酸奶發酵罐CIP清洗效能優化研究

陳壽民，韓峰

（1.達能乳業（上海）有限公司 質量安全管理部，北京101107；2.上海美凱純生物科技有限公司技術開發應用部，上海200120）

0 引 言

酸奶是發酵乳的俗稱，定義為：以生牛、羊乳或乳粉為原料，經殺菌、發酵后制成的pH 值降低的產品[1]。根據尼爾森2018 年發布的零售數據顯示，在中國乳制品份額占快消整體超過兩成（21%），酸奶市場更是增長迅速，舉例谷物酸奶銷售貢獻增長率從2016 年的49%上升到2017 年的51%，高端酸奶(產品均價超過品類平均價格20%及以上)的銷售額貢獻從2016 年的40%增長到了2017年的45%，增長潛力不容小覷。

發酵罐是攪拌型酸奶生產工藝中的重要生產設備，需要制定周期性的清潔。不合理的清潔方案會導致企業能源過度浪費、生產效率降低，嚴重的可能引發食品安全危機事件[2]。在我國GMP 第一百四十三條規定：清潔方法應當經過驗證，證實其清潔的效果，以有效防止交叉污染。在美國FDA《清潔程序驗證檢查指南》[3]中第四條規定：生產企業對各設備及被清洗對象部件進行清潔驗證之前，應明確制定書面驗證計劃，在計劃中應規定取樣、分析方法。在歐盟GMP 第四十一條：清潔驗證的設計不應采用“不斷檢驗，直至清潔”的方法。在WHO GMP 第一百五十五條:用于設備清潔的方法應充分經過相關性及效果驗證，證實其清潔的效果有效，以有效防止出現污染和交叉污染。

路文革等針對啤酒發酵系統使用了Δ COD 值（重鉻酸鉀法[4]）及Δ pH 值變化監測清洗的雜質物殘留量，進行CIP 要素優化提高了發酵罐的清洗和消毒效果[5]；檢測食品或設備表面的ATP 含量可以很好的反應總體衛生狀況[7]，該方法廣泛應用于類似HACCP體系中污染的在線監測及定量判定[8]。邢書霞等[6]通過對預處理后醫療器械清洗前、后使用ATP 驗證器械的清洗效率，并以此評價CIP 清洗效果[9]。在2018 年國家發布了食品接觸表面清洗消毒效果試驗ATP 快速檢驗方法[10]，可作為主要驗證手段用于設備清潔消毒潔凈度的快速驗證。但相關方法綜合應用于酸奶發酵罐的CIP 清洗效能優化方案還不成熟，制約了行業及企業發展。

本研究通過選定酸奶發酵罐結垢清潔難點作為評價對象，并針對制約企業發展較大的CIP 時間要素，研究一套有效的評價及優化方法，用于指導酸奶企業達到提效、節能、減排目的。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

清洗用軟化水，由北京通州自來水公司提供，總硬度≤180 mg/L，pH 值5～7.5。

復合酸、堿性清洗劑，由上海泰華施清洗劑公司提供，濃度30%～37%。

主要試劑：0.2500 mol/L 重鉻酸鉀標準溶液、試亞鐵靈指示劑、0.1 mol/L 硫酸亞鐵銨標準溶液、硫酸—硫酸銀溶液、化學純硫酸汞。

1.2 儀器

15 t 不銹鋼酸奶發酵罐（罐內含旋轉洗球及定位洗球、溫度、液位傳感器等）；CIP 清洗系統（含10 t 堿、酸清洗劑罐、回收水罐、軟化水罐、清洗供料泵Q=25 m3/h、回流泵Q=30 m3/h、清洗線路直徑63 mm、在線流量計、電導儀、溫控儀、PLC 控制器等）、LUYOR-3130 黑光燈、Hygiena System SURE Plus ATP 熒光檢測儀及檢測拭子，上海美凱純生物科技有限公司；pH 值檢測儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 酸奶發酵罐CIP時間要素調查方法

在對酸奶發酵罐CIP 基本程序分解基礎上，通過設計跟蹤調查圖表、跟蹤30 組獨立酸奶發酵罐CIP 時間要素的具體參數值，制作了CIP 清洗步驟耗時分解表，體現出參數固定值及非固定值分解統計各分步驟最長最短時間。

