乳品设备清洗

关于清洗

清洗与产品直接接触的设备是食品生产过程中必不可少的环节。食品生产商需牢记：无论对设备还是生产人员，生产商始终有责任保持较高的卫生标准。这一责任可从三个维度阐释：

• 商业责任
• 道德责任
• 法律责任

商业责任

优质、卫生、洁净、保存完好、不危害健康的产品显然有利于销售，及赢得客户的持续信赖。然而，若产品存在污染、保存不善或被投诉至有关部门，不仅会引发负面舆论，更将对品牌造成严重损害。

对于清洗不到位、标准执行不力及质量缺陷带来的潜在风险，必须保持时刻警惕。

道德责任

绝大多数乳制品的消费者从未走进乳品工厂或见过产品的生产工况。基于对企业的信任和品牌声誉，他们理所当然地认为所有操作都在是最洁净的环境下由训练有素且恪守卫生规范的人员完成。

法律责任

法律旨在从产品卫生和质量层面保障消费者和买方权益。若违反国家或地方法规，将面临严厉处罚与高昂的诉讼成本。

防范胜于补救，企业必须满足法规要求并保持高标准。牛奶及乳制品本质上是微生物（包括多种致病菌）滋生的理想介质。因此，针对牛奶（涵盖其生产、处理、加工、包装、贮存及配送环节）的相关法规，比其他任何食品都更为繁多。各国设有各自的国家级法规标准，地方层面通常还会出台额外的法规标准。

清洗目标

在评估清洗结果时，用以下术语来界定洁净等级：

• 物理清洁度——去除表面所有可见污垢
• 化学清洁度——不仅去除所有可见污垢，还去除肉眼不可见但可通过味觉或嗅觉检测到的微观残留物
• 细菌学清洁度——通过消毒实现
• 无菌清洁度——杀灭所有微生物

必须指出的是，达到细菌学洁净标准的设备，未必同时满足物理洁净或化学洁净要求。然而，若能先将设备表面至少清洗至物理洁净状态，常规清洁后就能更容易达到细菌学清洁度。

在乳品厂清洗作业中，通常要求同步达到化学与细菌学清洁度。因此，设备表面需先用化学洗涤剂进行彻底清洗，然后再进行消毒。

污垢

了解待清洁设备表面的污垢类型至关重要。乳品加工生产线中的污垢主要由牛奶成分构成，这些污垢随后成为细菌生长的基质和营养。根据设备的不同，加工条件将影响牛奶成分状态，进而决定清洁所需的作用力。

受热表面

牛奶受热超过60℃时，会开始形成乳垢。这种沉积物包含钙（镁）磷酸盐、蛋白质、脂肪及其他牛奶成分。经过长时间连续生产后，可明显观察到热交换器板片上的乳垢形成，尤其在加热段及后续热回收段的前半部分。这些沉积物紧密附着于设备表面，连续运行八小时以上后还可观察到沉积物颜色由乳白向棕褐转变。图22.1直观呈现了受热表面乳垢层的形成过程。

图22.1 受热表面上的沉积物

冷表面

牛奶会在管道、泵体、储罐等“冷表面”形成附着膜层。系统排空后，要尽快启动清洗，否则该膜层干燥后将难以清除。

清洗程序

以前乳品设备的清洗（有些地方仍是）依靠人工用刷子和洗涤剂溶液进行。清洗工人必须拆开设备，钻进大罐才能清洗设备表面，这不仅费力，而且效率低下；清洗不彻底的设备常导致产品二次污染。

现已开发出适用于加工厂各个部位的循环原位清洗（CIP）系统，以达到良好的清洁和卫生效果。

为达到所需的洁净等级，清洗操作一定要严格按照精心制定的清洗程序进行。这意味着每次的作业流程都必须保持完全一致。

乳品设备的清洗周期包含以下阶段：

• 通过刮除、排液，以及用水冲洗或压缩空气吹扫的方式回收残留产品；
• 用水预冲洗，以去除松散污垢；
• 用洗涤剂清洗；
• 用清水冲洗。

每个阶段都需要一定的时间长度才能达到可接受的效果。表22.1列出了一些相关化学作用与污垢特性。

残留产品的回收

生产结束时，应从生产线中回收所有残留产品，此举的重要性体现在三方面：

• 最大限度减少产品损耗；
• 便于清洗；
• 减轻污水系统负荷，这通常意味着可节省大量污水处理费用。

必须预留足够时间让罐壁与管道内的产品排出。当设备（如黄油块切割机）表面覆有固体残留时，须进行刮铲清理。在清洗开始前，应用水排出生产线内的残余乳液，尽可能通过吹扫或冲洗方式将管道系统中的乳液转移至收集罐。

