精酿技术 | 精酿啤酒发酵车间CIP清洗系统的设计要点

一、引言 

啤酒生产过程中，啤酒酸败大概率是发酵罐清洗不彻底造成的。

发酵罐的清洗对整个啤酒生产至关重要，一套好的CIP清洗设备能够将酸败概率降到零。发酵车间设备有发酵罐、各种工艺管道、板式换热器、过滤机等，积垢的性质不同，针对不同的积垢采用不同的清洗工艺才能保证清洗的质量和效率。发酵车间主要残留物质是酵母、蛋白质、酒花树脂及啤酒石等，清洗难度低于糖化车间，但是设备需要保持无菌环境。

山东赫尔曼工程装备有限公司设计生产的CIP清洗系统能够在设备运行前后，对罐体、管道和过滤器进行物理和化学清洗，有效清除产品污染和变质的根源，解决100%的污垢问题，使设备系统微生物清洁达到无菌级别。

二、系统组成 

清洗剂站：各清洗剂罐、加热板换和控温装置、清洗剂添加装置、固体清洗剂溶化装置。

清洗循环系统：高压清洗泵、洗涤剂回泵、输送管道、仪表。

执行器：预先安装在被清洗设备中的洗涤器。

三、影响要素 

（一）机械作用

一方面管道清洗要求，高速流动的清洗液在管道内产生强烈湍流，湍流度可以通过雷诺数进行计算，雷诺数与流速的关系可用下式表示：

式中：Re表示雷诺数；D表示管道内径（mm）；u表示清洗液在管道内流速（m/s）；ρ表示清洗液的密度（kg/m³）；μ表示清洗液的黏度（cP）。

例如：2%的碱液（密度1020Kg/m³，浓度1.03cP）以1.5m/s的流速在51mm管道中流动的雷诺数：

通常认为，雷诺数 Re < 2300 时为层流，Re > 4000 时为湍流，但要达到理想的管道清洗效果，建议Re＞30000。ASME BPE 标准中建议 CIP的流速应达到 1.5 m/s。

根据范宁（Fanning）公式，流速越大沿程压力损失越大，过大的管道损失会导致泵的选型增大。

式中：ΔPf表示沿程压力损失（Pa）；λ表示摩擦系数（可由莫迪图查得）；l表示管道长度（m）；d表示管道内径（m）；ρ表示清洗液密度（kg/m3）；u表示清洗液流速（m/s）。

另一方面容器清洗，清洗球的喷射压力一般在0.15-0.5MPa，清洗液压力过低，冲击力不够；压力过高，洗涤液雾化，同样清洗效果下降。

（二）清洗时间

清洗效果会随清洗时间的延长而增大，过长的清洗时间会导致能耗、水耗的增加，一般设置在20—30min。

（三）清洗温度

大型发酵罐的清洗温度控制在40℃-45℃左右，骤冷骤热引起温差应力，影响容器使用寿命，同时大罐热清洗后降温易引起负压。

（四）清洗浓度

清洗剂要有良好的溶解能力、润湿能力、悬浮能力和杀菌能力，对被清洗的设备不应产生腐蚀作用。

表1.发酵容器的清洗流程

四、容积设计 

CIP罐的大小关系CIP运行、能耗、水耗等。CIP罐容积太小，需要不断补水和洗涤剂以满足清洗要求，也容易导致清洗液浓度处在高位，清洗结束后部分高浓度的清洗液无法回收，造成浪费；CIP罐容积太大，会增加CIP加热时间和蒸汽消耗，降低CIP清洗效率。CIP罐容积设计原则是：CIP清洗管道的容积加上被清洗设备中残留清洗液容积和的2倍。如果有多台设备同时进行清洗，则在此基础上再乘以数量作为CIP罐的总容积。

以赫尔曼300KL的发酵罐为例：内直径5.6m，筒体高度14m，碟型封头，70°下锥，清洗稳定后的平均需水量15L/㎡；CIP清洗系统到最远发酵罐的管道直径和长度DN65/240m

CIP的设计罐容：V=（320㎡*15L/㎡+3.85L/m*240m）*2=11448L，圆整至12000L。

五、泵的选型 

泵的选型分为流量和扬程两个部分。

流量按照发酵罐内圆周长选择，即每米周长每小时需要清洗液3m³。上述300KL发酵罐需要的清洗流量：q=5.6m*3.14*3m³/h=52.7m³/h，圆整至60m³/h。

扬程按照阻力选择：阻力计算需要依据三个方面，第一洗涤球出口压力要不小于3Bar，第二管道阻力损失可根据范宁公式计算，第三高度产生的压力损失。最远发酵罐的管道长度240m，数值高度16m，300KL发酵罐需要的泵出口压力：

P≥3Bar+1.6Bar+2.64Bar=7.24Bar

所以，300KL发酵罐所需CIP供泵的流量60m³/h，扬程75米；CIP回程泵要选用自吸泵，且流量要大于CIP供泵，以防止发酵罐底积液，也可以通过自动化程序控制泵的启停和频率，以间歇地沥干发酵罐，提高冲洗效率。

六、板换选型 

板换瞬时加热的热负荷：Q=Cp*q*ΔT

示例：

罐内液体的批次热负荷：

示例：

加热面积的计算：对于两种不同的工况取较大值，换瞬时加热工况。蒸汽进出口温度为120℃、100℃，碱液进出口温度8℃、50℃。

可以计算加热的对数平均数：

七、仪表配置 

CIP系统常用的自动化配置包含变频器、温度传感器、流量计、电导率仪等。CIP供液管路配置流量计和温度传感器，监控供液流量和温度，结合变频器调整供液泵的流量和蒸汽调节阀开度，以保证供液流量和温度满足工艺要求；CIP回流管路配置温度传感器和电导率仪，监控回流温度及电导率，确保整个清洗过程温度和电导率均合格，才算有效清洗。

化学清洗结束后，需顶水回收化学清洗液到相应CIP罐，然后回收后冲水到回收水罐或直接排入地沟，由回流管路电导率变送器判断清洗液的回收分界点。

八、其它要求 

CIP罐体及管道内壁的粗糙度Ra≤0.6μm，避免细菌及污垢附着。

系统设计自清洗功能，从源头保证清洗液洁净卫生。

供液泵的选型需结合清洗工艺、管道距离、设备的高度和压力等因素，特别是部分罐体需带压清洗，供液泵扬程要足够大。 

CIP回流管路安装过滤器，拦截回流液体中的杂质，保护清洗设备安全运行。过滤器安装位置应满足CIP反洗要求，每次清洗结束CIP自动反冲洗过滤器，以保证回流通畅。 

九、结语 

本文主要对啤酒发酵车间CIP清洗系统相关技术进行分析和计算，从设备组成到清洗注意事项，希望更多啤酒车间能够注意清洗系统设计和清洗技术，通过工艺优化提高清洗质量，降低清洗成本。啤酒厂CIP系统的设计非常灵活，可根据不同多因素条件适当进行调整，只要保证CIP系统效率、质量好且能耗低即可。