茅嘉惠 楊亞軍

目前國內以及東南亞市場含顆粒飲料行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮螅捎谠O備投資、技術條件、產品特性等因素，國內外暫無可連續(xù)性滅菌處理30%以上高濃度的含顆粒飲料的設備制造商。很多客戶只能選擇滅菌鍋、殺菌釜，但其滅菌能力低，批次滅菌處理量受限以及維護費用昂貴等問題困擾著諸多飲料生產商。隨著國內經濟技術的快速發(fā)展，企業(yè)的創(chuàng)新能力得到進一步提升，我們消化吸收其他領域新技術，在顆粒飲品行業(yè)實現(xiàn)新的突破，將超高溫UHT 滅菌技術引入設計，研發(fā)出適合30%以上高濃度的含顆粒飲料連續(xù)性滅菌處理設備，可處理椰果顆粒、切塊番茄、蘆薈顆粒、果粒橙、果肉纖維飲料等飲品。在保證滅菌效率及產品貨架期的情況下，不斷優(yōu)化顆粒升溫殺菌和流動過程中造成的破損率和感官指標等，提升飲品口感，在顆?？诟泻唾|量穩(wěn)定、換熱效率高、日常維護簡單、節(jié)能環(huán)保等方面不斷深入研究和探索。

1 含果肉顆粒飲品滅菌處理方式現(xiàn)狀

目前飲料行業(yè)有殺菌釜、蒸煮鍋兩種方式較為普遍。殺菌釜對灌裝后的塑料瓶裝或易拉罐裝飲料，放置在殺菌筐內再整體投進殺菌釜內進行高溫噴淋滅菌；蒸煮鍋對灌裝前的含顆粒物料進行小批量的加壓加熱攪拌蒸煮，物料加熱滅菌后再進行無菌灌裝。

1.1 殺菌釜滅菌處理

缺點是包裝材料必須選用耐高溫型材料，同時包裝材料成本和產品PH 值也有關系，產品PH 值偏中性所需要滅菌溫度也就越高，而相對于包裝材料成本投入也就越高。

1.2 蒸煮鍋滅菌處理

蒸煮鍋和殺菌釜一樣，設備滅菌能力低，每個批次處理量受限，不能連續(xù)性供應，生產中間需要置換。另外物料通過蒸煮鍋加熱，會出現(xiàn)溫度分布不均勻，有時鍋內中心溫度不達標，可能會導致滅菌不徹底等污染風險，并且物料通過鍋壁傳熱升溫過程中，煮鍋內表面容易出現(xiàn)烤糊結垢現(xiàn)象，導致清洗困難。

2 綜合上述設備的普遍缺點催生了顆粒UHT 的研發(fā)

2.1 研發(fā)顆粒UHT的目標

目標就是可處理PH 值偏中性產品，且顆粒有效濃度≥30%（例如100 kg 成品中含果肉顆粒30 kg）及規(guī)格≤5×5×5 mm 正方形顆粒，能做到顆粒和料液混合后一起進行132～137 ℃超高溫滅菌處理[1]，并在這一溫度下保持殺菌不小于1s 超高溫瞬時滅菌，以完全破壞顆粒和料液中可生長的微生物和芽孢，以最大限度的減小產品在物理、化學及感官上的變化，并迅速降溫到25 ～30 ℃常溫狀態(tài)，為后端無菌灌裝設備提供連續(xù)性的、源源不斷的無菌含顆粒物料，使其灌裝后成品能達到商業(yè)無菌的水平，可在非冷藏條件下進行儲存、運輸和銷售。

2.2 顆粒UHT研發(fā)過程中技術難題攻克

2.2.1 顆粒長時間吸液后容易脹大引起破損的難題攻克

不同的顆粒產品都存在一定的吸收水分自我膨脹的過程，如規(guī)格尺寸≤5×5×5 mm 正方形“椰果顆?！薄缇幚砬暗念w粒如果長期浸泡于液體中，自身體積將會增大至飽和體積，這種飽和體積狀態(tài)下的顆粒在流動過程中，經過設備的管道、閥門、輸送泵、換熱器等不銹鋼材質的堅硬部件，就會容易出現(xiàn)脫水或破裂等情況出現(xiàn)，最終造成產品的感官和口感上的缺失。針對顆粒長時間吸脹問題，采用在線混合比的方式，通俗點講也就是后端設備需要多少量，前端混合系統(tǒng)就按濃度要求混合多少量。而前端的果肉顆粒在線混合系統(tǒng)可設置在UHT 上，減少輸送過程中因管道、輸送泵、閥門等裝置造成的顆粒輸送破損?；旌虾蟮暮w粒料液，可直接進入UHT 平衡緩沖罐內暫存供后端設備連續(xù)使用，同時混合系統(tǒng)可根據(jù)設備投資成本的高低，提出兩種混合比方式解決方案。

