CN112919711A - 用于生产和提供无菌水的装置以及操作该装置的方法 - Google Patents

用于生产和提供无菌水的装置以及操作该装置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于生产和提供无菌水的装置及其操作方法。该装置包括工艺用水的入口；通过逆流流动的无菌水预热工艺用水并冷却无菌水的换热器；换热器下游的加热回路，包括泵、加热预热的工艺用水的加热器和保持加热的工艺用水的热度的热保持部，以生产无菌水；温度传感器，用于测量离开热保持部的无菌水的当前温度；温度传感器下游的流量控制阀；设在流量控制阀和加热器之间的旁路。流量控制阀配置为保持加热回路中的体积流量恒定，换热器配置为当从加热回路抽取第一部分体积流量的无菌水时，冷却第一部分体积流量的无菌水，旁路配置为将第二部分体积流量的无菌水返回至加热回路中，第二部分体积流量对应于体积流量和第一部分体积流量的差值。

Description

用于生产和提供无菌水的装置以及操作该装置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于生产和提供无菌水的装置以及操作该装置的方法。
背景技术
为了操作满足无菌要求的设备，可能需要无菌水。这种无菌水用于清洗设备部件、清洗包装材料、保持潮湿状态或用于冷却。例如在无菌灌装机中，灌装机在更换等级(gradechange)时的内部清洁、灌装过程后的线程清洁(thread cleansing)、瓶子运行(bottlerun)中的部件或容器的润滑以及灌装产品罐在灭菌后的冷却。
无菌水是通过无菌水超高温处理(UHT)生产的，在超高温处理中，最初的非无菌水被加热并保持恒热一限定时间。因此，水经历巴氏灭菌，将达到最低温度和热保持时间的水定义为无菌水。
在现有技术中，回路中的水以额定/标称体积流量进行巴氏灭菌，然后通过换热和冷却阶段冷却至正常温度或工作温度。水可以从这里分流至消耗器(consumer)。如果从系统中抽取的水少于标称体积流量，则相应的水将返回循环系统并重新加热。
该过程会导致能量损失，这种能量损失发生在待机或部分负荷运行中。该能量损失是由换热效率造成的，在技术实践中，换热效率约为90％。一方面，这种损失必须通过向换热后仍未灭菌的水中输入能量来补偿。另一方面，换热的无菌水必须被额外冷却到相同程度。这意味着所有未使用的水将被连续加热至换热损耗的程度，然后再次冷却至相同程度。这是技术上可以避免的能量损失。
美国专利US4416194公开了一种用于软饮的制备系统。饮料通过管道被引导至热回收发生器并通过热回收发生器，在该过程中，饮料从已经被巴氏灭菌的逆流引导的饮料中吸收热量。预热的饮料被引导至主饮料加热器并通过主饮料加热器，在该过程中，预热的饮料从逆流传导的热液体中吸收热量，并被引导通过热保持部以被巴氏灭菌。然后将经过巴氏灭菌的饮料传送至热回收发生器，并从热回收发生器进入冷却和碳酸化装置。在热保持部的端部设有第一温度传感器，以检查饮料的温度是否足够高。如果饮料的温度不够高，则产品将通过一个分流阀被引导回主饮料加热器。此外，在热保持部的端部设有第二温度传感器，以检查饮料的温度是否过高。如果饮料的温度过高，则可以将冷液体加入至热液体中，以使得产品在接下来的循环中不会被过度加热。
德国专利DE69311389T2公开了一种用于对液体产品进行热处理的方法和装置。该装置包括供给罐，该供给罐通过蓄热器的主管道依次连接到泵、巴氏灭菌器、温度保持元件和多路阀，它们通过管道串联连接。多路阀在第一位置连接至位于巴氏灭菌器上游的蓄热器的次级管道，在第二位置连接至泵入口。另外，还设置了产品供给泵，该产品供给泵紧邻供给罐的下游。此外，该装置在多路阀的第一位置和第二位置都包括用于保持蓄热器的次级管道和主管道之间的正压差的工具。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于生产和提供无菌水的装置以及操作该装置的方法，其使得以节能和可靠的方式生产和提供无菌水。
