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Geeignete Lösungen für die Pasteurisierung/Ultrahoch- und Kurzzeiterhitzung

Für die Qualifizierung und Validierung von Pasteurisationsanlagen/UHT- (Ultra-Hoch-Temperatur) und KZE-Anlagen (Kurzzeiterhitzer) empfiehlt Ellab, kabellose Tracksense® Pro Datenlogger einzusetzen.

Erkunden Sie unsere Möglichkeiten und kontaktieren Sie uns, um nähere Informationen zu erhalten.

Nähere Informationen
TrackSense® Pro

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Starrer Temperatursensor

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E-Val™ Pro

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kabelgeführtes Validierungssystem

Ultrahoch- und Kurzzeiterhitzung in der Lebensmittelindustrie

Ultrahoch- und Kurzzeiterhitzung in der Lebensmittelindustrie

Die Ultrahoch- und Kurzzeiterhitzung sind stark regulierte thermische Prozesse, bei denen es darum geht, flüssige Produkte (typischerweise Lebensmittel) vor dem Verpacken zu erhitzen und somit zu konservieren.

Das Ziel des thermischen Prozesses besteht darin, Lebensmittel und Getränke wie Milch, Saft, Dressing und Joghurt zu entkeimen und gleichzeitig sicherzustellen, dass sie ihre sensorische Attraktivität behalten und deren Haltbarkeit verbessert wird.

Ultrahoch- und Kurzzeiterhitzung in der Lebensmittelindustrie

Ein typisches Design einer UHT- und KZE-Anlage umfasst:

  • Wärmetauscher 
    - Plattenwärmetauscher PHE (Plate Heat Exchanger) für leichtviskose und partikelarme Produkte 
    - Röhrenwärmetauscher THE (Tube Heat Exchanger) für viskosere, stückige und partikelreiche Produkte
     
  • Heißhaltestrecke
    Die Dimensionierung der Heißhaltestrecke muss so gewählt werden, dass mit Durchmesser und Länge der Leitung die gewünschte/vorgegebene Heißhaltezeit erreicht wird. Zudem sollte der Heißhalter isoliert werden, um Abstrahlungsverluste zu minimieren.
     
  • Ausgleichsbehälter
    Der Ausgleichsbehälter, oder umgangssprachlich Vorlaufgefäß, ist ein signifikantes Bauteil Ihrer Erhitzeranlage. Neben der Verhinderung des Trockenlaufs beruhigt der Behälter zusätzlich das Produkt und verhindert weiteren Lufteintrag durch Strudelbildung, welcher zu Produktschädigungen führen kann.
     
  • Steuerungs- und Überwachungssystem
    Die Steuerung ist eines der wichtigsten Elemente Ihrer Anlage. Die hochkomplexen Anlagen können oftmals von einem Bediener nur über ein Steuerungssystem betrieben werden, zudem gibt die elektronische Überwachung der Anlage die schnellste Rückmeldung, wenn sich Prozessparameter verschieben.

UHT- und KZ-Erhitzung werden typischerweise wie folgt definiert:
 
KZ-Erhitzung/Kurzzeiterhitzung (Kurzform KZE)
Die Kurzzeiterhitzung ist bei weitem die bevorzugte Methode der Wärmebehandlung. Sie gehört zu den Pasteurisierungsverfahren, die durch einen Temperaturbereich von 60-100 °C für 15 Sekunden bis zu mehreren Minuten definiert sind. Eine typische Kurzzeiterhitzung ist 72-75 °C für 15-30 Sekunden (Milchprodukte).
 
