清洗与灭菌

清洗的基本原理

污物的存在形式

生产过程中与物料接触的金属表面，由于各种原因会沉积一些污物。污物颗粒主要有蛋白质、油脂、脂肪颗粒、干酵母、酒花树脂、啤酒石和矿物质等，它们附着并沉积在设备和管道的内表面，使其变得粗糙难以清洗，给微生物生长提供了栖息地，同时削弱了杀菌剂的作用。设备清洗主要的目的就是尽可能的将上述污物冲洗掉。由于杀菌剂只能杀死污物表层的细菌，而内部存活的细菌以后还会暴露出来，造成再次污染，所以在清洗时必须首先去除掉污物以及已经存在的微生物菌落。

设备粗糙度与污物的关系

污物在设备表面的受力情况

污物极易附着在设备表面，并形成一定的附着强度，它不仅难于溶解，而且不易冲洗掉。因此，要使污物脱离金属表面，必须选用适宜的清洗剂和清洗方法，才能将附着在设备表面的污物清除。污物颗粒所受的作用与多种因素有关，其分散能力取决于颗粒表面的“黏附力”。清洗剂能降低污物颗粒在设备表面的附着力并将其溶解。

设备粗糙度——Ra值

污物与金属表面间吸附力的大小，与金属表面粗糙度有关。国际统一的方法，以Ra值来表示。其物理意义是在取样长度L内，断面轮廓偏距Y的绝对值的算术平均值（见下图）。

其近似值为：

从上式中得知，Ra值越大，表示金属表面越粗糙，污物与表面间吸附力越强，清洗越困难。用于食品生产的设备，其表面粗糙度要求Ra＜1μm，用于医药工业的设备其表面粗糙度要求Ra＜0.5μm。与产品接触的设备表面必须进行抛光处理，才能满足生产工艺的要求。

Ra值与污物颗粒

附着在金属表面的微生物菌体和颗粒的去除效果，与金属表面是否存在微孔、毛刺、锯齿形裂痕等因素有关，并由材料的平均裂痕直径所决定。颗粒的附着力远远大于其重力作用，微生物菌体和颗粒被牢固地吸附在物体表面。要求生产设备的表面粗糙度Ra值必须小于微生物菌团和污物颗粒的直径，否则污物容易隐藏在裂痕中难以清洗去除。

微生物菌体与污物颗粒在设备表面形成的附着力是不同的，污物颗粒在设备表面有多种形式组成。颗粒通过油脂和胶体等物质与脂肪颗粒和坚硬颗粒紧密地固定在一起；或者由相互凝聚在一起的脂肪与沉淀物及胶体层组成。清洗剂必须能作用于这些物质，当然这与设备是否具有良好的卫生设计有关，要求设备的表面应具有较高的洁净度，其裂痕直径应小于细菌、酵母和霉菌的大小。

• 细菌：0.15~10μm
• 酵母：1.5~100μm
• 霉菌：5μm
• 冷轧钢平均粗糙度：0.2~0.5μm
• 表面刮痕：10μm
• 人的头发：100μm

对清洗过程的基本要求

被清洗的系统必须封闭起来。清洗液必须直接与污物接触，清洗液的浓度、作用温度和作用时间必须达到工艺要求，同时机械作用要全部作用于被清洗的部位。清洗掉的污物必须以流动方式从设备中排出，即附着物必须呗溶解去除掉，防止污物重新沉积。

清洗剂本身对产品有害，它们同样必须全部排出被清洗的系统。由于清洗过程中酸和碱液的浓度被稀释，需定期调节和检测其浓度。

影响清洗的因素

清洗过程是机械作用、化学作用和温度效应共同作用的过程。首先要发挥机械作用，即以较高的流速，增强冲击力，冲刷掉表面上的附着物。然后清洗剂在温度和表面活性物质的协同作用下发挥化学作用（提高清洗温度，可以加速化学反应速度，促进污物分解；加入表面活性剂来降低设备表面附着物的表面张力），使污物输送、崩裂或溶解，脱离附着表面。利用上述各因素的协同作用，才能彻底破坏污垢膜。

