高效低温茶多酚浓缩纯化装置的研发.docx
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高效低温茶多酚浓缩纯化装置的研发
高效低温茶多酚浓缩纯化装置的研发
项目可行性研究报告
二〇一二年六月
一、立项的背景和项目的意义………………………………………（3）
二、国内外研究现状和发展趋势……………………………………（4）
三、研究开发内容和技术关键………………………………………（5）
四、预期目标…………………………………………………………（6）
五、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解…………………（8）
六、计划进度…………………………………………………………（9）
七、现有工作基础和条件……………………………………………（10）
八、经费预算…………………………………………………………（10）
一、立项的背景和项目的意义
茶起源于中国，传播于世界，已成为世界性饮料，这不仅是因为茶具有解渴的功效，更重要的是因为茶叶中所含的茶多酚具有清除自由基、杀菌、抗突变、抗辐射、防癌、抗癌及抗衰老等功效。
所以，茶多酚在各个领域应用非常广泛：
1）茶多酚结构中富含酚羟基，可以有效清除人体内过剩的活性氧自由基，抑制脂质过氧化，达到延缓衰老和抗脂褐素生成；
2）茶多酚含有α-苯并吡喃的苯基骨架，具有很强的广谱抑菌、杀菌性能，因此，在食用油脂、火腿、蛋糕、巧克力等食品中添加茶多酚可延缓其氧化酸败，提高油脂的储存期和食品的货架寿命。
3）茶多酚在活体外表现为抗突变作用，能抑制啮齿类动物由致癌物引发的皮肤、肺、胃、食道、十二指肠、结肠和直肠肿瘤，还可以阻断亚硝酸盐等多种致癌物质在体内合成，并具有直接杀伤癌细胞和提高机体免疫能力的功效。
4）茶多酚中的儿茶素EGC及其氧化产物茶黄素等，有助于抑制动脉血管中的粥样化斑块增生，使造成血凝粘度增强的纤维蛋白原含量降低，血凝变清。
5）茶多酚及其氧化产物具有吸收放射性物质的能力，对肿瘤患者在放射治疗过程中引起的轻度放射病以及血细胞减少症都有很好的疗效。
目前茶多酚在油脂、食品、医药、日化、轻化、化妆品、保健等诸多方面已有广泛应用，并被专家誉为二十一世纪将对人类健康产生巨大影响的化合物。
1995年茶多酚被中国食品添加剂标准化委员会批准列入GB2151-1995食品添加剂使用标准中，是迄今为止惟一被列入的天然抗氧化剂。
因此，随着人类生存与生活质量提高，市场对茶多酚的需求量与日俱增。
专家预计，未来几年国内外茶多酚需要量将迅速攀升至5000吨左右，其市场规模可达几十亿元，投资茶多酚这个朝阳产业无疑将为国内茶叶深加工企业提供巨大商机。
再说，我国的茶区辽阔，茶类众多，茶叶资源丰富，每年都有大量的低档次茶叶滞销，茶农损失严重。
因此，利用低档茶叶或粗老茶叶或茶叶加工下脚料为原料，经纯水提取或乙酸乙醋萃取、超低温浓缩等工艺可得到茶多酚，不仅给企业带来直接经济效益，也为国内滞销的茶叶找到了一条出路，可有力促进我国茶业发展和茶农增收。
所以，从茶叶中提取茶多酚成为当前研究的一个新热点。
目前，从茶叶中提取茶多酚无非是两个方面，一是提取工艺，二是提取设备。
研究人员经过多年的研究，在茶多酚的提取工艺上已获得突破，实验室提取茶多酚已经成熟。
但是，提取设备还处于研发或小试阶段，没有很好地跟进，当前使用的提取设备基本上都沿用中药提取设备。