用水预冲洗

生产结束后，要立即进行预冲洗。否则残留乳液会变干粘附在设备表面上，更难清洗。用温水进行预冲洗可更有效清除乳脂残留，但为避免蛋白质凝固，水温不得超过55℃。

预冲洗必须持续进行，直至系统中排出的水清澈为止，因为任何残留的松散污垢都会增加洗涤剂的消耗量。若表面附有干结乳垢，对设备进行浸泡处理可能更有利于清洗。浸泡能软化污垢，从而提升清洗效率。

初次预冲洗排出的水乳混合物可收集在罐中，以便进行特殊处理。

用洗涤剂清洗

受热表面的污垢通常依次采用碱性与酸性洗涤剂处理（二者顺序可调整），中间辅以清水冲洗；而冷表面的污垢主要采用碱性溶液，仅偶尔采用酸液清洗。

乳品加工设备清洗最常用的碱剂为氢氧化钠（NaOH），酸剂则为硝酸（HNO₃），但生产商也可根据偏好选用其他酸碱制剂。虽然纯碱和/或酸液能清除多数残留，但通常会采用添加了其他成分以提升清洗效率的复合洗涤剂。

复合洗涤剂中使用的一些添加剂包括：

• 表面活性剂（润湿剂）：可降低表面张力，使洗涤剂更有效地润湿设备表面和污垢；
• 螯合剂（如EDTA或磷酸盐）：有助于维持金属离子的溶解状态，防止其絮凝；
• 助洗剂（如磷酸盐）：可使颗粒悬浮在溶液中，阻止污垢再沉积；
• 氧化剂（如过氧化氢）：通过氧化设备上的污垢创造新反应位点，增强清洁效果；酶类（如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶）：分解特定类型污垢；
• 消泡剂：减少清洁过程中的泡沫。

还可能包括其他添加剂，复合洗涤剂生产商持续研发新配方，以进一步提高清洗效率。采用复合洗涤剂可减少化学品用量，或缩短清洗时间。但需重点关注添加化学品对设备的影响（如氯剂会引发腐蚀）及排放废水对环境的影响。

为确保特定洗涤剂溶液能取得令人满意的效果，必须仔细控制以下几项变量：

• 洗涤剂溶液的浓度
• 洗涤剂溶液的温度
• 对清洗表面的机械作用（流速）
• 清洗时长（时间）

洗涤剂的浓度

在开始清洗之前，必须将溶液中的洗涤剂量调整至正确浓度。在清洗过程中，溶液会被冲洗水和残留乳液稀释，同时伴随中和反应发生。因此有必要在清洗过程中检查浓度，否则会严重影响清洗效果。检查可以人工或自动进行。用量须严格遵循洗涤剂供应商指导，因为提高浓度未必能增强清洗效果——洗涤剂浓度过高可能导致泡沫产生，或在某些情况下导致蛋白质污垢变得更加密实而难以清除。此外，过量使用洗涤剂会徒增清洗成本，并加重污水系统的化学负荷。氢氧化钠的典型用量为0.5-2.0wt%，硝酸的典型用量为0.5-1.5wt%。所需的确切比例需根据污垢类型和严重程度，以及所选的其他清洗参数（时间、温度、流量）综合确定。

洗涤剂的温度

一般而言，洗涤剂溶液的功效会随温度升高而增强。每种复合洗涤剂均有其最佳使用温度范围。

根据经验，碱性洗涤剂的清洗温度应与产品接触温度相同，但不得低于70℃。

酸性洗涤剂的推荐清洗温度区间为60-75℃。

机械清洗作用

图22.2 机械清洗作用示例

机械作用可通过人工清洗系统的刷擦或机械化系统的流体流速实现

人工清洗通过刷擦产生所需的机械冲刷作用（图22.2）。

而在管道系统、储罐等工艺设备的机械化清洗中，机械作用则由流体流速提供。洗涤剂进料泵的容量需大于产品泵，管道内流速为1.5-3.0米/秒。在此流速范围内，液体流动非常湍急，这会在设备表面产生非常好的冲刷效果。

