Laptele UHT reprezint ă de fapt laptele sterilizat, denumirea de UHT revenind de la me to da de st er ilizare ş i anume „ ULT RA HI GH TEMPER ATURE”, st er ilizare la temperaturi inalte. Prin sterilizare se intelege încăzirea laptelui la temperaturi de peste 100 0 C cu sau fără menţinerea laptelui la aceste temperaturi. Scopul sterilizării este distrugerea integrală a microflorei din lapte, atât a speciilor vegetative, cât şi a celor sporulate. Laptele sterilizat, ambalat în conditii aseptice, are o durată de păstrare de 2-3 luni şi este absolut igienic. Valoare nutritivă şi biologică a laptelui sterilizat este mai scazută în comparaţie cu a celui pasteurizat, întrucât denaturările unor componenţi sunt mai profunde. În industria laptelui se utilizează două tipuri de sterilizare: sterilizarea de lungă durată - înc ălz irea lap tel ui la tempe rat ura de 115-120 0 C, me nţ iner ea ti mp de 13-15min., ş i sterilizarea de scurtă durată – încălzirea laptelui la temperatura de 135-140 0 C/2-4sec. Ultima metodă a capătat şi denumirea de sterilizare la temperaturi ultraînalte. Avantajul acestei metode de sterilizare constă in f aptul că, sub acţiunea temperaturii înalte, viteza de distrugere a micoorganismelor este mult superioară vitezei reacţiilor chimice care au loc în lapte şi deci se poate micşora la minim durata acţiunii căldurii asupra laptelui şi ca urmare, se evită denaturarea multor componenţi ai acestuia. În comparatie cu sterilizarea de lungă durată, pierderile de vitamina A şi caroten scad de doua ori, iar a vitaminelor C şi B 12 de 4-5 ori faţă de sterilizarea de lungă durată. În funcţ ie de modul de realizare, sterilizarea laptelui se realizează prin doua mari procedee: st eri liz area lap tel ui în amb ala je ermeti ce şi ste ril izare lap tel ui în fluxcontinuu. 1. Sterilizarea laptelui în ambalaje ermetice Această metodă de sterilizare în amb alaj se poate realiz a : a) steri liza rea î n a utocl ave (proc es d isco ntinu u); b) sterili za rea în ins talatii continue: b.1) sterilizatoare verticale cu coloane hidrostatice; b.2) sterilizatoare orizontale; c) metode netradiţionale de ste rilizare a laptelui (sterilizarea la rece). a) Ste ri li zarea în autoc lav e Sterilizarea sticlelor cu lapte închise ermetic se poate realiza în autoclave(fig.1), care funcţ ione ază în regim static sau prin rotirea unei „cuş ti” în care se află sticl ele cu lapte . Metoda ratativă faţă de cea statică are o eficientă mai bună deoarece transferul de căldură este mai intens şi mai uniform. Procesul de sterilizare în autoclave începe prin încălzirea laptelui la temperatura de 80 0 C, urmat ă de ambalarea acestuia în sticle curate şi uşorîncălzite pentru a evita şocul termic. Sticlele sunt apoi închise ermetic, întroduse apoi în autoclavă şi sterilizate cu ajutorul aburului la temperatura de 110-125 0 C/3-40min. Apoi sticlele sunt răcite cu apa rece şi procesul se reia cu o nouă sarjă. Sterilizarea în autoclave se pretează mai bine alimentelor solide ambalate în conserve decât produselor lichide, şi deşi oferă avantajul că nu necesită condiţii aseptice după ambalare (care sunt dificil de menţinut) trebuiesc utilizate doar materiale de ambalat termorezistente.
Laptele UHT reprezintă de fapt laptele sterilizat, denumirea de UHT revenind de lametoda de sterilizare şi anume „ULTRA HIGH TEMPERATURE ”, sterilizare latemperaturi inalte.
