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发酵型酸奶生产车间设计1绪论
1.1发酵型酸奶生产的各种工艺流程及相关特性酸奶又名酸乳或酸牛乳,最原始的酸奶只是一种利用牛乳或其他动物乳中天然存在的乳酸菌使乳糖转化成乳酸而制作的一种发酵乳20世纪中叶以来,西欧一些国家开始大量生产发酵乳,其中酸乳已成为国际上广泛流行的发酵乳联合国粮食与农业组织(FAO),世界卫生组织WHO与国际乳品联合会IDF于1997年给酸乳做出如下定义酸乳,即在添加(或不添加)乳粉(或脱脂乳粉)的乳中(杀菌乳或浓缩乳),由于保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的作用进行乳酸发酵制成的凝乳状产品,成品必须含有大量的相应的活性微生物通常根据成品的组织状态、口味、原料中的乳脂肪含量、生产工艺和菌种的组成可以将酸奶分成不同种类其中根据成品组织状态将酸奶分成凝固型、搅拌型和饮用型酸奶
[1]
1.
1.1凝固型酸奶凝固型酸奶是以新鲜乳为原料,添加适量的蔗糖,经巴氏杀菌并冷却后,加入乳酸菌发酵剂,经保温发酵而制成的产品,由于发酵后乳变成为凝胶状态,故称为凝固型酸奶其工艺流程为原料乳(乳粉)验收→过滤、净化→标准化→配料、预热、均质、杀菌、冷却→接种→罐装→发酵→冷却→冷藏、后熟→成品其特性是:先行灌入零售包装容器再在其中发酵,成品得以保存其凝乳状态
1.
1.2搅拌型酸奶搅拌型酸奶是指经过处理的原料乳添加了发酵剂后,先在发酵罐中发酵至凝乳,再降温搅拌破乳、冷却,分装到包装容器内因为这类产品经过搅拌成糊状,黏度较大,呈半流动状态,也称作液体酸奶其工艺流程为原料乳(乳粉)验收→过滤、净化→标准化→配料、预热、均质、杀菌、冷却→接种→发酵→破碎凝乳→冷却、搅拌→罐装→冷藏、后熟→成品其特性是:先在大罐中发酵,后罐装于包装容器;发酵所得凝乳被其后的破碎凝乳/冷却,搅拌/罐装的过程搅碎成粘稠而可流动状态
1.
1.3饮用型酸奶饮用型酸奶属于低黏度搅拌酸奶,也可作“酸乳饮品”,其生产工艺流程中原料的预处理及发酵酸化过程与搅拌型酸奶相同经热处理的牛奶以与搅拌型酸奶一样的方法在罐中发酵,当达到所需的pH值(接近
4.2)时,果汁、糖和稳定剂就被充分的混合进去,然后按产品所需的货架期以不同的方法处理这种酸奶混合物其工艺流程有三种,分别为
(1)原料乳(乳粉)验收→过滤、净化→标准化→配料、预热、均质、杀菌、冷却→接种→发酵→混合→均质→冷却→包装→冷藏→成品
(2)原料乳(乳粉)验收→过滤、净化→标准化→配料、预热、均质、杀菌、冷却→接种→发酵→混合→巴氏杀菌→均质→无菌包装→冷藏→成品
(3)原料乳(乳粉)验收→过滤、净化→标准化→配料、预热、均质、杀菌、冷却→接种→发酵→混合→UHT处理→无菌包装→室温储存→成品利用上述三种不同的方法可分别获得2~3周、数周、数月的货架期货架期一般是指产品从生产出来后到保持消费者能够接受的质量特性的时间(通常以天计)前两种方法只通过了巴氏杀菌,乳中仍残留有少量微生物和酶类,在适宜的温度条件下,仍会引起酸奶变质所以在仓储、运输、销售等全过程须始终保持10℃以下,以抑制这些微生物和酶类的作用后一种方法通过商业无菌灭菌,可以贮存在室温但为了保证产品的风味,建议控制贮存在20℃的干燥通风、无日光直射的环境里饮用型酸奶的特性:是基于搅拌型酸乳的加工过程,固形物含量略低,在灌入零售包装容器前被破碎凝乳,流动性较好
