实现可持续就地清洁的方法

就地清洁(CIP)系统是卫生加工厂耗材的最大使用者之一. 这里提出了在CIP操作中减少水、化学品和时间消耗的技巧.

在许多行业中，对经济上合理的资源节约的意识和追求正在兴起. 使卫生处理成为可能的清洁程序是设施中耗材的最大用户之一. 就地清洗(CIP)是清洗过程设备的自动化方法，人工干预最少. It is one of the most important aspects of 卫生 production; however, 除非出现问题，否则许多工厂都忽略CIP程序. 由于这种疏忽，使CIP更具可持续性的机会丧失了. 优化的CIP程序不仅保证了产品的完整性, 但也提供了宝贵的节约通过节约用水, 能源, 化学品和可用的生产时间. 有许多过程设计哲学, 机械部件和自动化解决方案使这不仅可行，而且具有成本效益.

实施CIP的好处

CIP在需要卫生生产以生产纯净和安全消费或使用的产品的行业中实施. 从历史上看, 卫生过程的清洁是通过非常劳动密集型的手工程序实现的，很难确保可重复性. 随着CIP的出现, 由于不再需要整个工厂停工进行拆卸和清洗，可用生产时间增加了. 今天, 单独的加工单元可以单独隔离和清洗，而不会影响其他区域的生产, 允许24小时连续生产. 通过减少高风险活动，工人的安全得到了改善, 例如进入密闭空间和拆卸可能被加压或含有清洁化学品的管道. CIP在食品和饮料行业的广泛接受, 随着实施实践的进步, 是否导致了其他行业的进一步接受. 制药和生物技术行业标准依赖于这些可验证的可重复过程. 可以对给定工艺的设计和规定的CIP方案进行改进，以尽量减少耗材的使用，而不会降低总效率.

典型CIP应用程序的示例

了解哪些地方存在潜在的节省, 有必要了解典型的CIP清洗方法(图1)。. 清洁配方因行业而异，但都建立在相同的原则之上. CIP依赖于时间、温度、化学作用和机械力. 一般来说，水基溶液用于去除工艺设备中的残留产品. 初始用水冲洗后, 加热稀释的苛性碱溶液循环, 然后是酸溶液和最后的冲洗. 腐蚀剂是主要的清洁剂，能分解蛋白质和脂肪. 酸性或酸性消毒液中和残余苛性碱，防止设备上的矿物积聚, 改善干燥, 并且可以创造一个抑制细菌生长的表面条件. 在食品工厂中，酸洗通常被在消毒剂中储存生产线的做法所取代.

图1:这里显示的是生物制药厂典型的两洗CIP配方相结构

用于有大内腔的储罐和设备, 静态喷雾球向罐的顶部提供清洁溶液, 造成沿侧壁向下的紊流板作用. 带有直列组件的管道, 比如泵, 阀门和仪表, 是否以最小流速清洗以确保管道完全淹水, 保证充分的化学接触，并保持悬浮的固体沉淀. 高压动态喷雾装置从容器中去除粘性产品. 在选择这些设备时, 供应压力要求通常要高得多, 喷雾装置的旋转可能需要通过接近开关进行跟踪, 供给容器的工艺管线仍然必须以适当的流量清洗, 哪一个可能超过罐喷装置的要求.

有多种硬件的进步，以提高清洁效率和减少浪费. 其中许多方法减少了CIP死腿的长度(图2)。. 死腿的定义是树枝的长度(L)除以内径(D)，或L/ D. CIP可清洗连接的行业标准小于2l / D. 经验测试证实，L/ D越短，死腿冲洗得越快. 分支机构, 比如乐器三通, 是否应该安装在水平位置，以防止被困的空气影响溶液接触所有表面. 重要的是，该系统的设计从一开始就考虑到清洗，以便CIP有效地工作.

