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1、啤酒灌装中的几个问题探讨（上）自上此纪80年代开始，在消化吸收国外先进制造技术的基础上，我们在国内首先开发 出了具有自己特色的啤酒灌装机液气控制系统，发展至今己经过了近二十年，现己发展到第 四代，与国际上灌装机液气控制技术的发展基本上同步。在此过程中，通过对啤酒灌装物理 过程的研究、与国内外装备制造商的交流和讨论，发现有些问题需要澄清，有些问题需要说 明，另一些问题值得进一步研究和探讨。在讨论具体问题之前，首先对啤酒灌装的内涵，给 予科学的分析。啤酒是通过生化反应龈造而制成的液态食品，它的基体是水，应遵循流体力学的基本 定理，如能屈守恒、流体连续和力平衡等。它的主体是微生物和生化反应的代谢物以
2、及某些 无机物。其中微生物和代谢物中的二氧化碳和蛋白质，是啤酒灌装过程中必须正视的主要因 素，这也是啤酒灌装区别于其它液态食品灌装的难度所在。如尽量减少增氧量以减少微生物 的生存空间：遵循物理化学中气体溶解量的亨利定理，根据二氧化碳含量和灌装温度确定背 压高低；蛋白质在二氧化碳气体作用下易起泡，且持泡时间较长等。灌装指的是商品灌装，是要在市场上进行交易的商品，因此必须要计量容积、质量或 一定容器下的液位高度。任何食品包装都不可能提高其品质，而且必然会有所影响，包装工艺的原则是将不利 影响减至最小。一、啤酒灌装技术的核心是灌装阀在我国的媒体和专业会议上，经常可以看到和听到一些说法，将灌装阀数量的
3、增加当 作技术进步来宣传，制造厂家也以此来做广告，似乎灌装头越多灌装技术越先进，灌装流速 越快。实际上无论阀的数量多少，就每一个灌装I阀而言，工作状态和过程都是一样的，涧数 量增多仅仅是酒缸直径大了，所需的动力和传动有些变化，灌装技术无进步可言。所谓高速 灌装的高速，指的是进出瓶的切线速度增快，单位时间内灌装的瓶数增多。而灌装机转动的 角速度却是一样的，即灌装每一瓶啤酒所需的时间无任何变化，对每个灌装阀而言，仍然是 转一圈完成灌装流程。真正变化的是输送系统，高速无压力输送和无阻塞输送系统才是高速 灌装的核心技术。只要灌装阀的功能和结构相同，其灌装的技术性能也就相同，对每一个灌 装阀而言，排除机
4、械加工.和装配误差，在理论上应完全相同。决定灌装质晨和技术水平的是 灌装阀本身，而不是阀的数量多少。如德国的KHS和KR0NES公司，都是以灌装阀的功能和 结构来分类并形成各自的产品系列：而国内的企业，多数在头数上做文章，还未形成以阀为 核心技术的产品系列。目前在国内，据我所知仅有南轻的外置式机械灌装涧，其性能优于现 有的其他机械阀，是唯具有自己知识产权的灌装核心技术。为此，两年前本人曾在有关报 刊上撰文宣传这创新成果。在2000年中国国际啤酒、饮料制造技术及设备展览会后，本人对国外和国内参展品的 差异，曾发表过评论，国外参展商主要展示的是技术，而国内参展商主要展示的是加工能力 和制造水平。说
5、明我国的企业尚未真正成为技术开发和创新的主体。啤酒灌装技术的核心是灌装阀，有阀才有机；机随阀而分。灌装技术的进步主要体现 在阀的技术性能上，而不是阀的数量多少。开展灌装阀单阀技术的研究，才是提高灌装技术 水平的关键。二、啤酒平稳灌装的关键是灌装润等压开阀上世纪80年代，我国从德国引进两种类型的机械阀灌装机的制造技术，一种是SEN 公司的外置式长管机，另利是H&K公司的内置式短管机，由于种神原因，主要是我国的玻 璃瓶制造很不规范，在我国的啤酒厂中绝大部分都采用短管机，这里就以短管机为例来讨论 啤酒平稳灌装。啤酒泡沫是啤酒风味的特色，是评价啤酒品质的主要指标之一，喝啤酒应喝带泡沫的 啤酒。但啤酒的
