专利名称：过饱和的氧化液体的制备方法
技术领域：
本发明一般涉及一种过饱和的氧化液体的制备方法。更具体地说，本发明涉及制备过饱和的含氧水并将氧气保持在容器中。
近年来，消费者对运动饮料的需求大增加。运动饮料，特别是那些采用氧化液体或甚至过饱和氧化氧气的运动饮料已超过充碳酸气的苏打饮料更加广泛地被消费者接受。某些运动饮料附加了矿物质以缓减脱水症状，并有助于补充产生能量的葡萄糖。为向运动饮料提供必需的氧化的液体，需要过饱和液体，例如矿泉水，至氧含量远超过其来自空气分离的正常量的水平。对人类消费液体还必须无菌且卫生。
在本领域中，人们试图增加氧气在水中的平衡浓度，如通过降低水温度然后在采用塔盘的接触装置中对氧气和水进行加压，从而将溶解氧的水平提高至更高的平衡程度，所述过程采用纯氧。但是，最大氧浓度测量值仅为约50mg／l。
由于现有的研究涉及制备“平衡氧”水而非“过饱和氧”水，要瓶装水具有高氧浓度还非常困难。过饱和是指一种不稳定过程，其中，更多的氧气溶解于水中，超过平衡状态所接受的值。如果接触装置提供了足够的停留时间并保持氧气的纯度，则可达到平衡浓度，在5℃的冷水中大约为50ppm。
但是，矿泉水或来自天然来源的任何水只包含某些量的溶解空气。由于空气中包含79％的氮气，由现有技术中使用的纯氧将是从空气中汽提出氮气，形成了氧含量低于100％的混合物。因而，水将与气体混合物而非与纯氧达到平衡。随着热泄漏和管摩擦，如在现有技术中对氧气冷却及加压，仅可达到理想平衡氧浓度的一部分。
进而，从水中除去细菌通常是用反渗透法进行的，该过程也会使水产生不希望出现的味道。在有些情况下通过使空气通过臭氧发生器而进行臭氧化处理。任何未使用的臭氧从臭氧接触装置中放空。通常，结果是充分的氧溶解过程和有效的卫生处理过程。
因而，人们仍寄希望一种生产过饱和氧化液体的新方法，所述液体可延迟和防止细菌生长。
一方面，本发明涉及一种过饱和的氧化液体的制备方法，其包括将高氧含量的气体加至臭氧发生器中以产生臭氧；使臭氧在大气压下通入一个接触槽以产生氧化和臭氧化的液体；和使所述氧化和臭氧化的液体通过在线超声混合机的接触回路以产生基本上纯的过饱和的氧化和臭氧化的液体。
另一方面，本发明涉及一种瓶装过饱和氧化的液体的制备方法，其包括将高氧含量的气体加至臭氧发生器中以产生臭氧；使臭氧在大气压下通入一个接触槽以产生氧化和臭氧化的液体；使所述氧化和臭氧化的液体通过在线超声混合机的接触回路以产生基本上纯的过饱和的氧化和臭氧化的液体；和将所述基本上纯的过饱和氧化和臭氧化的液体灌注并封装于瓶中。优选所述液体为水。
本文中，术语“基本上纯的过饱和氧化和臭氧化的液体”是指在接触槽中处理并通过本发明的混合机的液体。通常，从接触槽中排出的基本上纯的过饱和氧化和臭氧化的液体所具有的溶解氧浓度至少为约30至约50mg／l，优选至少40mg／l。
从下述优选实施方案和附图的描述中，本领域的技术人员可更清楚地理理本发明的其他目的、特点和优点，所述附图仅图示说明了本发明方法的示意图。
本发明提供了一种用氧气过饱和液体，优选水的经济而有效的生产方法，本发明也提供了用氧气过饱和的瓶装液体并同时提供了卫生处理方法。
第一步是除去来自空气的溶解的氮气。该过程同时与用臭氧进行的杀菌步骤和平衡汽提步骤结合进行。供向臭氧发生器的空气用纯氧代替，从而，向系统中加入在此情况下作为惰性气体的气体无新鲜来源的氮气。
采用纯氧时，臭氧发生器可生产约10至约15％的臭氧，而采用空气时，仅能生产约2至约3％的臭氧。
将由纯氧产生的臭氧在大气压下通过臭氧接触器。臭氧的作用是破坏细菌并除去来自矿泉水和泉水中的异味和有害的有机物。其余约85至90％的平衡氧用作汽提气体以除去溶解的氮气，氮气作为废气从臭氧接触器中排出。臭氧接触器的操作是在大气压或接近大气压下进行的，这使臭氧发生器可有效地运行，并使氮气被有效地汽提出去。
可对接触槽进行冷却。冷却可以是封闭的冷却回路形式。优选将接触槽冷却至约3-9℃，优选约5℃的平衡值。