1.2工艺原则,范围与依据食品工厂的工艺设计是以生产产品的生产车间为核心的设计根据计划(设计)任务书所规定的生产规模、产品品种、质量要求,并结合建厂地点、原料来源、动力供应及水源水质等具体情况,因地制宜确定生产方法、技术水平;选择工艺流程、生产设备进行生产车间的布置等工艺设计还需对工厂设计其他部门或阶段设计提供技术要求和基本数据资料工艺设计应力求技术先进、经济合理工厂工艺设计的基本内容有产品方案、规格及班产量确定;主产品生产工艺流程的选择和论证;工艺计算,包括物料衡算、生产车间设备生产能力的计算和选型、劳动力要求计算及分配;生产车间水、电、汽、冷用量计算;生产车间平面布置和生产工艺设备流程图、管路布置图等工艺设计还需向其他设计提供要求和信息,包括对土建面积、车间高度、结构、洁净度、卫生设施等的要求;供水排水、电、汽、冷量及要求;原料、中间产品、终产品数量及储存要求;辅助车间的工艺要求等
[2]工艺设计的主要依据是设计任务书;项目工程师下达的设计工作提纲;采用新工艺、新技术、新设备、新材料时的技术鉴定报告;选用设备的有关产品样本和技术资料;其他设计资料
1.3酸乳制品的发展趋势及工艺流程的确定
1.
3.1酸乳制品的发展趋势随着冷链技术的发展,新的生物技术和科研成果在酸乳生产中的应用,酸乳制品的种类越来越多,新型酸乳不断涌现,如干制酸乳、冷冻酸乳和杀菌酸乳,大大丰富和扩展了传统意义上的酸乳的概念内涵现代酸乳技术呈以下趋势
[3]
(1)酸乳的品种已由原味淡酸乳向调味酸乳(添加各类香精)、果粒酸乳(添加各类水果果料)和功能性酸乳(特殊有益菌,营养成分的功能性如低脂低糖高钙高蛋白、添加维生素和矿物质元素)转化
(2)保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌为生产普通酸乳的最优菌种组合,双歧杆菌酸乳和嗜酸乳杆菌酸乳已越来越被消费者所接受20世纪90年代以后芬兰、挪威、荷兰等国出现了新型功能性酸奶——干酪乳杆菌酸乳,具有良好的产香和滑爽、细腻质构类酸乳的菌种选育已受到广泛重视,此后发酵酸乳菌种研究也引起人们的重视
(3)通过改变牛乳基料的成分生产低热量的发酵产品
(4)生产方便、口味温和、几乎不用添加剂的长货架期产品利用现代杀菌技术生产“长寿酸乳”已成为酸乳发展的热点,这类酸乳因其常温下半年以上的保质期更适合运输和消费
(5)在冷链情况下消费的包装形式是现阶段和未来产品的热点和趋势,这一方面由于冷链技术的发展,另一方面有利于保持酸乳中有足够的对人体有益的活菌数
1.
3.2本设计确定工艺流程的原则
(1)保证产品符合国家食品安全标准和食品GMP的要求
(2)优先选择先进、科学的工艺流程,以确保生产符合时代的要求的、优质适销的产品
(3)在保证生产要求的前提下,选择可以提高产品质量和生产效率,降低生产消耗和成本的生产工艺
(4)选择的流程能缩短生产周期,减少生产工序和环节,优先采用机械化、连续话作业线
(5)在保证生产要求的前提下,尽量节省厂房和生产设备,特别是尽量减少特殊的厂房和设备
(6)减少“三废”处理量,注意“三废”处理效果
1.
