罐頭滅菌鍋控制裝置現(xiàn)狀分析及自動控制裝置的研究

張武蓉

?

罐頭滅菌鍋控制裝置現(xiàn)狀分析及自動控制裝置的研究

張武蓉

（漳州市計(jì)量所，福建 漳州 363000）

本文針對目前國內(nèi)罐頭滅菌鍋控制裝置自動化程度較低,從而引起罐頭在恒溫殺菌階段溫度差異過大，以至于罐頭殺菌結(jié)束后，罐頭內(nèi)容物鮮味、口味的散失、品質(zhì)的不良.據(jù)此現(xiàn)狀，通過深入分析罐頭殺菌所應(yīng)達(dá)到的條件，設(shè)計(jì)了罐頭滅菌鍋?zhàn)詣涌刂蒲b置系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以全面、實(shí)時對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動記錄，實(shí)現(xiàn)罐頭滅菌鍋控制裝置自動化。

罐頭滅菌鍋；控制裝置；自動化

1 引言

食品是人類最直接、最重要的消費(fèi)品，關(guān)系到人類的生存和健康。食品質(zhì)量安全技術(shù)狀況是一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和人民生活質(zhì)量的重要標(biāo)志，食品質(zhì)量安全已成為全球關(guān)注的重點(diǎn)之一，也是食品加工企業(yè)今后能否永續(xù)經(jīng)營的關(guān)鍵。

罐頭食品是保藏原理為“密封殺菌，達(dá)到商業(yè)無菌要求，不需要也不允許加入任何防腐劑的一類食品”。傳統(tǒng)的罐頭食品殺菌方法為熱力殺菌，熱殺菌法雖然能保證食品在微生物方面的安全，但熱能會破壞對熱敏感的營養(yǎng)成分，影響食品的質(zhì)構(gòu)、色澤和風(fēng)味。目前，熱殺菌技術(shù)的主要研究動向是熱殺菌條件的最優(yōu)化和熱殺菌設(shè)備。熱殺菌條件的最優(yōu)化就是協(xié)調(diào)熱殺菌的溫度-時間（T-t）條件，使熱殺菌的效果達(dá)到商業(yè)無菌的同時能最大程度保持食品本身營養(yǎng)成分。熱力殺菌設(shè)備的熱分布和加工產(chǎn)品的熱穿透情況是確保產(chǎn)品安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以研究一套切實(shí)可行的罐頭滅菌鍋?zhàn)詣涌刂蒲b置才是保證罐頭品質(zhì)的關(guān)鍵。

2 罐頭滅菌鍋控制裝置現(xiàn)狀分析

（一）國外罐頭滅菌鍋控制裝置現(xiàn)狀分析

自從1852年發(fā)明了高壓蒸汽鍋完成熱力殺菌，這就成為了科學(xué)殺菌年代的開始。經(jīng)過十年探索，1862年法國巴斯德實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)證實(shí)，密封罐裝食品在高壓蒸汽鍋內(nèi)經(jīng)過一段時間的溫度壓力狀態(tài)下，罐裝食品的活性酶和有害微生物會失去生命力、基本可以達(dá)到商業(yè)無菌的條件。罐頭商業(yè)性批量生產(chǎn)的熱力殺菌，在很長一段時間內(nèi)都沒有一個較好的解決方案。直到50年代美國罐頭食品協(xié)會會員、美國泰勒公司生產(chǎn)出一套溫度壓力自動記錄，自動控制的設(shè)備，該套設(shè)備基本可以滿足罐頭熱力殺菌的需要。我國有一些大型食品罐頭企業(yè)進(jìn)口了一批泰勒公司的產(chǎn)品，我省紫山集團(tuán)曾進(jìn)口了三套設(shè)備，但因?yàn)樵撎自O(shè)備約在15萬美元左右，而且維護(hù)成本很高，所以該套設(shè)備很難在我國得到普及。

（二）國內(nèi)罐頭滅菌鍋控制裝置現(xiàn)狀分析

目前我國許多企業(yè)的殺菌設(shè)備較為陳舊，安裝不規(guī)范，控制系統(tǒng)落后，未進(jìn)行定期驗(yàn)證。我國傳統(tǒng)的罐頭殺菌工藝，是通過安裝在殺菌鍋上的一支普通熱電偶作為溫度傳感器，通過感受溫度的變化將溫度訊號轉(zhuǎn)換成mV信號給顯示儀表，然后再通過人工開關(guān)蒸汽閥來調(diào)節(jié)溫度，這樣的操作方式有許多無法克服的問題。

1.儀表顯示的溫度反應(yīng)遲鈍，人工操作動作滯后、鍋內(nèi)的實(shí)際溫度和水銀溫度計(jì)的溫度及溫度記錄儀記錄的溫度往往不一致，而工藝技術(shù)要求在恒溫滅菌關(guān)鍵階段，鍋內(nèi)的實(shí)際溫度、水銀溫度計(jì)的溫度、記錄儀的溫度，顯示儀表的讀數(shù)必須一致，而傳統(tǒng)的殺菌設(shè)備是無法滿足這個要求的。

