1、CIP在啤酒生產(chǎn)中的運(yùn)用和管理金星集團(tuán)信陽(yáng)啤酒有限公司 黃華龍 4651001. 原位清洗系統(tǒng)的定義 原位清洗系統(tǒng)是采用一系列的清洗劑和消毒劑，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備、裝置和管道，在無(wú)須進(jìn)行拆卸和安裝就能進(jìn)行周期清洗和消毒的系統(tǒng)。CIP系統(tǒng)配置包括清洗站、循環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、執(zhí)行裝備和控制系統(tǒng)。清洗劑站是各種清洗、消毒劑的調(diào)配、過(guò)濾、加熱、貯存體系；循環(huán)調(diào)節(jié)體系包括高壓輸送泵、輸送管道和回流泵等；執(zhí)行裝備是指在設(shè)備中預(yù)先安裝好的清洗器，如噴嘴、洗球、回轉(zhuǎn)式洗臂等；控制系統(tǒng)是通過(guò)微機(jī)電腦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制裝置，包括電腦、控制柜及監(jiān)測(cè)儀器、氣動(dòng)閥等。2. 清晰的目的和作用 無(wú)菌釀造技術(shù)是現(xiàn)在啤酒生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。為

2、保證成品啤酒的微生物穩(wěn)定性，應(yīng)盡量避免和減少釀造過(guò)程中微生物的污染。實(shí)現(xiàn)啤酒的無(wú)菌化釀造，首先應(yīng)保證呢過(guò)啤酒生產(chǎn)設(shè)備的清潔衛(wèi)生，因此即使有效地清洗啤酒生產(chǎn)設(shè)備，同時(shí)進(jìn)行消毒盒殺菌，是啤酒無(wú)菌釀造的保障。 使用CIP清洗系統(tǒng)的目的：一是清洗設(shè)備，去除污物；二是去除和殺死污染的微生物，減少雜菌污染概率。 CIP系統(tǒng)對(duì)啤酒釀造的衛(wèi)生管理意義重大，主要原因有以下幾點(diǎn)：1) 現(xiàn)代啤酒釀造流程比較復(fù)雜，管路和設(shè)備眾多，設(shè)備衛(wèi)生管理點(diǎn)多、難度大，CIP系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備清潔無(wú)菌的唯一有效途徑；2) 在啤酒生產(chǎn)過(guò)程中，糖化醪、麥汁、發(fā)酵液和清酒等物料營(yíng)養(yǎng)成分比較全面，容易成為污染微生物的營(yíng)養(yǎng)源，而且這些物料有一定

3、的黏度，容易黏附在設(shè)備表面；3) 流體與設(shè)備表面接觸后，由于表面吸附、溫度及化學(xué)作用的影響，將在設(shè)備表面結(jié)垢，成為污染菌生長(zhǎng)繁殖的溫床，是CIP清洗的重點(diǎn)。生產(chǎn)過(guò)程中，麥汁和啤酒中的蛋白質(zhì)、脂肪顆粒、酵母細(xì)胞、酒花樹(shù)脂、草酸鈣及其他鹽類容易附著并沉積在設(shè)備和管道內(nèi)表面，設(shè)備內(nèi)表面會(huì)變得更加粗糙，增加清洗難度；4) 設(shè)備焊接處、連接處及管道彎頭、閥門等處容易藏污垢，而且粗糙的設(shè)備內(nèi)表面也會(huì)增加污物的吸附力。污染微生物易在沉積污物里面和表面生存繁殖，因此對(duì)設(shè)備進(jìn)行及時(shí)有效的清洗是非常重要的，同時(shí)再結(jié)合殺菌劑才能確保設(shè)備的無(wú)菌要求；5) 現(xiàn)在CIP系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的清洗和殺菌，并可針對(duì)不同現(xiàn)象不

