1、巴氏殺菌機的工藝及其控制方案姓名時間：2016.08.10摘要 本文主要介紹了巴氏殺菌機的殺菌原理，工藝特點以及自動化控制方式。并且根據設計和調試巴氏殺菌機時的經驗描述了平時遇見的一些常見問題以及解決方法。對巴氏殺菌機的運行時每個步驟的動作以及該動作的作用都有詳細的說明。在自動化控制方面，對整體的硬件結構以及一些難度比較高的自動化解決方案進行了描述。目錄1.巴氏殺菌機工藝介紹31.1巴氏殺菌機的工作原理3 巴氏殺菌法31.1.2 巴氏殺菌機的工作原理51.2 巴氏殺菌機的工藝特點6 工藝介紹71.2.2 巴氏工藝特點101.3 巴氏殺菌機調試時常見問題132.巴氏殺菌機的控制方案202.1硬件

2、系統222.2控制方案21程序結構21主步序說明222.1.3功能程序242.3常見問題及解決方案263.結論284.參考文獻.29巴氏殺菌機工藝介紹關鍵字：巴氏殺菌法，CIP，SIP，板式換熱器，均質機，PLC，HMI，PID閉環控制。1.1巴氏殺菌機的工作原理1.1.1 巴氏殺菌法在一定溫度范圍內，溫度越低，細菌繁殖越慢；溫度越高，繁殖越快（一般微生物生長的適宜溫度為2837）。但溫度太高，細菌就會死亡。不同的細菌有不同的最適生長溫度和耐熱、耐冷能力。巴氏消毒其實就是利用病原體不是很耐熱的特點，用適當的溫度和保溫時間處理，將其全部殺滅。但經巴氏消毒后，仍保留了小部分無害或有益、較耐熱的細菌

3、或細菌芽孢，因此巴氏消毒牛奶要在4左右的溫度下保存，且只能保存310天，最多16天。當今使用的巴氏殺菌程序種類繁多。“低溫長時間”(LTLT)處理是一個間歇過程，如今只被小型乳品廠用來生產一些奶酪制品。“高溫短時間”(HTST)處理是一個“流動”過程，通常在板式熱交換器中進行，如今被廣泛應用于飲用牛奶的生產。通過該方式獲得的產品不是無菌的，即仍含有微生物，且在儲存和處理的過程中需要冷藏。“快速巴氏殺菌”主要應用于生產酸奶乳制品。國際上通用的巴氏高溫消毒法主要有兩種：一種是將牛奶加熱到6265，保持30分鐘。采用這一方法，可殺死牛奶中各種生長型致病菌，滅菌效率可達97.3%99.9%，經消毒后殘

4、留的只是部分嗜熱菌及耐熱性菌以及芽孢等，但這些細菌多數是乳酸菌，乳酸菌不但對人無害反而有益健康。第二種方法將牛奶加熱到7590，保溫1516秒，其殺菌時間更短，工作效率更高。但殺菌的基本原則是，能將病原菌殺死即可，溫度太高反而會有較多的營養損失。（PU,在60溫度下保溫一分鐘即稱為滅菌強度是一個PU.）這種殺菌法既可殺死對健康有害的病原菌又可使乳質盡量少發生變化。也就是根據對耐高溫性極強的結核菌熱致死曲線和乳質中最易受熱影響的奶油分離性熱破壞曲線的差異原理，在低溫下長時間或高溫下短時間進行加熱處理的一種方法。其中，在60以下加熱30分鐘的方式，作為低溫滅菌的標準，早為世界廣泛采用。利用高溫處理

5、，雖對乳質多少有些影響，但可增強滅菌效果，這種方法稱為高溫滅菌（sterilization），也就是在95以上加熱20分鐘。巴氏滅菌法除牛奶之外，也可應用于發酵產品。 通常，市場上出售的袋裝牛奶就是采用巴氏滅菌法生產的。工廠采來鮮牛奶，先進行低溫處理，然后用巴氏消毒法進行滅菌。用這種方法生產的袋裝牛奶通常可以保存較長時間。當然，具體的處理過程和工藝要復雜的多，不過總體原則就是這樣。需要指出的是，喝新鮮牛奶（指剛剛擠出的牛奶）反而是不安全的，因為它可能包含對我們身體有害的細菌。另一點是，巴氏消毒法也不是萬能的，經過巴氏消毒法處理的牛奶仍然要儲存在較低的溫度下（一般<4），否則還是有變質的可

