一种鲜奶热水巴氏杀菌装置及其自动控制方法与流程

本发明涉及鲜奶用热水加热采用巴氏方法杀菌的装置与杀菌自动控制方法，属于鲜奶加工领域，特别是一种通过测定鲜奶与加热热水温度，控制鲜奶与加热热水流量，精确控制消鲜奶杀菌温度、杀菌时间和杀菌后快速冷却的杀菌的装置及其消毒自动控制方法。

背景技术：

巴氏消毒最先用于牛奶的杀菌，其目的是杀死牛奶中可能存在的所有有害微生物（包括致病菌）。牛奶巴氏杀菌是目前最理想、最有效的牛奶杀菌方法之一，既能起到杀菌效果，又能保持营养成份，不加任何防腐剂，有利于食用者身体健康，特别是可延长保质期和贮藏期。

目前国际上通用的巴氏消毒法主要有两种:第一种是将牛奶加热到62-65℃，保持30分钟。可杀死牛奶中各种生长型致病菌，灭菌效率可达97.3%-99.9%，经消毒后残留的只是部分嗜热菌及耐热性菌以及芽孢等，但这些细菌占多数的是乳酸菌，乳酸菌不但对人无害反而有益健康。这种方法目前使用较少。第二种方法是将牛奶加热到75-90℃，保温15-16秒，其杀菌时间更短，工作效率更高。但杀菌的基本原则是，能将病原菌杀死即可，温度太高、高温时间太长反而会有较多的营养损失。

经调研考察，目前市面上售卖和使用的多数牛奶巴氏杀菌机，并不能很好地按照第二种方法进行杀菌，不能严格控制地杀菌温度75-90℃和杀菌时间15-16秒，实际操作中多存在“一锅煮30分钟”现象，杀毒时间长效率低，高温后不冷却，长时间在杀菌温度保温或自然冷却，耗能多、牛奶营养损失大，口感变差，牛奶香味消失，同时杀菌效果差，巴氏杀菌奶存在质检部门抽查金黄色葡萄球菌与大肠菌群不合格现象。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决以上述不足，提供一种牛奶用热水加热采用巴氏方法杀菌的装置与自动控制方法，通过测定鲜奶与加热热水温度，控制鲜奶与加热热水的流量，在特制的杀菌器内杀菌，精确控制鲜奶杀菌温度、杀菌时间和杀菌后快速冷却的杀菌装置及其杀菌自动控制方法，自动化程度高，大幅降低劳动强度，杀菌效率高，大幅减少杀菌牛奶营养损失，保持杀菌牛奶的牛奶香味与口感。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种鲜奶热水巴氏杀菌装置，包括：原料奶桶、热水桶、原料奶杀菌器、杀菌奶冷却器、原料奶计量泵、热水计量泵、连接管道和PLC控制系统；

所述原料奶桶，带有电驱动搅拌器、原料奶加热温控器、原料奶电加热器，并用管道与杀菌器进奶口相连接，连接管道上装有原料奶阀、原料奶计量泵、原料奶温度变送器；

所述热水桶，带有电驱动搅拌器、热水加热温控器、热水电加热器，并用管道与杀菌器热水口相连接，连接管道上装有热水阀、热水计量泵、热水温度变送器；

所述杀菌器，带有原料奶进口、热水进口、杀菌器外壳、杀菌管、杀菌奶温度变送器、上奶箱、杀菌器管板、热水出口、下奶箱。所述杀菌器的进奶口与原料奶奶桶出口用管道相连接，原料奶流入上奶箱均匀分布到各个杀菌管，热水进口用管道与热水桶热水出口相连，热水出口用管道与热水桶回水口相连接，杀菌奶在下奶箱汇集流入冷却器冷却；

所述冷却器，带有杀菌奶进口、上奶箱、冷却水进口、冷却器外壳、冷却管、冷却奶温度变送器、冷却器管板、冷却水出口、冷却奶出口、下奶箱、冷却水管与冷却水泵。所述冷却器杀菌奶进口与杀菌器杀菌奶出口法兰连接，杀菌奶流入上奶箱均匀分布到各个冷却管，冷却水进口用管道与循环冷却水相连，用后的冷却水从冷却水出口用管道返回循环冷却水，冷却奶在下奶箱汇集流出，即为巴氏杀菌牛奶，进入冷藏箱或冷藏柜冷藏存放；

