乳品廠換熱器的污垢組成與清洗方法

王穎瑞 閆雷雷 楊 濤

陜西科菱恩生物科技有限公司，陜西咸陽，710048

本文綜述了有關牛奶成分和污垢形成機制等內容。

1 污染牛奶的因素

1.1 牛奶組成

牛奶的主要成分為水（87.42%）和總固形物（12.58%）兩大類。如表1所示：總固形物包括非脂肪類固體（乳糖、鹽、礦物質和含氮物質）和脂質成分（乳脂、磷脂和血清）；含氮物質又分為酪蛋白、乳清蛋白和非蛋白氮（0.10%的蛋白胨、0.44%的乳清蛋白和0.095%的活性蛋白）。

表1 牛奶的成分組成[2]

1.2 污垢形成的因素

化學因素：Christian等[3]討論了污垢中蛋白質反應的化學性質。與普通牛奶相比，全脂牛奶中鈣含量較高，其降低牛奶的熱穩(wěn)定性，更容易在換熱器上結垢。隨著蛋白質濃度的升高，污垢的生成量增大。乳脂對污垢幾乎沒有影響。

物理因素：原奶在加熱處理前5℃環(huán)境下存放時間小于24 h時不易沉積。然而在光解酶的影響下，加工成乳制品時超過24 h存放的奶更容易結垢。

1.3 污垢形成示意圖

污垢形成的示意圖如圖1所示。當牛奶加熱到65℃以上時，由于β-半乳糖球蛋白（N-蛋白）的不穩(wěn)定性，使其成為形成污垢的前體物質，分為兩種變化機制[4]：①N-蛋白的變性過程主要為結構變化，其S－H鍵變得非常活躍生成β-Lg變性蛋白（D-蛋白）。②不可逆聚合反應將不溶性顆粒聚合為聚集物，稱為β-Lg聚集形式（A-蛋白）。

圖1 熱交換器表面蛋白質和污垢沉積模型

2 牛奶污垢沉積的因素

2.1 乳清蛋白

在乳制品加熱過程中，乳清蛋白的濃度會影響熱交換器表面的污垢沉積。熱凝型乳清蛋白是乳制品污垢中的主要成分。沉積污垢主要為聚集的熱凝型乳清蛋白分子。因此，Xin等[5]使用了熱誘導乳清蛋白凝膠作為清洗操作的原料模型來研究去除牛奶污垢的復雜性。

熱誘導乳清蛋白凝膠在加熱后產生的污垢中蛋白質含量占60%，這些乳清蛋白聚集體聚集形成較難清洗的污垢。由于蛋白聚集率的增加和凝固時間的縮短，高濃度的熱誘導乳清蛋白凝膠往往形成得更快。增加蛋白質濃度會增加乳清濃縮蛋白凝膠的硬度和聚集大小，從而加速凝膠化過程，使得清洗變得困難。此外，Puyol等[6]發(fā)現(xiàn)，高濃度的乳清分離蛋白凝膠往往在較低溫度下形成。高濃度蛋白質會極大地影響乳清蛋白凝膠的形成機制。

Fickak等[7]研究了乳清蛋白濃度對中試規(guī)模熱交換器的污垢沉積和清洗效率的關系。他們評估了基于不銹鋼的表面特性對不同牛奶成分（磷酸鈣和乳清蛋白）、復雜牛奶系統(tǒng)和牛奶相關細菌污染的影響。在所有情況下，不同的表面材料都會存在污垢殘留。因此，加工蛋白濃度高的產品時，需加強對原位清洗（CIP）系統(tǒng)的調整和換熱器清洗結果的檢查。

4)對海風鋒天氣過程的模擬,反映了海風鋒與內陸對流系統(tǒng)相遇的時空精細化過程,其中CAPE的水平分布顯示了強對流系統(tǒng)與海風鋒的相對移動,CAPE的垂直分布顯示海風鋒激發(fā)的強對流能量增強與釋放,在兩小時內不穩(wěn)定能量就迅速耗散。

2.2 換熱器工作條件

熱交換器中的運行參數(shù)會影響污垢的變化，如空氣含量、流速和溫度。據(jù)報道，只有在傳熱表面形成氣泡，這些氣泡成為沉積物形成的核心時，污垢才會沉積更多。預熱后的牛奶溶解空氣的能力降低，降低壓力，減少污垢的沉積。

2.2.1 清洗流速

流速增大會延緩污垢沉積。盡管CIP管道中的沖洗水流為湍流，在湍流形成前，層流子層和過渡區(qū)的存在也會影響污垢的殘留。層流子層的長度和隨后的過渡區(qū)均隨著流速的增加而減小，從而阻礙了傳熱表面的污垢沉積。需要注意的是，由于流體剪切應力增強，較高的流速也會促進沉積物再夾帶。

與管式換熱器相比，板式換熱器中更高速度的湍流和不同的流動特性會產生更短的誘導期。在相鄰板塊之間的接觸點附近存在的低速區(qū)是造成更短誘導期的原因。此外，邊界層的攪動脈動流減少了污垢沉積。其他研究人員[8]注意到，當只有傳熱表面附近的壁區(qū)足夠熱，足以引起蛋白質變性和聚集反應時，由于壁區(qū)附近的流體（牛奶）暴露時間較短，混合速率較高，所以可以看到沉積污垢減少[9]。

