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乳制品加工设备结垢与洗濯综述2023-11-18

0 引言

乳制品拥有丰硕的营养含量，是微生物天然的造就基。在乳制品出产和加工中，基于分歧牛乳性质和加工前提，会在设备上形成分歧类型的污垢，而设备洗濯不干净会导致出产设备内微生物急剧滋生，甚至形成生物膜，影响半制品品质，终产品质量，可能引发食品安全事务。因而，在出产阶段实现后到下次出产起头前，对乳制品出产设备进行洗濯是至关沉要的。本文结合乳制品工厂现实情况，逐一论说加工设备中污垢及其形成机造、洗濯成效及其影响成分。

1 污垢类型和形成机造

污垢在乳制品工业化出产中是一种常见物质。通常前提下，险些无法预防牛乳加工过程中的结垢。这些污垢会对设备的清洁造成难题。

污垢成分重要来自牛乳自身，是由蛋白质、脂肪、碳水化合物、矿物质、酶、细菌共同组成的复杂混合物。牛乳出产过程中在低于60℃的冷表表下形成污垢与高于60℃的热表表下形成污垢有显著差距。冷表表通常有奶罐、不锈钢管路及管路上的泵、阀门、传感器等。牛乳流经冷表表，形成的污垢称为“牛奶膜”，出产实现时立即洗濯会很容易断根。热表表通常有巴氏杀菌机、超高温杀菌机、板式换热器、蒸汽直接式加热式杀菌机等，在热表表上，牛乳成分之间产生反映，蛋白质变性和荟萃，矿物质沉淀，以至牛乳成分形成了一个复杂基质，此表，由于矿物质浓度的提高，沉积层的结构会越发紧凑。

牛乳于加工设备热表表形成的污垢进一步可分为两类：A型污垢和B型污垢。A型污垢产生的工艺温度75～115℃，污垢性状为白色、柔软和海绵状，成分为50%～70%(w/w）的蛋白质、30%～40%(w/w）的矿物质和4%～8%(w/w）的脂肪。B型污垢产生的工艺温度≥110℃，质地僵硬、致密、呈颗粒状、色彩为灰色，成分为70%～80%(w/w）的矿物质（重要是磷酸钙）、15%～20%(w/w）的蛋白质和4%～8%(w/w）的脂肪。

蛋白质的热变性及磷酸钙热沉淀是结垢过程中沉要的反映，乳清蛋白在高于其变性温度后、酪蛋白在>100℃后会沉积在污垢中，磷酸钙在>50℃后可成为污垢沉积物的一部门。结垢简直切机造和牛乳成分之间的根基反映尚不明显，但牛乳中的蛋白质变性与热互换器结垢之间的有关性已被很多钻研者证实。β-乳球蛋白在牛乳正常p H值下，以分子量约莫36 000 Da的二聚体大局天然存在。受热时，β-乳球蛋白发展并分化成2个单体，每个单体都含一个二硫键，一个正本埋在天然结构中的反映性的游离巯基在加热后露出。在70℃以上的温度下，这种变性不成逆。反映性单体与其他β-乳球蛋白分子、α-乳白蛋白分子形成二硫键，并且可通过巯基二硫相互作用与κ-酪蛋白形成二硫键。通度日性巯基的反映，荟萃的蛋白质在流动相中形成，随着牛乳流动运送到壁上，最后吸附在热处置设备的不锈钢表表。而在设备表表形成显著的沉积物前，蛋白质荟萃体或不溶性矿物复合物的形成存在一个诱导期，管式换热器中该周期在1～60 min变动，板式换热器中该周期短得多，甚至是瞬时的，这是由于板式换热器结机关成湍流较高，流体混合更剧烈。

2 污垢的风险

不论冷表表或热表表，在出产设备产品接触面形成的污垢城市带来风险。例如必要进行周期性停产、设备洗濯后能力复原出产；在统一个出产线出产分歧产品时，需通过洗濯来断根上一个产品产生的污垢，预防鄙人一个产品出产过程中产生交叉传染。周期性停产洗濯导致企业出产效能降低、设备利用率降低、出产成本增长。再者，污垢本体也是产品的一部门，也会造成产品的损失。

