完整word版年产10万吨乳酸发酵车间设计 2.docx
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完整word版年产10万吨乳酸发酵车间设计2
河南城建学院
生物工程系
生物工程专业
发酵工厂设计课程设计
题目名称：
年产10万吨乳酸发酵工厂设计
学院（系）：
生物工程
学号：
111409111
姓名：
张婵婵
指导教师：
佘秋生、张现青
课程设计日期：
2013年1月7日-2013年1月11日
1项目建议书…………………………………………………………3
2可行性方案…………………………………………………………4
3工厂总平面设计方案………………………………………………5
3.1工厂的选址
3.2工厂总平面图
3.3车间布局图
4生产工艺流程设计…………………………………………………6
4.1生产工艺流程图
4.2工艺流程优化
4.3酸奶质量标准
5设计计算说明………………………………………………………10
5.1物料平衡计算
5.2水平衡计算
5.3热量平衡计算
5.4无菌空气平衡计算
5.5班产量计算与人员安排
5.6设备的选型与校核计算
6包装设计……………………………………………………………14
7总结…………………………………………………………………14
8附图…………………………………………………………………15
年产10万吨乳酸发酵车间设计
学生：
张婵婵
指导老师：
佘秋生、张现青
1.项目建议书
民以食为天，食以乳为先。
牛乳自古以来即被人类饮用，牛乳的组成最为接近人乳，含有人体所需要的全部营养成分，营养最为均衡，在人们的膳食结构中具有其他食品无法替代的地位和作用。
由鲜牛乳发酵成的酸乳由于其丰富的营养、特殊的风味、爽滑的质构和良好的生理功能，备受人们青睐。
联合国粮农组织（FAO）、世界卫生组织（WHO）与国际乳品联合会（IDF）于1977年对酸乳作出如下定义：
酸乳，即在添加（或不添加）乳粉（或脱脂乳粉）的乳（杀菌乳或浓缩乳）中，由保加利亚乳杆菌和嗜热乳酸链球菌进行乳酸发酵制成的凝乳状产品，成品中必须含有大量的、相应的活性微生物。
通常根据酸乳成品的组织状态来进行分类，具体可分为凝固型酸乳（发酵过程在包装容器中进行，从而使成品因发酵而保留其均匀一致的凝乳状态）、搅拌型酸乳（成品先发酵后灌装而得，发酵后的凝乳已在灌装前和灌装过程中搅碎而成黏稠且均匀的半流动状态）和饮用型酸乳（类似搅拌型酸奶，但包装前凝块被分散成液体）。
饮用酸乳制品对身体有很多益处，乳中许多成分具有很高的营养价值，而且微生物菌群产生的许多代谢产物对人体也极为有益。
⑴营养作用：
牛奶中乳糖经乳酸菌发酵，其中20%～30%被分解为葡萄糖和半乳糖。
前者进一步转化为乳酸或其他有机酸，这些有机酸有益于身体健康；后者被人吸收利用，可参与幼儿脑苷脂和神经物质的合成，并有利于提高乳脂肪的利用率。
牛奶中的蛋白质经发酵作用后，乳蛋白变成微细的凝乳粒，易于被人消化吸收。
酸奶中的磷、钙和铁易被吸收，有利于防止婴儿佝偻病和老人骨质疏松病。
牛奶中的脂肪经乳酸菌作用后，发生解离或酯键被破坏，易于被机体吸收。
发酵过程中，乳酸菌还会产生人体所必需的维生素B1、维生素B2、维生素B6、维生素B12、烟酸和叶酸等营养物质。
⑵缓解乳糖不耐症：
乳酸菌产生的乳糖酶能降解牛奶中的乳糖，因此乳糖不耐症患者饮用酸奶就不会出现饮用牛奶时发生的乳糖不耐症，如腹胀、腹痛、肠道痉挛、下泻等。
⑶整肠作用：
人体肠道内存在有益菌群和有害菌群。
