第三节 CIP系统
食品加工生产设备，在使用前后甚至在使用中应进行清洗，主要有两方面原因：一方面，使用过程中其表面可能会结垢，从而直接影响操作的效能和产品的质量；另一方面，设备中的残留物会成为微生物繁衍场所或产生不良化学反应，这种残留物如进入下批食品中，会带来食品安全卫生隐患。
食品加工生产设备可有不同的清洗方式。显然，小型简单的设备可以人工方式清洗。但大型或复杂的生产设备系统如采用人工方式清洗，则既费时又费力，而且往往难以取得必要的清洗效果。因此，现代食品加工生产设备，多采用CIP清洗技术。
一、基本概念
CIP（Cleaninginplace）是就地清洗或现场清洗的意思。它是指在不拆卸、不挪动机械设备的情况下，利用清洗液在封闭管线的流动冲刷作用或管线端喷头的喷射作用，对输送管线及与食品接触的表面进行清洗。CIP往往与SIP（Sterilizinginplace，就地消毒）操作配合，有的CIP系统本身就可用作SIP操作。
CIP清洗具有以下特点：①清洗效率高；②卫生水平稳定；③操作安全，节省劳动力；④节约清洗剂、水、蒸汽等的用量；⑤自动化程度高。
CIP清洗效果与CIP洗净能及清洗时间有关。在洗净能相同时，清洗时间越长则清洗效果越好。CIP洗净能有三种，即动能、热能和化学能。一般CIP系统均需围绕以上三种洗净能及清洗时间的有机结合进行设计。
动能来自洗液的循环流动。流体动能否达到要求可以用雷诺数（Re）来衡量，增大雷诺数可缩短洗净时间。雷诺数对CIP洗涤效果的影响如图3-16所示。一般认为罐内壁面下淌薄液的Re应大于200；管道内液流的Re应大于3000（Re＞30000效果最好）。
图3-16 雷诺数对CIP洗涤效果的影响
热能来自洗液的温度。洗液流量一定时，温度升高其黏度会下降，而其Re数、与污物的化学反应速度以及污物中可溶物质的溶解量均会增大。
化学能来自洗液的化学剂。化学能是三种清洗能中对洗净效果影响最大的一种。选择洗涤剂的依据有：污物性质和量、水质、设备材料和清洗方法等。
一般说来，输送食品的管路、贮存或加工食品用的罐器、槽器、塔器、运输工具，以及各种加工设备都可应用CIP方式进行清洗。CIP特别适用于乳品、饮料、啤酒及制药等生产设备的班前、班后清洗消毒，以确保严格的卫生要求。
二、CIP系统构成
典型的CIP系统如图3-17所示。图中的三个容器为CIP清洗的对象设备，它们与管路、阀门、泵以及清洗液贮罐等构成了CIP循环回路。同时，借助管阀阵配合，可以允许在部分设备或管路清洗的同时，另一些设备或管路正常运行。如图3-17所示，容器1正在进行就地清洗；容器2正在泵入生产过程的物料；容器3正在出料。管路上的阀门均为自动截止阀，根据控制系统的讯号执行开闭动作。
图3-17 典型CIP清洗系统
CIP系统通常由清洗液（包括净水）贮罐、加热器、送液泵、管路、管件、阀门、过滤器、清洗头、回液泵、待清洗的设备以及程序控制系统等组成，其中有些是必要的，如清洗液罐、加热器、送液泵和管路等；而另一些则是根据需要选配的，例如，喷头、过滤器、回液泵等。
CIP系统可以分为固定式与移动式两类。固定式指洗液贮罐是固定不动的，与之配套的系列部件也保持相对固定，多数生产设备可采用固定式CIP系统。
图3-18 摔油机就地清洗组合
移动式CIP系统通常只有一个洗液罐，并与泵及挠性管等装置构成可移动单元。移动式CIP系统多用于独立存在的小型设备清洗。如图3-18所示为利用移动式装置与摔油机配合进行CIP清洗的情形。
