在线清洗-乳品食品和饮料的操作.pdf

在线清洗-乳品，食品和饮料的操作 Adnan Tamime 博士 技术前言 最近 60 年来，牛乳技术协会（Society of Dairy Technology 简称 SDT）一直在牛 奶领域通过专题会议、学术论坛、居民社区、出版书籍以及名下杂志牛奶技术 国际周刊（International Journal of Dairy Technology）来普及知识和训练人才，提 升人们对牛奶的认知。 牛奶可能是对于人类来说最复杂的可用食物，最近几年，人们对于它的认知有 了很大的提升。随着牛奶加工操作水平的不断提高改进，牛奶加工业务的规模 也在不断变化，同时一系列乳制品及其它产品也被生产出来。 牛奶协会正在和 Wiley-Blackwell 着手一个关于一系列牛奶及牛奶相关生产的书 籍，提供小至加工厂大至现代化工厂的的牛奶生产及技术。在编辑的这本第三 版的在线清洗-乳品，食品和饮料的操作书籍里的第五章节，Adnan 教授提 供了及时有效的关于在线清洗的原则及实践。 基于牛奶的不易储存性和品种多样性，牛奶工业中结合卫生要求的情况下，清 洗技术工艺也迅速发展，当然这种工艺于其它食品的加工过程也同样适用。对 于食品和牛奶技术，本书提供一个视角，希望能起到抛砖引玉的效果。 安德鲁 威比 SDT 主席 第三版序言 本书第一版是由奶业协会（Society of Dairy Technology 简称 SDT）于 1959 年 出版，当时的名字还是牛奶设备在线清洗。第二版是由 A.J.D. Romney 编辑并于 1990 年出版。 尽管本书刚开始的出发点是奶品行业， 但是本书的读者已扩大到食品和饮料 业务有关的领域。 食品行业在过去的 10 到 15 年对在线清洗态度发生了较大的转 变。 与牛奶工业技术保持同步的饮料行业， 由于顾客对于 CIP 的资质与有效性的 需求，从而提高了 CIP 的要求，随之而来的是卫生及效率的改变。 这版书重新回顾并进行了升级这方面的知识。 化学清洗与灭菌清洗合并到了 一章， 而流体动力和实验方法成为了新的一个章节。 增加了膜清洗这一新的章节， 这是一个相对较新的领域，需要专门的清洁产品和程序。 其实这本书的读者都是来自这个行业的各种人群，包括供应商、学者等。虽 然第二版是个非常流行的版本，但是由于发行时间较早，内容已经过时。这个版 本是与时俱进的，本书是 SDT 的非常实用的一个版本，向读者提供最新的关于 牛奶、食品、饮料的全球行业知识。 第二版本序言 随着巴杀装置操作手册的于 1983 年再版的巨大成功，1959 年出版的在线清洗手 册再次更新的呼声是越来越高了。 最终，牛奶设备咨询委员会（简称 DEAC，Dairy Equipment Advisory Committee，该委 员会原来叫做牛奶设备与标准委员会，并于 1974 年解散，1985 年的时候重新组 成）决定重新出版这本书籍。 本书中，一些章节被简要提炼出来，还有一些可能的著作者也被邀请，而我作为 写者与编辑双重身份参与了本书的工作。 在这里， 我代表我自己和协会向所有参与这本书创作的人员表示敬意。特别感谢 我的好友兼导师，Tom Ashton，前几个版本的指导者与支持者以及本书的序言作 者。 委员会的希望也是所有 DEAC 成员和我自己的希望，此书可以带来奶业管理和 质量保证的提高，同时也能给刚进入此行业的人一个有用的指导。 A.J.D. Romney 1990 第一版序言 社会奶业协会于 1953 年发表了巴杀装置手册。这本书的成功鼓励奶业设备和标 准委员会考虑关于奶业社会活动作出更大贡献。同时再一次，灵感和许多前期工 作都来自于已故的 J.R.Cuttell。在出版这本书的时候，起草委员会受到这一鼓舞 的指导，并努力取得一项与最初设想相符的成果。 这本书由 Dr T.R. Ashton， Mr G.H. Botham， Dr L.F.L. Clegg， Mr H.C. Cooper， 已帮的 Mr J.R. Cuttell， Mr H.S. Hall， Mr H.C. Hillman， Mr P.A. Lincoln， Dr R.J.MacWalter and Mr W.W. Ritchie编写，同时他们的同事Mr T.A. Hole， Mr E.L. Jarvis， Mr J.R. Rowling， Mr W. Rushton and Mr G.E. Taylor。