Prin sterilizare se intelege încăzirea laptelui la temperaturi de peste 1000C cu sau fărămenţinerea laptelui la aceste temperaturi. Scopul sterilizării este distrugerea integrală a
microflorei din lapte, atât a speciilor vegetative, cât şi a celor sporulate. Laptele sterilizat,ambalat în conditii aseptice, are o durată de păstrare de 2-3 luni şi este absolut igienic.Valoare nutritivă şi biologică a laptelui sterilizat este mai scazută în comparaţie cu a celui
pasteurizat, întrucât denaturările unor componenţi sunt mai profunde.În industria laptelui se utilizează două tipuri de sterilizare: sterilizarea de lungă durată -
încălzirea laptelui la temperatura de 115-1200C, menţinerea timp de 13-15min., şi sterilizarea de scurtă durată – încălzirea laptelui la temperatura de 135-1400C/2-4sec.Ultima metodă a capătat şi denumirea de sterilizare la temperaturi ultraînalte. Avantajulacestei metode de sterilizare constă in faptul că, sub acţiunea temperaturii înalte, viteza dedistrugere a micoorganismelor este mult superioară vitezei reacţiilor chimice care au locîn lapte şi deci se poate micşora la minim durata acţiunii căldurii asupra laptelui şi ca
urmare, se evită denaturarea multor componenţi ai acestuia. În comparatie cu sterilizareade lungă durată, pierderile de vitamina A şi caroten scad de doua ori, iar a vitaminelor C şiB12 de 4-5 ori faţă de sterilizarea de lungă durată.
În funcţie de modul de realizare, sterilizarea laptelui se realizează prin doua mari procedee: sterilizarea laptelui în ambalaje ermetice şi sterilizare laptelui în flux continuu.
1. Sterilizarea laptelui în ambalaje ermetice
Această metodă de sterilizare în ambalaj se poate realiza :a) sterilizarea în autoclave (proces discontinuu);
b) sterilizarea în instalatii continue:b.1) sterilizatoare verticale cu coloane hidrostatice;b.2) sterilizatoare orizontale;
c) metode netradiţionale de sterilizare a laptelui (sterilizarea la rece).
a) Sterilizarea în autoclave
Sterilizarea sticlelor cu lapte închise ermetic se poate realiza în autoclave(fig.1), carefuncţionează în regim static sau prin rotirea unei „cuşti” în care se află sticlele cu lapte.Metoda ratativă faţă de cea statică are o eficientă mai bună deoarece transferul de căldură
este mai intens şi mai uniform. Procesul de sterilizare în autoclave începe prin încălzirealaptelui la temperatura de 800C, urmată de ambalarea acestuia în sticle curate şi uşor încălzite pentru a evita şocul termic. Sticlele sunt apoi închise ermetic, întroduse apoi înautoclavă şi sterilizate cu ajutorul aburului la temperatura de 110-1250C/3-40min. Apoisticlele sunt răcite cu apa rece şi procesul se reia cu o nouă sarjă. Sterilizarea în autoclavese pretează mai bine alimentelor solide ambalate în conserve decât produselor lichide, şideşi oferă avantajul că nu necesită condiţii aseptice după ambalare (care sunt dificil demenţinut) trebuiesc utilizate doar materiale de ambalat termorezistente.
Această metodă se preteaza fabricilor care produc mai mult de 10000 de litri de lapte pe zi.
b.1) Sterilizatorul vertical cu coloane hidrostatice (prezentat in fig.2)
Fig.2 Sterilizatorul vertical cu coloane hidrostatice
1. prima etapă de încălzire2. a doua etapă de încălzire3. a treia etapă de încălzire4. zonă de sterilizare5. prima etapă de răcire6. a doua etapă de răcire7. a treia etapă de răcire8. a patra etapă de răcire9. răcire finale10. roţi acţionate individual
Fig.2 Sterilizatorul vertical cu coloane hidrostatice
Este cunoscut şi sub denumirea de „ sterilizatorul cu turnuri” şi constă de fapt dintr-ocameră centrală menţinută la temperatura de sterilizare cu ajutorul aburului sub presiune. Apacare circulă în turnul de intrare este încălzită iar cea din turnul de ieşire este răcită la niştevalori a temperaturii care să asigure eficienţa transferului de căldură, dar care să evite
spargerea sticlelor datorită şocului termic. În turnurile sterilizatorului stcilele cu lapte închiseermetic sunt dirijate prin zonele de încălzire/sterilizare/răcire cu ajutorul benzilor transportoare, zonele fiind dimensionate în funcţie de temperatura de proces şi durata demenţinere la temperatura de proces. În majoritatea cazurilor laptele este pre-sterilizat într-oinstalaţie asemănătoare instalaţiei UHT.
