蒸發(fā)濃縮工藝在嬰幼兒配方乳粉加工中的應(yīng)用

王思宇

黑龍江飛鶴乳業(yè)有限公司，黑龍江齊齊哈爾 164800

0 引言

蒸發(fā)濃縮工藝的使用范圍覆蓋化工、制藥、食品、生物等領(lǐng)域。蒸發(fā)操作的主要目的是濃縮溶液、制取和回收純?nèi)軇胗變号浞饺榉鄣纳a(chǎn)同樣也需要蒸發(fā)濃縮工藝。利用設(shè)備的加熱作用，使原料乳中的水分在其沸點(diǎn)時(shí)汽化，并將汽化產(chǎn)生的二次蒸汽排除，從而使原料乳濃度不斷提高，直至達(dá)到預(yù)定濃度，由于真空時(shí)原料乳的沸點(diǎn)降低，所以蒸發(fā)的過(guò)程一般是抽真空和加熱同時(shí)存在的，又稱(chēng)為真空濃縮，不同的嬰幼兒配方乳粉產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)配方組成不同，在生產(chǎn)過(guò)程中不僅要滿(mǎn)足質(zhì)量、營(yíng)養(yǎng)等成分組成和總能量需求，還要保留營(yíng)養(yǎng)成分的功能性。為此，本文以嬰幼兒配方乳粉的加工為例，重點(diǎn)描述了蒸發(fā)濃縮工藝的原理、流程及重點(diǎn)注意事項(xiàng)。

1 蒸發(fā)濃縮工藝的原理

蒸發(fā)是指使含有不揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液沸騰汽化并移出蒸汽，從而使溶液中溶質(zhì)濃度提高的單元操作，通過(guò)外部加熱使液體達(dá)到沸點(diǎn)，從而將水轉(zhuǎn)化為水蒸氣的過(guò)程，水蒸氣從液體表面逸出，蒸發(fā)速率主要取決于：（1）從加熱表面到液體中的熱傳遞速率；（2）暴露于加熱表面的液體表面積；（3）從液體表面移除水蒸氣的速率。

2 蒸發(fā)濃縮工藝的流程

原料乳在-900 mbar左右環(huán)境下經(jīng)過(guò)50 ℃左右預(yù)熱，再經(jīng)過(guò)一定溫度、一定時(shí)間的殺菌保溫，蒸發(fā)脫去其中一部分水分，形成濃縮乳，從而滿(mǎn)足后續(xù)噴霧干燥所需濃度。具體為：原料乳從儲(chǔ)存罐輸送至平衡缸（A），泵送至預(yù)熱器（B）中預(yù)熱到45~60 ℃，泵送至閃蒸上（C），輸送至DSI蒸汽噴射（D），殺菌后的原料乳經(jīng)過(guò)保溫管（E），通過(guò)背壓閥進(jìn)入閃蒸罐下（F），再離開(kāi)閃蒸下（F）進(jìn)入效體（一效G）頂部，通過(guò)效體分配盤(pán)，分布至列管內(nèi)，形成向下流動(dòng)的薄膜，開(kāi)始蒸發(fā)水分，隨后再依次進(jìn)入效體（二效H）和效體（三效I）依次蒸發(fā)濃縮，當(dāng)達(dá)到噴霧干燥所需濃度后，泵送至濃奶罐，再進(jìn)行噴霧干燥（圖1）。

圖1 蒸發(fā)濃縮工藝的流程

3 設(shè)備工作原理和注意事項(xiàng)

3.1 平衡缸

3.1.1 工作原理

原料乳從儲(chǔ)存罐輸送至平衡缸，即銜接前處理來(lái)料和向蒸發(fā)器供料。作用包括：（1）吸收前處理供料產(chǎn)生的壓力，緩沖供料不穩(wěn)定形成的脈沖；（2）為蒸發(fā)器提供穩(wěn)定的物料輸入；（3）回收蒸發(fā)濃縮階段因殺菌溫度不足或出料密度不足的物料，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

3.1.2 注意事項(xiàng)

平衡缸在工作中需要通過(guò)其內(nèi)的液位調(diào)節(jié)閥控制其中的料液量始終維持在60%的水平，確保料液能夠穩(wěn)定地向蒸發(fā)器供料。如果液位過(guò)低，空氣會(huì)進(jìn)入料液形成泡沫，泡沫進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)會(huì)影響蒸發(fā)效果；如果液位過(guò)高，平衡缸上部物料在平衡缸中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，易造成原料乳菌落總數(shù)升高。

