La stérilisation à ultra-haute température et la pasteurisation sont des procédés de stérilisation couramment utilisés dans les produits laitiers. Le lait stérilisé UHT est apprécié par d’innombrables consommateurs et fabricants dans le monde entier en raison de sa longue durée de conservation, de l’absence de réfrigération nécessaire et de sa bonne rétention des nutriments. Au milieu et à la fin du XXe siècle, la technologie de remplissage aseptique a commencé à être commercialisée et a été largement appliquée et promue dans le conditionnement aseptique des produits laitiers liquides et des boissons à base de jus liquides. L’équipement de cuve aseptique, en tant que réservoir de stockage temporaire pour les produits liquides stériles, est largement utilisé dans les lignes de remplissage aseptique en raison de ses caractéristiques : prolonger le temps de production continue de la remplisseuse, éviter le chauffage circulaire du lait cru et stabiliser la pression de remplissage. En particulier lors de la production de produits contenant des granulés de fruits, des cuves aseptiques doivent être utilisées. Cet article prend les cuves aseptiques comme exemple pour présenter leur structure et leur utilisation, et résume leurs avantages d’application ainsi que les points de contrôle qualité dans la transformation laitière.

Introduction aux cuves stériles
L’équipement de cuve stérile peut servir de réservoir de stockage pour des produits liquides stériles, être raccordé aux équipements de stérilisation et de remplissage des produits (figure 1) et être utilisé pour le stockage intermédiaire de produits laitiers traités UHT. C’est l’un des équipements clés de la ligne de production de remplissage stérile. Même si l’une des machines doit subir une maintenance planifiée ou un nettoyage, la production peut se poursuivre avec l’autre partie.

L’apparition des cuves stériles a joué un rôle positif dans le développement de la technologie de remplissage stérile. Afin de garantir l’intégrité de l’état aseptique du produit pendant le stockage, des exigences strictes sont imposées aux performances aseptiques de l’équipement. Certains équipements présentent des problèmes tels qu’un temps d’asepsie court, des performances aseptiques instables, un faible niveau d’automatisation et un rendement faible.

2.1 Structure de la cuve aseptique
La cuve stérile se compose principalement de trois parties : le corps de cuve, le groupe de vannes et l’armoire de commande. La figure 2 présente une vue d’ensemble des cuves stériles et des équipements utilisés pour le traitement des produits. La cuve stérile adopte une conception modulaire, comprenant principalement les 7 modules suivants.
(1) Cuve stérile. Stocke le produit dans un état stérile. Le capteur de pesée pèse le corps de cuve, le capteur de niveau supérieur commande la vanne d’entrée afin d’éviter tout débordement, le capteur de niveau inférieur mesure s’il reste encore du liquide dans la cuve stérile, et le dispositif d’agitation situé sur le dessus de la cuve garantit que le produit reste en mouvement pour éviter toute sédimentation.
(2) Alimentation du produit. Le dispositif contrôle le transfert du produit du stérilisateur vers la cuve stérile, sous la commande de plusieurs vannes pneumatiques et protégé de toute contamination par des barrières de vapeur. Lorsque le niveau de liquide dans la cuve atteint 1 L, les produits en aval peuvent être remplis et transportés pour la production ; lorsque le niveau de liquide dans la cuve atteint un niveau élevé, le lait stérilisé UHT cesse d’être transféré vers la cuve.
(3) Alimentation en eau de refroidissement. Après la stérilisation, la température du corps de cuve est abaissée en remplissant la double enveloppe de refroidissement avec de l’eau de refroidissement, puis celle-ci est évacuée. La quantité d’eau de refroidissement utilisée est de 800 L par cycle, et chaque refroidissement nécessite 2 phases de remplissage et de vidange.
(4) Alimentation en vapeur et en CIP. La vapeur assure l’alimentation en vapeur pendant le processus de stérilisation, utilisée pour la stérilisation de diverses canalisations et cuves, ainsi que pour l’alimentation des barrières de vapeur pendant le processus de production ; l’alimentation CIP assure l’approvisionnement en solution CIP pendant le processus CIP.
(5) Sortie de vapeur et de CIP. La vapeur sera évacuée en mode stérilisation et le CIP sera évacué en mode nettoyage.
(6) Sortie du produit. Cette partie garantit que le produit est transféré du corps de cuve à la machine de remplissage, et un capteur de température est installé à la sortie inférieure de la cuve pour détecter la température du produit ; afin d’assurer une alimentation stable de la remplisseuse, la pression au fond de la cuve reste constante, sous le contrôle d’un capteur de pression situé au fond de la cuve et d’un groupe de vannes de contrôle d’air stérile.
(7) Entrée d’air stérile. Utilisée pour l’alimentation et l’évacuation de l’air stérile, un capteur de pression est installé sur le dessus de la cuve afin de détecter la pression de l’air stérile en partie supérieure.
2.2 Raccordement des signaux des cuves stériles
(1) Signaux de la machine de stérilisation et de la cuve stérile. CIP (nettoyage en place) ; PAM (signal produit) ; PDS (signal de remplissage) ; RFP (signal de demande de production) ; RFW (signal de demande d’alimentation en eau) ; SPS (signal d’arrêt de production) ; SST (stérilisation de la machine de stérilisation) ; WAM (signal d’alimentation en eau) ; CSB (barrière de vapeur propre) ; RSB (barrière de vapeur de rinçage).

