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食品工厂设备清洗及CIP系统
食品加工企业在产品生产过程中，加工设备及管道的清洗非常重要。加工设备及管道在使用后会产生一些沉积物， 如不及时、彻底地清洗将直接会影响产品的质量。原地清洗系统（CIP）是一种理想的设备及管道清洗方法，目前在食品加工企业，特别在乳制品企业中的应用越来越广泛，并论述了CIP设备的原理及其清洗剂的清洗效果。
牛乳是一种高营养食品，含有蛋白质、脂肪、乳糖、矿物质、维生素、酶类等物质。在乳制品加工过程中，与牛乳接触的设备表面，特别是加热设备，易产生各种沉积物，即奶垢。如牛乳浓缩加工过程中，浓缩锅内的加热管常出现有沉积的焦结物，这些沉积焦结物（奶垢）会影响设备的传热效率，使得产品杀菌不彻底，浓缩物蒸发水分的效率下降，还造成乳固体 的损失； 奶垢又是微生物生长繁殖的良好的培养基。 因此， 食品加工企业， 加工设备生产结束后， 要进行 彻底的清洗和消毒， 防止微生物的大量生长繁殖， 保证产品的卫生质量。
目前CIP系统是一种高效而又方便的设备清洗系统，CIP（C1ean in P1ace）即原地清洗，是一种不用拆卸设备、零部件、管道的清洗方法。因此，清洗中不必对设备和管道进行人工擦洗和冲刷，它利用设备上原有的管道和附件，送入清洗液，通过清洗液的化学作用、物理作用（如热溶解、离子交换等作用），以及清洗液在流动时本身产生的机械冲刷作用，从而直接清洗设备（加工设备、奶缸等）和管道本身。从而降低了劳动强度，缩短了设备清洗时间，提高了产品的卫生质量。经CIP清洗后，通过采样（采设备死角，管道弯接处）经微生物培养，微生物指标符合标准。CIP清洗系统在我国大中型食品企业己得到较为广泛的应用。
1沉积焦结物的成分
清洗所使用的工具及清洗剂要根据沉积焦结物 的成分和性质而定。以乳制品加工企业为例， 沉积焦结物－奶垢的成分见表1。
从表1可知， 奶垢的主要成分是蛋白质、脂肪和矿物质。矿物质中主要是钙和磷， 其次是镁和钠；乳糖易溶于水，奶垢中乳糖含量极微。
奶垢的形成过程是，首先以磷钙为晶核[Ca3（PO4）2 ],然后在此基础上，以蛋白质、脂肪为主的乳固体不断沉积而形成。
表1牛乳与奶垢的成分
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成分（%） |
全脂牛乳（100ml） |
奶垢（100g） |
|
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水分 |
85.5～89.5 |
2.7～2.8 |
|
|
脂肪 |
2.5～6.0 |
3.6～17.7 |
|
|
蛋白质 |
2.5～5.0 |
4.1～43.8 |
|
|
乳糖 |
3.6～5.5 |
- |
|
|
矿物质 |
总量 |
0.6～0.9 |
42.0～67.3 |
|
钙 |
0.08～0.53 |
21.1～34.7 |
|
|
磷酸盐 |
0.26～0.51 |
17.6～26.7 |
|
|
镁 |
0.018～ |
17.6～26.7 |
|
|
铁 |
- |
0.1～0.29 |
|
|
钠 |
0.068 |
1.4～7.33 |
|
2）清洗剂的选择
选择合适的清洗剂以提高清洗效率，乳品工厂 奶垢的清洗性质见表2。
表2 乳品工厂内奶垢清洗性质
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成分 |
可溶性 |
不加热 |
加热 |
|
乳糖 |
易溶于水 |
易清洗 |
焦化后难清洗 |
|
