年产1万吨凝固型果蔬酸奶工厂设计毕业设计方案.docx
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年产1万吨凝固型果蔬酸奶工厂设计毕业设计方案
年产1万吨凝固型果蔬酸奶工厂设计
郑重
（生命科学学院，生物工程，2007级1班，052510038）
摘要：
本文采用多菌种发酵法，进行了年产1万吨果蔬酸奶的工厂设计。
本设计通过精细的物料计算选定较先进的设备，使原料的利用率得到很大的提高；车间布局紧凑、功能合理，大大提高了空间利用率；废水处理完全达到国家标准，注重环境保护。
同时绘制出工厂总平面设计图、工艺流程图、设备流程图、车间平面布置图等图纸。
关键词：
发酵；凝固型果蔬酸奶；物料衡算
Anannualoutputof10,000tonsofcongealedfruitsyogurtplantdesign
Zhengzhong
（CollegeofLifeScience,bioengineering,Class1Grade2007,052510038）
Abstract:
Inthispaperforthestrainsoffermentation,carriedoutdesignof10,000tonscongealedfruitsyogurtfactory.Onthebasisoffinematerialcalculation,someadvancedequipmentswereused,whichenhancedtheutilizationofrawmaterial.Thecompactandreasonableworkshoplayoutraisedthespatialusefactorgreatly.Thewastedwaterprocessingcompletelyachievedthenationalstandardsthoroughlyconsideringtheenvironmentalprotection.Finallythefactorylayout,theprocessflow,theequipmentflowandtheplantlayoutweremappedout.
Keywords:
fermentation;congealedfruitsyogurt;materialbalance
1.前言
牛奶中所含的糖分大部分是乳糖，但由于亚洲人的体质特征，消化液中缺乏乳糖酶，影响了对乳糖的消化、吸收和利用，造成喝牛奶后胃部不适甚至腹泻，称为乳糖不耐受症。
这也是很多亚洲人不喝牛奶的原因，此时可以选择酸奶来代替牛奶，而不必担心乳糖。
酸奶因含乳酸菌；牛奶中的乳糖可被乳酸杆菌发酵转化成乳酸，乳糖不耐受者饮用酸奶不会出现腹泻症状，正好解决了这一部分人喝牛奶可能产生的问题。
诺贝尔奖获得者，俄国食品专家梅契尼柯夫（1845-1916年）最早对酸奶的研究结果证明酸奶中含有一种生长活性因子，能增强肌体免疫机能，有利于身体健康，抗病、抗衰老。
世界上有很多长寿的地方，居民都有长期饮酸奶的习惯。
在“2004年国际酸奶市场发展现状及展望”的报告中，酸奶的价值已经完全的到证实，酸奶已经成为食品工业重点推广的优秀乳制品。
调查显示，酸奶的主要消费群体包括儿童、青少年和中青年女性。
随着消费群体年龄的增长，中老年也即将成为酸奶的消费群体。
随着人们生活水品的提高，酸奶的市场需求也日渐增大。
在国内，几个大型老牌乳制品企业如伊利、蒙牛、光明等已经开始大量生产酸奶，玲琅满目的原味以及水果型酸奶产品随处可见，而果蔬型酸奶产品却寥寥无几，相比较而言，果蔬型酸奶有着更好的口感风味和营养价值。
但是就目前市场的销售情况看，酸奶产品的价格也在逐步提高，性价比已经呈下降趋势。
