CN1028069C - 无菌食品加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了有重大改进的可泵送食品的无菌加工设备，它既能给出准确而均匀的无菌蒸煮条件(时间，温度及压力)，同时又能保持食品的颗粒完整性。将下游计量装置与上游恒压泵结合使用就可获得平稳且较高的系统压力，这又促进了准确的温度控制并消除内部对产品质量产生有害影响的局部蒸汽闪蒸。采用本发明的设备，可安全地以工业规模实现对炖菜和辣味食品之类的低酸度非均相食品物料进行无菌加工。

Description

本发明概括地涉及一种有关可用泵输送的，特别是低酸度的非均相食品的无菌加工过程的重大改进设备。更具体地说，发明涉及这样的一种方法与设备，该设备是由一台使产物流率恒定，置于换热器与持料管下游的计量装置和一台放在流程的最上游使食品物料流基本上保持恒压的装置共同组成的。

工业规模的传统的罐头食品加工方法及装罐头方法一般说来是先将所选定的食品原料装入罐头，随后将罐头密封，并进而在升温与加压的条件下将该罐头食品用蒸汽加热相当一段时间。这样的加工方法已经用了许多许多年了，然而却仍然存在许多重大的困难。例如，这种罐头加工过程的成本相当可观，这不仅因为这种加工过程能量消耗大，而且为了在适于装填罐头食品的季节期内装填食品罐头，必须段先贮存大量各种各样的昂贵的罐头。此外，为蒸煮罐头食品所需要的相当苛刻的蒸煮条件不可避免地导致食品的感官特性（如：味道，颜色以及颗粒均匀性）发生衰变。

因此，食品加工商为了在降低成本的同时，改进食品的感官特性与营养价值，在过去的若干年内已经研究出一些改进食品加工的方法。在这些方法中有一项建议就是要采用所谓的无菌加工与包装。概括地讲，为了对食品进行无菌化处理，加工过程需包括包装之前为了灭菌的连续蒸煮过程，以及随后在无菌的条件下包装。无菌加工食品的技术最初是在本世纪40年代开发的。但只是在最近几年中，食品加工商们才开始广泛应用这一技术。与习惯所采用的罐头食品加工工艺相比较，无菌食品加工的优点是多方面的，例如：可以降低能耗及包装成本，并具有较高的加工速率。此外，有的时候这种方法还有改进食品感官特性的作用。

目前食品的无菌加工主要集中在像布丁与果汁这样一类的均相或流态的产品方面。此外，这类产品中的许多种都具有较强的酸性（pH＜4.6），其中所需要的蒸煮温度与蒸煮时间都比较低和少。并且在这种情况下，食品由于加工处理得不合适而产 生的对人身体的毒害作用可以忽略。

这种均相的高酸度食品的无菌加工过程一般包括使用一个加压与无菌化的消毒系统。该系统的前头有一台将食品原料汁量并连续地运往加工段的容积式泵。加工工段包括一台或多台细长的换热器以及一段用以中间存留食品的管道，最后还有一系列用以冷却食品的冷却换热器。在加工段的下游一般还配备有气动的反压阀以产生一定的节流作用并维持系统的压力。

有关食品无菌加工的管理条例中称：食品物料流的无菌化（消毒）过程应当决定于它们在持料管内的时间一温度条件。因此，食物在位于持料管前面的换热器中被加热到灭菌温度所需要的时间，以及它们在任何其它管道内所停留的时间就不能计算在内。因此，为了建立一个安全的，在工业上可行的加工过程，保证食品在持料管内的时间一温度关系的准确性是极其重要的。

目前有关的管理条例还规定：计量泵必须安放在持料管的上游，而且必须使物料能在所需要的流率下流动。因此，前面的计量系统在物料进入打头的换热器以及持料管之前，在加工系统的上游端就得计量下食品物料的流率（即，不论其后压力怎么变化，都应能有恒定的产品流率）。