通過流量計控制配比（圖一），分別通過質量流量計檢測顆粒量，電磁流量計檢測料液量，再通過混合器進行混合后流入UHT 平衡罐內暫存。這種混合方式投資成本略高一些，但顆粒和料液的混合精度控制的很好。

圖一

圖二

通過容積罐控制混比（圖二），比如容積罐滿容積100 L 體積，混合濃度要求60%舉例，首先通過電磁流量計檢測40 L 的料液量，先輸入到100 L 容積罐中，再向罐內補充60 L 顆粒物，至滿容積后罐底閥打開流入UHT 平衡罐內暫存。這種混合方式投資成本略低一些，混合精度控制也非常好。

2.2.2 顆粒輸送泵的選型難題攻克

顆粒輸送問題一直困擾著很多客戶，選用合適輸送裝置至關重要，很多顆粒產品在通過輸送泵輸送過程中就會出現(xiàn)大量破損，接下來再談一下顆粒UHT 輸送泵的選擇。所有類型的輸送泵都會對顆粒物料造成一定破損率，包含容積泵、離心泵、隔膜泵類。通過對尺寸≤5×5×5 mm 正方形“椰果顆粒”大量試驗測試，綜合各種類型輸送泵的實驗數(shù)據(jù)，對所有種類輸送泵造成的“椰果顆?！逼茡p率進行采集分析，得到破損率最高的是離心泵。常規(guī)的離心泵是通過葉輪高速旋轉，并通過離心力的作用將物料高速拋出，產生的高剪切力破損和撞擊破損，讓顆粒變成漿糊狀態(tài)（圖三），使感官缺失而導致無法使用。然后是氣動隔膜泵，通過氣體擠泵腔隔膜片間接擠壓推送顆粒物，最大的破損原因就是擠壓后出現(xiàn)綿軟性破損（圖四），同時隔膜泵不適合用于高壓輸出和SIP 高溫滅菌工藝條件。破損率最小的是容積泵，容積泵種類非常多有轉子泵、螺桿泵、雙螺桿泵等，這里我們重點介紹轉子泵。轉子泵也屬于容積泵的一種，通過轉子轉動在泵入口處容積擴大，顆粒物料進入泵腔入口，轉子推動顆粒物料順著弧形泵腔輸送至泵出口，隨著轉子轉動，出口容積縮小，物料被完全推送出去。這種容積式泵可處理高濃度的顆粒物料并且效率高破損率相對較?。▓D五），通過選型合適轉子泵可滿足高壓輸出的條件。示例，對45%濃度“椰果顆粒”產品輸送實驗，得知采用轉子泵，葉輪轉速＜130 轉/min 可做到輸送破損率8%以內，同時泵腔葉輪都是金屬材質，可做到≤143℃過熱水SIP 滅菌工藝處理，保證產品的安全性生產。

圖三

圖四

圖五

但是轉子泵也有缺點，輸送接近純水狀態(tài)下的低粘度CIP 清洗液時，清洗液會通過轉子與泵腔間隙回流至入口，導致輸出流量偏小，供應后端清洗和自身清洗效果差。這種情況下，我們將高效能的離心泵作為清洗泵串聯(lián)至輸送系統(tǒng)內，注意這里是串聯(lián)而不是常見的并聯(lián)工藝，并聯(lián)工藝的缺點是轉子泵和離心泵需要切換間隔清洗，流量波動大，不能做到同時輸送清洗。通過優(yōu)化輸送系統(tǒng)串聯(lián)清洗工藝，能做到生產產品輸送時選擇轉子泵（圖六），清洗時選擇帶入離心泵（圖七）。串聯(lián)的優(yōu)勢可以通過離心泵所提供的大流量清洗液，直接對轉子泵的葉輪和泵腔間隙提供超強沖洗力，并又通過T 型安全閥分流為后端設備提供不間斷的大流量的高壓清洗液，可高效的完成UHT 苛刻清洗工藝條件。

