年产10万吨风味酸奶生产车间设计

年产10万吨风味酸奶生产车间设计

摘  要

  本设计在参阅大量资料以及书籍，提出了设计年产10万吨的风味酸奶工厂。本次设计对风味酸奶的生产工艺进行选择，提出较优的工艺流程和确定生产工艺中重要参数，选取恰当的生产设备，对物料，能量进行了衡算，对发酵罐主要结构尺寸、搅拌装置及冷却装置进行计算，根据工艺要求选取相应发酵罐类型，进行发酵罐种子罐数量计算，发酵罐几何结构尺寸计算，完成了发酵罐搅拌装置及冷却装置的选型和计算，并根据计算尺寸绘制出发酵罐和冷却装置示意图，绘制了车间布置平面图。本次设计以高效经济为指导思想，在该思想上以科学先进为基础进行设计，充分发挥现代工业的优势，达到节约消耗和提高经济效益的效果。在设计中根据当地发展情况来确定厂房的选址和布置。

关键词：风味酸奶，设备计算，车间设计。

Design of a production workshop with an annual output of 100,000 tons of flavored yogurt

Abstract

This design refers to a large number of materials and books, and proposes to design a flavored yogurt factory with an annual output of 100,000 tons. This design selects the production process of flavored yogurt, proposes a better process flow and determines the important parameters in the production process, selects the appropriate production equipment, balances the materials and energy, and measures the main structure size and stirring device of the fermentation tank And the cooling device, select the corresponding fermentor type according to the process requirements, calculate the number of fermenter seed tanks, and calculate the geometry of the fermenter. A schematic diagram of the fermentation tank and cooling device is drawn, and a floor plan of the workshop layout is drawn. This design takes high efficiency and economy as the guiding ideology, and the design is based on scientific advancement, giving full play to the advantages of modern industry, and achieving the effect of saving consumption and improving economic benefits. Determine the location and layout of the plant according to the local development in the design.

Keywords: flavored yogurt，workshop design，device calculate.

1.绪论

1.1酸奶定义与介绍

古往今来，牛奶一直都被人们所饮用着，牛奶的组成与人体的母乳组成成分很相似，拥有比较均衡的营养，在人们的膳食结构中拥有不可替代的作用。而由鲜牛奶发酵而来的酸奶则拥有更好的口感和更高的营养价值。世界卫生组织(WHO)制定了国际上酸奶的定义：在保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的作用下，使得乳制品或者乳品发酵产生乳酸而得到的乳制品，最终产物要含有大量活菌。[1]一般酸奶分为两种类型，一种是凝固型酸奶，另外一种是搅拌型酸奶。国际上把酸奶分为四类。第一类为定义所述，第二类为加糖酸奶，第三类为风味酸奶，指在经过乳酸菌发酵的乳制品中加入风味物质或者香味物质，最终产物也必须含有大量活菌。第四类为发酵后加热处理的乳产品。[2]

1.1.1凝固型酸奶

  凝固型酸奶是以生乳或者乳粉为原料，经过巴氏灭菌后，加入发酵剂经保温发酵而制成的酸乳，因为发酵后产品形态为凝乳，固称凝固型酸奶。特性是在零售包装内完成发酵。

1.1.2搅拌型酸奶

  搅拌型酸奶是指经过一系列处理后的牛乳加入发酵剂后，在发酵罐内完成发酵，在进行搅拌破碎为液体形态，最后灌装到包装内。这种酸奶经过搅拌后呈半流动态，也叫做液体酸奶。特点是在发酵罐内完成发酵，发酵后被破碎为液态。

1.2酸奶的营养价值

（1）一部分患有乳糖不耐受症的人在饮用牛奶后会产生腹胀，腹泻，消化不良等症状。酸奶中不含有乳糖，乳糖发酵后被分解，所以乳糖不耐受的人们可以通过饮用酸奶来享受牛奶。

