乳品行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的清洗技術(shù)研究

王穎瑞 閆雷雷 楊 濤

陜西科菱恩生物科技有限公司，陜西咸陽，710048

乳品衛(wèi)生與安全問題是人們生活中非常關(guān)心的話題。從某種意義上說，乳品設(shè)備清洗不當(dāng)會對人體健康造成一定影響，并干擾乳品質(zhì)量的污垢殘留問題[1]。乳品生產(chǎn)設(shè)備和管道表面的殘留物會導(dǎo)致污垢沉積和微生物黏附，最終影響產(chǎn)品的質(zhì)量，并產(chǎn)生嚴(yán)重的公共健康風(fēng)險[2]。為此，自2013年以來，國家在乳品安全監(jiān)管方面的力度不斷加大。

1 乳品加工設(shè)備清洗系統(tǒng)

1.1 原位清洗技術(shù)

原位清洗（cleaning-in-place, CIP）技術(shù)是一種高效方便，無需拆卸乳品生產(chǎn)設(shè)備的清洗技術(shù)（圖1）。目前，很多乳品加工企業(yè)在清洗時均選用CIP，不僅可以降低生產(chǎn)成本，而且符合高品質(zhì)產(chǎn)品要求[3]。Niamsuwan等[4]研究表明CIP適當(dāng)運行可以減少清洗劑的用量和縮短清洗時間。CIP通過五個自動循環(huán)系統(tǒng)包括清洗生產(chǎn)工藝線的儲罐、管道及其他工作空間進行清洗工作。清洗乳品生產(chǎn)設(shè)備后可以恢復(fù)設(shè)備的正常功能，滿足乳品的衛(wèi)生要求并延長其使用壽命。

圖1 CIP流程示意圖

1.2 清洗原理

CIP現(xiàn)場清洗時無需拆卸生產(chǎn)設(shè)備和管道。使用設(shè)備原有的管道和配件通過清洗液的化學(xué)效應(yīng)（轉(zhuǎn)化反應(yīng)）、物理效應(yīng)（如熱溶解、離子交換等）和清洗液高速流動引起的湍流機械效應(yīng)進行快速高效清洗。泵送清洗液進入生產(chǎn)設(shè)備后，構(gòu)成清洗循環(huán)直接清洗設(shè)備和管道。

1.3 污垢種類及產(chǎn)生原理

一般情況下，乳品公司的生產(chǎn)超過建議的加工時間或者在不合適的條件下進行（如高溫），可能會在設(shè)備表面（如板式熱交換器）形成嚴(yán)重的污垢或更多的附著沉積物，從而增加清洗所需的時間。如表1所示，污垢的主要來源是原材料、生產(chǎn)工藝、水質(zhì)和生產(chǎn)設(shè)備，出現(xiàn)的形式多種多樣，包括：液體、干燥的薄膜以及受熱沉淀的成分（如蛋白質(zhì)、脂肪、鹽類等）。例如牧場中的生乳是一種復(fù)雜的基質(zhì)，管道中的冷牛奶殘膜幾乎完全是有機物，其成分中含有蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂肪[5]。而加熱設(shè)備的沉積物則主要是無機礦物鹽，乳品廠中的乳石主要是酪蛋白和磷酸鈣的混合物，也包括其成分中的脂肪、蛋白質(zhì)和其他來自牛奶和水硬度以及清洗劑的化學(xué)成分的礦物質(zhì)。

表1 乳品生產(chǎn)中污垢類型及清洗方法

2 影響CIP清洗效率的因素

2.1 清洗劑

如表2所示，市場上的清洗消毒產(chǎn)品主要有酸性清洗劑、堿性清洗劑、消毒劑（主要成分為過氧乙酸、次氯酸鈉）等，由于各自的產(chǎn)品特點（pH、有效成分等）及細(xì)分行業(yè)（設(shè)備、生產(chǎn)管理）的發(fā)展水平不同，導(dǎo)致乳品企業(yè)對供應(yīng)商的差異性選擇。飲料及食品加工廠為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，應(yīng)該使用專業(yè)的清洗劑，即食品設(shè)備清洗劑。

表2 某清洗企業(yè)的清洗劑

（1）堿性清洗劑：根據(jù)pH分為強堿（pH＞10）和弱堿（8＜pH＜10）清洗劑兩大類。堿性清洗劑主要成分為氫氧化鈉或氫氧化鉀，由于氫氧化鉀成本過高，基本不考慮使用。堿洗原理大致分為四種：第一，與油脂反應(yīng)生成具有水溶性的表面活性劑脂肪酸鈉，能把不溶性的乳品油脂乳化、分散。第二，當(dāng)乳品蛋白質(zhì)分子中存在過剩羧基時，與堿反應(yīng)后帶上負(fù)電荷，使分子之間產(chǎn)生斥力，導(dǎo)致蛋白質(zhì)在水中的溶解性增加。第三，加熱的條件下，堿會促進大分子的蛋白質(zhì)水解，轉(zhuǎn)變成較小分子的氨基酸而溶解。第四，難溶于酸和水的無機鹽垢，例如堅硬的硫酸鈣、硅酸鈣垢等，在堿性環(huán)境下可以轉(zhuǎn)化為疏松的易溶于酸的新鹽，以便進一步用酸洗去除。此外，添加少量的食品級表面活性劑、螯合劑及其他助劑增強清洗能力，提高清洗劑的乳化性、濕潤性、懸浮性、軟化性、漂洗性、螯合力等。市面上一些復(fù)合型堿性清洗劑可為乳品企業(yè)在清洗周期中省去酸洗，大大節(jié)省清洗成本。

