酸奶是發(fā)酵乳的俗稱，定義為：以生牛、羊乳或乳粉為原料，經(jīng)殺菌、發(fā)酵后制成的pH值降低的產(chǎn)品。根據(jù)尼爾森2018年發(fā)布的零售數(shù)據(jù)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(chǎn)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(fā)酵罐是攪拌型酸奶生產(chǎn)工藝中的重要生產(chǎn)設(shè)備，需要制定周期性的清潔。不合理的清潔方案會導(dǎo)致企業(yè)能源過度浪費、生產(chǎn)效率降低，嚴(yán)重的可能引發(fā)食品安全危機事件。在我國GMP第一百四十三條規(guī)定：清潔方法應(yīng)當(dāng)經(jīng)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》
針對啤酒發(fā)酵系統(tǒng)使用了ΔCOD值（重鉻酸鉀法）及ΔpH值變化監(jiān)測清洗的雜質(zhì)物殘留量，進行CIP要素優(yōu)化提高了發(fā)酵罐的清洗和消毒效果；檢測食品或設(shè)備表面的ATP含量可以很好的反應(yīng)總體衛(wèi)生狀況，該方法廣泛應(yīng)用于類似HACCP體系中污染的在線監(jiān)測及定量判定。通過對預(yù)處理后醫(yī)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。在2018年國家發(fā)布了食品接觸表面清洗消毒效果試驗ATP快速檢驗方法，可作為主要驗證手段用于設(shè)備清潔消毒潔凈度的快速驗證。但相關(guān)方法綜合應(yīng)用于酸奶發(fā)酵罐的CIP清洗效能優(yōu)化方案還不成熟，制約了行業(yè)及企業(yè)發(fā)展。
本研究通過選定酸奶發(fā)酵罐結(jié)垢清潔難點作為評價對象，并針對制約企業(yè)發(fā)展較大的CIP時間要素，研究一套有效的評價及優(yōu)化方法，用于指導(dǎo)酸奶企業(yè)達(dá)到提效、節(jié)能、減排目的。
清洗用軟化水，總硬度≤180 mg/L,pH值5～7.5。
復(fù)合酸、堿性清洗劑，濃度30%～37%。
主要試劑：0.2500 mol/L重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液、試亞鐵靈指示劑、0.1 mol/L硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液、硫酸—硫酸銀溶液、化學(xué)純硫酸汞。
15 t不銹鋼酸奶發(fā)酵罐（罐內(nèi)含旋轉(zhuǎn)洗球及定位洗球、溫度、液位傳感器等）；CIP清洗系統(tǒng)（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(dǎo)儀、溫控儀、PLC控制器等）、LUY-OR-3130黑光燈、Hygiena System SURE Plus ATP熒光檢測儀及檢測拭子；pH值檢測儀。
在對酸奶發(fā)酵罐CIP基本程序分解基礎(chǔ)上，通過設(shè)計跟蹤調(diào)查圖表、跟蹤30組獨立酸奶發(fā)酵罐CIP時間要素的具體參數(shù)值，制作了CIP清洗步驟耗時分解表，體現(xiàn)出參數(shù)固定值及非固定值分解統(tǒng)計各分步驟最長最短時間。
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(zhǔn)確性，并對數(shù)據(jù)變化趨勢圖模擬分析討論標(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(fù)50次，試驗結(jié)果采用Duncan’s multiple test方法進行比較分析。
基于各清洗要素調(diào)查基礎(chǔ)上，對50個獨立酸奶發(fā)酵罐在滿足清洗時間、溫度、濃度、流量設(shè)定限值等要求清洗后，由經(jīng)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(tài)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(zhì)）與內(nèi)源性（奶垢）統(tǒng)計異常頻次，并對存在異常的詳細(xì)描述問題，將檢查結(jié)果記錄在調(diào)查表中。
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(xù)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(jié)果。不渾濁判定為達(dá)到?jīng)_洗效果。通過對樣品送檢COD值（重鉻酸鉀硫酸回流法(簡稱標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到?jīng)_洗效果。