Dr J.G. Davis对本书 进行了编辑。 起草委员会感谢担任秘书的 P. O Niell 先生和负责打字和复印工作的 Dunworth 小姐对委员会工作所作的大量贡献。 委员会非常感谢全国奶业人协会的帮助， 我 们的很多会议都是在那里举行的。 感谢APV集团、Clarke-Built集团、CP Equipment集团、Dairy Pipe Lines集团、 Talbot Stead集团。Mr H.C. Cooper设计了清洗循环的描述。 起草委员会希望，这本书将作为一个比较新的主题的介绍，从而为更广泛地使 用现代技术铺平道路。 H.S. Hall 1959 1 在线的原则(CIP) 1.1 介绍 在线清洗（CIP）现在是奶业、饮料和食品行业一项最普遍的操作活动。而在最 近的 10-15 年内，食品工业才渐渐地对在线清洗转变态度，饮料行业与乳制品行 业的技术大致一致，由于顾客要求的 CIP 资质与验证的动力下，在设备卫生、终 端食品的质以及相关的货架、微生物等方面作出了改进。 对于任何一种人类消费的高品质食品来说， 最高标准的设备卫生都是一个非常关 键的必要条件。 如果想要保证最后产品的质量， 刚开始的清洗以及随后的灭菌、 无菌等任何步骤 都要按照最严格的标准来执行。 在早期， 清洗是人工来进行操作的， 即使在现在， 一些小规模的操作工厂， 特别是对于经常要人工拆卸清洗并且安装非常普遍的食 品行业，人工清洗还是非常有必要。因为健康和安全的原因，对于人工清洗经常 需要的地方，清洗时要非常小心注意细节问题。只有一些对人体温和的、没有害 处的化学溶液、杀菌剂、灭菌剂可以使用，另外要严格遵守清洁程序。复杂的设 备与装置参与到大工厂的生产与操作过程，对于这些设备与操作过程来说，今天 最流行的清洗方式就是CIP， 这也是此书编写的目的所在， 了解CIP在加工食品、 制药、乳品和饮料行业的概念和应用。 1.2 在线清洗：定义 在 1990 年社会乳品协会出版物中这样定义 CIP： 不需要拆除或者打开设备、 不需要或者偶尔需要人力操作的设备与管道系统的清 洗， 这一过程包括表面喷射或喷洒， 或在增加湍流和液体流速的条件下通过循环 清洗溶液清洗设备与管道。 这个定义也被国家奶人联合会（NDA）化学安全准则于 1985 年所接受并出版， 虽然 NDA 已经被取代，但是他们所规定的 CIP 定义现在看来相当准确。 1.3CIP 系统：硬件 CIP 单元包括储存和回收清洗液的储罐，阀门，泵，管道系统以及可以使清洗自 动进行的仪表系统。他们在自动化的方面复杂程度各不相同，因此，他们的效率 和成本也可变的。举例来说，单个 CIP 单元操作非常昂贵， （清洗剂，水和能源 要求非常高） ，但是因为交叉污染减少、形成孢子机率大幅降低，单个 CIP 操作 就会非常卫生。 拥有大型清洁剂储罐的全回收清洗系统往往是复合功能的，操作 也是非常经济性的， 但是，在操作过程中要密切关注过程以防止在稀释的清洁剂 中污物残留， 同时因为固有的回收效率低或者低效的预冲洗也要关注回收罐的操 作。因此，定期更新清洗溶液非常重要。 1.4 清洗过程 在整个工业过程中，无论是手动还是自动，清洗过程基本上都遵循相似的规律， 包含几个相联系的几个循环，通常包括： 去除残渣（去除产品） 预冲洗 清洗液循环 中间冲洗 再次清洗液循环（如可能） 中间冲洗 消毒 最后冲洗 1.4.1 去除残渣（产品回收） 在手动清洗操作中，这往往是指在引入水漂洗之前，通过机械手段清除任何残 余产品。在 CIP 应用中，去除残渣通常的重力作用下用流体冲刷，或者用各种 介质比如空气、水、机械装置进行物理转换。这一阶段通常与清洗程序的预冲 洗周期相结合，并附加一个分流阀系统，以便将产品回收到合适的容器或直接 引导至排水管道。控制这些通常是靠自动阀门与计时装置，也可用一些精确的 方法，比如在回流管线中安装浊度仪和电位计。如果这个系统没有成功激活转 向阀门，为了防止预冲水打到回收罐，这个系统内包含一个故障保护就显得非 常重要了。当然，这种情况不常发生，因为探头和控制器能保证这个程序的正 常运行。随着膜系统的引入，现在产品回收系统变得越来越精密。