全新模式多用杀菌釜是怎样炼成的

让食品杀菌双效提升：全新模式多用杀菌釜是怎样炼成的？（上）——现有四种常见杀菌模式优劣势分析文/邵潍淮【作者简介】食品机械行业尤其是杀菌釜行业的资深专业人士，现任山东鼎泰盛食品工业装备有限公司顾问。历任中国罐头工业协会专家委员会委员、中国肉类加工机械专家委员会委员、中国机械工业食品机械标准化技术委员会委员。曾获得《连续杀菌釜》发明专利以及其它有关杀菌釜方面的专利12项，参与编写《食品杀菌釜》JB/T11373-2013和《罐头工业手册》（2016年），主持规划多条食品饮料生产线。通过对工艺要求明显高于金属罐的充惰性气体铝箔袋包装产品的杀菌工艺的分析（因为充惰性气体铝箔袋在杀菌过程中对压力、温度的变化尤为敏感）及杀菌设备的选型，浅述了四种结构形式杀菌釜（蒸汽式、侧喷淋式、上喷淋式、水浴式）的优点与不足，继而详细介绍了一种具有专利技术的全新结构形式的多用杀菌釜——可以涵盖现有各种杀菌釜（除回转以外）的所有功能，同时又避免了现有各类杀菌釜的不足之处，对食品企业杀菌工序效率和效益的提高将起到很大的作用。食品杀菌的主要目的是延长食品的保质期，主要方式是通过杀菌釜来进行，到目前为止在食品企业存量的杀菌釜仍然是采用批次式模式进行杀菌，即在产品包装环节生产出一定数量的产品之后再一起被送入杀菌釜内进行杀菌操作。在一家食品企业，是技术、营销在引导与决定着工艺和装备。做什么样的食品，采用哪一种形式的包装，就要有对应的制作工艺与装备。在食品的加工过程当中，杀菌设备往往处于关键的工艺环节，这是因为在现代化的食品加工过程中，食品杀菌工序往往还承载着食品的熟化、调理、成型等功能。所以在确定食品生产工艺时，要根据所生产的食品特性、准备选取的包装形式来确定杀菌装备的具体结构形式。下面我们从不同的角度来分析怎样才能获得各种包装形式的食品与不同结构杀菌设备之间的最佳匹配状态，主要是关注产品在杀菌过程中的热分布及热穿透的均匀性。食品杀菌综述由于市场的多元化和消费层次的不同，同样的一种食品，会有不同的包装材料和包装形式，为了获得最大的生产效率和生产效益，就要有对应的杀菌设备。下面我们就对红薯深加工制品的杀菌工艺及所需用的杀菌设备加以讨论，以期对产品、工艺、装备之间的关系获得更深层次的理解。当面向高层次消费时，可对普通的红薯进行深加工以提升附加值，其制品多采用彩印充惰性气体的铝箔袋包装，导致食品本身的外形和质地、食品的色香味等感官指标、包装材料的质地和外观等因素都对杀菌工艺和装备提出了相当苛刻的要求。我们可以通过下面的示意图（图1、图2）来说明整个杀菌过程中各种参数的变化，以及引起这些参数变化的各种原因，据此便可以找出所具有普遍性的规律，从而指导我们所从事的杀菌工艺的实践活动。图1铝箔包装袋示意图图2精美的彩印铝箔袋被制作成自立袋形式，摆在货架上，具有相当好的观赏性。图为被杀菌后的铝箔袋包装产品。影响食品杀菌的因素在杀菌过程中，要求温度快速升高，以使被加热杀菌产品处于较高温度梯度的传热过程中，让被杀菌产品的中心部位快速达到所要求的杀菌温度，从而缩短整体的杀菌时间。充气包装的食品在升温过程中，由于食品包装袋内的传热过程是包装袋外面的热量先传递给袋内的惰性气体，惰性气体再将热量传递给袋内的食品，导致袋内的温度在升温阶段始终低于袋外的温度。此外，又因为铝箔袋内充有惰性气体，且食品含有许多水分，使得加热杀菌过程中袋内的空间被气体和蒸汽所充斥，而气体传热特性和食品又不一样，这些都是影响食品杀菌的因素。对于气体来说有如下方程式所描述的性质。(P1*V1)/T1＝(P2*V2)/T2＝常数（定值）在初始为1的状态下，气体的压力为P1、温度为T1、体积为V1。当杀菌罐内的环境变化到2的状态后，温度由T1升高到T2，要求包装袋的容积不能有变化（如果包装袋的容积变化了就会改变铝箔袋的形状），即V2＝V1，那么就一定要使P2＞P1。由于杀菌罐内温度是逐渐升高的，则杀菌罐内的压力也要随之逐渐地对应升高，才可抵消因温度升高而引起的袋内压力的变化ΔP，即P2-P1。另一方面，所有的食品都含有一定水分，铝箔袋内的温度升高后，空气中的蒸汽含量也会相应升高，蒸汽遇到温度较低的产品后由于相变所释放出的热量远远大于空气所传递的热量，所以如何促使铝箔袋内壁上的水分蒸发并在温度较低的产品上再冷凝从而达到快速传递热量的目的，这在对铝箔袋包装的产品选取杀菌设备时首先要考虑的问题，对于这一点通过后面的分析可以清晰的加以表明。在杀菌罐内的温度达到设定值后，由于被杀菌产品具有一定的大小，产品中心部位的温度升高要滞后一定的时间，加之铝箔袋内有大量空气，传热的速度相对迟缓，所以袋内食品的温度会缓慢地接近杀菌罐内的温度，这也就是我们在制定杀菌工艺中的保温时间时所要考虑的首要因素。提高被杀菌食品在杀菌过程当中的传热速度，对于缩短保温时间、提高生产效率和杀菌质量具有关键的作用。四种常用杀菌方式分析图3

