徐 鵬

(合肥通用機械研究院,合肥 230031)

工業(yè)化生產(chǎn)級超高壓食品加工裝備若干問題探討

徐 鵬

(合肥通用機械研究院,合肥 230031)

簡要介紹了超高壓食品加工原理和工藝流程,重點對用于規(guī)?；a(chǎn)的大型超高壓食品加工裝備系統(tǒng)若干技術關鍵包括超高壓容器筒體結(jié)構(gòu)、設計方法、裝備系統(tǒng)配置與安全等進行了分析和討論,并且有針對性地提出了設計技術解決方案。

超高壓;食品加工;裝備

1 原理與應用

利用超高壓力 (≥100M Pa)對食品進行等靜壓處理,使其產(chǎn)生酶失活、蛋白質(zhì)變性、淀粉糊化和微生物滅活等物理化學及生物效應,從而達到殺菌和改性的效果[1-2],這種食品加工方法對食品的風味物質(zhì)、維生素、色素等沒有影響,營養(yǎng)成分損失很少,特別適合對熱敏性食品(哈密瓜、西瓜、番茄、蘋果、草莓、黑莓等)、含活性成分高的食品(維生素、益生菌、不飽和脂肪酸、類胡蘿卜素等)和鮮食的高附加值水產(chǎn)品 (海參、龍蝦、牡蠣、金槍魚等)等食品進行處理。

2 超高壓食品加工工藝及裝備構(gòu)成

2.1 超高壓食品加工工藝

根據(jù)固態(tài)食品和液態(tài)食品種類的不同,其加工工藝流程有所區(qū)別(詳見圖 1)。首先是對原料進行前處理,對固體和液體食品用小包裝袋軟包裝,碼放在籃筐中,然后順序放入容器中。對液體食品物料:當以液體物料為工作介質(zhì)時,可將一種或幾種液體物料,同時用泵輸入容器內(nèi);對大包液體的軟包裝,可直接吊進高壓容器中的工藝支架上,選擇工作介質(zhì)并充滿容器。超高壓處理結(jié)束,將固體食品從容器中取出表面干燥后包裝;工作介質(zhì)是液體食品時,用泵注入無菌中間罐,然后進 行真空無菌包裝(可避免二次污染)[3-4]。

圖 1 超高壓食品加工基本工藝流程

2.2 超高壓食品加工裝備系統(tǒng)構(gòu)成

超高壓食品加工裝備系統(tǒng)包括主機 (超高壓容器、管道系統(tǒng)及附屬框架等)、壓力發(fā)生系統(tǒng)(液壓系統(tǒng)和輔助系統(tǒng))、控制系統(tǒng) (電氣及控制系統(tǒng))部分,詳見圖 2。各部分占總造價的比例大致為 50%～60%、30%～35%、10%～15%[5]。對于較小型的裝備系統(tǒng),可采用撬裝模塊式結(jié)構(gòu),將各部分組裝為一體,單機即可實現(xiàn)加壓和參數(shù)控制調(diào)節(jié)等單元操作,控制水平高,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、處理、分析和儲存;其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊,可輕易地進行拆裝和維護;占地小,節(jié)省投資。因此具有操作維護方便、運行費用低和性能穩(wěn)定等優(yōu)點。

圖 2 超高壓食品加工裝備系統(tǒng)構(gòu)成

2.3 主機結(jié)構(gòu)

主機是系統(tǒng)最為重要的部分,其結(jié)構(gòu)型式與系統(tǒng)的壓力來源、所加工處理的原料及其處理方式密切相關。

系統(tǒng)的超高壓力來自于液壓系統(tǒng)。有兩種加壓方式:外部加壓,壓力 100～300M Pa,可采用超高壓泵直接加壓;內(nèi)部加壓,當壓力≥300M Pa,一般采用增壓器來產(chǎn)生超高壓。