热表表污垢的风险必要沉点关注。污垢在换热媒介粘附导致其换热效能降低。随着出产功夫增长，污垢逐步增多，换热表表的导热系数逐步降落，蒸汽需要量增高，造成能源浪费。其原因是换热表表通常选用导热系数较高的资料，而污垢大无数情况下是一种固体混合物，导热系数较幼。此表，污垢增长会导致流体流动管线的现实管路内径削减，流速增长和压力降增长，造成热处置维持功夫缩短，最终随着污垢进一步增长，出产设备无法满足加工工艺需要，需暂停出产，进行洗濯。

从生物性传染的角度来看，生物膜的黏度依赖于接触表表的粗糙度和疏水性，设备表表形成污垢沉积物会推进微生物粘附在设备表表，牛乳污垢又可为微生物提供营养，最终形成生物膜。钻研批注，热处置表表污垢可能导致湿热芽孢存活，有传染制品的可能性。

3 牛乳结垢的影响成分

3.1 牛乳性质

牛乳自身的成分及性质是影响设备内表表结垢的沉要影响成分，如奶牛种类、春秋、泌乳阶段，饲料类型、气象前提。分歧批次牛乳，其固形物含量、黏度、酸碱度、导电性都存在差距，最终导致污垢的差距性。

3.1.1 牛乳成分的季节性变动对结垢的影响

牛乳季节性变动对结垢有影响。牛乳成分季节性变动是由泌乳阶段和饲料变动造成的。在泌乳初期后，蛋白质和脂肪浓度呈降落趋向，约莫在泌乳期的第10周，起头逐步升高。凭据季节的分歧，奶牛饲料有夏秋季节的青绿饲料、秋冬季节的青贮饲料等，饲料的营养成分配比会导致牛乳成分颠簸。蛋白质是污垢的重要组成成分，尤其在A型污垢中占比超过1/2，牛乳中蛋白质浓度增长会导致设备表表天生污垢增长，其中又以乳清蛋白为主。值得一提的是，牛乳在一年中各功夫的热不变性也存在变动，这也是污垢季节性变动的原因。

3.1.2 牛乳中各组分对结垢的影响

(1）乳清蛋白

如上文所述，乳清蛋白变性与结垢直接有关，其变性过程在温度高于70℃时起头。Fickak等发现，提高牛乳的乳清蛋白浓度会增长中试规�；蝗绕鞯奈酃噶��；褂凶暄信�，室温下乳清蛋白能吸附在不锈钢表表，形成双层结构，用蒸馏水冲刷仅能洗掉表层，而第2层则不成逆吸附在不锈钢表表，覆盖率约2 mg/m2，这无疑是乳清蛋白作为污垢重要成分的一种原因。

(2）酪蛋白

酪蛋白自身具热不变性，不易产生热变性，但可与变性的乳清蛋白相互作用。乳清蛋白作为酪蛋白胶束与结垢表表的桥梁，使乳清蛋白和酪蛋白的复合物沉积到设备热表表。

(3）钙盐

钙盐在牛乳加工过程的结垢中起沉要作用。磷酸钙的溶化杜纂温度呈负有关，温度升高，磷酸钙会沉积到酪蛋白胶束或β-乳球蛋白表表，最终会在热表表沉积。随着浓度增长，污垢沉积层的结构越发缜密，天生B型污垢，矿物质是其重要成分。此表，钙离子能影响β-乳球蛋白的变性温度；能通过附着在β-乳球蛋白上推进其荟萃；能在粘附设备表表的蛋白质与液体中蛋白团圆物之间形成桥连作用来加强结垢作用。

