流體食品CIP清洗設(shè)計原則與改進分析探討

姚志敏

（上?？弟S化工科技有限公司，上海，201106）

隨著自動化設(shè)備的發(fā)展，CIP清洗系統(tǒng)的自動化控制水平越來越高，使得CIP成為了方便快捷的清洗技術(shù)，清洗效果良好。但這也讓我們過于盲目信任其功能，從而忽略了基本的定期檢查和測試工作，給產(chǎn)品質(zhì)量留下了嚴重隱患。

調(diào)查分析CIP清洗設(shè)計存在的缺陷并找出合理有效解決方案，成為日常質(zhì)量控制的重點關(guān)注點之一。

1 CIP清洗設(shè)計與缺陷改進分析

根據(jù)CIP系統(tǒng)清洗設(shè)計原則，從硬件設(shè)備安裝集成與清洗程序合理有效兩方面分析現(xiàn)系統(tǒng)的缺陷與改進措施。

1.1 材質(zhì)選型

食品行業(yè)設(shè)備材質(zhì)選型，如管路、泵、洗球、密封墊圈、閥門、罐體、儀器儀表等，需達到衛(wèi)生設(shè)計的要求?；贓HEDG Guidedlines原則：材料需遵循無毒、無吸收性、抗腐蝕性，考慮預(yù)期使用條件（設(shè)備清潔與滅菌程序設(shè)定的時間、溫度和濃度等的極限值），其他相關(guān)因素如機械物性、易施工性、焊接品質(zhì)、硬度和費用等亦需納入材料選用的參考因素。例如：一般部分與食品接觸設(shè)備通常選用AISI-304不銹鋼或易焊接的 AISI-304L低碳鋼作為金屬材質(zhì)；AISI-316不銹鋼材料可應(yīng)用在閥門、泵、旋轉(zhuǎn)葉片和軸心等。

在ASME BPE設(shè)計原則中: SD部分也明確了（無毒、無吸收性、耐腐蝕等）清洗設(shè)計原則要求，產(chǎn)品區(qū)域內(nèi)所有的O-環(huán)形、密封件和墊圈應(yīng)符合CIP清潔介質(zhì)和消毒介質(zhì)和條件（如人造耐蒸汽橡膠/氟石橡膠）；不銹鋼316、316L或更高等級的材質(zhì)（AL6XN,2205）均符合要求；非金屬材質(zhì)時(如塑料、人造橡膠或黏合劑)，需符合FDA, 21CFR, 177和USP 88部分VI章節(jié)等要求。

1.2 設(shè)計安裝

基于EHEDG Guidedlines及ASME BPE設(shè)計原則，食品行業(yè)設(shè)備，如管路、泵、密封墊圈、閥門、罐體、儀器儀表等，安裝需達到衛(wèi)生設(shè)計的要求，包括連接處光滑度，整體利于排水，減少變徑與彎頭設(shè)計、泵頭排氣、減少卡箍或活結(jié)安裝，如表1所示。CIP管路流向上存在支路系統(tǒng)可通過支路的長徑比（L/D）來判定清洗死角（一般推薦L/D比值＜2，如圖1為合理設(shè)計）。

圖1 CIP管路支路的長徑比

表1 設(shè)計原則與不合理設(shè)計示例

1.3 CIP清洗四要素的相關(guān)性

1.3.1 機械力(泵流量)的合理匹配

1.3.1.1 管路清洗原則

雷諾數(shù)是判別流動特性的依據(jù)，如在管流中，雷諾數(shù)小于2300的流動是層流，雷諾數(shù)等于2300～4000為過渡狀態(tài)，雷諾數(shù)大于4000時是湍流。雷諾數(shù)按照式（1）計算：

