技术领域
本发明涉及商品饮料生产领域。特别是，本发明涉及线内(in-line) 生产商品饮料方面的改进，这些饮料需要由浓缩基质重新组合并需要 热巴氏灭菌或消毒。
背景技术
商品饮料生产需要对洁净度和混合配料的比例进行严格控制。特 别是，由于天然果汁的易腐性，在含有果汁的饮料的巴氏灭菌或消毒 方面必须大大注意。巴氏灭菌或消毒通常需要在大约华氏175°至220° 对可能含有细菌的饮料成份加热。对这些液体加热和冷却向优化能源 效率、产品质量和降低生产成本提出了挑战。
再有，涉及从浓缩物(如果汁)生产饮料的制造过程要求生产的 最终产品有适当的白利糖度(Brix)。白利糖度是指液体中可溶解的固体 /糖成份含量。在美国对橙汁要求的一致性标准是例如11.8°白利糖度。 当饮料由具有初始白利糖度水平大约45°至75°的浓缩物制成时，希望 有小心控制的稀释过程以达到重新组合(reconstituted)饮料的可接受 的最终白利糖度含量。传统的稀释技术通常要求在单批量组合中添加 稀释剂的90％以上，因此难于得到目标白利糖度。
再有，传统的饮料生产要求对浓缩物或者基本完成的饮料混合物 进行加热以求巴氏灭菌或消毒。为加热这类液体所需的能量比加热例 如水所需能量要大得多。传统工艺还包括由于热降解(degrading)造成 的对香料和营养素的不合理加热。当前，由浓缩物制备果汁饮料通常 需要三步工艺。首先，浓缩的果汁在很大的混合槽(例如3000至10000 加仑)中被稀释。然后，诸如浆料、维生素、矿物质、防腐剂、色素 或香料等配料与重新组合的果汁混合。接下来，最终的饮料被热巴氏 灭菌或消毒。另一种作法是，可在巴氏灭菌或消毒过程之后再添加那 些热不稳定的添加配料。再有，除了对饮料配料加热外，已知有其他 巴氏灭菌或消毒技术，如过滤、臭氧处理、以及紫外线或脉冲光处理。
所以，热巴氏灭菌或消毒的饮料的现有生产系统需要大量能量， 因此希望有更有效的系统。能最大限度地减少所需能量和对有价值的 配料(如某些香料、营养素和色素)的不合理加热(heat abuse)的系统 是所希望。当前的饮料生产批量混合技术不足以以希望的精度控制可 溶固体的含量。能提供改进的对最终白利糖度的控制的饮料生产系统 是人们所需要的。需要较小制造设备占地空间和为重新组合饮料的生 产占用较少时间和劳动的系统也是人们所希望的。
所以，本发明的一个目的是提供更有效的系统用于从浓缩物生产 热巴氏灭菌或消毒的饮料，该系统比传统工艺需要较少的能量。
本发明的再一个目的是提供更有效的系统用于从浓缩物生产热巴 氏灭菌或消毒的饮料，该系统比传统工艺造成热不稳定饮料成分的降 解小。
本发明的再一个目的是提供一种饮料生产系统，它改进了对最终 产品的添加剂和白利糖度的精度的控制。
本发明的再一个目的是提供一种系统，它与传统技术相比需要较 小的制造设备空间和使用较少时间和人力去生产重新组合的饮料。
发明内容
本发明提供系统和装置以满足这些目的和其他目的。本发明提供 一种改进的系统和装置用于由浓缩物生产热巴氏灭菌或消毒的饮料。 在优选实施例中，该饮料含有果汁。本发明提供一种改进的系统和装 置用于以热不稳定成份的最小降解来生产热巴氏灭菌或消毒的饮料。 本发明提供的生产这类饮料的系统和装置所需能量、设备占地空间、 人力和时间比先前需要的少，而且能更具体地控制白利糖度和其他添 加剂含量。总之，本发明的饮料是以更高的质量水平更高效率地生产 出来的。
附图说明
图1显示本发明一个实施例的示意图。
