液体食品物料无菌处理系统的工艺优化

食品物料无菌处理系统是为无菌包装系统提供无菌液料的系统。目前，食品物料无菌处理系统都是热杀菌系统。由于多数无菌包装产品为液体，并且是在杀菌后包装的，因此可以选用高效热交换器对食品进行连续杀菌处理。无菌包装产品连续杀菌所要求的无菌性处理的影响因素与常规的罐头食品相同。根据食品的性质特点，可以选择高温短时（HTST）和超高温瞬时（UHTST，或称UHT）两种热杀菌方式进行无菌处理，但目前以后者居多，因此，液体食品的无菌处理系统也往往指UHT系统。为使料液达到最高杀菌温度，UHT系统既可采用直接加热方式，也可采用间接加热方式，因此UHT系统分为直接式和间接式两类。图12-34所示为两种形式加热的UHT温度曲线形状。

图12-34 UHT温度曲线形状

一、无菌处理系统的基本构成

无菌处理是一种热处理过程，料液所经历温度历程通常包括三个阶段：进料预热升温、保温和冷却降温。为使料液连续地经历这些温度阶段，无菌处理系统的基本构成要素包括热交换器、泵、管路、阀门、贮罐及控制系统等。

（一）热交换器

如上所述，虽将料液加热到最高杀菌温度可采用间接式或直接式两种方式，但料液的预热和冷却均采用间接式热交换器。因此，间接式UHT系统只采用间接式热交换器，而直接式UHT系统均同时包括直接式和间接式两种形式的换热器。

1.间接式热交换器

根据被处理物料的性质，无菌处理系统可采用板式、管式和旋转刮板式三种类型的间接式热交换器，对料液进行加热或冷却。一般稀料液或低黏度料液可采用板式热交换器，较高黏度或含颗粒的料液可采用管式热交换器，黏度很高的料液可采用旋转刮板式热交换器。同一无菌处理系统，既可只采用一种型式的间接式热交换器，也可以同时采用不同类型的间接式换热器。

用于料液加热的介质可以是蒸汽、热水或杀菌后需要冷却的高温料液；用于料液冷却的介质可以是冷水、冰水或需要预热的低料料液。由于同一系统中温度较低的进料液和温度较高的杀菌后料液同时分别需要升温和降温，因此，可利用一台间接式热交换器（或热交换器中的一个区段）实现余热回收。如果料液黏度较大，不便利用同一热交换器（或热交换器中的同一区段）实现不同温度料液间的换热，则可利用循环水作为中间介质进行余热回收。除实现余热回收的预热段（或冷却段）以外，必要时，系统要用蒸汽、热水、冷水或冰水作介质，对料液进行加热或冷却。间接式UHT系统，料液最后升温达到最高杀菌温度，要求料液在增压条件下用饱和蒸汽或过热水作介质（饱和蒸汽通入循环水得到）进行加热。

2.直接式热交换器

直接式UHT系统利用蒸汽直接与料液混合并将其加热到杀菌温度。蒸汽直接加热式热交换器有喷射式和注入式两种类型（参见第七章相关内容）。由于蒸汽直接加热换热器在将料液温度提高的同时，也将蒸汽冷凝水带给了料液，因此，这种换热器对所所用加热蒸汽有较高的卫生要求。

另一方面，蒸汽直接加热带入料液的蒸汽冷凝水分，通常需要采用闪蒸罐除去。闪蒸罐是一种同时使料液温度和水分含量降低的直接式热交换器，它是一种真空容器，料液中的部分水分在此受到真空作用，吸收潜热迅速蒸发，使料温迅速降低。闪蒸罐系统实际上是一种特殊形式的真空蒸发系统，与一般真空蒸发系统一样，也需要有真空冷凝系统及抽吸料液的泵配合才能正常运行。闪蒸罐还可起部分除去料液中（多由挥发性成分构成的）异味的作用。

