Thiết bị tiệt trùng sữa bằng phương pháp dạng UHT dạng bản mỏng

Thiết bị tiệt trùng sữa bằng phương pháp dạng UHT dạng bản mỏng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

MỤC LỤC

I Giới thiệu 3

II Cơ sở khoa học của quá trình tiệt trùng 3

2.1 Cơ sở khoa học: 3

2.2 Quá trình tiệt trùng: 3

2.3 Phương pháp tiệt trùng UHT(ultra high-temperature) 3

III.Quá trình tiệt trùng trong công nghệ sản xuất sữa tiệt trùng 5

3.1 Sơ đồ khối 5

3.2 Sơ đồ thiết bị 7

IV.Thiết bị tiệt trùng UHT dạng bản mỏng (kiểu tấm) 9

4.1 Cấu tạo 9

4.2 Nguyên tắc hoạt động 14

4.3 Một số thiết bị tiệt trùng UHT trên thị trường 18

V Tài liệu tham khảo 35

I Giới thiệu

II Cơ sở khoa học của quá trình tiệt trùng

2.1 Cơ sở khoa học:

Nhiều loài vi sinh vật khác nhau được tìm thấy trong thực phẩm và nguyên liệu chế biến thựcphẩm.Dựa vào khả năng sinh tổng hợp độc tố và gây bệnh,hệ vi sinh vật trong thực phẩm có thể chia làm hainhóm:

+Nhóm vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp độc tố và gây bệnh cho người:nếu thực phẩm bị nhiễmnhóm vi sinh vật này thì có thể gây ngộ độc cho người sử dụng.Đứng từ góc độ vệ sinh an toàn thực phẩmthì đây là nhóm vi sinh vật có hại và chúng ta cần phải áp dụng những giải pháp kĩ thuật trong quy trình sảnxuất để chúng không bị nhiễm vào thực phẩm

+Nhóm vi sinh vật không có khả năng sinh tổng hợp độc tố:nhóm vi sinh vật này hoặc không có ảnhhưởng xấu hoặc có ảnh hưởng tốt đến sức khỏe người tiêu dung.Tuy nhiên,khi nhóm vi sinh vật này có mặttrong thực phẩm chúng sẽ thực hiện quá trình trao đổi chất,từ đó gây ra những biến đổi về thành phần hóahọc và giá trị cảm quan của thực phẩm Kết quả là chất lượng thực phẩm nhanh chóng bị biến đổi theo thờigian bảo quản

Ngoài ra,chúng ta cũng cần lưu ý đến sự có mặt của các enzyme trong thực phẩm vì chúng sẽ gây ranhững biến đổi hóa sinh và cảm quan, từ đó làm thay đổi các chỉ tiêu chất lượng của thực phẩm trong quátrình bảo quản

2.2 Quá trình tiệt trùng:

Tiệt trùng là quá trình tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật (ở dạng tế bào sinh dưỡng hoặc bào tử) và ức chếkhông thuận nghịch các enzyme trong thực phẩm.Sau quá trình tiệt trùng,sản phẩm sẽ trở thành vôtrùng.Như vậy,quá trình tiệt trùng không những đảm bảo cho thực phẩm an toàn về mặt vệ sinh mà còn kéodài thời gian bảo quản thực phẩm,giúp ổn định các chỉ tiêu chất lượng của thực phẩm sau một thời gian dàisau sản xuất

Trong điều kiện sản xuất quy mô lớn,việc xử lý thực phẩm trở nên vô trùng là rất khó thực hiện.Dođó,các nhà sản xuất thực phẩm đã đưa ra khái niệm “thực phẩm vô trùng công nghiệp”( commercially sterilefood).Những thực phẩm này chưa đạt mức độ vô trùng tuyệt đối nhưng không chứa vi sinh vật gây bệnh,còn những vi sinh vật không gây bệnh và không sinh tổng hợp độc toosthif có thể vẫn còn sống sót trongthực phẩm nhưng với số lượng rất hạn chế “Thực phẩm vô trùng công nghiệp” có thể bảo quản tối thiểutrong thời gian 6 tháng trong những điều kiện xác định mà vẫn không bị thay đổi những chỉ tiêu chất lượng

về dinh dưỡng và cảm quan,

Phương pháp tiệt trùng bằng nhiệt:

