1.4所示。無論是做凝固型酸奶還是攪拌型酸奶，牛奶的預處理基本是一樣的，都包括標準化、均質(zhì)、殺菌和冷卻。

圖1.4　攪拌型酸乳生產(chǎn)工藝流程圖

如圖1.5所示為酸奶生產(chǎn)工藝的一般預處理流程。牛乳從平衡罐出來，被泵到換熱器2，進行第一次熱回收并被預熱至70℃左右，然后在第二段加熱至90℃。從換熱器中出來的熱牛奶送到真空濃縮罐3，在此牛奶中有10%～20%的水分被蒸發(fā)，蒸發(fā)出的一些水分被用于預熱。在蒸發(fā)階段，牛乳溫度從85～90℃下降到70℃左右。蒸發(fā)后，牛奶被送到均勻機4進行均質(zhì)，經(jīng)均質(zhì)的牛乳回流到換熱器2熱回收段，再加熱到90～95℃，然后牛乳進入保持段，保溫5min。巴氏殺菌后的牛乳要進行冷卻。首先是在熱回收段，然后用水冷卻至所需接種溫度，典型的是40～45℃。

圖1.5　發(fā)酵乳制品的一般預處理生產(chǎn)線

1—平衡罐；2—片式換熱器；3—真空濃縮罐；4—均質(zhì)機；5—保溫管

如圖1.6所示為攪拌型酸奶典型的連續(xù)性生產(chǎn)線。預處理后的牛奶冷卻到培養(yǎng)溫度，然后進行接種，牛奶連續(xù)地與所需體積的生產(chǎn)發(fā)酵劑一并泵入發(fā)酵罐2，典型的攪拌型酸奶生產(chǎn)的培養(yǎng)時間為2.5～3h，溫度為42～43℃，在培養(yǎng)的最后階段，已達到所需的酸度時（pH4.2～4.5），酸奶必須迅速降溫至15～22℃，冷卻是在具有特殊板片的板式換熱器3中進行，這樣可以保證產(chǎn)品不受強烈的機械擾動。一般冷卻到15～22℃以后的酸奶先打 入緩沖罐4中，再進入包裝機7進行包裝。若需要生產(chǎn)調(diào)味酸奶，可在酸奶從緩沖罐到包裝機的輸送過程中加入果料和香料。

圖1.6　攪拌型酸奶的生產(chǎn)線

1—生產(chǎn)發(fā)酵劑罐；2—發(fā)酵罐；3—板式換熱器；4—緩沖罐；
5—果料/香料罐；6—混合器；7—包裝

1.1.3　乳粉生產(chǎn)工藝流程

一般意義上，乳粉（俗稱奶粉）是指僅以原料乳為原料，經(jīng)凈化、殺菌、濃縮、干燥制成的粉末狀產(chǎn)品。但是從更廣泛意義上講，乳粉是指以生鮮乳或乳粉為原料，添加或不添加食品添加劑和食品營養(yǎng)強化劑等輔料，經(jīng)脫脂或不脫脂、殺菌、濃縮、干燥或干法工藝制成的粉末狀產(chǎn)品。

如圖1.7所示為全脂乳粉生產(chǎn)工藝流程，用于生產(chǎn)乳粉的原料乳首先要經(jīng)過預處理，包括原料乳驗收、凈乳、冷藏、標準化、均質(zhì)及熱處理等，所使用到的設(shè)備與圖1.5發(fā)酵乳制品的一般預處理生產(chǎn)線相似。用于生產(chǎn)乳粉的牛乳需進行濃縮，即除去牛乳中的一部分水分，使牛乳的干物質(zhì)含量提高。在全脂乳粉生產(chǎn)中，牛乳必須濃縮成含乳固形物為48%～50%的濃牛乳才能進行噴霧干燥。如圖1.8所示，經(jīng)噴霧干燥處理后得到的就是乳粉，隨后還需進行冷卻、篩粉等處理。然后將乳粉進行包裝的操作即得到成品。

圖1.7　全脂乳粉生產(chǎn)工藝流程

圖1.8　全脂乳粉設(shè)備流程圖

1—磅奶槽；2—受奶槽；3—奶泵；4—凈乳機；5—冷卻器；6—貯奶罐；
7—預熱器；8—暫存罐；9—蒸發(fā)器；10—濃縮奶暫存罐；11—奶泵；
12—噴霧干燥塔；13—洗罐機；14—烘干機；15—冷卻室；
16—螺旋輸送機；17—篩粉機；18—定量包裝臺；19—封蓋機；20—成品

1.2　分離機

牛乳在采集運輸?shù)倪^程中可能會混雜一些環(huán)境中的雜質(zhì)和牛體中的上皮細胞、白細胞等，離心分離機的工作原理是將牛乳通入一個高速旋轉(zhuǎn)的分離缽內(nèi)，利用離心力將這些密度不同的物質(zhì)分離開來。因此，在乳制品的生產(chǎn)過程中，離心分離機可用來對原料乳進行凈化處理和標準化處理以及奶油的分離與均質(zhì)等。

1.2.1　分離機的工作原理

分離機工作時分離缽高速旋轉(zhuǎn)，原料乳進入分離缽內(nèi)，而后經(jīng)碟片組上的垂直通孔從下而上上升充滿各碟片之間。當分離缽高速旋轉(zhuǎn)時，帶動碟片間的乳液旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下，使進入碟片中的乳液在碟片之間形成一層薄膜。如圖1.9（a）所示，牛乳中的顆粒和脂肪球根據(jù)它們相對于連續(xù)介質(zhì)（即脫脂乳）的密度不同而開始在分離通道中徑向朝里或朝外運動。碟片間密度小的脂肪球流向旋轉(zhuǎn)軸，密度大的脫脂乳沿碟片向四周流動，機械雜質(zhì)則沉淀在分離缽周圍的壁上。分離后的脫脂乳沿上碟片外面流動，而稀奶油則沿上碟片的內(nèi)面流動。從而分離機順利地將稀奶油和脫脂乳分離開來。

圖1.9　分離機碟片圖

1.2.2　分離機的結(jié)構(gòu)

分離機的類型雖然不同，但其分離原理和構(gòu)造基本是相同的，由傳動裝置、分離缽、容器及機架等組成。

1）傳動裝置

傳動裝置的功用是將電動機的動力傳遞給分離缽。分離機的傳動裝置由兩級增速裝置組成。如圖1.10所示，第一級為皮帶將電動機的動力傳遞給蝸輪，第二級為蝸輪蝸桿把動力傳遞給分離缽，使分離缽作高速旋轉(zhuǎn)。

圖1.10　封閉式分離機

1—電機；2—沉渣器；3—機蓋；4—空心缽軸；5—操作水系統(tǒng)；6—齒輪；7—制動

2）分離缽

分離缽是分離機的主要工作部件，將乳分離成稀奶油和脫脂乳。如圖1.10所示，分離缽主要包括分離缽底座、支柱、碟片和頂罩等。

分離缽底座是整個分離缽的支承部分，讓原料乳沿中心管進入分離碟片中。分離機的支柱與底座中心管可以連在一起，也可分開。碟片支柱主要起到支承和固定分離碟片的作用，其外圓柱面帶有數(shù)條溝槽，套在中心管的外面。

碟片是離心機中的重要部件，其作用就是帶動乳液高速旋轉(zhuǎn)，并將乳液分離成稀奶油和脫脂乳。如圖1.9（b）、（c）所示為分離機碟片組，碟片的頂角一般為60°～80°，碟片本身厚度一般在0.5mm左右。在每個碟片上均固定有一定厚度的小凸臺，可使碟片和碟片之間不致緊貼，形成0.3～0.8mm的間距。每個碟片上都有小孔，可使稀奶油通過。不同的分離機，碟片的數(shù)目不同，數(shù)目越多則分離效果越好，分離能力也越大。

頂罩是整個碟片組的外罩，使分離缽成為錐形整體，主要起到密封分離碟片的作用，并與上碟片形成脫脂乳通道，使脫脂乳順頂罩的內(nèi)側(cè)向上流動，沿脫脂乳出口排出分離缽。

3）機架

機架是整個分離機的支承部分，所有機件及受乳器都安裝在它的上面。機架有臥式和立式兩種。一般大型分離機都是立式機架。

1.2.3　分離機的分類

牛乳分離機按結(jié)構(gòu)形式可分為開放式分離機、半封閉式分離機和封閉式分離機。根據(jù)不同用途，可分為用于分離乳中的脂肪球的普通牛乳分離機和既能脫脂又能凈化和標準化的多用分離機。這里重點介紹封閉式分離機和半封閉式分離機。

1）封閉式分離機

封閉式分離機如圖1.11所示。封閉式分離機原料乳的進口、脫脂乳和稀奶油的出口都是封閉的，密閉式分離機的分離缽體在操作過程中被牛乳完全充滿，中心處沒有空氣，也就沒有空氣進入脫脂乳和稀奶油中，因此產(chǎn)品具有無泡沫的特點。分離機工作時（見圖1.11（a）），牛乳進入分配器后，被加速到與分離缽的旋轉(zhuǎn)速度相同，然后上行進入碟片組間的分離通道，由于離心力的作用，牛乳向外甩出形成環(huán)狀的圓柱形內(nèi)表面。牛乳壓力隨著旋轉(zhuǎn)半徑的增加而逐漸增加，缽的內(nèi)邊緣處為壓力最高值。較重的固體顆粒被分離出來，并沉積在沉降空間內(nèi)，原料乳經(jīng)分離后得到的脫脂乳及稀奶油分別排出。

分離缽的沉降空間里收集的固體雜質(zhì)有稻草、毛發(fā)、乳房細胞、白細胞、紅細胞及細菌等，一般牛乳中的沉渣總量約為1kg/10000L。若使用的是殘渣存留型的牛乳分離機，必須經(jīng)常把缽體拆開，定期進行人工清洗沉渣空間，這需要耗費大量的體力勞動?，F(xiàn)代化的自凈型或殘渣排除型的分離機配備了自動排渣設(shè)備，如圖1.11（b）所示，可將沉積物按預定的時間間隔自動排除。分離機不再需要人工清洗，在牛乳分離的過程中，固體雜質(zhì)的排出通常30～60min進行一次，每次的排渣時間也很短。

圖1.11　封閉式分離機缽體示意圖

1—出口泵；2—缽罩；3—分配孔；4—碟片組；5—鎖緊環(huán)；6—分配器；
7—滑動缽底部；8—缽體；9—空心缽軸

2）半封閉式分離機

半封閉式分離機也稱半開放式分離機。半封閉式分離機如圖1.12所示。原料乳進口是開放式，原料乳通過頂部的進口管依靠重力進料，脫脂乳在離心機產(chǎn)生的壓力下封閉出料。稀奶油出口有開放式，也有封閉式。牛乳進入分配器后，被加速到與分離缽的旋轉(zhuǎn)速度相同，然后進入碟片組間的分離通道，稀奶油向轉(zhuǎn)軸方向移動，并通過稀奶油的壓力盤排出通道。脫脂乳從碟片組的外邊緣離開，穿過頂缽片與分離缽頂罩之間的通道，通過脫脂乳壓力盤排出。

圖1.12　手動控制的半封閉式（壓力盤式）分離機

1—壓力調(diào)節(jié)閥；2—稀奶油流量計；3—稀奶油節(jié)流閥；
4—脫脂乳壓力盤；5—稀奶油壓力盤；7—分配器

圖1.13　帶自動恒壓裝置的密閉式分離機

由于半封閉式分離機在脫脂乳和稀奶油排出口安裝有壓力盤。乳在分離缽內(nèi)作高速旋轉(zhuǎn)運動，并通過壓力盤把旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換為壓力能，使脫脂乳能在壓力作用下從分離缽中排出，所以排出的產(chǎn)品幾乎沒有泡沫。

在半封閉式的分離機中，稀奶油和脫脂乳的出口處都有一個特殊的出口裝置———壓力盤（見圖1.14），故半封閉式分離機通常也被稱為壓力盤式分離機。靜置的壓力盤邊緣浸入液體的轉(zhuǎn)動柱內(nèi)，從中連續(xù)地排出一定量的液體，旋轉(zhuǎn)液體的動能在壓力盤中轉(zhuǎn)換成靜壓能。為了阻止產(chǎn)品中混入空氣，產(chǎn)生泡沫，必須使壓力盤上始終覆蓋充足的液體。

圖1.14　壓力盤示意圖

分離機中排出的稀奶油的含脂率可以用稀奶油出口處的節(jié)流閥3調(diào)節(jié)，如圖1.12所示。如果該閥門逐漸地打開，從稀奶油出口排出的稀奶油量漸漸地增加，而其脂肪含量逐漸地減少，稀奶油的排出量與稀奶油的脂肪含量是相反變化的。脫脂乳的出口壓力，應(yīng)根據(jù)分離機的類型和牛乳的流量用調(diào)節(jié)閥1調(diào)節(jié)到適當?shù)臄?shù)值，稀奶油出口的節(jié)流閥也應(yīng)調(diào)整到與所需脂肪含量一致的流量位置。

稀奶油排出量的任何變化都會導致脫脂乳等量但反方向的變化。因此，脫脂乳的出口處安裝了恒壓裝置，圖1.12中的脫脂乳壓力調(diào)節(jié)閥1和圖1.13中的脫脂乳出口處的自動壓力調(diào)節(jié)閥，以保持出口的背壓恒定，而與稀奶油流量變化無關(guān)。封閉式分離機上的恒壓裝置如圖1.13所示，圖中所示的閥是隔膜閥，通過隔膜上的壓縮空氣來調(diào)節(jié)所要求的產(chǎn)品壓力。在分離過程中，隔膜上承受恒壓空氣的壓力，隔膜下面承受脫脂乳的壓力。如果脫脂乳的壓力降低，那么預定的空氣壓力將推動隔膜下移，與隔膜固定在一起的閥桿也跟著向下移動，通道變窄。這種節(jié)流使脫脂乳出口壓力增到設(shè)定的值。當脫脂乳壓力繼續(xù)增加，閥桿反向運動，預定的壓力又得以恢復，從而使脫脂乳出口的背壓維持恒定。

3）開放式分離機

開放式分離機與前面介紹的兩種不同，是指其原料乳的進口和脫脂乳及稀奶油的出口都是沒有遮蓋，但是分離機的結(jié)構(gòu)基本相似。

1.2.4　分離機的操作與維護

1）分離機操作

（1）分離機安裝與工作前檢查

①分離機的安裝。因分離機運轉(zhuǎn)速度高，必須有堅實的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)螺栓應(yīng)深入地面以下10～30cm。分離機主軸應(yīng)垂直于水平面，各部件應(yīng)精確安裝。必要時，在地腳處配置橡皮圈，起緩沖作用。

②開機前必須檢查傳動機構(gòu)及緊固件是否松動，轉(zhuǎn)動方向是否正確，不允許反轉(zhuǎn)，以防損壞機件。

③檢查齒輪箱潤滑油。潤滑油量應(yīng)保持在齒輪箱油位計刻線區(qū)間內(nèi)。視潤滑油質(zhì)量決定換油期限，換油時應(yīng)仔細清理油箱底部。

④先以清水試車，不能開空車。試車前先檢查高速運轉(zhuǎn)時是否產(chǎn)生振動和有無異常聲音，其次檢查是否有漏水現(xiàn)象。用水試車合格后，再用乳液試車合格后方可投入使用。

（2）分離機使用

①分離機啟動后，當分離機轉(zhuǎn)速達到正常轉(zhuǎn)速時，方可打開進乳口進行分離并收集離心后的料液。

②分離機運行中，應(yīng)檢查機器有無異常的振動和噪聲，正常工作電流有無超過電動機額定值（排渣電流超載是正?，F(xiàn)象）并需及時排除，嚴禁分離機帶病運行。

③先關(guān)閉分離機，再關(guān)閉進料閥，待分離機完全停止后，關(guān)閉出料閥。

2）分離機的維護

①分離機是高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，具有很高的危險性，啟動前一定要檢查分離機是否正常，在操作時，崗位人員必須堅守崗位，及時發(fā)現(xiàn)問題，出現(xiàn)問題馬上停車。

②封閉壓送式分離機啟動和停車時，均要用水代替牛乳，在啟動后2～3min取樣鑒定分離情況。

③關(guān)注并時常檢查泵與吸料管間的墊圈以及泵的軸封等處是否嚴密，防止空氣混入。

④分離缽清洗后的安裝及分離缽的拆裝工作應(yīng)謹慎細心。拆洗后必須把分離缽的機件由底部向上按順序逐一安裝，切勿裝錯。

⑤操作結(jié)束后，對直接與乳液接觸的部件，應(yīng)立即拆卸并用0.5%的堿水清洗，然后用90℃以上的熱水清洗消毒，最后擦干，以備下次使用。

1.3　均質(zhì)機

均質(zhì)機是食品精加工中常用到的機械，均質(zhì)機械的品種雖然很多，但就其原理來說都是通過機械作用或流體力學效應(yīng)造成高壓、擠壓沖擊、失壓等，使物料在高壓下擠壓，強沖擊下發(fā)生剪切，失壓下膨脹，在這三重作用下達到細化和混合均質(zhì)的目的。食品加工中常用到的均質(zhì)機按構(gòu)造可分為高壓均質(zhì)機、離心均質(zhì)機、超聲波均質(zhì)機和膠體磨均質(zhì)機等。以下主要介紹應(yīng)用廣泛的高壓均質(zhì)機和膠體磨。

1.3.1　高壓均質(zhì)機

1）高壓均質(zhì)機工作原理及結(jié)構(gòu)