（二）保持管与背压阀

保持管也称为保温管，用于使加热到杀菌温度的物料保持必要的时间。保持管的长度及物料在管内的流动速度决定了物料在管内的滞留时间，直接式UHT系统的杀菌温度高，因而所需的保温时间短，保温管较短，而间接加热的系统，杀菌温度低，所需要的保温时间长，从而保温管也较长。

背压阀设在保持管末端，它使被处理物料在增压泵与保持管之间保持与杀菌温度对应所需的压力。图12-35所示为一种背压阀的外形和结构，这种阀利用给定压缩空气压力控制阀芯的开度来控制阀前料液的压力。

需要指出的是，有些UHT系统不设专门的背压阀。这些系统最后设有一进多出的切换阀，这种切换阀同时起背压阀作用。

（三）泵

UHT系统的泵按卫生要求可分为无菌泵和非无菌泵两类。所有无菌处理系统均有进料泵和增压泵，由于用在杀菌段以前，所以是非无菌泵。进料泵一般为离心泵，用于将物料送至预热段。增压泵用于确保物料杀菌所需温度所对应的压力，增压泵一般为正位移泵，经常串接在UHT系统的均质机，除均质以外，也起增压泵作用。因此，在杀菌处理以前，如采用均质机，则可不用其他增压泵。值得一提的是，直接式UHT系统中的闪蒸罐是真空状态的，要求有真空泵配合才能正常工作，料液要从闪蒸罐排出，要用无菌泵抽吸。

图12-35 背压阀

（四）控制装置

UHT装置首先应当具有安全性，必须能够避免出现向无菌包装机段供非无菌产品之类的危害。一般UHT系统的操作涉及四种模式：预杀菌、正常杀菌、中间清洗（Asepticin-termediatecleaning）和CIP清洗，这四种模式之间运行切换一般以自动控制的方式实现。控制规划必须能对误操作引起的过程干扰采取联动安全措施，例如，UHT在经过适当预杀菌前应当无法执行正常杀菌运行模式。装置启动、运行和清洗涉及的各种程序指令，均通过控制装置发出，控制装置应当包括过程控制、指示和记录所需的各种必需部件。

图12-36 直接加热式UHT系统

二、蒸汽直接加热式无菌处理系统

这种无菌处理系统组成最大的特征是带有直接加热产品的蒸汽加热器、起冷却和除去多余水分的闪蒸罐（也称为膨胀罐），以及与闪蒸罐配套的真空系统。由于直接加热温度（150℃左右）高，保温时间短，所以保温管很短。但仍然会有间接式热交换器，用于产品直接加热前的预热和闪蒸冷却后的进一步冷却。根据产品特性，可采用喷射式或注入式蒸汽直接加热器。图12-36所示分别为结合这两种不同蒸汽直接加热器的无菌处理系统。以下分别举例介绍这两种系统的流程。

（一）蒸汽喷射式系统

一种应用蒸汽直接喷射加热器超高温瞬时杀菌系统流程如图12-37所示。生产前，整个装置需用喷射蒸汽加热到136℃的循环热水杀菌30min，然后用无菌冷水降温。整个系统始终保持无菌水循环直至进料产品开始杀菌。

图12-37 蒸汽直接喷射式UHT流程

产品由进料泵输送进入系统，先后经第一和第二预热器预热，温度升至80℃。然后由增压泵加压输送，经气动流量阀进入直接蒸汽喷射杀菌器。在该处，产品受到1MPa压力蒸汽的直接喷射作用，温度瞬时升至150℃。此温下的产品在保持管中停留2～4s后，经背压阀进入闪蒸罐中进行闪蒸冷却，使产品温度急剧冷却到77℃左右。

在闪蒸罐内，相当于喷入产品的蒸汽冷凝水分量的水成为蒸汽从闪蒸罐排出，同时带走产品中可能存在的一些异味。闪蒸罐产生的蒸汽被冷凝器冷凝。真空泵使闪蒸罐始终保持一定的真空度。部分从闪蒸罐排出的热蒸汽可作为加热介质用于第一预热器对进入系统的产品进行预热。