1.3.2 統計分析方法

對首次水沖洗后樣品渾濁度感官判定法與COD檢測法進行比較，比對項目為量化準確性，并對數據變化趨勢圖模擬分析討論標準有效性。堿洗時間的測定通過黑光燈法、光源放大鏡校正視力法、裸視法及ATP 檢測法等結果分析方法的檢出合格率判定各方法是否存在差異顯著。

每個試驗均重復50 次，試驗結果采用Duncan's multiple test方法進行比較分析。

1.3.3 酸奶發酵罐CIP清洗覆蓋率驗證方法

基于各清洗要素調查基礎上，對50 個獨立酸奶發酵罐在滿足清洗時間、溫度、濃度、流量設定限值等要求清洗后，由經驗豐富的操作工通過人孔下罐使用強光手電檢查噴淋器狀態及罐壁、攪拌、取樣器等部位有無明顯異常情況，并分外源性（異物、雜質）與內源性（奶垢）統計異常頻次，并對存在異常的詳細描述問題，將檢查結果記錄在調查表中。

1.3.4 各CIP清洗效能優化步驟的驗證方法

1.3.4.1 清洗化學潔凈度驗證

首次沖水潔凈度：沖洗過程中回流線取樣閥上每隔100 s 連續取樣10 個。通過感官評價渾濁度，評價潔凈度，輸出不同渾濁度描述的定性結果。不渾濁判定為達到沖洗效果。通過對樣品送檢COD 值（重鉻酸鉀硫酸回流法(簡稱標準法)）檢測潔凈度，輸出不同渾濁度的COD 值。COD 變化值不明顯作為判定達到沖洗效果。

清洗液濃度：酸堿滴定法（國標法）、在線電導值檢測。

有機物定性檢測試驗方法。

裸視法：裸視法即對清洗后的設備直接用肉眼觀察清潔度。觀察清洗后設備不易清洗部位的表面，清潔、光亮、無可見污物、無奶垢即為合格，否則為不合格。

光源放大鏡校正視力法：用10 倍光源放大鏡觀察清洗后的設備，觀察清洗后設備不易清洗部位是否有殘留物質。表面無有機物殘留、清潔、光亮、無可見污物、無奶垢即為合格，否則為不合格。

黑光燈法：配備防護眼罩，打開黑光燈對選定的設備不易清洗部位進行設備清潔效果檢查，有顯示熒光，表示未清洗干凈陽性，反之為清洗干凈。

有機物定量檢測ATP 熒光法:用ATP 采樣器中無菌預濕潤（含有細胞裂解劑）的專用達克綸拭子，在清洗后的設備表面上涂抹被測區域（30～45°角、10×10 cm 表面），邊涂抹邊旋轉拭子頭，橫向、縱向各往返擦涂5-6 遍。檢測結果值≥30 RLU 判定為有機物殘留超標，（RUL 為ATP 熒光儀可識別的相對光單位，在System SURE Plus 熒光儀上使用Ultrasnap 檢測拭子時，1 RLU≈1 fmol ATP。經與廠家共同確認，此判定標準嚴于裸視法、校正視力法、黑光燈法判定標準）。清洗劑回收合理濃度判定方法：以在線電導儀檢測顯示結果為準。

1.3.4.2 清洗微生物潔凈度驗證

對試驗發酵罐生產的終產品出廠按照GB19302-2010 微生物限量規定批檢產品微生物指標。數據連續跟進三個月（抽樣樣本量200 個），無異常結果判定優化效果有效。

大腸菌群：GB 4789.3-2016 食品安全國家標準食品微生物學檢驗大腸菌群計數

酵母菌：GB 4789.15-2016 食品安全國家標準食品微生物學檢驗酵母菌和霉菌計數

霉菌：GB 4789.15-2016 食品安全國家標準食品微生物學檢驗酵母菌和霉菌計數。

2 結果與討論

2.1 酸奶發酵罐CIP時間要素調查

酸奶發酵罐從生產到CIP 清洗是一個循環過程，其中CIP 清洗作為整個生產的一部分主要分為5 個步驟：首次水沖洗、堿洗循環、中間水沖洗、酸洗循環、最后水沖洗。通過生產實踐發現，除了以上所描述的清洗必須環節及參數之外，在實際的CIP 清洗流程設計過程中，各個步驟的切換銜接是否高效，對每一步及最終的設備CIP 清洗效果及效率起到決定性作用。經調查分析，酸奶發酵罐CIP 清洗的各個步驟可細化分解到26 個環節。在CIP 清洗程序設計中對各環節進行有效的銜接可確保發酵罐設備CIP 清洗的高效執行。