由于茶叶中除了茶多酚以外，大概还有近500种成分，加上茶多酚对温度比较敏感，沿用中药提取设备，难以提升茶多酚的纯度、品质和得率，提取设备已成为茶多酚大规模生产的瓶颈。
因此，研发茶多酚专用提取设备，提升茶多酚纯度、质量及得率成为当务之急。
本项目就是针对茶多酚提取中最为关键的浓缩设备进行研究，研发出一款专门针对茶多酚提取的高效专用浓缩提取设备，使提取的茶多酚具有品质好、纯度和得率高、溶媒用量少等优点，为我国茶农作出贡献。
二、国内外研究现状和发展趋势
从茶叶中提取茶多酚主要包括磨碎、浸提、分离、萃取、浓缩纯化、干燥、成品包装等工序，茶多酚提取设备主要由浸提系统、萃取系统、浓缩纯化系统、真空干燥系统、溶剂回收系统、成品包装系统等所组成。
在茶多酚提取设备中，浓缩纯化系统最为关键，也最复杂，该设备关系到茶多酚提取率高低、品质优劣以及色泽等，因此，浓缩纯化系统成为茶多酚提取设备的研发重心。
目前对于茶多酚提取设备的研究情况如下：
1、浸提系统的研究：
浸提是差多分提取的第一道工序，工艺简单，设备要求不高，目前浸提系统由两台搅拌式多功能提取罐、两台管式热水器、一台热交换器、泵及阀门等组成。
为了缩短浸提时间，减少茶多酚浸提操作过程的氧化损失，浸提罐设计成搅拌式。
2、萃取系统的研究：
目前的萃取系统有间歇式三级逆流萃取设备和塔式微分萃取设备两种，根据生产能力的不同来选用不同的萃取系统。
3、浓缩纯化系统的研究：
浓缩纯化系统设备是茶多酚生产的关键设备，也最复杂，该设备关系到茶多酚提取率高低、品质优劣以及色泽等问题，目前浓缩纯化系统设备主要由浓缩罐、冷凝器、收集罐、水力喷射器组成。
这种设备存在许多缺陷，如浓缩温度高，茶多酚易发生氧化变质，严重影响茶多酚制品儿茶素的组成，导致其生物活性降低；浓缩纯化效果不佳，使得茶多酚纯度低、品质差，价格难以提升，影响产品的经济效益；提取的茶多酚得率低，使市场企业效益难以提高等。
目前我国有几百家茶多酚生产企业，但大部分企业生产规模小，限于刚刚起步，对研发投入不足，设备生产工艺落后，设备简单，科技附加值不高，远远不能满足市场需要，这就是目前我国茶多酚生产设备的现状。
而国外茶多酚单体的生产制备还存在成本高、收率低以及工艺不稳定等问题，设备问题已成为茶多酚生产企业发展的瓶颈，因此，对茶多酚生产设备的改进和提升愈显重要。
本项目就是针对这种情况而组织专门的研发人员展开研究，以期研发一款专门应用于茶多酚浓缩纯化的装置，真正地解决我国茶多酚提取设备上的技术瓶颈。
三、研究开发内容和技术关键
本项目采用自动推进式刮板薄膜成形技术和低负压蒸发技术，实现了超低温加热、超低温蒸发，降低蒸发温度，增加蒸发效果，保证了对温度极为热敏的茶多酚活性成分的保护；节能型茶多酚常温浓缩纯化装置采用专用能量转换器，整个系统处于封闭环境中，能量损失较小，在正常工作中，加热、冷凝所需要的能量基本能保持能量的平衡，电能只提供能量转换过程的能量损失，达到了节能的目的；利用液封和压力平衡保持自动排水，简化了出渣门转轴的复杂程度，避免了使用过程中出现的系统泄漏、意外卡死等现象。
1、项目主要研究内容：
1）超低温浓缩系统的研究
茶多酚是一种目前尚不能人工合成的多功能、高效能的天然抗氧化剂，具有抗癌、抗衰老、抗辐射、清除人体自由基、降血糖血脂等多种药理和保健功能多酚类化合物，是一类富含多经基的酚性物质。
茶多酚具有如此多地功能主要源于所具有的生物活性，茶多酚中不仅有许多种成分具有生物活性，甚至同一种成分所具有的生物活性也多种多样、各有特点。
活性成分一般对温度都比较敏感，而茶多酚所含的大多活性成分对温度更加敏感。
