精酿啤酒Cleaning TechnologyBasic BrewingChinese清洗技术.docx

1、精酿啤酒Cleaning TechnologyBasic BrewingChinese清洗技术基础酿酒课程清洗技术导言 1学习目标 1清洗 2影响清洗效果的物理因素 2清洗剂 3水 3碱 3酸 4隔绝作用剂（螯合剂） 4表面活性剂 5杀菌 7原位清洗系统 7CIP系统设计 7CIP系统清洗液 8CIP的配置和组件 9CIP装置的类型 11清洗顺序 14结束语 16导言把啤酒从酿造设备中泵出后，有机物和无机物就遗留在设备中。如果不及时进行处理，这些遗留物就会粘附在酿造设备的内表面上，导致下一批酒的品质下降。而且，不断增加的遗留物会使传热面面积越来减少，最终堵塞管道。这些沉积物还给遗留下来的各种微

2、生物提供了繁殖环境。未经处理的有机物质会加快细菌的繁殖速度，从而破坏啤酒的味道，或使啤酒卫生程度下降。我们会全力保证我们的啤酒酿造环境始终保持在最清洁的程度。在这一单元中，我们将介绍用于处理有机和无机遗留物的清洗剂。重点介绍原位清洗(CIP)系统。学习目标完成本单元之后，您将能够： 解释清洗的重要性。 解释不清洁、清洁不彻底或者清洗不彻底可能对产品质量造成的影响。 列举出影响清洗效果的各种物理因素。 列举出Anheuser-Busch牌清洗液中使用的各种化学物质，以及其各自的作用。 描述典型的CIP系统的组成。 描述从预冲洗到冲洗完成的一般CIP清洗步骤。清洗在啤酒酿造过程中，原料和产品的残余

3、物会附着在酿造容器、管道及其他与麦芽汁和啤酒有接触的设备内表面上。这些沉积物主要是碳水化合物、变性蛋白质、酵母沉积物、钙盐以及草酸镁和草酸钙。有机物包括蛋白质、碳水化合物、麦芽汁或啤酒的啤酒花残渣以及由酵母和细菌组成的双层膜。因此为了防止这些沉积物的形成，对设备进行清洗是很有必要的。 常见的有机物有泡盖和凝固物。泡盖多沉积在发酵罐中，由啤酒花树脂、酵母、蛋白质和其他在发酵过程中形成的有机物构成。 凝固物多沉积在麦芽汁接收器中，主要由蛋白质类物质和多酚构成。碱性溶液可以有效去除泡盖和凝固物。 酸性溶液可用来去除矿物质，如沉积在表面的钙盐和镁盐。螯合剂用作水质改善剂，可以防止清洗液沉淀析出。 这些

4、过程都是通过用一些能够被清洗掉的可溶性分子覆盖不可溶的离子来达到清洗的目的。在有机物为污染微生物提供养分和保护之前就将它们全部清洗掉是很重要的。一个良好的清洗计划应该清除所有能够为微生物提供繁殖条件的物质。 即使在酿造过程中没有产生盐类和有机遗留物，在酿造下一批啤酒之前也有必要将以前的遗留物全部清除掉，以保证对下一批啤酒的颜色或味道不造成任何影响。蛋白质类与多酚类的有机化合物与草酸钙和草酸镁化合后就形成了啤酒垢。 啤酒垢往往很难清洗，使用专用的螯合剂溶液清洗效果最佳。 如果不清洗掉，啤酒垢就会成为微生物繁殖的温床。影响清洗效果的物理因素有四种物理因素影响着清洗效果。 它们分别是接触时间、工作温

