СИСТЕМА И СПОСОБ ПАСТЕРИЗАЦИИ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ОДНОЙ ЖИДКОСТИ
SYSTEM AND METHOD FOR PASTEURISATION OF AT LEAST ONE LIQUID

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системе для пастеризации жидкого продукта, состоящего из по меньшей мере одного жидкого компонента, способного к перекачке, с питающей емкостью для подачи непастеризованного продукта, впускным трубопроводом и выпускным трубопроводом для транспортировки непастеризованного продукта, нагревательным контуром для подогрева продукта до температуры пастеризации и контуром пастеризации продукта, а также к способу пастеризации жидкого продукта.
Уровень техники
В области производства жидких продуктов известны устройства и способы пастеризации жидкого продукта, состоящего из одного или нескольких компонентов. Такие системы и способы обеспечивают получение жидкого продукта, его пастеризацию и подачу смешанного жидкого продукта в соответствующие установки для последующей обработки. Обычно этап последующий обработки заключается в заполнении жидким продуктом емкостей, предназначенных для этих целей. Например, в пищевой промышленности при помощи подобных систем изготавливаются различные прохладительные напитки, в частности продукты, содержащие молоко и т.п.
(T-60°)
Пастеризация необработанного продукта играет решающую роль в обеспечении качества продукта. В процессе пастеризации жидкость нагревается в течение короткого периода времени, а затем вновь охлаждается, в результате чего большая часть бактерий погибает. При этом важно, чтобы пастеризуемый продукт выдерживался в течение определенного времени при высокой температуре. Подобный период времени называют «временем выдержки». Он составляет, например, около 30 секунд при температуре от 75 до 90°С. Затем продукт вновь охлаждается, и считается, что после этого он становится безопасен для употребления. Между тем, время выдержки также зависит от температуры. Для учета данной зависимости была введена переменная - единица пастеризации (ЕП). Она рассчитывается по формуле: ЕП=t×1,39, где t является временем выдержки в минутах при температуре Т.
Для обеспечения гарантированной пастеризации необходимо поддерживать по существу постоянную величину единицы пастеризации. Таким образом, для поддержания ЕП по существу постоянной в определенных пределах согласно данному уравнению можно изменять температуру, сохраняя время выдержки постоянным, либо изменять время выдержки, сохраняя температуру постоянной.
Для выполнения данного требования в известных решениях пастеризуемые продукты в течение определенного времени пропускаются через змеевики, которые поддерживаются в нагретом состоянии. В зависимости от формы подобных трубчатых устройств, например количества изгибов, траекторию прохождения продукта можно удлинять или укорачивать при постоянной температуре, за счет чего можно изменять время выдержки. Также используются параллельные трубчатые системы с разными параметрами, причем для выполнения различных требований по пастеризации пастеризуемая жидкость может пропускаться через одну либо через другую систему труб в одной и той же установке.
Известны решения, в которых изменяется температура, однако их недостаток заключается в том, что регулирование температуры само по себе является неэффективным и труднореализуемым, поскольку подобному регулированию свойственна инерционность, особенно при незначительных изменениях температуры.
Также известны системы, в которых используется комбинация из обоих рассмотренных выше способов.
После пастеризации продукт, например, охлаждается и направляется дальше. Зачастую продукт, прошедший подобную пастеризацию, перед его подачей, например, на разливное устройство, поступает в так называемую асептическую емкость, т.е. в емкость, в которой отсутствуют бактерии. В подобных разливных устройствах используется так называемый старт-стопный принцип, т.е. различные количества жидкого продукта извлекаются с перерывами. Если необходимо прекратить раздачу, то продукт подается назад и за счет его охлаждения в зависимости от конкретной ситуации он должен пройти повторную пастеризацию, поскольку его стерильное состояние больше не обеспечивается. Если продолжительность перерыва превышает определенный период времени, то процесс приходится повторять, в результате чего один и тот же продукт приходится многократно подогревать и охлаждать. Между тем, данный процесс допустимо повторять лишь пару раз, после чего из-за термического стресса продукт становится непригоден для употребления. Затем систему приходится очищать при помощи воды, а заполнение новым непастеризованным продуктом можно осуществлять лишь после завершения данной операции. Это создает неудобства для операторов подобных систем, поскольку с одной стороны они теряют ценное производственное время, а с другой стороны - большие объемы продукта.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка системы, которая обладает высокой гибкостью по компенсации прерываний при подаче продукта в установку для последующей переработки. Кроме того, задачей изобретения является разработка способа пастеризации жидких продуктов.