影响清洗的主要因素

污物的性质（坚硬程度、附着能力等）；设备表面粗糙程度；机械作用力（冲刷强度）；清洗剂和杀菌剂的种类和浓度；作用温度；作用时间等。

清洗工艺的制定应考虑上述诸因素的影响。其中冲刷强度是主要因素，对于那些不宜使用化学清洗剂的场合，就要增加冲刷强度和提高清洗剂的温度来补偿。对于热敏感污物，若温度提高，反而会引起污物与金属表面附着力的增加，清洗时只能靠增加冲刷强度和提高清洗剂浓度来达到预定的清洗效果。

影响清洗时间的主要因素

污物；清洗剂的种类、质量和功效；作用组分的浓度；清洗温度；机械作用。

在保证工艺质量要求的前提下，应尽可能缩短清洗时间，以提高设备的周转率。清洗时间与冲刷强度有关，也与清洗剂的浓度和温度有关。在冲刷强度大、清洗剂的浓度高时，所需的清洗时间就短。

提高清洗温度，能加速清洗剂与污物的化学反应速度。一般情况下，在65℃之前，温度每升高10℃，其化学反应速度将提高1.5~2倍，清洗时间随之缩短。如果当温度超过85℃时，可能形成“黏糊”层，造成腐蚀。

增强机械作用效果的因素

增大清洗液的压力；加大体积流量和数量；加强流体的机械作用；提高液体流速度（湍流效应）；平滑管壁的理想雷诺数一般介于3000~9000；管道直径的影响（DN50~100）；流速（＞2m/s）。

清洗剂与杀菌剂

清洗剂

清洗剂的要求

清洗剂是影响清洗效果的主要因素。良好的清洗剂应具备如下要求。

对清洗物表面污垢，有疏松的能力（有机物溶解能力）。有良好的湿润能力，使洗涤剂能穿透到污垢中取，促使其崩解，发挥作用快而有效。

污物携带能力强，使疏松的污垢成为细颗粒，并使之成悬浮状态，而不再沉积于清洁物体的表面。残留的洗涤剂与悬浮的污垢，能被迅速冲洗除去。

有良好的螯合能力，使硬水中或清洗表面矿物质污垢带来的钙、镁盐，均能溶解在溶液中。在碱性溶液中，具有溶解沉淀钙、镁盐的能力（钙溶解力）。有一定的杀菌能力。

对被清洗的设备，不应产生腐蚀作用或其他有害作用，应具有缓冲力和皂化能力，不腐蚀原材料。

易在水中溶解，低温下也有效，不产生泡沫，易冲洗，不易沉淀，不与水中的盐起反应。

一种包含有碱类、磷酸盐、润湿剂、螯合剂和适当配比杀菌剂的洗涤剂，基本能满足上述要求。上述成分的优点在于其相互间的协调作用，即当两种物质混合使用时，具有比两者单独使用更高的效果。

清洗剂的种类

清洗剂应根据污物的性质进行选择，这样才能取得理想的清洗效果，见下表：

污物的种类	清洗剂		添加剂
	碱液	酸液	氧化剂	表面活性剂
蛋白质	+++	++	特殊情况添加，不含在酸性产品内	一般
厌水性污物，如油污和脂肪	+	- -	特殊情况添加，不含在酸性产品内	非常好
低分子碳水化合物	+++	+++	不需要	不需要
高分子碳水化合物	+	- -	好	特殊情况添加
矿物类污物	- -	+++	不需要	不需要