Laptele este încălzit la temperatura de 1350C timp de cateva secunde şi apoi răcit latemperatura de 30-700C ( in funcţie de materialul utilizat pentru fabricare ambalajelor,deoarece se pot utiliza ca materiale de ambalare şi mase plastice),şi transferat către secţia deambalare în recipiente curate si preîncălzite.
Pre-sterilizarea poate avea loc în instalaţii de sterilizare în regim direct sau indirect.Motivul pentru care se procedează la pre-sterilizare este fie acela de a scădea numărul de
spori care vor fi eliminaţi in etapa de sterilizare finală sau de a ajunge la acel nivel desterilizare ca în etapele premergătoare sterilizarii în instalaţiile UHT.Astfel sterilizarea finală ar elimina doar micoorganismele care au ajuns în produs datorită
ambalării în conditii nonaseptice. Ambele etape de sterilizare sunt aplicate în vedereareducerii schimbărilor organoleptice şi denaturărilor componenţilor importanţi din lapte cuobtinerea unei calităti a laptelui sterilizat apropiată de cea obtinută prin tratment UHT urmatde ambalare aseptică.
Durata procesului de sterilizare este de aproiximativ o oră, din care 3-30 minute suntnecesare doar procesului de sterilizare propriu-zis la temperatura de 115-1100C. Aceste tip deinstalaţie poate produce până la 2000x0,5l sau 16000x1l de unitaţi pe oră. Se pot utiliza atâtrecipiente din sticla cât şi din mase plastice.
b.2) Sterilizatorul orizontal (prezentat in fig.3)
Fig.3 Sterilizatorul orizontal 1. încărcarea automată a sticlelor pe banda transportoare; 2. roţi care acţionează banda;3. .zonă de sterilizare; 4. ventilator; 5. zonă de prerăcire;6. răcire finală la presiune atmosferică; 7. descărcarea sticlelor de pe banda
Sticlele cu lapte sunt trecute prin zona de sterilizare menţinută la temperatura de 132-140 0Ccu ajutorul aburului sub presiune. Cilclul de producţie durează 30-35minute, durata demenţinere la temperatura de sterilizare fiind de 10-12 minute, iar instalaţia poate procesa pânăla 12000 de unitaţi pe oră
2. Sterilizarea laptelui în flux continuu
Se poate realiza prin:a) încălzire directă, prin contact - injectie de abur în lapte;
- pulverizare de lapte în abur; b) încălzire indirectă - schimbătoare de căldură cu plăci;
- schimbătoare de căldură tubulare;c) încălzire combinată.
Procesul UHT distruge microorganismele din lapte, atât formele vegetative cât şi cele
sporulate şi poate fi aplicat atât timp cât produsul rămâne sub condiţii aseptice, fiind astfelnecesar să se preîntampine recontaminarea prin ambalarea laptelui după sterilizare în
ambalaje sterile şi în condiţii aseptice. Şi etapele de depozitare după sterilizare până laambalare trebuie menţinute în condiţii aseptice, din acest motiv tratamentul UHT mai estecunoscut şi sub denumirea de procesare aseptică.
