超高压技工技术

传统意义上，应用最为广泛的食品加工技术是以热处理为核心的食品加工技术。与食品加工相关的法律法规，安全规程及生产设备也都是以食品的热处理加工技术为基础来制定和生产的。使用该技术处理食品虽然可以有效的杀灭食品中的细菌、微生物，但是在高温处理过程中食品的物质结构遭到破坏，造成其营养成分的流失，味道、口感的改变。而超高压技术在食品上的应用解决了如何在食品加工中保持食品的口感和营养这一难题。利用超高压食品加工技术可以有效的保障食品安全，保留食品原有的口感，防止营养成分的流失。该技术已在美国、西班牙、日本等国商业化应用，我国也在逐步发展这一技术。然而超高压食品加工中的关键环节超高压食品加工设备的研究生产在我国还处于起步阶段。同时，由于面临技术规范的缺失、现有技术水平的不足，我国超高压食品加工技术的发展面临诸多问题。

一、超高压容器的材质问题。超高压容器的设计需要考虑设备的工作压力、工作温度、循环次数及结构特点等。由于超高压容器需承受高于100Mpa以上的压力，其用钢需要保证较高的屈服强度和抗拉强度。由于容器在使用过程中会受到一定的压力冲击，材料同时需要保持一定的韧性储备，以便抵抗使用过程中的冲击载荷。材料强度的提高往往伴随着韧性和塑性的降低，一味地提升材料的强度而忽略其塑性和韧性将导致材料产生断裂的危险。另外，超高压容器在工业生产应用中会经历较高的循环次数，材料应具备较高的疲劳强度，保证在使用过程中的耐疲劳性。还需指出的是，该产品应用于食品加工行业，所以容器应有一定的抗腐蚀能力，防止加工食品包装破裂造成的压力介质污染对容器的腐蚀。容器在使用一段时间后还应及时进行内部的清洁和消毒处理，为方便容器的清洁，还应使容器的表面具有一定的光洁度。

二、超高压设备的工艺问题。超高压设备的设计制造问题主要集中在超高压容器及其框架的设计制造。根据设计压力和材料的不同，可以选取不同的容器结构。常见的典型结构有：单层厚壁容器、多层缩套容器、绕丝式筒体、剖分式筒体、压力夹套式容器、综合式容器。单层厚壁容器设计简单，制造方便，安全可靠性较高。但这种容器在工作过程中应力分布不均匀，其应力会随壁厚的增加而逐渐降低，应力分布的不均匀性也会变差。因此当容器设计压力、设计容积较小时，可选用单层厚壁容器。由于这种容器的可承载的压力有限，为提高容器的承载压力可对容器施加一定的预应力，用来抵消部分工作压力。在不改变现有结构的情况下，可通过对容器内壁施加屈服力造成内壁的屈服。在外壁弹性力恢复后对内层材料产生挤压产生预应力，而外壁也会因内壁的塑性变形受到压应力。这样整个容器器壁上的应力趋于均匀，与单层厚壁容器相比，这种自增强筒体在相同尺寸下可以承受更高的压力，其安全可靠性和疲劳寿命也获得了较大的提高。

另一种使筒体产生预应力的方案是通过外层套筒收缩对内层筒体挤压产生预应力。这种方案可以使内层套筒所受的应力分布均匀，且可产生更大的预应力。外层缩套与内层筒壁贴合较紧，有利于筒体的热传导。缩套容器的制造需要较高的工艺水平，容器整体长度不宜过长，生产过程中对套合温度的要求精确。根据该方案特点，可充分利用应力的分布规律合理使用套筒材料。内筒材料可采用高强度材料，外筒材料可采用塑性较好的材料，充分发挥材料的性能，降低成本。为了使应力分布更加均匀也可采用多层缩套。这种方案可以减少每层圆筒的厚度，但是设计制造工艺会变的更加复杂。

在国内外应用较为成熟的结构是绕丝式结构，该结构使用缠绕在内筒的扁平钢带替代外层缩套对内筒施加预应力。扁平钢带以一定的预紧力均匀的缠绕在内

筒上，提高了整个筒体的强度。以这种方案设计制造的容器应力分布均匀，易于控制钢带对圆筒的压应力，系统的安全性更强。钢带交叠缠绕，在一处钢带发生断裂时，外层钢带可有效阻止破坏的扩展。绕丝式容器与其他类型压力容器相比在相同尺寸下可以承受更高的压力，其外层钢带与内层筒体选用不同材料，可大幅降低容器的整体质量。但是，钢带缠绕式容器对绕丝工艺的要求严格，工艺能力未达到要求的企业无法生产符合设计要求的容器。绕丝式筒体在受力上有一个较为明显的缺陷就是其结构无法承受轴向力，在容器加压时会发生泄露。为解决这一问题可在容器上增加框架结构，使用框架增强容器承受轴向载荷的能力。框架的结构类型有多种：整体式框架，圆角框架，叠板框架，绕丝框架。这几种框架结构相比，绕丝框架有更长的疲劳寿命，较小的断面积，而且不会出现应力集中现象。因此绕丝框架是一种较为理想的框架结构。绕丝框架由立柱、半圆梁、绕丝层三部分组成。圆筒产生的轴向压力通过两端的封头传向半圆梁，轴向力由整个框架承受。

