شست‌وشوی در محل (CIP) یکی از فرایندهای کلیدی برای حفظ بهداشت و کیفیت در صنایع لبنی است. اجرای صحیح این فرایند، مانع از آلودگی میکروبی، کاهش کیفیت محصول و آسیب به تجهیزات می‌شود. با این حال، هزینه‌های نهان مربوط به مصرف منابع و پیامدهای زیست‌محیطی CIP، توجه فزاینده‌ای را به خود جلب کرده‌اند. در این بخش، به سه محور اصلی درک بهتر CIP می‌پردازیم: اصول کلی، مصرف منابع، و ملاحظات زیست‌محیطی.
معرفی و ملاحظات کلی در شستشوی CIP
رسوبات و گرفتگی در تجهیزات فرآوری لبنیات، به‌ویژه در سطح داخلی دستگاه‌ها و لوله‌ها، یکی از چالش‌های اصلی این صنعت است که بسته به نوع فرآیند (دمای عملیات، pH، زمان و…) متفاوت است. به عنوان مثال، رسوبات روی سطوح مبدل‌های حرارتی به دو نوع تقسیم می‌شوند که هرکدام ترکیب متفاوتی از چربی، پروتئین و مواد معدنی دارند. این گرفتگی‌ها مشکلات متعددی مانند کاهش ایمنی غذا، کاهش کارایی تجهیزات، افت کیفیت محصول، افزایش مصرف انرژی، افت فشار، اتلاف محصول و افزایش بار محیطی فاضلاب ایجاد می‌کنند. همچنین، تجمع بیوفیلم‌ها می‌تواند باعث افزایش بار میکروبی و کاهش ماندگاری محصولات شود که اهمیت فرایندهای بهداشتی و پاکسازی را دوچندان می‌کند.
روش رایج و مؤثر برای بهداشتی‌سازی صنعتی، شستشوی CIP است که در آن مایعات پاک‌کننده به صورت چرخشی در ماشین‌آلات و لوله‌ها جریان یافته و بدون نیاز به باز کردن تجهیزات، فرآیند شستشو را انجام می‌دهد. CIP معمولاً شامل پنج مرحله با استفاده از مواد قلیایی، اسیدی و در صورت نیاز ضدعفونی‌کننده است. این سیستم در صنایع لبنی و صنایع غذایی دیگر بسیار گسترده است، اما مصرف آب بسیار بالایی دارد (مثلاً تولید ۱ کیلوگرم پنیر حدود ۵۰۰۰ لیتر آب مصرف می‌کند) که عمده آن مربوط به فرایند CIP است.
مواد شیمیایی مختلفی در CIP استفاده می‌شوند که مواد کلرینه (مانند سدیم هیپوکلریت) تحت بررسی و انتقاد زیادی هستند. کلر فعال، ضد میکروب قوی‌ای است ولی در تماس با ترکیبات مختلف لبنیات مانند لاکتوگلوبولین، لاکتالبومین، کازئین و چربی‌ها سریع غیر فعال می‌شود و مصرف بیشتری لازم است. همچنین، استفاده از کلر می‌تواند منجر به تولید ترکیبات مضر کلرات شود که برای سلامت انسان، به ویژه نوزادان، خطرناک است. به همین دلیل، تمایل به کاهش استفاده از مواد ضدعفونی‌کننده کلرینه وجود دارد.
