加工生产线的设计

在乳品厂，原奶需经过多种加工设备、多道工艺处理才能变成最终产品到达消费者手中。各类设备的功能说明详见第7章（各小节分述不同加工设备）。生产通常在密闭环境下连续进行，主要设备之间由管道系统连接。具体工艺及流程的设计则取决于最终产品的类型。 

本章所述流程以普通牛乳巴氏杀菌工艺为例， 该工艺不仅是市售奶制品的基础加工程序，也是奶酪、发酵乳等乳品生产链中的重要预处理环节。本章旨在阐述工厂设计者在规划乳品加工厂时需考虑的关键要素。

工艺设计考量要点

开始设计一条生产线，需考虑多方面的影响因素，这些因素不仅多且极为复杂，对负责前期规划的人员提出了相当高的要求。在项目工程设计中，始终需要在各类需求间寻求平衡，例如：

• 产品相关：涉及原料特性、处理工艺及成品质量
• 工艺相关：包括工厂产能、设备零件选型和适配性、工艺控制程度、冷热介质供应、加工设备清洗等
• 经济性：在满足既定质量标准前提下尽可能降低总生产成本
• 法规相关要求：涉及工艺参数规定、组件选型与系统解决方案的相关立法条款

图8.1.1展示了面向消费者的市售奶的巴氏杀菌热处理流程。

图8.1.1 牛奶巴氏杀菌工艺流程图

相关法规要求

在大多数国家，乳品加工通常通过立法确立特定要求，以保护消费者免受致病微生物感染。具体条款与建议可能有所不同，但以下涵盖了最普遍适用的要求：

热处理

为确保所有致病微生物被杀灭，牛奶必须经过热处理，最低温度/保温时间要求：72℃持续15秒。

记录

加热温度与保温时间必须自动记录，且记录需保存规定期限。

热处理前的净化工序

由于牛奶常含有固体杂质,如污垢颗粒、白细胞（白血球）及乳腺组织体细胞，必须进行净化处理。 若细菌隐匿于牛奶凝块或颗粒中，巴氏杀菌效果会降低，因此净化必须在加热前完成。牛奶可通过过滤器净化，但更高效的方式是采用离心机（离心式净乳机或分离机）进行处理。

防止二次污染

巴氏杀菌设备在设计时，会确保已杀菌侧牛奶在热交换器中的压力始终高于未杀菌奶及工作介质侧的压力。若热交换器发生泄漏，杀菌后牛奶必须向未杀菌奶或冷却介质中渗漏，而非反向渗漏。为此，通常需配备增压泵以形成压差，并配合压力传感器进行监控。某些国家已将此列为强制性要求。该系统被称为“压差监控系统”。

如加热温度、保温时间或压差未达到规定要求，设备必须配备流量转向阀，将加热不充分的牛奶导离成品罐。此操作通常借由转向阀将牛奶送回平衡缸完成。

所需设备

实现远程控制流程需配备以下设备：

• 原奶筒仓
• 巴氏杀菌奶储罐
• 巴氏杀菌单元包括：
  • 板式热交换器，用于加热与冷却
  • 保温管，牛奶维持巴氏杀菌温度
  • 离心净乳机（若仅处理全脂奶，则无需离心分离机）
• 通用加工与控制设备：
  • 连接关键单机的管道与管件
  • 用于控制以及分配物料流与清洗液的气动阀
  • 输送牛奶与清洗液的泵组
  • 用于控制产能、杀菌温度、产品压力、阀门开度等的控制设备
• 各类辅助生产系统：
  • 供水系统
  • 蒸汽或热水供应系统
  • 制冷剂冷却系统
  • 气动设备的压缩空气系统
  • 电力系统
  • 排水与废水收集系统

大部分辅助生产系统的详细介绍参见第8.3章。生产介质需求会在工厂设计方案确定后进行核算。因此，在确定电动设备的数量与功率、气动装置的数量、以及设备的工作时长等数据之前，必须首先明确巴氏杀菌的温度程序以及其他所有需加热/冷却区域（冷藏库、清洗系统等）的技术参数。此类核算不在本书论述范围内。

设备选型

原奶筒仓

奶仓的数量与规格取决于原奶供应计划与乳品厂生产计划之间的匹配关系。另一决定因素是原奶在加工前于奶仓中允许存放的时间，该时长又取决于原奶品质。许多乳品厂将存放时间限定在24至48小时范围内。为保障脱气充分，牛奶在加工前宜在奶仓中至少静置一小时。

