啤酒灌装中的几个问题探讨

啤酒灌装中的几个问题探讨(上)
自上世纪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酿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，如能量守恒、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。

—、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，就每一个灌装阀而言，工作状态和过程都是一样的，阀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—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—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—个灌装阀而言，排除机械加工和装配误差，在理论上应完全相同。

决定灌装质量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KRONES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阀，其性能优于现有的其他机械阀，是唯一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一创新成果。

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阀等压开阀
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，另一种是H&K公司的内置式短管机，由于种种原因，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。

但啤酒的这一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几方面：瓶子定位对中不到位、瓶口缺损密封不严和
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量溢出；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，浮在啤酒液面上的泡沫一旦到回气管的底口，将影响正常的回气速度，造成液位参差不齐。

机械阀是在弹簧力的作用力下开阀，理论上应当在瓶内充气压力等于酒缸内背压时开阀，弹簧力的大小仅用以克服酒缸内液面至阀口间静压差，而实际上还需要克服阀门开启
时的摩擦力，且必需留有余地，即实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KRONES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，实现等压开阀灌装，这就是南京轻机外置式灌装阀的核心原理。

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--快--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，由于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，弹簧差压开阀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一目的。

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。

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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工艺流程：
进瓶→抽真空→充二氧化碳→抽真空→充二氧化碳→灌装→静置→泄压→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、开闭酒阀(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，是在正常运行转速下示出的相应转角，厂家给出的技术数据仍然是时间。

当转速低于正常运行转速时，整个流程完成的时间就增长，反之超速运转时时间就缩短。

因此用机械阀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，所有阀的控制均由控制环上滑块或拨杆来完成，酒阀通过滑块或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，实质上是微调背压高低。

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，发现这种控制方案的确存在缺陷。

因为进酒管处的静压不仅受酒缸内液位的影响，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关小，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一致的，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。

经分析这是由于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度时到达交线时夹角又回到零。

再继续向同方向旋转，夹角就变为负方向增加，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和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，为消除这一误差可在同一旋转半径相位差为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，就可使旋转测量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，在同一半径上装有四个传感器，从数学的角度来说，完全没有必要，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可。

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，这种相关量的控
制也是不合适的。

五、无巴氏灭菌啤酒灌装
啤酒酿造后要想成为商品，必须要进行包装，采用哪—种包装工艺和包装物，则取决于市场运作和管理。

这里所说的包装工艺包括啤酒的终端处理，任何终端处理方法的目的
都是为了延长商品货架期，都是以损失啤酒风味为代价而取得的，货架期延得愈长，风味
损失也就愈大，反之损失就愈小。

口味最好的啤酒是带较多酵母未经过滤的混浊啤酒，其
次是经滤掉大部分酵母的鲜啤酒。

在欧洲尤其是在德国，除少数出口到远处的啤酒采用巴
氏灭菌外，其他都采用无巴氏灭菌灌装。

这种啤酒包装工艺实现的前提条件是纯净化酿造，其中包含着对微生物的有效控制和管理。

对啤酒灌装而言，主要是防止二次污染和微生物
有效控制。

啤酒是食品不是针剂，有点无害菌也无妨，何况所有耗氧菌在啤酒中根本就无法生存。

在啤酒灌装中最重要的两点：一是清洗灭菌，二是灌装机的运行可靠性。

其中最重要的是
可靠性，而这一点正好是国产装备的弱点，这也是为什么国内灌装生啤的灌装机大部分采
用进口装备的主要原因之一。

灌装阀的一致性和灌装机运行的可靠性，是目前国产装备与
进口装备差距最为明显的方面，也是最值得关注的方面。

年初在本刊上刊登的解读“纯生”啤酒一文中，曾有过专门的论述，这里不再多重复，在技术水平达到一定程度以后，可靠性将上升为首位。

作者：张国权中国计量科学研究院。