清洗时长

必须仔细计算洗涤剂清洗阶段的持续时间，以获得最佳的清洗效果。同时还要考虑电力、加热、水和人工等项的费用。只用洗涤剂溶液冲洗管道系统不足以达到清洁要求。洗涤剂必须循环足够长的时间才能溶解污垢。所需时间取决于沉积物的厚度（以及洗涤剂溶液的温度）。结有凝固蛋白质垢层的热交换器必须先后在碱性洗涤剂与酸性洗涤剂中循环总计20-60分钟；而清除奶罐壁附着膜层仅需在碱性溶液中溶解10分钟即可。

用清水冲洗

经洗涤剂清洗后，设备表面还需用水冲洗足够长的时间，以除去所有洗涤剂的微量残留。清洗后残留在系统中的任何洗涤剂都可能污染牛奶。冲洗后，必须彻底排干系统所有部件中的水。

冲洗时最好使用软化水，以免洁净表面产生水垢沉积。因此，钙盐含量高的硬水须经离子交换过滤器软化至2-4°dH（德国硬度单位）。

经高温强碱强酸溶液处理的设备及管道系统已基本达到无菌状态，但需防止系统中残留的冲洗水已在一夜之间滋生细菌。为此，可通过添加磷酸或柠檬酸将最终冲洗水的pH值调节至5以下，该酸性环境能抑制绝大多数细菌生长。

消毒

使用酸性和碱性洗涤剂进行适当清洗，设备不仅能达到物理和化学清洁度，在很大程度上还能达到细菌学清洁度。

消毒处理可进一步提升细菌学清洁效果，使设备达到基本无菌状态。对于超高温灭菌奶等特定产品，有必要对设备进行灭菌处理，以确保其表面完全无菌。

乳品设备可用下列方法进行消毒：

• 热消毒（沸水、热水、蒸汽）
• 化学消毒（氯、酸、碘伏、过氧化氢等）

消毒作业可在早上牛奶加工开始前进行，待消毒剂完全排出系统后即可将牛奶投入生产。

若选择在当日生产结束后进行消毒，则需用清水冲净消毒剂残留，避免其对金属表面产生腐蚀。

原位清洗（CIP）系统

图22.3 储罐清洗用旋转喷头

该旋转喷头配备四个喷嘴在垂直面内旋转，喷头基座同时在水平面旋转，其旋转由内置齿轮箱驱动。

原位清洗是指在不拆卸设备的前提下，使冲洗水与洗涤剂溶液在储罐、管道及工艺管线中循环作业的过程。原位清洗可定义为清洗液在清洗回路中对机器和其他设备进行循环清洗。高速流经设备表面的液流产生机械冲刷作用，使沉积的污垢脱落。此方法仅适用于管道、热交换器、泵、阀、分离机等。

清洗大罐时，常规方法是在上表面喷洒洗涤剂，然后让其沿罐壁流下。此种方式的机械冲刷作用往往不足，但可通过专用清洗装置（如图22.3所示）予以改善。储罐清洗需消耗大量洗涤剂，且要求高速循环作业。

原位清洗回路

能在同一清洗回路清洗的设备类型根据以下因素决定：

• 产品残留物类型必须一致，以便使用同样的洗涤剂和消毒剂。
• 待清洗设备表面材质必须相同，或者适用于同样的洗涤剂和消毒剂。
• 回路中的所有组件必须能同步进行清洗。
• 对无菌设备和上游设备设置独立清洗工位，可降低污染风险。

因此，为便于清洗，乳品设备被分为多个回路，以便在不同时间进行清洗。

兼容材料和系统设计

为实现有效原位清洗，设备的设计必须适应清洗回路要求，并且易于清洗。洗涤剂溶液能够接触设备的所有表面，不应存在洗涤剂不能到达或流入的死角（图22.4）。机器和管道的安装方式须确保有效排水。任何积水的凹陷或弯管都会成为细菌快速繁殖的温床，导致严重的产品污染风险。

