CIP をプロセスの不可欠な部分にする

Nov 06, 2023

混合防止バルブは、洗浄のためにバルブを所定の形式に自動的に切り替えることにより、CIP プロセスから当て推量を排除し、オペレーターのミスの可能性を減らします。写真提供：Wayne Labs

プロセスと包装を自動化し、施設全体で食品の安全性と品質を示すコンピューター生成の紙の証跡を作成しました。 掃除についても、可能な限り同じようにしないのはなぜでしょうか。 確かに、手動で洗浄するためにプロセスから外さなければならない機器もありますが、配管、一部のコンベアベルト、特定のポンプ、ミキサー、タンク、その他の機器などの他のコンポーネントについては、その場で洗浄できます ( CIP) を導入しており、規制機関の要請に応じて洗浄と衛生の証拠を提示できる自動記録管理を備えています。

CIP は清掃と衛生管理に不可欠な部分であり、あらゆる施設の食品の安全性に影響を与えます。 清掃と衛生管理は、規制要件の遵守に役立つだけでなく、消費者とブランドを汚染やリコールから守ることにもつながると、CRB 上級研究員（食品加工および食品安全担当）のパブロ・コロネル博士は述べています。

CIP はプロセスライン内で分解せずに実行され、プロセス装置の隅々まで到達する必要があります。 したがって、CIP (COP とは対照的に、場外の清掃) に適した適切に設計された機器は、どのような設置にも必須です。 コロネル氏は、構造の材質、排水性、掃除のしやすさ、デッドエリア/ゾーンの防止などが設計基準の一部であると付け加えています。

CIP システムが成功するかどうかは、機器の設計に加えて、水の流量と温度、使用する化学物質 (濃度)、洗浄時間などのいくつかの変数に依存します。 これらの変数は、洗浄対象の製品の特性 (粘度、粘着性、汚れの量、アレルゲンの存在) および洗浄が必要な機器に応じて化学薬品供給業者と協力して設定されます。 ただし、アレルゲンの存在により、CIP プロセスが複雑になる可能性があります。

CIP が効率的であること、つまりプロセス機器またはラインをクリーンな状態に戻すことを確認するには、製品 (または製品ファミリー) ごとに CIP を検証する必要があります。 コロネル氏は、バリデーションを食品の安全性の予防管理として考えてください、と言います。

自動化は、各製品で適切なサイクルが確実に使用されるようにすることで、効率的な CIP を実現します。 製品ごとの CIP の検証中に、洗浄の「レシピ」が確立され、どの製品が製造されたかを知ることによって適用されます。 CIP システムは、自動的に、または人間の介入によって、最適な CIP レシピを決定し、化学物質と水の使用、流量と温度を監視できます。 センサーのさらなる進歩は、機器がいつきれいであるかを判断するのにも役立ちます。 CIP の自動化は、どの施設でも導入できる食品の安全性と持続可能性の改善の 1 つである、とコロネル氏は言います。 「CIP の自動化は、食品安全計画の不可欠な部分である一貫性、記録保持、監視に役立ちます。」

エコラボ・フード＆ビバレッジのエグゼクティブエリアテクニカルサポートコーディネーターであるニール・ボガート氏は、「プロセスを検討し始めるときに考慮すべきことがいくつかあります」と述べています。 「最初に理解すべきことは、扱っている汚れです。製品マトリックスで除去するのが最も難しい汚れはどれですか? 次に水質です。CIP 洗浄液は 95 ～ 99.5% が水で構成されているため、次のことを確認する必要があります。化学的性質は、硬度、アルカリ度、塩化物、硫酸塩、金属イオンなどの不純物の影響を受けません。」

たとえば、水にはさまざまなレベルの一時的な重炭酸カルシウムとマグネシウム、および永久的な炭酸塩が含まれている可能性があります。 含有量が多ければ多いほど、水は硬くなります。 カルシウムとマグネシウムの化学的性質により、通常の洗浄および消毒プロセスでは水への溶解度が低くなり、スケーリングの原因となり、洗浄用化学物質と結合して洗浄で活性を発揮できなくなる可能性があります。 その結果、より高いレベルの硬度を克服するには、より多くの化学反応が必要となります。 水中のカルシウムやその他のミネラルの量は場所によって異なるため、洗剤や消毒剤の濃度は、水の硬度やその他の含有量と特性がわかって初めて決定できます。