4、同清洗要求選擇不同的CIP工藝，為啤酒廠高效安全生產(chǎn)提供保障。3. 啤酒廠的CIP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求1) 啤酒廠對(duì)物料接觸設(shè)備和管路清洗的要求 物理清潔度：指被清洗表面不存在感官能感受到的污垢、酒石結(jié)晶等。 細(xì)菌學(xué)清潔度：經(jīng)過(guò)清洗、消毒后，被清洗表面或最后殘余清水中，污染細(xì)菌濃度低于工藝控制標(biāo)準(zhǔn)值。如啤酒發(fā)酵罐、酵母擴(kuò)陪罐、清酒罐等，最后殘余洗滌水中總細(xì)菌數(shù)1個(gè)/10ml。 化學(xué)潔凈度：被清洗表面上，清除一切化學(xué)污染物，特別不許殘留清洗劑，PH應(yīng)為6.87.22) 發(fā)酵設(shè)備表面污垢的形成機(jī)理a) 發(fā)酵罐設(shè)備表面污垢的組成 流體與設(shè)備表面接觸后，由于表面吸附、溫度及化學(xué)作的用影響，將在設(shè)備表面結(jié)垢，

5、成為污染菌生長(zhǎng)繁殖的溫床，是CIP清洗重點(diǎn)。設(shè)備表面污垢的最終組成取決于物料的化學(xué)組成，通常有兩種組分： 一是有機(jī)成分：在高溫及表面吸附的作用下，高分子蛋白質(zhì)、多酚、酒花樹(shù)脂等成分聚合于表面成為啤酒廠常見(jiàn)污垢的一種。由于大多數(shù)高分子有機(jī)物可以被堿水解，所以堿洗工藝在現(xiàn)代CIP工藝中占很大比例。 二是無(wú)機(jī)物組分：主要由水中離子及外加的鈣、鎂離子等導(dǎo)致的。常見(jiàn)化學(xué)反應(yīng)包括：Ca2+2HCO3-CaCO3+H2O+CO22NaOH+Ca（HCO3）2CaCO3+Na2CO3+H2OCa2+C2H2O4Ca(C2O4)2+2H+ 可見(jiàn)，通常見(jiàn)到的無(wú)機(jī)污垢主要是碳酸鈣及草酸鈣。其中草酸鈣組分在釀造過(guò)程中

6、是不可避免發(fā)生的，而碳酸氫鈣組分在啤酒生產(chǎn)過(guò)程中主要由三個(gè)來(lái)源:釀造水中較高的暫時(shí)硬度；生產(chǎn)用堿中有碳酸氫鈣成分；堿洗過(guò)程中發(fā)酵設(shè)備內(nèi)殘留二氧化碳。 因此，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)對(duì)釀造水進(jìn)行除垢，如在水管路上安裝電子除垢儀，降低水的暫時(shí)硬度，減少結(jié)垢。 設(shè)備表面結(jié)垢的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：i. 污垢大幅度降低器壁的傳熱系數(shù)，影響熱消毒效果，增加能量消耗；ii. 污垢的生成使表面粗糙度增加，不利于清洗、滅菌及質(zhì)量管理；iii. 表面受熱結(jié)垢以后，如不及時(shí)清洗，會(huì)加速沉積物形成，表面粗糙度將進(jìn)一步加大；iv. 表面粗糙的污垢，為啤酒腐敗菌如足球菌、乳酸菌等提供了容身之所，嚴(yán)重的結(jié)垢會(huì)使清洗、消毒操作