（2）乳酸菌会产生人体必需的维生素B1,维生素B2,烟酸和叶酸等营养物质。牛奶中所含有的营养物质如钙和，铁，磷都存在于酸奶中，这些物质对老人与小孩预防佝偻病和骨质疏松都有很好的效果。

（3）酸奶中含有的有机酸可以刺激肠道，促进肠道的蠕动，所以可以改善便秘问题。

1.3酸奶市场介绍

在2018年世界各国的酸奶销量占液体乳销量的比例为47%，在日本占比则高达59%但是中国的占比只有28%。消费能力大大低于世界水平。随着人口消费能力的增长，近几年酸奶在液态奶中的市场占有额有人逐渐升高，在未来，这个趋势可能还会继续保持，未来市场非常广阔。

1.4设计计划

1.搅拌型酸奶的工艺设计

2.物料与能量衡算

3.设备选型以及尺寸计算

4.生产车间布置

1.5产品方案

设计依据

本设计根据北京理工大学珠海学院材料与环境学院下达的《设计任务书》而进行设计。

产品方案

年产10万吨风味酸奶，搅拌型酸奶。一年生产10个月，每个月生产25每年生产250天，一天分2班。每月产1万吨。每天产400吨，每班产200吨

1.6酸乳质量标准

根据《食品安全国家标准:发酵乳》标准号 GB-19302-2010

1.6.1 原料要求：

1.原料奶:应符合国标19301的规定

2.其他原材料:应符合相关安全标准和/或相关规定。

3.发酵菌:保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌或卫生行政部门批准使用的其他菌株。

1.6.2感官要求

感官要求应符合表1-1的规定。

表1-1感官要求

理化指标应该符合表1-2的规定

表1-2理化指标

微生物限度应符合表1-3的规定。[3]

表1-3微生物限量

应符合1-4的表

表1-4乳酸菌数

2.1工艺流程确定原则

1.要求符合国家食品安全标准和食品GMP的要求

2.首选先进、科学和熟练的生产工艺流程，确保生产效率和生产畅销的产品。

3.在保证产量的条件下，优化工艺和选择良好的生产设备可以提高生产效率。

4.在保证产量的条件下，尽量减少车间设备的使用数量，可以节省能源和物料。

2.2工艺原则和依据

工厂工艺设计的基本内容包括:根据设计任务，查阅相关资料和文件，收集必要的技术资料、工艺参数和数据，选择生产方法，确定产品生产方案和包装规格，工艺流程的设计和工艺条件的确定和论证;进行物料衡算和热量衡算;主要设备的选型和计算;绘制生产车间平面布置图及生产工艺流程图。

设计依据:任务书;相关设计资料。

2.3生产工艺流程

搅拌型酸奶：原料乳→检验→标准化→预热→均质→杀菌→冷却→发酵→冷却→无菌混料→速冷→成品冷储。

2.4工艺论证与说明

2.4.1原料乳的要求和检验

以下内容摘自《食品安全国家标准》GB 19301-2010

1.感官要求：应符合表2-1的要求

表2-1感官要求

表2-2理化指标

原料乳进行验收后要进行净化，去除生乳内的固体杂质和微生物数量。其中初级处理为过滤，一般使用滤网来进行初步过滤。二次过滤则使用双联过滤器，使用离心机能显著提升过滤效果。[4]

2.4.3标准化

生产酸奶的原料乳需要进行标准化，标准化指使原料乳内物质如总乳固体量、脂肪和蛋白质含量达到符合要求的比例，如有必要这一步需要加入全脂乳粉来调整原料乳中蛋白质含量。乳需要调整脂肪含量，则需要加入稀奶油。这一步一般还会加入白砂糖。

2.4.2预热：

预热是为了均质提供条件，由于加热可以使得乳清蛋白凝固，提高了原料乳的稳定性，防止均质时凝固。预热温度一般控制在60°C到65°C。本设计使用热交换板升温至60°C。