式中：v、ρ、μ分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù)；d為一特征長度。

雷諾數(shù)較小時，黏滯力對流場的影響大于慣性，流場中流速的擾動會因黏滯力而衰減，流體流動穩(wěn)定，為層流；若雷諾數(shù)較大時，慣性對流場的影響大于黏滯力，流體流動較不穩(wěn)定，流速的微小變化容易發(fā)展、增強，形成紊亂、不規(guī)則的紊流流場。

基于流體食品黏性特點、產(chǎn)品密度與雷諾系數(shù)達到湍流條件的綜合因素，行業(yè)內(nèi)管路清洗流速需達到1.5～2.0 m/s的要求范圍，才能達到良好的機械沖刷力，流速與流量、管徑參照圖見圖2，管路清洗流量計算公式見式（2）：

式中：Q管為管路清洗所需流量，t/h；R為管路半徑，mm；v為不同管徑達到湍流狀態(tài)的流速，m/s。

圖2 流速與流量、管徑參照圖

1.3.1.2 罐體清洗原則

對于罐體內(nèi)壁的清洗，依靠噴淋球帶來的清洗液在罐內(nèi)壁形成的液層與污垢作用，并及時隨液層流動帶走污垢來實現(xiàn)清洗的目的；不同應(yīng)用場景下，因污垢程度、罐體尺寸等實際參數(shù)不同，所需的清洗液流量也不同，罐體清洗流量計算公式見式（3）。式（3）中，I（清洗難度基數(shù)）是基于食品行業(yè)污垢特點與罐內(nèi)壁所需清洗液液層體積量的實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)驗證而得出的推薦參考值。

Q罐—罐體清洗所需流量 （L/h）；

D—罐體直徑（m）；

I—清洗難度基數(shù)（輕度：25～27，中度：27～30，重度：30～32 L/(min·m罐周長）。

1.3.2 污垢類型與清洗劑性能的合理選擇

以85～90℃為限，將食品接觸表面分為熱處理表面和冷處理表面，考慮到CIP清洗的難度，這里主要討論較難清洗的熱處理表面，例如巴式殺菌機、超巴式殺菌機、超高溫瞬時殺菌機等，其污垢主要由礦物質(zhì)鹽類、變性蛋白質(zhì)、聚合的脂肪和焦糖素以及產(chǎn)品的殘渣組成，如圖3所示，其中污垢特性見表2。

圖3 污垢結(jié)構(gòu)示意圖

表2 污垢組分特性

清洗劑作用機理為：

（1）溶解作用：糖溶于水中，蛋白質(zhì)、脂肪及電解質(zhì)、無機鹽部分溶于水中。

（2）機械作用：由運動而產(chǎn)生的作用（攪拌、噴射、流速產(chǎn)生的壓力和磨擦力）。

（3）表面活性作用：水、油相溶（含濕潤、乳化、分散、溶解、起泡）。

（4）化學(xué)作用：酸堿的溶化（堿與油脂的皂化反應(yīng)，酸對無機鹽的溶解和螯合作用）。

（5）酶的作用：酶具有分解作用（淀粉酶對淀粉的分解作用）。

常見清洗劑組分的化學(xué)性質(zhì)如表3所示。

表3 常見清洗劑組分的化學(xué)特性

基于表3中部分常用清洗劑組分的特點，以配方化學(xué)為基礎(chǔ)的復(fù)配清洗劑應(yīng)運而生，大幅度地改善清洗性能，提高清洗效率。以使用堿性清洗劑為例，清洗過程如圖示4所示：①潤濕表面，以更好地與清潔劑接觸；②蛋白質(zhì)吸水后膨脹，堿加強它的膨脹，最后溶解蛋白質(zhì)（pH值越高，效果越好)；③脂肪被皂化并溶解；④Ca2+被螯合劑結(jié)合后溶解；⑤最后需用適度的機械力去沖洗殘余物。

