一.超高溫滅菌(Ultra High Temperature,簡稱UHT)
UHT產(chǎn)品是指物料在連續(xù)流動(dòng)的狀態(tài)下通過熱交換器加熱**135~150℃,在這一溫度下保持一定的時(shí)間以達(dá)到商業(yè)無菌水平,然后在無菌狀態(tài)下灌裝于無菌包裝容器中的產(chǎn)品.UHT產(chǎn)品能在非冷藏條件(tiáo jiàn)下分銷,可保持相當(dāng)時(shí)間而產(chǎn)品不變質(zhì).現(xiàn)在,UHT產(chǎn)品已從**初的牛奶拓展到了其它不同品種的飲料,如各類果汁,茶飲料等,滅菌溫度為100~135℃.

　　(一).目的:殺死所有能導(dǎo)致(cause)產(chǎn)品變質(zhì)的微生物,使產(chǎn)品能在室溫下貯 存一段時(shí)間.

　　(二).超高溫滅菌加工的類型:
超高溫滅菌系統(tǒng)所用的加熱介質(zhì)(起決定作用的物質(zhì))大都為蒸汽或熱水,按物料與熱介質(zhì)接觸與否,進(jìn)一步可分為兩大類,即直接加熱系統(tǒng)和間接加熱系統(tǒng).根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)情況,這里主要介紹超高溫間接加熱系統(tǒng),按熱交換器傳熱面的不同又可分為板式熱交換系統(tǒng)及管式熱交換系統(tǒng),某些特殊產(chǎn)品的加工使用刮板式加熱系統(tǒng).
1.板式熱交換系統(tǒng)
板式熱交換系統(tǒng)具有諸多的優(yōu)點(diǎn):a. 熱交換器結(jié)構(gòu)比較緊湊,加熱段,冷卻段和熱回收段可有機(jī)地結(jié)合在一起.b. 熱交換板片的優(yōu)化組合和形狀設(shè)計(jì),大大提高了傳熱系數(shù)和單位面積的傳熱量.c. 易于拆卸,進(jìn)行人工清洗加熱板面,定期檢查板面結(jié)垢情況及CIP清洗的效果.
2.管式熱交換系統(tǒng)
管式熱交換系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:a. 生產(chǎn)過程中能承受較高的溫度及壓力.b.有較大的生產(chǎn)能力.c. 對(duì)產(chǎn)品的適應(yīng)能力強(qiáng),能對(duì)高粘度的產(chǎn)品進(jìn)行熱處理,如布丁等.
3.板式與管式熱交換系統(tǒng)的比較
對(duì)兩種系統(tǒng),從溫度的變化情況來看比較接近,從機(jī)械設(shè)計(jì)的角度 來看:
a. 板式熱交換器很小的體積就能提供較大的傳熱面積,為達(dá)到同樣的傳熱量,板式加熱系統(tǒng)是**經(jīng)濟(jì)的一種系統(tǒng).
b. 管式加熱系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)的特性,更加耐高溫和高壓,而板式加熱系統(tǒng),則受到了板材及墊圈的限制.
c.板式熱交換器,對(duì)加熱表面的結(jié)垢比較敏感,因其流路較窄,垢層很快會(huì)阻礙產(chǎn)品的流動(dòng).為了保證流速不變,驅(qū)動(dòng)壓力就會(huì)增大,但壓力的增大會(huì)受到結(jié)構(gòu)特別是墊圈的限制（limit）;管式熱交換器,由于產(chǎn)品與加熱介質(zhì)之間的溫差較大,較板式熱交換器可能更易結(jié)垢,但結(jié)垢對(duì)產(chǎn)品的流速?zèng)]有太大的影響,因?yàn)橄到y(tǒng)可以承受較大的內(nèi)壓力,持續(xù)生產(chǎn)的制約因素主要是滅菌溫度（temperature),結(jié)垢層影響了傳熱效率,從而影響了滅菌溫度,造成無法進(jìn)行自動(dòng)控制.
d. 兩種加熱系統(tǒng),由于生產(chǎn)(Produce)過程產(chǎn)品結(jié)垢的影響,造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定,因而都要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行清洗,其中包含AIC(無菌狀態(tài)中間清洗),目的是去除加熱面上沉積的脂肪,蛋白(protein)質(zhì)等垢層,降低系統(tǒng)內(nèi)壓力,有效延長一次性連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間;CIP(**后清洗),目的是在AIC之后對(duì)加熱系統(tǒng)進(jìn)行*的清洗,恢復(fù)加熱系統(tǒng)的生產(chǎn)能力.