Ultrahochtemperatur-Erhitzung (UHT) 
Bei der UHT-Erhitzung wird das Produkt (z.B. Milch oder Eis-Grund-Mix) 0,5 bis 3,0 Sekunden auf 130 bis 150 °C erhitzt. Dies wird als Sterilisationsprozess und nicht als Pasteurisierung betrachtet und trägt zu einer deutlich längeren Lagerfähigkeit bei. Bei Milch kann die Haltbarkeit z.B. von 6-10 Tage auf 6-8 Wochen verlängert werden, ohne dass das Produkt gekühlt werden muss. Die Lagerung kann somit als Warmlagerung betrachtet werden und erspart dem Verbraucher eine dauerhafte Kühlung, sofern die Verpackung unter Verschluss gehalten wird. Durch die höhere Hitzeeinwirkung sind sterilisierte Produkte länger haltbar, jedoch auch vitaminärmer als pasteurisierte Produkte.
 
Während der Kurzzeiterhitzung
Die Kurzzeiterhitzung, manchmal auch als "Schnell-Pasteurisierung" bezeichnet, ist ein kontinuierlicher thermischer Prozess. Nachfolgend finden Sie eine schematische Darstellung des Prozesses am Beispiel von Milch:

  • Das kalte Rohprodukt (ca. 4 °C) wird zum Vorlaufgefäß der Anlage gepumpt.
  • Das Produkt passiert von dort aus den Plattenwärmetauscher, wo es über die Sektionen „Austauscher“ und „Erhitzer“ stufenweise auf 72-75 °C erhitzt wird.
  • Nach der Erhitzung wird  im Rohrsystem des Heißhalters für 15-30 Sekunden die Temperatur gehalten.
  • Das Produkt wird dann im Gegenstromverfahren durch den Austauscher zurückgeschickt, wo es das kalte Rohprodukt vorwärmt und selbst auf ca. 10 °C vorgekühlt wird. Im Anschluss wird das Produkt im Kühlerabteil des Wärmetauschers auf 4 °C temperiert und zur Weiterverarbeitung weitergeleitet.
Bei der UHT-Pasteurisierung wird ein Vorwärmprozess durchgeführt, gefolgt von 0,5 bis 3,0 Sekunden andauernden Temperaturen von 130-150 °C.
 
Während der UHT-Erhitzung
Die UHT-Erhitzung ist ebenfalls ein kontinuierlicher thermischer Prozess. Nachfolgend finden Sie eine schematische Darstellung des Prozesses am Beispiel von H-Milch:
  • Das Produkt wird durch ein Luftabführungssystem zum Wärmetauscher gepumpt.
  • Die Erhitzung des Produktes erfolgt ebenfalls stufenweise. Neben der Anwärm- und Erhitzungsphase wird hier eine sog. Denaturierungsphase erzeugt, wo Eiweiße denaturiert werden und somit die Anlage eine längere Standzeit erhält.
  • Nach der Erhitzung wird die Temperatur im Rohrsystem des Heißhalters für 0,5 bis 3,0 Sekunden gehalten.
  • Das Produkt wird dann im Gegenstromverfahren durch den Austauscher zurückgeschickt, wo es als erstes das kältere Heißwasser und danach das kalte Rohprodukt vorwärmt und selbst auf ca. 30-40 °C abgekühlt wird. 
  • Um ein Auskochen zu verhindern, wird die Anlage vom Anwärmen bis zum Kühlen unter Druck (ca. 6-8 bar) betrieben. Nachdem das Produkt gekühlt wurde und das Druckhalteventil der UHT-Anlage passiert hat, wird es „entspannt“ (=druckreduziert) und zur aseptischen Abfüllanlage befördert.
CIP- und SIP-Verfahren
Sobald ein Produkt in einer UHT- oder KZE-Anlage vollständig verarbeitet wurde, muss das System einem Clean-In-Place-Vorgang (CIP) unterzogen werden, der normalerweise Sequenzen von heißem Wasser und Lauge/Säurelösungen umfasst. Dies sollte für saubere Oberflächen sorgen und das Risiko einer späteren Belagbildung (Fouling) verringern, da die Belagbildung die Wärmeübertragungsrate und die Verweilzeit des Produkts beeinflussen kann.
 
