CN102413710B - 用于对喂给仔畜的奶进行巴氏杀菌的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于对喂给仔畜的奶和初乳进行巴氏杀菌的系统和方法。该系统包括：用于储藏奶或初乳的桶；循环泵和管道系统；用于调节和/或保持奶温的热交换器；和处理奶且不破坏重要的免疫球蛋白的紫外光巴氏杀菌单元(“UV反应器”)。

Description

用于对喂给仔畜的奶进行巴氏杀菌的装置和方法
技术领域
本发明总体涉及液体消毒系统，且更具体地涉及用于对喂养仔畜的奶和初乳进行巴氏杀菌的装置和方法。
背景技术
乳品采集工厂中的仔畜用从因医学或其它原因从主畜群剔除的母牛那里收集到的不能销售的(“废品”)奶喂养仔畜。虽然给乳品厂仔畜喂养不能销售的奶看起来对乳品厂经营者是经济的，但是存在这样的风险，即传染性病原体可直接从母牛的乳腺通过奶或流出物(shed)传播。其它病原体可从粪便或污物沉积在奶中，或者可从未适当冷藏或储藏的奶中的繁殖产生。
为了降低这样的风险，优选在将奶或初乳在喂给仔畜之前奶进行巴氏杀菌。在已知工艺中的巴氏杀菌包括：将奶加热至目标温度以杀灭目标微生物；和保持该温度一段时间。巴氏杀菌奶规范定义了两种不同的巴氏杀菌方法：1)在145°F下30分钟的间歇式巴氏杀菌(低温长时间，即LTLT)，或者2)在161°F下15秒的高温短时间巴氏杀菌(HTST)(通常使用连续流工艺)。加热并保持热度高于目标温度使得活细菌浓度成数量级的降低。但是，一些耐热细菌可经受得住该工艺。此外，在具有非常高的细菌浓度的低品质奶中，一些病原菌也可经受得住巴氏杀菌工艺。
对于杀灭对仔畜有害的细菌如大肠杆菌、蜡状芽孢杆菌和沙门氏菌来说，巴氏杀菌是合乎期望的且有时是必需的。如果奶在高于145°F保持至少30分钟，则加热至145°F的巴氏杀菌成功杀灭接近100％的这些细菌。一项研究表明，可使用120°F的较低温度，但是，该温度必须保持至少60分钟。
一旦经过巴氏杀菌，可将奶装瓶、冷冻、储藏，然后重新加热至100°F～110°F的喂奶温度。无需储藏经巴氏杀菌的奶，因为在奶经过热巴氏杀菌并冷却至供给温度之后，其更易于利用且可直接喂给仔畜。
此外，在新生仔畜出生两小时内喂给初乳并再次在出生12小时内喂给。初乳收集自产犊后不久的母牛，且初乳包含相对高浓度的碳水化合物、蛋白质和抗体。初乳还含有高浓度的免疫球蛋白(如IgG)和生长因子。对初乳进行巴氏杀菌可导致免疫球蛋白的凝结和损失。初乳中的IgG浓度的约25％～30％在初乳和奶的热巴氏杀菌中受到破坏。因此，热巴氏杀菌总的来说是有利的，但对奶和初乳具有不利影响。初乳通常在重新加热和喂奶之前冷冻、装瓶和储藏。
紫外线巴氏杀菌器也可用于处理奶。Rix等人的美国专利6,916,452公开了：在将奶输送至冷冻装置和散装奶储藏桶之前，可以在乳品厂使用一个或多个UV杀菌器单元在将奶温保持高于82.4°F(28℃)的同时对奶进行杀菌。这样的巴氏杀菌器在概念上是非常合理的，但是，其不能单独用于乳品厂设备中，因为其缺乏用于制备用于奶分配和喂给仔畜的奶和初乳所必需的关键功能。
需要成功杀灭有害细菌但很少或不破坏用于优化仔畜健康的免疫球蛋白的改善的巴氏杀菌系统。
发明内容
本发明涉及用于对喂养仔畜的奶和/或初乳进行巴氏杀菌的系统和方法。本文中所用的术语“奶”应当理解为包括奶、初乳、其它仔畜饲料、以及任何相关添加物。本文中所用的“仔畜”包括任何乳品厂动物例如奶牛、山羊和绵羊。
