Technika: Pasteryzacja w przemyśle mleczarskim

Wiele czynników złożyło się na funkcjonowanie przemysłu mleczarskiego w formie jaką znamy obecnie. Wiele godzin poświęcono na analizowanie procesów produkcji i udoskonalanie ich. Wiele celów nie zostałoby osiągniętych gdyby nie ludzka praca, zaangażowanie i pomysłowość. Często u samych podstaw leżą techniki i technologie, które przeszły pierwsze pozytywne testy w laboratoriach nawet dwa wieki temu. Jedną z nich jest technika pasteryzacji, bez której trudno byłoby wyobrazić sobie współczesny przemysł spożywczy, w tym przemysł mleczarski.

Technikę tę udoskonalano z biegiem czasu i przystosowywano do coraz większej skali produkcji żywności. Pociągnęło to za sobą opracowanie stosownych urządzeń do zainstalowania w linii produkcyjnej do wytwarzania podstawowych produktów żywieniowych, jak mleko właśnie oraz przetwory mleczne.

Pasteryzacja to proces, którego celem jest wyeliminowanie z produktu drobnoustrojów, kładąc szczególny nacisk na formy patogenne, zagrażające konsumentom. Przy produkcji żywności kluczowe jest zachowanie bezpieczeństwa zdrowotnego konsumentów, zwłaszcza w dystrybuowaniu żywności na dużą skalę. Nazwa procesu pochodzi od nazwiska jego odkrywcy, którym był żyjący w XIX wieku Ludwik Pasteur. Badacz odkrył pozytywny wpływ obróbki termicznej żywności związany z istotnym przedłużeniem jej trwałości.

Obecnie proces pasteryzacji występuje w formie łączonej wraz z innymi technikami, jak homogenizacja, filtracja membranowa czy wirowanie. Ogólnie rzecz ujmując pasteryzacja to proces polegający na zakonserwowaniu żywności w taki sposób, aby zniszczyć lub zahamować proces wzrostu drobnoustrojów chorobotwórczych i enzymów, zwracając przy tym baczną uwagę na to, aby zachować możliwie niezmieniony smak oraz wartość odżywczą produktów oraz zapobiec reinfekcji. Podczas pasteryzacji giną także te drobnoustroje, które były przez nas pożądane.

Pasteryzacja to innymi słowy poddanie, np. mleka, działaniu ciepła przez pewien okres. Ogólnie można wyróżnić dwa rodzaje pasteryzacji: pasteryzację niską i pasteryzację wysoką. Różnice między nimi wynikają z wariantów możliwych wartości stosowanych parametrów do których w tym przypadku zalicza się czas i temperaturę. Pasteryzacja niska inaczej zwana jest pasteryzacją długotrwałą bądź pasteryzacją LTLT. Pasteryzacja LTLT – z języka angielskiego Low Temperature Long Time – to jak nazwa wskazuje sposób pasteryzacji polegający na długim czasie oddziaływania niskiej temperatury. Obróbka cieplna trwa w tym przypadku około 30 minut w temperaturze wynoszącej 63°C. Z kolei pasteryzacja wysoka, znana także pod nazwą pateryzacji HTST – High Temperature Short Time – polega na oddziaływaniu wysokiej temperatury przez krótki czas. Dobór parametrów procesowych w tym przypadku zależy od jakości mleka surowego. W tym wypadku, zazwyczaj mleko podgrzewane jest do temperatury rzędu 72-75°C i przetrzymywane w takich warunkach przez około 15-20 sekund.

W przypadku pasteryzowania śmietanki, wykorzystywanej następnie na przykład do produkcji masła, pasteryzacja powinna przebiegać w temperaturze około 92°C i trwać od 30 do 40 sekund. Zmiana parametrów w przypadku tego surowca wynika z wysokiej zawartości tłuszczu. Ochronna rola tłuszczu polega na tworzeniu wokół komórek mikroorganizmów swoistej otoczki pozbawionej wody, co w efekcie utrudnia proces pasteryzacji i skutkuje koniecznością modyfikacji jej parametrów.