7、失敗，不利于微生物管理。 因此，設(shè)備清洗需要投入大量的人力、物力、時(shí)間對(duì)設(shè)備表面的污垢進(jìn)行徹底清洗、滅菌，在CIP工藝制定時(shí)，認(rèn)真考慮各種設(shè)備結(jié)垢的原因及污垢的種類，選用適當(dāng)?shù)乃嵯椿驂A洗劑，適時(shí)清洗，達(dá)到去除污垢的目的。b） 設(shè)備粗糙度Ra值與污物的附著 在生產(chǎn)過(guò)程與物料接觸的金屬表面沉積的污垢，受靜電力等作用與金屬表面具有一定的吸附能量，該能量的大小與金屬表面粗糙度有關(guān)。國(guó)際統(tǒng)一的方法，以Ra來(lái)表示。其物理意義是在取長(zhǎng)度L內(nèi)，斷面輪廓偏距Y的絕對(duì)值得算術(shù)平均值，其近似值為：Ra=1/nYi 從上式得知，Ra值越大，表示金屬表面越粗糙，污垢與金屬表面間吸附力越強(qiáng)，清洗越困難。 由于顆粒的附著力

8、遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其重力作用，微生物菌體和顆粒被牢固地吸附在物體表面。要求生產(chǎn)設(shè)備的表面粗糙度Ra必須小于微生物菌體和污物顆粒的直徑，否則污物容易隱藏在裂縫中難以清洗去除。未加工的金屬表面，Ra=4.5um，如熱軋鋼板成形后，表面不經(jīng)過(guò)處理，污垢就很難清洗掉。冷沖壓或爆炸形成的金屬表面Ra=1.6um，其表面也必須經(jīng)過(guò)拋光處理，才能達(dá)到食品生產(chǎn)的要求。 對(duì)于無(wú)菌釀造設(shè)備，要求設(shè)備的表面應(yīng)該具有較高的潔凈度，其裂縫直徑應(yīng)小于細(xì)菌、酵母和霉菌的大小。用于食品生產(chǎn)的設(shè)備，其表面粗糙度要求Ra1um，醫(yī)藥設(shè)備要求Ra0.5um。現(xiàn)代化啤酒廠對(duì)設(shè)備表面粗糙度的要求已達(dá)到醫(yī)藥設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，這是實(shí)現(xiàn)無(wú)菌釀造的基礎(chǔ)，是達(dá)

9、到純生化管理的前提條件。3) 影響CIP清洗效果的主要因素影響CIP清洗效果的四大因素:a) 清洗劑組分的化學(xué)作用力:提高清洗劑濃度，化學(xué)能增加。b) 清洗溫度:提高清洗劑溫度，其熱力作用力增加，將促進(jìn)污染物與污染表面的物理結(jié)合力下降；降低清洗劑的黏度，提高雷諾數(shù)；提高污染物與清洗劑的化學(xué)反應(yīng)速度；提高清洗劑對(duì)污染物的溶解度。c) 沖刷強(qiáng)度：又稱機(jī)械作用力，由兩方面組成：一是清洗劑噴射力對(duì)污染物的機(jī)械撞擊力；二是由清洗劑流量、流速、清洗表面積、黏度等因素構(gòu)成的雷諾數(shù)決定。d) 清洗時(shí)間:清洗效果隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大，清洗時(shí)間與沖洗強(qiáng)度、清洗劑的組分及濃度和溫度相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，沖洗強(qiáng)度大，清洗劑的濃

10、度高，所需的清洗時(shí)間短。溫度提高，清洗劑的化學(xué)反應(yīng)速度加快，如在65°C前溫度每升高10°C化學(xué)反應(yīng)提高1.52倍，可減少1/2的清洗時(shí)間。 清洗劑的濃度、清洗溫度、清洗時(shí)間及機(jī)械作用力四因素對(duì)清洗效果的影響，在清洗劑的組分相同條件下，其綜合評(píng)價(jià)如下圖所示： 圖-1：CIP清洗效果的影響圖4) 不同CIP噴淋方式比較由上圖-1可知，機(jī)械作用力對(duì)清洗效果影響最大。提高清洗劑的機(jī)械撞擊力和流體的雷諾系數(shù)可以提高機(jī)械作用力。 清洗劑噴射力對(duì)污物的機(jī)械撞擊力首先決定于清洗劑的噴射壓力。一般在0.150.6MPa，隨著噴射壓力的提高，洗凈效果增強(qiáng)，但如果繼續(xù)提高，液體會(huì)形成霧狀，洗滌