(2) Signaux de la cuve stérile et de la machine de remplissage. CIP (nettoyage en place) ; FST (stérilisation de la machine de remplissage) ; PAM (signal produit) ; PFM (signal de production de remplissage) ; RFP (signal de demande de production) ; RFW (signal de demande d’alimentation en eau) ; TST (stérilisation de la cuve stérile) ; WAM (signal d’alimentation en eau).

3. Utilisation des cuves stériles
3.1 Mode stérilisation
L’ensemble du circuit produit est rempli de vapeur, et l’équipement ainsi que les tuyauteries de produit raccordées sont chauffés et stérilisés par de la vapeur saturée, y compris le filtre à air stérile. La température atteint 140 °C et se maintient pendant 1200 s. Le capteur de température à la sortie inférieure de la cuve mesure et surveille la température de stérilisation. Après le lancement du programme de stérilisation, le système exécute automatiquement les étapes suivantes : préchauffage, mise sous pression, purge de l’air stérile, temporisation de stérilisation, refroidissement de l’air stérile dans la cuve, refroidissement par eau de refroidissement dans l’intercalaire, puis sélection manuelle du programme de rinçage à l’eau stérile pour refroidir la cuve et évacuer l’eau stérile. Une fois le mode stérilisation terminé, la machine devient stérile et prête pour la production.
3.2 Mode production
La cuve stérile reçoit un signal PAM de l’UHT, ouvre la vanne d’alimentation produit, et le produit s’écoule de l’UHT vers la cuve stérile guidée. Après que la machine de remplissage envoie un signal de demande de produit, la vanne d’alimentation produit s’ouvre et le produit est acheminé vers la vanne d’entrée produit de la machine de remplissage. Il existe une conduite de retour reliant la canalisation produit en aval de la machine de remplissage à la cuve stérile, et le groupe de vannes à l’extrémité de cette conduite est protégé de toute contamination par des barrières de vapeur.
3.3 Mode de rinçage stérile
Après la production d’une variété, avant de passer à une autre, l’ensemble de l’équipement est rincé avec de l’eau stérile fournie par l’UHT afin d’éliminer les résidus de produit, et l’eau stérile peut également être envoyée à la machine de remplissage pour le rinçage stérile. Lorsque la machine de remplissage envoie un signal RFW, la cuve stérile demande de l’eau stérile à la machine de stérilisation ; lorsque le niveau de liquide dans la cuve atteint le niveau de rinçage stérile, un signal WAM est envoyé à la machine de remplissage.
3.4 Mode CIP
Des agents de nettoyage alcalins et acides sont introduits dans l’équipement par la tuyauterie CIP, et l’ensemble du circuit est nettoyé en boucle fermée conformément au procédé CIP. Le chronométrage ne démarre qu’après atteinte de la température et de la conductivité définies. Le circuit de nettoyage comprend deux voies : le corps de cuve et la tuyauterie produit de la vanne d’alimentation. La solution de nettoyage CIP entre dans la cuve par la boule de pulvérisation supérieure pour nettoyer la paroi intérieure et la conduite d’alimentation de la cuve. Après le lancement du programme CIP, le système exécute automatiquement les étapes suivantes : évacuation, mise sous pression, prélavage, lavage alcalin, évacuation, rinçage à l’eau, lavage acide, évacuation, rinçage final à l’eau, évacuation et détente de la pression d’échappement.
3.5 Mode veille
L’équipement est en état ouvert, drainé et nettoyé, et aucun programme n’est activé. Le mode stérilisation doit être activé avant le début de la production.
Caractéristiques d’application des cuves stériles dans la transformation laitière
4.1 Permettre à la machine de remplissage de produire en continu pendant une longue durée
Dans l’ensemble du processus de production de lait UHT stérilisé, l’équipement de stérilisation UHT est souvent un facteur majeur limitant la capacité de production continue. S’il est équipé d’une cuve stérile, lorsque l’équipement UHT en amont doit subir un nettoyage CIP pendant une certaine période de production, le produit est déjà stocké dans la cuve stérile et la machine de remplissage en aval peut continuer à remplir. Lorsque l’UHT est stérilisé après le nettoyage CIP, les produits stériles peuvent être acheminés vers les cuves stériles, et la machine de remplissage peut poursuivre la production, ce qui augmente le temps de production continue, réduit les coûts de nettoyage et accroît la production.
4.2 Faible teneur en furfurane lors de la production de laits neutres tels que le lait entier
La furosine dans les produits laitiers est l’un des produits de la réaction de Maillard entre les protéines et le lactose dans des conditions de haute température. Plus la teneur en furosine est faible, meilleure est la qualité nutritionnelle des produits laitiers. En 1992, les pays de l’UE ont pris la furosine comme indicateur important pour juger de la qualité des produits laitiers. En 2004, l’Organisation internationale de normalisation (ISO) a publié l’ISO 18329-2004 pour détecter la teneur en furosine des produits laitiers par chromatographie liquide haute performance, et déterminer s’il s’agit de lait reconstitué en détectant la teneur en furosine dans les produits laitiers. En 2005, le ministère de l’Agriculture a formulé la norme « Identification du lait reconstitué dans le lait pasteurisé et le lait stérilisé UHT » (NY/T 939-2005), et en 2016, la version révisée de « Identification du lait reconstitué dans le lait pasteurisé et le lait stérilisé UHT » (NY/T 939-2016) a également inclus le furfural comme indicateur important pour détecter le lait reconstitué, stipulant que pour 100 g de protéines dans le lait stérilisé UHT, une teneur supérieure à 190 mg de furfural, ou lorsque le rapport entre la teneur en lactulose (mg·L-1) et la teneur en furosine (mg de protéines/100 g) est inférieur à 2 lorsque la teneur en furosine du lait stérilisé UHT est comprise entre 140 et 190 mg pour 100 g de protéines, le produit est identifié comme contenant du lait reconstitué.
