陈梦啸——食品工程原理设计(2009第二季)

食品工程原理课程设计年产10000吨乳制品工厂设计说明书指导老师: 杨大伟班级: 07级食品科学与工程01班学生姓名: 陈梦啸日期: 2009－12－07目录1、设计任务书 (3)2、前言 (4)3、主要工艺设计及论证..............................5-64、工艺流程及流程说明..............................7-95、物料衡算 (10)6、主要设备选型.....................................11-127、能量衡算 (13)8、结束语 (14)9、参考文献 (15)任务设计书年产10000吨乳制品工厂设计1设计条件1 操作方式:连续生产。

2 生产能力为10000吨/年，3 包装形式：塑料瓶包装、利乐包和小房型包装2设计计算项目1 物料衡算：画出物料流线图2 能量衡算：包括耗电量用水量等有关计算。

3 设计成果（1）设计说明书一份。

（2）设计图纸一份。

4 设计时间：第 14 周第一章前言民以食为天，食以乳为先。

乳中各种营养素齐全且配合合理，并含多种生物活性物质，是人体成长不可缺的高营养食物。

发展乳品事业，是关乎国计民生的大事，但是与世界先进国家比较，我国奶类产量仅为美国的11%、法国的28.5%，我国人均占有奶类产品7.2公斤，人均占有量仅为世界平均水平的1/10，发达国家的1/37，世界液态乳的人均消费量为105公斤/年，中国液态乳人均消费量仅为7公斤/ 年，仅为亚洲年人均乳品占有率的1/6，不及世界人均乳品占有率的1/16。

从此可以看出中国乳品存在巨大的增长空间。

目前随着人民生活水平的提高，随着大众对营养食品需求日益增长，市场竞争也日趋激烈。

尤其是随着新技术的应用，成功地解决了乳制品的营养和保鲜问题，加之新包装材料及技术的应用和灵活多样的促销方式，使消费者愿意接受具有丰富营养，口感良好并且价格合理的乳制品品牌。

乳制品市场的竞争也开始日趋激烈。

为了在未来的乳品市场中取得一席之地，我们从灭菌乳、搅拌型酸乳、乳酸菌饮料、乳粉等众多乳制品中最终选取UHT灭菌乳为主要产品因其具有工艺成熟、易于贮藏运输、营养损失少等优势。

工艺方面采用超高温瞬间灭菌技术(UHT)解决了液态奶运输、储存、保鲜难的问题，目前发达国家已普遍采用这一技术进行鲜奶加工：将牛奶加热至超过135ºC，仅保持几秒便迅速降至常温，然后在无菌条件下密封，采用六层纸铝塑复合材料进行无菌灌装。

在营养方面，牛奶中的微生物在瞬间高温下全部被杀死的同时，而大多数营养物质在短暂的高温下损失甚微，最大限度地保持了牛奶的营养成分。

在运输销售方面，经过UHT灭菌处理，并采用无菌包装的鲜奶进行无菌灌装，使其在储存及运输中均不需要冷藏。

同时，一个不需冷藏的产品给生产商、零售商和消费者带来了许多便利。

比如对生产商而言，由于不再需要冷藏，库存安排可以简化；运输分送用车的数量、成本就可相应降低；同时，由于长期维持其保鲜功能，减少了对零售未售出产品的回收；最重要的是，这种产品可以从地域上极大地扩大市场。