圖4 污垢在堿液中溶解的過程圖

1.3.3 清洗溫度與污垢的關(guān)系

清洗溫度與結(jié)垢程度、清洗效果關(guān)系如圖5、圖6所示。

圖5 結(jié)垢程度與溫度的關(guān)系

圖6 清洗效果、腐蝕程度與溫度的關(guān)系

由圖5可見，蛋白質(zhì)隨溫度升高，其呈拋物線狀態(tài)變化；而無機鹽隨溫度升高，積垢越嚴重。

由圖6可知：①HNO3隨溫度的升高，腐蝕作用加大，而清洗效果趨于平穩(wěn)；因此 HNO3清洗溫度不宜過高：應(yīng)選取 60～90℃。②NaOH 隨溫度的升高，腐蝕能力趨于平穩(wěn)，而清洗效果加大；因此 NaOH清洗溫度在設(shè)備材質(zhì)容許的范圍內(nèi)，越高越好，UHT 一般取 85～138℃左右。

綜上所述，在不同溫度下，不同污垢在熱處理表面的附著狀態(tài)不同，所以需要綜合考慮復(fù)合清洗劑的性能特點與清洗溫度綜合作用才可以達到良好清洗效果，同時也可最大程度降低腐蝕風(fēng)險。

1.4 清洗死角排查與分析

隨著可視化的紅外測溫技術(shù)的發(fā)展，精確的溫度色差值已被用來排查和確認清洗項目系統(tǒng)所存在的清洗死角（如圖7所示的存在氣泡不滿管現(xiàn)象，死水點等）。

圖7 清洗死角的排查示意圖

1.5 清洗驗證方法

CIP清洗驗證主要從有效性和安全性去考慮，如圖8所示。食品行業(yè)對于清洗驗證而言，需要根據(jù)實際清洗項目（如人孔蓋、下料管內(nèi)側(cè)、攪拌槳葉、支架、洗球伸入桿、排氣帽、取樣口、罐底錐面、緩沖管、過濾器、平衡桶、儀表探頭、轉(zhuǎn)換板、閥陣閥腔等）的設(shè)備構(gòu)造特點，選取驗證部位與取樣點進行效果驗證。驗證技術(shù)有很多，包括ATP熒光測試，蛋白質(zhì)檢測拭子，溶解性固形物(TDS），黑光燈等。

圖8 CIP清潔驗證

目前ATP熒光檢測技術(shù)使用在食品清洗效果驗證方面越來越廣泛，ATP清洗驗證方案的建立就顯得尤為重要，包括如下幾個方面。

（1）基于風(fēng)險分析采樣位點確定原則

包括對終產(chǎn)品或結(jié)果的影響顯著程度及表面的清洗難易程度。

（2）基于統(tǒng)計學(xué)意義建立參考數(shù)據(jù)的收集

從客戶現(xiàn)場自定義、清洗行業(yè)經(jīng)驗及國家相關(guān)標準3個方面進行收集整合數(shù)據(jù)資料；

（3）基于實際可行與可操作性原則

設(shè)定RLU（熒光強度）可行性限值。如食品接觸面一般將限值定于10；小于10一般認為是潔凈表面；10～30為可疑區(qū)間，需重復(fù)檢測或清洗；大于30即為非潔凈表面。

（4）基于風(fēng)險分析確立檢測頻率

與采樣位點的風(fēng)險程度相關(guān)，高風(fēng)險區(qū)域為每次清洗后檢測。

（5）糾偏措施

合格：被測表面/設(shè)備投入使用。

可疑區(qū)間：低風(fēng)險區(qū)—下次清洗再檢測，必要時重新清洗；高風(fēng)險區(qū)—重新清洗，重新檢測。

不合格：重新清洗，重新檢測。

2 結(jié)論

基于合理基礎(chǔ)的材料選擇與精益求精的工業(yè)設(shè)計疊加，通過對清洗程序要素的合理整合，能提高清洗設(shè)計的合理有效性，將潛在的設(shè)計缺陷降低到可預(yù)期的最低程度，從而為后續(xù)取得良好的清洗效果奠定基礎(chǔ)。