该系统包括：用于储藏奶或初乳的桶；循环泵和管道系统；用于调节和/或保持奶温的热交换器；以及紫外光巴氏杀菌单元(“UV反应器”)。控制器使泵启动以将奶循环至热交换器，从而将奶温升高至85°F～120°F，然后将温热的奶以适当的速率和频率循环通过UV反应器以杀灭有害细菌。然后，奶可被冷冻和储藏或者直接喂给仔畜。通过将奶温仅升高至85°F～120°F的范围，对免疫球蛋白的破坏少得多且奶仍通过来自UV反应器的UV光安全地进行了巴氏杀菌。
不同于间歇式巴氏杀菌器，UV反应器不依赖于奶的温度来杀灭细菌。实际上，200～280纳米范围(即UVC范围(杀菌范围))内的单独的UV光杀灭细菌。然而，奶温是重要的，因为冷奶被泵和管道系统搅动(churn)，可形成难以通过UV光充分处理的奶油薄片(butter flake)。将奶温升高至85°F或更高足以使所形成的奶油薄片融化或减小其尺寸，从而由UV反应器对奶进行充分处理。优选地，将奶温升高至超过95°F、且更优选地至超过100°F以确保在最低奶油浓度下的适当的奶粘度。另一方面，将奶加热至过高的温度能够破坏有益的免疫球蛋白。使免疫球蛋白的破坏最小化的温度范围的上限为120°F、优选为115°F、且更优选为110°F。
约85°F～约120°F的温度范围包括约100°F～约110°F的喂养温度范围。如果将奶直接喂给仔畜，则加热至约100°F～110°F的喂养温度范围，因为进行的巴氏杀菌是适当的。
如果奶在巴氏杀菌后被冷冻和储藏，则在85°F～120°F范围的较低端的奶温将根据本发明获得充分的结果并降低能量需要。注意，经处理的废奶可能需要输送给乳品厂中仔畜呆着的地方。在这种情况下，将奶加热至高于喂养温度范围可以补偿奶在其输送时的冷却。热损失随环境条件、巴氏杀菌与喂料之间的时间、以及其它因素变化。因此，采用本发明，可调节奶温以补偿在任何特定乳品厂情况中的这些因素以及其它因素。
根据本发明的装置可包括：一个或多个UV奶巴氏杀菌器反应器；流动控制器；温度控制器；以及用于对离开本装置的奶的最佳奶温进行设定和调节以适应仔畜的需要、由于时间造成的温度损失、将奶输送至仔畜的距离和方法的设备。
本发明中所用的UV奶巴氏杀菌器可以为Rix等人的美国专利6,916,452中所公开类型的那些UV奶巴氏杀菌器(该专利通过引用结合到本申请)。多个这样的巴氏杀菌器可串联使用以减少奶循环通过UV反应器的次数。
优选地，本发明的控制器监测UV反应器组件并调整处理时间以适应有缺陷的UV灯泡、镇流器、或相关组件。
本发明中所用的流动控制器包括将奶以如下速率泵送通过UV反应器的泵和计量器，所述速率确保奶和/或初乳的最佳消毒并防止在与UV反应器相关的管道、联接及控制系统中的停滞。优选地，流速为约17加仑/分钟，但是，根据UV反应器的数量、尺寸和效率的改变，可采用其它流速。
本发明中所用的温度控制器可包括传感器和热交换器以将奶温热或冷却至用于以下的最佳温度范围：用于冷冻和储藏；用于将来自巴氏杀菌装置的奶直接喂给仔畜；或者用于适应在奶管线、容器或位于本装置与仔畜之间的其它设备中的温度损失。巴氏杀菌温度可相应调整，因为在本发明中，奶温不对巴氏杀菌起作用。
本发明还可包括带有奶体积检测器的竖管，其用于测定桶中奶的量，并基于奶量计算和控制处理时间。例如，100加仑的桶可装有100加仑奶或部分装有5加仑奶，本发明将自动设定大致的处理时间。