6、能性。因此市場上很多出售袋裝牛奶的方法是很不規范的。巴氏消毒牛奶是世界上消耗最多的牛奶品種，英國、澳大利亞、美國、加拿大等國家巴氏消毒奶的消耗量都占液態奶80%以上，品種有全脫脂、半脫脂或全脂的。在美國市場上，實際幾乎全是巴氏消毒奶，而且是大包裝（1升、2升、1加侖）的，市民上超市一次就買夠一個星期喝的鮮奶。市場很少有滅菌純牛奶賣，有的小城鎮根本買不到。巴氏消毒純鮮奶較好地保存了牛奶的營養與天然風味，在所有牛奶品種中是最好的一種。其實，只要巴氏消毒奶在4左右的溫度下保存，細菌的繁殖就非常慢，牛奶的營養和風味就可在幾天內保持不變。1.1.1 巴氏殺菌機的工作原理 巴氏殺菌機就是利用較強高溫的以及

7、結合結核菌熱致死曲線以及乳制品中最容易受到熱的影響的奶油的分離性的熱破壞曲線的差異的原理，以及在長時間的低溫的時間下或者是高溫下所進行的加熱的處理。這種設備在市場上目前主要分為兩類，就是所說的高溫環境下的以及低溫下的。低溫的環境下溫度大約是50-70之間，保持一定時間的這個溫度，就達到了殺死牛奶中的病菌的作用，該設備的滅菌效果可以達到百分之百的效果。而高溫環境下就是指在90高溫的環境下保持一定的時間，至少在2分鐘左右，盡管殺菌時間較短，但其工作效率極高。根據升溫的方式可分為：管式殺菌機和板式殺菌機等。1.2巴氏的工藝特點圖1如圖1：整個巴殺包括一套板式換熱器，一臺均質機，兩套熱水系統，一套冰水

8、系統，一個平衡罐。另外，光明巴殺控制系統內還集成了一個菌種添加系統，還有兩條供菌種添加系統使用的無菌空氣線。 工藝介紹 光明巴殺主要功能包括：殺菌，均質，離心，脫氣，降溫，菌種添加等。跟據生產產品的不同，巴殺的功能各異。另外巴殺還可以對自身進行消毒和CIP.巴殺CIP: 1. 巴殺CIP清洗對象包括：巴殺自身管路，混料出料線，發酵進料線，均質機，菌種添加罐。 2CIP液配制：除了奶油巴殺以外，所有巴殺的CIP液來自CIP7站，CIP7站主要負責CIP液濃度的配制，CIP液發送到巴殺后，由巴殺控制清洗溫度。由于清洗過程中CIP液不會再流失，所以巴殺不再判斷CIP濃度。清洗完畢以后，會返還酸堿到C

9、IP7站。CIP7站同時只能給一臺預巴殺或兩臺巴殺同時供酸堿。奶油巴殺溶液由濃酸濃堿罐供給，巴殺自身判斷電導和溫度。在酸堿推水過程中，CIP站被占用或未準備好，巴殺小循環等待。3.清洗方式：和CIP站一樣，巴殺CIP包括水沖，單堿洗，全程洗。 水沖指最后沖洗，用清水沖洗，不升溫，只判斷時間。單堿洗指水沖-堿洗-水沖過程，堿洗時判斷溫度，水洗升溫，但不判斷溫度。全程洗指水洗-堿洗-水洗-酸洗-水洗過程。溫度判斷和堿洗 一樣。4.清洗過程：巴殺清洗過程中包括判斷溫度，流量。開啟脈沖。當巴殺內溶液溫度到達后，開始計時，計時過程中溫度低于低低值，暫停計時。清洗開始計時后，開始脈沖。脈沖包括清洗閥腔閥門

10、，比例閥0-100%開關，發酵線下閥腔等，最后一個脈沖啟動菌種添加系統清洗信號，清洗菌種添加系統啟動前必須要求無菌空氣線OK，該信號結束后，等待脈沖周期結束。預沖洗時，不用清洗閥腔。巴殺消毒: 巴殺消毒過程和CIP一樣，但是所有閥門不需要脈沖，整個消毒過程中，全部管路都保持高溫，當末端溫度和殺菌溫度之間的溫度傳感器有一個溫度低于低值時，巴殺暫停殺菌；低于低低值時，重新計時。菌種添加系統靠蒸汽殺菌，所有巴殺消毒時，不用通過。巴殺消毒后，整個巴殺處于無菌狀態，保持管內水的溫度全部要在殺菌溫度以上，保持循環。消毒后，只要有一點溫度低于最低消毒溫度（約85），巴殺就要處于“未殺菌”狀態。必須重新殺菌才