提取时如果温度过高，对活性成分将造成极大的破坏，影响其药用价值，因此，茶多酚的提取必须严格控制温度。
而我国现阶段对茶多酚的浓缩分离基本上还是沿用中药浓缩装置，浓缩温度一般都高于70℃，造成茶多酚的纯度低、品质差、得率低，已成为茶多酚生产的技术瓶颈。
节能型茶多酚超低温浓缩纯化装置采用自动推进式刮板薄膜成形技术和低负压蒸发技术，降低蒸发温度，增加蒸发效果。
在蒸发腔内，高速旋转的浓缩液均分器利用离心力将送进的浓缩液快速地、均匀地喷涂到蒸发器内壁；在重力和刮板推力的双重作用下呈螺旋形下移，旋转的刮板将浓缩液均匀地分布在蒸发器的内表面，形成厚度只有80～100μm左右的均匀薄膜，如此薄膜的浓缩液在真空环境下得以快速蒸发，一方面使浓缩液在蒸发器内壁中滞留的时间只有短短的15～30秒，另一方面使浓缩液在常温下也能够快速蒸发。
本装置实现低温加热、低温蒸发，加热温度35～40℃，蒸发温度25～30℃，特别适合对温度极为热敏的茶多酚浓缩，正真实现了常温蒸发的目的，保证了提取后的茶多酚主体色泽、茶多酚品质等关键性物质的活性。
这是本项目最大的一个创新点，将填补国内在该领域的空白。
2）节能系统的研究
茶多酚生产企业一般都是能源消耗大户，茶叶磨碎、浸提、分离、萃取、浓缩纯化、干燥、成品包装等工序都需要消耗大量的能源，其中浓缩纯化所消耗尤为严重，该工序所消耗的能量占整个消耗能量的60%以上，因此，降低浓缩纯化分离耗能对降低成本非常重要。
传统的浓缩纯化利用蒸汽对浓缩液进行加热，虽然对冷凝液中的热量进行二次循环利用，但是，整个系统是在开放的环境中进行，热能损失严重，热能二次利用率只有12%左右。
节能型茶多酚常温浓缩纯化装置的节能系统采用能量转换器，系统如图所示，核心部件是能量转化器。
刚开始工作时，开启能量转换器，利用电能对初始物料加热，加热后的物料进入分离器进行蒸发分离，蒸发过程中产生的汁汽，进入冷凝器进行冷凝，冷凝过程中释放的热量，使冷却水的温度升高，回流的冷却水到能量转换器，进行降温循环，降温过程释放的热量用来给物料加热，使整个热能焦化系统处于封闭环境中，能量损失较小；等工作过程逐渐稳定后，电能只提供能量转换过程的能量损失，整个蒸发过程中，加热、冷凝所需要的能量基本能保持能量的平衡，充分利用前效冷凝水的较高温度给后效加热，充分利用冷凝水蕴涵的热量，使整个工作过程运转下去。
因此，本装置节能显著，实现了蒸发冷凝、物料加热过程中需要能量的转换，节省大量的能源；不需要加热蒸汽、外配冷却系统，减少相关的辅助设施。
3）浓缩液均分器及自动推进式刮板器的研究
节能型茶多酚常温浓缩纯化装置之所以能够在较低温度下快速蒸发，主要是能够在蒸发器内壁形成厚度只有80～100μm的均匀薄膜，而薄膜的形成主要靠浓缩液均分器及自动推进式刮板器。
浓缩液均分器的结构采用螺旋条形导流槽，其螺旋线采用matlab进行动力仿真分析及实验优化，得到最佳数据。
当浓缩液进入均分器中心后，在离心力的作用下，沿导流槽以半雾化状快速冲向蒸发器内壁；附着在蒸发器内壁的浓缩液虽然在重力作用下自动向下移动，但速度难以跟上，难以在内壁上形成薄膜，必须依靠自动推进式刮板器。
项目的刮板器采用倾斜式刮板和弹性压紧装置，一方面可以讲浓缩液向下推进，另一方面即使蒸发器内壁存在凹凸不平的情况下也能形成均匀的薄膜，这是本项目的另一个创新点。
2、技术关键和创新点
1）常温浓缩纯化技术：