图22.4 管路系统中的难清洗部位示例

工艺设备中的不锈钢、塑料及弹性体等材料，必须符合不传递任何气味或味道的质量要求，且能耐受清洗温度下与洗涤剂和消毒剂的接触。

不锈钢是现代化乳品厂中用于产品润湿表面的通用材料。乳制品不会与设备表面发生反应，因此通常不存在金属污染问题，不过，不锈钢会被氯溶液腐蚀。

弹性体（例如橡胶垫圈）可能会被氯和氧化剂腐蚀变黑或断裂，脱落的橡胶颗粒可能进入牛奶中。

工艺设备中使用的各种类型的塑料都可能会引起污染，某些塑料组分可被乳脂溶解，也可能被洗涤剂溶液溶解，所以乳品用塑料一定要在成分上和稳定性上满足一定的要求。

原位清洗程序

乳品厂的原位清洗程序根据待清洗回路中是否包含受热表面分为两类：

• 适用于巴氏杀菌机和其它带受热表面的设备（超高温灭菌设备等）的原位清洗程序；
• 适用于管道系统、储罐及其他无受热表面工艺设备的原位清洗程序。

这两种类型的主要区别在于，第一类必须始终包括酸循环，以去除热处理设备表面结垢的蛋白质和盐类。

带巴氏杀菌机和/或其他热组件的回路的原位清洗程序可包括以下几个步骤：

1. 用温水冲洗约10分钟；
2. 碱性洗涤剂（0.5~2%）在75℃下循环30分钟；
3. 用温水冲洗碱性洗涤剂约5分钟；
4. 酸性溶液（0.5~1.5%）在70℃下循环20分钟；
5. 用冷水进行后冲洗；
6. 用冷水逐渐冷却约8分钟。

通常在早晨生产开始之前对巴氏杀菌机进行消毒，标准操作流程为：当回水温度至少达到85℃后，用90-95℃热水循环10-15分钟。

带管道、储罐和其它“冷”组件的回路的原位清洗程序可包括以下几个步骤：

1. 用温水冲洗3分钟；
2. 在75℃条件下循环0.5-1.5%碱性洗涤剂约10分钟；
3. 用温水冲洗约3分钟；
4. 用90-95℃热水消毒5分钟；
5. 用冷水逐渐冷却约10分钟（储罐通常无需冷却）。

原位清洗系统的设计

在实践中，对于原位清洗系统的规模与复杂程度没有限制。

乳品厂中的原位清洗工位包括贮存、监测和输送清洗液至各种原位清洗回路的所有必需设备。该工位的正确设计取决于许多因素，包括：

• 该工位要给几个独立的原位清洗回路提供清洗工作？其中几个是“热”回路，几个是“冷”回路？
• 是否需要回收牛奶的冲洗水？是否需要对其进行处理（如蒸发或过滤）？
• 需采用何种消毒方法？化学品、蒸汽或热水？
• 洗涤剂溶液是一次性使用还是回收再利用？
• 清洗灭菌过程的预计蒸汽需求量（瞬时用量与总耗量）是多少？

回顾原位清洗的历史，我们发现有两种学派：

1. 集中式清洗
2. 分散式清洗

直到20世纪50年代末，清洗还是分散式的。乳品厂内的清洗设备紧靠工艺设备附近。洗涤剂需人工配制至所需浓度——这对相关人员来说是一个令人不快且危险的过程。洗涤剂消耗量很高，因此清洗费用昂贵。

集中式原位清洗系统在20世纪60年代和70年代开发，乳品厂安装集中原位清洗工位，通过管网向所有原位清洗回路分配冲洗水、加热后的洗涤剂溶液及热水。用过的溶液然后再由管道泵送回集中原位清洗工位，再流入各自的收集罐，按这种方法回收的洗涤剂经浓度调配后可重复利用，直至污浊度过高时排放。

集中式原位清洗在许多乳品厂中工作效果良好，但在大型乳品厂中，集中原位清洗工位和外围原位清洗回路之间的输送管线往往过长。原位清洗管道系统即使处于“排空”状态仍存有大量液体。预冲洗后残留在管道中的水分会稀释洗涤剂溶液，这意味着必须补充大量浓缩洗涤剂以维持正确浓度。距离越远，清洗成本就越高。因此，在70年代末，大型乳品厂开始回归分散式原位清洗工位模式，各部门均配置独立原位清洗工位。两种系统的示例如下。