Các phương pháp tiệt trùng bằng nhiệt có thể chia làm hai nhóm:xử lý sảm phẩm trong bao bì và xử

lý sản phẩm ngoài bao bì.Tùy theo tính chất và vốn đầu tư mà các nhà sản xuất cần lựa chọn phương pháptiệt trùng phù hợp

2.3 Phương pháp tiệt trùng UHT(ultra high-temperature)

Sữa có thể được tiệt trùng để trở thành “thực phẩm vô trùng công nghiệp” với nhiệt độ vượt quá

1000C và đóng gói trong những bao bì kín.Sữa có thể được đóng gói trước hoặc sau khi tiệt trùng.Và UHT

trong bao bì đã được vô trùng trước trong điều kiện khí quyển vô trùng.Sữa được sản xuất theo cách nàynhiệt độ có thể vượt quá 1350C,thời gian giử nhiệt được rut ngắn lại(2-5s) và dòng sản phẩm được hoạt độngliên tục.

Một số sản phẩm trong quy trình sản xuất có sử dụng phương pháp tiệt trùng UHT như: sản phẩmdạng lỏng từ sữa, nước trái cây,cream,sữa chua,rượu,salad dressing…

Phương pháp tiệt trùng UHT gồm có hai phương pháp chính:phương pháp gia nhiệt trực tiếp và gianhiệt gián tiếp

a) Hệ thống gia nhiệt trực tiếp:

Sản phẩm sẽ được gia nhiệt bằng cách tiếp xúc trực tiếp với hơi nước vô trùng.Ưu điểm của phươngpháp này là sản phẩm sẽ được đạt được nhiệt độ cao trong thời gian ngắn.Và đối với một sản phẩm nhạycảm như sữa thì điều này sẽ ít làm biến đổi chất lượng của sản phẩm.Có thể gia nhiệt trực tiếp bằng haiphương pháp:

+Sử dụng vòi phun hơi nước để đưa hơi nước áp suất cao vào chất lỏng đã được gia nhiệt trước đểnhiệt độ sản phẩm tăng lên một cách nhanh chóng.Sau giai đoạn giữ nhiệt,sản phẩm sẽ được làm lạnh nhanhtrong chân không để loại bỏ nước tương đương với lượng hơi nước đã sử dụng.Với phương pháp này,sảnphẩm được gia nhiệt và làm lạnh nhanh và loại được hơi nước.Tuy nhiên,phương pháp này chỉ phù hợp vớimột số sản phẩm.Vì phương pháp này tiêu hao năng lượng khá lớn,mặt khác sản phẩm tiếp xúc trực tiếp vớithiết bị ở nhiệt độ cao sẽ ảnh hưởng đến mùi vị của sản phẩm

+Dòng sản phẩm sẽ được bơm vào buồng chứa hơi nước áp suất cao bằng vòi.Điểm nổi bật của hệthống này là lượng hơi nước lớn còn thể tích dòng sản phẩm nhỏ được phân bố trên một diện tích bề mặt lớncủa sản phẩm.Nhiệt độ sản phẩm được kiểm soát chính xác thông qua áp suất.Bên cạnh đó,giai đoạn giữnhiệt sẽ được thực hiện bằng việc sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng hoặc dạng ống.Tiếp theosản phẩm sẽ được làm lạnh nhanh trong buồng chân không.Ưu điểm của phương pháp này là sản phẩm đượcgia nhiệt và làm lạnh nhanh chóng,quá trình trao đổi nhiệt xảy ra đồng đều trong dòng sản phẩm,thích hợpcho cả sản phẩm có độ nhớt thấp và cao

b) Hệ thống gia nhiệt gián tiếp:

Với phương pháp này,thiết bị gia nhiệt và sản phẩm không tiếp xúc trực tiếp với nhau,cách nhau bởicác thiết bị tiếp xúc bề mặt.Có nhiều kiểu trao đổi nhiệt được áp dụng:thiết bị dạng bản mỏng,dạng ống

Thiết bị dạng bản mỏng:tượng tự như khi ta sử dụng trong HTST,nhưng áp suất của quá trình đượcgiới hạn bởi những tấm đệm.Vận tốc chất lỏng thấp có thể dẫn đến việc gia nhiệt không đồng đều.Phươngpháp này giúp tiết kiệm được không gian tầng,dễ dàng kiểm tra và có khả năng tái sinh