2.4.3均质

牛奶内的脂肪颗粒大小不一，不进行均质会影响产品口感，这里对牛奶进行机械处理，使得牛奶内的脂肪颗粒尺寸变得一致，而且经过均质后的脂肪颗粒直径减小，易于吸收消化。

均质的原理：牛乳在均质机器里高速通过均质头里的缝隙，此时缝隙会对牛乳产生巨大的剪应力，使得牛乳内的脂肪球尺寸变得均一。

发酵乳生产过程中，均质起到了以下作用：

1.使原料充分混合均匀。

2.在发酵过程中，不会产生脂肪上浮。

3.改善产品粘稠度。    

4.减少和防止乳清分离。

5.提升产品口感。

2.4.4杀菌

杀菌是乳产品加工过程中一个重要的流程，杀菌不仅可以消灭掉原料中大部分的微生物和致病菌，同时也可以使得乳清蛋白变性，改善产品的质构，乳清蛋白的变性会使蛋白质对水的亲和性产生良好效果。乳清蛋白变性率一般80%-85%或更高的酸奶产品是最好的一类处理方式。杀菌的方式有很多种，我们可以根据灭杀不同微生物种类来选择灭菌方式。可分为巴氏灭菌和商业灭菌。[5]

巴氏消毒是一种适用于大部分微生物的消毒方式，其工作温度一般在100°C以下，不同工作温度时间组合都可以达到灭菌的效果。巴氏消毒可以消灭所有致病菌、酵母、霉菌和绝大部分其他致病菌。但是不能做到完全灭菌的程度。所以经过巴氏消毒的酸奶都需要在低温下储存和运输。一般生产酸乳所采用的巴氏消毒法主要包括低温长时间杀菌、高温短时间灭菌和超巴氏灭菌法[6]。

1.低温长时间巴氏杀菌：工作温度62~65°C，工作时间30min。这个方法有着较长的使用历史，其特点是简单方便，灭菌效果高，可以完全杀死致病菌，但是不能杀死耐热性的细菌和孢子。而且灭菌设备庞大，灭菌时间长，费时费力，灭菌效率低下，不适宜大规模连续性生产。

2.高温短时间巴氏灭菌：工作温度80°C~85°C工作时间10~15s或者72°C~75°C杀菌16~40秒。还有85°C~90°C杀菌1~5秒，又称高温瞬时杀菌。该方法一般采用板式换热器，可以在短时间内处理大量牛乳，该方法目前使用也较为广泛。板式换热器集升温、热交换和冷却于一体，热能得到充分利用，大大提升了生产效率。该方法特点是用时极短，杀菌效果好，能连续处理大批量牛乳，设备占地少，对牛乳营养成分影响少，可配套CIP清洗配套设施使用。[7]

3.超巴氏灭菌：工作温度125~138°C，时间2~4秒。经过这类消毒的产品拥有较长的保质期，需要良好的冷藏环境。特点。

  本设计采用高温短时间灭菌。在90°C下灭菌5分钟。

2.4.5冷却

发酵的最佳温度为42°C到43°C，在进入到发酵过程之前，需要在板式冷却器中进行冷却。所以杀菌后的牛奶需要冷却到一个合适的温度，由于考虑到多种因素，一般这个温度控制在42°C到45°C之间。一般通过板式换热器来进行冷却。

2.4.6发酵

发酵是整个生产工艺中最重要的一环，在这个阶段乳酸菌将大量繁殖并把乳糖分解为乳酸，一般最佳发酵温度为42°C到43°C，发酵时间一般为2.5-4小时且发酵时不应该搅拌。发酵终点可以根据pH值、乳酸量以及观察发酵乳表面是否出现均匀凝块来进行判断。当pH值低于4.6时或者酸度达到70~90°T可以停止发酵。之后快速冷却到20°C防止发酵过度。[8]