清洗液濃度：酸堿滴定法（國標(biāo)法）、在線電導(dǎo)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(shè)備直接用肉眼觀察清潔度。觀察清洗后設(shè)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(shè)備，觀察清洗后設(shè)備不易清洗部位是否有殘留物質(zhì)。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(shè)備不易清洗部位進行設(shè)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(yù)濕潤（含有細(xì)胞裂解劑）的專用達(dá)克綸拭子，在清洗后的設(shè)備表面上涂抹被測區(qū)域（30～45°角、10×10cm表面），邊涂抹邊旋轉(zhuǎn)拭子頭，橫向、縱向各往返擦涂5-6遍。檢測結(jié)果值≥30 RLU判定為有機物殘留超標(biāo)，（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(jīng)與廠家共同確認(rèn)，此判定標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)于裸視法、校正視力法、黑光燈法判定標(biāo)準(zhǔn)）。清洗劑回收合理濃度判定方法：以在線電導(dǎo)儀檢測顯示結(jié)果為準(zhǔn)。
對試驗發(fā)酵罐生產(chǎn)的終產(chǎn)品出廠按照GB19302-2010微生物限量規(guī)定批檢產(chǎn)品微生物指標(biāo)。數(shù)據(jù)連續(xù)跟進三個月（抽樣樣本量200個），無異常結(jié)果判定優(yōu)化效果有效。
大腸菌群：GB 4789.3-2016食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗大腸菌群計數(shù)
酵母菌：GB 4789.15-2016食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗酵母菌和霉菌計數(shù)
霉菌：GB 4789.15-2016食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗酵母菌和霉菌計數(shù)。
酸奶發(fā)酵罐從生產(chǎn)到CIP清洗是一個循環(huán)過程，其中CIP清洗作為整個生產(chǎn)的一部分主要分為5個步驟：首次水沖洗、堿洗循環(huán)、中間水沖洗、酸洗循環(huán)、最后水沖洗。通過生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，除了以上所描述的清洗必須環(huán)節(jié)及參數(shù)之外，在實際的CIP清洗流程設(shè)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(shè)備CIP清洗效果及效率起到?jīng)Q定性作用。經(jīng)調(diào)查分析，酸奶發(fā)酵罐CIP清洗的各個步驟可細(xì)化分解到26個環(huán)節(jié)。在CIP清洗程序設(shè)計中對各環(huán)節(jié)進行有效的銜接可確保發(fā)酵罐設(shè)備CIP清洗的高效執(zhí)行。
基于CIP清洗26個環(huán)節(jié)分解后的子步驟，對酸奶發(fā)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(diào)查分解見表1。
將以上統(tǒng)計的分步驟耗時按照酸奶發(fā)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(fā)酵罐CIP時間要素調(diào)查可見，在酸奶發(fā)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(chǎn)效率構(gòu)成嚴(yán)重影響。有較大的優(yōu)化空間。
經(jīng)統(tǒng)計首次水沖洗COD值對應(yīng)的潔凈度及樣品狀態(tài)見表2。
按照以上標(biāo)準(zhǔn)，渾濁度目測法在沖洗至鄰近重點時無法準(zhǔn)確判定最佳時間。按照COD值變化法選定一組正常使用的發(fā)酵罐，每個清洗對象取樣50組數(shù)據(jù)，并隨CIP沖洗時間變化對應(yīng)COD值及感官判定結(jié)果描述見表3。
表3 隨CIP沖洗時間變化對應(yīng)COD值及感官判定結(jié)果
注：a,b,c,d,e,f,g,h,j:不同字母表示酸度值存在顯著性差異,P<0.05;相同字母表示無顯著性差異,P>0.05。
試驗發(fā)現(xiàn)，不同酸奶發(fā)酵罐因設(shè)備距離CIP站遠(yuǎn)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ΔCOD值基本無明顯降低，ΔCOD值由最初的>200降至<5內(nèi)。由此可見，兩個獨立發(fā)酵罐沖洗后達(dá)到COD值50 mg/L后ΔCOD值變化趨勢得到同樣的結(jié)論，可將酸奶發(fā)酵罐CIP清洗的首次水沖洗的COD值與沖洗時間關(guān)系模型描述如圖2。
經(jīng)取樣對比目測濁度及COD值變化趨勢，COD值方法設(shè)置限值≤50 mg/L對應(yīng)時間作為達(dá)到?jīng)_洗標(biāo)準(zhǔn)精度高可操作性強，可作為首次水沖洗優(yōu)化時間方法。
中間沖洗及最終沖洗的目的是達(dá)到中性，pH值在6～8范圍內(nèi)可作為目標(biāo)值判定。按照此目標(biāo)設(shè)定清洗程序及參數(shù)不需要規(guī)定沖洗時間，只需設(shè)定沖洗的電導(dǎo)值變化趨勢達(dá)到“中性”時，及時轉(zhuǎn)入下一步清洗程序而避免計時沖洗導(dǎo)致的盲目性。選定一組在用發(fā)酵罐，重復(fù)清洗50次回流線取樣并同步檢測回流線電導(dǎo)值變化。對比pH值法與在線電導(dǎo)檢測法，見表4。