11、能生產。生產過程中，必須排放掉保持管內的牛奶，重新消毒。巴殺生產：消毒后，處于水循環狀態。水循環中，巴殺運行參數基本和生產時一致。如排空泵開始PID控制，所有溫度設定和生產時設定一致，脫氣罐開始啟動脫氣。但均質機未加壓，離心機不能啟動脫奶油。生產分為料推水、生產、循環、水推料四個過程。料頂水：料推水時通過發酵處排放，分為料推水到平衡罐入口，等平衡罐低液位，到巴氏出口，到發酵罐排放四個階段。第一階段是混料頂水到平衡罐入口，在平衡罐入口處排放。第二階段巴殺等平衡罐低液位，巴殺停止進料，停止低液位補水程序。等巴殺到低液位或連續液位低于一個低值時，開始進料。此時，均質機開始加壓。第三階段料推水到巴殺出

12、口，這階段巴殺出現普通報警都屏蔽，待推水結束后再判斷。第四階段料推水到巴殺發酵罐，出現報警后，巴殺可以進入循環，報警消失后，繼續推剩余部分水。生產：生產時，出現低報警時，彈出信息提示。出現低低報警時，跳轉到循環。當由于溫度或壓力原因出現非消毒狀態時，跳轉到排放程序。循環：巴殺出現故障或源罐低液位、手動啟動都可將巴殺由生產跳轉到循環，循環時巴殺出口溫度和進料溫度要相同。循環時間到后，直接跳轉到排放。期間可以手動切換到生產或結束生產。水推料：水推料可分為水推料到平衡罐，等平衡罐低液位，水推料到巴殺出口，水推料到發酵罐四個階段。所有動作過程基本與料頂水相同。巴氏工藝特點光明巴氏工藝設計的最大特點是：

13、節能，安全。節能：光明巴氏節能有兩方面,換熱方式和節能控制方案。圖2換熱方式節能：如圖2，在牛奶進入巴氏后，首先對牛奶進行升溫的并不是蒸汽加熱的熱水，而是加熱后完成殺菌的牛奶。并且安裝了比例閥控制加熱溫度，滿足進入均質機的溫度要求。這樣不但能節省巴殺升溫所需的蒸汽，還能夠減少降溫所需的冰水。節能控制方案：在巴氏消毒后，跳轉到節能水生產狀態。正常巴殺消毒后在生產前狀態，控制方式基本和生產一樣，即升溫殺菌后降溫到發酵溫度。但經常會有發酵罐或混料罐未準備好的情況發生，巴殺在等待的時候會浪費掉許多的能源。所以光明巴氏在等待時添加了節能水生產這個步驟。及當等待時間達到設定值后，關閉冰水，關閉均質機，等待

14、再次啟動。安全：這里的安全指兩方面：牛奶生產品質的安全和設備保護的安全。生產品質的安全：1. 壓差管理：如上圖，是冰水控制巴殺出口溫度的一個系統。外界提供冰水的壓力為4bar,系統根本不需要泵PIX8XME82。該泵的作用是壓差保護，即當該泵運行后，會減少進入板換冰水的壓力，如果板換出現泄露后，保證了冰水不會流到產品中去。像這樣的壓差保護，該巴殺有五處，涉及到牛奶和熱水，殺完菌的牛奶和未殺菌的牛奶等。當殺菌后巴氏出現壓差報警，巴氏就要排放掉所有牛奶，等待重新殺菌后，才能生產。 2. 溫度管理：整個巴氏控制要求最高的就是溫度。光明要求殺菌溫度上下浮動為正負0.3度，這樣對PID調節要求相當高。同

15、時要求整個系統的流量，壓力相當穩定。當溫度低于低值時，巴氏會跳轉到循環狀態，不再允許進料。當溫度再低于低低值時，巴氏就要排放掉管路里面所有的牛奶，重新殺菌后，才能繼續生產。 對設備的安全保護：工藝設計上，整個巴殺的管路設計為開路，即管路中沒有閥門讓整個巴殺憋死。當出現特殊情況，比如運行過程中，氣源斷了，巴氏會處于開路運行的狀態，不會把水憋死在管路中。在控制上，一些連鎖，對一些故障的處理都體現了對設備的保護。比如，當均質機水壓，油壓開關消失后，系統延時停機，用于保護均質機。均質機入口壓力低于1bar后，系統延時停機，用于保護均質機。當系統出口壓力高于8bar后，跳到循環，用于保護板換。等等。 1