Dans le processus de production en liaison directe en aval de l’UHT de lait entier et d’autres laits neutres par la machine de remplissage, si cette dernière s’arrête en raison d’une panne, le lait reflue vers le système UHT pour un chauffage cyclique. Lorsque le temps de chauffage cyclique dépasse une certaine durée, avec l’approfondissement de la réaction de Maillard, la couleur et la saveur du produit changent de manière significative. Si une cuve stérile est installée en aval de l’UHT, cette situation peut être largement évitée, car que la machine de remplissage soit en production ou en panne, le produit est toujours acheminé vers la cuve stérile et ne retourne pas au système UHT pour être réchauffé à répétition. Par conséquent, lors de l’utilisation de cuves stériles, la teneur en acide furylique du produit est généralement inférieure à celle des produits sans cuve stérile.
4.3 Pas de perte de lait lors du retour
Lorsque le lait ne peut pas être rempli pendant une longue période, il subit plusieurs cycles de chauffage, entraînant des changements importants de couleur et de saveur du produit. Les mesures industrielles consistent généralement à vider le lait pendant ce cycle de chauffage et à renvoyer le lait frais vers le système UHT, ce qui peut entraîner des pertes de plusieurs centaines de kilogrammes de lait. Si une cuve stérile est installée en aval de l’UHT, cette situation peut être évitée et la perte de lait cru peut être réduite.
4.4 Peut produire des produits avec des morceaux de fruits
L’ajout de morceaux de fruits aux produits laitiers associe des fruits riches en vitamines et du lait, ce qui permet d’atteindre un équilibre alimentaire, d’accroître la valeur ajoutée et d’améliorer l’expérience client des produits laitiers. Par conséquent, les produits laitiers UHT avec morceaux de fruits font partie des produits recherchés et développés par de nombreuses entreprises laitières ces dernières années, mais ils rencontrent également des problèmes tels qu’une répartition inégale des morceaux de fruits et une fragmentation facile de ceux-ci. À l’heure actuelle, il existe deux procédés possibles pour l’ajout de morceaux de fruits dans les produits laitiers : le procédé de prémélange et le procédé d’ajout après traitement. Ces deux procédés nécessitent l’utilisation de cuves stériles pour stocker temporairement les produits stérilisés. Le dispositif d’agitation situé en haut de la cuve stérile garantit que les produits restent en mouvement afin d’éviter l’accumulation des particules de fruits, qui entraînerait une répartition inégale de celles-ci.
4.5 Pas besoin d’entretien fréquent
Par rapport aux machines de remplissage et aux équipements UHT, les cuves stériles ne comportent pratiquement aucune pièce mobile ou d’usure, à l’exception des pales d’agitation ; il suffit donc généralement de remplacer régulièrement les joints d’étanchéité des vannes de tuyauterie, etc., sans qu’il soit nécessaire de mettre en place des plans de maintenance périodique à grande échelle.
4.6 Haut degré d’automatisation
À l’exception de la nécessité de démonter le raccord coudé lors du passage du mode production au mode nettoyage, les opérateurs effectuent principalement les opérations via le panneau de commande homme-machine. Après avoir sélectionné le mode de fonctionnement requis, toutes les étapes du programme sont exécutées automatiquement, avec une intervention manuelle minimale.
Contrôle qualité de 5 cuves stériles dans la transformation laitière
5.1 La vapeur doit être propre
En raison de l’utilisation d’une grande quantité de vapeur pendant le processus de stérilisation pour stériliser le corps de la cuve, et de la nécessité de fournir de la vapeur pour maintenir la barrière vapeur pendant le processus de production, il faut garantir l’absence de contact direct entre la vapeur et le produit ou sa surface afin de s’assurer que la vapeur répond aux normes alimentaires. En plus d’installer des filtres à vapeur, il est également possible d’envisager l’utilisation d’un générateur de vapeur propre afin de garantir la propreté de la vapeur.
5.2 Remplacement du joint d’étanchéité de l’arbre de la pale de mélange
Pendant le processus de production, de la vapeur à haute température est injectée en continu dans la garniture mécanique de l’arbre de la pale de mélange afin d’empêcher la contamination du produit par l’arbre de mélange. Cependant, les composants d’étanchéité de l’arbre de mélange sont souvent sujets au vieillissement à haute température, ce qui entraîne un risque de contamination du produit dans la cuve.
5.3 Remplacement du filtre à air stérile
L’air stérile est de l’air comprimé déshydraté et dégraissé, filtré par deux filtres à air stérile de niveau 0,01 μm et une vanne de régulation de pression ; le filtre à air stérile doit être stérilisé à la vapeur avant le début de la production. Afin de garantir l’efficacité de la filtration, un remplacement régulier est nécessaire. Il est recommandé de l’utiliser 100 fois dans des conditions de stérilisation à 140 °C pendant 30 minutes.
5.4 Garantir un bon effet de nettoyage CIP
Le nettoyage CIP doit nettoyer en profondeur la cuve et la tuyauterie, et un procédé de nettoyage raisonnable doit être adopté. En même temps, il convient d’utiliser une concentration d’agent de nettoyage, une température, une durée, un débit et d’autres paramètres appropriés afin de garantir l’efficacité du nettoyage, en particulier lorsqu’il n’y a pas de zones mortes dans les pales de mélange.
5.5 Pression de l’air stérile
Au cours du processus de production, l’air stérile au sommet de la cuve doit maintenir une certaine surpression positive afin d’empêcher la contamination du produit par l’air extérieur. Lorsque la pression de l’air stérile au sommet de la cuve est inférieure à la limite de sécurité, il peut exister un risque de contamination du produit à l’intérieur de la cuve.
5.6 Autres

