第4章　飲料加工機械與設(shè)備

內(nèi)容描述

本章主要介紹飲料加工機械中水處理設(shè)備、碳酸化設(shè)備、灌裝和封口設(shè)備的分類、結(jié)構(gòu)組成、工作原理、使用和維護方法；CIP設(shè)備的概念、特點、工作原理、系統(tǒng)組成、使用與維護。

學(xué)習(xí)目標

●了解果蔬汁飲料與碳酸飲料的加工現(xiàn)狀和加工工藝流程。

●了解水處理設(shè)備的分類，掌握其用途、結(jié)構(gòu)與工作原理、使用與維護。

●了解碳酸化設(shè)備的用途、分類，掌握其結(jié)構(gòu)組成、工作原理、使用與維護。

●了解飲料灌裝和封口設(shè)備的分類，掌握其結(jié)構(gòu)組成、工作原理、使用與維護。

●深入了解CIP的概念與特點，掌握其組成、工作原理、使用與維護。

能力目標

●能夠根據(jù)飲料加工的目的和生產(chǎn)量選擇合適的生產(chǎn)機械與設(shè)備。

●掌握飲料加工機械與設(shè)備的使用與維護。

4.1　典型飲料產(chǎn)品加工工藝流程

飲料是指經(jīng)過加工制造，以補充人體水分為主要目的，供人們直接或間接飲用的一種食品。飲料有很多種，如果蔬汁飲料、碳酸飲料、乳飲料、酒飲料和植物蛋白飲料等。下面僅以果蔬汁飲料與碳酸飲料加工工藝流程為例進行介紹。

4.1.1　果蔬汁生產(chǎn)工藝流程

新鮮果品和蔬菜經(jīng)挑選、分級、洗滌、壓榨取汁或浸提取汁，再經(jīng)過濾、殺菌、裝瓶、封口等工序制成的汁液稱為果蔬汁，也稱為“液體水果或蔬菜”。以果蔬汁為基料，添加糖、酸、香料和水等物料調(diào)配而成的汁液，稱為果蔬汁飲料。

目前，果蔬汁及果蔬汁飲料的生產(chǎn)機械設(shè)備已達到很高的水平，如超濾機械設(shè)備、冷凍機械設(shè)備、反滲透濃縮機械設(shè)備、高壓提取芳香油機械設(shè)備、電滲析水處理機械設(shè)備、無菌包裝機械設(shè)備、帶式榨汁機械設(shè)備等，這些先進機械設(shè)備對果蔬汁及果蔬汁飲料的發(fā)展起著重要作用。

制作各種不同類型的果蔬汁及果蔬汁飲料，主要在后續(xù)工藝上有區(qū)別。首要的是進行原果汁的生產(chǎn)，一般原料要經(jīng)過選擇、預(yù)處理、壓榨取汁或浸提取汁、粗濾，這些是果蔬汁飲料加工的共同工藝，而原果汁或粗濾液的澄清、過濾、調(diào)配、均質(zhì)、脫氣或濃縮、干燥等工序為后續(xù)工藝，是制作某一產(chǎn)品的特定工藝，其工藝流程圖如圖4.1所示。

圖4.1　果蔬汁飲料生產(chǎn)工藝流程

4.1.2　碳酸飲料生產(chǎn)工藝流程

碳酸飲料是指含有二氧化碳的軟飲料，通常由水、甜味劑、酸味劑、香精香料、色素、二氧化碳氣及其他原輔料組成，俗稱汽水。碳酸飲料含有二氧化碳氣體，因此口味突出、口感強烈，讓人產(chǎn)生清涼爽口的感覺，是人們在炎熱的夏夭消暑解渴的優(yōu)良飲品。

碳酸飲料主要有果汁型、果味型、可樂型及其他型4種。它們均是由水、調(diào)味糖漿和二氧化碳組成的，生產(chǎn)工藝大致相同。根據(jù)以上3種成分的混合順序，碳酸飲料的制造方法大致有兩次灌裝法和一次灌裝法兩種，生產(chǎn)工藝流程如圖4.2所示。

兩次灌裝法（定料灌裝法），先將調(diào)和糖漿通過定料機按量灌入瓶中，再通過灌裝機充入碳酸水至滿。一次灌裝法（混合灌裝法），先將各種原輔料按工藝要求配制成調(diào)和糖漿，然后與含氧化碳的水在配比器內(nèi)按一定比例進行充分混合，進入灌裝機一次灌裝。

一次灌裝法由于飲料中各種成分能得到充分地混合，使成品質(zhì)量穩(wěn)定一致；二氧化碳氣含量高，爽口感突出；灌裝時不起泡，也不反沖；節(jié)省人力等優(yōu)點，為大、中型飲料生產(chǎn)企業(yè)所采用。

圖4.2　碳酸飲料生產(chǎn)工藝流程

4.2　水處理設(shè)備

飲料中的最重要成分為水，目前的生產(chǎn)用水主要為自來水，但是自來水由于含有鹽、雜質(zhì)或有時存在特殊氣味，因此必須經(jīng)過處理才能夠使用，在生產(chǎn)飲料時處理水的設(shè)備有以下3種：

4.2.1　水過濾設(shè)備

1）砂棒過濾器

當原水中的雜質(zhì)含量較少，尤其是機械雜質(zhì)含量較少時可采用砂棒過濾器。它是一種在飲料用水處理中應(yīng)用十分廣泛的過濾設(shè)備。

（1）工作原理

砂棒過濾器的主要工作部件是砂棒，又稱砂濾棒或砂芯。它是采用細微顆粒的硅藻土和骨灰等物質(zhì)，成型后在高溫下焙燒使其熔化，可燃性物質(zhì)變成氣體逸散，形成2～4μm的小孔。當具有一定壓力的原水進入容器，通過棒上的微小孔隙時，水中存在的有機物、微生物等雜物，即被隔濾在砂棒表面，經(jīng)過濾后的凈水由砂棒內(nèi)腔排出，完成過濾過程。

（2）基本結(jié)構(gòu)

砂棒過濾器在其構(gòu)造上都可分為原水區(qū)和凈水區(qū)這兩個區(qū)。兩區(qū)中間用一塊經(jīng)過精密加工的、帶有封閉性能的隔板（又稱箅子）隔開，四周用定制橡膠圈密封。隔板中間鉆有很多孔，孔徑及其數(shù)量視不同型號而異，用以固定各種型號的砂棒。隔板既是固定砂棒的器件，又可分隔原水區(qū)和凈水區(qū)。

如圖4.3所示為砂棒過濾器的結(jié)構(gòu)圖，主要由器身、上蓋、隔板及砂棒等組成。過濾器的上蓋、器身、隔板均用不銹鋼或鋁合金加工而成。上蓋和器身用緊固螺栓聯(lián)接在一起，形成以隔板為界的兩個區(qū)。當過濾器工作時，濾液（凈水）只有通過砂棒才能進入凈水區(qū)。砂棒是過濾器的主要工作部件。一臺過濾器由于型號不同，可以裝一根、幾根乃至十幾根砂棒。砂棒參數(shù)見表4.1。

圖4.3　砂芯棒過濾器的結(jié)構(gòu)

1—外殼；2—砂芯棒；3—固定螺桿；4—上隔板；5—放氣閥；6—上蓋；
7—緊固螺釘；8—入水口；9—排污嘴；10—下隔板；11—下蓋；12—凈水出口

表4.1　砂芯棒過濾器主要技術(shù)參數(shù)

（3）砂棒過濾器的操作

①砂棒的消毒

為了保證凈水的質(zhì)量，砂棒在使用前必須進行滅菌消毒?？蓪?5%的酒精倒入砂棒內(nèi)，阻封出口并搖蕩，使酒精完全涂覆于內(nèi)壁各部位；若使用5%的新潔爾滅溶液或10%的漂白粉水進行消毒，也可取得相同的效果。

②過濾器的組裝

選擇型號相符的過濾器與砂棒，檢查砂棒是否有裂紋或破損。過濾器內(nèi)腔、隔板、橡皮墊等接觸凈水的部件，均應(yīng)進行消毒。組裝人員的手及使用的工具也必須進行消毒。將消毒過的砂棒仔細地裝在隔板上，要特別注意密封件，加力必須均勻。將裝有砂棒的隔板小心地放入過濾器中，將密封圈墊好。蓋上蓋，將緊固螺栓逐個均勻加力擰緊。

（4）砂棒過濾器的維護

①初次使用時，應(yīng)先空放一段濾液，以便將附著的雜物沖掉，直至取樣化驗合格。過濾器的工作壓力應(yīng)控制在0.1～0.2MPa，壓力過大將導(dǎo)致凈水不合格，甚至使砂棒損壞。

②工作時，時刻注意表壓，表壓升高，說明砂棒微孔堵塞，應(yīng)停用，清洗砂棒，用砂紙打磨直至出現(xiàn)原色。表壓突然下跌，表明砂棒破裂，應(yīng)立即停用檢查，尤其在砂棒用舊時更要注意。

③在一直使用時，砂棒一般每星期清洗1～2次，定期檢查水樣，保證凈水質(zhì)量。若砂棒用舊，壁厚變薄，會影響凈水質(zhì)量。壁厚降為2～3mm時，應(yīng)更換新砂棒。過濾器冬夭不用時，應(yīng)將砂棒取出，晾干，以防凍裂，過濾器要擦干，涂油保存。

④砂棒為易碎品，操作時應(yīng)輕拿輕放。

2）活性炭過濾器

有些水中含有余氯和異味時，為了保證水質(zhì)無色、無味，必須將水進行處理。活性炭過濾器是進行這種處理最常用的設(shè)備。

（1）工作原理

活性炭為黑色固體，無臭、無味，粉狀或顆粒狀，具有多孔結(jié)構(gòu)，表面積十分龐大，對氣體、蒸汽或膠狀固體有很強的吸附力，1g粒狀活性炭的總表面積可達1000m2。由于有靜電吸附、物理吸附和化學(xué)吸附的共同作用，活性炭過濾器能將雜質(zhì)除去，除此之外，過濾器有一層厚厚的活性炭，兼有機械過濾的作用。

（2）基本結(jié)構(gòu)

活性炭過濾器有固定床式和膨脹床式兩類。膨脹床式是炭層在工作中處于膨松狀態(tài)，層向發(fā)生改變。固定床式在工作中炭層層高不發(fā)生變化。膨脹床式的處理效果較好，但炭粒易于流失，而固定床式則較穩(wěn)定。

在飲料水處理中，多采用固定床式。如圖4.4所示為固定床式活性炭過濾器?；窘Y(jié)構(gòu)與砂棒過濾器相近，主要由器身、濾料層、承托層、支撐板和蓋板組成。該過濾器有一個圓柱形的器身，上、下封頭與器身用法蘭聯(lián)接，為防止泄漏，中間墊有橡膠密封圈。上、下封頭與器身均用不銹鋼制造。在器身內(nèi)部，從上到下依次是蓋板、濾料層、承托層和支撐板。支撐板7為一多孔金屬板，用以支承濾料層。金屬板上面覆蓋一層金屬網(wǎng)，其上裝填一層石英砂作為承托層，高度為0.2～0.3m（約占總高度的1/8），上面再裝上5倍承托層高度的活性炭濾料層，粒徑為0.2～1.5mm。為防止反洗時碳粒隨水流沖走，濾料層上壓了一塊多孔蓋板，固定濾料層的高度。

