CN111356374A - 管式巴氏灭菌器和用于操作管式巴氏灭菌器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于操作管式巴氏灭菌器(1)的方法，巴氏灭菌器具有多个依次相继的处理区域(Z1‑Z4)，其中包装有产品的容器(2)借助于输送装置(3)传送通过处理区域(Z1‑Z4)并且利用具有不同实际介质温度的处理介质加热、进行巴氏灭菌，并且优选地再次冷却。由控制单元(4)检测实际介质温度并且与目标介质温度进行比较，并且基于该比较控制加热装置(H1、H2)和/或冷却装置(K3、K4)，其特征在于，在容器(2)的处理期间，根据处理区域(Z1‑Z4)的实际介质温度形成(104a)用于优化(104)的初始值，并且借助于用于确定期望的巴氏灭菌度的预测模型(210)利用该优化(104)确定目标介质温度，从而至少实现(104b)容器(2)的最低巴氏灭菌度。
Description
技术领域
本发明涉及具有方案1的前序部分的特征的用于操作管式巴氏灭菌器的方法和具有方案13的前序部分的特征的管式巴氏灭菌器。
背景技术
管式巴氏灭菌器是已知的，其中将包装有产品的容器巴氏灭菌。容器由输送装置传送通过多个依次相继的处理区域，并由不同温度的处理介质加热并优选地再次冷却。对于合适的巴氏灭菌，重要的是将产品在足够高的温度下保持足够长的时间，以确保实现良好的除菌效果的最小的巴氏灭菌。
为此，在处理区域中设定不同的介质温度，利用处理区域可以缓慢升高容器的温度，然后优选地再次缓慢降低温度。为了不过度影响饮料或其它食品的味道，防止过度巴氏灭菌也是重要的。
因此，需要使用控制单元精确控制介质温度。利用控制单元检测实际介质温度，并与目标介质温度进行比较。在存在偏差的情况下，以尽可能精确地维持目标介质温度的方式控制用于处理介质的加热和/或冷却装置。
例如，DE 10 2005 042 783 A1公开了一种用于控制被分配为用于产品的巴氏灭菌的水的水温的方法，由此考虑了到产品中的热传递以控制水温。
然而，已经发现，已知的控制装置有时会在处理区域之间引起不期望的振荡，这妨碍了均匀处理。这会导致产品品质下降。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种管式巴氏灭菌器和一种用于操作管式巴氏灭菌器的方法，其中容器的处理更加均匀，产品品质得以改善并且能量和资源的消耗得以减少。
为了实现该目的，本发明提供了具有方案的特征的用于操作管式巴氏灭菌器的方法。
从属方案中提到了本发明的有利实施方式。
在容器的处理期间，由处理区域的实际介质温度形成用于优化的初始值，并且借助于预测模型利用优化来确定目标介质温度，以使得至少实现容器的最小程度的巴氏灭菌，目标介质温度经由优化彼此耦合。因此，通过在处理期间进行的优化运行来立即控制处理区域，从而避免了振荡。结果，在通过处理区域的传送期间对容器进行更均匀的处理，从而改善产品品质。
管式巴氏灭菌器可以安装在饮料加工厂中。特别地，管式巴氏灭菌器可以对灌装到容器中的产品进行巴氏灭菌。这里的“巴氏灭菌”可以意味着以杀死产品中可能包含的任意细菌的方式加热产品。优选地，管式巴氏灭菌器可以放置在用于将产品灌装到容器中的灌装线的下游和/或用于封闭容器的封口机的下游。
管式巴氏灭菌器可以用于对诸如瓶、罐、罐头和/或其它容器的容器进行巴氏灭菌。容器可以被设计成保持气态、液态、固态和/或糊状产品。产品可以是饮料、卫生产品、糊剂、化学产品、生物产品和/或制药产品。容器可以装配有封闭件以将产品内部从周围环境气密密封。
传送装置可以包括输送带以将容器传送通过处理区域。输送带可以设置有开口或者可以是网状的设计，以允许从容器中排出的处理介质通过排出口。
在处理区域中，容器可以充满处理介质，尤其是水。优选地，容器可以在处理区域的第一部分中充满至少一种热的处理介质并被加热。随后，在处理区域的第二部分中，容器可以被至少一种冷的处理介质覆盖并被冷却。