在人体正常情况下，前者占优势；当人患病时，有害菌群占优势。
饮用酸奶可以维持有益菌群的优势。
⑷抑菌作用：
嗜热乳杆菌和双歧杆菌不受胃液和胆汁的影响，可以进入肠道，在肠道内存留较长时间。
这两种乳酸菌以及在这些乳酸菌影响下生长起来的肠道中的其他乳酸菌，可以产生嗜热乳菌素等抗菌物质，这些物质大都对大肠杆菌、沙门氏菌和金黄色葡萄球菌等有明显的抑菌作用。
⑸改善便秘作用：
进入肠道中的活的乳酸菌能产生乳酸、醋酸等有机酸。
这些有机酸有刺激肠道，加强蠕动的作用，故可以改善便秘。
⑹降低胆固醇：
牛乳中的乳清酸、乳糖和钙，以及酸奶中存在的羟基戊二酸都有降低胆固醇的作用。
⑺抗癌作用：
酸奶有抑制3种酶的活性作用，这些酶能引起癌变。
另外，酸奶还能激活巨噬细胞，抑制肿瘤细胞，从而起到抗癌作用。
2.可行性报告
近年来，随着人们物质生活水平的提高，饮食结构也在悄悄地发生变化。
随在国民经济的迅猛发展，人民的生活水平不断提高，人们对乳制品的需求不断提高。
在市场需求的牵动下，一方面是乳品企业的数量迅速的增加，而另一方面却是乳品生产竞争的不断加剧，竞争的焦点是产品的品种、质量和价格，一些较大的，资金和技术实力强的企业以自身的产品质量和价格优势不断冲击市场，这就要求新建的乳品厂有先进的设备与技术。
乳品从过去的昂贵的营养品逐渐变成当今老百姓饭桌上的日常消费品。
而其中的酸奶，更是以惊人的速度在增长。
面对如此好的乳业发展形式和日益激烈的竞争趋势，要想在市场上保持龙头位置，有效抵御外来品牌的入侵，就必须不断的细分市场，不断的开发中高档乳品新品。
为此，经过严密的市场调查，2013年，公司将开发系列酸奶。
该产品定位于中高档产品，目标消费人群为白领阶层（尤其是白领丽人）和少年儿童。
该产品工艺特殊，再加上不同口味的果肉搅入，故其集良好的口感和健康营养于一体，更配上时尚方便灵巧的包装，完全满足白领一族和少年儿童对美味和美感的追求。
市场前景非常乐观。
其成本控制在1.5元/杯（250克），市场售价为3.5元/杯，以每天最低消费量100吨计算，其利润为4173.826万元/年。
3.工厂总平面设计
3.1工厂的选址
项目厂址选择在武汉西湖区经济开发区，东西湖区地处长江左岸，武汉市的西北近郊，汉江、汉北河及府环河汇合之处。
位于北纬30°34′--30°47′，东经113°53′--114°30′之间，是古云梦泽的一部分。
境域自姑嫂树向西沿张公堤至舵落口接汉江干堤至新沟，再接旧府河堤至辛安渡，东北沿沦河、府河（又名捷泾河）经北泾嘴、黄花涝、大李家墩至戴家山，全境东西长38公里，南北宽22.5公里，总面积499.71平方公里。
该区环绕城区,城郊相连.距市中心商业区10公里,距汉口火车站7公里,距武汉天河国际机场18公里,距长江外贸码头15公里.开发园所在的武汉市位于京广铁路与长江黄金水道十字交汇点,东去上海,南京,西抵重庆,成都,南至广州,香港,澳门,北上北京,天津,距离均在1000公里左右.开发园与八大交通要道相连,即107国道,316国道,京珠高速公路,汉渝铁路,汉江水运航线,武汉市中环线,武汉绕城公路,天河机场高速公路,各交通要道在此相互汇通,纵横交错交通极为便利。
此外示范区地势平坦，工程基础条件良好，周围没有污染源等不利于建厂的环境因素。
厂址与原料基地之间均为高级公路相通，保证了原料采收期对运输时间的限制。
而销售地区也在上述中心城市，便于冷链运输和分销，适于建酸奶加工厂。
3.2工厂总平面图
项目占地15000m2，其中生产区占地6000m2，位于厂区中心；生活区占地1500m2，位于厂区东北角。