膜装置的设 计是为了从废水中去除高水平的水（在奶业常被称为“白水）以容许回收的固 体废物出售作再处理：这些工厂可有效减少污水的负荷，并可构成地方污染防 治系统的一部份。 1.4.2 预清洗 预清洗回收通常使用的水是中间清洗阶段的水(见章节 1.4.4)。这样做有两个目 的。首先，降低水的使用量（减少废水的产生） ；其次，在清洗回收阶段，充分 回收热量能量和可能存在的残留清洗剂溶液进入到预清洗罐中。在某些应用中 使用加热的预冲洗系统是很常见的，例如在奶油生产中，热的预冲洗溶液提供 了一个大大增强的产品残渣清除方法。预冲洗阶段非常重要，因为如果操作不 当，有可能把多余的污物引入到稀释的洗涤剂罐中。这个阶段通常由计时器来 控制，有时在产品恢复和排放之间进行分割，这些定时器通常设置高一点，以 确保最大限度地清除产品残留。但是，这可能会增加水的用量，排放量也比较 高，从而导致成本增加。通常，在预冲洗回收阶段，罐子、仓储或者容器可以 容纳 “爆破水”或者“脉冲水” ，这些在改善了冲洗的效率同时显著降低了水 的消耗量。 1.4.3 清洗剂循环 清洗剂循环是清洗的主要步骤， 在这个过程中，污物从装置表面进入清洗溶液变 成悬浊液或者变成溶液， 选择合适的清洗剂可以参考 1.5.5， 但是对于这些清洗剂 来说一个更重要的作用是防止污物再次在循环中沉淀下来。 循环时间需要通过实 验和一定的经验去评测，一般情况下，时间控制在 15 分钟到 1 小时，大型循环 复杂的系统都可以被清洗干净。接触时间可以通过提高清洗温度、更高的深度、 更精确（可能更昂贵）的溶液配方来缩短。一旦设定的温度达到了返回条件，循 环时间就设定倒计时， 但是如果加热系统不充分的话， 这可能导致过多的清洗时 间。举例来说，含有夹套冷却水的罐子夹套冷却水应该在 CIP 之前进行排污，不 然会影响到 CIP 的升温。在清理过程中，因为有些清洁剂的配方，会带来一定量 的泡沫，泡沫不仅难于处理，同时还会带来食品污染等问题。泡沫也有可能是由 其它因素引起来的， 包括泵密封泄漏引起的空气夹带， 软水的使用也可能是其中 一个重要因素。 使用含酸的清洗剂也是清洗过程中重要的一步， 这个操作在饮料 与牛奶行业非常普遍，牛奶行业中，“冷/原”牛奶区域的牛奶残留物对酸性洗 涤剂反应良好， 而在酿造行业，酸性洗涤剂在二氧化碳环境下不丧失活性的清洁 能力方面比碱性洗涤剂有显著优势。清洁剂/消毒剂化学混合物可用于清洁周期 本身， 尽管这种方法的应用相对有限， 因为它们可能受到高浓度污物的不利影响， 而且清洁剂与消毒剂的比例可能变得不平衡。 1.4.4 中间冲洗 中间清洗用于清洗设备上残留的微量洗涤剂和少量污物，在部分回收的状态下， 要回收尽量多的洗涤剂（包括热能量）回到稀释的洗涤剂罐子里，它还需要足够 的温度冷却设备，以做好消毒或者重新灌装的准备。中间的漂洗应该使用可饮用 的水， 并且通常是冷的， 然而在包含二次热洗涤步骤的过程中， 它应该用热水 （如 果方便的话从源头取水比较好，比如回收和处理过的冷凝水） 。中间冲洗水经常 被回收并作为下一个清洗循环的预冲洗水。 1.4.5 第二次清洗剂循环（可选） 一些系统还会用到第二轮清洁剂循环， 通常一种碱性产品在第一轮清洗阶段之后 会再用一种酸性清洁剂进行清洗（先是氢氧化钠清洗后是硝酸清洗是非常常见 的） ，在没有使用配方洗涤剂的地方或者比如热交换系统、奶酪仓等容易产生高 浓度污物地方，这是通常的做法。 1.4.6 第二次中间清洗 第二次中间清洗几乎都是用冷的可饮用水。如果后面没有消毒的步骤，水的质量 就非常重要。在一些工厂，如果没有消毒这一步，那么所用的水必须是经过二氧 化氯处理过的水。 1.4.7 杀菌 杀菌循环通常是在冷环境下进行，经常使用过氧化的杀菌剂，比如次氯酸钠或者 过氧乙酸溶液（一种醋酸和双氧水的平衡溶液） 。一些不是过氧化的杀菌剂也可 以使用， 但是必须得是低泡沫、 快速与水反应以确保 CIP 的时候确实有效。 另外， 在杀菌阶段也可以用热水来代替化学试剂，但这需要很高的热能投入，成本也非 常高。 1.4.8 最后的冲洗 最后的冲洗应该在使用冷饮用水的情况下进行。另外，水的质量非常重要，因为 它会导致消毒后的污染和产品变质。 