根據(jù)所加工處理的食品原料固、液態(tài)不同,超高壓容器按照開啟與否,分為開啟式和封閉式。而根據(jù)液壓裝置與超高壓容器連接形式又分為分體式和整體式,前者是通過增壓器將超高壓力輸入密閉的超高壓容器內(nèi),后者則是將超高壓容器頂蓋作為增壓活塞直接加壓(如圖 3所示)。

(a)分體式間接加壓 (b)整體式直接加壓圖 3 超高壓容器加壓方式

整體式直接加壓容器本體結(jié)構(gòu)大,但不需要配置專門的增壓器和超高壓配管,整體性好,還可以杜絕油污染,較適合小型試驗裝置用;分體式間接加壓容器本體結(jié)構(gòu)小,昂貴的超高壓容積利用率高,并且超高壓容器采用靜密封結(jié)構(gòu),密封性好,更適用于大中型生產(chǎn)裝置。

3 大型食品加工生產(chǎn)用超高壓裝備關鍵技術

目前國外超高壓食品加工裝置技術發(fā)展很快,已實現(xiàn)通用型和專用型設備的定型化、標準化及批量化生產(chǎn)。日本 1989年就制造出 30臺超高壓試驗機,居領先水平,已經(jīng)形成超高壓果醬、果汁、米飯及肉制品產(chǎn)業(yè),在市場有很大的影響,而且整條生產(chǎn)線出口韓國、中國及其它地區(qū)。美國、英國等國家早在 1992年就開始生產(chǎn)商品化的超高壓生物處理設備,現(xiàn)能為研究機構(gòu)和工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)提供幾十種設備,壓力可達 900M Pa,但這些設備價格比較昂貴,影響了該項技術的推廣使用[6]。

與國外相比,我國超高壓食品加工工藝和裝備技術研究的差距非常明顯,超高壓技術仍然處在研究階段,沒有一種成熟的超高壓加工食品推向市場。原因之一是受到試驗及生產(chǎn)設備的限制,國外設備價格昂貴,而國內(nèi)科研人員自行設計、組裝的簡易試驗設備,在系統(tǒng)設計、設備選型、制造質(zhì)量、使用維護上均有不足之處,難以理想地滿足試驗要求。目前國內(nèi)也有 2～3家企業(yè)生產(chǎn)超高壓食品加工設備,但其規(guī)模、產(chǎn)量都不大,產(chǎn)品主要用于研究試驗。至今沒有一種定型的超高壓加工設備產(chǎn)品可用于食品規(guī)?；a(chǎn)。

目前在全球范圍內(nèi),食品的安全問題日益突出,消費者要求無害、營養(yǎng)、原汁原味的食品呼聲越來越高。超高壓加工技術能滿足這一需求,不僅能保證食品中微生物方面的安全性,還能較好地保持食品固有的營養(yǎng)品質(zhì)、質(zhì)構(gòu)、風味、色澤、新鮮度,顯示出巨大的商業(yè)價值。隨著我國人民生活水平的提高,健康綠色食品越來越被大眾接受,超高壓食品產(chǎn)業(yè)化與裝備的大型化已成為食品研究領域與加工行業(yè)的必然趨勢。有專家建議,“十二五”期間我國應重點開發(fā)工業(yè)化應用的超高壓食品加工裝備,建設萬噸級果蔬汁超高壓殺菌示范生產(chǎn)線,其裝備規(guī)模要達到:

(1)單機超高壓裝備,最高承壓 600M Pa、容量 500 L以上;

(2)連續(xù)化超高壓裝備,最高承壓 400M Pa以上,單機流量 2L/m in以上。

從商業(yè)利益的角度看,大型超高壓裝備要盡可能滿足有效容積大、外形尺寸小、重量輕、造價低的要求,同時還要求安全可靠、性能穩(wěn)定。因此對裝備系統(tǒng)各組成部分都應進行有針對性的研究與分析。