جایگزین‌های سالم‌تر مانند پراستیک اسید و هیدروژن پراکسید توجه تولیدکنندگان لبنیات را به خود جلب کرده‌اند. این مواد ضدمیکروب‌های مؤثر، زیست‌تخریب‌پذیر و سازگار با محیط زیست هستند و محصولات جانبی آن‌ها، شامل آب، اکسیژن و اسید استیک است. اما تولید اسید استیک ممکن است باعث افزایش بار آلودگی زیستی فاضلاب شود و در غلظت‌های بالا برای انسان و محیط زیست سمی است. برای انتخاب روش مناسب CIP، باید عوامل متعددی از جمله نوع و مقدار مواد شیمیایی، مصرف آب، روش‌های دفع و هزینه‌ها بررسی شوند. مواد شیمیایی فعلی معمولاً زیست‌تخریب‌پذیر نیستند و باید قبل از دفع خنثی شوند. علاوه بر این، استفاده از دوزهای ناکافی ضدعفونی‌کننده می‌تواند باعث ایجاد مقاومت آنتی‌بیوتیکی در باکتری‌ها شود که مسئله‌ای مهم برای ایمنی مواد غذایی است. در مقیاس صنعتی، مصرف انرژی، آب و مواد شیمیایی، بزرگ‌ترین تأثیرات زیست‌محیطی را در فرآوری لبنیات دارند. بررسی چرخه عمر تولید پنیر موزارلا ارگانیک نشان می‌دهد که استفاده از مواد پاک‌کننده سهم قابل توجهی در بار محیطی دارد، به‌خصوص استفاده از مواد قلیایی.
اثرات مصرف آب و انرژی در فرآیند CIP در صنعت لبنی
در فرآیند شست‌وشوی در محل (CIP) در صنایع لبنی، بیشترین مصرف انرژی مربوط به استفاده از حجم زیاد آب و دمای بالای آن است. ممکن است تصور شود که کاهش دما می‌تواند راهی برای صرفه‌جویی باشد، اما مطالعات نشان داده‌اند که کاهش دمای محلول شست‌وشو از C°80-65 به C°50، حتی با استفاده از 1٪ سود سوزآور، می‌تواند باعث شکست عملیات CIP در حدود 4.2٪ موارد شود؛ یعنی حدود 15 بار در سال.
- مصرف انرژی در طی CIP
تحلیل مصرف انرژی در صنایع لبنی چند کشور اروپایی نشان داده که شست‌وشوی در محل (CIP)، به‌ویژه در بخش تبخیرکننده‌ها و خشک‌کن‌ها، سهم قابل توجهی از هزینه‌های عملیاتی را به خود اختصاص می‌دهد (10 تا 26٪ از کل انرژی مصرفی). در یک کارخانه تولید پنیر، پودر و آب‌پنیر در استرالیا، CIP سومین مصرف‌کننده بزرگ انرژی بعد از خشک‌کن پاششی و تبخیرکننده‌هاست (9٪ از کل انرژی). در صنایع لبنی بریتانیا، حدود 80٪ انرژی برای تولید آب گرم و بخار مصرف می‌شود که در فرآیندهایی مثل پاستوریزاسیون، تبخیر، خشک‌کردن و CIP استفاده می‌شود.
سوخت اصلی برای تولید گرما، گاز طبیعی است، درحالی‌که برق بیشتر برای پمپاژ، ذخیره‌سازی، جداسازی و شست‌وشو مصرف می‌شود. همچنین، برق مصرفی CIP تقریباً برابر با پاستوریزاسیون است. در ارزیابی چرخه عمر صنعت پنیر در ویسکانسین آمریکا نیز، پاستوریزاسیون و CIP پرمصرف‌ترین مراحل از نظر انرژی شناخته شدند، که به افزایش اثرات زیست‌محیطی، از جمله گرمایش جهانی، منجر می‌شود.
کاهش مصرف انرژی در CIP نه‌تنها باعث صرفه‌جویی در هزینه‌ها می‌شود، بلکه نقش مهمی در بهبود بهره‌وری انرژی کل کارخانه و کاهش آسیب به تجهیزات (به دلیل دمای بالا و خوردگی) ایفا می‌کند.
- مصرف آب در طی CIP
یکی از عوامل مهم تأثیرگذار بر محیط زیست در فرآوری لبنیات، مصرف بالای آب است. صنایع غذایی از نظر مصرف آب و تولید پساب در رتبه سوم پس از صنایع شیمیایی و پالایشگاهی قرار دارند. در صنعت لبنیات، بیشترین مصرف آب مربوط به فرآیندهای CIP است، نه استفاده به‌عنوان ماده اولیه.