上述的系统对于酸性较强的均相食品物料能给出满意的结果，但是，这种系统对于如汤料、炖菜，以及辣味食品这样一类酸性比较弱的非均相食品则是极其无效的。例如，系统中反压阀的存在对于非均相食品说来是不能允许的。因为食品物料在通过这种阀的时候会产生相当大的阻塞作用，从而使得通过该阀的食物颗粒不可避免地被捣碎降质，有时甚至被捣成糊状。于是，有人建议采用其它类型的装置来加工处理弱酸性非均相的食物。其中的一个建议就是采用一旋转式的容积式泵代替位于加工段下游的反压阀。由于下游泵的操作速度比前置的计量泵低，因此形成了系统压力。另一个想法就是要采用一个无菌加压缓冲罐来达到产生系统压力的目的。这二种方法虽然从理论上讲能实现对低酸度、非均相食品进行无菌加工，但是都具有极为严重的缺陷。事实上，所存在的这些严重缺陷是如此的难以克服，以致于到目前为止，在工业上还未见到有一套采用这类想法的对低酸度、非均相食物进行无菌加工的设备。即便为了达到工业化的目的，人们对于开发这类工艺与设备有着极其广泛的兴趣，情况也还是这样。

上述工艺的主要问题是在蒸煮与持料段之前，即在设备的上游端就测量食品物料流量的问题。这种计量方法也即不论压力条件如何都必须产生恒定的物料流率。在任何工业化的生产过程中，为使食品物料的流率保持恒定，正常的物料产量的改变都将导致计量泵增加或降低相同的压力;在这种情况下，压力变化是不可避免的。值得注意的是，由于这种压力的脉动可能导致蒸煮换热器中蒸汽发生局部闪蒸。所以，一般的习惯做法，是把系统压力维持在稍高于防止蒸汽在所取的蒸煮温度下闪蒸所要求的压力（例如比防止闪蒸所需要的压力高出0.069-0.106MPa）。但是如果系统压力波动太大，正如将计量泵装在上游的这一情况一样，这是可能发生的，即装置的某些局部地区也可能发生不足以阻止产生闪蒸的压力状态。结果，蒸汽闪蒸出来了，而食物则在蒸煮装置内“开锅”了。这不仅会破坏食品物料通过设备时所需要的平稳而又连续的流动，而且更为严重的是其后果还可能导致颗粒物料破碎降质。更为重要的是这种闪蒸还会改变对于无菌蒸煮所必须的重要的时间一温度关系，甚至还可能造成非灭菌的产品。

对这一问题的一个可能的解决办法是简单地将系统压力提高到一个足以补偿在任何典型的操作中所可能遇到的正常压力脉动的高压力下操作。然而这项建议又可能造成另一个难题：由于在通常的设备中采用这么高的压力往往会导致较苛刻的加工条件，并造成食物分解降质。因此食品加工商如在蒸煮及持料管装置的上游使用恒定流率的计量泵时，就使自己陷入了进退维谷的境地。即一方面，如果把系统压力仅仅保持在稍高于闪蒸压力的情况下，由于上游计量泵所带来的不可避免的压力脉动将可能导致局部闪蒸的发生。而另一方面，为了避免发生任何的局部闪蒸而使用相对较高的压力，但这一事实本身就可能造成食物的降质。

本发明克服了上述的这些困难，并提供了一种对可用泵输送的，特别是像汤类、炖菜以及辣味食品一类的低酸度非均相的食品，进行无菌加工的有重大改进的设备。概括地说，本发明提供了一套可在加压条件下连续进行无菌加工与蒸煮一种可用泵输送的食品物料的设备。本设备包括一套以基本上 恒定的压力输送连续物料流的正压泵，以及与此恒压输送装置相配合的连续加工装置。该加工装置内包含诸如一台用以把加压的连续物料流加热到所需要的加工温度的间接换热器，以及置于此加热装置下游的用以将已经加压与加热的物料流保持一段时间的装置，该装置的作用是可以确保食品物料实现无菌蒸煮。最后，为了使离开设备的食品物料能保持基本上恒定的流率，整套设备在持料装置的下游设置了一台与加工装置协同操作的计量装置。

在特别满意的一批结构中，最好选用一台往复式活塞泵作为恒压泵送的装置。使用美国堪萨斯城（Kansas）奥兰-帕克（Overland    Park）的Marlen研究公司所生产的双作用活塞泵已经取得了特别好的结果。这种泵可以在一恒定的压力模式下或是恒定流率的模式下操作。但是按照本发明的需要，该泵送装置需在恒定压力的模式下操作。Marlen式泵送装置已在美国专利4，097，962中作了描述。在本发明申请中我们专门引用了这一专利仅作为参考资料。