“处理区域的实际介质温度”可以指操作期间处理区域中的处理介质的温度，优选地是处理介质离开充满容器用的喷嘴之前的管线部分中的处理介质的温度。“目标介质温度”可以意味着存储在控制单元的存储单元中的介质温度的默认值。
在各个处理区域中，实际介质温度可以分别利用至少一个温度传感器检测并传递到控制单元。控制单元可以连接到加热和/或冷却装置，以便对加热和/或冷却装置进行控制。
控制单元可以包括微处理器、存储单元、一个或多个模拟和/或数字接口和/或显示单元。机器控制器可以是或包括控制单元。控制单元可以适于至少部分地执行用于操作管式巴氏灭菌器的方法。为此，用于操作管式巴氏灭菌器的方法可以至少部分地作为计算机程序产品存储在存储单元中或数据载体上。
在此，优化可以意味着本身已知的通用优化算法，该算法优选地在控制单元中实施。在优化期间，可以使品质函数最小化或最大化，这优选地确定期望的巴氏灭菌度与来自介质温度的最小巴氏灭菌度的偏差，由此使偏差最小化或最大化。品质函数还可以考虑用于巴氏灭菌度的预测模型和/或用于能量和/或资源消耗的第二预测模型。
预测模型可以根据作为输入的介质温度来确定，优选地计算作为输出的期望的巴氏灭菌度。
巴氏灭菌度可以意味着巴氏灭菌单位(PU)的数量。也可以是在管式巴氏灭菌器容器中的产品在温度阈值以上被加热的时间段。温度阈值可以在45℃-90℃的范围内和/或由操作者设定。
最小巴氏灭菌度可以被定义为在容器中实现期望的最低产品品质的巴氏灭菌度。还可以意味着产品中未超过预定数量的细菌。最小巴氏灭菌度可以是管式巴氏灭菌器中的产品在温度阈值以上被加热的最小时间段。
“容器处理期间”在这里可以意味着初始值的形成和最优化本身与容器的处理同时进行。这还可以意味着在处理期间不断进行的循环，在该循环中，根据(当前)实际介质温度形成初始值，并进行优化以确定(新的)目标介质温度。这样，目标介质温度可以连续被确定为控制系统的当前默认值。
可以在至少两个处理区域上同时进行优化。以这种方式，可以避免至少两个处理区域之间的温度震荡，并且可以特别均匀地处理包装在容器中的产品。可以想到的是，优化恰好在两个处理区域上或在所有处理区域上同时进行。
优选地，各容器列的瞬时巴氏灭菌度可以优选地与行进方向正交地被确定，然后被求和以确定期望的巴氏灭菌度。以此方式，可以利用特别简单的预测模型来确定巴氏灭菌度，而无需进行大量的计算工作。换言之，首先可以将巴氏灭菌度分别确定为容器列中的各处理点的瞬时巴氏灭菌度。然后，可以对瞬时巴氏灭菌度进行求和或积分。因此，可以想到的是，可以在处理期内对若干处理时间确定各容器列的瞬时巴氏灭菌度，然后在整个处理期间累加。
有利的是，对于处理区域，考虑处理区域的介质温度和容器的处理介质的至少一个热传递参数，确定各容器列的瞬时巴氏灭菌度。这允许更加容易地并且以特别低的计算量来确定巴氏灭菌度。例如，当将处理介质喷洒到容器上时，处理介质的温度通常与产品本身的温度不同。可以考虑一种或多种处理介质的介质温度、利用所述处理介质处理的容器的温度和/或包含在容器中的产品的温度来设计所述至少一个热传递参数。该至少一个热传递参数可以是函数或特性图。
当优化目标介质温度时，实际介质温度可以被至少一个变化值置换，由此可以使用预测模型确定期望的巴氏灭菌度的梯度。由于通过考虑梯度可以更有效地进行优化工作，所以可以在优化期间节省计算力。这里的“置换”可以意味着实际介质温度通过变化值进行变化以确定梯度。与介质温度相比，变化值可以是小的值。变化值可以处于-5℃至+5℃的范围，优选地处于-0.5℃至+0.5℃的范围。当确定梯度时，可以借助于变化值在实际介质温度变化的情况下多次调用预测模型，从而根据由此改变的巴氏灭菌度确定梯度。替代地，还可以通过转换数学模型来解析地确定梯度，这进一步减少了计算量。