縱向比較表中數(shù)據(jù)，隨著沖洗時間延長，濃度、pH電導(dǎo)值均降低，但從差異性分析看出，在線電導(dǎo)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(dǎo)值法操作靈活性差，因CIP清洗系統(tǒng)來線或回線過濾器堵塞等故障可能導(dǎo)致罐內(nèi)積液，進而影響到清洗的回流電導(dǎo)值反復(fù)，出現(xiàn)此類問題需及時排除系統(tǒng)故障確保清洗效率。單純使用ΔpH值檢測某個點確定重新參數(shù)會導(dǎo)致沖洗不徹底誤判隱患。
在線電導(dǎo)值檢測是為保證沖洗的徹底性，設(shè)置達(dá)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(huán)一圈的2-3個整數(shù)倍，具體值根據(jù)目標(biāo)罐與CIP站距離及清洗流速可確定。經(jīng)跟蹤數(shù)據(jù)，電導(dǎo)值在較短時間即可達(dá)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(shè)定回程在線檢測監(jiān)測電導(dǎo)值法對比使用ΔpH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(zhǔn)確度高，可作為優(yōu)化中間沖洗時間優(yōu)化方法。
為研究酸奶發(fā)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(shù)對酸奶發(fā)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(dá)到化學(xué)清潔度水平，為有效進行酸清洗及消毒準(zhǔn)備。判定標(biāo)準(zhǔn)為被清洗發(fā)酵罐內(nèi)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(fā)酵罐的難清洗部位，通過使用不同的驗證方法驗證是否達(dá)到清潔度要求。
試驗組清洗具體參數(shù)及清洗方法見表5。
表5 酸奶發(fā)酵罐堿洗參數(shù)及清洗方法
分組檢測結(jié)果及分析見表6。
表6結(jié)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(shè)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5μm直徑的污垢及雜質(zhì)，散在設(shè)備表面的微量有機物及雜質(zhì)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(fā)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(jié)見表7。
表7 酸奶發(fā)酵罐堿洗優(yōu)化方法評價
經(jīng)對優(yōu)化檢測方法評價結(jié)果表明，ATP熒光法用于CIP清洗堿洗后驗證明顯在結(jié)果的判定準(zhǔn)確性、靈敏性、操作方便性及可量化性各方面優(yōu)于傳統(tǒng)的裸視法、校正視力法、黑光燈法，在乳品企業(yè)一直使用的傳統(tǒng)常規(guī)方法基于感官評價，存在人為因素對結(jié)果判定影響大，因此，在酸奶生產(chǎn)企業(yè)推廣ATP熒光法有顯示意義。
在優(yōu)化基礎(chǔ)上，對酸奶發(fā)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(xù)監(jiān)測驗證同期對比3個月共200批次生產(chǎn)的最終產(chǎn)品微生物檢驗結(jié)果數(shù)據(jù)見表8。
通過優(yōu)化方法實施在日產(chǎn)300 t酸奶生產(chǎn)廠為例，按照每罐15 t計，共計需使用20罐次，每次生產(chǎn)使用后均需要CIP清洗，跟蹤酸奶發(fā)酵罐CIP清洗優(yōu)化前后耗用時間對比見表9。
按照設(shè)定的優(yōu)化方法，持續(xù)跟進優(yōu)化后3個月共200批次使用效果，從酸奶發(fā)酵罐各項感官、理化、微生物驗證等評價滿足優(yōu)化目標(biāo)要求，優(yōu)化效果可接受。按照優(yōu)化方法對酸奶發(fā)酵罐CIP清洗優(yōu)化前后耗時統(tǒng)計得出，優(yōu)化后單罐CIP清洗效率可提升37%。對應(yīng)該效率提升可顯著提升生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)效率、節(jié)約能源耗用并降低污水排放。
通過對發(fā)酵罐CIP26個子步驟現(xiàn)狀分析及跟蹤基礎(chǔ)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(fā)酵罐CIP首次水沖洗使用COD法對比感官判定法，重復(fù)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(fā)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(dǎo)值判定法優(yōu)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(fā)酵罐CIP堿洗清洗效果跟蹤發(fā)現(xiàn)，ATP檢測法優(yōu)于黑光燈法、校正視力法及裸視法，可量化精準(zhǔn)的確定最佳堿洗時間。
通過對酸奶發(fā)酵罐CIP優(yōu)化后的效果評價，優(yōu)化后感官、理化、微生物驗證等滿足優(yōu)化目標(biāo)要求。對優(yōu)化后的效率評價，優(yōu)化后單罐CIP清洗效率可提升37%。對應(yīng)該效率提升可顯著提升生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)效率、節(jié)約能源耗用并降低污水排放。