为了使连续的加压食品物料流同一热介质（如间壁的水蒸汽）进行间接热交换，从而将食品物料流加热到所需要的蒸煮温度，加热食品物料的装置最好包括一台或多台间接加热换热器。在此，可以采用的间接加热换热器可以是各式各样的，然而对于许多具体的加工条件，业经发现刮扳式换热器是最最合适的。

作为构成整个食品加工装置一部分的持料装置采用的是习惯上所用的结构，它基本上是由一根有一定尺寸的细长持料管道所构成，它的作用是使在其中连续移动的物料流保持一段时间，这段时间足以保证食品物料完成消耗及无菌加工。

除了上述的这些加工过程之外，典型的加工装置还应当包括在食品物料通过持料管之后，使之冷却的冷却装置。这里再次优先采用间接冷却换热器。在这种情况下，冷却介质往往是采用冷却水。

如前所述，下游计量装置最好采用旋转式泵，例如由Abex公司的Waukesha铸造分部所提供的那些装置。这种计量装置的功能在于可以使在持料段的下游已经进行无菌蒸煮的食品物料流得以保持恒定的流率。这种下游计量装置与上游恒压泵输送装置结合在一起即是本发明能取得优异成果的主要原因。

图1是本发明的无菌加工设备的简略流程图。

图2是与图1相类似的简略流程，但是其中的无菌加工设备系采用二个相互并联的加工系统。

图3则是所优先采用的往复式活塞泵输送装置的局部剖面图，在实际食品加工之前对系统进行热水消毒也是采用这一装置。

现在反回来仔细看看这些图，尤其是图1，无菌加工设备10大致包括如下一些装置和系统，即：用以产生基本上恒定压力的连续食品物料流的上游恒压泵12;连续加工装置14;下游计量装置16;以及最后以数字18示意表示的热水消毒系统。说得再清楚点，在图1中所示的泵12相当于美国专利号4，097，962中所描述的那种泵。这种泵（见图3）包括一个料室20，在料室里面有一对可以往复的，并排放置的管状套筒22与24。二个靠流体动力操作的活塞26和28分别置于相应的管状套筒22与24中。在料室20的出口端有一对送料管30与32，它们分别用管道与管状套筒22及24相通。送料管30与32的出口端与一换向阀34相接。在换向阀后面则是将物料从泵送装置输出口管36。在图3中所示的设备还包括一对气动操作的水阀门38与40，这二阀门与相应的送料管30与32在操作上是互相街接的;有关这二阀门（38与40）的重要作用，将在以后解释。

加工装置14包括一台或多台按常规设计的刮扳式换热器42，换热器上有一个物料入口管44以及一个物料出口管46。此外，换热器上设有外夹套，外夹套的作用系通以蒸汽或其它换热介质从而加热通过换热器内部的物料。当然这些刮扳式换热器都是通用型的，用户可以通过各种各样的渠道买到。

加工装置14还包括一根细长的保温持料管48，该持料管的尺寸应当大到足以使食品物料在其中停留一定时间以确保实现无菌蒸煮。与前面所提到的换热器一样，也是完全常规的，并且对于本技术领域的普通技术人员来说是非常熟悉的。

在加工装置14中于持料管48的下游安置了冷却装置。这种冷却装置包括一系列刮扳式换热器50与52。正如图中所示，换热器是彼此串联相接。为了有效地冷却通过换热器中的食品物料，冷却热交换器需包括一让冷却介质（如冷却水）通过外夹套的结构（图中没有表示这部分结构）。

如前所述，泵12的设计是使它能在基本上恒定的压力下将连续的物料流传送到加工装置14。为此，在泵12的出口管36与蒸煮换热器42的入口管44之间连以适当的管道54。类似地，管道56用以连接换热器42的出口管与持料管48的入口管。除此而外，还需要有一条管道用来将持料管48的出口端与冷却热交换器50与52连接起来，最后，为了将已经冷却并经无菌加工好的食品物料传送到计量泵16，在换热器50与52的出口接有出口管道58。

如图上所示，泵16与管道58相连，在泵16之后则通过管道60连接到一个三通阀62。如图1中所示，阀门62可以打开以传送加工好的食品物料到常规的无菌包装机。由于泵16的运行是在于计量食品物料流量，也就是确保物料的流率能够保持基本上不变，这样，食物流就以持续不变的流率通过管道60及阀门62传送到包装机。