要想拥有良好的市场竞争力，我们需要通过降低生产成本来达到降低销售价格的目的，从而在酸奶市场占有一席之地
2.厂址选择
地址选择：
河北省张家口市张北县。
2.1地理位置
张北县地处河北省西北部，内蒙古高原南缘的坝上地区，张北县有着悠久的历史，早在4000年前就有人类繁衍生息在这块土地上，古代北方游牧名族大都留下活动的足迹，古称“闲刍牧之场”。
长期以来，各族人民在这里繁衍生息，交往融合，共同谱写了这块广袤土地的历史篇章，创造了具有浓郁独特乡土气息的灿烂文化。
张北县地理坐标为东经114.7111度，北纬41.15558度。
2.2交通状况
张北县紧邻张家口市，东南方向距首都北京165公里，西北方向与内蒙古接壤，距呼和浩特260公里。
交通便利，贯通张石高速和207国道，将其与锡林浩特、张家口市、宣化等市连接起来，此外，东西、南北5条公路干线于张北聚集辐射，坝上张北自古以来就是连接蒙古高原和华北平原的交通枢纽，扼南北交通的咽喉。
2.3地区气象
张北县为寒温半湿润高原气候，最热月份平均温度在19摄氏度左右，虽在盛夏，犹有“高处不胜寒”的感觉。
因此，张北县不仅是一处宽广秀丽、风光旖旎的游览胜地，也是气候宜人，风姿独具的避暑胜地。
秋季，秋高气爽层林尽染，漫山遍野的红叶溢金流丹，火红的枫叶、淡绿的樟子松。
而到了冬季，银装素裹，滑雪狩猎，更别有一番情趣。
属中温带大陆性季风气候，年降水量400毫米左右。
是河北省日照条件最好的县之一，年平均日照时数2897.8小时，全年活动积温2448℃，年平均7级以上大风日数30天左右。
全年无霜期90-110天，光照充足，雨热同季。
动植物品质优良，全县草场面积160万亩，林地面积109万亩，森林覆被率18.6%。
2.4水资源
张北县水资源分布主要在地下和水库。
在该地区的东北和西北两个方向各有一个大型水库，县城北部地下水资源丰富，主要供应人们的生活用水和生产用水。
县城中部南部水资源适中，主要供应生活用水。
2.5电力资源
张北县拥有110千伏、220千伏变电站各一座，35千伏变电站4座，由丹麦等国投资的5000千瓦大型风力发电站已建成投入营运，是华北地区重要输变电枢纽之一。
张家口坝上横亘在华北平原和内蒙古高原之间，突兀隆起的地形使得大陆性季风在这里抬升加速，形成强劲的气流，这昔日让人头疼的大风如今却成为张北的资源优势。
经测定，张北坝头10高度年平均风速6.6米/秒，西北丘陵地区10高度年平均风速6米/秒，70米高度年平均风速7.7米/秒，全年有效风速天数达300天以上，且风向稳定，没有破坏性天气，是优质风能资源区域。
据原国家能源部部长来张北实地考察预测，张北境内风电场建设装机总容量可达400—500万千万。
张北县充分发挥丰富的风力资源优势，把风电开发作为重点招商项目，积极争跑，强力运作，大力培育和发展“绿色经济”和环保新能源开发。
张北共与北京国投、北京中人、山东鲁能和天津博德四家公司签订了风电项目协议，规划装机总容量300万千瓦，总投资可达273亿元。
2.6生态农业
张北县是饮誉华北的农副产品基地。
近年来，在国家、省、市的大力支持下，一个宏大的以农田水利基地建设为主的生态工程蓬勃展开，生产条件和生态环境明显改善。
种植业基本实现了作业机械化、作物良种化、栽培科学化。
全县生产莜麦5万吨，杂豆3.5万吨，亚麻1.5万吨，马铃薯24万吨，甜菜10万吨，秸秆6.4万吨。
鲜嫩无污染的各类错季蔬菜受到京津市场青睐。
张北是“三北”防护林工程重点县和畜牧业基地。
森林覆盖率由解放初的21.5‰增加到21.3%，阡陌林络纵横，路边绿树成荫，为改善气候，净化首都北京作出了贡献全县每年可向市场提供各种活畜30万头，畜皮200多万张，羊毛2500吨，肉3万吨，鲜蛋2500吨牛奶1.5万吨，系华北重要副食品基地之一。
