啤酒饮料生产过程中的检测设备

作者：热电(上海)科技仪器有限公司 胡阶明

欢迎访问e展厅 展厅 6 酿酒机械/酿酒设备展厅 啤酒酿造设备, 家庭酿酒设备, 葡萄酒生产设备, 酒精设备, ... 本文着重介绍啤酒饮料生产过程中啤酒浓度监测和高速灌装后的净重和缺陷检测。分析不同的检测方式对最终产品的影响，并阐述今后发展趋势。 啤酒质量和口味关键是要保证啤酒浓度的检测精度。研究结果表明在测量啤酒浓度时当前亨利定律方法存在瑕疵，有许多啤酒中使用氮气来给出一个比较高的压头使得温度和压力的测量变得不准确。溶解的二氧化碳是一种振动的分子，在4.2微米的电磁波谱中具有一个中间红外吸收谱带。按照比尔-朗伯定律，通过使用反射光谱-特定的衰减全反射（ATR），就能实现精确的浓度测量。 目前啤酒灌装后的检测采用二种方式：自动称重检测，X射线液面检测。称重检测存在难以适应高速灌装要求和液体晃动对称量影响，无法判断瓶盖封口是否完好，灌装压力是否达到指标；X射线影像检测虽然能够自动查出以下制造缺陷：油污、液体、变形和异物，将不合格容器从线上剔除，但需要克服泡沫影响和X射线安全性。 1. 啤酒中溶解CO2 浓度测量方法 a) 温度-压力法 啤酒、苏打水和碳酸之类充碳酸气饮料中的CO2 浓度。到目前为止，饮料行业一直依赖于温度-压力法来进行CO2 浓度测量。实际是亨利定律的一种改良变型，将温度和压力测量值转换为浓度。这种方法在亨利定律方程式中使用一个单一常数用于密度和一个单一常数用于溶解度，使得该方法已经变得过时和不准确。这是一种间接方法，它并不测量单独气体的浓度，而是测量所有溶解气体的合成结果。近年来，啤酒行业的变化已经加剧了这些瑕疵。密度在亨利定律方程式中被作为一个常数而引入，因为温度-压力仪器根本不能测量密度。在历史上，这种方法是基于这样的假设而发展的：即，所有啤酒都具有相当的密度。轻啤酒、爱尔啤酒和低糖啤酒已经说明了这种假设的不正确性。事实上，许多啤酒现在具有一个比水小的比重。有许多啤酒中使用氮气来给出一个比较高的压头使得温度和压力的测量变得不准确；一方面是因为缺乏区别，另一方面是因为溶解度系数的不同。酒精含量高的啤酒也具有一个不同的密度。另外，高速瓶装生产线的引入也导致了与饱和碳酸无关的压力尖峰，形成了明显的浓度尖峰。 在Zahm和Nagle的压力-温度测量换算表是基于啤酒的比重为1.015。此表起源于从美国酿造化学工作者学会1949年第5次修订的“分析方法”获得的一种方法分析。因为没有测量酒精浓度，所以当前方法在亨利定律中使用一个常数作为酒精密度。在一条灌装生产线上，啤酒比重的范围是从1.007到0.998，比重为0.998时表明是一种低碳水化合物啤酒；而酒精的含量范围则是从实际上的零到4个百分点。对于使用当前方法得出的结果，其误差几乎要比使用实验室仪器测得的结果高出一个数量级。二氧化碳在酒精中的溶解度与在水中的不同，那么对于当前压力-温度测量方法，不论是具有低、还是高酒精含量的啤酒都会形成一个显著的误差。 气体在液体中的溶解度与该液体的密度除以摩尔混合比、或基于质量的气体与液体之比成比例。这就意味着，酒精浓度密度与相当数量的啤酒成正比。相对于1 g／ ml的水密度来说，酒精的密度是.789 g／ml。在叙述亨利定律方法时，应该将这一点考虑在内。 b) 衰减全反射（ATR）红外光谱法 在线测量碳酸饱和度的当前方法使用了过时的亨利定律的近似性；它利用没有将产品密度、有效地处理的爱尔啤酒、窖藏啤酒、轻啤酒、高酒精含量啤酒和低碳水化合物啤酒之变化考虑在内的常数，按照它们具有相同的比重那样进行了处理。