3.1 超高壓容器

(1)筒體結(jié)構(gòu)型式

超高壓容器筒體結(jié)構(gòu)包括單層厚壁筒體、雙層或多層筒體、繞絲式筒體及層間充壓式筒體等型式,多層容器的承載能力和安全性優(yōu)于同樣參數(shù)的單層容器。筒體結(jié)構(gòu)的選擇至關重要,結(jié)構(gòu)型式不同,則受力狀態(tài)與制造難易不同,決定了大型超高壓容器的經(jīng)濟合理性與安全可靠性。對于較小型試驗用超高壓容器,多選擇雙層筒體結(jié)構(gòu),內(nèi)筒采用不銹鋼,外筒采用高強度結(jié)構(gòu)鋼,利用裝配套合時內(nèi)外筒之間的過盈產(chǎn)生預應力,使筒壁的應力分布比較均勻,從而提高了容器的強度。

超高壓容器的大型化將使重量急劇增加。如承壓 600M Pa、長徑比為 2的超高壓容器,容積200 L,重量 100 t,當容積為 300 L時,重量將超過150 t。將熱套與繞絲兩種筒體結(jié)構(gòu)容積與重量進行對比,長徑比為 2,最高承壓 400 M Pa,容積100 L的熱套結(jié)構(gòu),容器重量為 29 t;同樣容積的繞絲結(jié)構(gòu),容器重量只有 9 t,不到前者的三分之一;如果繞絲結(jié)構(gòu)的容器重量也為 29 t,則其容積增至 315 L,超過同樣重量熱套結(jié)構(gòu)容積的 2倍[7]。再如前述的研究目標,最高承壓 600M Pa、容量500 L的超高壓容器按照長徑比2,內(nèi)徑達到700mm、凈高度 1400mm,如果采用單層或熱套等多層結(jié)構(gòu),將面臨著設計、材料和制造等諸多方面難題。所以對于這樣規(guī)模的大型超高壓容器采用繞絲結(jié)構(gòu)是比較理想的選擇。

繞絲筒體是一種綜合性能較好的預應力式組合結(jié)構(gòu)承壓筒體,它是在內(nèi)筒外壁纏繞多層扁形鋼帶(或圓形鋼絲)制成,相同條件下繞絲容器的最大承載能力比整體容器提高 2倍。因食品衛(wèi)生要求,內(nèi)筒采用不銹鋼,纏繞于內(nèi)筒外壁的鋼絲可用普通高強鋼,重量輕,外形尺寸小;受力情況良好,纏繞應力易于控制、承載能力高,整體應力分布均勻;軸向載荷可由框架承受,內(nèi)筒僅受雙向應力,鋼絲產(chǎn)生的預應力使內(nèi)筒處于壓應力狀態(tài)下工作,抗疲勞強度高;結(jié)構(gòu)具有自保護能力,即使內(nèi)筒發(fā)生爆破,外層鋼絲也不會斷裂,使用安全可靠。

筒體結(jié)構(gòu)型式的選擇最終還是要根據(jù)超高壓食品加工工藝、原材料來源、經(jīng)濟合理性以及制造廠能力等多方面因素來確定。

(2)設計方法與依據(jù)

國際上關于超高壓容器設計規(guī)范有美國ASM EⅧ-3“高壓容器建造的另一規(guī)程”,適用于包括 69M Pa(10000psi)壓力以上的高壓容器的設計要求,對其設計壓力的上限沒有規(guī)定;日本HPIS-C-103“超高壓圓筒容器設計指針”,適用范圍為 100～1000M Pa的壓力容器。為了保證安全運行,防止和減少事故,我國國家質(zhì)檢總局于2005年 11月頒布了 TSG R0002-2005《超高壓容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》,對超高壓容器 (≥100M Pa)的材料、設計、制造、使用、管理、檢驗和安全附件等問題,提出了明確的要求和規(guī)定,作為對超高壓容器安全監(jiān)察和檢驗的依據(jù)。但是我國至今仍沒有適用于超高壓容器設計、制造和檢驗方面的國家標準。