基于CIP 清洗26 個環節分解后的子步驟，對酸奶發酵罐CIP 清洗各分步驟的具體耗時按照固定值及非固定值調查分解見表1。

表1 酸奶發酵罐各CIP清洗步驟耗時分解表

將以上統計的分步驟耗時按照酸奶發酵罐CIP有效清洗時間和無效清洗時間分解如圖1。

通過對酸奶發酵罐CIP 時間要素調查可見，在酸奶發酵罐整個CIP 清洗過程中，有效清洗時間為3 600 s，而無效清洗時間為1 200 s～2 780 s，無效清洗時間占到了總清洗時間的25%～43.6%，此部分無效清洗時間對于清洗效果沒有貢獻，對生產效率構成嚴重影響。有較大的優化空間。

2.2 酸奶發酵罐CIP時間優化

2.2.1 酸奶發酵罐CIP計時首次水沖洗時間優化

經統計首次水沖洗COD 值對應的潔凈度及樣品狀態見表2。

圖1 酸奶發酵罐CIP有效清洗時間和無效清洗時間分解圖

表2 不同的COD值對應樣品渾濁度及樣品狀態

按照以上標準，渾濁度目測法在沖洗至鄰近重點時無法準確判定最佳時間。按照COD 值變化法選定一組正常使用的發酵罐，每個清洗對象取樣50 組數據，并隨CIP 沖洗時間變化對應COD 值及感官判定結果描述見表3。

表3 隨CIP沖洗時間變化對應COD值及感官判定結果

試驗發現，不同酸奶發酵罐因設備距離CIP 站遠近、流量、罐大小等因素影響沖洗時間雖有不同，但最終沖洗至COD 值小于50 mg/L 時，延長沖洗時間Δ COD 值基本無明顯降低，Δ COD 值由最初的＞200 降至＜5 內。由此可見，兩個獨立發酵罐沖洗后達到COD 值50 mg/L 后Δ COD 值變化趨勢得到同樣的結論，可將酸奶發酵罐CIP 清洗的首次水沖洗的COD 值與沖洗時間關系模型描述如圖2。

經取樣對比目測濁度及COD 值變化趨勢，COD值方法設置限值≤50 mg/L 對應時間作為達到沖洗標準精度高可操作性強，可作為首次水沖洗優化時間方法。

2.2.2 酸奶發酵罐CIP計時中間水沖洗時間優化

圖2 首次水沖洗時間與COD值關系模型

中間沖洗及最終沖洗的目的是達到中性，pH值在6～8 范圍內可作為目標值判定。按照此目標設定清洗程序及參數不需要規定沖洗時間，只需設定沖洗的電導值變化趨勢達到“中性”時，及時轉入下一步清洗程序而避免計時沖洗導致的盲目性。選定一組在用發酵罐，重復清洗50 次回流線取樣并同步檢測回流線電導值變化。對比pH值法與在線電導檢測法，見表4。

表4 樣品pH值檢測法與在線電導值判定對比

縱向比較表中數據，隨著沖洗時間延長，濃度、pH電導值均降低，但從差異性分析看出，在線電導值與濃度檢測更靈敏，但濃度檢測方法受到取樣方法及時機影響較在線電導值法操作靈活性差，因CIP 清洗系統來線或回線過濾器堵塞等故障可能導致罐內積液，進而影響到清洗的回流電導值反復，出現此類問題需及時排除系統故障確保清洗效率。單純使用Δ pH 值檢測某個點確定重新參數會導致沖洗不徹底誤判隱患。

在線電導值檢測是為保證沖洗的徹底性，設置達到“中性”之后切換下一步前的延時程序，一般延時時間為清洗液循環一圈的2-3 個整數倍，具體值根據目標罐與CIP 站距離及清洗流速可確定。經跟蹤數據，電導值在較短時間即可達到中性水平，延長沖洗時間既浪費清洗用水又影響清洗效率。

通過設定回程在線檢測監測電導值法對比使用Δ pH 值檢測法判定中間沖洗可及時判定是否“沖至中性”，操作性強且準確度高，可作為優化中間沖洗時間優化方法。

2.2.3 酸奶發酵罐CIP計時堿洗循環時間優化

為研究酸奶發酵罐CIP 清洗不同時間對清洗效果的影響，選擇ATP 熒光法、裸視法、光源放大鏡校正視力法平行比較，評價不同清洗時間參數對酸奶發酵罐CIP堿性清洗劑清洗后效果。