巴氏杀菌奶储罐

巴氏杀菌奶储罐的数量与规格由生产计划决定。巴氏杀菌机的产能与运行时间需与灌装机运行相匹配。若需生产不同脂肪含量的牛奶，则核算储罐数量须满足单日所有品类牛奶生产的储存需求。 若同日生产不同品质的牛奶（如“普通”奶与“有机” 奶），还需配置独立储罐进行分储。若乳品厂实行罐体放行前质检制度，则需预留足够的储罐容量， 以确保实验室分析及放行灌装所需的时间充足。综合上述因素，巴氏杀菌奶储罐区可由多个小型储罐或几个大型奶仓构成。

完整的巴氏杀菌设备

一套完整的牛奶巴氏杀菌设备，包含工艺操作、监控与控制系统，由相互匹配的组件构成的集成工艺单元，如图8.1.2所示。

图8.1.2 完整的巴氏杀菌设备包含：

A. 温度指示器
B. 压力指示器
1. 平衡缸
2. 进料泵
3. 流量计
4. 热回收预热段
5. 离心净乳机
6. 加热段
7. 增压泵
8. 保温管
9. 热水加热系统
10. 热回收冷却段
11. 冷却段
12. 流量转向阀
13. 控制面板

工艺参数

巴氏杀菌的主要目的是杀灭致病微生物。为实现此目标，需将牛奶加热至不低于72℃并保持至少15秒。该参数组合已被多国立法强制规定。板式热交换器是牛奶巴氏杀菌最常用的设备。 

相关参数确定后，即可计算热交换器的规格尺寸。本例中采用的参数如下：

• 工厂产能，升/小时 = 20000
• 温度程序 ，℃ = 4 – 72 – 4
• 净乳温度，℃ = 55
• 热回收效率， % = 90 – 94
• 加热介质温度， °C = 74 – 75
• 冷却介质温度，℃ = 2 

同时还需核算辅助生产介质（蒸汽、水及冰水）的需求量，以便设计蒸汽调节阀与冰水供给阀的规格。

平衡缸

进料阀或供料泵的转速信号可调节进入巴氏杀菌机的牛奶流量，并维持平衡缸内液位稳定。若牛奶供应中断，液位将开始下降。 

为防止产品在板片上焦化，巴氏杀菌机在运行时必须始终充满液料，因此平衡缸通常配备低位电极——液位降至最低点时立即发出信号。该信号会启动流量转向阀，将产品送回平衡缸。当产品循环持续达到预设时间后，系统进入水顶奶步骤，随后巴氏杀菌机停止运行。

进料泵

进料泵将平衡缸中的牛奶输送至巴氏杀菌机。 通过流量计控制进料泵转速以实现恒定流量。这确保了稳定的温度控制及恒定的保温时间，从而保障所需的巴氏杀菌效果。

采用回收热能预热

未经处理的冷牛奶由泵送入巴氏杀菌机换热器的第一段——预热段。在此处，冷牛奶与已经过巴氏杀菌的奶进行热交换而被预热，同时巴氏杀菌奶被冷却。 

若需在热回收段进出口温度之间的某一温度点处理牛奶（例如55℃净乳），则需将热回收段分为两段：第一段的设计规格需使牛奶达到55℃的目标温度；净乳完成后，牛奶返回巴氏杀菌机，在第二段中完成最终的热回收预热。

图8.1.3 离心净乳机转鼓结构

离心净乳机

由于本例中的牛奶不进行脱脂奶与稀奶油的分离，故图8.1.3仅展示了离心净乳机的配置。

一些乳品厂规定，低温原奶（<6℃）在到达乳品厂之后要立即进行离心净化，尤其当牛奶需储存至次日时。然而，在55℃左右进行净乳效率更高，因为该温度下牛奶粘度较低。 

因此，供给净乳机的牛奶是来自第一热回收段预热到55℃的牛奶。

增压泵防止二次污染

必须严格避免已杀菌产品受未杀菌产品或冷却介质污染的风险。若巴氏杀菌机发生泄漏，泄漏方向必须是从已杀菌产品侧流向未杀菌产品或冷却介质侧。 

这意味着已杀菌产品必须维持比热交换器板片另一侧介质更高的压力。因此在加热段前的产品管路上安装了增压泵（7），如图 8.1.2所示。该泵亦可安装于加热段后端。前置安装可降低泵的运行温度，延长其使用寿命。增压泵通过提升压力，确保已杀菌产品在巴氏杀菌机的热回收段与冷却段全程保持正压差。在一些国家的法规明确要求，巴氏杀菌系统必须安装增压泵。