利用技术和行业实践的最新发展来推动可持续发展领域的成功. 注重保护的生产设施通过新的机械和自动化解决方案有效地集成了CIP，以促进更经济的实践.

实现可持续CIP

实现可持续CIP最有效的方法是在新工厂或扩建设计的早期整合实践. 位置和管道尺寸. 注意事项, 例如将CIP单元定位在最大用户的中心, 将减少专用CIP管道. 这减少了管道中的堵塞量，在每个清洗周期中管道会被填充几次. 多余的体积是CIP设计的一个功能，但与它的有效性无关. 本质上, 这个物理体积是执行CIP的固定成本, 无论被清洗设备中残留的土壤有多少.

对于每天清洗多次的系统, 比如成品油船, 靠近CIP装置可以节省经常性成本. 例如, 在一家牛奶厂，需要54辆牛奶罐车来维持325,000加仑日产量, CIP单元被分组在靠近公用设施的一个区域，而不是靠近工艺负荷的区域. 油轮接收舱CIP单元距离130英尺，估计消耗6英尺.两百万加仑/年的水. 通过移动CIP单位在40英尺内的接收区域, 绳子的长度缩短了一半以上, 用水量减少到3.300万加仑/年. 此外，还节约了11000加仑的高强度酸和苛性碱用量. 水的减少, 能源, 需要处理的化学品和废物流流出物节省了125美元,000元/年. 考虑到设施的使用寿命, 小心地将CIP系统放置在用户附近，可以节省超过初始资本成本的费用.

在新设施中，另一个重要的考虑因素是花额外的时间来适当地确定CIP分配管道和相关的供回泵的尺寸，以设计一个功能齐全的系统, 但对于清洁要求来说，尺寸并不大. 在之前的研究中，1.200万加仑/年的水和10,据估计，通过缩小3英寸的管道尺寸，可以节省1000加仑/年的高强度化学品.dia. 直线到a 2.5-in.dia. 行.

产品回收和仪器优化冲洗. 就现有工厂而言, 在哪里调整管道尺寸和移动或增加额外的CIP单元可能不切实际, 提高CIP的可持续性仍有许多机会. 产品回收选项, 比如空气吹来, 水推进和产品回收系统, 能帮助工厂回收生产线上剩余的大部分产品吗. 当与CIP配对时，在第一次冲洗中使用较少的水来冲洗工艺管道. 这种双重效果为植物提供了更多可用的产品出售，并减少了用水量.

产品回收水推力可以来自CIP单元或阀阵列中的设计功能. 放置在传输线末端或CIP回流(CIPR)处的浊度传感器可测量漂洗水的光密度(图3和图4)。. 不透明度的委托变化将决定产品-水界面何时通过. 由于湍流引起的混合作为距离的函数, 这个界面被拉长，可以被认为是三个不同的区域:产品, 产水混合物, 和水(图3, 底部). 对于每个区域，设定了不同的条件，并相应地改变了流量. 当产品遇到浊度传感器时, 工艺线保持打开状态，剩余产品与剩余的批次转移一起回收. 对于水产物混合物, 水流可以转移到“Ag系统”，作为牲畜饲料进行储存和分配. 因为稀释后的产品仍然具有营养价值, 它可以卖给农场获利, 降低设施的水处理成本. 当检测到水时，流量被转移到排水管, 所述CIP单元移动到所述CIP程序的下一个步骤.

图3. 回流开关, 电导率探头和浊度传感器用于有效地过渡CIP操作

化学清洗后, 位于CIPR的分析传感器测量漂洗液的电导率. 一旦电导率在一段时间内低于设定的阈值，冲洗阶段就结束了. 对每个电路进行足够的冲洗，而不需要为坚固性内置固定的多余体积.

在不存在过敏原交叉污染风险的生产线上, 可以使用可重用的CIP系统(图4), 上). 与一次性CIP不同(图4), 底部), 哪里的清洁液是一次性配制的, 使用, 和处理, 一个重复使用的CIP系统回收它们作为未来清洁的预漂洗. 重复使用CIP滑块的化学物质回收类似于工艺水推进方法.

