彭云花
河北省衡水市卫生健康委员会综合监督执法局 河北省衡水市053000
摘要：为了提高超高压设备的稳定性和处理效率，促进超高压技术应用于食品加工，该文阐述了HHP-700-400L型食品工程用大型超高压设备的工作原理、设计要求、主体结构和工作过程，分析并确定了双向水介质增压器、直推式容器堵头及其密封系统、承压容器材料和结构等相关参数。设备单体容积为100L，总容积为400L:最高工作压力为600MPa;处理能力达到1.68t/h。经性能试验表明:设备性能稳定、操作方便、安全可靠。研究结果为大型商业化超高压设备的设计和制造提供参考。
关键词：食品加工；稳定性；性能；密封系统；超高压；
一、超高压食品加工设备简介
当前市场中超高压食品加工设备主要有高压系统和加压-卸压系统组成。加压-卸压系统在工作时为高压系统提供传压介质的升压、降压服务。高压系统的灭菌缸是整个设备的核心工作部分。灭菌缸的工作压力一般在150~600MPa,部分灭菌缸的最高工作压力可达1000MPa。巨大压力致使灭菌缸工作环境恶劣，进而导致灭菌缸筒体应力分布复杂。不仅如此，频繁加压-卸压的工作过程使得灭菌缸还承受循环载荷。因此，对超高压食品加工设备的灭菌缸从材料选择到结构设计要求都非常严格，成为超高压食品加工设备研究与开发的重要一环。另外，超高压食品加工设备密封结构也是影响整个超高压设备正常工作的重要因素，其密封好坏直接影响整个超高压设备的整体性能。根据超高压食品的加工特点，超高压食品加工设备的密封结构还应具有开关频繁、密封性好、拆装简单、容易维护等特点。
二、设计与性能试验
1.设计要求
食品工程用超高压设备的处理量和处理效率必须满足工业化食品加工的要求。具体需要解决的关键问题有∶提高增压器的工作效率，提升设备的升压速度;改善高压下设备的密封性，并实现系统中的液压油和水介质的有效隔离;提高设备在增压前的充水速度，进一步缩短单批物料的处理时间;选择合适的材料，设计安全可靠的承压容器。本文设计的食品工程用超高压设备要求单体容积达到100L，总容积达到400L;最高工作压力为600MPa;设备的处理能力达到1.5th以上。
2.结构原理
如图1所示，设备主要由超高压承压系统、液压系统和水介质系统组成。承压系统是设备处理物料的场所，包括承压框架、容器支架、容器体、容器堵头和堵头密封等装置。液压系统负责高静压的产生和设备部件的机械移动，主要包括水介质增压器、油泵、油箱、换向阀、卸压阀等部件。水介质系统指传压介质水的整个循环路径，主要包括高压水泵组、排水泵、水箱、单向阀、压力传感器等部件。水介质直接接触食品，各级密封必须确保水介质与液压油完全分开。设备总体结构原理是∶在主油泵的驱动下，利用增压器使泵入的水介质的压力上升，再通过单向阀将高压水注入承压容器，使容器内的水介质形成高静压环境。水介质和物料在高压状态保持一段时间后卸压，利用极端压力的物理作用杀灭食品中微生物或改变食品的特性。
3.主体结构
HHP-700-400L型食品工程用大型超高压设备采用双容器移动式结构，该结构的优势在于容器堵头、高压管路、卸压系统都固定在承压框架上，高压介质通过高压管路从左右堵头分别进入容器，由容器移位来实现物料的进出，这种结构降低了设备的故障率。整个设备包括4个单体容积100L的容器体。主要由堵头连动杆、垫块、堵头卡口、容器壁、承压框架、容器腔、堵头、滑轨、容器支架、设备支架、容器Ⅰ～Ⅳ等部件组成。设备的高压管路都固定在框架上，提高了高压管路的稳定性。设备采用分体式结构，配备有自主研制的双向水介质增压器、单向阀、卸压阀等关键零部件。设备元件间的机械动作利用滑轨和滑块定位，确保了运行的平稳和精确，避免了因对位不正而产生的机械碰撞。通过伸缩油缸分别驱动堵头、垫块和容器体移动，实现了自动卸压。为了使设备的整体结构紧凑和保障设备安全，增压器、换向阀、油泵、水泵、油箱和水箱等增压系统的主要元件均位于容器后方。设备框架为8层高强钢板复合，钢板间通过液压压实后焊接，再使用螺栓错位连接，保证了框架的承压性能。这些设计确保了整个工作过程的流畅，提高了设备的工作效率、稳定性和安全性。
4.性能试验
下表为HHP-700-400L型食品工程用大型超高压设备的性能参数。设备的升压速率约为260MPa/min，设备升压至600MPa仅需140s;卸压速度为200MPa/s，卸压耗时3～4s，表明设备运行速度较快，效率高。设备整机功率为55kW/h。
一般而言，600MPa条件下处理10min就可以杀灭食品中大部分有害微生物。本文设计的超高压设备在600MPa压力条件下保压10min，压力表显示压力值仅下降5MPa。如果长时间保压时，当容器压力值降低20MPa后，设备的增压系统会自动启动，将压力补充到设定值。设备采用双缸容器移动式结构，两组容器可以同时工作，大幅提高了工作效率。设备处理一缸物料耗时5min，因此每小时可共处理24缸，按70%容积计算，设备每小时处理能力为∶24缸x0.1t/缸×70%=1.68th。超高压技术属于非热技术，能耗较低。依据设备功率，每处理一次耗电量约为2.14kWh，折合吨产品能耗为30.6kWh，大大低于传统热杀菌的平均能耗（500～1000kWh）。耗水量上，设备仅以水作为传压介质循环使用，不与食品直接接触，因此设备杀菌所用水量可忽略。
三、超高压食品加工设备现状及未来发展趋势
进入21世纪以来，超高压加工技术以其独特的技术优势在食品行业占据一席之地，甚至被世人誉为“21世纪十大尖端科技”之一。时至今日，超高压加工技术涉及水产品、液体饮料、肉制品、有效成分提取等诸多方面。经过超高压技术处理过的食品，符合绿色食品的生产要求，并迎合消费者对于健康食品的需求，其广袤的市场前景不言而喻。当前对于超高压加工技术的理论基础、设备开发、产业化生产的研究正方兴未艾，在这些方面进行深人开发研究，将有助于中国超高压加工技术高效产业化发展。
结束语
总之，超高压技术是一种新兴的非热力加工技术，可以更好地保持食品原有的风味、色泽和营养价值，表现出巨大的潜在市场和广阔的发展前景。因此，我们需要加大研发力度，早日攻克超高压设备的核心技术问题。
参考文献：
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