16、.3 巴氏調試時常見問題 在調試過程中，出現了許多問題，這邊列舉一些比較常見的問題以及解決方案。一：特殊的INTERLOCK：巴殺運行后，不能正常暫停，但是有時為了保護設備安全，必須緊急停機或跳轉到其他狀態。下面分開列舉所有故障的跳轉：1跳轉到急停的情況： 1平衡罐低液位出現后，延時20S。緊急停機。2均質機流量開關消失后，延時10S，緊急停機。3均質機入口壓力低于2Bar時，延時10S，緊急停機。4均質機油壓消失后，延時10S，緊急停機。5均質機溫度報警后，延時10S，緊急停機。6排空泵報警。7均質機報警。8增壓泵報警。9巴殺急停按下。10均質機急停按鈕按下。2跳轉到冷卻停機/排空的情況（巴

17、氏在生產前消毒后跳轉到冷卻停機。在生產時，跳轉到排空）：1巴殺出口和排空泵出口壓差報警2巴殺出口和預熱段出口壓差報警3巴殺殺菌段和熱水壓差報警4巴殺出口和冰水壓差報警5保持管出口和均質機入口壓差報警6保持管出口溫度低于847殺菌溫度低于853 當料推水和水推料時，巴殺此時不能循環也不能緊急停機（有牛奶在管路中）。所以在這兩個過程中出現一些故障要另作判斷。下面所有這兩個過程中的一系列故障的處理：巴殺狀態：報警原因：巴殺動作：料推水:混料到平衡罐:混料程序報警巴殺循環發酵程序報警None平衡罐到巴殺出口:混料程序報警None發酵程序報警:None排放閥或巴殺出口閥報警：排放平衡罐低液位：排放低流量

18、：排放巴殺出口到發酵罐:混料程序報警:循環發酵程序報警:循環排放閥或巴殺出口閥報警：循環平衡罐低液位：排放低流量：排放生產:生產中:混料程序報警:循環發酵程序報警:循環排放閥或巴殺出口閥報警：循環平衡罐低液位：結束生產低流量：結束生產循環中:混料程序報警:None發酵程序報警:None排放閥或巴殺出口閥報警：None平衡罐低液位：結束生產低流量：結束生產巴殺狀態：報警原因：巴殺動作：水頂料混料到平衡罐:混料程序報警:下一步驟發酵程序報警:None排放閥或巴殺出口閥報警：循環平衡罐低液位：下一步驟低流量：下一步驟平衡罐到巴殺出口:混料程序報警:None發酵程序報警:排放排放閥或巴殺出口閥報警：排

19、放平衡罐低液位：急停低流量：急停巴殺出口到發酵罐:混料程序報警:None發酵程序報警:循環排放閥或巴殺出口閥報警：排放平衡罐低液位：急停低流量：急停二：CIP時液位控制問題問題: 前面提到巴氏CIP液由CIP7站控制，由于CIP7站只有一條供應線，供應量同時不能超過兩臺酸奶巴氏和一臺預巴氏。所以當多臺巴氏要求供應溶液時，必須要求有巴氏在等待狀態。巴氏CIP時，對防混閥閥腔和排放閥進行清洗時，溶液必須排放掉;所以CIP過程中，溶液量會逐漸減少，需要CIP站供給溶液。整個巴氏CIP過程中，CIP站會頻繁向它供給溶液，當多臺巴氏清洗時，CIP站就處于不停地向正在清洗中的巴氏提供溶液的狀態。巴氏CIP

20、過程需要2小時，所以CIP站的使用效率相當低。其他需要清洗的巴氏不是長時間的等待，就是在溶液推水的過程中，不斷地暫停。解決方法: 現根據光明要求，CIP站在溶液推水結束后，將平衡罐保持一個高液位，減少閥腔和排放閥的清洗時間。即期望整個CIP過程中巴氏的溶液不會低于低液位。當低于低液位后，巴氏不要請求溶液，而是少量補水，保持系統正常運轉即可。這樣就不會頻繁向CIP站請求溶液。提高CIP站運行效率。這樣做的缺陷是：一，平衡罐清洗過程中保持高液位，不能達到很好的清洗效果。二，閥門脈沖清洗時間變短，影響清洗效果。三，巴氏內的CIP溶液加水后，濃度或許降到清洗要求以下，影響清洗效果。三：消毒降溫時，系統

