巴氏杀菌机的工艺及其控制方案.doc

巴氏杀菌机的工艺及其控制方案姓名时间：2016.08.10摘要 本文主要介绍了巴氏杀菌机的杀菌原理，工艺特点以及自动化控制方式。并且根据设计和调试巴氏杀菌机时的经验描述了平时遇见的一些常见问题以及解决方法。对巴氏杀菌机的运行时每个步骤的动作以及该动作的作用都有详细的说明。在自动化控制方面，对整体的硬件结构以及一些难度比较高的自动化解决方案进行了描述。目录1.巴氏杀菌机工艺介绍31.1巴氏杀菌机的工作原理31.1.1 巴氏杀菌法31.1.2 巴氏杀菌机的工作原理51.2 巴氏杀菌机的工艺特点61.2.1 工艺介绍71.2.2 巴氏工艺特点101.3 巴氏杀菌机调试时常见问题132.巴氏杀菌机的控制方案202.1硬件系统222.2控制方案212.1.1程序结构212.1.2主步序说明222.1.3功能程序242.3常见问题及解决方案263.结论284.参考文献.29巴氏杀菌机工艺介绍关键字：巴氏杀菌法，CIP，SIP，板式换热器，均质机，PLC，HMI，PID闭环控制。1.1巴氏杀菌机的工作原理1.1.1 巴氏杀菌法在一定温度范围内，温度越低，细菌繁殖越慢；温度越高，繁殖越快（一般微生物生长的适宜温度为2837）。但温度太高，细菌就会死亡。不同的细菌有不同的最适生长温度和耐热、耐冷能力。巴氏消毒其实就是利用病原体不是很耐热的特点，用适当的温度和保温时间处理，将其全部杀灭。但经巴氏消毒后，仍保留了小部分无害或有益、较耐热的细菌或细菌芽孢，因此巴氏消毒牛奶要在4左右的温度下保存，且只能保存310天，最多16天。当今使用的巴氏杀菌程序种类繁多。“低温长时间”(LTLT)处理是一个间歇过程，如今只被小型乳品厂用来生产一些奶酪制品。“高温短时间”(HTST)处理是一个“流动”过程，通常在板式热交换器中进行，如今被广泛应用于饮用牛奶的生产。通过该方式获得的产品不是无菌的，即仍含有微生物，且在储存和处理的过程中需要冷藏。“快速巴氏杀菌”主要应用于生产酸奶乳制品。国际上通用的巴氏高温消毒法主要有两种：一种是将牛奶加热到6265，保持30分钟。采用这一方法，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，但这些细菌多数是乳酸菌，乳酸菌不但对人无害反而有益健康。第二种方法将牛奶加热到7590，保温1516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，温度太高反而会有较多的营养损失。（PU,在60温度下保温一分钟即称为灭菌强度是一个PU.）这种杀菌法既可杀死对健康有害的病原菌又可使乳质尽量少发生变化。也就是根据对耐高温性极强的结核菌热致死曲线和乳质中最易受热影响的奶油分离性热破坏曲线的差异原理，在低温下长时间或高温下短时间进行加热处理的一种方法。其中，在60以下加热30分钟的方式，作为低温灭菌的标准，早为世界广泛采用。利用高温处理，虽对乳质多少有些影响，但可增强灭菌效果，这种方法称为高温灭菌（sterilization），也就是在95以上加热20分钟。巴氏灭菌法除牛奶之外，也可应用于发酵产品。 通常，市场上出售的袋装牛奶就是采用巴氏灭菌法生产的。工厂采来鲜牛奶，先进行低温处理，然后用巴氏消毒法进行灭菌。用这种方法生产的袋装牛奶通常可以保存较长时间。当然，具体的处理过程和工艺要复杂的多，不过总体原则就是这样。