注：+++表示非常好； ++表示好； +表示一般； - -表示无效。

碱性清洗剂

碱性清洗剂是由不同成分的无机碱性化合物，如磷酸盐、硅酸盐及氢氧化钠、氢氧化钾等和表面活性剂构成。比较常用的氢氧化钠和磷酸钠。

• 氢氧化钠（NaOH）为强碱，片状固体，易潮解，也有各种浓度的液态商品。具有很好的有机物溶解能力、脂肪皂化能力和强烈的杀菌效果，具有较强的腐蚀性，易造成皮肤灼伤。是大多数清洗剂的基础，添加浓度为1.5%~2%，具有很强的清洗效果，同时还能杀菌。在氢氧化钠溶液中添加辅助剂即表面活性剂，能够大大提高清洗效果。表面活性剂在清洗剂中可以降低水的表面张力，使污垢得到浸润，并使之脱落。使用表面活性剂可降低氢氧化钠的浓度而达到相同的清洗效果，所以，可以降低清洗成本。

• 啤酒厂常用的洗涤剂中有磷酸三钠、焦磷酸四钠、三聚磷酸钠和六偏磷酸钠等。磷酸三钠具有良好的去垢能力、污垢悬浮能力和漂洗能力。焦磷酸四钠具有相似性质。三聚磷酸钠和六偏磷酸钠具有良好的整合力和分散能力。三聚磷酸钠还具有良好的增效作用，磷酸盐是大多数碱性洗涤剂中的有效成分。磷酸钠水溶液呈碱性，乳化剂，对铝、锡有腐蚀，伤皮肤，有刺激性。因为含磷，排污对环保不利。

• 纯碱。腐蚀性低于氢氧化钠，去污能力也差些，多用于手工洗涤操作。

• 硅酸钠（偏硅酸钠、原硅酸钠）。具有较好的有机物溶解力与润湿性，以及分散于漂洗能力。

酸性清洗剂

酸性清洗剂主要为硫酸、硝酸、磷酸和各种有机酸，不能使用盐酸（对不锈钢设备由腐蚀作用）。酸能溶解无机类沉淀物，如啤酒石、水垢。啤酒石是由80%的无机物（草酸钙和碳酸钙）和20%的有机物（蛋白质、鞣酸、酒花树脂）组成。啤酒石粗糙的表面为杂菌提供了最好的栖身之处。因此，必须定期除去啤酒石，清除啤酒石的最佳物质是稀释后的硝酸（0.5%~1.0%）或磷酸。

有机酸（柠檬酸、醋酸、酒石酸等）的腐蚀性比硝酸低，具有良好的缓冲性，对皮肤有轻度腐蚀，属于环保型的清洗剂，但价格较贵。

润湿剂

润湿剂一般称为合成洗涤剂，可分为三种类型：阳离子型、非离子型和阴离子型。洗涤剂中最普遍用的是阴离子型，其中最重要的有硫酸化醇类和烷基芳基磺酸盐（如Teepol）。主要的非离子型润湿剂是聚环氧乙烯（如Lissapol N），它能与阴离子型或阳离子型润湿剂并用，缺点是会产生过多的泡沫。阴离子型、非离子型润湿剂，都具有良好的润湿、分散和漂洗能力，但单独使用时去垢能力较差。阳离子型润湿剂主要是季铵化合物，更多地作为灭菌剂而不是作为润湿剂使用。

螯合剂

有机螯合物主要如下。

• 羟基羧酸盐类：如葡萄糖酸、柠檬酸、葡庚糖酸等。
• 氨基羧酸盐类：如乙二胺四醋酸（EDTA）、氮基三醋酸、二乙基三胺戊醋酸等。
• 羟基氨基羧酸盐类：如羟乙基乙二胺三醋酸，这类化合物与氨基羧酸盐很相似，在高pH值范围内，对铁离子有较好的螯合作用。

无机和有机螯合剂在不同pH值条件下效果不同，例如聚磷酸盐在中性和低碱性pH值范围内效果甚佳，在强碱性范围内，螯合作用显著下降。又如在中性和微碱性pH值范围内，乙二胺四醋酸（EDTA）较葡萄糖酸盐的螯合作用强，当pH值升高时，葡萄糖酸盐的螯合作用又迅速超过乙二胺四醋酸（EDTA）。葡萄糖酸盐在高pH值范围内，对铁离子有良好的螯合作用。