圖4.4　活性炭過濾器的結(jié)構(gòu)

1—活性炭層（0.5m）；2—不銹鋼板；3—細砂層（7cm）；4—粗砂層（7cm）；
5—細石層（12cm）；6—粗石層（20cm）；7—支撐板

（3）活性炭過濾器的操作

①日常操作

日常工作時，打開進水閥，原水自上面進入過濾器，由多孔板分散后進入濾料層，經(jīng)活性炭吸附凈化后，從底部的凈水出口排出。

工作一段時間后，炭粒表面有污物覆蓋，失去吸附能力，這時需要進行清洗，以除去污物。清洗時，由反向通入原水，沖洗濾料，經(jīng)原水進口排污，為10～15min即可。清洗周期視過濾水量，一般為3～7夭，待排出的水質(zhì)較為清潔后即可。但不要清洗過于頻繁，以免影響活性炭的使用壽命。

②再生

活性炭經(jīng)過較長時間工作后，僅靠清洗已不能使其恢復(fù)工作能力，這時需要進行再生處理，其步驟如下：

a.反洗。打開底部閥門，反向通入清水，強度為8～10L/（m2?s），時間為15～20min。

b.蒸汽吹洗。打開頂部排氣閥，從底部通入0.3MPa的飽和蒸汽，吹洗15～20min。

c.堿液淋洗。打開頂部閥門，通入40℃左右、6%～8%的氫氧化鈉溶液進行淋洗，用量為活性炭體積的1.2～1.5倍。

d.正洗。由頂部通入原水，至出水符合水質(zhì)要求。

（4）活性炭過濾器的維護

①在進行過濾時，要求原水中無大顆粒懸浮雜質(zhì)，否則易于堵塞炭粒微孔。

②在安裝過濾器后，用飽和蒸汽對進出口水管及閥門、零件進行消毒。同時要求活性炭必須是符合食用標準的植物性活性炭，以保證飲料質(zhì)量。

③工作前，應(yīng)開大進水閥沖洗20min，取樣化驗合格后方可投入正常使用。

④每次使用時，剛流出的水若是黑水，屬正常現(xiàn)象，隨后會潔凈。原水流量應(yīng)與過濾器的設(shè)計能力相適應(yīng)，否則水質(zhì)難以達到要求。

⑤活性炭的吸附作用與溫度和流速有關(guān)，水溫高，流速低，凈化效果好，反之則差。

⑥活性炭的使用期限隨水質(zhì)而異，正常運轉(zhuǎn)可用3年，應(yīng)予更換，此時再生也無法達到理想效果。

3）微孔過濾器

（1）工作原理

微孔過濾器是一種膜分離技術(shù)，它可濾除液體、氣體中的0.01μm以上的微粒和微生物（見圖4.5）。具有高捕捉能力、過濾面積大、使用壽命長、過濾精度高、阻力小、機械強度大、無剝離現(xiàn)象、抗酸堿能力強及使用方便等特點。此過濾器能濾除絕大部分微粒，故廣泛用于需要進行精濾和除菌的場合。

（2）基本結(jié)構(gòu)

過濾器由全不銹鋼制成，圓柱形結(jié)構(gòu)，以折疊式濾芯為過濾元件。微孔濾芯采用聚丙烯、尼龍、聚砜、聚四氟乙烯等材料制成，孔徑有0.1～60μm，長度為5～40″（0.127～1.016m）。濾筒有1芯、3芯、5芯、9芯、11芯、13芯、15芯；折疊式濾芯長度有10″（0.254m），20″（0.508m），30″（0.762m），40″（0.016m）；過濾孔徑有0.1，0.22，0.45，1，3，5，10μm等規(guī)格。

濾芯分疏水性（適用于氣體）和親水性（適用于液體），可根據(jù)需要選用。既可單獨使用，又可作聯(lián)組分級過濾。它有過濾精度高、過濾速度快、吸附少、無介質(zhì)脫落、不泄漏、耐腐蝕、操作方便、帶反沖洗功能等優(yōu)點。

圖4.5　微孔過濾器

（3）微孔過濾器的操作

①清洗過濾器外殼并與過濾器系統(tǒng)相連接。打開折疊式濾芯開口一端的聚乙烯袋，檢查O形圈是否清潔完好、正確放在密封槽內(nèi)。

②用工藝液體（如水）浸潤O形圈。以聚乙烯袋作為保護，握住濾芯靠近開口的一端，將濾芯牢牢壓入外殼的定位孔內(nèi)。將外包裝塑料袋取下，蓋上殼體。

③打開外殼頂部的放氣閥。微微打開入口閥，使液體進入外殼。將外殼充滿液體，直至液體從放氣閥溢出，關(guān)閉放氣閥。緩慢地完全打開下游出口閥，直至完全打開。緩慢地完全打開入口閥。對每10″（0.254m）濾芯用250L/h的流量沖洗5～10min。

④若過濾的濾差大于0.15MPa，或流量明顯下降，則表明過濾濾芯已堵塞。

⑤折疊式濾芯不能經(jīng)受大流量的沖擊，也不要讓它反方向加壓。

⑥濾膜適宜于pH2～9的液體，對強酸、強堿、乙醇等有機溶劑不宜使用。產(chǎn)品能耐溫120℃，耐壓0.3～0.4MPa。

（4）微孔過濾器的維護

①微孔濾膜只能作最后階段的精密過濾，濾液須經(jīng)砂棒或濾紙等粗的濾材過濾，以免濾膜堵塞。

②將濾膜平放在清潔容器內(nèi)，用蒸餾水浸泡約數(shù)分鐘后放入適宜的濾器內(nèi)，即可使用。

③若折疊式濾芯暫不運行，不應(yīng)將它們干燥，而應(yīng)將它們保存在過濾器的外殼內(nèi)，外殼內(nèi)放入含抗菌劑的水（如次氯酸鈉溶液），在重新使用之前再沖洗干凈。

4.2.2　水軟化設(shè)備

凈化設(shè)備主要是除去水中的不溶性雜質(zhì)，除此以外，水中還有溶解雜質(zhì)，這些雜質(zhì)主要是離子，如Ca2+，Mg2+，Na+，，，Cl-等。

飲料用水需經(jīng)過軟化后方能使用，水的硬度取決于鈣、鎂離子的總含量。用硬水生產(chǎn)飲料，既影響風(fēng)味，又易于產(chǎn)生沉淀。對于硬度大的水，均需使之“軟化”，即降低水中鈣、鎂離子濃度，使用設(shè)備為水的軟化設(shè)備。某些水特別是井水、泉水，水中的溶解雜質(zhì)不僅是鈣、鎂離子，還有許多其他離子，降低這些離子含量的處理稱除鹽。軟化和除鹽，并不是對任何水源都需要采用的，應(yīng)針對不同的水源采用不同的方法。目前常用的水軟化設(shè)備有離子交換器、電滲析器、反滲透膜與超濾裝置。

1）離子交換器

離子交換器是目前水處理中常用的一種設(shè)備，采用不同的樹脂和流程，可以使水軟化。

（1）離子交換樹脂的種類

離子交換樹脂是一種疏松的、具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固體，不溶于水，也不溶于電解質(zhì)溶液，但能吸附溶液中的離子并進行離子交換，是離子換交器的主要工作部分。

常用的離子交換樹脂一般按其所帶功能基團的性質(zhì)通常分為兩類：陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂。陽離子交換樹脂帶有酸性交換基團，在交換過程中能與水中陽離子，如Ca2+，Mg2+，Na+等進行交換。按其酸性強弱，又可分為強酸性、中酸性和弱酸性3類。陰離子交換樹脂帶有堿性交換基團，按其堿性強弱，可分為強堿性和弱堿性兩類。在交換過程中能與水中陰離子，如HCO3-，SO24-，Cl-等進行交換。

（2）離子交換的作用原理

需去除水中形成硬度的Ca2+，Mg2+離子，可使用Na+等不形成硬度的物質(zhì)，與水中的Ca2+，Mg2+進行交換反應(yīng)，水中的Ca2+，Mg2+被吸附在交換劑上，而交換劑中原有的Na+轉(zhuǎn)入水中，這樣Ca2+，Mg2+就被Na+取代而除去，硬水即變成為軟水。再將帶有Ca2+，Mg2+的交換劑用再生液還原，交換劑就可以重新使用。

處理時，原水通過陽離子交換樹脂層時，水中陽離子被樹脂吸附，樹脂上的陽離子H+被置換到水中，于是原水中僅剩下陰離子，陽離子被除去。隨之與水流一起進入陰離子交換樹脂層，水中的陰離子被陰離子交換樹脂吸附，樹脂上的陰離子OH-被置換到水中。用再生的方法可使樹脂恢復(fù)交換能力，可繼續(xù)工作。通過上述反應(yīng)，水中溶解的陰、陽離子全部被樹脂層吸附而置換出來的H+和OH-離子結(jié)合成H2O。

（3）基本結(jié)構(gòu)

一般的離子交換器為具有鍋形底及頂?shù)膱A筒形設(shè)備，其筒體的長度與直徑之比值為2∶3。如圖4.6、圖4.7所示為離子交換器正、反吸附罐的結(jié)構(gòu)圖。筒體用鋼板卷焊而成，上、下部都設(shè)有入孔，小直徑設(shè)備或筒底與器底采用法蘭聯(lián)接的設(shè)備，其入孔可只開設(shè)一個。筒體中部開有視鏡孔，以觀察反洗強度、交換劑層表面污染情況和耗損。筒體底部開有樹脂裝卸孔。進水管安在筒體頂部，在出口處一般安有擋板等分配裝置，目的主要是使原水分布均勻。為防反洗時樹脂層的擴脹，樹脂層高度約占筒體高度的50%～70%，不能裝滿。再生液分配器安裝在樹脂層上面，它應(yīng)與樹脂層接近，以便在再生時保持再生液濃度，有利于提高再生效率。排水管安在筒體底部，通過多孔板集水后排出。

在交換器進、出水管上裝有壓力表，以測定工作時水流的壓力損失。在進、出水管水流經(jīng)常流動的部位，安裝有取樣裝置。其實無論是原水軟化或是除鹽，所用的陰、陽離子交換器的結(jié)構(gòu)基本相同，所不同的只是樹脂種類、水處理流程以及再生方式等。

（4）離子交換器的操作

①新樹脂的預(yù)處理

新樹脂中往往混有雜質(zhì)，影響樹脂的交換反應(yīng)，須進行預(yù)處理。預(yù)處理包括清洗和轉(zhuǎn)型。

圖4.6　離子交換罐（正吸附）

1—頂蓋；2—視鏡；3—進水口；4—手孔；5—液體分布器；6—樹脂層；7—底蓋；
8—出水口；9—多孔支撐板；10—尼龍濾布；11—罐體

圖4.7　離子交換罐（反吸附）

1—頂蓋；2—硬水進口；3—淋洗水、解吸液及再生劑進口；4—軟水出口管；5—液體分布器；
6—樹脂層；7—底蓋；8—淋洗水、解吸液及再生劑出口；9—多孔支撐板；
10—尼龍濾布；11—罐體

