原位清洗系統(tǒng)在乳制品加工中的應用

文/張 微 楊國棟 袁雄雄 劉 丹

（四川新華西乳業(yè)有限公司）

CIP系統(tǒng)廣泛應用于乳品廠、啤酒廠、飲料及一般食品廠中物料管道設(shè)備的就地清洗，利用離心泵輸送清洗液，在管道和設(shè)備內(nèi)進行強制循環(huán)，沖刷內(nèi)表面，在化學力、熱力以及機械力的作用下達到清洗目的。其不需要將管道設(shè)備解體，可以提高設(shè)備利用率，減輕工人勞動強度。針對乳制品加工的污垢特性以及微生物要求，CIP系統(tǒng)又具有一定的差異性。

1 CIP系統(tǒng)配置

乳制品加工生產(chǎn)中，CIP系統(tǒng)的清洗液一般進行循環(huán)使用，為保證系統(tǒng)的清潔要求，需要配制自清洗系統(tǒng)，定期對CIP系統(tǒng)進行自清洗。

CIP系統(tǒng)配置主要有冷消毒液罐、清水罐、熱水罐、酸罐、堿罐、回收水罐、清洗泵、加熱器以及儀器儀表等部件（圖1）。清洗液儲罐與清洗目標的間隔次序是有要求的，使用越頻繁且越臟的儲罐應與清洗目標距離越近。若清洗目標的污垢過重，為保證回收循環(huán)堿液的清潔，可增加一個堿澄清罐，回收后的堿液先回到該罐，澄清后將堿液泵送到堿罐。一般乳制品加工過程的殺菌段清洗會配置堿液澄清罐。

表1 乳品加工過程典型污垢特性

圖1 CIP系統(tǒng)配置圖

進程泵采用普通離心泵即可，僅需要耐高溫以及耐酸堿和耐冷消毒液。回程泵除了滿足進程泵的要求外，為保證清洗效果，還不允許清洗目標罐內(nèi)有過多積液。在清洗分支管道流量瞬時降低后容易抽空，導致泵體進氣從而影響正常運行，因此回程泵采用自吸式離心泵，且額定流量一般為進程泵的1.10～1.15 倍?？紤]到一條CIP清洗線可能對應多個清洗流量要求不同的清洗目標，建議將進程、回程泵選配為變頻控制，根據(jù)清洗目標的要求進行流量設(shè)定。

2 乳制品加工污垢類型

乳制品加工廠的污垢主要由礦物質(zhì)、脂類、糖類、蛋白質(zhì)等構(gòu)成，其性質(zhì)和清洗難易程度見表1。

3 影響CIP系統(tǒng)清洗效果的要素

清洗劑種類、清洗液濃度、清洗溫度、清洗流量、清洗時間、水質(zhì)以及系統(tǒng)配置是影響清洗效果的7 個要素。每個要素都很重要，在實際操作中，考慮生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率以及質(zhì)量要求，必須對上述7個要素進行控制，在成本、效率、質(zhì)量之間尋找一個平衡點。

3.1 清洗劑種類

乳制品加工廠中CIP系統(tǒng)的清洗劑選用原則為：（1）良好的去污能力；（2）對清洗對象無不良影響；（3）質(zhì)量穩(wěn)定；（4）價格適宜；（5）無毒害，不會帶入二次污染。主要的清洗劑有酸、堿兩類，若清洗目標污垢嚴重，可適當增加助劑，提高清洗效果。其中堿用于與脂肪發(fā)生皂化反應及與蛋白質(zhì)發(fā)生反應生成可溶性物質(zhì)，使脂肪和蛋白質(zhì)能夠被水溶解而去除，主要采用NaOH；酸用于去除沉積于設(shè)備表面的無機鹽，主要采用HNO3。

3.2 清洗液濃度

提高清洗液濃度可以促進清洗液與污物之間的化學作用，增加清洗效果。但是，過度提高濃度會造成成本上升，并導致反效果或副作用，如腐蝕、蛋白質(zhì)變性等。清洗過程中，為了確保清洗液濃度能夠維持在要求范圍，應設(shè)計自動添加系統(tǒng)，并進行實時監(jiān)控。

3.3 清洗溫度

溫度上升可以改變污物和清洗液的物理特性（如溶解度增加、黏度下降），從而提高清洗效率。但是，溫度過高可能導致污物性質(zhì)改變，使污物與設(shè)備表面結(jié)合力提高，阻礙清洗進行；隨著溫度升高，某些清洗液腐蝕設(shè)備能力增強。清洗溫度應根據(jù)清洗液的不同而有所區(qū)別，且溫度檢測應安裝在回程管道上，保證清洗目標的清洗溫度在要求范圍內(nèi)。

3.4 清洗流量

對清洗流量的要求其實是為了保證清洗流速，在清洗過程中產(chǎn)生一定的機械力，對清洗目標進行沖刷，從而取得清洗效果。

兩化融合能夠有效推動行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通，生產(chǎn)制造精細化、智能化水平不斷提升，資源配置能力全面優(yōu)化，進而不斷激發(fā)技術(shù)創(chuàng)新活力，逐步建立起推動行業(yè)綜合發(fā)展水平提升、持續(xù)獲取績效的長效機制。

