CIP在啤酒生產(chǎn)中的運用和管理

1、CIP在啤酒生產(chǎn)中的運用和管理金星集團信陽啤酒有限公司 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，對生產(chǎn)設(shè)備、裝置和管道，在無須進行拆卸和安裝就能進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)是通過微機電腦系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制裝置，包括電腦、控制柜及監(jiān)測儀器、氣動閥等。2. 清晰的目的和作用 無菌釀造技術(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程中微生物的污染。實現(xiàn)啤酒的無菌化釀造，首先應(yīng)保證呢過啤酒生產(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，同時進行消毒盒殺菌，是啤酒無菌釀造的保障。 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)對啤酒釀造的衛(wèi)生管理意義重大，主要原因有以下幾點：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)生管理點多、難度大，CIP系統(tǒng)是實現(xiàn)設(shè)備清潔無菌的唯一有效途徑；2) 在啤酒生產(chǎn)過程中，糖化醪、麥汁、發(fā)酵液和清酒等物料營養(yǎng)成分比較全面，容易成為污染微生物的營養(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，成為污染菌生長繁殖的溫床，是CIP清洗的重點。生產(chǎn)過程中，麥汁和啤酒中的蛋白質(zhì)、脂肪顆粒、酵母細胞、酒花樹脂、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，因此對設(shè)備進行及時有效的清洗是非常重要的，同時再結(jié)合殺菌劑才能確保設(shè)備的無菌要求；5) 現(xiàn)在CIP系統(tǒng)可以同時實現(xiàn)設(shè)備的清洗和殺菌，并可針對不同現(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)計要求1) 啤酒廠對物料接觸設(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。 細菌學(xué)清潔度：經(jīng)過清洗、消毒后，被清洗表面或最后殘余清水中，污染細菌濃度低于工藝控制標準值。如啤酒發(fā)酵罐、酵母擴陪罐、清酒罐等，最后殘余洗滌水中總細菌數(shù)1個/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、成為污染菌生長繁殖的溫床，是CIP清洗重點。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、酒花樹脂等成分聚合于表面成為啤酒廠常見污垢的一種。由于大多數(shù)高分子有機物可以被堿水解，所以堿洗工藝在現(xiàn)代CIP工藝中占很大比例。 二是無機物組分：主要由水中離子及外加的鈣、鎂離子等導(dǎo)致的。常見化學(xué)反應(yīng)包括：Ca2+2HCO3-CaCO3+H2O+CO22NaOH+Ca（HCO3）2CaCO3+Na2CO3+H2OCa2+C2H2O4Ca(C2O4)2+2H+ 可見，通常見到的無機污垢主要是碳酸鈣及草酸鈣。其中草酸鈣組分在釀造過程中

6、是不可避免發(fā)生的，而碳酸氫鈣組分在啤酒生產(chǎn)過程中主要由三個來源:釀造水中較高的暫時硬度；生產(chǎn)用堿中有碳酸氫鈣成分；堿洗過程中發(fā)酵設(shè)備內(nèi)殘留二氧化碳。 因此，在生產(chǎn)過程中應(yīng)對釀造水進行除垢，如在水管路上安裝電子除垢儀，降低水的暫時硬度，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，如不及時清洗，會加速沉積物形成，表面粗糙度將進一步加大；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，嚴重的結(jié)垢會使清洗、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、時間對設(shè)備表面的污垢進行徹底清洗、滅菌，在CIP工藝制定時，認真考慮各種設(shè)備結(jié)垢的原因及污垢的種類，選用適當?shù)乃嵯椿驂A洗劑，適時清洗，達到去除污垢的目的。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)。國際統(tǒng)一的方法，以Ra來表示。其物理意義是在取長度L內(nèi)，斷面輪廓偏距Y的絕對值得算術(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，清洗越困難。 由于顆粒的附著力

8、遠遠大于其重力作用，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)過拋光處理，才能達到食品生產(chǎn)的要求。 對于無菌釀造設(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)代化啤酒廠對設(shè)備表面粗糙度的要求已達到醫(yī)藥設(shè)備的標準，這是實現(xiàn)無菌釀造的基礎(chǔ)，是達

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；提高清洗劑對污染物的溶解度。c) 沖刷強度：又稱機械作用力，由兩方面組成：一是清洗劑噴射力對污染物的機械撞擊力；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) 清洗時間:清洗效果隨時間延長而增大，清洗時間與沖洗強度、清洗劑的組分及濃度和溫度相關(guān)。一般來說，沖洗強度大，清洗劑的濃

10、度高，所需的清洗時間短。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的清洗時間。 清洗劑的濃度、清洗溫度、清洗時間及機械作用力四因素對清洗效果的影響，在清洗劑的組分相同條件下，其綜合評價如下圖所示： 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，機械作用力對清洗效果影響最大。提高清洗劑的機械撞擊力和流體的雷諾系數(shù)可以提高機械作用力。 清洗劑噴射力對污物的機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，但如果繼續(xù)提高，液體會形成霧狀，洗滌

11、效果反而下降。 其次，機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比。 從圖-2可以看出，機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)噴射頭的機械清洗效果最顯著，清洗效率最高。達到相同洗滌效果時，旋轉(zhuǎn)噴淋頭洗滌時間為固定噴淋球的7075%，旋轉(zhuǎn)噴射頭洗滌時間為固定噴淋球的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比。5) CIP清洗過程的流體力學(xué) 液體介質(zhì)在管道中的流動形式可分成層流和湍流兩種不同的類型。 在較低的流動速度下，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，形成臨界層，這種流動形式被稱作層流。隨著流動速度的提高，達到某一極限時，流動情況發(fā)生改變，流動變成湍流，即質(zhì)粒不僅在流動方向上運動，在垂直方向上也存在分量。在流動方向上介質(zhì)的速度分布近似于常數(shù)，同時，在管道表面也形成不存在物質(zhì)傳遞的臨界層（不包括擴散運動）。質(zhì)粒在垂直于流動方向上的運動分量，一方面使滯流層明顯變薄，另一方面在整個截面上達到平衡。這種流動形式被稱作湍流，此時的刷洗效果明顯優(yōu)于層流。可以從下述參數(shù)來促進從層流到湍流的轉(zhuǎn)變；較高的流動速度；較大的流動速度；較大的管道直徑，需增加流量配合。當流量一定時，管徑增加，流量降低，雷諾數(shù)降低；較低的運動粘度

13、。 從這些參數(shù)中可以得到無量綱的相似特性參數(shù)（雷諾數(shù)Re），借助參數(shù)可以評價流動狀況。 對于管路，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)的運動黏度。 流體在圓形管道內(nèi)的流動，Re<2000時屬于層流；Re>4000時則一般為湍流。Re在2000至4000之間時，流體處于一種過渡狀態(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，或有外來的輕微震動，都會出現(xiàn)湍流。至少Re>4000時才能保證出現(xiàn)湍流。為了達到更好的清洗效果，應(yīng)使Re>3000，因為這樣的