而对于不同的酒精浓度，使用恒定的密度也导致了另一个误差。 红外分析使用比尔-朗伯定律。在光学路径保持恒定时，浓度与样品吸收的红外能的数量成正比。ATR采样方法使用了这样的事实，当一束红外光在透明介质内部移动的辐射光从一个表面内部反射时，根据样品（啤酒）和晶体之间的折射比，光束中部分能量会稍微超出反射表面以外。辐射强度会通过反射的次数而逐步衰减。 使用中红外ATR传感器的振动光谱消除了由于密度造成的误差，因为此传感器使用比尔-朗伯定律进行浓度计算；它只依赖由于CO2分子在溶液中的存在而导致的红外辐射能的吸收。这消除了一个潜在的误差；此误差可能会高达0.5体积／体积，比普通仪器技术规格高出十倍的系数。 Thermo公司最近新推出的CrystalVision CO2 传感器给饮料中的CO2 测量带来了革命性的变化。新技术是将高精度实验室红外饱和碳酸监视设备引入到在线加工生产线、填充器、贮罐，这种应用保证了准确、实时的测量。Thermo Electron公司生产的这种新型传感器是一种固态装置，不需要任何维护，降低了运行成本，并且是在不使用滑流的条件下能够直接测量碳酸饱和度的唯一一种装置。使用红外的其它潜在应用是，测量酒精、碳水化合物和溶解糖的浓度。 CrystalVision CO2 传感器是一种成本效益高的解决方案；它能容易地展开并组合到饮料生产工艺中，尤其是啤酒酿造。该传感器操作24 x 7，并且能够承受“原地清洗”（CIP）循环，从而提供了能用于增大产量的连续数据。因为此传感器不会由于CIP而“变瞎”，所以它能监视CIP循环，通过节约天然资源和减少浪费而导致了利益的提高。得益于最新红外技术的使用，此传感器只监视“真正的CO2”，不会受压力尖峰或无关气体的影响，例如溶解的氧气或氮气。CrystalVision CO2 传感器完全地固态的；除了定期标定以外，它实际上根本不需要维护。这使得饮料制造商能够连续地操作传感器，避免了在传统传感器上通常会涉及到的高更换成本，例如隔膜、过滤器或膜片。CrystalVision已经的好几家优秀啤酒酿造厂中进行了试验，结果表明，它完全能匹配或超越目前使用的传统方法的准确性。 CrystalVision CO2 传感器的关键特点和好处包括： 容易安装，设置和操作 低运行成本 - 没有移动零件或消耗品三种等级的组合方式：独立式操作；通过以太网组合到一个数据管理系统中；或者通过PLC或DCS作为过程控制系统中的一个节点真正的CO2 测量 - 不受压力或温度影响 2. 啤酒灌装后的检测方法 a)自动称重检测 啤酒生产过程分为麦芽制造、麦芽汁制造、前发酵、后发酵、过滤灭菌、包装等几道工序。一条自动化听装线的主要设备由卸垛机、罐酒-卷封机、杀菌机、装箱机/封箱机组成，灌装速度可达到1500 件/分。由于灌装头堵塞，灌装机械磨损和瓶子/铝罐破损等原因，难以确保成品重量100%合格，需要通过在线复检。 采用自动检重秤来监测每一罐啤酒重量，能够完全不受泡沫影响。检重秤的基本原理是通过光电管检测到每一个产品进入称量台，控制仪表经过一系列数字滤波得到实际称量值，并与设定值比较决定通过还是剔除。 由于称重传感器的蠕变影响，上秤/下秤振动和液体晃动等的影响，难以突破1000件/分大关。无法满足高速灌装需求。更加无法完成判断瓶盖封口是否完好，灌装压力是否达到指标，是否有异物等的检测功能。 b) X射线影像检测 通过采用X射线影像检测液面来保证每一罐啤酒重量，必须克服泡沫影响，才能保证检测精度。