乳品厂换热器的污垢组成与清洗方法

王颖瑞 闫雷雷 杨 涛

陕西科菱恩生物科技有限公司，陕西咸阳，710048

本文综述了有关牛奶成分和污垢形成机制等内容。

1 污染牛奶的因素

1.1 牛奶组成

牛奶的主要成分为水（87.42%）和总固形物（12.58%）两大类。如表1所示：总固形物包括非脂肪类固体（乳糖、盐、矿物质和含氮物质）和脂质成分（乳脂、磷脂和血清）；含氮物质又分为酪蛋白、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 牛奶的成分组成[2]

1.2 污垢形成的因素

化学因素：Christian等[3]讨论了污垢中蛋白质反应的化学性质。与普通牛奶相比，全脂牛奶中钙含量较高，其降低牛奶的热稳定性，更容易在换热器上结垢。随着蛋白质浓度的升高，污垢的生成量增大。乳脂对污垢几乎没有影响。

物理因素：原奶在加热处理前5℃环境下存放时间小于24 h时不易沉积。然而在光解酶的影响下，加工成乳制品时超过24 h存放的奶更容易结垢。

1.3 污垢形成示意图

污垢形成的示意图如图1所示。当牛奶加热到65℃以上时，由于β-半乳糖球蛋白（N-蛋白）的不稳定性，使其成为形成污垢的前体物质，分为两种变化机制[4]：①N-蛋白的变性过程主要为结构变化，其S－H键变得非常活跃生成β-Lg变性蛋白（D-蛋白）。②不可逆聚合反应将不溶性颗粒聚合为聚集物，称为β-Lg聚集形式（A-蛋白）。

图1 热交换器表面蛋白质和污垢沉积模型

2 牛奶污垢沉积的因素

2.1 乳清蛋白

在乳制品加热过程中，乳清蛋白的浓度会影响热交换器表面的污垢沉积。热凝型乳清蛋白是乳制品污垢中的主要成分。沉积污垢主要为聚集的热凝型乳清蛋白分子。因此，Xin等[5]使用了热诱导乳清蛋白凝胶作为清洗操作的原料模型来研究去除牛奶污垢的复杂性。

热诱导乳清蛋白凝胶在加热后产生的污垢中蛋白质含量占60%，这些乳清蛋白聚集体聚集形成较难清洗的污垢。由于蛋白聚集率的增加和凝固时间的缩短，高浓度的热诱导乳清蛋白凝胶往往形成得更快。增加蛋白质浓度会增加乳清浓缩蛋白凝胶的硬度和聚集大小，从而加速凝胶化过程，使得清洗变得困难。此外，Puyol等[6]发现，高浓度的乳清分离蛋白凝胶往往在较低温度下形成。高浓度蛋白质会极大地影响乳清蛋白凝胶的形成机制。

Fickak等[7]研究了乳清蛋白浓度对中试规模热交换器的污垢沉积和清洗效率的关系。他们评估了基于不锈钢的表面特性对不同牛奶成分（磷酸钙和乳清蛋白）、复杂牛奶系统和牛奶相关细菌污染的影响。在所有情况下，不同的表面材料都会存在污垢残留。因此，加工蛋白浓度高的产品时，需加强对原位清洗（CIP）系统的调整和换热器清洗结果的检查。

4)对海风锋天气过程的模拟,反映了海风锋与内陆对流系统相遇的时空精细化过程,其中CAPE的水平分布显示了强对流系统与海风锋的相对移动,CAPE的垂直分布显示海风锋激发的强对流能量增强与释放,在两小时内不稳定能量就迅速耗散。

2.2 换热器工作条件

热交换器中的运行参数会影响污垢的变化，如空气含量、流速和温度。据报道，只有在传热表面形成气泡，这些气泡成为沉积物形成的核心时，污垢才会沉积更多。预热后的牛奶溶解空气的能力降低，降低压力，减少污垢的沉积。

2.2.1 清洗流速

流速增大会延缓污垢沉积。尽管CIP管道中的冲洗水流为湍流，在湍流形成前，层流子层和过渡区的存在也会影响污垢的残留。层流子层的长度和随后的过渡区均随着流速的增加而减小，从而阻碍了传热表面的污垢沉积。需要注意的是，由于流体剪切应力增强，较高的流速也会促进沉积物再夹带。

与管式换热器相比，板式换热器中更高速度的湍流和不同的流动特性会产生更短的诱导期。在相邻板块之间的接触点附近存在的低速区是造成更短诱导期的原因。此外，边界层的搅动脉动流减少了污垢沉积。其他研究人员[8]注意到，当只有传热表面附近的壁区足够热，足以引起蛋白质变性和聚集反应时，由于壁区附近的流体（牛奶）暴露时间较短，混合速率较高，所以可以看到沉积污垢减少[9]。