综上所述，设计一个UHT灭菌乳厂具有很强的实际意义。

第二章主要工艺设计及论证2.1牛乳中的化学成分性质分析2.2牛乳的物理性质牛乳的物理性质是鉴定牛乳品质的重要指标，也是合理安排乳制品加工工艺流程的重要依据。

1)乳的色泽正常的新鲜牛乳呈不透明的乳白色或淡黄色。

乳的白色是由于乳中的酪蛋白酸钙-磷酸钙胶粒及脂肪球等微粒对光的不规则反射所产生。

牛乳中得脂溶性胡萝卜素和叶黄素使乳略带淡黄色，而水溶性的核黄素使乳清呈荧光性黄绿色。

2)滋味与气味乳中含有挥发性脂肪酸及其他挥发性物质，这些物质是牛乳气味的主要构成成分。

这种香味随温度的升高而加强，乳经加热后香味强烈，冷却后减弱。

牛乳除固有的香味以外，还很容易吸收外界的各种气味，所以每一个处理过程都必须保持周围环境清洁，以避免个因素的影响。

3)酸度新鲜乳的酸度为0.15%--0.18% （16-18°T）4)比重和密度乳的比重指在15摄氏度时的质量与同温度下同体积水的质量之比，正常牛乳比重为1.030—1.032；乳的密度是指乳在20摄氏度时的质量与同体积4摄氏度的水的质量之比，正常牛乳的密度为1.028—1.030。

乳的比重和密度可反映出脂肪含量，无脂干物质含量，乳挤出的时间及是否掺假。

5)热学性质在乳中掺水可使乳的冰点升高，可根据冰点测定结果推算掺水量X=(T-T1)/T*100%。

式中X为掺水量，T为正常乳冰点，T1为4—3.98k被检乳冰点；乳和乳品的比热，在乳品生产过程中常用于加热量和制冷量计算，牛乳为3.94—3.98kJ/(kg*K)。

6)黏度与表面张力牛乳的黏度随温度升高而降低。

在乳的成分中，脂肪及蛋白质对黏度的影响最显著，随着含脂率和乳固体的含量增高，黏度也增高。

在加工中，黏度受脱脂，杀菌，均质等操作的影响。

[2]2.3 UHT灭菌乳的加工工艺介绍UHT超高温灭菌乳是在本世纪60年代出现的一种产品，首先是由英国的巴顿等研究者提出。

其原理是根据牛奶在加热中细菌的灭菌效果（SE），也就是杀孢子效率随着温度的上升，大大快于牛乳中的化学变化（褐变、维生素破坏、蛋白质变性等）。

例如在温度有效范围内，热处理温度每升高10℃，牛乳中所含细菌孢子的破坏速度性提高11-30倍（枯草杆菌孢子致死Q10=30，嗜热脂肪芽孢子致死Q10=11，而牛乳中化学变化褐变速度仅提高2.5-3倍，Q10=2.5-3。

这意味着温度越高，其灭菌效果越大，而引起的化学变化很小。

根据巴顿通过实验结果所绘制的灭菌效果（SE）与褐变效果速率之比，对温度之曲线来看，当温度上升不到135℃时两者之比未发生急剧变化；135℃以上，灭菌效果比褐变的增长要快得多；当温度升高至140℃，3.6秒加热时，灭菌效果（SE）与褐变速率之比增大到2000比1，150℃，0.36秒加热则两者之比增大到5000比1，从难从150℃再升高，由线与直线上升，说明再提高温度已无多大意义；又温度超过150℃以上，则相应加热时间必须随之更加缩短，这在工艺操作上准确控制这样知的加热时间是很困难的，因为流速稍微有一点波动就会产生相当的影响。

所以目前在超高温瞬时灭菌工艺上是以150℃，0.36秒作为最高极限，一般都采用137～145℃，4-15秒。

第三章工艺流程及流程说明3.1 工艺流程图原料乳验收和预处理→脱气→冷却→储奶→加热→净化分离（脱脂乳、稀奶油）→平衡槽→均质→UHT灭菌→无菌灌装→冷藏3.2 流程说明1)原料乳的验收和处理杀菌乳的质量决定于原料乳，因此必须加强对原料乳的质量控制2)牛乳的脱气牛乳中含有5.5%--7.7%非结合分散性气体，经贮存运输后期含量还会增加。