陽離子交換樹脂多為Na型。預(yù)處理辦法是先將其用自來水浸泡1～2夭，使其充分吸水膨脹，再反復(fù)用自來水沖洗，去除可溶性雜物，直至洗出的水無色為止。

樹脂若是用于除鹽則需轉(zhuǎn)型，將樹脂由Na型轉(zhuǎn)為H型。具體方法是將清洗、瀝干的樹脂，加等量7%鹽酸溶液浸泡1h，攪拌后除去酸液。用自來水洗至出水的pH值為3～4為止，倒去余水，加入等量8%氫氧化鈉溶液浸泡1h，除去堿液，再用自來水洗至出水的pH值為8～9，倒除余水，加入3～5倍7%鹽酸溶液浸泡2h，除去酸液，用去離子水洗至pH值為3～4即可使用。

陰離子交換樹脂的預(yù)處理，新的陰離子交換樹脂多為Cl型。先將新樹脂用自來水浸泡，反復(fù)洗滌，洗至無色為止。再加入等量8%氫氧化鈉溶液浸泡1h，攪拌并除去堿液，再用通過H型陽離子交換樹脂處理的水，洗至pH8～9，倒去余水，再加入等量7%鹽酸溶液浸泡1h，然后用自來水洗至pH3～4，最后加入3～5倍8%氫氧化鈉溶液浸泡2h，并加攪拌，使陰離子交換樹脂轉(zhuǎn)為OH型。再倒去堿液，用去離子水洗至pH8～9即可使用。

②操作

離子交換器的操作分為運行、反洗、再生及正洗等4個階段。

a.運行。應(yīng)按原水水質(zhì)、樹脂性質(zhì)、樹脂層高度等因素來選樣水流速度。如需要除去的離子濃度大，則流速應(yīng)選擇小些。離子交換器的運行時間（工作時間），對于鈉離子交換器一般為6～8h；對于陰、陽離子交換器，約為20h。

b.反洗。當樹脂處理一定的水量后，交換能力下降。當下降到一定程度，正常運行即應(yīng)停止，并進行反洗操作。反洗是從交換器底部進水，使樹脂層松動，并沖掉樹脂層表面污物和破碎的樹脂。要保證反洗效果，應(yīng)使樹脂層有一定的膨脹強度，使每個樹脂球都發(fā)生運動，一般膨脹率應(yīng)大于50%。

c.再生。其目的是恢復(fù)樹脂的交換能力。一般在反洗結(jié)束，樹脂沉降后進行。影響再生效率的因素，主要有再生劑種類、濃度、流速、時間、溫度以及再生方式等。

d.正洗。其目的是使用水將樹脂中殘存的再生劑沖掉，恢復(fù)交換器的工作能力。應(yīng)正洗至出水符合水質(zhì)要求為止。經(jīng)正洗后，交換器又可以投入正常運行。

（5）離子交換器的維護

①樹脂在運輸、保管時，應(yīng)保持濕潤，即轉(zhuǎn)入密封容器或加水浸泡。樹脂應(yīng)保存在室內(nèi)，環(huán)境溫度應(yīng)保持在5～40℃，不能低于0℃，以防凍結(jié)崩裂。

②交換器應(yīng)安在堅實水平的地基上，不垂直度不大于2mm/m。對于鈉離子交換系統(tǒng)，其軟水箱貯水量應(yīng)相當于3h的供水量。

③進入交換器的原水，須經(jīng)澄清、過濾等預(yù)處理。

④使用前應(yīng)取樣化驗原水水樣，根據(jù)所含離子種類和數(shù)量，選擇交換器種類、流程以及各種運行參數(shù)。

⑤再生劑均是酸、堿、鹽等腐蝕性強的物質(zhì)，一定要注意防腐措施。工作人員也要注意防止受到傷害。

2）電滲析器

當水中的含鹽量大于500mg/L時，用離子交換器就很不經(jīng)濟，這時可以用電滲析器，它是對水進行除鹽處理的常用設(shè)備。

（1）工作原理

離子交換膜具有選擇透過性和良好導(dǎo)電性。由于水中離子是帶電的，在直流電場中，陰、陽離子作定向移動，陽離子移向負極，陰離子移向正極。離子交換膜分為陰膜和陽膜兩種。陽膜允許水中陽離子透過而阻擋陰離子，而陰膜允許水中陰離子透過卻阻擋陽離子。如圖4.8所示為電滲析除鹽原理圖，原水進入電滲析器，水中的離子在直流電場作用下作定向移動，由于陽膜允許陽離子透過，陽離子向負極移動，穿過陽膜。同理，陰離子則向正極方向移動，穿過陰膜。陽離子移向負極，遇陰膜而受到阻擋，陰離子遇陽膜而受到阻擋。所以工作時每一個縫隙相間隔地流出的是淡水和濃水。

（2）基本結(jié)構(gòu)

電滲析器有臥式和立式兩種。由濃、淡水室的隔板，離子交換膜，電極，板框及鎖緊裝置組成，如圖4.9所示。

陰、陽膜之間安裝有隔板，把兩張膜分開，作為水流的通道，按通過水流的不同，可分為濃室隔板和淡室隔板。隔板上有進水孔、出水孔、布水槽、流水道及過水槽等。

圖4.8　多層膜電滲析器脫鹽示意

圖4.9　電滲析器結(jié)構(gòu)圖

1—給液管；2—壓板；3—陽極室；4—膜堆；5—分段隔板；
6—集液管；7—陰極室；8—鎖緊裝置；9—支架

按電極結(jié)構(gòu)不同可分為板狀、網(wǎng)狀及絲狀3種。由于存在電離過程，陽極必須采用耐腐蝕材料，如石墨、鉛、二氧化鉛等；陰極多用不銹鋼、鈦涂釘?shù)?。極框置于電極與交換膜中間，用來保持電極與交換膜之間的距離。鎖緊裝置的作用是防止產(chǎn)生內(nèi)滲外漏現(xiàn)象，把隔板、電極、板框、交換膜壓緊。

（3）操作與維護

①組裝時，對多級多段的電滲析器，在采用多孔板成隔板導(dǎo)向時應(yīng)按正確的順序，將隔板、交換膜、電極、板框、墊板、墊圈等按其排列順序放置。

②鎖緊裝置上的金屬螺桿等金屬構(gòu)件，切不可與交換膜、電極相接觸。調(diào)整膜堆四周的高度差，然后擰緊螺桿。應(yīng)先擰中間，再擰兩頭，用力要均勻，每次下壓3mm左右，以高度均等和不漏水為準。

③在流量與壓力穩(wěn)定時，開啟整流器，使電壓由最低值緩慢升到預(yù)定的工作電壓值。

④倒極前，將電壓降至最低，停電半分鐘，然后按“反向啟動”按鈕，再將電壓、電流升到預(yù)定值。需要注意的是，倒換電極時，要同時倒換濃、淡水閥，按規(guī)定排水。倒極后，立即觀察流量與壓力有無異常。按規(guī)定間隔時間倒換整流器電極。

⑤關(guān)機停止運行時，將整流器電壓降到最低值，再關(guān)閉整流器。停泵后將回流閥及時關(guān)閉，防止水泵進氣。若只是暫停使用，應(yīng)切斷電源。

⑥安放設(shè)備的地基要采取防腐措施，鎖緊裝置的螺桿、螺母均應(yīng)注意防腐。

⑦交換膜保持濕潤狀態(tài)，防止干燥收縮，引起變形和破裂。交換膜在冬季應(yīng)防凍，夏季不得暴曬。設(shè)備長期不用時，須將其拆開，將各部件洗凈，流量計中的積水放空，金屬件要涂油存放，以防生銹。

3）反滲透設(shè)備

反滲透是利用反滲透膜只能選擇地透過溶劑的性質(zhì)，對溶液施加壓力，使溶劑通過反滲透膜從溶液中分離出來的過程。反滲透設(shè)備的優(yōu)點是連續(xù)運行，產(chǎn)品水質(zhì)穩(wěn)定，無須用酸堿再生，節(jié)省了反洗和清洗用水，可以高產(chǎn)率生產(chǎn)超純水。

（1）反滲透原理

如圖4.10所示，當半透膜把水池隔斷分成兩部分，半透膜上的孔只能選擇性地讓水分子通過，水中的大部分有機污染物和水合離子均不能透過，則純水將自發(fā)地向溶液側(cè)滲透，這個過程稱為滲透。滲透最終達到平衡，兩側(cè)的液面將不再變化。滲透平衡時膜兩側(cè)的液面差所代表的壓力即滲透壓，其大小與鹽水濃度有關(guān)。如果在溶液側(cè)加壓，水分子就會反著滲透的方向透過半透膜從鹽水一側(cè)向水一側(cè)遷移，從而得到純水。溶劑分子在壓力作用下由濃溶液向稀溶液遷移的這個過程稱為反滲透。

特殊性能的高分子反滲透復(fù)合膜表面分布有孔徑1～10nm的極小的孔，而水中各種離子的直徑為十幾個納米，病毒、細菌的直徑為幾十至幾萬納米，因此在壓力的推動下，這些物質(zhì)都無法透過膜，被截留在膜的濃水端，隨濃水排出，而透過膜的是不含任何雜質(zhì)、有機物及細菌的純水。

圖4.10　反滲透原理

（2）反滲透半透膜

目前，反滲透半透膜的制作主要用醋酸纖維素材料。用于制膜的材料還有各種纖維素酯、脂肪族和芳香族聚酰胺、聚砜、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯和硅膠等。其中，最重要的是纖維素酯類膜，其次是聚砜膜和聚酰胺膜。

（3）膜組件

將膜與其支撐體及輔助部件按一定方式制成膜組件或膜裝置，按結(jié)構(gòu)特點有板框式、管式、螺旋卷式及空心纖維式等類型。

①板框式

板框式系統(tǒng)帶薄膜，薄膜被夾在成組排列的支撐板中間，類似普通的熱交換器，如圖4.11所示。所用膜為平板式膜，設(shè)備由膜框、膜、多孔支撐板、膜、膜框交替重疊排列組成，多孔支撐板和膜框之間的周邊疊合處用墊圈密封，用中央螺栓或四周緊固螺栓鎖緊。原水強制地通過很窄的通道，在支撐層的內(nèi)空間流動，透過膜向兩側(cè)遷移，進入每對膜之間被膜框分隔成的空間，再經(jīng)膜框外圈的孔道向外流動而被收集。這個模型可分成幾部分，在每一部分中，膜之間的流動是并聯(lián)的，這些部分通過一些特殊的膜支撐板分開，在支撐板上，其中一個孔用截止盤封死，以改變流動方向，每一部分之間的流動是串聯(lián)。

圖4.11　板框式膜組件

②管式

管式反滲透膜組件的結(jié)構(gòu)類似于管式換熱器，有支撐的管狀膜，分為外壓式和內(nèi)壓式。如圖4.12所示為內(nèi)壓式列管膜組件，多孔的不銹鋼管或用玻璃纖維增強的塑料承壓管的外殼內(nèi)裝有管狀膜，經(jīng)加壓的原水從管內(nèi)流過，管外側(cè)殼體內(nèi)收集的是透過膜的水。

