CN1192724C - 减少起泡的预充碳酸气方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的方法降低了充(碳酸)气饮料在生产和瓶装时过度起泡的趋势，包括：(a)提供其中溶解有空气或氧气的水或水和糖浆的混合物，并且使所说混合物上面的压力保持为大于大气压；(b)用二氧化碳饱和所说的混合物，同时使其上的压力保持足以致使没有所说的溶解气体从中逸出，并且将所得的混合物送入步骤(c)；并且(c)从步骤(b)形成的混合物中除去溶解的氧气或空气，同时使另外的二氧化碳溶解在所说的混合物中，并且使所说混合物上面的压力保持为大于大气压。
Description
本发明涉及充(碳酸)气饮料的生产，所说的充(碳酸)气饮料是指可饮的充(碳酸)气的水本身以及还含有其它配料诸如风味剂的可饮的充(碳酸)气的水。更具体说，本发明涉及用于生产充(碳酸)气饮料方法和装置，当该饮料进行包装时可减少充碳酸气、饮料和容器的损失。
在实际的充碳酸气过程中，生产充碳酸气产品通常是将二氧化碳添加到水或例如糖浆-水混合物中，所说的水或混合物优选是冷却的。正常情况下，将二氧化碳在高压条件下溶解，以便使水饱和至平衡程度。在将产品灌装到容器中之后，将压力以受控速率降至一个大气压。一部分二氧化碳从溶液中释放出来，在液体表面的上面形成泡沫。在将产品封盖之后，通常会跑掉大部分的二氧化碳。
如果起泡过度，则必须要降低灌装和减压的速度，以避免溢出。然而，降低灌装和减压速度会降低生产速度。从而从本质上降低生产率。
另一方面，在灌装线中，高压下工作容易引起一些加压后的瓶子爆炸或变形。玻璃和塑料瓶子的爆裂和变形会给灌装增加明显的成本，如产品被浪费并且工厂遭受停工和更换破瓶子的额外支出。玻璃瓶子的爆裂还会危及工厂的工人。
因此，期望增加饮料的生产速度，同时不浪费诸如糖浆和苏打水的配料，并且同时不会有瓶子爆裂所带来的危险和成本。
通常来说，据信溶解的空气是造成过度起泡的主要因素之一。因此工厂中使用真空脱气步骤，在将水与任何其它配料混合之前和在充碳酸气之前，从水中除去溶解的空气。用来除去空气的设备称为除气机。真空通常由真空泵来提供。典型的除气机中包括一空腔，随着水流过施加703.07-3515.34公斤/平方米绝对压力(磅/平方英寸(psia))的真空。
遗憾的是，这种方法仅能有限地改善起泡问题。无法进一步减少起泡以及增加瓶装速度。在该方法中减压步骤过程中的二氧化碳损失也非常高。
曾尝试给糖浆脱气，如使用从充碳酸气器中放出的少量气体，但未成功。因为稠糖浆非常粘，要达到所需的除去溶解的空气，需要极大量体积的汽提气体。
本发明的一个方面是一种碳酸饮料的生产方法，使饮料降低不期望的起泡趋势，所说的方法包括：
(a)提供可饮的水(其可以预先与糖浆和其它配料混合)，该可饮水中溶解有氧气或空气，并且使其上的压力保持为大于大气压；
(b)用二氧化碳饱和所说的水，同时使其上的压力保持足够致使没有气体从中逸出，并且将所得的混合物送入步骤(c)，同时使其上的压力保持足够致使没有气体从中逸出；并且
(c)从步骤(b)形成的混合物中除去溶解的氧气或空气，同时使二氧化碳溶解在所说的混合物中并且使所说混合物的上面的压力保持为大于大气压。
优选，将从混合物中除去的溶解的氧气或空气从混合物中排掉，同时保持混合物上面的压力。然后从步骤(c)中回收充碳酸气的饮料并且密封包装。
本发明在实践中可提供很多意想不到的优点。例如，当灌装到瓶子和其它容器中时，可明显减少饮料的起泡。从而使灌装机器能够在较高速度下工作，由此获得较高的生产效率。此外，还能够使灌装机器在较低压力下工作，同时仍然能够实现低起泡程度和充分的饮料充碳酸气程度，由此减少二氧化碳的消耗。
本发明可以处理水和糖浆的混合物。″糖浆″是指可以与水结合而形成可饮饮料的任何产品。一般来说，糖浆是诸如风味剂、甜味剂和其它功能性添加剂的配料的混合物，并且可以(但不是必须)含有少量水。糖浆的组分可以是水溶性的或可水分散性的。
