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食品工廠設(shè)備清洗及CIP系統(tǒng)
食品加工企業(yè)在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，加工設(shè)備及管道的清洗非常重要。加工設(shè)備及管道在使用后會產(chǎn)生一些沉積物， 如不及時、徹底地清洗將直接會影響產(chǎn)品的質(zhì)量。原地清洗系統(tǒng)（CIP）是一種理想的設(shè)備及管道清洗方法，目前在食品加工企業(yè)，特別在乳制品企業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，并論述了CIP設(shè)備的原理及其清洗劑的清洗效果。
牛乳是一種高營養(yǎng)食品，含有蛋白質(zhì)、脂肪、乳糖、礦物質(zhì)、維生素、酶類等物質(zhì)。在乳制品加工過程中，與牛乳接觸的設(shè)備表面，特別是加熱設(shè)備，易產(chǎn)生各種沉積物，即奶垢。如牛乳濃縮加工過程中，濃縮鍋內(nèi)的加熱管常出現(xiàn)有沉積的焦結(jié)物，這些沉積焦結(jié)物（奶垢）會影響設(shè)備的傳熱效率，使得產(chǎn)品殺菌不徹底，濃縮物蒸發(fā)水分的效率下降，還造成乳固體 的損失； 奶垢又是微生物生長繁殖的良好的培養(yǎng)基。 因此， 食品加工企業(yè)， 加工設(shè)備生產(chǎn)結(jié)束后， 要進(jìn)行 徹底的清洗和消毒， 防止微生物的大量生長繁殖， 保證產(chǎn)品的衛(wèi)生質(zhì)量。
目前CIP系統(tǒng)是一種高效而又方便的設(shè)備清洗系統(tǒng)，CIP（C1ean in P1ace）即原地清洗，是一種不用拆卸設(shè)備、零部件、管道的清洗方法。因此，清洗中不必對設(shè)備和管道進(jìn)行人工擦洗和沖刷，它利用設(shè)備上原有的管道和附件，送入清洗液，通過清洗液的化學(xué)作用、物理作用（如熱溶解、離子交換等作用），以及清洗液在流動時本身產(chǎn)生的機械沖刷作用，從而直接清洗設(shè)備（加工設(shè)備、奶缸等）和管道本身。從而降低了勞動強度，縮短了設(shè)備清洗時間，提高了產(chǎn)品的衛(wèi)生質(zhì)量。經(jīng)CIP清洗后，通過采樣（采設(shè)備死角，管道彎接處）經(jīng)微生物培養(yǎng)，微生物指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)。CIP清洗系統(tǒng)在我國大中型食品企業(yè)己得到較為廣泛的應(yīng)用。
1沉積焦結(jié)物的成分
清洗所使用的工具及清洗劑要根據(jù)沉積焦結(jié)物 的成分和性質(zhì)而定。以乳制品加工企業(yè)為例， 沉積焦結(jié)物－奶垢的成分見表1。
從表1可知， 奶垢的主要成分是蛋白質(zhì)、脂肪和礦物質(zhì)。礦物質(zhì)中主要是鈣和磷， 其次是鎂和鈉；乳糖易溶于水，奶垢中乳糖含量極微。
奶垢的形成過程是，首先以磷鈣為晶核[Ca3（PO4）2 ],然后在此基礎(chǔ)上，以蛋白質(zhì)、脂肪為主的乳固體不斷沉積而形成。
表1牛乳與奶垢的成分
|
成分（%） |
全脂牛乳（100ml） |
奶垢（100g） |
|
|
水分 |
85.5～89.5 |
2.7～2.8 |
|
|
脂肪 |
2.5～6.0 |
3.6～17.7 |
|
|
蛋白質(zhì) |
2.5～5.0 |
4.1～43.8 |
|
|
乳糖 |
3.6～5.5 |
- |
|
|
礦物質(zhì) |
總量 |
0.6～0.9 |
42.0～67.3 |
|
鈣 |
0.08～0.53 |
21.1～34.7 |
|
|
磷酸鹽 |
0.26～0.51 |
17.6～26.7 |
|
|
鎂 |
0.018～ |
17.6～26.7 |
|
|
鐵 |
- |
0.1～0.29 |
|
|
鈉 |
0.068 |
1.4～7.33 |
|
2）清洗劑的選擇
選擇合適的清洗劑以提高清洗效率，乳品工廠 奶垢的清洗性質(zhì)見表2。
表2 乳品工廠內(nèi)奶垢清洗性質(zhì)
|
成分 |
可溶性 |
