技术领域
[0001] 本
发明涉及开环或闭环控制液体食品产品的加工，尤其是果汁或蔬菜汁，其中，在液体食品产品的加工中，后者的粘度必须加以考虑。
背景技术
[0002] 在液体加工中，这些液体的粘度往往起着重要的作用。举例来说，在传送工序中，粘度由于其影响
边界层进程而必须被考虑。工序技术的作用，比如，采用
泵的
水力运输，
传热技术，混合工序，分离技术直到产品灌装，受到了液体粘度的决定性的影响。考虑到粘度在与液体食品产品的加工相关的过程中尤其重要，比如果汁或蔬菜汁，
牛奶或
啤酒。采用瞬时
巴氏灭菌器对液体食品巴氏杀菌中，
热交换器，比如加热板或加
热管，的尺寸必须考虑待巴氏灭菌的液体食品产品的粘度。如果，由于粘度，热交换器的面积小于成功巴氏灭菌所需面积，则被加工的液体食品产品没有被充分的加热或冷却。
[0003] 然而，粘度是一个测量值，其只能在加工液体食品产品的装置的工作期间而困难地获得。
非牛顿流体，尤其是假塑性介质的粘度的测量是非常困难的，因为这些介质表现出在
剪切速率上相对高的粘度依赖性，特别是在相对低的剪切速率下。虽然粘度可以在实验室中（离线）进行测量，例如，采用有不同剪切速率的旋转流变仪，但是当装置正在运行期间处于加工过程中（在线）的液体食品产品的不同剪切速率的粘度的测量值是很难获得的。
[0004]
现有技术中已知，在高于1000s-1的相对高的剪切速率下在线测量液体食品产品的粘度。对于高可靠性的牛顿介质，这是可能的，比如，借助于Endress+Hauser GmbH und Co.KG公司的
质量流量计（Promass）83I。然而，对于较低的剪切速率和假塑性介质，比如，尤其是果汁或蔬菜汁，无法确定粘度，并且总之，据知，没有对已经确定了粘度的介质加工的装置进行开环或闭环控制。因此，本发明的目的是提供一种控制方法，通过开环或闭环来控制液体食品产品的加工，该液体食品产品考虑到了在生产线上的工作设备上的液体食品产品的粘度，其通常不在测量点或测量设备的剪切速率范围内。
发明内容
[0005] 根据
权利要求1的方法来实现上述目的。所要求保护的通过开环或闭环控制来控制液体食品产品的加工方法，包括步骤：
[0006] 提供从液体食品产品的粘度对剪切速率的依赖性的数学建模得到的数据;
[0007] 在测量点测量在预定的剪切速率下待加工的液体食品产品的粘度；和[0008] 对应于在测量点测量的粘度和基于已提供的数据，通过开环或闭环控制，来控制位于测量点下游（在生产线上位于测量点下游的）的工作设备上的液体食品产品的加工。
[0009] 在液体食品产品的加工中，除其他方面以外，工作设备上待加工的液体食品产品的粘度必须被考虑，才能够确保完美的加工。工作设备可以是，例如瞬时巴氏灭菌器，液体食品产品可以是果汁或蔬菜汁。
[0010] 在生产线上，待加工液体食品产品的粘度在测量点处被测量。然而，为了工作设备的完美操作，它不是在测量点时的相关粘度，而是在工作设备自身上时的粘度。但是，在这里直接的粘度测量是不可能的。另一方面，工作设备上的剪切速率不同于在测量点处的剪切速率。
[0011] 测量设备还可能不根据当前剪切速率来测量实际粘度，而是在较大程度上偏离的剪切速率范围内实施测量，但通过其固有的测量原则，剪切速率的范围是已知的。
[0012] 根据本发明，提供一个数据记录，它描述了若干液体食品产品样品的粘度和剪切速率之间的关系。数据记录可包括，例如，一组的粘度对剪切速率的曲线或这些曲线的参数体系。数据还可以包括表征单个液体食品产品的流变参数。测量的待加工液体食品产品的粘度可与已提供的数据相关。例如，某一假塑性模型可被作为
基础数据，并被应用到待加工的液体食品产品中。例如，针对某种液体食品产品已存储数据，将某一测量值与在该预先设定的剪切率下的粘度的可比较值匹配，能够获得起自这个测量值的在这个工作设备下的待加工液体食品产品的粘度信息（也比照下面的详细描述）。
[0013] 粘度的
温度依赖性代表了用于表征液体食品产品的数据记录的另一个
自由度。