3.2 預(yù)熱器

3.2.1 工作原理

平衡缸中的物料從預(yù)熱器頂部被泵送至預(yù)熱器中，物料管道在預(yù)熱器中以垂直“蛇形”平行排列，形成較大的換熱表面，預(yù)熱器內(nèi)物料的加熱介質(zhì)是由末效氣液分離室分離出來(lái)的二次蒸汽從預(yù)熱器底部進(jìn)入預(yù)熱器，給預(yù)熱器中物料進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱器蒸汽調(diào)節(jié)閥與預(yù)熱溫度相關(guān)聯(lián)，可通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)熱器蒸汽調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，來(lái)控制預(yù)熱器內(nèi)物料所要達(dá)到的溫度。

3.2.2 注意事項(xiàng)

預(yù)熱器工作溫度一般在40~50 ℃，特別適合中性嗜熱菌的生長(zhǎng)繁殖，產(chǎn)生亞硝酸鹽和孢子，而且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)形成生物膜，影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在蒸發(fā)濃縮過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注預(yù)熱器溫度，一般情況下蒸發(fā)器連續(xù)運(yùn)行10 h左右就要進(jìn)行一次清洗。

3.3 DSI殺菌器

3.3.1 工作原理

將飽和食品級(jí)純水熱蒸汽直接噴射入原料乳中，使其溫度迅速升高，從而達(dá)到殺菌的目的。

3.3.2 注意事項(xiàng)

DSI殺菌最大的缺點(diǎn)是蒸汽噴射入原料乳中會(huì)瞬間釋放巨大的相變潛熱，導(dǎo)致受熱不均勻，局部過(guò)熱，乳清蛋白變性，對(duì)終產(chǎn)品沖調(diào)效果產(chǎn)生不利影響。因此DSI殺菌在設(shè)計(jì)上采取將飽和蒸汽垂直切線射入原料乳中，即蒸汽是沿切線方向射入原料乳中，和原料乳的流動(dòng)方向垂直，以使原料乳在殺菌器中成翻滾前進(jìn)狀態(tài)，受熱均勻，避免了局部過(guò)熱而產(chǎn)生的殺菌不均勻、乳清蛋白變性等問(wèn)題。

3.3.3 配套設(shè)備

與DSI殺菌配套的設(shè)備還有蒸汽加水管、蒸汽調(diào)節(jié)閥、保溫管、背壓閥，均在殺菌器運(yùn)行過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

（1）蒸汽加水管

再生鍋爐內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽為純水蒸汽，純水蒸汽為過(guò)熱蒸汽，過(guò)熱蒸汽含有大量潛熱，直接噴射進(jìn)入物料中，可能造成物料受熱過(guò)度，不利于殺菌溫度控制。因此在純水蒸汽進(jìn)入物料前通過(guò)蒸汽加水管向純水蒸汽內(nèi)注入純水與其混合，以保證噴射進(jìn)入物料前的蒸汽為飽和蒸汽，有利于殺菌溫度的控制。

（2）蒸汽調(diào)節(jié)閥和保溫管

蒸汽調(diào)節(jié)閥可調(diào)節(jié)進(jìn)入殺菌管中的蒸汽量，從而調(diào)節(jié)殺菌溫度。保溫管可以維持物料殺菌的溫度和時(shí)間，從而確保殺滅產(chǎn)品中特定的微生物。

（3）背壓閥

物料的殺菌溫度為95 ℃，該溫度下水的飽和蒸汽壓（絕壓）為0.845 bar，對(duì)應(yīng)的表壓為-0.155 bar，因此95 ℃的水在-0.155 bar壓力下便會(huì)沸騰，導(dǎo)致管道內(nèi)出現(xiàn)氣泡，使物料在保溫管內(nèi)非滿(mǎn)管運(yùn)行，易造成掛垢，影響殺菌效果。在保溫管出口需要增加背壓閥，通過(guò)背壓閥調(diào)節(jié)維持管道內(nèi)物料不出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。