根据本发明的用于生产和提供无菌水的装置包括：工艺用水的入口；位于所述入口下游的换热器，所述换热器用于通过逆流流动的无菌水预热工艺用水以及用于通过逆流流动的所述工艺用水冷却所述无菌水；加热回路，所述加热回路位于所述换热器的下游，所述加热回路包括泵、用于加热预热的工艺用水的加热器和热保持部，所述热保持部用于将加热后的工艺用水在预定温度下保持热度一预定时间，从而生产无菌水。所述装置还包括：温度传感器，所述温度传感器位于所述热保持部下游，其用于测量离开所述热保持部的所述无菌水的当前温度；以及流量控制阀，所述流量控制阀位于所述温度传感器下游；旁路，所述旁路设置在所述流量控制阀和所述加热器之间。所述流量控制阀被配置为用于保持所述加热回路中的体积流量恒定，所述换热器被配置为当从所述加热回路中抽取第一部分体积流量的无菌水时，冷却第一部分体积流量的无菌水，所述旁路被配置为将第二部分体积流量的无菌水返回至所述加热回路中，所述第二部分体积流量对应于所述体积流量与所述第一部分体积流量之间的差值。
所述工艺用水可以是非无菌水。所述工艺用水也可以包括一定量的无菌水。所述工艺用水可以通过灭菌转化为无菌水。工艺用水可以以与消耗的无菌水量相对应的量被供给至所述装置。例如，所述工艺用水可以以10℃至35℃之间的温度和高达15m3/h的体积流量被供给。
所述加热回路可以以体积流量(也称为标称体积流量)运行。所述加热回路中的所述体积流量可以为7.5m3/h至15m3/h。
工艺用水可以被供给至所述加热回路中，其供给量可以与例如由一个或多个消耗器从所述加热回路抽取的无菌水的量相同。
所述热保持部的长度可以为25m，并且在156℃的最高工艺用水温度下，所述热保持部中的压力可以为5巴。预定时间可以为2分钟。
如果有无菌水抽出，则在所述流量控制阀的下游的常压可以是3.5巴；如果不抽出无菌水，则在所述流量控制阀的下游的常压可以是4.0巴，并且所述无菌水的温度可以为135℃。如果有无菌水抽出，则所述流量控制阀的Kv值可以为12，如果没有无菌水抽出，则所述流量控制阀的Kv值可以为7.5。
当无菌水离开所述换热器时，例如第一部分体积流量的无菌水，其温度可以为40℃。
无需为所述装置中的所述无菌水设置缓冲罐。
由于设置了所述旁路，并且所述加热回路没有换热阶段或冷却阶段，如果第一部分体积流量的无菌水被抽出，则只有第一部分体积流量的所述无菌水将被换热，剩余的无菌水即所述第二部分体积流量的所述无菌水将通过所述旁路返回至所述加热回路。因此，将避免所述第二部分体积流量的所述无菌水不必要地冷却。
另外，该装置可以包括位于所述换热器下游的冷却器，所述冷却器用于冷却例如由一个或多个消耗器抽出的所述无菌水。为了在生产碳酸产品时冷却罐装罐，通过所述冷却器进一步冷却所述无菌水可能是必要的。所述冷却器下游的常压可以为3.5巴。
此外，所述装置可包括一个或多个消耗器，用于消耗冷却了的无菌水。所述无菌水可能已经通过所述换热器或通过所述换热器和所述冷却器进行了冷却。无菌水也可以仅提供给所述消耗器或多个消耗器，例如所述消耗器或多个消耗器不是所述装置的一部分。
例如，所述无菌水可用于清洗高度可调的引导处理部的螺纹(threads)，例如欧洲专利申请EP2700613A1中所公开的，用于清洗罐装罐，例如在产品更换期间和/或在热CIP(Clean In Place，原位清洗)之后，用于冲洗和冷却温热/热的设备部件，例如灌装设备和/或巴氏灭菌设备的温热/热的部件，用于清洗饮料瓶装设备的灌装机和/或用于无菌罐装缓冲罐。无菌水的其他用途也是可能的。