超高壓食品加工為間歇操作,加工時間一般不超過半小時,需要不斷地進行升壓—保壓—卸壓循環(huán)操作來完成連續(xù)化生產(chǎn)。按照 10年左右的設計壽命,循環(huán)次數(shù)約為 104～106次,因此在超高壓容器設計時應當進行疲勞強度分析。

繞絲式容器的設計計算內(nèi)容主要包括纏繞層及內(nèi)筒外徑確定、鋼絲預緊應力計算、內(nèi)筒穩(wěn)定性校核、容器器壁應力分布及鋼絲疲勞強度校核等[8]。由于超高壓食品加工容器的內(nèi)筒及鋼絲材料如不銹鋼和 65M n的屈強比較高,其失效多屬剪切破壞,故鋼絲纏繞采用等剪應力纏繞法,其內(nèi)筒壁厚最小。采用的設計原則為“不允許內(nèi)筒上出現(xiàn)拉應力”,因此內(nèi)筒具有無限疲勞壽命。而纏繞鋼絲承受交變拉應力,所以容器的疲勞壽命完全由繞絲層的疲勞強度決定。該設計原則的目的是為了提高容器的抗疲勞能力,但在過程計算中并沒有對內(nèi)筒及纏繞層尺寸確定、應力計算等進行充分地疲勞分析,只是對纏繞鋼絲進行了疲勞強度校核,容易造成容器疲勞壽命不足或過剩,在設計計算時應予以考慮。

關于疲勞設計方法,美國ASM EⅧ-2“壓力容器另一規(guī)程”及我國 JB 4732-1995《鋼制壓力容器 -分析設計標準》均按照安全壽命設計準則和先漏后爆失效模式,采用以最大主應力差為定義的應力幅度,在和使用材料疲勞設計曲線相對比的基礎上進行疲勞設計。具體可按照規(guī)范上分析計算方法與原則進行設計分析,也可以采用有限元或?qū)嶒灧椒ㄟM行分析。

特別需要指出的是,通過對國內(nèi)外超高壓容器的典型破壞事例分析不難發(fā)現(xiàn),發(fā)生破壞的原因包括結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、設計、制造和使用等多方面。所以應采用基于風險與壽命的設計(RBD)方法,就是在設計壽命(預定的使用壽命)內(nèi),考慮全壽命過程中動態(tài)服役條件下可能出現(xiàn)的各種失效模式和損傷機理產(chǎn)生的風險對容器安全性與壽命的影響,通過合理選材、改進結(jié)構(gòu)設計,優(yōu)化制造工藝等措施,在設計、制造早期控制和降低容器在全壽命過程中的風險,并結(jié)合從工藝流程及裝備系統(tǒng)上采取的其他保障措施,使其安全服役到預定的設計壽命。這樣既避免了容器因設計制造要求不足導致在使用過程中發(fā)生突然失效或者過早失效,也沒有因要求過高造成不必要浪費,對保證超高壓容器在設計壽命內(nèi)的長周期安全使用意義重大[9]。

3.2 超高壓泵與液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)由高壓泵、增壓器或超高壓泵和管道、控制閥等組成 (圖 2)。超高壓泵與增壓器是超高壓發(fā)生設備的 2種形式,超高壓泵采用軸向柱塞泵或徑向柱塞泵;增壓器的特點是低壓控制、相對結(jié)構(gòu)較為復雜。

與試驗室較短時間試驗不同,生產(chǎn)設備需要長時間連續(xù)工作,各部件在反復、頻繁的高壓沖擊下容易出現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)熱、效率降低、故障率增加等一些問題,降低設備的可靠性和減少使用壽命;而且大型裝備液壓系統(tǒng)有關元件 (如柱塞、各閥件和管道等)口徑尺寸也相應增大,加大了密封難度。超高壓密封件的壽命大致為 200h,其失效多是由于磨損造成,壓力越高、密封壽命越短。這些問題在設計時都應予以重視。