5、度、清洗剂的化学成分以及机械作用。 合理调整这些因素可以取得最佳的清洗效果。 相反，如果清洗效果不佳，则很可能是因为没有把这些因素设置到最佳状态。 例如，如果某个泵产生的压力达不到要求，则会减弱溶液对容器表面的喷溅冲击作用。清洗剂使用主要成分为酸或碱的清洁剂是去除酿酒杂质的最有效的方法。配置好的清洗液一般包含以下一种或几种试剂： 水 碱 酸 隔绝作用剂 表面活性剂水水是酿酒用清洗剂的主要成分。 它是其他清洗化合物的运输载体。 水本身也是一种很好的溶剂。在清洗过程中的预清洗和最终清洗阶段都要使用水。在清洗过程的最后要用热水给设备消毒。当使用硬水（含钙、镁元素的水）时，清洗液中必须包含隔绝作用剂。

6、碱碱清洗液是去除酿酒杂质的首选清洗剂。它们通常都是碳酸根、氢氧根或硅酸根与钠或钾的化合物。碳酸盐最温和，但清洗能力有限。硅酸盐主要用在铜、铝、锡或锌表面可能被腐蚀的环境中。 氢氧化物是碱性成分中化学侵蚀力最强的，去除蛋白质、油脂和油的效果非常明显。 氢氧化钠(NaOH)是啤酒厂最常用的清洗剂，而且它的价格相对便宜。您可以使用它来清洗大部分酿酒设备，包括表 1中所示的设备。表 1 氢氧化钠的用法溶液浓度设备清洗频率2-5% NaOH糖化锅每周一次2-5% NaOH过滤槽每周一次2-5% NaOH煮沸罐每天两次2-5% NaOH麦汁处理器和薄板冷却器每天两次1.5 3.5% NaOH发酵罐每次使用

7、之后1.5 3.5% NaOH后酵罐每次使用之后1.5 3.5% NaOH冷藏罐每月一次1.5 3.5% NaOH过滤罐每次使用之后1.5 2% NaOHKF过滤机每周一次1.5 2% NaOH灌酒罐每月一次氢氧化钠通过水解作用分解有机物质。它能分解脂肪，并具有一定的杀菌能力。 氢氧化钠本身很不容易清洗，因此需要在清洗液中添加表面活性剂。表面活性剂是这样一种物质，它可以降低溶解环境的表面张力，从而可以更容易地冲洗溶液。 碱性清洗剂有两个缺点， 第一，它们会加重一些矿物质的沉积， 这就要求在配方中加入隔绝作用剂以防止沉积加重。 第二，它们很容易吸收二氧化碳。 这就要求在清洗前必须先对容器进行通风

8、，因为碱性清洗剂对CO2的快速吸收会导致容器内压力急剧下降，可能造成容器坍陷。 酸酸性溶液能够很好地分解矿物质，但分解蛋白质或脂肪的能力却不很理想。 加入表面活性剂物质可以显著增强它们的杀菌能力。 矿物酸包括硫酸和磷酸。有机酸清洗剂包括柠檬酸。酸性溶液可以用于清洗含有二氧化碳的容器。隔绝作用剂（螯合剂）顾名思义，隔绝作用剂能将矿物质离子包含在溶液中，防止了无机物成膜。 螯和剂与能够在碱性溶液中形成沉积物的钙、镁、铁和铜等阳离子结合。所形成的化合物在pH呈碱性的溶液中具有水溶性，当稳定后，就不会形成沉淀。如图 1所示，隔绝作用剂葡萄糖酸钠(NaC6H11O7)，与钙(Ca+)离子相结合，形成了一

9、种可以“捕捉”钙离子的水溶性分子结构。图 1 隔绝作用剂“俘获”钙离子隔绝作用剂的带电部分与带有相反电荷的离子结合，并将离子“包围”。结果，不溶解的离子被可以冲洗掉的可溶解分子结构包围。在Anheuser-Busch公司的清洗液中，使用葡萄糖酸钠作为隔绝作用剂。 使用苛性清洗液后会留下难以处理的无机膜，需要对其进行隔绝处理。当使用硬水时，这种情况尤为明显。一些隔绝作用剂所具有的分子结构与葡萄糖酸盐的分子结构不同，它们的带电部位距离更远。如果间距合适，和金属离子结合形成的化合物形状就象一个拣取珍珠所用的爪钳。 具有这种结构的多价螯合剂被称为“螯合剂”，这种说法来源于希腊语的“爪子”。 由螯合剂形

