Tiệt trùng siêu nhiệt và thanh trùng là các quy trình tiệt trùng thường dùng trong sản phẩm sữa. Sữa tiệt trùng UHT được vô số người tiêu dùng và nhà sản xuất trên toàn thế giới ưa chuộng nhờ thời hạn bảo quản dài, không cần làm lạnh và khả năng giữ lại dinh dưỡng tốt. Vào giữa đến cuối thế kỷ 20, công nghệ chiết rót vô trùng bắt đầu được thương mại hóa và được ứng dụng, phổ biến rộng rãi trong bao bì vô trùng của các sản phẩm sữa lỏng và đồ uống nước trái cây dạng lỏng. Thiết bị bồn vô trùng, với vai trò là bồn chứa tạm thời cho sản phẩm lỏng vô trùng, được sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền chiết rót vô trùng nhờ các đặc tính như kéo dài thời gian sản xuất liên tục của máy chiết rót, tránh gia nhiệt tuần hoàn cho sữa nguyên liệu và ổn định áp suất chiết rót. Đặc biệt khi sản xuất sản phẩm có hạt trái cây, bắt buộc phải sử dụng bồn vô trùng. Bài viết này lấy bồn vô trùng làm ví dụ để giới thiệu cấu trúc và cách sử dụng của chúng, đồng thời tổng kết ưu điểm ứng dụng và các điểm kiểm soát chất lượng trong chế biến sữa.

Giới thiệu về bồn vô trùng
Thiết bị bồn vô trùng có thể được dùng làm bồn chứa cho sản phẩm lỏng vô trùng, kết nối với thiết bị tiệt trùng và chiết rót sản phẩm (Hình 1), và dùng để lưu trữ trung gian các sản phẩm sữa đã xử lý UHT. Đây là một trong những thiết bị then chốt trong dây chuyền sản xuất chiết rót vô trùng. Ngay cả khi một trong các máy móc phải bảo trì hoặc vệ sinh theo kế hoạch, bên còn lại vẫn có thể tiếp tục sản xuất.

Sự xuất hiện của bồn vô trùng đã đóng vai trò thúc đẩy tốt cho sự phát triển của công nghệ chiết rót vô trùng. Để đảm bảo tính toàn vẹn của trạng thái vô trùng của sản phẩm trong quá trình lưu trữ, thiết bị phải đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về hiệu suất vô trùng. Một số thiết bị gặp các vấn đề như thời gian vô trùng ngắn, hiệu suất vô trùng không ổn định, mức độ tự động hóa thấp và năng suất thấp.