工厂坐北朝南，从南大门进厂，豁然呈现在眼前的是一个椭圆形的花坛，花坛中心设置有喷泉、假山，这种色彩鲜明、动静结合的搭配，给人一种清新洁净、生机盎然的感觉，烘托出项目产品新鲜、方便、卫生的底蕴，厂区总平面布置见图1。
花坛往北便是占地1440m2的主生产车间，宽敞明亮，布置有现代化的生产线。
洗手间、空气净化设备、卫生隔墙等设施一应俱全，全面适应生产的需要。
厂区东侧是机修间和锅炉房。
厂区西侧布置的是原料库、成品库和办公楼、实验室。
工厂的道路均按照工厂设计的标准进行布置，主干道路宽6m，两侧布置有绿化带，环绕整个厂区。
并设有人行道和缓冲区，充分做到人车分离、安全生产。
厂区的绿化带布置合理，栽种常绿树木和草类，使整个厂区四季如春，显得生机盎然。
厂区总平面设计图见附图1。
现在食品工厂大多采用轻钢结构的厂房，轻钢建筑材料重量轻、建设周期短，相对建筑成本比较低，同时，轻钢结构厂房相对跨度大，对设备在厂房中的布置影响小，框架结构对于不同功能分隔和以后的变更都非常的方便，因此，本设计也将采用轻钢结构厂房进行设计。
我国夏季多为东南风，冬季多为西北风，因此本设计将动力系统和污水处理系统放置在整个厂区的东侧，避免因为风向的问题影响产品质量，同时根据乳制品GMP要求，本设计的厂房具有通排风系统，避免外界的污染进入到车间内部。
主车间物流为南北走向，人流为东西走向，因此，在主厂房北侧设置原辅料仓库和容器整理中心，对原、辅料进行储存和瓶、箱等包装容器的初步滔滔和整理.原料经过加工处理，生产出的成品由主厂房南侧经过冷库储存和恒温月台分配后由物流配送系统运送出厂。
恒温月台能够避免成品在分配过程中处于高温环境，从而造成对产品质量的影响。
主场房人流方向为东西走向，人流经过主厂房一次换鞋、更衣、二次换鞋、消毒池以及风淋间后通过人流通道进入各个生产岗位进行生产。
设计中人流路线与物流路线没有交叉，因此能够避免事故和操作失误。
3.3车间布局图
主生产车间的墙壁采用24墙，间隔6m均匀布置0.5m×0.5m的方形柱网，柱网中间布置2m宽的窗户，便于通风和采光。
通风窗户设置空气净化设施，此外还设有吸音孔，以减少噪声污染。
车间人员入口门为2m×2.7m，物流出口的门为2.2m×3.0m。
管架布置标高3.2m，车间地坪采用防滑瓷砖铺面，设有地沟，便于冲洗和排污。
车间南门入口处设消毒间，其左右两侧分别是男女更衣室及浴室，主要供工人进出，再往里是走廊通往生产线，主车间内两条生产线分布在车间纵向对称轴线两侧，原料由冷库通过铲车通过北门消毒室运输到主生产车间两侧进入到车间内，两条生产线在车间内呈S型走向，成品由靠近成品冷库的车间一端送出，从而可以避免交叉污染，使人流物流在车间内线路流畅，主车间设备平面布置图见图2。
4.生产工艺流程设计
4.1生产工艺流程图
鲜牛乳
验收
预处理
奶仓
牛乳
白砂糖
溶解
调配
预热（60℃～65℃）
均质（15MPa）
杀菌（95℃，5min）
冷却（42℃～45℃）
直投式发酵剂接种
发酵（终点pH4.6）
破乳、冷却（15℃～20℃）
溶解杀菌冷却混合
稳定剂、水、白砂糖均质（15MPa）
冷却（15℃～20℃）
灌装、冷藏
保持冷链贮存或销售
4.2工艺流程优化
（1）预处理
净化可以除去原料乳中的杂质，使牛乳达到最高的纯净度。
为使原料乳中脂肪和无脂干物质之间的比例关系符合制品的要求，可通过闪蒸操作调整其比例关系。
（2）预热
预热一方面可以杀菌，而且由于适当加热，可以使一部分乳清蛋白凝固，提高酪蛋白的热稳定性，以防止灭菌时凝固，并赋予成品以适当的黏度。