这些气体对乳的加工有破坏作用。

主要是影响乳汁量的准确性；增加杀菌设备中的结垢，影响乳的分离效率，不利于标准化；促使脂肪球聚合，影响奶油的产量；促使发酵乳中的乳清析出等。

本厂使用真空脱气罐除去细小分散的气泡和溶解氧。

方法为：将牛乳预热至68摄氏度，泵入真空罐，部分牛乳和空气蒸发，空气及一些非冷凝异味气体由真空泵抽吸除去。

3)净化分离分离出脱脂乳和稀奶油4)均质牛乳中脂肪球的大小一般在1—10微米之间，放置一段时间后易出现凝结成块、脂肪上浮的现象。

经均质后可使脂肪球直径变小，分布均匀，口感好，有良好的风味，不产生脂肪上浮现象。

均质效果与温度有关。

本设计进行高温短时间杀菌或超高温瞬间杀菌，均质在预热工序后杀菌前进行。

本工厂使用的均质机为两段式，预热的牛乳经第一段压力调节阀时压力为176—204千克/平方厘米，而第二段压力保持在35千克/平方厘米。

均质前牛乳必须先行预热60摄氏度左右。

5)杀菌杀菌有两个目的，一个目的是杀死引起人类疾病的所有生物，使之完全没有致病菌。

第二个目的就是尽可能地破坏除致病微生物外能影响产品味道和保存期的其他成分如酶类，以保证产品的质量。

本厂用磷酸酶试验来检查牛乳的杀菌是否适当，试验结果必须是阴性的，即必须没有发现有活性的磷酸酶。

脂肪含量的8%的乳制品，稀奶油发酵乳等产品用过氧化氢酶试验来代替。

本设计采用的超高温瞬间杀菌法（UHT）是用加压蒸汽将牛乳加热到120—140℃保持3—4秒，然后将牛乳迅速冷却的一种杀菌方法，该方法杀菌效率极高，可以达到灭菌的效果，一般在冷藏下可保持20天。

同时与无菌包装结合起来可以生产灭菌乳，保持商业无菌状态，无需冷藏，常温下可长期保持（3—6个月）或更长。

本厂采用间接加热式超高温瞬时杀菌设备，管式热交换器型。

工艺流程：牛乳首先经预热，片式加热器经热回收段预热达到66℃，经预热的奶在15—25MPa 的压力下均质，接着通板式热交换器的加热部分使其达到135℃，经保温管、UHT 加热段而后同新进入的牛乳进行热交换（热回收部分），冷却。

6)冷却本厂的产品乳是连续性杀菌设备处理的乳直接通过热回收部分和冷却部分冷却到4℃，以抑制乳中残留细菌的繁殖，增加产品的保存期。

同时也可以防止因温度高而使黏度降低导致脂肪球膨胀、聚合上浮。

7)灌装灌装的目的主要是便于分送销售、便于消费者饮用。

此外还能防止污染，保持杀菌乳的良好滋味和气味，防止吸收外界异味，减少维生素等成分的损失。

无菌灌装线在市场上流通的保质期较长的乳主要是用塑料瓶包装、利乐包和小房型包装。

本设计所采用的利乐包和小房型包装是再无菌条件下灌装，不必采用二次灭菌，这种方式正在成为市场的主流。

利乐包是利用专用纸为包装材料，过氧化氢为杀菌剂。

灌装时，纸先通过一个过氧化氢层，使纸壁上涂上一层过氧化氢膜，然后卷成纸筒，热合，在用红外线辐射，将过氧化氢分解，并蒸发掉，然后在该灭菌的纸筒内充填以杀好菌的乳，并热合、封口[12]。

