1、巴氏杀菌的能量守恒与物料消耗 福建省燕京惠泉啤酒股份有限公司 马胜平 【 摘 要 】 通过对巴氏杀菌过程的温度 变化进行 分析， 依据能量守恒原理 寻找到杀菌机的 特定运行参数，从而制定 最佳控制方案，以控制蒸汽和水的消耗。 【 关键词 】 巴氏杀菌 蒸汽 水 消耗 巴氏杀菌法及其在啤酒行业中应用的巴氏杀菌机，已经有很多年的使用历史了，但在实际调试与生产中发现还有很多人对其使用与过程控制的原理性问题存在认识不足甚至是认识偏差。本文就此谈谈自己的一些实践经验。 作为对巴氏杀菌的工艺质量上的要求，第一必须保证能够提供足 够的杀菌强度以保证啤酒的生物稳定性；第二，必须保证杀菌冷却后的酒温达到一个比较
2、低的水平，以保证在装箱（纸箱）后不会因为高温贮藏而引起酒体风味的严重影响； 进而我们在满足上述两方面的质量要求下尽量解决两个问题，第一是降低杀菌过程爆瓶的发生率低，从而降低酒损和瓶盖损，并减少循环水的污染量 （循环用水的污染会造成黏泥的生成，从而对设备卫生与工艺控制造成困难） ；第二是降低杀菌过程循环用水和加热蒸汽的消耗量，达到成本的最小化。 这两方面问题的解决首先就要求从设备选型上入手，其次需要对过程控制工艺的温度值作出科学的设定。 以我司新安装的一台易拉罐线巴氏杀菌机为例。 如图一所示。 工艺流程图 进瓶 自来水 第一温区 第二温区 第三温区 第四温区 喷淋 加热 第五温区 第六温区 蒸汽
3、供应 出瓶 图一 工艺流程图 在安装后的调试过程中，对整个设备的运行及工艺质量情况进行了跟踪，发现存在几个比较突出的问题。第一，出瓶酒温度过高，基本维持在 39以上，个别甚至 达到 40 以上，超出工艺控制的要求 38，远远超出我们实际的控制水平 37，不能达到贮藏期内风味保持的要求。第二，运行时间不稳定，实际测算出的运行时间在 32 分钟与 25 分钟之间波动（无停顿情况下），严重影响杀菌强度的控制， PU 计的检测结果也在 12与 25 之间波动。第三，在安装水表对用水量进行统计的情况下，调试阶段生产 100 多吨酒的耗水量达到 1700 吨，即使排除掉停机期间的大量补水，也存在耗水量超高
4、的问题。 在对整个设备结构及其运行控制程序进行分析后发现，第一，原本要求提供的 8 温区结构变成了 6 温区结构；第二，第五温区采用的是蒸汽直通式加热而不是通常采用的蒸汽加热器进行换热，导致温度控制时效性不强。第三，喷嘴采用的是方格槽形式，而不是现在常用的直角旋转喷淋形式，虽然可以避免 直角喷嘴易堵和易脱落的问题，但不可避免地产生的一个严重问题是喷 淋出的水不能够形成均匀的水幕，而是成水柱状，采用间隔式安装方式可以减轻一些传热不均匀情况，但总存在不同区位杀菌强度的不均匀，对杀菌效果的控制不利。第四，各温区温度的设定值不合理，片面地以玻璃瓶包装的杀菌程序进行套用，没有考虑整个升温杀菌和冷却过程中
5、的能量守恒问题，也没有注意易拉罐铝制罐体材料和形状的差别（形状差别的影响本人在另外一文中有详细论述），将 高热区 第三温区温度设置为66、 第四温区温度设置为 62、 第一六温区温度设置为 36和 35、第二五温区设置同设置为 50。 对于结构上存在的问题在这不予讨 论，只对运行程序控制进行重点分析。 在此之前对运行时间进行了确认。 30000 瓶 /小时的灌装系统，按经验需要将杀菌机的配套生产 能力提升 10%达到 33000 瓶 /小时 （生产能力偏低即运行速度较慢时容易在运行不顺畅时造成雍堵，而生产能力偏大即运行速度较快时容易造成机内罐分布不均匀而且在杀菌机出口形成对罐的挤压变形） ，再
6、加上对 输罐链条在进行 上下 分 层 时 分布不均匀情况 （上下层的进罐数量约为 2： 3，进一步调整后还能够提高运行效率 ） 的考虑， 下层在实际运行时要达到 19800 罐 /小时的能力。对杀菌机 的机内尺寸进行统计并计算得出满罐量约为 9500罐，而要满足基本生产能力需要的话时间应调整为 29 分钟，在对主传动轴直径和变频频率进行计算调整的情况下最终将运行时间设置为 31 分钟，即生产能力控制在 30600 罐 /小时，考察生产线的实际运行情况，在线效率维持在 92%左右时，基本能够满足生产需要。 在此前提下，各温区的近似运行时间分别为第一六温区 4.4 分钟、第二五温区 3.4 分钟、