6、这-特色给灌装带来很大的麻烦，在啤酒厂的灌装现场经常能看到反泡现象。 引起啤酒反泡的原因可能有以下儿方面：瓶子定位对中不到位、瓶I I缺损密封不严和密封圈 老化而形成非等压灌装；二氧化碳含量过高或背压过低使二氧化碳从酒液中大鼠溢出；流动 速度过快或未形成沿瓶内壁面的流动引起对啤酒的扰动过大等。泡沫一旦形成则需一定时间 才能消失，浮在啤酒液血上的泡沫一旦到回气管的底口，将影响止常的回气速度，造成液位 参差不齐。机械阀是在弹簧力的作用力卜开阀，理论上应当在瓶内充气压力等酒缸内背压时开 阀，弹簧力的大小仅用以克服酒缸内液血至阀口间静压差，而实际上还需要克服阀门开启时 的摩擦力，目.必需留有余地，即实
7、际上是在充气压力低于背压时阀门就开启。因此，所有由 弹簧开阀的灌装，在开阀时推动流体流动的作用力多了一个背压与瓶内压力的差压，是差压 开阀。阀门开启后，由于回气管与缸内背压连通，开阀时附加作用力消失，形成等压灌装。 但是，差压开阀时作用力较大所产生的泡沫却不会消失，它将影响整个灌装流程，加上弹簧 力大小不一致，附加的作用力不相等所造成的扰动强度不一样，液位的高低不齐是其必然结 果。这就是国产机械阀短管机灌装液位一致性较差的.主要原因，这与弹簧的材质和工艺以及 灌装阀的制造工艺水平和质量管理有关。经观察就会发现：德国KHS和KR0NES公司的机械 阀灌装机，在正常运转情况下，若打开灌装机的后挡板
8、观察其灌装过程，就见到形成一条斜 线的高低液面，浮在液面上的泡沫数量相差不多，灌装后液位高度的一致性也较好。深究其 原因，一是阀门开度的一致性较好，二是开阀的弹簧作用力和阀开启所需克服的静摩擦力一 致性较好。解决问题的途径是提高阀的制造工艺，达到KHS和KRONES的水平，但这还是没有消除 开阀时的附加作用力。另一种方法是干脆不用弹簧开阀，像电子灌装阀那样在等压时主动开 阀，从源头上消除开阀时的附加作用力，实现等压开I阀灌装，这就是南京轻机外置式灌装I阀 的核心原理。其实它的道理很简单，即在啤酒灌装时的灌装速度应遵循慢一快一慢规律。开 始慢是为了防止产生大量泡沫，终结慢是为了降低流动惯性使液位
9、准确。而中间的快也不是 越快越好，应以不起泡为界限，何况流量受回气管外径和瓶口内径的制约。在传统的机械阀 中，由采用弹簧开阀是差压开阀而未能实现开始慢，啤酒在开阀时起泡就不可避免，因此 液位就不可能很准确。另外，弹簧差压开阙在第一次抽空后充气时，充气时间必须调短些以 避免酒阀误开，这无形中损害了抽空的效果。于是就出现了能克服这一缺陷的电子灌装阀， 南京轻机的外置式机械灌装阀同样也可以达到这目的。综上所述，啤酒平稳灌装的关键是灌装阀等压开阀，或者说关键是开阀时尽量避免啤 酒起泡。啤酒灌装中的几个问题探讨（下）三、关于啤酒灌装机的超速运转目前啤酒灌装基本上按以下的丁.艺流程：进瓶f抽真空f充二氧化
10、碳f抽真空f充二氧化碳一灌装f静置f泄压f出瓶机械阀和电子阀，在工艺流程上是一样的。在时间分配上，机械阀一般以旋转角的形 式进行分配，因为控制抽真空、充气、开闭酒涧（传统机械阀仅有闭阀）和泄压等动作的滑块 或拨杆，均按旋转角的大小安置在控制环上,而实际上这些旋转角的大小是由时间来确定的, 是在正常运行转速卜.示出的相应转角，厂家给出的技术数据仍然是时间。当转速低正常运 行转速时，整个流程完成的时间就增长，反之超速运转时时间就缩短。因此用机械陶灌装啤 酒超速运转可能影响灌装质量，如增氧量增大和液位不齐，甚至出现反泡现象。因为在超速 运作时，所有涧的控制均由控制环上滑块或拨杆来完成，酒阀通过滑块或
11、拨杆间的时间必然 减少，将影响整个灌装流程的灌装质量“电子灌装阀控制是按时序来控制，转速变化时完成灌装流程的每一工序的时间始终保 持不变。若程序中没有限速，超速影响的也仅仅是泄压时间缩短，即影响最后一道工序，不 会对前面的工序，如抽空、灌装等产生任何影响。总之，当灌装阀确定之后，完成灌装流程的各分段的时间也就确定了，除非在设计或给 出技术数据时各分段均有较大的余量，否则必然对灌装质量产生不利影响。因此，若想提高 生产效率，应当从提高整线效率和提高运行可靠性着手，而不是靠提高灌装机的转速。四、灌装缸内啤酒液位的控制上世纪80年代末，我们为广轻生产的2万瓶/时灌装机研制了我国首台啤酒灌装机液 气控
