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热力蒸汽灭菌器的性能检测和验证分析

本研究基于国家食品专项资金支持, 采用美国Mesa Labs公司生产的MP-RF无线温度压力验证系统对热力灭菌器的温度压力计量特性参数进行检测, 并结合大量的检测实践对热力灭菌器的热分布和不同产品热穿透情况进行分析, 真实准确地开展验证工作, 进行有效质量控制, 为我国的热加工食品安全保驾护航。

一、热力灭菌器概述

1. 工作原理

热力压力蒸汽灭菌器是工业和实验室使用最为普遍的灭菌设备, 其原理是蒸汽在密闭的蒸锅内聚积, 压力上升, 水的沸点升高, 从而使锅内的温度达到《消毒技术规范》规定的灭菌温度, 并保持一段时间。

2. 检测依据

本文主要借鉴欧盟标准EN554对压力蒸汽灭菌设备的平台期温度、压力时间过程进行检测和物理验证, 突破我国粗放式的灭菌质量管理技术手段, 实现灭菌工况下的实时精确监测。

3. 温度与压力关系

热力灭菌器在特定的灭菌温度下, 内部液态水和水蒸气达到平衡形成饱和蒸汽压, 此时温度与压力的关系是一一对应的。热力灭菌器在稳定的工作状态下, 其内部温度和压力的关系可以运用ClausiusClapeyron方程、波义耳定律和道尔顿分压定律进行有效分析。其关系可以表示如下:

热力蒸汽灭菌器的性能检测和验证分析

式中:T———饱和蒸汽温度, ℃;P———饱和蒸汽压力, k Pa。

利用式 (1) 计算出常见灭菌温度与压力的对应关系 (见表1) 。

表1 热力灭菌器内部饱和蒸汽温度和压力对应关系列表

表1 热力灭菌器内部饱和蒸汽温度和压力对应关系列表

二、关键因子

热力灭菌器的灭菌条件是指灭菌温度和灭菌时间, 为确定有效合理的灭菌条件, 保证热加工食品达到商业无菌, 本文利用关键因子分析法对灭菌条件进行确认。

1. 关键因子D值

“D值” (Decimal Reduction Time, 简称D值, 单位min) 的含义是指在恒定的加热致死温度下, 每杀灭90%的对象菌所需要的时间, 可按式 (2) 计算:

热力蒸汽灭菌器的性能检测和验证分析

式中:u———加热时间;a———最初所存在的微生物数量;b———残存微生物数量。

对于最危险的肉毒杆菌的D值=0.21分钟 (公认实验数据) 。

2. 关键因子Z值

“Z值”是微生物耐热性指标, 是使D值变化10倍之温度, 即表示加热致死时间变化为10倍时所需要的温度。Z=10时, 就表示杀菌温度提高10℃的话, 则加热致死时间就减为1/10, Z值越大, 说明该微生物的抗热性越强。

3. 灭菌强度FO值

FO值表示灭菌强度, 是指一定灭菌温度 (T) 下, Z为10℃时所产生的灭菌效果与121℃下, Z值为10℃所产生的灭菌效果相同时所相当的时间 (min) 。在121℃温度加热1分钟确定为FO=1, 若加热5分钟, 即为FO=5。

FO值的计算公式如下:

热力蒸汽灭菌器的性能检测和验证分析

式中:Δt———验证系统温度记录仪的采样时间间隔, min;T———灭菌温度, ℃。

因此只需测定灭菌器或罐装等加工食品的中心温度T值, FO值就可计算出来。本文通过试验, 采用无线发射式设备对灭菌器工作稳态的实时温度压力以及热分布和产品热穿透情况进行检测分析。

三、实验部分

1. 标准器

名称:Mesa Labs无线温度压力验证系统;

型号:MP-RF, Data Trace系列;

最大允许误差:±0.25℃, ±2k Pa;

厂家:美国Mesa Labs公司。

2. 热力灭菌器温度和压力参数的检测

本文采用美国Mesa Labs公司生产的MP-RF无线温度压力记录仪 (系统) 对灭菌器的温度压力计量特性参数进行同步、实时检测, 保持灭菌器的工作稳态不被破坏, 并大大提高检测的准确性和效率。

试验针对SENOH公司的LMQ-380E型蒸汽灭菌器, 通过将无线温度压力记录仪的探头放置在灭菌器中心位置, 设定程序按每30秒记录一个数据进行数据采集, 测试过程中在平台期之前进行排气操作, 温度/压力测试结果如表2所示, 测试曲线图如图1所示。

通过试验可以确定灭菌器的温度示值误差为+0.1℃、压力示值误差为-0.002MPa, 以及温度波动性为-0.1℃, 即工作稳态下所有测定值与平均值的最大偏离值。试验测得的中心温度T=121.1℃, 代入式 (1) 可得P=105.24k Pa, 与试验测得的压力值0.106MPa基本符合, 说明冷空气已完全排出, 灭菌器内部达到了饱和蒸汽压。本试验精确测定了灭菌器实时状态下的中心温度和压力值, 为研究灭菌强度以及确定灭菌程序/条件提供了有效支撑。