(4）脂肪

牛乳中脂肪对设备表表的结垢险些没有影响。

（5）乳糖

乳糖是水溶性的，除非在牛乳高温加热中产生焦糖化或强烈的美拉德反映，在污垢中通常不存在。

3.2 操作前提

3.2.1 流体的雷诺数

流体对结垢的影响重要体此刻污垢沉积过程中各组分的输送和附着。污垢形成后，流体产生的机械力冲刷会造成污垢剥蚀，污垢随着湍流的增长而削减。

3.2.2 加工温度

牛乳与设备接触的表表温度是影响结垢的沉要成分，重要由于其决定了乳清蛋白的变性和磷酸钙的溶化度。

基于加工温度对结垢的沉要影响，现实利用中有2种缓解法子：一是在牛乳杀菌系统参与预热环节，现实操作中通常使牛乳在维持灭菌前，预加热至70～95℃，引起β-乳球蛋白变性和与酪蛋白胶束结合，削减A型污垢数量。二是“蛋白不变”，即在换热器维持灭菌步骤前加恒温按时的维持部门，温度通常85～95℃，可在最终加热及杀菌维持阶段削减结垢，其原由于：一是变性β-乳球蛋白在不变恒温部门转化为荟萃β-乳球蛋白，这种荟萃大局不活跃，不能与牛乳其他成分形成荟萃体，因而不会鄙人游部门的结垢过程中阐扬积极作用；二是与变性蛋白质相比，荟萃的蛋白质由于尺寸较大，从分散在流体中运输到传热表表可能更难题。

3.2.3 p H值

通常情况下，牛乳的热不变性会随p H值降落而降低。对于乳清蛋白来说，在低p H值下越靠近其等电点，相互之间的倾轧力越幼，越易凝聚。随着产品p H值降低，结垢速杜纂数量随之升高。对于矿物质来说，随着p H值降低，矿物质的溶化性升高，结晶化作用减弱，使污垢中矿物质含量削减。

3.2.4 钙浓度扭转

钙离子浓度变动会扭转牛乳中酪蛋白胶束结构，在牛乳自身的p H值（约6.7）下，通常牛乳的热不变性高于低钙牛乳和高钙牛乳。钙离子浓度增长或削减对酪蛋白胶束的扭转方式分歧，但城市使酪蛋白胶束的相互作用增长，导致热不变性降低和污垢增长，其中增长钙离子浓杜装响更显著。

3.2.5 空气混入

在牛乳出产和运输过程中，多个环节会混入空气，如奶车输送、泵送、搅拌�；烊氲目掌谂Ｈ橹械娜芑人嫖露壬吆脱沽档投档�，随后在热表表形成气泡，气泡会作为污垢沉积的主题，从而加强结垢。

3.2.6 牛乳的贮存功夫及卫生情况

部门卫生状态欠安或贮存功夫过长的牛乳，嗜冷菌滋生并水解蛋白，会导致污垢增长。如生牛乳在5℃下贮存6天，结垢水平可能增长4倍。

3.2.7 产品接触面的粗糙度

牛乳加工设备的产品接触面粗糙度（Ra值）通常需达0.8μm。接触表表越粗糙，越易粘附污垢，且粘附越缜密。

3.3 换热器类型对结垢的影响

常见换热器通常有板式换热器、管式换热器。管式换热器由于其管式的一体化结构，可接受更大压力，达到更高加热温度。板式换热器由于其结构、流路设计、密封垫成分，固然传热效能较高，但无法接受过大的流体压力，所以最高处置温度不及管式换热器，故而污垢形成的上限分歧。在统一温度下，从设备结构而言，板式换热器由于其狭幼流路和相邻板片之间的接触点更容易结垢。

4 原位洗濯系统

原位洗濯系统，即CIP系统，是在不拆卸情况下洗濯管路、容器、过滤器、工艺设备和有关物品的内表表。形成湍流的洗濯液在管路循环或对设备表表喷淋，去除管路中大部门微生物、牛乳残存、各类异物、颗粒等。CIP系统在可编程逻辑节造器有关技术的利用下，能全自动执行有关洗濯法式。对于幼部门CIP洗濯无法涉及或较难洗濯的设备�？椤⑾低匙榧�，将在CIP法式运行完后，采取手工洗濯方式作为补充与加强。目前国内表乳制品工厂及饮料厂大多选取该种洗濯方式。

