文/張 微 楊國(guó)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(yīng)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(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)，沖刷內(nèi)表面，在化學(xué)力、熱力以及機(jī)械力的作用下達(dá)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(dòng)強(qiáng)度。針對(duì)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(jìn)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(duì)CIP系統(tǒng)進(jìn)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(chǔ)罐與清洗目標(biāo)的間隔次序是有要求的，使用越頻繁且越臟的儲(chǔ)罐應(yīng)與清洗目標(biāo)距離越近。若清洗目標(biāo)的污垢過(guò)重，為保證回收循環(huán)堿液的清潔，可增加一個(gè)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(guò)程的殺菌段清洗會(huì)配置堿液澄清罐。

表1 乳品加工過(guò)程典型污垢特性

圖1 CIP系統(tǒng)配置圖

進(jìn)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?；爻瘫贸藵M足進(jìn)程泵的要求外，為保證清洗效果，還不允許清洗目標(biāo)罐內(nèi)有過(guò)多積液。在清洗分支管道流量瞬時(shí)降低后容易抽空，導(dǎo)致泵體進(jìn)氣從而影響正常運(yùn)行，因此回程泵采用自吸式離心泵，且額定流量一般為進(jìn)程泵的1.10～1.15 倍?？紤]到一條CIP清洗線可能對(duì)應(yīng)多個(gè)清洗流量要求不同的清洗目標(biāo)，建議將進(jìn)程、回程泵選配為變頻控制，根據(jù)清洗目標(biāo)的要求進(jìn)行流量設(shè)定。

2 乳制品加工污垢類(lèi)型

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

3 影響CIP系統(tǒng)清洗效果的要素

清洗劑種類(lèi)、清洗液濃度、清洗溫度、清洗流量、清洗時(shí)間、水質(zhì)以及系統(tǒng)配置是影響清洗效果的7 個(gè)要素。每個(gè)要素都很重要，在實(shí)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(duì)上述7個(gè)要素進(jìn)行控制，在成本、效率、質(zhì)量之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)。

3.1 清洗劑種類(lèi)

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(duì)清洗對(duì)象無(wú)不良影響；（3）質(zhì)量穩(wěn)定；（4）價(jià)格適宜；（5）無(wú)毒害，不會(huì)帶入二次污染。主要的清洗劑有酸、堿兩類(lèi)，若清洗目標(biāo)污垢嚴(yán)重，可適當(dāng)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(yīng)及與蛋白質(zhì)發(fā)生反應(yīng)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(wú)機(jī)鹽，主要采用HNO3。

3.2 清洗液濃度

提高清洗液濃度可以促進(jìn)清洗液與污物之間的化學(xué)作用，增加清洗效果。但是，過(guò)度提高濃度會(huì)造成成本上升，并導(dǎo)致反效果或副作用，如腐蝕、蛋白質(zhì)變性等。清洗過(guò)程中，為了確保清洗液濃度能夠維持在要求范圍，應(yīng)設(shè)計(jì)自動(dòng)添加系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)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(guò)高可能導(dǎo)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(jìn)行；隨著溫度升高，某些清洗液腐蝕設(shè)備能力增強(qiáng)。清洗溫度應(yīng)根據(jù)清洗液的不同而有所區(qū)別，且溫度檢測(cè)應(yīng)安裝在回程管道上，保證清洗目標(biāo)的清洗溫度在要求范圍內(nèi)。

3.4 清洗流量

對(duì)清洗流量的要求其實(shí)是為了保證清洗流速，在清洗過(guò)程中產(chǎn)生一定的機(jī)械力，對(duì)清洗目標(biāo)進(jìn)行沖刷，從而取得清洗效果。

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

根據(jù)美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)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(yīng)低于1.52 m/s；儲(chǔ)罐清洗流量按周邊選擇，每米周長(zhǎng)每小時(shí)1.5～3.5 m3[1]。根據(jù)儲(chǔ)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(shí)間

清洗是一個(gè)過(guò)程，不能瞬間完成。為保證清洗效果，必須保證一定的清洗時(shí)間，不能無(wú)限制縮短時(shí)間。

3.6 水質(zhì)