7、第三温区6.7 分钟、第四温 区 8.7 分钟。 接着对整个巴氏杀菌的热传递过程进行分析。首先需要确定的一个基本认识是 ，如果 以杀菌机作为一个整体考察， 物质进入的有清酒（含瓶）、冷水和蒸汽，物质输出的有成品酒（含瓶）、溢流温水和冷凝水。不考虑热量的 机体 辐射和水汽的蒸发，则各进出物质间的能量传递将达到守恒。即从理论上讲出瓶酒温只与蒸汽的消耗和进瓶酒温有关。 低温酒液通过加热杀菌和冷却过程后成为常温酒液，而依据能量守恒定律，酒液只存在热能增加情况，则整个过程从理论上讲只需要热量的提供就可以了，而水只是作为一个媒介物来进行热能的传导 ，它的消耗水平只与整台设备的运行效率与维护控制水平有关部门
8、即是否能够在最快速情况达到一个稳定的温度平衡状态，并且生产过程流畅。而蒸汽的 热能消耗则与冷凝水的温度控制有关即换热器的工作效率 。 再从各温区的功能来考虑，实际 有三个半温区在进行升温过程，半个温区在保温，两个温区在降温。即约有升温时间 18.5 分钟、保温时间 4.7 分钟和降温时间 7.8 分钟，升温时间与降温时间的比例为 2.37。易拉罐酒液温度在灌装时约为 4，进入杀菌前运行约 3 分钟，提升的温度在 24之间，以提升 4在进入杀菌机时达到 8左右计算，如果将高热 区温度设定到 66、第二温区温度设定到 50，则整个升温过程的速度将会非常迅速，在高热区结束之前酒温就已经达到了该温区设
9、置温度，进而 不是发挥升温作用而是直接进行高温杀菌了，而保温区只是在做初步的降温作用。这样一来不仅浪费蒸汽还会造成酒体的严重破坏，并在后续降温过程中无法将酒液温度降到我们需要的水平 ，影响贮藏风味 。 因此我们通过一系列的实验来对各个温区的温度设定值进行确立。 首先，初步确定 实验过程中各 温区的温度。考虑到酒液温度在保温区中后部时会与水温达到一致，因此将其设定为 61，然后依据出瓶酒温 （ 35以下） 要求 ，两个温区的降温幅度要达到 26即每个温区都要下降 13左右，则可将第 5 温区温度设定为 47 （在此温区结束时酒水温差一般在 1 左右） 、第 6 稳区温度设定为 33 。 第 5
10、温区的喷淋水是经过第 2 温区喷淋时对低温度酒液进行加热而本身被冷却后被泵送过来的水， 而第 2 温区的喷淋水是经过第 5 温区喷淋时对高温度酒液进行冷却而本身被加热后被泵送过来的水， 二者有一个相对固定的差值， 620 毫升玻璃瓶装酒的该差值在 1.5左右，考虑到铝罐的导热性能较好而将易拉罐杀菌机对应温区间的水温差值假定 在 1左右，因此 对应着将第 2 温区温度设定为 48、第 6 稳区温度设定为 34 。 高热区的温度先参照同容量玻璃瓶装线的设定温度64。 然后进罐开始生产试验。 在生产一小时各温区 温度基本稳定后，观察第五温区水槽加热管上自动控制阀门的开启状况，发现基本不存在阀门打开的
11、情况，而同时第二温区水槽的补水阀门存在有不定期打开情况，说明温度的设置影响了杀菌机运行的 能量 平衡 ，将补水阀门手动关闭后可以看到第二温区的温度基本稳定在 47.2左右，说明在经过上下两层喷淋换热后温度下降值为 0.8而不是前面估计的 1.0。因此可以将第五温区的水温设置为47.5，这样一来就可以在保证温度基本稳定的同时还降低了蒸汽和水的消耗。同样，我们判断出第六温区的温度值在 33.5比较合理。 最后对通过对杀菌 PU 值的 考察和酒液的实际升温情况来确定高热区的水温设定。发现温度设置为 64时，易拉罐中酒液在高热区的中后部位置就已经达到了保温区的温度 61，在后半部分还有一个持续加热升温的过程，并且在保温区的前半部分酒液是在进行冷却，从而导致整个的杀菌强度偏高， PU 值达到 30 个左右。经过一番调整后将高热区温度设置为61.7。 按照新工艺要求的温度设置后，经过一段时间的运行，整个杀菌机的蒸汽和水的消耗达到一个非常低的水平，分别是 110kg/kl（冬季） 和 0.26 吨 /kl。
