为了使 HTST 中试装置表现得像间歇式巴氏杀菌机，需要改造保持段和加热曲线，使连续工艺能够提供相同的时间-温度历程，或者至少提供相同的累积热致死率。 主要的调整包括保持管长度、产品流速、换热器温度区以及加热和冷却的升降温速率。对于高固形物或热敏感产品，目标应同时涵盖微生物安全性以及间歇式工艺带来的感官和结构影响，例如风味形成和蛋白质变性。
HTST 系统可以通过使用更长或可调节的保持管、较低的产品流速以及分段的换热器温度，来重现间歇式工艺的热剂量和温度轨迹，从而近似实现间歇式巴氏杀菌。 当产品质量取决于完整的加热、保持和冷却过程时，仅匹配最终温度可能是不够的。
为什么间歇式工艺和 HTST 工艺表现不同
间歇式巴氏杀菌使产品缓慢受热
间歇式系统通常在夹套容器中加热固定体积的产品，将其保持在高温下，然后进行冷却。因此，除了名义上的保持期外，产品还会经历显著的加热和冷却阶段。
对于高脂肪、低膨胀率冰淇淋混合物等配方，这种长时间的暴露会影响蛋白质变性、风味形成、粘度和质地。
HTST 集中了热处理过程
HTST 系统在换热器中快速加热产品，通过保持管输送，然后快速冷却。其停留时间主要由流速和保持管体积控制。
即使入口和出口温度与间歇式工艺相似，这也会产生不同的热历程。
热剂量是首要比较点
微生物的杀灭程度在很大程度上取决于温度和时间。因此，可以使用累积致死率或 F 值来比较工艺，该值是根据产品的温度历程而非仅仅根据保持温度计算得出的。
然而，等效的致死率并不能自动保证等效的风味、质地或蛋白质功能。质量反应可能对温度曲线的形状有不同的响应。
如何改造 HTST 中试装置
安装可调节的保持管
最直接的改造是使保持段模块化。操作员可以添加或移除管段来改变停留体积，从而改变在目标温度下的暴露时间。
对于给定的流速：
[ t_{\text{hold}} \approx \frac{V_{\text{tube}}}{Q} ]
其中 (V_{\text{tube}}) 是内部管体积，(Q) 是体积流速。
为了近似更长的间歇式暴露，工程师可以增加保持管长度或降低流速。模块化设计允许同一套中试装置既能代表传统的 HTST，也能代表延长的等效间歇式处理。
增加流速控制
变速进料泵配合精确的流量测量，可以在不物理重建系统的情况下调节停留时间。
降低流量会增加保持时间，而增加流量则会减少保持时间。所选流量必须与稳定的传热、可接受的压降以及预期的生产能力保持兼容。
使用分段换热器温度区
不要将产品突然加热到一个高温，而是将加热段划分为独立控制的区域。这些区域可以重现更平缓的、类似间歇式的升温过程。
一种有用的布置可能包括：
- 再生预热：利用处理后物流的热量。
- 受控最终加热：使用蒸汽、热水或其他加热介质。
- 延长的保持段：在选定的工艺温度下。
- 受控冷却：通过再生，随后使用冷却水或冷冻流体。
区域温度应根据测得的间歇式数据进行选择，而不是简单地从名义设备设置中复制。
调整加热和冷却斜率
如果目标是重现间歇式工艺的热历程，则应调整 HTST 系统以近似间歇式的加热和冷却斜率。
这可能需要调整传热介质温度、传热面积、流动布置或换热器级数。在产品质量或安全性需要时应保留快速冷却，但当间歇式工艺的冷却阶段对观察到的产品特性有显著贡献时，可以修改冷却曲线。
选择合适的换热器几何结构
对于高固形物或粘性配方，管式换热器可能比窄通道板式换热器更合适，因为它可以提供更大的流动路径并降低堵塞风险。
选择时必须考虑粘度、颗粒或固体含量、结垢倾向、可清洗性、压降和传热系数。提供正确停留时间但导致过度结垢的配置不是实用的中试规模解决方案。
如何匹配间歇式热曲线
首先测量间歇式参考曲线
在间歇式工艺过程中连续记录产品温度，包括：
- 从初始温度开始的加热过程。
- 在每个高温点附近停留的时间。
- 名义保持期。
- 冷却至目标出口或储存温度。
在可行的情况下，参考值应在产品本身中测量，而不是仅从夹套温度推断。
将曲线转换为目标致死率
使用记录的温度历程计算间歇式工艺的累积热致死率。然后可以调整连续工艺，直到其计算出的致死率相等。
比较应包括完整的 HTST 路径，包括预热、最终加热、保持和冷却，而不仅仅是名义保持管。
比较完整的温度轨迹
对于质量取决于烹饪效果的产品，比较的内容应超出 F 值。检查：
- 达到工艺温度所需的时间。
- 在关键质量反应温度以上停留的时间。
- 最高产品温度。
- 冷却速率。
- 停留时间分布。
- 加工和储存后的产品属性。
这种区分很重要，因为两个工艺可能具有相同的微生物致死率，但产生不同的粘度、风味、颜色或蛋白质功能。
必要时使用分段停留区
单个保持管产生近似恒温的段，而间歇式容器经历连续的温度变化。如果必须精确重现间歇式曲线，HTST 中试装置可以使用多个带有独立温度控制的加热和绝缘管段。
每个部分代表间歇式加热或保持曲线的一个片段。与依赖于单一温度下运行的长管相比，这种方法提供了更好的控制。