2.2.2 牛奶的溫度與溫差

在換熱器中，牛奶溫度可能是控制污垢形成的最重要因素。隨著溫度的升高，沉積污垢增加。溫度超過110℃時，污垢的性質從A型變?yōu)锽型（表2）。A型：蛋白質污垢產生在75℃和110℃之間。沉積物呈白色、柔軟、海綿狀（奶膜），其成分為50%～70%的蛋白質（主要是β-Lg乳清蛋白）、30%～50%的礦物質和4%～8%的脂肪。B型：礦物污垢發(fā)生在110℃以上的溫度。沉積物呈灰色（乳石），結構堅硬、致密、顆粒狀，其成分為70%～80%的礦物質（主要是磷酸鈣）、15%～20%的蛋白質和4%～8%的脂肪[8]。

表2 在不同加工溫度范圍內形成的奶沉積類型

溫度和溫差對污垢形成均有重要作用。Chen等[10]研究了表面溫度和整體溫度對全脂牛奶、脫脂牛奶和乳清蛋白污垢的影響，觀察到形成污垢時，表面溫度是最重要的因素。在換熱器表面溫度低于68℃，整體牛奶溫度高達84℃時，沒有污垢產生。

2.3 微生物的存在

換熱器中微生物沉積或生物膜形成的生物污垢引起了嚴重的質量問題。Flint等[11]調查了乳品廠生物污染的影響，表明生物污垢的發(fā)生有兩種不同的機制：微生物在傳熱表面的積聚和微生物附著在傳熱表面形成的沉積層上。微生物對表面的黏附力因污垢層的形成而增強，從而導致生物污染嚴重。沉積污垢成為微生物的營養(yǎng)物質，確保其滋生[12]。工業(yè)上大多數(shù)加工工藝都是在低于100℃的溫度下進行的。例如，巴氏殺菌是在連續(xù)流動系統(tǒng)中以72℃加熱牛奶15 s來實現(xiàn)消毒殺菌的。在這個溫度下，只有致病細菌和一些營養(yǎng)細胞被殺死。然而，孢子能抵抗較高的溫度，并且在超過這個溫度后仍保持活性。

值得注意的是，在沖洗設備時，流動的水將微生物帶入管道，因此下游的細菌濃度可能會增加。這可能會導致細菌在未被感染的區(qū)域生長，引起生物污染。

3 減少污垢沉積的方法

3.1 減少污染源

（1）預熱牛奶。蛋白質在轉移到加熱段前變性和聚集，可以減少熱換器中的污垢。

（2）復原乳產生的污垢偏少。①在奶粉生產過程中，普通牛奶在加熱后有3.6%～5%的變性β-Lg有助于沉積物的形成，而乳粉生產時β-Lg變性約占25%，復原乳在加工時將減少β-Lg變性的污染。②復原乳中的鈣含量減少了9%，鈣離子濃度的降低會減少污垢形成。③Xin等[13]分析了污垢沉積物，發(fā)現(xiàn)與鮮牛奶加工過程中形成的沉積物相比，復原乳沉積物的脂肪含量較高（大于60%），這種差異可歸因于脂肪球膜在奶粉生產過程中經過真空狀態(tài)下被破壞。

與此相反，Srichantra等[14]發(fā)現(xiàn)，隨著預熱處理（預熱溫度或預熱時間）的增加，復原乳使用UHT處理時污染率增加。

3.2 優(yōu)化的CIP工藝

乳品廠因清洗頻率高、衛(wèi)生要求高、能量損耗大、產品損失多、停機時間長等因素，導致清洗成本變高。在乳品行業(yè)多達42%的可用生產時間被清洗占用。優(yōu)化的CIP工藝可以降低清洗成本，減少清洗過程對產品質量產生負面影響。目前，由于對清洗過程中涉及的基本化學和物理機制缺乏了解，大多數(shù)CIP工藝都是根據(jù)經驗設計的。Xin等[13]重申了關于開發(fā)優(yōu)化清洗過程的數(shù)學模型的調查。

3.3 優(yōu)異的清洗劑

乳品廠清洗時使用的化學產品分為三類：堿性清洗劑、酸性清洗劑、消毒劑等。其中，堿性清洗劑（pH＞10）主要成分為氫氧化鈉。液堿能把不溶性的乳品油脂乳化、分散，加熱后促進大分子的蛋白質水解成較小分子的氨基酸，增加蛋白質在水中的溶解性。堿性環(huán)境下還可以將難溶的無機垢轉化為易溶于酸的無機鹽。此外，復合堿性清洗劑添加食品級的表面活性劑、螯合劑及其他助劑增強清洗能力。

酸性清洗劑主要去除無機污垢，包括乳石（磷酸鈣）、水銹、鐵銹等。復合酸性清洗劑添加螯合劑可提高其螯合金屬離子的能力；添加緩蝕劑可保護生產設備減緩酸的腐蝕速率以延長設備的使用壽命。

4 總結

乳品工業(yè)中流體的熱處理是一個能源問題。換熱器結垢會減少散熱、提高壓降，導致工作效率及產品品質的降低，增加生產成本。牛奶的污垢是定性的，主要為乳清蛋白的變性、聚集及磷酸鈣沉積。目前需要加強牛奶污染定量信息的收集研究。其中，換熱器表面改性和改變結構對降低污垢沉積的效果尤為顯著。對污垢的進一步研究將有助于找到減輕牛奶和食品加工行業(yè)污垢的危害。