本发明的装置还可包括移动储藏桶，其用于将经巴氏杀菌的奶输送至位于远距离位置的仔畜。移动桶可为绝热的并包括用于清洗该移动桶的喷射球或装置。移动平台也可仅用于输送在巴氏杀菌期间储藏有奶的桶。
本发明的其它特征和益处将由本公开的详细描述和附图显见。
附图说明
图1是根据本发明的奶处理系统的示意图；
图2是根据本发明的奶处理系统的透视图；
图3是去掉了控制器的图2的奶处理系统的透视图；
图4是包括根据本发明的奶储藏桶的图2的奶处理系统的正视图；
图5是根据本发明的具有用于输送储藏桶的移动平台的奶处理系统的示意图；
图6是根据本发明的储藏桶和竖管的正视图和部分剖视图；和
图7是图1中所示的奶处理系统的示意图，但具有UV反应器的剖视图。
具体实施方式
在本发明的以下描述中，每个图中相同的附图标号将用于表示相同或相似的元件。图1～5和图7说明了根据本发明的废奶处理系统20，其包括：控制器22；奶泵24；入口导管26；出口导管28；泵入口导管29；紫外线奶处理装置30(在本文中称为“UV反应器”)；以及出口导管32。储藏桶34和移动平台36(图5)与奶处理系统20连接使用。
通常地，所示的奶处理系统20使用奶泵24将奶泵送通过入口导管26并进入UV反应器30。当奶在UV反应器30中进行处理时，将奶在热交换器中加热或冷却至使细菌生长最小化且不破坏对于仔畜健康而言重要的免疫球蛋白的温度范围。经处理的奶通过出口导管28移动以进行温度调节并储藏在储藏桶34中。奶储藏桶34可承载在用于在经处理的奶超出预定温度范围之前将奶输送至仔畜的移动平台36上。移动平台36还可包括用于将奶通过输送管41泵送至仔畜的奶分配泵39。
更具体地，控制器22启动泵24以将奶循环至UV反应器30(UV反应器30优选围绕有热交换器38以将奶温升高至85°F～120°F，然后将温热的奶以适当的速率和频率循环通过UV反应器30以杀灭有害细菌。然后，奶可被冷冻和储藏，或者直接喂给仔畜。通过将奶温升高至仅85°F～120°F的范围，对免疫球蛋白的破坏少得多，且奶仍通过来自UV反应器30的UV光安全地进行巴氏杀菌。
不同于间歇式巴氏杀菌器，UV反应器不依赖于奶的温度来杀灭细菌。实际上，在200～280纳米范围(即UVC范围(杀菌范围))内的单独的UV光杀灭细菌。然而，奶温是重要的，因为冷奶通过泵和管道系统搅动，可形成难以通过UV光充分处理的奶油薄片。将奶温升高至85°F或更高足以使所形成的奶油薄片融化或减小其尺寸，从而通过UV反应器对奶进行充分处理。优选地，将奶温升高至超过95°F、且更优选地至超过100°F。另一方面，将奶加热至太高的温度能够破坏有益的免疫球蛋白。使免疫球蛋白的破坏最小化的温度范围的上限为120°F。
约85°F～约120°F的温度范围包括约100°F～约110°F的喂养温度范围。如果将奶直接喂给仔畜，则加热至约100°F～110°F的喂养温度范围，因为进行巴氏杀菌是适当的。
如果奶在巴氏杀菌后被冷冻和储藏，则在85°F～120°F范围的较低端的奶温将在本发明中获得足够的结果。注意，经处理的废奶可能需要输送到在乳品厂中的仔畜呆着的地方。在这种情况下，将奶加热至高于喂养温度范围可以补偿奶在其输送时的冷却。热损失随环境条件、巴氏杀菌与喂养之间的时间、以及其它因素变化。因此，采用本发明，可调节奶温以补偿在任何特定乳品厂情况中的这些因素以及其它因素。