（1）高壓均質(zhì)機工作原理

高壓均質(zhì)機的均質(zhì)作用是由以下3個因素協(xié)同作用產(chǎn)生的：物料以高速通過均質(zhì)頭中閥芯與閥座之間所形成的環(huán)形窄縫，從而產(chǎn)生強烈的剪切作用，并使物料中的液滴變形和粉碎；物料經(jīng)高壓柱塞泵加壓后由排出管進入均質(zhì)閥，物料在均質(zhì)閥內(nèi)發(fā)生由高壓、低流速向低壓、高流速的強烈的能量轉(zhuǎn)化，物料在間隙中加速的同時，靜壓能瞬間下降，產(chǎn)生空穴作用，從而產(chǎn)生非常強的爆破力；自環(huán)形縫隙中流出的高速物料猛烈沖擊在均質(zhì)環(huán)上，使得已經(jīng)破碎的粒子進一步得到分散。均質(zhì)閥的工作原理如圖1.15所示。

圖1.15　均質(zhì)閥工作原理示意圖

（2）高壓均質(zhì)機結(jié)構(gòu)

高壓均質(zhì)機主要由柱塞泵、均質(zhì)閥等部分組成。如圖1.16所示為高壓均質(zhì)機的結(jié)構(gòu)圖和外形圖。

常用柱塞泵為三缸柱塞泵，由3個互不相連的工作室、3個柱塞、3個進料閥和3個出料閥等組成。如圖1.16所示，通過曲軸連桿機構(gòu)和變速箱將電動機高速旋轉(zhuǎn)運動變成低速往復直線運動。由活塞帶動柱塞，在泵體內(nèi)作往復運動，完成吸料、加壓過程，然后進入集流管。進料管和排料管相通，在料液的排出口裝有安全閥，當壓力過高時，可使料液回流到進料口。由于曲軸設(shè)計為使得連桿相位差為120°，這樣可使排出的流量基本平衡。

圖1.16　均質(zhì)機的基本結(jié)構(gòu)

1—主驅(qū)動軸；2—V形傳動帶；3—壓力顯示；4—曲軸箱；5—柱塞；
6—柱塞密封座；7—固定不銹鋼泵體；8—均質(zhì)閥；9—均質(zhì)裝置；10—液壓設(shè)置系統(tǒng)

在料液的排出口安裝有均質(zhì)閥。高壓液料由集流管輸送至均質(zhì)閥，使料液顆粒度降低、分布均勻。均質(zhì)閥有兩級均質(zhì)閥及兩級調(diào)壓裝置，可完成超微粉碎、乳化等，如圖1.17所示。閥中接觸料液的材質(zhì)必須符合無毒、無污染、耐磨、耐沖擊及耐腐蝕等條件?，F(xiàn)代工業(yè)用均質(zhì)機中大多采用雙級均質(zhì)閥。雙級均質(zhì)閥實際上是由兩個單級均質(zhì)閥串聯(lián)而成。流體進入均質(zhì)閥并沖向閥芯，通過一個由閥座與閥芯構(gòu)成的窄小的縫隙。自隙縫出來的高速流體最后撞在外面的均質(zhì)環(huán)上。例如，當均質(zhì)牛乳時，一級均質(zhì)閥往往僅使脂肪顆粒破裂成小滴徑的顆粒，但經(jīng)一級均質(zhì)后的小液滴并沒有均勻分散開來，這些小液滴仍有相互并全成大液滴的可能，因此需要經(jīng)第2道均質(zhì)閥的進一步均質(zhì)處理，這樣可使得小乳脂肪顆粒均勻地分布在牛乳中。一般物料經(jīng)第一級均質(zhì)閥后總壓下降85%～90%，而經(jīng)第2級均質(zhì)后壓降為10%～15%。

圖1.17　二級均質(zhì)閥

1—一級均質(zhì)；2—二級均質(zhì)

2）高壓均質(zhì)機操作與維護

（1）操作

①開機準備

首先檢查電動機轉(zhuǎn)動方向和傳動箱內(nèi)潤滑油的油位。開啟冷卻水，保證調(diào)壓手柄處于旋松完全無壓力狀態(tài)（放松手柄1～2圈），打開進料閥和出料閥。

②啟動

啟動主電動機，在無負荷的情況下運轉(zhuǎn)幾分鐘，使設(shè)備各部件能充分潤滑，同時可將泵體內(nèi)空氣排盡。待出料口出料正常后，旋動調(diào)壓手柄。先緩慢調(diào)節(jié)二級調(diào)壓手柄，再調(diào)節(jié)一級調(diào)壓手柄，緩慢將壓力調(diào)至使用壓力。

③關(guān)機

先緩慢放松一級調(diào)壓手柄，再緩慢放松二級調(diào)壓手柄卸壓，當壓力為零時再關(guān)主電動機，最后關(guān)冷卻水。

（2）維護

①定期檢查油位，以保證潤滑油量充足。定期在機體聯(lián)接軸處加些潤滑油，以免缺油，損壞機器。

②啟動設(shè)備前應(yīng)檢查各緊固件及管路等是否緊固。啟動前應(yīng)先接通冷卻水，保證柱塞往復運動時能充分冷卻。

③嚴禁帶載啟動，工作中嚴禁斷料，設(shè)備不得空轉(zhuǎn)。

④調(diào)壓時，須十分緩慢地加壓和泄壓。

⑤停機前須用凈水洗去工作腔內(nèi)殘液。

⑥不能用高濃度、高黏度的料液來均質(zhì)。禁止粗硬雜質(zhì)進入泵體。

1.3.2　高壓均質(zhì)機常見故障分析及排除

1）不出料或流量不足

原因分析：檢查是否斷料或設(shè)備進入空氣；檢查傳動皮帶的松緊度；是否所加入的物料黏度太大，流動性差；檢查閥芯是否被黏附??；檢查密封件是否完好；嚴重磨損也可能導致流量不足。

故障排除：及時加料，排除漏氣處；調(diào)緊傳動皮帶；若物料流動性差可以加壓送料或稀釋物料后再均質(zhì)；用工具撥動閥芯；旋緊壓緊螺母或更換密封件；研磨修復或更換泵體閥芯或閥座。

2）物料破碎不勻

原因分析：均質(zhì)壓力選擇不當；物料未經(jīng)處理或處理不良；物料配方不當導致破碎不均；閥芯、閥座、閥柱及沖擊擋圈磨損也有可能使得物料破碎不勻。

故障排除：按物料性能，選定最佳均質(zhì)壓力和處理工藝；及時調(diào)整物料的配方；也可以用300粒以上金剛砂或在磨床上研磨修復磨損零件，或者換上新零件。

3）壓力表指針擺幅大

原因分析：物料通道里有空氣，缺料或供料不足導致壓力不穩(wěn)；可能是閥桿手柄未旋緊；當有一組或幾組閥芯、閥座磨損，或有異物卡住，單向閥關(guān)不嚴時也有可能出現(xiàn)壓力表指針擺幅大的情況。

故障排除：將工作閥卸荷，排盡管道內(nèi)空氣，加足物料，放大進料管；旋緊閥桿手柄，但不得太緊，指針應(yīng)稍有擺動即可；研磨修復或更換閥芯、閥座，若有異物進入則應(yīng)立刻清洗排除異物。

4）機器有負荷聲，但壓力表指針上不去

原因分析：壓力表損壞；表座內(nèi)缺少黃油。

故障排除：修復或更換新壓力表；將表座內(nèi)加滿黃油。

5）傳動部分有撞擊聲

原因分析：檢查是否某處螺釘松動；零件在軸上或軸在機座上松動嚴重，出現(xiàn)撞擊聲；零件嚴重磨損，間隙增大或潤滑不好；曲軸左右竄動發(fā)出撞擊聲。

故障排除：擰緊松動的螺釘、螺母；調(diào)整并緊固零件位置；更換嚴重磨損的零件，更換機油或加油；對曲軸端蓋加墊調(diào)節(jié)。

6）油溫過高或潤滑油呈乳白色

原因分析：冷卻水量太大或管路不通使得水槽積水，滲到油箱；潤滑油進水失效，導致油溫過高；某處油路不通，冷卻困難；潤滑油中雜質(zhì)太多。

故障排除：使冷卻水量適當；檢查進水原因，排除積水；檢查并排除不通油路；過濾或換新油。

7）均質(zhì)壓力調(diào)不上去

原因分析：檢查是否物料流量嚴重不足，均質(zhì)閥密封處有雜質(zhì)或均質(zhì)閥損壞；彈簧作用力不夠；壓力表損壞；傳動皮帶太松。

故障排除：及時充足進料；檢查、修復或更換泵體閥件及更換柱塞密封件；檢查、修復或更換均質(zhì)閥件；更換壓力表或加注有機硅油；調(diào)緊傳動皮帶。

1.3.3　膠體磨

1）工作原理及特點

膠體磨是一種依靠剪切力作用，使流體物料得到精細粉碎的微粒處理的設(shè)備。由一可高速旋轉(zhuǎn)的磨盤（轉(zhuǎn)動件）與一固定的磨面（固定件）所組成。兩表面間有可調(diào)節(jié)的微小間隙，被加工物料通過本身的質(zhì)量或外部壓力加壓產(chǎn)生向下的螺旋沖擊力，透過定、轉(zhuǎn)齒之間的間隙，從而使物料受到強烈的剪切摩擦和湍動影響，產(chǎn)生微粒化、分散化作用。使物料達到超細粉碎及乳化的效果。

膠體磨結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備保養(yǎng)維護方便，與高壓均質(zhì)機不同，膠體磨適用于較高黏度以及較大顆粒的物料。但是由于轉(zhuǎn)、定子與物料間高速摩擦，故易摩擦生熱，使被處理物料溫度升高有可能發(fā)生變性；表面較易磨損，而磨損后，會使粉碎效果顯著下降。

2）基本結(jié)構(gòu)

膠體磨的形式有立式和臥式兩種，如圖1.18和圖1.19所示。臥式膠體磨轉(zhuǎn)動件隨水平軸旋轉(zhuǎn)，固定件與轉(zhuǎn)動件之間的間隙可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動件的水平位移來調(diào)節(jié)，間隙通常為50～150μm。料液在重力作用下經(jīng)旋轉(zhuǎn)中心處流入，經(jīng)過兩磨間夾成的間隙后，由磨盤外側(cè)排出。膠體磨的磨面常見為不銹鋼光面，但也有金剛砂毛面，以此可完成對固體粒子的磨碎。臥式膠體磨適用于均質(zhì)低黏度的物料。立式膠體磨的轉(zhuǎn)動件隨垂直軸旋轉(zhuǎn)，其特點是卸料與清洗都比較方便，尤其適合處理黏度較高的物料。

圖1.18　膠體磨外形圖

圖1.19　膠體磨結(jié)構(gòu)簡圖

1—進料口；2—工作面；3—轉(zhuǎn)動件；4—固定件；5—卸料口；
6—鎖緊裝置；7—調(diào)整環(huán)；8—皮帶輪

膠體磨在工作的過程中會產(chǎn)生大量的熱量，為了控制料溫不至于在均質(zhì)過程中過度升高，膠體磨外殼通常制有夾層，可通冷水入夾層，起到冷卻的作用，以保持料溫的穩(wěn)定。

3）膠體磨的操作與維護

（1）膠體磨的操作

①使用前，用手轉(zhuǎn)動膠體磨，檢查膠體磨是否靈活，及時更換或補充潤滑油。

②膠體磨空轉(zhuǎn)時間不可超過5s，開機前擰下膠體磨泵體的引水螺塞灌注引水。

③同時開啟冷卻水閥門。

④點動電動機，試看電動機轉(zhuǎn)向是否正確。

⑤開動電動機，調(diào)整定轉(zhuǎn)子的加工間隙，調(diào)整環(huán)順時針旋轉(zhuǎn)定轉(zhuǎn)子間隙變小，物料粒度變細；調(diào)整環(huán)逆時針旋轉(zhuǎn)定轉(zhuǎn)子間隙變大，物料粒度變粗。根據(jù)加工物料的粒度和產(chǎn)量要求，選擇最佳定轉(zhuǎn)子間隙。

⑥膠體磨使用后，應(yīng)徹底清洗機體內(nèi)部，勿使物料殘留在體內(nèi)，以免機械密封及其他部件黏結(jié)而損壞。

（2）維護

①加工物料絕不允許有石英、碎玻璃、金屬屑等硬物質(zhì)混入其中，否則會損傷動、靜磨盤。

②在使用過程中，如發(fā)現(xiàn)膠體磨有異常聲音應(yīng)立即停車檢查原因。

③膠體磨為高精度機械，運轉(zhuǎn)速度快，線速度高達20m/s，磨片間隙極小，檢修后裝回必須用百分表校正殼體內(nèi)表面與主軸的同軸度使誤差≤0.5mm。

④修理機械時，在拆開、裝回調(diào)整過程中，決不允許用鐵錘直接敲擊，應(yīng)用木錘或墊上木塊輕輕敲擊，以免損壞零件。動、靜磨片均有拆卸專用工具。

⑤膠體磨在運行過程中，軸承溫度不能超過環(huán)境溫度35℃，最高溫度不得超過80℃。

⑥膠體磨長期停用，需將泵全部拆開，擦干水，將轉(zhuǎn)動部位及接合處涂以油脂裝好，妥善保管。

1.4　殺菌設(shè)備

1.4.1　板式熱交換系統(tǒng)

在乳品的加工中板式換熱器廣泛應(yīng)用于牛乳的預熱、殺菌、冷卻和濃縮等熱交換操作。板式換熱器是通過間接加熱的方法來傳遞熱量的，即熱介質(zhì)通過傳熱壁面將熱量傳遞給冷介質(zhì)，板式換熱器的換熱片就是間壁面。例如，在牛乳加熱時，一般熱介質(zhì)是水蒸氣或熱水，冷介質(zhì)是牛乳，熱量通過間壁面從熱流體傳遞到冷流體。

1）板式換熱器結(jié)構(gòu)與工作原理

（1）板式換熱器結(jié)構(gòu)

板式換熱器的結(jié)構(gòu)和外形如圖1.20所示。板式換熱器由很多具有波紋狀花紋的換熱片組成，壓緊螺桿7通過壓緊板將各換熱片疊合壓緊在框架上，換熱片懸掛在導桿6上，由支架3支撐。換熱片之間裝有橡膠墊圈，以保證密封并使兩片間有一定空隙。安裝好后換熱片上的角孔組成了冷熱流體的通道。冷、熱流體相間隔地在換熱片兩面流動換熱。拆卸時僅需松開壓緊螺桿，沿導桿移開壓緊板，即可將換熱片拆卸，進行清洗和維修。

圖1.20　板式換熱器

1—固定板；2—流體1；3—支架；4—壓緊板；5—換熱片；6—導桿；7—壓緊螺桿；8—流體2

換熱片是換熱器的主要部件，如圖1.21（a）所示為不同花紋的波紋板。用不銹鋼沖壓制成多種形狀的與流體流向相垂直的波紋，當流體流過板片間縫隙時可使流體的流向和速度發(fā)生多次改變，形成激烈的渦流，從而消除了板片表面的滯流內(nèi)層，使得板片與流體間的傳熱效率進一步提高。由于換熱片兩側(cè)的冷熱流體的壓力往往不同，為防止熱變形，換熱片表面壓有間隔凸緣，從而增加了板片間的支承點和剛度，并保證了兩換熱片間的距離。

圖1.21　板式換熱器的換熱片

波紋片的寬度與長度的比值直接關(guān)系到流體在進口處擴張、在出口處收縮的情況，以及流體通過整個傳熱表面的均勻性。為使流體沿片面均勻流動消除死角，流體進入后能夠迅速擴展到整個金屬片上，片長L與片寬B之比（3～4）∶1較為合適。

（2）工作原理

板式換熱器的換熱片與壓緊板用壓緊螺桿疊合壓緊，換熱片之間用橡膠墊圈在板片的四周密封，使兩片間留有一定間隙，改變墊圈的厚度可調(diào)整兩片之間流體通道的大小。每塊換熱片上有4個角孔，4孔中只有兩個孔可與換熱片一側(cè)的流道相通。另兩個孔則與換熱片另一側(cè)的流道相通。構(gòu)成流體通道。布置墊圈必須使換熱片組合后形成互不相通的冷熱流體的兩個進出通道，其中每一條通道與兩個角孔相通，如圖1.21（b）所示。

產(chǎn)品通過一個角孔進入第一個通道，然后垂直流過該通道，再由另一端一個單獨的有墊圈的角孔通道流出。角孔通道使產(chǎn)品繞過下一通道進入第3通道。角孔通道使產(chǎn)品交替地流過一個板組。介質(zhì)在該區(qū)段的另一端引入，同樣地交替流過板內(nèi)通道，這樣，每一產(chǎn)品的通道兩側(cè)都有加熱或冷卻介質(zhì)通過。

換熱片之間的通道應(yīng)盡可能地窄，這樣可以提高換熱效率，但大量的產(chǎn)品流過這些窄通道，流速和壓力差將會很大。為了避免這種情況，產(chǎn)品通過換熱器可以分成若干支平行的支流。如圖1.22所示，冷流體被分成兩支平行的液流，在這一階段中，改變4次方向。而加熱介質(zhì)的通道被分成4支平行液流，改變了兩次方向。