2.4.7调配

由于凝固型酸奶和搅拌型算爱的调配工艺存在差异，则分别讲述。

凝固型酸奶

  由于凝固型酸奶在前处理完毕，经灌装发酵完毕后不再进行任何机械或物理处理，所以无需调配。

搅拌型酸奶

  当酸奶发酵完成后。搅拌发酵乳至光滑细腻，然后进行加入各类食品添加剂或辅料。

2.5工艺计算

2.5.1搅拌型酸奶配方：

全脂鲜奶87.5% 白砂糖7% 稳定剂0.5%  传代式发酵剂2%—5%。 燕麦片4%每日产搅拌型酸奶400吨 标准化加均质损失量为1% 杀菌损失量为2% ，发酵损失量1%，灌装阶段损失为1%。[9]

2.5.2 100kg原料乳物料衡算

  设100kg原料乳，收奶损耗率为1%，则进入标准化阶段乳量Q有

Q=100*（1-1%）=99kg

白砂糖加入量G计算：

G=99kg*7%=6.9kg

稳定剂加入量M计算：

M=99kg*0.5%=0.5kg

100kg原料乳标准化后有乳量Q0

Q0=G+M+Q=106.4kg

20°C时，标准化乳密度为1.032，而标准化时体积增加1.04倍，所以标准化后乳体积

V0=106.4÷1.0321.04=107.2L

杀菌后乳量

107.2(1-2%)=105L

发酵后乳量

105(1-1%)=104L

灌装后乳量

104（1-1%）=103L

2.5.3 生产100L酸奶物料衡算

1.生产100L酸奶需要原料乳

=97kg

2.白砂糖耗用

7.3kg

3.标准化乳量为

103.3L

4.杀菌乳量为

=102L

6.发酵乳量为

101L

2.5.4 日产400吨酸奶物料衡算

1.成品酸奶体积：

 L

2.生产100000t酸奶消耗原料乳量：

kg

3.白砂糖的用量

kg

4.标准化乳量

kg

5.杀菌乳量

kg

6.发酵乳量

2.5.5 全厂物料衡算表

设成品酸奶密度为1.035kg/L ，根据100kg原料乳消耗物料衡算和生产100L酸奶物料衡算可以计算全厂物料衡算。如表2-3所示

2.6.1每班热量衡算

  根据工艺，标准化的温度从4°C加热到60°C,4°C时原料乳比热容C1是3.856[kJ/(kg.K)]。升温耗热量Q1为

Q1=(60-4)3.856199613=4.31107(kJ)

  预热损失为耗热量的10%，则预热耗热量为

1.1Q1=4.74107(kJ)

杀菌过程从60°C升温到90°C，60°C时牛乳比热容C1为3.847[kJ/(kg.K)]则升温耗热量Q2为

Q2=(90-60)3.847199613=2.3107(kJ)

  杀菌时间为5分钟，原料乳每小时要蒸发掉3%的水份，量为：

M1=m3%5÷60=499kg

90度时水的气化热为2280.7kJ/kg，则蒸发消耗热量为Q3，

4992287.7=1.1106kJ

热损失为10%，则杀菌总耗热为

1.1（Q2+Q3）=2.65107kJ

2.6.2耗冷量计算

工艺耗冷量：工艺耗冷量包含了发酵罐内容物的升降温和发酵热的去除，还有对罐体的冷却。

1.原料乳冷却耗冷量：原料乳由35摄氏度降温到4摄氏度，冷却水由0摄氏度升温至25摄氏度。每班乳量为187439.6kg，比热容C乳为3.931kJ/(kg·K)，冷却过程需要一个小时，则原料乳冷却耗冷量

Q1=(T1-T2)CG/τ=(35-4)3.931187439.6/1=2.3107 kJ/h

1.冷却杀菌乳耗冷量：杀菌乳由90°C降温至42°C，冷却水由0°C升温至25°C。每班杀菌乳量为197101.41.032=2105kg，比热容为3.874kJ/(kg·K)，冷却杀菌乳耗冷量