可以以不超过最高产品温度的方式优化目标介质温度。这防止了容器的过度巴氏灭菌。可以利用预测模型确定最高产品温度，优选地使用至少一个热传递参数确定最高产品温度。最高产品温度可以是其以上的温度会使产品味道下降的温度。例如，最高产品温度可以处于61℃-67℃的范围。
可以以不超过两个相邻的处理区域之间的最大温度突变的方式优化目标介质温度。这导致特别均匀的产品处理。最大温度突变可以是两个相邻的处理区域的介质温度之间的差和/或处于0℃-25℃的范围，优选地处于0℃-20℃的范围。还可以是在第一处理区域中的第一产品温度与和第一处理区域相邻的第二处理区域中的第二产品温度之间的差。
可以以在处理容器时以不超过和/或最小化能量和/或资源的最大消耗的方式来优化目标介质温度。因此，当启动或停止管式巴氏灭菌器时，可以避免增加的能量和/或资源消耗。如果停止，则必须降低巴氏灭菌区域中的介质温度，以防止产品的过度巴氏灭菌。停止后重新启动时，巴氏灭菌区域中的介质温度会再次升高。可以想到的是，容器的略高的巴氏灭菌度被优化所接受，有利于能量和/或资源消耗。“能量和/或资源消耗”可以意味着加热和/或冷却装置的消耗。能量消耗可以是用于加热和/或冷却容器的能量消耗。资源消耗可以是水消耗，例如淡水或冷却水。
优选地，第二预测模型可以用于根据目标介质温度确定和最小化期望的能量和/或资源消耗，并与最大能量和/或资源消耗进行比较。这使得基于优化期间的介质温度确定能量和/或资源消耗特别容易。
优选地，可以各区域或每列容器地确定能量和/或资源消耗，然后求和。以此方式，可以用特别简单的预测模型来确定能量和/或资源消耗，而无需大量的计算工作。换言之，各处理区域或容器列的能量和/或资源消耗可以首先被分别确定为区域消耗或容器列消耗。之后，可以求和或积分区域消耗或容器列消耗。下面，基于区域消耗来解释计算方法。使用容器列消耗的计算以相同的方式进行。
有利的是，考虑相应的介质温度、容器的处理介质的至少一个热传递参数以及容器的热容量，确定各处理区域的区域消耗和/或容器列消耗。因此，可以更加容易地并且以特别少的计算工作来确定能量和/或资源消耗。该至少一个热传递参数可以是以上关于巴氏灭菌度说明的至少一个热传递参数。例如，介质温度和热传递参数可以用于确定容器或包装在其中的产品的温度。然后可以使用容器的温度来确定在相应处理区域中包装在容器中的产品的加热或冷却，然后可以使用产品的质量和热容量来确定能量和/或资源消耗。另外，在确定能量和/或资源的消耗时可以考虑容器的热容量和质量。
优选地，可以以不超过TAT值(温度超限时间(time above temperature))和/或KP值(致死温度(killing point temperature))和/或一个或多个PE值(巴氏灭菌单位)的方式来优化目标介质温度。利用TAT值，特别容易确定最低巴氏灭菌度。另外，KP值确保巴氏灭菌在低于除菌的温度下进行。由于还可以在较低的温度下将巴氏灭菌单位(PE单元)引入包装产品中，因此可以使用KP温度来确保充分除菌。
另外，本发明提供一种具有方案13的特征的管式巴氏灭菌器以实现该目的。
控制单元适于在容器处理期间根据处理区域的实际介质温度形成用于优化的初始值，并且以至少实现容器的最低巴氏灭菌度的方式借助于预测模型利用优化确定目标介质温度，目标介质温度经由优化彼此耦合。因此，通过在处理期间进行的优化来立即控制处理区域，从而避免了振荡。因此，在传送通过处理区域期间，对容器进行更均匀的处理，从而改善产品品质。
方案13的控制单元可以被设计为执行优选地根据权利要求1至12中任一项的上述操作管式巴氏灭菌器的方法。
管式巴氏灭菌器或控制单元可以包括上述关于操作管式巴氏灭菌器的方法的单个或任意组合的特征。
附图说明
使用以下实施方式更详细地解释本发明的进一步特征和优点：
图1以俯视图或流程图示出了管式巴氏灭菌器的实施方式和用于操作该管式巴氏灭菌器的方法的实施方式。
图2以流程图示出了用于图1的方法的用于确定巴氏灭菌度的第一预测模型的实施方式；和