三、高压源问题。超高压设备需要提供高于100Mpa以上的压力，而所需压力是由压力源来提供。压力源一般包括低压泵、增压缸以及配套的零件，这部分元件的质量对整个压力循环系统的质量及稳定性有着极其重要的影响。在压力源设计中，供压压力和流量的矛盾是急待解决的问题。一般压力泵的设计，在供压压力较低时可以获得较高的流量，当需要较高的压力时，其流量往往达不到设备的要求。在这种情况下，通常采用低压泵与增压缸相配套的措施，来提高设备在高压状态下的大流量工作。我国在增压缸的设计上较为薄弱，此类产品多为进口产品。

四、温度控制问题。超高压杀菌技术的应用其重要性在于可在低温环境下杀灭细菌，延长食物的保质期。因此，超高压设反应容器内的温度不能过高。实验证明，温度的变化对食物的处理结果会有较大的影响。从使用超高压设备处理橙汁的过程可以看到在500Mpa压力下，当温度超过40℃时，酶的活性会随温度的升高而迅速降低，当温度超过70℃后，橙汁中的过氧化物酶将完全失活。因此设备在工作过程中需要精确控制反应容器内的温度，工作过程中不能出现变动。对温度的控制重点在于对温度监控的准确性，通常情况下采用热电阻或热电偶对环境温度进行监控。为了能测出较为准确的温度值，最好的方法是使温度测量头能与热源直接接触。但是超高压容器内压力较高，深入其中的测量头无法承受高压，极易损坏。耐压程度较好的热电偶耐压范围在15-40Mpa，仍无法在超高压设备上使用。因此，需对传统热电偶进行改进，使其可应用在超高压设备上。改进的重点在于对测量头的保护，使改进后的测量装置探入超高压容器内可进行正常的工作。对其改进可从以下两点着手：首先应尽可能缩小测量头内芯的直径。内芯直径对保护层内孔的直径有直接的影响，内芯越小越有利于保护层内径的缩小。根据外压容器的强度计算可知，容器的内径较小时其受外压较小，这样可有效地降低测量头的整体体积。另一方面是对新材料的探索，对材料的选择应以高强度、高热导率为标准。测量头的设计应在满足强度时尽量选择热导率较高的材料热，减少热量传递过程中的热延时，降低检测过程的响应时间。

五、超高压应用的标准问题。超高压技术在我国现处于起步阶段，其相关技术及配套的设计、检验标准还不完善。因此尽快完成各项标准的制定可以推动该产业的快速健康发展。在超高压设备的设计过程中，超高压容器的设计安全直接关系到整个设备的可运作程度。以往超高压设备多用于化工行业，容器内物体的状态多为气液混合态或气固混合态，因此容器的设计是基于气相的设计。而当超

高压设备应用于食品加工后，容器内物体为纯液态或固液混合态。对容器压力的设计应该是基于液相的计算方案。这种情况下，传统的容器计算方式不完全适用于现有的容器设计需求。在设计方案上的改进可借鉴传统的设计方案，以基于液相的设计原则和安全系数进行计算。从而开发出一套适用与超高压食品设备的设计方案。

我国在超高压设备的安全技术规范设定上还不够完善，我国第一部安全规范是我国劳动部于1993年制订的《超高压容器安全检察规程》。此技术规范虽对超高压容器的材料、设计、制造及安全检察等方面做出了规定，但是其修订时间较久，其中的一些规定与现行的法律法规不一致。《规程》中对基本安全的要求虽做出规定，但在实际操作过程中难以执行。为了适应超高压容器在生产，安全监督、检验方面的要求，我国在于2004年对原规程重新修订。新规程的适用范围更广，规定更加细致。其中将适用范围中介质为气体或气—液体进一步明确为“气体、最高工作温度高于或等于标准沸点的液体”。在超高压食品加工领域，使用的介质为纯水。在生产过程中，介质水的工作温度远低于其沸点，因此《规程》并不适用于食品加工行业。超高压食品加工行业在安全监管出现的空白对行业的发展将提出严峻的考验。

在超高压食品设备卫生的监管方面，我国也缺乏专门的法律法规。我国对食品加工机械的安全监管标准有国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联合发布的《食品加工机械 基本概念 卫生要求》。该标准对食品加工机械的卫生检验检疫做出了基本的定义和要求。在此基础上我国对一些专用食品加工机械制定了更为详细的标准。而超高压食品加工机械作为新型的食品加工机械拥有诸多特殊性，仅以《要求》对超高压生产设备的卫生安全水平作出评价在实际操作过程中会比较困难。因此应尽快出台一部针对此种设备的卫生安全标准。以规范生产设备的安全，保障人民的饮食安全。

六、超高压系统的设计。合理使用液压元件及对液压管路的布置可有效提高整个系统的工作效率。当系统处于低压工作过中，采用恰当的线路可提高超高容器的大量补液的速度。当系统处于高压正压过程，恰当的管路布置对增压效率的提升有显著的作用。另外泄压系统的设计对整个系统的设计也有很大的影响。稳定安全的泄压系统对容器的保护及保证泄压过程的稳定性有积极地作用。可有效延长设备的寿命。