带有臭氧和纯氧而从臭氧接触槽中排出的液体所具有的溶解氧浓度接近约约30至约50mg／l，优选40mg／l。从臭氧接触器排出的水也将包含溶解的臭氧。这种溶解的臭氧最终会分解成氧气和液体，并在平衡水平的顶点提供另一种过饱和液体的来源。但是，臭氧仅具有几分钟的有限货架期。因此，这种含臭氧的液体必须尽可能迅速地过饱和并瓶装。为了完成这了任务，采用需要停留时间约为几秒的在线超声混合机进行。
为了过饱和臭氧化的液体，向液体中加入氧气。用泵加速氧化和臭氧化的液体混合物至超声速度。在存在气泡时，在超声两相流中，声速从约5000ft／sec(液体中)减至低于约50ft／sec。在减少速度时，形成冲击波，将气泡打碎至微小尺寸。由于冲击波在约90psig的压力下产生，液体可达到的过饱和氧气浓度超过80mg／l，优选90mg／l。接触回路对微小气泡和液体可允许附加几秒钟的停留时间。
在从接触回路中排出时，液体被纯氧和溶解的臭氧过饱和。这种过饱和的氧化的液体仍包含细微的氧气泡，将这种液体立即通过灌注机进行装瓶。过饱和的氧气将由于压力降而从溶液中释放。随着液体被灌注入瓶中压力降至大气压，除非使用加压灌注机。另外，在管线上仍将存在压力降以减少总压力。因此，关键是立即对瓶子进行灌注和封装。微细的氧气泡减少了氧从溶液中逸出的速度。还在瓶顶隙中设置保护层。只要灌注和封装在速度高于氧气从瓶中的释放速度下进行，就可截留住过饱和的溶液。
在瓶子封装后，溶解的臭氧将分解成为臭氧和液体，增加了瓶装液体中的过饱和程度。由溶解的臭氧提供的附加的氧气将不只是补偿在灌注与封装操作的最后步骤中所损失的氧。关键的是，最后的灌注和封装步骤应在过饱和步骤之后立即进行。
废的臭氧与来自臭氧接触器的氧气可用来在灌注前对空瓶进行闪蒸排出(flash out)。该过程有助于消除瓶中的空气以及对其进行消毒。
另一基本上纯的氧化和臭氧化的液体物流也可循环并加至接触槽的底部。
图1描述了在臭氧接触槽中对水过饱和的两步法。如图所示，该方法由系统10进行。将臭氧／纯氧混合物12加至臭氧接触槽16的底部。水14从接触槽16的顶部加入。从臭氧接触槽16的底部排出的臭氧／氧化的混合物18通往七级离心泵20，形成过饱和的氧化的混合物22，然后通入流量计24和汽提器26，然后通过孔板30，形成过饱和的氧化的液体50。将过饱和的氧化的液体50通过过滤器44，之后以过饱和的氧化的液体46排出进行灌注。流量计40和视镜42检测过饱和的氧化的液体46在灌注前的流动。视镜36和压力表34检测过饱和的液体在孔板30中的流动。汽提器26和氧气28在线设置于孔板30前面。旁路阀38调节过饱和的氧化的液体48，并选择性地将过饱和的氧化的液体48返回接触槽16的底部。冷却回路52提供冷却，以冷却在接触槽16中的液体。
更一般地，步骤包括了将用臭氧进行的消毒步骤与平衡汽提步骤在同时结合。供向臭氧发生器的空气被纯氧代替，从而防止了任何新鲜来源的氮气(惰性气体)进入系统中。采用纯氧时，臭氧发生器产生约10至约15％的臭氧，与此对照，仅采用空气时，臭氧发生器仅产生约2至3％的臭氧。将用纯氧产生的臭氧通入在大气下操作的臭氧接触器中。臭氧破坏了细菌并从矿泉水或泉水中除去异味和有害的有机物。约85至约90％的其余氧气用作汽提气体以除去溶解的氮气，氮气作为废气从臭氧发生器的顶部排出。
在接触槽上的冷却回路对其中的臭氧化和氧化的水进行冷却。
带有臭氧和纯氧，从臭氧接触槽中排出的水具有的溶解氧浓度为约33至约39mg／l。
采用离心泵将臭氧／氧气饱和的水泵出臭氧接触器，以将水压增至约50至约90psig。流速为约25至约75gpm，这取决于瓶尺寸及机器的灌装速度。在进行超声混合机处理前向泵的下游加入氧气。将约180scf／hr的氧气加至30gpm的水中。通常，约170至约190scf／hr的氧气可加至约30至约40gpm的水中。当存在气泡时，在超声两相流中，声速被降低至5000ft／sec(在液体中)至低于50ft／sec。在降低速度时，形成了冲击波，其将气泡打碎至微细的尺寸。由于冲击波在约90psig压力下发生，水达到的过饱和氧浓度超过90mg／l。
2”的接触回路使微细的气泡与水有几秒钟的附加接触时间。而3／4”ID的五孔板用在返回回路以重新分配两相混合物。