3.3工艺流程的选择与论证70年代以来,世界乳品工业呈稳步发展的趋势,生产规模大型化和集中化是其主要特点之一而生产规模大型化和集中化导致市场的地域更大和运输距离更长,这使得延长产品货架期的加工方法成为必不可少的,同时对能贮存在室温下的热处理酸奶存在着需求因此本设计针对饮用型酸奶生产,选择长货架期的生产工艺流程,其生产工艺流程如下原料乳(乳粉)验收→过滤、净化→标准化→配料、预热、均质、杀菌、冷却→接种→发酵→混合→UHT处理→无菌包装→室温储存→成品针对该工艺流程,还需对杀菌和UHT处理工艺流程进行选择与论证杀菌以杀灭微生物为主要目的,是最常用的延长食品保存期的加工保藏方法,几乎所有乳制品的安全卫生都离不开热杀菌根据要灭微生物种类的不同可分为巴氏杀菌和商业杀菌
1.
3.
3.1各种巴氏杀菌工艺的比较相对于商业杀菌而言,巴氏杀菌是一种较温和的热杀菌形式,巴氏杀菌的处理温度通常在100℃以下,典型的巴氏杀菌条件是
62.8℃/30min,达到同样的巴氏杀菌效果可以有不同的温度、时间组合巴氏杀菌可使食品中的酶失活,并破坏食品中热敏性的微生物和致病菌巴氏杀菌的目的及其产品的贮藏期主要取决于杀菌条件、食品成分(如pH值)和包装情况巴氏杀菌可消灭所有的致病菌、酵母、霉菌和绝大部分其他细菌,但并不能达到灭菌的程度因此,经过巴氏杀菌的酸乳都需在低温下保存,货架期一般只有数周目前乳品厂所采用的巴氏杀菌方法主要包括低温长时巴氏杀菌、高温短时巴氏杀菌和超巴氏杀菌法
[4]1低温长时巴氏杀菌该法是很久以来沿用的巴氏杀菌法,具体杀菌条件为62~65℃,并在此温度下保持30min,故又称保持式杀菌法该法的特点是简单、方便,杀菌效果达99%,致病菌完全被杀死;不能杀死嗜热耐热性细菌及孢子,乳中存在的一些酶也未被钝化;设备较庞大,杀菌时间较长此法虽然设备简单、便宜,但它处理量低、费时、费力、能耗大,不宜循环利用因此这种方法目前已很少使用2高温短时巴氏杀菌即采用(80℃~85℃)/(10~15s)或(72~75℃)/(16~40s)的杀菌方法,也可采用(85℃~90℃)/(1~4s)的直接蒸汽闪蒸杀菌法,又称高温瞬时杀菌法此法一般选用片式或管式热交换器,可以在短时间内连续处理大量牛乳,目前广为使用它可随设备条件的不同而实现升温、热交换、冷却安排在同一台设备中,充分利用热能,降低燃料消耗该法的特点是杀菌效果好,残存菌主要是耐热性乳酸杆菌和芽孢杆菌,其他细菌几乎全部杀灭;占地少、紧凑(仅为单缸法的占地面积的20%);处理量大,连续化生产,节省热源,成本低;可于密闭条件下进行操作,减少污染的机会;加热时间短,营养成分损失少,乳质量高,无焖煮味;可于CIP(原地无拆卸循环清洗系统)清洗配套设施节省劳力,提高效率;温度控制检测系统要求严格(仪表要准确)3)超巴氏杀菌超巴氏杀菌的温度为125~138℃,时间2~4s,然后将产品冷却到7℃以下储存和分销,即可使保质期延长至40d甚至更长这需要极高的生产卫生条件和优良的冷链分销系统但超巴氏杀菌温度再高,时间再长,它仍然与超高温灭菌有根本的不同点超巴氏杀菌产品并非无菌罐装;超巴氏杀菌产品不能在常温下储存和分销;超巴氏杀菌产品不是商业无菌产品从杀死微生物的观点来看,乳的热处理强度是越强越好但是强烈的热处理对乳的外观、味道和营养价值会产生不良后果如乳中蛋白质在高温下变性;强烈的加热使乳的味道改变,出现“蒸煮味”及焦味因此,时间和温度组合的选择必须考虑到微生物和产品质量两方面,以达到最佳效果在本设计中均质后的原料乳在90℃/5min的工艺条件下进行杀菌这样,除了达到杀灭微生物和钝化酶的目的外还有以下效果:原料乳中氧的去除以及由于乳清蛋白的变性增加了硫氢基降低了氧化还原电位有效助长了乳酸菌的生长繁殖;由于蛋白质的变性改善酸乳的硬度与组织;防止乳清分离
1.
