食品工程原理课程设计管式超高温瞬时灭菌设备.docx
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食品工程原理课程设计管式超高温瞬时灭菌设备
淮海工学院
食品工程原理课程设计
题目：
管式超高温瞬时杀菌设备设计（10吨/班）
系（院）：
海洋生命与水产学院
专业：
食品科学与工程
班级：
食品14
姓名：
2017年7月日
一、引言
1.1超高温瞬时灭菌机的工作原理
一般物料由离心泵泵入灭菌机中冷热料热交换装置中而得到预热，再经过充满高压的高温桶，物料被迅速加热到杀菌温度并在此前后保持约3秒，其中的微生物及酶类很快被杀灭。
物料出高温桶后通过与冷料的热交换获得冷却，一般温度低于65℃。
如果下道工序需要提高温度则可通过调节角式截止阀或循环等途径达到要求，反之则通过接入冷却水来降低出料温度。
出料通过节流阀控制，此阀能使在维持一定压力下物料的沸点高于最高温度。
正常生产时调节此阀，由泵的推动力克服弹簧压力而产生背压控制流量，在清洗灭菌机时则应全部开启。
循环贮槽可用来配制酸碱溶液，对盘管内壁积垢进行有效清洗。
由于同时采用不锈钢三通旋塞，流量可以得到适当调节。
1.2超高温灭菌的加工类型
超高温杀菌（UHT）方法分间接式和直接式加热两种。
间接式加热采用高温蒸汽喷射牛乳，首先将鲜牛乳预热至75℃。
85℃保持4rain。
6min，而后于135℃一150℃高温灭菌2S一5s；直接加热式是将鲜牛乳在高压下喷射于蒸气中，达140℃数秒钟。
uHT杀菌法较好的保持了产品风味和营养，由于耐热性细菌都被杀死，故贮藏性明显提高，无需在10℃以下冷藏保存，保存期较长。
1.3超高温瞬时灭菌设备特点
（1）杀菌温度很高,效果明显,高温时间极短,因此引起的化学变化很小,保证了物料特性,稳定制品质量；
（2）使用安全,操作方便,设备采用全密封的形式,操作规程具有程序化；
（3）占地面积小,一台2吨/小时的瞬时超高温灭菌机占地仅1㎡左右；
（4）可实现设备原地无拆卸循环清洗（CIP）；
（5）由于设计上采用有冷热料的热交换器具有废热利用的经济效果,故蒸汽消耗量小；
（6）与离心泵或高压均质机串联使用,应用范围很广,适宜于高粘度物料的灭菌,如炼乳；
（7）设备耐用,折旧率低,除了定期更换密封圈等易损件外,绝大部分能长时间保持较好的性能；
1.4超高温瞬时杀菌设备在食品中的应用
（1）超高温杀菌在牛奶加工中的应用
超高温灭菌牛奶是杀死所有能导致产品变质的微生物，并采用无菌灌装，因而产品具有卫生、安全、保质期长又无需冷藏等优点。
但是超高温牛奶佑质期一般长达6个月，从营养的角度，超高温牛奶采用高温瞬时杀菌、无菌灌装工艺，虽然热处理温度高，但灭菌时间只有2-4秒，因而牛奶中的营养成分损失不大；又因为超高温产品采用阻光、阻氧化和阻水的包装，因而产品在储存期内，营养成分基本上也可以保证稳定。
从风味方面，超高温产品在刚加工好后的1-2周里，会有比较明显的蒸煮味，这主要是由于牛奶中的部分蛋白加热后生成少量的含硫化合物造成。
但是这种蒸煮味在生产后2-3周后逐渐消失，此后进入饮用的最佳时期。
（2）超高温杀菌在果酒加工中的应用
果酒酒精度低,糖度较高,营养丰富,微生物容易生长、繁殖,预防果酒生物危害是保证产品质量的重要环节。
果酒加热时间过长感官指标变差,通常果酒不采用瓶装后巴氏灭菌,而通过灌装前高温瞬时灭菌,适当添加防腐剂控制生物危害。
超高温杀菌在饮料加工中的应用
在饮料中的杀菌，需要快速有效的热传导，通常采用刮板式或管式热交换器。
在饮料杀菌采用超高温杀菌有：
①温度控制准确②设备精密温度高，杀菌时间极短，杀菌效果显著，③引起的化学变化少，适于连续自动化生产.