「次に考慮すべきことは、CIP の特性、温度、必要な時間、システムが提供する機械的力です」と Bogart 氏は付け加えます。 「これらすべてを理解すると、土壌、水、CIP の特性を、必要な温度、時間、利用可能な機械力で、定義された土壌を除去するのに最も効果的な化学反応に適合させることができます。」

CIP に使用される化学物質の主なタイプは、苛性洗浄剤、酸性洗浄剤、消毒剤の 3 つであると、制御システム インテグレーター協会 (CSIA) の会員である Gray Solutions の食品安全エンジニア兼プロセス担当主任コンサルタントであるアダム リチャーズ氏は述べています。 苛性洗浄に使用される最も一般的な化学薬品は、水酸化ナトリウムまたは pH 10 ～ 13 の範囲の塩素化アルカリです。 苛性洗浄の目的は、プロセスラインや装置内に蓄積した残留物、蓄積した土壌、残留製品、タンパク質を除去することです。 酸は主にリン酸および/または硝酸で構成されます。 酸洗浄ステップは、ライン内に蓄積したスケールを除去するのに重要ですが、システムの pH バランスを保つための中和剤としても使用できます。 主成分が塩素であるため、広く使用されている消毒剤は次亜塩素酸水（カリウム、ナトリウム、カルシウム）です。 ごく最近では、二酸化硫黄はその酸化力と機器への腐食性が低いため、家禽、果物加工、醸造所向けの代替消毒剤として登場しました。 消毒用のもう 1 つの代替品は、過酸化水素と酢酸の混合物である過酢酸です。 低温でも効果があり、すすぎ後の塩素残留が少なく、あらゆる微生物に有効です。

CSIA 認定メンバーである E Tech Group プロセス産業担当副社長の Alan Maxwell 氏は、「『自動化の孤島』を削減する傾向は、さまざまな理由から CIP システムに関係しています」と述べています。 「従来、スタンドアロンの手動または半自動システムだったものを、より広範なプロセス制御システムに統合することが現実的になる可能性があります。マシンレベルのエッジテクノロジーとピアツーピアのイーサネットネットワーク接続により、意思決定がさらに容易になります。」これを簡単かつコスト効率よく行うことができます。」

マクスウェルは、統合の他の理由について次のように述べています。

今日のプロセス システムの多くでは、CIP をプロセスの一部と考えることができます。 「CIP システムは、洗浄プロセスのために分解するのが容易ではない装置を備えたプロセスで使用されます。毎日分解すると時間がかかり、機械的損傷を引き起こす可能性があるためです」と、Novolyze のシニア プロジェクト マネージャー、パビトラ ピアソン氏は述べています。 「ほとんどの場合、人手がかからないのです。」 CIP は、プラグアンドプレイであり、オペレーターがシステムを監視する必要がある、より自動化されたシステムと考えてください。

Novolyze のプラットフォームを使用すると、主要な食品安全パラメータを 1 つのツールで監視できます。 「確かに、クリーンなプロセスを提供するパフォーマンスは重要であるため、CIP はプロセス制御の一部です。環境モニタリングは、Novolyze が提供するプラットフォームのもう 1 つの部分です」と製品マネージャーの Moussa Ndiaye 氏は述べています。 「重要な食品安全データを一元管理できる場所は、迅速かつ効率的な意思決定を行うために不可欠です。」

今日の CIP プロジェクトの主な焦点領域の 1 つは、CIP 自体の自動化だけではなく、その CIP がどのように機能し、他のプロセス機器と通信するかを統合することであると、Sani-Matic の製品管理ディレクターである Pete Barrie 氏は述べています。 「プロセス機器の CIP (これまで以上に自動化が進んでいます) を実行するときは、機器が CIP の準備ができているかを確認したり、開く必要があるバルブが開いているか確認したり、撹拌シャフトをオンにしたりするなど、より多くのコミュニケーションを行う必要があります。より「接続されたプラント」では、CIP もそのプラント機器とさらに接続される必要があります。」

「当社の食品生産システムと熱交換器はすべて、標準として CIP システムを備えているか、より広範な工場 CIP システムおよびプロトコルに接続できるように設計されています」と、HRS 熱交換器の国際セールス & マーケティング ディレクターのマット ヘイル氏は述べています。 これらの統合 CIP システムには、メイン PLC 制御から操作される制御システムが含まれており、システムの空化、洗浄、補充が簡単なワンタッチ操作で実行できることを意味します。 さらに、洗浄サイクルの完全な記録が保存されるため、完全なトレーサビリティと品質管理が可能になるとヘイル氏は言います。

