食品充填技术的应用与复杂性

充填（filling）是食品包装的一个重要工序，它是指将食品按一定规格质量要求充入到包装容器中的操作，主要包括食品计量和充入。由于食品的种类繁多，形态及流动性各不相同；包装容器也是形式多样，用材各异，因此就形成了充填技术的复杂性和应用的广泛性。根据食品的计量方式精度要求不同，可将食品充填技术分为称重式充填、容积式充填和计数式充填。

（一）称重充填法

称重充填法（gravimetric filling method）适用于易吸潮、易结块、粒度不均匀、容重不稳定的物料计量。精度较高，但工作速度较低，装置结构较复杂，多用于充填粉状和小颗粒食品。常用的称量装置有杠杆秤、弹簧秤、液压秤、电子秤。根据称量方式的不同可分为间歇式和连续式两类。

1.间歇式称量装置　有净重充填法和毛重充填法两种。

图6-3所示为净重充填法，即先将物料过秤量后再充入包装容器中，充填过程：进料器2把物料从贮料斗1运送到计量斗3中，当计量斗中物料达到规定质量时即通过落料斗5排出，进入包装容器。进料可用旋转进料器、皮带、螺旋推料器或其他方式完成，并用机械秤或电子秤控制称量。

由于称量结果不受容器皮重变化的影响，因此称量精度很高，如500 g物料其精度可达±0.5g，所以，净重称量广泛地应用于要求高精度计量的自由流动固体物料，如奶粉、咖啡等固体饮品，也可用于那些不适于容积充填法包装的食品，如膨化、油炸食品等。

图6-4所示为毛重充填法，与净重充填法的区别在于：没有计量斗，将包装容器放在秤上进行充填，达到规定质量时停止进料，故称得的质量为毛重，其计量精度受容器质量变化影响很大，计量精度不高，但由于食品不经计量斗而直接落入容器中称量，食品物料的黏附现象不会影响计量精度，因此，除可应用于能自由流动的食品物料外，还适用于有一定黏性物料的计量充填。

图6-3　净重充填法

1.贮料斗　2.进料器　3.计量斗　4.秤
5.落料斗　6.包装件　7.传送带

图6-4　毛重充填法

1.贮料斗　2.进料器　3.落料斗　4.秤　5.传送带

为了达到较高充填计量精度，可采用分级进料方法，即大部分物料高速进入计量斗，剩余小部分物料通过微量进料装置缓慢进入计量斗，在采用电脑控制的情况下，对粗加料和精加料可分别称量、记录、控制，做到差多少补多少。整个称重工作循环一般要10s左右，其最高速度每分钟不大于30次。为了提高称重速度和生产效率，可以增加称重装置的数量，也可采用集中称重离心等分装置，先集中称重再通过离心等分若干份进行充填包装。

2.连续式称量装置　采用电子皮带秤称重，可以从根本上克服杠杆秤发出的信号与供料停机时已送出物料的计量误差问题，同时还能大大提高计量速度，适应高速包装机的需要。

图6-5为控制闸门开启的电子皮带秤，物料在皮带输送过程中，连续地流经秤盘。在秤盘上一段（测量距离）皮带上的物料视密度变化而发生质量变化，而这一变化通过传感器转化为电量变化，并与给定值进行比较，再经综合放大去驱动执行机构，使其控制闸门升降，以调节料层厚度。也可以通过控制皮带速度来控制充填量。

图6-5　电子皮带秤

1.整流器　2.调节器　3.质量给定　4.可逆电机　5.闸门　6.差动变压器（压差传感器）
7.秤　8.等分格转盘　9.包装容器　10.阻尼器

为了实现定量包装，在电子皮带秤物料流出端的下方设置一个等速旋转的等分格转盘。转盘上各分格在相等的时间内截取一段皮带上的物料（即截取等质量的物料），然后注入包装容器中。适当调节皮带速度和等分格转盘的转速，就能截取到预定质量的物料。

电子皮带秤的计量速度为每分钟20～200包，每包计量范围为50～100g，计量精度为±（1.0～1.5）%，适应称重精度为±0.5g要求的物料包装计量。

图6-6为仅一包装设备有限公司开发的高速高精度飞碟组合秤，适用于休闲食品、冷冻食品、油炸食品等颗粒、条片、小块状和小袋状物料的计量充填。各单元驱动动力采用步进电机，控制部分选用32位奔腾处理器，组合运算速度快、运行稳定、控制可靠；高精度、高抗干扰性电子称重技术确保计量的精准性，15～2000g称量范围的称量精度达到±0.5g；良好的部件互换功能，料斗通道等阴角的圆弧形设计使清洁维护十分方便。

称重充填法计量精度较高，但工作速度较低，装置结构较复杂，多用于充填粉状和小颗粒食品。

图6-6　高速高精度飞碟组合秤

（二）容积充填法

容积充填法（volumetric filling method）通过控制食品物料的容积进行计量充填，要求被充填物料的体积质量稳定，否则会产生较大的计量误差，精度一般为±（1.0～2.0）%，比称重充填法低。因此，在进行充填时多采用振动、搅拌、抽真空等方法使被充填物料压实而保持稳定的体积质量。