Pasteryzacja zapewnia zniszczenie mikroorganizmów wrażliwych na ogrzewanie: drożdży, pleśni i bakterii niewytwarzających endospor, czyli przetrwalników. Mikroorganizmy występujące w mleku, których obecność może negatywnie odbić się na zdrowiu człowieka można scharakteryzować za pomocą parametrów definiujących ich oporność cieplną. Parametry te są szczególne dla danego gatunku bakterii i mogą one różnić się w zależności od warunków środowiska oraz w obrębie danej populacji. Wytrzymałość mikroorganizmów na ogrzewanie zależy od warunków środowiskowych w których się znajdują. W mleku ich ciepłooporność kształtuje aktywność wody, pH, zawartość tłuszczu czy białek. Mleko stanowi środowisko wodne dla mikroorganizmów, a efekt niszczenia (w wyniku oddziaływania ciepła) będzie wzrastał wraz z malejącą zawartością suchej substancji. Liczba drobnoustrojów przeżywających proces termicznego niszczenia od czasu ogrzewania w stałej temperaturze jest zależnością logarytmiczną. Według literatury logarytmiczny charakter niszczenia mikroorganizmów niesie ze sobą pewne konkluzje mające zastosowanie w praktyce laboratoryjnej: wraz ze zwiększoną początkową liczbą drobnoustrojów w surowcu, czyli wraz z dużym, początkowym mikrobiologicznym zakażeniem mleka wzrasta czas jego ogrzewania w stałej temperaturze (im jest ona wyższa tym szybciej następuje śmierć) do momentu osiągnięcia wymaganej czystości mikrobiologicznej produktu – czyli pożądanej redukcji liczby drobnoustrojów. Ponadto istotny jest wniosek, że nie jest możliwe całkowite zniszczenie wszystkich komórek z powodu konieczności nieskończenie długiego ogrzewania, dlatego też skuteczność pasteryzacji ocenia się na 99%. Z obecnością drobnoustrojów w mleku wiąże się ryzyko zagrożenia zdrowia konsumenta, dlatego też zabieg pasteryzacji ma na celu wyeliminowanie jak największej ich liczby. Niezwykle istotne jest więc określenie powodzenia pasteryzacji i potwierdzenie jej skuteczności. Jak zatem wykazać prawidłowość przeprowadzonego procesu pasteryzacji mleka i produktów mlecznych? Potwierdzeniem skuteczności pasteryzacji w gotowym produkcie jest oznaczenie aktywności enzymu naturalnie występującego w mleku – fosfatazy alkalicznej w skrócie ALP. Enzym ten ulega inaktywacji w wyniku działania wysokiej temperatury.

Zgodnie z obowiązującymi wymaganiami prawnymi aktywność ALP w pasteryzowanym mleku krowim jest limitowana i nie powinna przekraczać 350 mU/l. Nie tylko fosfataza alkaliczna wykazuje wrażliwość na wysokie wartości temperatury. Według przeprowadzonych badań dobrymi wskaźnikami efektywności pasteryzacji i odpowiednich warunków obróbki cieplnej mleka i jego przetworów są także enzymy gamma-glutamylotransferaza i laktoperoksydaza. Wynika to z faktu, że oporność temperaturowa tych enzymów jest wyższa niż termooporność większości nieprzetrwalnikujących drobnoustrojów występujących w mleku. Aktywność fosfatazy alkalicznej zależy między innymi od zawartości tłuszczu w mleku, rasy hodowlanej bydła czy rodzaju zastosowanej paszy. Jak już wspomniano, ALP obecne w mleku po procesie pasteryzacji świadczy o jej jakości. Ilość ALP po procesie określana jest mianem fosfatazy resztkowej, a samo badanie aktywności ALP wpisało się na dobre do rutynowej kontroli skuteczności pasteryzacji. Oznaczenie aktywności ALP można wykonać klasycznymi metodami kolorymetrycznymi, np. metodą Kaya. Możliwe jest to także poprzez wykonanie analiz instrumentalnych, które wiążą się z pomiarem emisji promieniowania, jak na przykład chemiluminescencyjna czy fluorometryczna czy też testów opartych na elektrochemicznych reakcjach tj. amperometryczne, potencjometryczne, ponadto stosowane są także szybkie testy paskowe. Te ostatnie nie umożliwiają jednak ilościowego oznaczenia enzymu.