（一）贮液罐
CIP系统中的贮液槽用于洗液和热水的贮存。根据被清洗设备的数量和规模，CIP系统的洗液和热水可用单罐和多罐贮存。如上所述，单罐式一般为移动CIP清洗装置采用。
供多台设备清洗用的固定式CIP系统往往采用多罐贮液。贮液罐数量，一般由（包括热水在内的）清洗液种类和系统对贮罐洗液进出操作控制方案决定。
贮罐有立式和卧式两种形式。立式贮罐一般是相互独立的圆柱筒罐，图3-19所示为一种立式三罐CIP系统。
图3-19 立式三罐式CIP系统
卧式贮液槽通常是由隔板隔成若干区的卧放圆筒。有时一个CIP系统的贮液容器既有卧式，也有立式。如图3-20所示的CIP装置中，有一个卧式槽和一个立式贮罐，卧槽分为两间，可分别贮存酸性洗液（如1%～3%HNO3溶液）、碱性洗液（如1%～3%NaOH溶液），右侧立式罐为清水罐。
（二）加热器
CIP清洗系统的加热器可以独立于贮液罐而串联在输液管路上，例如，图3-19所示的片式热交换器，也可用采用套管式热交换器型式。加热器也可以装在贮液罐（槽）内。例如，图3-20所示的各贮液罐内设有蛇管式加热器。以上各加热器结构特点参见本书第七章相关内容。
图3-20 卧式贮液槽CIP系统
单机清洗用的单罐式CIP系统，往往用蒸汽混合方式加热（图3-18）。
（三）喷头
对于贮罐、贮槽和塔器等的清洗，均需要清洗喷头。清洗喷头可以固定安装在需要清洗的容器内，也可以做成活动形式，需要清洗时再装到容器内。
清洗用的喷头有多种形式。按洗涤时的状态，喷头可分为固定式和旋转式两种。但无论是哪种形式的喷头，一般最需要关心的是射程和喷头覆盖的角度两个方面。需要指出的是，同一个喷头，在同样条件下，射得越远，其对污物的清洗力就越弱；用于小尺寸罐器设备有很好清洗效果的喷头，对于大罐器设备不一定能进行有效清洗。喷头的式样和结构关系到清洗质量的好坏，应根据容器的形状和结构进行选择。
固定式喷头是清洗时相对于接管静止不动的喷头。这种喷头多为球形，如图3-21所示。在球面上按一定方式开有许多小孔。清洗时，具有一定压力（101～304kPa）的清洗液从球面小孔向四周外射，对设备器壁进行冲洗。喷头水流的方向由喷头上的小孔位置与取向决定，常见的喷洗角度有120°、240°、180°和360°等。由于开孔较多，这种喷头喷出的水射程有限（一般为1～3m），所以一般用于较小设备的清洗。固定式喷头也可根据设备的具体情况进行专门设计，例如，图3-21（3）所示为一种用于清洗布袋过滤器的喷头。
图3-21 固定式不锈钢CIP喷头
对于体积较大的容器，往往需要采用旋转式喷头。旋转式喷头的喷孔数较少，因此，在一定的压力（一般为304～1013kPa）作用下，可以获得射程较远（最远可达10m以上）和覆盖面较大（270°～360°）的喷射效果。除了射程和覆盖面以外，旋转式喷头的旋转速度也对清洗效果有较大影响。一般说来，旋转速度低能获得的冲击清洗效果较好。旋转式喷头可进一步分为单轴式和双轴式两种类型。
单轴旋转式一般为单个球形或柱形喷头（图3-22），在球面上适当位置开孔（孔截面多略呈偏形），可以得到270°～360°覆盖面不等的喷射。单轴旋转喷头的喷射距离一般不大（一般淋洗距离约为5m，清洗距离约为3m）。图3-23所示为单轴旋转喷头在容器内喷洗情形。
图3-22 单轴旋转式CIP喷头
图3-23 单轴旋转喷头的喷洗情形
