金 拯
(1.上海與進智能科技有限公司,上海 201800;2.煙臺睿加節(jié)能科技有限公司,山東 煙臺 264000)
我國幅員遼闊、物產(chǎn)豐富,是水果和蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工和消費大國。水果和蔬菜產(chǎn)量穩(wěn)步增長,多年來穩(wěn)居世界第一,2018年我國水果和蔬菜總產(chǎn)量分別達2.57億噸和7.03億噸,農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)快速發(fā)展[1]。
農(nóng)產(chǎn)品加工通常需要使用清洗設(shè)備,在加工的開始、中間和末尾都可能會有清洗的工序。清洗設(shè)備種類較多,如氣泡清洗機、毛刷清洗機和高壓水清洗機等,有非連續(xù)式清洗和連續(xù)式清洗方式,根據(jù)具體情況可以用單臺設(shè)備或由多臺設(shè)備組成的生產(chǎn)線清洗。
理想的情況是物料經(jīng)過清洗后能夠被清洗干凈而雜質(zhì)也被收集去除。清洗設(shè)備中雜質(zhì)的去除(以下簡稱去雜)和清洗同樣重要,分析清洗和去雜的技術(shù)有助于設(shè)計和應(yīng)用清洗設(shè)備,避免設(shè)備性能出現(xiàn)“短板”。
食品的清洗以水洗為主[2-3],農(nóng)產(chǎn)品常用水浸式清洗,其優(yōu)點是物料不容易受到損傷[3-4],水浸式清洗設(shè)備中主要有氣泡清洗機和渦流清洗機等[5]。
氣泡清洗機中非連續(xù)式和連續(xù)式兩種較為常用,可執(zhí)行粗清洗或精清洗。圖1是氣泡清洗機原理圖,氣泡清洗機工作原理是在清洗水池中不斷產(chǎn)生無數(shù)的氣泡,氣泡在水中變化和運動使物料、水運動且相互作用,空化現(xiàn)象也對物料產(chǎn)生沖擊和刷洗的作用,從而使物料得到清洗[4,6-8]。
圖1 氣泡清洗機原理圖
渦流清洗機(也稱渦旋清洗機),一般用于連續(xù)式清洗,圖2是一種渦流清洗機結(jié)構(gòu)示意圖,圖3是渦流清洗機出料端的照片。物料從進料端輸入清洗池中,循環(huán)水泵工作并從側(cè)面進水孔和端部進水孔等向清洗池中噴射水流,淹沒水射流沖刷物料并推動物料向前螺旋式運動,水、物料之間不斷進行相互作用,使雜質(zhì)從物料上脫落,從而實現(xiàn)清洗[9-12]。
圖2 渦流清洗機結(jié)構(gòu)示意圖
圖3 渦流清洗機出料端
農(nóng)產(chǎn)品中常有較多的、各式各樣的雜質(zhì),特別是可見的雜質(zhì),一般有灰塵、泥土、砂石、草屑、毛發(fā)、小蟲、血(污水)、泡沫、金屬、塑料等異物以及物料在加工中產(chǎn)生的細絲和碎片等。水浸式清洗在水中下沉的雜質(zhì)通過沉淀去除,水中漂浮的雜質(zhì)在清洗設(shè)備中的去除方法主要有以下幾種。
1)通過欄板上的孔,如圖1、圖4所示,是一種欄板的照片,部分小于孔的雜質(zhì)可以通過欄板的孔而從物料中分離出去并去除。
圖4 欄板結(jié)構(gòu)
2)利用毛刷輥,如圖5所示,裝置表面是毛刷的轉(zhuǎn)輥,毛刷把經(jīng)過的毛發(fā)等部分雜質(zhì)黏住而使其脫離物料。
圖5 毛刷輥結(jié)構(gòu)
