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
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
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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
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
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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。编辑:foodnews