W przemyśle mleczarskim niezwykle istotne jest kontrolowanie warunków obróbki termicznej, gdyż niejednokrotnie stanowi ona główny punkt krytyczny podczas produkcji wyrobów końcowych. Obecnie, w nowoczesnych zakładach przetwórstwa mleka, proces pasteryzacji występuje w ciągu technologicznym, obok procesów takich jak homogenizacja lub wirowanie.

Wit Sitkiewicz

Senior Sales Support w Alfa Laval Polska

Firma Alfa Laval zaangażowana jest w rozwój przemysłu mleczarskiego od wczesnych lat XX wieku, kiedy to wprowadziła na rynek wirówkę do mleka pracującą w sposób ciągły oraz przepływowy pasteryzator. Obecnie szeroka gama innowacyjnych urządzeń higienicznych Alfa Laval stanowi kluczowy element w procesach mleczarskich, takich jak odbiór mleka i przechowywanie, pasteryzacja, fermentacja, oddzielanie i zatężanie oraz mycie w systemie CIP. Procesy pasteryzacji są wymagające pod względem zachowania poziomu bezpieczeństwa, higieny i jakości sterowania. Ważne jest przestrzeganie odpowiednich przepisów i norm, zaś niezawodność i jakość komponentów biorących udział w produkcji odgrywają ważną rolę.

Obecnie efektywne procesy pasteryzacji polegają na zachowaniu kontrolowanej obróbki termicznej, czyli podgrzaniu surowca np. mleka/śmietanki do temperatury pasteryzacja 75°C/90°C i przetrzymania go w tej temperaturze odpowiednio przez 15/40 sekund. Dla produktów czystszych mikrobiologicznie temperatury pasteryzacji mogą być nieco niższe.

W praktyce specjaliści Alfa Laval są w stanie dobrać jeden płytowy aparat do pasteryzacji dla różnych temperatur pasteryzacji, co umożliwia użytkownikowi pasteryzację różnych produktów w tym samym aparacie. Oznacza to elastyczność wykorzystania aparatu do pasteryzacji w danym zakładzie. Dodatkową korzyścią jest osiąganie wysokich współczynników odzysku ciepła, dochodzących do 92% (dla mleka).

W ofercie Alfa Laval są wymienniki serii FrontLine dla przepływu do 60 000 l/h. Sercem tych wymienników jest pakiet płyt Clip, które zostały zaprojektowane specjalnie do zastosowań w przemyśle spożywczym i których tłoczenie w jodełkę „chevron” gwarantuje wysoką odporność na wysokie ciśnienie robocze. Odpowiednia głębokość tłoczenia czyni je odpowiednimi do obróbki cieczy z małymi cząstkami. Długi i wąski kształt płyty tworzy wąski obszar dystrybucji przepływu („szyja”) bez martwych miejsc. Wąski obszar dystrybucji pozwala również zoptymalizować szybkość przepływu i ujednolicić dystrybucję na całej szerokości płyt. Mały rozmiar portów (otworów) redukuje również wymagany strumień roztworów myjących CIP do dokładnego wymycia. Oznacza to mniejszą pompę, a więc i oszczędność energii.

Warto także zwrócić uwagę na konieczność utrzymania aparatów w doskonałym stanie technicznym i operacyjnym. W nowej generacji płytowych wymienników ciepła Alfa Laval FrontLine wprowadzono wiele technicznych udogodnień, takich jak: rolki w płytach działowych, ułożyskowanie śrub ściskających, możliwość ich bocznego wyjęcia, stabilną ramę wraz z czterema nóżkami z regulowaną wysokością. Wszystkie te elementy ułatwiają użytkownikom przeprowadzanie prac konserwacyjnych i skracają czas ich wykonania.

Pasteryzacja odbywa się w urządzeniach zwanych pasteryzatorami. Mleko transportowane jest rurociągiem do pasteryzatora po uruchomieniu pomp. Pasteryzator może pracować w trybie okresowym lub ciągłym. Warunkiem przepływu ciepła jest wystąpienie gradientu temperatur. Ciepło przepływa od płynu o wyższej temperaturze do płynu o temperaturze niższej. Najczęściej spotykanym w przemyśle mleczarskim wymiennikiem ciepła jest pasteryzator płytowy. Tego typu rozwiązanie polega na umieszczeniu na ramie nośnej szeregu płyt, które są rozmieszczone równolegle. Czynnikiem grzejnym jest gorąca woda. Materiał pasteryzowany – mleko – przepływa w tzw. przeciwprądzie w stosunku do czynnika grzejnego. Takie rozwiązanie umożliwia lepszą wymianę ciepła pomiędzy płynami. Płyny poruszają się w przestrzeniach kanalikowych utworzonych pomiędzy płytami. Płyty rozdzielają czynnik grzejny od płynu pasteryzowanego.