10、成的化合物一般比由其他多价螯和剂形成的化合物更稳定。表面活性剂加入表面活性剂可以提高清洗剂的“润湿力”。“表面活性剂”这一术语的英文是Surfactant，由“surface active agent”三个词衍生而来。在清洗液中加入表面活性剂可以减少泡沫，并使得更容易冲洗容器中的清洗液。表面活性剂的分子结构是这样的，分子的一端带有亲水基（具有亲水性），而另一端带有疏水基（具有斥水性）。把表面活性剂加入到清洗液中后，它们就会降低清洗液的表面张力，从而使清洗液完全覆盖住表面进行渗透。 在清洗液中加入表面活性剂还降低了有机遗留物对表面的粘附力或说是“抓持力”。结合设备内部安装的压力喷溅器产生的机械搅

11、拌作用，用这种方法就可以去除污垢。原始的表面活性剂是肥皂，对其性质的简单探讨可以说明表面活性剂的反应过程和结构。从化学成分来看，肥皂是长链结构的石炭酸形成的钠盐或钾盐的混合物，通过用碱分解脂肪可产生石炭酸。图 2中的化学方程式说明了脂肪是如何变成原生肥皂的。肥皂分子中的亲油部分肥皂分子中的亲水部分图 2 肥皂分子肥皂分子两端截然不同的特点决定了肥皂的清洗机制。长链分子(CO-Na+)的钠盐一端是离子性的，因此具有亲水性，在水中容易分解。肥皂分子的长碳链部分(C14-C18)是无极性的碳氢化合物，它具有亲油性（亲脂肪），在脂肪中容易分解。这两种相反特性共同作用的结果就是肥皂表面活性剂对油脂污垢和

12、水同时具有亲和性。当肥皂表面活性剂在水中扩散时，长链碳氢化合物一端聚集成一个具有亲油性的球体，而球链表面上的离子端则伸入了水中。这些球形链被称为胶束，如图 3中所示。图 3 肥皂胶束俘获脂肪族化合物肥皂液是优良的清洗剂，因为不溶于水的物质被肥皂分子无极性的一端所包围，然后被扩散到水中洗掉。然而，单独使用肥皂作为表面活性剂也有不足之处。在含有金属离子的硬水中，可溶性羧酸钠会转变成不溶性的镁盐和钙盐。化学家已经通过合成几类合成表面活性剂缓解了这个问题。 其中一些合成表面活性剂的合成基础就是长链苯磺酸甲酯醇(alkybenzenesulfonic)酸。 另外一些是结合在亲油链上的聚醚。 还有一些则是

13、长链烷基胺盐。合成表面活性剂的反应原理与肥皂的反应原理相同。然而与肥皂不同的是，合成表面活性剂在硬水中不会形成不溶性的盐。杀菌通过清洗，有机体的数量被降低到不会造成任何不良影响的水平。但是，只有在设备被充分清洗之后才能进行杀菌。所以一定要遵循先清洗后杀菌这一原则。应当反复强调的是，对不清洁的设备是无法彻底杀菌的。杀菌可以完全清除所有的微生物。通常，最后的热水冲洗就是在给设备杀菌，冲洗用水的温度一般足以杀死存在的任何细菌。如果在清洗检查过程中发现了细菌，则可以使用有化学成分的杀菌剂，如释氯化合物、基铵化合物、过氧化物和可用作含碘杀菌剂的碘递体。碘与高分子量的介质高度结合，得到的混合物就称为碘递体