2.1 Kết cấu bồn vô trùng
Bồn vô trùng chủ yếu gồm ba phần: thân bồn, cụm van và tủ điều khiển. Hình 2 cho thấy tổng quan về bồn vô trùng và thiết bị dùng để xử lý sản phẩm. Bồn vô trùng áp dụng thiết kế mô-đun, chủ yếu bao gồm 7 mô-đun sau.
(1) Bồn vô trùng. Lưu trữ sản phẩm trong trạng thái vô trùng. Cảm biến cân sẽ cân thân bồn, cảm biến mức trên điều khiển van đầu vào để ngăn tràn, cảm biến mức dưới đo xem trong bồn vô trùng còn chất lỏng hay không, và thiết bị khuấy ở nắp bồn đảm bảo sản phẩm ở trạng thái chảy để ngăn lắng đọng.
(2) Đầu vào sản phẩm. Thiết bị kiểm soát sản phẩm từ máy tiệt trùng vào bồn vô trùng, được điều khiển bởi nhiều van khí nén và được bảo vệ khỏi ô nhiễm nhờ màn chắn hơi. Khi mức chất lỏng trong bồn đạt 1 L, sản phẩm ở công đoạn sau có thể được chiết rót và vận chuyển để sản xuất; khi mức chất lỏng trong bồn đạt mức cao, sữa tiệt trùng UHT sẽ ngừng được vận chuyển vào bồn.
(3) Đầu vào nước làm mát. Sau khi tiệt trùng, nhiệt độ thân bồn được hạ xuống bằng cách nạp nước làm mát vào lớp xen giữa làm mát, sau đó xả ra. Lượng nước làm mát sử dụng là 800 L/lần, và mỗi lần làm mát cần 2 lần nạp và xả.
(4) Đầu vào hơi nước và CIP. Hơi nước đảm bảo nguồn cung hơi trong quá trình tiệt trùng, dùng để tiệt trùng các đường ống và bồn chứa khác nhau, cũng như cung cấp màn chắn hơi trong quá trình sản xuất; đầu vào CIP đảm bảo cung cấp dung dịch CIP trong quá trình CIP.
(5) Đầu ra hơi và CIP. Hơi sẽ được xả ở chế độ tiệt trùng, và CIP sẽ được xả ở chế độ làm sạch.
(6) Đầu ra sản phẩm. Phần này bảo đảm sản phẩm được đưa từ thân bồn đến máy chiết rót, và có một cảm biến nhiệt độ ở đầu ra đáy bồn để phát hiện nhiệt độ sản phẩm; để bảo đảm cấp liệu ổn định cho máy chiết rót, áp suất ở đáy bồn luôn được duy trì ổn định, được điều khiển bởi cảm biến áp suất ở đáy bồn và một cụm van điều khiển khí vô trùng.
(7) Đầu vào khí vô trùng. Dùng để cấp và xả khí vô trùng; trên đỉnh bồn có một cảm biến áp suất để phát hiện áp suất của khí vô trùng ở phía trên.
2.2 Kết nối tín hiệu của bồn vô trùng
(1) Tín hiệu từ máy tiệt trùng và bồn vô trùng. CIP (làm sạch tại chỗ); PAM (tín hiệu sản phẩm); PDS (tín hiệu chiết rót); RFP (tín hiệu yêu cầu sản xuất); RFW (tín hiệu yêu cầu cấp nước); SPS (tín hiệu dừng sản xuất); SST (tiệt trùng máy tiệt trùng); WAM (tín hiệu cấp nước); CSB (rào cản hơi sạch); RSB (rào cản hơi xả rửa).

(2) Tín hiệu giữa bồn vô trùng và máy chiết rót. CIP (làm sạch tại chỗ); FST (tiệt trùng máy chiết rót); PAM (tín hiệu sản phẩm); PFM (tín hiệu sản xuất chiết rót); RFP (tín hiệu yêu cầu sản xuất); RFW (tín hiệu yêu cầu cấp nước); TST (tiệt trùng bồn vô trùng); WAM (tín hiệu cấp nước).

