全自动CIP清洗系统综述

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1、全自动CIP清洗系统综述卢成雷【摘要】CIP系统是一种食品工厂清洗用的原位清洗系统，是乳品工厂必备的设 备。从清洗系统的发展历史、工艺以及在乳品生产中的应用等方面进行了综述，并 结合工作实践，阐述了基础理论、工艺设计、设备选型等全面的CIP系统的设计 及应用。%CIP system is the cleaning in place for the food factory,which is necessary for the dairy factory. The development of cleaning system,process,and its application in dair

2、y production were summarized. According to the working practice,the basic theory,process design,equipment selection,and the application of CIP system were introduced.期刊名称】 中国乳业年(卷),期】 2016(000)008【总页数】6页(P62-67)【关键词】CIP设计;选型;节能作 者】 卢成雷作者单位】 黑龙江立高科技股份有限公司正文语种】 中 文 食品特别是乳品加工设备及管道在使用后会产生一些沉积物，如不及时、彻底地清

3、洗，将会直接影响产品的质量。CIP( Cleaning In Place )即原位就地清洗系统， 指整个生产线在无须人工拆开或打开的前提下，在闭合的回路中进行循环清洗、消 毒，是一种理想的设备及管道清洗方法，现已在食品行业特别是乳品行业中被广泛 应用，而且已实现自动化。乳本身是营养物质，极易受污染及变质，所以清洗是乳 品加工生产最为重要的生产环节，是合格产品的前提保证。但是在实际的工作中， 笔者发现 CIP 系统只是整个工程的很小一部分，所以经常不被设计人员所重视， 没有对 CIP 系统进行深入细化的研究。没有发明 CIP 前，乳品工厂的清洗是将所有的设备全部拆开后手工清洗，包括清 水冲洗、刷

4、子刷洗、清水冲洗、组装设备等过程，非常耗时、耗力。20 世纪 40 年代后期，CIP最先用于乳品行业，直到20世纪60年代中期，乳品工厂才正式 开始使用自动的CIP清洗系统。20世纪90年代开始，随着PLC（可编程）、触 屏等电子科技的发展，CIP清洗系统逐渐向着程序化、全自控化方向发展。2.1 乳品工厂典型的沉积物及性质 乳品工厂典型的沉积物及性质见表 1。图 1 展示了蛋白质和无机盐的结垢程度与温 度的关系，从图 1 可见，随温度升高，蛋白质结垢程度呈抛物线状态变化，而无 机盐的积垢程度越来越严重。2.2 清洗的作用机理清洗的作用机理主要包括以下 5 个方面，而且 CIP 系统也需要依据以

5、下 5 个方面 进行设计，以达到最好的清洗效果。2.2.1 水的溶解作用 水是极性化合物，对于油脂性污垢几乎没有溶解作用，对于碳水化合物（如糖）、 蛋白质、低级脂肪酸有一定的溶解作用，而对于电解质及有机或无机盐类的溶解作 用较强。2.2.2 热的作用 加热可以加速污垢的物理与化学反应速度，使其在清洗过程中易于脱落，从而提高清洗效果，缩短清洗时间。2.2.3 机械作用机械作用是指由运动而产生的作用，如由于搅拌、喷射清洗液产生的压力和摩擦力 层流状态时不能发挥洗净效果，当流速达到一定程度后呈湍流状态时，才能表现出 洗净效果。因此，系统设计时需要根据不同的清洗目标设定不同的流速、流量，以 达到适当的

6、清洗强度，同时又不浪费能源。2.2.4 界面活性作用界面指相与相之间的交界面，即两相间的接触表面，这里指的是清洗液与污垢，污 垢与被清洗物体（如管道、罐体等），被清洗物体与清洗液之间的交界面。界面活 性作用是指这些界面之间有选择的物理或化学作用的总称，包括湿润、乳化、分散 溶解、起泡等。具有这种界面活性作用的化学物质称为表面活性剂。2.2.5 化学作用是指清洗剂成分的化学反应，如氢氧化钠（NaOH ）等碱性清洗剂与油脂的皂化反 应、与脂肪酸的中和反应、对蛋白质的分解反应，硝酸（HNO3 ）等酸性清洗剂对 无机盐性污垢的溶解反应，过氧化物、氯化物类清洗剂对有机性污垢的氧化还原反 应，有机螯合剂对