Указанная задача решается в системе для пастеризации жидких продуктов, состоящих из по меньшей мере одного жидкого компонента, способного к перекачке, которая содержит питающую емкость для подачи непастеризованного продукта, впускной трубопровод для транспортировки непастеризованного продукта, контур пастеризации продукта, а также выпускной трубопровод для транспортировки пастеризованного продукта. Пастеризационный контур содержит буферный накопитель для удерживания в нем продукта в течение заданного постоянного времени выдержки с целью пастеризации и обеспечения переменного расхода продукта через этот буферный накопитель.
Кроме того, объектом изобретения является способ пастеризации жидкого продукта, состоящего из по меньшей мере одного жидкого компонента, способного к перекачке, согласно которому непастеризованный продукт подают из питающей емкости во впускной трубопровод, пастеризуют в контуре пастеризации, а затем подают в выпускной трубопровод. При этом продукт подают в буферный накопитель контура пастеризации с переменным расходом продукта через этот буферный накопитель и удерживают в нем в течение заданного постоянного времени выдержки для его пастеризации.
Таким образом, в системе и способе согласно изобретению используется контур пастеризации, обладающий функцией буферного запаса. За счет этого удается отойти от традиционных решений, основанных на использовании змеевиков и транспортировке постоянного количества продукта для поддержания постоянного времени, предполагающих использование регулировки температуры. В настоящем изобретении соблюдение времени выдержки достигается за счет использования буферного накопителя, способного принимать переменное количество пастеризуемого продукта. Подобное регулирование проще осуществлять, кроме того, оно улучшает энергобаланс. В частности, за счет управления/регулирования подачи в буферный накопитель в зависимости от конкретной ситуации, а также за счет управления/регулирования выхода из буферного накопителя можно корректировать уровень находящегося в нем продукта.
Дополнительные предпочтительные варианты осуществления изобретения вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения и примеров его осуществления, рассмотренных далее со ссылкой на фигуру.
Краткое описание чертежей
На чертеже схематически показана система согласно одному из вариантов осуществления изобретения с соответствующими элементами и схемой их соединения.
Осуществление изобретения
Сначала будут рассмотрены элементы системы 1 и схема их соединения, а затем прохождение продукта Р через систему 1 с учетом особенностей этих элементов.
Питающая емкость 6 заполнена подлежащим пастеризации продуктом Р. Емкость 6 также может заполняться водой W. Использование воды W будет более подробно рассмотрено ниже. Питающая емкость 6 соединена с контуром 25 пастеризации, обозначенным пунктирной линией, при помощи впускного трубопровода 8а. Во впускном трубопроводе 8а по потоку после накопительной емкости 6 расположен первый насос 7 предпочтительно переменного расхода. Фактический объем потока, проходящего через впускной трубопровод 8а, измеряется расходомером 15, а результаты измерений передаются на контроллер 9. В случае отклонений фактического объема потока от заданного контроллер 9 управляет первым управляющим элементом 14, который известным образом корректирует работу первого насоса 7 до тех пор, пока не будут получены правильные результаты измерений. Между тем, расход также может регулироваться другими средствами, например, посредством регулировочного клапана, расположенного по потоку после первого насоса 7. По потоку после расходомера 15 находится зона 13 рекуперации, в которой происходит передача тепла к проходящему через нее продукту. Это будет более подробно рассмотрено далее. По потоку после зоны 13 рекуперации расположен контур 25 пастеризации. Он содержит первый теплообменник 10, например, пластинчатый теплообменник, который сопряжен с внешним нагревательным контуром 16. Следует понимать, что нагревательный контур также может быть частью контура 25 пастеризации.
Конструкция нагревательного контура 16 известна, поэтому будет рассмотрена здесь лишь вкратце. Она включает в себя линию транспортировки горячей воды для подачи энергии в первый теплообменник 10, второй теплообменник 12, который поддерживает тепловую энергию горячей воды в нагревательном контуре 16 за счет подаваемого пара D, а также насос 11 для транспортировки горячей воды по линии транспортировки.