圖4.12　內(nèi)壓式膜組件

③螺旋卷式

螺旋卷式結(jié)構(gòu)在兩片反滲透膜中間夾入一層多孔支撐材料，組成板膜，再鋪上一層隔網(wǎng)，然后在鉆有小孔的中心管上卷繞而成一個單元組件，膜之間用一個多孔的清液傳導(dǎo)材料隔開。這種材料，被稱為清液通道襯墊，允許清液自由流過薄膜。將一組卷式膜組件串聯(lián)起來，裝在耐壓容器中，便成了螺旋卷式反滲透裝置，如圖4.13所示。工作時，原水沿軸向進入膜間通道，淡化水呈螺旋狀流至多孔中心管進而流出。

圖4.13　螺旋卷式結(jié)構(gòu)（Koch膜設(shè)備公司）

④空心纖維式

空心纖維式膜組件分為毛細管式和中空纖維式兩種。毛細管式膜組件如圖4.14所示。中空纖維管模型是筒式的，每一個筒里包含45甚至3000束中空纖維件，這些纖維束以并聯(lián)方式定向排列，與中心進料管捆在一起，所有的纖維束在它們的末端用樹脂固定在筒里，但需留有纖維孔道作為透過液流出的通道。清液收集管側(cè)用環(huán)氧樹脂密封。原水從毛細管內(nèi)流過，透過液向管外遷移，收集于外殼中。原水進入中心管，并經(jīng)中心管上的小孔均勻地流入中空纖維的間隙，淡化水進入中空纖維管內(nèi)，從纖維的孔道流出，濃縮水則從纖維的間隙流出，如圖4.15所示為中空纖維膜組件結(jié)構(gòu)圖。

圖4.14　毛細管式膜組件

1—進料液；2—毛細管；3—外殼；4—濃縮液；5—過濾液

中空纖維管的外側(cè)結(jié)構(gòu)粗糙，并作為膜的支撐體。供液流過纖維管內(nèi)側(cè)，在外側(cè)收集清液，并從上部的管子排出。這種設(shè)計的特殊優(yōu)勢在于它具備液體反沖能力，這一能力可以用于清洗以及用清液從外部循環(huán)除去膜表面的產(chǎn)品沉淀物。中空纖維模型的各種操作形式如圖4.16所示。

圖4.15　中空纖維膜組件

1—料液進口；2—產(chǎn)品出口；3—密封圈；4—組件封頭；5—穿孔塑料套；6—主軸；
7—空心纖維束；8—密封圈；9—濃縮液出口；10—主皮帶輪；11—連軸帶

圖4.16　中空纖維模型的不同操作形式

4）超濾器

（1）超濾機理

料液在超濾膜內(nèi)的流動問題比較復(fù)雜，簡單的床層流動理論不能充分解釋膜內(nèi)的流體行為，通常膜滲機理有下述兩種模型：

①毛細流動模型

在這種模型中，溶質(zhì)的脫除主要靠流過微孔結(jié)構(gòu)的過濾或篩濾作用，半透膜阻止了大分子的通過，按這一模型建立的流動是毛細孔中的層流流動。

②解擴散模型

在這種模型中，假定擴散質(zhì)的分子先溶解于膜的結(jié)構(gòu)材料中，而后再經(jīng)載體的擴散而傳遞。因為分子種類不同，溶解度和擴散度也就不同。

實際上，兩種模型在膜滲透傳遞中都可能存在，但反滲透以溶解擴散機理占優(yōu)勢，而超濾則以毛細流動機理占優(yōu)勢。為此，又出現(xiàn)綜合兩種機理的所謂“優(yōu)先吸著毛細流動”的機理。

（2）超濾膜材料

普通使用的醋酸纖維半透膜，具有不對稱和超微孔的結(jié)構(gòu)，它有一層由致密聚合物制成的超薄表層，此層支承在下面的支撐層之上，支撐層由較厚的微孔聚合物制成。表層和支撐層由一次澆鑄工藝制成。超濾膜有醋酸纖維素膜（CA膜）、聚合物膜（如聚甲基丙烯酸甲基、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、尼龍等）和鋯-氧化鋁膜。

（3）超濾設(shè)備類型及結(jié)構(gòu)

目前，國內(nèi)應(yīng)用的超濾膜設(shè)備大多數(shù)為板狀和管狀，特別是空心纖維膜（中空纖維膜）也已在水處理方面得到廣泛應(yīng)用。超濾膜組件結(jié)構(gòu)與反滲透膜組件相似，此處不再贅述。

（4）常見故障原因分析及排除

①超濾設(shè)備進水壓力與出水壓力差增大，出水量下降

這是由于水質(zhì)較差、堵塞嚴重所造成。此時一般的沖洗已不能完全清洗掉截留下來的雜質(zhì)，應(yīng)拆下超濾膜進行化學(xué)清洗。

②超濾膜破損

一旦工作壓力超過其承受能力，膜就會破裂，水即從裂縫中經(jīng)過，起不到過濾作用。因此，應(yīng)通過清洗來增加水通過量，而不能靠加大進口壓力來增加產(chǎn)水量。一般正常的操作壓力應(yīng)小于0.15MPa。

③過濾效果不佳

具體表現(xiàn)在細菌數(shù)較多或水中有細小異物。首先檢查是否按正確的方法操作，然后檢查超濾膜是否破裂。若膜發(fā)生破裂，應(yīng)立即給予更換。停機時間較長時應(yīng)在膜內(nèi)注入0.5%的甲醛溶液抑制細菌的生長。

④超濾膜脫水干涸

停機前應(yīng)在膜中灌以超濾水。若超濾膜長時間處于脫水狀態(tài)則會發(fā)生脫水干涸現(xiàn)象，影響過濾效果及膜的壽命。時間較長時應(yīng)注入保護液，保護液為1%～2%甲醛和5%甘油水溶液。

4.2.3　水殺菌消毒設(shè)備

在經(jīng)過凈化、軟化或除鹽處理以后，絕大部分雜質(zhì)，如懸浮雜質(zhì)、溶解雜質(zhì)及微生物已被除去。但是，在這種水中仍存有微生物，為了殺滅這些微生物，必須將水進行消毒。消毒的方法很多，在飲料水處理中，最常用的是臭氧消毒及紫外線消毒。

1）紫外線消毒設(shè)備

紫外線消毒設(shè)備速度快、工作效率高、性能穩(wěn)定、效果好、不改變水的理化指標、不產(chǎn)生有毒物質(zhì)、操作簡單、管理方便，已成為飲料廠的主要消毒設(shè)備。紫外線消毒設(shè)備是新近發(fā)展起來的一種消毒設(shè)備。

（1）殺菌原理

紫外線按其波長不同可分為3段：長波段（320～400nm）、中波段（275～320nm）、短波段（180～275nm）。處于240～280nm區(qū)段的紫外線殺菌力較強，而最強的波長為250～265nm，因此，多以253.7A作為紫外線殺菌用波長的代表。

當微生物被紫外線照射時，其細胞的部分氨基酸和核酸吸收紫外線，由于產(chǎn)生光化學(xué)作用，引起細胞內(nèi)成分，特別是核酸、原漿蛋白、酯的化學(xué)變化，使細胞質(zhì)變性，從而致微生物的死亡。

（2）消毒設(shè)備的結(jié)構(gòu)

紫外線對水消毒，主要是殺滅水中細菌的營養(yǎng)細胞，用15W紫外燈，在水以5～15L/min流速流過時，可殺滅99.9%的大腸桿菌。常用的紫外線消毒沒備，按其水流狀態(tài)和燈管位置有兩種形式：直流式和套管式。

①直流式紫外線殺菌器

如圖4.17所示為直流式紫外線殺菌器。它主要由消毒水槽和紫外燈組成。在水槽3中安置了分流板和阻流板。分流板是一塊多孔板，阻流板是一塊金屬擋板。紫外燈安置在上部。紫外燈上面是弧形反射罩5，用以反射紫外線。工作時，原水由水槽3的一端進入，通過分流板，將水流分成均勻的細流，沿水槽平穩(wěn)地前進。遇到位于末端的阻流板，迫使水流越過阻流板從出口流出。當水流流過時，受到紫外燈的照射而被殺菌。直流式紫外線殺菌器結(jié)構(gòu)簡單，燈管更換容易，但處理能力較小。

圖4.17　直流式紫外線殺菌器

1—進水口；2—燈管；3—水槽；4—隔板；5—反射罩；6—出水口

②套管式紫外線殺菌器

如圖4.18所示為套管式紫外線殺菌器，主要由紫外燈管、套管、外殼及穿孔擋板組成。采用石英套管是因為石英玻璃對紫外線的透過率很高。在外殼5與套管6中間是水流通道，在水流通道中安置了多塊穿孔擋板4，在擋板上加工有很多孔，可以將水流均勻分散，還可起支撐套管的作用。紫外燈管1安裝在一根石英玻璃套管6內(nèi)，使燈管與套管間形成一個環(huán)狀空氣夾層，可以提高燈管周圍介質(zhì)的溫度，提高殺菌效果。工作時，水流由進水口3，沿切線方向進入水腔，多次遇到穿孔擋板4，被擋板4均勻分散后，在環(huán)繞套管6的四周，以薄層通過，接受紫外線照射，然后由出水口8流出。

圖4.18　套管式紫外線殺菌器

1—紫外線燈管；2—密封件；3—進水口；4—穿孔擋板或螺旋擋板；
5—外殼；6—石英玻璃套管；7—觀察管；8—出水口

套管式紫外線殺菌器的處理能力大，使用操作方便，能充分利用能源，但其結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜。

（3）操作與維護

①通水之前，關(guān)閉設(shè)備進水閥、取樣龍頭（兼排氣孔）。接通電源，啟動燈管3～6min后，打開取樣龍頭，打開進水閥通水消毒。當取樣龍頭中噴出密集水柱，并保持3～6min后，關(guān)閉取樣龍頭。調(diào)節(jié)進水閥，使通過殺菌器的流量不超過該設(shè)備的額定流量。

②停止工作時，先關(guān)閉進水閥，然后關(guān)閉紫外燈。打開排水閥。放空殺菌器內(nèi)存水，然后關(guān)閉排水閥。

③對原水應(yīng)進行較嚴格的處理，原水應(yīng)無色、無渾濁，不含有機物，盡量不帶氣體。

④經(jīng)常檢查紫外燈管的工作情況，如燈管發(fā)紅，說明燈管老化，應(yīng)及時更換。若是連續(xù)生產(chǎn)，最好是兩臺殺菌器交替使用，延長燈管壽命。

⑤定期清洗石英玻璃管（套管式）或反射罩（直流式），以充分利用紫外線的能量。紫外燈有強烈的輻射，對人體有害，在觀察和接近燈管時，必須戴有色眼鏡，穿工作服，防止灼燒眼睛和皮膚。

