第1章 乳品加工机械与设备
内容描述
本章主要介绍典型乳制品加工工艺流程与现代化乳制品生产企业所使用的乳品加工机械与设备，包括机械设备的工作原理、结构与特点、设备的使用与维护、常见故障原因分析与故障排除方法等。
学习目标
●了解典型乳品加工工艺流程及生产现状。
●深入了解分离机、均质机、板式换热器、管式换热器、真空浓缩设备、喷雾干燥设备及无菌包装设备等机械设备的用途、工作原理以及结构特点。
●熟练掌握常用乳品加工机械设备的操作规程、操作注意事项以及日常使用与维护等基础知识。
能力目标
●能够正确操作分离机、均质机、板式换热器、管式换热器、真空浓缩设备、喷雾干燥设备、无菌包装设备等机械设备。
●能正确处理常见故障并能分析原因排除故障。
1.1 典型乳品加工生产线
1.1.1 超高温灭菌乳生产工艺流程
灭菌乳就是杀死牛乳中微生物，使牛乳保持商业无菌的过程。商业无菌（commercial sterilization）就是牛乳经过适度杀菌后，不含有致病性微生物，也不含有在常温下能在产品中繁殖的非致病性微生物。按照加工工艺，灭菌乳可分为两大类，即超高温灭菌乳和保持灭菌乳。
超高温瞬时灭菌（UHT）就是采用高温、短时间，使液体食品中的有害微生物致死的灭菌方法，灭菌温度一般为130～150℃，灭菌时间一般为数秒。欧共体对UHT产品的定义：物料在连续流动的状态下，经135℃以上不少于1s的超高温瞬时灭菌，然后在无菌包装状态下包装于微量透气容器中，以最大限度地减少产品在物理、化学及感官上的变化，这样生产出来的产品称为UHT产品。保持灭菌乳也称二段灭菌乳，就是先将牛乳经过超高温瞬间处理，进行灌装、封合后再进行105～120℃，10～30min保持灭菌。
超高温灭菌系统的加热介质为蒸汽或热水，有两种加热系统可用于牛乳的连续型超高温灭菌，即直接加热系统和间接加热系统。其中，在直接加热系统中，原料乳首先通过间接式换热器被加热到80～85℃，然后与过热蒸汽直接混合，立刻升温至灭菌温度140～150℃。在间接加热系统中，产品与加热介质由不锈钢导热面隔开，产品与加热介质没有直接接触，根据换热器传热面的不同，可分为板式热交换系统、管式热交换系统和刮板式加热系统。其工艺流程如图1.1所示。
图1.1 超高温灭菌乳工艺流程图
1）以板式换热器为基础的间接UHT设备
如图1.2所示，约4℃的牛乳由贮存缸泵送至UHT系统的平衡槽1，由此经供料泵2送至板式换热器的热回收段。在此段中，牛乳被已经UHT处理过的乳预热至约75℃，同时，杀菌过后的乳被冷却。预热后的牛乳随即在18～25MPa的压力下均质。预热均质的产品继续到板式换热器的加热段被加热至137℃，加热介质为一封闭的热水循环，通过蒸汽喷射头5将蒸汽喷入循环水中控制温度。加热后，产品流经保温管6，保温4s。最后冷却分成两段进行热回收，首先牛乳与循环热水换热，随后与进入系统的冷牛乳换热，离开热回收段后，产品直接连续流至无菌包装机或流至一个无菌罐作中间贮存。
图1.2 间接加热UHT乳生产线（板式换热器）
1—平衡槽；2—供料泵；3—板式换热器；4—均质机；5—蒸汽喷射头；6—保温管；7—无菌罐；8—无菌灌装
2）以板式换热器和蒸汽注射为基础的直接UHT设备
图1.3 直接蒸汽喷射加热的UHT生产线（板式换热器）
1a—牛乳平衡槽；1b—水平衡槽；2—供料泵；3—板式换热器；4—正位移泵；
5—蒸汽喷射头；6—保持管；7—蒸发室；8—真空泵；9—离心泵；
10—无菌均质机；11—无菌罐；12—无菌灌装
如图1.3所示的流程图，由平衡槽提供的大约4℃的产品通过喂料泵2流至板式换热器3的预热段，在预热至80℃时，产品经泵4加压后继续流动至环形喷嘴蒸汽注射器5，蒸汽注入产品中，迅速将产品温度提升至140℃。产品在UHT温度下于保持管6中保温几秒钟，随后闪蒸冷却。闪蒸冷却在装有冷凝器的蒸发室7中进行，由真空泵8保持蒸发室部 分真空状态，控制真空度，保证闪蒸出的蒸汽量等于蒸汽最早注入产品的量。一台离心泵将UHT处理后的产品送入二段无菌均质机10中。由板式换热器3将均质后的产品冷却至约20℃，并直接连续送至无菌灌装机灌装或一个无菌罐进行中间贮存以待包装。冷凝所需冷水循环由平衡槽1b提供，并在离开蒸发室7后再经过蒸汽加热器加热后预热介质。在预热中水温降至约11℃，这样，此水可用作冷却介质，冷却从均质机流回的产品。
1.1.2 酸乳生产工艺流程
酸乳又称酸奶，已成为我国发展最快的乳制品之一。根据FAO统计，世界年人均乳品消费量达到100kg，而在一些发达国家，人均乳品消费量更是达到了300kg。酸奶在我国也正成为大众化的乳制品。按成品的组织状态可分为两类：凝固型酸奶，其发酵过程在包装容器中进行，从而使成品因发酵而保留其凝乳状态；搅拌型酸奶，成品是先发酵后灌装而得。发酵后的凝乳已在灌装前和灌装过程中搅碎而成黏稠状组织状态，因此而得其名。
酸奶以牛乳为主要原料，经过标准化、接种乳酸菌发酵剂、培养发酵而制成。其工艺流程如图1.4所示。无论是做凝固型酸奶还是搅拌型酸奶，牛奶的预处理基本是一样的，都包括标准化、均质、杀菌和冷却。
图1.4 搅拌型酸乳生产工艺流程图
如图1.5所示为酸奶生产工艺的一般预处理流程。牛乳从平衡罐出来，被泵到换热器2，进行第一次热回收并被预热至70℃左右，然后在第二段加热至90℃。从换热器中出来的热牛奶送到真空浓缩罐3，在此牛奶中有10%～20%的水分被蒸发，蒸发出的一些水分被用于预热。在蒸发阶段，牛乳温度从85～90℃下降到70℃左右。蒸发后，牛奶被送到均匀机4进行均质，经均质的牛乳回流到换热器2热回收段，再加热到90～95℃，然后牛乳进入保持段，保温5min。巴氏杀菌后的牛乳要进行冷却。首先是在热回收段，然后用水冷却至所需接种温度，典型的是40～45℃。
图1.5 发酵乳制品的一般预处理生产线
1—平衡罐；2—片式换热器；3—真空浓缩罐；4—均质机；5—保温管
如图1.6所示为搅拌型酸奶典型的连续性生产线。预处理后的牛奶冷却到培养温度，然后进行接种，牛奶连续地与所需体积的生产发酵剂一并泵入发酵罐2，典型的搅拌型酸奶生产的培养时间为2.5～3h，温度为42～43℃，在培养的最后阶段，已达到所需的酸度时（pH4.2～4.5），酸奶必须迅速降温至15～22℃，冷却是在具有特殊板片的板式换热器3中进行，这样可以保证产品不受强烈的机械扰动。一般冷却到15～22℃以后的酸奶先打 入缓冲罐4中，再进入包装机7进行包装。若需要生产调味酸奶，可在酸奶从缓冲罐到包装机的输送过程中加入果料和香料。
图1.6 搅拌型酸奶的生产线
1—生产发酵剂罐；2—发酵罐；3—板式换热器；4—缓冲罐；
5—果料/香料罐；6—混合器；7—包装
1.1.3 乳粉生产工艺流程
一般意义上，乳粉（俗称奶粉）是指仅以原料乳为原料，经净化、杀菌、浓缩、干燥制成的粉末状产品。但是从更广泛意义上讲，乳粉是指以生鲜乳或乳粉为原料，添加或不添加食品添加剂和食品营养强化剂等辅料，经脱脂或不脱脂、杀菌、浓缩、干燥或干法工艺制成的粉末状产品。
如图1.7所示为全脂乳粉生产工艺流程，用于生产乳粉的原料乳首先要经过预处理，包括原料乳验收、净乳、冷藏、标准化、均质及热处理等，所使用到的设备与图1.5发酵乳制品的一般预处理生产线相似。用于生产乳粉的牛乳需进行浓缩，即除去牛乳中的一部分水分，使牛乳的干物质含量提高。在全脂乳粉生产中，牛乳必须浓缩成含乳固形物为48%～50%的浓牛乳才能进行喷雾干燥。如图1.8所示，经喷雾干燥处理后得到的就是乳粉，随后还需进行冷却、筛粉等处理。然后将乳粉进行包装的操作即得到成品。
图1.7 全脂乳粉生产工艺流程
图1.8 全脂乳粉设备流程图
1—磅奶槽；2—受奶槽；3—奶泵；4—净乳机；5—冷却器；6—贮奶罐；
7—预热器；8—暂存罐；9—蒸发器；10—浓缩奶暂存罐；11—奶泵；
12—喷雾干燥塔；13—洗罐机；14—烘干机；15—冷却室；
16—螺旋输送机；17—筛粉机；18—定量包装台；19—封盖机；20—成品
1.2 分离机
牛乳在采集运输的过程中可能会混杂一些环境中的杂质和牛体中的上皮细胞、白细胞等，离心分离机的工作原理是将牛乳通入一个高速旋转的分离钵内，利用离心力将这些密度不同的物质分离开来。因此，在乳制品的生产过程中，离心分离机可用来对原料乳进行净化处理和标准化处理以及奶油的分离与均质等。
1.2.1 分离机的工作原理
分离机工作时分离钵高速旋转，原料乳进入分离钵内，而后经碟片组上的垂直通孔从下而上上升充满各碟片之间。当分离钵高速旋转时，带动碟片间的乳液旋转，在离心力作用下，使进入碟片中的乳液在碟片之间形成一层薄膜。如图1.9（a）所示，牛乳中的颗粒和脂肪球根据它们相对于连续介质（即脱脂乳）的密度不同而开始在分离通道中径向朝里或朝外运动。碟片间密度小的脂肪球流向旋转轴，密度大的脱脂乳沿碟片向四周流动，机械杂质则沉淀在分离钵周围的壁上。分离后的脱脂乳沿上碟片外面流动，而稀奶油则沿上碟片的内面流动。从而分离机顺利地将稀奶油和脱脂乳分离开来。
图1.9 分离机碟片图
1.2.2 分离机的结构
分离机的类型虽然不同，但其分离原理和构造基本是相同的，由传动装置、分离钵、容器及机架等组成。
1）传动装置
传动装置的功用是将电动机的动力传递给分离钵。分离机的传动装置由两级增速装置组成。如图1.10所示，第一级为皮带将电动机的动力传递给蜗轮，第二级为蜗轮蜗杆把动力传递给分离钵，使分离钵作高速旋转。
图1.10 封闭式分离机
1—电机；2—沉渣器；3—机盖；4—空心钵轴；5—操作水系统；6—齿轮；7—制动
2）分离钵
分离钵是分离机的主要工作部件，将乳分离成稀奶油和脱脂乳。如图1.10所示，分离钵主要包括分离钵底座、支柱、碟片和顶罩等。
分离钵底座是整个分离钵的支承部分，让原料乳沿中心管进入分离碟片中。分离机的支柱与底座中心管可以连在一起，也可分开。碟片支柱主要起到支承和固定分离碟片的作用，其外圆柱面带有数条沟槽，套在中心管的外面。
碟片是离心机中的重要部件，其作用就是带动乳液高速旋转，并将乳液分离成稀奶油和脱脂乳。如图1.9（b）、（c）所示为分离机碟片组，碟片的顶角一般为60°～80°，碟片本身厚度一般在0.5mm左右。在每个碟片上均固定有一定厚度的小凸台，可使碟片和碟片之间不致紧贴，形成0.3～0.8mm的间距。每个碟片上都有小孔，可使稀奶油通过。不同的分离机，碟片的数目不同，数目越多则分离效果越好，分离能力也越大。
顶罩是整个碟片组的外罩，使分离钵成为锥形整体，主要起到密封分离碟片的作用，并与上碟片形成脱脂乳通道，使脱脂乳顺顶罩的内侧向上流动，沿脱脂乳出口排出分离钵。
3）机架
机架是整个分离机的支承部分，所有机件及受乳器都安装在它的上面。机架有卧式和立式两种。一般大型分离机都是立式机架。
1.2.3 分离机的分类
牛乳分离机按结构形式可分为开放式分离机、半封闭式分离机和封闭式分离机。根据不同用途，可分为用于分离乳中的脂肪球的普通牛乳分离机和既能脱脂又能净化和标准化的多用分离机。这里重点介绍封闭式分离机和半封闭式分离机。
1）封闭式分离机
封闭式分离机如图1.11所示。封闭式分离机原料乳的进口、脱脂乳和稀奶油的出口都是封闭的，密闭式分离机的分离钵体在操作过程中被牛乳完全充满，中心处没有空气，也就没有空气进入脱脂乳和稀奶油中，因此产品具有无泡沫的特点。分离机工作时（见图1.11（a）），牛乳进入分配器后，被加速到与分离钵的旋转速度相同，然后上行进入碟片组间的分离通道，由于离心力的作用，牛乳向外甩出形成环状的圆柱形内表面。牛乳压力随着旋转半径的增加而逐渐增加，钵的内边缘处为压力最高值。较重的固体颗粒被分离出来，并沉积在沉降空间内，原料乳经分离后得到的脱脂乳及稀奶油分别排出。
分离钵的沉降空间里收集的固体杂质有稻草、毛发、乳房细胞、白细胞、红细胞及细菌等，一般牛乳中的沉渣总量约为1kg/10000L。若使用的是残渣存留型的牛乳分离机，必须经常把钵体拆开，定期进行人工清洗沉渣空间，这需要耗费大量的体力劳动。现代化的自净型或残渣排除型的分离机配备了自动排渣设备，如图1.11（b）所示，可将沉积物按预定的时间间隔自动排除。分离机不再需要人工清洗，在牛乳分离的过程中，固体杂质的排出通常30～60min进行一次，每次的排渣时间也很短。
图1.11 封闭式分离机钵体示意图
1—出口泵；2—钵罩；3—分配孔；4—碟片组；5—锁紧环；6—分配器；
7—滑动钵底部；8—钵体；9—空心钵轴
2）半封闭式分离机
半封闭式分离机也称半开放式分离机。半封闭式分离机如图1.12所示。原料乳进口是开放式，原料乳通过顶部的进口管依靠重力进料，脱脂乳在离心机产生的压力下封闭出料。稀奶油出口有开放式，也有封闭式。牛乳进入分配器后，被加速到与分离钵的旋转速度相同，然后进入碟片组间的分离通道，稀奶油向转轴方向移动，并通过稀奶油的压力盘排出通道。脱脂乳从碟片组的外边缘离开，穿过顶钵片与分离钵顶罩之间的通道，通过脱脂乳压力盘排出。