圖1.22　板式換熱器冷熱流體流動示意圖

板式換熱器廣泛應(yīng)用在高溫短時和超高溫殺菌裝置中，有著較多的優(yōu)點。首先，板式換熱器傳熱效率較高，熱量利用率高，便于熱量的回收，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，這是板式換熱器最突出的優(yōu)點之一。其次，有較大的適應(yīng)性，可通過增減換熱片的片數(shù)，改變片的組合等方式適應(yīng)不同的生產(chǎn)要求，同時，適宜于處理熱敏感物料。最后，設(shè)備各部件拆卸安裝簡單故便于拆開清洗和維修。但板式換熱器最大的缺點就是橡膠墊圈易老化，尤其是工作溫度高時，易出現(xiàn)墊圈變長，從換熱片上脫落的現(xiàn)象。在正常生產(chǎn)情況下，一般3個月更換一次墊圈。

2）板式換熱器的操作與維護

①定期檢查各換熱片是否清潔，是否有沉積物、結(jié)焦水銹層等結(jié)垢附著，并及時清洗。

②安裝換熱片時，應(yīng)先在壓緊螺母和導桿上加潤滑油脂進行潤滑，并將換熱片按編號順序安裝。每次重新壓緊換熱片時，需注意上一次壓緊位置，切勿使橡膠墊圈受壓過度，以致減少墊圈使用壽命。

③定期檢查各換熱片與橡膠墊圈的黏合是否緊密、橡膠圈本身是否完好，以免橡膠墊圈脫膠與損壞而引起漏泄。

④更換換熱片橡膠墊圈時，需將該段全部更新，以免各片間隙不均，影響傳熱效果。

⑤當更換橡膠墊圈時，將換熱片取下，把舊墊圈拆下，將換熱片凹槽的膠水痕跡用細砂紙擦盡，再用四氯化碳或三氯乙烯等溶劑把凹槽內(nèi)的油跡擦盡，再把新橡膠墊圈的背部用細砂紙擦毛，同樣用上述兩種溶劑把油跡擦盡。然后在凹槽和橡膠墊圈背面均薄薄敷上一層膠水，稍干一下，不黏手指為度，將橡膠墊圈嵌入槽內(nèi)，四周壓平后再敷上一層滑石粉，然后將換熱片裝上設(shè)備機架輕輕夾緊，待粘牢固后即可使用。

⑥使用前可先用清水循環(huán)試驗，可能有輕微泄漏，當溫度升到殺菌溫度時，泄漏將自行消失。若泄漏仍不停止，可將壓緊裝置稍微壓緊。如壓緊后仍然有泄漏，則需將換熱片拆卸，檢查橡膠密封圈。

⑦使用中應(yīng)保持蒸氣壓力穩(wěn)定，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。殺菌結(jié)束后，應(yīng)用熱水對殺菌裝置進行清洗。

⑧設(shè)備停車時，首先關(guān)閉蒸汽總閥及熱水泵，再關(guān)閉物料泵，最后關(guān)閉電源總開關(guān)。

1.4.2　管式超高溫滅菌裝置

管式換熱器也廣泛地應(yīng)用于乳制品的巴氏殺菌和超高溫殺菌中，與板式換熱器不同的是管式換熱器在產(chǎn)品通道上沒有接觸點，因此可用于處理含有一定顆粒的物料，顆粒的最大直徑取決于管子的直徑。但是從熱傳遞的角度來看，管式換熱器的傳熱面積小，傳熱效率沒有板式換熱器的傳熱效率高。在UHT處理中，管式換熱器要比板式換熱器運行的時間長。管式換熱器包括兩種類型，即中心套管式換熱器和殼管式換熱器。

1）中心套管式換熱器

中心套管式換熱器的傳熱面，如圖1.23所示，包含一系列不同直徑的管子。這些管子同心安裝在頂蓋1兩端的軸線上，管子通過兩個O形環(huán)2密封在頂蓋上，又通過一個軸向壓緊螺母3將其安裝成一個整體。兩種熱交換介質(zhì)以逆流的方式交替地流過同心管的環(huán)形通道。最外側(cè)的通道流過的是所提供的介質(zhì)。頂蓋的兩端既是分布器，又是收集器。它將一種介質(zhì)引入一組通道，又從另一端排出。波紋狀構(gòu)造的管子保證了兩種介質(zhì)的紊流狀態(tài)，以實現(xiàn)最大的傳熱效率?？墒褂眠@種類型的管式換熱器直接加熱產(chǎn)品，進行產(chǎn)品熱回收。

圖1.23　中心套管式換熱器

1—頂蓋；2—O形環(huán)；3—末端螺母

2）殼管式換熱器

殼管式換熱器是指在兩個同心通道之間密閉了一條環(huán)狀的產(chǎn)品通道。殼管式熱交換器是基于傳統(tǒng)的列管式換熱器的原理，其產(chǎn)品流過一組平行的通道，提供的介質(zhì)圍繞在管子的周圍，通過管子和殼體上的螺旋波紋，產(chǎn)生紊流，實現(xiàn)有效地傳熱。該交換器的傳熱面是一組平行的波紋管或是光滑管。這些管子焊接在管板的兩端，如圖1.24所示。管板與出口的管殼通過一個雙O形環(huán)密封2。這種設(shè)計可以通過旋開末端的螺栓，將產(chǎn)品管道從管殼中取出，這部分是可拆的，以便于檢查。活動頭設(shè)計減緩了熱膨脹的影響，而且還可將管殼中的產(chǎn)品管束進行不同的組合，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。單管是指只有一個進口管允許粒徑小于50mm的顆粒物料通過。殼管式換熱器非常適合用于高壓、高溫狀況下的物料加工。在實際生產(chǎn)時，可根據(jù)需要將管式換熱器組裝成如圖1.25所示的緊湊結(jié)構(gòu)。

圖1.24　殼管式換熱器的末端

1—被冷卻介質(zhì)包圍的產(chǎn)品管束；2—雙O形密封

圖1.25　組裝成緊湊結(jié)構(gòu)的管式換熱器

1.4.3　直接加熱超高溫滅菌系統(tǒng)

直接加熱系統(tǒng)是指料液在最后的滅菌階段與蒸汽在一定的壓力下混合。在混合過程中，蒸氣釋放出潛熱將料液快速加熱至滅菌溫度。直接加熱系統(tǒng)加熱料液的速度比其他任何間接加熱系統(tǒng)都要快。為了達到與加熱速度相同的冷卻速度，滅菌后，料液經(jīng)真空室去除水分，水分蒸發(fā)時吸收相同的潛熱使料液瞬間被冷卻。

根據(jù)牛乳與蒸氣混合方式不同，可將直接超高溫加熱系統(tǒng)分為注入式和噴射式。其中注入式的基本原理是加壓容器內(nèi)充滿了達到滅菌溫度的蒸氣，牛乳從頂部噴入通過蒸氣層得到加熱，蒸氣隨之冷凝，到底部時牛乳達到滅菌溫度，此種直接加熱方式稱注入式，原理如圖1.26（a）所示。生產(chǎn)時乳滴尺寸必須均勻，以保證換熱均勻。

噴射式就是將高于產(chǎn)品壓力的蒸汽通過噴嘴噴入產(chǎn)品中，使得蒸氣冷凝放熱，產(chǎn)品吸熱而溫度升高至所需溫度，如圖1.26（b）所示。

圖1.26　注入式和噴射式加熱系統(tǒng)

蒸氣噴射器是蒸汽噴射式系統(tǒng)的核心器件，蒸汽噴射器需滿足以下3點要求：首先，能使蒸汽快速冷凝，并防止不冷凝蒸汽氣泡進入保溫管，導致傳熱效率降低。其次，應(yīng)盡量降低料液與蒸氣間的壓力差；最后，蒸汽噴射器的設(shè)計必須盡量減少料液與蒸氣間的間接傳熱。

圖1.27　直接蒸汽噴射式超高溫加熱殺菌裝置示意圖

1—輸送泵；2—第一預熱器；3—第二預熱器；4、7—乳泵；5—直接蒸汽噴射器；6—真空室；
8—無菌均質(zhì)機；9—無菌冷卻器；10—冷凝器；11—高壓蒸汽；12—二次蒸汽；13—冷卻水

如圖1.27所示為直接蒸汽噴射式超高溫加熱殺菌裝置工作流程圖。原料乳通過第一預熱器和第二預熱器溫度升高至75～85℃。然后由泵4將牛乳送入蒸汽噴射器5，并噴入0.9MPa的高壓熱蒸氣，牛乳與蒸汽進行直接傳熱，從而牛乳的溫度瞬間升高至150℃左右。牛乳在管道保溫2～3s后，噴入真空室6，牛乳在真空室急劇蒸發(fā)，使牛乳溫度迅速降 至80℃左右。當牛乳與蒸氣進行直接換熱時，加熱蒸氣直接混入牛乳中使得水分增加，對料液產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象，從而給牛乳帶來異味。但是隨后牛乳進入真空室6中，牛乳瞬間閃蒸出大量水蒸氣，牛乳又恢復到原來的濃度，由于水分汽化是吸熱過程，因此牛乳的溫度也急劇下降。同時真空也有脫臭作用，使牛乳的異味消除。在第一預熱器對原料乳進行預熱的熱介質(zhì)是真空室排出的二次蒸氣，這樣也提高了熱能利用率。降溫后的乳液由乳泵送至無菌均質(zhì)機8均質(zhì)，最后經(jīng)無菌冷卻器冷卻至20℃以下，可直接進行無菌灌裝。

1.5　真空濃縮設(shè)備

濃縮是從溶液中除去部分溶劑的單元操作，是溶質(zhì)和溶劑均勻混合液部分分離的過程。蒸發(fā)濃縮在食品加工中應(yīng)用最為廣泛。例如，濃縮果蔬汁、煉乳和乳粉等食品的加工中真空濃縮設(shè)備是生產(chǎn)必需的設(shè)備。

在食品加工中，液體物料濃縮的目的主要是：減少干燥費用，如制造奶粉時，牛奶先經(jīng)預濃縮至固形物45%～52%以后再進行干燥；增加物料的結(jié)晶；減少體積和質(zhì)量從而減少貯藏和運輸費用；降低水分活性，以增加食品的微生物及化學方面的穩(wěn)定性，增加制品的保藏性；從廢液中回收副產(chǎn)品。

1.5.1　真空濃縮設(shè)備的原理與分類

1）真空濃縮的原理

加熱溶液時溶劑分子獲得動能，當部分溶劑分子獲得的能量足以克服分子間的吸引力時，溶劑分子會離開液面成為蒸氣分子。蒸發(fā)濃縮過程的完成必須同時具備兩個條件，首先熱能的不斷供給，以維持沸騰的溫度、補充因溶劑汽化所帶走的熱量和設(shè)備消耗的熱量等；其次溶劑蒸氣的排除，保證水分迅速蒸發(fā)汽化，最終提高產(chǎn)品的濃度。如圖1.28所示為蒸發(fā)的一般原理，通過熱蒸氣對間壁持續(xù)加熱從而使另一側(cè)的液體不斷蒸發(fā)，實現(xiàn)濃縮操作。

圖1.28　蒸發(fā)的一般原理

若熱能不間斷供給，溶劑蒸氣不斷排除，則溶劑的汽化過程會持續(xù)進行。由于用于食品加工的液體原料及半成品含有大量水分，占原料的75%以上，而糖類、蛋白質(zhì)、維生素等營養(yǎng)成分及風味物質(zhì)只占5%～10%，食品物料中的營養(yǎng)物質(zhì)使得物料具有了熱敏性、腐蝕性、黏稠性、結(jié)垢性、泡沫性和易揮發(fā)性等特點。因此，食品工業(yè)中廣泛應(yīng)用真空蒸發(fā)進行濃縮操作，即真空濃縮設(shè)備是在18～8kPa的低壓狀態(tài)下，以蒸汽間接加熱的方式對料液加熱，使得物料在低溫下沸騰蒸發(fā)，從而減少了對食品物料營養(yǎng)和風味等方面的影響。

2）真空濃縮設(shè)備的分類

真空濃縮設(shè)備的種類很多，一般有以下3種分類方式：

（1）根據(jù)蒸氣利用的次數(shù)不同分類

根據(jù)蒸氣利用的次數(shù)不同，可分為單效濃縮設(shè)備和多效濃縮設(shè)備。

所謂單效真空濃縮，就是二次蒸氣直接冷凝，不再利用其冷凝熱的蒸發(fā)濃縮操作過程，通常由一臺濃縮鍋和冷凝器及抽真空裝置組合而成。料液進入濃縮鍋后，加熱蒸氣對料液進行加熱濃縮，二次蒸氣進入冷凝器冷凝，不凝結(jié)氣體由真空裝置抽出，使整個濃縮裝置處于真空狀態(tài)。料液根據(jù)工藝要求的濃度，可間歇或連續(xù)排出。

多效真空濃縮則是將二次蒸氣引到下一濃縮器作為加熱蒸氣，再利用其冷凝熱的蒸發(fā)濃縮操作過程。常用的流程有順流法（并流法）、逆流法、平流法及混流法。

（2）根據(jù)料液的流程不同分類

根據(jù)料液的流程不同，可分為單程式（料液經(jīng)一次濃縮即出料）和循環(huán)式（包括自然循環(huán)和強制循環(huán)）。

（3）根據(jù)料液分布狀態(tài)不同分類

根據(jù)料液分布狀態(tài)不同，可分為薄膜式和非膜式。薄膜式就是將物料分散成薄膜狀，蒸發(fā)面大，蒸發(fā)快。它分為升膜式、降膜式、升降膜式、片式、刮板式和離心式薄膜蒸發(fā)器。而非膜式濃縮設(shè)備蒸發(fā)時，料液在蒸發(fā)器內(nèi)聚集，料液作翻滾和流動，形成大蒸發(fā)面。若在料液管路中流動，管路又分為盤管式濃縮器、中央循環(huán)管式濃縮器。

1.5.2　真空濃縮設(shè)備操作流程

1）單效真空濃縮設(shè)備操作流程

圖1.29　單效蒸發(fā)流程圖

1—加熱管；2—加熱室；3—中央循環(huán)管；4—蒸發(fā)室；5—除沫器；6—冷凝器

所謂單效蒸發(fā)，是指物料在蒸發(fā)室內(nèi)蒸發(fā)，產(chǎn)生的二次蒸氣不再加以利用直接送入冷凝器。如圖1.29、圖1.30所示為料液單效蒸發(fā)流程圖與外形圖。料液經(jīng)預熱后加至蒸發(fā)器，蒸發(fā)器的下部為加熱室，由許多加熱管組成，而加熱管外是加熱蒸氣對管內(nèi)料液進行傳熱，并使之沸騰汽化，水分不斷蒸發(fā)，濃縮液從蒸發(fā)器底部排出。蒸發(fā)室在蒸發(fā)器的上部，汽化產(chǎn)生的蒸氣在蒸發(fā)室和頂部的除沫器中將其夾帶的液沫進行分離，然后送往冷凝器被冷凝除去。

圖1.30　單效蒸發(fā)設(shè)備外形圖

2）多效真空濃縮設(shè)備操作流程

按照加料方式的不同，常用的流程有順流法（并流法）、逆流法和平流法。

（1）順流法

料液與加熱蒸氣流動方向相同，均由第一效順序流至末效。如圖1.31所示，蒸發(fā)室壓力由一效至末效依次遞減，由于壓力差的存在，故料液在效間流動不需用泵輸送。料液沸點依效序遞降，因而當前效料液進入后效時便會發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，產(chǎn)生更多蒸氣。由于后效溶液濃度較前效大，且溫度低，使傳熱系數(shù)降低。因此不適合成品黏度高的物料，但高濃度料液在低溫下濃縮，對于熱敏食品是有利的。

圖1.31　順流多效蒸發(fā)流程圖

（2）逆流法

如圖1.32所示，料液與蒸氣進入濃縮裝置的流動方向相反，即原料液由末效進入，依次由泵輸送進入前效，最終成品由第一效排出。蒸氣由第一效順序送入末效，最后進入冷凝器。隨著料液向前效流動，濃度越來越高，沸點也越來越高，故黏度增加并不十分顯著。這有利于提高傳熱系數(shù)。但效間料液流動要用泵，與順流法蒸發(fā)相比，水分蒸發(fā)量稍減。適宜處理黏度隨溫度和濃度變化較大的溶液，不宜處理熱敏性物料。

圖1.32　逆流多效蒸發(fā)流程圖

（3）平流法

如圖1.33所示，平流法是將原料液同時加入每效，而濃縮液也每效各自排出。加熱蒸氣的流向仍是由第一效順序流動至末效，蒸氣的流向由第一效至末效依次流動。此流程適用于在蒸發(fā)過程中伴有結(jié)晶析出的溶液。

圖1.33　平流多效蒸發(fā)流程圖

1.5.3　真空濃縮設(shè)備的結(jié)構(gòu)與工作原理

1）升膜式真空濃縮設(shè)備

薄膜式濃縮器可使料液沿管壁或器壁分散成液膜流動，以增加蒸發(fā)面積，提高濃縮效率。常用的薄膜式濃縮器有升膜式和降膜式兩種。

（1）主要結(jié)構(gòu)與工作原理

升膜式濃縮器的結(jié)構(gòu)如圖1.34所示。它主要由加熱器、分離器和循環(huán)管等部分組成。工作時，料液先預熱至沸點或者接近沸點后，自加熱器底部進入管內(nèi)，其在加熱管內(nèi)的液位占全部管長的1/5～1/4。加熱器由多根垂直管束組成。管徑一般為30～50mm，為使加熱面供應(yīng)足夠成膜的氣流，管長與管徑之比應(yīng)為100～150。加熱蒸氣在管間流動，將熱量傳給管內(nèi)的料液。料液被加熱沸騰后迅速汽化，進入管中間部開始產(chǎn)生蒸氣泡，使料液產(chǎn)生上升力，所產(chǎn)生的二次蒸氣在管內(nèi)高速上升，將料液擠向管壁，料液呈薄膜狀在管內(nèi)上行。在減壓真空狀態(tài)下，二次蒸氣上升速度可達100～160m/s。料液被高速上升的二次蒸氣帶動，沿管內(nèi)壁形成薄膜上升并不斷被加熱蒸發(fā)，料液從加熱器底部至加熱管頂部出口處逐漸被濃縮，到管頂部呈噴霧狀，沿切線方向高速進入分離器，在離心力作用下與二次蒸氣分離，二次蒸氣從分離器頂部排出，濃縮液達到濃度要求從分離器底部排出。如若完成液未達到要求濃度可經(jīng)循環(huán)管送回蒸發(fā)器底部重新進行蒸發(fā)。