2）臭氧消毒設(shè)備

臭氧是一種特別強烈的氧化劑，其瞬間的滅菌效果優(yōu)越于氯。它同時還能除去水臭、水色以及鐵、錳等，經(jīng)其消毒過的水無不良味道。

（1）殺菌原理

臭氧很不穩(wěn)定，在水中易分解成氧氣和原子氧。原子氧有極強的氧化性，能與水中的微生物或有機物作用，破壞附著在細胞上的脫氫酶，從而導(dǎo)致細胞死亡。臭氧不僅可殺死細菌，還可以消滅細菌的芽孢，具有很強的殺菌能力。

（2）制備臭氧的設(shè)備

制備臭氧的方法很多，如化學(xué)法、紫外線法、等離子法、無聲放電法等。而在生產(chǎn)中最適用的是無聲放電法。臭氧發(fā)生器的常用形式有平板式和管式兩種，其工作原理相同。如圖4.19所示為管式臭氧發(fā)生器。它主要由一根碳鋼管和一根不銹鋼管組成。

容器外殼和不銹鋼管分別接入電場，空氣進入外殼內(nèi)，均勻地分散在放電空間中，順著放電空間勻速前進。由于電壓高達15～20kV，即在此區(qū)域進行無聲放電，將空氣中部分氧氣轉(zhuǎn)化為臭氧，再由出口排出，放電產(chǎn)生的熱量由冷卻水帶走。

圖4.19　管式臭氧發(fā)生器

（3）消毒設(shè)備的結(jié)構(gòu)

如圖4.20所示為臭氧消毒設(shè)備及殺菌流程。它主要包括空氣處理裝置、臭氧發(fā)生器、水力噴射器等。經(jīng)空氣處理裝置將空氣進行凈化、干燥和降溫。由臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧，臭氧的加注裝置一般采用噴射混合，這是由水力噴射器完成的。臭氧在一定壓力下經(jīng)噴射器與原水充分接觸，在很短的時間內(nèi)完成殺菌操作。

工作時，空氣經(jīng)處理裝置2進行凈化、干燥和降溫處理，然后進入臭氧發(fā)生器3部分氧氣轉(zhuǎn)化為臭氧。這些臭氧隨空氣一起進入水力噴射器5，與高速通過的原水均勻混合后，進入貯水器8，在貯水器中完成殺菌過程。

（4）操作與維護

①工作前，檢查各設(shè)備安裝情況，連接管路必須嚴格密封，電路接線正確。

②啟動電源，將電場加到臭氧發(fā)生器上。打開空氣處理裝置，調(diào)整好空氣流量，將處理過的空氣送入臭氧發(fā)生器。打開進水閥，送入原水。取樣化驗貯水器中水樣，待其穩(wěn)定合格后，即可開始工作。

圖4.20　臭氧殺菌流程圖

③對空氣的預(yù)處理必須嚴加注意，溫度、濕度及凈化度等參數(shù)必須控制在允許范圍內(nèi)。

④臭氧發(fā)生器各電極間電壓高達15kV以上，必須注意絕緣。臭氧的化學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定，不能久存，只能隨生產(chǎn)隨用。

4.3　碳酸化設(shè)備

在生產(chǎn)含氣飲料時需要將二氧化碳氣體溶解于飲料中，完成這個操作的設(shè)備稱碳酸化設(shè)備。碳酸化實質(zhì)就是在壓力作用下使二氧化碳與水或混合液混合而成為碳酸液。

有3種途徑可以提高二氧化碳在液體中的溶解度：一是降低液體溫度，溫度越低，其溶解度越大；二是提高二氧化碳的壓力，但會增加設(shè)備的復(fù)雜性，還受到瓶子耐壓性能的限制，一般控制在1MPa以下；三是增加氣液兩相的接觸面積，在混合機中接觸面積越大則溶解效果越好。碳酸化設(shè)備主要包括混合機、二氧化碳凈化設(shè)備、制冷設(shè)備和泵等。常用混合機有以下幾種。

4.3.1　噴霧式混合機

這種形式的碳酸化器在我國中小企業(yè)中使用較多，如圖4.21所示為其結(jié)構(gòu)圖。

圖4.21　噴霧式碳酸化設(shè)備

該設(shè)備是個密封的壓力容器。外罩用鋼板按嚴格的工藝與技術(shù)要求焊接而成，內(nèi)筒為不銹鋼膽，要求具有足夠的耐酸及耐壓強度。內(nèi)筒和外罩的夾層間填有隔熱材料。二氧化碳氣體和處理水在一定壓力下在該容器內(nèi)混合。內(nèi)筒四周分別裝有進二氧化碳氣體的止逆閥、液位指示器、放氣閥以及安裝在頂部的壓力表并伸出外罩。罐的底部為貯存罐，其液面可用晶體管液位繼電器控制，位置低于霧化器。噴頭可作清洗器，實現(xiàn)CIP清洗。

這種混合機是通過碳酸化罐進行碳酸化的，由于空氣的存在會嚴重影響二氧化碳在飲料中的溶解度，因此，操作人員必須在開機前或中途停機再開機時，先通入二氧化碳，將罐內(nèi)空氣趕走，而且生產(chǎn)中還需經(jīng)常打開罐排氣閥門，否則將影響二氧化碳在水中的溶解度?；旌喜僮鲿r，水或飲料經(jīng)過霧化與二氧化碳混合，大大增加了接觸面積，提高了二氧化碳在水中的溶解度，同時縮短液體和二氧化碳的作用時間，提高了碳酸化效率。

4.3.2　噴射式混合機

噴射式混合機生產(chǎn)量大，效率高，近年來我國進口的生產(chǎn)線大都使用這種混合機。該機又稱為文丘里管式混合機，其構(gòu)造如圖4.22所示。當由多級水泵加壓的水或飲料流經(jīng)收縮的錐形噴嘴處時，水的流速劇增，水的內(nèi)部壓力速降，這時二氧化碳通過管道進入。當水離開噴嘴后，周圍的環(huán)境壓力與水的內(nèi)部壓力形成較大壓差，為了維持平衡，因此注入二氧化碳的水爆裂成細小的水滴，同時水與氣體分子間有很大的相對速度，使水粒變得更加細微，增加管內(nèi)與二氧化碳的接觸面積，提高了混合效果?；旌虾蟮囊后w進入管道貯存罐內(nèi)或板式換熱器內(nèi)，保證氣體全部溶解。

混合機在使用中應(yīng)將溫度、二氧化碳壓力調(diào)節(jié)在規(guī)定范圍內(nèi)。水中的溶解氧應(yīng)該用脫氣機去除或者二氧化碳置換（預(yù)碳酸化）去除，混合機內(nèi)的空氣用水排氣法去除并且各個管道不能漏泄。

圖4.22　文丘里噴射管

4.3.3　碳酸化裝置聯(lián)合機組

1）冷卻—混合—碳酸化聯(lián)合機

此裝置主要用在一次灌裝生產(chǎn)線中，由于要求糖漿和水準確按預(yù)定的比例混合，通常把這種實現(xiàn)按一定比例混合的裝置稱為配比（混合）器。配比（混合）器有很多種，常見的有配比泵混合器、孔板定比例混合機和噴射式混合器。

目前在飲料生產(chǎn)中，一般采用集脫氣、冷卻、混合、碳酸化于一體的聯(lián)合配比器（聯(lián)合機），如圖4.23所示為冷卻—混合—碳酸化聯(lián)合機的結(jié)構(gòu)簡圖。糖漿和水經(jīng)配比器按比例進入混合罐混合，用泵輸入碳酸化罐，碳酸化罐內(nèi)裝有蛇管，管內(nèi)通制冷劑，使混合后的物料冷卻，以溶入足夠的二氧化碳。為保證二氧化碳與處理水有足夠的接觸時間，二氧化碳從進入碳酸化罐之前開始充入，碳酸化后的物料進入灌裝機。

2）脫氣—冷卻—混合—碳酸化聯(lián)合機

如圖4.24、圖4.25所示為帶脫氣和二級冷凍的脫氣—冷凍—混合—碳酸化聯(lián)合機組。

脫氣是指碳酸化前對水進行真空脫氣，以保證二氧化碳在水中的溶解度。脫氣的方法主要有真空脫氣法和二氧化碳置換法。經(jīng)過凈化處理的水進入真空脫氣罐，充分脫除空氣。脫氣后的水用離心泵送至制冷機組的蒸發(fā)器中冷凍至2～4℃后，與糖漿在噴射式配比器中混合?；旌虾蟮奶撬杀盟屯鶉娚涫教妓峄髦信c二氧化碳氣體混合，然后進入碳酸化罐，從碳酸化罐出來的產(chǎn)品再次進入制冷機組中進行冷凍，以確保其低溫，然后送往灌裝機進行灌裝。

圖4.23　冷卻—混合—碳酸化聯(lián)合機

1—配比（混合）器；2—冷凈水；3—糖漿；4—二氧化碳；5—碳酸化罐；
6—制冷劑；7—冷卻器；8—制冷劑；9—碳酸化水

圖4.24　脫氣—冷卻—混合—碳酸化聯(lián)合機

1—真空脫氣器；2—水環(huán)式真空泵；3—多級離心水泵；4—糖漿罐；
5—噴射式混合器；6—多級離心碳酸化泵；7—噴射式碳酸化器

圖4.25　脫氣—冷凍—混合—碳酸化聯(lián)合機組

1—真空脫氣罐；2—水泵；3—真空泵；4—噴射式配比器；5—糖漿罐；6—防腐糖水泵；
7—噴射式碳酸化器；8—二氧化碳鋼瓶減壓閥；9—碳酸化罐；10—制冷蒸發(fā)器；11—制冷機組

4.4　封裝及封口設(shè)備

4.4.1　灌裝機械分類

灌裝是整個飲料生產(chǎn)線的關(guān)鍵工序之一，根據(jù)操作壓力的不同，可分為等壓法、常壓法和負壓法等。

等壓灌裝法是指在壓力大于一個大氣壓，且貯液缸及待灌容器的壓力相等的條件下，使飲料液靠自重流入容器的灌裝方法。等壓灌裝方法適用于碳酸飲料的灌裝，因為二氧化碳的溶解度和壓力有關(guān)，加壓可保證飲料的含氣量。

常壓灌裝法是指在貯液缸和待灌容器內(nèi)的壓力均為常壓的條件下，使飲料液靠自重流入容器內(nèi)的灌裝方法。常壓法主要用于非碳酸飲料或碳酸飲料二次灌裝工藝中糖漿的灌裝。

負壓灌裝法是貯液缸的壓力可以大于、小于一個大氣壓或為常壓（一般為常壓），在灌裝時對待灌容器預(yù)先抽真空，然后使飲料液快速流入其內(nèi)。負壓灌裝法因為對待灌容器抽真空，可減少產(chǎn)品與空氣的接觸，延長保存期，但也會損失產(chǎn)品中的某些揮發(fā)性芳香物質(zhì)，其主要用于非碳酸飲料，不適用于碳酸飲料的灌裝。

一般碳酸飲料用玻璃瓶、聚酯塑料瓶（PET）或金屬易拉罐灌裝，非碳酸飲料可用各種容器，果汁類飲料多使用塑料瓶或無菌紙盒等容器。

目前，飲料生產(chǎn)中使用較多的灌裝設(shè)備主要有兩類：一類是用于瓶裝或金屬罐灌裝的連續(xù)旋轉(zhuǎn)型瓶、罐灌裝設(shè)備。另一類是適用于紙盒裝的各種紙盒無菌包裝設(shè)備（見第1章中無菌包裝機）。