　　(三).超高溫滅菌的一些問題
1.熱交換方式
生產(chǎn)過程的熱交換是以傳導(dǎo)和對(duì)流的方式進(jìn)行,在加熱過程中存在兩種情況:
直接加熱:蒸汽通過噴射器直接均勻地射入水中,通過傳導(dǎo)和對(duì)流把熱量傳給水.
間接加熱:經(jīng)蒸汽加熱了的熱水通過隔板加熱另一側(cè)的產(chǎn)品,熱量從邊界層通過隔板傳遞到另一側(cè)邊界層幾乎是*靠傳導(dǎo),進(jìn)一步將熱量傳遞**產(chǎn)品流中心則通過傳導(dǎo)和對(duì)流來完成.
2.熱交換器
用間接方法傳遞熱量的設(shè)備稱為熱交換器.熱交換器有被隔板隔開的兩個(gè)通道,熱水流過一條通道,而產(chǎn)品流過另一條通道.產(chǎn)品在熱交換器中與加熱介質(zhì)存在兩種流動(dòng),一種為逆向流動(dòng),一種為并流流動(dòng),如圖:
不同的產(chǎn)品,特別是奶制品,對(duì)熱敏感(感覺敏銳)性較強(qiáng),生產(chǎn)過程(guò chéng)中,當(dāng)牛奶的溫度高于65℃時(shí),就易產(chǎn)生垢層,交換器熱傳遞表面與牛奶的溫差過大,會(huì)使牛奶中蛋白質(zhì)(protein)在隔板面形成結(jié)焦的機(jī)會(huì)增加,導(dǎo)致傳熱系數(shù)的下降.在滅菌段,一般熱水溫度比產(chǎn)品的滅菌溫度高2-3℃為隹.
逆向流動(dòng)過程,產(chǎn)品在行程中逐漸被加熱,且溫度總是比同一點(diǎn)的加熱介質(zhì)的溫度低幾度;而并流流動(dòng)過程中,兩者在同一點(diǎn)上的溫差變化較大.在并流中,產(chǎn)品的**終溫度不可能比產(chǎn)品和加熱介質(zhì)混合所獲得的溫度高.在逆向流動(dòng)中,則沒有這一限制,產(chǎn)品可以加熱到比加熱介質(zhì)進(jìn)口溫度低2-3℃.
3.加熱過程控制
產(chǎn)品在加熱過程中不能有沸騰現(xiàn)象發(fā)生,原因有: **. 產(chǎn)品沸騰后所產(chǎn)生的蒸汽將占據(jù)系統(tǒng)流路,從而減少了產(chǎn)品的滅菌時(shí)間,使滅菌效率降低.第二. 產(chǎn)品在沸騰后,流路中由于蒸汽氣泡的作用,會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的湍流現(xiàn)象,造成系統(tǒng)中流量及溫度的極不穩(wěn)定.第三. 產(chǎn)品在加工過程中,沸騰所產(chǎn)生的氣泡將增加產(chǎn)品在加熱表面變性及結(jié)垢的機(jī)會(huì),影響熱傳遞及產(chǎn)品的品質(zhì).
為了防止沸騰,在某一溫度下,產(chǎn)品流路的內(nèi)部壓力不能小于該溫度下的飽和蒸汽壓.由于產(chǎn)品中主要成份為水,這個(gè)壓力與水的飽和蒸汽壓相近,如135℃下需保持0.2 MPa(即2 公斤壓力 kgf/cm2)的壓力以避免料液沸騰,150℃則需要 0.375MPa的內(nèi)部壓力.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得知,為更好地防止產(chǎn)品在加熱時(shí)沸騰,所提供的內(nèi)部壓力**少要比飽和蒸汽壓高0.1 MPa.
4.產(chǎn)品流速及熱水流速的控制
前面已講過,為了減少產(chǎn)品在傳熱隔板面的結(jié)垢狀況,保證產(chǎn)品的品質(zhì),在滅菌段,一般熱水溫度比產(chǎn)品的滅菌溫度高2-3℃為隹.為達(dá)到這一目的,產(chǎn)品流速及熱水流速之間要保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的比例.我們知道,確定產(chǎn)品的流速大小由紙包機(jī)的生產(chǎn)能力所決定,包含包裝機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)量及保證包裝機(jī)正常生產(chǎn)所需要的一定的回流量(如兩臺(tái)6000包/小時(shí)的TBA/9機(jī),生產(chǎn)量為3000 L/h,從而滅菌機(jī)的產(chǎn)品流速定為3300~3400 L/h).一般來說,熱水流速為產(chǎn)品流速的1.1~1.2倍是比較合適的.熱水流速過低,要達(dá)到設(shè)定的滅菌溫度(如牛奶為137℃ ), 必然要消耗更多的蒸汽,使熱水側(cè)的溫度升得更高,可能達(dá)到140℃以上或更高,這將會(huì)大大影響產(chǎn)品品質(zhì),也會(huì)增加交換器因結(jié)垢堵塞的機(jī)會(huì),縮短了正常生產(chǎn)時(shí)間.
