超高溫滅菌系統

    UHT產品是指物料在連續流動的狀態下通過熱交換器加熱至135~150℃，在這一溫度下保持一定的時間以達到商業無菌水平，然后在無菌狀態下灌裝于無菌包裝容器中的產品。UHT產品能在非冷藏條件下分銷，可保持相當時間而產品不變質。現在，UHT產品已從最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：殺死所有能導致產品變質的微生物，使產品能在室溫下貯 存一段時間。

（二）.超高溫滅菌加工的類型：

    超高溫滅菌系統所用的加熱介質大都為蒸汽或熱水，按物料與熱介質接觸與否，進一步可分為兩大類，即直接加熱系統和間接加熱系統。根據實際的生產情況，這里主要介紹超高溫間接加熱系統，按熱交換器傳熱面的不同又可分為板式熱交換系統及管式熱交換系統，某些特殊產品的加工使用刮板式加熱系統。

1．板式熱交換系統

    板式熱交換系統具有諸多的優點：a. 熱交換器結構比較緊湊，加熱段、冷卻段和熱回收段可有機地結合在一起。b. 熱交換板片的優化組合和形狀設計，大大提高了傳熱系數和單位面積的傳熱量。c. 易于拆卸，進行人工清洗加熱板面，定期檢查板面結垢情況及CIP清洗的效果。

2．管式熱交換系統

    管式熱交換系統的優點是：a. 生產過程中能承受較高的溫度及壓力。b.有較大的生產能力。c. 對產品的適應能力強，能對高粘度的產品進行熱處理，如布丁等。

3．板式與管式熱交換系統的比較

對兩種系統，從溫度的變化情況來看比較接近，從機械設計的角度 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，為達到同樣的傳熱量，板式加熱系統是最經濟的一種系統。

   b. 管式加熱系統因其結構的特性，更加耐高溫和高壓，而板式加熱系統，則受到了板材及墊圈的限制。

   c．板式熱交換器，對加熱表面的結垢比較敏感，因其流路較窄，垢層很快會阻礙產品的流動。為了保證流速不變，驅動壓力就會增大，但壓力的增大會受到結構特別是墊圈的限制；管式熱交換器，由于產品與加熱介質之間的溫差較大，較板式熱交換器可能更易結垢，但結垢對產品的流速沒有太大的影響，因為系統可以承受較大的內壓力，持續生產的制約因素主要是滅菌溫度，結垢層影響了傳熱效率，從而影響了滅菌溫度，造成無法進行自動控制。

   d. 兩種加熱系統，由于生產過程產品結垢的影響，造成系統的不穩定，因而都要對系統進行清洗，其中包含AIC（無菌狀態中間清洗），目的是去除加熱面上沉積的脂肪、蛋白質等垢層，降低系統內壓力，有效延長一次性連續運轉的時間；CIP(最后清洗），目的是在AIC之后對加熱系統進行徹底的清洗，恢復加熱系統的生產能力。

（三）.超高溫滅菌的一些問題

1．熱交換方式

   生產過程的熱交換是以傳導和對流的方式進行，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，通過傳導和對流把熱量傳給水。

   間接加熱：經蒸汽加熱了的熱水通過隔板加熱另一側的產品，熱量從邊界層通過隔板傳遞到另一側邊界層幾乎是完全靠傳導，進一步將熱量傳遞至產品流中心則通過傳導和對流來完成。

2．熱交換器

    用間接方法傳遞熱量的設備稱為熱交換器。熱交換器有被隔板隔開的兩個通道，熱水流過一條通道，而產品流過另一條通道。產品在熱交換器中與加熱介質存在兩種流動，一種為逆向流動，一種為并流流動，如圖： 

    不同的產品，特別是奶制品，對熱敏感性較強，生產過程中，當牛奶的溫度高于65℃時，就易產生垢層，交換器熱傳遞表面與牛奶的溫差過大，會使牛奶中蛋白質在隔板面形成結焦的機會增加，導致傳熱系數的下降。在滅菌段，一般熱水溫度比產品的滅菌溫度高2-3℃為隹。