升膜式濃縮器屬于自然循環(huán)式濃縮設(shè)備。這種濃縮設(shè)備的主要優(yōu)點是：設(shè)備占地面積小，管內(nèi)靜液面低，由靜壓頭產(chǎn)生的沸點升高很小，提高了加熱蒸氣與料液間的溫度差，增加了傳熱量，加快了蒸發(fā)速率；工作時料液沿管壁成膜狀流動，進行連續(xù)傳熱蒸發(fā)，料液在濃縮器停留時間較短，適合于熱敏性制品濃縮，相應(yīng)縮短了料液受熱時間，故蒸發(fā)時間短，為幾秒至十余秒；由于料液在管內(nèi)速度較高，適用于易起泡沫的物料。升膜式設(shè)備的不足有：料液薄膜在管內(nèi)上升時要克服重力與管壁的摩擦阻力，故不適用于黏度大的物料。同時，由于加熱管長，導致清洗不便。

圖1.34　升膜式濃縮器

1—蒸氣進口；2—加熱室；3—料液進口；4—冷凝水出口；5—循環(huán)管；
6—濃縮液出口；7—分離室；8—二次蒸氣出口

（2）升膜式真空濃縮設(shè)備的操作與維護

①料液應(yīng)先預熱到沸點狀態(tài)進入加熱器內(nèi)，以增加液膜比例，提高沸騰和傳熱系數(shù)；

②升膜式濃縮器使用時，要注意控制進料量，一般經(jīng)過一次濃縮的蒸發(fā)水分量，不能大于進料量的80%。如果進料量過多，加熱蒸氣不足，則管的下部積液過多，會形成液柱上升而不能形成液膜，使傳熱效果大大降低。但如果進料量過少，會產(chǎn)生管壁結(jié)焦現(xiàn)象。

③開始工作時，先使料液自加熱器底部進入，等料液噴出后即可稍開啟加熱蒸氣閥，隨后稍減少蒸氣量。

2）降膜式真空濃縮設(shè)備

（1）降膜式真空濃縮設(shè)備的結(jié)構(gòu)與工作原理

降膜式真空濃縮設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖1.35所示，它與升膜式濃縮設(shè)備基本相似，主要區(qū)別在于其加熱器頂部有降膜分配器，其主要作用是使料液均勻分布于加熱管內(nèi)，并沿管內(nèi)壁流動。工作時，料液從加熱器的頂部加入，經(jīng)分配器導流管分配進入加熱管，在重力作用下，料液沿管壁呈膜狀向下流動。蒸氣在管外流動，對料液進行加熱。料液在管內(nèi)向下流動過程中氣液混合物進入蒸發(fā)分離室后進行分離，二次蒸氣由分離室頂部排出，濃縮液由底部排出。

圖1.35　降膜式濃縮設(shè)備

1—料液進口；2—蒸氣進口；3—加熱室；4—二次蒸氣出口；5—蒸發(fā)分離室；
6—濃縮液出口；7—冷凝水出口

降膜式濃縮設(shè)備的優(yōu)點有：占地面積小，傳熱效率高；料液在加熱管表面形成膜狀，傳熱系數(shù)高，并可避免泡沫的形成，適合于易產(chǎn)生泡沫的物料，由于料液受熱時間短，有利于對食品營養(yǎng)成分的保護。但是由于降膜式濃縮設(shè)備進料時，料液由上管口進入，雖然每根管上端進口處裝有分配器，但由于料液液位的變化，影響薄膜的形成及厚度的變化，甚至會使加熱管內(nèi)表面暴露而結(jié)焦，導致清洗困難，故不適合濃縮高濃度和黏度較高的物料。

為了使料液均勻分布于加熱管內(nèi)，并沿管內(nèi)壁流動，在管的頂部或管內(nèi)裝有分配器。分配器對提高傳熱有明顯作用，不但影響到設(shè)備的傳熱效果、蒸發(fā)能力和操作的穩(wěn)定性，而且還會影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，其結(jié)構(gòu)形式有多種。如圖1.36所示為4種常用的料液分配器。

圖1.36　料液分配器

1—導流管；2—液面；3—傳熱管；4—分配板

①螺旋式。使液體沿管內(nèi)壁周圍均勻旋轉(zhuǎn)而下，同時可增加流速，減薄加熱表面的邊界層，降低熱阻，提高傳熱系數(shù)。

②圓錐式。在每一根加熱管的上端管口插入一根底部內(nèi)凹的圓錐形導流棒，棒底與管壁有一定的均勻間隙，液體在此均勻環(huán)形間隙中流入加熱管內(nèi)壁，形成薄膜，從而使料液分布均勻。

③多孔板式。即料液通過多孔的分配板上的小孔流下進入管內(nèi)。

④齒縫式。具有鋸齒形緣口的導流管，將加熱管的上方管口周邊切成鋸齒形，以增加液體的溢流周邊，同時由于加熱管口高度一致，使液體沿周邊均勻地溢流而下。當液位稍有變化時，不致引起很大的溢流差別，但當液位變化較大時，液體的分布不能控制均勻。

（2）真空濃縮裝置

從產(chǎn)品產(chǎn)生的二次蒸氣被壓縮，用作加熱介質(zhì)，這樣也可提高蒸發(fā)器的熱效率，一般壓縮二次蒸氣的方法有兩種，即蒸氣噴射再壓縮法（即熱再壓縮法）和機械再壓縮法。蒸氣噴射再壓縮是利用熱壓縮器混合生蒸氣和從產(chǎn)品中出來的二次蒸氣，并把混合物壓縮到較高的壓力。多效蒸發(fā)器與熱壓縮器共同使用可以使熱效率達到最高。機械再壓縮蒸發(fā)是利用機械壓縮機的絕熱壓縮實現(xiàn)熱效率的提高，壓力的增加是通過機械能驅(qū)動壓縮機來完成的。在機械式蒸氣壓縮過程中，所有的蒸氣在蒸發(fā)器里循環(huán)，從而能高度回收熱能。

如圖1.37所示的是同時帶機械壓縮機和熱壓縮機的三效蒸發(fā)器。壓縮蒸氣從壓縮機1回到一效蒸發(fā)器加熱產(chǎn)品，從一效出來的蒸氣用來加熱二效的產(chǎn)品，從二效出來的蒸氣用來加熱三效的產(chǎn)品，以此類推。壓縮機1把從三效分離器出來的二次蒸氣壓力從20kPa升高到32kPa，把溫度從60℃提高到71℃。71℃的溫度在一效蒸發(fā)器里不足以消毒產(chǎn)品，因此，實際生產(chǎn)中需要在一效前面安裝熱壓縮器10以提高蒸氣溫度。機械式壓縮法所用的壓縮機可以是正位移式或離心式，對于中小型設(shè)備宜采用羅茨式壓縮機。

圖1.37　帶機械式蒸氣壓縮機的三效蒸發(fā)器

1—機械壓縮機；2—真空泵；3—機械式蒸氣壓縮機；4—第一效；5—第二效；6—第三效；
7—蒸氣分離器；8—板式換熱器；9—板式換熱器；10—熱壓縮器

（3）降膜式真空濃縮設(shè)備操作與維護

①降膜式真空濃縮設(shè)備使用前，應(yīng)檢查設(shè)備安裝的正確性、精密度和蒸發(fā)器體的垂直度。若降膜管與水平面不垂直，就會引起偏流，使降膜管內(nèi)形成的液膜厚度不均勻，出現(xiàn)焦管現(xiàn)象。

②先開啟真空泵及冷凝水排出泵，并輸入冷卻水。

③開啟進料泵，使料液自加熱器頂部進入，當分離器切線口有料液噴出時，可開啟加熱蒸氣，必要時還需進行壓氣。

④當蒸發(fā)開始或操作正常后，開啟熱壓泵，待濃度達到要求，即可開始出料。

⑤生產(chǎn)過程中不能隨意中斷生產(chǎn)，否則容易結(jié)垢或結(jié)晶，發(fā)生焦管現(xiàn)象。由于加熱管較長，如有結(jié)焦則清洗困難，不適宜于濃度高、黏度大的物料。

3）板式真空濃縮設(shè)備

（1）板式真空濃縮設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)與工作原理

板式蒸發(fā)器如圖1.38所示，主要由板式換熱片、分界板、導桿、壓緊板、支架、壓緊螺桿、密封墊圈及溫度控制裝置等部分組成，也是一種薄膜蒸發(fā)器。其中，板式換熱片用不銹鋼沖壓而成，其上具有許多花紋，板厚1～1.5mm，片的四周用橡膠墊圈密封，同時片與片之間形成流體的通道，分別相間隔地流動著蒸氣與料液，通過金屬板進行熱交換，將物料加熱蒸發(fā)。一般由4片傳熱板組成一組，即每組由蒸氣段—物料升膜段—蒸氣段—物料降膜段組成。

圖1.38　單段板式蒸發(fā)器

1—分配管的噴頭；2—導桿；3—板式換熱片；4—壓緊螺桿；5—壓緊板；6—支架；7—蒸氣分離器

板式濃縮設(shè)備工作時的蒸氣與料液流動方向如圖1.39所示。加熱板4片一組，料液由泵強制通入加熱器體，料液在片1與片2之間上升呈升膜流動，然后從片3與片4之間下降呈降膜流動。而加熱蒸氣則在片2，3和1，4之間流動冷凝，蒸氣將熱量通過片壁傳遞給料液，料液吸收熱量后變?yōu)槎握魵馀c濃縮液，一起進入底部通道，引入蒸發(fā)分離器進行分離。板組的數(shù)目可以視生產(chǎn)的需要而變動。離開板組的氣液混合物進入蒸氣分離器分離。

圖1.39　蒸氣與物料流動方向

a—蒸氣；b—進料；c—冷凝水；d—二次蒸氣與濃縮引向分離器

板式濃縮器的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省材料。由于流體在板間形成湍流，熱阻小，故板式濃縮設(shè)備傳熱系數(shù)高，熱效率高。同時，加熱面積可隨意調(diào)整來滿足不同的生產(chǎn)能力的需要。易實現(xiàn)自動化連續(xù)生產(chǎn)，便于清洗。板式蒸發(fā)濃縮設(shè)備的造價也較為便宜，而且其生產(chǎn)成本也比其他換熱器低得多。但是板式蒸發(fā)器的使用有局限性，由于換熱片之間是由密封墊片密封，因此需要經(jīng)常拆卸和清洗，容易造成泄漏、脫墊、伸長變形、老化和斷裂。同時，操作溫度、壓力也受到限制。

（2）板式濃縮設(shè)備的使用與維護

①按照要求進行組裝。安裝前將板片處理干凈，檢查密封墊圈是否完好，按順序懸掛，保證孔對正，板片均勻壓緊，一般壓緊至規(guī)定尺寸，以不泄漏為宜，不宜壓得過緊。設(shè)備必須調(diào)整水平，否則會使料液不能均勻分布于板片表面，影響正常加熱，甚至造成加熱表面結(jié)焦。

②使用前，要進行試壓和消毒，檢查有無泄漏，然后通入高壓蒸氣消毒。

③正常工作中，應(yīng)控制好壓力和流量，開始時，輸出的流體溫度可能不符合要求，待溫度正常后，方可投入運行。運行中維持適當?shù)膲毫土髁?，減少波動。

④停車時，應(yīng)先停止高溫流體的流動，再停止低溫流體的流動，直到換熱器內(nèi)的流體流盡。

⑤生產(chǎn)完畢需根據(jù)生產(chǎn)物料性質(zhì)進行徹底清洗。

⑥定期檢查各傳熱板的幾何尺寸及清潔情況，同時檢查各密封墊圈的密封性能，密封墊圈應(yīng)定期進行更換。

1.5.4　濃縮附屬設(shè)備

真空濃縮裝置的附屬設(shè)備主要包括：氣液分離器、蒸氣冷凝器及抽真空系統(tǒng)。

1）氣液分離器

氣液分離器也稱捕集器、捕沫器、除沫器等。一般安裝在濃縮裝置的頂部或側(cè)部。其功用是將蒸發(fā)濃縮過程中夾帶的細微液滴與二次蒸氣分離，減少料液的損失，同時防止管道及其他濃縮器加熱面的污染。氣液分離器有慣性型分離器、離心型分離器和表面型分離器等類型。

（1）慣性型（碰撞型）氣液分離器

慣性型氣液分離器的結(jié)構(gòu)如圖1.40（a）、（b）所示。其工作原理是：在二次蒸氣流經(jīng)的通道上設(shè)置若干擋板，使帶有液滴的二次蒸氣通過時多次突然改變流動方向，并與擋板碰撞，液滴慣性大，在突然改變方向時，碰撞在擋板上，沿擋板流下從而與氣體分離。為了提高分離效果，一般慣性型氣液分離器的直徑比二次蒸氣的直徑大2.5～3倍時效果較好，但阻力損失卻較大。

（2）離心型氣液分離器

離心型氣液分離器的形狀結(jié)構(gòu)如圖1.40（c）所示。帶有液滴的二次蒸氣沿分離器內(nèi)壁切線方向進入，氣液混合物作回轉(zhuǎn)運動，液滴在離心力的作用下被甩至分離器的內(nèi)壁，并沿內(nèi)壁流下至蒸發(fā)室。二次蒸氣由頂部排出，在蒸氣速度較大時操作性能較好。

（3）表面型（過濾型）氣液分離器

表面型氣液分離器的結(jié)構(gòu)如圖1.40（d），（e）所示。二次蒸氣通過分離器中的多層金屬網(wǎng)或磁圈等結(jié)構(gòu)，從而液滴黏附在其表面而二次蒸氣則可通過，從而達到分離的目的。其特點是氣流速度小，阻力損失小，但缺點是由于填料及金屬網(wǎng)不易清洗，因此在食品工業(yè)中應(yīng)用不多。

圖1.40　氣液分離器

（a），（b）慣性型氣液分離器 （c）離心型氣液分離器 （d），（e）表面型氣液分離器
1—蒸氣進口；2—料液回流口；3—二次蒸氣出口；4—真空解除閥；5—視孔；
6—折流板；7—排液口；8—擋板

2）冷凝器

冷凝器的主要作用是將真空濃縮所產(chǎn)生的二次蒸氣進行冷凝，并將其中的不凝氣體（如空氣、二氧化碳等）分離，便于抽真空裝置抽出，以減輕抽真空系統(tǒng)的容積負荷，并保證工作所需的真空度。冷凝器按冷凝方式可分為表面式和接觸式冷凝器。其中，表面式即蒸氣與冷水不直接接觸，即間壁式換熱器。一般情況下，除非冷凝液具有回收價值，否則冷卻水的使用是不經(jīng)濟的，故這種形式使用較少。而接觸式又稱混合式，蒸氣與冷水直接混合。由于該種形式結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率高，較為經(jīng)濟，因此，蒸發(fā)操作中常采用這種汽液直接接觸的冷凝器來冷凝二次蒸氣。下面就介紹較為常用的直接接觸式冷凝器。

（1）水力噴射器

水力噴射器主要由噴嘴、吸氣室、混合室和擴散室等部分組成，兼有冷凝和抽真空兩種作用。如圖1.41所示，其中噴嘴是水力噴射器的關(guān)鍵零件，噴嘴的大小與冷凝器的冷凝能力、吸入冷水的水質(zhì)有關(guān)。工作時，由離心泵將水壓入噴嘴，由于噴嘴處的斷面積突然變小，水流以高速從噴嘴處射出，射入混合室及擴散室，這樣，在噴嘴出口處便形成負壓區(qū)，不斷將二次蒸氣吸入，由于二次蒸氣與冷卻水間有溫差，二次蒸氣與冷水進行熱交換，二次蒸氣凝結(jié)為冷凝水，同時夾帶不凝性氣體，隨冷水一起排出，這樣既達到冷凝效果，又可起到抽真空的作用。

噴嘴排列是否恰當，對抽氣效果有很大影響。噴嘴的大小與冷凝器的冷凝能力以及吸入冷水的水質(zhì)有關(guān)。當水質(zhì)較好、冷凝能力較小時，可采用直徑較小的噴嘴，反之應(yīng)采用直徑較大的噴嘴。一般噴嘴以一定傾斜角度，按同心圓排列1～3圈，噴嘴直徑以16～20mm為宜。喉部直徑大小與操作要求的真空度有關(guān)，通常喉部截面積與噴嘴出口總截面積之比為3～4。為避免高壓水流的沖擊，在吸氣室內(nèi)裝有導向盤，可起到緩沖和分配水流的作用。