2.7土地资源
张北县总面积4231.6平方公里。
辖18个乡镇，366个行政村，1167个自然村。
耕地面积121951公顷，其中水浇地面积19574公顷，草场面积122133公顷，林地面积81617公顷。
土地肥沃，适合作物生长。
3总平面设计
3.1.厂区建筑设计依据
（1）以方便生产为前提，符合车间生产程序，避免原料、半成品、人流的交叉污染。
（2）由于是食品行业，因此需要设立检验检疫处，对原料进行检验才能投入生产，成品需要进行检验才能出厂。
原料仓库、发酵车间以及检验检疫实验室应该相邻。
（3）锅炉靠近生产车间，减少能源在输送过程中的损失。
（4）酸奶不是长期储存食品，要及时销售，因此需要厂内交通便利，道路都采用双向行车道，原料仓库以及成品仓库前需要一定的空间方便货车的行驶。
（5）通盘考虑全厂布置，填平补齐，力求合理、经济，并充分考虑全厂扩大生产。
3.2总平面设计说明
（1）厂区主要建筑物：
原料车间、检验检疫实验室、原料混合车间、发酵车间、罐装车间、成品仓库、供电室、维修车间、三废处理车间、锅炉房等按照生产流程布置，并尽量缩短距离，避免往返运输。
对厂房的布置符合生产工艺的要求，确保生产过程的连续性和紧密性。
（2）办公楼在厂区门口附近，距离车间较近，方便管理，又与物流避免交叉。
（3）绿化情况：
沿厂区主入口的主要道路进行重点绿化，建设花坛、草坪、水池、假山等具有观赏价值的景色设施，并且绿化部分遍植草皮，并适当点缀冬青灌木，整个布局以低高度为主。
绿地率达到20%以上，以创造出一个美丽、怡人的厂区环境。
（4）厂区道路：
厂区主干道为10m宽，非主要道路为8m宽，均建成双车道。
表1厂区建筑面积一览表
Table1Plantconstructionarealist
序号
建筑物
规格（m×m）
占地面积（m2）
建筑面积（m2）
1
原料仓库
15×15
225
225
2
检验检疫实验室
10×5
50
50
3
预处理车间
10×8
80
80
4
发酵车间
10×10
100
100
5
灌装车间
20×10
200
200
6
办公楼
15×10
150
600
7
成品仓库
20×15
300
300
8
配电室
10×5
50
50
9
备用设备及维修仓库
10×10
100
100
10
门卫室
4×5
40
40
11
员工食堂及活动中心
10×15
150
600
12
停车场
10×18
150
150
13
蓄水池
8×5
125
125
14
锅炉房
10×10
100
100
总计
1820
2720
3.3主要设计指标
表2主要设计指标一览表
Table2ListDesignindicators
序号
项目
数据
1
全厂占地面积
5000m2
2
全厂建筑物占地面积
1820m2
3
绿化面积
1020m2
4
绿化率
20.4%
4.工艺设计
4.1生产方案及自动化程度
1.年产10000吨凝固型果蔬酸奶，日产35吨。
2.每年生产300天，每天实行四班制。
3.拟建设年产7000吨的果蔬酸奶生产线，根据市场及投资融资情况再上一条3000吨的生产线，最终形成10000吨的企业规模。
高效、连续的自动化生产线.。
4.2工艺流程的选择原则
所选择工艺流程必须确保产品达到质量，生产过程简洁，便于管理，员工能顺利独自地完成生产中的各环节，生产设备容易选择，方便建立自动化生产模式，生产成本低廉，不需要比较昂贵和稀缺的原料。
4.3工艺特点
1.由于嗜热链球菌与保加利亚乳杆菌在发酵过程中的作用机理不同,因此这2个菌种的比例对酸乳的发酵会有较大的影响,可以导致酸乳发酵风味、货架期等不同程度的改变。