(1)超高壓泵包括增壓器的柱塞和缸體之間采用間隙密封,間隙小、加工精度高,工作狀態(tài)下運動副之間磨損及油液的清潔度和溫度都是影響正常工作的重要因素,容易造成密封破壞導致泄漏[10]。

(2)超高壓系統(tǒng)配置的各類超高壓控制閥門及儀表,與常規(guī)高壓閥門和儀表相比,密封難度更大,對使用環(huán)境要求更嚴格,故障率也相應更高。

(3)循環(huán)升降壓操作導致卸壓閥受到超高壓力液流頻繁沖擊、磨損極易損壞,密封失效。采用氣動可控卸壓閥加阻尼作為超高壓卸壓組件或設置無級調(diào)速卸壓閥組實現(xiàn)多級卸壓組合,可控制卸壓速率,有效地減小超高壓卸壓液流沖擊,使用壽命長,可靠性高,滿足不同食品加工工藝的需要。

3.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要有兩個功能,其一,控制系統(tǒng)內(nèi)所有部件的運轉(zhuǎn)和動作,包括泵的啟停,換向閥的換向,壓力的調(diào)節(jié),超壓的保護和報警等;其二,操作數(shù)據(jù)的輸入、顯示、采集、記錄和輸出,包括時間、壓力、壓力 -時間曲線等。

控制系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)作為主控制元件。它減少了系統(tǒng)中電線電纜的接頭數(shù)量,增加了系統(tǒng)的可靠性;而且使用 PLC,更改控制功能時僅需要更改控制程序即可,不需要更改系統(tǒng)的硬件和接線?？刂葡到y(tǒng)使用計算機作為主控機,系統(tǒng)的啟動、停止、運轉(zhuǎn)和報警等均可直接通過鼠標點擊顯示器上顯示的控制按鈕或根據(jù)需要直接點擊觸摸屏上的系統(tǒng)控制元件來完成操作。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制參數(shù)設置部分均采用模塊化編程方式來實現(xiàn),由系統(tǒng)控制軟件直接讀取用戶通過普通編輯軟件自行生成的參數(shù)文件來實現(xiàn)壓力、時間、數(shù)據(jù)采集的要求等各種參數(shù)的設置。

3.4 系統(tǒng)安全設計

操作工況下,包括液壓系統(tǒng)在內(nèi)所有過流部件均處在高壓或超高壓蓄能狀態(tài),一旦發(fā)生破壞,后果要比一般壓力容器嚴重得多,而且一般食品加工企業(yè)對于超高壓設備管理水平也相對比較低。為確保整個裝備系統(tǒng)操作的安全性,在對每一部分功能設計時,還必須考慮其安全性,即所謂系統(tǒng)的安全設計。

(1)超高壓容器運行安全監(jiān)測裝置。如在大型繞絲容器筒體外部保護薄殼上裝設在線安全狀態(tài)監(jiān)控裝置,一旦內(nèi)筒發(fā)生泄漏,該裝置能即時自動報警和泄壓,防止造成更嚴重后果。

(2)安全保護屏障。在超高壓工作區(qū)域如容器、超高壓泵或增壓器、管道等處設置安全防護罩,以免泄露時造成傷害,以確保操作人員的人身安全。

(3)超壓保護。在液壓系統(tǒng)通過溢流閥和調(diào)壓閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作壓力,以及在超高壓管道上設置超高壓安全閥,避免系統(tǒng)因非正常工況造成超壓導致危險。此外其它控制閥也應設計自鎖機構(gòu),以防止誤操作或設備的意外動作。

(4)采用集成回路。液壓系統(tǒng)采用集成閥塊,除了具有液壓閥本身功能外,還兼起介質(zhì)通道的作用;超高壓回路采用液壓回路塊。優(yōu)點是最大限度地縮短管路長度和減少泄漏通道,各接口尺寸統(tǒng)一,也便于更換及維修。