3. Sử dụng bồn vô trùng
3.1 Chế độ tiệt trùng
Toàn bộ mạch sản phẩm được nạp đầy hơi, và thiết bị cùng các đường ống sản phẩm liên kết được gia nhiệt và tiệt trùng bằng hơi nước bão hòa, bao gồm cả bộ lọc khí vô trùng. Nhiệt độ đạt 140 ℃ và duy trì trong 1200 s. Cảm biến nhiệt độ tại đầu ra đáy bồn sẽ đo và giám sát nhiệt độ tiệt trùng. Sau khi khởi động chương trình tiệt trùng, hệ thống tự động thực hiện các bước sau: gia nhiệt sơ bộ, tăng áp, xả khí vô trùng, tính thời gian tiệt trùng, làm nguội khí vô trùng vào bồn, làm nguội nước vào lớp giữa, và chọn thủ công chương trình xả rửa bằng nước vô trùng để làm mát bồn và xả hết nước vô trùng. Sau khi hoàn tất chế độ tiệt trùng, máy sẽ ở trạng thái vô trùng và sẵn sàng cho sản xuất.
3.2 Chế độ sản xuất
Bồn vô trùng nhận tín hiệu PAM từ UHT, mở van cấp sản phẩm, và sản phẩm từ UHT chảy vào bồn vô trùng dẫn hướng. Sau khi máy chiết rót gửi tín hiệu yêu cầu sản phẩm, mở van cấp sản phẩm, và sản phẩm sẽ được chuyển đến van nạp sản phẩm của máy chiết rót. Có một đường hồi từ đường ống sản phẩm phía sau máy chiết rót về bồn vô trùng, và cụm van ở cuối đường ống này được bảo vệ khỏi nhiễm bẩn bằng các rào cản hơi.
3.3 Chế độ xả rửa vô trùng
Sau khi sản xuất một loại sản phẩm, trước khi chuyển sang loại khác, toàn bộ thiết bị sẽ được xả rửa bằng nước vô trùng do UHT cung cấp để loại bỏ cặn sản phẩm, và nước vô trùng cũng có thể được cấp vào máy chiết rót để xả rửa vô trùng. Khi máy chiết rót gửi tín hiệu RFW, bồn vô trùng sẽ yêu cầu nước vô trùng từ máy tiệt trùng; khi mức chất lỏng trong bồn đạt đến mức xả rửa vô trùng, sẽ gửi tín hiệu WAM đến máy chiết rót.
3.4 Chế độ CIP
Dung dịch kiềm và axit được đưa vào thiết bị thông qua đường ống CIP, và toàn bộ mạch được làm sạch theo chu trình khép kín theo quy trình CIP. Thời gian được tính chỉ sau khi đạt đến nhiệt độ và độ dẫn điện cài đặt. Mạch làm sạch bao gồm hai đường: thân bồn và ống sản phẩm của van cấp liệu. Dung dịch CIP đi vào bồn từ bi phun trên đỉnh để làm sạch thành trong và ống cấp của bồn. Sau khi khởi động chương trình CIP, hệ thống tự động thực hiện các bước sau: xả khí, tăng áp, tráng sơ bộ, rửa kiềm, xả khí, tráng bằng nước, rửa axit, xả khí, tráng nước cuối, xả khí và xả áp khí thải.
3.5 Chế độ chờ
Thiết bị ở trạng thái mở, đã xả và làm sạch, và không có chương trình kích hoạt nào. Cần kích hoạt chế độ tiệt trùng trước khi bắt đầu sản xuất.
Đặc tính ứng dụng của 4 bồn vô trùng trong chế biến sữa
4.1 Giúp máy chiết rót có thể sản xuất liên tục trong thời gian dài
Trong toàn bộ quá trình sản xuất sữa tiệt trùng UHT, thiết bị tiệt trùng UHT thường là yếu tố chính giới hạn năng lực sản xuất liên tục. Nếu được trang bị thiết bị bồn vô trùng, khi thiết bị UHT đầu nguồn cần làm sạch CIP trong một khoảng thời gian sản xuất nhất định, sản phẩm đã được lưu trữ trong bồn vô trùng, và thiết bị máy chiết rót phía hạ nguồn có thể tiếp tục chiết rót. Khi UHT được tiệt trùng sau khi làm sạch CIP, sản phẩm vô trùng có thể được chuyển đến bồn vô trùng, và máy chiết rót có thể tiếp tục sản xuất, nhờ đó tăng thời gian sản xuất liên tục, giảm chi phí làm sạch và nâng cao sản lượng.
4.2 Hàm lượng furfural thấp khi sản xuất sữa trung tính như sữa tươi
Furosine trong sản phẩm sữa là một trong các sản phẩm tạo thành do phản ứng Maillard của protein và lactose trong điều kiện nhiệt độ cao. Hàm lượng furosine càng thấp thì chất lượng dinh dưỡng của sản phẩm sữa càng tốt. Năm 1992, các nước EU đã lấy furosine làm chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng sản phẩm sữa. Năm 2004, Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO) ban hành ISO 18329-2004 để phát hiện hàm lượng furosine trong sản phẩm sữa bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao, đồng thời xác định có sữa hoàn nguyên hay không bằng cách phát hiện hàm lượng furosine trong sản phẩm sữa. Năm 2005, Bộ Nông nghiệp ban hành “Xác định sữa hoàn nguyên trong sữa tiệt trùng và sữa tiệt trùng UHT” (NY/T 939-2005), và năm 2016, bản sửa đổi của “Xác định sữa hoàn nguyên trong sữa tiệt trùng và sữa tiệt trùng UHT” (NY/T 939-2016) cũng đưa furfural vào làm chỉ tiêu quan trọng để phát hiện sữa hoàn nguyên, quy định rằng cứ 100 g protein trong sữa tiệt trùng UHT chứa hơn 190 mg furfural, hoặc khi tỷ lệ hàm lượng lactulose (mg·L-1) trên hàm lượng furosine (mg protein/100 g) nhỏ hơn 2 khi hàm lượng furosine của sữa tiệt trùng UHT là 140–190 mg trên 100 g protein, thì được xác định là có chứa sữa hoàn nguyên.