水的硬度越高，清洗效果越差。這是因?yàn)樗锈}離子、鎂離子會(huì)與清洗劑的化學(xué)基團(tuán)形成難溶化合物，導(dǎo)致清洗困難。乳制品加工廠的清洗用水總硬度（以CaCO3計(jì)）不宜高于70 mg/kg。

3.7 系統(tǒng)配置

除上述因素外，清洗液儲(chǔ)罐的布置順序、管路的設(shè)計(jì)安裝、以及清洗目標(biāo)的表面粗糙度等也會(huì)對(duì)清洗效果產(chǎn)生較大影響。

清洗儲(chǔ)罐順序建議按圖1進(jìn)行布置，干凈的清洗液儲(chǔ)罐遠(yuǎn)離清洗目標(biāo)。假如將回收水罐布置于最遠(yuǎn)端，其與熱消毒罐之間會(huì)產(chǎn)生清洗死角，在熱水消毒過(guò)程中，該段死角內(nèi)的污水就會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)，造成污染（圖2），酸洗、堿洗程序也存在同樣的問(wèn)題。

管路設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免T型接頭，如不可避免，則對(duì)T型管的長(zhǎng)度（L）與管徑（D）的比例進(jìn)行限制，ASME BPE推薦L/D＜2，國(guó)內(nèi)乳制品加工廠一般采用L/D＜1.5。常見(jiàn)管路設(shè)計(jì)缺陷、對(duì)策及示意圖見(jiàn)表2。

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

4 CIP系統(tǒng)運(yùn)行控制

圖2 儲(chǔ)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(guò)程主要包括9 個(gè)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(duì)目標(biāo)進(jìn)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(biāo)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(jiàn)管路設(shè)計(jì)缺陷及對(duì)策

表3 CIP系統(tǒng)清洗參數(shù)

4.2 一般清洗參數(shù)要求

對(duì)于乳制品生產(chǎn)企業(yè)，一般CIP系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)根據(jù)清洗目標(biāo)功能分為3 個(gè)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(xì)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(jiàn)表3，表中數(shù)據(jù)范圍較大，特別是清洗時(shí)間，這是因?yàn)槊恳粋€(gè)區(qū)的CIP系統(tǒng)清洗目標(biāo)不同，污垢程度、距離清洗站的遠(yuǎn)近等也不同，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，并驗(yàn)證清洗效果。

4.3 CIP系統(tǒng)清洗效果驗(yàn)證

4.3.1 驗(yàn)證頻次

CIP清洗系統(tǒng)在下列情況時(shí)需進(jìn)行效果驗(yàn)證：新系統(tǒng)正式投入運(yùn)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(shí)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(lèi)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(jìn)行效果驗(yàn)證的情況。若無(wú)相關(guān)變更，建議每年至少進(jìn)行一次CIP清洗效果驗(yàn)證。

表4 CIP系統(tǒng)清洗驗(yàn)證方法及標(biāo)準(zhǔn)

4.3.2 驗(yàn)證內(nèi)容

根據(jù)清洗目標(biāo)的清潔狀況、化學(xué)殘留等驗(yàn)證CIP系統(tǒng)的清洗參數(shù)（如時(shí)間、流量、濃度、溫度）是否合理。取樣點(diǎn)的選取必須能支撐驗(yàn)證有效，建議從以下兩個(gè)方面進(jìn)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(diǎn)是清洗驗(yàn)證的基礎(chǔ)，首先確定生產(chǎn)過(guò)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(cè)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(yàn)證方法及標(biāo)準(zhǔn)

按照標(biāo)準(zhǔn)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(lèi)，即化學(xué)品、生產(chǎn)污垢和微生物。各殘留物的清洗驗(yàn)證方法見(jiàn)表4。

4.4 CIP系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量控制

CIP系統(tǒng)的質(zhì)量控制主要包括3 個(gè)方面：清洗參數(shù)合理性、清洗參數(shù)檢測(cè)準(zhǔn)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(yàn)證過(guò)程進(jìn)行參數(shù)的確認(rèn)和變更，以保障清洗參數(shù)的合理性。