图1.12 手动控制的半封闭式（压力盘式）分离机
1—压力调节阀；2—稀奶油流量计；3—稀奶油节流阀；
4—脱脂乳压力盘；5—稀奶油压力盘；7—分配器
图1.13 带自动恒压装置的密闭式分离机
由于半封闭式分离机在脱脂乳和稀奶油排出口安装有压力盘。乳在分离钵内作高速旋转运动，并通过压力盘把旋转动能转换为压力能，使脱脂乳能在压力作用下从分离钵中排出，所以排出的产品几乎没有泡沫。
在半封闭式的分离机中，稀奶油和脱脂乳的出口处都有一个特殊的出口装置———压力盘（见图1.14），故半封闭式分离机通常也被称为压力盘式分离机。静置的压力盘边缘浸入液体的转动柱内，从中连续地排出一定量的液体，旋转液体的动能在压力盘中转换成静压能。为了阻止产品中混入空气，产生泡沫，必须使压力盘上始终覆盖充足的液体。
图1.14 压力盘示意图
分离机中排出的稀奶油的含脂率可以用稀奶油出口处的节流阀3调节，如图1.12所示。如果该阀门逐渐地打开，从稀奶油出口排出的稀奶油量渐渐地增加，而其脂肪含量逐渐地减少，稀奶油的排出量与稀奶油的脂肪含量是相反变化的。脱脂乳的出口压力，应根据分离机的类型和牛乳的流量用调节阀1调节到适当的数值，稀奶油出口的节流阀也应调整到与所需脂肪含量一致的流量位置。
稀奶油排出量的任何变化都会导致脱脂乳等量但反方向的变化。因此，脱脂乳的出口处安装了恒压装置，图1.12中的脱脂乳压力调节阀1和图1.13中的脱脂乳出口处的自动压力调节阀，以保持出口的背压恒定，而与稀奶油流量变化无关。封闭式分离机上的恒压装置如图1.13所示，图中所示的阀是隔膜阀，通过隔膜上的压缩空气来调节所要求的产品压力。在分离过程中，隔膜上承受恒压空气的压力，隔膜下面承受脱脂乳的压力。如果脱脂乳的压力降低，那么预定的空气压力将推动隔膜下移，与隔膜固定在一起的阀杆也跟着向下移动，通道变窄。这种节流使脱脂乳出口压力增到设定的值。当脱脂乳压力继续增加，阀杆反向运动，预定的压力又得以恢复，从而使脱脂乳出口的背压维持恒定。
3）开放式分离机
开放式分离机与前面介绍的两种不同，是指其原料乳的进口和脱脂乳及稀奶油的出口都是没有遮盖，但是分离机的结构基本相似。
1.2.4 分离机的操作与维护
1）分离机操作
（1）分离机安装与工作前检查
①分离机的安装。因分离机运转速度高，必须有坚实的基础，基础螺栓应深入地面以下10～30cm。分离机主轴应垂直于水平面，各部件应精确安装。必要时，在地脚处配置橡皮圈，起缓冲作用。
②开机前必须检查传动机构及紧固件是否松动，转动方向是否正确，不允许反转，以防损坏机件。
③检查齿轮箱润滑油。润滑油量应保持在齿轮箱油位计刻线区间内。视润滑油质量决定换油期限，换油时应仔细清理油箱底部。
④先以清水试车，不能开空车。试车前先检查高速运转时是否产生振动和有无异常声音，其次检查是否有漏水现象。用水试车合格后，再用乳液试车合格后方可投入使用。
（2）分离机使用
①分离机启动后，当分离机转速达到正常转速时，方可打开进乳口进行分离并收集离心后的料液。
②分离机运行中，应检查机器有无异常的振动和噪声，正常工作电流有无超过电动机额定值（排渣电流超载是正常现象）并需及时排除，严禁分离机带病运行。
③先关闭分离机，再关闭进料阀，待分离机完全停止后，关闭出料阀。
2）分离机的维护
①分离机是高速旋转的设备，具有很高的危险性，启动前一定要检查分离机是否正常，在操作时，岗位人员必须坚守岗位，及时发现问题，出现问题马上停车。
②封闭压送式分离机启动和停车时，均要用水代替牛乳，在启动后2～3min取样鉴定分离情况。
③关注并时常检查泵与吸料管间的垫圈以及泵的轴封等处是否严密，防止空气混入。
④分离钵清洗后的安装及分离钵的拆装工作应谨慎细心。拆洗后必须把分离钵的机件由底部向上按顺序逐一安装，切勿装错。
⑤操作结束后，对直接与乳液接触的部件，应立即拆卸并用0.5%的碱水清洗，然后用90℃以上的热水清洗消毒，最后擦干，以备下次使用。
1.3 均质机
均质机是食品精加工中常用到的机械，均质机械的品种虽然很多，但就其原理来说都是通过机械作用或流体力学效应造成高压、挤压冲击、失压等，使物料在高压下挤压，强冲击下发生剪切，失压下膨胀，在这三重作用下达到细化和混合均质的目的。食品加工中常用到的均质机按构造可分为高压均质机、离心均质机、超声波均质机和胶体磨均质机等。以下主要介绍应用广泛的高压均质机和胶体磨。
1.3.1 高压均质机
1）高压均质机工作原理及结构
（1）高压均质机工作原理
高压均质机的均质作用是由以下3个因素协同作用产生的：物料以高速通过均质头中阀芯与阀座之间所形成的环形窄缝，从而产生强烈的剪切作用，并使物料中的液滴变形和粉碎；物料经高压柱塞泵加压后由排出管进入均质阀，物料在均质阀内发生由高压、低流速向低压、高流速的强烈的能量转化，物料在间隙中加速的同时，静压能瞬间下降，产生空穴作用，从而产生非常强的爆破力；自环形缝隙中流出的高速物料猛烈冲击在均质环上，使得已经破碎的粒子进一步得到分散。均质阀的工作原理如图1.15所示。
图1.15 均质阀工作原理示意图
（2）高压均质机结构
高压均质机主要由柱塞泵、均质阀等部分组成。如图1.16所示为高压均质机的结构图和外形图。
常用柱塞泵为三缸柱塞泵，由3个互不相连的工作室、3个柱塞、3个进料阀和3个出料阀等组成。如图1.16所示，通过曲轴连杆机构和变速箱将电动机高速旋转运动变成低速往复直线运动。由活塞带动柱塞，在泵体内作往复运动，完成吸料、加压过程，然后进入集流管。进料管和排料管相通，在料液的排出口装有安全阀，当压力过高时，可使料液回流到进料口。由于曲轴设计为使得连杆相位差为120°，这样可使排出的流量基本平衡。
图1.16 均质机的基本结构
1—主驱动轴；2—V形传动带；3—压力显示；4—曲轴箱；5—柱塞；
6—柱塞密封座；7—固定不锈钢泵体；8—均质阀；9—均质装置；10—液压设置系统
在料液的排出口安装有均质阀。高压液料由集流管输送至均质阀，使料液颗粒度降低、分布均匀。均质阀有两级均质阀及两级调压装置，可完成超微粉碎、乳化等，如图1.17所示。阀中接触料液的材质必须符合无毒、无污染、耐磨、耐冲击及耐腐蚀等条件。现代工业用均质机中大多采用双级均质阀。双级均质阀实际上是由两个单级均质阀串联而成。流体进入均质阀并冲向阀芯，通过一个由阀座与阀芯构成的窄小的缝隙。自隙缝出来的高速流体最后撞在外面的均质环上。例如，当均质牛乳时，一级均质阀往往仅使脂肪颗粒破裂成小滴径的颗粒，但经一级均质后的小液滴并没有均匀分散开来，这些小液滴仍有相互并全成大液滴的可能，因此需要经第2道均质阀的进一步均质处理，这样可使得小乳脂肪颗粒均匀地分布在牛乳中。一般物料经第一级均质阀后总压下降85%～90%，而经第2级均质后压降为10%～15%。
图1.17 二级均质阀
1—一级均质；2—二级均质
2）高压均质机操作与维护
（1）操作
①开机准备
首先检查电动机转动方向和传动箱内润滑油的油位。开启冷却水，保证调压手柄处于旋松完全无压力状态（放松手柄1～2圈），打开进料阀和出料阀。
②启动
启动主电动机，在无负荷的情况下运转几分钟，使设备各部件能充分润滑，同时可将泵体内空气排尽。待出料口出料正常后，旋动调压手柄。先缓慢调节二级调压手柄，再调节一级调压手柄，缓慢将压力调至使用压力。
③关机
先缓慢放松一级调压手柄，再缓慢放松二级调压手柄卸压，当压力为零时再关主电动机，最后关冷却水。
（2）维护
①定期检查油位，以保证润滑油量充足。定期在机体联接轴处加些润滑油，以免缺油，损坏机器。
②启动设备前应检查各紧固件及管路等是否紧固。启动前应先接通冷却水，保证柱塞往复运动时能充分冷却。
③严禁带载启动，工作中严禁断料，设备不得空转。
④调压时，须十分缓慢地加压和泄压。
⑤停机前须用净水洗去工作腔内残液。
⑥不能用高浓度、高黏度的料液来均质。禁止粗硬杂质进入泵体。
1.3.2 高压均质机常见故障分析及排除
1）不出料或流量不足
原因分析：检查是否断料或设备进入空气；检查传动皮带的松紧度；是否所加入的物料黏度太大，流动性差；检查阀芯是否被黏附住；检查密封件是否完好；严重磨损也可能导致流量不足。
故障排除：及时加料，排除漏气处；调紧传动皮带；若物料流动性差可以加压送料或稀释物料后再均质；用工具拨动阀芯；旋紧压紧螺母或更换密封件；研磨修复或更换泵体阀芯或阀座。
2）物料破碎不匀
原因分析：均质压力选择不当；物料未经处理或处理不良；物料配方不当导致破碎不均；阀芯、阀座、阀柱及冲击挡圈磨损也有可能使得物料破碎不匀。
故障排除：按物料性能，选定最佳均质压力和处理工艺；及时调整物料的配方；也可以用300粒以上金刚砂或在磨床上研磨修复磨损零件，或者换上新零件。
3）压力表指针摆幅大
原因分析：物料通道里有空气，缺料或供料不足导致压力不稳；可能是阀杆手柄未旋紧；当有一组或几组阀芯、阀座磨损，或有异物卡住，单向阀关不严时也有可能出现压力表指针摆幅大的情况。
故障排除：将工作阀卸荷，排尽管道内空气，加足物料，放大进料管；旋紧阀杆手柄，但不得太紧，指针应稍有摆动即可；研磨修复或更换阀芯、阀座，若有异物进入则应立刻清洗排除异物。
4）机器有负荷声，但压力表指针上不去
原因分析：压力表损坏；表座内缺少黄油。
故障排除：修复或更换新压力表；将表座内加满黄油。
5）传动部分有撞击声
原因分析：检查是否某处螺钉松动；零件在轴上或轴在机座上松动严重，出现撞击声；零件严重磨损，间隙增大或润滑不好；曲轴左右窜动发出撞击声。
故障排除：拧紧松动的螺钉、螺母；调整并紧固零件位置；更换严重磨损的零件，更换机油或加油；对曲轴端盖加垫调节。
6）油温过高或润滑油呈乳白色
原因分析：冷却水量太大或管路不通使得水槽积水，渗到油箱；润滑油进水失效，导致油温过高；某处油路不通，冷却困难；润滑油中杂质太多。
故障排除：使冷却水量适当；检查进水原因，排除积水；检查并排除不通油路；过滤或换新油。
7）均质压力调不上去
原因分析：检查是否物料流量严重不足，均质阀密封处有杂质或均质阀损坏；弹簧作用力不够；压力表损坏；传动皮带太松。
故障排除：及时充足进料；检查、修复或更换泵体阀件及更换柱塞密封件；检查、修复或更换均质阀件；更换压力表或加注有机硅油；调紧传动皮带。
1.3.3 胶体磨
1）工作原理及特点
胶体磨是一种依靠剪切力作用，使流体物料得到精细粉碎的微粒处理的设备。由一可高速旋转的磨盘（转动件）与一固定的磨面（固定件）所组成。两表面间有可调节的微小间隙，被加工物料通过本身的质量或外部压力加压产生向下的螺旋冲击力，透过定、转齿之间的间隙，从而使物料受到强烈的剪切摩擦和湍动影响，产生微粒化、分散化作用。使物料达到超细粉碎及乳化的效果。
胶体磨结构简单，设备保养维护方便，与高压均质机不同，胶体磨适用于较高黏度以及较大颗粒的物料。但是由于转、定子与物料间高速摩擦，故易摩擦生热，使被处理物料温度升高有可能发生变性；表面较易磨损，而磨损后，会使粉碎效果显著下降。
2）基本结构
胶体磨的形式有立式和卧式两种，如图1.18和图1.19所示。卧式胶体磨转动件随水平轴旋转，固定件与转动件之间的间隙可通过调节转动件的水平位移来调节，间隙通常为50～150μm。料液在重力作用下经旋转中心处流入，经过两磨间夹成的间隙后，由磨盘外侧排出。胶体磨的磨面常见为不锈钢光面，但也有金刚砂毛面，以此可完成对固体粒子的磨碎。卧式胶体磨适用于均质低黏度的物料。立式胶体磨的转动件随垂直轴旋转，其特点是卸料与清洗都比较方便，尤其适合处理黏度较高的物料。
图1.18 胶体磨外形图
图1.19 胶体磨结构简图
1—进料口；2—工作面；3—转动件；4—固定件；5—卸料口；
6—锁紧装置；7—调整环；8—皮带轮
胶体磨在工作的过程中会产生大量的热量，为了控制料温不至于在均质过程中过度升高，胶体磨外壳通常制有夹层，可通冷水入夹层，起到冷却的作用，以保持料温的稳定。
3）胶体磨的操作与维护
（1）胶体磨的操作
①使用前，用手转动胶体磨，检查胶体磨是否灵活，及时更换或补充润滑油。
②胶体磨空转时间不可超过5s，开机前拧下胶体磨泵体的引水螺塞灌注引水。
③同时开启冷却水阀门。
④点动电动机，试看电动机转向是否正确。
⑤开动电动机，调整定转子的加工间隙，调整环顺时针旋转定转子间隙变小，物料粒度变细；调整环逆时针旋转定转子间隙变大，物料粒度变粗。根据加工物料的粒度和产量要求，选择最佳定转子间隙。
⑥胶体磨使用后，应彻底清洗机体内部，勿使物料残留在体内，以免机械密封及其他部件黏结而损坏。
（2）维护
①加工物料绝不允许有石英、碎玻璃、金属屑等硬物质混入其中，否则会损伤动、静磨盘。
②在使用过程中，如发现胶体磨有异常声音应立即停车检查原因。
③胶体磨为高精度机械，运转速度快，线速度高达20m/s，磨片间隙极小，检修后装回必须用百分表校正壳体内表面与主轴的同轴度使误差≤0.5mm。
