超高温灭菌系统
2010-03-10
超高温灭菌系统
一．超高温灭菌（Ultra High Temperature，简称UHT）
UHT产品是指物料在连续流动的状态下通过热交换器加热至135~150℃，在这一温度下保持一定的时间以达到商业无菌水平，然后在无菌状态下灌装于无菌包装容器中的产品。UHT产品能在非冷藏条件下分销，可保持相当时间而产品不变质。现在，UHT产品已从最初的牛奶拓展到了其它不同品种的饮料，如各类果汁、茶饮料等，灭菌温度为100~135℃。
（一）.目的：杀死所有能导致产品变质的微生物，使产品能在室温下贮 存一段时间。
（二）.超高温灭菌加工的类型：
超高温灭菌系统所用的加热介质大都为蒸汽或热水，按物料与热介质接触与否，进一步可分为两大类，即直接加热系统和间接加热系统。根据实际的生产情况，这里主要介绍超高温间接加热系统，按热交换器传热面的不同又可分为板式热交换系统及管式热交换系统，某些特殊产品的加工使用刮板式加热系统。
1．板式热交换系统
板式热交换系统具有诸多的优点：a. 热交换器结构比较紧凑，加热段、冷却段和热回收段可有机地结合在一起。b. 热交换板片的优化组合和形状设计，大大提高了传热系数和单位面积的传热量。c. 易于拆卸，进行人工清洗加热板面，定期检查板面结垢情况及CIP清洗的效果。
2．管式热交换系统
管式热交换系统的优点是：a. 生产过程中能承受较高的温度及压力。b.有较大的生产能力。c. 对产品的适应能力强，能对高粘度的产品进行热处理，如布丁等。
3．板式与管式热交换系统的比较
对两种系统，从温度的变化情况来看比较接近，从机械设计的角度 来看:
a. 板式热交换器很小的体积就能提供较大的传热面积，为达到同样的传热量，板式加热系统是最经济的一种系统。
b. 管式加热系统因其结构的特性，更加耐高温和高压，而板式加热系统，则受到了板材及垫圈的限制。
c．板式热交换器，对加热表面的结垢比较敏感，因其流路较窄，垢层很快会阻碍产品的流动。为了保证流速不变，驱动压力就会增大，但压力的增大会受到结构特别是垫圈的限制；管式热交换器，由于产品与加热介质之间的温差较大，较板式热交换器可能更易结垢，但结垢对产品的流速没有太大的影响，因为系统可以承受较大的内压力，持续生产的制约因素主要是灭菌温度，结垢层影响了传热效率，从而影响了灭菌温度，造成无法进行自动控制。
d. 两种加热系统，由于生产过程产品结垢的影响，造成系统的不稳定，因而都要对系统进行清洗，其中包含AIC（无菌状态中间清洗），目的是去除加热面上沉积的脂肪、蛋白质等垢层，降低系统内压力，有效延长一次性连续运转的时间；CIP(最后清洗），目的是在AIC之后对加热系统进行彻底的清洗，恢复加热系统的生产能力。
（三）.超高温灭菌的一些问题
1．热交换方式
生产过程的热交换是以传导和对流的方式进行，在加热过程中存在两种情况：
直接加热：蒸汽通过喷射器直接均匀地射入水中，通过传导和对流把热量传给水。
间接加热：经蒸汽加热了的热水通过隔板加热另一侧的产品，热量从边界层通过隔板传递到另一侧边界层几乎是完全靠传导，进一步将热量传递至产品流中心则通过传导和对流来完成。
2．热交换器
用间接方法传递热量的设备称为热交换器。热交换器有被隔板隔开的两个通道，热水流过一条通道，而产品流过另一条通道。产品在热交换器中与加热介质存在两种流动，一种为逆向流动，一种为并流流动，如图：