2. 排氣時間的隨意性大，在還沒排空冷氣時就進(jìn)入繼續(xù)升溫階段可能導(dǎo)致冷氣團(tuán)的形成，達(dá)不到殺菌的要求。[2]

3.恒溫殺菌溫度漂移大、因?yàn)椴捎萌斯な謩涌刂普羝y門，很難準(zhǔn)確地定位蒸汽應(yīng)進(jìn)入殺菌鍋的多少，不能保證殺菌鍋的恒定溫度更無法在殺菌鍋內(nèi)溫度產(chǎn)生變化的第一時間去改變調(diào)整溫度，不可能達(dá)到理想的控制效果。

4.不符合國家節(jié)能減排的環(huán)保政策，由于人工操作會產(chǎn)生人為的錯誤判斷而造成一些錯誤動作，而導(dǎo)致蒸汽不必要的浪費(fèi)。

5．使用大量人工成本，傳統(tǒng)殺菌工序要求每口殺菌鍋須配備一名殺菌操作工，而且培養(yǎng)一名能夠獨(dú)立操作的殺菌工要一年以上。

由于以上問題的存在，即導(dǎo)致罐頭殺菌期間溫度過高或過低、溫度波動過大、殺菌時間過長或過短、壓力不穩(wěn)定等原因就容易引起罐頭內(nèi)容物鮮味、口味的散失，同時還會導(dǎo)致罐頭胖罐等現(xiàn)象。

3 罐頭滅菌鍋?zhàn)詣涌刂蒲b置的研究

目前熱力殺菌技術(shù)的研究主要集中在熱力殺菌條件的最優(yōu)化與新型熱力殺菌設(shè)備的開發(fā)與研究。我們現(xiàn)在研究的是殺菌設(shè)備的控制裝置，研究的目的：①最大程度地保障罐頭食品的安全性；②罐頭營養(yǎng)成份保留的最優(yōu)化；③在確保相應(yīng)的食品安全的殺菌條件下盡可能地減少能源的消耗和人力資源的浪費(fèi)。

（一）罐頭滅菌鍋控自動制裝置的功能設(shè)計(jì)

因?yàn)楣揞^在高溫殺菌時需進(jìn)行恒溫殺菌，而恒溫殺菌階段溫度差異過大，會引起在罐頭殺菌結(jié)束后，罐頭內(nèi)容物鮮味、口味的散失、品質(zhì)的不良。熱殺菌條件的最優(yōu)化就是協(xié)調(diào)熱殺菌的溫度-時間（T-t）條件，使熱殺菌的效果達(dá)到最大程度保持食品本身營養(yǎng)成分與風(fēng)味的作用。每一階段殺菌溫度的高低和時間的長短，均取決于食品的種類。所以所研究的自動控制裝置必須完成以下功能。

1.罐頭殺菌鍋排氣、升溫、恒溫自動控制裝置開機(jī)后儀器自動進(jìn)入排氣升溫，待排氣時間到，排氣截止閥自動關(guān)閉，排氣升溫過沖量不超過給定值±0.5℃，升溫到恒溫階段過沖量不超過給定值±0.5℃，恒溫階段溫度記錄不超過給定值±0.5℃。汽殺恒溫記錄不超過給定值±0.2~0.3℃、水殺恒溫記錄不超過給定值±0.5℃、全過程溫度控制范圍小于給定值±0.5℃。[1] [2]

2.排氣、升溫、恒溫的時間和溫度根據(jù)產(chǎn)品任意可調(diào)。

3.采用自動化程度較高的人工智能程序控制儀，精度高、反應(yīng)速度快的凱裝溫度傳感器，控制儀以4~20mA電流信號傳輸給泄漏量小，靈敏度高的精小型氣動薄膜調(diào)節(jié)閥，使閥門通過電流信號的指令來控制閥門的大小。

4按照品管部門的工藝要求輸入相應(yīng)罐型的技術(shù)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)由該套自控設(shè)備自動執(zhí)行所有指令，精確、可靠地自行運(yùn)轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)一名操作員管理多臺殺菌鍋的運(yùn)行。

5.避免因人工的滯后操作動作而產(chǎn)生蒸汽的浪費(fèi)，從而較好地節(jié)約人工和蒸汽的使用量，對節(jié)能、降耗和節(jié)約人工成本有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

6.價格低廉，其工作性能、技術(shù)水平及穩(wěn)定性能、可操作性也優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。