Gray Solutions のオートメーション担当マネージャーである Paul Ericksen 氏によると、CIP 統合の実際的な理由は柔軟性です。 「どの製品が実行されたばかりで、次にどの製品が実行されるのかがわかれば、CIP 要件の「強さ」を判断できます。たとえば、製品 A から製品 B に移行する場合、おそらく単純なすすぎのみが必要ですが、次の製品に移行する場合は、製品Bから製品Cまでは完全な温水洗浄が必要な場合があります。」 このレベルの統合により、不必要な洗浄を排除できるとエリクセン氏は言います。 「CIP システムは、どの回路が、どのサイクルで、どのくらい前に洗浄されたかを追跡できます。また、要件に基づいて生産システムにインターロックをプログラムできます。CIP システムは、化学物質の濃度、洗浄温度、洗浄時間を調整することもできます。」そして、この情報に基づいてさまざまな化学物質の中から選択することもできます。」

CIP システムにおける混合防止バルブの事例

現在、混合防止バルブは、ほとんどの自動 CIP システムに必要な部品です。 プロセスに混合防止バルブを備えた設計を採用すると、プログラミング時間は長くなりますが、フロープレートを毎日交換する必要がなく、誤った接続が回避されるため、効率が大幅に向上します。 ハードウェアの追加には多額の初期費用がかかりますが、1 日あたりの時間の節約により、短い ROI で容易に元が取れます。

混合防止バルブを使用すると、別の回路で生産を継続しながら、同時に回路を洗浄することもできます。 これは、プロセスへの供給ラインが生産で引き続き使用できる一方で、製品ラインを洗浄できる乳製品やその他の流体アプリケーションでは非常に一般的です。 この機能を活用すると、大幅な効率が得られ、設置コストを相殺できます。

— Cyber​​trol Engineering オートメーション ソリューション担当副社長 Tim Barthel 氏、ソリューション エンジニアリング担当ディレクター John Tertin 氏

「CIP 制御パラメーターを継続的に測定しなければ、今日の食品加工環境において競争力を維持することはほぼ不可能です」と、エンドレスハウザー食品飲料業界マーケティング マネージャーのオラ ウェストトロム氏は述べています。 適切な CIP データがなければ、汚染リスクにより製品、水、エネルギー、洗剤の無駄、さらにはさらに悪いことにリコールが発生することは避けられません。 ほとんどの場合、CIP パラメータは PLC 通信経路を介してヒストリアンに取り込まれるか、エンドレスハウザー メモグラフ M RSG45 のようなスタンドアロンのデジタル レコーダーに取り込まれます、と Wesstrom 氏は言います。

「さらなる効率向上を目指して、プロセスの洗浄前後での洗剤の有機負荷の分析を検討しています」とウェストトロム氏は言います。 「UV または NIR 測定センサーを適用すると、有機的負荷をモデル化できるため、約 10 ～ 30% の時間を節約できます。」

CIP のユーザーは、CIP の中心的な仕事である洗浄を自動化するのと同じくらい、データ記録プロセス (時間、温度、導電率、流量などの洗浄パラメータの記録) を自動化することが重要であることを認識しています。」効率向上を主張するサニマティック社のバリー氏は、「CIP が洗浄を自動化している一方で、多くの場合、品質の高いチームやメンバーは、機器を生産に戻す前に洗浄データをレビューしています。 品質担当者が、施設全体で紙のデータを追跡するのではなく、複数の CIP システムの CIP が完了した数秒後にコンピューターでデータをデジタル的に確認できれば、生産に戻るまでの時間を短縮できます。」

「当社では、HMI/SCADA システムを使用して関連センサー (通常は温度、導電率、CIP リターン時の流量) をポーリングしています」と Ericksen 氏は言います。 「最新の SCADA システムは、これらのセンサーを毎秒、またはそれ以上の速度でポーリングして、時間に基づいた (ほぼ) 連続的なグラフを作成できます。また、各 CIP の開始日と終了日/時刻、どの回路が洗浄されたか、どのサイクルが洗浄されたかを記録することもできます。 「使用され、サイクルが正常に完了したかどうか。これをある種の適切な歴史システムと組み合わせると、データストレージシステムが許す限り、必要なあらゆる記録を開発できます。」

