Hệ UHT trực tiếp trộn hơi nước sạch vào sản phẩm, gia nhiệt khoảng 200 °C mỗi giây, tức lên 150 °C trong chừng 1 giây; hệ gián tiếp dạng ống gia nhiệt khoảng 5 °C mỗi giây, cần chừng 30 giây cho cùng mức nhiệt (Saravacos, Handbook of Food Processing Equipment). Đổi lại, cũng theo Saravacos, hệ trực tiếp phức tạp và đắt hơn, và hiệu suất thu hồi nhiệt chỉ khoảng một nửa hệ gián tiếp. Vì vậy câu hỏi không phải kiểu nào tốt hơn, mà sản phẩm của Quý doanh nghiệp có nhạy nhiệt tới mức đáng trả thêm chi phí hơi hay không.
Định nghĩa UHT, quy tắc pH 4,6 và bốn kiểu thiết bị đã được trình bày trong bài tiệt trùng UHT là gì. Bài này đi sâu vào lựa chọn trực tiếp hay gián tiếp: nguyên lý từng kiểu, sản phẩm phù hợp, chi phí hơi, và những thiết bị đi kèm làm chênh tổng vốn đầu tư.
Hai họ UHT khác nhau ở chỗ hơi chạm vào sản phẩm hay không
| Tiêu chí | Trực tiếp: phun hơi | Trực tiếp: ngập hơi | Gián tiếp: ống | Gián tiếp: tấm |
|---|---|---|---|---|
| Cách gia nhiệt | Phun hơi vào dòng sản phẩm | Sản phẩm rơi thành giọt trong buồng hơi | Qua thành ống | Qua tấm mỏng |
| Tốc độ gia nhiệt | Khoảng 200 °C/giây | Khoảng 200 °C/giây | Khoảng 5 °C/giây | Nhanh, hệ số truyền nhiệt cao nhất |
| Hạ nhiệt sau giữ nhiệt | Bốc hơi tức thời trong bình chân không | Như phun hơi | Thiết bị trao đổi nhiệt, hồi nhiệt | Thiết bị trao đổi nhiệt, hồi nhiệt |
| Hợp với | Sản phẩm ít acid nhạy nhiệt: sữa cao cấp, kem, sữa đậu nành, thực phẩm trẻ em | Như phun hơi | Dịch độ nhớt thấp tới trung bình, có xơ, thịt quả | Dịch trong, độ nhớt thấp, ít thịt quả |
| Bám cặn | Ít, vì không có bề mặt nóng ở khâu gia nhiệt cuối | Ít | Giảm nhờ vận tốc cao | Dễ bám nếu có thịt quả |
| Thu hồi nhiệt | Khoảng một nửa hệ gián tiếp | Như phun hơi | Cao | Cao |
Nguồn: Saravacos G.D., Kostaropoulos A.E., Handbook of Food Processing Equipment (2002), chương 6 và 10; Tetra Pak, Dairy Processing Handbook, chương Long life milk.
Hai con số tốc độ gia nhiệt giải thích phần lớn khác biệt về chất lượng. Saravacos ghi khi tăng nhiệt độ tiệt trùng thêm 10 °C, tốc độ tiêu diệt vi sinh vật tăng 10 lần, còn tốc độ phá huỷ dưỡng chất như thiamin và các chỉ tiêu màu, mùi chỉ tăng khoảng 3 lần. Nhiệt cao, thời gian ngắn vì vậy có lợi cho chất lượng, với điều kiện thời gian lên nhiệt và hạ nhiệt cũng ngắn. Hệ trực tiếp làm được cả hai; hệ gián tiếp thì không.
UHT trực tiếp: nguyên lý và những gì phải mua thêm
Dòng sản phẩm qua hệ phun hơi
Tetra Pak mô tả một hệ phun hơi điển hình: sản phẩm ở khoảng 4 °C được gia nhiệt sơ bộ trong thiết bị ống tới khoảng 80 °C, đi vào vòi phun hơi dạng vòng, hơi ngưng tức thời và nâng sản phẩm lên khoảng 140–150 °C; áp suất trong ống giữ cho sản phẩm không sôi. Sau vài giây trong ống giữ nhiệt, sản phẩm vào bình chân không, nhiệt độ rơi ngay về mức gia nhiệt sơ bộ. Độ chân không được điều chỉnh để lượng hơi nước bốc ra bằng đúng lượng hơi đã phun vào. Sau đó sản phẩm qua máy đồng hoá vô trùng, được làm nguội tới khoảng 20 °C rồi sang chiết rót vô trùng hoặc bồn vô trùng.