Q2=(T3-T4)CG/τ=(90-42)3.874210/1=3.7107kJ/h

2.发酵耗冷量

  设发酵过程中固形物为乳糖和白砂糖等，他们的发酵放热量为1.8104kJ/(m3·h)。设发酵度为60%，则1L发酵乳发酵一小时产生热量Q0为：

Q0=1800060%÷1000=10.8kJ/(L.h)

每班发酵197101.4L，总发酵热Q总为：

Q总=10.8197101.4=2.1106kJ

发酵时间设为3h，考虑到各种因素，取系数1.5，则发酵耗热量Q3为

Q3=Q总1.5/3=1.05106kJ

3.冷却发酵乳耗冷量

  发酵乳由42°C冷却至20°C，冷却水由0°C升温至20°C，每班发酵乳量为195130.4L，发酵乳比热容为3.957kJ/(kg.K)，要求在30分钟内完成冷却。

Q4=(42-20)3.9572105/1=1.4107kJ

3发酵罐的设计与计算

3.1发酵罐的选型：

在我国，发酵行业大部分都是使用机械涡轮搅拌发酵罐，一般叫做通用罐。这种罐已经有了前人发酵的无数经验以及材料工业的发展，有很高的通用性，成功率也比较高。[10]

3.2数量与容积的确定

3.2.1.容积确定

  通用发酵罐容量一般有小有大，小至5m3，大至1000m3等。一般容积越大的发酵罐，经济效益就越高，但是风险管理也需要较高水平。在水平允许的条件下，最好使用大型发酵罐。本设计由于处理量大，选用适用于乳品发酵通用罐100m3。

3.2.2生产能力计算

根据工艺，发酵时间为3h，加上清洗，灭菌等时间，生产一班算5h。每班需要灭菌后原料乳V，每班需要197101.4L约等于197.1m3。每天生产2班，则一天使用394.2m3。