氢氧化钠的有机物溶解能力和杀菌作用，以及偏硅酸钠的润湿力和分散漂洗能力，再加上三聚磷酸盐的螯合作用，可以组成有效而经济的现场洗涤剂。如果要清除啤酒石或加热管上的积垢，上述配方再配以乙二胺四醋酸（EDTA）和葡萄糖酸盐，效果更好，但费用较高一些。

用于不同材质的清洗剂

上述广泛使用的洗涤剂，适用于钢制和不锈钢制容器表面，也可用于橡胶管。如用于铜和锡制容器，可再加些还原剂，如亚硫酸钠，以免受强碱的腐蚀。对于铝制和搪瓷容器，不适宜用强碱，通常使用较柔和的洗涤剂，如1%纯碱与硅酸钠的热混合液，使pH值不超过11.一般来说，由于金属材质总是含有微量的其他金属，在选用洗涤金属容器的洗涤剂时，要考虑采用合适的品种。

洗涤木桶最好使用热水，而不用碱液。在清洗过程必须用手接触碱性洗涤剂时，宜用纯碱和磷酸三钠的混合液代替苛性碱。洗瓶的洗涤剂最好具有：良好的杀菌、分散和漂洗能力；能有效地去除积垢；良好的钙镁螯合能力。采用3%的苛性钠加0.2%的葡萄糖酸钠基本可以满足要求，对洗掉铝箔上表也是有效的。

去除不锈钢或铝制容器表面的啤酒石用硝酸，钢制容器的啤酒石可以用硫酸或氨基磺酸去除。氨基磺酸用于大多数材料表面是安全的。搪瓷表面可使用2.5%的冷溶液，或采用0.2%~2.0/65~70℃的热溶液。啤酒石长时间与热碱液接触也会疏松起来。要彻底去除啤酒石，最好做成含有乙二胺四醋酸（EDTA）的糊状体使用，经过1~2h后，用水冲去。根据以上所述，洗涤剂各项成分的性质和作用见下表：

成分	有机物溶解力	润湿力	分散力	漂洗力	灭菌力	钙螯合力	钙盐溶解力
氢氧化钠	XXXXX	X	X	X	XXXXX
碳酸钠（纯碱）	XX	X	X	X	X
偏硅酸钠	XXX	XXX	XXXX	XXX	XX
原硅酸钠	XXX	XX	XXXX	XXX	XXX
磷酸三二钠	XX	XX	XXXX	XXX	XX
湿润剂（合成洗涤剂）		XXXXX	XXXX	XXXXX
三聚磷酸钠	XX	X	XXX	XX		XXX
六偏磷酸钠			XXXX	XX		XXX	X
葡萄糖酸钠						XXXXX	XXX
乙二胺四醋酸（EDTA）						XXXXX	XXXXX

注：X表示作用能力，越多则能力越强。

杀菌剂

啤酒厂使用的杀菌剂，应无毒无味，没有腐蚀性，因此，部分企业采用蒸汽或热水杀菌。但是蒸汽杀菌，需要保持设备在100℃，至少15~20min才有效。而且蒸汽杀菌，必须先将设备清洗干净，否则污垢会被黏固在容器表面上，反而造成以后杀菌的困难。在现代化生产车间，啤酒罐的体积越来越大，为了防止抽真空现象的发生，一般不宜采用热杀菌，而选用不超过40℃的冷杀菌，通过化学或物理的杀菌方法来实现。

杀菌剂的种类

碱性化学杀菌剂

碱性化学杀菌剂的主要成分是氯（次氯酸盐），一般使用次氯酸钠、二氧化氯（ClO₂）、氯化的磷酸三钠（含有效氯3.5%）、三异氰尿酸等。采用氯杀菌，对金属有腐蚀性，在存在有机物或高pH值条件下，会降低其杀菌效果。对某些涂料，如酚醛树脂，由于会形成氯酚，将大大影响啤酒口味。所有氯杀菌剂的能力，都以有效氯表示。通常配制成50~100mg/kg的有效氯溶液，因为在此浓度下腐蚀作用很小。