图2显示本发明另一实施例的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种系统和装置，用于从浓缩物线内生产热处理过的 饮料。本发明提供的生产这类饮料的系统和装置所需能量、设备空间 和时间比先前需要的少，而且能更精确地控制白利糖度含量。本发明 提供的生产这类饮料的系统和装置造成的添加剂降解最小。本发明的 饮料是以更高的质量水平更高效率地生产出来的。
本发明提供一个双流连续饮料混合工艺过程。热处理过的饮料的 生产包括得到足以对饮料进行巴氏灭菌或消毒的温度。首先提供加热 后的稀释剂。加热后的稀释剂主要包含水，还能包含其他成分，优选 的是那些热稳定成分，还能包含其他成分，优选的是那些热稳定成分。 稀释剂可由任何热源加热，如电阻、微波、射频、辐射和其他传导或 对流热源。优选地，稀释剂至少是部分地被传统的热交换器加热。受 热稀释剂的温度可是高于环境温度的任何温度，然而，当希望采用巴 氏灭菌的情况中稀释剂优选地至少被加热到大约185°F或在希望热消 毒的情况中加热到大约220°F。加热后的稀释剂在传统的线内保持管 中保存所需要的时间，以去除任何微生物污染物的活性。此外，稀释 剂可由过滤、臭氧处理、紫外线和脉冲光处理进行处理。
稀释剂被引导到两个液流中。在优选实施例中，加热是在两个液 流分离之前发生的。在另一些实施例中，对主稀释剂的加热是在主稀 释剂流和次级稀释剂流分流之后发生的。第一稀释剂流波控制和测量 (meter)，在主稀释结点处与被测量的饮料浓缩物组合，以得到有所希 望主白利糖度的主重新组合饮料溶液。饮料浓缩物可由正活塞泵或供 给泵向系统提供。
在一些优选实施例中，饮料浓缩物含有至少是一些果汁。在本发 明中可用作饮料的果汁包括但不限于橙汁、柚汁、柠檬汁、酸橙(lime) 汁、橘汁、苹果汁、梨汁、葡萄汁、樱桃汁、浆果汁、菠萝汁、桃汁、 杏汁、李子汁、梅汁、passion果汁、酸果蔓(cranberry)汁、或它们的 混合物。通常，果汁浓缩物的初始白利糖度约为45°至75°白利糖度。 在主稀释之后的重新组合的主白利糖度的优选值在15°至45°之间，更 优选值在约20°至30°白利糖度之间。本发明提供的是：在为达到饮料 的最终白利糖度所需的总稀释剂中，主稀释剂流能提供总稀释剂体积 的大约10％至90％，优选值为大约20％至70％，优选值为大约30％ 至65％，以及优选值为大约40％至60％。
在把主稀释剂与饮料浓缩物混合之前对主稀释剂加热，使得有多 倍的效率。主要地这使得在其后阶段为热巴氏灭菌或消毒稀释剂和饮 料浓缩物的混合物所需总能量较少，这是由于主稀释剂配料(水)有 较高的热传导性。再有，通过与预加热的主稀释剂混合，使饮料浓缩 物得到直接加热，这是最有效的可能加热形式，这与否则所需的对流 或传导间接加热的情况相反。再有，浓缩物和加热后的稀释剂的这种 受控的被计量的组合是在线内发生的，所以不需要单独的事先混合槽， 这显著地节省了时间和设备占地空间，否则的话，会需要3000至10000 加仑的混合槽。再有，混合浓缩物和稀释剂所需能量少于传统的实践 中所需能量，因为冷的/环境温度下(通常为10°至50°F)高度粘稠的 浓缩物与温的或热的水混合了。