容积充填的方法很多，但从计量原理上可分为两类，即控制充填物料的流量和时间及利用一定规格的计量筒来计量充填。

1.计时振动充填法　如图6-7所示，贮料斗1下部连接着一个振动托盘进料器2，进料器按规定的时间振动，将物料直接充填到容器中，计量由振动时间来控制。此法装置结构最简单，但计量精度最低。

2.螺旋充填法　如图6-8所示，当送料螺轴2旋转时，贮料斗内搅拌器3将物料拌匀，螺旋面将物料挤实到要求的密度，每转一圈就能输出一定量的物料，由离合器控制旋转圈数即可达到计量之目的。如果充填小袋，可在螺旋进料器下部安装一转盘用以截断密实的物料，然后将空气与之混合，形成可自由流动的物料，充填后再振动小袋以敦实松散的物料。螺旋充填法可获得较高的充填计量精度。

图6-9为螺杆充填包装机，适用于奶粉、米粉、营养食品、固体饮料、调味品等粉末状、超细粉末状物料的充填包装，通过伺服电机带动螺杆实施物料的计量充填；全透明料斗设计成两半可方便清理；充氮系统可使包装内残氧量控制在≤1.5%，重量检测反馈控制系统可自动对充填量进行调整，使精度控制在1%范围内，紧凑性截止门可防止封口夹粉导致破包漏气。

图6-7　计时振动充填机示意图

1.贮料斗　2.振动托盘进料器　3.计量器
4.包装容器　5.传送带

图6-8　螺旋充填机示意图(www.xing528.com)

1.贮料斗　2.送料螺轴　3.搅拌器
4.包装件　5.传送带

3.重力-计量筒充填法　如图6-10所示，贮料斗1下部装有两个或多个计量筒3，均匀分布在回转的水平圆板上。计量筒上部有伸缩腔4，使之上下伸缩来调节其容积。计量筒转位到供料斗下面时，物料靠自重落入计量筒内，当计量筒转位到排料口即固定圆盘5上的圆孔时，物料通过排料管进入包装容器内。为了使物料迅速流入容器，有时要对容器加以振动。

此法适用于充填价格较低、计量精度要求不高的自由流动固体物料。

4.真空-计量充填法　如图6-11所示，贮料斗1下面装有一个带可调容积的计量筒转轮2；计量筒沿转轮径向均匀分布，并通过管子与转轮中心连接；转轮中心有一个圆环真空-空气总管3，用来抽真空和进空气。物料从贮料斗落于计量筒中，经过抽真空后密实均匀，运输带5不断将容器4送入转轮下方，当转轮转到容器上方时，空气将物料吹入容器内。真空-计量充填法常用来充填安瓿瓶、大小瓶、大小袋、罐头等，充填容量范围从5 mg至几千克，一般的计量精度为±1%。

图6-9　旋风1000螺杆充填包装机

图6-10　重力-计量筒充填机示意图

1.贮料斗　2.刷子　3.计量筒　4.伸缩腔
5.固定　圆盘　6.排料口

图6-11　真空-计量充填机示意图

1.贮料斗　2.计量筒转轮　3.真空-空气总管
4.容器　5.运输带.

容积充填法工作速度高，装置结构简单，广泛用于计量流体、半流体、粉状和小颗粒食品。

由于容积充填法的计量精度受物料体积质量稳定性和流动均匀性的影响，一般比称重充填法低，工程实际中采用两者结合的方式来提高计量精度。图6-12所示为双龙60全自动充填系统，将容积法与称量法相结合，大部分加料采用容积法来实现高速充填，小余量采用称重计量充填实现高精度，6000mL充填体积称重精度达到±1.5g，适用于各种粉末状、超细粉末状或粉粒状物料的高速充填。

图6-12　双龙60全自动充填系统

（三）计数充填法

计数充填法（counting filling method）是将食品通过计数定量后充入包装容器的一种充填方法，常用于颗粒状、条状、片状、块状食品的计量充填，要求单个食品之间规格一致。计数充填法的设备和操作工艺简单，可手动、半自动或自动化操作，适用于多种包装方法，如热收缩包装、泡罩包装等。

从计数的量来分，有单个包装和集合包装两种。单个包装如常见的方便面、面包等的包装，集合包装是多个产品经计数后集中包装在一起，如饼干等的包装。

1.长度计数装置　使物品具有一定规则的排列，按其一定长度、高度、体积取出，获得一定数量。这种装置比较简单，由推板、输送带、挡板、触点开关4部分构成。常用于块状食品，如饼干、云片糕等的包装计数。由于这类食品形状规则，具有确定的几何尺寸，集积后的尺寸亦具有确定数值，通过适当调节推板的推程，便可进行计数。

2.光电式计数　物品在传送带上逐个通过光电管时，从光源射出的光线因物品的通过而呈现穿过和被挡住两种状态，由光电管把光信号转变为电信号送入计数器进行计数，并在窗口显示出数码。

3.转盘式计数装置　转盘式计数装置特别适合于形状、尺寸规则的球形和圆片状食品的计数。

固体物料充填方法的选择，要根据各种因素进行综合考虑，首先要考虑被充填物料的物理特性和充填精度。充填计量精度除受装置本身的精度影响外，还受到物料理化性质的影响，如物料容重不稳定、易吸潮、易飞扬、不易流动等。为提高充填速度和精度，可采用容积充填和称量充填混合使用的方法，在粗进料时用容积式充填以提高速度，细进料时用称量充填以提高精度。一般来讲，价值高的食品其计量精度要求也高。