11、效果反而下降。 其次，機(jī)械撞擊力和噴淋裝置有密切關(guān)系。（圖-2）是不同噴淋裝置的洗罐方式的對(duì)比。 從圖-2可以看出，機(jī)械撞擊力從大到小依次為：旋轉(zhuǎn)噴射頭>旋轉(zhuǎn)噴淋頭>固定噴淋球。顯然旋轉(zhuǎn)噴射頭的機(jī)械清洗效果最顯著，清洗效率最高。達(dá)到相同洗滌效果時(shí)，旋轉(zhuǎn)噴淋頭洗滌時(shí)間為固定噴淋球的7075%，旋轉(zhuǎn)噴射頭洗滌時(shí)間為固定噴淋球的4045%；在相同的溫度下，旋轉(zhuǎn)噴射頭可以采用更低濃度的清洗劑。 固定噴淋球 旋轉(zhuǎn)噴淋頭 旋轉(zhuǎn)噴射頭 圖-2： 不同噴淋裝置的洗罐方式的對(duì)比。5) CIP清洗過(guò)程的流體力學(xué) 液體介質(zhì)在管道中的流動(dòng)形式可分成層流和湍流兩種不同的類型。 在較低的流動(dòng)速度下，存在層流形

12、式，即介質(zhì)的全部質(zhì)粒沿著同一方向流動(dòng)，形成臨界層，這種流動(dòng)形式被稱作層流。隨著流動(dòng)速度的提高，達(dá)到某一極限時(shí)，流動(dòng)情況發(fā)生改變，流動(dòng)變成湍流，即質(zhì)粒不僅在流動(dòng)方向上運(yùn)動(dòng)，在垂直方向上也存在分量。在流動(dòng)方向上介質(zhì)的速度分布近似于常數(shù)，同時(shí)，在管道表面也形成不存在物質(zhì)傳遞的臨界層（不包括擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。質(zhì)粒在垂直于流動(dòng)方向上的運(yùn)動(dòng)分量，一方面使滯流層明顯變薄，另一方面在整個(gè)截面上達(dá)到平衡。這種流動(dòng)形式被稱作湍流，此時(shí)的刷洗效果明顯優(yōu)于層流。可以從下述參數(shù)來(lái)促進(jìn)從層流到湍流的轉(zhuǎn)變；較高的流動(dòng)速度；較大的流動(dòng)速度；較大的管道直徑，需增加流量配合。當(dāng)流量一定時(shí)，管徑增加，流量降低，雷諾數(shù)降低；較低的運(yùn)動(dòng)粘度

13、。 從這些參數(shù)中可以得到無(wú)量綱的相似特性參數(shù)（雷諾數(shù)Re），借助參數(shù)可以評(píng)價(jià)流動(dòng)狀況。 對(duì)于管路，可以用下列公式確定雷諾數(shù)Re： Re=du/式中d、u、分別為管路的直徑、流體的流速、流體的密度與在應(yīng)用溫度下介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)黏度。 流體在圓形管道內(nèi)的流動(dòng)，Re<2000時(shí)屬于層流；Re>4000時(shí)則一般為湍流。Re在2000至4000之間時(shí)，流體處于一種過(guò)渡狀態(tài)，可能是層流也可能是湍流或是二則交替出現(xiàn)，為外界條件所左右；在管道入口處，流道彎曲或直徑改變，罐壁粗糙，或有外來(lái)的輕微震動(dòng)，都會(huì)出現(xiàn)湍流。至少Re>4000時(shí)才能保證出現(xiàn)湍流。為了達(dá)到更好的清洗效果，應(yīng)使Re>3000，因?yàn)檫@樣的