В контуре 25 пастеризации по потоку после первого теплообменника 10 расположен буферный накопитель 2, внутри которого происходит основной этап пастеризации, т.е. выдерживание продукта при заданной температуре в течение определенного времени. Объем буферного накопителя составляет, например, от 100 до 300 литров. Предпочтительно он содержит внутри себя по меньшей мере один, в частности сменный, отбойный элемент для управления направлением потока продукта. Для упрощения восприятия отбойный элемент на фигуре 6 не показан. Его назначение будет рассмотрено более подробно при описании прохождения продукта через систему. Кроме того, буферный накопитель 2 предпочтительно содержит по меньшей мере один изолирующий слой (не показан) для термоизоляции содержимого от воздействия окружающей среды, который по существу полностью закрывает его стенки. Предпочтительно внутренние стенки буферного накопителя 2 гладко отполированы.
Рядом с буферным накопителем 2 находится измеритель 3 уровня заполнения буферного накопителя 2. Переменный уровень L заполнения показан на фигуре двусторонней стрелкой.
По потоку после буферного накопителя 2 находится второй насос 5 предпочтительно переменной производительности. Насос соединен со вторым управляющим элементом 4, например, электродвигателем с преобразователем частоты для регулирования необходимого расхода пастеризованного продукта Р.
С измерителем 3 уровня заполнения, определяющим текущий уровень заполнения буферного накопителя 2, соединен контроллер 9. Кроме этого, контроллер 9 соединен со вторым управляющим элементом 4 для определения и управления текущим расходом продукта Р, проходящего через второй насос 5. Соединения контроллера 9 показаны штрихпунктирными линиями. Между тем, показанные соединения не являются ограничивающими. На самом деле, контроллер 9 также может использоваться для определения других параметров системы 1, например температуры продукта Р на других этапах.
Второй насос 5 соединен с зоной 13 рекуперации на выходе из контура 25 пастеризации. После зоны 13 рекуперации пастеризованный продукт поступает в выпускной трубопровод 8b. В выпускном трубопроводе 8b находится первый рефрактометр 18 для определения плотности пастеризованного продукта Р. Кроме того, в выпускном трубопроводе 8b находится третий теплообменник 20, используемый для охлаждения пастеризованного продукта Р охлаждающей водой К. По потоку после третьего теплообменника 20 конечный продукт Р может поступать в установку для последующей переработки, например разливное устройство, которое не показано. Как вариант, он может заполнять асептическую емкость 22, из которой по трубопроводу О он поступает в установку для последующей переработки. У входа в асептическую емкость может быть установлен первый переключатель 21 для перенаправления конечного продукта в сливной трубопровод 19 для его утилизации. В этом трубопроводе расположен второй рефрактометр 17, который измеряет плотность утилизируемого конечного продукта Р. На выходе из сливного трубопровода 19 расположен второй переключатель 23, при помощи которого удаляемый конечный продукт Р может либо сливаться в канализацию 24, либо возвращаться в накопительную емкость 6.
Далее будет рассмотрено прохождение продукта через систему. Для лучшего понимания приведены значения температуры продукта Р, которые приведены исключительно в качестве примера. Вполне допустимы и другие значения температуры.
Непастеризованный продукт Р нагнетается из питающей емкости 6 через зону 13 рекуперации первым насосом 7. Температура продукта Р перед зоной 13 рекуперации составляет 20°С. В зоне 13 рекуперации он сильно нагревается, достигая на выходе из зоны 13 рекуперации температуры 85°С. Затем в первом теплообменнике 10 он дополнительно нагревается до температуры 90°С, после чего он попадает в буферный накопитель 2. За счет наличия в буферном накопителе 2 изоляционного слоя температура продукта поддерживается на уровне 90°С.
В буферном накопителе 2 частицы продукта следуют к выходу из буферного накопителя 2 и пастеризуются в течение этого времени выдержки. Во время прохождения частиц от входа в буферный накопитель 2 до выхода из него желательно использовать поршневой режим потока для того, чтобы практически все частицы продукта Р находились в буферном накопителе 2 в течение одинакового времени выдержки. Использование буферного накопителя 2 приводит к появлению дополнительных преимуществ: поток внутри него является менее турбулентным, чем в змеевике, где турбулентность возникает на каждом изгибе. Между тем, для дополнительного уменьшения турбулентности используется упомянутый выше по меньшей мере один отбойный элемент. Он может быть выполнен, например, в виде сетки, при помощи которой направление вектора скорости частиц, проходящих через сетку, становится параллельным, и большинство из них следует в направлении выхода из буферного накопителя 2. Ячейки сетки могут быть мелкими или крупными в зависимости от консистенции продукта и предпочтительно взаимозаменяемыми в данном смысле.