然后，优选地，主重新组合溶液在线内静态混合器中被混合。然 后，主重新组合溶液被热巴氏灭菌。优选温度范围约175°至185°F， 或被热消毒，优选温度范围约195°至220°F，这是最终产品的分装和 存储所必须的。在这一阶段能使用一个热交换器以提高加热主重新组 合溶液的效率。当稀释剂在与浓缩物线内组合之前已被热消毒时，在 这一阶段由于被主稀释流直接加热使得不需要否则从冷的/环境温度 起加热主重新组合溶液所需要的极其大量的能量。一旦达到所希望的 巴氏灭菌或消毒温度，主重新组合溶液能在线内，例如一个传统的线 内保持管中，被保持必要的时间，以实现所需要的减少微生物。
优选地，第二稀释剂流是在稀释剂加热之前或之后从稀释剂供给 处分出来的，在次级稀释结点被计量和与主重新组合溶液线内组合， 以创建次级重新组合溶液。优选地，该次级重新组合溶液是通过计量 第二稀释剂流制备的，以达到所希望的约5°至15°白利糖度的最终饮 料白利糖度。例如，在橙汁的情况中，所希望的最终白利糖度约10° 至13°，优选值约11.8°，而且最终饮料的白利糖度约为11.80°。可选 地，次级重新组合溶液也能在线内静态混合器中被混合。
这一双流线内饮料生产工艺过程的次级稀释阶段允许对最终白利 糖度有更大的控制，所以能有更一致的和更高质量的饮料产品。本发 明提供对白利糖度的控制达到精度0.1°，优选值是达到0.01°白利糖度。 本发明提供的是：在为达到饮料的最终白利糖度所需的总稀释剂中， 第二稀释剂流能提供总稀释剂体积的大约10％至90％，优选值为大约 03％至80％，优选值为大约40％至75％，以及优选值为大约40％至 60％。
当稀释剂先前已被热消毒时，第二稀释剂流能在与主重新组合溶 液组合之前被冷却。第二稀释剂的冷却可用热交换器实现，以提高总 系统的效率。第二稀释剂的冷却使得在与主重新组合溶液组合时再次 提供很有效的直接热传送。这一系统比冷却整个重新组合饮料有显著 的更高的能量效率。如果产品已被巴氏灭菌，最终使次级重新组合溶 液冷却到约35°F可能是必要的，然而，如果产品已被消毒供上架稳定 (shelf-stable)存储，则优选是只需冷却到75°至85°F。
再有，本发明提供泵、流量计、控制阀、温度传感器和白利糖度 计，它们能在任何可操作阶段位于线内系统中。例如，一个正活塞泵 (displacement pump)能位于浓缩物保持槽和浓缩物与主稀释剂流结点 之间。流量控制阀能位于主稀释剂流和次级稀释剂流的线内，优选是 后面跟随流量汁。本发明中用于稀释剂流的流量控制阀能在人工控制 下或在一计算机处理器的自动控制下，该处理器接收来自流量计、温 度传感器、pH传感器、泵和白利糖度计的输入。这样，具有可编程逻 辑控制器的自动系统为有效地、连续地、双流、线内生产由浓缩物制 做的具有以高度控制的白利糖度的饮料提供了多级反馈和前向控制回 路。本发明考虑了为精确控制最终白利糖度而采用任何数量的后续稀 释剂流。
本发明提供：在任何可操作阶段可向线内系统提供附加的饮料添 加剂。这些添加剂能在一个或多个添加剂稀释剂流中提供。例如，可 根据添加剂合成物对热和酸的敏感性，在所要求的阶段向溶液中添加 维生素、矿物质、防腐剂、色素、香料、植物提取物或它们的组合。 热稳定的添加剂(如某些香料)和酸稳定/需要酸的添加剂(如钙盐) 能在热巴氏灭菌或消毒之前加入主重新组合饮料溶液。热不稳定的和 可溶于水的添加剂，如其他矿物质和香料，可作为后续添加剂稀释剂 流来加入，并能按需要进一步被过滤、臭氧处理、紫外线或脉冲光处 理，和与次级重新组合溶液线内混合。此外，热不稳定的不可溶于水 的添加剂，如某些香料、植物提取物和维生素，能由过滤、臭氧处理 或者紫外线或脉冲光处理进行消毒并直接添加到次级重新组合溶液 中。微生物培养物和碳酸化作用也能在对重新组合溶液进行热处理之 后添加，因为热交换过程影响这些配料。至此，这些添加剂都悬浮在 受监视的稀释剂流中，这一系统提供附加的其后重新组合的溶液和增 强的对最终白利糖度以及其他添加剂的控制。
