一种水果类固体果糖加工系统及其控制方法与流程

本发明涉及果糖制备技术，具体涉及一种水果类固体果糖加工系统及其控制方法。

背景技术：

1、果糖是天然营养型的甜味剂，具有风味好、甜度高、热值低等特点。与此同时，果糖是己酮糖，代谢不受胰岛素制约，可以供糖尿病患者食用等功能特性。果糖以游离状态存在于水果和蜂蜜中，果糖为无色晶体，易溶于水，熔点为105℃。果糖是所有糖中最甜的一种,它比蔗糖甜1.8倍，广泛用于食品工业，如制糖果、糕点、饮料等。

2、在制备果糖的过程中，果汁会受到褐变反应的影响使其生成褐色素，从而影响果糖的品质和观感。为了保证果糖结晶物的品质，通过物理控制和化学控制减少褐变反应的发生。其中较为简单有效的方法是将原料果预先热处理，从而降低氧化酶的活性；此外，目前的脱水工艺能耗高，现有工艺在果糖浓缩步骤造成热能的大量消耗，并且在果汁脱水的过程中，持续的加热也会导致发生非酶褐变反应，因此提出使用先加热浓缩脱水后真空冷冻脱水，从而抑制非酶褐变，并且果糖在低温下脱水能够保持其原有的风味和营养成分。

3、在目前，低碳环保已成为各行业创新发展的标尺，但现有果糖加工过程既需要用热量，也需要冷量，不能满足果糖生产工艺的低碳要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出一种合理可行、实用性强、效率高、冷热一体化的水果类固体果糖加工系统，以解决果糖加工过程中品质低、能耗高的问题，满足工业制备果糖的需求，并且减少能耗，实现低碳环保。该目的是通过以下技术方案实现的：

2、本发明的第一方面，提出了一种水果类固体果糖的加工系统，该加工系统包括果糖加工子系统、二氧化碳冷热联供子系统，其中：

3、所述果糖加工子系统为非闭环系统，用于将果汁物料加工成固体果糖，在果糖加工子系统中水果经预热、压榨破碎、酶解、浓缩、真空冷冻干燥、结晶、热风干燥后得到固体果糖，所述的果糖加工子系统包括用热单元和用冷单元，其中所述用热单元包括加热物料部分、加热空气部分和加热水部分，所述用冷单元包括冷冻部分和冷凝部分；

4、所述二氧化碳冷热联供子系统包括两个二氧化碳闭式循环回路，沿二氧化碳流动方向，由第一压缩单元、第一供热单元、第二供热单元和第一降温单元依次连接，第一降温单元出口与第一压缩单元连通形成第一二氧化碳闭式循环回路；由第二压缩单元、第三供热单元、第四供热单元和第二降温单元依次连接，第二降温单元出口与第二压缩单元连通形成第二二氧化碳闭式循环回路；其中，所述第一压缩单元和第二压缩单元用于压缩二氧化碳；所述第一供热单元与加热物料部分进行热交换，将果汁物料加热到浓缩所需温度；所述第二供热单元与加热空气部分进行热交换，将空气加热到热风干燥所需温度；所述第一降温单元与冷冻部分进行热交换，将物料冷却至真空冷冻干燥所需温度；所述第三供热单元与加热水部分进行热交换，将水加热到维持酶解温度；所述第三四供热单元与加热水部分进行热交换，将水加热到维持水果预热处理温度；所述第二降温单元与冷凝部分进行热交换，将物料浓缩后产生的水蒸气冷凝成液态水。

5、根据本发明的加工系统，通过设置二氧化碳冷热联供子系统以使得果糖加工子系统用冷、用热环节能够在适宜的温度下工作，通过物理控制和化学控制减少褐变反应的发生，从而提高固体果糖的纯度和品质。同时，传统的浓缩脱水、真空干燥脱水工艺中供热和制冷分别产生了较高的能耗，而本发明的二氧化碳冷热联供子系统能在同一能耗下同时实现供热和制冷，从而降低了加工系统的能耗。

