Cleaning of ultra-high temperature milk fouling -Structural and compositionl changes

Abstract

Fouling is the deposit of proteins and minerals formed on equipment surfaces during the heat treatment of dairy products. The concentrations of the components and the structure of the fouling reflect the processing conditions used. The use of a higher processing temperature, e.g., ultra-high temperature (UHT) treatment, promotes a mineral-rich fouling. The fouling layer decreases the transfer of heat from the heating medium to the dairy product. A product that undergoes insufficient heating during processing may contain viable microorganisms, which spoil the product and can be hazardous to the consumer. Therefore, an efficient and cost-effective cleaning process is crucial for maintaining food safety, as well as for optimizing energy expenditure.

The main goal of this PhD thesis work has been to understand the fundamental mechanisms underlying cleaning for the removal of mineral-rich fouling, which to date has not been fully elucidated. The current investigations into the cleaning process, as well as the structure and chemical composition of the fouling layer reveal that the fouling of UHT processes has a high mineral concentration and low protein concentration. However, the proteins were found to be extensively interconnected with the fouling matrix and to play a crucial role in cleaning efficiency.

Cleaning is one of the major processes in the processing of dairy products. The cleaning has to be efficient, always resulting in a clean surface. It is crucial to remove the fouling from the heated surfaces. In this study, cleaning efficiency is shown to be affected by several parameters, such as temperature, alkali cleaning agent concentration, flow velocity, and time. The focus is on the alkali cleaning process, since the acid cleaning is shown to be a rapid process so the gains achieved through optimization of the process parameters are less impressive. Increasing the temperature and the concentration of cleaning agent is shown to have the largest effect on the depolymerization of the protein network within the mineral matrix and therefore has the greatest impact on cleaning efficiency.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Mjölk värmebehandlas för att döda eventuella bakterier och för att förlänga hållbarheten på produkten. Samtidigt som eventuella bakterier förstörs av värmen så sker även andra reaktioner i mjölken. Proteiner förlorar sin naturliga struktur och börjar sätta ihop sig i olika aggregat och formationer som sedan kan fastna på den värmande ytan. Tillsammans med proteinerna fastnar även mineraler, främst då kalciumfosfat.



När mjölk processas i mejeriindustrin bildas fouling på de värmande ytorna. Fouling är en beläggning som byggs upp av en blandning av proteiner och mineraler. Anledningen till att dessa fastnar på ytorna är att de reagerar på värmen i anläggningen. Beläggningen hindrar värmen från att transporteras in i mjölken och måste därför diskas bort innan den blir för tjock, för att försäkra att all mjölk värms upp till samma temperatur.



Kalcium som finns i hög koncentration i mjölk har en egenskap som gör att den löser sig mindre och mindre när temperaturen i mjölken höjs. Därför återfinns en ökad mineralkoncentration i fouling som producerats vid höga temperaturer. Den fouling som har studerats i detta arbete är producerad vid vad som brukar kallas för ultra-hög temperatur eller UHT. UHT-mjölk har en lång hållbarhet och kan förvaras i rumstemperatur. I Sverige finner man den främst i olika typer av kaffemjölk. Strukturen och sammansättningen på den fouling som bildas under denna värmeprocess har noga studerats i projektet för att bättre förstå vad som händer under rengöringen av processanläggningen.



Genom att studera vad som händer under diskprocessen kan förståelse nås kring hur processen kan påverkas och optimeras. De viktigaste parametrarna att förstå är vid vilken temperatur som det är bäst att diska, hur snabbt disklösningen måste flöda över beläggning, vilken koncentration disklösningen behöver ha och hur långtid som behövs för att ytan ska bli ren. Genom att justera dessa parametrar går det att minska användningen av energi, vatten och diskkemikalier.



En disk i mejeriindustrin sker ofta i två steg. Först används en basisk disklösning för att bryta ner proteinerna och sedan en syra för att ta bort mineralerna som finns i beläggningen. I detta projekt har det visats att det är av yttersta vikt att det förstadisksteget bryter ner proteinnätverket i foulingen för att ytan efter disk ska bli ren. En ökad temperatur under första disksteget minskar tiden som krävs för att diskarent. Även en ökad koncentration av disklösningen minskar tiden, men inte med riktigt lika mycket. Det har också visats i projektet att vid just den här typen av beläggning, så har hastigheten på diskvätskan ingen större betydelse.



Resultatet av arbetet är användbart för industrin för att kunna skräddarsy ett system för disken som är mest effektiv för just den anläggningen och den speciella produkten, för att kunna spara energi och optimera användningen av kemikalier, tid och energi.

• author: Hagsten, Carin
• supervisor: Tommy Nylander
• opponent: Professor Wilson, Ian, University of Cambridge
• organization: Physical Chemistry
• publishing date: 2016
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Physical Chemistry
• pages: 166 pages
• defense location: Kemicentrum, lecture hall C
• defense date: 2016-03-08 09:30:00
• ISBN: 978-91-7422-429-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 241115da-b8de-44c3-a8ba-6a00394bf9b9 (old id 8618522)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:38:26
• date last changed: 2018-11-21 21:06:11