在从接触回路中排出时，水被纯氧和溶解的臭氧过饱和。过饱和的氧化的水仍包含细微的氧气泡，将这种水立即通过灌注机进行装瓶。过饱和的氧气随压力下降而从溶液中释放。随着水被灌注入瓶中压力降至大气压，除非使用压力灌注机。另外，在管线上仍将存在压力降以减少总压力。因此，立即对瓶子进行灌注和封装。微细的氧气泡减少了氧从溶液中逸出的速度。还在瓶顶隙空间中设置保护层。只要灌注和封装在速度高于氧气从瓶中的释放速度下进行，就可截留住过饱和的溶液。
另一种在用过饱和的氧化的和臭氧化的水对瓶子进行灌装时保持臭氧和氧气浓度的方法是对基本上纯的氧化和臭氧化的液体进行加压灌装。
另一种提供瓶中高浓度过饱和和臭氧化的水的方法是在灌装前向瓶中施加反压。在瓶中气体压力降低可通过采用氧气或臭氧来抽空灌装瓶中的内容物来完成。
当灌装机停止时或流速减小时，打开旁路阀以使过饱和的水循环回臭氧化槽中。这防止了管线过压。过滤器用来除去所有的颗粒物质。但是，流量计、视镜和灌装机以紧密的方式安置以使到灌装机器的距离最小。
在瓶子封装后，溶解的臭氧将分解成为臭氧和水，增加了瓶装水中氧的过饱和程度。由溶解的臭氧提供的附加的氧气将不只是补偿在灌注与封装操作的最后步骤中所损失的氧。关键的是，最后的灌注和封装步骤应在过饱和步骤之后立即进行。
废的臭氧与来自臭氧接触器的氧气用来在灌注前对空瓶进行闪蒸排出(flash out)。该过程有助于消除空瓶中的空气以及对其进行消毒。
另一基本上纯的氧化和臭氧化的水物流被循环至接触槽的底部以对该过程提供足够的压力。
仅为方便起见，本发明的具体特征在附图中示出，每一个特征均可与本发明的其它特征结合。本领域的技术人员可以认识到可供选择的实施方案，它们均包含在本发明的权利要求范围之内。
权利要求
1．一种过饱和的氧化液体的制备方法，其包括a)将高氧含量的气体加至臭氧发生器中以产生臭氧；b)使所述臭氧在大气压下通入一个接触槽以产生氧化和臭氧化的液体；和c)使所述氧化和臭氧化的液体通过在线超声混合机的接触回路以产生基本上纯的过饱和的氧化和臭氧化的液体。
2．根据权利要求1的方法，其中，所述的高氧含量气体为纯氧气。
3．根据权利要求1的方法，其还包括将所述臭氧化的液体分解成氧气和液体。
4．根据权利要求1(c)的方法，其包括使所述氧化和臭氧化的液体混合物通过在线超声混合机的接触回路发生在离心泵中，从而以速率约25至75加仑／分钟将液体的压力增加至约50至约90psig。
5．根据权利要求1的方法，其还包括将所述基本上纯的过饱和氧化和臭氧化的液体循环至所述接触槽中。
6．一种瓶装过饱和氧化的液体的制备方法，其包括a)将高氧含量的气体加至臭氧发生器中以产生臭氧；b)使所述臭氧在大气压下通入一个接触槽以产生氧化和臭氧化的液体；c)使所述氧化和臭氧化的液体通过在线超声混合机的接触回路以产生基本上纯的过饱和的氧化和臭氧化的液体；和d)将所述基本上纯的过饱和氧化和臭氧化的液体灌注并封装于瓶中。
7．根据权利要求6的方法，其还包括在步骤6(c)后降低压力以便于从所述基本上纯的氧化和臭氧化的液体中释放过饱和的氧气。
8．根据权利要求6的方法，其还包括通过保持液体水平并防止空气从所述瓶中逸出而加压灌注所述基本纯的过饱和的氧化和臭氧化的液体。
9．根据权利要求6的方法，其还包括在灌注之前采用氧气或臭氧向所述瓶施加反压以从所述瓶抽空空气。
10．根据权利要求12(c)的方法，其包括使所述氧化和臭氧化的液体混合物通过在线超声混合机的接触回路发生在离心泵中，从而以速率约25至75加仑／分钟将液体的压力增加至约50至约90psig。
全文摘要
本发明涉及一种过饱和的氧化液体的制备方法,其包括:将高氧含量的气体加至臭氧发生器中以产生臭氧;使臭氧在大气压下通入一个接触槽以产生氧化和臭氧化的液体;和使所述氧化和臭氧化的液体通过在线超声混合机的接触回路以产生基本上纯的过饱和的氧化和臭氧化的液体。
文档编号B01F3/04GK1280796SQ0011845
公开日2001年1月24日 申请日期2000年6月29日 优先权日1999年6月30日
发明者A·T·Y·程, T·M·路易斯, R·S·普兰奇克 申请人:普拉塞尔技术有限公司