集中式原位清洗

集中式系统主要用于连接线路相对较短的小型乳品厂，如图22.5所示。

图22.5 集中式原位清洗 系统的原理

清洗单元（虚线之内）
1. 碱性洗涤剂贮罐
2. 酸性洗涤剂贮罐
3. 板式热交换器

清洗对象：
A. 乳品处理系统
B. 奶仓
C. 罐区
D. 灌装设备

水和洗涤剂溶液从集中式原位清洗工位的贮存罐泵送至各个原位清洗回路。

洗涤剂溶液和热水在保温罐中保温，通过热交换器实现精确控温。最终的冲洗水被收集在冲洗水罐中，并作为下次清洗程序中的预冲洗水。首次冲洗产生的乳水混合物则收集在冲洗乳罐中。

洗涤剂溶液经重复使用变脏后必须排掉，贮存罐也必须进行清洗，再灌入新的溶液。定期排空并清洗水罐（特别是冲洗水罐）也很重要，可避免污染洁净的加工生产线。

集中式原位清洗工位的设计如图22.6所示。

图22.6 同一罐区可向多个原位清洗工位（A至F）提供洗涤剂、水及其它溶液。

此类工位通常高度自动化，储罐配备高、低液位监测传感器。清洗溶液的回流情况可通过电导率变送器来控制。电导率与乳品清洗过程中通常使用的浓度成正比。用水冲洗的过程中，洗涤剂溶液的浓度越来越低。低到预设值时，换向阀会将液体导入下水道，而不是相关的洗涤剂罐。所有原位清洗程序均由计算机时序控制器管理，大型原位清洗工位可配置多组储罐以满足产能需求。

分散式原位清洗

分散式原位清洗对于大型乳品厂而言是一种颇具吸引力的替代方案——当集中安装的原位清洗工位和外围回路距离过长时，这种方案尤为适用。具体来说，就是用分散在乳品厂各组加工设备附近的若干小型装置取代大型原位清洗工位。

图22.7展示了分散式原位清洗系统（亦称卫星式原位清洗系统）的工作原理。

图22.7 分散式原位清洗系统

1. 碱性洗涤剂贮罐
2. 酸性洗涤剂贮罐
3. 洗涤剂环形管道
4. 清洗对象
5. 分散式原位清洗单元
6.带独立洗涤剂贮罐的分散式原位清洗系统

仍保留一个中心工位用于储存酸碱性洗涤剂，洗涤剂通过主管线向各个原位清洗单元独立配送。冲洗水的供应和加热（必要时包括洗涤剂的供给和加热）则在卫星工位就地安排，如图22.8所示。

图22.8 原位清洗单元

1. 热交换器
2. 压力管线
3. 回收容器
4. 计量泵
5. 流量计
6. 储罐回流管路
7. 控制柜
8. 压力泵

这些工位遵循“精确计量最少液量”的原则：每个清洗阶段仅使用刚好填满回路的最少液量。通过大功率循环泵实现洗涤剂在回路中的高速流动。

这种少量清洗溶液循环的模式具有多重优势：可大幅降低水和蒸汽的瞬时和总消耗量。首次冲洗后 回收的残留牛奶浓度高，因此便于处理，蒸发成本低。相较于使用大量液体的集中式原位清洗，分散式原位清洗能显著减轻污水系统负荷。

与分散式原位清洗结合的单次使用洗涤剂的理念，与集中式原位清洗中循环使用洗涤剂的标准做法形成对比。这种单次使用的理念基于这样一种设想：洗涤剂溶液的成分可以针对特定回路进行优化。该溶液在使用一次后即被视为已耗尽。不过，在某些情况下，它也可用于后续清洗程序中的预冲洗环节。

清洗效果检验

清洗效果的检验必须视为清洗作业的核心环节。由于目前尚无在线连续检测清洁度的技术，需在清洗后开启设备，通过以下一种或多种方式在预先确定的关键控制点进行评估：

• 目视检查：表面无产品残留（可用洁净白布擦拭验证）。
• 微生物检测：对特定区域进行拭子采样（需培养和分析时间）。
• 一种更快捷的方法是使用一种与三磷酸腺苷（ATP）接触时会发光的酶来检测ATP的存在。随后，通过测量发光强度，即可证明是否存在活的生物体或其产生的物质。

除效果检验外，清洗过程中还应监测并记录关键原位清洗参数（流量、温度、时间、电导率），确保程序按设定条件执行。最后，清洗检验可确保生产商系统性地遵循规范的清洁流程，持续产生可接受的结果，最大限度地降低产品变质的风险。结构化的清洗验证必须做到以下两点：

• 验证清洗程序去除产品残留物的有效性。
• 持续记录清洗过程达到预定残留标准的客观证据。