不锈钢设备的有效清洁

发布时间:2019.07.24 新闻来源:不锈钢酸洗钝化液-不锈钢酸洗钝化膏-天长市俊武不锈钢表面处理材料厂 浏览次数:
食品工业中设备和机器的******清洗耗费大量时间和成本,但却是生产卫生的关键要求。诚然,手动和自动喷淋系统在很大程度上已用于加工和包装机械的清洗,但到目前为止,它们基本上都是根据经验而设计的。因此,针对清洁不锈钢表面的有效措施的对比研究也非常少。德国阿尔布施塔特-锡格马林根大学PiLS专业知识与研究实验室进行了系统清洗实验,这些实验能帮助食品机械的制造商和使用者解决这一问题。
  污渍被理解为是“损害相关物品的使用、卫生或美观”的物质。与进行的研究相关联,污渍首先指构成食品工业中设备和机器上污物主要成分的食品残渣。此外,清洁后表面残留的清洁剂、消毒剂或微生物从整体卫生考虑也同样重要。然而,这一问题在目前并不是本研究的主题。
  可以通过食物残渣类污渍对水的反应确定其特征,而水则通常是清洗溶液的主要组成部分。根据污渍成分的不同,其在水中可能溶解、溶胀、形成乳液或悬浊液,这些都是清洗动力学方面要考虑的关键因素(表)。蛋白质作为肉类加工中的污渍之一,其溶胀步骤***重要。
  溶胀过程决定速度
表:食品厂中污渍成分在水中的表现
可溶解:盐、酸、低分子量碳水化合物(如糖)
可溶胀:高分子量碳水化合物(如淀粉)、蛋白质
可乳化:脂肪、酯类
可悬浮:粗纤维成分、谷物
  但是,在确定达到预期结果所需的总清洁时间时,不仅仅要考虑到污渍的组成成分,其既往历史同样重要。根据工艺的不同,可能要等待几个小时的时间才能再次清洗受污染的设备。在这段时间内,机械和设备表面污渍的蛋白质和碳水化合物成分的性质已发生变化,主要因为干燥。这些设备上的残留物干涸度越高,进行清洁所需的水、能源和化学清洗剂的量也就越大。对于含脂量高的污渍来说,这种时间性效应就没有那么明显。
  考虑到这一点,在清洁实践中通常会先用高压喷嘴和/或清洁泡沫进行预清洗,而后进行主清洗。在后一步操作中,可用高压或低压清洁器喷头冲走已经部分脱落的污渍。而后用清水冲洗厂房和机械。用于预清洗和主清洗的时长可分别占总时长的2/3和1/3。换言之,预清洗的时间一定要足够长,以确保有效的清洁操作。在污渍极为顽固、或设备部件难以靠近的情况下,在现实中还有必要通过手动刷洗进行辅助清洁。
  在对清洁操作进行说明时,通常采用辛纳清洗图来显示影响因素(图1)。在其原有的表现形式中,主要在质量方面显示湿洗的必需参数:反应时间、所用的机械作用力、所使用的化学品以及清洗液的温度。而在扩展的辛纳清洗图中,也考虑到了污渍的性质、数量和条件,以及表面材料的性质、形式和粗糙度。