После прохождения через буферный накопитель 2 пастеризованный продукт выходит из него и подается в зону 13 рекуперации вторым насосом 5, сохраняя температуру около 90°С. Маршрут прохождения пастеризованного продукта в зоне 13 рекуперации обозначен пунктирной линией. За счет теплообмена на выходе из зоны 13 рекуперации и на входе в выпускной трубопровод 8b продукт имеет температуру 25°С. Это известно и более подробно рассматриваться не будет.
После этого пастеризованный продукт Р направляется в третий теплообменник 20 и охлаждается в нем до соответствующей конечной температуры. Наконец, охлажденный пастеризованный конечный продукт Р поступает в асептическую емкость 22 и далее в устройство для последующей переработки. Такой тип розлива называется «асептический холодный розлив».
В качестве альтернативы холодному розливу (асептическому холодному розливу) настоящее изобретение, помимо прочего, также может использоваться для так называемого «горячего розлива», который не показан. В случае такого горячего розлива происходит непосредственный розлив все еще теплого пастеризованного продукта Р, поэтому третий теплообменник 20, зона 13 рекуперации и асептическая емкость 22 становятся ненужными.
Как уже отмечалось, количество непастеризованного продукта Р, проходящего в единицу времени из впускного трубопровода 8а в контур 25 пастеризации и буферный накопитель 2, регулируется при помощи первого насоса 7, расположенного по потоку после питающей емкости 6, а количество пастеризованного продукта Р в единицу времени регулируется при помощи второго насоса 5 в контуре 25 пастеризации, расположенного по потоку после буферного накопителя 2. За счет взаимодействия между первым и вторым насосами 7 и 5 можно добиться эффективной регулировки внутри буферного накопителя 2, таким образом, чтобы, с одной стороны, время выдержки в буферном накопителе 2 всегда оставалось неизменным, а с другой стороны, чтобы количество пастеризованного продукта Р можно было регулировать в зависимости от потребностей устройства для последующей переработки. Такое взаимодействие управляется и регулируется контроллером 9, который рассчитывает требуемый объем подачи в единицу времени, который должен поступать из впускного трубопровода 8а в контур 25 пастеризации и который должен подаваться из контура 25 пастеризации в выпускной трубопровод 8b в зависимости от по меньшей мере одного параметра. Таким параметром может быть, например, уровень заполнения буферного накопителя 2. В качестве другого параметра может использоваться уровень заполнения асептической емкости 21. Также допустимы другие параметры, например норма выхода конечного продукта Р из асептической емкости и т.п. Следует понимать, что можно использовать как отдельные параметры, так и их комбинацию. После завершения контроллером 9 расчета, требуемое количество продукта в единицу времени для первого и второго насосов 7 и 5 корректируется при помощи соответствующих управляющих элементов 14 и 4.
В случае прекращения подачи конечного продукта Р в устройство для последующей переработки возникает особая ситуация. Подобная ситуация возникает достаточно часто, поэтому ее необходимо учитывать при проектировании системы пастеризации. Подобная остановка может возникать, например, из-за перерывов в работе установки, расположенной после системы пастеризации, например разливного устройства или этикетировочной машины, вследствие изменений в скорости розлива.
В известных решениях с постоянной производительностью в подобных случаях продукт приходится направлять назад в питающую емкость. Как вариант, можно утилизировать продукт до тех пор, пока контур не будет полностью освобожден. Однако это приводит к слишком высоким потерям продукта, в частности, из-за того, что в большинстве случаев перерывы в подаче бывают кратковременными. В этом случае продукт отправляется назад и смешивается с пока еще непастеризованным продуктом, находящимся в питающей емкости 6. После возобновления подачи отправленный назад продукт подвергается повторной пастеризации. В случае неоднократных прерываний подачи продукт может подвергаться пастеризации несколько раз, в результате чего он теряет свои качества и становится непригодным для пищевого употребления. В результате приходиться полностью освобождать все систему пастеризации, а ее содержимое утилизировать. Как показывает практика, подобные ситуации возникают достаточно часто. Вследствие этого оператор несет большие убытки, которые можно избежать или свести к минимуму.