14、。如果杀菌液颜色变淡，杀菌效果就会下降。原位清洗系统现在酿酒行业已经采用了原位(CIP)清洗系统，建造或翻新酿造容器时都加上了内置的加压喷溅系统。CIP系统采用各种喷溅器的机械搅拌作用和化学清洗液相结合的方式来清除遗留物。在设计酿造设备，尤其是连接管道的时候必须注意避免气室和死角。设计各个组件时要考虑周密，以确保不会积聚或存留液体。CIP系统设计要根据所清洗的遗留物和设备类型来设计CIP系统。对于仅含有一种易于清洗的遗留物的简单容器，只要几个固定的低压喷溅装置就足够了。相反，对于复杂设备中难以清除的遗留物，就需要很多可移动的高压旋转喷溅装置方可清除。采用CIP系统是出于以下几个原因： 操作人员

15、很难直接清洗设备。 打开设备可能会破坏产品品质。 打开设备可能会危害操作人员安全或污染环境。 可以使用效果更强劲的化学物质。 可以使用压力更高的喷溅器。 清洗系统可以实现自动化操作。 CIP系统的清洗效果稳定。 由于CIP系统的效率更高，因此能够缩短停产清洗时间。CIP系统利用了高压、低压和浸湿相结合的方法，可以有效清除酿造设备内表面的遗留物。安装在容器内部的高压喷溅器，标准工作流量为50 gpm，能产生100磅/平方英寸的压力。从精心设计的位置上的旋转喷嘴喷出的水流，可以到达容器的全部内表面。低压喷溅器的标准工作流量为200 gpm，能产生30磅/平方英寸的压力。根据要清洗的设备和要清除的遗

16、留物来选择使用高压喷溅器还是低压喷溅器。一般说来，高压喷溅系统可以使用化学物质浓度较低的清洗液，而低压喷溅系统需要使用化学物质浓度较高的清洗液。只有化学清洗和机械清洗双管齐下，才能有效清除遗留物。CIP系统清洗液在CIP系统中，提高清洗液的温度可以增强清洗效果。清洗液与设备的表面接触，与遗留沉积物发生化学反应。在清除遗留物的过程中，清洗液的浓度会越来越低。清洗液与遗留物相互作用，经过规定的时间后被回收。对清洗液浓度的监测、根据情况随时调整以及循环再使用都通过设备进行。在CIP系统中，清洗液的回收非常重要，通过回收可以减少化学物质的用量和排放到废水渠中的废水量。要保证清除所有遗留物和清洗液，必须

17、进行彻底清洗。所以现代CIP工序中的全部机械操作，均通过可编程逻辑控制器(PLC)控制的程序来执行。 这些操作包括阀门的开启与关闭，以及泵的启动。CIP的配置和组件图 4中显示了比较简单的CIP装置，通常由至少一个被清洗罐、一个供给泵、一条清洗介质的注入管和若干罐喷溅装置构成。罐喷溅装置可以是简单的固定喷球或旋转喷嘴。较轻的固态物可使用固定喷球清除，而旋转喷嘴更适合清除更重、粘附得更紧的遗留物。喷嘴系统的选择对于设备的内部清洗效果至关重要。图 4 简易CIP系统喷嘴和喷球是清洗容器内部时要使用的完全不同的设备装置。旋转喷嘴利用水的力量自动转动喷嘴，以喷射到足够大的范围。图 5显示了一个旋转喷嘴

18、示例。图 5 旋转喷嘴图 6中显示的喷球是Anheuser-Busch公司酿造容器中使用的另一种主要喷溅器。在喷球的球体底部和顶端都有孔，使得喷射流能够直接射向容器的不同部分。图 6 喷球CIP装置的类型CIP装置被设计为一次性或回收使用等类型，或同时具有这两种用法。在图 7所示的一次性系统中，清洗液准备妥当后，在系统中循环，完成清洗过程后排出。这种设计简洁明了，但需要的清洗液量很大。这种系统的优势是降低了交叉污染的危险，清洗液中不会积存遗留物，因此清洗液的浓度可以较低。另外，由于只需要一个罐和一个泵，占用的空间较小，因此一次性设备较为便宜。由于它可以针对不同的设备使用不同浓度的清洗液，所以它