超高溫板式熱交換系統(tǒng)
一.板式熱交換系統(tǒng)的應(yīng)用
滅菌的目的是生產(chǎn)滅菌乳或其它風(fēng)味牛奶制品,還有其它的產(chǎn)品,如果汁(fruit juice)及茶飲料等.
二.基本工作原理
牛奶在加工過程中,是通過間接加熱方式進(jìn)行滅菌,同時(shí)也進(jìn)行均質(zhì)處理.通常,牛奶在滅菌之前會(huì)進(jìn)行一些預(yù)處理,如巴氏殺菌,奶油分離,脂肪包含比重的標(biāo)準(zhǔn)化等.
板式滅菌系統(tǒng)并不是一個(gè)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)熱交換設(shè)備,但它可以進(jìn)行特別設(shè)制,以適應(yīng)不同的環(huán)境需要及產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的要求.例如,均質(zhì)機(jī)可以根據(jù)實(shí)際情況選用,安裝于熱交換器的滅菌段之前或之后:有些產(chǎn)品是需要后均質(zhì)的,如稀奶油,這就需要選擇結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜及成本(cost)較高的無菌均質(zhì)機(jī),同時(shí)此系統(tǒng)又適用于生產(chǎn)滅菌乳;而如果只生產(chǎn)滅菌乳,均質(zhì)機(jī)則可置于滅菌段之前,采用常用的均質(zhì)機(jī).根據(jù)實(shí)際情況,熱交換系統(tǒng)還可增設(shè)一些附選設(shè)備如離心機(jī),脫氣裝置等.
三.滅菌系統(tǒng)基本工作過程
滅菌系統(tǒng)shou先要對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行殺菌(Plant Sterilization (PS)),確切地說是對(duì)要求保持無菌的部位進(jìn)行消毒,例如產(chǎn)品滅菌之后從滅菌機(jī)到包裝機(jī)的部分管道等.
對(duì)設(shè)備進(jìn)行殺菌之后,就可進(jìn)入生產(chǎn)程序(Production (P)).
為了延長一次性的連續(xù)生產(chǎn)時(shí)間,有必要對(duì)滅菌設(shè)備進(jìn)行中途無菌清洗(Cleaning)(Aseptic Intermediate Cleaning(AIC)),歷時(shí)大約30分鐘,用以替代約70分鐘的*清洗(Cleaning(CIP)).
在滅菌系統(tǒng)中,存在兩個(gè)主要流路系統(tǒng):產(chǎn)品流路及熱水流路.在生產(chǎn)(P)過程(guò chéng)中,顧名思義,產(chǎn)品流路通過的是產(chǎn)品,但在消毒(PS)及清洗(AIC,CIP)過程中,產(chǎn)品流路中通過的是水及清洗液.對(duì)熱水流路,在滅菌系統(tǒng)工作過程中,熱水自始**終都在流路中循環(huán),通過蒸汽噴射進(jìn)去水中進(jìn)行加熱,然后作為一種傳熱介質(zhì)用來加熱以及冷卻產(chǎn)品流路中的產(chǎn)品,以達(dá)到所需的溫度.
另外,滅菌系統(tǒng)中有其它獨(dú)立的冷卻水供應(yīng),用于對(duì)產(chǎn)品及熱水進(jìn)行必要的冷卻,滿足不同溫度設(shè)定的要求.
經(jīng)過滅菌的產(chǎn)品從滅菌機(jī)出來后,被送往一臺(tái)或幾臺(tái)無菌包裝機(jī)或者無菌貯存缸.另外,往無菌包裝機(jī)有一條供料及回流的管道,在對(duì)滅菌設(shè)備進(jìn)行殺菌(PS)時(shí),也同時(shí)對(duì)此管道進(jìn)行殺菌.
四.滅菌（fungus)機(jī)工作步驟