3.4 閃蒸罐

3.4.1 工作原理

經(jīng)過(guò)預(yù)熱器預(yù)熱的原料乳從閃蒸罐頂部進(jìn)入閃蒸罐上部，閃蒸罐下部經(jīng)DSI滅菌后的原料乳“閃蒸”產(chǎn)生的二次蒸汽對(duì)閃蒸罐上部進(jìn)來(lái)的原料乳預(yù)熱，使其溫度升高，經(jīng)過(guò)DSI殺菌的高溫高壓原料乳，通過(guò)背壓閥進(jìn)入處于真空狀態(tài)的閃蒸罐下部，這時(shí)物料會(huì)沸騰蒸發(fā)其中水分或不可凝氣體，使其溫度降低（此現(xiàn)象為“閃蒸”），閃蒸罐上部預(yù)熱后的原料乳進(jìn)入DSI殺菌，閃蒸罐下部降溫后的原料乳進(jìn)入一效進(jìn)行降膜蒸發(fā)。

3.4.2 注意事項(xiàng)

閃蒸目的：（1）回收熱量，預(yù)熱物料，降低DSI的蒸汽用量；（2）閃蒸會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)使物料溫度達(dá)到要求值，減少微生物在溫度增長(zhǎng)區(qū)間的停留時(shí)間。需要注意：（1）閃蒸罐上部物料液位不能過(guò)高，防止閃蒸上部未殺菌的物料流入閃蒸下部已殺菌的物料中，造成污染。

3.5 蒸發(fā)效體及氣液分離器

3.5.1 工作原理

料液從效體頂端進(jìn)入效體后，首先進(jìn)入到限流套筒內(nèi)的分配盤(pán)上，分配盤(pán)有許多孔洞，料液在重力的作用下穿過(guò)孔洞向下流動(dòng)，每個(gè)孔洞均位于加熱管間區(qū)域正上方，因此料液留到管板上后，沿加熱管內(nèi)表面向下流動(dòng)，形成物料薄膜，產(chǎn)生的二次蒸汽也會(huì)在加熱管內(nèi)向下流動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)物料薄膜向下流動(dòng)。

經(jīng)過(guò)濃縮的物料會(huì)進(jìn)入效體下部物料室，蒸發(fā)形成的二次蒸汽攜帶一定量的物料液滴會(huì)沿切線進(jìn)入氣液分離室內(nèi)，形成旋風(fēng)氣流，在離心力的作用下，物料液滴會(huì)脫離二次蒸汽向下流動(dòng)，二次蒸汽向上走，進(jìn)入下一效體。效體下部物料室及氣液分離室內(nèi)分離出的物料，在泵的作用下循環(huán)蒸發(fā)或者進(jìn)入下個(gè)效體蒸發(fā)。

3.5.2 注意事項(xiàng)

（1）蒸發(fā)器在運(yùn)行過(guò)程中要保證適當(dāng)?shù)牧魉偌傲髁?，流量過(guò)低會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器內(nèi)形成的物料膜不穩(wěn)定、變干，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)掛垢，堵塞蒸發(fā)管。（2）二次蒸汽冷凝成的冷凝水需及時(shí)排出。一是若排出不及時(shí)，會(huì)影響冷凝器的冷凝效果，使得蒸發(fā)器內(nèi)真空度降低，從而影響整體的蒸發(fā)效果；二是由于冷凝器的構(gòu)造，冷凝水液位過(guò)高可能會(huì)倒灌進(jìn)入末效氣液分離器內(nèi)與分離出的物料混合，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

3.6 冷凝器

3.6.1 工作原理

冷凝器在蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要，是蒸發(fā)系統(tǒng)真空的維持者，三效二次蒸汽進(jìn)入冷凝器中冷凝成水，這一過(guò)程瞬間使蒸發(fā)系統(tǒng)中壓力降低，來(lái)維持蒸發(fā)器內(nèi)部真空度。

3.6.2 注意事項(xiàng)

在日常設(shè)備巡檢中，要關(guān)注冷凝器中冷凝水的水位，一般水位在視鏡的1/3處為正常水平，水位過(guò)高影響冷凝效果，從而影響真空度，還會(huì)造成冷凝水倒流回三效氣液分離器內(nèi)，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

4 小結(jié)

總而言之，蒸發(fā)濃縮工藝在嬰幼兒配方乳粉的生產(chǎn)中占有重要地位，蒸發(fā)器運(yùn)行過(guò)程中如何保持真空度是關(guān)鍵，也應(yīng)關(guān)注預(yù)熱溫度一般40~50 ℃、上閃蒸與下閃蒸物料溫差＜10℃、殺菌溫度以及末效分離溫度，如考慮蒸發(fā)器連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，建議在預(yù)熱器后端增加閃蒸式預(yù)熱器進(jìn)行多段物料瞬間預(yù)熱，減少物料的受熱溫差，能夠延長(zhǎng)蒸發(fā)器運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)其各個(gè)設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)也極其重要。