图4. 这里展示了两个带有相关硬件和仪器的CIP电路示例. 这种电路可以设计为重复使用的清洗溶液(顶部)或一次性CIP(底部)

同时使用浊度和电导率传感器(图3), CIP系统现在可以针对特定的产品和生产线进行定制, 确保在冲洗管道后，多余的水不会被冲下排水管. 有时还安装回流开关，以确认水已被接收回CIP撬. 在二级警报导致故障之前投入更多时间，在清理周期的早期执行回流检查以确保系统完整性是可取的. 定期确认传感器的校准将提高传感器的效率.

流程建模. 从系统用户参与的过程模型中生成时间表，以确定实际需求并避免瓶颈是至关重要的. 当活动一致建模时，可以更有效地管理设备利用率. 包括更多的约束和追求的粒度程度, 这种模式就越有价值. 这项工作带来的好处包括能够预测未来的资本项目, 妥善处理员工和设备冲突.

过程模型还可以包括管道和仪表图或称为颜色代码图的原理图上的自动化操作的图形表示(图5). 生成颜色代码可以直观地表示复杂的过程，并允许简化自动化排序. 这些图纸可以用于过程组和自动化组之间的清晰沟通，同时也便于调试和培训.

图5. 这里展示的是一个带有郁金香再循环罐的一次性就地清洁(CIP)滑块的三维模型

一次性设备可以从方程式中消除清洁. 生物技术行业中使用的一次性设备无需清洗和蒸煮. 使用预消毒袋容器和过滤器可以提高整体设备的效率. 在考虑新设施时, 成本袋可以有更好的投资回报比固定槽与CIP, 就地蒸汽(SIP), 水, 浪费, 化学品和其他公用事业. 避免了清洗验证和调试时间的成本是增加的主要好处. 在现有设施上, 明智地实施一次性产品，在不增加设备的情况下增加产量. 也, 流程空间可以更加动态, 更容易适应未来产品的小批量与独特的单元操作配置. 混合流程设计可以利用这两种方法的优点，同时保持可扩展性.

连接器，以减少血管死腿. 如果不注意最初的设备设计，容器可能有内部死腿. 传统上，侧壁和罐顶连接为2英寸. 长钳连接，这可能很难达到与喷雾装置. 短，机加工出口套圈减少死腿一般小于0.5 L/ D. 在覆盖测试期间，嵌入式连接可能具有挑战性. 罐头端口应易于接近地在喷雾装置周围以圆形排列分组，以允许更有利的喷雾角度. 否则, 通常需要定制喷雾模式, 以及增加的流量, 确保溶液可靠地与所有内部表面接触. 在CIP过程中，容器侧壁上的水片通常足以湿润短出口卡箍连接表面.

自吸液环泵提高CIP稳健性. 电路的CIP返回(CIPR)路径部分容易出现液压问题, 因为在清洁过程中，容器尽可能保持空的. 一个小水坑在一个不通风的容器将捕获正压力在坦克和减少更多的水积聚. 水压特性相当于一柱水填充在CIPR泵内. 容器中较少的水减少了CIP的总体资源消耗. 偶尔, 混合空气将存在于容器的出口管道中, 导致一些离心泵因循环空气束缚而失去泵送能力.

液环泵通过能够泵送空气和水来实现这一点. 液环泵通常比常规离心泵具有更高的净正吸压头(NPSHr). 这加剧了这样一个事实，即它们可以通过在无通风容器中产生足够强的真空来破坏上游填充条件，从而使它们不再泵送. 当泵送液体蒸汽压接近沸腾的热溶液时，这个问题尤其突出. 该容器应通风, 应添加或补充空气，以避免回程泵的净正吸头可用性(NPSHa)问题.