圖六

圖七

2.2.3 顆粒換熱器設計的難題攻克

國內外都沒有此類技術的參考設備，在這種情況下通過自己建立數(shù)據(jù)模型，通過模擬數(shù)據(jù)分析和大量實驗測試驗證，綜合有效數(shù)據(jù)支持，并結合多年在飲料設備市場的成功案例的總結，以及大量的對飲品的實驗及數(shù)據(jù)分析整理，而對示例某45%濃度“椰果顆?！碑a品在滅菌系統(tǒng)工藝上流速設計≤0.7m/s，其他產品甚至選擇更低流速時。通過實驗發(fā)現(xiàn)提高系統(tǒng)流速時，將直接對顆粒物產生極高剪切破損率，使顆粒物料輸送過程就會出現(xiàn)破損[2]，最終導致感官缺失而影響產品口感。

而對于示例中45%濃度“椰果顆?！蔽锪蠐Q熱器設計而言在流速≤0.7m/s 時，湍流效果不會很理想，雷諾數(shù)下降、換熱效率降低[3]，同時常規(guī)的光滑管換熱器在通過顆粒時，也無法實現(xiàn)管道中的顆粒均勻滾動翻身，無法實現(xiàn)顆粒在流動過程均勻受熱滅菌。所以必須讓顆粒在換熱升溫過程中實現(xiàn)不斷翻動或滾動加熱以達到均勻受熱目的。對示例45%濃度“椰果顆?！笔褂靡环N高效螺旋管換熱器，內管結構會根據(jù)產品換熱特性，通過實驗數(shù)據(jù)庫進行匹配，設計出合理槽深A、螺距B 尺寸（圖八）。產品中的顆粒在通過這種特殊管束過程中，沿內壁螺旋凸槽在內管中產生螺旋線方向打旋，螺旋翻轉攪動，而內管中心顆粒物料在攪動過程中不斷被置換到外圍，使產品通過管壁換熱過程均勻受熱，實現(xiàn)內管中心產品徹底滅菌，實現(xiàn)快速升溫的目的。

2.2.4 顆粒UHT系統(tǒng)清洗的難題攻克

圖八

圖九

圖十

在顆粒UHT 系統(tǒng)工藝上，在線CIP 清洗是該設備的一個重要工藝環(huán)節(jié)，直接影響著設備生產潔凈度的標準。UHT 系統(tǒng)標準清洗工藝就是利用CIP 液代替設備生產物料，清洗介質主要通過產品的輸送管道正向對管道、閥門、換熱器進行清洗。管道、閥門、換熱器的沖洗中（圖九），部分盲區(qū)清洗相對比較困難，再加上輸送顆粒物料后難免會有一定纖維堆積在正向清洗的端面上，只能提高清洗濃度或者增加清洗次數(shù)來保證清洗合格，這種清洗方式清洗耗時長、效率低、清洗化學品耗量大。針對顆粒UHT 清洗難題，我們開發(fā)了一種UHT 反向清洗新工藝（圖十），系統(tǒng)能夠通過閥門開關組合，自動的實現(xiàn)正反向清洗切換，避免了CIP 清洗的盲區(qū)，減少了清洗過程中的人為干預，能提高清洗質量，減少清洗過程中的重復性，清洗效果有保障，減少了生產的人力投入，降低生產操作的困難、勞動成本的同時節(jié)約清洗時間，提高產能，滿足顆粒生產線清洗標準需求。