4 結(jié)束語

超高壓裝備技術在我國應用范圍非常廣泛,包括石油化工、等靜壓、粉末冶金和金屬擠壓成型等,對其研究比較深入,也具備相當?shù)募夹g基礎。通過食品工藝、壓力容器、液壓與控制等多專業(yè)協(xié)作攻關,相信在不久的將來,必然會開發(fā)出具有我國自主知識產(chǎn)權的超高壓食品規(guī)?；庸ぱb備。

除文中提到的部分關鍵技術外,建議在以下幾個方面開展研究:

(1)有針對性地研發(fā)適應超高壓食品加工需要的新型超高壓容器結(jié)構(gòu),滿足容器有效容積大型化,外體積小型化,重量輕型化的要求,以降低設備投資,提高效益。

(2)超高壓食品加工為間隙操作,食品進出容器的速度對生產(chǎn)效率的影響至關重要,所以需要密封可靠的快開門結(jié)構(gòu);傳統(tǒng)的超高壓密封結(jié)構(gòu)拆裝相當困難,勞動強度大,難以適應生產(chǎn)需求。因此需對新型超高壓容器快開門結(jié)構(gòu)進行研發(fā),要求拆裝快捷、密封可靠、能實現(xiàn)連鎖和自動報警。

(3)制定超高壓容器國家標準,對相關技術內(nèi)容提出更為詳盡的規(guī)定,進一步指導和規(guī)范超高壓容器的設計制造。

[1]趙立川,唐玉德,祁振強,等.超高壓食品加工及其裝置[J].河北工業(yè)科技,2002,19(2):21-28.

[2]梁彥,趙鵬.高壓技術及其在食品加工中的應用[J].包裝與食品機械,2004(1):40-44.

[3]肖慶升,朱勉學.國內(nèi)外食品超高壓加工技術 [J].食品研究與開發(fā),2004,25(1):22-28.

[4]夏遠景,薄純智,張勝勇,等.超高壓食品處理技術[J],食品與藥品,2006,8(02A):62-67.

[5]賈培起.超高壓實驗機及生產(chǎn)設備的選型[J].食品研究與開發(fā),2005,26(2):151-155.

[6]陸怡,顏惠庚,沈士明,等.超高壓生物處理技術及裝備研究進展[J].食品與機械,2007,23(5):109-111.

[7]彭超英,曾慶孝,陳柏暖,等.食品超高壓處理容器的發(fā)展[J].中國機械工程,1996,7(4):54-55.

[8]陳國理.超高壓容器設計[M].北京:化學工業(yè)出版社,1997.

[9]陳學東,王冰,艾志斌,等.以風險與壽命為基準的承壓設備設計與制造[J].壓力容器,2007,24(10):1-5.

[10]毛智勇.超高壓鋼筋擠壓連接機液壓系統(tǒng)改進研究[J].液壓與氣動,2001(4):6-8.

D iscussion on Som e Prob lem sabou t Industr ia l-sca le Super-h igh Pressure Food Processing Equ ipm en t

XU Peng
(HefeiGeneralM achinery Research Institute,Hefei230031,China)

By briefly introducing the p rincip le and technical flow of super-high p ressure food p rocessing, this paper is particu larly em phasized on the analysis and d iscussion of the key technical issues of large-scale super-high p ressure food p rocessing equipm ent form assm anufacturing,this issues inc luding the shell structure of super-high p ressure,designm ethod,equipm ent configuration and it’s safety.The paper has also p rovided pertinent technical so lutions.

super-high p ressure;food p rocessing;equipm ent

2010-10-12;

2010-10-20

徐鵬(1968-),男,博士,研究員,主要從事化工裝備的科研、產(chǎn)品開發(fā)。通訊地址:230088合肥市高新區(qū)天湖路29號通用機械研究院,E-m ail:xum ixu@163.com。

TS203;TS205.9

A

1005-1295(2010)06-0054-05

do i:10.3969/j.issn.1005-1295.2010.06.013