④修理机械时，在拆开、装回调整过程中，决不允许用铁锤直接敲击，应用木锤或垫上木块轻轻敲击，以免损坏零件。动、静磨片均有拆卸专用工具。
⑤胶体磨在运行过程中，轴承温度不能超过环境温度35℃，最高温度不得超过80℃。
⑥胶体磨长期停用，需将泵全部拆开，擦干水，将转动部位及接合处涂以油脂装好，妥善保管。
1.4 杀菌设备
1.4.1 板式热交换系统
在乳品的加工中板式换热器广泛应用于牛乳的预热、杀菌、冷却和浓缩等热交换操作。板式换热器是通过间接加热的方法来传递热量的，即热介质通过传热壁面将热量传递给冷介质，板式换热器的换热片就是间壁面。例如，在牛乳加热时，一般热介质是水蒸气或热水，冷介质是牛乳，热量通过间壁面从热流体传递到冷流体。
1）板式换热器结构与工作原理
（1）板式换热器结构
板式换热器的结构和外形如图1.20所示。板式换热器由很多具有波纹状花纹的换热片组成，压紧螺杆7通过压紧板将各换热片叠合压紧在框架上，换热片悬挂在导杆6上，由支架3支撑。换热片之间装有橡胶垫圈，以保证密封并使两片间有一定空隙。安装好后换热片上的角孔组成了冷热流体的通道。冷、热流体相间隔地在换热片两面流动换热。拆卸时仅需松开压紧螺杆，沿导杆移开压紧板，即可将换热片拆卸，进行清洗和维修。
图1.20 板式换热器
1—固定板；2—流体1；3—支架；4—压紧板；5—换热片；6—导杆；7—压紧螺杆；8—流体2
换热片是换热器的主要部件，如图1.21（a）所示为不同花纹的波纹板。用不锈钢冲压制成多种形状的与流体流向相垂直的波纹，当流体流过板片间缝隙时可使流体的流向和速度发生多次改变，形成激烈的涡流，从而消除了板片表面的滞流内层，使得板片与流体间的传热效率进一步提高。由于换热片两侧的冷热流体的压力往往不同，为防止热变形，换热片表面压有间隔凸缘，从而增加了板片间的支承点和刚度，并保证了两换热片间的距离。
图1.21 板式换热器的换热片
波纹片的宽度与长度的比值直接关系到流体在进口处扩张、在出口处收缩的情况，以及流体通过整个传热表面的均匀性。为使流体沿片面均匀流动消除死角，流体进入后能够迅速扩展到整个金属片上，片长L与片宽B之比（3～4）∶1较为合适。
（2）工作原理
板式换热器的换热片与压紧板用压紧螺杆叠合压紧，换热片之间用橡胶垫圈在板片的四周密封，使两片间留有一定间隙，改变垫圈的厚度可调整两片之间流体通道的大小。每块换热片上有4个角孔，4孔中只有两个孔可与换热片一侧的流道相通。另两个孔则与换热片另一侧的流道相通。构成流体通道。布置垫圈必须使换热片组合后形成互不相通的冷热流体的两个进出通道，其中每一条通道与两个角孔相通，如图1.21（b）所示。
产品通过一个角孔进入第一个通道，然后垂直流过该通道，再由另一端一个单独的有垫圈的角孔通道流出。角孔通道使产品绕过下一通道进入第3通道。角孔通道使产品交替地流过一个板组。介质在该区段的另一端引入，同样地交替流过板内通道，这样，每一产品的通道两侧都有加热或冷却介质通过。
换热片之间的通道应尽可能地窄，这样可以提高换热效率，但大量的产品流过这些窄通道，流速和压力差将会很大。为了避免这种情况，产品通过换热器可以分成若干支平行的支流。如图1.22所示，冷流体被分成两支平行的液流，在这一阶段中，改变4次方向。而加热介质的通道被分成4支平行液流，改变了两次方向。
图1.22 板式换热器冷热流体流动示意图
板式换热器广泛应用在高温短时和超高温杀菌装置中，有着较多的优点。首先，板式换热器传热效率较高，热量利用率高，便于热量的回收，结构紧凑，占地面积小，这是板式换热器最突出的优点之一。其次，有较大的适应性，可通过增减换热片的片数，改变片的组合等方式适应不同的生产要求，同时，适宜于处理热敏感物料。最后，设备各部件拆卸安装简单故便于拆开清洗和维修。但板式换热器最大的缺点就是橡胶垫圈易老化，尤其是工作温度高时，易出现垫圈变长，从换热片上脱落的现象。在正常生产情况下，一般3个月更换一次垫圈。
2）板式换热器的操作与维护
①定期检查各换热片是否清洁，是否有沉积物、结焦水锈层等结垢附着，并及时清洗。
②安装换热片时，应先在压紧螺母和导杆上加润滑油脂进行润滑，并将换热片按编号顺序安装。每次重新压紧换热片时，需注意上一次压紧位置，切勿使橡胶垫圈受压过度，以致减少垫圈使用寿命。
③定期检查各换热片与橡胶垫圈的黏合是否紧密、橡胶圈本身是否完好，以免橡胶垫圈脱胶与损坏而引起漏泄。
④更换换热片橡胶垫圈时，需将该段全部更新，以免各片间隙不均，影响传热效果。
⑤当更换橡胶垫圈时，将换热片取下，把旧垫圈拆下，将换热片凹槽的胶水痕迹用细砂纸擦尽，再用四氯化碳或三氯乙烯等溶剂把凹槽内的油迹擦尽，再把新橡胶垫圈的背部用细砂纸擦毛，同样用上述两种溶剂把油迹擦尽。然后在凹槽和橡胶垫圈背面均薄薄敷上一层胶水，稍干一下，不黏手指为度，将橡胶垫圈嵌入槽内，四周压平后再敷上一层滑石粉，然后将换热片装上设备机架轻轻夹紧，待粘牢固后即可使用。
⑥使用前可先用清水循环试验，可能有轻微泄漏，当温度升到杀菌温度时，泄漏将自行消失。若泄漏仍不停止，可将压紧装置稍微压紧。如压紧后仍然有泄漏，则需将换热片拆卸，检查橡胶密封圈。
⑦使用中应保持蒸气压力稳定，以保证产品的质量。杀菌结束后，应用热水对杀菌装置进行清洗。
⑧设备停车时，首先关闭蒸汽总阀及热水泵，再关闭物料泵，最后关闭电源总开关。
1.4.2 管式超高温灭菌装置
管式换热器也广泛地应用于乳制品的巴氏杀菌和超高温杀菌中，与板式换热器不同的是管式换热器在产品通道上没有接触点，因此可用于处理含有一定颗粒的物料，颗粒的最大直径取决于管子的直径。但是从热传递的角度来看，管式换热器的传热面积小，传热效率没有板式换热器的传热效率高。在UHT处理中，管式换热器要比板式换热器运行的时间长。管式换热器包括两种类型，即中心套管式换热器和壳管式换热器。
1）中心套管式换热器
中心套管式换热器的传热面，如图1.23所示，包含一系列不同直径的管子。这些管子同心安装在顶盖1两端的轴线上，管子通过两个O形环2密封在顶盖上，又通过一个轴向压紧螺母3将其安装成一个整体。两种热交换介质以逆流的方式交替地流过同心管的环形通道。最外侧的通道流过的是所提供的介质。顶盖的两端既是分布器，又是收集器。它将一种介质引入一组通道，又从另一端排出。波纹状构造的管子保证了两种介质的紊流状态，以实现最大的传热效率。可使用这种类型的管式换热器直接加热产品，进行产品热回收。
图1.23 中心套管式换热器
1—顶盖；2—O形环；3—末端螺母
2）壳管式换热器
壳管式换热器是指在两个同心通道之间密闭了一条环状的产品通道。壳管式热交换器是基于传统的列管式换热器的原理，其产品流过一组平行的通道，提供的介质围绕在管子的周围，通过管子和壳体上的螺旋波纹，产生紊流，实现有效地传热。该交换器的传热面是一组平行的波纹管或是光滑管。这些管子焊接在管板的两端，如图1.24所示。管板与出口的管壳通过一个双O形环密封2。这种设计可以通过旋开末端的螺栓，将产品管道从管壳中取出，这部分是可拆的，以便于检查。活动头设计减缓了热膨胀的影响，而且还可将管壳中的产品管束进行不同的组合，以适应不同的应用场合。单管是指只有一个进口管允许粒径小于50mm的颗粒物料通过。壳管式换热器非常适合用于高压、高温状况下的物料加工。在实际生产时，可根据需要将管式换热器组装成如图1.25所示的紧凑结构。
图1.24 壳管式换热器的末端
1—被冷却介质包围的产品管束；2—双O形密封
图1.25 组装成紧凑结构的管式换热器
1.4.3 直接加热超高温灭菌系统
直接加热系统是指料液在最后的灭菌阶段与蒸汽在一定的压力下混合。在混合过程中，蒸气释放出潜热将料液快速加热至灭菌温度。直接加热系统加热料液的速度比其他任何间接加热系统都要快。为了达到与加热速度相同的冷却速度，灭菌后，料液经真空室去除水分，水分蒸发时吸收相同的潜热使料液瞬间被冷却。
根据牛乳与蒸气混合方式不同，可将直接超高温加热系统分为注入式和喷射式。其中注入式的基本原理是加压容器内充满了达到灭菌温度的蒸气，牛乳从顶部喷入通过蒸气层得到加热，蒸气随之冷凝，到底部时牛乳达到灭菌温度，此种直接加热方式称注入式，原理如图1.26（a）所示。生产时乳滴尺寸必须均匀，以保证换热均匀。
喷射式就是将高于产品压力的蒸汽通过喷嘴喷入产品中，使得蒸气冷凝放热，产品吸热而温度升高至所需温度，如图1.26（b）所示。
图1.26 注入式和喷射式加热系统
蒸气喷射器是蒸汽喷射式系统的核心器件，蒸汽喷射器需满足以下3点要求：首先，能使蒸汽快速冷凝，并防止不冷凝蒸汽气泡进入保温管，导致传热效率降低。其次，应尽量降低料液与蒸气间的压力差；最后，蒸汽喷射器的设计必须尽量减少料液与蒸气间的间接传热。
图1.27 直接蒸汽喷射式超高温加热杀菌装置示意图
1—输送泵；2—第一预热器；3—第二预热器；4、7—乳泵；5—直接蒸汽喷射器；6—真空室；
8—无菌均质机；9—无菌冷却器；10—冷凝器；11—高压蒸汽；12—二次蒸汽；13—冷却水
如图1.27所示为直接蒸汽喷射式超高温加热杀菌装置工作流程图。原料乳通过第一预热器和第二预热器温度升高至75～85℃。然后由泵4将牛乳送入蒸汽喷射器5，并喷入0.9MPa的高压热蒸气，牛乳与蒸汽进行直接传热，从而牛乳的温度瞬间升高至150℃左右。牛乳在管道保温2～3s后，喷入真空室6，牛乳在真空室急剧蒸发，使牛乳温度迅速降 至80℃左右。当牛乳与蒸气进行直接换热时，加热蒸气直接混入牛乳中使得水分增加，对料液产生冲击现象，从而给牛乳带来异味。但是随后牛乳进入真空室6中，牛乳瞬间闪蒸出大量水蒸气，牛乳又恢复到原来的浓度，由于水分汽化是吸热过程，因此牛乳的温度也急剧下降。同时真空也有脱臭作用，使牛乳的异味消除。在第一预热器对原料乳进行预热的热介质是真空室排出的二次蒸气，这样也提高了热能利用率。降温后的乳液由乳泵送至无菌均质机8均质，最后经无菌冷却器冷却至20℃以下，可直接进行无菌灌装。
1.5 真空浓缩设备
浓缩是从溶液中除去部分溶剂的单元操作，是溶质和溶剂均匀混合液部分分离的过程。蒸发浓缩在食品加工中应用最为广泛。例如，浓缩果蔬汁、炼乳和乳粉等食品的加工中真空浓缩设备是生产必需的设备。
在食品加工中，液体物料浓缩的目的主要是：减少干燥费用，如制造奶粉时，牛奶先经预浓缩至固形物45%～52%以后再进行干燥；增加物料的结晶；减少体积和质量从而减少贮藏和运输费用；降低水分活性，以增加食品的微生物及化学方面的稳定性，增加制品的保藏性；从废液中回收副产品。
1.5.1 真空浓缩设备的原理与分类
1）真空浓缩的原理
加热溶液时溶剂分子获得动能，当部分溶剂分子获得的能量足以克服分子间的吸引力时，溶剂分子会离开液面成为蒸气分子。蒸发浓缩过程的完成必须同时具备两个条件，首先热能的不断供给，以维持沸腾的温度、补充因溶剂汽化所带走的热量和设备消耗的热量等；其次溶剂蒸气的排除，保证水分迅速蒸发汽化，最终提高产品的浓度。如图1.28所示为蒸发的一般原理，通过热蒸气对间壁持续加热从而使另一侧的液体不断蒸发，实现浓缩操作。
图1.28 蒸发的一般原理
若热能不间断供给，溶剂蒸气不断排除，则溶剂的汽化过程会持续进行。由于用于食品加工的液体原料及半成品含有大量水分，占原料的75%以上，而糖类、蛋白质、维生素等营养成分及风味物质只占5%～10%，食品物料中的营养物质使得物料具有了热敏性、腐蚀性、黏稠性、结垢性、泡沫性和易挥发性等特点。因此，食品工业中广泛应用真空蒸发进行浓缩操作，即真空浓缩设备是在18～8kPa的低压状态下，以蒸汽间接加热的方式对料液加热，使得物料在低温下沸腾蒸发，从而减少了对食品物料营养和风味等方面的影响。
2）真空浓缩设备的分类
真空浓缩设备的种类很多，一般有以下3种分类方式：
（1）根据蒸气利用的次数不同分类
根据蒸气利用的次数不同，可分为单效浓缩设备和多效浓缩设备。
所谓单效真空浓缩，就是二次蒸气直接冷凝，不再利用其冷凝热的蒸发浓缩操作过程，通常由一台浓缩锅和冷凝器及抽真空装置组合而成。料液进入浓缩锅后，加热蒸气对料液进行加热浓缩，二次蒸气进入冷凝器冷凝，不凝结气体由真空装置抽出，使整个浓缩装置处于真空状态。料液根据工艺要求的浓度，可间歇或连续排出。
多效真空浓缩则是将二次蒸气引到下一浓缩器作为加热蒸气，再利用其冷凝热的蒸发浓缩操作过程。常用的流程有顺流法（并流法）、逆流法、平流法及混流法。
（2）根据料液的流程不同分类
根据料液的流程不同，可分为单程式（料液经一次浓缩即出料）和循环式（包括自然循环和强制循环）。
（3）根据料液分布状态不同分类
根据料液分布状态不同，可分为薄膜式和非膜式。薄膜式就是将物料分散成薄膜状，蒸发面大，蒸发快。它分为升膜式、降膜式、升降膜式、片式、刮板式和离心式薄膜蒸发器。而非膜式浓缩设备蒸发时，料液在蒸发器内聚集，料液作翻滚和流动，形成大蒸发面。若在料液管路中流动，管路又分为盘管式浓缩器、中央循环管式浓缩器。