1.5 准备工作 综上所述，在任何清洁项目的规划中，最重要的考虑因素必须是安全不仅 是工厂和相关人员的安全，而且是工厂需要处理的产品的安全。在 1980 年代中 期，乳品行业对许多以前被认为是可以接受的标准和做法进行了重大的重新评 估，除了原料奶供应之外，无论是在本国或者国外食品工业都遭遇到以前几乎 没有遭遇过的的微生物污染事件。最终产品中的沙门氏菌、李斯特菌和鼠疫杆 菌对于每个生产过程中都需要进行严格的食品危害评估起到了至关重要的作 用，清洁技术也是其中之一。 将“未加工”和“加工”侧设备和管道连接成一 个单独的清洗回路，或从通用 CIP 设备上对“未加工的”和“加工的”边部设 备进行单独清洗，在现代碰到了困境，因为这些往往会带来不可接受的产品风 险。当时的建造大部分是大型化、联合化、中心清洗系统，这些系统适合当时 的环境，但是到了现代这些系统则在生产过程中碰到了困境。今天的趋势是小 型化的使用装置，不仅原料和最终产品也包括单个清洗单元装置。一个工厂的 原料和过程的完全分离应该是任何过程工程师设计的最基本的目标，原料和过 程只有在流量转向阀的地方两者相遇。这个方法在某些安装方面可能会带来成 本，但是它的优势在于保证质量与较低的成本操作。当然，这种方法不用排除 中心控制系统这一普通做法的应用，对于这种方法来说，各个系统之间的程序 安全联锁是至关重要的。 然而，在开始任何清洁项目之前，必须通盘考虑关于需要清洁的实际设备可能 碰到的问题以及最后要达到的清洁标准。 1.5.1 装置或者设备的物理特性 任何食品生产或加工工厂都要包含许多不同的设备，例如， 乳品和饮料有板式换 热器，储罐，容器，泵，阀门以及相互连接的管道系统，当然还有专门的单元， 比如瓶装、盒装灌装机，在生产方面，还有奶酪装置，蒸发器，喷雾干燥器，连 续黄油制造机。 每一个这些设备都有自身的清洗要求， 同时也有自身清洗过程中 产生的问题。就设备设计和清洗要求而言，食品加工厂可能是最多样化的部门， 在 CIP 方面，需要充分考虑该设备的设计。制造材料不仅要考虑任何金属部分， 还要考虑零部件，比如垫片、橡胶部分、塑料模具，以确保他们在清洗的时候不 被配套清洗液腐蚀或者降解。像设备的温度、压力或者真空度也要考虑，所有的 目标都指向一个最重要的问题， 在清洗的时候能否安全有效，在保证设备不受损 的情况下能否保证达到清洗的要求。 1.5.2 清洗的要求 在不同的环境中把握各种清洗的度是非常重要的。 当考虑到任何清洗项目时， 清 洗目标及等级已经确定， 因此清晰的认定标准非常重要。清洁程度等级认定如以 下： 物理干净：这是首先从美学角度要处理的。外观表面看着干净但是有可能有 化学残留，这些残留是达到了预期效果之后允许残留下来的。这个阶段不建 议考虑表面消毒。 化学清洗：表面考虑给予化学清洗，任何化学残留痕迹都没有。 生物清洁：这一步是针对残留在表面的微生物污染。这个范围从装置消毒到 表面进一步完全无菌的，也就是说，细菌表面的设备的数量已经减少到符合 可接受的质量控制水平和卫生标准，表面呈现完全无菌，这个在 UHT 和类 似的操作上非常重要。 如果一个表面已经表面清洗干净，甚至有可能用化学消毒进一步微生物清洗干 净了，但是为了减少随后微生物污染的风险，表面上故意留下了大量的消毒剂 等化学物质的痕迹，这个表面其实依然是化学污染的。 1.5.3 固体污染物清除的特点 固体污染可以看成是产品的残渣，污垢和任何其他有害的外来物质沉积， 在清洗 过程中必须从设备表面清除。 在制造或者生产过程中， 这样的污染可能包括脂肪、 蛋白质（包括变性和不变性的） 、糖（可能已经焦糖化） 、矿物质（可能来自产品 和来自水） 、果粒和其它种种成分，包括胶体、淀粉、稳定剂和乳化剂，所有这 些对于清洗化学来说都有着不同的和复杂的清洗问题。 在牛奶领域，污物可能被 分成两个不同的领域，有机物污染，这个主要是来自植物或者动物，这些主要是 由碱性清洗剂来清洗；另一个是无机物污染，这个主要是矿物质来源，这些主要 由酸性清洗剂来清洗。 但是，大部分的污染物是有机和无机物的结合体。比如，乳结石主要是由酪酸钙 和磷酸钙的混合物。 污物的热变性程度也会极大地改变其物理条件， 因此需要采 用不同的清洁技术和化学试剂。 1.5.4 清洗的时机 在任何生产过程和制造现场， 都有大量的不同的设备与装置，其中一些已经可以 使用或者在当天清洗， 其它的还在生产运行中。