次氯酸钠NaClO碱性溶液通常含有10%~15%的活性氯，对铝、锡、不锈钢有腐蚀作用，对皮肤有轻度伤害。文献称铬镍不锈钢与含0.3%有效氯的盐或次氯酸盐溶液接触时间不宜超过4h，否则将引起腐蚀。但含钼的铬镍不锈钢，对低于10%浓度的次氯酸溶液具有抗蚀性。

当pH值和温度升高时，碱性洗涤剂灭菌效果增长很快。如使用苛性钠和硅酸钠，在43℃以上，温度每升高7℃，其灭菌效果增长一倍。

酸性化学杀菌剂

酸性化学杀菌剂的主要成分是具有氧化作用的过氧化氢、醋酸和过氧乙酸。根据清洗污物的情况还可以选用四价铵盐、甲醛和含碘杀菌剂。在使用自动清洗系统时，四价铵盐容易产生泡沫，冲洗比较困难，需要耗费较多的冲洗水。

• 含氯的水溶液。水中活性氯浓度达到200μg/g以上时，具有杀菌作用，氯溶于水后，生成不稳定的次氯酸，再释放出原子态的氧，具有杀菌作用。
• 双氧水H₂O₂。浓度达300μg/g以上，具有杀菌作用，是由于它能释放出原子态的氧。
• 硝酸溶液浓度达到0.3%时，也具有杀菌作用。
• 过乙酸CH₃COO-OH。在所有过氧化物中，过乙酸氧化性最强。它与谁能无限混溶，有强烈的刺激味，高浓度过乙酸存在燃烧和爆炸的危险。啤酒厂使用的应是稀释后的商品。

含碘杀菌剂

含碘杀菌剂腐蚀性小，无毒，对啤酒风味无影响，在国外早已普遍应用。其成分中通常含有元素碘、一种润湿剂和一种酸，如磷酸。湿润剂能大量减少碘的治污和腐蚀性能。在相同浓度下，碘的杀菌能力较氯高。游离碘浓度12.5~25mg/kg既能达到有效的杀菌作用。

甲醛

浓度为40%的甲醛水溶液是一种有效的杀菌剂，没有腐蚀性，也不受有机物的影响，但有强烈的刺鼻气味，使用后应彻底冲洗干净。否则，如有微量残余甲醛进入啤酒中，就会影响啤酒风味和引起浑浊。杀菌时，通常采用2%的甲醛溶液。现在，在食品工业中人们不太愿意使用甲醛，因为其有一定的致癌作用。

季铵化合物

季铵化合物已大量用于啤酒工业，它在低浓度下，即能快速灭菌（100mg/g，15min），而且无臭无味无毒，且具有湿润能力，故又作为洗涤灭菌剂。但是这种灭菌剂能附在容器表面上，用水冲洗后，留下色斑，且对啤酒泡沫稳定性有影响，不适宜洗刷酒杯用。季铵化合物的杀菌性能，在使用硬水时有所下降，但温度升高，碱性加大，则能提高其灭菌能力。

两性表面活性剂

这类化合物（如十二烷基二氨基乙基甘氨酸，简称do-dicin），无腐蚀性，毒性很小，无臭无味，不影响啤酒泡沫稳定性，具有广泛的灭菌性能，对酵母菌、霉菌和细菌的灭菌效果良好，并且具有良好的分散能力，只要容器表面光滑，其清洗与灭菌工作，能在同一操作中一次完成。采用1%~2%苛性钠溶液，内含0.05%~0.1%十二烷基二氨基乙基甘氨酸，温度保持50~60℃，即能达到良好的灭菌效果。制备无菌原水（灭菌后冲洗用），通常采用1~2mg/kg氯杀菌，或使用经砂滤棒或反渗透法处理的无菌水。空气灭菌一般采用紫外线或臭氧处理的灭菌方法，也可采用化学灭菌剂如过氧化氢及二氧化氯等，目前已广泛利用无菌过滤取代之。