In regelmäßigen Abständen muss die gesamte UHT- bzw. KZE-Anlage sterilisiert werden (SIP), wobei Dampf, Heißwasser, H2O2, Strahlung (z.B. UV)  oder eine Kombination dieser Methoden verwendet wird. Bei den Abfüllanlagen erfolgt die Sterilisation mit Dampf oder Wasser unter hohem Druck - normalerweise 30 Minuten bei 121 °C. Die Sterilisation des Stapeltanks muss jedoch aufgrund des großen Volumens mit Sattdampf erfolgen.
Prozess

Prozess

UHT- und KZE-Validierungsprozesse sind normalerweise in 3 Teile unterteilt:

  • Qualifizierung der Tanks hinsichtlich der maximalen Temperatur und Temperatureinheitlichkeit (Verteilung), um die Sterilität nachzuweisen, d. H. ein ausreichendes SIP-Verfahren (Sterilization-In-Place) zwischen jedem Produktionslauf.
     
  • Validierung des Temperatur-/Zeit-Profils, das durch die Heißhaltestrecke erhalten wird, um nachzuweisen, dass eine ausreichende Erwärmung erreicht wird, um ein Produkt als aseptisch/steril zu definieren. In diesem Zusammenhang ist es auch wichtig, die Austrittstemperatur des Produkts aus dem Halterohr zu bestimmen.
     
  • Überprüfung möglicher Temperaturunterschiede zwischen den Rohrleitungen und der Heißhaltetrecke, um festzustellen, wann eine mögliche Belagbildung auftritt (Verstopfung des Flusses). Wenn sich die Rohrleitungen als sauber erweisen, liegt die Temperaturschwankung zwischen dem Einlass und dem Auslass der Heißhaltestrecke typischerweise zwischen 0,3 und 0,5 °C, wohingegen eine Verschmutzung diesen Wert auf 1 bis 4 °C erhöht, was auf einen Widerstand innerhalb der Rohrleitung hinweist. Bei auftretendem Fouling muss eine CIP/SIP durchgeführt werden.

Im Bezug auf die Sterilität gibt es zwei Ansätze, die in UHT- und KZE-Systemen implementiert werden: Der Over-Kill-Ansatz, bei dem Bioindikatoren und Sporenstreifen von Surrogat-Mikroorganismen verwendet werden und die Log-Reduction-Methode, bei der Ellab-Validierungssysteme unerlässlich sind, um genaue Temperatur-/Druckdaten zu ermitteln.

Mikrobielle Kontrolle bei UHT- und KZE-Anlagen
Bei einer mikrobiellen Kontrolle werden z.B. unschädliche Sporen oder Indikatorkeime verwendet, bei denen Tests in verschiedenen Produktionsphasen des Prozesses durchgeführt werden - direkt nach dem Start, in der Mitte und kurz vor dem Ende. Diese Tests werden hauptsächlich verwendet, um Abweichungen während des Prozesses als Funktion der Zeit zu erkennen. Sie sind jedoch ziemlich teuer und liefern keine unmittelbaren Ergebnisse.

Temperatur-Mapping und die Log-Reduction-Methode für die UHT- und HTST-Pasteurisierung (High Temperature Short Time)
Die Verwendung parametrischer Daten, bei denen Temperatur und/oder Druck gemessen werden, ist eine sehr zuverlässige Methode, die sofort Ergebnisse liefert. Die Durchführung von Temperatur- Mappings (eine Wärmeverteilungsstudie) im Stapel/Steril - Tank ist die erste Stufe in jedem Validierungsverfahren der UHT- und Kurzzeiterhitzung. Dies wird durchgeführt, um sicherzustellen, dass die SIP (Sterilization-in-Place) im Stapel/Steril-Tank funktioniert, da dies der endgültige Ort des Produkts ist, bevor die Abfüllung erfolgt.