4.4.2　連續(xù)旋轉(zhuǎn)型灌裝機

為了使設(shè)備能夠連續(xù)地進行工作，灌裝機一般采用旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，即包裝容器隨灌裝閥一起作等速回轉(zhuǎn)運動，同時進行灌裝，灌裝時須保證瓶輸送與灌裝同步。如圖4.26所示為旋轉(zhuǎn)型灌裝機結(jié)構(gòu)圖，它的主體結(jié)構(gòu)由供料裝置、灌裝閥、托瓶轉(zhuǎn)盤及供瓶裝置4大部分組成。

圖4.26　旋轉(zhuǎn)型灌裝機結(jié)構(gòu)示意圖

1—供料裝置；2—灌裝閥；3—托瓶轉(zhuǎn)盤；4—供瓶裝置

1）送瓶機構(gòu)

送瓶機構(gòu)分為兩種，分別為回轉(zhuǎn)圓盤-變螺距螺桿-撥輪式送瓶機構(gòu)和鏈板-撥輪式送瓶機構(gòu)，其送瓶原理分別如圖4.27和圖4.28所示。回轉(zhuǎn)圓盤-變螺距螺桿-撥輪式送瓶機構(gòu)工作時，瓶子堆積在旋轉(zhuǎn)的圓盤2上，圓盤一般為不銹鋼板，由電機帶動，按逆時針方向旋轉(zhuǎn)使瓶子擠壓在流水輸送線前并對瓶子施以向前的動力。裝置5為變距螺桿，將依次緊挨的瓶子通過該裝置分成一定的距離，使瓶子能夠剛好送入裝置6撥輪的瓶子卡口中，再由撥輪送入灌裝機。鏈板-撥輪式送瓶機構(gòu)工作過程大致類似，只是缺少了變距螺桿，它是直接通過撥盤卡住瓶子并依此送入灌裝機的，這種灌裝機在工作時要注意鏈板上堆積瓶子的數(shù)量，過多容易使撥盤卡死而導(dǎo)致停機。

圖4.27　回轉(zhuǎn)圓盤-變螺距螺桿-撥輪式送瓶機構(gòu)

1—瓶子；2—回轉(zhuǎn)圓盤；3—擋板；4—導(dǎo)板；
5—變螺距螺桿；6—撥輪；7—灌裝機

圖4.28　鏈板-撥輪式送瓶機構(gòu)

1—鏈板；2—進瓶撥輪；3—定位板；
4—灌裝機；5—出瓶撥輪

2）升降瓶機構(gòu)

灌裝機在工作時，為了使液體不外泄，這需要將灌裝閥插入瓶口中，但灌裝閥一般是固定水平的，這就要使瓶子向上抬升一定距離，這個工作是通過升降瓶裝置來完成。灌裝時，升降瓶機構(gòu)按設(shè)定的程序先將瓶托上升，將灌裝閥的灌注頭插入瓶內(nèi)進行灌注，灌注完畢后瓶子隨瓶托下降與灌裝嘴脫離，并輸送到下一工序。常用的升降瓶機構(gòu)有凸輪式、氣動式和凸輪-氣動組合式等。

（1）凸輪式升降瓶機構(gòu)

這種升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、行程準確、可靠性好，易于制造。結(jié)構(gòu)是凸輪推桿上端頂著托瓶臺，下端為滾輪，灌裝時滾輪沿凸輪輪廓形表面滾動，凸輪輪廓形的變化促使推桿頂著托瓶臺作升降運動。如圖4.29所示為凸輪升降瓶機構(gòu)工作原理示意圖。工作時前端進瓶，中段上升灌注，后端出瓶，為了使瓶運行平穩(wěn)，要求上升角α不大于30°，下降角β不大于70°，滾輪和凸輪之間要求有良好的潤滑。

圖4.29　凸輪升降瓶機構(gòu)工作原理示意圖

（2）氣動式升降瓶機構(gòu)

如圖4.30所示，該裝置主要由托瓶臺、氣缸和活塞所組成，托瓶臺1的升降是由壓縮空氣（壓力為0.25～0.4MPa）作動力完成的。升瓶時，壓縮空氣由氣管7進入氣缸2，推動活塞3連同托瓶臺1一起上升。此時，排氣閥門4打開、進氣閥門5關(guān)閉，使活塞上部的存氣經(jīng)排氣閥門4排出。降瓶時，閥門在轉(zhuǎn)盤旁的撞塊控制下使排氣閥門4關(guān)閉、進氣閥門5打開，壓縮空氣改由氣管6和氣管7同時進入氣缸。由于活塞上下的氣壓相等，故托瓶臺和瓶子等在自重的作用下下降。這種裝置升降耗費時間較短，氣體作為緩沖介質(zhì)使瓶子運行平穩(wěn)，因而使用廣泛。

圖4.30　氣動式升降瓶機構(gòu)工作原理圖

1—托瓶臺；2—氣缸；3—活塞；4—排氣閥門；5—進氣閥門；6，7—氣管

（3）機械與氣動組合式升降瓶機構(gòu)

如圖4.31所示，配有托瓶臺1的套筒2可沿空心柱塞5滑動，方墊塊8起導(dǎo)向作用，防止套筒升降時發(fā)生偏轉(zhuǎn)。升瓶時，壓縮空氣由柱塞的下部經(jīng)螺釘3上的中心孔道進入套筒內(nèi)部，以推動托瓶臺1向上作升瓶運動。其上升速度通過凸輪導(dǎo)軌6和滾動軸承7加以控制，直至工作臺轉(zhuǎn)到降瓶區(qū)后，則完全依靠凸輪的強制作用將套筒同托瓶臺1一起壓下。此時，柱塞內(nèi)部的壓縮空氣依然被排到與各托瓶缸氣路相連的環(huán)管中，再由此進入別的正待上升的托瓶缸內(nèi)。該裝置工作穩(wěn)定可靠，壓縮空氣在環(huán)管中循環(huán)使用，只需補充漏氣損量，應(yīng)用也較廣。但凸輪導(dǎo)軌也會增加額外的潤滑、磨損和運轉(zhuǎn)阻力。

圖4.31　機械與氣動組合式升降瓶機構(gòu)

1—托瓶臺；2—套筒；3—螺釘；4—密封墊；5—空心柱塞；6—凸輪導(dǎo)軌；
7—滾動軸承；8—方墊塊；9—環(huán)管；10—卡塊

3）灌裝閥機構(gòu)

飲料的種類繁多，各種的特點差異很大，在灌裝時應(yīng)針對不同飲料的特點來選擇合適的灌裝機。

（1）負壓灌裝閥機構(gòu)

負壓灌裝閥機構(gòu)又稱真空灌裝機，目前常用的有重力真空式和壓差真空式兩種。

①重力真空式灌裝閥機構(gòu)

這種灌裝閥機構(gòu)將真空室與貯液箱合為一體，又稱為單室真空灌裝機，灌裝時貯液缸始終保持一定的真空度，與容器連通后，容器也和貯液缸形成相同的真空度，此時，物料在自重的作用下流入容器，料液的定量灌裝是通過對瓶子升降機構(gòu)來控制氣閥和液閥開啟時間來實現(xiàn)的，如圖4.32所示。這種灌裝機貯液缸的上部是真空室，使得整個液面成為易揮發(fā)物質(zhì)的擴散面，故只適用于不含芳香性物質(zhì)的非碳酸飲料的灌裝。

②壓差真空式灌裝閥機構(gòu)

這種灌裝閥機構(gòu)的真空室與貯液缸分開，又稱為雙室真空灌裝機，通過兩根回流管連接，在灌裝時只對瓶子抽真空，料液在壓差的作用下流入瓶中。如圖4.33所示為壓差真空式灌裝閥的原理簡圖。

圖4.32　重力真空式灌裝閥機構(gòu)

1—進液管；2—抽真空管；3—浮子液位計；4—貯液缸；
5—立柱；6—托瓶臺；7—液閥；8—氣閥

圖4.33　壓差真空式灌裝閥機構(gòu)

1—貯液缸；2—真空室；3—進料管；4—回流管；5—抽氣管；6—灌裝閥；7—密封碗；
8—閥體；9—吸液管；10—吸氣管；11—調(diào)整墊片；12—輸液管；13—吸氣口；14—托瓶臺

工作時，瓶子隨升降機構(gòu)上升與灌裝閥密封碗緊貼時，吸氣管的吸氣口進入瓶內(nèi)，對空瓶抽真空。當達到一定的真空度時，常壓狀態(tài)下的貯液缸內(nèi)的液體便在壓差的作用下進入瓶內(nèi)。瓶內(nèi)液面上升至吸氣口時，液體就被吸入吸氣管內(nèi)，直到吸氣管內(nèi)液面與回流管內(nèi)液面等高時，灌裝停止。然后瓶子在升降機構(gòu)控制下下降一定高度，此時輸液管仍插在瓶內(nèi)，吸氣管所吸入的液體被吸入真空室中，并通過回流管流回到貯液缸中。由于定量是由灌裝嘴深入瓶子的深度來確定的，這種灌裝閥機構(gòu)對于瓶子有嚴格的要求，定量的準確性受到瓶容積的直接影響。

（2）常壓灌裝機構(gòu)

這種灌裝機在貯液缸和待灌容器均為常壓的條件下，使料液靠自重灌入容器內(nèi)。它可用于非碳酸飲料或碳酸飲料二次灌裝工藝中糖漿的灌裝。如圖4.34所示為六頭灌裝機的定量灌裝閥機構(gòu)。糖漿從貯液缸經(jīng)支撐體中的糖漿通道和糖漿管流入定量杯中，達到預(yù)定的定量后，支撐體中糖漿的進口正好與貯液缸中的出液口錯開。同時，待灌容器在升降機構(gòu)的作用下上升，并頂緊密封碗，使閥芯上的進液口進入定量杯中，糖漿靠自重灌入瓶中，瓶內(nèi)的空氣由排氣口排出。

圖4.34　六頭常壓灌糖漿灌裝閥機構(gòu)

（3）等壓灌裝閥機構(gòu)

等壓灌裝閥機構(gòu)在灌裝的時候，貯液缸的壓力大于一個大氣壓。在灌裝時，先對瓶子充氣至與貯液缸等壓，然后液體靠自重流入瓶中。如圖4.35所示為一種氣閥式等壓灌裝閥機構(gòu)示意圖。

圖4.35　氣閥式等壓灌裝閥機構(gòu)

1—氣門套柄；2—氣門套；3—上氣孔；4—氣閥彈簧；5—通氣管；6—擋圈；
7—閥套；8—液閥彈簧；9—閥座；10—閥芯；11—密封圈；12—閥芯座；
13—下氣孔；14—堵頭；15，18—密封碗；16—外套；17—排氣閥彈簧；
19—頂銷；20—螺母；21—排氣閥座；22—回轉(zhuǎn)撥叉