脂肪 |
无表面活性剂，不溶于水、碱液和酸液 |
有表面活性剂条件下，易清洗 |
聚合后难清洗 |
|
蛋白质 |
难溶于水，稍溶于酸液、易溶于碱液 |
水中难清洗，碱液中交易清洗 |
变形后难清洗 |
|
矿物质 |
取决于不同的矿物质，大部分易溶于酸液 |
比较易清洗 |
沉淀后难清洗 |
从表2可知，奶垢在酸碱液和表面活性剂溶液中易清洗，基于此，乳品工厂常用的清洗剂有碱性情洗剂、酸性清洗剂和表面活性剂。
3 清洗性能
表3 常用清洗剂性能
|
成分 |
乳化性 |
皂化性 |
湿润性 |
分散性 |
悬浮性 |
软化性 |
溶解矿物质 |
漂洗性 |
泡沫型 |
|
|
碱性 |
氢氧化钠 |
C |
A |
C |
C |
C |
C |
D |
D |
C |
|
硅酸钠 |
B |
B |
C |
C |
C |
C |
C |
B |
C |
|
|
碳酸钠 |
C |
B |
C |
C |
C |
C |
D |
C |
C |
|
|
磷酸三钠 |
B |
B |
C |
B |
B |
A** |
D |
B |
C |
|
|
三聚磷酸钠 |
A |
C |
C |
A |
A |
A* |
B |
A |
C |
|
|
酸性 |
有机酸 |
C |
C |
C |
C |
C |
A** |
AA |
C |
C |
|
无机酸 |
C |
C |
C |
C |
C |
A** |
AA |
C |
C |
|
|
表面活性剂 |
AA |
C |
AA |
B |
B |
C |
C |
AA |
AAA |
|
注：A—高效，B—中校，C—低效，D—负作用，**—耐热，*—螯合作用
从表3看出， 碱性清洗剂中氢氧化钠、碳酸钠的乳化性、湿润性、分散性、悬浮性均较差，说明它洗去蛋白质、脂肪的能力低 、溶解无机盐能力也相当差，但它价格低，我国乳品工厂普遍用碱液清洗后，再用酸液清洗。硅酸钠的乳化性；皂化性、分散性的性能较好，说明洗去蛋白质、脂肪的能力也较好，且具有溶解矿物质的能力，国外乳品工厂使用较多，它一般与磷酸三钠、三聚磷酸钠混合使用。磷酸三钠、三聚磷酸钠与其他碱液相比，各项性能都较好，特别对清洗蛋白质、脂肪、无机盐的能力较强 ,国外使用较广，如生产奶油后，用磷酸盐清洗，同时还具有杀菌作用，但成本高。
酸性清洗剂具有螯合作用，对矿物质清洗性能好，但对蛋白质、脂肪的清洗能力较差，因此适宜与碱液清洗剂配合使用 ,其中有机酸包括柠檬酸、醋酸、葡萄糖酸； 无机酸包括硝酸和磷酸。表面活性剂的乳化性、湿润性、分散性、悬浮性均好，易于清洗蛋白质、脂肪，也具有溶解矿物质的能力，但它的发泡性极好， 使用中产生泡沫多，对要求泡沫少的机械化清洗，其清洗效果不理想，
且成本高。
4ＣＩＰ系统
4.1 CIP清洗站
由清洗贮缸、清洗管路、送液回液泵、清洗喷头和各种控制阀门构成。
4.1.1清洗液贮缸：有酸缸、碱缸、热水缸、清水缸4个。前3个缸均装有0~100℃温度传感器和蒸汽加热 装置， 酸缸和碱缸还有清洗液补给装置， 见图1。
当CIP清洗站工作时， 按照预先设定的程序用送 液泵把清洗液泵入要清洗的管道和设备，再用回液泵把清洗后的洗液送回到清洗液贮缸。在清洗过程中，清洗液的浓度被稀释，可通过清洗液补给装置添加相应的高浓度介质，调节清洗液的浓度。
4.1.2清洗管路 可分为送液管路和回液管路，它们连接CIP清洗站和待清洗设备，组成清洗回路。
4.1.3清洗液过滤装置 清洗液经过对设备的清洗 后，清洗液中含有奶垢等杂质，所以要对其进行过滤。过滤装置通常安装在接近清洗液贮缸的回液管路上。
4.1.4控制阀门 酸缸、碱缸、热水缸的进出口均采用两位三通气动阀门，蒸气加热阀和贮液缸的进水 阀均采用气动“O”型切断阀。