常用的清洗剂和杀菌剂及其使用方法

项目\种类	碱性化学剂		酸性化学剂
	NaOH	NaOH+NaClO	NaClO或KClO	硫酸	磷酸或硝酸	过氧乙酸		含碘杀菌剂
最高含量	5%	5%	300mg/L活性氯	1.0%~1.5%① 3.5%②	5%	0.0075%	0.15%	50mg/L活性碘
最高温度	140℃	70℃	20℃① 60℃②	60℃	90℃	90℃	20℃	30℃
pH值范围	13~14	≥11	≥9					≥3
水中Cl-最高含量	500mg/L	300mg/L		150mg/L① 250mg/L②	200mg/L① 300mg/L②	300mg/L
最长作用时间	3h	1h 2h 0.5h		1h	1h	0.5h 2h 24h

①铬镍钢 ②铬镍钼钢

清洗剂和杀菌剂的应用

某些物质虽然同时具备清洗和杀菌双重作用，但不一定这两方面作用都显著。如果把效果较好的清洗剂和杀菌剂结合起来使用，可以形成效果更好的混合制剂，即清洗杀菌剂，它是一种包含有碱类、磷酸盐、湿润剂、螯合剂和适当配比杀菌剂的清洗剂，基本能满足上述要求。上述成分的优点在于，其相互间的协同作用，即当两种物质混合使用时，具有比两者单独使用更高的效果。如碱性清洗剂，除清洗能力外，尚具有一定的杀菌能力，如果与氯化物结合使用，则显示更有效的杀菌效果；又如季铵化合物是杀菌剂，但是也具有清洗作用，如果和碱液结合，其杀菌和清洗作用更明显。清洗杀菌剂可以将生产设备的清洗与杀菌两个过程一次完成。

如何选择正确有效的清洗程序取决于特定的需要和条件。为适应纯种发酵和清酒无菌化的要求，对消毒剂品种的选取和消毒方式的设计提出了更高的要求。目前广泛应用于啤酒生产中的CIP消毒剂主要有三种（热水、二氧化氯水和过氧乙酸），三种消毒剂的优缺点比较见下表：

类别	热水	二氧化氯水	过氧乙酸
优点	便宜、容易获得、不腐蚀设备	强氧化剂，杀菌效果好	强消毒剂，光谱杀菌、无泡、无污染
缺点	易产生水垢、时间长、有冷凝水产生	有毒、易腐蚀	浓缩液气味刺激

常用消毒剂对微生物的有效性作用比较见下表：

类别	格兰阴性菌	格兰阳性菌	孢子	酵母	霉菌
有效氯	++	++	+	++	++
双氧水	++	++	+	++	++
过氧乙酸	++	++	+	++	++
酒精	++	++	--	++	++
醛类	++	++	+	++	+

注：++表示效果很好；+表示效果好；--表示效果不好

常用消毒剂的使用性能比较见下表：

类别	有效氯	过氧乙酸	醛类
稳定性	○	+	+
腐蚀性	△	○	#
起泡性	#	#	#
过水性	#	#	#
产生残留的可能性	△	#	○
经济性	△	#	#
遇到污垢的反应	△	△
有效的pH值	5~8	2~6	2~7

注：#表示非常好；+表示好；○表示满意；△表示可能有问题。

由此看来，过氧乙酸的消毒效果和使用性能比较适合用于啤酒工业大、中罐的杀菌消毒。（自酿爱好者一般采用二氧化氯或碘溶液进行杀菌，尤其是碘溶液浸泡+酒精喷雾的组合）

灭菌与消毒的区别

灭菌与消毒有区别，消毒指的是消除病原微生物从而达到无害的目的，而灭菌指的是杀灭一切微生物使其达到无菌的状态。灭菌要比消毒更加的严格，一般来讲，对环境、器具的外观等不直接接触酒液的介质进行消毒处理就足够了，而直接接触酒液的介质则应当进行严格的灭菌处理。 这里给出一个消毒与灭菌效果的评价方法与标准 GB15981-1995供大家参考。