4.4.2 清洗參數(shù)準(zhǔn)確性

清洗參數(shù)在通過(guò)效果驗(yàn)證確定下來(lái)后，一段時(shí)間內(nèi)是相對(duì)穩(wěn)定的，不需要頻繁進(jìn)行修改。接下來(lái)對(duì)清洗參數(shù)檢測(cè)的準(zhǔn)確性就直接關(guān)系到系統(tǒng)的運(yùn)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(dǎo)率、時(shí)間）一般需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并形成記錄，以便在系統(tǒng)異常時(shí)查詢?cè)?，杜絕問(wèn)題再次發(fā)生。為保證參數(shù)的準(zhǔn)確性，需要定期對(duì)儀表進(jìn)行校準(zhǔn)?？蛇x擇有資質(zhì)的校驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)，也可以公司內(nèi)部自己校準(zhǔn)，內(nèi)部校驗(yàn)要求見(jiàn)表5。

4.4.3 清洗系統(tǒng)衛(wèi)生控制

為保證清洗儲(chǔ)罐以及管道自身的衛(wèi)生要求，必須定期對(duì)CIP系統(tǒng)進(jìn)行自清洗，并對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行排污。清洗要求見(jiàn)表6。

4.5 CIP系統(tǒng)運(yùn)行成本控制

運(yùn)行成本主要包括2 個(gè)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(dǎo)致的電、蒸汽耗用等。運(yùn)行成本控制主要是清洗時(shí)間的優(yōu)化控制以及清洗等待時(shí)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(jìn)行了回收，也有部分因?yàn)樗南♂寣?dǎo)致回收電導(dǎo)率達(dá)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(dǎo)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(chǔ)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(jìn)行（如圖4左所示），這樣界面小，混合稀釋的部分少。通過(guò)控制清洗閥門(mén)的切換時(shí)間并配合進(jìn)程、回程泵的起停時(shí)間可控制界面在管道內(nèi)，而不是進(jìn)入儲(chǔ)罐。

通過(guò)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(huì)被回收到回收水罐中用作第一道預(yù)沖洗用水。對(duì)這兩個(gè)步驟中水的回收能夠保證預(yù)沖洗用水。一般對(duì)酸切換過(guò)程（酸頂水、水頂酸步驟）的用水是不進(jìn)行回收的，因?yàn)橐坏┧嵋哼^(guò)量導(dǎo)致預(yù)沖洗水呈酸性，便會(huì)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(yàn)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(gè)方面，清洗時(shí)間和清洗等待時(shí)間。在保證清洗效果的前提下，應(yīng)盡量縮短清洗時(shí)間。清洗等待時(shí)間指CIP系統(tǒng)運(yùn)行后等待升溫以及電導(dǎo)率滿足要求的時(shí)間，不包括停機(jī)等待時(shí)間。一般生產(chǎn)管道是不進(jìn)行保溫的，因此管道過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致散熱損失增大，使得回程溫度長(zhǎng)時(shí)間達(dá)不到要求，可以通過(guò)適當(dāng)升高進(jìn)程溫度及增加流量來(lái)減短升溫時(shí)間。酸頂水或堿頂水后，電導(dǎo)率可能較長(zhǎng)時(shí)間達(dá)不到要求，從而無(wú)法進(jìn)入循環(huán)清洗步驟，這是因?yàn)榍逑茨繕?biāo)的分支管路分步頂水導(dǎo)致清洗液濃度降低或液面分界未在管道內(nèi)而是進(jìn)入了清洗儲(chǔ)罐中，通過(guò)設(shè)置分支管路頂水步驟的同時(shí)性和控制交換界面可有效解決此問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

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(kāi)始干預(yù)，并在后期運(yùn)行中對(duì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。在CIP系統(tǒng)清洗質(zhì)量、效率以及成本之間尋找平衡點(diǎn)，以達(dá)到CIP系統(tǒng)的最優(yōu)化運(yùn)行。