6、在本发明的一些实施例中，参见图2，所述果糖加工子系统沿原料加工方向包括依次连接的预热室12、压榨破碎装置13、粗过滤器14、酶解罐16、精过滤器17、预热换热装置18，预热换热装置18的物料出口与第三换热装置103的物料入口连通，第三换热装置103的物料出口与第一浓缩装置401的物料入口连通，第一浓缩装置401的物料出口与第四换热装置104的物料入口连通，第四换热装置104的物料出口与第二浓缩装置402的物料入口连通，第二浓缩装置402的物料出口与膜过滤器20的物料入口连通，膜过滤器20的物料出口与脱色装置21的物料入口连通，脱色装置21的物料出口与真空冷冻干燥室22的物料入口连通，真空冷冻干燥室22的物料出口与结晶罐25的物料入口连通，结晶罐25的物料出口与热风干燥室26的物料入口连通；所述的第一浓缩装置401的水蒸气出口与第四换热装置104的水蒸气入口连通，第四换热装置104的水蒸气出口与预热换热装置18的水蒸气入口连通，预热换热装置18的水蒸气出口与冷凝水储罐28入口连通；所述第二浓缩装置402的水蒸气出口与第五换热装置105的水蒸气入口连通，第五换热装置105的水蒸气出口与冷凝水储罐28入口连通；所述第一浓缩装置401和第二浓缩装置402的抽真空接口分别与第一真空泵501和第二真空泵502连接。

7、所述的第一浓缩装置的水蒸气出口与第四换热装置的水蒸气入口连通；所述的第四换热装置的水蒸气出口与预热换热装置的水蒸气入口连通；所述的预热换热装置的水蒸气出口与冷凝水储罐入口连通；所述的第二浓缩装置的水蒸气出口与第五换热装置的水蒸气入口连通；所述的第五换热装置的水蒸气出口与冷凝水储罐入口连通；所述的第一浓缩装置的抽真空接口与第一真空泵的入口连通；所述的第二浓缩装置的抽真空接口与第二真空泵的入口连通；所述的真空冷冻干燥室的真空出口与真空稳压罐的入口连通，途中设置第七电磁阀；所述的真空稳压罐的出口与第三真空泵的入口连通，途中设置第八电磁阀。

8、进一步的，在果糖加工子系统中设置生物酶添加装置15，所述的生物酶添加装置15出口与酶解罐16的酶入口连通，所述的生物酶可以是一种，也可以是多种。

9、进一步的，在果糖加工子系统中设置辅料添加装置24，所述的辅料添加装置24的出口与结晶罐25的辅料入口连通，所述的辅料可以是一种，也可以是多种。

10、进一步的，在所述第一浓缩装置401的物料出口与第四换热装置104的物料入口的连接通路上设有物料输送泵19。

11、进一步的，所述真空冷冻干燥室22设有抽真空系统，其包括真空稳压罐29和第三真空泵503，所述真空冷冻干燥室22的抽真空接口经第七电磁阀307与真空稳压罐29的入口连通，真空稳压罐29的出口经第八电磁阀308与第三真空泵503连接。