根据本发明使用的优选的热交换器38位于UV反应器30的周围。热交换器38示于图7中且包括入口62、水夹套64和出口66。水夹套64环绕UV反应器30且与其基本共轴以限定水、空气或其它热交换器流体通过其流动从而调节UV反应器30以及正在其中进行巴氏杀菌的奶的温度的环形空间。优选地，水夹套64由不锈钢制成，但也可以使用其它材料。入口62与水或其它流体的源连通，且所述流体源可例如为热水加热器。优选地，热水加热器为热交换器38的专用单元，其与热交换器38具有闭合环路构造。
其它类型的热交换器也可用于本发明，且可位于奶流动路径中的任何位置处。
温度传感器44用于测定整个巴氏杀菌工艺中的奶温。优选地，温度传感器44为可得自National Semiconductor的LM34型精密华氏温度传感器。如果巴氏杀菌工艺已经完成且所需奶温还未达到，奶将继续循环直至达到所需的温度。
此外，控制器22优选与奶量传感器43连通，所述奶量传感器43优选为可得自Freescale Semiconductor(www.freescale.com)的集成硅压力传感器(MPX5010GP，Case 867b-04)，其使用当桶34的液位升高时捕集空气的长竖管42。随着桶34中的奶水平面升高，长竖管42中的压力提高。奶量传感器43产生电压读出信号，该电压读出信号传送至控制器22，从而为任意批量的奶自动确定运行时间。
优选地，控制器22最初由熟练安装工或技师设定。任何乳品厂操作员均可在操作员界面45进行调节以调整温度、流速、处理时间或巴氏杀菌工艺中的任何其它条件。
控制器22还提供有显示器42，其指示从巴氏杀菌工艺结束起已经过多长时间以及奶的当前温度，使得通过热交换器38的再循环可以使奶温回到所需范围内。显示器42可为乳品厂操作员提供任何相关信息，包括运行时间、流速、奶温、部件失效、维修需求等。
最后，在已经将经巴氏杀菌的奶分配至仔畜或移动平台36后，可将奶处理系统20连接至洗涤系统(未示出)以进行自动清洗并准备进行下次巴氏杀菌。
奶处理系统20可包括一个或多个UV奶巴氏杀菌器反应器30。在所示实施方案中，使用三个UV反应器30。本发明中所用的UV奶巴氏杀菌器可为Rix等人的美国专利6,916,452中所公开的类型的那些UV奶巴氏杀菌器(该美国专利通过引用结合到本文中)。示于图7中的UV反应器30包括入口50、出口60、石英管52、UV光灯泡56(UV光灯泡56位于石英管52内部以防止奶接触UV光灯泡56)。也可使用其它类型的管以保护UV光灯泡56不被奶破坏。围绕石英管52的是外管58(优选由不锈钢制成)，外管58与石英管52限定了环形奶流动通道。热交换器38围绕外管58。奶流动通过入口50、环形流动通道58(奶在其中通过UV光进行巴氏杀菌)，并从出口60流出。
UV光灯泡56优选为可得自First Light Technologies，Inc.(P.O.Box 191，212Ideal Way，Poultney，VT 05764)的GIA972T5LCA/2S07/PT-18″/4W/N/CB-061(UV纯)。UV反应器30中所用的镇流器优选为可得自ZED-Ziegler Electronic Devices GmbH的电子镇流器EVG 100...200W/230V AC。石英管52的外径为约1英寸，外管58的内径为约1.37英寸。此外，外管58的外径为约1.50英寸直径，水夹套64的内径为约2.37英寸，但其它尺寸的水夹套64也是可行的。
灯泡与镇流器的其它组合也是可行的，且期望该组合符合美国电器质量标准(UL)。UV反应器30可以串联或并联使用以减少奶循环通过UV反应器的次数。优选地，本发明的控制器22监测地连通，以监测UV反应器30组件并调整处理时间以适应有缺陷的UV光灯泡56、镇流器或相关组件。监测这样的组件的一种方法是监测流过诸如灯泡的电流。如果灯泡不工作，则没有电流流过灯泡。