圖1.41　水力噴射器

1—頂蓋；2—噴嘴；3—噴嘴托板；4—導向盤；5—噴射器體；6—擴散管

（2）孔板式冷凝器

孔板式冷凝器如圖1.42（a）所示。其中，裝有若干塊淋水板，每個淋水板上均勻地鉆有很多小的淋水孔。淋水板交替放置，冷卻水自上方引入，順次經(jīng)板孔順流而下，形成雨滴滴下，同時還經(jīng)淋水板邊緣泛流而下。蒸氣則自下方進入，與冷卻水逆流接觸而被冷凝。進入的冷卻水與蒸氣進行熱交換后，從下方尾管排出。不凝結(jié)氣體和水氣混合物自上方排出。

圖1.42　混合式冷凝器

1—冷水入口；2—不凝氣體排出口；3—蒸氣入口；4—孔板；5—填料

（3）填料式冷凝器

如圖1.42（b）所示，冷卻水從上部噴淋而下，與上升的蒸氣在填料層內(nèi)接觸。填料層由許多空心圓柱形的填料環(huán)或其他填料充填而成，形成兩種流體的接觸面。不凝結(jié)氣體則由頂部排出，混合冷凝后的冷凝水由底部引出。

3）真空裝置

抽真空裝置主要作用就是抽取不凝結(jié)氣體，降低濃縮鍋內(nèi)的壓力，保證整個濃縮系統(tǒng)處于真空狀態(tài)。從而使料液在低溫下沸騰，有利于提高食品的質(zhì)量。濃縮裝置中的不凝結(jié)氣體主要來自于溶解在冷卻水中的空氣、料液受熱后分解出來的氣體、設(shè)備泄漏進來的氣體等。常用的真空裝置有水環(huán)式真空泵、往復式真空泵及噴射式真空泵等。這里簡單介紹常用的水環(huán)式真空泵的工作原理。

水環(huán)式真空泵其主要結(jié)構(gòu)是由泵體、葉輪和泵殼組成的工作室。葉輪呈放射狀均勻分布，偏心安裝于工作室內(nèi)。開機前先向泵內(nèi)灌入一半的水（見圖1.43），當葉輪高速旋轉(zhuǎn)時，泵內(nèi)的水被甩至工作室內(nèi)壁形成一個旋轉(zhuǎn)水環(huán)，水環(huán)外部表面與泵殼相切。沿箭頭方向旋轉(zhuǎn)的葉輪在前半轉(zhuǎn)中，水環(huán)的內(nèi)表面逐漸向外移動與輪轂逐漸分開一定距離，葉片與水環(huán)間空隙逐漸擴大形成真空，因此，從鐮刀形吸氣口中氣體被吸入。當在后半轉(zhuǎn)中，旋轉(zhuǎn)水環(huán)內(nèi)表面逐漸與輪轂接近，葉片間空隙逐漸減小，抽進的氣體被壓縮并從另一側(cè)鐮刀形排氣口中排出。葉輪每轉(zhuǎn)一周，兩個葉片間的容積周期性的改變一次，從而可以連續(xù)不斷地抽吸和排出氣體，達到抽真空的目的。

圖1.43　水環(huán)式真空泵

1—葉輪；2—水環(huán)；3—進氣管；4—吸氣口；5—排氣口；6—排氣管

水環(huán)式真空泵結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，操作可靠，轉(zhuǎn)速較高，可與電動機直聯(lián)，內(nèi)部不需潤滑，可使排出氣體免受污染，排氣量較均勻，可用來抽吸空氣和其他無腐蝕性、不溶于水的氣體，工作平穩(wěn)可靠。但因高速運轉(zhuǎn)，水的沖擊使葉輪與輪殼磨損，造成真空度下降，需經(jīng)常更換零件。

1.5.5　真空濃縮設(shè)備的常見故障及排除

1）真空度過低

真空度過低使?jié)饪s液的沸點和二次蒸氣的溫度升高，傳熱量減少，蒸氣蒸發(fā)速度減緩，料液加熱溫度升高，影響有效成分的保存。

原因分析：濃縮設(shè)備泄漏，各連接件泄漏滲入空氣，空氣滲入使真空設(shè)備增加了額外負擔；冷卻水量不足，二次蒸氣不能及時冷凝；冷卻水的進水溫度過高，濃縮加熱產(chǎn)生的大量二次蒸氣不能及時得到冷凝；加熱蒸氣壓力過高使?jié)饪s設(shè)備蒸發(fā)速率迅速升高，產(chǎn)生了大量的二次蒸氣，使真空度逐步降低；真空設(shè)備有故障，用于濃縮生產(chǎn)的真空泵有故障使抽氣速率下降。

排除辦法：檢查濃縮設(shè)備各連接件是否有泄漏；檢查冷卻水泵；檢查管道是否堵塞、閥門是否損壞；降低冷卻水溫度；降低加熱蒸氣壓力，減少加熱蒸氣流量；停車檢查真空設(shè)備；若使用水力噴射器，查看噴嘴是否阻塞。

2）真空度過高

原因分析：濃縮設(shè)備冷卻水的進水溫度過低；由于加熱蒸氣使用壓力過低或者蒸氣流量不足，使蒸發(fā)速率大大降低；分離室故障，或加熱蒸氣品質(zhì)差，蒸氣管道保溫不良，會使加熱器內(nèi)出現(xiàn)積水，使真空度過高；加熱器故障；加熱器表面的嚴重結(jié)焦，使蒸發(fā)速率降低。

排除方法：增加冷卻水的進水溫度；適當增加加熱蒸氣壓力或者提高蒸氣流量；選擇適當?shù)钠蛛x器，檢查分離器是否堵塞；保證加熱蒸氣品質(zhì)和蒸氣管道保溫效果；盡量避免加熱器表面的結(jié)焦，及時清理。

3）冷卻水倒灌入濃縮設(shè)備

原因分析：設(shè)備突然停止運行、突然停電使鍋內(nèi)真空度高于真空系統(tǒng)；操作失誤未按正常順序操作；真空設(shè)備故障，真空設(shè)備的突然故障使真空系統(tǒng)抽氣速率突然急劇下降。

排除方法：突然停機時，及時關(guān)閉蒸氣，防止鍋內(nèi)真空度過高；應(yīng)按正常順序進行開機和停機操作；若真空設(shè)備突然故障，及時調(diào)整鍋內(nèi)真空度。

4）加熱器表面結(jié)焦

原因分析：進料量過少或蒸氣溫度、壓力過高，加熱表面未被物料全部浸沒而即開啟蒸氣閥門，使加熱表面裸露而結(jié)焦；當運行中供料中斷以及生產(chǎn)過程中加熱蒸氣壓力、溫度的突然升高或者操作條件的突然變化；不按停車順序進行操作；停車時未先關(guān)閉加熱蒸氣閥門而先破壞真空，使物料液位下跌，造成加熱面裸露而結(jié)焦。

排除方法：待加熱表面被物料全部浸沒后再開啟蒸氣閥門；停車時先關(guān)閉加熱蒸氣閥門再先破壞真空；運行中維持供料穩(wěn)定，生產(chǎn)過程中確保加熱蒸氣壓力、溫度維持穩(wěn)定。

5）跑料

原因分析：啟動操作時一次進料量過多，使分離器內(nèi)料液液位過高，造成壓氣操作困難而易產(chǎn)生跑料；實際操作中真空度過高或者真空度突然升高；間歇操作濃縮設(shè)備底部或者升（降）膜式濃縮設(shè)備底部泄漏，使料液跳動嚴重而外溢；連續(xù)式設(shè)備中出料突然中斷，會使料液液面上升而產(chǎn)生跑料。

排除方法：在正常操作中，進料量不應(yīng)大于出料量和蒸發(fā)水分之和；真空度維持在適當水平，避免波動；維持出料通暢。

1.6　噴霧干燥設(shè)備

噴霧干燥是利用霧化器將溶液、乳濁液、懸濁液或含有水分的膏糊狀物料在熱風中噴霧成細小的液滴，在液滴下落的過程中，水分被蒸發(fā)而成為粉末狀或顆粒狀的產(chǎn)品。噴霧干燥廣泛應(yīng)用于奶粉、蛋類、咖啡、香辛料的浸出液加工，而且，在果蔬汁、合成食用香料、油脂、醬油以及很多液態(tài)食品粉末化生產(chǎn)中也廣泛應(yīng)用。

1.6.1　噴霧干燥基本原理

噴霧干燥是使物料在機械力的作用下，用霧化器霧化成直徑為10～100μm的霧滴，從而增大制品的表面積，每升乳液經(jīng)霧化后，其表面積可達到100～600m2，并與干燥介質(zhì)充分接觸，使物料中的水分瞬間蒸發(fā)，從而迅速脫水干燥，經(jīng)15～30s，就可得到符合要求的粉狀、顆粒狀干制品。

噴霧干燥可分為3個過程：首先，使物料分散為細小的霧滴，將潔凈的干燥空氣，由加熱器加熱到100℃以上吹入干燥室中，同時將經(jīng)濃縮的原料送至干燥室內(nèi)的霧化器進行霧化。然后，使霧滴與干燥介質(zhì)充分接觸，物料中的水分迅速蒸發(fā)，液體小霧滴瞬時變?yōu)楣腆w小顆粒。最后，將干燥后的小顆粒與干燥介質(zhì)充分分離，在干燥過程中被廢氣夾帶的微粉可通過分離裝置回收。

噴霧干燥前，根據(jù)原料性質(zhì)和對產(chǎn)品的要求不同，原料需進行適當預處理。例如，若物料含水量大，應(yīng)先進行濃縮處理；原料若為懸浮液，噴霧時需攪拌均勻，濾去懸浮雜質(zhì)，等等。適當?shù)念A處理可節(jié)省能源，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1.6.2　噴霧干燥典型工藝流程

噴霧干燥典型工藝流程如圖1.44所示。物料首先由泵泵入塔頂內(nèi)部的霧化器，霧化后與同時進入的熱風進行充分的熱交換，霧滴在干燥室內(nèi)與熱空氣相遇，以并流方式自上而下運動，水分蒸發(fā)。顆粒落入塔底的錐形部分，由星形閥排出干燥塔。

工作時，新鮮的空氣經(jīng)空氣過濾器除去雜質(zhì)后，被進風機送入空氣加熱器加熱至130～160℃，送到熱空氣分配室，經(jīng)塔頂?shù)臒犸L分布器均勻的吹入塔內(nèi)，與霧化器形成的霧滴進行充分的熱交換，蒸發(fā)出來的水蒸氣及熱風形成廢氣，帶著細粉的廢氣進入旋風分離器，細粉被旋風分離器回收，廢氣通過排風機排出。由旋風分離器回收的細粉經(jīng)下部的鼓形閥排出。

圖1.44　噴霧干燥設(shè)備流程

1—高壓泵；2—霧化器；3—干燥室；4—風機；
5—旋風分離器；6—空氣加熱器；7—空氣過濾器

1.6.3　噴霧干燥設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)

噴霧干燥系統(tǒng)根據(jù)工藝的需要，噴霧干燥系統(tǒng)的組成會有一些不同，但其基本組成為霧化系統(tǒng)、送風系統(tǒng)、干燥室、產(chǎn)品收集系統(tǒng)、廢氣排放及微粉回收系統(tǒng)、系統(tǒng)控制裝置及廢熱回收裝置。

1）霧化器

霧化器的作用就是將料液穩(wěn)定地噴灑成細小且均勻的霧滴，并使其均勻地分布于干燥室的有效部分，與熱空氣保持良好的接觸。噴霧干燥時，要求霧滴不發(fā)生相互碰撞，也不噴至干燥室內(nèi)壁面。由于霧滴表面積越大，干燥速度就越快，因此，霧化器是噴霧干燥設(shè)備保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高干燥效率的關(guān)鍵部件。食品工業(yè)中，物料微?；椒ㄒ罁?jù)霧化器的形式主要有兩類，即離心霧化器和壓力霧化器。其工作狀態(tài)如圖1.45所示。

（1）壓力霧化器

壓力霧化器是利用高壓泵（2～20MPa）給予料液靜壓能，將料液以一定的速度送入霧化室，在霧化室內(nèi)，料液在壓力的作用下，沿切線方向進入噴嘴旋轉(zhuǎn)室，經(jīng)渦旋室、孔板或旋轉(zhuǎn)斜槽等裝置，這時，液體的部分靜壓能轉(zhuǎn)化為動能，使料液得以加速，產(chǎn)生強烈的旋轉(zhuǎn)運動，最后由噴孔高速噴出。并且料液越靠近軸心，旋轉(zhuǎn)速度越大，結(jié)果在噴嘴中央形成一股壓力等于大氣壓的空氣流，而液體則形成旋轉(zhuǎn)的環(huán)形薄膜從噴嘴噴出。液膜伸長變薄，以高速與空氣發(fā)生摩擦，最后分裂為小霧滴，這樣形成的液霧為空心圓錐形。

一般噴霧壓力越高噴孔孔徑越小，則噴出的霧滴越小，反之則霧滴越大。霧化效果取決于湍流速度，影響因素有液流壓力、流速、噴嘴形狀及物料特性。霧滴的分散度與料液的性質(zhì)及噴孔直徑成正比，與流量成反比，并與噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。目前我國廣泛應(yīng)用的壓力霧化器有M型和S型兩種。

圖1.45　霧化器工作狀態(tài)

①M型壓力霧化器

M型霧化器的結(jié)構(gòu)如圖1.46（a）所示。它主要由渦流板、噴頭等組成。噴頭內(nèi)鑲?cè)肴嗽旒t寶石噴嘴。在噴頭上有導流溝，導流溝與渦流板上的切向通道相通，導流溝的軸線垂直于噴頭軸線，但不與之相交，以增加噴霧時溶液的湍流度。高壓料液進入霧化器，經(jīng)渦流板上的小孔進入導流溝，沿切線方向進入噴嘴內(nèi)，產(chǎn)生強烈的旋轉(zhuǎn)運動，呈環(huán)形薄膜從噴頭以高速噴出。噴出的錐形液膜與空氣發(fā)生摩擦碰撞，液膜被撕裂成細小霧滴，進入干燥塔內(nèi)便瞬間干燥。M型霧化器的流量大，適用于生產(chǎn)能力較大的干燥設(shè)備。

②S型壓力霧化器

S型霧化器的結(jié)構(gòu)如圖1.46（b）所示。它不設(shè)分配板，由噴頭座、渦流芯等組成。在渦流芯上有兩條導流溝，導流溝的軸線與渦流芯的軸線成一定的角度，噴心與噴嘴之間形成旋轉(zhuǎn)室，進入導流溝的料液作螺旋運動，噴孔直徑一般為0.5～1.4mm。

圖1.46　霧化器

1—管接頭；2—噴頭帽；3—渦流板；4—噴頭；5—人造紅寶石噴嘴；
7—噴頭座；8—渦流芯；9—墊片；10—噴孔

（2）離心霧化器

離心霧化就是將料液注入一水平方向作高速旋轉(zhuǎn)運動的圓盤，使料液在離心力的作用下被高速甩出，形成薄膜、細絲或液滴。被甩出的料液，同時與干燥塔內(nèi)的熱氣流相互接觸、摩擦并產(chǎn)生撕裂等作用而使料液形成霧滴，使物料霧化。料液的物性、流量、離心盤直徑及轉(zhuǎn)速等因素都會影響霧化的效果。

離心霧化器主要有光滑盤離心霧化器和葉輪式離心霧化器兩種，如圖1.47所示為常用的不同形式的離心霧化盤。食品工業(yè)上常用的光滑圓盤離心霧化器有碟式、僧帽式、碗式及多層式，如圖1.48所示。此光滑圓盤離心霧化器的圓盤為平的光滑表面。故當高速轉(zhuǎn)動時，料液在盤面上會發(fā)生較大的滑動，影響霧化效果。因此，這類光滑圓盤霧化器一般適合于物料進料率低、生產(chǎn)顆粒粗的場合。

圖1.47　各種形式的離心霧化盤

葉輪式離心霧化器主要有曲葉板式、輻射葉板式、溝槽式、插板式，如圖1.49所示。這種噴霧方式料液與葉輪的通道接觸，在霧化盤上就不會像光滑盤那樣發(fā)生滑動，避免物料橫向流動，被霧化的料液滴較為均勻。但由于噴嘴直徑較細，易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

圖1.48　光滑盤離心霧化器

圖1.49　葉輪式離心霧化器

2）干燥室

霧化干燥室是熱空氣與被干燥的料液進行熱和質(zhì)交換的場所，要求具有足夠的空間，以保證空氣及物料在干燥室內(nèi)停留的時間，保證制品的含水量達到生產(chǎn)工藝的要求，又不致受熱過度或產(chǎn)生黏壁等現(xiàn)象。干燥塔分為箱式（臥式）和塔式（立式）兩大類，塔式干燥室的塔底分為錐底、平底和斜底3種結(jié)構(gòu)。一般為塔式干燥室，用厚度為2.5～3mm的不銹鋼焊制而成。使用絕熱材料如硅藻土、泡沫塑料等輕質(zhì)材料進行保溫。

熱風在干燥室內(nèi)的分配要合理，保證熱風和物料的有效混合，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量。根據(jù)物料與干燥介質(zhì)在干燥塔內(nèi)運動方向不同可分為3種類型，即并流型、逆流型和混流型。

（1）熱風與物料顆粒的運動形式

①并流干燥法

并流型霧化干燥設(shè)備如圖1.50（a）所示。料液霧滴與進入干燥室內(nèi)的干燥介質(zhì)的運動方向一致。因入口處的料液含濕量高，盡管與高溫的熱風相接觸，其熱量都供給水分蒸發(fā)了，液滴表面溫度接近濕球溫度，故不會使被干燥物料出現(xiàn)焦化而影響產(chǎn)品質(zhì)量。較適宜于熱敏性物料的噴霧干燥，是乳品干燥中的主要類型。