对酸奶发酵过程中嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌的比例及其发酵结果进行了研究,利用平板菌落计数法计数,测定滴定酸度,找出发酵规律,从而得出嗜热链球菌与保加利亚乳杆菌的比例关系为3∶2时,酸奶的风味较理想、货架期较长,是这2个菌种最理想的比例。
2.对菌种进行扩大化培养从而得到种子培养液，节约了菌种的用量，在生产过程中可以通过添加培养液进行不间断培养，随时进行接种发酵。
3.乳酸菌加入牛乳后,在适当的温度下,乳酸菌充分利用牛奶中的碳源、氮源、矿物质等营养物质及生长因子,在菌体内各种调节系统的控制下,产生以乳酸为主的各种代谢产物,形成酸奶独特的风味。
4.灭菌后的冷却采用换热效率高的螺旋板换热器，大量节约一次水的用量。
5.凝固型酸奶是是因为在恒温发酵过程后进行了快速冷却工艺，蛋白质变性发生了聚合反应，另外还需要添加一定的凝固型酸奶稳定剂。
6.自控仪表采用DCS（分散控制集中管理系统）自控系统进行控制。
控制系统主要针对生产过程的温度、压力、液位、流量等参数进行显示、记录、报警和调节。
4.4工艺流程确定
果蔬汁果粒
养殖基地检验运输原料仓库贮液罐检验搅拌均质灭菌冷却发酵
快速冷却无菌灌装成品仓库检验出厂菌种扩大培养种子培养液
图1生产工艺流程图
Figure1Chartofproductionprocess
4.5流程简介
1.食品行业的检验检疫必须达到国家规定的安全标准。
包括原料的收集、生产前以及成品出厂前的检验。
2.原料储存在低温条件下，可以延长保存期和抑制其他微生物对原料的污染。
3.加入果蔬成分和其他食品添加剂后均质，果蔬添加比例为10％，均质条件：
65℃，25MPa。
4.灭菌过程是生产前整个生产设备集体灭菌，采用高压蒸汽灭菌法，121℃灭菌20分钟。
灭菌后待设备冷却至60℃时进行生产工作。
混合乳液的灭菌采用快速巴氏杀菌法，即高温短时杀菌，温度75-90℃灭菌15秒。
5.冷却过程采用水冷却方式，冷却温度至45℃左右。
6.接种量控制在6％-10％，菌种按嗜热链球菌与保加利亚乳杆菌3：
2的比例进行扩大培养得到种子培养液进行接种，扩大培养所用的培养基与混合液完全相同。
7.发酵温度控制在40-45℃恒温发酵，发酵周期4-6小时，间期6-8小时，每天进行2批次发酵。
8.发酵后立即送入冷冻库快速冷冻，既是为了使蛋白质变性发生了聚合反应，增加粘稠度，又使产品在低温条件下保存。
4.6主要生产原料来源
1.鲜奶：
奶牛养殖基地长期供应，回收后送入原料仓库进行低温保存。
2.果蔬成分：
向张家口市食品加工厂直接购买。
3.菌种：
食品发酵工业研究所购买获得，培养后保存部分以后备用。
5.工艺计算
5.1物料衡算
5.1.1全厂物料衡算主要内容
1.原料消耗量的计算，主要原料有鲜奶，其他原料有果蔬成分、蔗糖等。
2.中间产品混合乳液的计算。
5.1.2工艺技术指标及基础参数
1.生产规模：
年产10000吨果蔬酸奶
2.生产天数：
300天/年。
3.酸奶日产量：
35吨。
4.果蔬汁要求浓度：
10％。
5.牛奶乳糖含量：
5％。
5.1.3原料消耗量的计算
按照凝固型酸奶的基础配方：
鲜奶75％-80％，种子培养液6％-10％，蔗糖3％-6％,果蔬料10％，TKM14凝固型酸奶稳定剂0.2％-0.3％。
每吨成品酸奶消耗的原料量（以最高使用量计算）：
1.鲜奶：
1×80％=0.8（吨），
2.果蔬料：
1×10％=0.1（吨），
3.种子培养液：
1×10％=0.1（吨），
4.蔗糖：
1×6％=0.06（吨），
5.TKM14凝固型酸奶稳定剂：
1×0.3％=0.003（吨）。
表3生产10000吨果蔬酸奶原料消耗量