12、制系统，当时在燕京第三包装车间进行试运行。在调试时，有时出现空缸和满缸现象, 经分析后确定此现象的出现是由酒缸内背压的波动所引起。当采取措施稳定了背压后，酒缸 内液位控制除开机和停机时有波动外，在正常运行时液位稳定在某一位置，但操作工仍需随 时观察液位，调节二氧化碳补气流量调节高低，实质I：是微调背压高低。这种酒缸内液位的 控制方案来自德国H&K公司，它当时使用泰勒公司的气动仪表，用测量进酒管处静压的办法 来控制酒缸内液位。开始我们对此控制方案未做深入分析也沿用此方法，仅仅将气动仪表改 为电气仪表，而执行机构仍采用气动阀。当在调试现场遇到上述问题后，我们用流体力学的 基本原理进行分析后，发现这
13、种控制方案的确存在缺陷。因为进酒管处的静压不仅受酒翻内液位的影响，而且还受酒缸内背压的影响。通俗地 说，压力传感器测到的压力变化分不清源头，调节器只知道当压力低于设定值时让调节阀开 大，当压力低于设定值时让调节阀关小。若是由液位变化引起压力变化，控制就正常。若是 液位未改变而是由背压变化所引起，调节器照样指示进酒调节阀开大美小，致使液位失控, 若是在破瓶和供气不足情况下，就可能很快出现满缸。这种相关量的控制是很难达到同步 致的，控制的精确度和稳定性也不可能很好。在90年代初，我们就提出将背压和液位分别独立进行控制的控制方案，并为此研制了 用于控制液位的传感器。1995年燕京第二包装车间在改进后
14、的广轻60头短管机上进行了生 产性试验,受到了操作工和厂方的欢迎和肯定。当时我们在酒缸上只安装了一个液位传感器, 发现在缸内有酒而不进瓶灌酒即空转时，液位显示值变化3个4个字且与转速无关。经分 析这是由酒缸的旋转面与自然水平面不可能绝对平行所引起，即液位传感器上某一点所走 的圆的轨迹不可能落在自然水平面上，而是与水平面间有一夹角。若从通过旋转中心的垂直 平面上来观察，这一夹角在旋转平面与水平面的交线处为零，从交线处继续旋转，夹角逐渐 增大，等转到90度时夹角达到最大，即等于旋转平面与水平面间的夹角。再继续旋转夹角 减小,转到180度时到达交线时央角又回到零。再继续向同方向旋转，央角就变为负方向
15、增 加，到270度时达到负值最大，然后就减小，到360度时回到原位，夹角又回到零。而传感 器上某一点至自然水平面的垂直距离，按数学定律应为此点至旋转中心的距离即旋转半径利 夹角的正弦函数的乘积。其数值随旋转角而变，其变化的规律与夹角的变化规律完全一致, 按正弦函数的规律变化。因此，为消除这误差可在同旋转半径相位差为180度处，即在 与旋转中心对称的地方，再安装一同样的传感器，就可使旋转测最液位所产生的误差正负抵 消而自动消除。目前，我国自己生产的灌装机，尤其是酒缸直径较大的灌装机均采用此控制 方案。德国KHS和KRONES公司的灌装机，在同半径I:装有四个传感器,从数学的角度来说， 完全没有必
16、要，其效果与两个完全一样。理论上只要在同一半径上，在360度范围内，按角 度均匀分布，如每隔120度一个是三个、每隔90度一个就是四个。所测得的液位高度是所 有传感器测量值之和再除以传感器个数，两个是除2,三个是除3、四个就是除4。若从物理学的角度来看，灌装机的转速很低，角速度很小，差不多十秒钟才转一圈， 且每个灌装阀的灌装流量也很小，不可能对水平面的状态造成明显的影响。因此，我认为用 四个传感器完全是多余，只需在同一圆周上轴对称装两个即町。灌装缸内酒液位的控制，对啤酒灌装有较大的影响，液位波动将影响灌装流速波动， 不仅影响灌装时间，对灌装的平稳性也有影响。当然，只要保证缸内有酒，液位有些小的波 动也无关大局。但是若不将液位和背压分开独立控制，将必然会增加灌装机的停机次数、增 加工人的操作强度、很难实现全自动化，何况从控制理论的角度来说，这种相关最的控制也 是不合适的。五、无巴氏灭萌啤酒灌装啤酒酿造后要想成为商品，必须要进行包装，采用哪