Thiết bị dạng ống gồm có kiểu ống bọc,kiểu ống xoắn,kiểu ống lồng ống,nhiều ống.Tất cả nhữngthiết bị trao đổi nhiệt dạng ống không được bịt kín như thiết bị dạng bản mỏng.Nên nó có thể chịu được ápsuất cao,do dó tốc độ dòng chảy sẽ cao hơn và nhiệt độ đạt được cao hơn.Nên trao đổi nhiệt diễn ra đồngđều hơn nhưng khó kiểm tra

c) Ưu nhược điểm của phương pháp tiệt trùng UHT:

Ưu điểm:

+Sản phẩm đạt chất lượng cao:tiêu diệt được vi sinh vật bằng cách gia nhiệt và làm lạnh nhanh giúpbảo vệ những chỉ tiêu chất lượng và cảm quan của thực phẩm

+Kéo dài thời gian bảo quản:tối thiểu là 6 tháng ở điều kiện thường

Nhược điểm:

+Thiết bị tiệt trùng:phức tạp và đòi hỏi nhà máy phải duy trì bầu khí quyển vô trùng giữa khâu chếbiến và đóng gói sản phẩm.Phương pháp này đòi hỏi kĩ năng vận hành cao và quá trình tiệt trùng phải đượcduy trì cho đến khi sản phẩm được đóng gói trong bao bì vô trùng

+Đối với những sản phẩm dạng dạng rắn,kích thước các hạt lớn thì quá trình tiệt trùng sẽ diễn rakhông đồng đều làm cho bề mặt sản phẩm sẽ được truyền nhiệt cao hơn so với những vùng khác của sảnphẩm làm cho thực phẩm bị thay đổi chỉ tiêu chất lượng và cảm quan

+Nhiệt độ tiệt trùng quá cao có thể làm cho lipit bị ôi hóa,protein bị biến tính gây đông tụ sữa làmgiảm chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm

III Quá trình tiệt trùng trong công nghệ sản xuất sữa tiệt trùng:

3.1 Sơ đồ khối

Sữa nguyên liệuSữa nguyên liệu

Chuẩn hóa

Bài khí

Đồng hóa

Tiệt trùng UHT

Bao bì giấy vô trùng

Sữa tiệt trùng UHTRót sản phẩm

3.2 Sơ đồ thiết bị

IV Thiết bị tiệt trùng UHT dạng bản mỏng (kiểu tấm)

hệ thống đường vào và ra cho mẫu khảo sát và chất tải nhiệt Tùy thuộc vào đều kiện cụ thể, các nhà tổ chức

a) Những ưu điểm nổi bật:

Đảm bảo được hệ số truyền nhiệt cao với hệ số kháng thủy lực thấp

Thiết bị gọn nhẹ, chi phí chế tạo thấp

Làm việc đáng tin cậy, không bị rò rỉ, kết hợp hài hòa hai yếu tố lắp đặt và bảo dưỡng

Việc chuẩn hóa các chi tiết cho phép áp dụng rộng rãi loại thiết bị này ở các áp suất và nhiệt độ khácnhau

b) Phân loại

Theo hình dáng và vật liệu bề mặt trao đổi nhiệt,

Theo mục đích sử dụng môi chất làm việc,

Theo chiều chuyển động của môi chất

c) Kết cấu các thành phần cơ bản của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm:

i Các tấm trao đổi nhiệt cơ bản

Cấu tạo của tấm cho ta những chỉ tiêu kĩ thuật của thiết bị

Tùy theo hình dạng, kích thước, đặc điểm cấu tạo của tấm mà ta có cường độ trao đổi nhiệt khácnhau; độ tin cậy của thiết bị; chi phí sản xuất của thiết bị khác nhau, cho công suất khác nhau cũng như sơđồ lắp ghép khác nhau

Trên cơ sở các tấm tiêu chuẩn, có thể tạo ra hạng loạt các thiết bị có công suất khác nhau

Vấn đề là ở chỗ để sản xuất ra các tấm chuẩn bằng phương pháp hàn dập, cần phải tạo ra các khuôndập lớn và các loại thiết bị phụ trợ khác nhằm xử lý nhiệt và gia công đúng như thiết kế Việc này đòi hỏinhiều lao động tay nghề cao

ii Những yêu cầu khi thiết kế:

Tìm ra hình dạng có hiệu quả cao, các kích cỡ tấm trong các điều kiện đã cho.