水应当是可饮的。在常规的实践中，其要通过操作人员处理使其安全和洁净。一般来说，进来的可饮水首先要经过处理以除去其中溶解的固形物和色素。然后灭菌和过滤。处理后的可饮水还可以经过脱气，以除去溶解的空气。该阶段中的水脱气技术为本领域所公知。
然后，将可饮的水冷却，如5-10℃，通过任何适宜的设备，例如连续制冷机。或者，可以在步骤(c)中所用的设备中将水冷却，其中从产品中除去空气或氧气接着充碳酸气。将水冷却可提高其中二氧化碳的溶解度。
在制造含糖浆的苏打水时，将糖浆计量到混合机中并且用水稀释，形成水和糖浆的混合物。糖浆与水之比例的选择取决于糖浆和操作者的喜好；典型比例的确定属于本领域技术人员的常规知识。糖浆和水的混合物中含有溶解在其中的氧气。一般来说，混合物中含有溶解在其中的空气，其自然含有氧气。然而，本说明书中说到溶解氧气，不应当局限地理解为溶解的气体只包括氧气。一般来说，每含一份空气中的溶解的氧气，混合物将含有1.5倍的氮气。这里使用氧气来代表溶解的气体，是因为溶解的氧气含量可用溶解氧测量仪来测定，而溶解的氮气却很难测定。
室温下，糖浆中可以含有10毫克/升(mg/L)数量级的氧气，而经过脱气的水中含有1mg/L数量级的氧气。因此，糖浆和水的20：80混合物将产生含有2.8mg/L数量级溶解氧和4.2mg/L数量级溶解氮的混合物。因而，水和糖浆的混合物一般含有最多3mg/L的氧或最多7mg/L的溶解气体。如果水没有预先脱气，则糖浆-水混合物中的溶解氧可能高达约10-12mg/L。
然后使水(或水-糖浆混合物)处于大于一个大气压的压力下，优选大于4×105帕的压力，优选使其处于从水和糖浆合并阶段中泵抽时的管线压力下。然后，用二氧化碳饱和，以便其所含的二氧化碳在大气压力下呈过饱和程度。二氧化碳的含量一般为至少1.0v/v(每体积液体的气体体积)，优选至少3.5v/v。优选，让水流经诸如二氧化碳注射器的设备，在其中添加二氧化碳。这些设备能够产生极有利于气-液界面物质转移的细气体泡。从这个二氧化碳添加阶段中流出的两相混合物仍处于管线压力下。从而使二氧化碳非常快地溶解在液体中。
除二氧化碳注射器(US专利4,743,405)外，还可以使用其它类型的二氧化碳溶解设备作为预充碳酸气器。可以使用其它流水线(in-line)气体溶解设备，如Praxair公司开发的超声混合器(如U.S专利5,061,406)。本申请优选使用这些流水线气体溶解设备，因为它们能够产生二氧化碳的超细气泡，其能够在短停留时间内溶解。
这两种设备中具有文丘里锥管，在此处液体和二氧化碳被加速至高速通过文丘里喉管。压头或势能转化成动能。对两相混合物来说，声速小于15.24米/秒(ft/sec)。因此，两相混合物的速度可以超过声速，或呈超声两相流动状态。当从文丘里喉管中出来时，速度降低并且形成强的冲击波。这种冲击波使气泡破碎成非常微小的泡。在膨胀锥形区，动能回转化成势能和压头。
管线内的压头可使二氧化碳完全溶解而没有剩余的二氧化碳气泡。这是重要的，因为没有平衡二氧化碳气泡的两相流动会妨碍随后的汽提器/充碳酸气装置的操作。
不优选逆流气体溶解设备。尽管逆流气体溶解设备是一种有效的设备，但必须要排出过量的二氧化碳。在塔的底部压力失去并且需要一单独的泵来产生液压和升速。当达到管压的时候，液体不再具有与高压溶解时相同的平衡浓度。这样将不能完全实现的本发明的益处。
在被二氧化碳饱和后，要维持充碳酸气液体上面的压力。压力应当至少足够高至没有氧气(空气)或其它气体逸出。优选，该压力至少等于用二氧化碳饱和之前的液体上面的压力，并且这样也是方便的。在二氧化碳饱和阶段和随后阶段(其中允许氧气(空气)逸出)之间保持高压并且不使压力损失是关键，因为此刻压力的任何一点减少都将引起液体起泡。起泡将会阻止此过程的操作或严重影响二氧化碳可以添加的量。