闪蒸罐底部收集到的产品保持一定的液位，然后用无菌泵抽吸送至无菌均质机。经均质的无菌产品在冷却器中进一步冷却后送往无菌灌装机或进入无菌贮罐。

为了保持产品的含水量不变，喷射入产品中的蒸汽量必须在闪蒸冷却时全部排净，这可以通过调节器控制喷射前产品的温度和闪蒸后产品的温度的差值来实现。

（二）蒸汽注入式系统

蒸汽注入式UHT杀菌系统采用蒸汽直接注入式热交换器进行杀菌。图12-38所示为一种APV公司的蒸汽注入式UHT系统流程。系统在正常操作前，先利用过热水在系统中循环30min对系统进行预杀菌并随后进行冷却。(www.xing528.com)

系统对物料杀菌的过程为：原料罐中的待杀菌物料由离心泵送至板式换热器第一预热段进行初步预热，然后在可调速的回转式定量泵的作用下，经过板式热交换器第二预热段升温后，进入注入式直接加热器，在此与蒸汽直接接触瞬间被加热到杀菌温度，接着由定量泵二抽出（加热器中的液位自动控制在一定高度）送入保持管流动2～4s后（此即保持时间）经过背压阀进入无菌闪蒸罐进行自蒸发，同时温度下降。闪蒸罐中产生的二次蒸汽由冷凝器/真空泵系统除去，而产品由无菌离心泵送至无菌均质机（根据需要选用），再送至管式热交换器进一步冷却，冷却好的无菌产品最后送至灌装工序。

为节省能量，从管式换热器冷却段一中出来的已经升温的冷却水作为加热介质给板式换热器预热段一使用，并在两者之间循环。在管式热交换器冷却段二后面有一切换阀控制无菌产品的流向，若物料杀菌合格则将其转至无菌包装机或无菌罐暂存，若杀菌不足则被自动转向并经管式换热器回料冷却段冷却后送至回料罐，待重新杀菌使用。

图12-38 蒸汽注入式UHT系统流程

三、间接加热式无菌处理系统

间接加热式UHT系统与直接加热式UHT系统在结构上的最大区别在于料液不与加热介质接触，因此，不需有除去水分的闪蒸罐和真空冷凝系统，对加热介质的洁净程度也较直接式的要求低些。另外还可以采用过热水作为杀菌加热器的加热介质。

（一）板式UHT系统300

图12-39所示为一种APV板式UHT杀菌装置。板式UHT系统的生产能力可达30000L/h。

图12-39 一种APV板式UHT杀菌装置

板式UHT系统的典型流程如图12-40所示。约4℃的原料由进料泵送到板式热交换器的余热回收段（c），由UHT处理过料液预热到约75℃，后者同时得到冷却。预热后的产品然后经均质机以18～25MPa的压力进行均质处理。在间接式UHT装置中，UHT处理前均质处理意味着可以使用非无菌均匀质机进行处理。需要指出的是，诸如稀奶油之类的产品，最好在UHT处理后进行均质，以便改善质地和物理稳定性。

图12-40 典型板式UHT杀菌系统流程

a—热水冷却段 b—中间冷却段 c—预热/冷却段 d—冷却段 e—加热杀菌段

经过预热、均质的料液连续地在板式热交换器的加热杀菌段（e）由热水加热到约137℃。加热介质由封闭的热水循环构成，其温度调节通过蒸汽喷射器将蒸汽混合水中实现。加热以后，产品在保持管中保持约4s。

最后，分两段进行余热回收性冷却：首先在冷却段（d）与循环热水冷端进行换热冷却，然后与低温进料在预热/冷却段（c）进行换热冷却。切换阀是一进三出型的多通道阀，达到杀菌要求的产品冷却后直接进入无菌包装机或进入无菌罐中间贮存，这两个通道阀的开启程度起背压阀作用，保证加热杀菌段有与杀菌温度相对应的压力存在。