4.1 分类

依照洗濯液的使用方式，CIP系统可分为“一次性CIP系统”和“可回收CIP系统”。

可回收CIP系统，由化学品增长系统、冲刷水罐、洗濯液罐、净水罐、消毒液罐、供液泵、回流泵、热互换器、连收受路、阀门、过滤器、流量传感器、液位传感器、温度探头、电导率仪等组成，是乳品工厂最常见的CIP系统。通过自动化系统采集传感器数据来节造各项洗濯法式与洗濯参数�？苫厥�CIP系统在使用过程中需合理监控洗濯液的卫生水平，定期更换洗濯液。有钻研批注，CIP系统中沉复使用碱性溶液不会影响出产的巴氏奶制品的耐热菌计数，但碱液沉复使用会导致悬浮固体浓度和化学需氧量浓度的逐步增长。

一次性CIP系统，重要由洗濯用水和化学品的混合幼罐、洗濯液循环泵及排水系统组成，使用如下：（1）污垢严沉的设备，如超高温杀菌机。洗濯这样的设备，洗濯液会严沉传染，因而不适合沉复利用。（2）必要低微生物含量的新鲜洗濯介质的场所，由于沉复利用的洗濯液其微生物水平的干净水平会不休降落。一次性CIP系统的利益是投资幼，通常只是幼型设备，靠近洗濯指标，过程损耗幼。洗濯液只使用1次，可维持较好洗濯成效的可持续性，有效预防分歧洗濯指标交叉传染。其弊端是化学品和洗濯用水的耗用量大，污水处置量大。

4.2 洗濯机理

CIP洗濯机理涉及水的溶化作用、热能作用、机械作用、界面活性作用、化学作用。洗濯液经过离心泵后加快形成湍流，输送到洗濯指标与污垢层接触，随后洗濯液与污垢层的表表产生反映，化学品起头渗入到污垢层。

碱性洗濯剂对蛋白质污垢的洗濯分3个步骤：沉积膨胀阶段、均匀侵蚀阶段和最终衰减阶段。沉积膨胀阶段，碱性洗濯剂使蛋白质性污垢产生膨胀，形成高孔隙率的蛋白基质；均匀侵蚀阶段，膨胀层在表表剪切力和扩散作用下被去除，期间可能会存在一个不变的污垢去除速度；当膨胀层很薄且不再均匀时，进入最终衰减阶段，逐步去除孤立的污垢沉积物。碱性洗濯剂去除脂质类污垢重要是通过皂化反映，后转移至洗濯液中。

酸性洗濯剂重要用于去除牛乳和软化水中产生粘附在设备、管路表表的钙、镁盐类矿物质、碳水化合物，水垢、侵蚀产品、乳石等，同时去除设备表表的任何痕量的碱性产品，并提供酸性的抑菌前提。好多时辰的洗濯步骤不蕴含酸性洗濯剂洗濯，这是由于酸性洗濯剂的使用频率取决于污垢类型和水质硬度。例如，肯定前提下在乳制品出产设备的冷表表可每周进行一次酸性洗濯剂洗濯步骤，而热表表由于其水垢更快的形成速度需更频仍的酸性洗濯剂使用频率。

4.3 洗濯法式

对于通例的乳制品加工设备，洗濯法式通常蕴含5步：（1）预冲刷：用常温或轻度加热的软化水对洗濯指标进行冲刷，去除糖分并消融脂肪。这个过程温度不应超过60℃，以预防牛乳蛋白质变性；（2）碱循环：使用肯定浓度、温度、流量的碱性洗濯液在洗濯指标及CIP供给、回流管线中循环；（3）中央水冲：用软化水冲刷设备及管路中碱性洗濯液的残留和溶化的污垢；（4）酸循环：使用肯定浓度、温度、流速的酸性洗濯液在洗濯指标及CIP供给、回流管线中循环；（5）最终水冲：用软化水冲刷残留的酸性洗濯液和溶化的污垢。最后水冲刷须确保去除任何清洁剂残留物，并且只有水留存在洗濯指标及其管线中，其残留p H值与所使用的软化水p H值一致。

