开放式工艺设备可清洁性评估新测试方法

《Journal of Food Engineering》：A new test method to assess the cleanability of open process equipment

　　

本研究提出了一种评估开放式工艺设备可清洁性的新方法。该方法能够区分卫生设计（hygienic design, HD）良好与不良的设备。通过参考件（reference item）持续检验并验证测试方法的有效性。该方法易于使用，适用范围广泛。研究内容包括：识别合适的食品模型污垢（food model soil）、设计适用于多种设备的自动化清洁程序，以及对清洁结果进行评估。研究人员将该方法应用于一个专门构建的参考件和两种具有商业相关性的机器支脚设计，作为初步的部件级概念验证。基于这些结果，研究人员分析了测试件的卫生设计，并讨论了该测试方法的适用性。

论文解读文章

一、研究背景与意义

食品安全是食品工业的核心关切。根据欧盟法规EC 178/2002，不安全食品不得进入市场流通。为预防不安全食品进入食品链，食品生产企业必须依据HACCP（危害分析与关键控制点）原则建立、实施并维护食品安全管理体系。卫生设计（hygienic design, HD）是HACCP前提方案（prerequisite programmes）的重要组成部分，其核心目标是通过合理的设备设计实现易于清洁、最大限度减少危害的侵入与积累，并防止微生物滋生。

欧洲食品安全局（EFSA）生物危害专家小组近期发布的科学意见指出，不良卫生设计是食品安全的关键风险因素。全球食品安全倡议（GFSI）亦将卫生设计视为提升食品安全的先决条件。自2006年起，欧洲机械指令要求食品机械、化妆品或药品机械的产品接触表面必须易于清洁，并规定了卫生设计的基本要求。国际标准ISO 14159进一步明确了机械设计的卫生要求，并指出对复杂开放式产品加工机械，合规性验证可能需要通过实际可清洁性测试进行评估。

开放式工艺设备（open process equipment）的清洁通常涉及喷射流或泡沫流，其流体力学复杂性远高于封闭式工艺。然而，目前针对封闭式设备的可清洁性测试方法（如EHEDG Guideline 2）并不适用于开放式设备。VDMA虽提出了一种基于荧光液体的可清洁性测试程序，但其主要应用领域是工业条件下的喷雾阴影分析，而非全面的可清洁性评估。因此，开发一种适用于开放式工艺设备的标准化可清洁性测试方法具有重要的学术价值和工业应用意义。

二、主要技术方法

研究人员开发了一套完整的可清洁性测试方法，主要包括以下几个关键技术环节：

模型污垢（model soil）制备：采用1升市售炼乳（B?renmarke Kondensmilch 10%）与2克UV示踪剂（RADGLO P-X-0936 UV Green）混合，在室温下以900 rpm搅拌30分钟均质化。该模型污垢具有荧光特性、内聚分离（cohesive separation）行为、易于施加且不含微生物。

污垢施加：使用商用喷雾瓶（GLORIA Drucksprühger?t Hobby 100）从不同角度手动喷洒至所有表面过饱和，随后在23±2°C、50%±5%相对湿度的气候箱中干燥18±2小时。污垢施加的可重复性通过差重称量法评估，结果显示垂直平板变异系数仅4.4%，复杂几何体（电缆接头14.9%、角支架12.9%）的变异系数虽较高但仍在可接受范围内。

机器人喷雾清洁系统：采用六轴工业机器人（ABB IRB 2600-20/1.65）搭载L形喷嘴框架，配备三个扁平扇形清洁喷嘴（Lechler 660.676），以恒定速度（60 mm/s）沿包络曲线（envelope curve）绕测试件运动，保持300 mm恒定喷嘴距离。清洁参数为：去离子水、操作压力2±0.1 bar、每喷嘴体积流量4.75 L/min、流体温度23±2°C、清洁循环2次。

参考件（reference item）设计：参考件尺寸为80 mm×211 mm×134 mm，由不锈钢1.4305制成，表面粗糙度R_a≤0.8 μm。其包含卫生设计侧（HD侧）和非卫生设计侧（non-HD侧），HD侧配备卫生设计电缆接头、气动接头、带密封的盖形螺母和90°圆角；non-HD侧配备标准电缆接头（带开放螺纹、金属间接触和缝隙）、静态O型密封圈、带锐边的长圆孔和90°锐角。