X射线是电磁辐射频谱的一段。此频谱包括无线电波、微波、红外线、可见光谱、紫外线和伽马射线。X射线是一种短波，波长介于0.03纳米和3纳米之间。X射线也称为电离辐射，这得名于它们与物质发生反应的方式。 X射线产生原理 X射线是通过一个电场来加速电子，并使其轰击到金属板上而产生的。 通过在真空管的阴极上放置一个灯丝，可得到此种电流。当灯丝被加热后，电子就会被释放出来。电子是负的，会被阴极和阳极之间的电场加速，并最终以极高速度在真空中轰击阳极。当电子轰击时，会产生一个轫致辐射效应（或中断辐射效应）：电子被强制性的极大减速，并且产生X射线。电场强度（KV）决定了X射线的能量强度或“雪崩强度”。灯丝电流（mA）决定产生电子数量以及显示亮度。在产品检测中，光电二极管是检测X射线最常用的方法。闪烁晶体具有将X射线转化为光的特性。在二极管阵列监测器里，每个光电二极管前都放置一小块该晶体。X射线通过晶体所产生的光，将在光电二极管中产生一个与X射线强度成正比电流，随着时间变化，此电流将产生一个电压。 热电公司的 InScan X 射线检测系统在设计上可对灌装过程进行控制和优化。 InScan 采用了非电离、低功率 X 射线技术，可拍摄到包装容器的细节图像。 In Scan 的 X 射线技术采用非照射技术，因此使用非常安全。 该系统可在最高为每分钟 2,400 cpm 的速度下，以最大的灵敏度，利用多个参数同时检测产品是否灌装液位过低、灌装液位过高以及缺少封口或错误施加封口。 由于 InScan 具有区分液体与泡沫的独特能力，误剔除次数显著降低。 盖检测系统采用一套具有成本效益的精确盖检测解决方案。 系统剔除不符合封口要求的包装容器，并防止发生代价高昂的下游生产停止。 该系统还可防止密封不严、对中不良的盖流入消费者市场 装机阀门监控（FVM）系统是一个具有成本效益的选项，该选项使用 InScan 系统所捕捉的信息，并使其与一个特定灌装机阀门同步。 灌装机阀门监控可自动检测可能的灌装阀门性能问题。 这使用户可通过对生产线进行前瞻性管理，达到最高生产效率，并减少浪费。 最后需要指出的是X射线安全性 InScan X 射线检测系统的辐射量是：工人25小时所受到的辐射相当于看1小时电视，坐1小时飞机。而被照射的产品完全不用担心成为辐射物。因为放射性是食品被高强度的射线（1,000,000拉德）照射之后产生的。该系统的设计使被检测的食品只受到很低的辐射量（0.001拉德）。 由于区分液面和泡沫技术的完善，在啤酒灌装线上采用X射线影像检测液面来保证每一罐啤酒重量的方法将成为普遍采用的方法。 关于Thermo Electron Corporation（热电公司） Thermo Electron Corporation是分析仪器领域的世界领导者。我们的仪器解决方案能够使我们的用户让地球变成一个更加健康、更加干净和更加安全的地方。Thermo公司的“生命和实验室科学”分部能提供用于生命科学、药品研究、临床、环境和工业实验室领域的分析仪器、科学设备、服务以及软件解决方案。Thermo公司的“称重和监测”部门提供在各种制造过程和现场应用中使用的检测设备。热电公司生产的检测设备堪称该类产品的始祖。随着国内市场对食品安全问题的重视，企业对检测设备的认识和需求也在逐步提高，检测设备市场进入一个空前活跃的阶段。(end)

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