补充实验室分析与在线测量

食品工厂管理人员今天面临着许多挑战，其中最重要的是确保产品质量。根据所生产的产品，它们可能必须满足美国食品和药物管理局(FDA)、欧盟(EU)以及其他一系列机构和法规的要求，包括cGMP、GFSI、ISO、HACCP、SQF、SID等。这些规定规定了适当的成分、化学和生物危害、程序和卫生条件。

食品工厂的管理者还必须满足消费者对适当口味和质地的期望。例如，某些产品的pH值是至关重要的，因为它可以影响味道和食品安全。在向果酱、饮料和其他酸化产品中添加柠檬酸时，必须仔细控制pH值。

除了明显的食品安全和产品质量挑战之外，工厂经理还需要解决运营问题和目标，例如:

• 降低产品损耗
• 原材料的可变性
• 节约资源，例如减少能源和水
• 缺乏合格的操作人员和维修人员
• 需要减少运营和维护预算，以及
• 准备和管理内部和外部审计文件。

目前，食品工厂通常依靠人工采集样品的实验室分析(图1)来确保过程中各个环节的产品质量。实验室技术人员定期抓取样本，迅速返回实验室进行快速分析，并将结果传达给控制室。操作员和维护人员随后进行调整和纠正，以改善对过程的控制，或在需要时进行维修。

依赖实验室分析的挑战在于，它不是实时完成的，它是耗时的，是劳动密集型的，并且有可能出现人工错误。如果采集一个样本并分析它需要30分钟，那么结果代表的是30分钟前的过程，而不是现在的过程。结果可能是变质的一批。如果测量是在线进行的，则可以立即检测到突然的偏差，从而允许立即采取纠正措施，从而节省批次。

许多类型的在线分析仪可用，可用于在线质量控制，以补充或取代实验室测试，加快测量速度，实现即时纠正措施，并自动化质量控制系统的各个部分。

内联分析程序

内联分析仪并不适用于食品行业的每一种测量，但可用于现在在实验室中执行的许多常见测量。

使用内联分析器有助于管理许多问题。例如，为了确保食品安全，需要严格控制用于罐装食品的水锅的消毒剂的量，因为过量会导致化学物质的腐蚀和浪费，而太少则会危及食品安全。

一家工厂以前通过每小时两次将抓取的样本送到实验室进行分析来监测消毒剂。安装了在线分析仪来测量游离氯、pH值和消毒剂的电导率。通过消除过量使用，实时测量每年可节省1.3万美元的消毒剂费用。这些测量允许自动化系统根据测量值添加补充水，节省了热能和水的使用，并产生更少的废水。内联分析仪还消除了每小时两次派实验室工作人员到高压锅取样的需要。最重要的是，投资回收期只有7个月。

在一个内联分析仪如何削减开支的类似例子中，一家奶酪厂每天执行五次就地清洁(CIP)操作。一桶30加仑的化学品需要1771美元，工厂每个月要用三到四桶。

该工厂安装了一个光学相位分离传感器，该传感器使用可见光和近红外波长的光进行产品损耗检测、界面检测、悬浮固体和浊度测量。

通过测量乳清，水和CIP洗涤剂之间的相分离，操作员能够确定何时完成预冲洗和CIP，而不是依赖于实验室测量和时间。每个CIP周期减少15分钟，工厂减少了32%的CIP化学品消耗。仅在前三个月就节省了5300美元的化学品成本，再加上减少了能源和水的使用。该工厂还将设备的可用性每天提高了一个多小时。

当然，内联分析器并不是什么新鲜事物。许多这些测量已经可用了好几年，并用于传统的过程控制应用。今天的新功能是提高可靠性，以及新的特性和功能:

提高可靠性:在现实世界中使用传统分析仪的经验好坏参半。试图在一个过程中直接应用为实验室使用而设计的设备通常会导致失望。冲洗、高温、腐蚀性清洁化学品和其他环境因素经常导致设备故障和维护噩梦。通过从头开始设计用于工厂车间和现场的分析仪和其他在线仪器，这些问题已经得到了纠正。

无缝集成:传统上，仪器是具有单个4-20 mA输出的模拟设备。今天，数字输出的可用性，如以太网/IP, Profibus，基金会现场总线和HART，使得信息集成到自动化和信息系统非常容易，也允许从单个设备获得多个参数。例如，科里奥利流量计可以提供质量流量，体积流量，多个累加器值，密度，粘度和温度测量以及一组电线(或无线)的诊断信息。这些数字协议还有助于通过消除模拟4-20 mA信号传输过程中的A/D转换和分辨率损失来提高精度。