图1中所示的设备还包括水的消毒系统18。为了达到这一目的，在阀门62与前面所述的水阀门38及40之间连接有管道64。（这些水阀门与12相连）。管道64又连通一台间接冷却换热器66，其后还连有三通阀68以及止回阀70。最后，水源72与阀68相连，在阀68和止回阀70之间有一缓冲罐（恒压罐）74在运转时与管道64相连。

在装置10运转时，通过起用系统18实现对设备的消毒作用。在这一操作模式（即用水进行系统消毒的操作模式）下，泵12用作为一台给水泵。为此，需将套筒22与24（见图3）延长，并固定在料室20内。将阀门68打开以使水能由水源72流入泵12。打开阀门62以接通管道60与64。在用水进行消毒期间，阀门38和40随活塞26与28的往返动作依次打开和关闭，首先把水抽进管状套筒22与24中，随后，由于活塞的不停运动，水又被排经管道30与32，这样水就可充分地注入消毒系统。

泵送的水在循环期间在换热器42内被加热，并通过持料管48以及冷却热交换器50与52。水进而通过管道58及泵16，最后通入换热器66。在该换热器内，循环的消毒水同冷却介质（如冷却水）进行间接热交换而受到冷却。在某些情况下，换热器66也可以不要。

在完成了消毒工序之后，（这一工序一般可用144℃的热水流通30分钟），系统已经得到预热，并且已是无菌的了。这就是说，一切已准备就绪，可以通入食品物料了。这时应当将水系统关掉，并将物料直接送到泵12。在这一操作模式下，管状套筒22与24，按一定的时间关系在料室20内往返运动以便依次地将食品物料充填进套筒中。在完成冲填之后，活塞26与28的运动就将物料排经输送管30、32及阀门34送到加工装置14。前面已提到，在用泵输送食品物料期间，泵12是处于恒压操作的模式下，所以能产生基本上恒定压力的连续物料流。实际上，藉助于所优先选用的Marlen泵，操作的压力条件可以维持在与选定的额定压力相差不到大约±0.035MPa的水平上。通常的情况下，以采用0.35-1.06MPa左右的系统压力为最理想。

在任何情况下，恒定压力的物料流总是首先通过加热用的换热器42，在此将物料加热到所要求的温度。在加工低酸度食品的情况下，该温度通常取为132-149℃左右。物料在换热器内加热之后，通过管道56送到持料管48。持料管的尺寸系设计成能让管内连续运动的食品物料流得以在蒸煮温度下保持足够的时间，从而确保实现无菌蒸煮。概括地讲，这个时间范围大约是10秒钟到20分钟左右。对于大多数的食品加工情况，这一段持料时间大约为30秒钟到1.5分钟左右。

已经蒸煮好的食品在离开持料管48以后，通入冷却换热器50与52。在此把食品物料冷却到满足包装所需要的温度，这一温度一般取为21-27℃。经冷却以后的物料然后通过管道58进入计量泵16，该计量泵确保经无菌蒸煮好的食物能以恒定的流率流出加工装置14。随后，这些食物流经阀门62（在此操作情况下该阀门是打开的）排到无菌包装机（包装机在图中没有表示出来）。

图2表示本发明的另一种具体的实施方案，其中采用一台单一的泵12来为二组互相并联的加工装置分支14a与14b供料。由于这二个独立的加工装置段14a及14b大体上与在图1中所示的装置14是一致的，在这里除了加以“a”和“b”的符号之外，都是采用类似的参考数码。在所有的情况下，类似数字所标注的装置与图1中相应数字所表 示的装置相同。在任何情况下，都将可以看到，单一的泵12系通过管道54，54a及54b与并联的加工装置14a及14b相连。于是，相应的物料分支流，就像图1所描述过的情况那样，逐一通过加工装置分支段14a及14b进行蒸煮、保温持料及冷却。二个加工单元的每一个后面都各接每一台旋转计量泵16a及16b。