Hệ ngập hơi khác ở cách trộn: sản phẩm được chia thành dòng nhỏ, rơi thành giọt trong buồng đầy hơi; đáy côn của buồng được làm mát nhẹ để giảm bám cặn. Phần còn lại giống hệ phun hơi.
Hơi phải sạch như thực phẩm
Hơi đi thẳng vào sản phẩm, và một phần nước ngưng ở lại trong sản phẩm. Saravacos ghi hơi dùng cho gia nhiệt trực tiếp phải sạch, không mùi, không chứa khí hoà tan và chất độc từ lò hơi; nước cấp lò hơi phải đạt chất lượng nước uống và không chứa phụ gia hoá chất. Sản phẩm bị pha loãng bởi nước ngưng, ví dụ 10–15% khi gia nhiệt từ 75 lên 145 °C (Lewis và Heppell, dẫn trong Saravacos); bình chân không lấy lại phần nước này cùng với mùi nấu.
Với nhà máy, câu này có nghĩa là: lò hơi đang dùng cho nồi nấu, CIP thường không dùng được cho UHT trực tiếp nếu nước cấp có hoá chất xử lý. Phải tính thêm hệ tạo hơi sạch hoặc bộ lọc, tách hơi đạt chuẩn thực phẩm.
Danh mục thiết bị đi kèm
So với hệ gián tiếp cùng công suất, hệ trực tiếp có thêm:
- Vòi phun hơi hoặc buồng ngập hơi, kèm điều khiển nhiệt độ theo lưu lượng hơi.
- Bình chân không, bơm chân không, thiết bị ngưng tụ cho phần hơi bốc ra; nước làm mát cho thiết bị ngưng tụ.
- Máy đồng hoá vô trùng đặt sau khâu tiệt trùng. Tetra Pak lưu ý hệ gián tiếp cho phép đồng hoá trước khâu tiệt trùng nên dùng được máy đồng hoá thường, rẻ hơn; hệ trực tiếp thì đồng hoá sau bình chân không, trong vùng vô trùng.
- Hệ hơi sạch: nước cấp, lò hơi hoặc bộ tạo hơi thứ cấp, lọc hơi.
- Điều khiển cân bằng nước: độ chân không phải giữ đúng để sản phẩm ra không loãng hơn, không đặc hơn sản phẩm vào.
Đây là lý do Saravacos xếp hệ trực tiếp là phức tạp và tốn kém hơn. Phần chênh lệch không nằm ở vòi phun hơi, mà ở bốn hạng mục còn lại.
UHT gián tiếp: ống hay tấm
Với hệ gián tiếp, sản phẩm và môi chất cách nhau một lớp thép. Tetra Pak mô tả một hệ dạng ống: sản phẩm vào ở khoảng 4 °C, được hồi nhiệt lên khoảng 75 °C bằng chính sản phẩm đã tiệt trùng, đồng hoá, gia nhiệt tiếp tới khoảng 138 °C bằng vòng nước nóng kín, giữ khoảng 4 giây, rồi làm nguội ngược lại qua vòng nước nóng và qua sản phẩm thô đi vào. Hệ gián tiếp của hãng được chế tạo tới 40.000 lít/giờ.
Chọn ống hay tấm đi theo sản phẩm:
- Tấm: Saravacos ghi thiết bị tấm dùng cho sản phẩm độ nhớt thấp như nước quả ở 93 °C trong 30 giây, có hệ số truyền nhiệt cao nhất và chi phí thấp nhất cho cùng công suất, nhưng không hợp với dịch nhiều thịt quả vì bám cặn nhanh.
- Ống: sau hệ trực tiếp, đây là kiểu gia nhiệt nhanh nhất; ống nhỏ, vận tốc cao giúp giảm bám cặn. Tetra Pak xem dạng ống là lựa chọn ưu tiên cho sản phẩm độ nhớt thấp tới trung bình. Với dịch có thịt quả, puree, dùng ống đường kính lớn hơn.
- Bề mặt cạo: cho sản phẩm rất đặc hoặc có miếng (đã nêu ở bài UHT là gì).
Một điểm kỹ thuật cần biết khi đọc hồ sơ quy trình: Saravacos ghi thiết kế UHT giả định toàn bộ tác động nhiệt diễn ra trong ống giữ nhiệt. Giả định này đúng với hệ trực tiếp vì gia nhiệt gần như tức thời. Với hệ gián tiếp, giai đoạn lên nhiệt và hạ nhiệt góp thêm một lượng tác động nhiệt đáng kể, tức sản phẩm bị xử lý nhiệt quá mức so với tính toán, và phần này được coi là hệ số an toàn. An toàn vi sinh vì vậy không thua, nhưng chất lượng cảm quan thì chịu phần nhiệt thừa đó.