3.
3.2各种UHT处理工艺的比较商业杀菌一般有简称为灭菌,是一种较强的热处理形式,通常是将食品加热到较高的温度并维持一定的时间,以达到杀死所有病菌,腐败菌和绝大部分微生物的目的,使杀菌后的食品符合货架期的要求超高温灭菌的出现,大大改善了灭菌乳的特性,不仅使产品从颜色和味道上得到了改善,而且还提高了产品的营养价值UHT处理是指物料通过加热至135~150℃,保温时间为2~8s,以达到商业无菌要求,然后在无菌状态下罐装于无菌包装容器中的产品按照物料与加热介质是否接触,UHT系统可分为直接加热和间接加热系统
[5]1直接加热法该法是将乳混注到一定压力下的蒸汽室内或将蒸汽注入乳中在蒸汽瞬间冷凝的同时加热牛乳到140~150℃的灭菌温度保持1~4s后乳进入蒸发室将乳中由蒸汽液化而来的水分等量闪蒸出去同时乳迅速冷却该法的优点是加热快速冷却快速对乳中化学物质的影响相对较小也不存在结垢现象缺点是加热设备比较复杂需要纯净的蒸汽系统的热回收能力差生产成本高且会影响乳中的风味物质以及乳脂肪的稳定性2间接加热法该法是采用中压蒸汽或中压水为加热介质热量经过固体换热壁转传给待加热杀菌的物料物料的冷却也是通过与冷却介质换热来实现的目前我国大多数企业在进行UHT处理时使用间接加热的UHT系统采用板式或管式换热期管式和板式间接加热系统的热回收率一般在90%以上与直接加热系统相比大大降低了生产成本因此在本设计中UHT处理选择间接加热系统.2主要构筑物的设计计算
2.1班产量的确定班产量的大小直接影响到设备的配套、车间的布置和面积、公用设施和辅助设施的大小,以及劳动力的定员等班产量主要由原料供用量的多少、生产季节的长短、延长生产期的条件(如冷库及半成品加工措施等)、定型作业线或主要设备的生产能力、每天生产班次及产品品种的搭配以及厂房、公用设施的综合能力等因素制约另外,班产量的确定还与市场销售能力有关系
[6]
2.
1.1生产班制酸乳生产企业每天生产班次为1~2班根据加工品的市场需求,酸乳厂生产工艺特点,原料特性及加工设备的生产能力和运转状况,一般淡季一班,中季二班,旺季三班
2.
1.2生产天数及日产量酸乳厂由于受到市场需要、季节气候、生产条件(温度、湿度等)和原料供应等方面影响,生产天数和生产周期大不相同酸乳生产旺季在夏季6月、7月、8月,旺季工作日()为82d2月、3月、4月为生产的淡季,工作日为78d(),中季生产为140d(),余下77d为节假日和设备检修日,则全年生产天数为d由于受到各种因素的影响每个工作日实际产量不完全相同平均日产量等于班产量与生产班次及设备平均系数的乘积即:式中q——平均日产量,t/d,由给定条件知t/d;——班产量,t/d;n——生产班次,旺季,中季,淡季;k——设备不均系数,在本设计中取
0.
752.
1.3年产量及班产量年产量t;班产量t/班
2.2物料衡算
2.
2.1标准化工艺的设计计算为了使产品符合规定的要求酸奶成品中脂肪与非脂乳固体含量要求保持一定比例.但是原料乳中脂肪与非脂乳固体含量随乳牛品种、地区、季节和饲养管理等因素不同而有较大的差别因此必须调整原料乳中脂肪与非脂乳固体含量之间的比例关系使起符合要求一般把该过程称为标准化如果原料乳中脂肪含量不足时,应添加稀奶油或分离一部分脱脂乳;当原料乳中脂肪含量过高时则可添加脱脂乳或提取一部分稀奶油标准化在贮乳缸的原料乳中进行或在标准化机中连续进行
2.
