113 高普考高考三級 農業機械 農產加工學 考古題詳解

核心觀念

本題考查流動性食品在充填、封裝前，如何以連續式熱交換設備加熱殺菌。選擇設備時，主要看食品的黏度、是否含有纖維或顆粒、是否容易結垢，以及熱敏感程度。

間接式熱交換器以金屬壁面隔開食品與加熱介質，熱量經壁面傳遞。設備的基本傳熱關係可表示為：

$$\dot Q = U A \Delta T_{\mathrm{lm}}$$

其中 $\dot Q$ 為熱傳率、$U$ 為總括熱傳係數、$A$ 為傳熱面積，$\Delta T_{\mathrm{lm}}$ 為對數平均溫差。實際殺菌效果還須配合後段持溫管的溫度與時間設計；熱交換器負責升溫，不能單靠出口溫度判定殺菌是否充分。

解題方法

題目要求舉出五種設備，並說明機械設計、優缺點與適用品項。作答時，可依設備的傳熱面形態與產品流道來分類，再逐一交代四項內容：

1. 食品與加熱介質如何流動、隔開。
2. 設備如何形成足夠的傳熱面積與流動狀態。
3. 清洗、堵塞、結垢、壓降或產品損傷等限制。
4. 依食品黏度、顆粒及纖維特性舉出適用品項。

以下列出五種具代表性的熱交換機。

五種熱交換機

一、板式熱交換機（Plate heat exchanger）

**機械設計特色：**由多片薄型不鏽鋼板疊合於框架中，板片壓製波紋或人字紋，並以墊片形成交錯流道。食品與熱水或蒸汽冷凝水分別流經相鄰流道，通常採逆流操作。板片可拆開檢查與清洗，增加或減少板片即可調整傳熱面積與處理量。

**優點：**傳熱面積大、設備緊湊、熱傳效率高；容易採逆流，且適合設置熱回收段，利用已加熱產品預熱進料，以降低能耗。拆洗和擴充容量也相對方便。

**缺點：**流道較窄，食品黏度太高、含大顆粒或長纖維時容易堵塞；墊片會限制可用溫度與壓力，且須定期維護。易結垢產品會降低傳熱效率，增加清洗頻率。

**適用品項：**牛乳、乳清、低黏度果汁、茶飲及其他均質、低黏度液體，常用於巴氏殺菌或連續加熱。

二、管式熱交換機（Tubular heat exchanger）

**機械設計特色：**常見型式包括套管式、雙管式、多管式及三重管式。食品流經內管、環狀空間或多根平行管，加熱介質在另一側流動；流向可設計為逆流。食品通道通常比板式設備寬，管路可採直管或特定的管束結構。

**優點：**管道較能容納一定程度的黏稠度、果肉、纖維或小顆粒；耐壓能力佳，適用於較高溫的連續加熱。可採模組化管段串接，以增加處理量或傳熱面積。

**缺點：**相較於板式設備，單位體積的傳熱面積通常較小；管路較長時壓力降可能增加。多管型設備若流量分配不均，會使各管內食品受熱不一致；管內結垢後也須清洗。

**適用品項：**含果肉果汁、番茄汁、果泥、含纖維飲料及部分低至中黏度醬料。應依顆粒尺寸、纖維長度和流道設計選型。

三、殼管式熱交換機（Shell-and-tube heat exchanger）

**機械設計特色：**由一個外殼及殼內多根管子組成，一種流體走管內，另一種流體走管側；殼側常設擋板，引導流體橫向流過管束並提高擾動。

核心觀念

噴霧乾燥是將液態或可泵送的濃縮物，先霧化成大量細小液滴，再使液滴與熱乾燥空氣直接接觸，讓水分快速蒸發，最後將乾燥固形物以粉末或顆粒形式收集的連續乾燥法。題目重點在於說明「霧化增加傳熱、傳質面積」如何配合乾燥空氣與設備設計，將液料轉為粉體。

液滴越小，單位質量的表面積越大，水分逸出越快；但霧化過細也會增加細粉流失、分離困難與粉塵負荷。因此，霧化程度、熱風條件、氣流方向、停留時間及粉體回收系統必須互相配合。

解題方法

作答依序說明「進料與霧化 → 熱風接觸與蒸發 → 粉體分離回收」，再補充設備構成與設計考量，最後整理產品特性。這個順序能交代物料在設備中的流動，也能把機械組成和設計原理連結到乾燥效果。

操作原理

1. 液態原料經過濾、均質或濃縮後，由供料泵送至霧化器。
2. 霧化器將液料分散成細小液滴。霧化方式主要有高速旋轉霧化盤、壓力噴嘴及雙流體噴嘴。
3. 空氣經過濾與加熱後，由空氣分布器送入乾燥室，與液滴接觸。液滴表面水分迅速蒸發，隨後內部水分向表面移動並繼續蒸發。
4. 乾燥粉體落入乾燥室底部或由氣流帶出，再經旋風分離器、袋濾器等設備回收；含水蒸氣的廢氣則排出。

乾燥室內可採並流、逆流或混流。食品及熱敏性原料常採並流，使濕液滴先接觸高溫熱風；蒸發時液滴因水分汽化而維持較低溫度，乾燥後的粉體也較快離開高溫區，有助降低熱劣變。