其它一些装置可能直到生产完成 才可以进行清洗。在生产过程中进行任何清洁操作时， 确保其他工厂和产品不受 污染是至关重要的。 这些通常都由管道系统的机械断路安全装置来保障的。转换 板系统在 CIP 回路和生产管道之间提供物理断路； 它们可以与接近开关连接， 以 帮助确保在 CIP 之前管道系统在各自正确的位置，并且可以提供一个电气联锁， 防止 CIP 回路在接近开关未激活时启动。另一种确保 CIP 流液与工艺分离的方 法是使用“阻塞和排放”阀门或“双阀座密封”阀门： 这些阀门在设计中提供了 额外的安全性， 阀门处任何通过密封处的泄漏都可以非常清晰可见。 这些阀门需 要安装在一些非常容易看见的地方以防止可能的产品或者 CIP 泄漏。 1.5.5 清洗剂的选择 在已经列举的点中， 水的质量在清洗剂的选择中是一个重要的因素。 这个和清洗 剂化学的结合将在第四章进行讨论，但是下面的这些点首先是要被考虑的。 清洗剂的贡献 CIP 清洁剂最好具有以下特性： 有机溶解能力-溶解蛋白质和脂肪的能力 分散和悬浮的能力-把不能溶解的污物变成悬浮液和防止他们再次在干净表 面沉积的能力 乳化能力-保持油和脂肪在清洗溶液的分散的能力 螯合能力-结合钙盐镁盐的能力， 比如在硬水中形成水溶的混合物， 帮助清洗 和漂洗的能力 润湿能力-降低表面张力，增加污物的渗透能力 漂洗能力-彻底冲洗干净并且在干净的表面不留下任何污物或者化学清洁的 能力 污物去除的原理 在清洗的回路中，三种能量被运用到这个过程中 动能-湍流的溶液中产生的动能 热能-在溶液的温度当中产生的热能 化学能-洗涤剂成分与污物成分之间化学反应产生的化学能 这三种能量中当一个能量不足时可以用其它的能量来部分补偿， 但是在整个操作 过程中这三个能量都非常重要。 在一定的临界流率下， 从层流到湍流的流动取决 于管径、溶液粘度和温度条件。只有在湍流情况下，才有可能达到清洁的清洗效 果，通常认为 1.5m/s 的流速是 CIP 的目标流速。如果管道、板式热交换器和类 似的设备可以完全用洗涤剂清洗和循环， 则称为封闭 CIP 回路。 但是当有大型的 装置比如储罐需要清洗时， 那么用填满容器的方法就是不切实际的了。常规的方 法是通过一个喷射装置把容器的表面清洗干净 ，然后通过一个回收器或者回流 泵把清洗剂从出口回流到 CIP 装置中去。 这样的系统叫做开路 CIP 循环。 这些概 念在章节 7 中会更深入地介绍。如果想要处理牛奶残留下来的污物，高于乳脂溶 解的温度是必须的。因此低于 60很难产生令人满意的效果。但是，作为一个基 本概念要知晓，温度每升 10，化学反应速率大概是原来速率的 1.5 到 2 倍，当 然这里面有个化学能量与热量的投入产出比。在饮料领域，CIP 是在环境温度下 进行的， 但是通常苛性碱度 （2-3g/100g 苛性钠） 比在牛奶领域 （1g/100g 苛性钠） 要高一点。 在饮料领域， 必须要考虑 CO2的在清洗过程中与氢氧化钠合成碳酸盐 的因素，而碳酸盐的存在会导致比较差的清洗效果。 1.6 总结 总结一下，基本的清洗原则如下： 考虑要清洗目标的物理属性与容器构造 评估要清洗污物的自然属性 选择一个合适清洗剂 把污物与清洗剂结合起来考虑，那就是 a) 在合适的温度下 b) 在合适的湍流流速下 c) 在合适的化学浓度下 d) 在合适的时间内 冲洗掉所有的清洁剂与污物，以保证达到容器可以使用的清洁标准 时刻准备好生产过程结束后立马进行冲洗 如有需要，在设备返回加工或生产岗位之前，应立即进行消毒或灭菌，以将 微生物污染水平降低至符合该岗位所需的卫生标准。 2.流体动力学 2.1 简介 理解流体流动对于清洗食品生产装置、原奶和产品储罐非常重要。污垢沉积会在 生产过程和储存过程中产生， 因此有效地去除这些沉积，使表面没有化学残留物 和微生物，对确保食品安全和质量至关重要。 这个章节主要讲述管道、加热装置、蒸发装置、膜处理装置（第 10 章也有部分 内容）的清理过程。这个过程中，装置基本上是封闭的，一些处理过程要在压力 下进行。 在这些条件下， 特别是一些加热的情况下， 污垢可能更容易沉积。 另外， 对于像一些储罐和货运罐车来说，也需要进行清洗，当然包括喷嘴，喷球和一些 其它在容器表面接触了清洗剂的装置。 