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复合气调保鲜包装机气体混合系统的研究
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真空/气调/收缩包装机械展厅
真空包装机, 气调包装机, 泡罩包装机, 收缩包装机械, ...
现代气调保鲜包装机集微机技术、真空技术、气动技术、光磁感应技术、程序控制技术及复合气体混合技术于一体,具有较高的技术含量及工艺性能要求,国外在 20世纪80年代后期开始研究和应用,因其对食品保鲜效果明显而得以迅速发展(图1为美国CVP systems公司生产的一款气调包装机)。我国气调保鲜包装起步于90年代,气调保鲜设备的研发和应用目前还处于起步阶段。而先进的多功能气调保鲜工艺及设备的关键技术在于研究和设计合适的复合气体混合配送系统。

1 复合气调保鲜包装的原理

复合气调保鲜包装亦称气体置换包装,国际上称为MAP包装(Modified Atmosphere Packing)。其原理是采用复合气体(2-4种气体按被包装食品特性配比混合)对包装容器内的空气进行置换,改变包装容器内食品周围的气体环境,从而抑制细菌(微生物)的生长繁衍,减缓被包装食品的新陈代谢速度,延长食品的保鲜期或货架寿命[1,2]。

气调保鲜气体一般由二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、氧气(O2)及少量特种气体组成。高浓度CO2气体能阻碍引起食品腐败的大多数微生物的生长繁殖,延长其繁殖生长的停滞期(或潜伏期)和延缓其对数增长期,是保鲜气体中的主要抑菌成分;O2可抑制大多数厌氧菌生长繁殖,高氧可保持鲜肉色泽而低氧在抑制新鲜果蔬呼吸速度的同时可保持果蔬新鲜状态的新陈代谢活动;N2是惰性气体,与食品不起化学作用,作为填充气体可防止CO2逸出后使包装坍落,充氮包装可降低食品中的脂肪、芳香物和色泽的氧化[3]。将CO2、O2、N2及特种气体组成复合保鲜气体,用于食品果蔬保鲜是当今保鲜包装的发展趋势。

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图1 美国CVP systems公司气调包装机
Fig.1 USA CVP systems Modified Atmosphere Packing machine

2 复合气体混合配送系统的基本结构

为了将不同比例的二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、氧气(O2)送入包装容器内,一般将CO2、N2、O2气体按一定比例送进混合室(贮气室)混合后,再注入到包装容器内,从而根据被包装食品特性需要,改变包装容器内食品周围的气体环境,达到保鲜的目的。可以采用如下两种方式进行气体混合和配送。

(1)控制气压复合气体混合配送系统

控制气压复合气体混合配送系统主要由气源、气体混合室、真空充气包装机以及管路、减压阀、压力表和开关等附件组成,如图2所示。一般小批量生产采用的气源为钢瓶装压缩气体。二氧化碳用食品级,氮用脱水精氮。钢瓶灌满时压力可达15MPa,一般有10~12MPa。

各种压缩气体经减压阀减压后,进入气体混合室进行各种产品所需的最佳比例混合,然后才引入充气包装机进行充气包装。

混合器的配气原理,假定减压后的气体为理想气体,则有状态方程:

PV = nRT

式中: P—气体压力,Pa;
V—气体体积,m3;
n—气体摩尔数,mol;
R—气体状态参数,8.31J/mol·°K;
T—温度,°K。

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图2 气调包装系统
Fig.2 The Modified Atmosphere Packing system
1-气源 2-减压阀 3-开关 4-气体混合室 5-包装机

由上式可知,在一定温度下,当气体体积V一定,则气体摩尔数n只与其分压P有关。控制进入定容积的气体混合室内各气体的分压,便可实现气体按所需的比例混合。例如,欲配70%CO2+30%N2的混合气,并假设所需混合气总压为P。先将定容积的混合室内空气抽除。再先后送入0.7P的CO2和0.3P的N2,则可得所需比例的混合气[4]。

(2)等气压复合气体混合配送系统

等气压复合气体混合配送系统的基本结构如图3所示。

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图3 复合气体混合配送系统Fig.3 The compound gas mixing and supply system
1- CO2气体钢瓶 2- O2气体钢瓶 3- N2气体钢瓶 4、5、6-充气电磁阀 7-控制装置 8-气体混合室 9-放气截止阀

图中1、2、3分别为CO2、O2、N2气体钢瓶,4、5、6为向混合室8充气的电磁阀,7为控制装置,9为向包装容器充气的截止阀。这种气体混合配送系统要求每个气源之间的压力相等,三种气体的充气电磁阀4、5、6与其管路构成的通道有效截面积成1:1:1的比例关系,每个电磁阀的控制端分别与控制装置相连接,控制装置中包含对应每个电磁阀的时间控制电路。假设CO2、O2、N2三种气体的混合比例为7:2:1,通过控制装置使气体导通时间的控制电路设定为7:2:1,这样当气体混合配送装置工作时,三种气体分别按设定的量从各自电磁阀和管路流入混合室8中,在混合室中按比例混合成为适合包装食品的保鲜气体,再经截止阀9充填到包装容器中,封合完成包装。