　　(一).滅菌（fungus)設(shè)備殺菌過程(PS)
對(duì)滅菌設(shè)備進(jìn)行殺菌的目的是使產(chǎn)品流路中某些部位處于無菌(意思：沒有活菌)狀態(tài),例如:熱交換器的PHE Ⅰ+Ⅱ(滅菌段),保溫管,PHE Ⅲ+ Ⅳ +Ⅴ(冷卻(cooling)段),往包裝機(jī)的管路,包裝機(jī)的產(chǎn)品進(jìn)入閥,所有這些部位在生產(chǎn)之前必須經(jīng)過殺菌;另外,產(chǎn)品從包裝機(jī)的回流管道及PHE Ⅵ(冷卻段)在PS過程中了進(jìn)行了消毒.

　　1. PS/
　　1:灌注/加熱/殺菌
設(shè)備殺菌過程是指熱水在壓力之下,在產(chǎn)品流路中進(jìn)行循環(huán)（continue),時(shí)間為30分鐘.在這一過程中,熱水從滅菌段(PHEⅠ+Ⅱ)以及回流回 PHE Ⅵ的溫度應(yīng)保持在137℃左右(根據(jù)實(shí)際管路的情況,熱水回流到PHE Ⅵ時(shí)的溫度偏低,設(shè)置為不低于129℃).有兩個(gè)溫度傳感器,一個(gè)安裝于滅菌段出來的保溫管上(TT42),另一個(gè)安裝于PHE Ⅵ段之前(TT71),用于對(duì)溫度的監(jiān)控.
滅菌（fungus)系統(tǒng)(system)開始運(yùn)行時(shí),冷水通過V14閥進(jìn)入產(chǎn)品平衡缸及產(chǎn)品流路.此后V14閥會(huì)關(guān)閉,只在需要時(shí)(如平衡缸液位低)才打開,以補(bǔ)充水.
熱水流路中也開始注入水,蒸汽噴射入熱水流路的水中,使熱水升到一定的溫度,用來加熱產(chǎn)品流路中的水, 此時(shí),熱水的流向是經(jīng)V61閥進(jìn)入PHE Ⅵ段,從V61**PHE Ⅲ段間的靜止?fàn)顟B(tài)下的水也會(huì)逐漸被加熱.冷卻水會(huì)通過PHE Ⅶ段用于對(duì)熱水冷卻,使回流入熱水平衡缸的溫度為85℃.
產(chǎn)品流路中的水被加熱到設(shè)定殺菌溫度(TT42及TT71感應(yīng)),溫度傳感器會(huì)給出訊號(hào),時(shí)間繼電器運(yùn)行,開始進(jìn)行殺菌,時(shí)間為30分鐘.在30分鐘殺菌過程中,如果產(chǎn)品流路中的溫度低于設(shè)定的監(jiān)測溫度,則時(shí)間繼電器的時(shí)間會(huì)自動(dòng)(automatic)重置,只有當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定時(shí)才又開始運(yùn)行.
為了避免(avoid)產(chǎn)品流路中的熱水出現(xiàn)沸騰,流路內(nèi)部需要有足夠的壓力,保證這個(gè)壓力不能小于該溫度（temperature)下的飽和蒸汽壓.產(chǎn)品流路內(nèi)部壓力的大小由恒壓調(diào)節(jié)閥(使用材料：鑄鐵、鑄鋼、不銹鋼等)V74(電磁閥Y74A觸發(fā))進(jìn)行設(shè)定.流路中熱水回流入產(chǎn)品平衡缸之前,經(jīng)排片PHEⅥ進(jìn)行冷卻,使溫度低于100℃,避免熱水入產(chǎn)品平衡缸時(shí)產(chǎn)生沸騰.