先对最脏的管道进行预冲洗. 在CIP过程中，工艺阀门循环以确保溶液沿着每条路径流动. 大多数程序都有一个包含所有目标路径的单一流序列. 有许多方法来组织阀门顺序，以减少消耗. 一种快速的方法是部署有针对性的预漂洗或降低化学浓度冲洗到散装土壤负载路径，以驱动残留产品出系统. 隔离高土壤路径将防止土壤扩散到额外的系统表面区域，并缓解泡沫问题.

另一种较少麻烦的土壤负载的冲洗方法包括设计最长的蛇形路径，而不需要设备测序激活. 平行的路径应该独立地和顺序地冲洗主要路线，以避免将土壤带入冲洗路径. 每个路径定时器应设置为每次设备序列迭代清除整个辅助路由. Flow-split, 对于不可避免的平行路径，应进行压降计算, 如在阀阵列回路, 确保有足够的速度. 通过测量具有不同设定值的相间管道温度，可以在现场确定各种步进定时器. 对于大型过滤器外壳，也应采用类似的方法. 当清洗支持多个元素的较大过滤器外壳时, 应分配顺序时间，以允许疏散累积的体积，同时避免多向流动. 概述清洗程序与耦合冲洗和排水将促进成功清洗非理想的管道配置.

当排水阀或其他系统边界脉冲打开以接收清洗液时, 暴露时间应在现场确认. 显著的命令执行延迟可能是控制系统固有的, 导致执行时间过长. 过量的溶液损失可能会产生，这可能会损害稳定的循环洗涤.

加压气源在CIP滑块的广泛功能. 来自CIP滑橇的加压过滤空气可用于吹气供应管线清除化学溶液，以方便冲洗或排水. 应充分调节气压，以克服最高管线的水柱背压，同时还要考虑用户设备上安全装置的压力等级.

在CIP期间，应尽量减少容器内的水坑大小. 在温度升高的阶段, 压力会在不通风的容器中积聚, 这将有助于推出水吗. 有时, 在冷冲洗阶段开始时, 可能会形成真空, 导致水聚集到影响回流的程度. 在死带控制下操作时，向CIP供应管线注入空气或施加局部顶压将使其更加坚固, 液压平衡系统，无论启动条件. 在阀门排序过程中，供气气流喷射也可以抑制液压冲击.

相同的气源可用于在人工干预存在的供应路径上执行预cip气压检查. 通过简化逻辑，任何检测到的泄漏都可以防止影响调度的延迟.

避免编程逻辑中不必要的等待延迟，并在第一时间正确调优参数. 简化CIP滑块逻辑还可以节省时间. 同时执行多个操作, 例如，在执行不同操作的同时，将水箱注满，为下一阶段做准备, 可以移除固定的等待时间吗. 根据相位参数预测水箱的水位也可以减少未使用的水量. 选择验证同类设备的独特清洁参数, 而不是家庭方式, 从长远来看是否有益，但可能会延长启动时间.

取决于热交换器, 前一阶段可能有大量潜在的加热或冷却, 哪个会导致设定值的延迟. 在等待达到正向流动条件的过程中，有时会浪费水.

在程序失败的情况下发出警报, 整个清洗操作通常是重复的. 另一种选择是允许选项重复经历失败的阶段. 设备清理故障逻辑阶段也可以启动，以恢复电路冲洗, 如果电路遇到更严重的告警，则排干安全状态.

在一些行业, 与重新验证参数相关的成本很高，即使它们优化了现有流程. 因此，在调试工作开始之前，必须进行尽职调查. 在工艺实施之前，使用相同的结构材料和清洗剂进行抽样清洗研究，可以避免验证严重依赖过高化学浓度的系统，并将其视为灵丹妙药. 也, 确保化学品充分混合将避免需要过量使用，以避免由于电导率下降而引起的警报.