4.1.5送液、回液泵 一般采用离心泵，其吨位由具体情况而定。
4.1.6清洗喷头 主要有 T型喷头、环行喷头、漏斗状喷头、球面状喷头和自转式清洗喷头等类型。安装在被清洗的容器内，在清洗阶段，清洗液按工艺要求从喷头的喷孔喷出，对容器进行冲洗。喷孔在喷管上呈螺旋型均匀排列，并要求喷液具有一定的冲力，这样，当 CIP工作站工作时，可保证从喷孔喷出的液体冲射到容器内的各个角落，提高清洗效果。
5 原地清洗（CIP）程序
根据清洗设备和管道中是否包括加热设备而有所不同，一般可分为两类。
5.1 带有热表面的巴氏杀菌器和其他设备管道的原地清洗程序。这一类设备的清洗过程必须有一个较长时间的酸洗循环阶段，以除去设备及管道热表面蛋白质的沉积焦结物 ,其原地清洗程序为： 用清水预冲洗设备及管道约 5min;用75℃的碱液（一般用NaOH溶液）循环15min;用清水冲洗约5min;70℃酸溶液（通常用硝酸溶液）循环15min;用90℃热水冲洗约15min。
5.2 不带热表面的管道、缸和其它加工设备的原地 清洗程序为： 用清水预冲洗约5min; 用75℃碱液循环约10min;用90℃热水冲洗约min。
6 影响ｃｉｐ清洗效率的因素
6.1清洗剂
有碱性情洗剂、酸性清洗剂和表面活性剂等来清除设备表面的沉积焦结物。选用何种清洗剂应根据表2沉积焦结物的组成成分和性质来决定清洗剂效果。
6.2清洗剂接触时间
清洗液和设备、管道的接触时间长，清洗效果好，但随接触时间的延长， 清洗效果趋于平衡， 且其 消耗的能耗和人工都要增加，相应地增加了成本。最佳时间的长短要根据沉积焦结物的厚度以及清洗液温度来确定。如凝结有蛋白质的热交换器板要用碱液清洗，还需用酸液循环约20min; 而奶罐壁上的牛奶 薄膜用碱液清洗10min就可达到要求。
6.3清洗温度
清洗液温度高，能提高水对沉积焦结物的溶解度，使物体表面沉积焦结物分离，还能减少清洗液的黏度，提高雷诺数Re,清洗效果好；但温度太高，对管道、设备有损坏作用，也会造成沉积焦结物中 的蛋白质变性，致使污物与设备间的结合力提高；其最佳温度为70℃。
6.4清洗液浓度
开始时随浓度增大，清洗效果也相应增强，当清洗液的浓度超过其临界浓度时，随清洗液浓度增大，清洗效果反而下降， 其临界浓度为1%~2%。
6.5 清洗液流速
清洗液的流速大，清洗效果好，但流速过大，清洗液用量就多，成本增加，因此最佳流速取决于清洗液从层流变为湍流的临界速度，其中雷诺数（Re）是一个重要指数。根据许多研究得知， 临界速度时Re=2320, 一般 是：层流Re<2000, 湍流Re>4000。按此值考虑其最佳流速为1~3m/s。
6.6清洗压力
清洗液的压力越大，其冲击力就大，清洗作用就越强。常用喷射清洗，它是通过喷嘴把加压的清 洗液喷射出去，在冲击力和化学作用的综合作用下，冲击被清洗表面的清洗方法。喷射压力可分为高压 （1.0MPa 以上 ）， 中压 （0.5~ 1.0MPa）， 低压（0.5MPa以下）。CIP装置清洗工作压力 是0.15~0.3MPa, 属于低压范围。在低压喷射清洗中，化学清洗起主要作用 , 喷射清洗为辅助作用 ;在高 压喷射清洗中，化学清洗起辅助作用，喷射清洗为 主要作用。因此，高压用水，低压用化学清洗液来进行清洗。
7 CIP原地清洗系统的发展前景
CIP原地清洗系统作为一种较为理想的设备清洗方法，广泛应用于乳品工业、啤酒、饮料、果汁、药液、矿泉水等食品、卫生工业企业， 目前已引伸到表面工程涂装行业中。设备清洗是产品生产过程中非常重要的一个环节，提高CIP清洗设备的应用水平 ,是保证产品卫生质量、提高企业竞争力的必要条件。 