同时可以钝化酶并降低均质后乳脂肪球的直径，防止均质后的产品中脂肪上浮，增加产品的稳定性。
预热温度控制在60℃～65℃。
（3）均质
均质主要是使原料充分混合均匀，阻止奶油上浮，提高酸乳的稳定性和稠度，并保证乳脂肪均匀分布，从而获得质地细腻、口感良好的产品。
均质压力控制在
15MPa。
（4）杀菌
杀菌目的在于杀灭原料乳中的杂菌确保乳酸菌的正常生长和繁殖，钝化原料乳中的天然抑制物；使乳清蛋白变性，以达到改善组织，提高黏稠度和防止成品乳清西出的目的。
杀菌温度控制在95℃，保温5min进行杀菌。
（5）冷却
冷却主要是为接种的需要。
经过热处理的牛乳需要冷却到一个适宜的接种温度，此温度控制在42℃～45℃内。
（6）接种
接种是造成酸乳受微生物污染的主要环节之一，因此严格注意操作卫生，防止细菌、酵母、霉菌、噬菌体及其他有害微生物的污染。
接种时充分搅拌，使发酵剂与原料乳混合均匀。
（7）发酵
发酵温度控制在42℃～45℃，从而为微生物代谢提供最适的温度环境，发酵时间2.5h～3h，且期间不搅拌。
发酵终点判定：
观察发酵乳表面的状态，只要表面呈均匀的凝固样，并且又少量乳清析出，即可初步判断接近发酵终点，再测定pH4.6时即可停止发酵。
（8）破乳、冷却
破碎凝胶体，使凝胶体的粒子直径达到0.01mm～0.4mm，并使酸乳的硬度和黏度及组织状态发生变化。
搅拌速度不可过快，时间不宜过长。
冷却目的是抑制乳酸菌的生长、降低酶的活性、防止产酸过度、使酸奶逐渐凝固、降低和稳定脂肪上浮和乳清析出的速度。
将发酵乳迅速降温至15℃～20℃。
（9）混合
将经溶解和杀菌的稳定剂、水和白砂糖辅料与发酵乳进行混合。
（10）均质
使混合料液滴微细化，提高料液黏度，抑制粒子的沉淀，并增强稳定剂的稳定效果。
均质压力控制在15MPa,均质温度为60℃左右。
均质是为了充分将添加入混合罐中的稳定剂、水和白砂糖辅料混合均匀，从而获得质地细腻、口感良好的产品。
（11）灌装和冷藏
采用相应灌装机进行灌装后的成品置于0℃～5℃冷藏12h～24h，进行后熟，以产生良好的风味。
4.3酸奶质量标准
酸奶质量标准
项目
纯酸牛奶
调味酸牛乳、果料酸牛乳
全脂
部分脱脂
脱脂
全脂
部分脱脂
脱脂
色泽
呈均一一致的乳白色或微黄色
呈均一一致的乳白色或调味乳果料应有的色泽
滋味和气味
具有酸牛奶固有的滋味和气味
具有调味乳或果料乳应有的滋味和气味
组织状态
组织细腻均匀，允许有少量乳清析出
果料酸牛乳有果块或果粒
脂肪，%
≧3.1
1.0-2.0
≦0.5
≧2.5
0.8-1.6
≦0.4
蛋白质，%
2.9
2.3
非脂乳固体，%≧
8.1
6.5
酸度，°T≧
70
苯甲酸，g/kg≦
0.03
0.23
山梨酸，g/kg
不得检出
≦0.23
硝酸盐（NaNO3计）
mg/kg≦
11
黄曲霉毒素MI,ug/kg≦
0.5
大肠菌群MPN/100ml
90
致病菌（指肠道致病菌和致病性球菌）≦
不得检出
5.设计计算说明
5.1物料平衡计算
根据工厂设计规模、产品方案，通过物料平衡计算，可确定单位时间生产过程中主要原辅料的需求量以及水、蒸汽、能源等流量与耗量，据此就可以计算出全年主要物料、包装材料的采购运输和仓储容量。
同时通过物料衡算，还可以根据计算数值经济合理地选择生产设备，并进行车间的工艺布置和各工序劳动力的安排，也是进行经济分析不可缺少的根据。