[0014] 基于这个数据记录和在预定剪切速率下测量的待加工的液体食品产品的粘度，工作设备可被，通过开环或闭环控制，控制。这方面的细节将在下面被描述。总之，本发明的方法的优点在于可以避免在液体食品产品加工中的差错，因为液体食品产品的粘度可被重点考虑，尽管无法在工作设备上直接测量得到该粘度。例如，如果认为这是必须的，可以关闭工作设备。
[0015] 根据进一步的改进，基于在至少一个剪切速率下测量的液体食品产品粘度来进行建模。因此，获得的数据是基于粘度测量和对应该剪切速率的液体食品产品的粘度的模型描述。可在实验室中实施测量，例如采用旋转流变仪。应当强调的是，待加工的液体食品产品不必与下述这些液体食品产品之一相同，针对在提供的剪切速率下从液体食品产品的粘度依赖性的数学建模得到的数据，或针对在至少一个剪切速率下基于粘度测量进行的建模。
[0016] 建模本身可基于Cox-Merz关系来实施。后者特别允许粘度作为从粘度振荡测量得到的剪切速率的函数来测量（剪切速率=施加在振荡测量中的振荡
角频率）。根据Cox-Merz关系，
剪切粘度与在相同的剪切速率和角频率下的复粘度的绝对值很好地一致。
[0017] 通常，假塑性液体食品可以由大量的带有和不带有屈服点的数学模型来表述。这些也被称为粘度函数或流量曲线。与果汁相关性最好的流量曲线是那些根据Casson,Bingham,Herschel-Bulkley,或Ostwald-de-Waele的流量曲线。
[0018] 特别地，可以根据Ostwald-de-Waele关系式 来建模，其中η和 代表粘度和剪切速率，而K和m代表稠度和流动指数。在这种情况下，数据可包括大量液体食品产品的m（可能以及K）值，基于该数据开环或闭环控制在工作设备上的液体食品产品的加工，其中方法包括确定液体食品产品的m值和基于液体食品产品的测量的m（可能以及K）值通过开环或闭环控制来实施控制（见下面详细说明）。Ostwald-de-Waele关系式尤其适用于描述流动的果汁或蔬菜汁的粘度和剪切速率之间关系。
[0019] 特别地，可提供包含边际产品信息的配方，比如，m和K值。边际产品的数据值可跨越一个参数空间，该参数空间定义了可完美加工的参数范围。
[0020] 根据进一步的改进，当确定的液体食品产品的m值超过第一预定限值和/或低于第二预定限值时，可停止工作设备上的液体食品产品的加工。这种方式下，其尤其可避免生产废品或使重复加工成为必须。所提供的数据可包括各种液体食品产品的配方的数据记录。此处的每个数据记录包括对应于边际产品上限和下限。第一和第二预定限值可从一个数据记录中读出。
[0021] 通常，在本发明方法的上述例子中，对应于液体食品产品的粘度的测量，可增加或降低液体食品产品的流量，和/或可增加或降低液体食品产品的流量的压力。此外，或作为一种替代，相应于液体食品产品的粘度测量，可稀释或增稠液体食品产品。例如，基于粘度测量和提供的数据，可以确定，在瞬时巴氏灭菌器（作为工作设备）上将要巴氏灭菌的果汁（作为液体食品产品）的粘度太低以至于瞬时巴氏灭菌器的板或管的尺寸不能确保充分的加热和可选的随后的冷却。这个例子中，没有达到所需的温度界线。这种情况下，为此（增加水果比例），可增稠果汁，或可降低流量或压强。同样地，可在线影响降低压强，比如，通过开环/闭环控制来调整/控制待加工的液体食品产品的流量。
[0022] 从上述说明中很清楚地得知，在本发明中，液体食品产品的粘度对剪切速率具有依赖性的考虑起到很重要的作用。待加工的液体食品产品的粘度是在预定剪切速率下测量。根据一个典型的Ostwald-de-Waele的关系，例如，人们可从在不同于预定剪切速率的剪切速率下的粘度的测量，得出结论。液体食品产品本地当前的平均剪切速率可以，例如，根据管道输送的近似公式
[0023] 它特别的描述了对传热起决定性作用的管壁处的剪切速率。因此，用这个公式计算的平均剪切速率 是流量 和当其通过管道半径R描述时的管路系统的当前几何形状的函数。
[0024] 上述目的还通过用于加工液体食品产品的装置的开环或闭环控制设备来实现，其包括：
[0025] 一个
存储器，用于存储从液体食品产品的对剪切速率（例如，如上述与本发明的方法相关的描述）有依赖性的粘度的数学建模得到的数据;