CIP 清洗步驟中堿洗的主要目的是使被清洗對象達到化學清潔度水平，為有效進行酸清洗及消毒準備。判定標準為被清洗發酵罐內表面及不易清潔部位（攪拌葉背面、人口及視鏡）無有機污垢殘留，即通過感官驗證清潔、光亮、無可見污物、無奶垢，無油膩感即為合格。實驗對象選擇酸奶發酵罐的難清洗部位，通過使用不同的驗證方法驗證是否達到清潔度要求。

試驗組清洗具體參數及清洗方法見表5。

表5 酸奶發酵罐堿洗參數及清洗方法

分組檢測結果及分析見表6。

表6 酸奶發酵罐堿洗檢測結果分析

表6 結果表明，不同堿清洗時間組對照20 min 清洗組，其中通過14 min 堿清洗組檢出合格率判定黑光燈和ATP 方法與裸視法、校正視力法差異明顯，其中ATP 熒光法檢測的靈敏度更高于黑光燈法。其他清洗要素固定的前提下，明顯高于14 min 堿洗組和12 min 堿洗組。裸視法、矯正視力法及黑光燈法檢驗異常率低的原因可能因為被觀察表面設備表面凹凸不平，很難觀察清楚，并且目測只能觀察到粒徑大于5 μm 直徑的污垢及雜質，散在設備表面的微量有機物及雜質無法通過肉眼及簡單的輔助工具觀察到。

通過評價各種酸奶發酵罐CIP 清洗堿性清洗驗證方法評價，也存在明顯的差異性。概括總結見表7。

表7 酸奶發酵罐堿洗優化方法評價

經對優化檢測方法評價結果表明，ATP 熒光法用于CIP 清洗堿洗后驗證明顯在結果的判定準確性、靈敏性、操作方便性及可量化性各方面優于傳統的裸視法、校正視力法、黑光燈法，在乳品企業一直使用的傳統常規方法基于感官評價，存在人為因素對結果判定影響大，因此，在酸奶生產企業推廣ATP 熒光法有顯示意義。

2.2.4 酸奶發酵罐CIP時間優化效果評價

在優化基礎上，對酸奶發酵罐攪拌葉背部及人孔視鏡等難清潔部位驗證，并通過持續監測驗證同期對比3 個月共200 批次生產的最終產品微生物檢驗結果數據見表8。

表8 CIP清洗時間優化效果驗證

通過優化方法實施在日產300 t酸奶生產廠為例，按照每罐15 t 計，共計需使用20 罐次，每次生產使用后均需要CIP 清洗，跟蹤酸奶發酵罐CIP 清洗優化前后耗用時間對比見表9。

表9 驗證各CIP清洗可優化環節優化前后的清洗時間耗用

按照設定的優化方法，持續跟進優化后3 個月共200 批次使用效果，從酸奶發酵罐各項感官、理化、微生物驗證等評價滿足優化目標要求，優化效果可接受。按照優化方法對酸奶發酵罐CIP 清洗優化前后耗時統計得出，優化后單罐CIP 清洗效率可提升37%。對應該效率提升可顯著提升生產企業生產效率、節約能源耗用并降低污水排放。

3 結 論

通過對發酵罐CIP26 個子步驟現狀分析及跟蹤基礎上得出，無效清洗時間占到了總清洗時間的25%～43.6%。

通過對酸奶發酵罐CIP 首次水沖洗使用COD 法對比感官判定法，重復跟蹤得到COD 值在50 mg/L以下時可量化精確的確定首次水沖洗的最佳時間。

通過對酸奶發酵罐CIP 中間及末次水沖洗時間判定方法，對比得出使用在線電導值判定法優于pH值法及濃度檢測法，量化精確的確定中間及末次水沖洗的最佳時間。

通過對酸奶發酵罐CIP 堿洗清洗效果跟蹤發現，ATP 檢測法優于黑光燈法、校正視力法及裸視法，可量化精準的確定最佳堿洗時間。

通過對酸奶發酵罐CIP 優化后的效果評價，優化后感官、理化、微生物驗證等滿足優化目標要求。對優化后的效率評價，優化后單罐CIP 清洗效率可提升37%。對應該效率提升可顯著提升生產企業生產效率、節約能源耗用并降低污水排放。