2.2.2 牛奶的温度与温差

在换热器中，牛奶温度可能是控制污垢形成的最重要因素。随着温度的升高，沉积污垢增加。温度超过110℃时，污垢的性质从A型变为B型（表2）。A型：蛋白质污垢产生在75℃和110℃之间。沉积物呈白色、柔软、海绵状（奶膜），其成分为50%～70%的蛋白质（主要是β-Lg乳清蛋白）、30%～50%的矿物质和4%～8%的脂肪。B型：矿物污垢发生在110℃以上的温度。沉积物呈灰色（乳石），结构坚硬、致密、颗粒状，其成分为70%～80%的矿物质（主要是磷酸钙）、15%～20%的蛋白质和4%～8%的脂肪[8]。

表2 在不同加工温度范围内形成的奶沉积类型

温度和温差对污垢形成均有重要作用。Chen等[10]研究了表面温度和整体温度对全脂牛奶、脱脂牛奶和乳清蛋白污垢的影响，观察到形成污垢时，表面温度是最重要的因素。在换热器表面温度低于68℃，整体牛奶温度高达84℃时，没有污垢产生。

2.3 微生物的存在

换热器中微生物沉积或生物膜形成的生物污垢引起了严重的质量问题。Flint等[11]调查了乳品厂生物污染的影响，表明生物污垢的发生有两种不同的机制：微生物在传热表面的积聚和微生物附着在传热表面形成的沉积层上。微生物对表面的黏附力因污垢层的形成而增强，从而导致生物污染严重。沉积污垢成为微生物的营养物质，确保其滋生[12]。工业上大多数加工工艺都是在低于100℃的温度下进行的。例如，巴氏杀菌是在连续流动系统中以72℃加热牛奶15 s来实现消毒杀菌的。在这个温度下，只有致病细菌和一些营养细胞被杀死。然而，孢子能抵抗较高的温度，并且在超过这个温度后仍保持活性。

值得注意的是，在冲洗设备时，流动的水将微生物带入管道，因此下游的细菌浓度可能会增加。这可能会导致细菌在未被感染的区域生长，引起生物污染。

3 减少污垢沉积的方法

3.1 减少污染源

（1）预热牛奶。蛋白质在转移到加热段前变性和聚集，可以减少热换器中的污垢。

（2）复原乳产生的污垢偏少。①在奶粉生产过程中，普通牛奶在加热后有3.6%～5%的变性β-Lg有助于沉积物的形成，而乳粉生产时β-Lg变性约占25%，复原乳在加工时将减少β-Lg变性的污染。②复原乳中的钙含量减少了9%，钙离子浓度的降低会减少污垢形成。③Xin等[13]分析了污垢沉积物，发现与鲜牛奶加工过程中形成的沉积物相比，复原乳沉积物的脂肪含量较高（大于60%），这种差异可归因于脂肪球膜在奶粉生产过程中经过真空状态下被破坏。

与此相反，Srichantra等[14]发现，随着预热处理（预热温度或预热时间）的增加，复原乳使用UHT处理时污染率增加。

3.2 优化的CIP工艺

乳品厂因清洗频率高、卫生要求高、能量损耗大、产品损失多、停机时间长等因素，导致清洗成本变高。在乳品行业多达42%的可用生产时间被清洗占用。优化的CIP工艺可以降低清洗成本，减少清洗过程对产品质量产生负面影响。目前，由于对清洗过程中涉及的基本化学和物理机制缺乏了解，大多数CIP工艺都是根据经验设计的。Xin等[13]重申了关于开发优化清洗过程的数学模型的调查。

3.3 优异的清洗剂

乳品厂清洗时使用的化学产品分为三类：碱性清洗剂、酸性清洗剂、消毒剂等。其中，碱性清洗剂（pH＞10）主要成分为氢氧化钠。液碱能把不溶性的乳品油脂乳化、分散，加热后促进大分子的蛋白质水解成较小分子的氨基酸，增加蛋白质在水中的溶解性。碱性环境下还可以将难溶的无机垢转化为易溶于酸的无机盐。此外，复合碱性清洗剂添加食品级的表面活性剂、螯合剂及其他助剂增强清洗能力。

酸性清洗剂主要去除无机污垢，包括乳石（磷酸钙）、水锈、铁锈等。复合酸性清洗剂添加螯合剂可提高其螯合金属离子的能力；添加缓蚀剂可保护生产设备减缓酸的腐蚀速率以延长设备的使用寿命。

4 总结

乳品工业中流体的热处理是一个能源问题。换热器结垢会减少散热、提高压降，导致工作效率及产品品质的降低，增加生产成本。牛奶的污垢是定性的，主要为乳清蛋白的变性、聚集及磷酸钙沉积。目前需要加强牛奶污染定量信息的收集研究。其中，换热器表面改性和改变结构对降低污垢沉积的效果尤为显著。对污垢的进一步研究将有助于找到减轻牛奶和食品加工行业污垢的危害。