機械組成要件

1. 供料系統：原料槽、攪拌器、過濾器及供料泵，維持進料均勻、穩定，避免堵塞霧化器。
2. 霧化器：旋轉霧化盤、壓力噴嘴或雙流體噴嘴，決定液滴大小、噴霧型態與產能。
3. 乾燥空氣系統：鼓風機、空氣過濾器、加熱器及空氣分布器，提供乾淨、溫度適當且分布均勻的熱風。
4. 乾燥室：通常為直立式筒狀設備，提供液滴與熱風接觸、蒸發及粉體形成所需的空間與停留時間。
5. 粉體回收系統：乾燥室底部集粉裝置、旋風分離器及袋濾器，用以收集粗粉與細粉並降低粉末隨廢氣逸散。
6. 排氣及控制系統：排風機、管路與溫度、壓力、流量控制裝置，用以維持穩定氣流及操作條件。

設計原理與操作控制

• 霧化器選擇與液滴大小：依原料黏度、固形物含量、處理量及所需粉體粒徑選擇霧化器。液滴太大，乾燥時間增加，可能形成濕粉；液滴太小，細粉比例及回收負荷增加。
• 熱風溫度與含水量：進風溫度影響蒸發能力，出風溫度反映乾燥室內整體熱量與水分平衡。提高進風溫度可增加蒸發速率，但必須考慮原料的熱敏性與色香味變化；出風溫度則須配合目標含水率調整。

核心觀念

冷凍濃縮（freeze concentration，亦稱低溫濃縮）是先將液態食品冷卻至其初始冰點以下，使其中部分水結晶成冰，再將冰晶與未凍結的濃縮液分離，以提高液相中糖、酸、鹽類及其他可溶性固形物的濃度。

其關鍵是控制結冰，使水優先形成冰晶，而溶質大多留在液相。操作溫度須高於系統的共晶點，避免溶質也大量結晶而降低分離效果。冰晶表面或晶間液若夾帶濃縮液，會造成溶質損失；因此，冰晶長大、降低夾帶並有效分離，是製程設計的重點。

解題方法

作答時依「原理 → 結冰方法 → 冰液分離方式 → 農產加工應用」說明。題目要求列舉兩種方法，宜採最具代表性的懸浮式與漸進式冷凍濃縮，並交代各自的結冰型態、分離方式及優缺點。

以溶質質量守恆表示，若溶質不進入冰晶，則：

$$m_{s,0}=m_{s,L}$$

其中 $m_{s,0}$ 為原料中的溶質質量，$m_{s,L}$ 為濃縮液中的溶質質量。移除部分水後，濃縮液質量減少而溶質大致保留，故溶質濃度提高。實際操作中，冰晶夾帶母液會使溶質隨冰流失，因此須控制晶體純度並妥善洗滌、脫液。

一、懸浮式結冰與洗滌塔分離

將食品液體在冷卻結晶器中以刮面式熱交換器等設備冷卻，形成大量細小冰晶，再送入再結晶槽讓冰晶長大。其冰晶呈懸浮狀，之後以洗滌塔（wash column）等設備使冰晶與濃縮母液分離；洗滌過程可去除冰晶表面或晶間夾帶的濃縮液。

**操作特性：**結晶與分離設備較完整，適合連續操作，濃縮能力及產能較高。缺點是細小晶體較難分離，通常需結晶器、再結晶槽及洗滌塔等設備，流程與控制較複雜；若冰晶洗滌或脫液不足，會造成溶質損失。

二、漸進式結冰與融冰分離

核心觀念

捏揉（kneading）是針對高黏度、可塑性或半固體物料所進行的混合作業。機械構件反覆對物料施加壓縮、剪切、拉伸、摺疊與翻轉，使原料形變、更新接觸面並重新分布，逐步形成均勻物料。

捏揉與一般液體攪拌的差別，在於物料不易自由流動，混合主要依靠機械力造成的形變與剪切。操作時須兼顧混合均勻度、所需時間、功率消耗與溫升；物料過黏時負荷大，剪切生熱也可能影響品質。

解題方法

作答可依序說明「作用原理 → 機型構造與操作 → 優缺點 → 食品加工用途」。題目要求舉出兩種捏合機，以下以適合高黏度物料的雙臂 Z 形（Sigma）捏合機及適合連續加工的螺旋式捏合機為例。

捏合機型與應用

一、雙臂 Z 形（Sigma）捏合機

槽內裝有兩支互相配合的 Z 形或 Sigma 形葉片，通常以不同速度反向旋轉。葉片反覆抓取、擠壓、剪切並翻折物料，使物料在槽內移動與更新接觸面。槽體可設加熱或冷卻夾套；批次完成後，常以傾倒槽體或排料螺桿卸料。

• **操作特性：**適合高黏度、稠厚或不易流動的物料，通常以批次方式操作。
• **優點：**捏揉作用強，適用物料黏度範圍廣；可處理固液混合物，槽體溫度也較容易控制。
• **缺點：**負荷與功率需求高；槽體與葉片清洗較費工；批次操作的產能與卸料效率受限，剪切可能造成生熱。
• **農產品加工應用：**餅乾或麵包麵糰、糖膏、巧克力或糖果膏體，以及其他濃稠食品混合物。