Sobald das Mapping und die Identifizierung des kalten Punkts (kritischer Punkt) abgeschlossen sind, werden Sensoren am sogenannten „Cold-Spot“ platziert. Nun wird in mehreren aufeinander folgenden SIP-Zyklen gemessen, um zu beweisen, dass die notwendige Sterilität erreicht wird. Dies basiert auf der Berechnung des F0-Wertes (log 6 oder 12 Reduction).

Herausforderungen

Herausforderungen

Die Validierung eines kontinuierlichen aseptischen Prozesses, beispielsweise der UHT- oder KZ- Erhitzung, beinhaltet mehrere Überlegungen:

  • Position der kritischen Punkte
    Die Ermittlung der Positionen der kritischen Punkte ist von größter Bedeutung. Kritische Punkte sind die Teile des Systems, die am wenigsten Hitzeeinwirkung erfahren (= Cold-Spots), deren Lokalisierung daher äußerst wichtig ist. Der kalte Punkt kann sich je nach Produktart in der Mitte eines Rohrs oder an anderen geometrischen Orten befinden. Dies muss daher vor der Validierung der UHT- oder KZE-Anlage unter Verwendung mathematischer Modellierung in Kombination mit tatsächlichen Messungen definiert werden.
     
  • Auswahl des geeigneten Validierungsequipments
    Da die UHT- und KZE- Anlagen ziemlich groß sind, ist die Platzierung der Messgeräte eine der größten Herausforderungen. Aufgrund dieses Problems werden drahtlose Datenlogger dringend empfohlen, da sie keine Einschränkung der Reichweite darstellen.
     
  • Prozessadaption
    Eine weitere Herausforderung ist die Möglichkeit, die tatsächliche Produkttemperatur im Erhitzungssystem zu messen. Hierfür kann es erforderlich sein, Smart-Gasket–Systeme (z.B. für Tri-Clamp) oder spezielle Einführungsventile (Janz-Ventile) zu montieren, die an den kritischen Stellen mit den Rohrleitungen verschweißt sind, sodass Sensoren durch ein Anziehmembransystem eingeführt werden können. Wenn dies nicht möglich ist, könnte eine andere Lösung darin bestehen, die Oberflächentemperatur an der Rohraußenseite zu messen - und Temperaturkorrelationen vorzunehmen, um die Unterschiede auszugleichen.

Richtlinien

Die UHT- und KZE-Anlage muss den geltenden Normen entsprechen sowie qualifiziert und validiert sein.

Es gibt verschiedene Food Standards, die diese Prozesse abdecken, wie z.B. AS 3993 (2003), NZFSA (2003), die Zeit-Temperatur-Standards für Pasteurisierung und UHT, die vom US-amerikanischen Gesundheitsdienst (Public Health Service) veröffentlicht wurden, sowie der CFR-Titel 21 der FDA (Teile) 110, 113 und 114.

Allgemeine Ausrüstungsrichtlinien

  • ISO 9001-Zertifizierung
  • IFS
  • FDA/USDA- und EEC-Richtlinien
  • CE- und UL-Zulassungen
  • cGMP oder GAMP5
  • ISO/IEC 12207 Software-Lebenszyklusprozesse
  • Richtlinien der örtlichen Behörden

Methode

Die Validierung der UHT- und KZE-Anlage ist wichtig, um sicherzustellen, dass die verwendeten Parameter für die Herstellung eines sicheren thermisch verarbeiteten Produktes ausreichen. Gleichzeitig sollen die gewünschte Qualität und die sensorischen Eigenschaften generiert werden.

Die Ergebnisse der Messungen sollten auch Folgendes liefern können:

  • Bestimmt die räumliche und zeitliche Verteilung der Temperatur im Produkt, um eine angemessene Behandlung und Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten.
  • Das Temperaturprofil (zeitlich und räumlich) sollte die Informationen liefern, die zur Berechnung des Letalitätswerts (F0/P0) verwendet werden kann.
  • Bietet einen Leitfaden für die mathematische Modellierung des Prozesses und eine verbesserte Prozesssteuerung.

