流體食品CIP清洗設計原則與改進分析探討

姚志敏

（上?？弟S化工科技有限公司，上海，201106）

隨著自動化設備的發展，CIP清洗系統的自動化控制水平越來越高，使得CIP成為了方便快捷的清洗技術，清洗效果良好。但這也讓我們過于盲目信任其功能，從而忽略了基本的定期檢查和測試工作，給產品質量留下了嚴重隱患。

調查分析CIP清洗設計存在的缺陷并找出合理有效解決方案，成為日常質量控制的重點關注點之一。

1 CIP清洗設計與缺陷改進分析

根據CIP系統清洗設計原則，從硬件設備安裝集成與清洗程序合理有效兩方面分析現系統的缺陷與改進措施。

1.1 材質選型

食品行業設備材質選型，如管路、泵、洗球、密封墊圈、閥門、罐體、儀器儀表等，需達到衛生設計的要求?；贓HEDG Guidedlines原則：材料需遵循無毒、無吸收性、抗腐蝕性，考慮預期使用條件（設備清潔與滅菌程序設定的時間、溫度和濃度等的極限值），其他相關因素如機械物性、易施工性、焊接品質、硬度和費用等亦需納入材料選用的參考因素。例如：一般部分與食品接觸設備通常選用AISI-304不銹鋼或易焊接的 AISI-304L低碳鋼作為金屬材質；AISI-316不銹鋼材料可應用在閥門、泵、旋轉葉片和軸心等。

在ASME BPE設計原則中: SD部分也明確了（無毒、無吸收性、耐腐蝕等）清洗設計原則要求，產品區域內所有的O-環形、密封件和墊圈應符合CIP清潔介質和消毒介質和條件（如人造耐蒸汽橡膠/氟石橡膠）；不銹鋼316、316L或更高等級的材質（AL6XN,2205）均符合要求；非金屬材質時(如塑料、人造橡膠或黏合劑)，需符合FDA, 21CFR, 177和USP 88部分VI章節等要求。

1.2 設計安裝

基于EHEDG Guidedlines及ASME BPE設計原則，食品行業設備，如管路、泵、密封墊圈、閥門、罐體、儀器儀表等，安裝需達到衛生設計的要求，包括連接處光滑度，整體利于排水，減少變徑與彎頭設計、泵頭排氣、減少卡箍或活結安裝，如表1所示。CIP管路流向上存在支路系統可通過支路的長徑比（L/D）來判定清洗死角（一般推薦L/D比值＜2，如圖1為合理設計）。

圖1 CIP管路支路的長徑比

表1 設計原則與不合理設計示例

1.3 CIP清洗四要素的相關性

1.3.1 機械力(泵流量)的合理匹配

1.3.1.1 管路清洗原則

雷諾數是判別流動特性的依據，如在管流中，雷諾數小于2300的流動是層流，雷諾數等于2300～4000為過渡狀態，雷諾數大于4000時是湍流。雷諾數按照式（1）計算：

式中：v、ρ、μ分別為流體的流速、密度與黏性系數；d為一特征長度。

雷諾數較小時，黏滯力對流場的影響大于慣性，流場中流速的擾動會因黏滯力而衰減，流體流動穩定，為層流；若雷諾數較大時，慣性對流場的影響大于黏滯力，流體流動較不穩定，流速的微小變化容易發展、增強，形成紊亂、不規則的紊流流場。

基于流體食品黏性特點、產品密度與雷諾系數達到湍流條件的綜合因素，行業內管路清洗流速需達到1.5～2.0 m/s的要求范圍，才能達到良好的機械沖刷力，流速與流量、管徑參照圖見圖2，管路清洗流量計算公式見式（2）：

式中：Q管為管路清洗所需流量，t/h；R為管路半徑，mm；v為不同管徑達到湍流狀態的流速，m/s。

圖2 流速與流量、管徑參照圖

1.3.1.2 罐體清洗原則

對于罐體內壁的清洗，依靠噴淋球帶來的清洗液在罐內壁形成的液層與污垢作用，并及時隨液層流動帶走污垢來實現清洗的目的；不同應用場景下，因污垢程度、罐體尺寸等實際參數不同，所需的清洗液流量也不同，罐體清洗流量計算公式見式（3）。式（3）中，I（清洗難度基數）是基于食品行業污垢特點與罐內壁所需清洗液液層體積量的實測統計數據驗證而得出的推薦參考值。

Q罐—罐體清洗所需流量 （L/h）；

D—罐體直徑（m）；

I—清洗難度基數（輕度：25～27，中度：27～30，重度：30～32 L/(min·m罐周長）。

1.3.2 污垢類型與清洗劑性能的合理選擇

以85～90℃為限，將食品接觸表面分為熱處理表面和冷處理表面，考慮到CIP清洗的難度，這里主要討論較難清洗的熱處理表面，例如巴式殺菌機、超巴式殺菌機、超高溫瞬時殺菌機等，其污垢主要由礦物質鹽類、變性蛋白質、聚合的脂肪和焦糖素以及產品的殘渣組成，如圖3所示，其中污垢特性見表2。