2.
1.1确定标准化需加脱脂乳还是稀奶油在本设计中,理想化假设原料乳到成品(酸乳)中的脂肪与无脂干物质的比例不发生变化所以标准化的原料乳中含有的脂肪与无脂干物质的比例也就是成品(即酸乳)中的脂肪与无脂干物质的比例设原料乳中含脂率为,总干物质含量为,则非脂乳含量为;设产品中含脂率为,非脂乳含量为则,,故,说明原料乳中的奶油(脂肪)含量高于成品标准中所规定的值,需向原料乳中加入一部分脱脂乳
2.
2.
1.2计算加入量设原料乳的数量为,脱脂乳含脂率为,脱脂乳量为,按比例混合后乳标准化乳含脂率为,取,则有:代入数字,得:整理,得:
2.
2.2㎏原料乳生产酸奶的物料衡算
(1)设有㎏原料乳,原料损失率为,标准化时所加脱脂乳的量为,则有:解之得:㎏则混合后所得乳量为:㎏
(2)标准化乳中总蔗糖加入量计算标准化乳中总蔗糖加入量为,式中为标准化乳中的蔗糖配比率,,取;代入数字,得:㎏
(3)㎏原料乳经标准化后所得的标准化乳量计算㎏℃时,标准化乳密度为,而℃时标准化乳体积增加倍,所以标准化乳为:L;
(4)杀菌冷却后的乳量(L);
(5)发酵后的乳量(L);
(6)UHT处理后的乳量(L);
(7)灌装后的乳量(L);上面
2.
2.
2.4~
2.
2.
2.7式中,、、、为工艺过程的损失率
2.
2.3生产L酸奶的物料衡算
(1)生产L酸奶需耗原料乳的量为(㎏;
(2)脱脂乳耗用量为(㎏;
(3)蔗糖耗用量为(㎏;
(4)标准化乳的量为(㎏;
(5)热处理乳量为(L);
(6)杀菌乳量为(L);
(7)发酵乳量为(L);
(8)UHT处理乳量为(L)
2.
2.4日产300t酸奶的物料衡算
(1)成品酸奶体积L
(2)生产90000t酸奶耗原料乳的量为
(3)脱脂乳耗用量为
(4)蔗糖耗用量为
(5)标准化乳的量
(6)热处理量
(7)杀菌乳量
(8)发酵乳量
(9)UHT处理乳量
2.
2.5酸奶厂全厂物料衡算表设成品(酸奶)的密度为㎏/L,根据㎏原料乳生产酸奶的物料衡算和生产L酸奶的物料衡算可以计算酸奶厂全厂物料衡算,计算结果见表1表1全厂物料衡算表物料名称单位对100㎏原料乳对100L酸奶每班定额量原料乳㎏
10086.
21124172.18标准化时原料乳㎏
98.
584.
92147847.68脱脂乳㎏
17.
014.
8621357.61蔗糖㎏
8.
0857.
5210761.58标准化乳㎏
123.
6106.
55177152.3热处理乳L
124.
6107.
4154801.32杀菌乳L
124.
0106.
9153973.5发酵乳L
119.
0102.
6147847.68UHT处理乳L
118.
4102.
07147019.86酸乳L
116.
0100144039.
732.3每班热量衡算
2.
3.1预热耗热量
2.
3.
1.1升温耗热量根据工艺,标准化乳的温度从℃预热至℃℃时,原料乳的比热容[kJ/㎏·K)];脱脂乳的比热容[(kJ/㎏·K];故标准化乳的比热容[kJ/㎏·K)];则升温耗热量为kJ;
2.
3.
1.2预热的热损失假如升温过程中消耗的热损失约为升温耗热量的则预热的热损失为故kJ
2.
3.2杀菌耗热量
2.
3.