1.5.2 真空浓缩设备操作流程
1）单效真空浓缩设备操作流程
图1.29 单效蒸发流程图
1—加热管；2—加热室；3—中央循环管；4—蒸发室；5—除沫器；6—冷凝器
所谓单效蒸发，是指物料在蒸发室内蒸发，产生的二次蒸气不再加以利用直接送入冷凝器。如图1.29、图1.30所示为料液单效蒸发流程图与外形图。料液经预热后加至蒸发器，蒸发器的下部为加热室，由许多加热管组成，而加热管外是加热蒸气对管内料液进行传热，并使之沸腾汽化，水分不断蒸发，浓缩液从蒸发器底部排出。蒸发室在蒸发器的上部，汽化产生的蒸气在蒸发室和顶部的除沫器中将其夹带的液沫进行分离，然后送往冷凝器被冷凝除去。
图1.30 单效蒸发设备外形图
2）多效真空浓缩设备操作流程
按照加料方式的不同，常用的流程有顺流法（并流法）、逆流法和平流法。
（1）顺流法
料液与加热蒸气流动方向相同，均由第一效顺序流至末效。如图1.31所示，蒸发室压力由一效至末效依次递减，由于压力差的存在，故料液在效间流动不需用泵输送。料液沸点依效序递降，因而当前效料液进入后效时便会发生闪蒸现象，产生更多蒸气。由于后效溶液浓度较前效大，且温度低，使传热系数降低。因此不适合成品黏度高的物料，但高浓度料液在低温下浓缩，对于热敏食品是有利的。
图1.31 顺流多效蒸发流程图
（2）逆流法
如图1.32所示，料液与蒸气进入浓缩装置的流动方向相反，即原料液由末效进入，依次由泵输送进入前效，最终成品由第一效排出。蒸气由第一效顺序送入末效，最后进入冷凝器。随着料液向前效流动，浓度越来越高，沸点也越来越高，故黏度增加并不十分显著。这有利于提高传热系数。但效间料液流动要用泵，与顺流法蒸发相比，水分蒸发量稍减。适宜处理黏度随温度和浓度变化较大的溶液，不宜处理热敏性物料。
图1.32 逆流多效蒸发流程图
（3）平流法
如图1.33所示，平流法是将原料液同时加入每效，而浓缩液也每效各自排出。加热蒸气的流向仍是由第一效顺序流动至末效，蒸气的流向由第一效至末效依次流动。此流程适用于在蒸发过程中伴有结晶析出的溶液。
图1.33 平流多效蒸发流程图
1.5.3 真空浓缩设备的结构与工作原理
1）升膜式真空浓缩设备
薄膜式浓缩器可使料液沿管壁或器壁分散成液膜流动，以增加蒸发面积，提高浓缩效率。常用的薄膜式浓缩器有升膜式和降膜式两种。
（1）主要结构与工作原理
升膜式浓缩器的结构如图1.34所示。它主要由加热器、分离器和循环管等部分组成。工作时，料液先预热至沸点或者接近沸点后，自加热器底部进入管内，其在加热管内的液位占全部管长的1/5～1/4。加热器由多根垂直管束组成。管径一般为30～50mm，为使加热面供应足够成膜的气流，管长与管径之比应为100～150。加热蒸气在管间流动，将热量传给管内的料液。料液被加热沸腾后迅速汽化，进入管中间部开始产生蒸气泡，使料液产生上升力，所产生的二次蒸气在管内高速上升，将料液挤向管壁，料液呈薄膜状在管内上行。在减压真空状态下，二次蒸气上升速度可达100～160m/s。料液被高速上升的二次蒸气带动，沿管内壁形成薄膜上升并不断被加热蒸发，料液从加热器底部至加热管顶部出口处逐渐被浓缩，到管顶部呈喷雾状，沿切线方向高速进入分离器，在离心力作用下与二次蒸气分离，二次蒸气从分离器顶部排出，浓缩液达到浓度要求从分离器底部排出。如若完成液未达到要求浓度可经循环管送回蒸发器底部重新进行蒸发。
升膜式浓缩器属于自然循环式浓缩设备。这种浓缩设备的主要优点是：设备占地面积小，管内静液面低，由静压头产生的沸点升高很小，提高了加热蒸气与料液间的温度差，增加了传热量，加快了蒸发速率；工作时料液沿管壁成膜状流动，进行连续传热蒸发，料液在浓缩器停留时间较短，适合于热敏性制品浓缩，相应缩短了料液受热时间，故蒸发时间短，为几秒至十余秒；由于料液在管内速度较高，适用于易起泡沫的物料。升膜式设备的不足有：料液薄膜在管内上升时要克服重力与管壁的摩擦阻力，故不适用于黏度大的物料。同时，由于加热管长，导致清洗不便。
图1.34 升膜式浓缩器
1—蒸气进口；2—加热室；3—料液进口；4—冷凝水出口；5—循环管；
6—浓缩液出口；7—分离室；8—二次蒸气出口
（2）升膜式真空浓缩设备的操作与维护
①料液应先预热到沸点状态进入加热器内，以增加液膜比例，提高沸腾和传热系数；
②升膜式浓缩器使用时，要注意控制进料量，一般经过一次浓缩的蒸发水分量，不能大于进料量的80%。如果进料量过多，加热蒸气不足，则管的下部积液过多，会形成液柱上升而不能形成液膜，使传热效果大大降低。但如果进料量过少，会产生管壁结焦现象。
③开始工作时，先使料液自加热器底部进入，等料液喷出后即可稍开启加热蒸气阀，随后稍减少蒸气量。
2）降膜式真空浓缩设备
（1）降膜式真空浓缩设备的结构与工作原理
降膜式真空浓缩设备的结构如图1.35所示，它与升膜式浓缩设备基本相似，主要区别在于其加热器顶部有降膜分配器，其主要作用是使料液均匀分布于加热管内，并沿管内壁流动。工作时，料液从加热器的顶部加入，经分配器导流管分配进入加热管，在重力作用下，料液沿管壁呈膜状向下流动。蒸气在管外流动，对料液进行加热。料液在管内向下流动过程中气液混合物进入蒸发分离室后进行分离，二次蒸气由分离室顶部排出，浓缩液由底部排出。
图1.35 降膜式浓缩设备
1—料液进口；2—蒸气进口；3—加热室；4—二次蒸气出口；5—蒸发分离室；
6—浓缩液出口；7—冷凝水出口
降膜式浓缩设备的优点有：占地面积小，传热效率高；料液在加热管表面形成膜状，传热系数高，并可避免泡沫的形成，适合于易产生泡沫的物料，由于料液受热时间短，有利于对食品营养成分的保护。但是由于降膜式浓缩设备进料时，料液由上管口进入，虽然每根管上端进口处装有分配器，但由于料液液位的变化，影响薄膜的形成及厚度的变化，甚至会使加热管内表面暴露而结焦，导致清洗困难，故不适合浓缩高浓度和黏度较高的物料。
为了使料液均匀分布于加热管内，并沿管内壁流动，在管的顶部或管内装有分配器。分配器对提高传热有明显作用，不但影响到设备的传热效果、蒸发能力和操作的稳定性，而且还会影响到产品的质量，其结构形式有多种。如图1.36所示为4种常用的料液分配器。
图1.36 料液分配器
1—导流管；2—液面；3—传热管；4—分配板
①螺旋式。使液体沿管内壁周围均匀旋转而下，同时可增加流速，减薄加热表面的边界层，降低热阻，提高传热系数。
②圆锥式。在每一根加热管的上端管口插入一根底部内凹的圆锥形导流棒，棒底与管壁有一定的均匀间隙，液体在此均匀环形间隙中流入加热管内壁，形成薄膜，从而使料液分布均匀。
③多孔板式。即料液通过多孔的分配板上的小孔流下进入管内。
④齿缝式。具有锯齿形缘口的导流管，将加热管的上方管口周边切成锯齿形，以增加液体的溢流周边，同时由于加热管口高度一致，使液体沿周边均匀地溢流而下。当液位稍有变化时，不致引起很大的溢流差别，但当液位变化较大时，液体的分布不能控制均匀。
（2）真空浓缩装置
从产品产生的二次蒸气被压缩，用作加热介质，这样也可提高蒸发器的热效率，一般压缩二次蒸气的方法有两种，即蒸气喷射再压缩法（即热再压缩法）和机械再压缩法。蒸气喷射再压缩是利用热压缩器混合生蒸气和从产品中出来的二次蒸气，并把混合物压缩到较高的压力。多效蒸发器与热压缩器共同使用可以使热效率达到最高。机械再压缩蒸发是利用机械压缩机的绝热压缩实现热效率的提高，压力的增加是通过机械能驱动压缩机来完成的。在机械式蒸气压缩过程中，所有的蒸气在蒸发器里循环，从而能高度回收热能。
如图1.37所示的是同时带机械压缩机和热压缩机的三效蒸发器。压缩蒸气从压缩机1回到一效蒸发器加热产品，从一效出来的蒸气用来加热二效的产品，从二效出来的蒸气用来加热三效的产品，以此类推。压缩机1把从三效分离器出来的二次蒸气压力从20kPa升高到32kPa，把温度从60℃提高到71℃。71℃的温度在一效蒸发器里不足以消毒产品，因此，实际生产中需要在一效前面安装热压缩器10以提高蒸气温度。机械式压缩法所用的压缩机可以是正位移式或离心式，对于中小型设备宜采用罗茨式压缩机。
图1.37 带机械式蒸气压缩机的三效蒸发器
1—机械压缩机；2—真空泵；3—机械式蒸气压缩机；4—第一效；5—第二效；6—第三效；
7—蒸气分离器；8—板式换热器；9—板式换热器；10—热压缩器
（3）降膜式真空浓缩设备操作与维护
①降膜式真空浓缩设备使用前，应检查设备安装的正确性、精密度和蒸发器体的垂直度。若降膜管与水平面不垂直，就会引起偏流，使降膜管内形成的液膜厚度不均匀，出现焦管现象。
②先开启真空泵及冷凝水排出泵，并输入冷却水。
③开启进料泵，使料液自加热器顶部进入，当分离器切线口有料液喷出时，可开启加热蒸气，必要时还需进行压气。
④当蒸发开始或操作正常后，开启热压泵，待浓度达到要求，即可开始出料。
⑤生产过程中不能随意中断生产，否则容易结垢或结晶，发生焦管现象。由于加热管较长，如有结焦则清洗困难，不适宜于浓度高、黏度大的物料。
3）板式真空浓缩设备
（1）板式真空浓缩设备的主要结构与工作原理
板式蒸发器如图1.38所示，主要由板式换热片、分界板、导杆、压紧板、支架、压紧螺杆、密封垫圈及温度控制装置等部分组成，也是一种薄膜蒸发器。其中，板式换热片用不锈钢冲压而成，其上具有许多花纹，板厚1～1.5mm，片的四周用橡胶垫圈密封，同时片与片之间形成流体的通道，分别相间隔地流动着蒸气与料液，通过金属板进行热交换，将物料加热蒸发。一般由4片传热板组成一组，即每组由蒸气段—物料升膜段—蒸气段—物料降膜段组成。
图1.38 单段板式蒸发器
1—分配管的喷头；2—导杆；3—板式换热片；4—压紧螺杆；5—压紧板；6—支架；7—蒸气分离器
板式浓缩设备工作时的蒸气与料液流动方向如图1.39所示。加热板4片一组，料液由泵强制通入加热器体，料液在片1与片2之间上升呈升膜流动，然后从片3与片4之间下降呈降膜流动。而加热蒸气则在片2，3和1，4之间流动冷凝，蒸气将热量通过片壁传递给料液，料液吸收热量后变为二次蒸气与浓缩液，一起进入底部通道，引入蒸发分离器进行分离。板组的数目可以视生产的需要而变动。离开板组的气液混合物进入蒸气分离器分离。
图1.39 蒸气与物料流动方向
a—蒸气；b—进料；c—冷凝水；d—二次蒸气与浓缩引向分离器
板式浓缩器的优点是：结构紧凑，节省材料。由于流体在板间形成湍流，热阻小，故板式浓缩设备传热系数高，热效率高。同时，加热面积可随意调整来满足不同的生产能力的需要。易实现自动化连续生产，便于清洗。板式蒸发浓缩设备的造价也较为便宜，而且其生产成本也比其他换热器低得多。但是板式蒸发器的使用有局限性，由于换热片之间是由密封垫片密封，因此需要经常拆卸和清洗，容易造成泄漏、脱垫、伸长变形、老化和断裂。同时，操作温度、压力也受到限制。
（2）板式浓缩设备的使用与维护
①按照要求进行组装。安装前将板片处理干净，检查密封垫圈是否完好，按顺序悬挂，保证孔对正，板片均匀压紧，一般压紧至规定尺寸，以不泄漏为宜，不宜压得过紧。设备必须调整水平，否则会使料液不能均匀分布于板片表面，影响正常加热，甚至造成加热表面结焦。
②使用前，要进行试压和消毒，检查有无泄漏，然后通入高压蒸气消毒。
③正常工作中，应控制好压力和流量，开始时，输出的流体温度可能不符合要求，待温度正常后，方可投入运行。运行中维持适当的压力和流量，减少波动。
④停车时，应先停止高温流体的流动，再停止低温流体的流动，直到换热器内的流体流尽。
⑤生产完毕需根据生产物料性质进行彻底清洗。
⑥定期检查各传热板的几何尺寸及清洁情况，同时检查各密封垫圈的密封性能，密封垫圈应定期进行更换。
1.5.4 浓缩附属设备
真空浓缩装置的附属设备主要包括：气液分离器、蒸气冷凝器及抽真空系统。
1）气液分离器
气液分离器也称捕集器、捕沫器、除沫器等。一般安装在浓缩装置的顶部或侧部。其功用是将蒸发浓缩过程中夹带的细微液滴与二次蒸气分离，减少料液的损失，同时防止管道及其他浓缩器加热面的污染。气液分离器有惯性型分离器、离心型分离器和表面型分离器等类型。
（1）惯性型（碰撞型）气液分离器
惯性型气液分离器的结构如图1.40（a）、（b）所示。其工作原理是：在二次蒸气流经的通道上设置若干挡板，使带有液滴的二次蒸气通过时多次突然改变流动方向，并与挡板碰撞，液滴惯性大，在突然改变方向时，碰撞在挡板上，沿挡板流下从而与气体分离。为了提高分离效果，一般惯性型气液分离器的直径比二次蒸气的直径大2.5～3倍时效果较好，但阻力损失却较大。
（2）离心型气液分离器
离心型气液分离器的形状结构如图1.40（c）所示。带有液滴的二次蒸气沿分离器内壁切线方向进入，气液混合物作回转运动，液滴在离心力的作用下被甩至分离器的内壁，并沿内壁流下至蒸发室。二次蒸气由顶部排出，在蒸气速度较大时操作性能较好。