21、溫度不穩定問題：消毒時，系統全部都是殺菌溫度，達到90度以上，消毒結束后，出口溫度要降到40度以下，如果是普通PID調節的話，巴殺出口溫度要立刻降到40度，整個系統溫度不穩定，均質機入口溫度，殺菌溫度都要有5度左右的波動。至少要有十分鐘時間系統溫度才能溫度下來。解決方法: 消毒結束后，將出口溫度做斜坡降溫，即每分鐘將冰水比例閥的開度打開1%，巴殺出口開始慢慢降溫，直到出口溫度和設定溫度差值為5度以內，PID開始自動調節。 四：巴殺生產和循環切換時，對溫度的影響。問題：當巴殺從生產切換到循環時，由于巴氏生產時進料溫度是20度左右，當切換到循環時，40度的循環溫度進平衡罐后會引起系統溫度不穩定。解

22、決方法：將循環溫度設定為20度。即循環時，立刻降溫，進入到平衡罐的牛奶溫度不是很高，所有系統溫差也不是很大。這樣會出現的問題是當從循環再次跳轉到生產或結束生產時， 巴殺要裝載生產參數，此時，巴殺出口溫度仍為20度，降下來需要一定的時間，有一段20度左右的牛奶要進入到罐內。同時出口溫度的報警要延時，要不立刻會跳到循環。 巴氏殺菌機的控制方案 2.1硬件系統圖2.1 如圖2.1，光明巴氏的硬件系統由CPU:1768-L43, 以太網通訊模塊1768-ENBT，ASI模塊BWU1416組成，另外由以太網連接到Point I/O,變頻器，和觸摸屏。 整個巴殺主要閥門由ASI控制，有些現場的角座閥和電磁

23、閥由1DO的閥組輸出氣源控制。 泵分三種控制方式，排空泵由變頻控制。其余的泵由接觸器直接啟動，均質機由軟啟動器控制。 奶油巴殺質量流量計由Modbus和原奶CPU通訊后，再由以太網傳至奶油巴殺。整個系統既可在中控室由SCADA控制，也可以在設備旁由觸摸屏控制。2.2控制方案程序結構：圖2.2如圖2.2,巴殺有12個狀態，同時程序中有12個相對應的Phase。巴氏同時只能在一個運行狀態。巴氏程序按照圖中的箭頭進行跳轉。每個Phase中，有許多步序，來完成該Phase的功能。當程序在各個Phase中跳轉時，必須保證設備連續運行。YPT排空，PMT輸奶和PMT糖漿三個Phase由混料和發酵和袋裝處負

24、責。但啟動生產前必須判斷。2.1.2主步序說明簡單地介紹上面15個PHASE的功能：啟動：巴殺開閥后，所有泵的啟動都按照循序啟動。特別是均質機，當啟動條件達到后，主電機才能啟動。泵運行結束后，等待時間結束，水在巴殺管路里面充滿后，跳轉到水等待。水等待：狀態和啟動結束后一樣，等待CIP或消毒。 全CIP：CIP前無菌空氣線和CIP7站必須準備好，必須選擇好CIP類型。清洗時，巴殺只要判斷溫度即可，電導由CIP站判斷。出故障暫停后，所有設備停止運行。CIP結束后，巴殺跳轉到水等待，巴殺的狀態變為干凈的。即可以進行消毒。 消毒：消毒前必須是干凈的狀態。消毒前需要排放掉管路中所有的水，如果鍋爐房準備好

25、了，換水使用鍋爐房的熱水，減少加熱的蒸汽。排放后，切換到大循環。等待溫度達到后，開始計時。計時結束后，巴氏狀態變為已殺菌，并且巴殺出口溫度開始降溫。達到設定溫度后，跳轉到節能水生產。節能水生產：巴殺關閉冰水和均質機，處于節能狀態。等待前段和后端準備好。水生產： 該狀態所有參數基本和生產時一樣，等待巴殺啟動生產程序。該狀態巴氏啟動均質機，啟動冰水冷卻，等溫度降低后，準備生產。生產： 生產和料頂水和為一個Phase, 料頂水為生產的前一個狀態。生產前必須啟動混料的排空程序和發酵的進料程序。循環： 生產出故障后，巴氏跳轉到循環狀態。當發酵罐出現低液位后，沒有預選罐，巴氏也會跳轉到循環，等待確定是再次生產還是結束生產。結束生產： 該狀態參數和生產時一樣，巴氏開始水推料，結束后用水沖洗管路30s,同時停止掉混料排空程序和發酵進料程序。排空： 巴氏出現故障后，跳轉到該Phase,首先巴氏循環等待選擇排放方式。選擇好以后，啟動推參數究竟回收還是排放，由客戶決定。2.1.3功能程序巴氏運行時，為了完成一些功能，做成了子程序。下面介紹幾個子程序的功能.圖2.3一如圖2.3 ，該平衡罐的液位控制：1.當生產前，不在CIP時，20%<PIB1LT01<60%,開PII2