Standard Operating Procedure (SOP) -Punkte für Stapeltanks
Die Verwendung des E-Val ™ Pro-Thermoelementsystems ist möglich, kann sich jedoch als ziemlich schwierig erweisen, da es erhebliche Gefahren birgt. Es kann schwierig sein, große Tanks mit 7-Meter-Kabeln auszurüsten, da die Sensoren strategisch korrekt im Tank positioniert werden müssen.

Die Verwendung des drahtlosen TrackSense® Pro-Datenloggersystems ist in diesem Fall die weitaus bessere Option, da Datenlogger überall aufgestellt werden können. Durch festes Anbringen von Loggern, z. B. mit einem sterilisierten String, einem Seil oder mit einem starken Klebeband in Verbindung mit dem FixPro-Silikon-Logger-Haltesystem, können sie an den entsprechenden Stellen im Tank positioniert werden.

Standard Operating Procedure (SOP) -Punkte für aseptische Leitung/Heißhaltestrecke
Die Verwendung des E-Val Pro für aseptische Leitungen ist nicht immer einfach, da SSA-Thermoelemente mit einer Standardlänge von 7 Metern nicht alle Bereiche einer großen UHT- oder KZE-Anlage bzw. eines aseptischen Systems abdecken können. Es ist somit nicht nötig, zu erwähnen, dass dies ziemlich herausfordernd sein kann. Wenn Thermoelemente nicht an den kritischen Bereichen der UHT- oder KZE-Anlage mithilfe eines Einführungsventils (Janz) oder eines Smart-Gasket-Systems positioniert werden können, wäre die Verwendung von Typ MHK-Oberflächensensoren an der Außenseite des Rohrsystems die Alternative. Bei der Verwendung von Oberflächensonden kann es jedoch erforderlich sein, die Offsets zu berücksichtigen. Für Validierungsbeauftragte ist es somit wichtig, die Oberflächensonde in der Nähe eines kalibrierten, eingebauten Temperatursensors zu befestigen. Bei der Validierung sollten nicht nur die signifikanten Temperaturpunkte wie Produktaustritt nach Erhitzer, Produktaustritt nach Heißhalter und Produktaustritt nach Kühler betrachtet werden. Durch eine Kontrolle aller Sektionen (sowohl Eintritt und Austritt) erhält man eine umfangreichere Übersicht über das Temperaturprofil des Gesamtprozesses. Dies kann dazu dienen, Schwachstellen zu erkennen, Foulingzeitpunkte festzustellen und/oder Prozessoptimierungspotenzial aufzuzeigen. Die flexibelste Produktlösung ist in diesem Falle das TrackSense Pro Datenlogger-System, da dies nicht kabelgebunden ist. Durch Verwenden der Produktoption SKY werden Echtzeitdaten erzeugt und Sie sehen sozusagen „Live“ den Temperaturzustand Ihrer Anlage.

Um die UHT-/KZE-Anlage gemäß den vordefinierten Akzeptanzkriterien zu validieren, ist die ValSuite™ Software ideal, wenn Sie die folgenden Standardeinrichtungen und -berichte verwenden:

  • Letalitäts-Report: Berechnung des F0/P0-Wertes
  • Kommentare: Spezifikationen und Fotos der Testausrüstung
  • Limit-Report: Temperatur
  • Gerät: örtliche Definition der Messpunkte - enthält Bilder
  • Zeitmarkierung: Aufheizen, Haltezeit, Kühlen (+ evtl. Unterzonen)
  • Erweiterter Validierungsreport: Temperatur- und Zeit-Erfassung über den gesamten Prozess mit Pass/Fail-Indikatoren bezogen auf Ihre Prozesskriterien
  • Statistik-Report: Min.-, Max.-, Durchschnitts- und Delta-Werte aller Parameter
  • Word-Dokument: SOP-Präsentation
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