本發(fā)明涉及鮮奶用熱水加熱采用巴氏方法殺菌的裝置與殺菌自動(dòng)控制方法，屬于鮮奶加工領(lǐng)域，特別是一種通過測定鮮奶與加熱熱水溫度，控制鮮奶與加熱熱水流量，精確控制消鮮奶殺菌溫度、殺菌時(shí)間和殺菌后快速冷卻的殺菌的裝置及其消毒自動(dòng)控制方法。

背景技術(shù)：

巴氏消毒最先用于牛奶的殺菌，其目的是殺死牛奶中可能存在的所有有害微生物（包括致病菌）。牛奶巴氏殺菌是目前最理想、最有效的牛奶殺菌方法之一，既能起到殺菌效果，又能保持營養(yǎng)成份，不加任何防腐劑，有利于食用者身體健康，特別是可延長保質(zhì)期和貯藏期。

目前國際上通用的巴氏消毒法主要有兩種:第一種是將牛奶加熱到62-65℃，保持30分鐘?？蓺⑺琅Ｄ讨懈鞣N生長型致病菌，滅菌效率可達(dá)97.3%-99.9%，經(jīng)消毒后殘留的只是部分嗜熱菌及耐熱性菌以及芽孢等，但這些細(xì)菌占多數(shù)的是乳酸菌，乳酸菌不但對(duì)人無害反而有益健康。這種方法目前使用較少。第二種方法是將牛奶加熱到75-90℃，保溫15-16秒，其殺菌時(shí)間更短，工作效率更高。但殺菌的基本原則是，能將病原菌殺死即可，溫度太高、高溫時(shí)間太長反而會(huì)有較多的營養(yǎng)損失。

經(jīng)調(diào)研考察，目前市面上售賣和使用的多數(shù)牛奶巴氏殺菌機(jī)，并不能很好地按照第二種方法進(jìn)行殺菌，不能嚴(yán)格控制地殺菌溫度75-90℃和殺菌時(shí)間15-16秒，實(shí)際操作中多存在“一鍋煮30分鐘”現(xiàn)象，殺毒時(shí)間長效率低，高溫后不冷卻，長時(shí)間在殺菌溫度保溫或自然冷卻，耗能多、牛奶營養(yǎng)損失大，口感變差，牛奶香味消失，同時(shí)殺菌效果差，巴氏殺菌奶存在質(zhì)檢部門抽查金黃色葡萄球菌與大腸菌群不合格現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決以上述不足，提供一種牛奶用熱水加熱采用巴氏方法殺菌的裝置與自動(dòng)控制方法，通過測定鮮奶與加熱熱水溫度，控制鮮奶與加熱熱水的流量，在特制的殺菌器內(nèi)殺菌，精確控制鮮奶殺菌溫度、殺菌時(shí)間和殺菌后快速冷卻的殺菌裝置及其殺菌自動(dòng)控制方法，自動(dòng)化程度高，大幅降低勞動(dòng)強(qiáng)度，殺菌效率高，大幅減少殺菌牛奶營養(yǎng)損失，保持殺菌牛奶的牛奶香味與口感。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種鮮奶熱水巴氏殺菌裝置，包括：原料奶桶、熱水桶、原料奶殺菌器、殺菌奶冷卻器、原料奶計(jì)量泵、熱水計(jì)量泵、連接管道和PLC控制系統(tǒng)；

所述原料奶桶，帶有電驅(qū)動(dòng)攪拌器、原料奶加熱溫控器、原料奶電加熱器，并用管道與殺菌器進(jìn)奶口相連接，連接管道上裝有原料奶閥、原料奶計(jì)量泵、原料奶溫度變送器；

所述熱水桶，帶有電驅(qū)動(dòng)攪拌器、熱水加熱溫控器、熱水電加熱器，并用管道與殺菌器熱水口相連接，連接管道上裝有熱水閥、熱水計(jì)量泵、熱水溫度變送器；

所述殺菌器，帶有原料奶進(jìn)口、熱水進(jìn)口、殺菌器外殼、殺菌管、殺菌奶溫度變送器、上奶箱、殺菌器管板、熱水出口、下奶箱。所述殺菌器的進(jìn)奶口與原料奶奶桶出口用管道相連接，原料奶流入上奶箱均勻分布到各個(gè)殺菌管，熱水進(jìn)口用管道與熱水桶熱水出口相連，熱水出口用管道與熱水桶回水口相連接，殺菌奶在下奶箱匯集流入冷卻器冷卻；