（3）超高温杀菌在豆奶加工的应用
经超高温瞬间灭菌后,豆奶中的细菌在瞬间高温下全部被杀死,并且最大限度地保存了豆奶中的营养成分。
无菌包装控制了产品的微生物数量,所得到的产品可在室温下保存3个月,在4℃条件下保存4个月到6个月。
产品由于不需要添加任何防腐剂,流通过程中不需要冷藏环境,因此降低了成本,更为重要的是避免了因为冷链发生意外导致的产品变质问题,极大地提高了企业的经济效益。
超高温杀菌在茶饮料加工中的应用
由于微生物对高温的敏感性远大于大多数食品成分对高温的敏感性，故UHT杀菌能在很短的时间内有效地杀死微生物，能保持食品应有的品质。
采用UHT杀菌可避免茶饮料杀菌后色泽加深和风腐剂也可增强杀菌效果或减少杀菌时间。
杀菌罐装时充人氮气或二氧化碳、排除氧气，可稳定茶汤中的儿茶素物质。
在热灌装过程中采用UHT杀菌，没有密封后的二次杀菌，故可以减少产品的受热时间，降低对风味和营养成分的热破坏，同时降低了本道味劣变，加人维生素C 可加强杀菌效果，加人防腐剂也可增强杀菌效果或减少杀菌时间。
杀菌后罐装时充人氮气或二氧化碳、排除氧气，可稳定茶汤中的儿茶素物质。
在热灌装过程中采用UHT杀菌，没有密封后的二次杀菌，故可以减少产品的受热时间，降低对风味和营养成分的热破坏，同时降低了本道工序中易发生的瓶破和跳盖等。
1.5超高温灭菌乳的定义
指物料在连续流动的状态下通过热交换器加热至135～150℃，在这一温度下保持一定的时间，以达到商业无菌水平，然后在无菌状态下罐装于无菌包装容器中。
1.6生产灭菌乳的主要目的
使产品的特性在加工后保持稳定并使此时间尽量延长。
灭菌乳应符合两项要求：
①加工后产品的特性应尽量与其最初状态接近；②贮存过程中产品的质量应与加工后产品的质量保持一致。
二、工艺设计（在牛奶中的应用）
2.1工艺流程
原料乳的验收→标准化→净乳→预杀菌（15min）→脱气（冷却，贮存）→均质→UHT灭菌→灌装→检验
2.2工艺要求
生产能力：
10吨/班
假设班生产时间为12h,空消时间为1h，生产后清洗消毒时间为1h,则每小时处理原料奶1吨即1000kg/h
2.3操作要点
①原料乳的要求及理化指标检测
制造优良品质的乳制品，必须选用质量优良的原料乳，验收时要对原料乳进行嗅觉，味觉，外观，尘埃，温度，酸度，酒精，比重，脂肪，蛋白质，全乳固体，细菌数等严格检查。
②原料乳的标准化
为了使产品符合规格要求，乳制品中的脂肪，蛋白质和非脂乳固体含量保持一定，符合生产产品要求。
但是原料中的脂肪，蛋白质和非脂乳固体含量随乳牛的品质，地区，季节和饲养管理等因素不同有很大差异，因此必须对原料乳进行标准化，调整原料乳脂肪，蛋白质，非脂乳固体含量，使其比例符合制品的要求。
③原料乳的净化
净化的目的是去除乳中的机械杂质并且减少微生物的数量，可以采用过滤净化或离心净化等，简单的粗滤是在受乳槽上装有过滤筛网并铺上多层纱布进行，吕布应经常清洗灭菌。
使用离心净乳机可以显著提高净化效果，有利于提高品质量。
离心净乳机还能将乳中的乳腺体细胞和某些微生物除去，净乳机放在粗滤之后冷却之前。
④预热杀菌
原料乳在均质之前用巴氏杀菌法进行预热杀菌，预杀菌的目的有：
1.初步杀死大部分的细菌和致病菌，使UHT的杀菌更彻底，以保证食品的安全性，提高食品的贮藏性。
2.抑制酶活性，以免成品产生脂肪水解，酶促褐变等不良现象。
采用杀菌温度为80℃，实践为15min。
⑤冷却，贮存
冷却温度为5℃-10℃，以抑制细菌的繁殖。
为了保证工厂的连续生产的需要，必须要有原料乳一定的储存量，一般设有多个贮乳罐。
贮乳罐配有搅拌器，定时搅动液体，防止脂肪上浮，造成原料乳的成分分布不均。
⑥均质
均质是对脂肪球进行机械处理，使脂肪球均匀一致分散在乳中。
均质采用二级均质，均质温度采用55℃-80℃，均质压力为2.0MPa-2.5MPa。
若温度降低后再均质，不仅降低了均质效果，而且有时会使脂肪球形成乳油粒。
⑦超高温瞬时（UHT）灭菌
超高温瞬时灭菌是指物料在连续流动的状态下通过热交换器加热到135℃-150℃，在这一温度下保持一定的时间以达到商业无菌，用这种方法灭菌在有效杀灭微生物的前提下，最大限度地保留了牛奶中的营养成分，生产的牛奶可在常温下长期保存。
⑧无菌灌装
灌装必须确保在无菌的状态下进行，计量准确，封口可靠，成型完好，喷码清晰。
⑨检验
合格的产品直接装箱出库，有问题的产品进行一次复检，仍不合格的产品直接销毁。
三、物料衡算
3.1工艺流程损失率表
步骤
损失率
标准化
1%
净乳
1%
预杀菌
2%
脱气
1%
均质
1%
UHT灭菌
2%
（1）因每小时产量为1000千克/小时，取标准化的损失率为1%，则标准化后的质量为
1000*（1-1%）=990千克
（2）取净乳的损失率为1%，则净乳后的质量为
990*（1-1%）=980.1千克
取预杀菌的损失率为2%，则预杀菌后的质量为
980.1*（1-2%）=960.498千克
取脱气的损失率为1%，则预杀菌后的质量为
960.498*（1-1%）=950.893千克