采用自动推进式刮板薄膜成形技术和低负压蒸发技术，将浓缩液均匀地分布在蒸发器的内表面，形成厚度只有80～100μm左右的均匀薄膜，如此薄膜的浓缩液在真空环境下得以快速蒸发，一方面使浓缩液在蒸发器内壁中滞留的时间只有短短的15～30秒，另一方面使浓缩液在常温下也能够快速蒸发，实现了加热温度35～40℃、蒸发温度25～30℃的常温快速蒸发，该技术填补了国内在该领域的空白。
2）封闭式热量转化技术：
蒸发过程中产生的汁汽，进入冷凝器进行冷凝，冷凝过程中释放的热量，使冷却水的温度升高，回流的冷却水到能量转换器，进行降温循环，降温过程释放的热量用来给物料加热，使整个热能焦化系统处于封闭环境中，能量损失较小；电能只提供能量转换过程的能量损失，整个蒸发过程中，加热、冷凝所需要的能量基本能保持能量的平衡，充分利用前效冷凝水的较高温度给后效加热，充分利用冷凝水蕴涵的热量，使整个工作过程运转下去，节省大量的能源。
四、预期目标
1、主要技术指标
（1）茶多酚对温度极为热敏，在提取时，其活性成分随温度的升高而下降，高温提取的茶多酚存在其药用价值和得率低、品质差等缺陷，采用自动推进式刮板薄膜成形技术和低负压蒸发技术而研发的常温浓缩纯化装置较好地解决了茶多酚低温浓缩难题，实现了低温加热、低温蒸发的目的，溶媒加热温度35～40℃，蒸发温度25～30℃，真正实现了常温浓缩，填补了国内在该领域的空白。
（2）节能型茶多酚常温浓缩纯化装置采用能量转换器，整个系统处于封闭环境中，冷却液的蒸发冷凝和加热过程中所需的能量采取强制转换，其能量基本能保持能量的平衡，不需要加热蒸汽，能量损失较小，节省大量的能源，同时不需外配冷却系统，减少相关的辅助设施。
与传统同类型产品相比，节能可达14%。
真正意义上实现了节能减排的目的。
2、主要经济指标
节能型茶多酚常温浓缩装置属于茶多酚专用浓缩设备，主要针对茶多酚对温度的敏感性而研发。
目前，我国有几百家茶多酚生产企业，但大部分企业生产规模小，随着市场对茶多酚的需求量与日俱增，这些规模较小的茶多酚生产企业将会进行设备提升，其中浓缩装置的更换是首要的；另外投资茶多酚这个朝阳产业将的企业将越来越多。
因此，节能型茶多酚常温浓缩装置将是一个很有前景的项目。
3、知识产权申请情况
为了能够在该领域保持国内领先地位，在研发期内将申请专利2项，同时将在国内权威杂志上发表论文1篇，扩大本产品在国内外的知名度。
4、成本效益分析
产品成本概算见下表。
每台产品成本概算表（以5m2为例）
序号
项目
金额（万元）
所占比例（%）
1
原辅材料（包括外购外协件）
16.1
35.7
2
燃料及动力
2.88
6.4
3
工资及福利基金
2.5
7.7
4
制造费用
4.8
10.7
5
管理费用
0.63
1.4
6
技术开发费用
2.3
5.1
7
财务费用
0.63
1.4
8
销售费用
2.25
5
9
税金及附加
2.88
6.4
10
利润
9
20
11
销售收入
45
100%
五、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解
1、总体方案
本项目是以研究出一种节能型茶多酚常温浓缩装置为目标，在技术上更加先进，在节约能源上比传统换热器提高14%。
主要从下面三个方面进行：
1）常温浓缩系统的研发，采用自动推进式刮板薄膜成形技术和低负压蒸发技术，降低蒸发温度，增加蒸发效果；
2）节能系统的研发，采用能量转换器，充分利用冷凝水蕴涵的热量，整个系统处于封闭环境中，能量损失较小，达到节能的目的；
3）浓缩液均分器及自动推进式刮板器的研究：