در سطح جهانی، به‌ازای هر لیتر شیر فرآوری‌شده بین 0.2 تا 11 لیتر آب مصرف می‌شود که حدود 28٪ آن صرف عملیات CIP می‌شود. بیشترین میزان مصرف آب در صنعت لبنیات مربوط به شست‌وشوی تبخیرکننده‌ها و خشک‌کن‌ها و پس از آن شست‌وشوی سیلوها و خطوط تغذیه است (310-225 و 388-105 لیتر در هر تن شیر). طبق آمار Dairy Australia، بیشترین سهم مصرف آب مربوط به CIP (٪28) و پس از آن پاستوریزاسیون (25٪) است. نکته مهم این است که آب مصرف‌شده برای تولید بخار در پاستوریزاسیون در برخی موارد قابلیت استفاده مجدد دارد، اما آب استفاده‌شده در CIP معمولاً دور ریخته می‌شود. بنابراین CIP یکی از منابع اصلی مصرف آب در فرآیند تولید لبنیات است.
آب در صنایع لبنی نقش‌های متعددی دارد: انتقال حرارت، شست‌وشو، و حمل مواد مغذی مانند چربی، پروتئین و قند. با توجه به تقاضای بالا، مدیریت پساب‌ها از منظر هزینه بسیار اهمیت دارد. البته تمام آب مصرفی از منابع خارجی تأمین نمی‌شود؛ بخشی از آن از طریق آب موجود در شیر یا کندانس‌های ناشی از تبخیر تأمین و بازیافت می‌شود. برای کاهش فشار بر تصفیه‌خانه، باید مصرف آب در CIP کاهش یابد، محلول‌های شست‌وشو بازیابی شوند، و تلفات کندانس‌ها به حداقل برسد.
- راهکارهای کاهش مصرف آب و انرژی در فرآیند CIP
در سال‌های اخیر، تمرکز صنعت لبنیات به‌سمت کاهش مصرف آب و انرژی در فرایند CIP معطوف شده است. این روند شامل استفاده از مواد شوینده جایگزین، کاهش هدفمند مصرف آب و انرژی در طول CIP، و بازیابی مواد شیمیایی با کمک فناوری غشایی است. همچنین امکان استفاده از آب بازیافتی از تبخیر شیر برای شست‌وشو وجود دارد. برخی کارخانه‌ها در نیوزیلند نشان داده‌اند که آب کندانس‌شده حاصل از تبخیر شیر می‌تواند به‌تنهایی نیاز آب مورد نیاز CIP را برطرف کند.
برای استفاده از این آب، نیاز به سیستم‌های فیلتراسیون غشایی است، که البته باید از نظر اقتصادی نیز مقرون‌به‌صرفه باشند. یکی دیگر از روش‌ها برای کاهش مصرف آب در CIP، استفاده از آب دیگ بخار یا آب حاصل از اسمز معکوس (RO) از پروتئین آب‌پنیر است. مطالعه‌ای نشان داده که ترکیب روش‌های RO و اولترافیلتراسیون می‌تواند تا 47٪ آب موجود در آب‌پنیر را بازیابی کند. این آب پس از بررسی‌های میکروبیولوژیک و شیمیایی، برای استفاده در CIP ایمن ارزیابی شده و حتی می‌تواند از تجهیزات در برابر آسیب‌های ناشی از آب سخت نیز محافظت کند.
کاهش مصرف آب و انرژی همچنین با استفاده از محلول‌های شوینده‌ای مثل آنزیم‌ها ممکن است؛ این مواد نیاز کمتری به آب برای عملکرد و شست‌وشوی نهایی دارند. استفاده از آنزیم‌ها در صنعت نساجی برای شست‌وشو، پتانسیل خوبی برای کاهش مصرف مواد شیمیایی، آب و انرژی در صنعت لبنیات نشان داده است. آنزیم‌ها در شرایط ملایم دما و pH فعالیت می‌کنند، بنابراین انرژی کمتری مصرف کرده، هزینه‌های مدیریت پساب را کاهش می‌دهند و به تجهیزات نیز آسیب نمی‌زنند چون خاصیت خورندگی ندارند.