（二）罐頭滅X菌鍋控制裝置系統(tǒng)的總體研究及功能

1.罐頭滅菌鍋控制裝置系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖

罐頭熱力殺菌過程分四個階段:排氣階段、排氣后的升溫階段、殺菌恒溫階段、冷卻階段。

《罐頭食品安全加工與安全性管理》殺菌操作規(guī)定：開蒸汽，記下實(shí)際開氣時間進(jìn)行排氣，排氣升溫至少1分鐘后關(guān)底部放水閥，此時底部泄氣閥仍是打開的，8分鐘使鍋內(nèi)溫度上升到108℃，如溫度未達(dá)到108℃，可延長排氣時間進(jìn)行排氣，直至溫度達(dá)到108℃才能關(guān)閉排氣閥；時間不到8分鐘，即使溫度已到108℃也不能關(guān)閉排氣閥，這是因?yàn)楣揞^食品的殺菌條件是在純蒸汽加熱條件下確定的，如果排氣不充分，殺菌鍋內(nèi)有空氣，鍋內(nèi)就會出現(xiàn)冷點(diǎn)。排氣結(jié)束，關(guān)閉排氣閥，繼續(xù)升溫，使鍋內(nèi)溫度達(dá)到工藝殺菌溫度，進(jìn)入恒溫階段，殺菌時間、溫度至少應(yīng)和熱力殺菌主管當(dāng)局為完成商業(yè)無菌所制定的殺菌強(qiáng)度相當(dāng)。殺菌結(jié)束進(jìn)行冷卻，冷卻速度應(yīng)根據(jù)罐內(nèi)外壓力相平衡的原理，采取逐步穩(wěn)定降壓操作，既要防止癟聽，又要防止突角，降壓速度應(yīng)根據(jù)罐內(nèi)溫度、冷卻速度靈活掌握，直到罐內(nèi)中心溫度冷卻到40℃.[1] [2]

根據(jù)該規(guī)定，我們設(shè)計(jì)了控制裝置系統(tǒng)如下圖1。

圖1 罐頭滅菌鍋控制裝置系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖

圖2 罐頭滅菌鍋控制裝置系統(tǒng)的工作原理

2.罐頭滅菌鍋控制裝置系統(tǒng)的工作原理：按啟動運(yùn)行：t0～t1，升溫排氣至100℃（時間2 min），t1～t2，（時間6 min）升溫排氣至108℃，關(guān)閉排氣閥，t2～t3，（時間6 min）升溫至127.5℃，t3～t4，（時間17～30 min）恒溫，t4提供開關(guān)信號，同時關(guān)閉主蒸汽閥。T4～t5，分五段，分別5min。第一段，打開空壓氣調(diào)節(jié)閥，將壓力控制到0.16MPa 1min,同時打開冷卻水閥進(jìn)行調(diào)節(jié)冷卻。第二段，0.16 MPa～0.13Mpa,第三段，0.13 MPa～0.1Mpa,第四段，0.11 MPa～0.09Mpa，第五段，0.09 MPa～0.00Mpa，關(guān)閉壓氣閥后，開啟冷卻水閥再進(jìn)行冷卻至40℃左右，關(guān)閉冷卻水閥。報警，工作結(jié)束。程序編輯可按滅菌工藝的要求做任意修改。

3.該系統(tǒng)的特點(diǎn)：人機(jī)界面在線顯示、控制、報警功能。PLC觸摸屏能顯示出當(dāng)前的工作溫度，壓力及工作狀態(tài)，以模擬圖的形式時刻顯示整個滅菌工藝的全過程。

4 罐頭滅菌鍋控制裝置系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

該系統(tǒng)在許多罐頭食品廠如漳州紫山罐頭廠、重慶德佳食品有限公司、成都美迪特飲料公司等進(jìn)行安裝、調(diào)試、使用，整個工作過程系統(tǒng)工作正常，功能完全符合設(shè)計(jì)要求及罐頭食品加工與安全性管理的要求，并由中國檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院綜合檢測中心檢測，殺菌設(shè)備的熱分布、食品的熱穿透等都符合FDA的要求。

[1] SN/T 0400.6-2005 進(jìn)出口罐頭食品檢驗(yàn)規(guī)則第6部分：熱力殺菌[S].中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2005

[2] 罐頭食品安全加工與安全性管理[M].國家質(zhì)檢總局進(jìn)出口食品安全局編制，2001

Current situation analysis and research of Automatic control system withthe control system of Canned food sterilization pot

ZHANG Wu-rong

(Zhangzhou Metrology Institute，Zhangahou 363000,China)

This paper in accordance withthe control system of Canned food sterilization pot what is in low automation situation in our country, thus caused Temperature difference too large when Canned food in stage at constant temperature sterilization, so after sterilization , Canned food＇s flavor loss，quality bad. Accordingly, by deeply analyzing the condition arrived of Canned food sterilization, An Automatic control system of Canned food sterilization pot is desineged,the monitoring data can be recorded in real time and automatically by the system,therefore,the automation of Canned food sterilization pot can be realized.

Canned food sterilization ; the control system ; automation

TS294＋.3

A

1673-1417（2012）03-0039-04

2012－07－12

張武蓉（1969－），女，福建云霄人，高級工程師，學(xué)士。

（責(zé)任編輯：季平）