为平衡每月生产的产量，避免出现部分月停产，部分月加工任务过于繁重，结合主要加工酸奶的品种成熟时间情况，初步安排产品生产方案如下（注每月以30天计）：
根据酸奶基础配方：
5.1.1凝固型酸奶
鲜牛奶85%，蔗糖7%，稳定剂0.5%，菌种3%，水：
余量。
凝固型酸奶的日产量为90吨，因此生产凝固型酸奶的原料使用量（以最高使用量）如下：
鲜牛奶：
90吨*85%=76.5吨；
蔗糖：
90吨*7%=6.3吨；
稳定剂：
90吨*0.5%=0.45吨；
菌种：
90吨*3%=2.7吨。
5.1.2搅拌型酸奶
鲜牛奶85%蔗糖7%，稳定剂0.5%，菌种直投，果料5%，水：
余量。
菌种：
脱脂奶粉12%，水：
余量。
搅拌型酸奶的日产量为185吨，因此生产搅拌型酸奶的原料使用量（以最高使用量）如下：
鲜牛奶：
185吨*85%=157.25吨；
蔗糖：
185吨*7%=12.95吨；
稳定剂：
185吨*0.5%=0.925吨；
菌种：
直投式菌种；
果料：
185吨*5%=9.25吨。
5.2水平衡计算
（1）鲜牛奶兑水量W1 鲜牛奶 ：
水=1：
8。
故用水量W1＝12×3=36t/班
（2）发酵前冷却用水量W2 用水量W2=12×3×2×20/（8×60）=3.0t/班
（3）发酵中平衡温度用水量W3 W3＝12×1=12t/班。
（4）设备清洗用水量W4 W4＝6＋6＝12t/班[16]。
（5）冷却水用水量W5
a、自来水冷却用水量
100℃→60℃，自来水25℃→50℃
G酸奶×Gp酸奶×△t1=W自×Cp水×△t2
12×0.9×（100－60）=W自×1×（50－25）
故：
W自=17.28t/班
式中G酸奶――酸奶的质量（t）；
Cp酸奶――酸奶的比热容；
Cp水――水的比热容；
b、冰水冷却用水量
冰水冷却时，冰水可循环使用二次。
以下是当冷却2t/h酸奶的需水量：
酸奶60℃→15℃，冰水5℃→20℃
2×Cp酸奶×△t1′=W冰水×Cp冰水×△t2′
2×0.9×（60－15）=W冰水×1.006×（20－5）
故：
W冰水=5.368t/h,所以每班用水量为32.21t式中Cp酸奶――酸奶的比热容；
Cp冰水――冰水的比热容；
冷却水用水量W5＝W自＋W冰水＝17.28＋32.21＝49.49t/班。
（6）制冷系统用水量
W6用水量W6＝5.47t/h（参照设备厂家提供的数据）。
（7）清洗地坪用水量W7
每40㎡生产车间需要用水0.3t，每班清洗二次。
W7=（S/40）×0.3×2=（2000/40）×0.6=30t/班
（8）锅炉用水量W8
锅炉生产能力为1.0t/h，再加上锅炉自用水和蒸汽损失的20%，所以用水量W8＝1.0×（1+20%）×8=9.6t/班
（9）生活用水量W9
最大班人数为100人。
根据经验数据，每人平均生活用水70kg/h。
生活最大用水量100×70kg/h=7000kg/h每班按八小时计算W9＝56t/班
（10）消防用水量W10
因为此项用水较少，可忽略不计，若发生火警时，可将生产用水或生活用水调节使用。
故：
生产期间总用水量W
W=W1＋W2＋W3＋W4＋W5＋W6＋W7＋W8＋W9＋W10
＝36+3+12+12+50＋30＋9.6＋56＋44
=252.36t/班
单位时间全厂总用水量W全=252.36/8=31.55t/h,考虑到在一天生产过程中用水的峰期需求，在此基础上以增加20%计，则全厂的单位时间的供水能力应达到：
31.55×1.2＝37.85t/h。
全年用水量：
37.85×8×2×250＝151400t
5.3热量平衡计算
板式换热器冷却阶段