工作時，當瓶子由升降機構(gòu)托升至瓶口與灌裝閥上的密封碗構(gòu)成密封時，回轉(zhuǎn)撥叉在擋塊的作用下，將氣門套往上提升，打開充氣閥的氣門通道，貯液缸中的壓力氣體通過上氣孔沿通氣管進入瓶內(nèi)。待瓶內(nèi)壓力升高到與貯液缸等壓時，液閥擋圈受到向上的反壓力，使液閥彈簧所受壓力減少，閥芯受力平衡被破壞而向上移動，液閥被打開，貯液缸中的液體在等壓狀態(tài)下靠自重流入瓶中。當瓶中液體高度上升到浸沒通氣管的下氣孔時，瓶內(nèi)液面不再增加，但由于連通作用，液面沿氣管上升至一定高度，此時擋塊頂迫排氣閥上的頂銷向內(nèi)移動，打開排氣閥，排出瓶中殘留的壓力氣體至大氣壓，液閥閥芯因下方的平衡壓力減小而向下移動，同時，回轉(zhuǎn)撥叉也在擋塊的作用下，使氣門套往下壓，關(guān)閉氣閥，加速液閥閥芯的向下運動，使液閥快速關(guān)閉。

（4）活塞式灌裝機構(gòu)

在灌裝一些黏稠的液體物料如番茄醬時，以上介紹的灌裝機是達不到要求的，壓力式灌裝機則能完成這項工作。這種裝置主要由活塞和定位機構(gòu)組成，灌裝時，活塞往復(fù)運動完成吸料和灌裝動作，可通過定位機構(gòu)調(diào)節(jié)灌注量，這種裝置的缺點是完成一次灌注的時間比較長。

4.4.3　封罐機

飲料液灌入瓶子后需立即封口，以防因飲料液染菌和接觸空氣氧化，而影響保質(zhì)期，封口的設(shè)備為封罐機，本節(jié)僅介紹金屬罐和PET塑料瓶這兩種容器的封口設(shè)備。

1）金屬易拉罐封罐機

這種封罐機多采用罐體固定而卷邊滾輪旋轉(zhuǎn)，罐體和底蓋之間進行卷合的過程，稱為二重卷邊作業(yè)過程。用兩個具有不同形狀溝槽的滾輪，先后順序地與罐體及底蓋接合邊緣重復(fù)地作相對滾轉(zhuǎn)，使兩者之邊緣因彎曲變形，互相緊密地鉤合，在底蓋鉤槽內(nèi)有彈性填料物，因受擠壓而充塞于罐體與底蓋之間的卷邊全部縫隙中。

封罐機由自動送罐系統(tǒng)、自動配蓋裝置、卷邊頭、卸罐裝置和電氣控制系統(tǒng)等部分組成，如圖4.36所示為一種自動真空封罐機的結(jié)構(gòu)，常常應(yīng)用于國內(nèi)各馬口鐵罐飲料的生產(chǎn)中。封罐機的驅(qū)動和傳動機構(gòu)由V形帶輪、齒輪、傳動軸及偏心凸輪、擺桿等組成。

工作時，撥盤在偏心輪和罐撥輪的作用下，作間歇式回轉(zhuǎn)運動，定時地從進罐送蓋機構(gòu)接入罐身與罐蓋，轉(zhuǎn)送到下托盤上。在偏心凸輪6和擺桿P1的作用下下托盤把罐托起，夾壓于上壓頭之間。在罐開始上升一段距離后，擺桿與下托盤一起把罐身夾住，往上升送，直到被固定不動的上壓頭頂住為止，這樣可使罐體與罐蓋穩(wěn)定上升。隨后卷邊機頭繞罐體與罐蓋作切入卷封作業(yè)。卷封完畢后，卷邊滾輪退離，處于靜止狀態(tài)的擺桿又在凸輪7的作用下，在下托盤之前先行降下，并通過上部彈簧作用，給罐體施加壓力，使其脫離上壓頭，隨同下托盤一起下降到工作臺面上。此時星形撥盤轉(zhuǎn)動，一方面把已封好的罐送出，另一方面又接入新的罐體和罐蓋。

2）PET瓶裝飲料旋蓋機

如圖4.37所示為YF01型全自動回轉(zhuǎn)式旋蓋機，主要由進出瓶機構(gòu)、供蓋裝置、旋蓋機頭、機架及傳動裝置、氣動系統(tǒng)及潤滑系統(tǒng)等部分構(gòu)成。

圖4.36　自動真空封罐機

1—手輪；2—打桿；3—進罐撥輪；4，6，7—偏心凸輪；5—鏈條；8—機頭盆；
9—封罐滾輪；10—上壓頭；11—罐體；12—下托盤；13—星形撥盤

圖4.37　全自動旋蓋機外形圖

電機帶動主軸和進出瓶星形撥輪轉(zhuǎn)動，旋蓋機頭由主軸帶動旋轉(zhuǎn)，在機頭四周安裝有多個旋蓋頭。旋蓋頭上裝有滾輪沿著凸輪導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動，下行程時完成取蓋和旋蓋工序。如圖4.38所示，包裝用瓶由輸送裝置推送至變距螺桿前，通過螺桿后由撥輪依次送至旋蓋工位。當無瓶（少瓶）和無蓋（少蓋）時接近開關(guān)會發(fā)出信號，通過氣缸動作帶動擋瓶和擋蓋機構(gòu)動作，擋住供瓶和供蓋。當瓶和蓋積聚到足夠數(shù)量時，接近開關(guān)發(fā)出信號，放開擋瓶和擋蓋機構(gòu)，繼續(xù)供瓶和供蓋。供蓋裝置將蓋整理后，由滑道滑入接蓋盤，然后由撥蓋輪撥送到取蓋工位。旋蓋頭下降取蓋后，再轉(zhuǎn)到旋蓋工位，此時旋蓋頭已和下面的瓶口對準，抱瓶帶壓緊瓶身防止其轉(zhuǎn)動，旋蓋頭夾帶住瓶蓋邊旋轉(zhuǎn)邊下降，將蓋旋緊在瓶口上。

圖4.38　某全自動旋蓋機工作原理圖

4.5　CIP清洗設(shè)備

液態(tài)食品殺菌設(shè)備本身的清潔程度對制品的殺菌效果起到非常重要的作用。隨著食品生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)?；c現(xiàn)代化，殺菌機械也向大型化和自動化的方向發(fā)展，機械裝置越來越復(fù)雜，管道隨之增加，機械裝置的清潔量及清潔困難程度大為增加。為了減輕勞動強度，20世紀50年代中期，歐美的一些國家在食品工業(yè)中開發(fā)了經(jīng)濟、衛(wèi)生和安全的所謂CIP清潔系統(tǒng)。目前，此類系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中飲料、乳品、果汁、果漿、果醬和酒類等的生產(chǎn)中。

4.5.1　CIP的概念及特點

1）CIP的定義

CIP為CleaningInP1ace（原位洗滌）或In-PlaceCleaning（定位洗滌）的簡稱，也稱為就地清洗。其定義為：不用拆開或移動裝置，即可用高溫、高濃度的清洗液，對裝置加以強力的作用，把與食品的接觸面洗凈的方法。

CIP裝置適用于與流體物料直接接觸的多管道殺菌機械裝置，如果汁飲料、乳品、濃縮果汁、豆?jié){等。采用原位清洗（即CIP清洗）是目前飲料生產(chǎn)廠普遍使用的方法，是產(chǎn)品質(zhì)量的保證。在清潔過程中能合理地處理洗滌、清洗、殺菌與經(jīng)濟性、能源的節(jié)約等的關(guān)系，是一種優(yōu)化清洗管理技術(shù)。清洗的目的是清除設(shè)備及管壁上的殘留物，保證達到衛(wèi)生指標。因此，CIP完全不用拆開機械裝置和管道，即可進行刷洗、清洗和殺菌。在一般情況下，連續(xù)使用6～8h必須進行一次清洗。在特殊情況下，當發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)能力顯著降低時，應(yīng)立即進行清洗。

如圖4.39所示為常用的CIP清洗系統(tǒng)設(shè)備示意。

圖4.39　CIP設(shè)備示意

2）CIP的特點

對比人工清洗或其他機械清洗方法，CIP有如下的優(yōu)點：能維持一定的清洗效果，清除料液殘留，防止微生物污染，避免批次之間的影響，以提高產(chǎn)品的安全性；節(jié)約操作時間和提高效率；節(jié)省勞動力和保證操作安全；衛(wèi)生水平穩(wěn)定；節(jié)約清潔用水和蒸汽；節(jié)約清洗劑、清洗水和蒸汽的用量；生產(chǎn)設(shè)備可大型化，自動化水平高；增加了設(shè)備的耐用年限。

3）清洗原理

清洗的目的是去除黏附于機械上的污垢，以防止微生物生長。要把污垢去掉，就必須使清洗系統(tǒng)能夠供給去除污染物質(zhì)所需的洗凈能力。洗凈能力的來源有3個方面，即從清洗液流動中產(chǎn)生的運動能，從洗滌劑產(chǎn)生的化學(xué)能，清洗液中的熱能。這3種能力具有互補作用。同時，能量的因素與時間的因素有關(guān)，洗滌時間越長則洗滌效果越好。

（1）運動能的影響

作為CIP系統(tǒng)的運動能，能力的大小是以雷諾數(shù)（Re）來衡量的。Re數(shù)的一般標準為從壁面流下的薄液，槽類Re＞200，管類Re＞3000，而Re＞30000效果最好。流體流動而產(chǎn)生的如攪拌作用、噴射清洗液產(chǎn)生的壓力和摩擦力等都有利于清洗。清洗時間必須合適，太短不能對污物進行有效去除，太長則浪費資源。

（2）熱能的影響

由于在一定的流量下，溫度上升，黏性系數(shù)會減少，Re會增加，故清洗液的溫度同樣是影響清洗效果的另一因素。通常而言，洗液溫度每升高10℃，化學(xué)反應(yīng)速度會提高1.5～2.0倍，清洗速度也相應(yīng)提高，清洗效果較好。清洗溫度一般不低于60℃。一般提高溫度可達如下效果：改變污水的物理狀態(tài)；增大污物與洗滌劑溶液的化學(xué)反應(yīng)速度；減少清洗液的黏度，使Re增大；增大污物中可溶物質(zhì)的溶解量。

（3）化學(xué)能的影響

一般廠家可根據(jù)清洗對象污染性質(zhì)和程度、設(shè)備材質(zhì)、水質(zhì)、所選清洗方法、成本和安全性等方面來選用洗滌劑。水為極性化合物，對油脂性污物幾乎無溶解作用，對碳水化合物、蛋白質(zhì)、低級脂肪酸有一定的溶解作用，對電解質(zhì)及有機或無機鹽的溶解作用較強。所以在食品工業(yè)進行清洗時一般均應(yīng)加入洗滌劑。

目前，食品行業(yè)應(yīng)用的清洗劑種類很多，主要是酸堿類。其中氫氧化鈉和硝酸應(yīng)用最為廣泛。堿類洗滌劑對含蛋白質(zhì)較高的污物有很好的去除作用，但對食品橡膠墊圈等有一定腐蝕作用。酸類洗滌劑對堿性清洗劑不能去除的頑垢有較好效果，但對金屬有一定的腐蝕性，應(yīng)添加一些抗腐蝕劑或用清水沖洗干凈。清洗劑還有表面活性劑、螯合劑等，但只在特殊需要時才使用，如清洗用水硬度較高時可使用螯合劑去除金屬離子。