Obecnie stosowane rozwiązania zakładają podział płyt wymiennika na sekcje, z których każda pełni określoną rolę w całym procesie pasteryzacji. Wyróżnić można następujące sekcje:

• sekcję, w której dochodzi do ogrzewania wody parą grzejną;
• sekcję pasteryzacji, w której dochodzi do sedna procesu czyli do ogrzewania mleka gorącą wodą z poprzedniej sekcji do temperatury pasteryzacji;
• przetrzymywacz, złożony z płyt o głębokich kanałach, gdzie mleko dogrzane do temperatury pasteryzacji jest w tej temperaturze przetrzymywane przez określony czas od 15 do 30 sekund;
• dział regeneracji ciepła, który składa się z 2 bądź 3 sekcji, w którym następuje ogrzewanie mleka zimnego wpływającego do pasteryzatora za pomocą ciepła pobranego od mleka gorącego, które z kolei wychodzi z przetrzymywacza.

Ponadto wyróżnić można dwusekcyjny dział dalszego schładzania mleka spasteryzowanego najpierw wodą zimną, a następnie wodą lodowatą. Płytowe wymienniki ciepła charakteryzują się szeregiem zalet. Do najważniejszych zaliczyć można: dużą ilość ciepła odzyskiwanego z działu regeneracji, sięgającą 80-90%, co stanowi dużą oszczędność energii, możliwość sterowania wydajnością urządzenia poprzez regulowanie liczby płyt w poszczególnych sekcjach, prostą obsługę, łatwość czyszczenia, a także możliwość pasteryzowania, oprócz mleka, wielu innych płynnych i półpłynnych produktów np. śmietanki. Opcjonalne jest także wykorzystanie przetrzymywacza, możliwe jest również prowadzenie częściowego odgazowywania mleka. Dostępne na rynku nowoczesne pasteryzatory płytowe posiadają takie elementy budowy, które utrzymują zadaną temperaturę pasteryzacji oraz takie, które samoczynnie zawracają mleko w przypadku, gdy nie zostało dostatecznie spasteryzowane.

Kompaktowa budowa wymienników sprawia, że nie zajmują one dużo miejsca. Płyty z których zbudowane są wymienniki są cienkie, metalowe i odporne na korozję. Płyty są połączone ze sobą za pomocą lutowania bądź za pomocą ramy ściągającej. Płyty ułożone są w odpowiedniej konfiguracji w taki sposób, że otwory w ich górnych i dolnych rogach tworzą kanały. Sterowanie przepływu płynu w kanałach osiąga się poprzez zastosowanie uszczelnień wokół otworów tak, aby oddzielić od siebie przepływy. Po jednej stronie płyty płynie czynnik gorący, a po drugiej zimny. Wymiana ciepła pomiędzy płynami jest bezkontaktowa. Oba płyną względem siebie w przeciwprądzie.

Płyty wymiennika mają na swojej powierzchni wytłoczenia, które mogą układać się w różne wzory. Zabieg ten zwiększa turbulencję przepływu obu płynów, przy stosunkowo niskich wartościach prędkości przepływu. Z kolei burzliwość przepływu powoduje podwyższenie współczynników przenikania ciepła, obniżając tym samym ilość powstałych ewentualnych osadów wytrącających się z płynu. Przepływ turbulentny, burzliwy wspomaga dyfuzję ciepła i zapobiega także tworzeniu się warstw płynu o różnych temperaturach, co jest tak charakterystyczne dla przepływu laminarnego. Wzrost współczynników przenikania ciepła osiąga nawet dwukrotnie większe wartości w wymiennikach płytowych w porównaniu z wymiennikami płaszczowo-rurowymi. Układ przepływających w przeciwprądzie strumieni płynów może być układem szeregowym, równoległym lub mieszanym. Tego typu ideowe rozwiązania mają na celu takie kierowanie przepływu strumieni po obydwu stronach płyt, aby ulegały one wielokrotnym zmianom kierunku przepływu. W przypadku szeregowego układu droga przepływu jest długa. W związku z tym przy stosunkowo niewielkim natężeniu przepływu, opór hydrauliczny jest duży. Jeśli chodzi o układ równoległy, to droga przepływu czynnika jest krótka, ponieważ jej długość jest równa długości pojedynczego kanału, w związku z tym odnotowuje się niewysoki spadek ciśnienia.