选取冷却水进出口温度为5℃→20℃，则平均温度为Tm=12.5℃
薄板传热系数
料液
冷却水
则逆流平均温差
。
选取薄板长为
，则换热面积为
板式换热器预热阶段薄板换热器每小时热量
5.4无菌空气平衡计算
生产工艺基础数据：
年产10万吨乳酸，年工作日300，发酵周期64h，辅助时间8小时，2.1.1发酵车间无菌空气高峰需求量10m3/h
2.1.2发酵车间无菌空气年耗量10m3/hx300h=30000m3/h
5.5班产量计算与人员安排
班产量 ：
班产量一天三班每班8H每年工作300天每班14吨
人员安排
序号
部门或岗位
人员编制（人）
备注
1
管理人员
26
2
生产技术部
32
3
供销部
56
4
质控部
18
5
办公室
6
6
财务部
6
7
工程部
20
8
生产车间
98
人员不足部分采取临时招聘。
9
项目开发部
15
10
人力资源部
8
11
运输队
20
12
合 计
305
5.6设备的选型与校核计算
物料计算是设备选型的依据，选择设备时要注意四点：
（1）根据每一品种单位时间（h或min）产量的物料平衡情况和设备生产能力来确定所需设备的台数。
（2）几个生产中的关键设备，除按实际生产能力所需台数的设备外，还应考虑备用设备。
（3）以便后道工序的生产能力要略大于前道，不至于生产能力不够，导致物料积压。
（4）选择设备应考虑下列原则
a.满足工艺要求，保证产品的质量和产量。
b.应选用较先进，机械化程度较高的设备。
c.充分利用原料，能耗少，效率高，体积小，能一机多用。
d.应符合卫生要求，故而多应用不锈钢材料。
e.有合理的自动控制系统,控制温度、压力和真空度，时间、速度等工艺参数。
6.产品包装设计
包装材料的存放时间一般可按10天的需要考虑．
（1）铝箔一天的消耗：
80千克
（2）塑周转箱一天的消耗：
3040×0.5千克=1.520吨
（4）纸盒一天的消耗：
50050×0.003千克=0.150吨
（5）吸管一天的消耗：
400400×0.0015千克=0.601吨
（7）塑杯一天的消耗：
400400×0.0025千克=1.001吨
包装材料总计3.352吨，按10天的储备量计算，共需要33.52吨。
辅助面积按50平方米计算，仓库利用系数取0.6，D取1.5T每平方米，F=33.52÷（0.6×1.5）+50=87.25平方米。
7.总结
（1）经过财务分析及市场调查，认为该项目属于竞争性较强的项目，可以获得可观的经济效益。
该建设项目位于中国湖北武汉，地理位置十分优越，交通十分便利，劳动力价格又不是很高，该项目的建成，加长了食品链、带动了农业产业化。
（2）在兴建乳品企业的过程中，准确的分析当前乳品市场情况和将来的发展趋势，是进行正确的投资规划的基础，本文运用工程系统分析的方法，分析了当前乳品行业的国际、国内现状和乳品市场。
在此基础上，对乳品行业的发展作了科学的预测，提出了酸乳生产系统技术改造的方法和途径。
（3）在工艺设计阶段，本文综合运用食品工厂设计的专业知识对项目作了详细的工艺设计。
（4）在工厂平面布置阶段，本文运用手绘图纸进行了乳品厂的平面布置设计，给出了平面布置方案。
（5）由于本人知识的局限性，加之对中小型乳品企业研究还不够深入，在规划设计中还不能得心应手地运用各种最先进的工程经济理论全面解决实际问题。
同时由于论文篇幅限制，本文仅总结了规划设计中的部分工作。
8．附图
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