  图一:扩展的辛纳清洗图,说明影响湿洗的因素。溶胀操作决定速度。
  表面的材料和性质能对清洗时间和清洗效果造成明显影响。除了结构锁定连接之外,污渍颗粒与表面之间的分子作用力(如静电力或疏水相互作用)也起主要作用。这些都受表面粗糙度的影响。但是,也不应指望精工细磨的表面就一定比略微粗糙的表面更易清洗。借助生物膜发现,粘附力的***小值发生于粗糙度(Ra)介于0.4到1.5μm的范围内。无论表面是更光滑还是更粗糙,粘附力均有显著增加。因此,经欧洲卫生工程设计集团(EHEDG)建议,在食品工业中,与产品接触的厂房和器械表面的平均Ra指数不应超过0.8μm。在有特殊要求的情况下,如在制药工业中,表面需经过电抛光,使其粗糙度可达到0.2μm以下。我们为此进行了试验,以检验这一措施是否适用于食品工业。
  自己的研究
  在我们自己的研究中,我们使用了由奥氏体铬镍钼钢(材料编号1.4404,AISI 316L)制造的不锈钢板。这种材料经常用于食品工业厂房和机械。这些板材的表面均按照EHEDG的建议经过机械研磨或电抛光。根据DIN EN ISO 4288测定Ra值,结果是0.5到0.8?m(机械研磨表面)或0.15?m(电抛光表面)。所用的试验污渍为标准商业蛋白粉。针对部分试验,20g蛋白粉被添加到80g软水(8°dH)中,经搅拌后在室温下溶胀24小时。形成均质糊,用薄膜涂抹器将其均匀涂抹,间隙宽度为200?m(紫外光下不锈钢板上呈现均质蛋白质膜)。在使用高压喷***的试验中,溶胀的时间被缩短到10分钟。这样得到略微粗糙的面糊,用螺旋涂抹器涂抹,间隙宽度为200?m,得到一个不规则的污渍薄膜(紫外光下不锈钢板上呈现颗粒状蛋白质膜)。试验前,先将该蛋白质薄膜在特定条件(40℃,50%相对湿度)的气候控制柜中干燥4个小时。
  将这种带污渍的板材夹在低压喷涂装置(LPSS)上,使用细喷雾清洗不超过20分钟;部分则被放置在高压喷涂装置(HPSS)的托架上,在高压喷嘴喷射出的水流下水平移动一到三次。在LPSS中,双喷嘴结构中喷射出的体积流速约为90ml/min。压力容器中的水压被设置为1bar;雾化所需的空气压力为1.5bar。喷嘴被定位于距离板材220mm处,并与其垂直。板材相比水平线略微倾斜20°,使水流可以流过。除一项测试系列外,所使用的水(8°dH)均为室温(约20℃)。在一项试验中,所使用的水温(喷射流中测量)约为30℃。在清洗试验进行之前,我们先在板上喷洒了水或2.5%碱性wn****清洁剂溶液,并使其溶胀15分钟。在HPSS中所用的压力为40或60bar。与所用喷嘴相匹配,得到约14或18l/min的体积流速。温度(喷射流中测量)约为50℃。如在实际中常见,喷嘴被定位于距离板材150mm处,并保持40°差角。在试验前,先用雾化瓶中喷出的水雾润湿板材,溶胀时间为3分钟。这一系列的试验未对化学清洁剂的影响进行考察。
  为了进行评估,在试验前后分别用紫外光(波长312nm)对板材进行了观察。由于蛋白质的固有荧光,污渍清晰可见,而干净的不锈钢板则保持暗色。借助数码相机拍摄的照片随后经过一项图像处理程序得到评估。为此,彩色照片被转换为8位灰度图像。借助固定边界值,图像处理程序对污渍(亮)和干净(暗)的区域进行了区分。在板材上预先指定的区域内,通过用清洗后图像发亮区域(污渍区域)除以清洗前图像发亮区域得出残留污渍(RS)值。RS可以为从0%(******清洗的板材)到100%(无清洗)间的数值。
  结果
  图2显示了低压喷涂装置(LPSS)的清洗试验结果。一方面展示了用碱性清洁剂配清水的清洁效果,另一方面展示了表面处理(机械研磨对比电抛光)的影响。柱状图展示的是九个平行试验的平均值。以分散程度大小给出标准偏差。在这一系列的试验中,如上所述,板材被夹在LPSS中,并暴露于细喷雾中长达20分钟。清洗的机械作用在此可以忽略不计。这大大减慢了清洗速度。但是,辛纳清洗图中其他因素的影响却如慢动作般清晰可见。

  图2:用低压喷雾装置的清洗试验结果。RS:污渍残留。用碱性清洁剂(表面活性剂)与利用清水的影响对比,以及不同表面处理(机器研磨或电抛光)的影响。清洗时间为10分钟(黑色柱)或20分钟(白色柱)。
  以下结果通过用打磨的不锈钢板得出。在仅使用清水的情况下,平均77%的原有污渍在10分钟后仍然存在。在试验开始之前用碱性清洁剂反应15分钟,可将残留污渍降到68%。清洗20分钟的试验结果相似,即用清水时的污渍残留为72%,而用清洁剂时则被减少到45%。对这些结果进行对比可以发现,电抛光表面板上残留的污渍总体来说比打磨表面的高。例如,10分钟后还有81%的污渍残留,使用清洁剂时可将污渍残留量降到67%。20分钟后则分别有72%(用纯水)或57%(用清洁剂)的污渍残留。
  然而,对这些清洗试验影响***大的因素是水温(***右侧的柱形图)。在使用打磨板材进行的系列试验中,喷射流中水温被升到30℃,未使用化学清洁剂。10分钟后除去了约50%的污渍,大大优于温度为20℃时、甚至是用清洁剂情况下的结果。20分钟后,原有污渍仅剩余25%。这是全部清洗试验中所得到的***佳结果。