3)使用轉(zhuǎn)籠去雜裝置(也稱除蟲器),如圖2、圖3和圖6所示,在水面設(shè)置空心轉(zhuǎn)筒,轉(zhuǎn)筒表面有孔,部分小蟲等小于孔的雜質(zhì)可以通過孔進入轉(zhuǎn)筒內(nèi)部并經(jīng)泄流口排出。
圖6 轉(zhuǎn)籠去雜裝置結(jié)構(gòu)
4)通過振動器的孔,如圖2、圖3所示,振動器是一有孔的振動濾水板機構(gòu),部分小于孔的雜質(zhì)在振動器的振動輸送中從孔中落下而去除。
農(nóng)產(chǎn)品清洗設(shè)備中去雜的機構(gòu)有欄板、毛刷輥、轉(zhuǎn)籠去雜裝置和振動器等,從結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題如下。
1)欄板、轉(zhuǎn)籠去雜裝置和振動器上的孔不是足夠大,雜質(zhì)分離的大小有局限性,如圖3、圖4所示,并且孔可能會被物料遮擋,水力作用下會出現(xiàn)物料容易黏在或卡在孔上的情況,孔一般不能隨意更換來滿足更多雜質(zhì)的去除,這些都會影響去雜的效果。
2)轉(zhuǎn)籠去雜裝置、毛刷輥和振動器都是處在清洗機局部的位置去雜,接觸面積有限,與雜質(zhì)接觸的機會和時間也有限。
3)對于氣泡清洗,在水池中輸入幾千帕到50千帕氣壓的空氣即可實現(xiàn)良好的清洗效果,故氣體壓力不大,但是過濾孔兩側(cè)的壓差不大也影響去雜效果。
大多數(shù)的水果蔬菜等物料密度較小,在水中是漂浮的,使得草屑、毛發(fā)、小蟲、蝸牛和蒼蠅等密度較小的雜質(zhì)混在物料中難以分離,這類雜質(zhì)目前一般以過濾或黏的方法去除,如欄板、轉(zhuǎn)籠去雜裝置或毛刷輥等[8]。
過濾的去雜效果取決于過濾孔的大小、過濾面積和過濾孔兩側(cè)的作用力等因素。由此分析目前常用的清洗設(shè)備存在著去雜不足的問題,特別是混在農(nóng)產(chǎn)品物料中體積較大而密度較小的雜質(zhì)在經(jīng)過清洗設(shè)備清洗后難于去除或沒有去除,清洗設(shè)備容易表現(xiàn)為以清洗為目的而去雜僅流于形式,去雜不充分和效率低,所以去雜效果尚不能和清洗效果相媲美。
1)清洗設(shè)備如果去雜不足,雜質(zhì)在物料中只是脫落而沒有除去,清洗后雜質(zhì)仍然會和物料混合,清洗的結(jié)果存在問題,去雜成為清洗設(shè)備性能的“短板”。
2)清洗和去雜不盡相同,在清洗設(shè)備中清洗和去雜有不同的技術(shù),因為一般來說,清洗時間越長、物料運動路程越長則清洗效果越好,但是由于清洗設(shè)備中的空間有限,為了充分去雜,同時也為了減少對清洗水和物料的污染,故需要雜質(zhì)盡快地從物料中分離出去,所以去雜以時間短、運動路程短為宜。
3)去雜應(yīng)該是各種雜質(zhì)的綜合清除,欄板、毛刷輥和轉(zhuǎn)籠去雜裝置等發(fā)揮的作用很大程度地影響清洗設(shè)備總體的性能,因此在設(shè)計和應(yīng)用時建議考慮兩點。一是去雜的有效性,清洗設(shè)備中的機構(gòu)一般是不可隨便更換的,鑒于雜質(zhì)的多樣化,使過濾孔的大小能夠根據(jù)物料的情況更換,以適應(yīng)不同大小雜質(zhì)去除的需要,有利于提高去雜的效果,并且設(shè)備的使用范圍可以更廣,例如,當清洗毛豆或圣女果等時可以用小孔徑的過濾孔,而同一臺清洗設(shè)備當清洗青椒或菠菜等時可換用大孔徑的過濾孔。二是去雜的連續(xù)性,如圖2、圖3、圖5和圖6中所示,轉(zhuǎn)籠去雜裝置、毛刷輥和振動器是在一個局部的位置處進行去雜的,接觸面積有限,接觸時間短,缺乏連續(xù)性,如果能夠全程去雜,可以提高去雜的效果,使去雜充分,例如,在清洗池的一邊布置連續(xù)的、長條狀的過濾機構(gòu)。