表2 测试结果

表2 测试结果

图1 温度/压力测试曲线图

图1 温度/压力测试曲线图
 

3. 热力灭菌器的热分布检测

为了使灭菌器内有均匀的温度分布, 保证物品受到同样的热力杀菌, 需要对灭菌器进行热分布检测, 目前美国推荐每两年做一次热分布试验, 而我国要求每年至少一次。我们采用8个无线测温探头对立式灭菌器进行热分布检测, 探头布点情况如图2所示, 测得灭菌平台期的温度均匀度为0.6℃, 热分布曲线图如图3所示, 显示了锅内各点温度具有良好的均匀性和一致性。

通过测定热分布试验可以更好地实现: (1) 了解灭菌器内温度分布均匀程度; (2) 了解灭菌器内升温状况, 按照温度达到一致点的时间来确定排气规范、升温时间, 并可确定开始杀菌的时间; (3) 为改进灭菌器的性能提供数据, 确保食品杀菌的安全性; (4) 确定灭菌器内冷点位置, 为热穿透试验提供参考; (5) 为企业确定灭菌器的合用性提供判断依据。

图2 热分布检测布点图

图2 热分布检测布点图
 

图3 热分布曲线

图3 热分布曲线
 

4. 热力灭菌器的热穿透试验

食品中心温度的测定方法通常分为有线法和无线法, 有线法通常用热电偶、热电阻等测温元件置于被测的位置, 通过导线引出罐外进行测量;无线法一般用磁性记忆元件或无线温度探头置于被测温度处, 待灭菌终结后进行读取或实时无线传输。测试时须将待测产品置于灭菌器内冷点处, 如图3中2#位;测温探头的探针准确地插至灌装产品内传热最慢点 (冷点) 的位置上, 通常为中心位置。但是根据罐内理论冷点, 对热传导产品, 位于罐头的几何中心;对热对流产品, 位于罐头的轴向中心线距罐底1/3处;对兼有热对流和热传导的产品, 位于热对流和热传导理论冷点位置之间。

利用带探针无线温度探头, 记录频率设定30s/次, 将探针插入灌装产品的中心位置进行热穿透试验, 流程同实际作业相一致。冷点位置变化最慢的热穿透温升曲线是以罐头中心温度为纵坐标与加热时间为横坐标的变化曲线, 测试情况如图4所示。

图4 热穿透温升曲线

图4 热穿透温升曲线
 

根据测试数据, 使用Ball公式法或一般法通过热处理软件确定传热参数。通过热穿透试验是为测定在指定的负荷及其形成的最冷点的灭菌效果, 确定容器中冷点的加热速率, 更好地为灌装产品的灭菌偏差提供科学评估的依据。

5. 灭菌器的排气操作

按照现行国家和行业标准, 热力蒸汽灭菌器大致分为卧式和立式灭菌器, 不同类型的灭菌器的排气操作略有不同, 如表3所示。

针对排气操作中内部温度的实际情况, 我们也做了检测 (见图5) 。

热力灭菌器的一个关键点是要为热传导提供良好条件, 所以在进入灭菌稳态之前必须将容器内部的冷空气排尽。空气排除不彻底会直接影响灭菌器内温度和压力, 因为空气和蒸汽形成混合体, 产生分压降低蒸汽压力使之无法达到应有的温度, 无法满足式表3热力灭菌器排气操作要求 (1) 体现的蒸汽温度和压力之关系。并且冷空气导热性差, 阻隔蒸汽接触被灭菌产品, 不利于热穿透。

表3 热力灭菌器排气操作要求

表3 热力灭菌器排气操作要求

图5 排气操作过程温度曲线

图5 排气操作过程温度曲线
 

四、讨论

热力灭菌器检测包括热加工设备中心位置的温度压力检测、容器的热分布检测和产品的热穿透检测。通过中心位置的温度压力检测, 为确定灭菌强度和灭菌程序提供参考, 直接影响灭菌器的质量控制;通过热分布试验, 确定容器内每个部位都与加热介质接触并在设计温度之上, 并具有良好的均匀性;通过热穿透试验, 确定容器中冷点的加热速率。测试结果受热加工设备结构、产品、杀灭目标菌种类以及生产加工条件等因素的综合影响, 检测目的是帮助企业针对不同设备、产品、加工条件等因素, 建立安全合理的操作限值, 以形成特定的杀菌规程。

通过对食品企业进行热力灭菌设备的测试和确认, 进而对热力灭菌工艺规程进行评估验证, 以满足行业和政府主管部门对食品加工企业热力灭菌工序进行监督检查和登记备案的需要。

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