四种杀菌方式示意图对于铝箔袋包装的产品，就现有的杀菌设备而言，我们有图3中所列出的四种杀菌方式可以选择。下面就这四种杀菌方式来加以分析，看看各种杀菌釜的优势与不足。上淋水杀菌方式由于循环水是从最上面一层淋下来的，但铝箔袋在杀菌时为防止高温时的变形，必须是平整地摆放在笼盘内（见图4），所以从第二层起被杀菌的产品就无法均匀获得喷淋下来的循环水，也就无法被均匀的加热，仅这一点来看上喷淋方式并不适合充气铝箔袋产品。图4

上淋水式杀菌工作状态及结构示意图蒸汽杀菌方式由于铝箔袋内充有惰性气体，空气受热要膨胀，到高温时如要保持铝箔袋不变形，就必须提高铝箔袋外部的压力以平衡铝箔袋内的压力，从而使袋内气体的体积不增加。由于在饱和蒸汽的状态下，蒸汽的温度与其压力有着一一对应的关系，在采用蒸汽杀菌时如果要在某一温度下增加杀菌釜内的压力，其方式只能是向杀菌罐内充入压缩空气，其结果是杀菌釜内将不再是饱和蒸汽的环境，致使杀菌罐内温度分布严重不均匀，这对充气包装的产品来说是绝对不可的——原因在于温度稍有不均匀就会导致铝箔袋内的气体膨胀率不同，但所有的产品都是置于同一个杀菌罐内，意味着罐内各处的压力是相同的，最终导致铝箔袋胀瘪不一。图5

蒸汽杀菌状态示意图为什么蒸汽杀菌时杀菌罐内在一般的情况下不能通入空气呢？要说明这个问题，就要首先了解蒸汽的性质。当蒸汽遇到比自己温度低的物体时，就会冷凝成水并释放出大量的热量（1克蒸汽在发生相变冷凝成水时所释放出的热量可使50克水的温度升高约10℃），同时冷凝水所占据的体积还不足蒸汽所占体积的1/1000。如果蒸汽中还混合有5%的空气，则空气就会在笼筐中心部位气体流动性差的地方积聚成团，使局部的气体中蒸汽的含量逐步下降，从而导致此处被杀菌产品所接受的热量明显少于别处，最终导致杀菌罐内被杀菌产品温度分布不均匀、产品加热不一的不良后果。当然，如果一定要用蒸汽混合空气的方式来进行反压杀菌的话，则必须解决杀菌罐内空气流动性差的问题，例如采取在杀菌罐内加装风扇等措施。另外值得注意的一点是，工厂中从热源处通过管道所供应的蒸汽压力都是比较高的,一般在0.4～0.7MPa,对应于这样压力的蒸汽，温度在150～170℃之间，无论是经过减压阀还是其它控制阀门进入杀菌釜的蒸汽都是过热蒸汽。这样高温度的蒸汽在变为所对应温度的饱和蒸汽前，如果遇到包装材料，就会使包装材料的局部（例如包装袋的边缘）温度超过耐受极限，加上塑料材料的热传导性比较差将导致问题变得更加严重，这也就是为什么塑料制品的包装材料不宜使用蒸汽杀菌的原因之一。侧喷淋杀菌方式就现状而言，这种结构形式的杀菌釜是专门为充气包装的产品所开发出来的，其加热方式是从侧面喷淋出循环水对被杀菌产品进行加热或冷却。由于所有循环水几乎都是同时喷淋出来的，所以各处产品所获得的温度也相同，基本上可以不考虑温度分布不均匀的问题。在侧喷淋杀菌釜的工作过程当中，罐内的循环水和产品所占据的容积还不足50%，大部分空间是气体，所以杀菌罐内的压力调整就很容易，换言之杀菌罐内的压力可以按设置要求精确控制，这对充气的铝箔袋来讲是十分有利的。图6