La cuve stérile se situe en aval du procédé stérile UHT, et le maintien de sa stérilité est crucial. En outre, il faut prendre en compte plusieurs facteurs tels que la stérilisation des équipements, la température de la barrière vapeur, les fuites du groupe de vannes de la tuyauterie, le temps de stockage, etc. Il est nécessaire d’évaluer les risques respectifs et de mettre en place des mesures de maîtrise correspondantes afin de garantir la stérilité du produit.

6 Conclusion

Ces dernières années, avec le développement rapide des industries laitière et des boissons, la technologie de remplissage aseptique est devenue de plus en plus mature, et l’utilisation de cuves aseptiques s’est largement répandue. À l’heure actuelle, la demande d’équipements de cuves aseptiques est importante sur le marché chinois, et certains fabricants nationaux développent également des cuves aseptiques. Cependant, il subsiste encore un certain écart, en matière de performances aseptiques et de niveau d’automatisation, entre les cuves aseptiques nationales et les cuves importées. Les entreprises laitières doivent équiper de manière sélective des cuves aseptiques en fonction des caractéristiques de leurs produits, de leur procédé de transformation et de l’agencement de leur ligne de production, et élaborer des mesures de contrôle qualité raisonnables afin de garantir l’état aseptique des produits, atteignant ainsi l’objectif d’allonger le temps de production continue.

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