4.5.2　CIP清洗系統(tǒng)

1）CIP裝置的分類

目前，CIP系統(tǒng)品種也比較多，主要有以下分類方法：按是否可移動可分為移動式清洗車，固定式清洗車；按罐體安置形式分臥式和立式清洗設(shè)備；按罐體是否分隔分為隔式和分罐式清洗設(shè)備；按罐體數(shù)量分為單罐、雙罐和多罐；按清洗液的使用方式，分單次、重復(fù)、多次使用。以下按照是否重復(fù)使用清洗液的分類方式來介紹CIP系統(tǒng)。

（1）清洗劑單次使用的CIP系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中，洗液只使用一次。系統(tǒng)由CIP罐、CIP泵、回流泵、濃清洗劑泵、換熱器和管路組成，沒有大容量的稀釋液貯桶。被清洗對象（罐或管路）與CIP裝置通過配管形成回路，清洗結(jié)束將清洗液排放。所需設(shè)備比較簡單，有時候可以不必設(shè)專門的CIP站，就可以實現(xiàn)CIP過程。

（2）清洗劑重復(fù)使用的CIP系統(tǒng)

清洗劑重復(fù)使用的CIP系統(tǒng)如圖4.40所示。水、堿、酸等各種清洗液分別放在各自的貯桶里，清洗完畢堿酸等洗滌液回收。當洗滌劑濃度降低時，補充酸、堿再反復(fù)使用。此系統(tǒng)在國內(nèi)使用較為普遍，由于酸、堿清洗劑都是在貯液罐中稀釋調(diào)配，因此系統(tǒng)比較龐大。

（3）清洗劑多次使用的CIP系統(tǒng)

由于集中控制的重復(fù)使用的CIP系統(tǒng)的供水管路和回收管路太長，造成大量液體和熱量損失，并且殘留在管道里的產(chǎn)品和清洗劑被稀釋。而清洗劑多次使用的CIP系統(tǒng)吸取了單次使用CIP系統(tǒng)不占空間、輸送管路短和重復(fù)使用的CIP系統(tǒng)具有洗液回收的優(yōu)點。在設(shè)計上，非集中控制的多次使用的CIP系統(tǒng)是由局部的、靠近被清潔設(shè)備的小型標準單元組成，清洗劑是由批式罐集中供給的，清洗完畢，清洗劑可以回收。

圖4.40　清洗劑重復(fù)使用的CIP系統(tǒng)

1—水罐；2—堿罐；3—酸罐；4—濃堿罐；5—濃酸罐；6—CIP泵；7—加熱器

（4）CIP清洗工藝流程

CIP清洗工藝流程示例見表4.2。

表4.2　CIP清洗工藝流程示例

續(xù)表

2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

不管何種CIP系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)均主要有以下4個部分

（1）管道

管道按作用可分為進水管道、排液管道、加熱循環(huán)清洗管道、CIP液供應(yīng)管道、CIP液回收管道、自清洗管道等，管道中的控制閥門、在線檢測儀、過濾器、清洗頭等按設(shè)計要求配置。CIP管道的作用為使?jié)馇逑匆嚎梢赃M入清洗液貯罐中，再在泵的作用下經(jīng)供應(yīng)管道進入每個需要清洗的設(shè)備部位，從每個清洗部位流出的清洗液又可以通過泵及CIP液回收管道，進入清洗液貯罐中。

CIP裝置對管道的要求為：對產(chǎn)品有安全性；構(gòu)造容易檢查；管道的螺紋牙不露于產(chǎn)品上；接觸產(chǎn)品的內(nèi)表面要研磨得完全光滑，特別是接縫不要有龜裂及凹陷；接縫處不漏液；盡量少用密封墊板。

（2）清洗裝置

①CIP罐

CIP罐有單罐式和多罐式兩種。

a.單罐式一次使用裝置。單一清洗罐，用最低濃度的清洗液只洗一次后，清洗液就不再留用?？梢杂蒙倭肯礈靹┳詣诱{(diào)節(jié)濃度的方式來運轉(zhuǎn)。

b.多罐式多次使用裝置。兩個以上清洗罐。清洗液可多次使用，可用手動或全自動控制清洗液的濃度和溫度。

②回收裝置

在上述罐內(nèi)安裝水回收裝置，把用過的清洗液及水回收貯藏，留作下次清洗時作預(yù)洗液再用。這樣可以節(jié)約用水、蒸汽和洗滌劑。

③泵

一般是用不銹鋼類耐蝕材料制造的離心泵（又稱為衛(wèi)生泵或食品用泵）。泵用最大能力運轉(zhuǎn)時，為防止吸入空氣，全CIP系統(tǒng)要注滿清洗液，液面必須高出泵吸入管。故此，泵的功率，由CIP裝置能裝上的全水量和被清洗物的流量決定。清洗液回收泵一般是離心泵與真空泵并用，這樣即使是少量的清洗液也能回收。

④閥

清洗液槽的管道中，對不流通處理液的管線，一般用不銹鋼閥，如圓板閥、球閥或碟閥等。而要流通處理液的管線則需用衛(wèi)生閥。其作用為不讓裝置內(nèi)的液體向外流出，也可以防止從外部的流入污染。閥頭一般用合成橡膠加工而成，制成符合衛(wèi)生條件的構(gòu)造，可以自動洗凈。

（3）自動控制系統(tǒng)

CIP系統(tǒng)最初于20世紀50年代在美國乳品工業(yè)得到應(yīng)用，其發(fā)展經(jīng)歷了手動型、氣動型兩代，現(xiàn)已正進入機電一體化———智能型的第三代。目前存在的CIP系統(tǒng)有以下兩種：

①人工控制

由人工操作閥門和調(diào)節(jié)溫度，并根據(jù)清洗狀況隨機確定清洗時間。

②自動控制

智能型的CIP設(shè)備由清洗液貯槽、清水罐、機架、氣動執(zhí)行閥、清洗液送出分配器、帶PC的儀表電氣控制箱以及離心泵等組成。

（4）噴霧裝置

對罐類的清洗，宜用噴頭的噴霧洗凈方式，噴頭的類型有旋轉(zhuǎn)式和固定式兩大類。噴頭在清洗罐內(nèi)的安裝位置有以下幾種形式：

①圓頂罐用單球方式

如圖4.41（a）所示的安裝形式為向上方噴霧、水由上而下清洗的方式。如圖4.41（b）所示為左右方噴霧的形式。如圖4.41（c）所示為單球向下方噴霧的方式。

②圓頂罐用雙球方式

如圖4.41（d）所示為左右、上方噴霧；如圖4.41（e）所示為從上方噴霧的形式。

圖4.41　處理槽安裝噴射球的方法及噴霧的形式

3）洗滌過程與注意事項

（1）洗滌過程

如圖4.42所示為一臺就地清洗設(shè)備示意圖，利用離心泵輸送清洗液在物料管道和設(shè)備容器內(nèi)進行強制循環(huán)，達到清洗的目的。該設(shè)備主要由酸堿液貯槽、清水槽、機架、清洗液送出分配器、三通球閥及離心泵等組成。貯槽用來貯存清洗液，可按照清洗工藝要求配制清洗液的成分、濃度，并通過貯槽中蒸汽加熱盤管加熱清洗液至所需溫度。清洗液送出分配器有若干條出口通道，各與需要清洗的設(shè)備的入口連接，單條使用。貯槽通過分配器及外部接管，利用三通球閥可組成清洗液送出管路及清洗液循環(huán)回洗管路系統(tǒng)。清洗時按清水沖洗→堿液沖洗→清水沖洗→消毒劑消毒→清水沖洗程序進行，時間長短按實際要求設(shè)定。

圖4.42　自動清洗設(shè)備封閉系統(tǒng)

（2）注意事項

CIP全自動清洗程序，并不意味著可以清洗得絕對干凈，事實證明，CIP清洗也有著衛(wèi)生死角，常常在某些彎管或板式換熱器的內(nèi)部會出現(xiàn)積垢未被洗掉的情況。因此，在使用時應(yīng)注意以下情況：

①操作工人須經(jīng)過培訓(xùn)后才能上崗操作。

②定期拆卸板式換熱器，手工沖洗或刷洗，然后消毒殺菌。

③所有的活接頭和可以拆卸的彎管要定期用清洗液浸泡，并手工刷洗，然后消毒殺菌。

④每次清洗或消毒完畢，都要取樣檢測，若出現(xiàn)異常情況，立即對不合格部分重新清洗或消毒。

⑤在貯罐內(nèi)，按清洗工藝規(guī)定的濃度，配制好酸、堿液，并在清水罐內(nèi)注入清水，容器貯液的裝量系數(shù)為80%。

⑥設(shè)備在使用前后進行一次仔細檢查，檢查內(nèi)部貯罐、管道的通暢、連接和清洗情況。

⑦應(yīng)嚴格按設(shè)計程序進行清洗，在需要改動時應(yīng)提前進行驗證。

本章小結(jié)

本章主要介紹了常用的飲料加工機械與設(shè)備，主要包括水處理設(shè)備、碳酸化設(shè)備、灌裝封口設(shè)備和CIP清洗設(shè)備等。水的處理設(shè)備先后介紹了砂濾棒過濾器、活性炭過濾器、微孔過濾器、離子交換器、電滲析裝置、反滲透設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理和使用維護。飲料殺菌設(shè)備主要有臭氧和紫外線殺菌設(shè)備。碳酸化是碳酸飲料生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，常用的碳酸化設(shè)備的混合方式主要有薄膜式、噴霧式及噴射式等類型，在實際生產(chǎn)中較多使用的是后兩種。瓶裝灌裝機主要由送瓶機構(gòu)、升降瓶機構(gòu)和灌裝閥機構(gòu)等組成，其中灌裝閥是灌裝機的關(guān)鍵部件。根據(jù)飲料性質(zhì)的不同應(yīng)使用適合的灌裝機。金屬罐裝飲料的封口是通過二重卷邊法封罐機來進行的。PET塑料瓶裝飲料的封口常用旋蓋式封口設(shè)備。飲料加工設(shè)備在每個班次生產(chǎn)結(jié)束后，均需進行清洗殺菌，目前，進行自動清洗、殺菌的設(shè)備為CIP清洗機。

復(fù)習(xí)思考題

1.飲料包括哪幾類？它們的生產(chǎn)工藝流程是什么？

2.水處理包含哪些階段？各有什么作用？需要哪些設(shè)備？

3.離子交換設(shè)備、電滲析設(shè)備、反滲透與超過濾設(shè)備的原理分別是什么？

4.如何提高碳酸化的效率？需要的設(shè)備有哪些？各有何優(yōu)缺點？

5.瓶裝灌裝機主要由哪些裝置組成？各自的工作原理是什么？

6.試述PET瓶旋蓋機的結(jié)構(gòu)和工作原理。

7.什么是CIP清洗？CIP清洗設(shè)備由哪些構(gòu)件組成？

8.CIP清洗有什么特點？