接下来，将适当混合的充碳酸气液体送入除空气阶段，在此阶段中允许氧气(空气)从混合物中逸出，同时使更多的二氧化碳溶解在液体中，始终保持液体上面气体空间中的压力。此阶段使用的可用作空气去除装置的适宜设备是内部设有托盘和挡板以增加气-液接触时间的转筒。糖浆中或水中的微量溶解氧或空气被从液体中汽提出来。
在此阶段，有少量二氧化碳进一步溶解到液体中，优选达到此阶段所存在的条件下的二氧化碳最大溶解度。然后，从装置中取出经汽提和被完全充碳酸气的产品。从此阶段排出的产品中的溶解气体总量(二氧化碳除外)为小于1毫克/升的溶解氧或小于2.5毫克/升的溶解空气，并且经常是小于0.01毫克/升的溶解氧或小于0.02 5毫克/升的溶解空气。
此阶段中，液体混合物上面的压力应当为表压至少1×105帕并且优选表压至少3×105帕。当维持在此压力下时，溶解氧(空气)被除去。通过使用压力调节器或维持装置顶部上的小换气器，使从产品中汽提出的氧气(空气)从系统中除去。由于该装置一般为逆流设备，所以换气速率可能非常小，即使是要除去大量的空气。换气要在压力的条件下完成是重要的。如果装置内的压力减少得太多，可能会除去更多的溶解空气但溶解的二氧化碳的量也减少，导致产生充碳酸气不足的平淡味道的产品。此外，在太低的压力下，装置内会出现起泡，造成产品损失。
由于经汽提并完全充碳酸气的饮料中所含的起有助起泡催化剂作用的溶解空气非常少量，因而其起泡并且溢出的趋势大大降低。从而可减少原材料的损失和避免瓶装和罐装时灌装量的变化。
此外，按此方式生产的不合溶解空气的碳酸饮料，其脱碳酸气的速率比其它方式制作的含较高量溶解空气的饮料缓慢。因此，可以使用较低的灌装压力，同时可使封盖后瓶子或罐中溶解二氧化碳的量相同。降低灌装压力可带来灌装期间较少二氧化碳损失的优点。通过简单地将压力降低至较低压力，而不用在较高压力下操作，便可实现之。例如，将405.3千帕(4.0Kg/cm2)的压力降低至303.98千帕(3.0Kg/cm2)可以节省10-15％的二氧化碳。压力的降低还可以减少灌装期间瓶子爆裂或变形的数量，由此提高安全性和节省原材料和瓶子。
本领域技术人员会认为本发明中的两步骤顺序不是经济的方法，因为两步法总比一步法使用更多的二氧化碳。人们通常要选择改进充碳酸气器性能的另一种方式。然而，出人意料地发现，本发明中的两步骤方法确实能够达到使用较少的二氧化碳，因为灌装机现在可以在减少二氧化碳损失的前提下进行操作。
实施例1
在本实施例中，根据本发明的方法生产苏打水。目的是达到5℃下的3.8v/v充碳酸气程度，同时减少起泡和改进生产率。使用二氧化碳注射器。氧气/空气去除阶段使用″Carbocooler″(Mo jonnier)OA-9317，其释压设定为大于苏打水灌装压力，但小于二氧化碳供给压力。该设备可提供气体/液体逆流接触并且装有很多冷却板。液体呈瀑布状落到冷却板，同时气体在液体表面流过。
结果表明通过在注射器中添加二氧化碳，使糖浆-水混合物保持在管线压力下，并且之后从系统中仅放出溶解氧(空气)，系统能够使CO2的总损失率减少12％。通过在较低压力下灌装可使灌装机在瓶子爆炸发生率减少83％的情况下运行。
在管线压力下充碳酸气可使压力从常规的455.96千帕(4.5Kg/cm2)降低至202.65千帕(2Kg/cm2)(表压)。这些数据说明，在注射器阶段CO2溶解了约3.4v/v。灌装压力的降低使操作性能得到本质上的改进。
详细的试验结果示于以下的表中。
表1中，二氧化碳损失是指空气去除阶段随空气排放而逸出的二氧化碳的量、正常的操作时偶然的损失以及在密封瓶子之前的灌装过程中压力下降循环期间的损失。所用的二氧化碳总量和苏打水瓶中实际剩余的量之间是不同的。
表1苏打水生产过程中CO2的月损失
| CO2损失(％) | ||
| 常规 | 本发明 | |
| 第1月 | 48 | 35 |
| 第2月 | 50 | 37 |
| 第3月 | 44 | 31 |