图3以流程图示出了用于图1的方法的用于确定能量和/或资源消耗的第二预测模型的实施方式。
具体实施方式
图1以俯视图或流程图示出了管式巴氏灭菌器1的实施方式和用于操作该管式巴氏灭菌器的方法100的实施方式。
图1的左侧部分示出了具有多个依次相继的处理区域Z1-Z4的管式巴氏灭菌器1，容器2被输送装置3沿方向T传送通过处理区域。输送装置3在这里被设计为例如输送带，但是还可以被设计成任何其它合适的输送装置。已将产品包装到通过管式巴氏灭菌器1巴氏灭菌的容器2中。
在传送通过处理区域Z1-Z2期间，利用加热的处理介质(水)喷洒容器2，处理区域Z2中的介质温度高于处理区域Z1中的介质温度。结果，容器2被逐步加热并保持在最低温度60℃以上至少10分钟。这样可以杀死容器2中的细菌并对产品进行巴氏灭菌。加热装置H1、H2被设置为加热处理区域Z1-Z2中的处理介质。这些加热装置可以包括加热器、热交换器等。
随后，将容器2传送通过处理区域Z3-Z4并再次逐步冷却。为此，利用冷却的处理介质(水)分别喷洒容器2，由此处理区域Z4中的介质温度低于处理区域Z3中的介质温度。这样，容器2以受控且缓慢的方式冷却，使得容器2然后可以被传送到在管式巴氏灭菌器1之后的另外的处理站。冷却装置K3和K4被设置为冷却处理区域Z3-Z4中的处理介质。这些冷却装置可以包括受控的淡水供应、冷却装置、热交换器等。
此外，温度传感器T1-T4设置在处理区域Z1-Z4中以检测相应的实际介质温度。
加热和冷却装置H1、H2、K3、K4以及温度传感器T1-T4经由合适的连接线连接到控制单元4。
在图1的右侧，可以看到控制单元4，其中如下地进行用于操作管式巴氏灭菌器1的方法100：
在步骤101中，例如借助于检测来自温度传感器T1-T4的模拟或数字信号的接口来检测利用温度传感器T1-T4测量的各个处理区域Z1-Z4的实际介质温度。然后将实际介质温度存储在控制单元4的此处未示出的存储单元中。
在步骤102中，将实际介质温度与同样存储在存储单元中的目标介质温度进行比较，从而形成目标介质温度和实际介质温度的差异。
然后在步骤103中，经由比较来控制加热装置H1、H2和冷却装置K3、K4，使得实际介质温度尽可能与目标介质温度一致。控制信号经由连接线传递到加热装置H1、H2和冷却装置K3、K4，并且对加热或冷却能力进行校正，以便尽可能精确地维持目标介质温度。
在步骤104中，在容器2的处理期间，目标介质温度的优化调节如下：
首先，在步骤104a中，根据实际介质温度形成用于优化的初始值。换言之，将实际介质温度设定为用于优化的起始值。
在步骤104b中，根据初始值和以下关于图2说明的预测模型210计算期望的巴氏灭菌度。可选地，使用以下关于图3说明的预测模型220根据初始值计算期望的能量和/或资源消耗。
此外，实际介质温度(处理区域的温度)或初始值通过轻微变化值(例如0.5℃)进行置换，并且还输入到预测模型210或220中。以此方式，巴氏灭菌度的变化或能量和/或资源消耗的变化取决于施加变化值的介质温度，由此形成巴氏灭菌度的梯度或能量和/或资源消耗的梯度。
另外，由操作员预先选择的品质标准存储在控制单元4中。这些标准是最低巴氏灭菌度以及可选的最高产品温度、两个相邻处理区域Z1-Z4之间的最大温度突变、最大能量和/或资源消耗。可以以一个或多个巴氏灭菌单位(PE)、TAT值、KP值或这些计算方法的组合的形式指定最低巴氏灭菌度。
使用初始值、巴氏灭菌度的梯度或能量和/或资源消耗的梯度以及品质标准，借助于通常已知的优化算法来优化目标介质温度，使得上述品质标准尽量做到最好。
随后，将以此方式确定的目标介质温度存储在控制单元4中，并基于此再次执行步骤101-104，包括目标介质温度的优化。换言之，在利用管式巴氏灭菌器1处理容器2期间，连续地重复步骤101-104。还可以想到，并行执行步骤101-103和步骤104。