ملاحظات زیست‌محیطی مربوط به شست‌وشوی CIP در کارخانه‌های لبنی
فرآیند رایج CIP در صنعت لبنیات معمولاً شامل پنج مرحله با استفاده از شوینده‌های قلیایی و اسیدی است. این مواد شیمیایی نه‌تنها هزینه‌بر هستند، بلکه خنثی‌سازی آن پیش از ورود به سیستم فاضلاب نیز هزینه و آثار زیست‌محیطی به‌همراه دارد.
- بار نمک (Salt Load)
در مرحله قلیایی CIP، محلول ۰٫۵ تا ۱٫۵٪ سود سوزآور (NaOH) یا شوینده‌های قلیایی مشابه در دمای C70-80° و با سرعت جریان بالا در سیستم گردش داده می‌شود. بار نمکی فاضلاب ناشی از فرآیندهای CIP در آلمان حدود ۲ تا ۶ هزارتن در سال برآورد شده است. این مقدار نمک که به‌دلیل خنثی‌سازی سود در پساب باقی می‌ماند، تجزیه‌پذیر نیست و مشکلات جدی زیست‌محیطی مانند شور شدن خاک و آلودگی منابع آب زیرزمینی ایجاد می‌کند.
- بار مواد مغذی و خطر یوتریفیکاسیون (پرغذایی آب‌ها)
مواد شیمیایی استفاده‌شده در CIP مانند اسید نیتریک، اسید فسفریک، نیتروژن و فسفر (از شوینده‌ها و سورفکتانت‌ها) باعث افزایش BOD فاضلاب کارخانه‌های لبنی می‌شوند. این مسئله می‌تواند منجر به پدیده یوتریفیکاسیون (افزایش بیش‌ازحد مواد مغذی در آب)، رشد بی‌رویه جلبک‌ها و آسیب به حیات آبزیان شود. در ارزیابی‌های زیست‌محیطی، مشخص شده که مواد مورد استفاده در CIP حدود ۸۰٪ از پتانسیل یوتریفیکاسیون فاضلاب صنایع لبنی را تشکیل می‌دهند. کاهش یا جایگزینی این مواد در CIP یکی از راهکارهای مؤثر برای کنترل این پیامد است.
- پیامدهای بهداشتی مواد شیمیایی مورد استفاده در CIP
سدیم هیپوکلریت (NaClO) که یکی از مواد ضدعفونی‌کننده رایج در CIP با خاصیت میکروب‌کشی بالا است، در تماس با ترکیبات آلی موجود در شیر (مانند استوئین و دی‌استیل)، می‌تواند ترکیبات کلردار آلی (Organic Chlorine) تولید کند که برخی از آن‌ها مثل تری‌کلرومتان (TCM) یا کلروفرم، آلاینده‌های سرطان‌زا (گروه 2B) هستند. درصورت عدم حذف کامل این ترکیبات پس از شست‌وشو، به‌مرور در خطوط تولید انباشته شده و به محصولات پرچربی مانند پنیر و کره منتقل می‌شوند، که باعث تهدید ایمنی و ایجاد طعم نامطلوب می‌شود. بنابراین باید استفاده از مواد کلردار در فرآیندهای لبنی کنترل شده و نظارت دقیقی بر وجود این آلاینده‌ها در محصولات لبنی انجام شود.
جمع‌بندی
شست‌وشوی CIP، اگرچه گامی ضروری در تولید لبنیات ایمن و باکیفیت است، اما با چالش‌هایی مانند مصرف بالای انرژی و آب، خطر تشکیل ترکیبات مضر، و بار سنگین زیست‌محیطی همراه است. در بخش دوم این مقاله، به راهکارهای نوین مانند شست‌وشوی آنزیمی، و کاربردهای آن در مقابله با بیوفیلم‌ها و پنیرسازی خواهیم پرداخت.
منبع:
Pant, Karan J et al. “Towards sustainable Cleaning-in-Place (CIP) in dairy processing: Exploring enzyme-based approaches to cleaning in the Cheese industry.” Comprehensive reviews in food science and food safety vol. 22,5 (2023): 3602-3619. doi:10.1111/1541-4337.13206
