盛祥焕
乳制品在加工过程中,生产设备的表面较容易产生奶垢,因此使用后必须及时清洗。本文首先介绍了清洗的标准、乳制品设备及管道表面沉积物及其性质,并分析清洗剂的作用机理,重点阐述了CIP原地清洗的“五步法”和影响清洗效果的四大因素,希望为乳制品生产企业设备设施的清洗提供参考。
在乳制品的生产过程中,有些成分会不可避免地残留在设备表面及管壁上。由于乳及其制品是良好的微生物营养物质,如果清洗不及时或不彻底,必将导致微生物的大量繁殖,进而造成严重污染。如果使用被污染的设备和管道进行生产,势必对产品的质量造成严重影响,所以,设备清洗是乳制品生产过程中不可缺少的程序。本文通过探讨乳制品生产设备的清洗技术要点,希望以此提高乳制品的质量安全水平。
1 清洗的标准
乳制品生产设备设施经过清洗后应达到4种清洁程度,即物理清洁度:除去清洗表面的可见物;化学清洁度:不仅除去全部的可见污物,而且还要除去肉眼不可见的——通过味觉或嗅觉能探测出来的残留物;微生物清洁度:通过消毒获得;无菌清洁度:杀死所有微生物。虽然设备不经过物理或化学的清洗也能达到微生物清洁度,但是先经过物理清洗后,更容易达到微生物清洁度。
2 乳制品设备及管道表面沉积物及其性质
乳制品设备及管道表面沉积物的性质与乳制品的成分密切相关,如物料沉积物、蛋白沉积物、乳结石、变质产品、杂质及来自土壤的物质等。典型的乳制品沉积物及其性质包括以下几点:
①乳糖:溶解于水,易于清洗,但焦化后清洗较为困难;
②脂肪:用含有表面活性剂和碱性溶液的热水进行清洗,聚酯则难以清洗掉;
③蛋白质:最好用碱性溶液处理,酸性溶液处理效果稍差,变形蛋白质则较难清洗;
④乳结石:由矿物质、蛋白质和其他乳成分交替结合而成的沉积物,清洗较为困难;
⑤矿物质:用酸性溶液处理效果较好,但如果沉积并干燥在罐壁上则较难清洗。
3 对清洗剂的要求
清洗分为3个明显阶段:设备表面的污物沉淀被溶解;溶解的污物分散到洗涤剂溶液中;污物保持分散状态,防止再次沉积在设备表面。能满足上述3个明显阶段的有效和速效的洗涤剂必须具有某些化学和物理性能。乳品工业使用的清洗剂需具备如下几项基本性能:
①具有从设备表面除去有机物的能力;
②具有高度的润湿能力,能使洗涤成分渗透到污物沉淀内部,这样就能更快速高效地起作用;
③能把沉淀物分解成小颗粒并使其保持分散状态;
④具有溶解设备表面钙盐沉淀物的能力;
⑤具有把钙盐保留在溶液中的能力;
⑥具有中等产泡能力,而在循环清洗系统中使用的洗涤剂应为低泡型;
⑦无腐蚀能力,不会损坏设备表面;
⑧符合污染控制和安全要求。
4 常用洗涤剂的种类
乳制品生产中,通常选用氢氧化钠(NaOH)溶液和硝酸(HNO3)溶液作为洗涤剂。NaOH溶液对有机污物具有良好的溶解能力,在高温下具有良好的乳化性能(把脂肪转化成水溶液的形式),是一种有效的清洗剂,且价格较低。涉及到热处理工艺时,单用碱性溶液清洗并不足够,这时可用酸液作为一种补充洗涤剂,并在清洗循环中组成一个独立阶段。
5 清洗作用理论
乳品加工设备表面形成的沉积层呈连续的膜状,其中有不溶性蛋白质、低熔点脂肪球、可溶性脂肪球、可溶性乳糖晶粒,以及絮状磷酸钙等。如仅用冷水冲洗,只能从沉积物表面流过,由于脂肪球的保护作用,沉积物不会被侵蚀,用热水冲洗则可以取得较好的效果。
为了使清洗液和沉积物充分接触,必须添加表面活性剂用以降低清洗液的表面张力。蛋白质吸水后会发生轻微膨胀,而水中的碱性洗涤剂能加强蛋白质的溶解,碱的PH值越高,其效果越好。当碱性溶液溶解蛋白质后,沉积物的其他成分便会裸露出来。接着,表面活性剂将会发挥作用——将粘附在表面的脂肪球除掉,同时不溶性的磷酸钙粘附层也将松缓,继而被清洗液中的螯合剂带走。这时,只需要运用适当的机械力冲去剩余的沉积物,并且要采用能够溶解钙的清洗剂,以防止钙盐沉积。
如果用清水冲洗清洗剂洗过的设备表面,粘附在表面上的废液将被稀释。如果清洗剂对洗液中脏物的结合能力不强,脏物可能会在废液稀释的同时再次结絮并重新形成沉积层。这样一来,此举就破坏了清洗的目的,所以清洗剂必须具有分散脏物的能力。