不加熱 |
加熱 |
|
乳糖 |
易溶于水 |
易清洗 |
焦化后難清洗 |
|
脂肪 |
無表面活性劑，不溶于水、堿液和酸液 |
有表面活性劑條件下，易清洗 |
聚合后難清洗 |
|
蛋白質(zhì) |
難溶于水，稍溶于酸液、易溶于堿液 |
水中難清洗，堿液中交易清洗 |
變形后難清洗 |
|
礦物質(zhì) |
取決于不同的礦物質(zhì)，大部分易溶于酸液 |
比較易清洗 |
沉淀后難清洗 |
從表2可知，奶垢在酸堿液和表面活性劑溶液中易清洗，基于此，乳品工廠常用的清洗劑有堿性情洗劑、酸性清洗劑和表面活性劑。
3 清洗性能
表3 常用清洗劑性能
|
成分 |
乳化性 |
皂化性 |
濕潤性 |
分散性 |
懸浮性 |
軟化性 |
溶解礦物質(zhì) |
漂洗性 |
泡沫型 |
|
|
堿性 |
氫氧化鈉 |
C |
A |
C |
C |
C |
C |
D |
D |
C |
|
硅酸鈉 |
B |
B |
C |
C |
C |
C |
C |
B |
C |
|
|
碳酸鈉 |
C |
B |
C |
C |
C |
C |
D |
C |
C |
|
|
磷酸三鈉 |
B |
B |
C |
B |
B |
A** |
D |
B |
C |
|
|
三聚磷酸鈉 |
A |
C |
C |
A |
A |
A* |
B |
A |
C |
|
|
酸性 |
有機酸 |
C |
C |
C |
C |
C |
A** |
AA |
C |
C |
|
無機酸 |
C |
C |
C |
C |
C |
A** |
AA |
C |
C |
|
|
表面活性劑 |
AA |
C |
AA |
B |
B |
C |
C |
AA |
AAA |
|
注：A—高效，B—中校，C—低效，D—負(fù)作用，**—耐熱，*—螯合作用
從表3看出， 堿性清洗劑中氫氧化鈉、碳酸鈉的乳化性、濕潤性、分散性、懸浮性均較差，說明它洗去蛋白質(zhì)、脂肪的能力低 、溶解無機鹽能力也相當(dāng)差，但它價格低，我國乳品工廠普遍用堿液清洗后，再用酸液清洗。硅酸鈉的乳化性；皂化性、分散性的性能較好，說明洗去蛋白質(zhì)、脂肪的能力也較好，且具有溶解礦物質(zhì)的能力，國外乳品工廠使用較多，它一般與磷酸三鈉、三聚磷酸鈉混合使用。磷酸三鈉、三聚磷酸鈉與其他堿液相比，各項性能都較好，特別對清洗蛋白質(zhì)、脂肪、無機鹽的能力較強 ,國外使用較廣，如生產(chǎn)奶油后，用磷酸鹽清洗，同時還具有殺菌作用，但成本高。
酸性清洗劑具有螯合作用，對礦物質(zhì)清洗性能好，但對蛋白質(zhì)、脂肪的清洗能力較差，因此適宜與堿液清洗劑配合使用 ,其中有機酸包括檸檬酸、醋酸、葡萄糖酸； 無機酸包括硝酸和磷酸。表面活性劑的乳化性、濕潤性、分散性、懸浮性均好，易于清洗蛋白質(zhì)、脂肪，也具有溶解礦物質(zhì)的能力，但它的發(fā)泡性極好， 使用中產(chǎn)生泡沫多，對要求泡沫少的機械化清洗，其清洗效果不理想，
且成本高。
4ＣＩＰ系統(tǒng)
4.1 CIP清洗站
由清洗貯缸、清洗管路、送液回液泵、清洗噴頭和各種控制閥門構(gòu)成。
4.1.1清洗液貯缸：有酸缸、堿缸、熱水缸、清水缸4個。前3個缸均裝有0~100℃溫度傳感器和蒸汽加熱 裝置， 酸缸和堿缸還有清洗液補給裝置， 見圖1。
當(dāng)CIP清洗站工作時， 按照預(yù)先設(shè)定的程序用送 液泵把清洗液泵入要清洗的管道和設(shè)備，再用回液泵把清洗后的洗液送回到清洗液貯缸。在清洗過程中，清洗液的濃度被稀釋，可通過清洗液補給裝置添加相應(yīng)的高濃度介質(zhì)，調(diào)節(jié)清洗液的濃度。
4.1.2清洗管路 可分為送液管路和回液管路，它們連接CIP清洗站和待清洗設(shè)備，組成清洗回路。
4.1.3清洗液過濾裝置 清洗液經(jīng)過對設(shè)備的清洗 后，清洗液中含有奶垢等雜質(zhì)，所以要對其進(jìn)行過濾。過濾裝置通常安裝在接近清洗液貯缸的回液管路上。
4.1.4控制閥門 酸缸、堿缸、熱水缸的進(jìn)出口均采用兩位三通氣動閥門，蒸氣加熱閥和貯液缸的進(jìn)水 閥均采用氣動“O”型切斷閥。
4.1.5送液、回液泵 一般采用離心泵，其噸位由具體情況而定。