因为在处理容器2期间，由实际介质温度形成用于优化104的初始值，以至少获得容器2的最低巴氏灭菌度的方式，借助于预测模型210利用优化确定处理区域Z1-Z4和目标介质温度，目标介质温度经由优化彼此耦合。因此，通过在处理期间运行的优化104立即控制处理区域Z1-Z4，从而避免了振荡。因此，容器2在传送通过处理区域Z1-Z4期间被更均匀地处理，从而改善了产品品质。
另外，可选的品质标准防止由于温度突变、高的能量和/或资源消耗以及处理温度过低而导致的过度巴氏灭菌、不均匀的巴氏灭菌。结果，以使得包装在容器2中的产品的品质特别高并避免未破坏细菌的污染的方式对容器2进行巴氏灭菌。
图2以流程图示出了用于确定巴氏灭菌度的预测模型210。可以看出，在步骤211中，针对各处理区域Z1-Z4将介质温度输入到预测模型210中。
对于各处理区域Z1-Z4，现在步骤212中借助于至少一个热传递参数来确定容器2中占优势的产品温度。该至少一个热传递参数优选地借助于测量来实验性地确定，例如在预定的温度步骤中利用处理介质喷洒测试室中的容器并且针对各温度步骤测量容器中的产品温度。计算方法也是可以想到的。
随后，对于各处理区域Z1-Z4，产品温度用于确定各处理时间的每列容器的例如输入到巴氏灭菌单位(PE)的瞬时巴氏灭菌度，瞬时巴氏灭菌度可以使用通常在技术文献(例如，H.W.Del Vecchio,C.A.Dayharsh和F.C.Baselt所著：啤酒变质生物的热死亡时间研究。美国酿造化学家学会学报，1951年，第45页；Andrew Geoffrey Howard Lea和JohnR.Piggott所编：发酵饮料生产。第二版。施普林格。2003年，第379页；Carsten Zufall和Karl Wackerbauer所著：快速巴氏灭菌在宽温度区间内的生物影响，酿造研究所学报，第106卷，第3期(第164-168页))中已知的方法确定。
然后，对于各容器列，在步骤213的处理期间内，对容器列的瞬时巴氏灭菌度求和，并在步骤214中将其输出为巴氏灭菌度。
图3以流程图示出了用于确定能量和资源消耗的预测模型220。可以看出，在步骤221中，将介质温度和当前产品温度输入到用于处理区域Z1-Z4的预测模型220中。
对于各处理区域Z1-Z4，现在步骤222中借助于以上关于步骤212说明的至少一个热传递参数来确定由于利用处理介质喷洒而在容器2中占优势的产品温度。
此外，确定当产品通过相应的处理区域Z1-Z4时加热或冷却产品的温差。然后可以使用包装在容器2中的产品的热容量、灌装的产品质量和温差来计算容器2吸收或释放的能量。由于例如借助于在管式巴氏灭菌器1的入口处的计数装置已知相应处理区域Z1-Z4中的容器数量，所以可以确定在处理区域Z1-Z4中处理所需的区域消耗。例如，在WO 2010/094487A1中公开了管式巴氏灭菌器的能量和资源量的前述计算。
然后在步骤223中将所有处理区域Z1-Z4的区域消耗相加，并将其输出为步骤224中的能量和资源消耗。
如上面关于图1所说明的，在优化104中使用巴氏灭菌度或能量和/或资源消耗的输出来优化目标介质温度。
不言而喻，上述实施方式中提到的特征不限于这些特定组合，而是可以呈任何其它组合。
Claims (13)
1.一种用于操作管式巴氏灭菌器(1)的方法，所述管式巴氏灭菌器(1)具有多个依次相继的处理区域(Z1-Z4)，包装有产品的容器(2)借助于输送装置(3)被传送通过所述处理区域(Z1-Z4)并利用具有不同实际介质温度的处理介质被加热，进行巴氏灭菌，然后优选地被再次冷却，其中通过控制单元(4)检测所述实际介质温度，并将所述实际介质温度与目标介质温度进行比较，基于所述比较来控制加热装置(H1、H2)和/或冷却装置(K3、K4)，
其特征在于，
在所述容器(2)的处理期间，
根据所述处理区域(Z1-Z4)的实际介质温度形成(104a)用于优化(104)的初始值，并且