6 清洗的分类
通常而言,清洗方法分为CIP和COP两类。CIP(Clean In Place)即原位清洗/就地清洗,其无需拆卸或打开设备,几乎不需要操作员参与就能对工厂的所有设备或管道进行清洁。CIP的整个清洁过程通常由多个独立清洗步骤组成,在一定流量/压力下,将清洁剂溶液喷射或喷洒到设备表面或在设备中循环。COP(Clean Out of Place)是把設备拆分开来进行清洗的方法,一般指手工清洗、泡沫清洗等,常用于清洗取样阀、入孔、软管、过滤网、垫圈、呼吸阀、进料管、转换件等零部件。实际清洗过程中,CIP只能完成80%~90%的清洗任务,其余10%~20%的清洗任务则要靠COP来完成。
CIP具有多重优点:一是安全标准高,人工流程较少,不需要员工进入缸或其它处理设备,不需要员工直接接触化学品溶液;二是卫生质量高,结果重复性好,有助于消除人为错误;三是成本控制更加合理,生产效率提高,人力开支减少,水、能源、清洁剂、消毒剂等辅助资源控制得到提高。
7 CIP原地清洗的“五步法”
①使用生产用水进行预冲洗,除去大块的、明显的颗粒;
②碱性清洗液循环清洗,去除残留的污垢;
③使用生产用水进行中间冲洗,去除碱性溶液;
④酸性清洗液循环清洗,溶解所结的污垢;
⑤最后使用生产用水进行冲洗,去除酸性溶液。
8 影响清洗效果的四大因素
8.1 清洗的温度
在允许范围内尽量采用高温进行清洗——热本身能发挥洗净效果,但在多数情况下,热主要与其他清洗要素并用起到协和作用。
8.1.1 热的清洗效果
①促进清洗剂成分对污垢起化学反应的效果,一般化学反应是温度每升高10℃,其反应速度加倍,如NaOH对牛乳皮膜污垢的洗净,在32~85℃范围内每升高10℃,其清洗效果提高1.6倍;
②促使污垢熔融,减弱污垢与设备表面的结合而易于污垢脱落,如常温时呈粘性状态的污垢、呈固体状态的机油,以及动植物性脂肪等;
③升温可增大污物成分中的可溶性物質;
④升温能使被清洗物体(如板式换热器的垫圈等)在升温时发生膨润现象,减弱其与污物的结合能力;
⑤清洗液密度增大,粘度降低,可减弱对搅拌流动的阻力,进而提高清洗液的洗净力;
⑥高温还有一定的杀菌效果。
8.1.2清洗过程对热的注意事项
①温度过高,清洗液蒸发剧烈,应避免;
②温度过高,易使蛋白质变性而产生凝固;
③脂肪系统的污垢遇高温或强碱可发生皂化现象;
④清洗剂成分受化学变化或分解而使洗净力降低;
⑤设备及管道发生热应变;
⑥促进对金属的腐蚀和变色。
可以说,温度越高,清洗效果越好,对于一般的罐和管道,通常清洗温度为65~75℃。而一些热交换设备,如巴氏杀菌机、UHT灭菌机等,则对清洗温度要求更高,通常应根据设备要求并结合实际而设定。
8.2 清洗的机械力
层流时不发挥洗净效果,流速达到一定程度后呈湍流状态时表现出洗净效果。液体流动由层流变为湍流时的流速称为临界流速。临界流速的大小因管径、清洗液粘度、温度、压力、管径的光洁度等而异,其中雷诺数是一个重要指数。在临界流速下的雷诺数称为临界雷诺数(Re),根据许多研究的Re=2320,一般层流Re<2000,湍流Re>4000。当雷诺数超过25000时,其清洗效率急剧上升,因此一般清洗管路雷诺数取Re>30000,可获得良好的清洗效率。
8.3 清洗的浓度
设备设施的清洗效果与清洗液的酸碱浓度密切相关,浓度越高,清洗效果越好。当然,越高的浓度对设备设施的腐蚀性也越大。对一般的罐体和管道而言,碱液(NaOH溶液)浓度为1.5%~2.5%、酸液(HNO3溶液)浓度为1%~2%就可以达到较好的清洗效果。
8.4 清洗的时间
清洗的时间越长,清洗效果越好。一般的罐和管道,碱液(NaOH溶液)循环时间为10~20分钟、酸液(HNO3溶液)循环时间为10~20分钟就可以达到较好的清洗效果。
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