（3）表面型（过滤型）气液分离器
表面型气液分离器的结构如图1.40（d），（e）所示。二次蒸气通过分离器中的多层金属网或磁圈等结构，从而液滴黏附在其表面而二次蒸气则可通过，从而达到分离的目的。其特点是气流速度小，阻力损失小，但缺点是由于填料及金属网不易清洗，因此在食品工业中应用不多。
图1.40 气液分离器
（a），（b）惯性型气液分离器 （c）离心型气液分离器 （d），（e）表面型气液分离器
1—蒸气进口；2—料液回流口；3—二次蒸气出口；4—真空解除阀；5—视孔；
6—折流板；7—排液口；8—挡板
2）冷凝器
冷凝器的主要作用是将真空浓缩所产生的二次蒸气进行冷凝，并将其中的不凝气体（如空气、二氧化碳等）分离，便于抽真空装置抽出，以减轻抽真空系统的容积负荷，并保证工作所需的真空度。冷凝器按冷凝方式可分为表面式和接触式冷凝器。其中，表面式即蒸气与冷水不直接接触，即间壁式换热器。一般情况下，除非冷凝液具有回收价值，否则冷却水的使用是不经济的，故这种形式使用较少。而接触式又称混合式，蒸气与冷水直接混合。由于该种形式结构简单，传热效率高，较为经济，因此，蒸发操作中常采用这种汽液直接接触的冷凝器来冷凝二次蒸气。下面就介绍较为常用的直接接触式冷凝器。
（1）水力喷射器
水力喷射器主要由喷嘴、吸气室、混合室和扩散室等部分组成，兼有冷凝和抽真空两种作用。如图1.41所示，其中喷嘴是水力喷射器的关键零件，喷嘴的大小与冷凝器的冷凝能力、吸入冷水的水质有关。工作时，由离心泵将水压入喷嘴，由于喷嘴处的断面积突然变小，水流以高速从喷嘴处射出，射入混合室及扩散室，这样，在喷嘴出口处便形成负压区，不断将二次蒸气吸入，由于二次蒸气与冷却水间有温差，二次蒸气与冷水进行热交换，二次蒸气凝结为冷凝水，同时夹带不凝性气体，随冷水一起排出，这样既达到冷凝效果，又可起到抽真空的作用。
喷嘴排列是否恰当，对抽气效果有很大影响。喷嘴的大小与冷凝器的冷凝能力以及吸入冷水的水质有关。当水质较好、冷凝能力较小时，可采用直径较小的喷嘴，反之应采用直径较大的喷嘴。一般喷嘴以一定倾斜角度，按同心圆排列1～3圈，喷嘴直径以16～20mm为宜。喉部直径大小与操作要求的真空度有关，通常喉部截面积与喷嘴出口总截面积之比为3～4。为避免高压水流的冲击，在吸气室内装有导向盘，可起到缓冲和分配水流的作用。
图1.41 水力喷射器
1—顶盖；2—喷嘴；3—喷嘴托板；4—导向盘；5—喷射器体；6—扩散管
（2）孔板式冷凝器
孔板式冷凝器如图1.42（a）所示。其中，装有若干块淋水板，每个淋水板上均匀地钻有很多小的淋水孔。淋水板交替放置，冷却水自上方引入，顺次经板孔顺流而下，形成雨滴滴下，同时还经淋水板边缘泛流而下。蒸气则自下方进入，与冷却水逆流接触而被冷凝。进入的冷却水与蒸气进行热交换后，从下方尾管排出。不凝结气体和水气混合物自上方排出。
图1.42 混合式冷凝器
1—冷水入口；2—不凝气体排出口；3—蒸气入口；4—孔板；5—填料
（3）填料式冷凝器
如图1.42（b）所示，冷却水从上部喷淋而下，与上升的蒸气在填料层内接触。填料层由许多空心圆柱形的填料环或其他填料充填而成，形成两种流体的接触面。不凝结气体则由顶部排出，混合冷凝后的冷凝水由底部引出。
3）真空装置
抽真空装置主要作用就是抽取不凝结气体，降低浓缩锅内的压力，保证整个浓缩系统处于真空状态。从而使料液在低温下沸腾，有利于提高食品的质量。浓缩装置中的不凝结气体主要来自于溶解在冷却水中的空气、料液受热后分解出来的气体、设备泄漏进来的气体等。常用的真空装置有水环式真空泵、往复式真空泵及喷射式真空泵等。这里简单介绍常用的水环式真空泵的工作原理。
水环式真空泵其主要结构是由泵体、叶轮和泵壳组成的工作室。叶轮呈放射状均匀分布，偏心安装于工作室内。开机前先向泵内灌入一半的水（见图1.43），当叶轮高速旋转时，泵内的水被甩至工作室内壁形成一个旋转水环，水环外部表面与泵壳相切。沿箭头方向旋转的叶轮在前半转中，水环的内表面逐渐向外移动与轮毂逐渐分开一定距离，叶片与水环间空隙逐渐扩大形成真空，因此，从镰刀形吸气口中气体被吸入。当在后半转中，旋转水环内表面逐渐与轮毂接近，叶片间空隙逐渐减小，抽进的气体被压缩并从另一侧镰刀形排气口中排出。叶轮每转一周，两个叶片间的容积周期性的改变一次，从而可以连续不断地抽吸和排出气体，达到抽真空的目的。
图1.43 水环式真空泵
1—叶轮；2—水环；3—进气管；4—吸气口；5—排气口；6—排气管
水环式真空泵结构简单，易于制造，操作可靠，转速较高，可与电动机直联，内部不需润滑，可使排出气体免受污染，排气量较均匀，可用来抽吸空气和其他无腐蚀性、不溶于水的气体，工作平稳可靠。但因高速运转，水的冲击使叶轮与轮壳磨损，造成真空度下降，需经常更换零件。
1.5.5 真空浓缩设备的常见故障及排除
1）真空度过低
真空度过低使浓缩液的沸点和二次蒸气的温度升高，传热量减少，蒸气蒸发速度减缓，料液加热温度升高，影响有效成分的保存。
原因分析：浓缩设备泄漏，各连接件泄漏渗入空气，空气渗入使真空设备增加了额外负担；冷却水量不足，二次蒸气不能及时冷凝；冷却水的进水温度过高，浓缩加热产生的大量二次蒸气不能及时得到冷凝；加热蒸气压力过高使浓缩设备蒸发速率迅速升高，产生了大量的二次蒸气，使真空度逐步降低；真空设备有故障，用于浓缩生产的真空泵有故障使抽气速率下降。
排除办法：检查浓缩设备各连接件是否有泄漏；检查冷却水泵；检查管道是否堵塞、阀门是否损坏；降低冷却水温度；降低加热蒸气压力，减少加热蒸气流量；停车检查真空设备；若使用水力喷射器，查看喷嘴是否阻塞。
2）真空度过高
原因分析：浓缩设备冷却水的进水温度过低；由于加热蒸气使用压力过低或者蒸气流量不足，使蒸发速率大大降低；分离室故障，或加热蒸气品质差，蒸气管道保温不良，会使加热器内出现积水，使真空度过高；加热器故障；加热器表面的严重结焦，使蒸发速率降低。
排除方法：增加冷却水的进水温度；适当增加加热蒸气压力或者提高蒸气流量；选择适当的汽水分离器，检查分离器是否堵塞；保证加热蒸气品质和蒸气管道保温效果；尽量避免加热器表面的结焦，及时清理。
3）冷却水倒灌入浓缩设备
原因分析：设备突然停止运行、突然停电使锅内真空度高于真空系统；操作失误未按正常顺序操作；真空设备故障，真空设备的突然故障使真空系统抽气速率突然急剧下降。
排除方法：突然停机时，及时关闭蒸气，防止锅内真空度过高；应按正常顺序进行开机和停机操作；若真空设备突然故障，及时调整锅内真空度。
4）加热器表面结焦
原因分析：进料量过少或蒸气温度、压力过高，加热表面未被物料全部浸没而即开启蒸气阀门，使加热表面裸露而结焦；当运行中供料中断以及生产过程中加热蒸气压力、温度的突然升高或者操作条件的突然变化；不按停车顺序进行操作；停车时未先关闭加热蒸气阀门而先破坏真空，使物料液位下跌，造成加热面裸露而结焦。
排除方法：待加热表面被物料全部浸没后再开启蒸气阀门；停车时先关闭加热蒸气阀门再先破坏真空；运行中维持供料稳定，生产过程中确保加热蒸气压力、温度维持稳定。
5）跑料
原因分析：启动操作时一次进料量过多，使分离器内料液液位过高，造成压气操作困难而易产生跑料；实际操作中真空度过高或者真空度突然升高；间歇操作浓缩设备底部或者升（降）膜式浓缩设备底部泄漏，使料液跳动严重而外溢；连续式设备中出料突然中断，会使料液液面上升而产生跑料。
排除方法：在正常操作中，进料量不应大于出料量和蒸发水分之和；真空度维持在适当水平，避免波动；维持出料通畅。
1.6 喷雾干燥设备
喷雾干燥是利用雾化器将溶液、乳浊液、悬浊液或含有水分的膏糊状物料在热风中喷雾成细小的液滴，在液滴下落的过程中，水分被蒸发而成为粉末状或颗粒状的产品。喷雾干燥广泛应用于奶粉、蛋类、咖啡、香辛料的浸出液加工，而且，在果蔬汁、合成食用香料、油脂、酱油以及很多液态食品粉末化生产中也广泛应用。
1.6.1 喷雾干燥基本原理
喷雾干燥是使物料在机械力的作用下，用雾化器雾化成直径为10～100μm的雾滴，从而增大制品的表面积，每升乳液经雾化后，其表面积可达到100～600m2，并与干燥介质充分接触，使物料中的水分瞬间蒸发，从而迅速脱水干燥，经15～30s，就可得到符合要求的粉状、颗粒状干制品。
喷雾干燥可分为3个过程：首先，使物料分散为细小的雾滴，将洁净的干燥空气，由加热器加热到100℃以上吹入干燥室中，同时将经浓缩的原料送至干燥室内的雾化器进行雾化。然后，使雾滴与干燥介质充分接触，物料中的水分迅速蒸发，液体小雾滴瞬时变为固体小颗粒。最后，将干燥后的小颗粒与干燥介质充分分离，在干燥过程中被废气夹带的微粉可通过分离装置回收。
喷雾干燥前，根据原料性质和对产品的要求不同，原料需进行适当预处理。例如，若物料含水量大，应先进行浓缩处理；原料若为悬浮液，喷雾时需搅拌均匀，滤去悬浮杂质，等等。适当的预处理可节省能源，提高产品质量。
1.6.2 喷雾干燥典型工艺流程
喷雾干燥典型工艺流程如图1.44所示。物料首先由泵泵入塔顶内部的雾化器，雾化后与同时进入的热风进行充分的热交换，雾滴在干燥室内与热空气相遇，以并流方式自上而下运动，水分蒸发。颗粒落入塔底的锥形部分，由星形阀排出干燥塔。
工作时，新鲜的空气经空气过滤器除去杂质后，被进风机送入空气加热器加热至130～160℃，送到热空气分配室，经塔顶的热风分布器均匀的吹入塔内，与雾化器形成的雾滴进行充分的热交换，蒸发出来的水蒸气及热风形成废气，带着细粉的废气进入旋风分离器，细粉被旋风分离器回收，废气通过排风机排出。由旋风分离器回收的细粉经下部的鼓形阀排出。
图1.44 喷雾干燥设备流程
1—高压泵；2—雾化器；3—干燥室；4—风机；
5—旋风分离器；6—空气加热器；7—空气过滤器
1.6.3 喷雾干燥设备的主要结构
喷雾干燥系统根据工艺的需要，喷雾干燥系统的组成会有一些不同，但其基本组成为雾化系统、送风系统、干燥室、产品收集系统、废气排放及微粉回收系统、系统控制装置及废热回收装置。
1）雾化器
雾化器的作用就是将料液稳定地喷洒成细小且均匀的雾滴，并使其均匀地分布于干燥室的有效部分，与热空气保持良好的接触。喷雾干燥时，要求雾滴不发生相互碰撞，也不喷至干燥室内壁面。由于雾滴表面积越大，干燥速度就越快，因此，雾化器是喷雾干燥设备保证产品质量、提高干燥效率的关键部件。食品工业中，物料微粒化方法依据雾化器的形式主要有两类，即离心雾化器和压力雾化器。其工作状态如图1.45所示。
（1）压力雾化器
压力雾化器是利用高压泵（2～20MPa）给予料液静压能，将料液以一定的速度送入雾化室，在雾化室内，料液在压力的作用下，沿切线方向进入喷嘴旋转室，经涡旋室、孔板或旋转斜槽等装置，这时，液体的部分静压能转化为动能，使料液得以加速，产生强烈的旋转运动，最后由喷孔高速喷出。并且料液越靠近轴心，旋转速度越大，结果在喷嘴中央形成一股压力等于大气压的空气流，而液体则形成旋转的环形薄膜从喷嘴喷出。液膜伸长变薄，以高速与空气发生摩擦，最后分裂为小雾滴，这样形成的液雾为空心圆锥形。
一般喷雾压力越高喷孔孔径越小，则喷出的雾滴越小，反之则雾滴越大。雾化效果取决于湍流速度，影响因素有液流压力、流速、喷嘴形状及物料特性。雾滴的分散度与料液的性质及喷孔直径成正比，与流量成反比，并与喷嘴的内部结构有关。目前我国广泛应用的压力雾化器有M型和S型两种。
图1.45 雾化器工作状态
①M型压力雾化器
M型雾化器的结构如图1.46（a）所示。它主要由涡流板、喷头等组成。喷头内镶入人造红宝石喷嘴。在喷头上有导流沟，导流沟与涡流板上的切向通道相通，导流沟的轴线垂直于喷头轴线，但不与之相交，以增加喷雾时溶液的湍流度。高压料液进入雾化器，经涡流板上的小孔进入导流沟，沿切线方向进入喷嘴内，产生强烈的旋转运动，呈环形薄膜从喷头以高速喷出。喷出的锥形液膜与空气发生摩擦碰撞，液膜被撕裂成细小雾滴，进入干燥塔内便瞬间干燥。M型雾化器的流量大，适用于生产能力较大的干燥设备。
②S型压力雾化器
S型雾化器的结构如图1.46（b）所示。它不设分配板，由喷头座、涡流芯等组成。在涡流芯上有两条导流沟，导流沟的轴线与涡流芯的轴线成一定的角度，喷心与喷嘴之间形成旋转室，进入导流沟的料液作螺旋运动，喷孔直径一般为0.5～1.4mm。
图1.46 雾化器
1—管接头；2—喷头帽；3—涡流板；4—喷头；5—人造红宝石喷嘴；
7—喷头座；8—涡流芯；9—垫片；10—喷孔
（2）离心雾化器
离心雾化就是将料液注入一水平方向作高速旋转运动的圆盘，使料液在离心力的作用下被高速甩出，形成薄膜、细丝或液滴。被甩出的料液，同时与干燥塔内的热气流相互接触、摩擦并产生撕裂等作用而使料液形成雾滴，使物料雾化。料液的物性、流量、离心盘直径及转速等因素都会影响雾化的效果。