最好的清洁方法是在表面上高速泵入清洁 剂来进行清洗。温度和清洗剂的强度也非常重要。这里需要提供动量和热量，通 常情况下， 清洗速度要比正常生产过程速度高的多， 可以不同的泵来清洗和消毒。 泵提供能量用来克服摩擦损失。 这个泵的量能同样也会转化成热量。 这个章节的 目标是提供一个让你舒服的方式去理解基本的理论， 而不包括流体动力学的复杂 的理论与计算。 减少第一处的积垢量对清洁清洁更有效率和降低成本的有非常大的贡献， 从这个 意义上说，压力和流量的测量可用于监测污垢，也可用于监测清洗过程。这里还 有一个非常有趣的问题，关于什么时候清洁工作已经完成了。 2.2 一些理论背景 CIP 是关于流体清洗剂和消毒流体给食品过程消除表面污垢的过程，在这个过程 中需要泵把流体打到表面上。因此，理解流体静力学与流体动力学就非常重要。 流体静力学是关于流体静止状态的科学， 而流体动力学是关于流体流动起来的科 学。在任何处理过程中都有一个体积流量 Q 与穿过装置的压力损失或者压头损 失的P 之间的关系。理解影响这个关系的因素非常重要。成功的清洗需要泵的 运送清洗剂的能力， 提供一个正确的流动速度和足够的湍流。理解各种不同的泵 的特性和性能也非常重要。 2.3 一些背景知识 压强的定义是单位面积的力 压强=力/面积=N m-2(Pa) 压强的国际单位是帕斯卡（Pa） ，这是一个非常小的单位。为了方便，巴（bar） 常常被应用， 1bar=105Pa。 1bar 大概等于一个大气压。 我们也常常用到千帕 （KPa） 和兆帕（MPa） ，而英制单位是每平方英寸磅的重量。 测量压强最常用的计量装置就是波纹管压力表。在卫生应用中， 一个隔膜装置是 必须的。 压力可以用绝对压力或者计量压力测量和记录。绝对压强是基于绝对真 空来测量的（或者绝对压力为 0 来测量的） ，绝对 0 压强是可以达到的最小的压 力。 表压力是指以大气压力为基准测量的压强。 表压力或者在大气压力之上 （表压力） 或者在大气压力之下（真空度） 。然而，对于一些装置来说，比如蒸发器，蒸发 牛奶的时候可能在真空度下进行， 但是在清洗和杀菌的时候是在表压力之上进行 的。在这种情况下，分清楚这个显得更重要。 大气压力经常变化， 它可以通过一个气压计进行精确测量。 当我们听天气预报的 时候， 我们非常熟悉了一个地方有高气压和一个地方有低气压这种说法。 一个标 准大气在不同单位的一些数值载于第 2.9.1 节。 这个关系就是：绝对压强就是表压强加上大气压强（在相同的单位下） P真实压强=P表压+P 大气压 这个区别非常重要，因为在热力动力学中，经常引用一些绝对压力值，理想气体 状态方程也需要引用绝对压力。一些转化因素将在 2.9.7 章节中介绍。 当一种流体渡过一条管道或者一个喷嘴的时候，会有一个压力的下降过程，就是 所谓的压降， 简单的表述为P。 泵的作用是增加流体的压力以克服摩擦损失 （见 章节 2.5） 。 压差表述是这样的 P = P2-P1 压力和压差也可以表述成一个高度单位或者叫做压头。 这个之间的关系可以用下 面的式子表示 P 或者P=gh P （P） 是一个压力 （压差） （Nm-2） ， 是一个流体密度 （kgm-3） ， h 是压头 （m） ， g 是重力加速度（9.91ms-2） 。这个公式在很多地方非常有用。 例如，考虑一个 0.5MPa 的压降或者一个泵产生 0.5MPa 的压力。在这两种情况 下，如果流体是牛奶的话（=1030kgm-3） ，这个压头是 H=P/g=5105/（1030 9.81）=49.5m 对于泵来说，这个压头是由泵产生的，在这个例子中，这个泵把牛奶送入的高度 就是 49.5m。 这 个 压 力 随 着 液 位 的 增 加 而 增 加 （ 图2.2的h ） P=P表面+gh 如果一个压力计插入罐子的底部，压力随着流体高度的增加而增加。 这个原理可 以用来观察流体的高度还有罐子里面的体积和状态（满、半、空） 。其它的因素 也要考虑如下。 2.3.1 温度 温度是一个非常重要的性质， 因为它将影响到黏度并且改变反应速率，反应速率 对于化学清洗来说非常重要。温度可以简单地被定义为热的系数。最重要的是， 温度可以决定热量的交换方向，能量从温度高的传向温度低的，热量传送率（Js- 1或者 W）与温差成比例。