所述冷卻器，帶有殺菌奶進(jìn)口、上奶箱、冷卻水進(jìn)口、冷卻器外殼、冷卻管、冷卻奶溫度變送器、冷卻器管板、冷卻水出口、冷卻奶出口、下奶箱、冷卻水管與冷卻水泵。所述冷卻器殺菌奶進(jìn)口與殺菌器殺菌奶出口法蘭連接，殺菌奶流入上奶箱均勻分布到各個(gè)冷卻管，冷卻水進(jìn)口用管道與循環(huán)冷卻水相連，用后的冷卻水從冷卻水出口用管道返回循環(huán)冷卻水，冷卻奶在下奶箱匯集流出，即為巴氏殺菌牛奶，進(jìn)入冷藏箱或冷藏柜冷藏存放；

所述PLC控制系統(tǒng)，包括PLC控制器（含控制軟件）、測量變送儀表（包括原料奶溫度變送器、原料奶流量變送器，熱水溫度變送器、熱水流量變送器，殺菌奶溫度變送器，冷卻奶溫度變送器），執(zhí)行器（包括原料奶加熱溫控器、熱水加熱溫控器、原料奶計(jì)量泵與熱水計(jì)量泵。

一種牛奶熱水巴氏殺菌的自動(dòng)控制方法，通過熱電偶測定鮮奶與加熱熱水溫度，通過計(jì)量泵測定控制鮮奶與加熱熱水流量，通過PLC自動(dòng)調(diào)節(jié)鮮奶與加熱熱水流量比，達(dá)到設(shè)定的殺菌溫度和殺菌時(shí)間的自動(dòng)控制方法，包括如下步驟：

步驟（1）：設(shè)定原料奶設(shè)定值T₁與熱水溫控器溫度設(shè)定值T₂，開啟原料奶加熱器與攪拌，開啟熱水加熱器與攪拌；

步驟（2）：待原料奶溫度與熱水溫控器溫度均達(dá)到設(shè)定值后，開啟原料奶計(jì)量泵和熱水計(jì)量泵，同時(shí)打開冷卻器冷卻水閥；

步驟（3）：通過原料奶溫度變送器測定熱水T₁，通過熱水溫度變送器測定熱水T₂，通過殺菌奶溫度變送器測定殺菌奶溫度T₃，通過冷卻奶溫度變送器測定冷卻奶溫度T₄；通過原料奶計(jì)量泵計(jì)量原料奶流量F_M1，通過熱水計(jì)量泵計(jì)量熱水流量F_M2；

步驟（4）：流量比K確定：依據(jù)原料奶、熱水、殺菌奶間的能量守恒定律，將測量的溫度（T₁、T₂、T₃）與流量（F_M1、F_M1）數(shù)值變送進(jìn)入PLC控制器，并依據(jù)式（1）、式（2）進(jìn)行運(yùn)算；

C₁M₁（T₁-T₃）= C₂M₂（T₃-T₂） （1）

K= M₁/M₂×100% ≈F_M1/F_M2 （2）

其中：M₁ 、M₂為原料奶與熱水的質(zhì)量，原料奶的質(zhì)量M₁=p₁×F_M1，熱水的質(zhì)量 M₂=p₂×F_M2，其中p₁、p₂為原料奶與熱水的密度，通過測定，p₁、p₂可認(rèn)為是常量；

T₁、T₂ 為原料奶與熱水的設(shè)定溫度，可以根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)定，T₃為殺菌奶的溫度，可以根據(jù)調(diào)節(jié)方式不同設(shè)定或測定，一般控制在80~85℃；

F_M1 、F_M2為原料奶與熱水的流量，通過各自相應(yīng)的計(jì)量泵流量計(jì)測量；

K為原料奶與熱水質(zhì)量比，由于p₁與p₂差別很小，K也可以近似認(rèn)為是原料奶與熱水流量之比；

PLC控制器可根據(jù)殺菌需要預(yù)先設(shè)定比值K，見式（2），具體控制中可將M₁ 或M₂其中一個(gè)固定，即將對(duì)應(yīng)的流量F_M1 、F_M2其中一個(gè)固定；由于原料奶溫度T₁、熱水溫度T₂可以自行設(shè)定，一般T₁設(shè)在45~50℃，T₂設(shè)在90~95℃，殺菌奶溫度T₃根據(jù)殺菌需要通常為80~85℃，由式（1）、式（2）可以得到固定的K值， K值經(jīng)計(jì)算后可以設(shè)定；