同样，如果过程中杀菌温度达不到生产要求，则料液再经中间冷却段（b）回收经冷却后进入回料罐，然后系统用水冲洗。系统在重新启动以前必须进行清洗和灭菌。

（二）套管式UHT系统

套管式UHT系统适用于较黏稠或含有颗粒的物料，可用于乳、风味乳、咖啡伴侣、稀奶油、冰淇淋混合物、蛋乳和奶昔等物料。这种系统性能可靠，有较大耐压能力，热能再生利用率较高（接近85%）。套管式UHT系统有两种形式：一种是组合套管式；另一种是盘管式（盘绕套管式）。

1.组合套管式UHT系统

组合套管式UHT处理系统，采用的是新型套管式热交换器，图12-41所示为一种组合套管式UHT装置系统。

图12-41 组合套管式UHT装置系统

典型组合套管式UHT流程如图12-42所示。原料液经预热段a预热后，进入均质机均质，再经过加热段c加热至所需杀菌温度，进入保持管保温，然后经余热回收/冷却段d冷却后，经切换阀（同时起背压阀作用）通往无菌包装机或作为中间贮存的无菌罐。达不到杀菌温度要求的经回料冷却段e用冰水冷却后送往回料罐。

蒸汽喷射加热器、平衡罐、循环泵及相关管路构成的加热介质（热水）和冷却介质（冷水）循环在两个环节实现余热回收：①利用d段回收保持管出来的料液余热，使循环水升高，只需经蒸汽喷射加热器补充少量蒸汽，就可使热水达到杀菌所需的温度；②a段是利用循环热水对进料预热的余热回收段，b为中间冷却段，用于除去余热回收循环中多余的热量。

图12-42 组合套管式UHT系统流程

a—预热段 b—中间冷却段 c—加热段 d—热回收/冷却段 e—回料冷却段

2.盘管式UHT系统

这种形式的UHT系统，最早由荷兰的STORK公司开发，目前我国有多家设备厂商生产类似设备。图12-43所示分别为外形和流程图。盘管式UHT杀菌装置的热交换器主体由不锈钢同心套管（例如外管32mm×3mm/内管20mm×2mm）盘管串接而成，套管盘绕管可构成不同温度料液的余热回收段，也可构成通蒸汽或冷却水的加热或冷却段。蒸汽加热杀菌段及保持段为单管盘管结构。通过外管适当位置焊接管口与原料泵相接，也可与均质机（同时起增压作用）串联。这种装置的特点是结构紧凑、占地面积小，热交换器密封件少，运行可靠。

图12-43 盘管式UHT装置

典型的盘管式UHT系统流程如图12-43（2）所示。以牛乳杀菌为例，离心进料泵将牛乳泵入第一热交换段，升温到一定温度（60℃）进行均质，再经第二组热交换段加热升温至90℃后进入加热器，在此将牛乳加热至118～120℃，再在保持段保持5～7s，之后再依次进入第二、第一热交换段，冷却到60℃至出口处。如出口温度太低，则可在补充加热段用蒸汽加热至所需的出口温度。背压阀后的料液如满足杀菌要求，可从此装置出料，如达不到要求，可回流再经过循环处理。

（三）刮板式UHT系统

高黏度并含有颗粒的产品不便用管式或板式UHT系统，可采用旋转刮板式热交换器（结构和工作原理见第7章相关部分）构成的UHT系统。图12-44所示为一种APV公司所产的刮板式UHT装置。这类UHT系统由于处理的料液黏度高，因此，所用的泵一般均为正位移泵。为了使物料达到所需的加热温度和冷却温度，可由几台旋转刮板式热交换器串联合成，达到杀菌温度后，也要经过保温管。这种系统可不专门设背压阀，料液维持杀菌温度所对应的压力，由保温段后冷却过程的流动阻力维持。

图12-44APV刮板式UHT系统

图12-45所示为一种采用刮板式换热器UHT系统流程，系统加热和冷却由五台刮板式热交换器完成。原料液由正位移泵从贮罐抽出，先后送经预热器和加热器，进行预热和加热到最后所需温度。出来的料液经过保温管后，先经冷却器一、冷却器二用冷水进行冷却，最后在冷却器三用冰水冷却到最终包装所需温度，再由正位移泵II将无菌料液送到包装工段。

图12-45 刮板式UHT系统流程