圖十一

2.2.5 顆粒UHT殺菌控溫精度的難題攻克UHT 滅菌技術對含有顆粒飲品采用132 ～137℃超高溫滅菌處理，主要的難題是對顆粒產品的中心是否滅菌徹底，也就是確保滅菌段滅菌溫度精準控制，設備在最優(yōu)的狀態(tài)下能做到±1℃，才能確保通過UHT 滅菌工藝后可以完全破壞顆粒和料液中可生長的微生物和芽孢，確保飲品有效貨架期和安全性。針對這個難題設計出一種“多熱水系統(tǒng)分梯段的升溫方式”（圖十一），將根據(jù)產品特性設置不同溫度下的預殺菌控溫段，例如95 ～100℃在此溫度進行特定時間持溫，做到預滅菌處理，UHT 系統(tǒng)通過PID 控制中的溫度檢測點實時反饋，來調節(jié)加熱系統(tǒng)上的蒸汽比例閥，對預殺菌段熱水進口溫度進行調控，也就是第一次調溫補償。可根據(jù)產品特殊性設置第二次、第三次等等補償控溫點，這樣通過多熱水系統(tǒng)各自調溫，確保恒定溫度的顆粒物料，進入后續(xù)滅菌段換熱器進行最終控溫132 ～137℃殺菌，然后再進入高溫殺菌保持器，通過30 ～60s 或長時間持溫滅菌。這個工藝的優(yōu)勢是采用多熱水系統(tǒng)控溫，預升溫、殺菌段控溫各自為陣，這樣能有效保證系統(tǒng)最終端的穩(wěn)定性，同時多熱水系統(tǒng)每段熱水流量可以進行分類調節(jié)，通過完美匹配還能降低設備運行能耗，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

2.2.6 系統(tǒng)出口背壓裝置造成顆粒破損難題的攻克

為保證殺菌段能升溫至100℃以上的殺菌溫度，就必須給予系統(tǒng)內部特定壓力，料液在常壓環(huán)境下最高只能將溫度升至100℃，有些耐熱微生物和芽孢不一定可以完全消滅，而常規(guī)UHT 系統(tǒng)，通過背壓閥的作用對系統(tǒng)進行加壓，將系統(tǒng)出口壓力維持在2bar 以上，才能有效的將物料溫度提升至132℃甚至更高溫度，那就要更高出口壓力。背壓閥的原理就是通過額定壓力下的氣體對閥內膜片加壓，使閥內閥芯向下，閥芯和閥座間隙縮小，閥腔進口壓力開始加大形成憋壓，當液體側的壓力上升至膜片另外側的額定氣壓時，閥芯會被頂開釋放液體側的多余壓力，將液體側的壓力一直維持一個恒定壓力。但這些各種常規(guī)的背壓閥，在維持系統(tǒng)壓力時，內部閥芯上下調節(jié)過程很容易對料液中的顆粒物造成擠壓破損（圖十二），導致最終產品感官的缺失。

圖十二

對UHT 系統(tǒng)出口背壓的要求，設計出一種特殊的出口加壓系統(tǒng)工藝，根據(jù)產品中顆粒的尺寸大小和配比濃度的要求，在UHT 出口位置設計特殊小口徑管道加壓管，并通過實驗收集到數(shù)據(jù)校核選擇適當?shù)墓艿篱L度。其原理（圖十三）就是通過管道阻尼器進行第一次系統(tǒng)加壓，再配合后端背壓罐，對出口壓力進行二次增壓和調壓補償，最終實現(xiàn)系統(tǒng)出口控壓。

圖十三

2.2.7 系統(tǒng)自循環(huán)造成顆粒破損難題的攻克

含顆粒物料長時間循環(huán)殺菌糜爛問題的解決方案：在超高溫UHT 系統(tǒng)運行過程中，難免會出現(xiàn)各種問題不能持續(xù)生產，導致系統(tǒng)內的物料進入循環(huán)殺菌狀態(tài)，而顆粒物料循環(huán)殺菌又會導致顆粒破損率持續(xù)上升。系統(tǒng)要保證無菌環(huán)境又不能停機等候，一旦停機系統(tǒng)就要重新進行CIP/SIP 工藝，極度浪費生產時間和運行成本。針對含顆粒產品自循環(huán)破損問題，通過工藝優(yōu)化設計（圖十四），配置一套獨立循環(huán)小水罐，利用平衡罐下方T 型出料閥和小水罐連接并設置有截止蝶閥，蝶閥和T 型閥連接距離非常之短，有效減少產品和Ro 水混合損耗。出現(xiàn)特殊情況時，只需將小水罐中Ro 水通過閥門切換直接置換系統(tǒng)內產品物料，同時將系統(tǒng)內含顆粒物料頂入顆粒攪拌平衡罐中暫存，或通過回流閥組切換直接送回前端配比系統(tǒng)罐中暫存，而UHT 系統(tǒng)內一直利用Ro 水代替含顆粒物料持續(xù)循環(huán)，確保系統(tǒng)內無菌環(huán)境正常運行的同時通過置換系統(tǒng)內部介質解決了含顆粒物料長時間循環(huán)導致的產品內顆粒糜爛問題。