所以，本发明还提供一种装置，用于线内生产由浓缩物重新组合 的、热处理过的、含有果汁的饮料。在一个实施例中，该装置包含稀 释剂控制阀、与下游第一稀释剂流流量控制阀进行流体通信 (communication)的稀释剂流量计、以及第一稀释剂流流量计。该装置 包含一个稀释剂加热器，它与第一稀释计流流量控制阀以及第一稀释 剂流流量计进行上游通信或下游通信。该装置进一步包含一个饮料浓 缩槽，它与饮料浓缩物控制阀以及饮料浓缩物流量计进行流体通信； 以及一个主重新组合结点，它与第一被加热的稀释剂流以及饮料浓缩 物进行下流流体通信，以产生主重新组合饮料溶液。该实施例进一步 包含一个主重新组合饮料溶液加热器，它与主重新组合结点进行下游 流体通信；以及一个最终白利糖度计，它与主重新组合饮料溶液加热 器进行下游通信。
在优选实施例中，该装置有一供给泵位于饮料浓缩物槽和浓缩物 与第一稀释剂流的主重新组合结点之间。在优选实施例中，稀释剂加 热器由电阻、微波、射频、辐射、传导或对流热源和/或热交换器来操 作。在优选实施例中，稀释剂加热器与一个下游线内保持管进行流体 通信，以使加热后的稀释剂保持一段时间，该时间足以去掉微生物污 染物的活性。在优选实施例中，主重新组合结点与下游线内静态混合 器以及上游主重新组合溶液加热器进行流体通信。在优选实施例中， 主重新组合溶液加热器由电阻、微波、射频、辐射、传导或对流热源 和/或热交换器来操作。在优选实施例中，主重新组合溶液加热器与下 游线内保持管进行流体通信以使加热后的稀释剂保持一段时间，该时 间足以去掉微生物污染物的活性。
本发明在某些实施例中提供第二稀释剂流流量控制阀和第二稀释 剂流流量计。优选地，次级稀释剂流在稀释剂分流器处与稀释剂及主 稀释剂流分流。在一些实施例中，稀释剂分流器在稀释剂加热器的上 游，在另一些实施例中，稀释剂分流器在稀释剂加热器的下游。该装 置次级重新组合结点，它与主重新组合溶液及次级稀释剂流进行下游 流体通信以产生次级重新组合饮料溶液。在优选实施例中，该装置进 一步包含一个线内静态混合器，它与次级重新组合结点及最终白利糖 度计进行下游通信。在一般的重新组合饮料系统中，该产品然后进入 装填器或无菌缓冲槽(surge tank)，它与一个可选的最终冷却器通信。
在其他优选实施例中，该装置进一步包含次级稀释剂冷却器，它 与第二稀释剂流流量计进行下游流体通信并与次级重新组合结点进行 上游流体通信。在优选实施例中，冷却器是一个热交换器。再有，该 装置能包含一个加压保持槽，位于次级稀释剂冷却器的下游，后面跟 随正活塞泵和流量计以精确控制次级稀释剂与主重新组合饮料溶液相 加。
在其他优选实施例中，该装置进一步包含一个热不稳定的可溶于 水的添加剂稀释剂流与添加剂结点，它与次级的或另一个稀释剂流进 行流体通信。在优选实施例中，该装置进一步包含一个热稳定添加剂 稀释剂流与添加剂结点，它与加热器上游的主重新组合溶液进行流体 通信。在其他优选实施例中，该装置进一步包含一个热不稳定不溶于 水的添加剂稀释剂流与添加剂结点，它与次级重新组合溶液进行流体 通信。在优选实施例中，稀释剂流的流量控制阀在人工控制下或由处 理器自动控制，该处理器接收来自流量计、温度传感器和至少一个白 利糖度计的输入。