简化校准:随着数字传感器技术的发展，实验室现在可以承担与质量相关的测量校准责任。例如，过去要校准pH传感器，必须将校准设备带入工厂。如今，这种校准可以在实验室的受控环境中完成，并且可以轻松地将预校准的传感器放置在操作中。E+H的Memosens和其他类似技术使pH, DO，电导率，浊度，氯和许多其他参数成为可能。

卫生设计:在线质量监测的限制因素之一是缺乏符合卫生设计要求和耐热处理和CIP化学品的仪器。今天，大多数仪器符合EHEDG或3-A卫生标准，并设计用于食品工业。一个例子是pH值测量，大多数人将其与玻璃传感器联系在一起——这是食品加工中的一个大问题，因为玻璃传感器可能会破裂，最终成为最终产品中的异物。现在有了满足食品加工要求的可靠的非玻璃pH传感器。

科里奥利流量计提供多种测量

一个科里奥利流量计可以同时测量多个参数，通常不需要多个仪器。其高度精确的质量流量和密度测量(质量流量高达0.05%，密度为0.0005 g/cm3)使科氏奥利成为许多过程控制应用的理想选择。

经常被许多仪器和工艺工程师忽视的是科里奥利流量计用于质量控制的能力。例如，流量计的密度函数可用于测量白利度和柏拉图值，以确保所用成分的质量。粘度选项提供连续测量，以尽量减少实验室测量之间的不规范产品。

一家食品厂在一个面糊混合槽的连续旁路管线上安装了一个科里奥利流量计(图2)。由面粉、水和添加剂组成的面糊被混合，直到达到合适的粘度，然后被泵送到生产槽进行加工。由此节省的原料和产品质量的提高在不到六个月的时间里就为安装付出了代价。

仪器诊断检测问题

诊断通过提醒操作人员异常的过程条件或故障来增强测量。例如，管道中夹带的空气可能导致工艺问题。操作人员需要知道外部空气是否通过泄漏密封，空化泵或空平衡罐被吸入，因为过程中的空气会影响产品质量。

科里奥利流量计在大量夹带空气的情况下不能正常工作，因此它具有检测这种情况的诊断功能。在E+H科里奥利计中，诊断值表明管振荡在一个良好的范围内，表明没有夹带空气。如果管路中出现空气，诊断值将改变(图3)，并向操作员发出警报。

当从空行开始时，可以使用相同的函数来提高准确性。自动化系统可以将诊断信息与下游控制阀相结合，在启动时自动增加背压，然后在系统中没有空气后逐渐降低背压。

开始

第一步是评估所有的实验室测量结果，并确定哪些可以用内联仪器代替或补充。目标是帮助实验室专注于最终和关键的食品安全和质量测量，而仪器用于实时操作。这里需要考虑的因素包括:

• 人工取样花费了多少时间?
• 运行实验室分析花了多少时间?
• 这些工作需要多少工人?
• 手工抽样检测工艺变化的速度有多快?
• 获得人工结果的延迟对产品成本的影响有多大?

前面讨论的水力炊具应用是一个很好的例子，该工厂通过每小时取消两次抓取样品节省了工人的时间，然后通过更及时的在线分析节省了消毒化学品的成本。下一步是询问哪个内联度量将对特定流程有利。

例如，在酿造、葡萄酒和果汁生产中，溶解氧测量可以最大限度地减少产品的氧化。测量番茄酱的白利度可以帮助控制在切割时加入的番茄酱量。粘度测量可以提高豆角、洋葱、肉类、家禽和其他产品的面糊涂层的产品一致性。

在线过程分析仪不能取代现代食品工厂实验室的所有功能，因为在线分析仪和仪器还不能可靠地进行某些测量。然而，现代在线过程分析仪和仪器可以可靠地取代或补充传统上在实验室进行的许多测量。

从离线测量转移到在线测量通过消除人工采样和分析减少了劳动力成本，并且通过自动化测量过程增加了一致性。在线测量实时提供结果，允许自动化系统不断调整工艺参数，以优化质量和提高吞吐量。

奥拉·韦斯特罗姆是Endress+Hauser的食品和饮料行业经理。

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关键概念:

• 评价食品和饮料产品的质量传统上依赖于实验室分析。
• 实验室中使用的许多相同的分析技术现在已经适应了在工厂环境中在线使用。
• 某些类型的过程仪表，如科里奥利流量计，可以执行特定的分析任务。

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