荧光检测与图像分析：在暗室中采用365 nm UV光激发污垢层产生荧光，通过工业相机在固定位置拍摄清洁前后图像，对指定特征区域进行平均亮度分析，计算相对残余污垢百分比。

三、研究结果

3.1 参考件可清洁性测试

参考件共进行了五次测试。在所有测试中，HD侧在清洁后完全干净，而non-HD侧的所有关键特征均观察到残余污垢。图像分析结果显示，长圆孔水平表面因污垢积累面积大，残余污垢量最高；电缆接头上的金属缝隙和螺纹特别难以清洁；锐角和密封圈处大部分污垢被去除，但缝隙中仍有残留。所有特征均能重复、稳定地检测到残余污垢，表明该方法能够清晰区分卫生设计良好与不良的区域。

3.2 机器支脚可清洁性测试

两种机器支脚各进行了四次测试。对于类型1机器支脚（无卫生设计元素），清洁后整个分析区域均发现残余污垢，螺纹空腔及上下连接区域有土壤残留，平均相对残余污垢量约为5%±2%，虽数值较低但可重复检测到。对于类型2机器支脚（具有卫生设计特征），除下部密封圈外，所有卫生设计良好的区域均完全清洁；下部密封圈因喷雾射流难以到达且密封缝隙较大，平均残余污垢量高达53%±21%，与测试前预期一致。

3.3 冲击压力分布

通过压电力传感器（Kistler 9217A1）测量喷嘴在300 mm工作距离处的平均冲击力分布。结果表明，在垂直方向约200 mm的中心区域内，冲击力强且基本均匀（达到最大力分数的80%以上），足以对参考件实现均匀的清洁液施加。对于垂直尺寸超过200 mm的大型测试件，可能需要调整喷嘴距离和侧喷嘴角度。

3.4 溶胀过程对测试有效性的影响

炼乳基模型污垢接触清洁液后会发生溶胀，导致污垢附着力逐渐降低。为评估溶胀对清洁时间的影响，研究人员设计了代理实验，将两次通过之间的间隔时间从15秒变化到60秒。结果显示，在所研究的参数范围内，间隔时间对清洁效果无系统性影响，所有测试板平均最多4次通过即完全清洁。这表明测试件尺寸（至少至直径约550 mm的横截面）对测试有效性无显著影响。

四、讨论与结论

讨论部分总结：研究人员指出，该测试方法专门针对可清洁性这一卫生设计的一个方面，不评估微生物污染、生物膜形成或材料相关卫生特性等其他卫生性能方面。当前验证仅限于参考件和两种机器支脚设计，虽包含缝隙、螺纹、密封件、水平表面和锐边等多种工业相关特征，但尚不能代表开放式食品加工机械的全部几何复杂性。铰链、轴承、输送过渡段、传感器布置、中空结构和完整组件等几何形状的适用性仍需进一步研究。此外，测试方法在测试件尺寸方面存在限制，测试结果的有效性仅限于低至中等操作压力的湿式喷雾清洁程序。

研究结论翻译：本研究提出并验证了一种评估开放式工艺设备可清洁性的新测试程序。通过结合可重复的模型污垢、机器人清洁系统和基于荧光的检测方法，该方法能够在实验室条件下客观评估设计特征的可清洁性。本研究开发的参考件被证明适用于验证可重复性，并确保易清洁和关键设计特征能够被可靠区分。将该方法应用于参考件和两种机器支脚设计，证明了该方法在部件级评估选定可清洁性相关设计特征方面的可行性。密封件、螺纹和锐边等关键区域被一致地识别为难以清洁，而卫生设计良好的表面则被完全清洁。这证实了该方法在卫生设计有效性及其对可清洁性影响方面提供了有意义的结果。未来发展方向可能包括将该方法扩展到完整组件和更复杂几何形状的评估，以及进一步优化模型污垢组成和清洁参数以增强其稳健性和工业相关性。