块体和防混阀减少了系统体积和管道占地面积. 块体零静压隔膜阀可以消除死阀腿，便于冲洗, 以及系统填充量, 同时节省高价值产品. 角配置块体端口阀也可以降低堆积高度和降低回流泵入口管线, 进而通过改进NPSHa减小容器水坑尺寸.

通过加固阀体可以节省占用的安装空间.

防混阀(图6)减少了占地面积，并安全地分离了同时进行的操作. 他们的设计简化了两个块阀和一个排气阀在单个设备中的使用. 由于通过特定的端口组合而增加的压力损失和降低的保持压力应在设计中加以适应. 阀门赋予的工艺灵活性消除了现有设备冲突造成的延迟. 预制防混阀作为滑阀阵列的一部分，可以提高质量和简化安装.

图6. 防混阀将两个阻塞阀和一个放气阀组合成一个单元, 从而分离同时操作，同时减少占地面积

从储罐上解耦传输管线. 如果公共传输管线的清洗路径是分离的，则可以比支撑容器更频繁地清洗它们. 采用这种分离方案，批处理操作几乎可以连续执行. 滚动同步清洁, 处理, 脏状态可能发生在同一家族的血管之间. 伪连续作业允许更长的生产窗口. 在进行CIP之前，船舶不需要等待一个地区的生产结束.

增加传输灵活性的代价是额外的验证和编程. 人们应该对过度承诺转会灵活性保持谨慎. 清洗电路的数量可以因式增长，以适应可变的制造转移选项. 操作可以限制为选择路径, 或者组合电路可能被分解成更小的部分，以适应生产计划. 可以实施“按需”调试和验证理念，以一次延迟调试所有变体，同时避免未来的施工停工.

后cip空气干燥，延长清洁保持时间. 在大多数生物技术CIP项目结束时, 让设备完全排干, 但是水滴会因为表面张力而附着在表面. 在排水阶段之后，系统边界的湿热空气最终会冷却并凝结. 应避免在清洁系统中出现死水，因为它为生物负担的出现提供了环境. 食品厂将生产线储存在消毒液中，以创造一个抑菌环境. 另一种方法在实践中今天，以减少残余水后cip，以保持生物负荷降到最低，并延长设备清洁保持定时器是空气干燥.

空气干燥可以通过用干燥空气和排气对工艺容器进行反复加压来实现. 加压是一个加热过程，使更多的水蒸发到空气中. 在减压, 蒸汽将在悬浮物中凝结, 通过绝热冷却越过露点并从容器中排出到排放点. 对于压力级容器，循环加压稀释法比用洁净空气进行被动开路干燥更有效.

应保持容器上的正压，以避免在冷却期间形成真空, 哪些会将污染物拉入系统边界. 当排气到排水管, 很重要的一点是，不要对废物集管过压, 哪些会影响相邻的同时操作. 较大的容器可能需要一个多小时才能风干. 因此, 使用本地专用空气源将允许CIP单元释放给其他用户并释放利用率.

应规划用户本地污染源和清洁边界的使用点空气过滤. 由于其热质量，容器中保留的热量是干燥的主要驱动因素. 干燥管道更具挑战性，因为它冷却得更快. 设计时应考虑便于干燥, 比如避免平行路径, 确认的斜坡, 确保在线路边界指定通风地点. 池水的减少可以安全地验证清洁保持时间的增加, 减少必须执行的cip总数.

实现CIP的可持续性

监管准则、验证和调试要求因行业而异. 即使考虑到这一点，所讨论的概念也可以部分地被采用以提供价值. 每个单独的行动项目不会立即带来显著的变化, 但从项目一开始就接受可持续的CIP理念将在未来几年带来可观的回报. 一个整体的CIP集成设计方法是必要的，以实现存在的机会，以减少卫生过程耗材. 采用经过审查的新机械设备, 当前的最佳设计实践和简化的自动化将使项目成功.

查看本文 化学工程杂志.

欲了解更多信息，请联系哈斯凯尔食品和饮料部门负责人， 基斯Perkey.