步驟（5）：殺毒時(shí)間確定。根據(jù)巴氏殺菌要求，殺菌時(shí)間控制在13-15秒，即設(shè)定原料奶流經(jīng)殺菌器時(shí)間控制在13-15秒；

步驟（6）：調(diào)節(jié)原料奶計(jì)量泵使原料奶流量至設(shè)定數(shù)值F_M1，調(diào)節(jié)熱水計(jì)量泵使熱水流量設(shè)定數(shù)值F_M2。對(duì)于特定的殺菌器，殺菌管的管直徑d、長度L和數(shù)量n是固定的，15秒流經(jīng)殺菌器的原料奶體積：

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，對(duì)于特定的殺菌器（規(guī)格尺寸已確定）和特定的殺菌時(shí)間15秒，原料奶流量F_M1值是確定的。實(shí)際操作控制時(shí)將原料奶流量F_M1與調(diào)到該固定值，固定原料奶計(jì)量泵頻率，實(shí)現(xiàn)流量F_M1穩(wěn)定，PLC控制系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定的K值，通過調(diào)節(jié)熱水計(jì)量泵頻率調(diào)節(jié)F_M2，對(duì)F_M1 /F_M2實(shí)行比例控制；

步驟（6）：殺菌奶冷卻：殺菌奶出口溫度T₃根據(jù)殺菌需要通常為80~85℃，殺菌奶冷卻后溫度通常為30~40℃，啟動(dòng)冷卻水泵，調(diào)節(jié)冷卻水閥開度，使殺菌奶冷卻后溫度控制在通常為35℃左右，然后進(jìn)入冷藏箱或冷藏柜冷藏存放。

一種牛奶熱水巴氏殺菌的自動(dòng)控制方法，包括如下生產(chǎn)自動(dòng)控制過程：

（1）原料奶溫度T₁與熱水溫度T₂自動(dòng)控制過程：根據(jù)T₁ 的設(shè)定值，通過原料奶加熱溫控器自動(dòng)調(diào)節(jié)原料奶電加熱器實(shí)現(xiàn)原料奶溫度，根據(jù)T₂ 的設(shè)定值，通過熱水加熱溫控器自動(dòng)調(diào)節(jié)熱水電加熱器實(shí)現(xiàn)熱水溫度；

（2）原料奶流量F_M1調(diào)到預(yù)算的固定值，固定原料奶計(jì)量泵頻率，實(shí)現(xiàn)流量F_M1穩(wěn)定，PLC控制系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定的K值，通過調(diào)自動(dòng)節(jié)熱水計(jì)量泵頻率調(diào)節(jié)F_M2，對(duì)F_M1 /F_M2實(shí)行比例控制，實(shí)現(xiàn)殺菌溫度和殺菌時(shí)間的控制。

本發(fā)明的有益效果是：

(1) 本發(fā)明的自動(dòng)控制能滿足牛奶用熱水加熱巴氏殺菌的連續(xù)性與穩(wěn)定性，保證了鮮奶和加熱熱水流量調(diào)節(jié)即時(shí)性和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了殺菌溫度80~85℃和殺菌時(shí)間13-15秒的精確控制，提高了殺菌效率，保證殺菌效果，殺毒后牛奶營養(yǎng)損失少，保持了殺菌牛奶的牛奶香味與口感，可延長保質(zhì)期和貯藏期；

(2) 和手動(dòng)控制相比，自動(dòng)控制降低了殺菌的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了殺菌工藝過程的控制水平和效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的自動(dòng)化殺菌流程示意圖，虛線框內(nèi)為自動(dòng)控制流程圖；