    逆向流動過程，產品在行程中逐漸被加熱，且溫度總是比同一點的加熱介質的溫度低幾度；而并流流動過程中，兩者在同一點上的溫差變化較大。在并流中，產品的最終溫度不可能比產品和加熱介質混合所獲得的溫度高。在逆向流動中，則沒有這一限制，產品可以加熱到比加熱介質進口溫度低2-3℃。

3．加熱過程控制

    產品在加熱過程中不能有沸騰現象發生，原因有： 第一． 產品沸騰后所產生的蒸汽將占據系統流路，從而減少了產品的滅菌時間，使滅菌效率降低。第二． 產品在沸騰后，流路中由于蒸汽氣泡的作用，會產生較強的湍流現象，造成系統中流量及溫度的極不穩定。第三． 產品在加工過程中，沸騰所產生的氣泡將增加產品在加熱表面變性及結垢的機會，影響熱傳遞及產品的品質。

    為了防止沸騰，在某一溫度下，產品流路的內部壓力不能小于該溫度下的飽和蒸汽壓。由于產品中主要成份為水，這個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的內部壓力。根據經驗得知，為更好地防止產品在加熱時沸騰，所提供的內部壓力至少要比飽和蒸汽壓高0.1 MPa。

4．產品流速及熱水流速的控制

    前面已講過，為了減少產品在傳熱隔板面的結垢狀況，保證產品的品質，在滅菌段，一般熱水溫度比產品的滅菌溫度高2-3℃為隹。為達到這一目的，產品流速及熱水流速之間要保持一個相對穩定的比例。我們知道，確定產品的流速大小由紙包機的生產能力所決定，包含包裝機的實際生產量及保證包裝機正常生產所需要的一定的回流量（如兩臺6000包/小時的TBA/9機，生產量為3000 L/h，從而滅菌機的產品流速定為3300~3400 L/h）。一般來說，熱水流速為產品流速的1.1~1.2倍是比較合適的。熱水流速過低，要達到設定的滅菌溫度（如牛奶為137℃ ）， 必然要消耗更多的蒸汽，使熱水側的溫度升得更高，可能達到140℃以上或更高，這將會大大影響產品品質，也會增加交換器因結垢堵塞的機會，縮短了正常生產時間。

超高溫板式熱交換系統

一．板式熱交換系統的應用

    滅菌的目的是生產滅菌乳或其它風味牛奶制品，還有其它的產品，如果汁及茶飲料等。

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行滅菌，同時也進行均質處理。通常，牛奶在滅菌之前會進行一些預處理，如巴氏殺菌、奶油分離、脂肪含量的標準化等。

    板式滅菌系統并不是一個嚴格的標準熱交換設備，但它可以進行特別設制，以適應不同的環境需要及產品生產工藝的要求。例如，均質機可以根據實際情況選用，安裝于熱交換器的滅菌段之前或之后：有些產品是需要后均質的，如稀奶油，這就需要選擇結構相對復雜及成本較高的無菌均質機，同時此系統又適用于生產滅菌乳；而如果只生產滅菌乳，均質機則可置于滅菌段之前，采用常用的均質機。根據實際情況，熱交換系統還可增設一些附選設備如離心機、脫氣裝置等。

三．滅菌系統基本工作過程

    滅菌系統首先要對生產設備進行殺菌（Plant Sterilization （PS）），確切地說是對要求保持無菌的部位進行消毒，例如產品滅菌之后從滅菌機到包裝機的部分管道等。

    對設備進行殺菌之后，就可進入生產程序（Production (P)）。

    為了延長一次性的連續生產時間，有必要對滅菌設備進行中途無菌清洗（Aseptic Intermediate Cleaning（AIC）），歷時大約30分鐘，用以替代約70分鐘的完全清洗（Cleaning（CIP））。