需要指出的是，喝新鲜牛奶（指刚刚挤出的牛奶）反而是不安全的，因为它可能包含对我们身体有害的细菌。另一点是，巴氏消毒法也不是万能的，经过巴氏消毒法处理的牛奶仍然要储存在较低的温度下（一般4），否则还是有变质的可能性。因此市场上很多出售袋装牛奶的方法是很不规范的。巴氏消毒牛奶是世界上消耗最多的牛奶品种，英国、澳大利亚、美国、加拿大等国家巴氏消毒奶的消耗量都占液态奶80%以上，品种有全脱脂、半脱脂或全脂的。在美国市场上，实际几乎全是巴氏消毒奶，而且是大包装（1升、2升、1加仑）的，市民上超市一次就买够一个星期喝的鲜奶。市场很少有灭菌纯牛奶卖，有的小城镇根本买不到。巴氏消毒纯鲜奶较好地保存了牛奶的营养与天然风味，在所有牛奶品种中是最好的一种。其实，只要巴氏消毒奶在4左右的温度下保存，细菌的繁殖就非常慢，牛奶的营养和风味就可在几天内保持不变。1.1.1 巴氏杀菌机的工作原理 巴氏杀菌机就是利用较强高温的以及结合结核菌热致死曲线以及乳制品中最容易受到热的影响的奶油的分离性的热破坏曲线的差异的原理，以及在长时间的低温的时间下或者是高温下所进行的加热的处理。这种设备在市场上目前主要分为两类，就是所说的高温环境下的以及低温下的。低温的环境下温度大约是50-70之间，保持一定时间的这个温度，就达到了杀死牛奶中的病菌的作用，该设备的灭菌效果可以达到百分之百的效果。而高温环境下就是指在90高温的环境下保持一定的时间，至少在2分钟左右，尽管杀菌时间较短，但其工作效率极高。根据升温的方式可分为：管式杀菌机和板式杀菌机等。1.2巴氏的工艺特点图1如图1：整个巴杀包括一套板式换热器，一台均质机，两套热水系统，一套冰水系统，一个平衡罐。另外，光明巴杀控制系统内还集成了一个菌种添加系统，还有两条供菌种添加系统使用的无菌空气线。1.2.1 工艺介绍 光明巴杀主要功能包括：杀菌，均质，离心，脱气，降温，菌种添加等。跟据生产产品的不同，巴杀的功能各异。另外巴杀还可以对自身进行消毒和CIP.巴杀CIP: 1. 巴杀CIP清洗对象包括：巴杀自身管路，混料出料线，发酵进料线，均质机，菌种添加罐。 2CIP液配制：除了奶油巴杀以外，所有巴杀的CIP液来自CIP7站，CIP7站主要负责CIP液浓度的配制，CIP液发送到巴杀后，由巴杀控制清洗温度。由于清洗过程中CIP液不会再流失，所以巴杀不再判断CIP浓度。清洗完毕以后，会返还酸碱到CIP7站。CIP7站同时只能给一台预巴杀或两台巴杀同时供酸碱。奶油巴杀溶液由浓酸浓碱罐供给，巴杀自身判断电导和温度。在酸碱推水过程中，CIP站被占用或未准备好，巴杀小循环等待。3.清洗方式：和CIP站一样，巴杀CIP包括水冲，单碱洗，全程洗。 水冲指最后冲洗，用清水冲洗，不升温，只判断时间。单碱洗指水冲-碱洗-水冲过程，碱洗时判断温度，水洗升温，但不判断温度。全程洗指水洗-碱洗-水洗-酸洗-水洗过程。温度判断和碱洗 一样。4.清洗过程：巴杀清洗过程中包括判断温度，流量。开启脉冲。当巴杀内溶液温度到达后，开始计时，计时过程中温度低于低低值，暂停计时。清洗开始计时后，开始脉冲。脉冲包括清洗阀腔阀门，比例阀0-100%开关，发酵线下阀腔等，最后一个脉冲启动菌种添加系统清洗信号，清洗菌种添加系统启动前必须要求无菌空气线OK，该信号结束后，等待脉冲周期结束。预冲洗时，不用清洗阀腔。巴杀消毒: 巴杀消毒过程和CIP一样，但是所有阀门不需要脉冲，整个消毒过程中，全部管路都保持高温，当末端温度和杀菌温度之间的温度传感器有一个温度低于低值时，巴杀暂停杀菌；低于低低值时，重新计时。