根據(jù)美國機械工程師協(xié)會生物加工設(shè)備（ASME BPE）要求，為保證管道內(nèi)水流處于湍流狀態(tài)，管道清洗流速不應低于1.52 m/s；儲罐清洗流量按周邊選擇，每米周長每小時1.5～3.5 m3[1]。根據(jù)儲罐內(nèi)部件的清洗難度以及產(chǎn)品特性選取流量。

3.5 清洗時間

清洗是一個過程，不能瞬間完成。為保證清洗效果，必須保證一定的清洗時間，不能無限制縮短時間。

3.6 水質(zhì)

水的硬度越高，清洗效果越差。這是因為水中鈣離子、鎂離子會與清洗劑的化學基團形成難溶化合物，導致清洗困難。乳制品加工廠的清洗用水總硬度（以CaCO3計）不宜高于70 mg/kg。

3.7 系統(tǒng)配置

除上述因素外，清洗液儲罐的布置順序、管路的設(shè)計安裝、以及清洗目標的表面粗糙度等也會對清洗效果產(chǎn)生較大影響。

清洗儲罐順序建議按圖1進行布置，干凈的清洗液儲罐遠離清洗目標。假如將回收水罐布置于最遠端，其與熱消毒罐之間會產(chǎn)生清洗死角，在熱水消毒過程中，該段死角內(nèi)的污水就會進入系統(tǒng)，造成污染（圖2），酸洗、堿洗程序也存在同樣的問題。

管路設(shè)計中應盡量避免T型接頭，如不可避免，則對T型管的長度（L）與管徑（D）的比例進行限制，ASME BPE推薦L/D＜2，國內(nèi)乳制品加工廠一般采用L/D＜1.5。常見管路設(shè)計缺陷、對策及示意圖見表2。

儲罐內(nèi)壁、人孔內(nèi)表面、人孔蓋下表面的表面粗糙度（Ra）應≤1.6 μm；管路及其附件內(nèi)表面的表面粗糙度（Ra）應≤3.2 μm[2]。

4 CIP系統(tǒng)運行控制

圖2 儲罐清洗死角

4.1 清洗步驟

乳制品生產(chǎn)企業(yè)的完全CIP清洗過程主要包括9 個步驟（圖3）：水沖洗-堿頂水-堿循環(huán)-水頂堿-酸頂水-酸循環(huán)-水頂酸-熱水頂冷水-熱消毒。如果對目標進行單堿洗，清洗步驟去除酸頂水-酸循環(huán)-水頂酸即可；如果清洗目標需要冷消毒，清洗步驟需要在水頂酸和熱水頂冷水之間加入冷消毒流程。

圖3 CIP系統(tǒng)清洗步驟

表2 常見管路設(shè)計缺陷及對策

表3 CIP系統(tǒng)清洗參數(shù)

4.2 一般清洗參數(shù)要求

對于乳制品生產(chǎn)企業(yè)，一般CIP系統(tǒng)的運行參數(shù)根據(jù)清洗目標功能分為3 個大區(qū)設(shè)置，分別為生奶區(qū)（冷區(qū)）、殺菌段、熟奶區(qū)，其中殺菌段又細分為巴氏殺菌和超高溫滅菌（UHT）。各區(qū)的清洗參數(shù)要求見表3，表中數(shù)據(jù)范圍較大，特別是清洗時間，這是因為每一個區(qū)的CIP系統(tǒng)清洗目標不同，污垢程度、距離清洗站的遠近等也不同，需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整，并驗證清洗效果。

4.3 CIP系統(tǒng)清洗效果驗證

4.3.1 驗證頻次

CIP清洗系統(tǒng)在下列情況時需進行效果驗證：新系統(tǒng)正式投入運行前；管道及設(shè)備變更；清洗液品種變更；清洗參數(shù)變更，如流量、時間、濃度、溫度等；生產(chǎn)工藝變更，如殺菌溫度、產(chǎn)品黏度等；產(chǎn)品種類變更，如生產(chǎn)巴氏殺菌乳的設(shè)備變更為生產(chǎn)發(fā)酵乳；其他需要進行效果驗證的情況。若無相關(guān)變更，建議每年至少進行一次CIP清洗效果驗證。

表4 CIP系統(tǒng)清洗驗證方法及標準

4.3.2 驗證內(nèi)容

根據(jù)清洗目標的清潔狀況、化學殘留等驗證CIP系統(tǒng)的清洗參數(shù)（如時間、流量、濃度、溫度）是否合理。取樣點的選取必須能支撐驗證有效，建議從以下兩個方面進行考慮。一是確定設(shè)備最難清洗部位。以設(shè)備為出發(fā)點是清洗驗證的基礎(chǔ)，首先確定生產(chǎn)過程中設(shè)備的哪些部位與產(chǎn)品有直接接觸，再確定設(shè)備最難清洗的部位及其面積。一般單效濃縮、殺菌以及發(fā)酵段的設(shè)備較難清洗，而攪拌、儀表檢測段以及取樣閥為清洗困難的部位。二是選定最難清洗產(chǎn)品。所選產(chǎn)品必須是最具代表性、最難清洗的產(chǎn)品，一般選取發(fā)酵乳等高黏度產(chǎn)品。