圖1.50　熱風與霧滴的流動形式

②逆流干燥法

如圖1.50（b）所示為逆流型霧化干燥設(shè)備。與并流干燥法相反，料液霧滴與干燥介質(zhì)的運動方向相反。物料從上往下噴，熱風由下往上吹，兩者呈逆流接觸。因液滴在水分少的時候與高溫空氣接觸，從而干燥速度慢。即將完成干燥的物料的水分含量進一步排除，較適宜含濕量較高的物料，干燥的體積質(zhì)量較大，空心、結(jié)皮傾向小。但是容易使產(chǎn)品過熱焦化，所以不適宜熱敏性物料，乳品工業(yè)中應(yīng)用較少。

③混流干燥法

如圖1.50（c）所示為混流型噴霧干燥設(shè)備。料液霧滴與熱風的運動方向呈不規(guī)則狀況，二者的運動軌跡呈紊亂狀態(tài)。霧滴與熱風充分接觸，干燥效率較高，塔內(nèi)溫度分布較均勻且較低，可用于含油量高的制品，如椰奶粉和稀奶油粉。但若控制不好，干燥塔內(nèi)會產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，造成產(chǎn)品黏壁。

（2）空氣分配器

為了使氣流有規(guī)則地流動，并與霧滴有效混合。熱空氣進入干燥室前，應(yīng)用空氣分配器進行整流處理?？諝夥峙淦鞯淖饔檬鞘惯M入干燥室后的熱風在室內(nèi)分配均勻不產(chǎn)生渦流，使熱風與霧滴能充分地進行熱交換。因此熱風分配器的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量好壞，良好的熱風分配器的主要作用是使氣-液兩相充分接觸，混合良好，使氣體分布均勻。

熱風速度在設(shè)計上一般以6～10m/s進入干燥室，經(jīng)空氣分配器均勻分配后，干燥室內(nèi)風速應(yīng)為0.2～0.5m/s為宜，排風速度為5～8m/s為宜。

當采用壓力噴霧方式時，常見的熱風分布為直線運動分風形式；而采用離心噴霧時，熱風的分布為螺旋分風形式。這種形式可很好地控制霧滴的徑向運動軌跡，此分配器裝有冷風圈，可防止塔頂?shù)倪M風處產(chǎn)生焦粉，其結(jié)構(gòu)如圖1.51所示。

圖1.51　空氣分配器結(jié)構(gòu)

1.6.4　其他附屬設(shè)備

噴霧干燥系統(tǒng)的其他附屬設(shè)備主要有空氣過濾器、空氣除濕器、空氣加熱器、鼓風機及除塵裝置等。

1）空氣過濾器

用于生產(chǎn)食品的噴霧干燥設(shè)備所使用的熱空氣必須是潔凈空氣，而一般室外空氣會含有二氧化硫、一氧化碳等有害氣體以及其他粉塵等雜質(zhì)，若使雜質(zhì)混入成品會造成極大的危害。因此所使用的空氣須經(jīng)過濾凈化處理。

空氣過濾器的框架是由1～2mm厚的鋼板構(gòu)成的，中間裝厚約100mm的過濾層，濾層可定期拆下清洗。濾層材料一般選用不銹鋼絲絨或尼龍絲絨，并且噴以無味、無毒、揮發(fā)性低、化學穩(wěn)定性高的輕質(zhì)油。當空氣通過空氣過濾器時，其雜質(zhì)即被擋在濾層中或被油膜吸附于濾層中。

2）空氣除濕器

當進入干燥塔的空氣特別是進入流化床的空氣含濕量較大時，會造成物料返潮，必須對空氣進行除濕。除濕器殼內(nèi)裝有管道，管道內(nèi)流動有冷水或冰水，殼腔直接與空氣過濾器相連，進來的空氣與殼腔內(nèi)的冷介質(zhì)進行熱交換，使空氣冷卻到0℃以下，從而使空氣所含濕氣冷凝，進入的空氣濕度降低，這樣處理可以盡量減少返潮現(xiàn)象的發(fā)生。

3）空氣加熱器

來自空氣過濾器的潔凈空氣在進入干燥室之前需要進行加熱，使空氣的溫度升高至140～180℃后通入干燥室。空氣加熱方法有直接加熱和間接加熱兩種方法。目前，我國的噴霧干燥設(shè)備多數(shù)使用間接加熱法加熱空氣，即用水蒸氣間接加熱。加熱器內(nèi)排列有多塊紫銅管或鋼管制成的蒸汽散熱排管，管外有翅片，可起到增加傳熱效果的作用，翅片與管接觸良好，空氣從翅片深處穿過，從而對流過加熱器的空氣進行換熱。

4）鼓風機

噴霧干燥系統(tǒng)中的熱空氣需要靠風機的作用，使熱空氣在整個系統(tǒng)中流動。噴霧干燥設(shè)備需要用兩臺風機來完成，一臺是送風用的鼓風機，另一臺則設(shè)在分離器后面進行排風。在選擇風機時，應(yīng)根據(jù)噴霧干燥設(shè)備蒸發(fā)水分的能力來確定風量。進風機應(yīng)考慮增加10%～20%的風量，排風機應(yīng)增加15%～30%的風量。一般情況下，排風機的風量較進風機風量大20%～40%。這樣可保證塔內(nèi)具有一定的負壓，塔內(nèi)負壓在100～200Pa較合理。

5）除塵裝置

工作時，當干燥塔內(nèi)風速大于0.5m/s時，約有40%左右細粉粒難以沉降，且易被廢氣帶走，因此應(yīng)設(shè)置分離裝置對細粉粒進行回收，一般由粉塵回收裝置分離的產(chǎn)品可達總產(chǎn)量的25%～40%。這樣既可提高制品的得率，還可防止大氣污染，凈化環(huán)境空氣。

常用除塵器有旋風分離器、布袋過濾器以及濕式除塵器等。其中，旋風分離器的分離原理如圖1.52所示。含粉塵的氣體以較高的速度沿切線方向進入旋風分離器，在外筒與排氣管件之間形成旋轉(zhuǎn)向下的外旋流，到達錐底后，以相同的旋轉(zhuǎn)方向折轉(zhuǎn)向上，形成內(nèi)旋流，到上部后通過中心伸進來的圓筒形排氣管排出，顆粒在旋轉(zhuǎn)的氣體中運動，受到離心力作用向器壁方向移動，沿內(nèi)壁下落到排出口排出。

圖1.52　旋風分離器示意圖

1.6.5　噴霧干燥設(shè)備的操作與維護

1）噴霧干燥設(shè)備的操作

（1）生產(chǎn)前準備

①所有管道及干燥塔在安裝聯(lián)接時首先應(yīng)清理及清洗一遍，各聯(lián)接處是否裝好密封材料，然后將其聯(lián)接，避免未經(jīng)加熱的空氣進入干燥室。

②門和觀察窗是否關(guān)上并檢查是否漏氣。旋風分離器底部的授粉筒在安裝前應(yīng)檢查是否密封。授粉筒必須清潔和干燥。

③檢查進料泵的連接管道是否接好，電機與泵的旋轉(zhuǎn)方向是否正確。

④干燥室頂部安放噴霧頭處是否安裝好，以免漏氣。

（2）開機

①首先開啟離心風機，然后開啟加熱器，并檢查是否漏氣，如正常即可進行預熱，因熱風預熱決定著干燥設(shè)備的蒸發(fā)能力，在不影響被干燥物料質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡可能提高進風溫度。

②預熱時干燥室頂部安放霧化器處，干燥室頂部和旋風分離器下料口處必須密封，以免冷風進入干燥室，降低預熱效率。

③當干燥室進口溫度達到設(shè)定溫度時，開啟離心噴頭，當噴霧頭達到最高轉(zhuǎn)速時，開啟進料泵，加入清水噴霧10min后更換成料液，進料量應(yīng)由小到大，否則將產(chǎn)生黏壁現(xiàn)象，直到調(diào)節(jié)到適當?shù)囊?。料液的濃度?yīng)根據(jù)物料干燥的性質(zhì)來配制，以保證干燥后成品有良好的流動性。

④干燥成品的溫度和濕度取決于排風溫度，在運行過程中，保持排風溫度為一個常數(shù)是極其重要的，這取決于進料量的大小，下料量穩(wěn)定，出口溫度是比較穩(wěn)定的。若料液的含固量和流量發(fā)生變化時出口溫度也會出現(xiàn)變動。

⑤產(chǎn)品溫度太高，可減少加料量，以提高出口溫度，產(chǎn)品的溫度太低，則反之。對于產(chǎn)品溫度較低的熱敏性物料可增加加料量，以降低排風溫度，但產(chǎn)品的溫度將相應(yīng)提高。

⑥干燥后的成品收集。在旋風分離器下部的授粉器內(nèi)，未經(jīng)充滿前就應(yīng)調(diào)換，在調(diào)換授粉器時，必須先將上面的碟閥關(guān)閉方可進行。

⑦若干燥的成品具有吸濕性，旋風分離器及其管道，授粉器的部位應(yīng)用絕熱材料包扎，這樣可以避免干燥成品的回潮吸濕。

（3）停車

①關(guān)閉電加熱器和蒸氣加熱器。

②關(guān)閉壓料罐進氣電磁閥，同時卸壓，停止噴料。

③清掃塔壁時，打開人孔進行清掃。

④關(guān)閉風機。關(guān)閉控制臺的總開關(guān)。

⑤卸下收集桶把干料粉裝進密封性能好的容器存放或送至下道工序使用。

2）噴霧干燥設(shè)備的維護

①為保證干燥塔體及其管道和所有與成品接觸的部件的清潔，得到一流的產(chǎn)品，有規(guī)則地清洗設(shè)備是十分必要的。

②當產(chǎn)品更換時，或是設(shè)備已經(jīng)停產(chǎn)24h以上而未清洗的，應(yīng)作一次全面徹底的清洗。

③設(shè)備清洗時，應(yīng)注意不能用氯及其化合物洗滌。

④使用完畢后，應(yīng)將噴霧盤拆下，浸入水中，把殘留物質(zhì)用水清洗干凈。在用清水洗不掉時，應(yīng)用刷子刷洗。因為噴霧盤上的殘留物質(zhì)會使噴霧盤不平衡，嚴重影響噴頭的使用壽命甚至損壞其他機件。

1.6.6　噴霧干燥設(shè)備常見故障分析及排除

1）干燥室內(nèi)壁到處都有黏著濕粉現(xiàn)象

原因分析：進料量太大，不能充分蒸發(fā)；噴霧開始前干燥室加熱不足；開始噴霧時，進料量調(diào)節(jié)過大；加入的料液未成穩(wěn)定細流或進料量過大或過小。

排除方法：適當減少進料量；適當提高進出口溫度；在開始噴霧時，流量要小，逐步加大，調(diào)至適當為止；檢查管道是否堵塞；調(diào)整物料含固量，保證料液的流動性。

2）蒸發(fā)量降低

原因分析：整個系統(tǒng)的空氣量減少；熱風的進口溫度偏低；設(shè)備有漏風現(xiàn)象。

排除方法：檢查進、排風機轉(zhuǎn)速是否正常，檢查進、排風調(diào)節(jié)閥是否正確，檢查空氣過濾器及加熱器管道是否堵塞；檢查加熱器壓力是否符合要求，檢查加熱系統(tǒng)是否功率正常；檢查設(shè)備，同時修補損壞處，特別注意各組件連接處的嚴密性。

3）成品雜質(zhì)過多

原因分析：空氣過濾器效果不佳；積粉混入成品；料液純度不高；設(shè)備清洗不徹底。

排除方法：過濾器使用時間太長，應(yīng)立即更換或清洗；檢查熱風入口處是否有焦粉情況；噴霧前將料液過濾；重新清洗設(shè)備。

4）高速霧化器劇烈振動發(fā)出噪聲

原因分析：電動機高速運轉(zhuǎn)中潤滑不良所致；噴霧盤上有殘存物質(zhì)；軸產(chǎn)生永久的彎曲變形。

排除方法：檢測電動機轉(zhuǎn)子同軸度并作動平衡試驗，在電動機后軸承座處加裝一波紋彈簧，預緊壓縮量1.5mm，使軸承的軸向位移得到補償。當電動機轉(zhuǎn)子受熱變化時，軸承內(nèi)圈隨之移動，消除軸承過量游隙；檢查并清洗噴霧盤；更換新的軸。

5）產(chǎn)品得率低，跑粉損失過多

原因分析：旋風分離器效果差（其分離效率和粉末的比重和粒度的大小有關(guān)）；某些物料可據(jù)需要增加第二級除塵；袋濾器接口松脫或袋穿孔。

排除方法：檢查旋風分離器是否由于敲擊，碰撞而變形；提高旋風分離器進出口的氣密性，檢查其內(nèi)壁及出料口有否積料堵塞現(xiàn)象；修好接口，定期檢查更換布袋。

6）產(chǎn)品太細

原因分析：料液固形物含量太低；進料量太少。

排除方法：提高料液固形物含量，適當濃縮；加大進料量，相應(yīng)增加進風溫度。

7）產(chǎn)品含水量高

原因分析：料液霧化不均勻，噴出的顆粒太大；進料量太大；排出孔廢氣的相對濕度太高。

故障排除方法：提高離心機轉(zhuǎn)速，提高高壓泵壓力，發(fā)現(xiàn)噴嘴有線流時應(yīng)及時更換；適當改變進料量；提高進風溫度，相應(yīng)地提高排風溫度。

8）噴霧機速率波動較大

原因分析：通常是由于電動機缺陷造成的，因此產(chǎn)生噴霧機和電動機的機械共振現(xiàn)象。

排除方法：嚴格檢查電動機工作是否正常。

1.7　無菌包裝設(shè)備

1.7.1　無菌包裝概述

無菌包裝是指將流質(zhì)或半流質(zhì)食品物料經(jīng)過超高溫瞬時殺菌（UHT）或高溫短時殺菌（HTST），再迅速冷卻至30～40℃，在無菌環(huán)境下將物料充入已滅菌的包裝容器內(nèi)密封的一種包裝技術(shù)，從而使包裝的產(chǎn)品在常溫下能長時間保持不變質(zhì)。

無菌包裝的食品一般為液態(tài)或半液態(tài)流動性食品，其特點為流動性好、可進行高溫短時殺菌（HTST）或超高溫瞬時殺菌（UHT），在保證無菌的前提條件下，產(chǎn)品色、香、味和營養(yǎng)素的損失小。處在無菌條件下的被包裝食品，無須冷藏或添加任何化學防腐劑就可在常溫下貯存流通而不變質(zhì)。無菌包裝生產(chǎn)的自動化程度高，單位成品能耗低，包裝工藝簡化，降低了工藝成本同時便于運輸。

食品無菌包裝基本上由以下3部分構(gòu)成：一是食品物料的殺菌；二是包裝容器的滅菌；三是充填密封環(huán)境的無菌。這是食品無菌包裝的三大要素。如圖1.53所示為無菌包裝流程。一條完整的無菌包裝生產(chǎn)線包括物料殺菌系統(tǒng)、無菌包裝系統(tǒng)、包裝材料的殺菌系統(tǒng)、自動清洗系統(tǒng)、無菌環(huán)境的保證系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等。由于無菌包裝技術(shù)的關(guān)鍵是要保證無菌，因此，其基本原理是以一定方式殺死微生物，并防止微生物再污染為依據(jù)。

圖1.53　無菌包裝流程簡圖

無菌包裝基礎(chǔ)材料一般可分為4類：塑料、紙板、金屬和玻璃。對無菌包裝用的材料，一般要求具備以下性能：熱穩(wěn)定性，在無菌熱處理期間不產(chǎn)生化學變化或物理變化；抗化學性、耐紫外性，用化學劑或紫外線進行無菌處理過程中，材料的有機結(jié)構(gòu)不改變；熱成型穩(wěn)定性在無菌處理或干制的熱處理過程中，容器外形不發(fā)生明顯改變；阻氣性，一方面能阻隔外部空氣中的氧氣滲入，另一方面能保持充入容器的惰性氣體不外滲；防潮性，阻止水分的穿透，以保持產(chǎn)品應(yīng)有的含濕量；具有合適的韌性和剛性，便于機械化充填、封口；具有避光性，能阻隔光線的穿入；材料應(yīng)無毒、符合食品衛(wèi)生標準，且易殺菌；經(jīng)濟性，包裝材料來源豐富，成本低。

從完全阻隔分子擴散而言，金屬和玻璃是理想的材料，其良好的保藏性能取決于容器的密封性及牢固性，但包裝成本較高。復合紙無菌材料和復合塑料膜無菌材料可大大降低包裝成本，因此，這二者是目前無菌包裝系統(tǒng)中最常用的包裝材料。