19、的适应性更好，而且每次清洗时使用的清洗剂都是干净的。这个优势使它适合清洗一系列含有不同遗留物的酿造设备。但是，一次性设备要消耗更多的水和化学物质，并产生更多的废水。循环一次性清洗系统将要清洗的设备作为清洗剂的存储罐。比起一次性系统，这种系统的清洗液用量较少。 它的工作原理是先将加热的化学溶液注入要清洗的容器内，然后再用泵将清洗液通过管道抽送给罐内的喷溅器。 清洗液在设备中循环几次将设备清洗干净后，就被排送到废水渠中。图 7 一次性以及循环一次性CIP系统图 8中所示的回收系统使用外部容器来储存清洗液。 由于清洗液可以多次使用，所以这种方法使用的清洗液更少。 上一个循环中最后使用的冲洗用水被收集

20、起来供下一个循环的第一次冲洗之用，这样就节约了更多成本。这种系统的主要缺点是，遗留物会散布到整个系统内，加大交叉污染的风险。虽然回收系统装配费用昂贵，但使用成本相对较低，特别是在使用热清洗液时，由于热量和化学物质可以重复利用，这一优点更为突出。如果系统中安装了多套泵，那么就可以同时进行多路清洗操作。图 8 带有外部容器的循环清洗系统不是所有的设备或连接管道都能使用CIP系统进行有效清洗。有些组件必须拆卸下来并浸泡在清洗液中漂洗，或用手工仔细清洗。图 9中所示的酵母添加泵就是是酿造组件中必须拆卸下来用手工清洗的典型组件。方便拆卸的清洗盖图 9 酵母添加泵图 10显示的是一套简化的CIP化学清洗系

21、统。这种系统设计使用了集中化的存储罐将杀菌剂、酸和碱浓缩物定量供应到相应的清洗液存储罐中。在清洗液存储罐中加入水，使清洗液达到理想的浓度。由于将清洗剂加热后清洗效果更好，所以清洗液存储罐内部通常装有蒸汽加热循环管道。 清洗液被从这个系统抽送到要清洗的设备中。 实际使用的清洗液存储罐内部通常装有用来检测浓度的电导探示器。 其他的存储罐留有样品孔，以便进行取样分析。 当清洗液浓度降到有效值以下时，系统就会加入新浓缩物以恢复浓度。 在一些更复杂的系统中，清洗液会被回收，放入用过的清洗液回收罐中，以便在下一次清洗开始时再次使用。 这点在清洗二氧化碳含量较高的前发酵罐时极为有利。 苛性清洗液的清洗效果可

22、保持相当长的时间。 尽管它会积聚遗留物，但正常使用过程中的损失和补充仍然能使遗留物的浓度保持不变。 在这种情况下，清洗液可能会变色或散发香味，但其清洗能力仍然不受太大影响。 大部分清洗液在失效以前，就会因为变色而被废弃。图 10 简化的CIP化学清洗系统清洗顺序典型的清洗程序包括表 2中列出的十个主要步骤。如表中所示，如果容器中含有二氧化碳和用作清洗剂的某种碱，如氢氧化钠，则应在将清洗液注入容器以前先通气排放二氧化碳。二氧化碳会与苛性钠化合，生成碳酸钠和碳酸氢钠。这种化合反应会降低容器中的气压。随着二氧化碳气压的突然下降，容器可能会坍陷。表 2 一般清洗程序步骤说明通风净化碱之前，先清除二氧化