2.1升温耗热量根据工艺,乳的温度从℃预热至℃℃时,原料乳的比热容[kJ/㎏·K)];脱脂乳的比热容[kJ/㎏·K)];故标准化乳的比热容为[kJ/㎏·K)];则升温耗热量为kJ;
2.
3.
2.2杀菌蒸汽带出的热量根据工艺,取杀菌时间,蒸发量为每小时则杀菌蒸发水分量为(㎏;查表知,℃时,水的汽化潜热为kJ/㎏,则蒸发热量为(kJ)
2.
3.
2.3假如升温过程中消耗的热损失约为前二次耗热量的10%,则杀菌耗热量为;
2.
3.3UHT处理过程的耗热量
2.
3.
3.1升温所需热量根据工艺,利用间接加热系统使发酵乳从℃加热至℃℃时,发酵乳的比热容为kJ/(㎏·K),因此升温过程所需的热量为kJ
2.
3.
3.2设保温时间为,蒸发量为每小时,则蒸发水的量为:㎏查表知,℃时,水的汽化潜热为kJ/㎏,所以蒸发热量为:kJ
2.
3.
3.3设升温过程中消耗的热损失约为前二次耗热量的,则UHT处理过程的耗热量为kJ
2.4水汽平衡计算
2.
4.1原料乳的冷水耗用量根据工艺,原料乳的温度从℃降低至℃;假设冷却水的温度从℃升至℃,每班工作,原料乳每班定额量为㎏,则班量为(㎏/h);原料乳的比热容kJ/(㎏·K),水的比热容kJ/(㎏·K),故每小时耗水量为(㎏/h);
2.
4.2标准化乳预热的热水耗量W2根据工艺,标准化乳℃→℃热水℃→℃W2=(㎏/h)
2.
4.3杀菌耗汽量(㎏)式中——加热过程中的热量总消耗量,J;——蒸汽热焓,J/㎏;——冷凝液的热焓,J/㎏;查表知,J/㎏而,式中,为加热蒸汽的温度,在本设计中取℃;故=(㎏)
2.
4.4杀菌冷却的冷水耗量根据工艺,杀菌后乳温度为℃,冷却到发酵温度为℃;设冷却水的温度从℃升至℃,每班工作杀菌乳每班定额量为L,则班量为(㎏/h);此时,乳的比热容kJ/(㎏·K),则每小时耗水量为=(㎏/h)
2.
4.5发酵后冷却水的耗用量发酵后的温度设为℃,冷却后的温度为℃;设冷却水的温度从℃升至℃,每班工作,发酵乳每班定额量为L,则班量为(㎏/h);此时,乳的比热容kJ/(㎏·K),则每小时耗水量为(㎏/h)
2.
4.6UHT处理过程的耗汽量W6查表知,℃时水的蒸汽热焓为kJ/㎏,所以UHT处理过程的耗汽量为W6=(㎏)
2.
4.7UHT处理后冷却水的耗用量W7根据工艺,UHT处理后乳的温度为℃,冷却后达到℃,设冷却水的温度从℃,上升到℃此时乳的比热容kJ/(㎏·K),则每小时耗水量为W7=(㎏/h)
2.5耗冷量计算发酵工厂的耗冷量分为工艺耗冷量()和非工艺耗冷量(),而工艺耗冷量又包含了发酵培养基和发酵罐体的冷却降温耗冷,生物反应放热(发酵热)的除去等,非工艺耗冷量则包括维护结构耗冷量、用电设备运转放热耗冷量等具体的计算公式为
2.
5.1工艺耗冷量
2.
5.
1.1原料乳冷却耗冷量原料乳℃→4℃水0℃→25℃每班乳量为㎏,kJ/(㎏·K);工艺要求在1h内完成冷却过程,则所耗冷量为
2.
5.
1.2冷却杀菌乳的耗冷量Q2杀菌乳90℃→42℃水25℃→75℃每班乳量为,kJ/(㎏·K);工艺要求在1h内完成冷却过程,则所耗冷量为=(kJ/h)
2.
5.