所述PLC控制系统，包括PLC控制器（含控制软件）、测量变送仪表（包括原料奶温度变送器、原料奶流量变送器，热水温度变送器、热水流量变送器，杀菌奶温度变送器，冷却奶温度变送器），执行器（包括原料奶加热温控器、热水加热温控器、原料奶计量泵与热水计量泵。

一种牛奶热水巴氏杀菌的自动控制方法，通过热电偶测定鲜奶与加热热水温度，通过计量泵测定控制鲜奶与加热热水流量，通过PLC自动调节鲜奶与加热热水流量比，达到设定的杀菌温度和杀菌时间的自动控制方法，包括如下步骤：

步骤（1）：设定原料奶设定值T₁与热水温控器温度设定值T₂，开启原料奶加热器与搅拌，开启热水加热器与搅拌；

步骤（2）：待原料奶温度与热水温控器温度均达到设定值后，开启原料奶计量泵和热水计量泵，同时打开冷却器冷却水阀；

步骤（3）：通过原料奶温度变送器测定热水T₁，通过热水温度变送器测定热水T₂，通过杀菌奶温度变送器测定杀菌奶温度T₃，通过冷却奶温度变送器测定冷却奶温度T₄；通过原料奶计量泵计量原料奶流量F_M1，通过热水计量泵计量热水流量F_M2；

步骤（4）：流量比K确定：依据原料奶、热水、杀菌奶间的能量守恒定律，将测量的温度（T₁、T₂、T₃）与流量（F_M1、F_M1）数值变送进入PLC控制器，并依据式（1）、式（2）进行运算；

C₁M₁（T₁-T₃）= C₂M₂（T₃-T₂） （1）

K= M₁/M₂×100% ≈F_M1/F_M2 （2）

其中：M₁ 、M₂为原料奶与热水的质量，原料奶的质量M₁=p₁×F_M1，热水的质量 M₂=p₂×F_M2，其中p₁、p₂为原料奶与热水的密度，通过测定，p₁、p₂可认为是常量；

T₁、T₂ 为原料奶与热水的设定温度，可以根据实际情况自行设定，T₃为杀菌奶的温度，可以根据调节方式不同设定或测定，一般控制在80~85℃；

F_M1 、F_M2为原料奶与热水的流量，通过各自相应的计量泵流量计测量；

K为原料奶与热水质量比，由于p₁与p₂差别很小，K也可以近似认为是原料奶与热水流量之比；

PLC控制器可根据杀菌需要预先设定比值K，见式（2），具体控制中可将M₁ 或M₂其中一个固定，即将对应的流量F_M1 、F_M2其中一个固定；由于原料奶温度T₁、热水温度T₂可以自行设定，一般T₁设在45~50℃，T₂设在90~95℃，杀菌奶温度T₃根据杀菌需要通常为80~85℃，由式（1）、式（2）可以得到固定的K值， K值经计算后可以设定；

步骤（5）：杀毒时间确定。根据巴氏杀菌要求，杀菌时间控制在13-15秒，即设定原料奶流经杀菌器时间控制在13-15秒；

步骤（6）：调节原料奶计量泵使原料奶流量至设定数值F_M1，调节热水计量泵使热水流量设定数值F_M2。对于特定的杀菌器，杀菌管的管直径d、长度L和数量n是固定的，15秒流经杀菌器的原料奶体积：

V=15×F_M1= n×L×πdd/4 （3）

由式（3）可得到：

F_M1= n×L×（πdd/4）/15 （4）

由式（4）可以得出，对于特定的杀菌器（规格尺寸已确定）和特定的杀菌时间15秒，原料奶流量F_M1值是确定的。实际操作控制时将原料奶流量F_M1与调到该固定值，固定原料奶计量泵频率，实现流量F_M1稳定，PLC控制系统依据设定的K值，通过调节热水计量泵频率调节F_M2，对F_M1 /F_M2实行比例控制；

步骤（6）：杀菌奶冷却：杀菌奶出口温度T₃根据杀菌需要通常为80~85℃，杀菌奶冷却后温度通常为30~40℃，启动冷却水泵，调节冷却水阀开度，使杀菌奶冷却后温度控制在通常为35℃左右，然后进入冷藏箱或冷藏柜冷藏存放。

一种牛奶热水巴氏杀菌的自动控制方法，包括如下生产自动控制过程：

（1）原料奶温度T₁与热水温度T₂自动控制过程：根据T₁ 的设定值，通过原料奶加热温控器自动调节原料奶电加热器实现原料奶温度，根据T₂ 的设定值，通过热水加热温控器自动调节热水电加热器实现热水温度；