    在滅菌系統中，存在兩個主要流路系統：產品流路及熱水流路。在生產（P）過程中，顧名思義，產品流路通過的是產品，但在消毒（PS）及清洗（AIC，CIP）過程中，產品流路中通過的是水及清洗液。對熱水流路，在滅菌系統工作過程中，熱水自始至終都在流路中循環，通過蒸汽噴射進去水中進行加熱，然后作為一種傳熱介質用來加熱以及冷卻產品流路中的產品，以達到所需的溫度。

    另外，滅菌系統中有其它獨立的冷卻水供應，用于對產品及熱水進行必要的冷卻，滿足不同溫度設定的要求。

    經過滅菌的產品從滅菌機出來后，被送往一臺或幾臺無菌包裝機或者無菌貯存缸。另外，往無菌包裝機有一條供料及回流的管道，在對滅菌設備進行殺菌（PS）時，也同時對此管道進行殺菌。

四．滅菌機工作步驟

（一）.滅菌設備殺菌過程（PS）

    對滅菌設備進行殺菌的目的是使產品流路中某些部位處于無菌狀態，例如：熱交換器的PHE Ⅰ+Ⅱ（滅菌段）、保溫管、PHE Ⅲ+ Ⅳ +Ⅴ（冷卻段）、往包裝機的管路、包裝機的產品進入閥，所有這些部位在生產之前必須經過殺菌；另外，產品從包裝機的回流管道及PHE Ⅵ（冷卻段）在PS過程中了進行了消毒。

1. PS/1：灌注/加熱/殺菌

    設備殺菌過程是指熱水在壓力之下，在產品流路中進行循環，時間為30分鐘。在這一過程中，熱水從滅菌段（PHEⅠ+Ⅱ）以及回流回 PHE Ⅵ的溫度應保持在137℃左右（根據實際管路的情況，熱水回流到PHE Ⅵ時的溫度偏低，設置為不低于129℃）。有兩個溫度傳感器，一個安裝于滅菌段出來的保溫管上（TT42），另一個安裝于PHE Ⅵ段之前（TT71），用于對溫度的監控。

    滅菌系統開始運行時，冷水通過V14閥進入產品平衡缸及產品流路。此后V14閥會關閉，只在需要時（如平衡缸液位低）才打開，以補充水。

    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，用來加熱產品流路中的水， 此時，熱水的流向是經V61閥進入PHE Ⅵ段，從V61至PHE Ⅲ段間的靜止狀態下的水也會逐漸被加熱。冷卻水會通過PHE Ⅶ段用于對熱水冷卻，使回流入熱水平衡缸的溫度為85℃。

    產品流路中的水被加熱到設定殺菌溫度（TT42及TT71感應），溫度傳感器會給出訊號，時間繼電器運行，開始進行殺菌，時間為30分鐘。在30分鐘殺菌過程中，如果產品流路中的溫度低于設定的監測溫度，則時間繼電器的時間會自動重置，只有當溫度達到設定時才又開始運行。

    為了避免產品流路中的熱水出現沸騰，流路內部需要有足夠的壓力，保證這個壓力不能小于該溫度下的飽和蒸汽壓。產品流路內部壓力的大小由恒壓調節閥V74（電磁閥Y74A觸發）進行設定。流路中熱水回流入產品平衡缸之前，經排片PHEⅥ進行冷卻，使溫度低于100℃，避免熱水入產品平衡缸時產生沸騰。

2. PS/2：冷卻及穩定

    當對產品流路中的滅菌段至回流入PHE Ⅵ段的管路殺菌結束后，PHE Ⅵ之前的溫度傳感器（TT71）不再監測，接下來對PHE Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ段以及去包裝機和從包裝機回來的管路進行冷卻，產品流路中的水將經V20轉向入PHE Ⅳ段，用來冷卻另一側的產品流路中的水（產品流路側的水溫度仍然為137℃）。