小房型包装不同于利乐包，它是将一个个已制好的但没有封底的纸筒放在灌装机上，通过气吹将纸筒打开，热合封底，然后进入无菌小室。

在此向纸盒内喷入过氧化氢进行杀菌、加热，是过氧化氢蒸发掉。

随后注入杀菌奶，热封口，同时送出无菌小室。

8)冷藏消毒乳包装后立即送入冷库中贮存（库内温度要求在2—10℃），采用风冷，堆放时应有一定间隔。

[5]3.3 消毒乳（UHT灭菌乳）的质量标准生产UHT灭菌乳必须符合国家标准[5]（1）感官标准表1 UHT灭菌乳的感官指标项目特性滋味和气味具有消毒牛乳固有的纯香味，无其他任何外来滋味和气味组织状态呈均匀的流体，无沉淀、凝块、有机杂质、粘性和浓厚现象色泽呈乳白色或稍带为黄色（2）理化指标表2 UHT灭菌乳的理化指标项目指标比重（20c） 1.028—1.030脂肪（%）不低于 3.0总乳固体（%）不低于11.2杂质度（ppm）不高于 2酸度（度）18第四章物料衡算4.1物料计算（以班产量为基准）表3 产品生产方案每班耗用原料量（kg/班）=单位产品耗用原料量（kg/t）×班产量（t/班）UHT灭菌牛乳每班耗用原料量（kg/班）=1000/0.955×（21.05）=22041（kg/班）按每袋0.25kg计，每千克产品耗用包装袋=1/0.25=4（袋/kg）每班耗用包装材料量（袋/班）=单位产品耗用包装容器量（袋/t）×班产量（t/班）×（1+0.1%损耗）=4000×21.05×1.1=92620（袋/班）表4 原料需求根据设计的班产量21.05t，物料流量=21.05/8=2.631（t/h）确定管径D，根据公式Q=π/4×D2×υ式中 D—管道设计断面处的计算内径，mQ—通过管道设计断面的水流量，m3/sυ—管道设计断面处的奶流平均速度，1m/sπ—圆周率，3.14ρ—奶的密度，1.032kg/L管径D=√¯¯（4Q/π×υ）=√¯¯(4×2.631/1.032/3600/1/3.14)=0.03m≈30mm 根据设计流量，选用管径为30mm的物料管第五章主要设备选型5.1设备选型原则1)满足工艺要求，保证产品的质量和产量2)一般大型食品工厂应选用较先进的、机械化程度高的大型设备，中型厂则看具体条件，一些主要产品选用机械化、连续化程度高的设备，小型厂则选用较简单的设备3)所选设备能充分利用原料、能耗少、功率高、体积小、维修方便、劳动强度低，并能一机多用4)所选设备应符合食品卫生要求，易清洗装拆，与食品接触的材料要不易腐蚀，不致对食品造成污染5)设备结构合理，材料性能可适应各种工作条件（如温度、湿度、压力、酸碱度等）6)在温度、压力、真空、浓度、时间、速度、流量、液位、计数和程序等方面有合理的控制系统，并尽量采用自动控制方式5.2设备选型表5 设备选型方案设备型号规格效能（台数）价格(万元) 离心式奶泵BAW150(N302) 5000kg/h（2台）1*2高压泵3WR 1.5平方米/小时（2台）2*2真空脱气罐JBX-G-3 3000L/h（4台）3*4冷热缸AB-6 600L（8台）1*8立式储奶罐LCH-80 80T 10*1普通均质机SDK-6 500L（2台）10*2板式冷却器BP2-J-3-6(SY-P-5)3T/h（6台）10*6净乳机及脱脂分离机净乳能力0.2ppm脱脂效率0.03%（2台）10*2超高温板式灭菌器无菌均质机BR-UHT-30BLB-JL-NC-303T/h（2台）1T/h（2台）15*220*2利乐包包装机BLB-JL-30 500Ml （1台）50第六章能量衡算表6 UHT灭菌乳平均每吨成品耗水、耗汽量表产品名称耗水量（T/T产品）耗电量（度/T）耗汽量（T/T产品）UHT灭菌乳8--10 60--65 0.28—0.46.1设备用水量估算主要用水部分：杀菌后产品的冷却、包装容器的洗涤消毒、车间的清洁卫生和产品再生产过程中本身所需之水等。