（2）原料奶流量F_M1调到预算的固定值，固定原料奶计量泵频率，实现流量F_M1稳定，PLC控制系统依据设定的K值，通过调自动节热水计量泵频率调节F_M2，对F_M1 /F_M2实行比例控制，实现杀菌温度和杀菌时间的控制。

本发明的有益效果是：

(1) 本发明的自动控制能满足牛奶用热水加热巴氏杀菌的连续性与稳定性，保证了鲜奶和加热热水流量调节即时性和准确性，实现了杀菌温度80~85℃和杀菌时间13-15秒的精确控制，提高了杀菌效率，保证杀菌效果，杀毒后牛奶营养损失少，保持了杀菌牛奶的牛奶香味与口感，可延长保质期和贮藏期；

(2) 和手动控制相比，自动控制降低了杀菌的劳动强度，提高了杀菌工艺过程的控制水平和效率。

附图说明

图1为本发明的自动化杀菌流程示意图，虚线框内为自动控制流程图；

图2为本发明的生产自动控制流程方框图；

图中：1原料奶桶，2.原料奶搅拌器，3.原料奶加热温控器，4.原料奶电加热器，5.原料奶阀，6. 原料奶计量泵，7. 原料奶流量变送器，8. PLC控制系统，9.热水桶，10. 热水搅拌器，11.热水温度控制器，12. 热水电加热器，13.成品奶桶，14. 杀菌器，15. 杀菌奶温度变送器，16. 杀菌奶冷却器，17.冷却器温度变送器，18.循环冷却水阀，19.热水计量泵，20. 热水流量变送器，21. 热水阀。原料奶桶1、原料奶阀5、原料奶计量泵6与杀菌器14之间用不锈钢管道连接，热水桶9、热水阀21、热水计量泵19与杀菌器14之间用不锈钢管道连接，杀菌器14、杀菌奶冷却器16与成品奶桶13之间用不锈钢管道连接。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明的自动控制方法的实施，是原料奶在原料奶桶1中经过原料奶电加热器4加热和原料奶搅拌器2搅拌达到预设的温度T1，经原料奶计量泵6和原料奶流量变送器7控制经过式（4）的确定的鲜奶流量F_M1，在15秒时间内通过杀菌器14；热水在热水桶9中经过热水电加热器12加热和热水搅拌器10搅拌达到预设的温度T2，经热水计量泵19和热水流量变送器20由PLC控制系统8控制由式（1）、式（2）的确定的热水流量F_M2，通过热水流量F_M2控制原料奶的杀菌温度T3和杀菌时间，然后流出杀菌器14，流经杀菌奶冷却器16冷却至温度35℃后冷藏。

通过PLC自动控制系统8，对原料奶的预热温度T1、热水温度T2进行测量变送，由原料奶温控器3控制原料奶电加热器4，热水温控器11控制热水电加热器12实现温度控制；对原料奶计量泵6和热水计量泵19进行流量比例自动控制，对冷却器进行温度控制，实现牛奶热水巴氏杀菌的自动化生产。

如图1所示，一种牛奶热水巴氏杀菌的自动控制方法，包括如下步骤：

步骤（1）：设定原料奶温控器3温度值T₁，设定热水温控器11温度值T₂，开启原料奶加热器4与搅拌器2，开启热水加热器12与搅拌器10；

步骤（2）：待原料奶温度T₁与热水温度T₂均达到设定值后，开启原料奶计量泵6和热水计量泵19，同时打开杀菌奶冷却器16冷却水阀18；

步骤（3）：通过原料奶温控器3测定热水T₁，通过热水温控器11测定热水T₂，通过杀菌奶温度变送器15测定杀菌奶温度T₃，通过冷却奶温度变送器17测定冷却奶温度T₄；通过原料奶计量泵计量原料奶流量F_M1，通过热水计量泵计量热水流量F_M2；测量结果送到PLC；

步骤（4）：将测量的温度（T₁、T₂、T₃）与流量（F_M1、F_M2）数值变送进入PLC控制器，并依据式（1）、式（2）确定流量比K；

步骤（5）：根据巴氏杀菌要求，杀菌时间控制在13-15秒，即设定原料奶流经杀菌器时间控制在13-15秒；

步骤（6）：根据式（4）计算原料奶流量F_M1，调节原料奶计量泵6使原料奶流量F_M1至该计算数值，调节热水计量泵使热水流量至对应数值F_M2；

步骤（6）：打开并调节循环冷却水阀18开度，使杀菌奶冷却后温度控制在通常为35℃左右，然后进入冷藏箱或冷藏柜冷藏存放。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。