取均质的损失率为1%，则均质后的质量为
950.893*（1-1%）=941.473千克
取UHT灭菌的损失率为2%，则UHT灭菌后的质量为
941.473*（1-2%）=922.644千克
则无菌灌装时的质量为922.644千克
3.2物料衡算图
原料乳验收（1000kg）
↓
标准化（1000kg）
↓-1%
净乳（990g）
↓-1%
预杀菌（980.1kg）
↓-2%
冷却贮藏（960.498kg）
↓
脱气（960.498kg）
↓-1%
均质（950.893kg）
↓-1%
UHT灭菌（941.473kg）
↓-2%
冷却（922.644kg）
↓
无菌灌装（922.644kg）
四、杀菌机的生产能力计算
4.1确定物性数据
主要物性参数表
介质
性质
密度
kg/m3
比热
kJ//（kg·℃）
粘度
Pa·s
热导率W/（m·℃）
牛奶
冷流体
1030
2.5
0.00212
0.61
蒸汽
热流体
926.1
4.287
0.201
0.6844
假设进入设备的物料从80℃上升到137~150℃，且在此环境下保持3s-4s，蒸汽在设备中严格的按照逆流方式进行传热，蒸汽释放出气化潜热。
牛奶进口温度80℃，出口温度140℃；
热蒸汽温度150℃，汽化潜热r=2118.5
温度差的计算：
∆t₁=T-t₂=150-140=10℃
∆t₂=T-t₁=140-80=60℃
式中：
T——热蒸汽温度，℃
T₂——热蒸汽出口温度，℃
t₁——物料进口温度，℃
t₂——物料出口温度，℃
换热平均温度差：
∆tm=（∆t₂-∆t₁）/㏑（∆t₂/∆t₁）
=（60-10）/㏑（60/10）=27.9℃
冷物料所需要的热量：
Q=WcCpc（t₂-t₁）
=（941.473/3600）×2.5×（140-80）=39.23kw
式中，Wc——每秒钟所处理的物料量，kg/s
Cpc——牛乳比热容，KJ/（kg·℃）
根据能量守恒定律：
D=Q/r=39.23/2118.5=0.019kg/s=68.4kg/h
式中，D——蒸汽消耗量，kg/h
r——加热蒸汽的汽化热，KJ/kg
4.2估算传热面积
传热面积S1，（假设K=1000W/㎡·℃）
S1=Q/K∆tm=39230/（1000×27.9）=1.4㎡
为保证传热效果，取放大系数1.2计算校正传热面积S
S=1.2S1=1.68㎡。
4.3校核总传热系数K
选用Φ25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=1.50m/s。
Rei=di*ui*ρi/μi=0.02*1.5*1030/0.00212=14575.47,
αi=0.023αi/di（di*ui*ρi/μi）^0.8*（Cpi*μi/λi）^0.4=1673.36w/（㎡.℃）
α=0.725*[（grρ^2λ^3）/（μdN∆T）]^0.25
g=9.8,r=2118500,ρ=926.1,λ=0.6844,μ=0.201,d=0.025,
∆T=150-（140+80）/2=40,
3.14*dLn=Sd=0.025,L=2n=22N=5
α=2747.7
1/K=1/α+1/αi+b/λb=0.0025,λ=45
K=982.36
K值与估算值相差较小
实际传热面积S=Q/K∆tm=39230/（982.36×27.9）=1.43㎡
1.2*S=1.72㎡
4.4设备选型
根据物料衡算和能量衡算结果，所选用的是上海科劳机械设备有限公司的型号为RP6L10的盘管式超高温瞬时杀菌机，其产量为1吨/小时，尺寸可设计为为1200*1200*2000mm
五、总结
一个学期的食品工程原理课程结束了，在学期尾声，我们进行了课程设计，我所要做的是超高温瞬时杀菌机的设计。
在设计过程中，我需要计算很多东西，比如物料衡算、主要设备的工艺尺寸计算。
由于我的知识范围有限，我参考了很多课程设计的模板，按照人家的设计步骤及计算方法，一步一步地完成了我的设计，同时我也能在遇到困难时向同学及老师请教。
经过这次的课程设计，让我巩固了食品工程原理的理论知识，培养了我的设计能力。
经过食品工程原理课程设计，让我们学会了如何运用理论知识，投入到实践生产中，让我们掌握了食品工程原理的设计步骤以及注意事项，培养了我们查阅资料以及正确选用公式及计算方法的能力。
总而言之，这次的课程设计让我获益匪浅。
六、参考文献
[1]《食品工程原理》第二版冯骉；中国轻工业出版社
[2]《食品加工机械与设备》肖旭霖；中国轻工业出版社
[3]《化工原理课程设计》
[4]《化工单元操作课程设计》
[6]高福成.乳品工程原理[M].北京：
中国轻工业出版社2008.
[7]许学勤.食品工厂机械与设备M].北京：
中国轻工业出版社2008.
[8]涂顺明等.食品杀菌新技术[M].北京：
中国轻工业出版社2004.
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