菌种添加系统靠蒸汽杀菌，所有巴杀消毒时，不用通过。巴杀消毒后，整个巴杀处于无菌状态，保持管内水的温度全部要在杀菌温度以上，保持循环。消毒后，只要有一点温度低于最低消毒温度（约85），巴杀就要处于“未杀菌”状态。必须重新杀菌才能生产。生产过程中，必须排放掉保持管内的牛奶，重新消毒。巴杀生产：消毒后，处于水循环状态。水循环中，巴杀运行参数基本和生产时一致。如排空泵开始PID控制，所有温度设定和生产时设定一致，脱气罐开始启动脱气。但均质机未加压，离心机不能启动脱奶油。生产分为料推水、生产、循环、水推料四个过程。料顶水：料推水时通过发酵处排放，分为料推水到平衡罐入口，等平衡罐低液位，到巴氏出口，到发酵罐排放四个阶段。第一阶段是混料顶水到平衡罐入口，在平衡罐入口处排放。第二阶段巴杀等平衡罐低液位，巴杀停止进料，停止低液位补水程序。等巴杀到低液位或连续液位低于一个低值时，开始进料。此时，均质机开始加压。第三阶段料推水到巴杀出口，这阶段巴杀出现普通报警都屏蔽，待推水结束后再判断。第四阶段料推水到巴杀发酵罐，出现报警后，巴杀可以进入循环，报警消失后，继续推剩余部分水。生产：生产时，出现低报警时，弹出信息提示。出现低低报警时，跳转到循环。当由于温度或压力原因出现非消毒状态时，跳转到排放程序。循环：巴杀出现故障或源罐低液位、手动启动都可将巴杀由生产跳转到循环，循环时巴杀出口温度和进料温度要相同。循环时间到后，直接跳转到排放。期间可以手动切换到生产或结束生产。水推料：水推料可分为水推料到平衡罐，等平衡罐低液位，水推料到巴杀出口，水推料到发酵罐四个阶段。所有动作过程基本与料顶水相同。1.2.1巴氏工艺特点光明巴氏工艺设计的最大特点是：节能，安全。节能：光明巴氏节能有两方面,换热方式和节能控制方案。图2换热方式节能：如图2，在牛奶进入巴氏后，首先对牛奶进行升温的并不是蒸汽加热的热水，而是加热后完成杀菌的牛奶。并且安装了比例阀控制加热温度，满足进入均质机的温度要求。这样不但能节省巴杀升温所需的蒸汽，还能够减少降温所需的冰水。节能控制方案：在巴氏消毒后，跳转到节能水生产状态。正常巴杀消毒后在生产前状态，控制方式基本和生产一样，即升温杀菌后降温到发酵温度。但经常会有发酵罐或混料罐未准备好的情况发生，巴杀在等待的时候会浪费掉许多的能源。所以光明巴氏在等待时添加了节能水生产这个步骤。及当等待时间达到设定值后，关闭冰水，关闭均质机，等待再次启动。安全：这里的安全指两方面：牛奶生产品质的安全和设备保护的安全。生产品质的安全：1. 压差管理：如上图，是冰水控制巴杀出口温度的一个系统。外界提供冰水的压力为4bar,系统根本不需要泵PIX8XME82。该泵的作用是压差保护，即当该泵运行后，会减少进入板换冰水的压力，如果板换出现泄露后，保证了冰水不会流到产品中去。像这样的压差保护，该巴杀有五处，涉及到牛奶和热水，杀完菌的牛奶和未杀菌的牛奶等。当杀菌后巴氏出现压差报警，巴氏就要排放掉所有牛奶，等待重新杀菌后，才能生产。 2. 温度管理：整个巴氏控制要求最高的就是温度。光明要求杀菌温度上下浮动为正负0.3度，这样对PID调节要求相当高。同时要求整个系统的流量，压力相当稳定。当温度低于低值时，巴氏会跳转到循环状态，不再允许进料。当温度再低于低低值时，巴氏就要排放掉管路里面所有的牛奶，重新杀菌后，才能继续生产。 