Acest procedeu a devenit cunoscut in anul 1960, când a intrat în funcţiune prima instalaţiede procesare aseptică şi ambalare în condiţii aseptice. Prima instalatie UHT a funcţionat pe
principiul injectiei directe de abur în lapte, iar în comparatie cu sterilizarea în ambalajtratamentul UHT era mai rapid, mai eficient din punct de vedere economic şi necesita şi unspaţiu mai redus. Instalaţiile UHT sunt complet automate iar procesul decurge in 4 mari etape:
presterilizarea instalaţiei, producţie, AIC(aseptic intermediate cleaning) şi CIP.
a) Procedeul direct de sterilizare UHT
În cazul acestui procedeu laptele este încălzit prin contact direct cu aburul care trebuie săaibă o calitate corespunzătoare folosirii în industria alimentară. Avantajul principal al acestui
procedeu este că produsul este menţinut la temperatura înălta un timp foarte scurt, tratamentulfiind astfel mai protectiv.
Exista doua metode de încălzire directă:• metoda directă de sterilizare prin injectie;• metoda directă de sterilizare prin infuzie(pulverizare).
Procedeul prin injectie: prevede ca aburul sub preiune înălta sa fie injectat în laptele preîncălzit la nivelul unui ajutaj de injecţie(fig.4, cu albastru este figurat laptele,iar cu roşuaburul), aceasta conducând la creşterea instantanee a temperaturii laptelui. După menţinere latemperatura de sterilizare, laptele este răcit foarte rapid prin detentă, într-o cameră vidată,astfel eliminându-se cantitatea de apă provenită prin condensarea aburului, iniţial injectat.Metoda este o mare consumatoare de energie.
Procedeul prin infuzie: în acest procedeu laptele este pulverizat într-o incintă plină cu abur la presiune înăltă(fig.5, cu albastru fiind figurat laptele, iar cu roşu aburul). Produsul fiind
pulverizat în particule mici, egale ca dimensiune, temperatura acestora creşte instantaneu.Timpul de traversare al incintei corespunde duratei de menţinere. Apoi produsul cade pe osuprafaţă răcită fiind trecut în continuare printr-o cameră vidată, la fel ca la procedeul prin
injecţie.
Fig.5 Incintă de infuziePrintre avantajele acestor metode se enumară
- încălzire instantanee şi răcire rapidă;- lipsa depunerilor greu de indepărtat de pe pereţii instalaţiilor;- metodele pot fi aplicate produselor cu diverse vâscozităţi.
b) Procedeul indirect de sterilizareProcedeul se numeşte indirect deoarece schimbul de căldură nu se realizează direct de la
agentul termic la produs ci prin intermediul unei suprafeţe de transfer de căldură ce le separă.Principalul avantaj al acestei metode este recuperarea căldurii in proporţie de 90%. În general,instalaţiile de sterilizare în flux prin metoda indirectă prezente astăzi pe piaţă se aseamană
principial intre ele, diferenţa constând în tipul de schimbător folosit( schimbătoare de căldurăcu plăci, fig.6, schimbătoare de căldură tubulare, fig.7).
Instalatii corespunzatoare sterilizarii in regim UHT
1. Instalaţie UHT in regim direct bazată pe injecţie de abur şi schimbător de căldură cu plăci
Fig.8 Instalaţie UHT în regim direct bazată pe injecţie de abur şi schimbătoare de căldură cu plăci1. tanc de echilibare; 2. pompă de alimentare; 3. schimbător de căldură cu plăci; 4. ajutaj de injecţie; 5. serpentină de menţinere6. incintă vidată; 7. pompă pentru evacuarea condensatului; 8. pompă centrifugală; 9. omogenizator aseptic;10. tanc intermediar de
depozitare aseptic; 11. masină de ambalat în condiţii aseptice; 12. CIP
Funcţionarea instalaţiei UHT in regim direct bazată pe injecţie de abur şi schimbător decăldură cu plăci(fig.8)
Laptele este alimentat cu ajutorul pompei 2 şi preîncălzit în schimbătorul de căldură 3 cu
ajutorul apei fierbinţi. După ce este încălzit la aproximativ 800C, laptele este trimis în ajutajulde injecţie 4. Aburul injectat în lapte ridică temperatura acestuia la aproximativ 140-1500C(presiunea prevenind fierberea). Produsul este apoi menţinut la temperatura de proces înserpentina 5 pentru cateva secunde după care este răcit rapid. Răcirea rapidă are loc încondensatorul 6 în care este mentinut vid parţial prin intermediul pompei 7. Vidul este astfelcontrolat încat cantitatea de condensat eliminată sa fie egală cu cantitatea de abur injectatăanterior. Laptele este preluat încontinuare de pompa centrifugală 8 şi condus cătreomogenizatorul în două trepte 9. După omogenizare laptele este răcit la temperatura de 200Cîn schimbătorul de căldură cu plăci 3 şi trimis spre depozitare în conditii aseptice în tancul 11.Dacă temperatura produsului scade în timpul procesului, produsul este deviat spre un tanc, iar locul laptelui este luat de apă până la rezolvarea problemei.