1.3发酵耗冷量Q3假定发酵乳固形物均为乳糖、蔗糖等,而它们的发酵放热量为18000kJ/m3·h,设发酵度为60%则1L发酵乳每小时放热量为根据物料衡算,每班的发酵量为
153973.5L,工艺要求在3h内完成,则总发酵热为(kJ);发酵时间为3h,考虑到发酵放热的不平衡,取系数
1.5,忽略发酵期的乳温升高,则发酵期耗热量为(kJ/h)
2.
5.
1.4冷却发酵乳的耗冷量根据工艺,发酵乳42℃→20℃水15℃→30℃每班乳量为㎏,kJ/(㎏·K);工艺要求在30min内完成冷却过程,则所耗冷量为(kJ/h)
2.
5.
1.5UHT处理后冷却耗冷量Q5根据工艺,UHT处理乳140℃→20℃水0℃→80℃UHT处理乳的每班定额量为(㎏);而此时乳的比热容为kJ/(㎏·K),工艺要求在1h内完成冷却过程,则所耗冷量为(kJ/h)综合上述知,工艺耗冷量为
2.
5.2非工艺耗冷量Qnt除上述的工艺过程耗冷量外,发酵罐外壁、运转机械、维护结构及管道等均会耗用或散失冷量,构成所谓的非工艺耗冷量
2.
5.
2.1露天锥形罐冷量散失Q6锥形罐酸奶发酵厂几乎都把发酵罐置于露天,由于太阳辐射、对流传热和热传导等造成冷量散失通常,这部分的冷量散失可由经验数据求取根据经验,年产90000吨酸奶厂露天锥形罐的冷量散失在13000~30000kJ/t酸奶之间,故旺季每天耗冷量为(kJ/d)式中,G--旺季酸奶日产量,t若白天日晒高峰耗冷为平均每小时耗冷量的二倍,则高峰耗冷量为(kJ/h)
2.
5.
2.2过滤机及管道等散失冷量Q7通常,根据实验经验取,所以kJ/h;因此,(kJ/h)
2.6主要构筑物的设计计算
2.
6.1原料乳的预处理工艺原料乳的预处理是酸乳生产中必不可少的一个环节,也是保证产品质量的关键工段该工序包括净乳(过滤、净化)、冷却和贮存等基本步骤
2.
6.
1.1净乳原料乳在加工之前经过多次净化,目的是去除乳中的机械杂质并减少微生物数量,确保产品达到卫生和质量标准的要求净乳的方法主要有过滤法及离心净乳法离心净乳是乳与乳制品加工中最适宜也是最常用的方法离心净乳机不仅能分离灰尘、砂土等杂质,而且能将牛乳中的一些乳腺体细胞和某些微生物除去,所以生产优质牛乳必须经过净化机净化离心净乳一般设在粗滤之后,冷却之前净乳时的乳温在30~40℃为宜,在净乳的过程中要防止泡沫的产生在一般情况下,如果净化低温牛乳(4~15℃),可连续运转8h,净化高温牛乳(57℃),则仅可连续运转4h新式净化机可自动排污以减少拆卸清洗和重新组装等手续故目前大型工厂采用自动排渣净乳或三用分离机(奶油分离、净乳、标准化),对提高乳的质量和产量起了重要的作用离心过滤机的设计与选型:根据工艺,每小时处理原料乳的量为=
15521.52(㎏/h),L/h=
14996.64L/h=15m3/h用于乳品生产的离心分离机都力求提高转数,一般都达6000~7000r/min以上,根据以上条件,查《化工工艺设计手册》,选择型号DPJ464/48-21-30,转鼓直径464㎜;当量沉降面积48×107㎝2;转速6615r/min;分离因素11370;生产能力24m3/h;配套功率30kW;外形尺寸(长宽高)/㎜163210241528;质量1200㎏;制造厂浙江轻工业机械厂
2.
6.