7、金属离子的螯合作用等。清洗剂、清洗液的浓度或含量、清洗时间、清洗温度、清洗流量是影响清洗的 5个要素。这5 个要素中的任何一个都很重要，特别是在实际操作中，考虑到生产成本和生产效率的需要，必须对以上5 个要素进行逐一有效的控制，以保证它们 彼此之间的相对平衡。2.3.1 清洗液浓度 提高清洗液浓度可适当缩短清洗时间或弥补清洗温度的不足，但是浓度的增高并不 一定能有效地提高清洁效果，有时甚至会导致清洗时间的延长（图 2），以及清洗 费用的增加。酸性清洗液的作用为杀死芽孢，清除矿物质盐类，清除一部分蛋白质；碱性清洗液 的作用为杀死细菌，清除蛋白质、脂肪、糖，但碱性清洗液的腐蚀性大，冲洗和润 湿性较

8、差。一般情况下，酸性清洗液的浓度为1.0% 2.0%，碱性清洗液的浓度为1.0% 2.5% （对应的 pH 值为 13.0 13.5 ）。清洗过程中，为了确保清洗液浓度能够维持均匀、稳定的状态，应设计自动添加系 统。同时，在清洗过程中要随时监控清洗液的浓度，要在酸、碱排放时测定清洗液 浓度，同时根据流程进行回收。2.3.2 清洗时间清洗时间受很多因素影响，如清洗剂种类、清洗液浓度、清洗温度、产品类型、生 产管线布置以及设备的设计等。延长清洗时间意味着人工费用增加，同时停机时间的延长也会造成生产效率下降和 生产成本提高。但是如果一味地追求缩短清洗时间，可能无法达到清洗效果。2.3.3 清洗温度是

9、指清洗循环时清洗液所保持的温度，这个温度在清洗过程中应该保持稳定，而且 其测定点是在清洗液的回流管线上。升高清洗温度一般会缩短清洗时间或降低清洗液浓度，但是相应的能量消耗就会增 加。由于乳品工厂中的清洗主要是针对加工过程中产生在设备内表面上的乳垢，因此清洗温度一般不低于60 C。升高温度会提高化学反应的速度，温度每升高10 J 化学反应速度会提高1.5 2.0倍。随清洗温度升高，HNO3溶液的腐蚀能力加大，而清洗效果趋于平稳；NaOH溶 液的腐蚀能力趋于平稳，而清洗效果加大，因此，HNO3溶液的清洗温度不宜过 高，NaOH溶液的清洗温度可适当提高。对于一般加工设备的清洗而言，NaOH 溶液的温

10、度为80 90 C, HNO3溶液的温度为60 80 C。对于UHT设备的清 洗而言，清洗温度需要明显的升高。另外，如果使用复合清洗剂，所选用的清洗温 度要遵照供应商给出的建议。2.3.4 清洗流量 保证清洗过程中清洗液的流量实际上是为了保证清洗时的清洗液流速，这样能够在 清洗过程中产生一定的机械作用，即通过提高流体的湍动性来提高冲击力，从而取 得一定的清洗效果。提高清洗液流量可以缩短清洗时间，并补偿清洗温度不足。般来说，管路清洗流速不应小于1.5 m/s，立式储罐不应小于200 250L/m2h,卧式储罐不应小于250-300 L/m2h,而换热器及机组的清洗应大于正常流速的10%。常用管径

11、对应的清洗流量表见表2。2.3.5 管路设计除以上因素外，管路的设计及清洗液的流动方向对清洗效果也会产生很大的影响， 其中影响比较大的是阀组三通及管路末端位置。管路设计中应尽量避免 T 型接头， 如不可避免，则T型管的长度(L )不可大于1.5倍管径，即L/D v 1.5。管路设计 的注意事项见表3 。2.4 CIP清洗流程根据清洗线路中是否包含有受热表面，将乳品厂的CIP清洗程序分为2类：用 于巴氏杀菌器和其它带受热表面的设备的程序；用于管路系统、罐和其它不带受 热表面的设备的程序。这2类清洗程序的主要不同点是第类中必须包含个酸洗循环，以除去受热设 备表面上的变性蛋白质和盐类。用于巴氏杀菌器

