快 高温瞬时灭菌（UHT）奶的生产工艺及设备选型

摘要：UHT纯牛奶是将鲜牛乳在连续流动的情况下加热至 135 ℃～150 ℃，并且连续保持 2 s～5 s。用这种方法生产的牛奶在有效杀灭微生物的前提下，较大限度地保留了牛奶中的营养成分,可在常温条件下长期保存。主要研究了 UHT 奶的生产工艺，论述了其工艺流程和操作要点，对 40 t/d UHT 纯牛奶生产线进行了物料衡算和能量衡算；并对所用设备进行了选择计算。
随着生活质量的不断提高，牛奶作为接近完善的营养健康食品越来越受到消费者的青睐。牛乳中除大量水分之外，含有丰富的蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素、乳糖和矿物质。在各组分之中，以乳糖和矿物质的含量较为恒定，他们对牛乳的渗透压影响较大，可维持牛乳的渗透压基本与血液相同，牛乳中蛋白质含量也较为恒定，约在 3.0g/100g～3.5 g/100g。
牛奶中还含有的丰富的乳清酸和钙质，他既能抑制胆固醇沉积于动脉血管壁，又能抑制人体内胆固醇合成酶的活性，从而减少胆固醇产生；奶中的蛋白质主要是酪蛋白、白蛋白、球蛋白、乳蛋白等，所含的 20 多种氨基酸中有人体必须的 8 种氨基酸；奶中的矿物质和微量元素都是溶解状态，而且矿物质的含量比例，是钙、磷的比例比较合适，很容易消化吸收，对预防老人和儿童的缺钙症很重要；牛奶同时也是维生素的重要来源。
目前市场上销售的液态奶包括巴氏杀菌奶和快 高 温 瞬 时 灭 菌 （UHT） 奶 两 种 ， 快 高 温 杀 菌（UHT） 方法分间接式和直接式加热两种。间接式加热采用高温蒸汽喷射牛乳，首先将鲜牛乳预热至75 ℃～85 ℃保持 4 min～6 min，而后于 135 ℃～150 ℃高温灭菌 2 s～5 s；直接加热式是将鲜牛乳在高压下喷射于蒸气中，达 140 ℃数秒钟。UHT杀菌法较好的保持了产品风味和营养，由于耐热性细菌都被杀死，故贮藏性明显提高，无需在 10 ℃以下冷藏保存，保存期可达 6～9 个月。
的乳品市场正以每年两位数字的速度在增长，液态奶销售的增长尤其惊人，城市液态奶的增长率甚至快 过其他种类的饮料。据国家统计局统计，仅 2003 年 1 月至 6 月间，液体乳产量就已经达到 246.07 万 t，同比增长 63.27%。目前发达国家对牛奶的人均年消费量为 107 kg，而我国人均乳品消费仅为 9.7 kg，远未达到世界人均消费水平。因此进一步推广快 高温瞬时灭菌 （UHT） 技术之后，我国的乳品市场将有更加广阔的前景。

1 UHT 纯奶的生产工艺流程
1.1 快 高温瞬时灭菌 （UHT） 乳的工艺流程
1.2 操作要点
1.2.1 原料乳的要求及理化指标检测
制造优良品质的乳制品，必须选用质量优良的原料乳，验收时要对原料乳进行嗅觉、味觉、外观、尘埃、温度、酸度、酒精、比重、脂肪、蛋白质、全乳固体、细菌数等严格检验。
1.2.2 原料乳的标准化
为了使产品符合规格要求，乳制品中脂肪、蛋白质和非脂乳固体含量要保持一定，符合生产产品要求。但是，原料乳中的脂肪、蛋白质和非脂乳固体含量随乳牛的品种、地区、季节和饲养管理等因素不同有很大的差异，因此必须对原料乳进行标准化，调整原料乳脂肪、蛋白质和非脂乳固体的关系，使其比例符合制品的要求。
1.2.3 原料乳的净化
原料乳的净化目的是去除乳中的机械杂质并减少微生物的数量，可以采用过滤净化或离心净化等，简单的粗滤是在受乳槽上装有过滤筛网并铺上多层纱布进行，滤布应经常清洗灭菌。使用离心净乳机可以显著提高净化效果，有利于提高制品质量。离心净乳机还能将乳中的乳腺体细胞和某些微生物除去，净乳机放在粗滤之后冷却之前。
1.2.4 预热杀菌
原料乳在均质之前用巴氏杀菌法进行预热杀菌，预杀菌的目的有：
a） 初步杀死大部分的细菌和致病菌，使UHT杀菌更，以保证食品的安全性，提高成品的贮藏性。
b） 抑制酶的活性，以免成品产生脂肪水解、酶促褐变等不良现象。采用杀菌温度为 80 ℃，时间为 15 min。
1.2.5 原料乳的冷却贮存
1.2.5.1 原料乳的冷却
生产线每天生产需两个班次轮回进行，所以原料奶经过预杀菌时应该立即冷却储存以保证第二班次的生产。冷却温度为 5 ℃～10 ℃，以抑制细菌的繁殖。乳中的微生物的数量随着贮存时间的长短和温度高低而变化。冷却使用管式热交换器，将原料乳迅速冷却到5 ℃泵入贮乳罐中储存。
1.2.5.2 原料乳的贮存
为了保证工厂连续生产的需要，必须有一定的原料乳的贮存量，一般设有数个贮乳罐。贮乳罐配有搅拌，定时搅动液体，防止脂肪上浮，造成原料乳的成分分布不均匀。
1.2.6 均质
均质是对脂肪球进行机械处理，使脂肪球均匀一致分散在乳中。均质采用二级均质，即物料连续通过两个均质头，将粘在一起的小脂肪球打开。较高的温度均质有利于提高效果，但温度过高会引起乳脂肪、乳蛋白的变性，均质温度采取 55 ℃～80 ℃，均质压力 2.0 MPa～2.5 MPa 效果为好。若温度降低后再均质，不仅降低了均质效果，而且有时会使脂肪球形成乳油粒。
1.2.7 快 高温瞬时 （UHT） 灭菌
快 高温瞬时灭菌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，用这种方法灭菌在有效杀灭微生物的前提下，较大限度地保留了牛奶中的营养成分，生产的牛奶可在常温条件下长期保存。
1.2.8 灌装
灌装必须在条件下进行，计量准确，封口可靠，成型完好，喷码清晰。
1.2.9 检验
合格的产品直接装箱出库，有问题的产品进行复检，仍不合格的产品直接销毁。
1.2.10 装箱贮存
UHT 乳成品进入常温库贮存。