Table310,000tonsofrawmaterialsproductionfruitsyogurtConsumption
原料
每吨产品消耗量（吨）
日消耗物料量（吨/天）
年消耗物料量（吨/年）
鲜奶
0.8
28
8400
果蔬料
0.1
3.5
1050
种子培养液
0.1
3.5
1050
蔗糖
0.06
2.1
630
TKM14凝固型酸奶稳定剂
0.003
0.105
31.5
5.1.4混合乳液的计算
将各种原料混合后进行均质，得到的混合乳液，
每天需要进行发酵的混合乳液量：
28＋3.5+3.5+2.1+0.105=37.205（吨），
输送过程按5％的损失计算得到每天需要发酵的量：
37.205×95％=35.3（吨）。
5.2热量衡算
5.2.1生产设备杀菌过程
Q=[C1M1（T3-T1）+C2M2（T3-T2）]×S；M1=ρ1V；M2=ρ2V
其中：
C1为空气比热容，kJ/（kg·℃）；C2为水蒸气比热容，kJ/（kg·℃）；
ρ1为常态空气密度，kg/m3；ρ2为高压水蒸气密度，kg/m3；
T3为灭菌温度，℃；T1为常态空气温度，℃；
T2为常态水蒸气温度，℃；V为设备总体积之和，m3；
S为灭菌时间，s；Q为每次设备杀菌过程需要的热量，kJ。
Q=[1.01×1.29×100×（121-20）+1.88×0.72×100×（121-100）]×30×60=14401900（kJ）。
5.2.2巴氏杀菌过程
Q=CM（T2-T1）×S
其中：
C为混合乳液的比热容，kJ/（kg·℃）；
M为混合乳液的质量，kg；
T1为原料保存温度，℃；
T2为灭菌温度，℃
S为灭菌时间，s
Q为每天巴氏杀菌需要的热量，kJ。
Q=2.5×35×（60-4）×15×60
=4410000（kJ）。
5.2.3总蒸汽量
设备杀菌是在第一次使用时需要进行，以后每批产品杀菌一次，平均大约30次/年；
巴氏杀菌是在每次发酵前都需要进行，2次/天，600次/年。
蒸汽用量:
M1=30×Q1／（4.1868×600000）（蒸吨）
M2=300×Q2／（4.1868×600000）（蒸吨）
M=（M1+M2）／80％=（173+527）／80％=875（蒸吨）（过程20％热量损失）。
表4蒸汽衡算表
Table4Accountingsteamtable
名称
规格
每年用量
吨/年
平均每月用量
吨/月
平均每天用量
吨/天
平均每吨产品用量
吨
蒸汽
1.0Mpa
875
72.92
2.92
0.0875
5.3电力衡算
5.3.1预处理车间耗电量
1.混合设备
搅拌罐搅拌功率1.5kw，生产能力3吨/小时，每天产量35吨，
耗电量=35／3×1.5=17.5kwh。
2.均质设备
均质机功率30kw，生产能力3吨/小时，每天产量35吨，
耗电量=35／3×30=350kwh。
5.3.2发酵车间耗电量
1.种子培养
种子罐功率1.5kw，培养时间6小时，每天2次，耗电量=1.5×6×2=18kwh。
2.发酵
发酵罐功率22kw，发酵时间6小时，每天2次，耗电量=22×6×2=264kwh。
5.3.3罐装车间耗电量
灌装设备功率4.2kw，每天24小时不间断生产，耗电量=4.2×24=100.8kwh。
5.3.4仓库耗电量
便于食品的保存，原料仓库与成品仓库统一配置冷藏条件，控制温度4℃以下。
仓库体积为1200m3，每天耗电量40kwh。
5.3.5其他耗电量
1.液体输送
输送采用食品卫生泵进行输送，功率3kw，输送能力3吨/小时，全生产线一共10个，搅拌罐1个，发酵罐1个，原料储罐6个，成品储罐2个，4个不同用途，每个用途每天输送35吨，
耗电量=4×35／3×3=140kwh。
2.照明