12、“热组件”的CIP清洗程序包括以下几个步骤：(1)用温水冲洗10 min;(2)75 C碱性洗涤液(浓度为0.5% 1.5% )循环30 min;(3 )用 温水冲掉碱性洗涤剂，冲洗约5 min;(4)70 C酸溶液(HNO3，浓度为 0.5%-1.0%)循环20 min ； (5)用冷水后冲洗； (6)用冷水逐渐冷却约8 min。巴氏杀菌器通常在生产开始之前消毒，用9095 C的热水循环，当回水温 度不低于85 C之后，再循环10 15 min。由管道、罐和其它不受热机件所组成的回路的 CIP 清洗程序由以下阶段组成：（1） 用温水冲洗3 min;（2）75 C碱性洗涤液（浓度为0.5% 1

13、.5% ）循环10 min ;（3 ）用温水冲洗3 min;（4 ）用9095C热水消毒5 min;（5 ）用冷水逐渐 冷却约10 min （通常清洗罐时没有冷却阶段）。3.1 储罐系统一般全配置为 5 罐制，即：碱罐、酸罐、热水罐、回收水罐（中和罐）、清水罐。 酸碱罐内胆的材质为316L不锈钢，其余罐内胆材质为304不锈钢。关于储罐的 容积，清洗液总量应保证CIP液的有效循环，而清洗液余量应考虑清洗液温降。3.2 清洗回路数的选择 清洗回路数的一般原则是：管路清洗为单独1路，罐子清洗为单独1路，杀菌负 荷高的为1 路。具体设计需要根据实际情况进行匹配。3.3 换热器 常用的换热器形式为板式换

14、热器和管式换热器。其中，板式换热器换热效率高，由 于有板片胶垫，需要限定蒸汽压力并进行保护（不能超过3.0 bar），易产生失流 状态，选型时需特别注意；管式换热器承压高，一般用蒸汽压力可达6.0 8.0 bar , 相对板式换热器而言，其换热效率低一些（蒸汽潜热利用率低），易维护，没有胶 垫，失流状态相对较少。对换热器的形式没有严格要求，可根据现场实际情况进行选择。但是换热器的选型 尤其需要注意选型面积不宜过大。一般制造厂家会对换热器的面积留有余量，而工 程设计人员再留有一定余量，这是所选换热器面积普遍过大的主要原因，也造成了 实际应用中很多换热器都存在失流状态，甚至产生水锤，导致换热器寿命

15、严重降低。根据笔者的经验，因CIP系统换热器工作时是变工况状态，换热器的一次温升应在30 C左右，不宜过大。3.4 浓酸碱系统 浓酸碱系统包括浓酸碱储存罐、气动隔膜泵和液位自动监控装置。气动隔膜泵可根 据电脑自动进行卸料及酸碱的输送。关于液位自动监控装置，根据笔者经验，宜选 择电极式液位开关、磁翻板液位，这样能够保证稳定运行，而其它型式的液位显示 及控制，由于浓酸碱具有腐蚀性，不能够保证稳定性。3.5 工艺阀门 工艺水阀门应选择气动球阀，因为球阀是线性开关，可减少震动。清洗供液及回液 阀门应选择气动座阀，可靠性高于蝶阀。阀门带反馈接近开关，可在电脑上显示阀 门的开启位置，以确保安全性，在阀门出

16、现故障时可报警。3.6 蒸汽减压系统 蒸汽减压系统可使蒸汽稳定在一定的压力范围内，有利于自动调节及蒸汽潜热的利 用。减压站的典型安装图见图3 ，减压站应配置汽水分离器，用以分离蒸汽中的水 分。由于水膜会降低换热器的换热系数K,降低换热效率，因此将蒸汽中的水分分 离后，可以提高减压阀及比例调节阀的寿命，同时可以提高换热器的换热效率。实 际工作中各厂家对汽水分离器不够重视，很少有厂家配置此项。3.7 流程自动控制 清洗流程全自动控制，并连接回液泵，根据回液流量开关的检测，判断每项清洗介 质的回液是否结束，避免清洗介质混合交叉。关于回液流速，流速高于1.2 m/s时为有效清洗时间并计时。这点非常重要，目 前国内一般没有流速检测，这就导致虽然达到了清洗时间但是并不能达到清