不同的产品，特别是奶制品，对热敏感性较强，生产过程中，当牛奶的温度高于65℃时，就易产生垢层，交换器热传递表面与牛奶的温差过大，会使牛奶中蛋白质在隔板面形成结焦的机会增加，导致传热系数的下降。在灭菌段，一般热水温度比产品的灭菌温度高2-3℃为隹。
逆向流动过程，产品在行程中逐渐被加热，且温度总是比同一点的加热介质的温度低几度；而并流流动过程中，两者在同一点上的温差变化较大。在并流中，产品的最终温度不可能比产品和加热介质混合所获得的温度高。在逆向流动中，则没有这一限制，产品可以加热到比加热介质进口温度低2-3℃。
3．加热过程控制
产品在加热过程中不能有沸腾现象发生，原因有： 第一． 产品沸腾后所产生的蒸汽将占据系统流路，从而减少了产品的灭菌时间，使灭菌效率降低。第二． 产品在沸腾后，流路中由于蒸汽气泡的作用，会产生较强的湍流现象，造成系统中流量及温度的极不稳定。第三． 产品在加工过程中，沸腾所产生的气泡将增加产品在加热表面变性及结垢的机会，影响热传递及产品的品质。
为了防止沸腾，在某一温度下，产品流路的内部压力不能小于该温度下的饱和蒸汽压。由于产品中主要成份为水，这个压力与水的饱和蒸汽压相近，如135℃下需保持0.2 MPa（即2 公斤压力 kgf/cm2）的压力以避免料液沸腾，150℃则需要 0.375MPa的内部压力。根据经验得知，为更好地防止产品在加热时沸腾，所提供的内部压力至少要比饱和蒸汽压高0.1 MPa。
4．产品流速及热水流速的控制
前面已讲过，为了减少产品在传热隔板面的结垢状况，保证产品的品质，在灭菌段，一般热水温度比产品的灭菌温度高2-3℃为隹。为达到这一目的，产品流速及热水流速之间要保持一个相对稳定的比例。我们知道，确定产品的流速大小由纸包机的生产能力所决定，包含包装机的实际生产量及保证包装机正常生产所需要的一定的回流量（如两台6000包/小时的TBA/9机，生产量为3000 L/h，从而灭菌机的产品流速定为3300~3400 L/h）。一般来说，热水流速为产品流速的1.1~1.2倍是比较合适的。热水流速过低，要达到设定的灭菌温度（如牛奶为137℃ ）， 必然要消耗更多的蒸汽，使热水侧的温度升得更高，可能达到140℃以上或更高，这将会大大影响产品品质，也会增加交换器因结垢堵塞的机会，缩短了正常生产时间。
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超高温板式热交换系统
一．板式热交换系统的应用
灭菌的目的是生产灭菌乳或其它风味牛奶制品，还有其它的产品，如果汁及茶饮料等。
二．基本工作原理
牛奶在加工过程中，是通过间接加热方式进行灭菌，同时也进行均质处理。通常，牛奶在灭菌之前会进行一些预处理，如巴氏杀菌、奶油分离、脂肪含量的标准化等。
板式灭菌系统并不是一个严格的标准热交换设备，但它可以进行特别设制，以适应不同的环境需要及产品生产工艺的要求。例如，均质机可以根据实际情况选用，安装于热交换器的灭菌段之前或之后：有些产品是需要后均质的，如稀奶油，这就需要选择结构相对复杂及成本较高的无菌均质机，同时此系统又适用于生产灭菌乳；而如果只生产灭菌乳，均质机则可置于灭菌段之前，采用常用的均质机。根据实际情况，热交换系统还可增设一些附选设备如离心机、脱气装置等。
三．灭菌系统基本工作过程
灭菌系统首先要对生产设备进行杀菌（Plant Sterilization （PS）），确切地说是对要求保持无菌的部位进行消毒，例如产品灭菌之后从灭菌机到包装机的部分管道等。
对设备进行杀菌之后，就可进入生产程序（Production (P)）。
