食品・飲料産業におけるステンレス鋼材料の選択

/カテゴリ: /作成者:

乳製品やその他の食品加工産業におけるステンレス鋼の使用に関する課題のほとんどは、熱交換器や井戸水などの天然の表層水に関連しています。醸造所と同様に、ほとんどの食品関連産業では、低温殺菌や滅菌に関連して、蒸気で加熱されたり水で冷却されたりする高温媒体を頻繁に使用しているため、応力腐食割れなどの問題に遭遇することがよくあります。一般に、食品加工では、ステンレス鋼などの標準的なステンレス鋼は腐食しません。 AISI304 または 316 です。ただし、この業界では処理方法が多岐にわたるため、さまざまな腐食障害が発生します。たとえば、

  • ステンレス製ミルク熱交換器の侵食/腐食。
  • 高温下で乳酸などの有機酸により均一に腐食します。
  • 地表水または井戸水によって引き起こされる微生物腐食。
  • 応力腐食割れ、主に「塩化物割れ」。
  • 振動による腐食疲労。

 

乳製品業界のプレート型熱交換器では、下表に示すように、ホエー、牛乳、処理水が 1.4401 ステンレス鋼製のプレート型熱交換器を介して処理されます。

製品 入口温度、℃  出口温度、℃ プレッシャー
乳清 30 10 中くらい
牛乳 7 30 高い
プロセス水 57 14 低い

 

汚染された食品の漏洩を防ぐために、プロセス水の圧力は可能な限り低く保たれます。漏洩は、圧力点で薄板が互いに衝突するときに発生します。これは、圧力点が侵食され腐食された後に薄い断面に疲労亀裂が生じることによって引き起こされます。断面の金属組織顕微鏡検査では、応力腐食割れは発生していないことが示されています。プロセス水側の圧力が低いため、圧力変動と流体の流れの振動が相まって、この側で侵食/腐食が発生します。プレートの物理的な衝突を回避する方法は、圧力と圧力変動を変更するか、プレート間の間隔を広げることです。

 

井戸水による微生物腐食

食品業界では通常、井戸水を使用します。井戸水中の鉄分はかなり多く、鉄関連細菌を活性化させ、深刻な腐食を引き起こす可能性があります。一般的に使用されている水処理方法の 1 つは、食品の味を良くし、洗浄およびすすぎ後の包装および加工機器の腐食を防ぐために、井戸水から鉄を取り除くことです。表層水および井戸水には、好気性条件と嫌気性条件の両方で活動する多くの種類の微生物も含まれています。好気性鉄関連細菌は鉄イオンを酸化し、嫌気性鉄関連細菌は鉄イオンを還元します。これら 2 つの反応は、最終的に微生物腐食 (MIC) に分類されます。硫酸還元細菌、酸生成細菌など、他の微生物も水中で活動する場合があります。同じバイオフィルム内で、好気性細菌と (以下に示す) 嫌気性細菌が活動する場合があります。

缶詰野菜の処理に井戸水を使用する場合（低温殺菌後に洗浄して冷却する）。長期間水が流れない場合、316L製造パイプは水温が高いため、6か月以内に漏れが発生します。井戸水自体は冷たい（10°C未満）ですが、パイプ内で長期間静止していると、夏には簡単に30°Cまで上昇する可能性があります。レジオネラと比較して、腐食性バイオフィルムは高温でより高い活性率で形成されます。

 

塩素消毒・殺菌による孔食

次亜塩素酸ナトリウムは、ステンレス鋼の機器の洗浄と消毒によく使用されます。次亜塩素酸ナトリウムの濃度が高すぎる場合、または洗浄と消毒の時間が長すぎる場合、特に温度が 25℃ を超える場合、次亜塩素酸ナトリウムはステンレス鋼に深刻な腐食を引き起こします。

 

応力腐食破壊

60℃を超える温度では塩化物応力腐食割れの危険があります。冷間変形、引張応力、塩化物含有量が増加すると、危険が増大します。焼鈍処理なしの冷間変形パイプと比較して、焼鈍処理されたパイプは塩化物応力腐食割れの影響を受けません。乳製品業界で使用されるストレートシーム溶接鋼管の外側は、製造工程中の曲げによって断面に引張応力が発生するため、塩化物に対してはるかに敏感です。他の用途では、管状熱交換器が塩化物応力腐食割れの原因となる場合があります。温度が60℃を超えると、シェルの片側に塩化物応力割れが発生する可能性が高くなります。AISI 304および316はこの問題に敏感であり、砂糖蒸発器で使用すると応力腐食割れの危険があり、代わりにフェライト系ステンレス鋼を使用できます。砂糖業界では、フェライト系ステンレス鋼 AISI 441、特に AISI 439 が広く使用されています。実際の使用では、配管の選択肢は 304 ステンレス鋼と 439 ステンレス鋼で開発されています。 304ステンレス 短いパイプの場合は 439、長いパイプの場合は 439 です。

304ステンレス鋼：パイプの長さが3メートル未満の場合に選択できます。 304 ステンレス鋼の熱応力は1.8×10-2mm/m℃で、炭素鋼よりもはるかに大きいです。容器が高温になると、パイプの熱応力が高くなります。AISI 304ステンレス鋼パイプは、工場でストレートシーム溶接後に焼きなましされます。

439ステンレス鋼：ASTM439は、長さ5mまでの蒸発器やコイルに使用されるチタン安定化フェライト系ステンレス鋼（17%〜19%Cr）です。パイプの長さが7m以上、塩化物濃度が高く、冷間変形の程度が高い場合、応力腐食破壊のリスクが高くなります。AISI 439などのフェライト系ステンレス鋼では応力腐食破壊は発生しません。すきま腐食を避けるために、耐食性と衛生条件が許せば、通常はシェルが厚い炭素鋼板で内壁が薄いAISI439鋼管の熱交換器を使用します。このようにして、炭素鋼は薄肉ステンレス鋼管に陰極保護を提供し、設計と製造コストを削減し、耐用年数を延ばすことができます。