[0026] 一个控制单元，对应于待加工食品产品在测量点处并在预定剪切速率下的粘度和基于存储的数据，通过开环或闭环控制，来控制位于测量点下游的工作设备上的液体食品产品的加工。
[0027] 同样地，上述目的通过加工设备，特别是瞬时巴氏灭菌器，来实现的，其用于牛顿型液体或假塑性食品产品，特别是果汁或蔬菜汁，的加工，包括
[0028] 一个测量点，用于在液体食品产品的预定剪切速率下测量液体食品产品的粘度；
[0029] 一个工作设备，用于加工液体食品产品，所提供的工作设备位于测量点的下游；和[0030] 上述的开环或闭环控制设备。
[0031] 上述方法的所有
实施例可在所述的设备中实施。
[0032] 在所有上述的实施例中，液体食品产品也可以是（多
块状）悬浮液或浆（pulp）或糊状物（mash）或含
纤维的液体。它也可以是一种具有确定的流量限制的液体食品产品。这里还应包括有壁面滑移效应倾向的悬浮液。
[0033] 根据上面的描述，在测量点测量在预定剪切速率下的待加工的液体食品产品的粘度然后在已知工作设备的剪切速率的情况下在该点得出在工作设备上的粘度是很有可能的。因此，还提供了一种方法，用于确定在用来加工液体食品产品的工作设备上的液体食品产品的粘度，其包括步骤
[0034] 提供从液体食品产品的粘度对剪切速率的依赖性（例如，基于Ostwald-de-Waele关系式）的数学模型中得到的数据；
[0035] 在测量点并在液体食品产品的预定剪切速率下测量液体食品产品的粘度；和[0036] 基于存储的数据，确定在不同于预定的剪切速率的液体食品产品的第二剪切速率下的液体食品产品的粘度。
[0037] 可以对应于这种方式确定的粘度来控制工作设备。
附图说明
[0038] 下面，参照附图来描述本发明的方法实施例。所描述的实施例被认为在各方面仅做为说明而不是限制，并且所述特征的各种组合也包括在本发明中。
[0039] 图1示出了一条生产线，其具有用于测量液体食品粘度的测量设备，用于加工液体食品的工作设备，和用于控制工作设备的控制设备。
[0040] 如图2通过示例的方式示出，以双对数表示的苍
耳烷样品的粘度相对于该剪切速率的测量结果，和用于确定Ostwald-de-Waele关系的最佳匹配线。
[0041] 图3示出，对于典型的边际产品，边际产品的相应的流动指数mto（p m顶）和mbottom（m底）的Ostwald-de-Waele关系。
具体实施方式
[0042] 图1示出了一条生产线，其具有用于测量液体食品粘度的测量设备1，用于加工液体食品的工作设备2，以及一方面基于测量的粘度值和另一方面基于存储器4中的存储的数据来控制工作设备的控制设备3。在所示的实施例中，液体食品可以是果汁，和工作设备2可以是瞬时巴氏灭菌器或用于果汁巴氏灭菌的超高温（UHT）巴氏灭菌器。下面，将进一步假定，工作设备2是用于加热果汁的瞬时巴氏灭菌器（FP）。当然，本发明并不以这种具体的方式限制工作设备2或液体食品产品。
[0043] FP的尺寸主要取决于待加工的液体食品的粘度。当它被提供给客户时，FP，可以是
板式换热器或管式热交换器，其尺寸被设计为用于典型的应用。然而，不能排除客户使用具有用于果汁的FP的生产线，其果汁的粘度不允许FP提供足够的热量。在其他方面，本发明用于避免在这种情况下生产废品。
[0044] 在测量设备1上测量待巴氏灭菌的果汁在预定剪切速率下的粘度。这种测量可被实施，例如，借助于Endress+Hauser GmbH und Co.KG公司的质量流量计（Promass）83l。例-1如，测量粘度处的预定的剪切速率可为5000s 。测得的粘度被输入控制设备3。后者可
访问存储器4，存储器4存储有可与打算待加工的液体食品产品不同的大量的液体食品产品（尤其是关于其假塑性体特性）的数据。所述数据基于液体食品产品的建模，该建模描述了他们各自的粘度和剪切速率的关系。因此，在本实施例中，在生产线工作前，获得了大量果汁的数据，并存储在存储器4中。
[0045] 特别是，存储器4中可存储有各种果汁配方或果汁种类，每个表征多个液体食品产品，其中它们包括有边际产品的值，使得这些值定义了一个参数范围，在该参数范围内允许在工作设备2上进行完美的加工。