办公区灯高3米，照明系数1W/m2，建筑面积1320m2，照明时长平均8小时/天；
生产区灯高6米，照明系数3.1W/m2，建筑面积1430m2，照明时长平均12小时/天；
厂区道路灯高5米，照明系数1.6W/m2，建筑面积1950m2，照明时长平均6小时/天，
耗电量（1×1320×8+3.1×1430×12+1.6×1950×6）／1000=82kwh。
5.3.6总耗电量
总耗电量=17.5+350+18+264+100.9+40+140+82=1012.4（度/天）。
表5电力衡算表
Table4Republicanbalanceofpower
名称
每年用量
度/年
平均每月用量
度/月
平均每天用量
度/天
平均每吨产品用量
度
电力
303720
25310
1012.4
28.93
5.4水资源衡算
5.4.1冷却用水
当地平均气温低，可采用修建蓄水池，采用循环水作为冷却用水，蓄水池容积600m3。
5.4.2洗涤用水
采用CIP清洗系统，生产线全容积为100m3，每25m3大约需要清洗用水2吨，设备清洗是在第一次使用时需要进行，以后每批产品清洗一次，平均大约30次/年，
耗水量=100／25×2×30=240吨/年。
5.4.3其他用水
生活用水，全厂290人，每人每天用水量0.1吨，
耗水量=0.1×290×300=8700吨/年。
5.4.4总用水量
总用水量=600+240+8700=9540吨/年。
表6水资源衡算表
Table6Republicanbalanceofwater
名称
每年用量
吨/年
平均每月用量
吨/月
平均每天用量
吨/天
平均每吨产品用量
吨
水资源
9540
795
31.8
0.954
6.设备选型
6.1生产设备选型原则
1.所选设备满足生产工艺及生产规模的要求。
2.设备能充分利用原料，能耗少，效率高，系统损失小。
3.设备结构形状合理，便于安装，清洗容易，不留污染死角。
4.设备材料适当，不会被腐蚀，不污染食品。
5.能选小型就不选大型，便于维修，配件更换容易。
6.设备操作简单，容易上手，自动化程度高。
6.2主要设备选型
6.2.1发酵罐
表7发酵罐选择依据
Table7Fermenterchoicebasedon
发酵类型
（对氧需求）
发酵类型（工艺流程）
发酵时间
小时
间歇时间
小时
发酵周期
小时
发酵批次
次/天
日产量
吨
厌氧型
分批发酵
4-6
6-8
12
2
35
发酵类型属于厌氧型发酵，选用嫌气发酵设备。
日产量35吨，发酵批次为2，每批装填17.5吨。
拟采用2个发酵罐，则每罐需装填8.75吨。
装填系数70％，安全系数1.1，发酵罐体积V=8.75／70％×1.1=13.5m3，拟采用单罐容积为15m3的发酵罐2个。
设备选取东台市压力容器制造厂生产的GB-15m3发酵罐。
6.2.2种子罐
种子发酵采用二级发酵方式，发酵的接种量为10％，则种子罐中的培养液=8.75／1.1×10％=0.79吨。
拟采用单罐容积为1m3的种子罐2个。
设备选取连云港百仑生化科技有限公司生产的BLBIO-100SJ-1000SJ二级发酵罐。
6.2.3均质设备
生产能力：
间歇时间6小时，均质17.5吨，3吨/小时，选取廊坊通用机械制造有限公司生产的JJ-3/25型号均质机1台。
6.2.4搅拌罐
生产能力：
间歇时间6小时，搅拌17.5吨，3吨/小时，选取郑州AOSBO机械生产的ZF-3000型号搅拌罐1台。
6.2.5灌装设备
选用流水生产线方式进行灌装封口，选取天津市维博特机械设备有限公司生产的DGW-200/II液体灌装封口机2台。
生产能力：
4000杯
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