泵24将奶以如下的速率泵送通过UV反应器30，所述速率确保奶和/或初乳的最佳消毒并防止在与UV反应器30相关的管道、联接及控制系统中的停滞。优选地，流速为约17加仑/分钟，但是，随着其它系统组件的尺寸或类型的改变，可采用其它流速。
优选地，对控制器22进行编程以使奶泵24以约17加仑/分钟的流速运行。当使用一个单独的UV反应器30时，该流速将在通过UV反应器30约40“次”后产生经巴氏杀菌的奶。使用两个串联的UV反应器30需要通过反应器30约20次，而且，使用三个串联的UV反应器需要通过反应器30约13.4次。
对于50加仑废奶、2.9分钟/次通过，UV巴氏杀菌工艺耗时约59分钟。这是相对于间歇式巴氏杀菌加热、处理和冷却时间的改进。此外，本发明省时且节能，这主要是因为无需将奶加热至如此高的温度。试验已经表明，本发明相对于间歇式巴氏杀菌工艺节约30％～70％的时间。
此外，本发明促进了乳品厂的效率，因为可在需要奶之前数小时填充奶桶34，且巴氏杀菌工艺可在适当的时间通过控制器22自动启动以对在用于输送至仔畜的移动平台36上的奶进行温热、泵送、巴氏杀菌和储藏。该功能优选通过可在操作员界面45上操控的巴氏杀菌起始计时器设定。
如图6中所示，本发明还可包括带有用于测定桶34中奶的量的奶体积检测器38的竖管42。控制器22基于桶34中的奶的量计算和控制处理时间。例如，100加仑的桶34可装有100加仑奶或部分装有5加仑奶，本发明将自动设定大致的处理时间。
本发明的装置还可包括用于将来自巴氏杀菌器的奶输送至位于远距离位置的仔畜的移动平台36(图5)或储藏桶34。移动桶36可为绝热的并包括用于清洗该移动桶36的喷射球或装置。移动平台36可仅为用于输送其中在巴氏杀菌期间储藏有奶的桶34的支架和轮子。
本发明与现有技术的间歇式巴氏杀菌器之间的比较说明了本发明用于废奶和初乳的效能。
实施例A
在该实施例A中，对于所有测试的生物体，在杀灭有害细菌方面，标准间歇式巴氏杀菌器比UV巴氏杀菌器更有效，但是，当使用奶时，本发明对于所有三种测试的生物体均是有效的(对于大肠杆菌为99.98％、对于蜡状芽孢杆菌为100％、且对于沙门氏菌为99.992％)。但是，当使用初乳时，本发明对于所有三种测试的生物体的有效性确实较低，达到有效性不足的程度。需要更多的研究以在提高处理时间方面确定对初乳中存在的微生物的有效杀菌作用的最大效率。
此外，对于这些样品，还进行了牛IgG的单向辐射状免疫扩散试验。间歇式巴氏杀菌器样品显示出IgG的显著减少(约43％)，而UV样品完全没有IgG的减少。因此，如实施例A中所示的本发明产生更有益于健康的废奶，但可能不产生更有益于健康的初乳。
a在任何加热之前的培养基(奶或初乳)。
b刚好在达到巴氏杀菌温度后(时间＝0)的培养基(奶或初乳)。这耗时约半小时。
实施例B
对于该实施例，重复对奶的UV巴氏杀菌器试验，并增加奶暴露于UV光22分钟的另一时间。这些结果非常类似于实施例A，对于10加仑奶，所有三种测试的细菌在15分钟暴露后具有令人满意的杀灭水平。