[0046] 更确切地，在这个例子中，应用了Ostwald-de-Waele关系式 其中，η和代表粘度和剪切速率，而K和m代表稠度和流动指数。采用旋转流变测量法（rotational rheometry）来确定一些果汁的K和m。为此，对于每个果汁样品，在不同的剪切速率下进行至少粘度的测量，然后从中确定流变参数K和m，假设Ostwald-de-Waele关系式是有效的，参数决定性地确定了果汁的假塑性体特性。
[0047] 图2示出了一个使用双对数表示法测量的例子和最佳的结果线（拟合线），采用苍耳烷样品为例。苍耳烷是一种常见的饮料成分，与很多果汁表现出类似的流动性。示出的-1测得的值来自于旋转流变测量，其剪切速率位于与加工工艺有关的ca.100到ca.1000s 的-1
范围内，并且示出了借助于质量流量计（Promass）83I（质量流量测量装置）在5000s 的剪切速率下测量的测量值。流动指数m可清楚地由最佳线的斜率来确定。存储所有果汁样品的K和m，FP可保证对所有果汁样品的充分的巴氏灭菌。
[0048] 图3通过例子示出了（不按比例）实验确定的具有
选定配方的边际产品的粘度对剪切速率的依赖性，FP对该选定配方仍勉强可靠运行。对应于粘度区间 的最大斜率mtop和最小斜率mbottom结果，取决于工作设备4的设计和典型使用的流量，在粘度区间 内，工作设备4上的粘度针对在区间 内的实际出现的不同的剪切速率而出现，对在该粘度区间 内的粘度可保证完美加工。如果有粘度大于区间 则发生
过热。对于粘度低于区间 则加热不充分。如果当前基于待加工液体食品产品的粘度的测量，确定的m值大于mtop或小于mbottom，那么在FP处的生产线，尤其是巴士灭菌，可停止。作为一种替代，液体食品产品的流量或压强或稀释度/浓度可通过开环或闭环控制来被控制，因此，改变FP处的待加工液体食品产品的粘度直到它能完美地工作。在
冷却液体食品产品的情况下可使用类似的过程。
[0049] 在最简单的情况下，生产线的操作员可以输入待加工液体食品产品的K和m到控制设备3，然后，
控制器3通过直接与存储的m值相匹配能确定待加工液体食品产品是否适合借助于FP来巴氏灭菌。一般情况下，操作员不知道确切的流变参数。因此，借助于测量设备1的质量流量装置来测量粘度。通过与存储在存储器4中的数据相匹配，控制设备3能够确定，特别是在预选配方之后，每个液体食品产品，这里是果汁，是否适合由工作设备2加工，这里是FP。可以确定，例如，在预定剪切速率下，在测量设备1实施粘度测量时，这里指比如5000s-1，哪个存储的粘度值最接近测量设备1测量的粘度值。如果匹配此粘度值的直线的相应的m值在粘度-剪切速率图表内位于mbottom和mtop之间，则控制设备3将确定工作设备2的加工可成功完成。
[0050] 在一个
变形中，所描述的系统可结合用于确定其他参数的第二或第三系统，比如
颜色或
密度或电导性或pH值等，以确保和提高粘度测量的确定性和可靠性（拟通过冗余数据的交叉相关性）。
[0051] 系统的操作员必须选择正确的配方。如果他有意或无意地选择了用于其他产品的错误的配方，自然，无法保证液体食品产品的完美加工。
[0052] 假设生产线包括一台质量流量计（Promass）83l作为测量设备1。当然，可使用其他设备。质量流量计（Promass）83l的测量可被校准，针对一比较粘度，比如500s-1，通过已知其m和K的Ostwald-de-Waele关系式，推断5000s-1的剪切速率下的质量流量计测量点，然后采用旋转流变比较测量来比较它们。偏差可用于校准（移动以双对数表示的直线）。通过与系统相关的壁
滑移率来校正质量流量测量也是有益的。此外，例如考虑到随温度升高动态粘度降低，可根据Arrhenius-Andrade关系或Vogel-Fulcher-Tammann方程式来实施温度校正。此外，当悬浮液待加工时，根据爱因斯坦模型η=η0(1+2.5Φ)实现测得的粘度的校正，其中η0是悬浮液的粘度，而Φ<<1是固体的体积分数。