  图3:用高压喷雾装置的清洗试验结果。RS:污渍残留。喷雾压力(40bar,60bar)和托盘移动速度(快速0.65m/s,慢速0.2m/s)的影响。打磨表面,第一次通过高压喷射流后(黑色柱)或三次通过后(白色柱)。

  图4:用高压喷雾装置的清洗试验结果。RS:污渍残留。电抛光表面,第一次通过高压喷射流后(黑色柱)或三次通过后(白色柱)。实验标记如图5。
  使用高压喷射流的实验结果如图3和4所示。一方面显示了将压力从40升高到60bar所产生的影响,另一方面也展示了板材在高压喷射流下不同移动速度(慢:0.2m/s;快:0.65m/s)的影响。图中所示的数据为6到9项平行试验的平均值±标准偏差。图中显示的仅为第一次和第三次高压喷射流通过后的结果,第二次通过后的数值未被列出,但在全部试验中,第二次的结果数值都*********次和第三次之间。
  与预期一致,和LPSS的结果相比,用HPSS后测出的污渍残留显著降低。但尽管如此,打磨和电抛光表面可清洁性的差异在此同样可见。如使用打磨的不锈钢板,在喷雾压力为40bar、以0.65m/s高速移动的情况下,第一次通过后的污渍残留为7.5%(图3)。在托盘移动速度被降低到0.2m/s时,污渍残留减少约一半(3.9%)。相比40bar,将压力升高到60bar能使清洗更为有效。污渍残留即便在托盘快速移动(0.65m/s)时也能减少到2.1%,当托盘移动速度降为0。2m/s时,仅1.0%的原有污渍仍然存在。在更多次通过高压喷射流之后,污渍残留也如预期一样得到进一步减少。因此,在40bar压力下第三次通过高压喷射流后,仅观察到1.7%(0.65m/s)或0.9%(0.2m/s)的污渍残留。在60bar压力下第三次通过后,仅观察到0.6%(0.65m/s)或0.3%(0.2m/s)的污渍残留。换言之,板材几乎已经完全洁净。
  如使用电抛光的不锈钢板,通过喷射流后的污渍残留在所有情况下都远高于打磨的不锈钢板。如图4所示,在40bar压力下、以0.65m/s移动速度第一次通过后,仍有14.5%的原有污渍残留。移动速度降低到0.2m/s时,残留污渍量几乎减半(8.7%)。将压力升高到60bar时,电抛光不锈钢板的清洗结果也有明显改善(0.65m/s下4.3%或0.2m/s下3.1%)。同样,在第三次通过高压喷射流后,其污渍残留总是高于打磨的不锈钢板。例如:在40bar下污渍残留为6.1%(0.65m/s)或2.8%(0.2m/s),在60bar下为1.6%(0.65m/s)或0.7%(0.2m/s)。
  实际意义
  低压喷射流试验使我们能够检验没有机械力影响情况下的清洗操作。其结果是,辛纳清洗图中剩余的影响参数能在模型的基础上得到检验。我们的试验显示了温度和碱性清洁剂带来的影响。这些因素***终影响蛋白质的溶胀,这正是去除蛋白质污渍中至关重要的因素。试验还显示,即使电抛光能够降低表面粗糙度,这对已经被干燥在表面上的蛋白质膜来说没有任何可清洁性优势。
  利用高压喷雾装置则可进行与实际相关的试验。在给定的条件下,高压清洗即便在不使用化学清洁剂时仍非常有效。在打磨的表面上,即便压力只有40bar,仍有超过90%的原有污渍*********次通过喷射流后就得以去除。正如所预期的一样,多次通过喷射流能进一步减少污渍残留。在压力升高到60bar时,在喷嘴直径不变的情况下,体积流速也将升高。更高的压力和更快的体积流速共同作用,可明显降低污渍残留。如喷射流和表面之间的相对速度有所降低,在试验中,这体现为托盘的移动速度从0.65减慢到0.2m/s,全部试验中的污渍残留实际上都在减少了一半。然而,清洗相同表面所需的时间却提升了三倍。通过电抛光降低表面粗糙度不会对含有蛋白质的污渍清洗带来积极影响。在我们的全部试验中,其污渍残留都高于打磨表面的污渍残留。与生物膜相似,在表面粗糙度非常低时,蛋白质膜的粘附力也有明显升高。从迄今的实验结果中还不能确定粘附力***低点发生在哪里。目前,正在研究温度和压力变化(在恒定的体积流速下)对高压清洗效率产生影响的方式。
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