Thiết kế tấm cơ bản làm cơ sở để thiết kế một loạt các tấm dùng cho các công suất khác nhau

Tính toán và thiết kế loại thiết bị có các bề mặt trao đổi nhiệt khác nhau với số lượng các tấm cơ bảncho trước

Thiết kế khuôn dập các tấm cơ bản

Mở rộng hiệu quả sử dụng các tấm cơ bản bằng cách ghép nhiều thiết bị kiểu tấm từ các kim loạikhác nhau

Tấm cơ bản là một chi tiết phức tạp, cùng một lúc phải thực hiện nhiều chức năng truyền nhiệt, cơhọc, thủy khí, công nghệ

d) Các dạng tấm cơ bản và phân loại

i Đặc điểm của tấm cơ bản như sau:

Cấu tạo tấm dập nổi, mặt cắt bề mặt trao đổi nhiệt

Hình dáng các lỗ khoan ở góc, nơi đầu vào và đẩu ra của môi chất và các kết cấu nhằm làm giảm trởlực đầu ra và vào của môi chất

Hệ thống doăng

Hệ thống treo các tấm trên khung của thiết bị và cách định vị các tấm trong từng cụm,

Cấu tạo của thiết bị phụ trợ nhằm làm cứng bệ khung thiết bị, giúp cho việc sử dụng thiết bị được dễdàng

Thiết bị xử lý cụm tấm trong trường hợp hỏng doăng

Không thể thỏa mãn cùng lúc các yêu cầu nói trên dể chế tạo ra một tấm cơ bản chuẩn

ii Phân loại các tấm cơ bản:

Tấm có cấu trúc gây dòng chảy rối.

Tấm dạng băng tải

Tấm băng lưới

Tấm phẳng hay tấm tạo kênh

e) Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm hiện đại

i Các loại thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm cơ bản:

Đặc điểm chủ yếu của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm là kết cấu, hình dáng, kênh dẫn, cho môi chấtlàm việc; kênh dẫn nằm giữa các tấm cạnh nhau, thường có hình dáng khe hẹp

Trong các khe hẹp này, môi chất thường chuyển động dưới dạng màng mỏng, do đó, hệ số trao đổinhiệt cao Hình dạng và mặt cắt các tấm rất đa dạng, nhiều khi khác xa tấm phẳng, ( khái niệm tấm hầu nhưchỉ có tinh quy ước)

Thông thường, các tấm đặt song song với nhau, giữa các tấm sẽ là khoảng cách không gian hẹp, tạonên các kênh dẫn riêng biệt cho các môi chất khác nhau để đôt nóng hoặc làm nguội môi chất

ii Thiết bị trao đổi nhiệt dùng tấm lắp ghép được:

Được sử dụng để gia nhiệt các môi chất dễ đóng cặn, dễ ăn mòn, những chất này dễ tạo ra lớp cặn cónhiệt trở phụ, cũng như làm tăng trở kháng thủy lực nếu chúng quá dày, làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệtgiữa các môi chất với nhau

Đáp ứng yêu cầu của quá trình công nghệ: thay đổi lượng kênh dẫn cũng như lưu lượng của môichất

Thiết bị bao gồm nhiều tấm trao đổi nhiệt được ghép trên trụ ngang, hai đầu được gắn cố định Mỗitấm đều có hai doăng nhằm ngăn cách các môi chất chuyển động theo các hướng khác nhau mà không hòatrộn vào nhau Một kênh dẫn cho chất lỏng nóng, kênh khác dẫn cho môi chất lạnh Như vậy, tồn tại songsong một hệ thống kênh dẫn lẻ và một hệ thống kênh dẫn chẵn Nhờ đó, hai môi chất nóng, lạnh chuyểnđộng xen kẽ nhau Cả hai hệ thống này đều nối qua ống ghép, từ đó qua cửa góp riêng đi ra ngoài

iii Thiết bị trao đổi nhiệt dùng tấm bán lắp ghép:

ở trên, nhờ có doăng cao su mà ta có thể tạo ra những bề mặt trao đổi nhiệt riêng biệt, sau một thờigian lam việc, do có cặn bẩn, ta phải tháo dỡ chúng ra để làm sạch