节能型茶多酚常温浓缩纯化装置之所以能够在较低温度下快速蒸发，主要是能够在蒸发器内壁形成厚度只有80～100μm的均匀薄膜，而薄膜的形成主要靠浓缩液均分器及自动推进式刮板器。
2、技术路线
能型茶多酚常温浓缩装置研发技术路线如下：
市场调研→理论分析→实验模拟仿→修改设计方案→产品设计→制作样品→产品性能检测→产品用户试用及用户反馈→修改设计→产品小批量生产→产品批量生产。
具体技术路线如下：
3、组织方式与课题分解
专门组建节能型茶多酚常温浓缩装置开发研究小组，由组长负责项目的协调工作，项目组成员由经验丰富的研发人员组成，有理论研究、设计、设备加工调试等专门人员，保证在人力资源、研发资金、场所、研发设施等方面都有保障，各研发人员积极配合课题研发，项目严格按照计划进度开展专项研究。
六、计划进度安排
本项目从2012年1月起实施，至2013年11月结束，计划如下表：
起始年月
进度目标要求
2012.01-2012.06
确定立项项目总体方案确定和具体任务安排
2012.07-2012.10
常温浓缩装置理论分析研究
2012.11-2013.01
机械部分的设计与试验
2013.01-2013.02
控制部分的研制以及软件编制
2013.03-2013.04
常温浓缩装置的制造、安装及调试，根据用户意见改进设计
2013.05-2013.11
推广应用、研究总结、项目结题
七、现有工作基础和条件
项目主持单位和项目参与单位作为茶多酚超低温浓缩纯化装置研发单位，具有较强的研发能力和实验研究基础，为设备开发研究提供根本保证。
1、项目主持单位有数字化控制研究中心、机电研究所、测试技术研究所等23个科技创新应用服务中心；另外还有数字实验室、分析检测实验室、理化测试实验室、机器人实验室等12个实验室。
目前，机电研究所有专职研究人员12人，其中博士5人，涉及控制与软件技术、电子技术、测试技术等多个领域，加上项目参与单位是一家专业生产中药浓缩设备及其配件的生产厂家，为茶多酚超低温浓缩纯化装置的研发提供根本的保证。
2、项目参与单位是专业生产中药浓缩设备及其配件的生产厂家，已有多年专业生产浓缩设备的经验，具有一定的理论基础和研发经验，公司经过多年积累，已具有一定的规模和丰富的生产经验，现有专业技术人员6人，能够为茶多酚超低温浓缩纯化装置的研发提供技术保证。
八、经费开支预算
本项目整个总的研发经费约需30万，其中企业提供20万，经费使用具体情况如下表：
序号
概算科目名称
合计
企业提供经费
自筹经费
（1）
（2）
（3）
（4）
1
一、经费支出（合计）
30
20
10
2
1、设备费
5
5
0
3
（1）购置设备费
0
0
0
4
（2）试制设备费
5
5
0
5
（3）设备租赁费
0
0
0
6
2、材料费
11
9
2
7
3、测试化验加工费
1
0
1
8
4、燃料动力费
5
2
3
9
5、差旅费
2
1
1
10
6、会议费
2
1
1
11
7、合作、协作研究与交流费
0
0
0
12
8、出版/文献/信息传播/知识产权事务费
1
0
1
13
9、人员劳务费
1
1
0
14
10、专家咨询费
0
0
0
15
11、管理费
0
0
0
16
12、其他开支
2
1
1
1
二、经费来源（合计）
30
2
1、企业提供
20
3
2、自筹经费
10
4
（1）单位自有货币资金
10
5
（2）向银行贷款
0
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