（2）酸性清洗劑：酸性清洗劑成分為無機酸（硝酸、磷酸等），有機酸（檸檬酸、蘋果酸、葡萄糖酸等）。酸性清洗劑主要去除無機污垢，包括乳制品、發(fā)酵制品生產(chǎn)設(shè)備的乳石（磷酸鈣），水銹、鐵銹等。因此，常常添加少量的螯合劑提高其清除無機污垢的能力。由于酸對生產(chǎn)設(shè)備的腐蝕性較大，添加一定量的緩蝕劑可延長設(shè)備的使用壽命。

（3）殺菌性清洗劑：殺菌性清洗劑分為酸性和堿性，應(yīng)用最廣的殺菌劑主要成分是次氯酸鈉，具有殺滅微生物種類廣、殺菌效果快、幾乎不受水硬度影響等優(yōu)點。然而，使用最廣的次氯酸鈉具有刺激性氣味，對于大部分乳品加工企業(yè)有負(fù)面影響。理想化的乳品殺菌劑除了以上三點外，應(yīng)保證對生產(chǎn)設(shè)備及乳品質(zhì)量無影響、殺菌后抑菌持續(xù)時間長、安全無毒、對廢水處理設(shè)施及環(huán)境的不利影響小等優(yōu)點。

2.2 清洗劑的濃度

如表3所示，清洗儲罐、管道和發(fā)酵罐的復(fù)合堿性清洗劑濃度約為0.8%～1.5%，清洗多用途儲罐和板式換熱器為1.2%～1.5%，清洗超高溫（UHT）為2%～2.5%。然而，清洗污染嚴(yán)重的設(shè)備可能需要高5%[6]。酸性清洗劑通常用0.8%～1.2%的濃度范圍進行清洗，因為在較高濃度下會發(fā)生金屬表面及密封件的腐蝕。

2.3 清洗溫度

Timperley等[6]證明清洗時間的自然對數(shù)與溶液的絕對溫度成反比（圖2）。堿處理時，手動清洗在最高45～50℃下進行，但CIP清洗在70～90℃下進行（表3）。在超高溫設(shè)備的堿洗過程中使用的是85～137℃（結(jié)合實際的清洗溫度范圍較大）。然而，過高的溫度可能會對目標(biāo)污垢的物理和化學(xué)穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致形成一層堅韌的污垢膜不易清洗。當(dāng)溫度高于80℃時，許多蛋白質(zhì)易變性更難去除。酸處理時，溫度越高腐蝕性越強并且溫度越高酸洗對設(shè)備的腐蝕性越強，因此酸處理溫度通常在60～80℃。

表3 不同乳品行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的CIP清洗濃度、溫度及時間

圖2 清洗溫度 與清洗時間的關(guān)系

2.4 清洗流速

當(dāng)流速從0.2 m/s增加到1.5 m/s時，板式換熱器的清洗時間縮短了近90%[6]（圖3）。但是實際的清洗時間只減少了70%左右。在流速達(dá)到0.5 m/s之后，清洗時間隨著流速的增加而減小，漸近線出現(xiàn)在1.5 m/s左右。多年來，1.5 m/s的流速一直被廣泛引用為整個管道系統(tǒng)的目標(biāo)值。如果流速過高，可能會導(dǎo)致“管錘”，也可能會損壞設(shè)備，特別是密封件。

圖3 清洗流速與清洗時間的關(guān)系

值得重點介紹的是一種固定式清潔裝置（圖4），即靜態(tài)噴球裝置。該裝置可以將清洗劑以靜態(tài)模式噴灑到容器、設(shè)備或儲罐的內(nèi)表面（通常是儲罐的上部）。清洗效果更多地依賴于化學(xué)作用、溫度的影響和清洗過程的持續(xù)時間，而不是流速[7]。然而，噴球的設(shè)計隨著科技的發(fā)展，其噴出的清洗液流速大幅度提高，為清洗過程提供便利。

圖4 儲罐上部區(qū)域采用噴球清洗

2.5 清洗時間

一般來說，CIP清洗時間越長，清洗效果就越好。但清洗時間過長，效率的額外提高很小，反而浪費了大量的生產(chǎn)時間。所需清洗時間是很難估計的，這取決于許多因素，包括污垢的結(jié)構(gòu)、堵塞程度、被清洗設(shè)備的類型、清洗劑的特性及其濃度、清洗液的溫度、清洗液在管道中的速度以及清洗液噴灑/噴射對設(shè)備表面的影響。例如，與產(chǎn)品在設(shè)備表面干燥時形成的薄膜相比，潮濕的污垢更易清除。如果工藝操作在過高的溫度下進行，產(chǎn)品粘聚力（污垢-污垢粘結(jié)劑）和粘合力（污垢-表面粘結(jié)劑）都會增加。因此，必須提供更多的化學(xué)能、熱能和機械能，從而增加清洗時間。如表3所示，確定的清洗時間需要在實踐中加以驗證[8]。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著科技的發(fā)展，乳品加工企業(yè)對選擇最佳的加工設(shè)備清洗技術(shù)及綠色化學(xué)清洗劑提出更高的要求。乳品企業(yè)對于清洗劑的選擇要綜合考慮其高需求度和高使用率。這樣不僅可以保障乳品生產(chǎn)的衛(wèi)生與安全，而且促進企業(yè)在激烈的競爭市場當(dāng)中長久地生存以便更好地發(fā)展下去。