为了延长一次性的连续生产时间，有必要对灭菌设备进行中途无菌清洗（Aseptic Intermediate Cleaning（AIC）），历时大约30分钟，用以替代约70分钟的完全清洗（Cleaning（CIP））。
在灭菌系统中，存在两个主要流路系统：产品流路及热水流路。在生产（P）过程中，顾名思义，产品流路通过的是产品，但在消毒（PS）及清洗（AIC，CIP）过程中，产品流路中通过的是水及清洗液。对热水流路，在灭菌系统工作过程中，热水自始至终都在流路中循环，通过蒸汽喷射进去水中进行加热，然后作为一种传热介质用来加热以及冷却产品流路中的产品，以达到所需的温度。
另外，灭菌系统中有其它独立的冷却水供应，用于对产品及热水进行必要的冷却，满足不同温度设定的要求。
经过灭菌的产品从灭菌机出来后，被送往一台或几台无菌包装机或者无菌贮存缸。另外，往无菌包装机有一条供料及回流的管道，在对灭菌设备进行杀菌（PS）时，也同时对此管道进行杀菌。
四．灭菌机工作步骤
（一）.灭菌设备杀菌过程（PS）
对灭菌设备进行杀菌的目的是使产品流路中某些部位处于无菌状态，例如：热交换器的PHE Ⅰ+Ⅱ（灭菌段）、保温管、PHE Ⅲ+ Ⅳ +Ⅴ（冷却段）、往包装机的管路、包装机的产品进入阀，所有这些部位在生产之前必须经过杀菌；另外，产品从包装机的回流管道及PHE Ⅵ（冷却段）在PS过程中了进行了消毒。
1. PS/1：灌注/加热/杀菌
设备杀菌过程是指热水在压力之下，在产品流路中进行循环，时间为30分钟。在这一过程中，热水从灭菌段（PHEⅠ+Ⅱ）以及回流回 PHE Ⅵ的温度应保持在137℃左右（根据实际管路的情况，热水回流到PHE Ⅵ时的温度偏低，设置为不低于129℃）。有两个温度传感器，一个安装于灭菌段出来的保温管上（TT42），另一个安装于PHE Ⅵ段之前（TT71），用于对温度的监控。
灭菌系统开始运行时，冷水通过V14阀进入产品平衡缸及产品流路。此后V14阀会关闭，只在需要时（如平衡缸液位低）才打开，以补充水。
热水流路中也开始注入水，蒸汽喷射入热水流路的水中，使热水升到一定的温度，用来加热产品流路中的水， 此时，热水的流向是经V61阀进入PHE Ⅵ段，从V61至PHE Ⅲ段间的静止状态下的水也会逐渐被加热。冷却水会通过PHE Ⅶ段用于对热水冷却，使回流入热水平衡缸的温度为85℃。
产品流路中的水被加热到设定杀菌温度（TT42及TT71感应），温度传感器会给出讯号，时间继电器运行，开始进行杀菌，时间为30分钟。在30分钟杀菌过程中，如果产品流路中的温度低于设定的监测温度，则时间继电器的时间会自动重置，只有当温度达到设定时才又开始运行。
为了避免产品流路中的热水出现沸腾，流路内部需要有足够的压力，保证这个压力不能小于该温度下的饱和蒸汽压。产品流路内部压力的大小由恒压调节阀V74（电磁阀Y74A触发）进行设定。流路中热水回流入产品平衡缸之前，经排片PHEⅥ进行冷却，使温度低于100℃，避免热水入产品平衡缸时产生沸腾。
2. PS/2：冷却及稳定
当对产品流路中的灭菌段至回流入PHE Ⅵ段的管路杀菌结束后，PHE Ⅵ之前的温度传感器（TT71）不再监测，接下来对PHE Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ段以及去包装机和从包装机回来的管路进行冷却，产品流路中的水将经V20转向入PHE Ⅳ段，用来冷却另一侧的产品流路中的水（产品流路侧的水温度仍然为137℃）。