圖1.54　各種利樂包裝形式

常用無菌包裝材料有利樂包包裝材料、康美盒包裝材料、芬包塑料袋包裝材料、塑料瓶包裝材料、?？ǎ∟AS）塑料杯包裝材料、大袋包裝材料等。其中，利樂無菌包主要有利樂磚（TB）、利樂無菌磚（TAB）、利樂無菌鉆（TPA）、利樂威無菌包（TWA）、利樂枕無菌包（TFA）等包裝形式，如圖1.54所示。目前，我國普遍引進的是利樂磚。利樂包的包裝材料是由紙基與鋁箔及塑料復合層壓成，厚約0.35mm，包裝材料以紙板為基材（占80%），紙板復合了幾層塑料和一層鋁箔包裝材料，不包括印刷的油墨層共6層，如圖1.55所示。每層各具有不同的功能，從外向內(nèi)：第1層是聚乙烯，主要功用是防水并阻止部分微生物的透過；第2層是紙板，主要功用是賦予包裝盒良好的形狀和強度；第3層是聚乙烯，主要功用是黏合紙層與鋁箔；第4層是鋁箔，主要功用是阻止氧氣、風味物和光線的透過，同時鋁箔在橫封過程中經(jīng)“電感加熱”，熔化內(nèi)層高密度聚乙烯，在一定壓力的作用下完成橫封；第5層是高密度聚乙烯，主要功用是防止印刷層油墨分子向內(nèi)擴散，同時防止產(chǎn)品內(nèi)風味物質(zhì)向外滲透，尤其在生產(chǎn)高酸性食品時，這層能有效地防止酸性物質(zhì)的腐蝕；第6層是聚乙烯，主要功用是防止液體的透過。

圖1.55　紙塑鋁箔復合磚結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)包裝材料的不同，無菌包裝系統(tǒng)主要分為兩大類，即復合紙無菌包裝系統(tǒng)和復合塑料膜無菌包裝系統(tǒng)。無菌包裝系統(tǒng)有敞開式和封閉式兩種，封閉式無菌包裝系統(tǒng)比 敞開式無菌包裝系統(tǒng)多了無菌室，包裝材料要在無菌室內(nèi)殺菌、成型、灌裝。由于無菌室一直通有無菌氣體可保持其正壓，因此，無菌室能有效地防止微生物的污染，在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。

1.7.2　利樂包紙盒無菌包裝系統(tǒng)

利樂紙盒無菌包裝設(shè)備由瑞典TetraPak公司生產(chǎn)，這種類型的無菌包裝設(shè)備在世界上廣泛使用，適用于乳品、奶油、果汁等飲料的無菌包裝。物料經(jīng)超高溫殺菌后，在無菌條件下，用已消毒的復合材料制成磚形，無須冷藏，可在常溫下保存或流通。包裝材料以板材卷筒形式引入；所有與料液接觸的部位及設(shè)備的無菌腔均經(jīng)無菌處理；包裝的成型、充填、封口及分離均在一臺機器上完成。包裝材料的80%為紙板，并復合了幾層塑料和一層鋁箔。

1）利樂包紙盒設(shè)備的結(jié)構(gòu)

該類機型由機體、傳動系統(tǒng)、包裝材料輸送系統(tǒng)、消毒系統(tǒng)、打印貼條系統(tǒng)及封口灌裝裝置等組成。如圖1.56所示為利樂TBA/19型液體奶無菌灌裝機外形圖，如圖1.57所示為利樂TBA/19型液體奶無菌灌裝機的結(jié)構(gòu)圖。包裝材料以卷軸進料，所需貯存空間小、生產(chǎn)效率高。TBA/19機器中裝有兩個LS封條附貼器2，可在包裝材料的一邊利用熱封貼上寬10～15mm的聚乙烯帶，以便在成型時與另一邊接合，加強中縫的強度。充填器3能穩(wěn)定地控制料液的流速和壓力。雙出料的夾槽6能使包裝后的產(chǎn)品穩(wěn)定地送到鏈條式輸送帶上。TBA/19采用了一個壓縮器，能大大降低耗水量。而壓縮器、分離器和擦洗器都被安裝在一個伺服單元7內(nèi)。

圖1.56　利樂磚TBA/19無菌灌裝機外形圖

圖1.57　利樂磚TBA/19液態(tài)乳無菌灌裝機結(jié)構(gòu)圖

1—卷軸；2—LS封條附貼器；3—充填器；4—平臺；
5—控制臺；6—夾槽；7—伺服單元

2）利樂包紙盒設(shè)備的工作原理

利樂無菌包裝設(shè)備有利樂磚、利樂鉆、利樂威、利樂枕等包裝形式。目前，我國普遍引進的是磚形盒，其工作原理如圖1.58所示。輥筒3，5，11使包裝材料產(chǎn)生折痕，以便為盒子成形提供方便。復合紙帶經(jīng)過打印裝置時，在打印裝置處打印號碼后，經(jīng)過記號儲存器，并由封條敷貼裝置貼上縱封貼條，封條粘貼裝置可在包裝材料的一邊利用熱封貼上寬10～15mm的縱封貼條，以便在成形時與另一邊接合，加強中縫的強度。然后進入雙氧水浴槽涂上雙氧水消毒，并由擠壓滾筒擠掉多余的雙氧水。貼好縱封貼條（LS貼條）的包裝材料經(jīng)雙氧水槽8和擠壓滾筒9后被送入紙管成型系統(tǒng)，紙管成型系統(tǒng)由6個輥輪組成，它們分別在6個不同的工位，對包裝材料進行彎折、彎曲，形成筒狀，經(jīng)縱封加熱器和導輪形成紙筒，并經(jīng)過電熱蛇管加熱消毒。在縱接縫熱封處對縱接縫進行加熱，通過環(huán)套被熱壓封口，形成縱接縫。此后包裝材料便形成筒狀。隨后進行無菌灌裝，灌裝完料液的紙盒由橫封器橫封。隨后切割爪在橫封區(qū)域內(nèi)將包裝紙包切割分離，形成單個包裝，對于磚形包裝盒，在包裝盒被割離的同時，還必須經(jīng)過折角、折翼、黏角、黏翼和整形才能最后成型。橫封、割離和整形的全部動作都是由液壓傳動系統(tǒng)配合機械手來完成的，隨后送往終端排包系統(tǒng)。

（1）機器滅菌

在無菌包裝開始之前，所有直接或間接與無菌料液相接觸的機器部位都要進行無菌處理?？刹捎孟葒娙?5%雙氧水溶液，然后用無菌熱空氣使之干燥。為了提高機器的滅菌效率，機器經(jīng)過3次預熱后，再將壓縮后的雙氧水噴入無菌室，以達到封閉無菌環(huán)境的目的，噴霧過程總共持續(xù)40s。霧化后帶有一定壓力的雙氧水熱空氣通過空氣進入閥分為兩路：一路由無菌空氣閥至中心灌注管口，進入包裝紙管；另一路通過氣刀室噴霧的同時，由縱封加熱器和縱封暫停加熱器至中心灌注管的上灌注口，進入包裝紙管。至此，完成了對無菌室和包裝紙管的滅菌過程。為了確保最佳殺菌效果，噴霧之后，無菌灌裝機要在正壓條件下靜置60s，然后用無菌熱空氣干燥。

圖1.58　無菌復合紙盒包裝機

1—卷筒紙；2—光電管；3，5，11—輥筒；4—打印裝置；6—記號儲存；7—封條敷貼；
8—H2O2浴槽；9—擠壓滾筒；10—頂蓋；12—進料套管；13—縱接縫熱封器；14—導輪；
15—電熱蛇管；16—液位；17—浮球；18—進料口；19—橫封器；20—檢驗；21—成品

（2）包裝材料滅菌原理

在利樂包裝機中，包裝材料向上傳送時，其內(nèi)表面的聚乙烯層會產(chǎn)生靜電荷，從而使來自周圍環(huán)境的帶有電荷的微生物被吸附在包裝材料上，包裝材料的滅菌分為涂雙氧水和加熱殺菌兩個過程。包裝材料先在35%雙氧水的浴槽內(nèi)涂上雙氧水對包裝材料浸潤消毒，如圖1.59所示。涂上雙氧水膜的包裝紙經(jīng)擠壓滾筒除去多余的雙氧水，此后包裝材料向下經(jīng)導輪、進料套管等便形成筒狀，向下延伸并進行縱向密封，一直到達管加熱器和橫封區(qū)域進行加熱殺菌。如圖1.61所示，無菌空氣從制品液面處吹入，經(jīng)過紙筒連續(xù)向上吹，以防再度被微生物污染。

圖1.59　雙氧水浴槽

1—包裝紙帶；2—涂抹輥；3—雙氧水槽

對雙氧水加熱處理后可以提高雙氧水的殺菌效果。雙氧水被加熱蒸發(fā)分解為新生態(tài)氧［O］和水蒸氣，這不僅增強了殺菌作用，也減少了雙氧水的殘留量。包裝紙的加熱殺菌是通過管加熱器對雙氧水加熱實現(xiàn)的，管加熱器是纏繞在產(chǎn)品灌注管外的電子元件，它一直延伸至紙筒的中部，管加熱器的溫度范圍一般來說為450～650℃。管加熱器通過傳導和輻射加熱將包裝紙內(nèi)表面溫度加熱至110～115℃，雙氧水被蒸發(fā)為氣體，提高了滅菌效率。

（3）紙盒成型和無菌灌裝原理

①紙盒的中縫搭接

紙盒在形成后，若中縫不經(jīng)處理，其中的液體會滲入而且密封性降低即不能保證紙筒的強度，故中縫搭接處在灌裝前要進行縱向密封的特殊處理。包裝材料經(jīng)一系列輥輪裝置上升到包裝機頂部時，縱封貼條也由縱封貼送系統(tǒng)送到包裝紙的一側(cè)。貼條系統(tǒng)將縱封貼條和包裝材料熱合并粘牢?？v封貼條主要有兩個作用：一是加強縱封的接合強度；二是防止產(chǎn)品滲入包裝材料的紙板，其封合形式如圖1.60所示。根據(jù)包裝材料和被包裝物料的不同，所使用的縱封貼條的材料也不同。

圖1.60　利樂磚縱封貼條（LS）的封合形式

②無菌灌裝

已殺菌冷卻的物料由套管進入，中心走物料，夾套內(nèi)走無菌空氣，如圖1.61所示。無菌空氣通過圓筒內(nèi)的電熱蛇管底部后，轉(zhuǎn)向朝上流動，經(jīng)過紙筒連續(xù)向上吹，以防再度被微生物污染。在紙筒內(nèi)管狀的加熱器可根據(jù)包裝容器的大小，調(diào)節(jié)溫度（450℃或650℃），利用紅外線輻射及對流加熱的方式處理與料液接觸的包裝材料表面，使其在加熱器終端部位可被加熱到110～115℃。此時，雙氧水被加熱蒸發(fā)分解為新生態(tài)氧［O］和水蒸氣，這不僅增強了殺菌作用，也減少了雙氧水的殘留量。以維持液面上部為無菌區(qū)域，并使包裝材料三面黏附的過氧化氫分解和蒸發(fā)。在生產(chǎn)過程中，為防止微生物污染，一方面通過管加熱器區(qū)域蒸發(fā)的雙氧水氣體上升殺菌，另一方面通過向紙筒內(nèi)不斷通入無菌空氣的方式保證環(huán)境無菌，這樣兩者在包裝紙表面形成了一道無菌空氣屏障。

利樂無菌灌裝機是利用等壓原理進行灌裝的，即灌裝時使中心灌注管的壓力與包裝紙管內(nèi)液態(tài)物料相同液位高度上的液面壓力相等，這樣可以保證在灌注時包裝材料紙管內(nèi)的液態(tài)物料不會發(fā)生攪動，實現(xiàn)穩(wěn)定、溫和的灌裝。且灌注口在紙管液位以下使包裝盒內(nèi)不會混入氣體，產(chǎn)生泡沫。另外，在液位和中心灌注口以下橫封還可以實現(xiàn)自動計量，保證盒內(nèi)容量的恒定。

圖1.61　利樂磚無菌灌裝機工作原理圖

③縱封與橫封

紙筒被滅菌后開始灌入料液，由浮球控制進入料液的液面，并保持進料口始終在液面下。灌裝完料液的紙盒由橫封器橫封。橫封是通過黏合和切割兩步來完成的。灌裝機橫封采用的是高頻加熱原理，有效地黏合需要高溫和適當?shù)膲毫?。封合時的溫度是電感加熱產(chǎn)生的，高頻發(fā)生器產(chǎn)生高頻電流，感應(yīng)器（銅條）相當于線圈產(chǎn)生磁場，并通過鋁箔產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流通過鋁箔層傳導熱使內(nèi)層聚乙烯層熔化，在夾爪壓力的作用下聚乙烯迅速冷卻，使熔化的聚乙烯固化，從而完成封合。在橫封的同時由于夾爪夾住圓柱形的紙筒，從而使得紙筒就變成了長方形。封合后夾爪內(nèi)的切刀在封合區(qū)內(nèi)將包裝盒切割開，最后經(jīng)過終端成型器將頂部和底部的邊角分別彎曲、折疊而成型。不合格產(chǎn)品在檢驗時被剔除，正品由輸送帶送出。

④無菌空氣循環(huán)原理

如圖1.62所示，水環(huán)式壓縮機吸入回流空氣，并洗去殘留的雙氧水。送出的空氣經(jīng)過氣水分離器分離除去其中水分，然后空氣進入主加熱器被加熱到350℃。從加熱器出來的高溫空氣，一部分由管道送至包裝材料縱向貼條粘貼處和縱封器，用于貼塑膠帶和縱封熱封；另一部分熱空氣流向空氣冷卻器被冷卻至80℃左右，冷卻后的無菌空氣從紙筒上部供氣管進入密封紙筒液面以上空間，使充填區(qū)空間無菌。無菌空氣在電熱蛇管處折流向上，殘余蒸發(fā)的雙氧水也隨氣流往上流動，經(jīng)過空氣收集罩的管道流回水環(huán)式壓縮機重新循環(huán)使用。

3）利樂包無菌包裝機的操作

利樂包無菌包裝機的操作流程如圖1.63所示。

（1）開機前的準備

①確認開機所需的各種原物料是否準備就緒。

②下灌注管及小白輪、彈簧片，無菌室過濾網(wǎng)清理與消毒，日期打印裝置應(yīng)用酒精清理。

③檢查潤滑油、液壓油油位，檢查H2O2濃度是否為30%～35%以及包材輥輪是否靈活，檢查紙路是否正常。

圖1.62　無菌氣流循環(huán)系統(tǒng)

圖1.63　利樂包無菌包裝機的作業(yè)流程圖

④檢查壓力膠條，檢查切刀及彈簧鎖定螺桿，更換夾爪潤滑油，檢查夾爪冷卻水有無堵塞。

（2）升溫

①預熱Ⅰ。正確進行穿紙、拉紙，檢查I/P閥壓力表是否指示0.1bar。檢查各壓力表與溫控儀上的讀數(shù)是否正常及在該狀態(tài)下其他動作位置是否正常。

②預熱Ⅱ。H2O2罐液位達到，程序上箭頭及預熱Ⅱ信號閃光時按動程序上，升到預熱Ⅱ，打開無菌室手動噴灑H2O2，加強消毒效果。正確穿引PPP條，并放下PPP條壓力輥輪，接頭處用紙膠帶黏合。更換當夭打印日期裝置及生產(chǎn)開始批號，并放到打印位置。檢查各管接口有無漏氣的地方。檢查溫度、壓力變化是否正常。重新檢查紙路。檢查I/P閥壓力表2bar。

③紙管密封。當縱封溫度達到設(shè)定值時，按動程序上進行管封。管封時注意機器運轉(zhuǎn)情況，是否有異常響聲。管封結(jié)束排出的最后一包作密封檢查，判斷是紙管偏還是電眼靈敏度差，且與紙管的距離應(yīng)適當。

④預熱Ⅲ。管封后直接進入預熱Ⅲ。觀察SA處PPP條封合情況，有必要做一些調(diào)整，PPP條是否偏。檢查打印日期及批號是否清晰正確。檢查紙路是否有拉破，擠壓與夾痕現(xiàn)象，必要時重新管封。檢查溫度是否正常。重新檢查紙路，折痕位置是否正確，紙路有無太大偏移。將無菌室的門確實關(guān)嚴。按動幾下霧化器探針（復位鍵按下后），確保無安全門報警，否則馬達不轉(zhuǎn)動，設(shè)備消毒效果不好。

⑤噴霧。當預熱Ⅲ預消毒溫度達到270℃，噴霧及程序上箭頭閃光，按上箭頭，開始噴霧。觀察無菌室前后玻璃上有無布滿H2O2霧。噴霧過程中檢查管路，管接口，紙管（尤其夾爪拉耳處）無菌室門，兩密封唇等處有無泄漏的現(xiàn)象，必要時重新升溫噴霧。過氧化物發(fā)生器氣壓是否正確，噴霧時紙管有無吹圓。二次噴霧是一次噴霧的總和。噴霧過程中觀察時間，并注意以下各時間段所發(fā)生的內(nèi)容：

灌注→0～11s，H2O2通過灌注閥打入有液位監(jiān)測的H2O2杯中125mL（過低過溢）；噴霧→11～51s，H2O2杯中H2O2通過霧化器霧化的同時向無菌室噴注，送紙馬達以90r/min，轉(zhuǎn)動100s。靜止→51～112s，噴霧靜止狀態(tài)，適當溫度下讓其充分消毒的過程。噴霧失敗會出現(xiàn)兩種狀態(tài)：程序回到預熱Ⅱ（20s前）（11～20sH2O2杯中如空），排空（50s后）15s，（11～51sH2O2杯中還有H2O2）

⑥烘干。噴霧后直接進入烘干。檢查底角加熱器是否有熱水吹出，并檢查壓力是否在范圍觀察H2O2溫度，判斷H2O2是否泄漏，從而避免包材泡斷用酒精棉球擦干凈電眼，保證電眼保護器壓力正確，過濾器顯示正確打開電柜門，觀察開關(guān)是否有跳閘現(xiàn)象。做進一步機器檢查，紙路SA部分，無菌系統(tǒng)，H2O2系統(tǒng)，液壓油，潤滑油系統(tǒng)，包材拼接裝置。運動機器，作終端運動，觀察各裝置運動情況，位置是否正確。準備開機所使用工具，19minB閥關(guān)閉，使無菌系統(tǒng)有一個降溫的過程。