温度的控制非常重要，越热并不一定越好。从这个意 义上看，精确的温度测量和定期校正温度测量器非常重要。更多的细节将在 2.9 章节介绍。 能量在清洗过程中需要把清洗剂加热到需要的温度。总能量 Q 可以通过下式进 行计算 Q=mc M 表示质量（kg） ，c 表示比热容（J kg-1 K-1） ，表示温升（K） 。 2.3.2 体积流速 体积流速的国际单位是 m3s-1，这不是一个非常实用的单位，因为 1000L=1 m3，然 而，英标单位是加仑，1 加仑=4.54L。美国的加仑比英标要小（见章节 2.9.2） 。 例如，5000Lh-1等同于 5m3h-1或者 5/3600m3s-1=1.3910-3m3s-1，一些转化率在章节 2.9.2 给出。 2.3.3 密度 密度被定义为单位体积的质量，国际单位是 kg m-3。水的密度是 1000 kg m-3或者 1g mL-1或者 62.3lb ft-3。牛奶的密度通常在 1025 至 1035 kg m-3之间。流体动力学 的作了一个简化的假设，那就是在适度的温度和压力改变的情况下，流体是不 可压缩的。这是一个合理的假设，并给出了有关流体问题的简单解释。这个与 可压缩的气体和蒸汽形成一个鲜明的对比。然而，大多数的流体密度与温度的 变化而有少许的关系。实际上，当流体变热的情况下，它们变得更松散，这也 提供了一个自然对流的驱动力。大多数的污物成分，比如矿物质，糖或者蛋白 质，将会增加密度，而油脂和脂肪将会减少密度。这些组分的密度已经被 Peleg & Bagley (1983)和 Walstra & Jenness (1984)求证如下，乳糖（1780），蛋白质 （1400），脂肪（900-950），盐（2160）和水（1000）。 2.3.4 比重 比重和密度相比较，在温度改变的情况下更不易于变化。比重和密度（）的关 系如下 SG=/水 密度和比重在观察清洗变化发生的时候非常有用， 因为表面上的污垢被去掉的时 候会改变密度。当液体混入空气时，密度会降低。混进去的空气总是用膨胀率来 测量，膨胀率是体积的增加量除以原来的体积(即以百分比表示)。混进来的空气 会增加发生泡沫的风险，另外密度的降低也会影响到泵的性能。 2.3.5 黏度和流变学 流变学是研究物质在受力的情况下所发生的形变。 液体和固体的区别就是，液体 在力的影响下会流动，而固体会伸展、屈服或者断裂。流体的黏度定义是流体间 的摩擦。剪应力定义为剪切力 F 除以力所在的表面积 A。这样就产生了一个速 度梯度或者说叫剪切速率（dv/dy） 。 对于牛顿流体来说， 这里有一个直接的关系在剪切力和剪切速率之间。剪切力与 剪切速率的比值叫做动态黏度或者黏度系数， =剪切力/剪切速率=/（dv/dy） 20的水的黏度是 1.00210-3N s m-2或者 1.002 cP（厘泊现在还是经常使用） 。 黏度高度依赖于温度，温度每升高 1 度，流体黏度会降低 2%到 10%之间，因 此，在测量黏度的时候，精确地控制温度是非常重要的，在引用结果时也必须 注明温度条件。一些乳流体在不同温度下的的黏度在章节 2.9.10 会给到。 偶尔，用动态黏度是非常合适的，定义为 Kv=dv/density 动态黏度的单位如下： 动态黏度可以直接用奥斯特瓦尔德毛细管流动粘度计来测量。 这是检测牛奶粘度 微小变化最精确的仪器之一。 牛奶，脱脂牛奶，奶酪乳清和蛋白乳清一般被认为是牛顿流体，稀释的清洗剂溶 液也是。 在更复杂的流体中考虑它们之间的关系， 在剪切力与剪切率间存在着非 线性关系。各种类型的非牛顿性能要考虑。测量非牛顿性能要使用变速旋转黏度 计。因此，通过改变速度有可能改变剪切率，在每个剪切率对应相应的剪切力会 被测量。非牛顿被定性为表观黏度a a=/（dv/dy） 许多与时间无关的非牛顿流体遵从一个幂定律公司 =k（dv/dy）n 当用对数来表示时，即 log与 log（dv/dy）是一个线性关系。前面的系数 k 与指 数 n 经常用来描述这种流体的性能。 剪切变薄或假塑性是最常见的(n 1)表现相反，但并不常见。清洗流体在刚清洗的时候和牛 顿流体很相似（n=1） ，它们的黏度会随着污物的溶解而变化，但不是很大。 