热水加热系统

牛奶至巴氏杀菌温度的最终加热由热水完成。热水温度需高于牛奶巴氏杀菌温度1-3℃。加热介质由公用能源中心提供。该介质可为热水或蒸汽。

图8.1.4展示了由公用能源中心向加工区域供应蒸汽的热水系统。 图8.1.4中的热水系统为封闭循环系统，包含一个紧凑型片框式板式热交换器（3）、配套蒸汽调节阀（2）及疏水阀（4）。 

热水通过离心泵（5）经加热器（3）与加热段在巴氏杀菌机内循环流动。 

膨胀容器（7）用于补偿水受热后的体积膨胀。 该系统还配备压力与温度指示器以及安全阀/排气阀（8）。

温度控制

巴氏杀菌温度的恒定由温控器维持，该控制器作用于图8.1.4中的蒸汽调节阀（2）。当产品温度出现下降趋势时，保温管前端产品管线中的传感器会立即检测到变化。传感器随即向控制器发送信号， 驱动蒸汽调节阀开大以增加蒸汽供应量，从而提高循环热水温度，阻止产品温度继续下降。

图8.1.4 巴氏杀菌机热水系统原理图

1. 蒸汽截止阀
2. 蒸汽调节阀
3. 热交换器
4. 蒸汽疏水阀
5. 离心泵
6. 水量调节阀
7. 膨胀容器
8. 安全阀/排气阀
T1 - 温度指示器
P1 - 压力指示器

保温管

外置保温管的长度与规格需根据工艺所需保温时长及设备小时产能计算确定。保温管设计参数详见第7.1章。通常，保温管覆有不锈钢罩壳，既可防止温度骤降，又能避免人员接触烫伤。 

保温管前端装有温度变送器，向蒸汽或热水调节阀发送信号，以精确控制巴氏杀菌温度。

流量转向控制

在生产中，必须确保牛奶在离开板式热交换器之前，已充分完成巴氏杀菌。若温度降至72℃以下， 视为牛奶未完成杀菌，必须与已杀菌产品严格隔离。为此，在保温管下游管路中装有温度变送器与流量转向阀。如图8.1.5所示，当温度变送器检测到流经的牛奶未充分加热时，阀门（3）会将未杀菌奶送回平衡缸。

图8.1.5 自动温度控制回路

TT - 温度变送器 

1. 保温管
2. 增压泵
3. 转向阀

流量转向阀的阀位信号与巴氏杀菌温度同步记录。为满足各地法规要求和相关推荐规范，流量转向阀可采用多种安装方案。以下是两种常用配置：

1. 流量转向阀直接位于保温管后端。若温度下降，奶流即被转向送回平衡缸，确保未杀菌奶无法进入保温管下游段。一旦杀菌温度恢复，巴氏杀菌机可立即恢复生产。
2. 流量转向阀位于设备冷却段之后。发生掉温时，流量被转向至平衡缸，同时系统将排空残留产品并进行清洗消毒。待温度条件重新达标后，设备方可重启。

冷却系统

经保温段处理后，牛奶返回热回收段进行冷却。在此过程中，已巴氏杀菌的热牛奶将其热量传递给新进料的低温原奶。随后，预冷过的巴氏杀菌奶再通过冷水、冰水、乙二醇溶液或其他制冷剂进行最终冷却，具体温度取决于产品设计要求。若需将牛奶冷却至4℃储存，则需使用比目标出口温度低约2℃的冷却介质进行最终冷却。冰水仅适用于最终温度要求高于3-4℃的场景。 

如图8.1.6所示，冷却剂从乳品厂制冷站循环输送至使用点。调节通往巴氏杀菌机冷却段的冷却剂的流量，来维持恒定的产品出口温度。此过程通过一套调节回路实现，该回路由位于产品出口管路上的温度变送器、控制面板内的温度控制器以及冷却剂供给管路上的调节阀组成。 