双轴旋转式喷头的喷嘴可作水平和垂直两个方向的圆周运动，可对设备内壁进行360°的全方位喷洗。这种喷头的喷嘴数不多，一般只有2、3、4和6个（图3-24），所以喷射距离较远（最大淋洗距离约12m，最大清洗距离约7.5m）。图3-25所示为一种三喷嘴双轴旋转喷头的喷射运动情形。
（四）供液系统
CIP的供液系统由管道、泵、管件与阀等构成。
1.管道
CIP系统的管道由两部分构成：一是被清洗的物料管道；二是将清洗液引入被清洗系统的管道。这些管道对产品应有安全性，内表面光滑，接缝处不应有龟裂和凹陷。CIP清洗系统的水平管路有一定的倾斜度要求。
图3-24 双轴旋转式CIP喷头
图3-25 双轴旋转喷头的喷射情形
2.泵
CIP系统中的泵分供液泵和回液泵两类。供液泵用于将清洗液送到需要清洗的位置，为清洗液提供动能，以便以一定速度在管内流动和提供喷头所需的压头。一般系统均带有独立的供液泵。回液泵用于将清洗过的液体回收到贮液罐，供洗液回收使用，一些简单的系统可以不设回液泵。
CIP系统一般采用不锈钢或耐腐蚀材料制造的离心泵。泵的规格由CIP清洗系统所需要液体循环流量、管路长度和喷头所需压力决定。
3.阀和管件
阀在CIP系统中起控制各种液流（包括清洗液、食品料液）流向的作用。常用阀的形式有不锈钢的碟阀、球阀、座阀和组合式座阀等（参见第二章内容）。根据CIP清洗系统的自动化程度，可以采用手动阀或自动阀。简单的系统采用手动阀即可，而复杂的清洗系统往往采用自动阀。
除了阀以外，CIP系统供液管路上还需要有弯头、活接头。这些管件均应满足卫生要求。另外，在手动控制的CIP系统中，为了将不同清洗液分配到各个需要清洗的设备，常采用管路分配板（参见图2-55）。
三、CIP系统的控制
CIP操作总体上需要控制的因素或完成的控制任务：①CIP贮液罐的液位、浓度和温度等；②各洗涤工序（如酸洗工序、碱洗工序、中间清洗工序、杀菌工序、最后洗涤工序等）的时间（表3-1）；③不同被清洗设备的清洗操作时段切换。
表3-1 牛乳和乳饮料的CIP清洗工序
以上控制操作，可以手动、自动，或手动—自动混合方式实现。对于简单系统，可以用人工方式进行调控。人工调控的系统，对于系统的阀门配置要求较简单。
洗清程序复杂、被清洗设备较多时，往往需要采用自动控制系统。CIP系统可用继电器、PLC（ProgrammableLogicController的缩写，意为可编程控制器）和工控机等3种方式进行自动控制。继电器控制由于其分立元件多，接线复杂，易出故障且不易查找等原因，将逐渐淘汰。PLC由于其运行可靠性高、利于顺序控制等特点，在CIP系统中应用较多。但是，该方式也有它的缺陷，即模拟量控制成本较高，在线参数设定困难等。
随着计算机技术的飞速发展，国外采用工业控制计算机的CIP控制系统越来越多。工控机可以通过各种工业I/O模板，将各个模拟量（如罐温、液位等）进行A/D转换后，在屏幕上直接显示，也可以用动态图线非常直观地显示各罐的液位、各阀门的状态和液体的流动方向及流动路线等。工控机系统的另一个优点是在线修改参数非常方便，针对不同的生产过程，工控机系统可以同时提供几种不同的清洗程序，并且提供具体参数在线修改对话框，且每次配置参数均可以保存下来，供下次启机时使用。
值得一提的是，自动控制除了控制器本身成本以外，其他要求的硬件配置（如传感器、自动阀等）相对于人工控制而言，成本也将成倍地增加。这是需要投资者与设计人员加以注意的。