4.3.3 驗證方法及標準

按照標準清洗程序清洗設(shè)備之后并不能清除表面的所有殘留物。清洗是將設(shè)備表面的殘留物量降至允許的最低殘留限度。乳制品加工企業(yè)的CIP系統(tǒng)清洗殘留主要包括三類，即化學品、生產(chǎn)污垢和微生物。各殘留物的清洗驗證方法見表4。

4.4 CIP系統(tǒng)運行質(zhì)量控制

CIP系統(tǒng)的質(zhì)量控制主要包括3 個方面：清洗參數(shù)合理性、清洗參數(shù)檢測準確性以及清洗系統(tǒng)衛(wèi)生控制。

4.4.1 清洗參數(shù)合理性

按文中4.3所述的CIP系統(tǒng)清洗效果驗證過程進行參數(shù)的確認和變更，以保障清洗參數(shù)的合理性。

4.4.2 清洗參數(shù)準確性

清洗參數(shù)在通過效果驗證確定下來后，一段時間內(nèi)是相對穩(wěn)定的，不需要頻繁進行修改。接下來對清洗參數(shù)檢測的準確性就直接關(guān)系到系統(tǒng)的運行監(jiān)控是否有效。CIP系統(tǒng)的關(guān)鍵清洗參數(shù)（流量、溫度、電導率、時間）一般需要進行實時監(jiān)控并形成記錄，以便在系統(tǒng)異常時查詢原因，杜絕問題再次發(fā)生。為保證參數(shù)的準確性，需要定期對儀表進行校準?？蛇x擇有資質(zhì)的校驗機構(gòu)進行校準，也可以公司內(nèi)部自己校準，內(nèi)部校驗要求見表5。

4.4.3 清洗系統(tǒng)衛(wèi)生控制

為保證清洗儲罐以及管道自身的衛(wèi)生要求，必須定期對CIP系統(tǒng)進行自清洗，并對儲罐進行排污。清洗要求見表6。

4.5 CIP系統(tǒng)運行成本控制

運行成本主要包括2 個方面，一是清洗液的消耗，包括酸液、堿液、消毒液以及水的消耗；二是清洗效率導致的電、蒸汽耗用等。運行成本控制主要是清洗時間的優(yōu)化控制以及清洗等待時間的縮短。

4.5.1 清洗液的消耗

清洗液的消耗主要是在循環(huán)清洗前、后的頂水步驟，大部分清洗液進行了回收，也有部分因為水的稀釋導致回收電導率達不到要求而排放。因此，控制清洗液消耗的關(guān)鍵是減少電導率降低部分的液體。清洗液與水的界面交換有兩種方式，管道和儲罐內(nèi)。為了減少清洗液的損失，需要控制清洗液的切換在管道內(nèi)進行（如圖4左所示），這樣界面小，混合稀釋的部分少。通過控制清洗閥門的切換時間并配合進程、回程泵的起停時間可控制界面在管道內(nèi)，而不是進入儲罐。

通過控制回收水的使用可以控制水的消耗。CIP系統(tǒng)中水頂堿和熱水頂冷水步驟中的水會被回收到回收水罐中用作第一道預沖洗用水。對這兩個步驟中水的回收能夠保證預沖洗用水。一般對酸切換過程（酸頂水、水頂酸步驟）的用水是不進行回收的，因為一旦酸液過量導致預沖洗水呈酸性，便會中和堿液的有效成分，增加堿液消耗，得不償失。

表5 清洗參數(shù)內(nèi)部校驗要求

表6 CIP清洗站自清洗程序

圖4 清洗液交換界面

4.5.2 清洗效率

清洗效率主要包括2 個方面，清洗時間和清洗等待時間。在保證清洗效果的前提下，應盡量縮短清洗時間。清洗等待時間指CIP系統(tǒng)運行后等待升溫以及電導率滿足要求的時間，不包括停機等待時間。一般生產(chǎn)管道是不進行保溫的，因此管道過長會導致散熱損失增大，使得回程溫度長時間達不到要求，可以通過適當升高進程溫度及增加流量來減短升溫時間。酸頂水或堿頂水后，電導率可能較長時間達不到要求，從而無法進入循環(huán)清洗步驟，這是因為清洗目標的分支管路分步頂水導致清洗液濃度降低或液面分界未在管道內(nèi)而是進入了清洗儲罐中，通過設(shè)置分支管路頂水步驟的同時性和控制交換界面可有效解決此問題。

5 結(jié)語

綜上所述，CIP系統(tǒng)清洗效果的影響因素涉及硬件配置、系統(tǒng)流程、清洗參數(shù)等方面。必須從系統(tǒng)建設(shè)開始干預，并在后期運行中對參數(shù)進行驗證。在CIP系統(tǒng)清洗質(zhì)量、效率以及成本之間尋找平衡點，以達到CIP系統(tǒng)的最優(yōu)化運行。