对设备的安全保护：工艺设计上，整个巴杀的管路设计为开路，即管路中没有阀门让整个巴杀憋死。当出现特殊情况，比如运行过程中，气源断了，巴氏会处于开路运行的状态，不会把水憋死在管路中。在控制上，一些连锁，对一些故障的处理都体现了对设备的保护。比如，当均质机水压，油压开关消失后，系统延时停机，用于保护均质机。均质机入口压力低于1bar后，系统延时停机，用于保护均质机。当系统出口压力高于8bar后，跳到循环，用于保护板换。等等。 1.3 巴氏调试时常见问题 在调试过程中，出现了许多问题，这边列举一些比较常见的问题以及解决方案。一：特殊的INTERLOCK：巴杀运行后，不能正常暂停，但是有时为了保护设备安全，必须紧急停机或跳转到其他状态。下面分开列举所有故障的跳转：1跳转到急停的情况： 1平衡罐低液位出现后，延时20S。紧急停机。2均质机流量开关消失后，延时10S，紧急停机。3均质机入口压力低于2Bar时，延时10S，紧急停机。4均质机油压消失后，延时10S，紧急停机。5均质机温度报警后，延时10S，紧急停机。6排空泵报警。7均质机报警。8增压泵报警。9巴杀急停按下。10均质机急停按钮按下。2跳转到冷却停机/排空的情况（巴氏在生产前消毒后跳转到冷却停机。在生产时，跳转到排空）：1巴杀出口和排空泵出口压差报警2巴杀出口和预热段出口压差报警3巴杀杀菌段和热水压差报警4巴杀出口和冰水压差报警5保持管出口和均质机入口压差报警6保持管出口温度低于847杀菌温度低于853 当料推水和水推料时，巴杀此时不能循环也不能紧急停机（有牛奶在管路中）。所以在这两个过程中出现一些故障要另作判断。下面所有这两个过程中的一系列故障的处理：巴杀状态：报警原因：巴杀动作：料推水:混料到平衡罐:混料程序报警巴杀循环发酵程序报警None平衡罐到巴杀出口:混料程序报警None发酵程序报警:None排放阀或巴杀出口阀报警：排放平衡罐低液位：排放低流量：排放巴杀出口到发酵罐:混料程序报警:循环发酵程序报警:循环排放阀或巴杀出口阀报警：循环平衡罐低液位：排放低流量：排放生产:生产中:混料程序报警:循环发酵程序报警:循环排放阀或巴杀出口阀报警：循环平衡罐低液位：结束生产低流量：结束生产循环中:混料程序报警:None发酵程序报警:None排放阀或巴杀出口阀报警：None平衡罐低液位：结束生产低流量：结束生产巴杀状态：报警原因：巴杀动作：水顶料混料到平衡罐:混料程序报警:下一步骤发酵程序报警:None排放阀或巴杀出口阀报警：循环平衡罐低液位：下一步骤低流量：下一步骤平衡罐到巴杀出口:混料程序报警:None发酵程序报警:排放排放阀或巴杀出口阀报警：排放平衡罐低液位：急停低流量：急停巴杀出口到发酵罐:混料程序报警:None发酵程序报警:循环排放阀或巴杀出口阀报警：排放平衡罐低液位：急停低流量：急停二：CIP时液位控制问题问题: 前面提到巴氏CIP液由CIP7站控制，由于CIP7站只有一条供应线，供应量同时不能超过两台酸奶巴氏和一台预巴氏。所以当多台巴氏要求供应溶液时，必须要求有巴氏在等待状态。巴氏CIP时，对防混阀阀腔和排放阀进行清洗时，溶液必须排放掉;所以CIP过程中，溶液量会逐渐减少，需要CIP站供给溶液。整个巴氏CIP过程中，CIP站会频繁向它供给溶液，当多台巴氏清洗时，CIP站就处于不停地向正在清洗中的巴氏提供溶液的状态。巴氏CIP过程需要2小时，所以CIP站的使用效率相当低。其他需要清洗的巴氏不是长时间的等待，就是在溶液推水的过程中，不断地暂停。