在上述基本结构组成中,每个气源的压力均相等,每个充气管路通道的有效截面积相等,单位时间内气体通过通道的流量相等。因此,只要调节各个充气电磁阀的开启时间,就可达到调节混合气体配气比例的目的。工作过程中,通过控制装置控制各个充气电磁阀的开闭,使各路通道开启时间一致,而关闭时间根据气体混合比例关系确定。

这种气体混合配送系统具有以下特点:

(1)采用普通电磁阀和管道结构,通过控制各充气电磁阀的开启时间来调节混合气体的比例,其精度可以达到食品保鲜气体比例的要求。
(2)系统技术方案构思合理,结构简单。
(3)系统的气体混合比例可以通过控制装置设定和调节,可以方便地实现自动控制和操作,具有较好的功能延伸性。
(4)各种气源之间的压力要求相等,商品气瓶或在操作中很难达到要求,因此需有气源的稳压装置,难于实现连续充气包装。

3 新型复合气体混合配送系统

通过对复合气调保鲜包装机气体混合系统研究、设计和试验,一种新型复合气体混合配送系统开发出来,图4表示这种新型复合气体混合配送系统的基本结构组成。这项研究的技术关键是在系统中取消了体积庞大的气体混合室,采用了气动比例阀的开启按比例供送气体,其工作原理为:以一定压力的CO2气体通过通道①作为双联气动比例阀CO2端阀门的开启动力,推动比例阀开启,接通CO2气体;以的接通CO2气体作为开启动力,通过通道④开启O2气体比例阀,通过通道⑤开启N2气体比例阀。这样三种气体均以相等的压力分别进入电磁阀,CO2气体通过通道②、③、⑥进入电磁阀;O2气体通过通道⑦、⑧进入电磁阀;N2气体通过通道⑨、⑩进入电磁阀,然后三种气体混合后进入包装容器进行封合包装。

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图4 连续供送复合气体混合配送系统
Fig.4 The continuous compound gas mixing and supply system
1- CO2气体钢瓶 2- O2气体钢瓶 3- N2气体钢瓶 4-双联气动比例阀
5-单联气动比例阀 6、7、8-电磁阀 9-控制装置

这种新型复合气体混合配送系统的优点:

(1)系统中取消了体积庞大的气体混合室,进一步简化了结构,节省了空间。
(2)采用了气动比例阀,以一种气源压力为参考,获得了压力一致的各种气源,可实现连续不断地供应设定比例混合的气体。
(3)各种气源压力一致,通过的管道和电磁阀尺寸一致,通过控制装置设定和调节阀门开度,即可调节混合气体的比例,其精度进一步提高。
(4)当任何一种气源的压力达不到要求时,通过控制装置即可使机器发出警报并停止工作。更换新的气源钢瓶,接通系统后可继续工作。
(5)采用电脑自动控制、人机界面,很方便地调节不同比例的气体组合适应各种被包装物品的要求,并可实现一机多用。
(6)可以设计制作成独立的新型复合气体混合配送系统,配合任何型号规格的充气包装机,适用范围广。

4 新型复合气体混合配送系统的技术关键

新型复合气体混合配送系统的技术关键之一是在系统中采用了气动比例阀,其结构示意图如图5所示,将设定压力的气体通入气动比例阀启动腔室,并将要供送的气体通入气动比例阀供送腔室,当两种气体压力达到相等时,供送阀就会打开送出气体。因此系统中可以选择一种设定压力的气体作为启动气源,当通入气动比例阀的其它气体压力达到与启动气源压力平衡时,就会实现各路气体等压力供送。

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图5 气动比例阀示意图
Fig.5 The gas proportion valve

新型复合气体混合配送系统的技术关键之二是复合保鲜气体的比例控制精度。由于食品果蔬自身的性能特点不同,其对保鲜气体的比例特性具有相当的敏感性。采用新型复合气体混合配送系统,其供送混合气体的比例误差可小于2%。

新型复合气体混合配送系统在设计上采用电脑自动控制、人机界面,配合复合气调保鲜包装机使用,可调节不同比例的气体组合适应种被包装物品的要求,延长被包产品的保鲜期,能真正保证食品果蔬的原汁、原味、原貌。特别适合于农副产品产地、农副产品配送中心、食品加工企业、超市生鲜农副产品加工间等场所使用,新型复合气体混合配送系统及复合气体保鲜包装机是今后食品果蔬保鲜技术的一个发展方向。

参考文献
[1] 杨福馨, 吴龙奇. 食品包装实用新材料新技术. 北京: 化学工业出版社, 2002
[2] 杨福馨. 农产品保鲜包装技术. 北京: 化学工业出版社, 2004
[3] 徐文达, 程裕东, 岑伟平等. 食品软包装材料与技术. 北京: 机械工业出版社, 2003
[4] 潘松年编. 包装工艺学. 印刷工业出版社,2004年
[5] Penn,Anthony. MAP shows the way. Packaging Magazine,Aug2002,Vol.5.
[6] Renstorm,Roger. MAP KEEPS BREAD,TOO. Plastics News,Sep98.
[7] www.cvpsystems.com(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2/22/2008)
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