圖3 污垢結構示意圖

表2 污垢組分特性

清洗劑作用機理為：

（1）溶解作用：糖溶于水中，蛋白質、脂肪及電解質、無機鹽部分溶于水中。

（2）機械作用：由運動而產生的作用（攪拌、噴射、流速產生的壓力和磨擦力）。

（3）表面活性作用：水、油相溶（含濕潤、乳化、分散、溶解、起泡）。

（4）化學作用：酸堿的溶化（堿與油脂的皂化反應，酸對無機鹽的溶解和螯合作用）。

（5）酶的作用：酶具有分解作用（淀粉酶對淀粉的分解作用）。

常見清洗劑組分的化學性質如表3所示。

表3 常見清洗劑組分的化學特性

基于表3中部分常用清洗劑組分的特點，以配方化學為基礎的復配清洗劑應運而生，大幅度地改善清洗性能，提高清洗效率。以使用堿性清洗劑為例，清洗過程如圖示4所示：①潤濕表面，以更好地與清潔劑接觸；②蛋白質吸水后膨脹，堿加強它的膨脹，最后溶解蛋白質（pH值越高，效果越好)；③脂肪被皂化并溶解；④Ca2+被螯合劑結合后溶解；⑤最后需用適度的機械力去沖洗殘余物。

圖4 污垢在堿液中溶解的過程圖

1.3.3 清洗溫度與污垢的關系

清洗溫度與結垢程度、清洗效果關系如圖5、圖6所示。

圖5 結垢程度與溫度的關系

圖6 清洗效果、腐蝕程度與溫度的關系

由圖5可見，蛋白質隨溫度升高，其呈拋物線狀態變化；而無機鹽隨溫度升高，積垢越嚴重。

由圖6可知：①HNO3隨溫度的升高，腐蝕作用加大，而清洗效果趨于平穩；因此 HNO3清洗溫度不宜過高：應選取 60～90℃。②NaOH 隨溫度的升高，腐蝕能力趨于平穩，而清洗效果加大；因此 NaOH清洗溫度在設備材質容許的范圍內，越高越好，UHT 一般取 85～138℃左右。

綜上所述，在不同溫度下，不同污垢在熱處理表面的附著狀態不同，所以需要綜合考慮復合清洗劑的性能特點與清洗溫度綜合作用才可以達到良好清洗效果，同時也可最大程度降低腐蝕風險。

1.4 清洗死角排查與分析

隨著可視化的紅外測溫技術的發展，精確的溫度色差值已被用來排查和確認清洗項目系統所存在的清洗死角（如圖7所示的存在氣泡不滿管現象，死水點等）。

圖7 清洗死角的排查示意圖

1.5 清洗驗證方法

CIP清洗驗證主要從有效性和安全性去考慮，如圖8所示。食品行業對于清洗驗證而言，需要根據實際清洗項目（如人孔蓋、下料管內側、攪拌槳葉、支架、洗球伸入桿、排氣帽、取樣口、罐底錐面、緩沖管、過濾器、平衡桶、儀表探頭、轉換板、閥陣閥腔等）的設備構造特點，選取驗證部位與取樣點進行效果驗證。驗證技術有很多，包括ATP熒光測試，蛋白質檢測拭子，溶解性固形物(TDS），黑光燈等。

圖8 CIP清潔驗證

目前ATP熒光檢測技術使用在食品清洗效果驗證方面越來越廣泛，ATP清洗驗證方案的建立就顯得尤為重要，包括如下幾個方面。

（1）基于風險分析采樣位點確定原則

包括對終產品或結果的影響顯著程度及表面的清洗難易程度。

（2）基于統計學意義建立參考數據的收集

從客戶現場自定義、清洗行業經驗及國家相關標準3個方面進行收集整合數據資料；

（3）基于實際可行與可操作性原則

設定RLU（熒光強度）可行性限值。如食品接觸面一般將限值定于10；小于10一般認為是潔凈表面；10～30為可疑區間，需重復檢測或清洗；大于30即為非潔凈表面。

（4）基于風險分析確立檢測頻率

與采樣位點的風險程度相關，高風險區域為每次清洗后檢測。

（5）糾偏措施

合格：被測表面/設備投入使用。

可疑區間：低風險區—下次清洗再檢測，必要時重新清洗；高風險區—重新清洗，重新檢測。

不合格：重新清洗，重新檢測。

2 結論

基于合理基礎的材料選擇與精益求精的工業設計疊加，通過對清洗程序要素的合理整合，能提高清洗設計的合理有效性，將潛在的設計缺陷降低到可預期的最低程度，從而為后續取得良好的清洗效果奠定基礎。