借助于用于确定期望的巴氏灭菌度的预测模型(210)利用所述优化(104)确定所述目标介质温度，从而至少实现(104b)所述容器(2)的最低巴氏灭菌度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述优化同时在至少两个所述处理区域(Z1-Z4)上进行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，各容器列的瞬时巴氏灭菌度优选地与行进方向正交地被确定(212)，然后被求和(213)以确定所述期望的巴氏灭菌度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对于所述处理区域(Z1-Z4)，考虑所述处理区域(Z1-Z4)的介质温度和所述容器(2)的处理介质的至少一个热传递参数来分别确定(212)各容器列的瞬时巴氏灭菌度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述目标介质温度的优化期间，所述实际介质温度被至少一个变化值置换，由此经由所述预测模型(210)确定所述期望的巴氏灭菌度的梯度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，以不超过最高产品温度的方式优化所述目标介质温度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，以不超过两个相邻的处理区域(Z1-Z4)之间的最大温度突变的方式优化所述目标介质温度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，以不超过和/或最小化所述容器(2)的处理期间的最大能量和/或资源消耗的方式优化所述目标介质温度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，借助于第二预测模型(220)根据所述目标介质温度确定并最小化期望的能量和/或资源消耗，并与所述最大能量和/或资源消耗进行比较。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，确定(222)每列容器或各区域的期望的能量和/或资源消耗，然后求和(223)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，对于各所述处理区域(Z1-Z4)，考虑到相应的介质温度、来自所述容器(2)的处理介质的至少一个热传递参数以及所述容器(2)的热容量来确定区域消耗和/或容器列消耗。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，以不超过TAT值、即温度超限时间和/或KP值、即致死温度和/或一个或多个PE值、巴氏灭菌单位的方式优化所述目标介质温度。
13.一种管式巴氏灭菌器(1)，其具有多个依次相继的处理区域(Z1-Z4)、用于将包装有产品的容器(2)传送通过所述处理区域(Z1-Z4)的输送装置(3)，
所述处理区域(Z1-Z4)适于利用具有不同实际介质温度的处理介质加热所述容器(2)，以对所述容器进行巴氏灭菌并优选地再次冷却，
控制单元(4)适于检测所述实际介质温度并将所述实际介质温度与目标介质温度进行比较，并基于所述比较来控制加热装置(H1、H2)和/或冷却装置(K3、K4)，
其特征在于，
控制单元(4)适于在所述容器(2)的处理期间，
根据所述处理区域(Z1-Z4)的实际介质温度形成(104a)用于优化(104)的初始值，并且
借助于用于确定期望的巴氏灭菌度的预测模型(210)利用所述优化(104)来确定所述目标介质温度，从而至少实现(104b)所述容器(2)的最低巴氏灭菌度。
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