    閥V61將轉向，熱水從之前的PHE Ⅵ段轉向PHE Ⅲ段，用于冷卻產品流路中往包裝機方向的水。閥V75轉向，產品流路側的熱水排往排泄槽。

這個過程，根據管路的長短而定，由時間器控制。  

3. PS/3：運行無菌水/準備生產

    這個過程中，閥V74會由之前的電磁閥Y74A控制轉為Y74B控制（氣壓力減小，產品流路內回流壓力降低），控制閥V78的電磁閥Y78觸發，使產品流路的滅菌段及保溫管段保持所需的壓力。

    在此狀態下，滅菌機已準備好接受所要進行滅菌的物料，未生產時，無菌水一直在產品流路中進行循環。另外，在這個狀態下，可進行生產外，也可以選擇AIC（中途清洗）或CIP（完全清洗）。

    滅菌機在這個狀態下，可以等候很長的時間，例如等待包裝機準備就緒生產。

（二）.生產過程（P）

1. P/1：產品排趕無菌水

    當開始往滅菌機入料時，水閥V14會關閉，閥V75會轉向把水排走，當產品平衡缸達到低液位時，V13自動打開，產品進入平衡缸，把水擠往排放槽。

    在排放的最后將是產品與水的混和物，當產品流路中完全只有產品時，閥V75會自動轉向，回流入平衡缸（這個時間的長短，因產品流路的長度及產品的流量大小而定，由時間器來控制）,此時，滅菌機會給出一個訊號往包裝機，包裝機就可以進行生產。產品與水的最后混和物一般進行收集以另用。

2. P/2：生產

    經滅菌的產品送往包裝機進行包裝，產品流路中需要有少量的剩余產品回流滅菌機，以便由閥V74進行調節，保持包裝機所需的灌注壓力。

    這個過程中，如果產品供應有故障，或包裝機有故障，滅菌機可以轉回PS/3步驟：運行無菌水/準備生產，首先經過類似于P/1步驟：產品排趕無菌水，只不過現在反過來是無菌水排趕產品。

（三）.中途無菌清洗（AIC）

     按下中途清洗按鈕，滅菌機會自動執行整個中途無菌清洗過程。中途清洗的目的是在進行完全大洗（CIP）之前，延長一次性生產的時間。中途清洗的時間大約為30分鐘。

1. AIC/1：無菌水排趕產品

    當AIC程序開始運行，滅菌機首先經過類似于P/1步驟：產品排趕無菌水，但現在正好相反：無菌水排趕產品。

2. AIC/2：中途清洗

    中途清洗，根據清洗程序，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，當清洗程序運行完畢，滅菌機會自動進入PS/3步驟：運行無菌水/準備生產。

（四）.生產完成

    生產結束后，通常可立即進行完全清洗（CIP），但也可以在因突然停電或滅菌機故障等原因造成強制停機的情況下進行CIP。

（五）.完全清洗（CIP）

    按下完全清洗按鈕，滅菌機會根據清洗程序自動執行整個清洗過程。完全清洗的時間大約為70分鐘。   

1. CIP/1：無菌水排趕產品

    當CIP程序開始運行，滅菌機首先經過類似于P/1步驟：產品排趕無菌水，但現在正好相反：無菌水排趕產品。

2. CIP/2：高溫清洗

    這個階段相當于AIC/2：中途清洗。只是這個過程較短暫，在這個階段，滅菌機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

    滅菌機冷卻到預設溫度（85 ℃），泵M3開始啟動，通過閥V51及V52與均質機并行，加大產品流路內的流動速率。在酸洗時，預設定溫度為65 ℃。

    根據清洗程序，滅菌機將自動選擇堿、酸、水進行清洗循環。

4. CIP/4：沖洗

    這個過程，蒸汽將關閉，進行冷水沖洗6~7分鐘。

5. 停機

   清洗完畢，消毒機會自動停機。