Astfel de instalaţii pot avea capacităţi de la 2000-30000l/h.
Funcţionarea instalaţiei UHT în regim direct bazată pe injecţie de abur şi schimbătoare decăldură tubulare(fig.9)
Pompa de alimentare2 preia laptele din tancul de echilibrare1, şi alimentează schimbătorul 3în care are loc preîncălzirea laptelui până la temperatura de 800C cu ajutorul apei fierbinţi.Apoi laptele este trimis în ajutajul de injecţie 4, unde aburul sub presiune este injectat direct înlapte ridicând instantaneu temperatura acestuia la valoarea de 140-1500C. Produsul este apoimenţinut la temperatura de proces în serpentina 5 pentru cateva secunde după care este răcitrapid.
Răcirea rapidă se realizeaza în condesatorul 6 in care este menţinut vid parţial prinintermediul pompei 7, temperatura laptelui scăzând brusc la 800C. Vidul este astfel controlatîncât cantitata de condensat eliminată sa fie egală cu cantitatea de abur injectată anterior. Dinacest punct prin intermediul pompei centrifugale 8 laptele este condus spre omogenizare în 9.Laptele este răcit apoi în schimbătorul 10 la temperatura de ambalare aproximativ 20-250C şitrimis tancul 11 spre depozitare până la ambalare. Dacă temperatura produsului scade întimpul procesului, produsul este deviat spre un tanc, iar locul laptelui este luat de apă până larezolvarea problemei.
3. Instalaţie UHT în regim indirect bazată pe schimbător de căldură cu plăci
Fig.10 Instalaţie UHT în regim indirect bazată pe schimbător de căldură cu plăci
1. tanc de echilibrare; 2 .pompă de alimentare; 3. schimbător de căldura cu plăci; 4. omogenizator nonaseptic; 5. serpentină de mentinere6. tanc intermediar de depozitare aseptic; 7. masină de ambalat aseptică; 8. CIP
Aceste tip de instalatie poate fi astfel dimensionata incat poate procesa pana la 30000l/h.
Functionarea instalaţiei UHT în regim indirect bazată pe schimbător de căldură cu plăci(fig.10)
Laptele cu temperatura de aproximativ 40C este preluat din tancul de schilibrare 1 cu ajutorul pompei 2 şi trimis către zona de preîncălzire a schimbătorului de căldură 3. În aceasta zonă aschimbătorului laptele este preîncălzit în contracurent cu laptele deja procesat, care în acelaşitimp se şi răceşte, temperatura laptelui preîncălzit la ieşire ajungând la valoare de 750C.Laptele preîncălzit este apoi omogenizat în 4. Deşi în schemă este trecut un singur omogenizator se pot utiliza şi doua omogenizatoare, unul înainte de tratamentul UHT propiu-zis iar altul după, pentru a imbunatati stabilitatea produsului în timpul depozitării de lungădurată în special în cazul produselor cu un conţinut ridicat în grasime, proteine sau substanţăuscată.
Laptele preîncălzit şi omogenizat este trimis încontinuare spre zona de tratament UHT propriu-zis a schimbătorului 3, unde temperatura produsului ajunge la valoare de 1370C.