此外，所述装置可以包括位于所述一个或多个消耗器的下游的管线，并且所述管线适于打开以进行管线消毒。
可以在所述管线中设置末端蒸汽屏障。直到所述持压阀，所述压力可以是3.5巴。
在所述泵的下游和所述加热器的上游可以设置溢流阀。在140℃的最高工艺用水温度下，所述溢流阀下游的压力可以是3巴。可以通过所述溢流阀两端的压差来监控无菌极限。所述压差可以是0.5巴。
所述旁路中可以设置持压阀。所述旁路的所述持压阀两端可以设置0.5巴的压差。
此外，所述加热回路可以包括除气膨胀容器(degassing and expansionvessel)。所述除气膨胀容器内的压力可以是3巴。
上文或下文所述的操作装置的方法包括以下步骤:
通过所述装置的入口将工艺用水供给至所述装置，
在所述装置的换热器中，通过逆流流动的无菌水预热所述工艺用水，
在所述装置的加热器中加热所述预热的工艺用水，
在所述装置的热保持部中，将所述加热的工艺用水在预定温度下保持热度一预定时间，从而生产无菌水，
通过所述装置的流量控制阀控制所述装置的加热回路中的恒定体积流量，以保持所述加热回路中的热保持时间恒定，
在所述换热器中，第一次冷却取自所述加热回路的第一部分体积流量的无菌水，
通过所述装置的旁路，将第二部分体积流量的无菌水返回至所述加热回路中，所述第二部分体积流量对应于所述体积流量与所述第一部分体积流量之间的差值。
该方法还可以包括在所述装置的冷却器中第二次冷却所述无菌水的步骤。
该方法还可以包括将所述冷却的无菌水引导至一个或多个消耗器的步骤。所述冷却的无菌水可能已经通过第一冷却步骤或通过第一冷却步骤和第二冷却步骤被冷却。
持压阀的两端可以提供0.5巴的压差。
如果有无菌水抽出，则在所述流量控制阀的下游可以提供3.5巴的压力；如果没有无菌水抽出，则在所述流量控制阀的下游可以提供4.0巴的压力。
附图说明
本发明的其他优点和特征由以下的实施例以及附图得出，其中：
图1示出了用于生产无菌水的装置的示意图，
图2示出了操作用于生产和提供无菌水的装置的方法流程图。
具体实施方式
图1示出了用于生产无菌水的装置1的示意图，该装置1的元件在该图中的虚线区域示出。消耗器12不需要包括在装置1中，但是可选地，消耗器12也可以包括在装置1中。通过第一入口2，工艺用水可以被供给至包括减压阀22的管线中，并且该工艺用水通过该管线可以被引入并通过换热器3。例如，工艺用水可以以10℃至35℃之间的温度和高达15m3/h的体积流量被供给。在换热器3中，工艺用水可以通过逆流流动的热无菌水被预热。预热的工艺用水可以由泵4从换热器3中泵送通过加热回路(heating circuit)，以便在加热回路中进行灭菌。该加热回路中的标称体积流量可以为7.5m3/h至15m3/h。
预热的工艺用水可以经过除气膨胀容器18和/或通过除气膨胀容器18被引入泵4并通过泵4，并被引入并通过加热器6。除气膨胀容器18中的常压可以是3巴的压力。溢流阀21可以设置在泵4的下游和加热器6的上游。在140℃的最高工艺用水温度下，溢流阀21下游的压力可以是3巴。可以通过溢流阀21两端的压差来监控无菌极限。压差可以是0.5巴。
在加热器6中，预热的工艺用水可以与蒸汽逆流加热。在加热器6的下游，加热的工艺用水可以被引入并通过热保持部7，在热保持部7中，加热的工艺用水可以以预定温度保持一预定时间，以便最终被灭菌。热保持部7的长度可以为25m，并且在156℃的最高工艺用水温度下，该热保持部7中的压力可以为5巴。预定时间可以为2分钟。
在热保持部7的下游布置有温度传感器8，该温度传感器8用于测量热保持部7下游的无菌水的当前温度。
可选地，可以确定当前温度是否满足要求，例如当前温度是否对应于预定温度和/或处于预定温度范围内。如果是的话，可以认为已在该加热回路中生产了无菌水。