本发明提供各种装置用于上述发明。在本说明书中的短语“通信” 或“流体通信”是指该装置提供了一个管道供流体在两个部件之间连 续流动，而术语“上游”和“下游”一般指装置内的相对位置，然而， 应该理解，该装置的其他部件(例如，但不限于，流量计、阀、管道 等)也可位于其间。
参考图1，一个示例装置包括：与稀释剂加热器20进行流体通信 的稀释剂供给控制阀10。在大多数情况下，稀释剂只不过是水，然而 也可存在其他成分，如热稳定的添加剂。所示流量计15用于监视进入 系统的稀释剂量。所示线内保持管25用于保持稀释剂必要的时间以去 掉微生物污染物的活性。去掉污染物活性是指减少会对产品有有害作 用的至少是一些化合物或有机物，如细菌。稀释剂能由热源加热，如 电阻、微波、射频、辐射和其他传导的或对流的热源。优选地，稀释 剂部分地由传统热交换器加热。加热后的稀释剂的温度可以是高于环 境温度的任何温度，以实现本发明的效率，然而，优选地，在希望进 行巴氏灭菌的情况下稀释剂被加热到至少约185°F，而在希望热消毒 的情况下约为220°F。
然后，加热后的稀释剂在稀释剂分流器30处被引导到两个液流 中。第一稀释剂流穿过流量计40和控制阀35，在主稀释剂结点45处 与计量的果汁浓缩物流组合。果汁浓缩物来自浓缩物槽50，并在进入 主稀释剂结点45之前穿过供给泵55和流量汁60。然后，组合后的主 重新组合溶液在静态混合器65中混合，之后流向主重新组合溶液加热 器70。通常，果汁浓缩物的初始白利糖度约为60。在主稀释之后的重 新组合主白利糖度的优选值在约30和35之间。
因为稀释剂是在它与果汁饮料浓缩物混合之前被加热的，在这一 阶段为对稀释剂和饮料浓缩物的热巴氏灭菌或消毒辣所需能量较少。 主重新组合溶液或被热巴氏灭菌，其优选温度范围为约175°至185°F， 或被热消毒，其优选温度范围为约195°至220°F，如所希望的最终产 品分装和存储所必须的那样。在这一阶段可使用热交换器提供主重新 组合溶液所需任何热量，以得到处理温度。一旦达到所希望的巴氏灭 菌或消毒温度，主重新组合溶液能线内保持在传统的线内保持管75 中，保持为减少微生物所需的时间。
热处理后的主重新组合溶液在线内与第二稀释剂组合，以产生次 级重新组合溶液。第二阶段稀释剂允许操作员达到所希望的最终果汁 饮料近似白利糖度，例如约5°至15°，或10°至13°，或优选约为11.8° 或11.80°。优选地，通过将主重新组合溶溶与来自加热后稀释剂的稀 释剂分流器30的第二稀释剂流组合，制备这种次级重新组合溶液。第 二稀释剂也可由单独的源提供。
第二稀释剂被引导到冷却器(如热交换器)95中，然后到达与主 重新组合溶液的次级稀释结点80。因为第二稀释剂被冷却，优选为 35°F，所以为冷却主重新组合溶液所需能量较少。第二稀释剂被引导 到巴氏灭菌保持槽92并继续到正活塞泵98和流量计90。所示第二稀 释剂被引导通过流量控制阀85。在此之后，次级重新组合饮料溶液在 一个线内静态混合器100中被混合并在白利糖度计110处确定白利糖 度。在饮料需要冷冻的情况中，例如被巴氏灭菌的饮料，提供额外的 冷却器115。所示实施例提供一个背压阀105。