12、在本发明的一些实施例中，参见图2，所述第一压缩单元包括用于压缩二氧化碳的第一压缩机701；所述第一供热单元包括第三换热装置103，第一压缩机701的二氧化碳出口与第三换热装置103的二氧化碳入口连通，二氧化碳在第三换热装置103中与果汁物料进行热交换，将果汁物料加热第一浓缩温度送入第一浓缩装置401；所述第二供热单元包括第一风冷换热装置601、第二风冷换热装置602和第六换热装置106，所述第三换热装置103的二氧化碳出口通过设有第四电磁阀304的第一支路与第一风冷换热装置601的二氧化碳入口连通，二氧化碳在第一风冷换热装置601中与空气进行热交换，使第一风冷换热装置601的出风温度达到热风干燥所需温度，所述第一风冷换热装置601的出风口连通所述热风干燥室26；所述第三换热装置103的二氧化碳出口通过设有第三电磁阀303的第二支路与第二风冷换热装置602的二氧化碳入口连通，二氧化碳在第二风冷换热装置602中与空气进行热交换，使第二风冷换热装置602的出风温度达到沸石分子筛23的除湿温度，所述第二风冷换热装置602的出风口连通所述沸石分子筛23，所述沸石分子筛23位于所述真空冷冻干燥室22的水汽出口用于吸附升华的水分；所述第三换热装置103的二氧化碳出口通过设有第五电磁阀305的第三支路与第六换热装置106的二氧化碳入口连通，第六换热装置106的水出口与第三水输送泵203的入口连通，第三水输送泵203的出口与结晶罐25的水入口连通，结晶罐25的水出口与第六换热装置106水入口连通，所述第六换热装置106与所述结晶罐25之间形成第三水循环回路3b，二氧化碳在第六换热装置106中与结晶罐25用水进行热交换，将水温维持在结晶所需温度；第一风冷换热装置601、第二风冷换热装置602和第六换热装置106的二氧化碳出口均与第一节流膨胀装置801的入口连通；所述第三换热装置103的二氧化碳出口通过设有第六电磁阀306的第四支路与第一节流膨胀装置801的入口连通；所述第一降温单元包括第一二氧化碳储罐901和第一二氧化碳输送泵111，所述第一节流膨胀装置801的出口与第一二氧化碳储罐901的入口连通，第一二氧化碳储罐901的出口与第一压缩机701的入口连通；所述第一二氧化碳储罐901循环侧的出口与第一二氧化碳输送泵111的入口连通，第一二氧化碳输送泵111的出口与真空冷冻干燥室22的二氧化碳入口连通，真空冷冻干燥室22的二氧化碳出口与第一二氧化碳储罐901循环侧的入口连通，所述真空冷冻干燥室22与所述第一二氧化碳储罐901之间形成第一二氧化碳循环回路1c，循环的二氧化碳使真空冷冻干燥室22冷却；

13、所述第二压缩单元包括用于压缩二氧化碳的第二压缩机702；所述第三供热单元包括第二换热装置102和第二水输送泵20)，第二换热装置102的水出口与第二水输送泵202的入口连通，第二水输送泵202的出口与酶解罐16水入口连通，酶解罐16的水出口与第二换热装置102水入口连通，所述第二换热装置102与所述酶解罐16之间形成第一水循环回路1b；第二压缩机702的二氧化碳出口通过设有第一电磁阀301的支路与第二换热装置102的二氧化碳入口连通，二氧化碳在第二换热装置102中与酶解罐16用水进行热交换，将水温维持在酶解所需温度；所述第四供热单元包括第一换热装置101和第一水输送泵201，第一换热装置101的水出口与第一水输送泵201的入口连通，第一水输送泵201的出口与预热室12水入口连通，预热室12的水出口与第一换热装置101水入口连通，所述第一换热装置101与所述预热室12之间形成第二水循环回路2b；所述第二压缩机702的二氧化碳出口通过设有第二电磁阀302的另一支路直接与第一换热装置101的二氧化碳入口连通；第二换热装置102的二氧化碳出口与第一换热装置101的二氧化碳入口连通，二氧化碳在第一换热装置101中与预热室用水进行热交换，使水温维持在水果预热处理温度；第一换热装置101的二氧化碳出口与第二节流膨胀装置802的入口连通；所述第二降温单元包括第二二氧化碳储罐902和第二二氧化碳输送泵112，所述第二节流膨胀装置802的出口与第二二氧化碳储罐902的入口连通，第二二氧化碳储罐902的出口与第二压缩机702的入口连通；第二二氧化碳储罐902循环侧的出口与第二二氧化碳输送泵112的入口连通，第二二氧化碳输送泵112出口与第五换热装置105的二氧化碳入口连通，第五换热装置105的二氧化碳出口与第二二氧化碳储罐902循环侧的入口连通，所述第五换热装置105与所述第二二氧化碳储罐902之间形成第二二氧化碳循环回路2c，循环的二氧化碳在第五换热装置105中与水蒸气进行热交换，使水蒸气冷凝成液态水。