解决方法: 现根据光明要求，CIP站在溶液推水结束后，将平衡罐保持一个高液位，减少阀腔和排放阀的清洗时间。即期望整个CIP过程中巴氏的溶液不会低于低液位。当低于低液位后，巴氏不要请求溶液，而是少量补水，保持系统正常运转即可。这样就不会频繁向CIP站请求溶液。提高CIP站运行效率。这样做的缺陷是：一，平衡罐清洗过程中保持高液位，不能达到很好的清洗效果。二，阀门脉冲清洗时间变短，影响清洗效果。三，巴氏内的CIP溶液加水后，浓度或许降到清洗要求以下，影响清洗效果。三：消毒降温时，系统温度不稳定问题：消毒时，系统全部都是杀菌温度，达到90度以上，消毒结束后，出口温度要降到40度以下，如果是普通PID调节的话，巴杀出口温度要立刻降到40度，整个系统温度不稳定，均质机入口温度，杀菌温度都要有5度左右的波动。至少要有十分钟时间系统温度才能温度下来。解决方法: 消毒结束后，将出口温度做斜坡降温，即每分钟将冰水比例阀的开度打开1%，巴杀出口开始慢慢降温，直到出口温度和设定温度差值为5度以内，PID开始自动调节。 四：巴杀生产和循环切换时，对温度的影响。问题：当巴杀从生产切换到循环时，由于巴氏生产时进料温度是20度左右，当切换到循环时，40度的循环温度进平衡罐后会引起系统温度不稳定。解决方法：将循环温度设定为20度。即循环时，立刻降温，进入到平衡罐的牛奶温度不是很高，所有系统温差也不是很大。这样会出现的问题是当从循环再次跳转到生产或结束生产时， 巴杀要装载生产参数，此时，巴杀出口温度仍为20度，降下来需要一定的时间，有一段20度左右的牛奶要进入到罐内。同时出口温度的报警要延时，要不立刻会跳到循环。 巴氏杀菌机的控制方案 2.1硬件系统图2.1 如图2.1，光明巴氏的硬件系统由CPU:1768-L43, 以太网通讯模块1768-ENBT，ASI模块BWU1416组成，另外由以太网连接到Point I/O,变频器，和触摸屏。 整个巴杀主要阀门由ASI控制，有些现场的角座阀和电磁阀由1DO的阀组输出气源控制。 泵分三种控制方式，排空泵由变频控制。其余的泵由接触器直接启动，均质机由软启动器控制。 奶油巴杀质量流量计由Modbus和原奶CPU通讯后，再由以太网传至奶油巴杀。整个系统既可在中控室由SCADA控制，也可以在设备旁由触摸屏控制。2.2控制方案2.1.1程序结构：图2.2如图2.2,巴杀有12个状态，同时程序中有12个相对应的Phase。巴氏同时只能在一个运行状态。巴氏程序按照图中的箭头进行跳转。每个Phase中，有许多步序，来完成该Phase的功能。当程序在各个Phase中跳转时，必须保证设备连续运行。YPT排空，PMT输奶和PMT糖浆三个Phase由混料和发酵和袋装处负责。但启动生产前必须判断。2.1.2主步序说明简单地介绍上面15个PHASE的功能：启动：巴杀开阀后，所有泵的启动都按照循序启动。特别是均质机，当启动条件达到后，主电机才能启动。泵运行结束后，等待时间结束，水在巴杀管路里面充满后，跳转到水等待。水等待：状态和启动结束后一样，等待CIP或消毒。 全CIP：CIP前无菌空气线和CIP7站必须准备好，必须选择好CIP类型。清洗时，巴杀只要判断温度即可，电导由CIP站判断。出故障暂停后，所有设备停止运行。CIP结束后，巴杀跳转到水等待，巴杀的状态变为干净的。即可以进行消毒。 消毒：消毒前必须是干净的状态。