　　2. PS/
　　2:冷卻及穩(wěn)定
當(dāng)對(duì)產(chǎn)品流路中的滅菌段**回流入PHE Ⅵ段的管路殺菌結(jié)束后,PHE Ⅵ之前的溫度傳感器(TT71)不再監(jiān)測,接下來對(duì)PHE Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ段以及去包裝機(jī)和從包裝機(jī)回來的管路進(jìn)行冷卻,產(chǎn)品流路中的水將經(jīng)V20轉(zhuǎn)向入PHE Ⅳ段,用來冷卻另一側(cè)的產(chǎn)品流路中的水(產(chǎn)品流路側(cè)的水溫度仍然為137℃).
閥V61將轉(zhuǎn)向,熱水從之前的PHE Ⅵ段轉(zhuǎn)向PHE Ⅲ段,用于冷卻產(chǎn)品流路中往包裝機(jī)方向的水.閥V75轉(zhuǎn)向,產(chǎn)品流路側(cè)的熱水排往排泄槽.
這個(gè)過程,根據(jù)管路的長短而定,由時(shí)間器控制.

　　3. PHOTOSHOP/
　　3:運(yùn)行無菌水/準(zhǔn)備生產(chǎn)
這個(gè)過程中,閥V74會(huì)由之前的電磁閥Y74A控制轉(zhuǎn)為Y74B控制(氣壓力減小,產(chǎn)品流路內(nèi)回流壓力降低),控制閥V78的電磁閥Y78觸發(fā),使產(chǎn)品流路的滅菌（fungus)段及保溫管段保持所需的壓力.
在此狀態(tài)下,滅菌機(jī)已準(zhǔn)備好接受所要進(jìn)行滅菌的物料,未生產(chǎn)時(shí),無菌水一直在產(chǎn)品流路中進(jìn)行循環(huán).另外,在這個(gè)狀態(tài)下,可進(jìn)行生產(chǎn)外,也可以選擇AIC(中途清洗)或CIP(*清洗).
滅菌機(jī)在這個(gè)狀態(tài)下,可以等候很長的時(shí)間,例如等待包裝機(jī)準(zhǔn)備就緒生產(chǎn).

　　(二).生產(chǎn)過程(P)

　　1. P/
　　1:產(chǎn)品排趕無菌水
當(dāng)開始往滅菌機(jī)入料時(shí),水閥V14會(huì)關(guān)閉,閥V75會(huì)轉(zhuǎn)向把水排走,當(dāng)產(chǎn)品平衡缸達(dá)到低液位時(shí),V13自動(dòng)打開,產(chǎn)品進(jìn)入平衡缸,把水?dāng)D往排放槽.
在排放的**后將是產(chǎn)品與水的混和物,當(dāng)產(chǎn)品流路中*只有產(chǎn)品時(shí),閥V75會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向,回流入平衡缸(這個(gè)時(shí)間的長短,因產(chǎn)品流路的長度及產(chǎn)品的流量大小而定,由時(shí)間器來控制),此時(shí),滅菌(Sterilization)機(jī)會(huì)給出一個(gè)訊號(hào)往包裝機(jī),包裝機(jī)就可以進(jìn)行生產(chǎn).產(chǎn)品與水的**后混和物一般進(jìn)行收集以另用.