Sani-Matic の SaniTrend クラウド システムなどのソフトウェアを使用すると、この情報を含むオンライン ポータルにアクセスするだけで、即時かつ完全なデータ アクセスが安全に行えます。 多くの場合、これらのソフトウェア パッケージは、総合設備効率 (OEE) スコアリング、電子メールおよびテキスト アラートなど、効率を向上させる追加機能を提供します。

Novolyze ソフトウェアは、CIP マシンと生産ライン (最大 200 のエントリ ポイント) のセンサーから重要なデータを集約します、と Ndiaye 氏は言います。 ライン解放プロセスは、関係者への通知をトリガーするシンプルなワークフローを使用して、Novolyze アプリケーション内で管理できます。 逸脱が発生した場合、ライン リリース レポートは修正/予防措置とユーザーによるコメントによって強化され、逸脱と是正措置が完全に理解できるようになります。 データは監査に適した方法で保存され、包括的かつ簡単な共有機能とプロセスの検証が可能になります。

センサーデータと自動記録管理がもたらすあらゆる良い点にもかかわらず、突然発生する可能性のある驚くべき問題があります。おそらくそれが、「洗浄剤が汚染されている可能性のある製品」を報告する最近の一部のリコールの原因である可能性があります。

エコラボのボガート氏は、潜在的な原因について説明しています。 「自動化の潜在的な欠点の 1 つは、機器の CIP に従業員が関与していないことです。自動化が導入される前は、従業員がプロセスに密接に関与する必要がありました。従業員はバルブのパルス、温度、時間を制御していました。自動化により、従業員は今では次のことが可能になります。」ボタンを押して立ち去ると、次のような疑問が生じる可能性があります: 洗ったか、効率的に洗ったか、正しく洗ったか? どれくらいで誰かが洗濯表を読み、すべての時間、温度、流量、および温度を確認するでしょうか。 「濃度は検証済みの洗浄プロトコルを満たしていますか? 規制や第三者の監査要件によっては、これらの洗浄チャートが検証されるまでに最大 7 日間かかる場合があります。その 7 日間で他に何が起こったのでしょうか?」 ボガートは尋ねます。

エコラボは、CIP 用 3D TRASA を使用してこれらの質問に答える方法を開発しました。 このプログラムは、上記のすべてのセンサーからの読み取り値を取得し、出力を監視して、検証された洗浄レシピに従って洗浄が完了していることを確認します。 洗浄中の製品の品質や食品の安全性に影響を与える可能性のある重要な要素のいずれかがプログラムの重要なパラメーターの範囲外にある場合、責任者に通知が送信され、直ちに通知されます。 これにより、タイムリーなレポートが提供され、加工業者は、製品の品質や食品の安全性に影響を与える可能性がある機器が適切に機能しなかったことを知るまでに最大 7 日も待つ必要がなくなりました。

CIP システムに便乗するケース

多くのプロセスは、CIP の前にラインをピグすることで恩恵を受けます。 ピグの使用は、適切な配管とバルブを使用できるように、CIP システムの設計の早い段階で考慮する必要があります。そうしないと、ピグに対応するための再設計で多大なコストが発生する可能性があります。

ほとんどすべての CIP サイクルには最初の水のフラッシュが含まれますが、チョコレートなどの一部の製品では水を使用できません。 製品に関係なく、事前にラインをピグしておくことで水の使用量を大幅に削減でき、場合によっては水を流す必要がまったくなくなることもあります。 さらに、ラインに残る残留物が少なくなると、化学薬品のフラッシュ時間が短縮され、結果として化学薬品の節約につながる可能性があります。

— アラン・マックスウェル、E Tech グループ

マヨネーズ、ドレッシング、ペースト、その他の粘性のある製品などの製品を製造する加工施設は、ピギングの恩恵を受けることができます。 私が担当していた顧客は、ラインを利用していなかったので、約 8% の無駄が発生していました。 ピギングが実施されると、その数は 1% にまで下がりました。 ラインの CIP 処理に関しては、その 8% をライン回路内に残すと、洗浄ステップを開始する前にそれを除去するためにかなり多くのすすぎ水が必要になります。 プレリンスが適切に完了した場合、洗浄を開始する前に汚れの 95% を除去する必要があります。 これは、余分な汚れが化学物質を結合させず、洗浄の効率が低下し、結合した化学物質を克服するためにより多くの化学物質が必要になることを防ぐためです。 最終的に、これにより CIP プロセスの水の量が大幅に削減され、システムがより迅速に生産に復帰できるようになります。