Încălzirea are loc în contracurent cu apă fierbinte. După încălzire laptele intră în serpentina demenţinere 5 dimensionată astfel încât durata de menţinere să nu depăsească 4 secunde. Apoilaptele este răcit în zonele de recuperare de căldură a schimbătorului 3, într-o primă fazărăcirea se realizează cu apă refulată din zona de tratament UHT, iar in a doua fază de răcirelaptele este răcit în contracurent cu lapte rece. Daca temperatura produsului scade în timpul
procesului, produsul este deviat spre un tanc, iar locul laptelui este luat de apă până larezolvarea problemei.
Functionarea instalaţiei UHT în regim indirect bazată pe schimbătoare de căldurătubulare(fig.11)
Este asemănătoare cu cea a schimbătorului cu plăci, numai că în această situaţie funcţiilezonelor schimbătorului cu plăci sunt preluate de schimbătoarele individuale 3,4,5,6,7.
Sterilizarea laptelui prin frecare mecanică: constă în incalzirea laptelui la temperatura desterilizare, fără aport exterior de căldură. Această încălzire se obţine prin trecerea laptelui într-un strat foarte subţire printre două suprafeţe mobile care au o mişcare foarte rapidă una faţă dealta sau intre o suprafaţă mobila şi una stabila. Energia mecanică folosită la transmitereamişcării rapide a suprafeţelor mobile se transformă in energie calorică, care este preluată delapte şi asigură o creştere rapidă a temperaturii acestuia. Această metodă de sterilizare alaptelui necesită şi ambalare aseptică.
5. Instalaţie UHT in regim direct combinat bazată pe infuzie de abur şi schimbătoare de căldură tubulare
Fig.12 Instalaţie UHT in regim direct combinat bazată pe infuzie de abur şi schimbătoare de căldură tubulare1. schimbător de căldură tubular, preîncălzitor; 2. schimbător de căldură tubular, încălzire finală; 3. cameră de infuzie; 4. serpentină de menţiner5. cameră de detentă; 6. omogenizator nonaseptic ; 7. schimbătoare de căldură tubulare,răcitoare
Ţinând seama de dezavantajele sistemelor directe cât şi indirecte, în ultima perioada s-aelaborat un sistem care este capabil să indeplinească urmatoarele cerinţe:- modificări minime ale componentelor produsului;- recuperare maximă de energie;
- efect sterilizant sporit;- durate de producţie optime şi eficienţă generală crescută a instalaţiei;- curaţare minimă a instalaţiilor şi pierderi minime
Funcţionarea instalaţie UHT in regim direct combinat bazată pe infuzie de abur şi schimbătoare de căldură tubulare(fig.12)
Instalaţie este inovatoare şi unică deoarece camera de expansiune este situată înainteacamerei de infuzie. Laptele este preluat din tancurile de alimentare şi încălzit într-o primăfază la temperatura de 95 0C minim 30secunde în preîncălzitoarele tubulare1, pentrustabilizarea proteinelor. Urmează răcirea în vid a laptelui la 70-750C în camera de detentă
5. Astfel, tot aerul, precum şi o anumită cantitate de apă(mai târziu adaugată ca abur) suntindepărtate eficient. Produsul este omogenizat în 6 şi preîncălzit mai departe până latemperatura de 120-1300C. Sterilizarea are loc în camera de infuzie 3 unde temperaturalaptelui ajunge la 1500C, apoi produsul este răcit la temperatura de umplere cu ajutorulrăcitoarelor tubulare7.Profilul standard al temperaturilor este: 5-95-75-130-150-250C.Printre avantajele sistemului se menţionează:- dezaerarea eficientă înaintea omogenizării şi a incălzirii finale ce imbunătăţeşteefectul omogenizării, reducând depunerile în schimbătoarele de căldură şi, deciîmbunătăţind durata de producţie;- tehnologia prin infuzie folosită elimină depunerile de produs în zona de încălzire
maxima deoarece nu există suprafeţe de contact in timpul încălzirii(cădere libera);- utilizarea vidului pentru o reducere a temperaturii de numai 20-250C produce odezaerare eficienta reducând îin acelaşi timp pierderile de aromă;- datorită faptului că procesele de încălzire şi răcire sunt instantanee şi independenteca debit sistemul este proiectat pentru fluxuri variabile de produs, faţă de sisteme indirecteUHT.