圖7是一種新型清洗設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖,其特征是在物料池水面區(qū)域的單側(cè)或雙側(cè)向物料池中水射流和物料池中氣泡的清洗作用,并且在物料池的側(cè)面設(shè)有過濾機構(gòu)。
圖7 一種新型清洗設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖
1)清洗方面,該清洗設(shè)備兼有氣泡清洗和水射流清洗。氣泡和水面區(qū)域雙向或逆向水射流共同作用于物料,因為氣泡水的翻騰以及大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)品浮在水面區(qū)域,所以理論上存在氣泡和水射流疊加清洗的效應(yīng),經(jīng)過樣機使用和實驗,證明其具有較好的清洗效果。
2)去雜方面,循環(huán)水從一側(cè)或多側(cè)向物料池中水射流,沖刷物料并使物料運動,小于過濾網(wǎng)孔的漂浮雜質(zhì)隨著循環(huán)水通過側(cè)面的過濾機構(gòu)(濾網(wǎng)),然后在設(shè)備外被除去,水再被送回池內(nèi)形成循環(huán),物料則被過濾機構(gòu)(濾網(wǎng))阻擋而留在物料池中。該結(jié)構(gòu)可較好地解決密度較小雜質(zhì)去除難的問題,結(jié)合密度較大雜質(zhì)在物料池中沉淀去除,形成了較為全面系統(tǒng)的去雜。逆循環(huán)水流的水射流可以把過濾機構(gòu)前的物料推開,避免物料貼在物料池壁上,在過濾機構(gòu)前維持動態(tài)的平衡。過濾孔的大小可以隨時更換,因為過濾網(wǎng)方便裝拆更換,且可以沿著側(cè)邊全程設(shè)置,所以符合上述去雜的有效性和連續(xù)性。
清洗和去雜功能均衡協(xié)調(diào),相輔相成,清洗和去雜同機實施,同時發(fā)揮效用,去雜保證了清洗的效果,從而實現(xiàn)了綜合清洗。
由多臺設(shè)備組成的清洗生產(chǎn)線可采用粗清洗設(shè)備和精清洗設(shè)備的搭配組合,如圖8所示,粗清洗設(shè)備用于初步的清洗和去雜,精清洗設(shè)備用于進一步的清洗和去雜。與多道清洗不同的是粗清洗側(cè)重在于去雜,大多數(shù)的雜質(zhì)在粗清洗設(shè)備中被集中去除,有利于精清洗設(shè)備的清洗,這對于管理、有效利用設(shè)備和節(jié)約用水等有很好的作用。
圖8 一種粗清洗和精清洗相結(jié)合的工藝
常用農(nóng)產(chǎn)品清洗設(shè)備中存在雜質(zhì)去除不充分和效率低的問題,為避免設(shè)備存在“短板”效應(yīng),需要重視去雜的問題。清洗和去雜并重,可以完善和增強設(shè)備的性能,充分發(fā)揮設(shè)備及工藝的效率。清洗和雜質(zhì)去除有不同的技術(shù),從有效性和連續(xù)性方面考慮可提高設(shè)備的性能。本研究提出的一種新型結(jié)構(gòu)能夠較好地清洗和去雜。另外,粗清洗和精清洗相結(jié)合的工藝,有利于管理、有效利用設(shè)備和節(jié)約用水。