表2显示了爆炸的玻璃瓶子量的减少。除减少停机次数外，本发明实现了本质上的节约，因为每爆裂一个瓶子，其附近的9个其它瓶子也必需废弃。
表2
| 玻璃瓶子尺寸 | 常规 | 本发明 |
| 1升 | 12 | 1 |
| 290毫升 | 30 | 6 |
在将瓶子密封之前，瓶子会短时间暴置在大气中。在此过程中，瓶子顶部空间内的压力被泄放，造成CO2损失。在较高压力下，此步骤中泄放的CO2肯定比较低灌装压力下泄放的多。
在将苏打水灌装到瓶子中之后，二氧化碳需要一段时间才从溶液中逸出。随着起泡量减少，灌装和密封速度可以加快。从而减少了二氧化碳损失到大气中的量和此期间所必需的二氧化碳的量。
表3显示了一个典型灌装机由于起泡较少、操作更稳定且停机较少而生产率增加。生产率增加了15％。
表3生产线生产率：
每小时灌装苏打水瓶子的情况
| 常规 | 本发明 |
| 1,310 | 1,511 |
实施例2：由于起泡性降低而使生产线速度增加：葡萄味苏打水
PET 2L
本实施例表明了通过降低高起泡产品中的起泡性可以使生产线速度提高多少。葡萄味苏打水是最难瓶装的一种产品。葡萄香精是可引起比正常更高起泡性的一种表面活性剂。结果，生产线在低于设计速度下运行，18,000瓶/小时对22,000瓶/小时设计速度。生产线速度降低的原因是给瓶子提供更多的时间控制排放，以便在密封前泡沫能够沉降下来。
下表4中包括这些试验的结果。从表中可以看出，在此试验过程中，生产线速度从18,000 2L瓶/小时增加到21,500 2L瓶/小时，提高了将近20％。
实施例3：应用和原料使用中的降低：可乐PET 2L
这些试验的结果包括在表4中。在这些试验中，本发明允许灌装压力表压从6×105帕降低至3.8×105帕。将这些试验设计成为测定起泡性减少了多少，因此使生产速度保持恒定，因为正常情况下生产线速度的增加可增加起泡。然而，发现生产线速度可以增加而起泡性不增加。当降低生产线压力时，泵的液体流量增加了7％，并且每小时生产的升数实际上超过了氧气/空气排放阶段所用设备的设计规定(49,000对48,000升/小时)。这是一个额外有用的和意想不到的益处。
监测使用本发明方法和使用常规方法系统中一周内糖浆的损失情况。通过使用本发明方法糖浆的损失将近缩减了一半。
在这些试验的大致相同时期，在此工厂的大约50％生产线上应用本发明。监测这些试验过程中的全工厂的CO2使用情况，结果也示于表4中。数据说明CO2损失减少了将近1/3(从需要大于最终产品中存在量70％的附加CO2至仅需要45％的附加CO2)。
表4
在生产厂的生产试险
(实施例2中二氧化碳的注射量为1.8-2v/v CO2；实施例3中二氧化碳的注射量为2-2.5v/v CO2)
| 实施例2 | 实施例3 | |||
| 产品 | 葡萄味苏打水 | 可乐 | ||
| 空气去除阶段：装置 | Paramix(KHS) | Paramix | ||
| 空气去除装置流通量(升/小时) | 44,000 | 48,000 | ||
| CO2含量规定 | 3.5 | 4.2 | ||
| 常规 | 本发明 | 常规 | 本发明 | |
| 空气去除装置温度(℃) | 4 | 4 | 4 | 4 |
| 空气去除装置压力(帕表压) | 4.5×105 | 2.5×105 | 6×105 | 3.8×105 |
| 平均生产2升PET瓶/小时 | 180000 | 215000 | 2300 | 24500 |
| 糖浆损失率(升/天) | 未测定 | 未测定 | 500 | 250 |
| 全工厂的平均CO2使用量，理论值的％(1个月) | 170％ | 145％ | ||
实施例4：使用流水线(in-line)二氧化碳注射以减少橘味苏打
水(2901玻璃瓶)工厂生产中的溶解空气
本实施例中，测试本发明对溶解空气的作用。测定使用本发明方法获得的和使用常规方法获得的溶解氧，结果汇总于表5中：
表5溶解氧比较