本发明提供：在任何可操作的阶段，附加的果汁饮料添加剂可提 供给线内系统。例如，可根据添加成分对热和酸的敏感性在所需要的 阶段添加维生素、矿物质、防腐剂、色素、香料、植物提取物、微生 物培养物或它们的组合。图2显示一种配置，其中稀释剂控制阀200 在稀释剂分流器205处被分流为2个流，其中主稀释剂流在进入稀释 剂加热器220之前穿过流量计215和控制阀210。加热后的主稀释剂 流在主稀释剂结点225处与果汁浓缩物组合。所示浓缩物来源于浓缩 物槽230，白利糖度约65°，穿过主稀释剂结点225上游的馈送泵235 及流量计240。在此之后，主重新组合溶液穿过静态混合器245，在果 汁的情况下，得到白利糖度约30°。
主重新组合溶液在热稳定添加剂结点250与热稳定添加剂组合， 如某些营养素和香料，然后进行热巴氏灭菌。这些成分在穿过馈送泵 252和流量计253传送之前保持在热稳定添加剂槽251中。应该理解， 在这一阶段可有多种不同的热稳定添加剂与主重新组合饮料溶液组 合。例如，可以添加多个添加剂流，用于溶于水的、基于酒精的或不 溶于水的物质。在这一阶段可添加矿物质，如钙盐，它要求饮料中的 酸性留在溶液内。流量计253将跟踪稀释效应，以实现具有所希望的 白利糖度的最终产品。可编程逻辑控制器能监视和控制浓缩物、稀释 剂和添加剂的每个流的流量、压强、温度、pH和/或白利糖度，以保 证准确地遵循每个饮料产品的配方。
添加剂和重新组合的饮料在静态混合器235中被彻底混合并被引 导到加热器260，用于在175°F至185°F进行巴氏灭菌或在195°F至 220°F进行消毒。保持管265使溶液在加热后的温度保持必要的时间 以去掉任何微生物污染物的活性。对于那些消毒后的产品，饮料溶液 被引入冷却器270。在次级稀释结点275，主重新组合溶液(含有热稳 定添加剂)与第二稀释剂组合。第二稀释剂是在稀释剂分流器205处 从水稀释剂流中分流来的，该流在流量计285处被监视并在阀280处 受控制。此外，第二稀释剂流在添加剂结点290与热不稳定的溶于水 的添加剂组合，例如某些营养素和香料。那些添加剂从槽295经由供 给泵300、流量计310以及控制阀305提供给添加剂结点290。还提供 一个混合器313用于混合添加剂和第二稀释剂流。到此时这些或其他 添加剂悬浮在附加的稀释剂中，这一系统提供三元的或更多元的重新 组合溶液以及增强了的对最终白利糖度的控制。
可选地，在静态混合器313之前或在此之后可向第二稀释剂流添 加植物提取物。含有热不稳定、可溶于水添加剂的第二稀释剂流在站 点315处被过滤、臭氧、紫外线或脉冲光处理，以去掉微生物污染物 的活性。在此之后，次级稀释剂流被引向热交换冷却器320。
在次级稀释结点275，主重新组合饮料溶液与次级稀释流组合， 形成次级重新组合溶液。在添加剂结点330，次级重新组合溶液与来 自槽335通过馈送泵340并由流量计345监视的热不稳定、不溶于水 的添加剂(如某些香料和维生素)组合。在阶段350，这一添加剂混 合物能由过滤、臭氧或紫外线或脉冲光处理进行消毒，然后被引向冷 却器355和与次级重新组合饮料溶液的结点330。可选地，可在站点 325向次级重新组合饮料溶液添加有益微生物培养物。次级重新组合 饮料溶液作为具有受监视量的辅助添加剂稀释剂的重新组合产物，被 传送通过静态混合器360、背压阀362并在白利糖度计365处被监视 以得到希望的白利糖度，并由流量计370监视其流速。在站点375能 添加碳酸盐。于是果汁饮料可以填入容器或无菌存储槽。
本领域技术人员在阅读了本说明和所附权利要求之后，本发明的 这些或其他特点和实施例将是显然的。这一描述中的实施例不是要限 定权利要求的范围，而是要作为这里考虑的本发明全部范围和精神的 示例。