5 CIP洗濯的影响成分

CIP洗濯中各影响成分协同阐扬作用，各成分的选择与设定取决于结垢的类型。热表表污垢的洗濯就比冷表表有更大难度，性质上，冷表表和热表表污垢对于洗濯来说属于两类物质。在冷表表上，低黏度流体形成污垢也是低黏度的，拥有近水的性质，使用热水可去除。在热表表下，如超高温瞬时杀菌过程中形成的B型污垢在钻研的温度和流速下不能通过水冲刷去除，需参与化学作用。各成分在分歧洗濯阶段阐扬的沉要性分歧，例如在碱液循环洗濯的均匀侵蚀阶段，温度依赖性最高，而在最终衰减阶段，流速的依赖性更强。

5.1 洗濯剂配方

洗濯剂配方是影响洗濯成效的沉要成分，可针对分歧类型污垢选择相宜洗濯剂。用于乳品厂管线与设备CIP洗濯的化学介质通常是不发泡的液体洗濯剂。碱性洗濯剂为氢氧化钠或氢氧化钾的水溶液，在此基础上，由于纯碱悬浮污垢的机能及润湿成效通常，以及在软水硬度较大、污垢中钙含量多时，纯碱易形成脂肪酸钙粘附于设备上，对洗濯过程造成难题，故有增长其他组分的复配洗濯剂，酸性洗濯剂通常为硝酸或磷酸的水溶液，较少有复配的情况。复配成分含量的差距是合理选择各类型洗濯剂的沉要凭据。乳品洗濯剂中重要有以下复配成分。

(1）表表活性剂，拥有降低洗濯液表表张力，使洗濯液更有效且迅速的润湿与渗入传染的设备表表，同时推进油脂分散，悬浮污垢的作用。钻研批注，选取耐高碱、低发泡、润湿性好的表表活性剂与碱性洗濯液复配，能显著提高液碱的去污力。

(2）螯合剂，利用于工业上的种类有好多，如：EDTA、NTA、多聚磷酸盐、葡萄糖酸和柠檬酸中的钠盐，无机螯合剂不耐受高浓度碱（氢氧化钠含量≥40%），只有部门羧酸型螯合剂和有机磷螯合剂能的高浓度的碱性洗濯剂中维持不变。螯合剂与洗濯用水及污垢中的金属离子（如钙、镁离子）反映天生螯合物，降低金属离子浓度，预防硬质水沉淀。螯合剂对碱性洗濯剂去污力的影响与其螯合能力有关，螯合能力越大，碱性洗濯剂去污力越强，但对肯定的污垢而言，螯合剂含量增长到肯定数值后，洗濯剂去污力不再增长。

(3）其他增长剂，如消泡剂，可预防泡沫形成，提高洗濯效力；氧化剂，可协助碱性洗濯剂提高洗濯成效；蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等，可针对性分化污垢组分；分散剂，可将污垢大颗粒分散到溶液系统中，提高洗濯剂的悬浮机能；此表还有防侵蚀抑造剂、不变剂用于提高洗濯剂产品的不变性。

5.2 洗濯剂浓度

洗濯浓杜纂洗濯成效之间的关系并非正有关，当氢氧化钠与蛋白质污垢接触时，碱会堵截将蛋白质污垢固定在一路的交联键，使蛋白质污垢膨胀，但若是氢氧化钠浓度太高，则会引发更多交联，从而使污垢更难去除。在高浓度氢氧化钠下，[OH-]没有能力粉碎蛋白质荟萃体之间的非共价相互作用，故而较高浓度对洗濯速度来说是伪线性增长。有一项针对板式换热器的单成分优化尝试，证实洗濯浓度存在最佳值，降低或增长浓度城市提高洗濯功夫。同样有钻研发现，对于B型污垢，将氢氧化钠浓度增长到2%，可产生比0.5%时、更难溶化且结构缜密的沉积物，从而耽搁蛋白质溶胀阶段，使洗濯至干净状态的功夫耽搁。超过洗濯浓度最佳值后，洗濯成效不会随浓度升高而提升，还会额表对乳品厂造成侵害及风险：设备中密封圈老化、聚合物资料和不锈钢侵蚀，洗濯成本支出提高，水冲刷功夫增长及洗濯剂残留。