— ニール・ボガート、エコラボ食品・飲料担当

FDA は、プラントの生のセクションと調理/RTE セクションの両方を備えた施設には、別個の CIP システムを推奨しています。 これが不可能な場合、FDA は 71°C (160°F) 以上のアルカリ性洗浄液を推奨します。 確かに、新しい施設は 2 つの別個の CIP システムを使用して設計できますが、古い施設ではどうなるでしょうか? オプションは何ですか？

現在、生の CIP と最終製品の CIP を別々にすることがベスト プラクティスであると、CSIA 認定メンバーである Cyber​​trol Engineering の自動化ソリューション担当バイスプレジデントである Tim Barthel 氏は述べています。 「建物は、生の製品と低温殺菌された製品の交差が起こらないように物理的に分離して設計する必要があります。単一のシステムでも多くの状況が見つかり、潜在的なアレルゲンやその他の食品安全上の懸念により、より多くの製品の補充/再充電が必要になります。」化学薬品タンクです。」

「ほとんどの施設では、独立した CIP システムが合理的でしょうか? はい、それが私の推奨です」とエコラボのボガート氏は言います。 「ただし、既存のシステムに追加することを検討している場合、そのユーティリティ機能を理解することが重要です。ボイラーには十分な容量があるか? これが通常、主な懸念事項です。」

「とはいえ、別個のシステムを使用すれば、システムをそれほど熱く保つ必要はありません」と Bogart 氏は付け加えます。 「CIPスキッドタンクはより小さくなり、水の使用量と化学薬品の使用量が削減される可能性があります。ほとんどの場合、全体的なユーティリティへの影響はプラスとなり、分離をサポートします。これらは、プロセス内の食品安全へのプラスの影響に加えて行われます。」

「ほとんどの RTE システムと生の食品システムは別個であるため、別個の CIP システムを持つことは理にかなっています。CIP が元の機器に統合されている場合は、実際にそのようになるでしょう」と HRS のヘイル氏は言います。 「システムの複製とリソースの無駄を最小限に抑えるために、相互に相互汚染することがなく、同じ洗浄液源などを引き続き使用する、運用上別個の CIP システムを設計することが可能であるべきです。洗浄液を再利用する場合は、明らかに、このアプローチは実現不可能であるため、FDA はアドバイスしています。」

「はい、特に RAW と RTE 用にシステムを分離しておくことは、一つの方法です」と Novolyze の Pearson 氏は言います。 「生の水に関しては、水の再利用は難しい状況です。水の再利用はさまざまな方法で行うことができます。リサイクルされた水を工場のさまざまなエリアの洗浄に使用したり、リサイクルされた水にさらに多くの化学物質を加えて水を回収したりすることができます」必要な濃度まで濃縮して洗浄に使用します。水をリサイクルすることで、化学薬品の量と水の使用量の両方を削減できます。」

「物理的に分離されている点と、CIP が必要なとき (必要でないとき) に実行できるという点で、個別の CIP システムが最も合理的です」と Sani-Matic の Barrie 氏は言います。 「CIP が洗浄対象のプロセスから非常に離れている場合、より多くの供給配管と戻り配管を設置する必要があるだけでなく、圧力降下などが大きくなり、CIP システム (供給ポンプなど) を稼働するには大きすぎる必要がある場合があります。必要な流量と圧力。個別の CIP では、回路が再利用用の苛性アルカリ/化学薬品タンクを共有していないため、若干多くの水と化学薬品が必要になります。小規模なプラントでは、設備投資、スペース、および/などの理由から、これらの CIP 機能を組み合わせることができます。または、それほど多くの CIP サイクルが実行されていないためです。」

エリクセン氏によれば、この疑問は乳製品工場ではよくあることだという。 「はい、生乳と低温殺菌装置を別々の CIP システムで処理するのは理にかなっています。水の再利用に関する質問に関しては、生乳と低温殺菌乳の両方を洗浄する単一システムでのフラッシングやすすぎに使用される水を再利用するつもりはありません。つまり、 2 つの別個の CIP システムを使用すると、この点で水を節約できます。」

最後に、Gray Solutions プロセスの主任コンサルタントである Chris Graham 氏は、2 つの別個のシステムについて肯定的な意見を述べています。「別個の CIP システムの追加コストは、運用効率と柔軟性の向上によって簡単に相殺されます。」 水の再利用はシステムごとに局所的に行われます。 各 CIP システムには独自のタンクのセットがあります。 彼はクリーナー、消毒剤、リンスを追加します。