　　2. P/
　　2:生產(chǎn)
經(jīng)滅菌的產(chǎn)品(Product)送往包裝機(jī)進(jìn)行包裝,產(chǎn)品流路中需要有少量的剩余產(chǎn)品回流滅菌機(jī),以便由閥V74進(jìn)行調(diào)節(jié),保持包裝機(jī)所需的灌注壓力.
這個(gè)過程中,如果產(chǎn)品供應(yīng)有故障,或包裝機(jī)有故障,滅菌機(jī)可以轉(zhuǎn)回PS/3步驟:運(yùn)行無菌水/準(zhǔn)備生產(chǎn),shou先經(jīng)過類似于P/1步驟:產(chǎn)品排趕無菌水,只不過現(xiàn)在反過來是無菌水排趕產(chǎn)品.

　　(三).中途無菌清洗(AIC)
按下中途清洗按鈕,滅菌機(jī)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行整個(gè)中途無菌清洗過程.中途清洗的目的是在進(jìn)行*大洗(CIP)之前,延長一次性生產(chǎn)的時(shí)間.中途清洗的時(shí)間大約為30分鐘.

　　1. AIC/
　　1:無菌水排趕產(chǎn)品
當(dāng)AIC程序開始運(yùn)行,滅菌機(jī)shou先經(jīng)過類似于P/1步驟:產(chǎn)品排趕無菌水,但現(xiàn)在正好相反:無菌水排趕產(chǎn)品.

　　2. AIC/
　　2:中途清洗
中途清洗,根據(jù)清洗程序,通常用的清洗液是燒堿(NaOH)和水,燒堿通過堿泵M12注入滅菌機(jī),當(dāng)清洗程序運(yùn)行完畢,滅菌機(jī)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入PS/3步驟:運(yùn)行無菌水/準(zhǔn)備生產(chǎn).

　　(四).生產(chǎn)完成
生產(chǎn)結(jié)束后,通常可立即進(jìn)行*清洗(CIP),但也可以在因突然停電或滅菌機(jī)故障等原因造成強(qiáng)制停機(jī)的情況下進(jìn)行CIP.

　　(五).*清洗(CIP)
按下*清洗按鈕,滅菌機(jī)會(huì)根據(jù)清洗程序自動(dòng)執(zhí)行整個(gè)清洗過程.*清洗的時(shí)間大約為70分鐘.

　　1. CIP/
　　1:無菌水排趕產(chǎn)品
當(dāng)CIP程序開始運(yùn)行,滅菌機(jī)shou先經(jīng)過類似于P/1步驟:產(chǎn)品排趕無菌水,但現(xiàn)在正好相反:無菌水排趕產(chǎn)品.

　　2. CIP/
　　2:高溫清洗
這個(gè)階段相當(dāng)于AIC/
　　2:中途清洗.只是這個(gè)過程較短暫,在這個(gè)階段,滅菌機(jī)在其無菌段仍然保持滅菌,在滅菌段(PHEⅠ+Ⅱ)溫度為137 ℃.

　　3. CIP/
　　3:低溫清洗
滅菌機(jī)冷卻到預(yù)設(shè)溫度(85 ℃),泵M3開始啟動(dòng),通過閥V51及V52與均質(zhì)機(jī)并行,加大產(chǎn)品流路內(nèi)的流動(dòng)速率.在酸洗時(shí),預(yù)設(shè)定溫度為65 ℃.
根據(jù)清洗程序,滅菌機(jī)將自動(dòng)選擇堿,酸,水進(jìn)行清洗循環(huán).

　　4. CIP/
　　4:沖洗
這個(gè)過程,蒸汽將關(guān)閉,進(jìn)行冷水沖洗6~7分鐘.

　　5. 停機(jī)
清洗完畢,消毒機(jī)會(huì)自動(dòng)停機(jī).