侧喷淋杀菌状态示意图图7

侧喷淋杀菌釜工作时的状态但是，通过图1、图6、图7所示意的侧喷淋式杀菌工况可以看到，循环水只是从产品一侧的上面喷淋向产品，而产品的另一侧及下面则无法接触循环水获得传热，且铝箔袋内的产品又都是堆积在下面，杀菌罐内整体的温度分布虽然均匀，但热传递的效果却难以提高，这是侧喷淋杀菌釜难以克服的不足之处。全水式杀菌釜方式

举个最通俗不过的例子，我们买回两袋速冻水饺，同时用两种方式对其进行加热：一种是等开了锅以后放在笼屉上蒸，另一种是等水沸腾后放在锅里煮，哪一袋先熟不言而喻。所以从传热效果来讲，采用全水式加热对产品的杀菌效果是最好的。由于水在比重上往往大于被杀菌食品，加之铝箔袋内充满惰性气体，所以产品在杀菌过程中始终处于漂浮状态，产品的层叠摆放影响到循环水的流动性，继而又影响到热分布的均匀性。图8

全水杀菌釜工作状态示意图另一方面，众所周知，水在从一处流动到另一处的过程中，总是首先流经阻力最小的通道。在装满产品的笼筐放置在杀菌釜内以后，由于装载着被杀菌产品的笼筐与杀菌釜四周之间的缝隙总是大于产品与产品之间的缝隙，所以大部分的水流在杀菌过程当中没有流经被杀菌产品。这虽然在热量上没有损耗，却极大地降低了传热的效率，此时若要提高杀菌效果，只有加大循环水泵的流量，即加大循环水在杀菌罐内的流速，使流经被杀菌产品处的水流按比例也同时增加一些。由于循环水泵在杀菌釜工作期间一直处于工作状态，这无形中也损失了大量电能。在杀菌过程中，因全水式杀菌釜内循环水的水面一定要漫过被杀菌的食品，致使笼盘最下层的产品所受到的压强要比最上层的产品大，对于较大规格的杀菌釜而言，仅仅是这样的水位差所产生的压强就足以使被杀菌的铝箔袋包装产生变形。同时，由于杀菌釜内95%的空间都被产品和水所占据，所以全水式杀菌釜在杀菌过程中对反压压力的控制就显得波动比较大，其控制精度远逊于上喷淋与侧喷淋。让食品杀菌双效提升：全新模式多用杀菌釜是怎样炼成的？（下）——集百家之长的杀菌釜结构特点和性能优势通过对工艺要求明显高于金属罐的充惰性气体铝箔袋包装产品的杀菌工艺的分析（因为充惰性气体铝箔袋在杀菌过程中对压力、温度的变化尤为敏感）及杀菌设备的选型，浅述了四种结构形式杀菌釜（蒸汽式、侧喷淋式、上喷淋式、水浴式）的优点与不足，继而详细介绍了一种具有专利技术的全新结构形式的多用杀菌釜——可以涵盖现有各种杀菌釜（除回转以外）的所有功能，同时又避免了现有各类杀菌釜的不足之处，对食品企业杀菌工序效率和效益的提高将起到很大的作用。全新结构的多用杀菌釜通过本文第一部分的分析，我们明晰了各种类型结构杀菌釜的优点和不足之处。怎样才能将前述常用四种杀菌釜的优点进行集中，并将各种不足加以克服呢？下面所介绍的“全新模式多用杀菌釜”就可以很好地解决这些问题，它的主要结构如图9所示。图9全新模式多用杀菌釜示意图该全新模式多用杀菌釜最关键的一点就在于所有循环水都在被限制的状态下流经每一层笼筐，而笼筐内的水位都是按设计要求稍微低于笼筐的高度。循环水从最上面一层的笼筐喷洒而入，在笼筐内形成一定高度的水位后通过笼筐底面的开孔漏至下面的一层笼筐内，直至循环水经过每一层笼筐后落到杀菌罐的底部，从而完成对被杀菌产品传热杀菌的过程。在全新模式多用杀菌釜中有以下几个技术关键点。首先，笼筐只在底部开有漏水的小孔。其次，在杀菌时，每个笼筐内的水位都在循环水流动过程中保持一定的动态高度。水位的高度应高于被杀菌产品在笼筐中的摆放高度，以使被杀菌产品都浸泡在水中，从而获得最佳的热传递效果。第三，杀菌罐底部的水位要自动保持低于最下面一层笼筐底面的高度。全新模式多用杀菌釜的优点每件被杀菌产品都接触到循环水，无温度死角。由于循环水自上而下按自由落体速度流经每一层笼筐，所以对于每一件被杀菌产品来讲几乎没有温度死角，这与现有的侧喷淋式或上喷淋式杀菌釜相仿。