这些泵的作用与图1中所描述的相应的泵16相同。但是这里只用一台电动机76来同时驱动这二台泵16a与16b。在这种状况下，二台泵实际上在相同的转速下运转，从而确保分别来自加工装置分支段14a与14b的二股物料流的流率基本上相同。此外，由于只采用了一台泵12，因此在二个加工装置分支段14a与14b内的压力条件基本上是相同的。来自泵16a与16b的物料流通过管道60a及60b送到一根公用的输送管78。阀62接至管道78中。由相互并联的加工装置分支段14a与14b传送出来的相应物料流经阀门62送到无菌包装机。

此外还可以看到，图2的设备中也包括一个水消毒系统18。与前面所述的情况类似，并参照图1，相同的部件是编以相同的号码。图2设备中的水系统的操作方法与图1设备中的水系统的操作方法也是相同的。

根据采用本发明提供的设备所进行的实际试验已经一致表明，将本发明用于加工诸如炖菜以及其它含有颗粒的食品这样一类低酸度非均相物料时可以取得始终如一的好结果。在一组这样的试验中，采用带有料室以及流体（水力）驱动的Marlen 700型双作用活塞泵作为上游的恒压泵，面用Alfa-Laval刮扳式间接换热的换热器作为蒸煮（以蒸汽作为加热介质）及冷却（以水作为冷却介质）用的换热器。Waukesha133A或25RF（不带料室）的容积式泵用作计量设备。取持料管的直径为50.8米，其总长度为2.81米，总容量为4.92×10^-3米³，并向上倾斜放置。所试验的食品包括煨牛肉，鸡肉面，海味食品，以及糖醋猪肉等。几种在试验期间生产的食品都证明具有与通常生产的罐头食品有相同或是比它们更好的质量。特别是在用食品的味道、食品本身的结构特征、颗粒均匀性以及构成的完整性等作为衡量质量好坏的标准时，这一结论就尤为明显。而用本发明所生产的食品的颗粒色泽一般总要优于通常用蒸煮方法得到的食品，而且其作料与卤汁的色泽淡得多。在试验中所采用的蒸煮温度为144℃，而蒸煮压力则保持在大约0.69-0.83MPa左右。物料在持料停留的时间为1分钟。

尽管本发明优先采用的计量装置是一台旋转式泵，但本发明并不受此一限制。在多种替代的方式中，可以采用一种容积式的充填装置来代替旋转式以确保提供恒定的食品物料流率。

Claims (10)

1、对可泵送的低酸度、非均相食品物料在加压下进行连续和无菌加工与蒸煮的设备，其特征在于该设备包括：

以恒定压力连续输送所述的加工食品物料流的恒压泵装置(12)；

操作上与所说的恒压泵装置相配合的连续加工装置(14)，其中包括将所说的已加压的连续食品物料流加热到所需要的加工温度的加热装置(42)和设置在该加热装置下游并将所说的加热加压物料流保持一段时间以确保对食品物料流进行无菌蒸煮的持料段(48)以及

置于所说的持料段下游并与所说的加工装置配合操作以便离开该设备的食品物料流率保持恒定的计量装置。

2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于所说的恒压泵装置为恒压往复式活塞泵。

3、根据权利要求1所述的设备，其特征在于所说的加热装置为让所说的加压连续食品物料流与加热介质间接换热的间接换热器（42）。

4、根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述的换热器（42）为刮板式间接换接器。

5、根据权利要求1所述的设备，其特征在于所说的持料段为与所说的加热装置相连的细长持料管（48）。

6、根据权利要求1所述的设备，其特征在于所说的加工装置包括设置在所说的持料管道下游的冷却装置（50，52）。

7、根据权利要求6所述的设备，其特征在于所说的冷却装置为一或多台间接换热器（50，52）。

8、根据权利要求1所述的设备，其特征在于所说的计量装置为旋转泵计量装置。

9、根据权利要求1所述的设备，其特征在于其中还包括与所说的泵送装置和加工装置配合操作的热水消毒系统（18）。

10、根据权利要求1-9中任何一项所述的设备，其特征在于所说的加工装置包括多支相互并联并可与所说的泵送装置配合操作的加工装置分支（14a，14b），其中每一所说的分支包括将所说的食品物料的加压连续分支流加热到要求的加工温度的加热装置以及设置在该加热装置下游并将所说的加热加压物料分支流保持一段时间以确保对该物料分支流进行无菌蒸煮的持料段。

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