例如，如果一个或多个消耗器需要无菌水，则可以从位于流量控制阀9下游的无菌水系统中抽出所需的部分体积流量。这样，无菌水通过第一入口20被引导通过换热器3，在换热器3中该无菌水被冷却。如果不需要无菌水，则该无菌水将通过旁路10经由持压阀5返回至并通过加热器6。
如果有无菌水抽出，则在流量控制阀9的下游的常压可以是3.5巴，如果没有无菌水抽出，则在流量控制阀9的下游的常压可以是4.0巴，并且无菌水的温度可以为135℃。如果有无菌水抽出，则流量控制阀9的Kv值为12，如果没有无菌水抽出，则流量控制阀9的Kv值为7.5。
当无菌水离开换热器3时，无菌水的温度可以为40℃，并且该无菌水被引入并通过冷却器11，在冷却器11中，无菌水可以通过逆流流动的冰水或其它种类的冷却水，例如冷却塔水，被进一步冷却。为了在生产碳酸产品时冷却罐装罐，通过冷却器11冷却无菌水可能是必要的。可选地，无菌水也可以通过冷却器11而不被冷却。冷却器11下游的常压可以是3.5巴的压力，并且无菌水可以被供给至一个或多个消耗器12以供使用。
不需要的无菌水，例如没有供给至任何消耗器的无菌水，可以通过旁路10经由持压阀5和加热器6被导回。与消耗器12所消耗的无菌水的量相同的工艺用水可以被供给至加热回路中，以生产并提供新的无菌水。
在一个或多个消耗器12之后的管线13的下游，设置蒸汽屏障23，该蒸汽屏障23包括阀24、沟渠阀(gully valve)25和提升阀26。
用于加热器6的蒸汽可以通过第二入口14供给，例如以9巴的压力，并被引入并通过加热器6。在加热器6中，蒸汽可以将热量释放给逆流的预热的工艺用水。冷凝的蒸汽可以作为冷凝物通过第一出口15排出，例如以低于2巴的压力。
用于冷却器11的冰水或其他种类的冷却水，例如冷却塔水，可以通过第三入口16被供给，并被引入并通过冷却器11。例如，冰水或其他种类的冷却水，例如冷却塔水，可以具有低于5℃的温度以及25m3/h的速率。在冷却器11中，冰水或其他种类的冷却水，例如冷却塔水，可以从逆流的加热的无菌水中吸收热量。在冷却器11中加热的冰水或其他种类的冷却水，例如冷却塔水，可以经由第二出口17排出。
图2示出了操作用于生产及提供无菌水的装置的方法流程图。
在步骤100中，工艺用水被供给至装置。
随后，在步骤101中，工艺用水在换热器中被预热。
然后，在步骤102中，预热的工艺用水在加热器中被加热。
之后，在步骤103中，在热保持部中，将加热的工艺用水在预定温度下保持热度一预定时间。这样，可以生产出无菌水。
在步骤104中，通过装置的流量控制阀控制装置的加热回路中的恒定体积流量，以保持加热回路中的热保持时间(heat holding time)恒定。加热回路中恒定体积流量的控制可以在操作用于生产无菌水的装置的整个过程中进行。
在步骤105中，取自加热回路中的第一部分体积流量的无菌水在换热器中被第一次冷却。该步骤105可以在生产出无菌水之后并且例如当一个消耗器/多个消耗器从加热回路中抽取第一部分体积流量时进行。
在步骤106中，通过装置的旁路，将第二部分体积流量的无菌水返回至加热回路中，该第二部分体积流量对应于体积流量与第一部分体积流量之间的差值。
可选地，在步骤107中，在第一次冷却之后，在冷却器中，可以第二次冷却第一部分体积流量的无菌水。
在步骤108中，在第一次冷却之后或在第一次冷却和第二次冷却之后，将冷却的无菌水引导至一个或多个消耗器。

Claims (13)

1.一种用于生产和提供无菌水的装置(1)，包括：
工艺用水的入口(2)，
换热器(3)，位于所述入口(2)下游，所述换热器(3)用于通过逆流流动的无菌水预热工艺用水，并用于通过逆流流动的所述工艺用水冷却所述无菌水，