离心雾化器主要有光滑盘离心雾化器和叶轮式离心雾化器两种，如图1.47所示为常用的不同形式的离心雾化盘。食品工业上常用的光滑圆盘离心雾化器有碟式、僧帽式、碗式及多层式，如图1.48所示。此光滑圆盘离心雾化器的圆盘为平的光滑表面。故当高速转动时，料液在盘面上会发生较大的滑动，影响雾化效果。因此，这类光滑圆盘雾化器一般适合于物料进料率低、生产颗粒粗的场合。
图1.47 各种形式的离心雾化盘
叶轮式离心雾化器主要有曲叶板式、辐射叶板式、沟槽式、插板式，如图1.49所示。这种喷雾方式料液与叶轮的通道接触，在雾化盘上就不会像光滑盘那样发生滑动，避免物料横向流动，被雾化的料液滴较为均匀。但由于喷嘴直径较细，易出现堵塞现象。
图1.48 光滑盘离心雾化器
图1.49 叶轮式离心雾化器
2）干燥室
雾化干燥室是热空气与被干燥的料液进行热和质交换的场所，要求具有足够的空间，以保证空气及物料在干燥室内停留的时间，保证制品的含水量达到生产工艺的要求，又不致受热过度或产生黏壁等现象。干燥塔分为箱式（卧式）和塔式（立式）两大类，塔式干燥室的塔底分为锥底、平底和斜底3种结构。一般为塔式干燥室，用厚度为2.5～3mm的不锈钢焊制而成。使用绝热材料如硅藻土、泡沫塑料等轻质材料进行保温。
热风在干燥室内的分配要合理，保证热风和物料的有效混合，从而保证产品的质量。根据物料与干燥介质在干燥塔内运动方向不同可分为3种类型，即并流型、逆流型和混流型。
（1）热风与物料颗粒的运动形式
①并流干燥法
并流型雾化干燥设备如图1.50（a）所示。料液雾滴与进入干燥室内的干燥介质的运动方向一致。因入口处的料液含湿量高，尽管与高温的热风相接触，其热量都供给水分蒸发了，液滴表面温度接近湿球温度，故不会使被干燥物料出现焦化而影响产品质量。较适宜于热敏性物料的喷雾干燥，是乳品干燥中的主要类型。
图1.50 热风与雾滴的流动形式
②逆流干燥法
如图1.50（b）所示为逆流型雾化干燥设备。与并流干燥法相反，料液雾滴与干燥介质的运动方向相反。物料从上往下喷，热风由下往上吹，两者呈逆流接触。因液滴在水分少的时候与高温空气接触，从而干燥速度慢。即将完成干燥的物料的水分含量进一步排除，较适宜含湿量较高的物料，干燥的体积质量较大，空心、结皮倾向小。但是容易使产品过热焦化，所以不适宜热敏性物料，乳品工业中应用较少。
③混流干燥法
如图1.50（c）所示为混流型喷雾干燥设备。料液雾滴与热风的运动方向呈不规则状况，二者的运动轨迹呈紊乱状态。雾滴与热风充分接触，干燥效率较高，塔内温度分布较均匀且较低，可用于含油量高的制品，如椰奶粉和稀奶油粉。但若控制不好，干燥塔内会产生涡流现象，造成产品黏壁。
（2）空气分配器
为了使气流有规则地流动，并与雾滴有效混合。热空气进入干燥室前，应用空气分配器进行整流处理。空气分配器的作用是使进入干燥室后的热风在室内分配均匀不产生涡流，使热风与雾滴能充分地进行热交换。因此热风分配器的好坏直接影响产品的质量好坏，良好的热风分配器的主要作用是使气-液两相充分接触，混合良好，使气体分布均匀。
热风速度在设计上一般以6～10m/s进入干燥室，经空气分配器均匀分配后，干燥室内风速应为0.2～0.5m/s为宜，排风速度为5～8m/s为宜。
当采用压力喷雾方式时，常见的热风分布为直线运动分风形式；而采用离心喷雾时，热风的分布为螺旋分风形式。这种形式可很好地控制雾滴的径向运动轨迹，此分配器装有冷风圈，可防止塔顶的进风处产生焦粉，其结构如图1.51所示。
图1.51 空气分配器结构
1.6.4 其他附属设备
喷雾干燥系统的其他附属设备主要有空气过滤器、空气除湿器、空气加热器、鼓风机及除尘装置等。
1）空气过滤器
用于生产食品的喷雾干燥设备所使用的热空气必须是洁净空气，而一般室外空气会含有二氧化硫、一氧化碳等有害气体以及其他粉尘等杂质，若使杂质混入成品会造成极大的危害。因此所使用的空气须经过滤净化处理。
空气过滤器的框架是由1～2mm厚的钢板构成的，中间装厚约100mm的过滤层，滤层可定期拆下清洗。滤层材料一般选用不锈钢丝绒或尼龙丝绒，并且喷以无味、无毒、挥发性低、化学稳定性高的轻质油。当空气通过空气过滤器时，其杂质即被挡在滤层中或被油膜吸附于滤层中。
2）空气除湿器
当进入干燥塔的空气特别是进入流化床的空气含湿量较大时，会造成物料返潮，必须对空气进行除湿。除湿器壳内装有管道，管道内流动有冷水或冰水，壳腔直接与空气过滤器相连，进来的空气与壳腔内的冷介质进行热交换，使空气冷却到0℃以下，从而使空气所含湿气冷凝，进入的空气湿度降低，这样处理可以尽量减少返潮现象的发生。
3）空气加热器
来自空气过滤器的洁净空气在进入干燥室之前需要进行加热，使空气的温度升高至140～180℃后通入干燥室。空气加热方法有直接加热和间接加热两种方法。目前，我国的喷雾干燥设备多数使用间接加热法加热空气，即用水蒸气间接加热。加热器内排列有多块紫铜管或钢管制成的蒸汽散热排管，管外有翅片，可起到增加传热效果的作用，翅片与管接触良好，空气从翅片深处穿过，从而对流过加热器的空气进行换热。
4）鼓风机
喷雾干燥系统中的热空气需要靠风机的作用，使热空气在整个系统中流动。喷雾干燥设备需要用两台风机来完成，一台是送风用的鼓风机，另一台则设在分离器后面进行排风。在选择风机时，应根据喷雾干燥设备蒸发水分的能力来确定风量。进风机应考虑增加10%～20%的风量，排风机应增加15%～30%的风量。一般情况下，排风机的风量较进风机风量大20%～40%。这样可保证塔内具有一定的负压，塔内负压在100～200Pa较合理。
5）除尘装置
工作时，当干燥塔内风速大于0.5m/s时，约有40%左右细粉粒难以沉降，且易被废气带走，因此应设置分离装置对细粉粒进行回收，一般由粉尘回收装置分离的产品可达总产量的25%～40%。这样既可提高制品的得率，还可防止大气污染，净化环境空气。
常用除尘器有旋风分离器、布袋过滤器以及湿式除尘器等。其中，旋风分离器的分离原理如图1.52所示。含粉尘的气体以较高的速度沿切线方向进入旋风分离器，在外筒与排气管件之间形成旋转向下的外旋流，到达锥底后，以相同的旋转方向折转向上，形成内旋流，到上部后通过中心伸进来的圆筒形排气管排出，颗粒在旋转的气体中运动，受到离心力作用向器壁方向移动，沿内壁下落到排出口排出。
图1.52 旋风分离器示意图
1.6.5 喷雾干燥设备的操作与维护
1）喷雾干燥设备的操作
（1）生产前准备
①所有管道及干燥塔在安装联接时首先应清理及清洗一遍，各联接处是否装好密封材料，然后将其联接，避免未经加热的空气进入干燥室。
②门和观察窗是否关上并检查是否漏气。旋风分离器底部的授粉筒在安装前应检查是否密封。授粉筒必须清洁和干燥。
③检查进料泵的连接管道是否接好，电机与泵的旋转方向是否正确。
④干燥室顶部安放喷雾头处是否安装好，以免漏气。
（2）开机
①首先开启离心风机，然后开启加热器，并检查是否漏气，如正常即可进行预热，因热风预热决定着干燥设备的蒸发能力，在不影响被干燥物料质量的前提下，应尽可能提高进风温度。
②预热时干燥室顶部安放雾化器处，干燥室顶部和旋风分离器下料口处必须密封，以免冷风进入干燥室，降低预热效率。
③当干燥室进口温度达到设定温度时，开启离心喷头，当喷雾头达到最高转速时，开启进料泵，加入清水喷雾10min后更换成料液，进料量应由小到大，否则将产生黏壁现象，直到调节到适当的要求。料液的浓度应根据物料干燥的性质来配制，以保证干燥后成品有良好的流动性。
④干燥成品的温度和湿度取决于排风温度，在运行过程中，保持排风温度为一个常数是极其重要的，这取决于进料量的大小，下料量稳定，出口温度是比较稳定的。若料液的含固量和流量发生变化时出口温度也会出现变动。
⑤产品温度太高，可减少加料量，以提高出口温度，产品的温度太低，则反之。对于产品温度较低的热敏性物料可增加加料量，以降低排风温度，但产品的温度将相应提高。
⑥干燥后的成品收集。在旋风分离器下部的授粉器内，未经充满前就应调换，在调换授粉器时，必须先将上面的碟阀关闭方可进行。
⑦若干燥的成品具有吸湿性，旋风分离器及其管道，授粉器的部位应用绝热材料包扎，这样可以避免干燥成品的回潮吸湿。
（3）停车
①关闭电加热器和蒸气加热器。
②关闭压料罐进气电磁阀，同时卸压，停止喷料。
③清扫塔壁时，打开人孔进行清扫。
④关闭风机。关闭控制台的总开关。
⑤卸下收集桶把干料粉装进密封性能好的容器存放或送至下道工序使用。
2）喷雾干燥设备的维护
①为保证干燥塔体及其管道和所有与成品接触的部件的清洁，得到一流的产品，有规则地清洗设备是十分必要的。
②当产品更换时，或是设备已经停产24h以上而未清洗的，应作一次全面彻底的清洗。
③设备清洗时，应注意不能用氯及其化合物洗涤。
④使用完毕后，应将喷雾盘拆下，浸入水中，把残留物质用水清洗干净。在用清水洗不掉时，应用刷子刷洗。因为喷雾盘上的残留物质会使喷雾盘不平衡，严重影响喷头的使用寿命甚至损坏其他机件。
1.6.6 喷雾干燥设备常见故障分析及排除
1）干燥室内壁到处都有黏着湿粉现象
原因分析：进料量太大，不能充分蒸发；喷雾开始前干燥室加热不足；开始喷雾时，进料量调节过大；加入的料液未成稳定细流或进料量过大或过小。
排除方法：适当减少进料量；适当提高进出口温度；在开始喷雾时，流量要小，逐步加大，调至适当为止；检查管道是否堵塞；调整物料含固量，保证料液的流动性。
2）蒸发量降低
原因分析：整个系统的空气量减少；热风的进口温度偏低；设备有漏风现象。
排除方法：检查进、排风机转速是否正常，检查进、排风调节阀是否正确，检查空气过滤器及加热器管道是否堵塞；检查加热器压力是否符合要求，检查加热系统是否功率正常；检查设备，同时修补损坏处，特别注意各组件连接处的严密性。
3）成品杂质过多
原因分析：空气过滤器效果不佳；积粉混入成品；料液纯度不高；设备清洗不彻底。
排除方法：过滤器使用时间太长，应立即更换或清洗；检查热风入口处是否有焦粉情况；喷雾前将料液过滤；重新清洗设备。
4）高速雾化器剧烈振动发出噪声
原因分析：电动机高速运转中润滑不良所致；喷雾盘上有残存物质；轴产生永久的弯曲变形。
排除方法：检测电动机转子同轴度并作动平衡试验，在电动机后轴承座处加装一波纹弹簧，预紧压缩量1.5mm，使轴承的轴向位移得到补偿。当电动机转子受热变化时，轴承内圈随之移动，消除轴承过量游隙；检查并清洗喷雾盘；更换新的轴。
5）产品得率低，跑粉损失过多
原因分析：旋风分离器效果差（其分离效率和粉末的比重和粒度的大小有关）；某些物料可据需要增加第二级除尘；袋滤器接口松脱或袋穿孔。
排除方法：检查旋风分离器是否由于敲击，碰撞而变形；提高旋风分离器进出口的气密性，检查其内壁及出料口有否积料堵塞现象；修好接口，定期检查更换布袋。
6）产品太细
原因分析：料液固形物含量太低；进料量太少。
排除方法：提高料液固形物含量，适当浓缩；加大进料量，相应增加进风温度。
7）产品含水量高
原因分析：料液雾化不均匀，喷出的颗粒太大；进料量太大；排出孔废气的相对湿度太高。
故障排除方法：提高离心机转速，提高高压泵压力，发现喷嘴有线流时应及时更换；适当改变进料量；提高进风温度，相应地提高排风温度。
8）喷雾机速率波动较大
原因分析：通常是由于电动机缺陷造成的，因此产生喷雾机和电动机的机械共振现象。
排除方法：严格检查电动机工作是否正常。
1.7 无菌包装设备
1.7.1 无菌包装概述
无菌包装是指将流质或半流质食品物料经过超高温瞬时杀菌（UHT）或高温短时杀菌（HTST），再迅速冷却至30～40℃，在无菌环境下将物料充入已灭菌的包装容器内密封的一种包装技术，从而使包装的产品在常温下能长时间保持不变质。
无菌包装的食品一般为液态或半液态流动性食品，其特点为流动性好、可进行高温短时杀菌（HTST）或超高温瞬时杀菌（UHT），在保证无菌的前提条件下，产品色、香、味和营养素的损失小。处在无菌条件下的被包装食品，无须冷藏或添加任何化学防腐剂就可在常温下贮存流通而不变质。无菌包装生产的自动化程度高，单位成品能耗低，包装工艺简化，降低了工艺成本同时便于运输。
食品无菌包装基本上由以下3部分构成：一是食品物料的杀菌；二是包装容器的灭菌；三是充填密封环境的无菌。这是食品无菌包装的三大要素。如图1.53所示为无菌包装流程。一条完整的无菌包装生产线包括物料杀菌系统、无菌包装系统、包装材料的杀菌系统、自动清洗系统、无菌环境的保证系统、自动控制系统等。由于无菌包装技术的关键是要保证无菌，因此，其基本原理是以一定方式杀死微生物，并防止微生物再污染为依据。
图1.53 无菌包装流程简图
无菌包装基础材料一般可分为4类：塑料、纸板、金属和玻璃。对无菌包装用的材料，一般要求具备以下性能：热稳定性，在无菌热处理期间不产生化学变化或物理变化；抗化学性、耐紫外性，用化学剂或紫外线进行无菌处理过程中，材料的有机结构不改变；热成型稳定性在无菌处理或干制的热处理过程中，容器外形不发生明显改变；阻气性，一方面能阻隔外部空气中的氧气渗入，另一方面能保持充入容器的惰性气体不外渗；防潮性，阻止水分的穿透，以保持产品应有的含湿量；具有合适的韧性和刚性，便于机械化充填、封口；具有避光性，能阻隔光线的穿入；材料应无毒、符合食品卫生标准，且易杀菌；经济性，包装材料来源丰富，成本低。