Aby połączyć ze sobą zalety obydwu rozwiązań, stosuje się układy mieszane. W tym rozwiązaniu uzyskuje się oczekiwane natężenie przepływu – za sprawą płyt z kanałami równoległymi. Dzięki płytom z kanałami szeregowymi osiągana jest pożądana zmiana temperatur czynników w obu obiegach. Wymienniki płytowe należy czyścić zgodnie z zaleceniami producenta i wskazanymi przez niego substancjami, aby uniknąć niepożądanych efektów ubocznych, na przykład mikrouszkodzeń na powierzchni płyt niewidocznych gołym okiem. Aby umożliwić zakładom mleczarskim jak najlepszą kontrolę nad termicznym utrwalaniem żywności stosuje się komputerowe sterowanie procesem pasteryzacji, którego istotę stanowią odpowiednio zaprogramowane sterowniki. Odpowiednie programy komputerowe nadzorują wszelkie parametry i ich wartości związane z poprawnym przebiegiem procesu. Umożliwiają kontrolę procesu technologicznego i obsługę linii. Jeśli dojdzie do przekroczenia zadanych wartości krytycznych, system uruchomi alarm oraz aktywuje szereg czynności i procedur prowadzących do uniemożliwienia dalszej produkcji wadliwego produktu. Możliwe jest także skierowanie mleka niespełniającego zadanych parametrów do powtórnej pasteryzacji. Automatyczne sterowanie linią wraz z wizualizacją procesu nie tylko ułatwia obsługę linii, ale umożliwia także analizę zarchiwizowanych danych procesowych, co może okazać się przydatne przy planowaniu zadań produkcyjnych lub sporządzaniu raportów.

W automatycznym nadzorze nad linią pasteryzacji sterownik jest odpowiedzialny między innymi za: kierowanie pracą pomp, zaworów, kontrolę, rejestrację, a także regulację temperatury pasteryzacji, temperatury wyjściowej produktu, kontrolę ciśnienia na wyjściu pasteryzatora czy też zapisywanie i archiwizowanie warunków i parametrów pracy linii na dysku komputera. Zobrazowanie pracy linii z wykorzystaniem elementów graficznych i tekstowych ułatwia kontrolowanie procesu w dowolnej chwili i odczytanie parametrów procesu w konkretnym momencie.

Na rynku istnieje dużo ofert wymienników ciepła od producentów i dostawców takich jak: Alfa Laval, GEA, Sondex, Spomasz Bełżyce lub Tetra Pak. Właściwości fizyczne płynu, takie jak lepkość, gęstość czy ciepło właściwe, wpływają np. na wydajność czy konfigurację wymiennika ciepła i tym samym decydują o wyborze najodpowiedniejszego urządzenia. Aby jednak właściwie dobrać wymiennik ciepła, należy dysponować szeregiem danych, jak: rodzaj i właściwości czynników, temperatura wlotowa i wylotowa, prędkość przepływu, wielkość przepływu, ciśnienie minimalne, maksymalne i robocze, dozwolony spadek ciśnienia, opory związane z osadami, a także należy brać pod uwagę możliwości finansowe. Wiele firm oferuje pomoc, współpracę w dopasowaniu urządzenia, które najlepiej sprawdzi się w danych warunkach procesowych, w pracy z danym czynnikiem lub chociażby będzie odpowiednich rozmiarów. Dostępność możliwych kombinacji rozwiązań konstrukcyjnych jest naprawdę spora. Realne staje się dopasowanie urządzenia do niemal każdych warunków pracy. Najważniejsze pozostaje wciąż zachowanie powtarzalności i bezpieczeństwa mikrobiologicznego procesu, które przy produkcji żywności jest kluczowe.