⑦給UHT發(fā)出信號。

⑧接收信號。

（3）開始生產(chǎn)

①按下“OK”鍵，程序上及電機信號閃光。

②按程序上9.8s灌注H2O2，10s后馬達開始轉(zhuǎn)動（高速），觀察拉紙狀態(tài)，縱封板及縱封暫停加熱器，壓力輪等的動作情況及狀態(tài)，夾爪終端部分運動狀態(tài)。

③生產(chǎn)開始迅速剪包，以減少不必要的損失。

④生產(chǎn)時檢查橫、縱封，剪包要連續(xù)兩包，觀察啟機排包，是否有拉破噴料現(xiàn)象。

⑤包裝盒上線，用手搖連續(xù)兩包，聽有無響包。

⑥測量成品容量是否在要求范圍內(nèi)，必要時調(diào)節(jié)，檢查管路是否有漏料現(xiàn)象，做滲漏實驗。

⑦嚴格執(zhí)行質(zhì)量標準文件，對其成品包外觀要求及料液的理化指標，感官指標的控制。

（4）生產(chǎn)后

生產(chǎn)結(jié)束停機時要關(guān)閉填充開關(guān)，及時把貼條、縱封加熱器拉出，以免燙傷復合紙及密封條。使程序升到CIP步驟，殺菌、灌裝同時清洗，灌裝需打開蒸汽障。內(nèi)外部清洗要求到位，相應(yīng)周邊衛(wèi)生要做到干凈。

4）利樂包無菌包裝機的維護

①機器安放車間應(yīng)保持清潔干燥，防止潮濕，以免影響電器及機器的使用壽命。

②工作時應(yīng)注意觀察運行機構(gòu)有無異常噪聲，如不應(yīng)有的抖動、振動及松動等。

③定期檢查冷卻水磁性過濾器，夾爪冷卻水過濾器，H2O2罐過濾器，噴霧杯H2O2過濾器等。

④主壓縮空氣過濾器無水、油殘留，排放管要暢通。

⑤定期檢查洗擦器過濾網(wǎng)，必要時清理；定期外部清洗循環(huán)，排放過濾器，集水盤液位探頭；每周清洗油墨裝置（酒精，吹干），清洗上灌注管及小白輪、兩個O形圈、小白輪軸銷。

⑥定期檢查清理包材及帶材輥輪、紙庫及SA裝置衛(wèi)生。打開H2O2槽底及頂部，檢查輥輪轉(zhuǎn)動及活動間隙等。清理縱封加熱器及底角加熱器，死角無污垢。

⑦定期檢查各油位是否在范圍內(nèi)，且是否變質(zhì)需更換；定期更換壓力膠條，檢查切刀及彈簧鎖定螺桿，清理感應(yīng)加熱器，更換夾爪潤滑油。

1.7.3　康美包（SIGCombibloc）無菌灌裝機

1）無菌灌裝機基本結(jié)構(gòu)

康美包（SIGCombibloc）無菌灌裝機與利樂無菌灌裝機一樣，都是乳制品、飲料等食品灌裝常用的典型的無菌包裝設(shè)備。其基本結(jié)構(gòu)如圖1.64所示，它主要包括驅(qū)動裝置、冷卻單元、紙盒倉、成型輪、盒筒的抽吸及送進器、傳送站、無菌區(qū)、灌裝站、排包器等裝置。

2）工作原理

康美包（SIGCombibloc）無菌灌裝機無菌灌裝基本過程如下：

（1）康美盒的包裝材料

康美盒的包裝材料是已經(jīng)印刷好的且其中縫已經(jīng)黏結(jié)好的復合材料，即預制成的紙盒。紙盒在形成后，若中縫不經(jīng)處理，其中的液體會滲入而且密封性降低即不能保證紙筒的強度，因此，中縫搭接處在灌裝前要進行縱向密封的特殊處理?？得篮械闹锌p搭接處是將包材的一邊先折疊起來，然后再搭接在一起。

經(jīng)過印刷的復合紙板卷材，通過切割、折痕、縱向密封形成紙筒，紙筒是開口的，成扁平片狀裝箱。

（2）機器的滅菌

在機器開啟前，無菌區(qū)采用雙氧水蒸氣和熱空氣的混合氣體進行滅菌。在機器正常運轉(zhuǎn)時，無菌部分應(yīng)盡可能使大部分的空氣流動呈層流狀態(tài)，并在該區(qū)段保持正壓以防止外部空氣滲入，因此，無菌空氣的分布是特殊設(shè)計的，與空氣凈化系統(tǒng)相連接。

圖1.64　康美盒無菌灌裝工藝過程示意圖

（3）紙盒的形成

①紙盒的打開

如圖1.65所示，紙盒被抽吸杯抽出紙盒倉、打開成方框形，張開的盒筒被抓持在打開扇塊與盒筒夾件之間，然后被推上成型桿。真空泵提供抽取器抽吸力。在盒筒張開的過程中，抽吸軌使其沿著反時針旋轉(zhuǎn)90°。

圖1.65　紙盒走向流程圖

1—紙盒的送進；2—紙盒筒打開并送進；3—推紙盒入成型桿；4—底部活化；5—底部折疊；
6—底部加壓密封；7—傳輸區(qū)；8—頂部預折疊；9—滅菌，干燥，灌裝；10—頂部密封；
11—頂部成型；12—排包；13—傳送到輸出傳送帶，紙盒豎立；14—輸出傳送帶

②紙盒的送進

打開的紙盒筒在成型桿處于靜止的瞬時被推到成型桿上，一個光掃描器在與紙盒不接觸的情況下進行檢查，看盒筒是否已被推上成型桿。如果有不正確的情況，盒筒的送進（抽吸階段及送進器）就自動切斷，這就中斷了盒筒的送進。然而，灌裝機仍然在繼續(xù)運轉(zhuǎn)。

③底部加熱

4個熱空氣頭插進紙盒筒加熱活化盒筒，特別是加熱其焊接區(qū)。所需的空氣來自機器的滅菌空氣發(fā)生器，由4個電阻加熱器加熱。熱空氣的溫度由一個溫度控制系統(tǒng)保持穩(wěn)定。其功能監(jiān)視由溫度和氣壓檢測執(zhí)行。在機器處于停止狀態(tài)時，熱空氣的溫度應(yīng)降低（停止狀態(tài)），活化頭移出盒筒。

④底部折疊

a.橫向折疊

旋轉(zhuǎn)的橫向折疊器，對紙盒的側(cè)面三角區(qū)進行預折疊。折疊工序在成型桿轉(zhuǎn)動的同時進行。每個軌道的兩個折疊指裝在一個軸上。由凸輪驅(qū)動折疊指來進行折疊工序。在折疊進行時折疊指與紙盒的接觸點，就在折痕的交接界點處。

b.縱向折疊

縱向底部折疊器完成底部折疊工序。紙盒筒逆著底砧的斜角邊在朝著底部加壓的運行過程中被推進，同時折疊板向內(nèi)折疊，插進盒筒尾部。

⑤底部壓制

底部壓制是將已活化并折疊的底部封合起來。水冷底砧的特殊形狀及成型桿的校驗板，形成向內(nèi)凹的空洞形的紙盒底部，使紙盒具有穩(wěn)定的美好形狀。安裝在底部加壓底砧上的橫向的限制模板，保證紙盒底部尺寸的準確。紙盒底部，在成型輪區(qū)加工完成。

⑥紙盒傳輸

在完成紙盒筒底部加壓封口后，紙盒經(jīng)過傳輸區(qū)被推進套鏈。紙盒的橫向頂部邊緣被推出器掀起，并推下成型桿。套鏈是運輸?shù)撞恳逊夂虾玫募埡薪?jīng)底部導引，依次通過各個工作區(qū)，直至最后被從套鏈上推出。

（4）無菌區(qū)

用雙氧水溶液和熱空氣混合沖洗，再用無菌空氣使之干燥。無菌區(qū)包括紙盒的滅菌及紙盒封口區(qū)所需的無菌條件的維持。為了在無菌條件下將產(chǎn)品灌裝進紙盒并封口，包括充填系統(tǒng)在內(nèi)，在生產(chǎn)開始前無菌區(qū)必須滅菌，無菌區(qū)包括滅菌過濾器室、預熱及干燥區(qū)、灌裝室及頂部密封站。

（5）灌裝

產(chǎn)品在灌裝站的兩個階段里灌進盒子，每個灌裝站完成半量的灌裝。灌裝過程，由一個感應(yīng)式流量測量系統(tǒng)控制，并由PLC監(jiān)視著。這樣，就能確保灌裝的高精確度。定量系統(tǒng)據(jù)流量感應(yīng)測量原則進行工作，流過定量站的產(chǎn)品量被連續(xù)地檢測并被PLC在電柜里記錄下來。當達到缺省值時，排放閥就關(guān)閉。隨著排放閥的打開，產(chǎn)品由于質(zhì)量而從產(chǎn)品桶經(jīng)過定量系統(tǒng)流進紙盒。特定的灌裝程序，可用于存儲不同的產(chǎn)品。在操作單元可對灌裝容量進行檢測及調(diào)節(jié)。充填裝置包括緩沖槽，槽內(nèi)設(shè)置攪拌器，供料使用正位移泵，強制產(chǎn)品注入容器，單管供液體的充填，雙管可供帶顆粒液體的充填。

（6）頂端密封、耳翼封合

紙盒頂部由于套鏈及底砧的移動加工而被折疊起來，接著用超聲波能量焊接起來。焊接工序用的能量由超聲波發(fā)生器提供。超聲波焊接保證紙盒頂部在一個很窄的長條上焊接起來而不影響其中的產(chǎn)品。這避免了在紙盒包裝材料的其他部位產(chǎn)生不必要的熱負荷。封口所需的壓力來自壓縮空氣氣缸。

紙盒的頂部三角區(qū)及側(cè)面被熱空氣加熱活化，然后，頂部三角區(qū)被導軌引導著，由折桿將其對著側(cè)壁黏合。

1.7.4　無菌袋無菌包裝機

1）無菌袋包裝特點

塑料袋無菌包裝設(shè)備以加拿大DuPotn公司的百利包和芬蘭Elecster公司的芬包為代表，兩者都為立式制袋充填包裝機。百利包采用線性低濃度聚乙烯為主要材料，芬包采用外層白色、內(nèi)層黑色的低密度聚乙烯共擠黑白膜，也可用鋁箔復合膜。這種塑料膜的包裝成本遠低于利樂包裝材料，但是塑料耐熱性較差。因此，在實際生產(chǎn)中，更多的是采用雙氧水低濃度溶液與紫外線、無菌熱空氣相結(jié)合的技術(shù)，一方面使滅菌效果更加徹底有效，另一方面又克服了雙氧水濃度過高對人體有傷害的問題。

2）無菌袋無菌包裝機結(jié)構(gòu)原理

復合塑料袋無菌灌裝機結(jié)構(gòu)與工作流程如圖1.66所示。它主要包括包裝材料供送裝置、雙氧水槽、空氣過濾器、塑料袋成型器、縱封與橫封裝置等。進料口在機器消毒時用作高溫水入口，生產(chǎn)時作為料液入口，洗滌時為洗滌液入口，裝有回流裝置。卷筒上的薄膜展開后，通過雙氧水浴池進行18～45s浸漬消毒，用刮板消除殘留過氧化氫，用無菌熱空氣烘干表面。由成型器將薄膜一折為二，電熱縱封裝置將薄膜熱合成一圓筒，包膜下行經(jīng)電熱橫封切斷，牛乳落入塑料袋，塑料袋下行一個工位，橫封將塑料袋密封、切斷，同時又完成了下一個塑料袋的封底。

塑袋無菌包裝無菌環(huán)境的建立是通過雙氧水對無菌倉的噴霧滅菌、對液體內(nèi)容物通徑的蒸汽滅菌，以及對灌裝機構(gòu)的中心外管、灌裝頭進行雙氧水的噴淋、浸泡滅菌等程控系統(tǒng)自動完成的。機器的整個無菌密封室內(nèi)充滿無菌熱空氣，保持正壓，使灌裝、密封在無菌狀態(tài)下進行。

無菌倉的滅菌，使用濃度30%左右的雙氧水在雙氧水泵和霧化器的作用下霧化噴入無菌倉內(nèi)，充填彌漫無菌倉的各個角落，對倉內(nèi)的各零部件的外表面進行殺菌。

液體內(nèi)容物通路殺菌，在通路中通入2.7bar蒸氣，溫度140℃左右，時間不低于30min，中心外管及灌裝頭殺菌：中心管的內(nèi)管由蒸氣進行殺菌，其外管由自上而下噴淋的雙氧水接觸殺菌，而灌裝頭則是由噴淋流入底部的雙氧水浸泡殺菌。

圖1.66　復合塑料袋無菌灌裝機工作流程

1—薄膜卷筒；2—張緊裝置；3—雙氧水浴池；4—初級空氣過濾器；
5—吸風機；6—電加熱器；7—超微細菌過濾器；8—刮板；9—進料；10—回流管；
11—塑袋成型器；12—熱封縱縫的電熱鉗；13—注液管；14—橫向封口和切斷；15—成品輸送帶

無菌環(huán)境的維持是通過無菌空氣制取系統(tǒng)來保證的。該系統(tǒng)是由空氣過濾器、進風機、電加熱器、無菌過濾器及抽氣風機等組成。經(jīng)過無菌過濾的空氣其潔凈度大于99.9%，充入無菌倉內(nèi)，保證無菌倉在正常生產(chǎn)情況下的正壓，維持系統(tǒng)的無菌狀態(tài)，多余的氣體由抽風機抽出經(jīng)過另置的管路排到車間的外部。

本章小結(jié)

乳品加工機械主要有分離機、均質(zhì)機、板式換熱器、管式換熱器、真空濃縮設(shè)備、噴霧干燥設(shè)備及無菌包裝設(shè)備等。分離機工作時根據(jù)牛乳中微粒密度的不同，可用來分離稀奶油和脫脂乳，也可以除去牛乳中的雜質(zhì)。為了使懸浮液或乳化液中的分散物微?；?、均勻化，進而獲得較為穩(wěn)定的狀態(tài)或者改善品質(zhì)，可采用各種均質(zhì)乳化設(shè)備。典型均質(zhì)設(shè)備有高壓均質(zhì)機、膠體磨等設(shè)備。根據(jù)食品物料是否與加熱蒸汽直接接觸，可將殺菌裝置分為間接加熱和直接加熱超高溫殺菌兩種類型。間接加熱裝置主要包括板式換熱器和管式換熱器，而直接加熱裝置根據(jù)料液與蒸汽混合方式不同可分為注入式和噴射式兩種。食品物料經(jīng)過真空濃縮可在較溫和的溫度下除去食品中大量的水分。根據(jù)蒸汽利用的次數(shù)不同，可分為單效和多效濃縮設(shè)備。多效真空濃縮常用的流程有順流法（并流法）、逆流法、平流法及混流法。根據(jù)料液的流程不同，可分為單程式和循環(huán)式。根據(jù)料液分布狀態(tài)不同，可分為薄膜式和非膜式。附屬設(shè)備主要包括氣液分離器、蒸氣冷凝器及抽真空系統(tǒng)。噴霧干燥設(shè)備用于液態(tài)物料的干燥，得到的成品為粉末。食品工業(yè)中均使用潔凈的干熱空氣作為對流型干燥設(shè)備的干燥介質(zhì)，濃縮處理后的物料經(jīng)霧化器霧化成的小液滴與干燥介質(zhì)進行熱和質(zhì)交換，得到固體粉末。霧化方式有離心式和壓力式，干燥塔內(nèi)霧滴與介質(zhì)的流動方式有并流、逆流和混合式3種。噴霧干燥設(shè)備的附屬裝置有空氣過濾器、空氣除濕器、空氣加熱器、鼓風機及除塵裝置等。無菌包裝是指將流質(zhì)或半流質(zhì)食品物料經(jīng)過超高溫瞬時殺菌（UHT）或高溫短時殺菌（HTST），再迅速冷卻至30～40℃，在無菌環(huán)境下將物料充入已滅菌的包裝容器內(nèi)密封的一種包裝技術(shù)。本章中主要介紹了利樂磚型包無菌灌裝機、康美包無菌灌裝機和無菌袋無菌包裝機。

復習思考題

1.簡述升膜式真空濃縮設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理和使用。

2.高壓均質(zhì)機的工作原理是什么？

3.板式換熱器有什么特點？使用時有哪些注意事項和維護保養(yǎng)要點？

4.簡述真空濃縮設(shè)備的常見故障、原因分析與排除方法。

5.高壓均質(zhì)原理的3種學說是什么？

6.舉例說明間接式和直接式換熱器在乳品加工過程中的應(yīng)用。

7.對比討論高壓均質(zhì)機與膠體磨的特點及適用對象。

8.設(shè)計一個可同時生產(chǎn)巴氏殺菌乳、煉乳、乳粉、奶油等產(chǎn)品的生產(chǎn)車間設(shè)備流程。

9.試比較分析卷材式與預制盒式無菌包裝設(shè)備特點。

10.試述常見無菌包裝機中保證包裝產(chǎn)品無菌的條件有哪些，無菌包裝設(shè)備哪些關(guān)鍵區(qū)域與系統(tǒng)需要無菌化。

11.當生產(chǎn)奶粉時出現(xiàn)焦粉現(xiàn)象可能是什么原因?qū)е碌模繎?yīng)如何處理？