从完全阻隔分子扩散而言，金属和玻璃是理想的材料，其良好的保藏性能取决于容器的密封性及牢固性，但包装成本较高。复合纸无菌材料和复合塑料膜无菌材料可大大降低包装成本，因此，这二者是目前无菌包装系统中最常用的包装材料。
图1.54 各种利乐包装形式
常用无菌包装材料有利乐包包装材料、康美盒包装材料、芬包塑料袋包装材料、塑料瓶包装材料、埃卡（NAS）塑料杯包装材料、大袋包装材料等。其中，利乐无菌包主要有利乐砖（TB）、利乐无菌砖（TAB）、利乐无菌钻（TPA）、利乐威无菌包（TWA）、利乐枕无菌包（TFA）等包装形式，如图1.54所示。目前，我国普遍引进的是利乐砖。利乐包的包装材料是由纸基与铝箔及塑料复合层压成，厚约0.35mm，包装材料以纸板为基材（占80%），纸板复合了几层塑料和一层铝箔包装材料，不包括印刷的油墨层共6层，如图1.55所示。每层各具有不同的功能，从外向内：第1层是聚乙烯，主要功用是防水并阻止部分微生物的透过；第2层是纸板，主要功用是赋予包装盒良好的形状和强度；第3层是聚乙烯，主要功用是黏合纸层与铝箔；第4层是铝箔，主要功用是阻止氧气、风味物和光线的透过，同时铝箔在横封过程中经“电感加热”，熔化内层高密度聚乙烯，在一定压力的作用下完成横封；第5层是高密度聚乙烯，主要功用是防止印刷层油墨分子向内扩散，同时防止产品内风味物质向外渗透，尤其在生产高酸性食品时，这层能有效地防止酸性物质的腐蚀；第6层是聚乙烯，主要功用是防止液体的透过。
图1.55 纸塑铝箔复合砖结构图
根据包装材料的不同，无菌包装系统主要分为两大类，即复合纸无菌包装系统和复合塑料膜无菌包装系统。无菌包装系统有敞开式和封闭式两种，封闭式无菌包装系统比 敞开式无菌包装系统多了无菌室，包装材料要在无菌室内杀菌、成型、灌装。由于无菌室一直通有无菌气体可保持其正压，因此，无菌室能有效地防止微生物的污染，在生产中应用广泛。
1.7.2 利乐包纸盒无菌包装系统
利乐纸盒无菌包装设备由瑞典TetraPak公司生产，这种类型的无菌包装设备在世界上广泛使用，适用于乳品、奶油、果汁等饮料的无菌包装。物料经超高温杀菌后，在无菌条件下，用已消毒的复合材料制成砖形，无须冷藏，可在常温下保存或流通。包装材料以板材卷筒形式引入；所有与料液接触的部位及设备的无菌腔均经无菌处理；包装的成型、充填、封口及分离均在一台机器上完成。包装材料的80%为纸板，并复合了几层塑料和一层铝箔。
1）利乐包纸盒设备的结构
该类机型由机体、传动系统、包装材料输送系统、消毒系统、打印贴条系统及封口灌装装置等组成。如图1.56所示为利乐TBA/19型液体奶无菌灌装机外形图，如图1.57所示为利乐TBA/19型液体奶无菌灌装机的结构图。包装材料以卷轴进料，所需贮存空间小、生产效率高。TBA/19机器中装有两个LS封条附贴器2，可在包装材料的一边利用热封贴上宽10～15mm的聚乙烯带，以便在成型时与另一边接合，加强中缝的强度。充填器3能稳定地控制料液的流速和压力。双出料的夹槽6能使包装后的产品稳定地送到链条式输送带上。TBA/19采用了一个压缩器，能大大降低耗水量。而压缩器、分离器和擦洗器都被安装在一个伺服单元7内。
图1.56 利乐砖TBA/19无菌灌装机外形图
图1.57 利乐砖TBA/19液态乳无菌灌装机结构图
1—卷轴；2—LS封条附贴器；3—充填器；4—平台；
5—控制台；6—夹槽；7—伺服单元
2）利乐包纸盒设备的工作原理
利乐无菌包装设备有利乐砖、利乐钻、利乐威、利乐枕等包装形式。目前，我国普遍引进的是砖形盒，其工作原理如图1.58所示。辊筒3，5，11使包装材料产生折痕，以便为盒子成形提供方便。复合纸带经过打印装置时，在打印装置处打印号码后，经过记号储存器，并由封条敷贴装置贴上纵封贴条，封条粘贴装置可在包装材料的一边利用热封贴上宽10～15mm的纵封贴条，以便在成形时与另一边接合，加强中缝的强度。然后进入双氧水浴槽涂上双氧水消毒，并由挤压滚筒挤掉多余的双氧水。贴好纵封贴条（LS贴条）的包装材料经双氧水槽8和挤压滚筒9后被送入纸管成型系统，纸管成型系统由6个辊轮组成，它们分别在6个不同的工位，对包装材料进行弯折、弯曲，形成筒状，经纵封加热器和导轮形成纸筒，并经过电热蛇管加热消毒。在纵接缝热封处对纵接缝进行加热，通过环套被热压封口，形成纵接缝。此后包装材料便形成筒状。随后进行无菌灌装，灌装完料液的纸盒由横封器横封。随后切割爪在横封区域内将包装纸包切割分离，形成单个包装，对于砖形包装盒，在包装盒被割离的同时，还必须经过折角、折翼、黏角、黏翼和整形才能最后成型。横封、割离和整形的全部动作都是由液压传动系统配合机械手来完成的，随后送往终端排包系统。
（1）机器灭菌
在无菌包装开始之前，所有直接或间接与无菌料液相接触的机器部位都要进行无菌处理。可采用先喷入35%双氧水溶液，然后用无菌热空气使之干燥。为了提高机器的灭菌效率，机器经过3次预热后，再将压缩后的双氧水喷入无菌室，以达到封闭无菌环境的目的，喷雾过程总共持续40s。雾化后带有一定压力的双氧水热空气通过空气进入阀分为两路：一路由无菌空气阀至中心灌注管口，进入包装纸管；另一路通过气刀室喷雾的同时，由纵封加热器和纵封暂停加热器至中心灌注管的上灌注口，进入包装纸管。至此，完成了对无菌室和包装纸管的灭菌过程。为了确保最佳杀菌效果，喷雾之后，无菌灌装机要在正压条件下静置60s，然后用无菌热空气干燥。
图1.58 无菌复合纸盒包装机
1—卷筒纸；2—光电管；3，5，11—辊筒；4—打印装置；6—记号储存；7—封条敷贴；
8—H2O2浴槽；9—挤压滚筒；10—顶盖；12—进料套管；13—纵接缝热封器；14—导轮；
15—电热蛇管；16—液位；17—浮球；18—进料口；19—横封器；20—检验；21—成品
（2）包装材料灭菌原理
在利乐包装机中，包装材料向上传送时，其内表面的聚乙烯层会产生静电荷，从而使来自周围环境的带有电荷的微生物被吸附在包装材料上，包装材料的灭菌分为涂双氧水和加热杀菌两个过程。包装材料先在35%双氧水的浴槽内涂上双氧水对包装材料浸润消毒，如图1.59所示。涂上双氧水膜的包装纸经挤压滚筒除去多余的双氧水，此后包装材料向下经导轮、进料套管等便形成筒状，向下延伸并进行纵向密封，一直到达管加热器和横封区域进行加热杀菌。如图1.61所示，无菌空气从制品液面处吹入，经过纸筒连续向上吹，以防再度被微生物污染。
图1.59 双氧水浴槽
1—包装纸带；2—涂抹辊；3—双氧水槽
对双氧水加热处理后可以提高双氧水的杀菌效果。双氧水被加热蒸发分解为新生态氧［O］和水蒸气，这不仅增强了杀菌作用，也减少了双氧水的残留量。包装纸的加热杀菌是通过管加热器对双氧水加热实现的，管加热器是缠绕在产品灌注管外的电子元件，它一直延伸至纸筒的中部，管加热器的温度范围一般来说为450～650℃。管加热器通过传导和辐射加热将包装纸内表面温度加热至110～115℃，双氧水被蒸发为气体，提高了灭菌效率。
（3）纸盒成型和无菌灌装原理
①纸盒的中缝搭接
纸盒在形成后，若中缝不经处理，其中的液体会渗入而且密封性降低即不能保证纸筒的强度，故中缝搭接处在灌装前要进行纵向密封的特殊处理。包装材料经一系列辊轮装置上升到包装机顶部时，纵封贴条也由纵封贴送系统送到包装纸的一侧。贴条系统将纵封贴条和包装材料热合并粘牢。纵封贴条主要有两个作用：一是加强纵封的接合强度；二是防止产品渗入包装材料的纸板，其封合形式如图1.60所示。根据包装材料和被包装物料的不同，所使用的纵封贴条的材料也不同。
图1.60 利乐砖纵封贴条（LS）的封合形式
②无菌灌装
已杀菌冷却的物料由套管进入，中心走物料，夹套内走无菌空气，如图1.61所示。无菌空气通过圆筒内的电热蛇管底部后，转向朝上流动，经过纸筒连续向上吹，以防再度被微生物污染。在纸筒内管状的加热器可根据包装容器的大小，调节温度（450℃或650℃），利用红外线辐射及对流加热的方式处理与料液接触的包装材料表面，使其在加热器终端部位可被加热到110～115℃。此时，双氧水被加热蒸发分解为新生态氧［O］和水蒸气，这不仅增强了杀菌作用，也减少了双氧水的残留量。以维持液面上部为无菌区域，并使包装材料三面黏附的过氧化氢分解和蒸发。在生产过程中，为防止微生物污染，一方面通过管加热器区域蒸发的双氧水气体上升杀菌，另一方面通过向纸筒内不断通入无菌空气的方式保证环境无菌，这样两者在包装纸表面形成了一道无菌空气屏障。
利乐无菌灌装机是利用等压原理进行灌装的，即灌装时使中心灌注管的压力与包装纸管内液态物料相同液位高度上的液面压力相等，这样可以保证在灌注时包装材料纸管内的液态物料不会发生搅动，实现稳定、温和的灌装。且灌注口在纸管液位以下使包装盒内不会混入气体，产生泡沫。另外，在液位和中心灌注口以下横封还可以实现自动计量，保证盒内容量的恒定。
图1.61 利乐砖无菌灌装机工作原理图
③纵封与横封
纸筒被灭菌后开始灌入料液，由浮球控制进入料液的液面，并保持进料口始终在液面下。灌装完料液的纸盒由横封器横封。横封是通过黏合和切割两步来完成的。灌装机横封采用的是高频加热原理，有效地黏合需要高温和适当的压力。封合时的温度是电感加热产生的，高频发生器产生高频电流，感应器（铜条）相当于线圈产生磁场，并通过铝箔产生感应电流，电流通过铝箔层传导热使内层聚乙烯层熔化，在夹爪压力的作用下聚乙烯迅速冷却，使熔化的聚乙烯固化，从而完成封合。在横封的同时由于夹爪夹住圆柱形的纸筒，从而使得纸筒就变成了长方形。封合后夹爪内的切刀在封合区内将包装盒切割开，最后经过终端成型器将顶部和底部的边角分别弯曲、折叠而成型。不合格产品在检验时被剔除，正品由输送带送出。
④无菌空气循环原理
如图1.62所示，水环式压缩机吸入回流空气，并洗去残留的双氧水。送出的空气经过气水分离器分离除去其中水分，然后空气进入主加热器被加热到350℃。从加热器出来的高温空气，一部分由管道送至包装材料纵向贴条粘贴处和纵封器，用于贴塑胶带和纵封热封；另一部分热空气流向空气冷却器被冷却至80℃左右，冷却后的无菌空气从纸筒上部供气管进入密封纸筒液面以上空间，使充填区空间无菌。无菌空气在电热蛇管处折流向上，残余蒸发的双氧水也随气流往上流动，经过空气收集罩的管道流回水环式压缩机重新循环使用。
3）利乐包无菌包装机的操作
利乐包无菌包装机的操作流程如图1.63所示。
（1）开机前的准备
①确认开机所需的各种原物料是否准备就绪。
②下灌注管及小白轮、弹簧片，无菌室过滤网清理与消毒，日期打印装置应用酒精清理。
③检查润滑油、液压油油位，检查H2O2浓度是否为30%～35%以及包材辊轮是否灵活，检查纸路是否正常。
图1.62 无菌气流循环系统
图1.63 利乐包无菌包装机的作业流程图
④检查压力胶条，检查切刀及弹簧锁定螺杆，更换夹爪润滑油，检查夹爪冷却水有无堵塞。
（2）升温
①预热Ⅰ。正确进行穿纸、拉纸，检查I/P阀压力表是否指示0.1bar。检查各压力表与温控仪上的读数是否正常及在该状态下其他动作位置是否正常。
②预热Ⅱ。H2O2罐液位达到，程序上箭头及预热Ⅱ信号闪光时按动程序上，升到预热Ⅱ，打开无菌室手动喷洒H2O2，加强消毒效果。正确穿引PPP条，并放下PPP条压力辊轮，接头处用纸胶带黏合。更换当夭打印日期装置及生产开始批号，并放到打印位置。检查各管接口有无漏气的地方。检查温度、压力变化是否正常。重新检查纸路。检查I/P阀压力表2bar。
③纸管密封。当纵封温度达到设定值时，按动程序上进行管封。管封时注意机器运转情况，是否有异常响声。管封结束排出的最后一包作密封检查，判断是纸管偏还是电眼灵敏度差，且与纸管的距离应适当。
④预热Ⅲ。管封后直接进入预热Ⅲ。观察SA处PPP条封合情况，有必要做一些调整，PPP条是否偏。检查打印日期及批号是否清晰正确。检查纸路是否有拉破，挤压与夹痕现象，必要时重新管封。检查温度是否正常。重新检查纸路，折痕位置是否正确，纸路有无太大偏移。将无菌室的门确实关严。按动几下雾化器探针（复位键按下后），确保无安全门报警，否则马达不转动，设备消毒效果不好。
⑤喷雾。当预热Ⅲ预消毒温度达到270℃，喷雾及程序上箭头闪光，按上箭头，开始喷雾。观察无菌室前后玻璃上有无布满H2O2雾。喷雾过程中检查管路，管接口，纸管（尤其夹爪拉耳处）无菌室门，两密封唇等处有无泄漏的现象，必要时重新升温喷雾。过氧化物发生器气压是否正确，喷雾时纸管有无吹圆。二次喷雾是一次喷雾的总和。喷雾过程中观察时间，并注意以下各时间段所发生的内容：