Настоящее изобретение позволяет по меньшей мере свести к минимуму подобный нежелательный эффект, поскольку перерывы в подаче определенной продолжительности компенсируются за счет использования буферного накопителя 2. И лишь в том случае, когда после перерыва в подаче подобной продолжительности производство не возобновилось, продукт может направляться назад. В результате количество случаев направления продукта назад и его повторной пастеризации сокращается, что в ряде случае позволяет избежать полного опорожнения системы 1 пастеризации.
После прекращения подачи конечного продукта в установку для последующей переработки, прекращение или уменьшение подачи пастеризованного продукта Р из контура 25 пастеризации инициируется контроллером 9. После прекращения подачи конечного продукта Р подача непастеризованного продукта Р в буферный накопитель 2 также сокращается до минимального расхода. Минимальный объем продукта в единицу времени может составлять, например, около 10% от номинальной пропускной способности продукта Р. Между тем, допустимы и другие значения. После достижения максимального уровня заполнения буферного накопителя 2 и/или максимальной продолжительности остановки контроллер 9 полностью прекращает подачу в буферный накопитель.
Однако подача продукта Р может быть возобновлена после прекращения выдачи конечного продукта в течение допустимого времени прерывания выдачи конечного продукта. Утилизация продукта из впускного трубопровода 8а, контура 25 пастеризации и выпускного трубопровода 8b, в случае «асептического холодного розлива», производится лишь после истечения указанного времени прерывания. Это осуществляется за счет подачи воды W в накопительную емкость 6 и нагнетания воды W во впускной трубопровод 8а, затем в контур 25 пастеризации, затем в выпускной трубопровод 8b и, наконец, в сливной трубопровод 19. Момент завершения слива определяется вторым рефрактометром 17. В случае «горячего розлива», который не показан, в сливном трубопроводе устанавливается теплообменник для охлаждения сливаемого продукта.
Дополнительным преимуществом изобретения является то, что допустимая продолжительность прерывания может быть значительно увеличена в случае прекращения подачи конечного продукта за счет уменьшения объема непастеризованного продукта Р, подаваемого в буферный накопитель 2, до минимального количества продукта в единицу времени. Например, при уменьшении количества продукта до 10% от номинальной пропускной способности продолжительность прерывания можно увеличить в десять раз. Другими словами, время буферизации до того момента, когда систему приходится полностью опорожнять, увеличивается.
При возобновлении работы системы 1 пастеризации первый рефрактометр 18 измеряет плотность жидкости, проходящей по выпускному трубопроводу 8b, в результате чего определяется момент готовности к работе и возможность повторной подачи конечного продукта.
Изобретение обеспечивает повышенную гибкость при пастеризации, в частности при старт-стопном режиме использования системы приготовления напитков за счет использования активного буфера для изготавливаемого продукта, а также значительную экономию продукта при возникновении производственных сбоев. Кроме того, производимый объем продукта можно корректировать с учетом потребностей за счет изменения регулировки количества пропускаемого через систему продукта.
Хотя были показаны и рассмотрены предпочтительные варианты осуществления изобретения, изобретение не ограничено ими и может быть осуществлено иным образом, не выходя за объем, определенный в прилагаемой формуле изобретения.
Обозначение ссылочных позиций
1 - система пастеризации
2 - буферный накопитель
3 - измеритель уровня заполнения
4 - второй управляющий элемент
5 - второй насос
6 - питающая емкость
7 - первый насос
8а - впускной трубопровод
8b - выпускной трубопровод
9 - контроллер
10 - первый теплообменник
11 - насос нагревательного контура
12 - второй теплообменник
13 - зона рекуперации
14 - первый управляющий элемент
15 - расходометр
16 - нагревательный контур
17 - второй рефрактометр
18 - первый рефрактометр
19 - сливной трубопровод
20 - третий теплообменник
21 - первый переключатель
22 - асептическая емкость
23 - второй переключатель
25 - контур пастеризации
D - пар
Р - продукт
О - трубопровод выхода конечного продукта
К - охлаждающая вода
L - уровень заполнения буферного накопителя
W - вода