Trong quá trình sản xuất sữa tươi và các loại sữa trung tính khác bằng dây chuyền chiết rót nối trực tiếp phía sau UHT, nếu máy chiết rót phía sau bị lỗi và dừng máy, sữa sẽ chảy ngược về hệ thống UHT để gia nhiệt tuần hoàn. Khi thời gian gia nhiệt tuần hoàn kéo dài quá lâu, cùng với sự diễn tiến của phản ứng Maillard, màu sắc và hương vị của sản phẩm sẽ thay đổi rõ rệt. Nếu lắp đặt thiết bị bồn vô trùng ở phía sau UHT, tình huống này có thể được tránh đáng kể, vì dù máy chiết rót đang sản xuất hay gặp sự cố, sản phẩm vẫn luôn được chuyển đến bồn vô trùng và sẽ không quay trở lại hệ thống UHT để gia nhiệt lặp lại. Do đó, khi sử dụng bồn vô trùng, hàm lượng axit furyl trong sản phẩm thường thấp hơn so với sản phẩm không dùng bồn vô trùng.
4.3 Không hao hụt sữa do hồi lưu
Khi sữa không thể được chiết rót trong thời gian dài, sữa sẽ trải qua nhiều chu kỳ gia nhiệt, dẫn đến thay đổi đáng kể về màu sắc và hương vị của sản phẩm. Biện pháp công nghiệp thường là xả bỏ sữa trong chu kỳ gia nhiệt này và bơm lại sữa tươi vào hệ thống UHT, điều này có thể gây thất thoát vài trăm kg sữa. Nếu lắp đặt thiết bị bồn vô trùng ở phía sau UHT, tình huống này có thể được tránh và có thể giảm tổn thất sữa nguyên liệu.
4.4 Có thể sản xuất sản phẩm có hạt trái cây
Việc bổ sung hạt trái cây vào sản phẩm sữa kết hợp trái cây giàu vitamin và sữa, có thể đạt được cân bằng dinh dưỡng, tăng giá trị gia tăng và trải nghiệm khách hàng của sản phẩm sữa. Vì vậy, sản phẩm sữa UHT có hạt trái cây là một trong những sản phẩm được nhiều doanh nghiệp sữa nghiên cứu và phát triển trong những năm gần đây, nhưng cũng đối mặt với các vấn đề như hạt trái cây phân bố không đều và dễ bị vỡ. Hiện nay, có hai quy trình sản xuất khả thi cho sản phẩm sữa có bổ sung hạt trái cây: quy trình trộn trước và quy trình bổ sung sau. Cả hai quy trình này đều cần sử dụng bồn vô trùng để lưu trữ tạm thời sản phẩm đã được tiệt trùng. Thiết bị khuấy ở phía trên bồn vô trùng bảo đảm sản phẩm ở trạng thái chảy, ngăn ngừa sự tích tụ của các hạt trái cây, gây ra hiện tượng hạt trái cây không đều.
4.5 Không cần bảo trì thường xuyên
So với máy chiết rót và thiết bị UHT, bồn vô trùng hầu như không có bộ phận chuyển động hoặc hao mòn nào ngoài cánh khuấy, nên thường chỉ cần thay thế định kỳ các vòng đệm kín của van đường ống, v.v., mà không cần lập kế hoạch bảo trì định kỳ quy mô lớn.
4.6 Mức độ tự động hóa cao
Ngoài việc cần tháo khớp nối khuỷu khi chuyển đổi giữa chế độ sản xuất và chế độ làm sạch, người vận hành chủ yếu hoàn tất thao tác thông qua bảng điều khiển người-máy. Sau khi chọn chế độ vận hành cần thiết, tất cả các bước chương trình sẽ được thực hiện tự động, với sự can thiệp thủ công tối thiểu.
Kiểm soát chất lượng của 5 bồn vô trùng trong chế biến sữa
5.1 Hơi phải sạch
Do trong quá trình tiệt trùng phải sử dụng một lượng lớn hơi để tiệt trùng thân bồn, đồng thời cần cung cấp hơi để duy trì rào cản hơi trong quá trình sản xuất, nên phải bảo đảm hơi không tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm hoặc bề mặt của sản phẩm để bảo đảm hơi đạt tiêu chuẩn cấp thực phẩm. Ngoài việc lắp bộ lọc hơi, cũng có thể cân nhắc sử dụng thiết bị tạo hơi sạch để bảo đảm độ sạch của hơi.
5.2 Thay vòng đệm kín của trục cánh khuấy
Trong quá trình sản xuất, hơi nước nhiệt độ cao được liên tục đưa vào phớt cơ khí của trục cánh khuấy để ngăn ngừa sản phẩm bị nhiễm bẩn qua trục khuấy. Tuy nhiên, các bộ phận làm kín của trục khuấy thường dễ bị lão hóa ở nhiệt độ cao, dẫn đến nguy cơ sản phẩm trong bồn bị nhiễm bẩn.
5.3 Thay lưới lọc khí vô trùng
Khí vô trùng là khí nén đã được khử nước và tách dầu mỡ, đi qua hai lưới lọc khí vô trùng cấp 0,01 μm và van điều chỉnh áp suất; lưới lọc khí vô trùng phải được tiệt trùng bằng hơi trước khi bắt đầu sản xuất. Để bảo đảm hiệu quả lọc, cần thay thế định kỳ. Khuyến nghị sử dụng trong 100 lần dưới điều kiện tiệt trùng 140 ℃ trong 30 phút.
5.4 Bảo đảm hiệu quả làm sạch CIP tốt
CIP phải làm sạch triệt để bồn và đường ống, đồng thời cần áp dụng quy trình làm sạch hợp lý. Cùng lúc đó, cần sử dụng nồng độ chất tẩy rửa, nhiệt độ, thời gian, lưu lượng và các thông số phù hợp để bảo đảm hiệu quả làm sạch, đặc biệt là khi cánh khuấy không có góc chết.
5.5 Áp suất khí vô trùng
Trong quá trình sản xuất, khí vô trùng ở phía trên bồn cần duy trì một áp suất dương nhất định để ngăn sản phẩm bị nhiễm bẩn bởi không khí bên ngoài. Khi áp suất khí vô trùng ở phía trên bồn thấp hơn giới hạn an toàn, có thể dẫn đến nguy cơ sản phẩm trong bồn bị ô nhiễm.
5.6 Khác