另外要明确的一点是，侧喷淋式或上喷淋式的循环水在流经产品时只是快速的流过而没有停留，致使产品的底面或部分侧面接触不到循环水，而全新模式多用杀菌釜可以使循环水在笼筐内停留并形成一定高度的水位，导致被杀菌产品都浸泡在水中，这是其突出的一点。每层笼框产品几乎无温差。虽然因热水自上而下流动使得上面的食品首先被加热，但由于水的流动性非常好，即流速很快，所以这个温差持续的时间并不是很长。特别是在进入保温阶段后，最上面一层笼筐内的产品外表温度更加接近循环水的温度，而循环水始终是在快速流动，所以下层产品的温度几乎瞬间便可达到与上层产品一样的温度，其中的微小差别可忽略不计。况且在进入冷却阶段以后，循环的冷却水也是自上而下流动，即上面的产品先被冷却，从整个杀菌过程来看，上下产品的受热程度是一样的。杀菌笼筐内的水位保持一定的动态高度。新型全新模式多用杀菌釜杀菌笼筐内的水位是动态地保持一定的高度，从笼筐底部所漏出水的流量（Q）可按以下公式计算。其中ｓ是指笼筐底部的开孔面积，γ是指水的粘度系数，g是指重力常数，h是指水位高度。由上式可以看出，流量Ｑ是由笼筐底部的开孔面积ｓ和笼筐内的水位高度h所决定的。对于某一个笼筐来讲，笼筐底部的开孔面积ｓ已经确定，当水位高时，流量会加大，当水位低时，流量则减小，但循环泵所提供的循环水流量是不变的，层叠的各个笼筐在单位时间内得到的水量是一致的，所以各层笼筐内的水位在一定的幅度内动态地保持一致。传热效果好。由于所有的被杀菌产品都浸泡在快速流动着的循环水中，所以传热效果非常好，这一点同现有的全水式杀菌釜一样。特别是对于具有规则外形的两片罐、三片罐、玻璃瓶类产品，其传热效果比现有的淋水式杀菌效果要提高许多。由于循环水在经过每一层产品时都会在笼筐内形成一定的水位后再均匀地淋洒到下一层笼筐内的产品上，所以热分布的效果非常好。生产效率最高提升80%。由于循环水在各处的流动性都非常好，所以被杀菌产品的摆放就可以比较密集，因而在同样规格、同样产品的情况下，全新模式多用杀菌釜每次的杀菌装载量（即生产效率）可以比现有各类型杀菌釜提高30%～80%。升温速度明显快于全水式杀菌釜。全新模式多用杀菌釜内循环水的使用量只有全水式杀菌釜的50%左右，在同样的汽源条件下，杀菌时升温速度明显快于全水式结构杀菌釜，这对于食品杀菌工艺来说非常关键。杀菌罐内反压压力控制准确度可媲美侧喷淋和上喷淋模式。由于全新模式多用杀菌釜内有一半左右的空间被空气占据，所以杀菌罐内反压压力的控制非常准确，这一性能与侧喷淋和上喷淋杀菌相同。节能、节水效果显著。借助于全新模式多用杀菌釜的结构特点，可以轻松实现在现有杀菌釜结构基础上难以企及的节能、节水功能——加装节能、节水配置以后，可以节约40%以上的蒸汽以及约50%的冷却水，这一优势在当今的环境条件下显得尤其重要。功能强大。全新模式多用杀菌釜可以适应除回转功能以外的几乎所有包装形式产品的杀菌要求。而这些功能的实现完全摒弃了现有所谓多功能杀菌釜只是将几种杀菌功能的结构简单、机械地堆砌、拼凑在一起的思维模式。全新模式多用杀菌釜结构简单，性能可靠，操作便捷，维护方便，给用户带来了显著的杀菌效果和经济效益。针对不同包材产品的杀菌要点全新模式多用杀菌釜可以对采用以下不同类型包装材料的食品进行杀菌。真空软包装产品可以按定压杀菌模式进行杀菌过程控制。铝箔袋（盒）类包装、吸塑充气快餐盒类包装等产品可以按压力随温度变化的变压杀菌模式进行杀菌过程控制，具体的控制过程曲线如图10所示。对于同一个具体的温度值，在升温阶段的压力要低于降温阶段的压力，原因在于升温阶段杀菌罐内的温度要高于包装材料内物料的温度，而在降温阶段杀菌罐内的温度要低于包装材料内物料的温度。包装容器内气体的体积是由温度和压力共同决定的，所以杀菌罐内压力的控制要由包装材料内物料和气体的温度来决定。杀菌过程当中具体的温度—压力设定值因具体产品的尺寸、形状、特性而不同，可以从实验中获得。图10

压力—温度变化趋势示意图玻璃瓶类包装食品全新模式多用杀菌釜的优越性更为突出