设发酵罐充填系数为70%，每天需要发酵罐的容积V1为

V1=V÷70%=563.14m3

个数确定：

根据表可得公称容积为100立方米的发酵罐。总容积为123立方米，则个数为N=（394.25）÷(123240.7)=0.95

取容积为100m3的发酵罐2个，一个备用

4.尺寸计算

V全=V筒+2V封=118m3

V全=0.785D22D+(πD32)/24=118m3

H=2D,解得

1.57D3+0.26D3=118

D=4.009m 取D=4m

验证全容积：V全=V筒+2V封=0.785D22D+2πD3/24+0.785D20.05=118.4m3

表3-1通用发酵罐参数

3.3.1基本参数

  搅拌器叶径d=D/3=1.3m

  叶宽B=0.2d=0.26m

  弧长l=0.375d=0.49m

  底距C=D/3=1.3m

盘径d1=0.75d=0.98m

叶弦长L=0.25d=0.33m

3.3.2搅拌功率计算

  1.计算搅拌雷诺数ReM：

其中  d为搅拌器直径，d=1.3m

 N为搅拌器转速，N=150/60=2.5r/s

 为发酵液密度，=1035kg/m3

μ为发酵液粘度，μ=1.210-3N·s/m2

   将数据代入上式得

＞104，视为湍流。

查图三号曲线得搅拌功率准数Np=4.7 大部分发酵罐搅拌器都在此范围，所以Np为常数，值为4.7

图3-1 Np-ReM关系图

3.3.3计算搅拌功率P

其中  N为搅拌速度，N=2.5r/s

      为发酵液密度，=1035kg/m3

    d为搅拌器直径，d=1.3m

代入上式得

3.4冷却装置计算

每班发酵的发酵热为2.1106kJ/h，冷却水消耗量w为

其中 为水的比热容，=4.18kJ/（kg.K）

t2为出水口水的温度，t2=30°C

t1为进水口水的温度，t1=20°C

==50239kg/h=13.9kg/s

冷却水体积流量为3.6910-2m3/S，取冷却水在管中流速为1m/s，则冷却总截面积S=W/V=3.6910-2m2

进水管直径

d==0.217m

设冷却管总换热表面积为S，管径d0，一共有16组管。则

S=160.785d02=3.6910-2m2

d0=0.054m

查表得选用Ф633.5的冷却管，内径为56mm

冷却管总长度L计算

冷却管总面积为120.5m2，平均外径算60mm，每米的冷却面积为0.19m2

L==634.2m

4.工厂平面设计

4.1不同功能建筑物分类

一个完整的工厂应该拥有多种不同功能的建筑物，它们根据自己的功能可以分为以下几种

1.生产车间

2.辅助车间：化验室,中心实验室。

3.仓库：原料库，辅料库，包转材料库，成品库，废品库等。

4.动力设施：发电间，变电站，锅炉房等。

5.供水设施：水泵间，水处理间，水塔，水池等。

6.公共设施：办公室，食堂，员工宿舍，医务室，车库，休息室等。

4.2总平面设计原则

1.布置合理，节约用地

2.符合生产工艺要求。生产车间和仓库等应按生产流程布置，使得各生产过程保持连续性，避免原料产品损耗过多。物流人流等路线不应交叉。

3.满足食品工厂卫生安全规定。

4.厂区内建筑间距应该按照有关规范建立，从防火，卫生，噪音，通风等多方面因素考虑规划。[7]

5.相同类型或功能的车间或者设施可以放置在同一建筑物内，可以提高场地利用率。而有相互影响的车间则不应该放在同一建筑物内。

6.厂区道路规划要符合相应规划，采用沥青地面保持干净和静音。同时在厂区应修一条环绕厂区的道路，以免堵塞。

7.一般整个厂房要分为生产区，生活区和缓冲区，生活区应布置在生产区的上风口，缓冲区和生产区要合理分开，既要方便联系，又要互不干扰。

4.3总平面设计内容

1.项目占地6000m2，生产车间占地4000m2。

2.管线设计：厂内外的电缆，水管，网线等布置。

3.绿化和环保设计：绿化设备可以起到美化厂区，清新空气，保护环境等功效。

4.4工厂选址

  该工厂地质选择在广东省湛江市遂溪县岭北镇高新区，湛江市位于中国最南端，有着优秀的广阔的天然港口。也是和海南省水路连接的唯一城市。其中岭北镇靠近湛江的一个有名的牧场，湖光牧场，这使得该工厂有天然的奶源优势，可以大幅减少原料运输成本，而且该高新区还有着足够大的地块去规划。销售地区可以定在湛江市，便于冷链运输和销售。

4.5三废处理

1.废水处理：该车间废水可分为三类，分别为冷却水，环境卫生废水和生产废水。冷却水可通过循环系统来重复利用或者直接排到下水道，因此不需要特别设备处理。环境卫生废水指各种清洗废水，需要排到污水处理厂处理完再排放。

生产废水为泄露的产品或者半成品，处理方式同环境卫生废水。

2.废气处理：乳品厂无大量有毒气体排放，排出的只有蒸汽和少量锅炉房废气排放

3.废渣处理：乳品厂废渣一般为耗材或者少量结块牛乳，可直接进入垃圾填埋场。

参考文献

[1]武建新.乳品生产技术[M].科学出版社,2004

[2]孔宝华.乳品科学与技术[M].化学工业出版社,2005

[3]郭本恒.乳品微生物[M].化学工业出版社,2004

[4]于宁.酸奶产品质量控制的研究进展[J].中国乳品工业,2015

[5]刘凝,岳田利.乳品厂酸奶生产质量的控制方法分析[J].中小企业管理与科技,2016

[6]阮征.乳制品安全生产与品质控制[M].化学工业出版社,2004

[7]蒋明利.酸奶和发酵乳饮品生产工艺和配方[M].中国轻工业出版社,2005

[8]张国农.食品工厂设计与环境保护[M].中国轻工业出版社, 2005

[9]吴思方.发酵工厂工艺设计概论[M].中国轻工业出版社,2006

[10]武建新.乳品技术装备[M].中国轻工业出版社,2006

附  录

附录一：生产工艺流程图

附录二：车间平面图