另外，設置小水罐的目的是讓系統(tǒng)Ro 水供應UHT循環(huán)時水源壓力更加穩(wěn)定，而如果直接連接Ro 水管道上時供水壓力會隨著其他Ro 水使用點的閥門開閉而波動，最終導致UHT 系統(tǒng)壓力和溫度失控。同時生產前后的料頂水和水頂料排放工藝非常常見，但在頂料過程中，要保證顆粒攪拌平衡罐內物料不能全部讓后端輸送轉子泵給吸走，引起泵抽空導致無菌環(huán)境破壞等風險出現(xiàn)。一般有經驗的調試工程師會將顆粒攪拌平衡罐設置一個最低保護液位，一旦低于保護液位才開始料頂水和水頂料工藝，但往往設置的這個保護液位又成了產品混合損耗的一部分，而通過水罐中Ro 水直接置換系統(tǒng)內產品物料，也可以節(jié)省部分物料。

3 研發(fā)的顆粒UHT 運行數(shù)據(jù)介紹

3.1顆粒 UHT運行數(shù)據(jù)

圖十四

示例，此臺顆粒UHT 處理椰奶飲品物料，含椰果濃度為45%濃度“椰果顆粒”（100 kg 椰奶中含有45 kg 椰果肉），椰果肉顆粒規(guī)格≤5×5×5 mm 正方形顆粒，能做到顆粒和料液混合后一起進行132 ～137℃連續(xù)性超高溫滅菌處理，并在這一溫度下保持殺菌60s 超高溫瞬時滅菌，以完全破壞顆粒和料液中可生長的微生物和芽孢。含顆粒物料通過132℃（圖十五）、135℃（圖十六）、137℃（圖十七）三個不同殺菌溫度后的椰果顆粒物理感官變化數(shù)據(jù)如下。

圖十五

圖十六

圖十七

3.2 顆粒 UHT數(shù)據(jù)推論

通過以上132℃、135℃、137℃各溫度下的滅菌數(shù)據(jù)匯總，建立曲線樣表（圖十八），分析數(shù)據(jù)曲線發(fā)現(xiàn)一個共同特征即隨著物料經過UHT 反復循環(huán)滅菌后，飲品中的果肉顆粒破損率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢；另外從數(shù)據(jù)上看椰果顆粒在UHT 殺菌處理前，送料過程中就已經出現(xiàn)破損現(xiàn)象，再通過UHT 首次殺菌處理過后，破損率上升了一倍以上，而在通過二次循環(huán)殺菌后，破損率還是以接近倍數(shù)率的增長。

圖十八

示例中的此類產品，考慮顆粒破損率，從數(shù)據(jù)上看推薦物料通過132℃一次殺菌處理后應立即供應后端灌裝使用，破損率控制在10%以內，顆粒的物理感官相對較好；其次數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)隨著殺菌溫度設置不斷提高，同一階段的破損率情況在不斷上升，而在137℃殺菌條件下，首次殺菌出口顆粒破損率就已經接近13%，所以一旦使用137℃及以上殺菌溫度時，不推薦含顆粒物料反復殺菌，建議一次處理立即灌裝使用。當然根據(jù)產品特殊性質，以上數(shù)據(jù)也僅供示例顆粒產品參考。

4 總結

綜合目前在飲料行業(yè)內含果肉顆粒飲品較為普遍的滅菌方式的普遍缺點，而進行各項難題攻克，在顆粒UHT 項目的研發(fā)前期，完全有必要對特定顆粒產品進行大量的測試、研究和實驗數(shù)據(jù)整理分析。為了將超高溫UHT 技術引入到含果肉顆粒飲品，開發(fā)出適合含顆粒及PH 值中性飲品的新型UHT，即做到完全破壞顆粒和料液中可生長的微生物和芽孢，又以最大限度的減小顆粒物在物理、化學及感官上的變化為目標，同時保證設備運行參數(shù)的精準控制，提供可靠、統(tǒng)一的產品處理，來確保生產線的產品質量?？梢哉fUHT 滅菌技術工藝上也實現(xiàn)了新的突破，將成為中國飲料行業(yè)生產技術進步的典范，提升我國飲料設備的地位，開拓國內外市場。