阀V61将转向，热水从之前的PHE Ⅵ段转向PHE Ⅲ段，用于冷却产品流路中往包装机方向的水。阀V75转向，产品流路侧的热水排往排泄槽。
这个过程，根据管路的长短而定，由时间器控制。
3. PS/3：运行无菌水/准备生产
这个过程中，阀V74会由之前的电磁阀Y74A控制转为Y74B控制（气压力减小，产品流路内回流压力降低），控制阀V78的电磁阀Y78触发，使产品流路的灭菌段及保温管段保持所需的压力。
在此状态下，灭菌机已准备好接受所要进行灭菌的物料，未生产时，无菌水一直在产品流路中进行循环。另外，在这个状态下，可进行生产外，也可以选择AIC（中途清洗）或CIP（完全清洗）。
灭菌机在这个状态下，可以等候很长的时间，例如等待包装机准备就绪生产。
（二）.生产过程（P）
1. P/1：产品排赶无菌水
当开始往灭菌机入料时，水阀V14会关闭，阀V75会转向把水排走，当产品平衡缸达到低液位时，V13自动打开，产品进入平衡缸，把水挤往排放槽。
在排放的最后将是产品与水的混和物，当产品流路中完全只有产品时，阀V75会自动转向，回流入平衡缸（这个时间的长短，因产品流路的长度及产品的流量大小而定，由时间器来控制）,此时，灭菌机会给出一个讯号往包装机，包装机就可以进行生产。产品与水的最后混和物一般进行收集以另用。
2. P/2：生产
经灭菌的产品送往包装机进行包装，产品流路中需要有少量的剩余产品回流灭菌机，以便由阀V74进行调节，保持包装机所需的灌注压力。
这个过程中，如果产品供应有故障，或包装机有故障，灭菌机可以转回PS/3步骤：运行无菌水/准备生产，首先经过类似于P/1步骤：产品排赶无菌水，只不过现在反过来是无菌水排赶产品。
（三）.中途无菌清洗（AIC）
按下中途清洗按钮，灭菌机会自动执行整个中途无菌清洗过程。中途清洗的目的是在进行完全大洗（CIP）之前，延长一次性生产的时间。中途清洗的时间大约为30分钟。
1. AIC/1：无菌水排赶产品
当AIC程序开始运行，灭菌机首先经过类似于P/1步骤：产品排赶无菌水，但现在正好相反：无菌水排赶产品。
2. AIC/2：中途清洗
中途清洗，根据清洗程序，通常用的清洗液是烧碱（NaOH）和水，烧碱通过碱泵M12注入灭菌机，当清洗程序运行完毕，灭菌机会自动进入PS/3步骤：运行无菌水/准备生产。
（四）.生产完成
生产结束后，通常可立即进行完全清洗（CIP），但也可以在因突然停电或灭菌机故障等原因造成强制停机的情况下进行CIP。
（五）.完全清洗（CIP）
按下完全清洗按钮，灭菌机会根据清洗程序自动执行整个清洗过程。完全清洗的时间大约为70分钟。
1. CIP/1：无菌水排赶产品
当CIP程序开始运行，灭菌机首先经过类似于P/1步骤：产品排赶无菌水，但现在正好相反：无菌水排赶产品。
2. CIP/2：高温清洗
这个阶段相当于AIC/2：中途清洗。只是这个过程较短暂，在这个阶段，灭菌机在其无菌段仍然保持灭菌，在灭菌段（PHEⅠ+Ⅱ）温度为137 ℃。
3. CIP/3：低温清洗
灭菌机冷却到预设温度（85 ℃），泵M3开始启动，通过阀V51及V52与均质机并行，加大产品流路内的流动速率。在酸洗时，预设定温度为65 ℃。
根据清洗程序，灭菌机将自动选择碱、酸、水进行清洗循环。
4. CIP/4：冲洗
这个过程，蒸汽将关闭，进行冷水冲洗6~7分钟。
5. 停机
清洗完毕，消毒机会自动停机。
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