加热回路，位于所述换热器(3)下游，所述加热回路包括泵(4)、用于加热预热的工艺用水的加热器(6)和热保持部(7)，所述热保持部(7)用于将加热后的工艺用水在预定温度下保持热度预定时间，以生产无菌水，
温度传感器(8)，位于所述热保持部(7)下游，所述温度传感器(8)用于测量离开所述热保持部(7)的所述无菌水的当前温度，
流量控制阀(9)，位于所述温度传感器(8)下游，
旁路(10)，设置于所述流量控制阀(9)和所述加热器(6)之间，
其中，所述流量控制阀(9)被配置为使所述加热回路中的体积流量保持恒定，所述换热器(3)被配置为当从所述加热回路中抽取第一部分体积流量的无菌水时，冷却所述第一部分体积流量的所述无菌水，所述旁路(10)被配置为将第二部分体积流量的无菌水返回至所述加热回路中，所述第二部分体积流量对应于所述体积流量与所述第一部分体积流量之间的差值。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括冷却器(11)，所述冷却器(11)位于所述换热器(3)的下游，并且所述冷却器(11)用于进一步冷却无菌水。
3.根据权利要求1或2所述的装置，还包括一个或多个消耗器(12)，所述一个或多个消耗器(12)用于消耗冷却的无菌水。
4.根据权利要求3所述的装置，还包括管线(13)，所述管线(13)位于所述一个或多个消耗器(12)的下游，所述管线(13)适于打开以进行管线消毒。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，在所述管线(13)中设置有末端蒸汽屏障(23)。
6.根据权利要求1至5之一所述的装置，其中，溢流阀(21)位于所述泵(4)的下游并且位于所述加热器(6)的上游。
7.根据权利要求1至6之一所述的装置，其中，在所述旁路(10)内设置有持压阀(5)。
8.根据权利要求1至7之一所述的装置，其中，所述加热回路还包括除气膨胀容器(18)。
9.一种操作根据权利要求1至8之一所述装置(1)的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
通过所述装置(1)的入口(2)将工艺用水供给(100)至所述装置(1)，
在所述装置(1)的换热器(3)中，通过逆流流动的无菌水预热(101)所述工艺用水，
在所述装置(1)的加热器(6)中加热(102)所述预热的工艺用水，
在所述装置(1)的热保持部(7)中，将所述加热的工艺用水在预定温度下保持(103)热度预定时间，
通过所述装置(1)的流量控制阀(9)控制(104)所述装置(1)的加热回路中的恒定体积流量，以保持所述加热回路中的热保持时间恒定，
在所述换热器(3)中，第一次冷却(105)取自所述加热回路的第一部分体积流量的无菌水，
通过所述装置(1)的旁路(10)，将第二部分体积流量的无菌水返回(106)至所述加热回路中，所述第二部分体积流量对应于所述体积流量与所述第一部分体积流量之间的差值。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：
在所述装置(1)的冷却器(11)中冷却(107)所述无菌水。
11.根据权利要求9或10所述的方法，还包括以下步骤：
将所述冷却的无菌水引导(108)至一个或多个消耗器(12)。
12.根据权利要求9至11之一所述的方法，其中，在所述旁路(10)内设置的持压阀(5)的两端提供0.5巴的压差。
13.根据权利要求9至12之一所述的方法，其中，如果有无菌水抽出，则在所述流量控制阀(9)的下游提供3.5巴的压力，或者，如果没有无菌水抽出，则在所述流量控制阀(9)的下游提供4.0巴的压力。
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