Bồn vô trùng nằm ở công đoạn vô trùng phía sau của UHT, vì vậy việc duy trì độ vô trùng của bồn là vô cùng quan trọng. Ngoài ra, còn cần xem xét nhiều yếu tố như khử trùng thiết bị, nhiệt độ rào cản hơi, rò rỉ cụm van đường ống, thời gian lưu trữ, v.v. Cần đánh giá rủi ro tương ứng của từng yếu tố và xây dựng các biện pháp kiểm soát phù hợp để đảm bảo tính vô trùng của sản phẩm.

6 Kết luận

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành sữa và đồ uống, công nghệ chiết rót vô trùng ngày càng hoàn thiện, và việc sử dụng bồn vô trùng cũng ngày càng phổ biến. Hiện nay, nhu cầu về thiết bị bồn vô trùng trên thị trường Trung Quốc rất lớn, và một số nhà sản xuất thiết bị trong nước cũng đang phát triển bồn vô trùng. Tuy nhiên, so với bồn vô trùng nhập khẩu, thiết bị trong nước vẫn còn một khoảng cách nhất định về khả năng vô trùng và mức độ tự động hóa. Các doanh nghiệp sữa nên lựa chọn trang bị bồn vô trùng phù hợp dựa trên đặc tính sản phẩm, quy trình chế biến và bố trí dây chuyền sản xuất của mình, đồng thời xây dựng các biện pháp kiểm soát chất lượng hợp lý để đảm bảo trạng thái vô trùng của sản phẩm, qua đó đạt được mục tiêu kéo dài thời gian sản xuất liên tục.

Chúng tôi chuyên thiết kế kỹ thuật và sản xuất trọn gói dây chuyền sản xuất sữa, và khách hàng của chúng tôi đã đạt được thành công ở nhiều quốc gia trên thế giới. Liên hệ ngay để nhận bản thiết kế mới nhất và báo giá dây chuyền chế biến sữa!