23、碳。预冲洗通常使用从前面的清洗过程中回收的清洗用水。排放将清洗用水从容器中排出。第一道清洗碱往往就是第一道清洗液，有机物就在这一步中被分解。 在这一步中可以用酸清洗有轻微遗留物的表面，如啤酒过滤罐。 这一步花费的时间要根据所需的清洗剂与遗留物接触时间和喷溅装置的循环时间而定。排放将清洗液从容器中排出。清洗干净的水。第二道清洗（可选）如果选用碱作为第一道清洗液，那么要将稀酸抽送到容器中清除无机盐和残余的苛性清洗剂。排放（可选）将清洗液从容器中排出。最终清洗/杀菌用干净的水反复冲洗直到清除所有残余的清洗液。不留下任何可能影响啤酒味道和降低产品信誉的物质。在此步骤的最后，使用温度很高的清洗水给设备杀

24、菌。检查清洗效果四种方法：直接检查，冲洗水含菌量检测、成品啤酒含菌量检测以及发光细菌含量检测。通风完成之后，用水冲洗容器。 通常所用的水是上一个循环最后冲洗回收的水。这种冲洗一般称为预冲洗，通常不需要将水加热。热水会将有机遗留物熔合到容器表面，使以后的清除步骤难度加大。随后将预冲洗水从容器中排出，一般直接排向废水渠。将第一次清洗水从容器中排出后，经过足够的时间后，就可以将第一道清洗液注入容器开始循环了。通常，此时会使用碱来清除有机物质。 通过容器内的高压旋转喷嘴或固定喷球喷溅碱清洗液，对容器进行彻底清洗。氢氧化钠是最常用的碱。这一步花费的时间要根据所需的清洗剂与遗留物接触时间和喷溅装置的循环时

25、间而定。将用过的清洗液从容器中完全放出，然后再用干净的水冲洗容器。如果经验表明，在上一步骤中使用的碱没能分解无机遗留物，那么就要将第二道清洗液抽送到容器中继续清除。一般而言，苛性碱制剂能够实现完全清洗，但是如果要使用第二道清洗液，这道清洗液的酸度须为1%到2%。将清洗液排出容器后，就该用干净的热水进行最后冲洗了，这次冲洗要达到用电导率测量都检测不到清洗液的洁净水平。清洗有效的判定方法有：直接检查、冲洗水含菌量检测、成品啤酒含菌量检测和发光细菌含量检测。发光细菌含量检测就是根据有机体分泌出来的三磷酸腺苷(ATP)与荧光素和荧光素酶的混合物相接触时所放射出来的光来检测是否存在活性有机体的过程。结束

26、语有效的酿造设备清洗方案是防止啤酒变质污染和保持啤酒质量稳定的重要保障。酿造过程中会产生两类遗留物：有机物和无机物。苛性碱可以清除有机遗留物，酸则被用来清除无机沉积物。在有机物为污染微生物提供养分和保护之前就将它们全部清洗掉是很重要的。只有在清洗之后进行杀菌才有效。清洗剂配方包括水、碱或者酸、隔绝作用剂和表面活性剂。隔绝作用剂在分子级发生反应。它以可溶性且易于冲洗的分子结构包围不溶性离子。表面活性剂通过扩大清洗液的接触面增强清洗效果，同时使得更容易从容器中冲洗掉清洗剂。在我们的啤酒厂中，所使用的碱主要是氢氧化钠。碱可以有效清除有机物，但对于矿物质沉积物却无能为力。在含有二氧化碳的容器中加入氢氧化钠时要特别谨慎。二氧化碳气压可能会急剧下降到零，从而导致容器坍陷。酸在清除矿物质方面效果极佳，并且可以安全地用在二氧化碳环境中。尽管啤酒厂的清洗方法和设备多种多样，但安装包含CIP系统的酿造设备或将现有设备改装成CIP已经是大势所趋。典型的CIP系统一般包括化学存储罐和回收罐，这些罐子用于清洗遍布整个啤酒厂的设备。CIP系统可以回收化学物质和水以重复使用，所以费用经济合算，同时还减少了排放到废水渠中的化学物质。清洗顺序可以用从上一次清洗的最后冲洗步骤回收的水进行预冲洗。