Về mặt lý thuyết, loại thiết bị này làm việc tốt nhưng thực tế doăng cao su lại la loại vật liệu kémchịu ăn mòn và nhanh hỏng nhất trong thiết bị trao đổi nhiệt

Trong các môi chất tham gia vào quá trình ttrao đổi nhiệt thường có một chất lỏng tinh khiết, (hơinước ngưng…) khi lưu động trong thiết bị trao đổi nhiệt không để lại cáu bẩn, do vây, không cần phải bảodưỡng bề mặt bên trong tiếp xúc với các mối chất này Những trường hợp như vậy, ta nên dùng loại bán lắpghép, nghĩa là khống cần tháo dỡ toàn bộ thiết bị ra để làm sạch mà chỉ cần tháo dỡ một phần

iv Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm ghép khối:

Dùng dể đốt nóng hay làm mát lưu chất, cũng như dùng để cho hơi sạch ngưng tụ Các chi tiết cơbản của loại thiết bj này là khối đã được chuẩn hóa, chúng cũng được chế tạo từ các tấm đã dập sẵn hàn laivới nhau

Muốn thiết bị làm việc lâu dài thì đòi hỏi môi chất cần phải tinh khiết để không để lại cáu bẩn

v Thiết bị trao đổi nhiệt loại tấm hàn cứng.

4.2 Nguyên tắc hoạt động

a) Quá trình tiệt trùng sữa bằng phương pháp UHT có thể thực hiện theo hai phương pháp:

 Phương pháp gián tiếp

 Phương pháp trực tiếp

Tiệt trùng trực tiếp:

Quá trình tiệt trùng được tiến hành trực tiếp bằng hơi kết hợp với thiết bị trao đổi nhiệt tấmbản.Theo sơ đồ này, sữa có nhiệt độ 40C từ thùng cân bằng 1 đi qua bơm 2 vào ngăn hoàn nhiệt của thiếtbị trao đổi nhiệt dạng tấm bảng 3 và được nâng nhiệt độ lên 800C Áp suất của sữa được nâng lên 4 barbằng bơm 4 và đi qua injector 5 Hơi nóng nâng nhiệt độ của sữa lên khoảng 1400C (với áp suất 4 bar sẽngăn không làm sữa bị sôi) và giữ nhiệt độ này vài giây ở ống lưu nhiệt 6 Quá trình làm lạnh nhanh xảy

ra ở tháp 7, ở đó độ chân không được điều chỉnh bởi bơm 8 sao cho lượng hơi nước bốc đi cân bằng vớilượng hơi nước đã dùng để tiệt trùng Sữa được đưa sang thiết bị đồng hóa vô trùng 10 bằng bơm ly tâm

9 Sau khi đồng hóa, sữa được làm lạnh đến 200C trong thiết bị trao đổi nhiệt 3 và đưa đến máy rót vôtrùng hoặc đến thùng tạm chứa trung gian 11 chờ rót

Nước lạnh dùng cho ngưng tụ chuyển từ thùng cân bằng 1b, sau khi ra khỏi tháp bốc hơi 7 được dung nhưtác nhân gia nhiệt sau khi ra khỏi injector

Tiệt trùng gián tiếp:

Sữa có nhiệt độ 40C được bơm từ thùng tạm chứa vào thùng cân bằng 1 và từ thùng này qua bơm 2 sẽ đưavào ngăn hoàn nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm bảng 3 và được nâng nhiệt độ lên khoảng 750C dohấp thụ nhiệt của sữa tiệt trùng đi ra Từ đó sữa được đưa qua thiết bị đồng hóa với áp suất 180-250 bar.Tiếp đó sữa được đưa qua ngăn tiệt trùng của thiết bị 3 và đạt 1370C, giữ ở nhiệt độ này trong vài giây trongống lưu nhiệt 6 Injector 5 dùng để điều chỉnh lượng nước nóng và nhiệt độ của nó Sữa được làm lạnh bằngcách trao đổi nhiệt với nước và với sữa lạnh đi vào kết quả làm giảm nhiệt độ sữa tiệt trùng xuống 200C.Cuối cùng sữa được đưa đến bồn chờ rót vô trùng.

b) Dòng chảy của lưu chất trong thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng:

4.3 Một số thiết bị tiệt trùng UHT trên thị trường:

Shanghai Changlong Industrial Equipment Co., Ltd