灌注→0～11s，H2O2通过灌注阀打入有液位监测的H2O2杯中125mL（过低过溢）；喷雾→11～51s，H2O2杯中H2O2通过雾化器雾化的同时向无菌室喷注，送纸马达以90r/min，转动100s。静止→51～112s，喷雾静止状态，适当温度下让其充分消毒的过程。喷雾失败会出现两种状态：程序回到预热Ⅱ（20s前）（11～20sH2O2杯中如空），排空（50s后）15s，（11～51sH2O2杯中还有H2O2）
⑥烘干。喷雾后直接进入烘干。检查底角加热器是否有热水吹出，并检查压力是否在范围观察H2O2温度，判断H2O2是否泄漏，从而避免包材泡断用酒精棉球擦干净电眼，保证电眼保护器压力正确，过滤器显示正确打开电柜门，观察开关是否有跳闸现象。做进一步机器检查，纸路SA部分，无菌系统，H2O2系统，液压油，润滑油系统，包材拼接装置。运动机器，作终端运动，观察各装置运动情况，位置是否正确。准备开机所使用工具，19minB阀关闭，使无菌系统有一个降温的过程。
⑦给UHT发出信号。
⑧接收信号。
（3）开始生产
①按下“OK”键，程序上及电机信号闪光。
②按程序上9.8s灌注H2O2，10s后马达开始转动（高速），观察拉纸状态，纵封板及纵封暂停加热器，压力轮等的动作情况及状态，夹爪终端部分运动状态。
③生产开始迅速剪包，以减少不必要的损失。
④生产时检查横、纵封，剪包要连续两包，观察启机排包，是否有拉破喷料现象。
⑤包装盒上线，用手摇连续两包，听有无响包。
⑥测量成品容量是否在要求范围内，必要时调节，检查管路是否有漏料现象，做渗漏实验。
⑦严格执行质量标准文件，对其成品包外观要求及料液的理化指标，感官指标的控制。
（4）生产后
生产结束停机时要关闭填充开关，及时把贴条、纵封加热器拉出，以免烫伤复合纸及密封条。使程序升到CIP步骤，杀菌、灌装同时清洗，灌装需打开蒸汽障。内外部清洗要求到位，相应周边卫生要做到干净。
4）利乐包无菌包装机的维护
①机器安放车间应保持清洁干燥，防止潮湿，以免影响电器及机器的使用寿命。
②工作时应注意观察运行机构有无异常噪声，如不应有的抖动、振动及松动等。
③定期检查冷却水磁性过滤器，夹爪冷却水过滤器，H2O2罐过滤器，喷雾杯H2O2过滤器等。
④主压缩空气过滤器无水、油残留，排放管要畅通。
⑤定期检查洗擦器过滤网，必要时清理；定期外部清洗循环，排放过滤器，集水盘液位探头；每周清洗油墨装置（酒精，吹干），清洗上灌注管及小白轮、两个O形圈、小白轮轴销。
⑥定期检查清理包材及带材辊轮、纸库及SA装置卫生。打开H2O2槽底及顶部，检查辊轮转动及活动间隙等。清理纵封加热器及底角加热器，死角无污垢。
⑦定期检查各油位是否在范围内，且是否变质需更换；定期更换压力胶条，检查切刀及弹簧锁定螺杆，清理感应加热器，更换夹爪润滑油。
1.7.3 康美包（SIGCombibloc）无菌灌装机
1）无菌灌装机基本结构
康美包（SIGCombibloc）无菌灌装机与利乐无菌灌装机一样，都是乳制品、饮料等食品灌装常用的典型的无菌包装设备。其基本结构如图1.64所示，它主要包括驱动装置、冷却单元、纸盒仓、成型轮、盒筒的抽吸及送进器、传送站、无菌区、灌装站、排包器等装置。
2）工作原理
康美包（SIGCombibloc）无菌灌装机无菌灌装基本过程如下：
（1）康美盒的包装材料
康美盒的包装材料是已经印刷好的且其中缝已经黏结好的复合材料，即预制成的纸盒。纸盒在形成后，若中缝不经处理，其中的液体会渗入而且密封性降低即不能保证纸筒的强度，因此，中缝搭接处在灌装前要进行纵向密封的特殊处理。康美盒的中缝搭接处是将包材的一边先折叠起来，然后再搭接在一起。
经过印刷的复合纸板卷材，通过切割、折痕、纵向密封形成纸筒，纸筒是开口的，成扁平片状装箱。
（2）机器的灭菌
在机器开启前，无菌区采用双氧水蒸气和热空气的混合气体进行灭菌。在机器正常运转时，无菌部分应尽可能使大部分的空气流动呈层流状态，并在该区段保持正压以防止外部空气渗入，因此，无菌空气的分布是特殊设计的，与空气净化系统相连接。
图1.64 康美盒无菌灌装工艺过程示意图
（3）纸盒的形成
①纸盒的打开
如图1.65所示，纸盒被抽吸杯抽出纸盒仓、打开成方框形，张开的盒筒被抓持在打开扇块与盒筒夹件之间，然后被推上成型杆。真空泵提供抽取器抽吸力。在盒筒张开的过程中，抽吸轨使其沿着反时针旋转90°。
图1.65 纸盒走向流程图
1—纸盒的送进；2—纸盒筒打开并送进；3—推纸盒入成型杆；4—底部活化；5—底部折叠；
6—底部加压密封；7—传输区；8—顶部预折叠；9—灭菌，干燥，灌装；10—顶部密封；
11—顶部成型；12—排包；13—传送到输出传送带，纸盒竖立；14—输出传送带
②纸盒的送进
打开的纸盒筒在成型杆处于静止的瞬时被推到成型杆上，一个光扫描器在与纸盒不接触的情况下进行检查，看盒筒是否已被推上成型杆。如果有不正确的情况，盒筒的送进（抽吸阶段及送进器）就自动切断，这就中断了盒筒的送进。然而，灌装机仍然在继续运转。
③底部加热
4个热空气头插进纸盒筒加热活化盒筒，特别是加热其焊接区。所需的空气来自机器的灭菌空气发生器，由4个电阻加热器加热。热空气的温度由一个温度控制系统保持稳定。其功能监视由温度和气压检测执行。在机器处于停止状态时，热空气的温度应降低（停止状态），活化头移出盒筒。
④底部折叠
a.横向折叠
旋转的横向折叠器，对纸盒的侧面三角区进行预折叠。折叠工序在成型杆转动的同时进行。每个轨道的两个折叠指装在一个轴上。由凸轮驱动折叠指来进行折叠工序。在折叠进行时折叠指与纸盒的接触点，就在折痕的交接界点处。
b.纵向折叠
纵向底部折叠器完成底部折叠工序。纸盒筒逆着底砧的斜角边在朝着底部加压的运行过程中被推进，同时折叠板向内折叠，插进盒筒尾部。
⑤底部压制
底部压制是将已活化并折叠的底部封合起来。水冷底砧的特殊形状及成型杆的校验板，形成向内凹的空洞形的纸盒底部，使纸盒具有稳定的美好形状。安装在底部加压底砧上的横向的限制模板，保证纸盒底部尺寸的准确。纸盒底部，在成型轮区加工完成。
⑥纸盒传输
在完成纸盒筒底部加压封口后，纸盒经过传输区被推进套链。纸盒的横向顶部边缘被推出器掀起，并推下成型杆。套链是运输底部已封合好的纸盒经底部导引，依次通过各个工作区，直至最后被从套链上推出。
（4）无菌区
用双氧水溶液和热空气混合冲洗，再用无菌空气使之干燥。无菌区包括纸盒的灭菌及纸盒封口区所需的无菌条件的维持。为了在无菌条件下将产品灌装进纸盒并封口，包括充填系统在内，在生产开始前无菌区必须灭菌，无菌区包括灭菌过滤器室、预热及干燥区、灌装室及顶部密封站。
（5）灌装
产品在灌装站的两个阶段里灌进盒子，每个灌装站完成半量的灌装。灌装过程，由一个感应式流量测量系统控制，并由PLC监视着。这样，就能确保灌装的高精确度。定量系统据流量感应测量原则进行工作，流过定量站的产品量被连续地检测并被PLC在电柜里记录下来。当达到缺省值时，排放阀就关闭。随着排放阀的打开，产品由于质量而从产品桶经过定量系统流进纸盒。特定的灌装程序，可用于存储不同的产品。在操作单元可对灌装容量进行检测及调节。充填装置包括缓冲槽，槽内设置搅拌器，供料使用正位移泵，强制产品注入容器，单管供液体的充填，双管可供带颗粒液体的充填。
（6）顶端密封、耳翼封合
纸盒顶部由于套链及底砧的移动加工而被折叠起来，接着用超声波能量焊接起来。焊接工序用的能量由超声波发生器提供。超声波焊接保证纸盒顶部在一个很窄的长条上焊接起来而不影响其中的产品。这避免了在纸盒包装材料的其他部位产生不必要的热负荷。封口所需的压力来自压缩空气气缸。
纸盒的顶部三角区及侧面被热空气加热活化，然后，顶部三角区被导轨引导着，由折杆将其对着侧壁黏合。
1.7.4 无菌袋无菌包装机
1）无菌袋包装特点
塑料袋无菌包装设备以加拿大DuPotn公司的百利包和芬兰Elecster公司的芬包为代表，两者都为立式制袋充填包装机。百利包采用线性低浓度聚乙烯为主要材料，芬包采用外层白色、内层黑色的低密度聚乙烯共挤黑白膜，也可用铝箔复合膜。这种塑料膜的包装成本远低于利乐包装材料，但是塑料耐热性较差。因此，在实际生产中，更多的是采用双氧水低浓度溶液与紫外线、无菌热空气相结合的技术，一方面使灭菌效果更加彻底有效，另一方面又克服了双氧水浓度过高对人体有伤害的问题。
2）无菌袋无菌包装机结构原理
复合塑料袋无菌灌装机结构与工作流程如图1.66所示。它主要包括包装材料供送装置、双氧水槽、空气过滤器、塑料袋成型器、纵封与横封装置等。进料口在机器消毒时用作高温水入口，生产时作为料液入口，洗涤时为洗涤液入口，装有回流装置。卷筒上的薄膜展开后，通过双氧水浴池进行18～45s浸渍消毒，用刮板消除残留过氧化氢，用无菌热空气烘干表面。由成型器将薄膜一折为二，电热纵封装置将薄膜热合成一圆筒，包膜下行经电热横封切断，牛乳落入塑料袋，塑料袋下行一个工位，横封将塑料袋密封、切断，同时又完成了下一个塑料袋的封底。
塑袋无菌包装无菌环境的建立是通过双氧水对无菌仓的喷雾灭菌、对液体内容物通径的蒸汽灭菌，以及对灌装机构的中心外管、灌装头进行双氧水的喷淋、浸泡灭菌等程控系统自动完成的。机器的整个无菌密封室内充满无菌热空气，保持正压，使灌装、密封在无菌状态下进行。
无菌仓的灭菌，使用浓度30%左右的双氧水在双氧水泵和雾化器的作用下雾化喷入无菌仓内，充填弥漫无菌仓的各个角落，对仓内的各零部件的外表面进行杀菌。
液体内容物通路杀菌，在通路中通入2.7bar蒸气，温度140℃左右，时间不低于30min，中心外管及灌装头杀菌：中心管的内管由蒸气进行杀菌，其外管由自上而下喷淋的双氧水接触杀菌，而灌装头则是由喷淋流入底部的双氧水浸泡杀菌。
图1.66 复合塑料袋无菌灌装机工作流程
1—薄膜卷筒；2—张紧装置；3—双氧水浴池；4—初级空气过滤器；
5—吸风机；6—电加热器；7—超微细菌过滤器；8—刮板；9—进料；10—回流管；
11—塑袋成型器；12—热封纵缝的电热钳；13—注液管；14—横向封口和切断；15—成品输送带
无菌环境的维持是通过无菌空气制取系统来保证的。该系统是由空气过滤器、进风机、电加热器、无菌过滤器及抽气风机等组成。经过无菌过滤的空气其洁净度大于99.9%，充入无菌仓内，保证无菌仓在正常生产情况下的正压，维持系统的无菌状态，多余的气体由抽风机抽出经过另置的管路排到车间的外部。
本章小结
乳品加工机械主要有分离机、均质机、板式换热器、管式换热器、真空浓缩设备、喷雾干燥设备及无菌包装设备等。分离机工作时根据牛乳中微粒密度的不同，可用来分离稀奶油和脱脂乳，也可以除去牛乳中的杂质。为了使悬浮液或乳化液中的分散物微粒化、均匀化，进而获得较为稳定的状态或者改善品质，可采用各种均质乳化设备。典型均质设备有高压均质机、胶体磨等设备。根据食品物料是否与加热蒸汽直接接触，可将杀菌装置分为间接加热和直接加热超高温杀菌两种类型。间接加热装置主要包括板式换热器和管式换热器，而直接加热装置根据料液与蒸汽混合方式不同可分为注入式和喷射式两种。食品物料经过真空浓缩可在较温和的温度下除去食品中大量的水分。根据蒸汽利用的次数不同，可分为单效和多效浓缩设备。多效真空浓缩常用的流程有顺流法（并流法）、逆流法、平流法及混流法。根据料液的流程不同，可分为单程式和循环式。根据料液分布状态不同，可分为薄膜式和非膜式。附属设备主要包括气液分离器、蒸气冷凝器及抽真空系统。喷雾干燥设备用于液态物料的干燥，得到的成品为粉末。食品工业中均使用洁净的干热空气作为对流型干燥设备的干燥介质，浓缩处理后的物料经雾化器雾化成的小液滴与干燥介质进行热和质交换，得到固体粉末。雾化方式有离心式和压力式，干燥塔内雾滴与介质的流动方式有并流、逆流和混合式3种。喷雾干燥设备的附属装置有空气过滤器、空气除湿器、空气加热器、鼓风机及除尘装置等。无菌包装是指将流质或半流质食品物料经过超高温瞬时杀菌（UHT）或高温短时杀菌（HTST），再迅速冷却至30～40℃，在无菌环境下将物料充入已灭菌的包装容器内密封的一种包装技术。本章中主要介绍了利乐砖型包无菌灌装机、康美包无菌灌装机和无菌袋无菌包装机。
复习思考题
1.简述升膜式真空浓缩设备的结构、工作原理和使用。
2.高压均质机的工作原理是什么？
3.板式换热器有什么特点？使用时有哪些注意事项和维护保养要点？
4.简述真空浓缩设备的常见故障、原因分析与排除方法。
5.高压均质原理的3种学说是什么？
6.举例说明间接式和直接式换热器在乳品加工过程中的应用。
7.对比讨论高压均质机与胶体磨的特点及适用对象。
8.设计一个可同时生产巴氏杀菌乳、炼乳、乳粉、奶油等产品的生产车间设备流程。
9.试比较分析卷材式与预制盒式无菌包装设备特点。
10.试述常见无菌包装机中保证包装产品无菌的条件有哪些，无菌包装设备哪些关键区域与系统需要无菌化。
11.当生产奶粉时出现焦粉现象可能是什么原因导致的？应如何处理？
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