验证停留时间和热均匀性
确认实际停留时间
计算出的停留时间假设为理想的平推流，但实际系统可能存在轴向扩散、壁面效应、死区或短路。
使用适当的示踪剂或经过验证的测量方法进行停留时间分布测试，以确定所有产品元素是否受到相当的暴露。
防止处理不足和处理过度
广泛的停留时间分布会产生两个风险：
- 处理不足的物料可能在接受必要处理之前就离开。
- 处理过度的物料可能在系统中停留时间过长，经历不必要的热损伤。
因此，保持管的设计和操作应近似于稳定、特征明确的流动。避免突然的膨胀、停滞区域和排水不良的部分。
监控保持管出口
在保持管出口或其他经过验证的控制位置安装可靠的温度传感器。当温度或流量条件低于定义的工艺限值时，流量分流阀应自动将产品返回至进料侧。
这可以在启动、停机、干扰和加热能力损失期间保护产品。
保持中试装置的安全性和能源性能
保持清洁侧压力优势
当使用再生时，在相关的换热器部分，处理后的物流应保持比原始物流更高的压力。
增压泵或均质机可以建立这种压力梯度。如果发生换热器泄漏，压力方向应有利于从处理侧向未处理侧流动，而不是允许原始产品污染处理后的物流。
保留再生，但控制其影响
热再生可以通过将热量从处理后的产品传递到进入的进料中，从而显著降低加热和冷却需求。
然而，再生会改变温度曲线，并可能使重现间歇式参考曲线的努力复杂化。因此，应测量其性能并将其纳入热模型中，而不是将其视为固定的假设。
提供精确的仪表
曲线匹配中试装置应至少测量：
- 产品入口和出口温度。
- 换热器区域之间的温度。
- 保持管出口温度。
- 产品流速。
- 关键换热器部分前后的压力。
- 加热和冷却介质温度。
数据应以足够的频率记录，以捕捉启动、稳态和停机行为。
了解权衡
等效致死率不等于相同的产品质量
匹配累积 F 值对于比较微生物处理至关重要，但它不能确保相同的感官或功能结果。
蛋白质变性、风味生成、褐变、色素变化和营养降解可能具有不同的温度敏感性。因此，应同时使用致死率计算和产品质量测量来验证该工艺。
更长的保持时间会降低产量
增加管长或降低流速提高了重现延长间歇式处理的能力，但会降低产能，并可能增加压降、设备占地面积和清洁要求。
实际设计通常是曲线保真度和中试装置产量之间的妥协。
过度加热会增加结垢
高脂肪和高固形物配方可能会污染传热表面，特别是当壁温显著高于产品温度时。
结垢会降低传热性能，并可能在生产运行中改变实际的热曲线。监控压降和温度响应，并将清洁验证纳入中试方案中。
板式换热器可能不适合所有配方
板式换热器紧凑高效，但窄通道和高固形物配方会带来流动或清洁挑战。
管式或宽通道设计可能提供更可靠的操作，尽管它可能需要更多的传热面积或更大的设备占地面积。
再生会使曲线匹配复杂化
高再生提高了能源效率，但它使产品的入口温度依赖于整个系统的性能。
对于实验比较，再生应该是可调节的或可旁路的，以便研究人员可以将热曲线的影响与能量回收配置的影响区分开来。
如何将其应用于您的中试装置
首先测量间歇式产品温度曲线并计算其累积致死率。然后使用保持管体积、流速、换热器区域温度和冷却条件迭代配置 HTST 系统。
- 如果您的主要重点是微生物等效性： 使用经过验证的温度测量、受控流量和尺寸合适的保持管来匹配累积致死率。
- 如果您的主要重点是类似间歇式的风味和蛋白质功能： 匹配完整的加热、最高温度、保持和冷却曲线，而不是仅依赖 F 值。
- 如果您的主要重点是高固形物或粘性配方： 使用合适的管式或宽通道换热器，并验证结垢、压降和可清洗性。
- 如果您的主要重点是能源效率： 保留再生加热，但测量其对产品温度曲线的影响，并在试验期间使再生可调。
- 如果您的主要重点是工艺验证： 结合 RTD 测试、温度映射、流量分流控制和过程后质量分析。
通过可调节的停留时间、分段温度控制、验证的流动行为和基于曲线的验证，HTST 中试装置可以在保留连续处理优势的同时，重现间歇式巴氏杀菌的相关热效应。
总结表：
| 关键领域 | 推荐方法 | 主要目的 |
|---|---|---|
| 保持时间 | 使用模块化保持管和可调节流速 | 重现间歇式暴露时间 |
| 加热曲线 | 安装独立控制的换热器区域 | 匹配平缓的间歇式加热 |
| 冷却曲线 | 控制冷却阶段和升降温速率 | 重现完整的热历程 |
| 热验证 | 比较温度曲线和累积 F 值 | 确认微生物等效性 |
| 产品质量 | 测量粘度、风味、颜色和蛋白质功能 | 验证类似间歇式的结果 |
| 流动行为 | 进行停留时间分布测试 | 防止处理不足和处理过度 |
| 设备选择 | 对粘性或高固形物产品使用管式或宽通道换热器 | 降低结垢和堵塞风险 |
| 安全与控制 | 增加温度监控、压力控制和流量分流 | 保护产品安全和工艺可靠性 |
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