4.1.6清洗噴頭 主要有 T型噴頭、環(huán)行噴頭、漏斗狀噴頭、球面狀噴頭和自轉(zhuǎn)式清洗噴頭等類型。安裝在被清洗的容器內(nèi)，在清洗階段，清洗液按工藝要求從噴頭的噴孔噴出，對容器進(jìn)行沖洗。噴孔在噴管上呈螺旋型均勻排列，并要求噴液具有一定的沖力，這樣，當(dāng) CIP工作站工作時，可保證從噴孔噴出的液體沖射到容器內(nèi)的各個角落，提高清洗效果。
5 原地清洗（CIP）程序
根據(jù)清洗設(shè)備和管道中是否包括加熱設(shè)備而有所不同，一般可分為兩類。
5.1 帶有熱表面的巴氏殺菌器和其他設(shè)備管道的原地清洗程序。這一類設(shè)備的清洗過程必須有一個較長時間的酸洗循環(huán)階段，以除去設(shè)備及管道熱表面蛋白質(zhì)的沉積焦結(jié)物 ,其原地清洗程序為： 用清水預(yù)沖洗設(shè)備及管道約 5min;用75℃的堿液（一般用NaOH溶液）循環(huán)15min;用清水沖洗約5min;70℃酸溶液（通常用硝酸溶液）循環(huán)15min;用90℃熱水沖洗約15min。
5.2 不帶熱表面的管道、缸和其它加工設(shè)備的原地 清洗程序為： 用清水預(yù)沖洗約5min; 用75℃堿液循環(huán)約10min;用90℃熱水沖洗約min。
6 影響ｃｉｐ清洗效率的因素
6.1清洗劑
有堿性情洗劑、酸性清洗劑和表面活性劑等來清除設(shè)備表面的沉積焦結(jié)物。選用何種清洗劑應(yīng)根據(jù)表2沉積焦結(jié)物的組成成分和性質(zhì)來決定清洗劑效果。
6.2清洗劑接觸時間
清洗液和設(shè)備、管道的接觸時間長，清洗效果好，但隨接觸時間的延長， 清洗效果趨于平衡， 且其 消耗的能耗和人工都要增加，相應(yīng)地增加了成本。最佳時間的長短要根據(jù)沉積焦結(jié)物的厚度以及清洗液溫度來確定。如凝結(jié)有蛋白質(zhì)的熱交換器板要用堿液清洗，還需用酸液循環(huán)約20min; 而奶罐壁上的牛奶 薄膜用堿液清洗10min就可達(dá)到要求。
6.3清洗溫度
清洗液溫度高，能提高水對沉積焦結(jié)物的溶解度，使物體表面沉積焦結(jié)物分離，還能減少清洗液的黏度，提高雷諾數(shù)Re,清洗效果好；但溫度太高，對管道、設(shè)備有損壞作用，也會造成沉積焦結(jié)物中 的蛋白質(zhì)變性，致使污物與設(shè)備間的結(jié)合力提高；其最佳溫度為70℃。
6.4清洗液濃度
開始時隨濃度增大，清洗效果也相應(yīng)增強，當(dāng)清洗液的濃度超過其臨界濃度時，隨清洗液濃度增大，清洗效果反而下降， 其臨界濃度為1%~2%。
6.5 清洗液流速
清洗液的流速大，清洗效果好，但流速過大，清洗液用量就多，成本增加，因此最佳流速取決于清洗液從層流變?yōu)橥牧鞯呐R界速度，其中雷諾數(shù)（Re）是一個重要指數(shù)。根據(jù)許多研究得知， 臨界速度時Re=2320, 一般 是：層流Re<2000, 湍流Re>4000。按此值考慮其最佳流速為1~3m/s。
6.6清洗壓力
清洗液的壓力越大，其沖擊力就大，清洗作用就越強。常用噴射清洗，它是通過噴嘴把加壓的清 洗液噴射出去，在沖擊力和化學(xué)作用的綜合作用下，沖擊被清洗表面的清洗方法。噴射壓力可分為高壓 （1.0MPa 以上 ）， 中壓 （0.5~ 1.0MPa）， 低壓（0.5MPa以下）。CIP裝置清洗工作壓力 是0.15~0.3MPa, 屬于低壓范圍。在低壓噴射清洗中，化學(xué)清洗起主要作用 , 噴射清洗為輔助作用 ;在高 壓噴射清洗中，化學(xué)清洗起輔助作用，噴射清洗為 主要作用。因此，高壓用水，低壓用化學(xué)清洗液來進(jìn)行清洗。
7 CIP原地清洗系統(tǒng)的發(fā)展前景
CIP原地清洗系統(tǒng)作為一種較為理想的設(shè)備清洗方法，廣泛應(yīng)用于乳品工業(yè)、啤酒、飲料、果汁、藥液、礦泉水等食品、衛(wèi)生工業(yè)企業(yè)， 目前已引伸到表面工程涂裝行業(yè)中。設(shè)備清洗是產(chǎn)品生產(chǎn)過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，提高CIP清洗設(shè)備的應(yīng)用水平 ,是保證產(chǎn)品衛(wèi)生質(zhì)量、提高企業(yè)競爭力的必要條件。 