通常要记录冷却后牛奶的温度，以及巴氏杀菌温度、转向阀阀芯位置，因此记录曲线图上会呈现三条对应曲线。

图8.1.6 巴氏杀菌机冷却系统原理图

图8.1.7 产品流速与流量关系图

图8.1.8 层流与湍流的速度分布示意图

管路系统设计

本章示例中，每小时需有20000升牛奶流经管道、管件及加工设备。产品在管道中的流速取决于流通截面积，即管道内径。管径越大，产品流速越低。对于20000升/小时的流量，产品在76毫米（3英寸）管中的流速为1.25米/秒。若选用51毫米（2英寸）管道，流速将增至2.75米/秒。

较高的流速会导致液体内部及液体与管壁之间的摩擦力加大。进而使产品承受更强烈的机械作用。每种产品都有其最高流速限值，若要满足品质要求则不可逾越。牛奶的流速限值约为3米/秒。

虽然选择大于最小流速要求的管径看似合理，但大管径意味着更大型的组件及更高成本，同时会导致产品混合过渡段更长、产品损耗更多。因此应选择最接近流速限值的管径。本例中应选用63.5毫米（2.5英寸）管径，其对应流速为1.75米/秒，如图8.1.7所示。

层流与湍流

层流是一种流体粒子沿平行路径保持连续、稳定运动的流动形态。此种流动类型通常发生在圆形直管道内或平行壁面之间以低速流动。

而在湍流中，粒子运动不规则且彼此剧烈混合。如图8.1.8所示，线段长度代表流道截面各点处粒子的平均流速。层流状态下，流道中心流速最高。由于流体层间摩擦作用，流速自中心向管壁逐级递减，至管壁处降为零。

湍流状态下，流体各层相互混合，因此流道中心区域液体流速大致均匀，但靠近管壁方向速度急剧下降。在管壁上液体形成一层极薄层流边界层，其瞬时速度为零。

要在圆管内实现层流，需满足管径小、流速低和/或液体粘度高等条件。在设计符合法规要求的巴氏杀菌保温管时，须明确流动形态（层流或湍流），以确保所有牛奶均能获得足够的保温时间。

压降

液体流经组件时会因流动阻力导致压力损失。若通过压力表（图8.1.9）测量组件前后压力，可发现出口端压力较低。组件（如截止阀）会导致管路中产生压降，该压降等同于组件中的流动阻力，其数值取决于流速（即流量与管径尺寸）。

图8.1.9 压降可通过工艺管线中的压差来表示。

组件的压降以巴（bar）或千帕（kPa）表示，也常用不同流量下的压头损失（以米计）来表示。图8.1.10的图表涵盖了从最小5000升/小时流量通过管径1.5英寸（38毫米），到最大200000升/小时流量通过4英寸（101.6毫米）截止阀的压头损失。

对于20000升/小时的流量和2.5英寸（63.5毫米）管径（对应流速1.75米/秒），图表显示全开阀门上的压降（压头损失）为0.4米。

图8.1.10 截止阀压降曲线图

特定流量下各管路组件的压降均可通过此方式确定，这些数值相加即得系统总压降。各管路组件的选型应遵循尽可能降低压降。压降的产生意味着流速增加，表现为湍流或流道局部就地出现加速。

更高流速会导致管壁及其他设备表面摩擦加剧、弯头等处受力增大，从而增加对产品的机械作用。

对牛奶而言，这可能造成脂肪球破裂，释放出脂肪并暴露于脂肪酶的作用下，最终导致游离脂肪酸含量升高，对牛奶风味造成不利影响。若产品在机械作用过程中混入空气，该问题会加剧。若空气通过泄漏的管件被吸入，就会发生这种情况。对于酸奶等其他产品，其加工处理必须非常温和。生产线的零件选型，尺寸核算和工艺设计必须持及其仔细。

管路的尺寸须确保液体流速不超过产品临界值（牛奶为3米/秒，其他乳品可能更低）。尽可能减少阀门数量，通过阀门的压降越低越好。合理布局以避免不必要的流向改变。

工艺控制设备

为保障工艺流程无故障运行并获得预期的产品质量，液位、流量、温度、压力、浓度及pH值等参数必须控制在预定范围内。相关参数的测控设备包括各类传感器、变送器、执行器及控制装置。

传感器是测量实时物理量的元器件。变送器将传感器信号转换为标准化信号，该信号值亦称测量值。传感器与变送器常集成于一体，统称为变送器（如压力变送器）。其设计与功能因需求而异。典型设备包括温度、液位、压力及电导率变送器。