洗濯浓度的设定取决于污垢类型，通常对于通常乳品加工设备使用0.5%～2.0%的氢氧化钠洗濯。对于高度结垢的表表如热表表污垢，可使用4.0%的氢氧化钠。

5.3 洗濯温度

在钻研的温度下，洗濯温杜纂洗濯成效呈正有关关系，但是洗濯成效提升的增速不休降落。Timperley等对HTST板式换热器的污垢验证试验证明这点：当温度从60℃升高到90℃时，洗濯功夫缩短近60%，而当温度从60℃升高到75℃时，洗濯功夫就缩短近40%。随着洗濯温度持续提高，化学反映速度提升，分子运动加快，与污垢接触机遇越多，这使洗濯成效会随温度升高而提升，而在温度高于肯定界限时（约75℃），污垢中的蛋白质产生变性和交联，会使污垢去除难度提升。

现实利用中，冷表表的污垢洗濯，碱循环温度通常为80～90℃，酸循环通常为60～80℃。热表表的污垢洗濯，碱循环温度通常选择与加工工艺一样的温度，酸循环通常为80～85℃。

5.4 洗濯功夫

洗濯功夫与洗濯成效呈正有关，随着功夫的耽搁，洗濯剂中化学分子与污垢接触机遇更多。在具体的乳制品工厂出产中，通常凭据污垢的种类、被洗濯设备自身特点、管线工艺设计、洗濯前出产功夫跨度、加工工艺过程、加工产品类型等成分综合考量设定洗濯功夫的终点，预防资源浪费。

值得一提的是，当工厂管线中存在较大洗濯死角、管路内湍流流动不充分时，耽搁洗濯功夫是一种有效赔偿方式。

5.5 洗濯流速

在CIP洗濯过程中，流体流动将洗濯剂输送到沉积在设备表表的污垢上产生反映，同时提供机械剪切力带走污垢。钻研批注，低温下形成流动、黏性的牛乳污垢，其洗濯功夫依赖洗濯流速，雷诺数增长会削减洗濯功夫。洗濯液流速愈大，机械作用的冲刷愈显著，洗濯成效愈好。现实利用中，洗濯剂均匀流速超过1.52 m/s后，持续提升流速所带来的洗濯成效提升减缓，同时过高的流速在能源浪费的同时也会使管路产生水锤的冲击更大。

乳制品工厂的设备中，有一些复杂组件如弯头、变径、T型组件等，其现实洗濯流速与洗濯成效不能参照通例管线。如U型弯头，洗濯时高的壁面剪应力区在弯曲的表侧，而弯曲出口的内侧露出在低的剪应力下，所以这个区域洗濯成效较差。再好比幼管径变大管径的区域，变径区域会形成一个回流区，其洗濯流速将低于均匀水平，导致较差的洗濯水平。增长流量对于上面2个案例的提升极度有限。

5.6 其他

5.6.1 水质

氢氧化钠会和硬水（重要为钙盐）反映，产生不成溶的矿物质堆集，亏损氢氧化钠，硬水中带来的盐分会在不锈钢表表逐步形成水垢，水垢的形成与洗濯温度、水的硬度等关键参数有关。所以乳制品工厂对水质的治理一是要节造洗濯用水的硬度，凭据FDA橙皮书的要求应<100 Ca CO3mg/L，二是需定期通过酸性洗濯剂的洗濯去除水垢。

5.6.2 产品接触表表的润湿性

不锈钢表表的润湿性取决于它的表表能，表表能高的表表是亲水的，洗濯液会在表表上扩散，低能量的表表是疏水的，洗濯液在表表上不会扩散。表表的亲水/疏水性会影响洗濯成效。目前表表活性剂通常被增长到切合清洁剂中以改善润湿，但润湿性是由液体和固体基质性质决定，不锈钢表表润湿性同样沉要。

6 结语

乳制品出产设备结垢不成预防，分歧牛乳性质、加工工艺、加工设备城市形成分歧污垢，大体上可凭据设备与产品接触面的温度分辨为冷表表污垢和热表表污垢。而CIP洗濯是应对结垢的伎俩，现实利用过程中，必要考量所有的洗濯影响成分为分歧的污垢设定分歧洗濯工艺，选择最优洗濯参数，确保最佳洗濯成效的同时预防成本、能源浪费，为乳制品工厂安全出产保驾护航。

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