圖2為本發(fā)明的生產(chǎn)自動(dòng)控制流程方框圖；

圖中：1原料奶桶，2.原料奶攪拌器，3.原料奶加熱溫控器，4.原料奶電加熱器，5.原料奶閥，6. 原料奶計(jì)量泵，7. 原料奶流量變送器，8. PLC控制系統(tǒng)，9.熱水桶，10. 熱水?dāng)嚢杵鳎?1.熱水溫度控制器，12. 熱水電加熱器，13.成品奶桶，14. 殺菌器，15. 殺菌奶溫度變送器，16. 殺菌奶冷卻器，17.冷卻器溫度變送器，18.循環(huán)冷卻水閥，19.熱水計(jì)量泵，20. 熱水流量變送器，21. 熱水閥。原料奶桶1、原料奶閥5、原料奶計(jì)量泵6與殺菌器14之間用不銹鋼管道連接，熱水桶9、熱水閥21、熱水計(jì)量泵19與殺菌器14之間用不銹鋼管道連接，殺菌器14、殺菌奶冷卻器16與成品奶桶13之間用不銹鋼管道連接。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

如圖1所示，本發(fā)明的自動(dòng)控制方法的實(shí)施，是原料奶在原料奶桶1中經(jīng)過原料奶電加熱器4加熱和原料奶攪拌器2攪拌達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度T1，經(jīng)原料奶計(jì)量泵6和原料奶流量變送器7控制經(jīng)過式（4）的確定的鮮奶流量F_M1，在15秒時(shí)間內(nèi)通過殺菌器14；熱水在熱水桶9中經(jīng)過熱水電加熱器12加熱和熱水?dāng)嚢杵?0攪拌達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度T2，經(jīng)熱水計(jì)量泵19和熱水流量變送器20由PLC控制系統(tǒng)8控制由式（1）、式（2）的確定的熱水流量F_M2，通過熱水流量F_M2控制原料奶的殺菌溫度T3和殺菌時(shí)間，然后流出殺菌器14，流經(jīng)殺菌奶冷卻器16冷卻至溫度35℃后冷藏。

通過PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)8，對(duì)原料奶的預(yù)熱溫度T1、熱水溫度T2進(jìn)行測量變送，由原料奶溫控器3控制原料奶電加熱器4，熱水溫控器11控制熱水電加熱器12實(shí)現(xiàn)溫度控制；對(duì)原料奶計(jì)量泵6和熱水計(jì)量泵19進(jìn)行流量比例自動(dòng)控制，對(duì)冷卻器進(jìn)行溫度控制，實(shí)現(xiàn)牛奶熱水巴氏殺菌的自動(dòng)化生產(chǎn)。

如圖1所示，一種牛奶熱水巴氏殺菌的自動(dòng)控制方法，包括如下步驟：

步驟（1）：設(shè)定原料奶溫控器3溫度值T₁，設(shè)定熱水溫控器11溫度值T₂，開啟原料奶加熱器4與攪拌器2，開啟熱水加熱器12與攪拌器10；

步驟（2）：待原料奶溫度T₁與熱水溫度T₂均達(dá)到設(shè)定值后，開啟原料奶計(jì)量泵6和熱水計(jì)量泵19，同時(shí)打開殺菌奶冷卻器16冷卻水閥18；

步驟（3）：通過原料奶溫控器3測定熱水T₁，通過熱水溫控器11測定熱水T₂，通過殺菌奶溫度變送器15測定殺菌奶溫度T₃，通過冷卻奶溫度變送器17測定冷卻奶溫度T₄；通過原料奶計(jì)量泵計(jì)量原料奶流量F_M1，通過熱水計(jì)量泵計(jì)量熱水流量F_M2；測量結(jié)果送到PLC；

步驟（4）：將測量的溫度（T₁、T₂、T₃）與流量（F_M1、F_M2）數(shù)值變送進(jìn)入PLC控制器，并依據(jù)式（1）、式（2）確定流量比K；

步驟（5）：根據(jù)巴氏殺菌要求，殺菌時(shí)間控制在13-15秒，即設(shè)定原料奶流經(jīng)殺菌器時(shí)間控制在13-15秒；

步驟（6）：根據(jù)式（4）計(jì)算原料奶流量F_M1，調(diào)節(jié)原料奶計(jì)量泵6使原料奶流量F_M1至該計(jì)算數(shù)值，調(diào)節(jié)熱水計(jì)量泵使熱水流量至對(duì)應(yīng)數(shù)值F_M2；

步驟（6）：打開并調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻水閥18開度，使殺菌奶冷卻后溫度控制在通常為35℃左右，然后進(jìn)入冷藏箱或冷藏柜冷藏存放。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。