Chi phí hơi: vì sao hệ trực tiếp tốn hơn?
Chi phí hơi của hệ UHT nằm ở phần nhiệt không thu hồi được. Ở hệ gián tiếp, nhiệt của sản phẩm sau tiệt trùng truyền ngược lại cho sản phẩm mới qua phần hồi nhiệt; trong ví dụ của Tetra Pak, sản phẩm mới được hồi nhiệt từ 4 °C lên khoảng 75 °C trước khi cần tới nguồn nhiệt ngoài.
Ở hệ trực tiếp, phần nhiệt từ mức gia nhiệt sơ bộ lên nhiệt độ tiệt trùng đi vào sản phẩm dưới dạng hơi, rồi rời sản phẩm dưới dạng hơi bốc ra ở bình chân không, sang thiết bị ngưng tụ. Lượng hơi bốc ra bằng lượng hơi đã phun vào. Phần nhiệt đó không quay lại sản phẩm mới, trừ khi nhà máy đầu tư thêm thiết bị thu hồi nhiệt từ hơi bốc ra. Đó là cơ chế đằng sau con số của Saravacos: hiệu suất hồi nhiệt hệ trực tiếp khoảng một nửa hệ gián tiếp.
| Hạng mục chi phí vận hành | Trực tiếp | Gián tiếp |
|---|---|---|
| Hơi cho gia nhiệt cuối | Hơi sạch, phun thẳng; phần lớn nhiệt ra theo hơi bốc ở bình chân không | Hơi gia nhiệt vòng nước nóng; phần lớn nhiệt thu hồi lại |
| Nước làm mát | Thêm cho thiết bị ngưng tụ hơi bốc ra | Cho phần làm nguội cuối |
| Điện | Thêm bơm chân không | Bơm vòng nước nóng |
| Thời gian chạy giữa hai lần vệ sinh | Dài hơn với sản phẩm dễ bám cặn | Phụ thuộc sản phẩm; có thể kéo dài bằng vệ sinh trung gian vô trùng 30 phút |
Nguồn: Saravacos và Kostaropoulos (2002), chương 6 và 10; Tetra Pak, Dairy Processing Handbook, chương Long life milk.
Chúng tôi không đưa ra một con số kg hơi mỗi tấn chung cho mọi hệ, vì nó tuỳ nhiệt độ gia nhiệt sơ bộ, mức hồi nhiệt thiết kế và có thu hồi nhiệt từ hơi bốc ra hay không. Con số này phải lấy từ nhà cung cấp, cho chính sản phẩm và công suất của Quý doanh nghiệp, ghi trong hợp đồng và đo lại khi nghiệm thu (xem FAT và SAT: nghiệm thu dây chuyền).
Chọn theo sản phẩm: bảng gợi ý
| Sản phẩm | pH | Chế độ điển hình | Kiểu nên cân nhắc trước |
|---|---|---|---|
| Nước quả trong, nước quả ít thịt | Dưới 4,5 | 93–96 °C, 30–15 giây | Gián tiếp dạng tấm, hoặc thanh trùng nhiệt độ cao |
| Nước quả có thịt, puree, nước cô đặc | Dưới 4,5 | Như trên | Gián tiếp dạng ống, ống đường kính lớn, hoặc bề mặt cạo |
| Sữa tươi tiệt trùng phổ thông | Trên 6,5 | Mỹ: 138 °C, 2 giây | Gián tiếp dạng ống |
| Sữa cao cấp, kem, sữa đậu nành, thực phẩm trẻ em, sản phẩm có tinh bột | Trên 4,5 | 135–150 °C, vài giây | Trực tiếp phun hơi hoặc ngập hơi |
| Nước dừa, đồ uống ngũ cốc, đồ uống pha sữa | Trên 4,6 | 135–150 °C, vài giây | Gián tiếp dạng ống; trực tiếp nếu yêu cầu cảm quan cao |
Nguồn: Saravacos và Kostaropoulos (2002), bảng 10-2 (theo Lewis và Heppell, 2000); Tetra Pak, Dairy Processing Handbook (nhóm sản phẩm hợp với hệ trực tiếp). Cột “kiểu nên cân nhắc trước” là gợi ý của Kim Nguyễn, phải kiểm bằng thử nghiệm trên sản phẩm thật.