14、进一步的，所述的第一压缩单元包括一个或多个第一压缩机，多个第一压缩机并联；所述的第二压缩单元包括一个或多个第二压缩机，多个第二压缩机并联。

15、进一步的，所述的第一供热单元包括一个或多个第三换热装置，多个第三换热装置并联。

16、本发明的第二方面提出了一种水果类固体果糖加工系统的控制方法，其通过本发明第一方面所提出的水果类固体果糖加工系统来实施，所述控制方法包括在果糖加工子系统运行中，通过二氧化碳冷热联供子系统控制下述温度条件：第三换热装置103物料出口温度达到第一温度条件，即浓缩果汁物料的温度；第一风冷换热装置601出风温度达到第二温度条件，即热风干燥果糖晶体的温度；第二风冷换热装置602出风温度达到第三温度条件，即沸石分子筛23的除湿温度；第一水循环回路1b出水温度达到第四温度条件，即酶解温度+5℃；第二水循环回路2b出水温度达到第五温度条件，即预热室水温+5℃；第三水循环回路3b出水温度达到第六温度条件，即结晶温度+5℃；第一二氧化碳循环回路1c循环侧二氧化碳出口温度达到第七温度条件，即真空冷冻干燥温度-5℃；第二二氧化碳循环回路2c循环侧二氧化碳出口温度达到第八温度条件，即液态二氧化碳温度。

17、在本发明的一些实施例中，先设置所述水果类固体果糖加工系统的运行参数，包括温度、压力、时间和脱水量条件，然后按照下述步骤控制工艺流程：

18、1)果糖加工子系统启动运行；

19、2)启动第二压缩机702，同时开启第二电磁阀302、第二水循环回路2b和第二二氧化碳循环回路2c；当第二水循环回路2b出水温度达到第五温度条件时，控制水果物料进入所述预热室12；

20、3)当预热室12的预热时间达到设定时间条件时，控制预热室12物料进入压榨破碎装置13；控制水果物料进入粗过滤器14进行第一次过滤，将果渣进行分离，过滤掉可见的不溶性杂质；

21、4)开启第一电磁阀301以及第一水循环回路1b；

22、5)当第一水循环回路1b出水温度达到第四温度条件时，控制果汁物料进入酶解罐16进行生物酶反应；当果汁物料在酶解罐16的反应时间达到设定时间条件时，控制果汁物料进入精过滤器17进行第二次过滤，进行脱渣脱色处理；

23、6)第二压缩机701启动，同时开启第六电磁阀306以及第一二氧化碳循环回路1c；控制果汁物料依次进入预热换热装置18、第三换热装置103；第一真空泵501启动；

24、7)当第三换热装置103物料出口温度达到第一温度条件，以及第一浓缩装置401的压力达到设定压力条件时，控制物料进入第一浓缩装置401，并维持第一浓缩装置401的压力在设定压力条件；第二真空泵502启动；

25、8)当第二浓缩装置402的压力达到设定压力条件，第二二氧化碳循环回路2c循环侧二氧化碳出口温度达到第八温度条件时，控制物料依次进入第四换热装置104和第二浓缩装置402，并维持第二浓缩装置402的压力在设定压力条件；

26、9)当物料脱水量达到设定脱水条件时，控制脱水后的物料依次进入膜过滤器20、脱色装置21、真空冷冻干燥室22；

27、10)当第一二氧化碳循环回路1c循环侧二氧化碳出口温度达到第七温度条件时，控制第三电磁阀303和真空冷冻干燥室22的抽真空系统启动，同时关闭第六电磁阀306；

28、11)根据所述的真空冷冻干燥室22的压力达到设定压力条件，以及第二风冷换热装置602出风温度达到第三温度条件时，维持真空冷冻干燥室22的压力在设定压力条件；

29、12)当真空冷冻干燥室22中物料的脱水量达到设定脱水条件时，启动第五电磁阀305，开启第三水循环回路3b；

30、13)当第三水循环回路3b出水温度达到第六温度条件时，控制物料进入结晶罐25；

31、14)当结晶罐25中果糖结晶时间达到设定时间条件时，启动第四电磁阀(304)；

32、15)当第一风冷换热装置601出风温度达到第二温度条件时，控制结晶果糖进入热风干燥室26；

33、16)当热风干燥室26的干燥时间达到第四时间条件时，收获成品果糖，完成整个工艺流程。

34、根据本发明的控制方法，通过对加工系统设置合理的控制逻辑以实现对水果原料果糖制备的高效、高纯度、高品质和实现加工系统的低能耗运行。