消毒前需要排放掉管路中所有的水，如果锅炉房准备好了，换水使用锅炉房的热水，减少加热的蒸汽。排放后，切换到大循环。等待温度达到后，开始计时。计时结束后，巴氏状态变为已杀菌，并且巴杀出口温度开始降温。达到设定温度后，跳转到节能水生产。节能水生产：巴杀关闭冰水和均质机，处于节能状态。等待前段和后端准备好。水生产： 该状态所有参数基本和生产时一样，等待巴杀启动生产程序。该状态巴氏启动均质机，启动冰水冷却，等温度降低后，准备生产。生产： 生产和料顶水和为一个Phase, 料顶水为生产的前一个状态。生产前必须启动混料的排空程序和发酵的进料程序。循环： 生产出故障后，巴氏跳转到循环状态。当发酵罐出现低液位后，没有预选罐，巴氏也会跳转到循环，等待确定是再次生产还是结束生产。结束生产： 该状态参数和生产时一样，巴氏开始水推料，结束后用水冲洗管路30s,同时停止掉混料排空程序和发酵进料程序。排空： 巴氏出现故障后，跳转到该Phase,首先巴氏循环等待选择排放方式。选择好以后，启动推参数究竟回收还是排放，由客户决定。2.1.3功能程序巴氏运行时，为了完成一些功能，做成了子程序。下面介绍几个子程序的功能.图2.3一如图2.3 ，该平衡罐的液位控制：1.当生产前，不在CIP时，20%PIB1LT0160%,开PII2XV65阀，延时2S开PII2XV61阀，进行补水。或开PII2XVB92，93进行加酸碱。2.当生产前，在CIP时，15%PIB1LT0125%,开PII2XV65阀，延时2S开PII2XV61阀，进行补水。3. 在生产时，PIB1LT01由PID控制。由于该液位控制的情况比较多，而且在多个状态下控制方式要进行切换。所以用子程序调用比较方便。图2.4二如图2.4 ，均质机的控制1.启动顺序，当有均质机启动信号时，先启动油泵，水泵，打开水阀，等油压和水压开关出现后，启动主电机。2. 在主电机运行后，监控水压和油压信号，消失20S后报警。3.当生产时，料顶水开始后，开始启动一级和二级加压PID程序，开始加压。并且启动加压泵，打开泄压阀。另外一些循环调用的标准程序在程序中经常使用。2.3常见问题及解决方案1.PID手/自动切换时的无扰动调节：图2.5即手动/自动互相切换时，传给的是当前值而不是从0开始调节。如图，手/自动值都由PID.OUT传出。当切换到自动时，In_Pro_CV都保持着之前PID.OUT给IN_Manual_CV的值。2.两个PID对同一对象的控制：图2.6如图2.6，泵PIB1XME01既要控制整个巴氏的流量，又要控制进均质机入口的压力。正常串级PID可以满足两个要求同时达到。在调试过程中，客户要将两个PID分开设定，当使用均质机时，控制均质机入口压力，不使用时，控制巴杀流量。程序中做两个单独PID，使用时，能做到无缝切换即可。结论 根据调试多台巴氏杀菌机的经验和客户长期使用后的反馈。该巴氏杀菌机在能耗和食品安全方面做得相当不错。在自动化控制方面，整个操作步骤简单易懂。而且全部使用ROCKWELL的产品，可靠性很高。 该杀菌机使用了大量的自动阀门,泵,传感器. 因此对设备的维护和保养要求很高。 参考文献1食品机械与设备马容朝2.AB_PLC调试图文讲解ROCKWELL3.CHN-171952-001419-EP-01_Yog-pasto20000lphSPX（范文素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）29 / 29