| 实施例4 | ||
| 产品 | 橘味苏打水，290ml玻璃瓶 | |
| 空气去除装置：类型 | Carbocooler Mojonnier OA-9317 | |
| 空气去除装置的流通量(瓶/小时) | 22,000 | |
| CO2含量规定 | 3.0 | |
| 常规 | 本发明 | |
| 空气去除装置温度(℃) | 4 | 4 |
| 空气去除装置压力(帕表压) | 5.5×105 | 2×105 |
| 预充碳酸气含量(v/v) | 0 | 1.7 |
| 测定的总充碳酸气含量(v/v) | 2.8 | 2.8 |
| 经空气去除装置之后的溶解氧(ppb) | 170 | 20 |
此过程在除气机中于水与糖浆混合之前向水中添加了少量的CO2，以便在注射前存在少量的CO2(~0.7v/v CO2)。在脱气处理的水中和糖浆中测定溶解氧，由此可知糖浆与水的进料比，测得进入空气去除装置的溶解氧为100-200ppb。通过测定脱气处理水中和糖浆中的溶解氧，估计入口溶解氧。
因此，通过常规常规处理，溶解氧仅有较小的减少。然而，包括流水线二氧化碳注射的本发明使溶解氧的减少达到80-90％。在此试验之前，人们认为空气去除装置中的压力应当低于饱和压力，以便可基本上除去溶解的空气，而CO2应当从溶液中出来。然而，这些试验表明在空气去除装置中，CO2进入溶液。除此之外，溶解氧(并且通过合理扩展到溶解空气)也被减少。
Claims (10)
1.一种充碳酸气饮料的生产方法，该饮料被降低了不期望的起泡趋势，所说的方法包括：
(a)提供含有溶解有2.5毫克/升至7毫克/升的空气或1毫克/升至12毫克/升的氧气的水，并且使所说水上面的压力保持为大于大气压；
(b)在水中加入二氧化碳以使二氧化碳的含量为每体积的水至少1.0体积的二氧化碳，同时使其上的压力保持足够致使没有气体从中逸出，并且将所得的水送入步骤(c)，同时使其上的压力保持足够致使没有气体从中逸出；并且
(c)将从步骤(b)形成的水加入空气去除装置中以除去溶解的空气或氧气，同时使另外的二氧化碳溶解在所说的水中，并且使所说水上面的气体空间保持为具有大于大气压的压力。
2.权利要求1的方法，其中将从水中除去的溶解的氧气或空气从水中排掉，同时保持水上面的压力。
3.权利要求1的方法，其中步骤(c)中所说的气体空间含有二氧化碳。
4.权利要求1的方法，其中步骤(a)中提供的水含有溶解在其中的空气，并且在步骤(c)中从中除去空气。
5.权利要求1的方法，其中当送入步骤(c)时将水上面的压力保持为至少等于步骤(b)之前的液体上面的压力。
6.一种充碳酸气饮料的生产方法，该饮料被降低了不期望的起泡趋势，所说的方法包括：
(a)提供水和糖浆的混合物，该混合物含有溶解在其中的2.5毫克/升至7毫克/升的空气或1毫克/升至12毫克/升的氧气，并且使所说混合物上面的压力保持为大于大气压；
(b)在混合物中加入二氧化碳以使二氧化碳的含量为每体积的水至少1.0体积的二氧化碳，同时使其上的压力保持足够致使没有所说的溶解气体从中逸出，并且将所得的混合物送入步骤(c)，而不使其上压力降低至溶解气体从中逸出的程度；并且
(c)将从步骤(b)形成的混合物加入空气去除装置中以除去溶解的空气或氧气，同时使二氧化碳溶解在所说的混合物中，并且使所说混合物上面的压力保持为大于大气压。
7.权利要求6的方法，其中将从混合物中除去的溶解的氧气或空气从混合物中排掉，同时保持混合物上面的压力。
8.权利要求6的方法，其中步骤(c)中所说的气体空间含有二氧化碳。
9.权利要求6的方法，其中步骤(a)中提供的混合物含有溶解在其中的空气，并且在步骤(c)中从中除去空气。
10.权利要求6的方法，其中当送入步骤(c)时将混合物上面的压力保持为至少等于步骤(b)之前的液体上面的压力。
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