研究的第二部分使用初乳，对于初乳来说，实施例A对于所测试的生物体在15分钟后具有效率不足的杀灭水平。实施例B采用30分钟和45分钟的暴露水平。这些结果表明：相对于实施例A，对于所述三种生物体中的两种在15分钟时的效能更好。实施例A显示对于两种生物体在15分钟时有最低限度的效能但对于第三种生物体(芽孢杆菌)的效能无法令人接受。然而，在30分钟和45分钟暴露时，本发明的巴氏杀菌器对于所有三种生物体的效能是充分的到非常好的。
此外，对于这些样品，还进行了牛IgG的单向辐射状免疫扩散试验。结果表明：免疫球蛋白(IgG)在15分钟后没有减少，且免疫球蛋白(IgG)在30分钟和45分钟后有相对最低的减少。因此，相对于现有技术的间歇式巴氏杀菌器，在实施例B中反映出的本发明产生更有益于健康的奶和初乳。
实施例C
该实施例使用初乳、与实施例B相同的15、30和45分钟暴露水平。这些结果表明：本发明的UV巴氏杀菌器总的来说在30分钟和45分钟时仍然是有效的，尤其是在45分钟时。唯一可能的例外可能是芽孢杆菌，对于芽孢杆菌，只有45分钟暴露时间显示出可靠的结果。结果总体上显示出在相同的暴露时间下低于之前的试验的杀灭百分数，但是，在0时间时的浓度也是较高的，这可能是这一在杀灭方面的降低的原因。在实际的现场使用中，这些病原体的浓度不太可能在任何位置均接近于该实施例中所测试的情况。因此，可以得到这样的结论：杀灭率在30分钟和45分钟均是令人满意的。
此外，对于这些样品，还进行了有关牛IgG的单向辐射状免疫扩散化验。结果表明：免疫球蛋白(IgG)在15、30和45分钟后减少最小或没有减少。因此，这是相对于间歇式巴氏杀菌的显著改进。
a菌落形成单位/ml。
以上实施例说明了本发明在杀灭奶和初乳中的三种病原体同时基本保留所有免疫球蛋白方面的有效性。
提供本发明优选实施方案的上述详细描述以易于理解，且其不意图限制权利要求的范围。此外，权利要求中所用的术语“奶”意图为足够宽以包括奶、废奶、不可销售的奶、初乳或者会得益于在喂养仔畜之前的巴氏杀菌的任何其它仔畜饲料添加物。

Claims (11)

1.奶处理系统，包括：
具有入口和出口的紫外线奶处理装置；
与该紫外线奶处理装置流体连通的储藏桶；
与储藏桶流体连通的泵；
奶热交换器，所述奶处理装置至少部分地置于所述奶热交换器中；和与泵和热交换器连通的控制器。
2.权利要求1的奶处理系统，其中，所述紫外线奶处理装置包括：多个紫外线奶处理反应器。
3.权利要求1的奶处理系统，其进一步包括：
承载所述储藏桶的移动平台。
4.权利要求1的奶处理系统，其进一步包括：
承载奶桶的移动平台；且
所述控制器包括：奶温调节器。
5.奶处理系统，包括：
具有入口和出口的紫外线奶处理装置；
与该紫外线奶处理装置流体连通的储藏桶；
与储藏桶流体连通的泵；
奶热交换器，其中所述奶热交换器包括围绕所述紫外线奶处理装置的至少一部分的水夹套；和
与泵和热交换器连通的控制器。
6.权利要求1的奶处理系统，其中，所述控制器与所述紫外线奶处理装置监测地连通。
7.权利要求1的奶处理系统，其进一步包括：
与所述储藏桶和所述控制器连通的奶量传感器。
8.权利要求1的奶处理系统，其中，所述控制器包括用于调节所述控制器的操作员界面。
9.权利要求1的奶处理系统，其中，所述控制器包括：
巴氏杀菌起始计时器。
10.权利要求1的奶处理系统，其中，所述控制器将所述奶热交换器调节至85℉到不超过120℉的奶温。
11.权利要求1的奶处理系统，其中，所述控制器用于将奶在所述紫外线奶处理装置中保持15分钟、30分钟或45分钟的奶暴露时间。
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