2 产品种类和产量
按年产 12 000 t UHT 纯牛奶的规模设计生产，月生产时间为 28 d，年生产时间为 300 d。

3 物料衡算
物料衡算是对生产过程每一环节的物料损失的计算。加工过程中投入的辅助料按正值计算，加工过程的物料损失，以负值记入。这样可以计算出原料和辅料的消耗定额。
按每天处理40 t原料奶计算，班生产时间为12h，空消时间为 1 h，生产后清洗消毒时间为 1 h，每小时处理原料奶 2 t。

4 能量衡算
4.1 巴氏灭菌机设备类型确定
在乳制品加工过程中，常用巴氏杀菌机进行预杀菌，牛奶刚挤出来温度为 36 ℃，进入巴氏杀菌机加热到 80 ℃，保持 15 min。
牛乳密度为 1 020 kg/m3，比热容 3.95 kJ/(kg·℃)，局部总传热系数 k 根据实验取 150 W/(m2·℃)。
物料与出口的温度差：Δt1=T1- t2=120- 80=40 ℃
式中：T1———热蒸气温度，℃;
t2———物料出口温度，℃Δt2=T2- t1=110- 36=74℃。
式中：T2———热蒸气出口温度，℃;
t1———物料温度，℃
平均温度差 Δtm：因为 Δt2/Δt1=74/40=1.85<2，所以 Δtm=Δt1+Δt2/2=40+74/2=57 ℃。
冷物料所需要的能量:Q=WcCpc(t2- t1)=0.53×3.95×（80- 36）=92.11 kW，
式中：Wc———每秒钟所处理的物料量，kg/s；
Cpc———牛乳比热容，kJ/(kg·℃)。
传热面积 （S1）：S1=Q／KΔtm=92 110/(150×57)=10.8 m2。
为保证传热效果，取放大系数 1.2 计算校正传热面积 （S）：S=1.2×S1=13 m2。
根据能量守恒定律：D=Q/r=92.11/2 134.0=0.043 kg/s=155.39 kg/h，
式中：D———蒸气消耗量，kg/h；
r———加热蒸汽的汽化热，kJ/kg。
选择巴氏灭菌机设备为 LG- 1000SJ。
4.2 快 高温瞬时灭菌机设备类型确定
进入设备的物料从 80 ℃上升到 135 ℃，且在135 ℃的环境下保持 3 s～4 s，蒸汽在设备中严格的按照逆流方式进行传热，蒸汽释放出气化潜热。
换热器与出口的温度差的计算：
Δt1=T1- t2=145- 135=10 ℃，Δt2=T2- t1=138- 80=58 ℃，
式中：T1———蒸气温度，℃；
T2———蒸气出口温度，℃；
t1———物料温度，℃；
t2———物料出口温度，℃。
换热平均温度差：Δtm=（Δt2- Δt1）／ln（Δt2／Δt1）=（58- 10）/ln(58/10)=27.3 ℃。
冷物料所需要的热量：Q=WcCpc(t2- t1)=0.51×3.95×（135- 80）=110.80 kW。
蒸汽消耗量 D的计算:根据能量守恒定律D=Q/r=110.80/2 134.0=0.052 kg/s=186.91 kg/h，
式中：D———蒸汽消耗量，kg/h；
r———加热蒸汽的汽化热，KJ/kg。
传热面积 （S1） : (查表得 K=700 W/m2·℃)S1=Q／KΔtm=110 800/(700×27.3)=5.80 m2。
为有效保证传热效果，需对计算值进行放大，取放大系数为 1.2 计算校正传热面积 （S）：S=1.2×S1=6.96 m2，根据物料衡算和能量衡算结果,所选用的是套管式快 高温瞬时杀菌设备，型号为 RP6L- 40。
4.3 原料乳冷却阶段热量计算
灌装前牛乳从 UHT杀菌机中出来温度为 65℃，需冷却至 15℃左右才可灌装，热量变化计算如下：
Q＝Wh×Cpc×Δt＝1845.1×3.95×（65- 15）＝364 407 kJ/h。
4.4 灌装设备
灌装设备采用紫外线杀菌利乐包灌装机，每袋容量 220 g，根据物料衡算处理量 36.9 t/d，得出灌装机生产能力为 167 727 袋 /d。
4.5 主要设备选型
从设备的设计选型上，可以反映出所设计工厂的性和生产的可靠性。

来源：惠合UHT灭菌机网