调节装置是安装于工艺生产线上的执行装置（如调节阀或变频泵），其设定值（阀芯位置或电机转速）决定被调工艺参数的量值。

调节器计算测量值与设定值的偏差，并据此向调节装置发送校正信号。

当测量值变化时，变送器信号相应改变；若测量值与设定值不符，调节器即调整输出信号，驱动调节装置调整位置（阀门开度或转速）以实现匹配。变送器实时感知参数变化并将信息反馈至调节器。这种持续比较与校正的闭环称为控制回路，该过程将重复直至设定值与测量值一致。图8.1.11为控制回路示意图。

图8.1.11 压力控制回路示意图（由变送器、调节器与调节阀构成）

图8.1.12 压力变送器

1. 传感元件
2. 参考压力
3. 毛细管
4. 膜片
5. 工艺压力
6. 紧固螺母

变送器

控制系统中的变送器在设计与功能上差异显著。一些变送器直接响应测量值的变化。如图8.1.12所示压力变送器，产品压力作用于膜片并传递至传感器与变送器，该变送器输出与产品压力成正比的电信号。

然而，大多数变送器采用间接方式工作：它们通过检测与被控工艺参数存在固定关系的另一个物理量的变化来实现操作。此前阐述管路流体输送时已涉及此类变送器——通过控制泵出口处产品压力来维持设定流量。

前述压力变送器亦可用于储罐液位测量。当安装于罐底时，变送器感应膜片上方液柱的静压，该压力与液位高度成正比。变送器将信号传输至显示仪表即可指示液位。

多种变送器的工作原理利用了金属电阻随温度变化呈现出特有规律的特性。图8.1.13所示的温度变送器即属此类。将铂丝线封装于保护管内并插入管道中，以便铂丝被液体加热。

图8.1.13 电阻式温度变送器

可通过将金属丝接入电路来测量其电阻。电阻值的变化对应特定温度变化，据此可确定产品温度。上述变送器为乳品厂最常用类型，市面上还存在其他多种类型的变送器。

调节器

图8.1.14所示调节器是温度控制系统的核心，其控制器存在多种形式。根据前述定义，调节器是一种持续将测量值与参考值或预设值（设定值）进行比较的装置。任何偏差都会促使调节器向执行单元发送校正信号，后者随即相应调整其设定。该校正过程将持续至测量值与设定值再度重合。

图8.1.14 调节器

调节器可以是就地安装的电子调节器，亦可作为软件调节器集成于控制系统中。电子控制器通常设有设定旋钮，可通过刻度指示器显示所需设定值。变送器输出的测量值可随时在刻度盘上读取。另设有显示发送至调节装置的输出信号的刻度盘。

现今，控制系统中的大多数调节器均依赖软件实现其功能。调节器在操作站上以电子调节器的图形界面显示，并同步呈现过程值、设定值及输出信号。这些参数亦以趋势曲线的形式展示，便于操作人员在操控调节系统时参考。

一些调节器具备开关功能，可在达到设定上限或下限值时触发信号。该信号可用于触发工艺模式切换。例如：若热交换器保温段出口温度低于72℃，则将巴氏杀菌生产切换至回流模式。开关触发条件设定于此温度值，一旦温度低于此限值，即关闭电磁阀切断转向阀的气源，从而强制巴氏杀菌机将产品转入再循环模式。

图8.1.15 调节阀

调节装置

气动调节阀如图8.1.15所示，其结构以阀体（包含阀芯座）为核心，阀芯固定于调节阀杆下端。阀杆通过活塞上下两侧的压差驱动，在开启与关闭位之间运行。当活塞下端压力较高时，活塞上移，带动阀芯抬离阀座；活塞上端压力较高时则关闭阀门。

执行过程如下：控制器发出的气动信号被输送至阀顶部的比例装置——定位器。该定位器确保阀芯相对于阀座的位置始终与调节信号成正比。当信号与预设值一致时，定位器平衡活塞两侧压力，使阀芯位置保持固定。在此平衡状态下，阀门压降恰好符合要求，变送器测得的值与预设值完全吻合。

若产品压力下降，变送器向调节器发出的信号随之减弱。由于测量值偏离预设值，调节器通过向阀门执行器发出增强信号作出反应。定位器随即增加活塞上端压力，推动阀芯移向阀座。由此产生的阀门流阻增大会升高产品压力，并启动反向操作循环，以减缓活塞下移。当管路压力恢复至预设值时，定位器再次保持阀门活塞处于平衡状态。