Với nước quả nhiệt đới, hệ trực tiếp ít khi là lựa chọn đầu. Sản phẩm acid chỉ cần mức nhiệt thấp hơn nhiều, nên lợi thế gia nhiệt tức thời nhỏ lại. Bình chân không còn có tác dụng khử mùi: với sữa đó là lợi thế vì lấy đi mùi nấu, nhưng với nước quả, hương quả là thứ Quý doanh nghiệp đang bán. Ngưỡng pH và cách chọn giữa thanh trùng với tiệt trùng, xem thêm bài thanh trùng, tiệt trùng và UHT khác nhau thế nào.
Kim Nguyễn khuyến nghị: thứ tự quyết
- Đo pH, độ nhớt, hàm lượng thịt quả của sản phẩm thật, kể cả sau phối trộn. pH quyết định có cần UHT ít acid hay không; độ nhớt và thịt quả quyết định tấm, ống hay bề mặt cạo.
- Chỉ cân nhắc hệ trực tiếp khi sản phẩm ít acid và nhạy nhiệt, và khi khách hàng trả tiền cho khác biệt cảm quan đó.
- Tính đủ hạng mục đi kèm trước khi so giá: hệ hơi sạch, bình chân không, thiết bị ngưng tụ, máy đồng hoá vô trùng, nước làm mát.
- Yêu cầu nhà cung cấp ghi rõ hiệu suất hồi nhiệt, tiêu hao hơi và nước làm mát trên mỗi tấn, thời gian chạy giữa hai lần vệ sinh với chính sản phẩm của mình.
- Chốt phần vô trùng phía sau cùng lúc: khu vực sau ống giữ nhiệt phải được tiệt trùng bằng hơi, theo Saravacos là 130 °C trong 30 phút trước khi chạy; bồn vô trùng và máy chiết rót vô trùng đi cùng (xem chiết rót vô trùng thùng phuy và thiết bị thanh trùng dạng tấm, dạng ống hay đường hầm).
Kim Nguyễn Corporation tư vấn cấu hình hệ xử lý nhiệt và chiết rót cho nhà máy đồ uống, sữa thực vật, nước quả hướng xuất khẩu. Nếu Quý doanh nghiệp đang ở bước lập dự án nhà máy chế biến nông sản hướng xuất khẩu và cần so hệ UHT trực tiếp với gián tiếp cho một sản phẩm cụ thể, hãy đặt lịch trao đổi với Kim Nguyễn.
Bài là góc nhìn tư vấn công nghệ. Chế độ tiệt trùng của từng sản phẩm phải do đơn vị có chuyên môn xác lập và thẩm định; với hàng ít acid xuất sang Mỹ còn phải nộp hồ sơ quy trình theo 21 CFR 108.35.
Nguồn tham khảo
- Saravacos G.D., Kostaropoulos A.E., Handbook of Food Processing Equipment, Kluwer Academic/Plenum, 2002: chương 6, mục Direct Heat Exchangers (hơi sạch, nước cấp lò hơi đạt chất lượng nước uống, không phụ gia; phun hơi và ngập hơi; giảm bám cặn) và chương 10, mục Continuous Flow (UHT) Sterilizers (tăng 10 °C: tiêu diệt vi sinh ×10, phá huỷ dưỡng chất ×3; giả định tác động nhiệt trong ống giữ nhiệt và xử lý quá mức ở hệ gián tiếp; bảng 10-2; khu vô trùng tiệt trùng bằng hơi 130 °C, 30 phút; gia nhiệt trực tiếp khoảng 200 °C/giây; pha loãng 10–15% từ 75 lên 145 °C; hệ trực tiếp phức tạp, tốn kém hơn, hiệu suất hồi nhiệt khoảng một nửa; tấm cho nước quả 93 °C/30 giây; ống khoảng 5 °C/giây).
- Tetra Pak, Dairy Processing Handbook – Long life milk (hệ phun hơi: gia nhiệt sơ bộ khoảng 80 °C, 140–150 °C, bình chân không bốc hơi bằng lượng hơi phun, đồng hoá vô trùng, làm nguội khoảng 20 °C; hệ ngập hơi; hệ gián tiếp dạng ống: hồi nhiệt tới khoảng 75 °C, 138 °C, giữ khoảng 4 giây, tới 40.000 lít/giờ; đồng hoá trước tiệt trùng ở hệ gián tiếp; vệ sinh trung gian vô trùng 30 phút; nhóm sản phẩm hợp hệ trực tiếp). Truy cập 29/10/2026.
- Lewis M., Heppell N., Continuous Thermal Processing of Foods: Pasteurization and UHT Sterilization, Aspen, 2000 (dẫn qua Saravacos và Kostaropoulos, bảng 10-2 và mức pha loãng do nước ngưng).