2.3.6 连续性方向和能量守恒 一种流体流过一个圆形管道时，平均的流速如下 Vav=Q/A=4Q/（D2） 有时候这个被叫做表面流速或者柱塞流速。实际上，流体里面部分流速更高，部 分流速更低。一般认为管壁流速为 0。 平均停留时间取决于平均流速 Tav=L/vav 在一个流动系统中， 任何两点的体积流速应该是相等的。体积流速等于产品的平 均流速 v 乘以穿过的面积 A V1A1=v2A2 那么当流体经过一个限制后流速会相应增加。例如，如果管道直径缩小一半，平 均流速要增加到四倍。这也会带来压力下降。 流体动力方面的能量保留与转化基本上按照伯努利方程来进行。在一条管道上 面的两个点（点1和点2）的能量是一样的。在任何一个点的总能量包括动能、 势能和压头。这里有几个表示方法，该书在这里用压头来表示。在这里分别表 示为静压头P/g，动压头v2/2g和位压头h。 因此理想能量平衡公式为（也就是假设没有摩擦损失） 如果这根管道是水平的，即h1=h2 公式变成这样 当摩擦损失和泵的能量（也以压头的形式考虑）要考虑进去的时候，方程式变 成 以下的内容是讨论影响摩擦损失的因素以及摩擦损失的具体计算，这些又反而 决定W，并在决定泵的应用中起到作用。 2.4层流和湍流 当一个流体流过管道时，这个流体有两种状态，层流（有时也叫线流或者滞 流）或者湍流，对于清洗操作和热转换时，湍流是必须的条件。流动状态可以 通过一个无因次数据区分出来，雷诺系数（Re），这个数据是表示惯性力对黏 性力的比值。当惯性力起主要作用的时候，流动是湍流，而当黏性力起主要作 用时，流动是层流。对于管道系统来说，雷诺系统是 如果雷诺系统小于2000，流动是层流，如果大于4100，这个流动是湍流。这里 真正让人感兴趣的是它可以应用不同的管道与不同的流体。另外，知道流体的 物理性质也非常重要。 知道一个流动是层流还是湍流非常有用，另外需要知道雷诺数决定摩擦的内容 （见章节2.5）。层流的特点是一个抛物线的流速，最大流速是平均流速的两倍 这个流动可以想像成一个存在非常明显的层，靠近管壁的地方流速为0，而流速 随着与管壁距离的增加而增加(图2.7和图2.8)。在层与层之间没有大的流动，所 以这个流动是非常平滑的，也不存在层与层之间的交换或者热量传递。实际 上，整个流动区域就像一个边界层一样。当层流时，各个层的滞流时间都不一 样，并且差距比较大。 当流动是层流时，压力降和流动可以用泊利叶公式来表示。对于流体沿着管道 流动，管道的长度L与直径D 这个可以重新按照压头的参数来重新组合 这个公式可以用作动力黏度，它构成了毛细管流动粘度计的测量原理。如果体 积流速是根据压力降来进行绘制的，他们之间有个线性关系，如果它们是以对 数关系表示的，他们之间的斜率是1。 如果层流的情况下，增加流速，层流最终会转变成湍流。湍流流动包括沿轴向 叠加的管体流动速度的随机变化。因此，有一个比较好的径向混合。 当一个管道中存在湍流时，这里有两个明显的区域，首先，附着在管壁上有一 个层流，随着雷诺数的增加，这个边界层越薄，其次，其它的区域都有一个比 较好的混合。通过管的速度曲线是非常明显的，管子内的混合非常明显。 在湍流的时候，压力降和体积流量之间有个基本的关系（见图2.9）。 最大的流速与平均流速的关系为 Vmax=1.2vav 正如人们所料，摩擦损失在流动是湍流的时候更大，停留时间更加短促。 2.5层流中摩擦损失的计算 在湍流流动中，摩擦损失的计算是非常复杂的。摩擦损失的计算应用到摩擦因 数和剪切梯度w。在管道内的剪切梯度用下式表示： 剪切应力依赖压降和管径大小。它提供了一下表面上力的测量方式。 为了计算在湍流情况下压降和压头损失，一个无因次的基本摩擦系数被引 入，它的定义如下 实验上来看，它是和湍流的状态和管道的粗糙度有关。结果已经用基本摩擦系 数与雷诺数的关系图来表示。具体图表（图2.10）已经在1996年就得到了。如果 图表运用不了的话，湍流流场条件下光滑圆管流场的基本摩擦因数与雷诺数的 关系由柏拉修斯方程给出： 一旦摩擦因素确定了，它就可以用下面的公式来代替压头损失F L表示管道的长度而D表示管道的直径 例如，一根管道的直径是5cm长度是100m，速度从1到10m s-1，（水的黏度是10- 3Pa s，密度是103kg m-3）。摩擦损失（压头损失）见表2.1。这个计算是基于平 滑管计