1.2冷却净化后的乳最好直接加工,如果短期贮藏时,必须及时进行冷却,以保持乳的新鲜度一般采用板式换热器进行冷却换热器作为传热设备随处可见,在工业中应用非常普遍,特别是耗能用量十分大的领域,随着节能技术的飞速发展,换热器的种类开发越来越多按传热原理可分为直接接触式换热器,蓄能式换热器,板、管式换热器其中板、管式换热器用量非常大,占总量的99%以上,原理是热介质通过金属或非金属将热量传递给冷介质的传热设备相对管式换热器来说,板式换热器具有传热效率高、结构紧凑、重量轻等优点,又由于流体在换热器中无论进行并流、逆流、错流都可以,板片还可以根据传热面积的大小而增减,因此适应性较强,但它们在结构与制造上尚存在问题板式换热器的主要缺点是密闭周边长,目前大型板式换热器垫圈总长超过2800m使用中常常需要拆卸和清洗,故漏泄的可能性很大,不易处理悬浮状的物料,对有垫圈的板式换热器使用温度受到垫圈材料的限制,温度不能很高,它的处理量也相对较小随着科学技术的飞速发展,板片式换热器正不断完善,应用也日趋广泛板式换热器用于处理从水到高黏度的液体,用于加热、冷却、冷凝、蒸发等过程它在食品工业中应用得最早、最广泛,如牛奶、果汁、葡萄糖、啤酒、植物油、动物油等的加热杀菌和冷却板式换热器今后的发展趋势是提高操作温度和操作压力,加大处理量,扩大使用范围,研制采用新的结构材料和新的制造工艺,而研制新的垫片材料以提高其使用温度和使用压力,将是其中的重点换热器的设计与选型
[7]板式换热器是以波纹板为传热面积的新型高效换热器由于原料乳的密度很小,采用板式换热器使其从35℃冷却至4℃,假设冷却水从0℃升温至25℃,而此时有:物料流量为
15521.52㎏/h,=
3.931kJ/(㎏·K),=
1.800mPa·S,=
0.5W/m·K,=1030㎏/m3;=
1.2028mPa·S,=
0.6W/m·K计算热负荷(不计热损失)(J/S)平均温度差逆流:T1m==
6.55(℃)NTUmin==
4.73由图查得流道分配冷/热=1/1,温度校正系数对每股物流计算雷诺数Re选用的波纹板参数为LP=
2.5m,LW=
0.90m,Dp=
0.22m;通道宽b=
0.0084m,波纹板的通道面积为(㎡)波纹板的传热面积为(㎡)假定两边的流道数相同都为ns(m)物料的流速G1==
570.31[㎏/(㎡·S)]水的流速G==
665.05[㎏/(㎡·S)]物料Re1==
5.32×103/ns水Re2==
0.93×104/ns计算每股流的传热系数由上面的计算可知,两边的Re均大于400,因此采用式计算两边的传热膜系数计算总的传热膜系数水的污垢系数r2=
0.000007;物料的污垢系数r1=
0.0000016;忽略金属板的热阻,总的传热系数为估算总的传热面积为了留有裕量,给总的传热系数乘以
0.8的系数AT==
1.15×105/K估计传热板的数目从第五步到第七步计算出的板的数目与传热系数K即流道数ns有关波纹板换热器的实际板数NT和流道数ns以及程数的关系表示为表2不同流道数和程数计算所需的板数流道数ns98765根据传热计算所需要的板数N
70.
465.
359.
954.
248.2npass=4时所需总板数NT7365574941npass=5时所需总板数NT9181716151由表2看出,npass=5时满足考虑到压力降和经济性,选择npass=5,ns=6,NT=61计算的总传热系数K=
1236.2W/(㎡·K)需要的传热系数为K==
667.44[W/(㎡·K)]<
1236.2,满足计算两股物料的压力降物料的压力降出入口的流速u==
0.11(m/s)出入口的压力降Pm1==
57.23(Pa)通过板的压力降PB1==
5351.57(Pa)PT1=
5408.8Pa=
0.053atm<
0.4atm冷却水方的压力降出入口的流速u==
0.132(m/s)出入口的压力降Pm2==
80.0(Pa)通过板的压力降PB2==
6567.52(Pa)PT2==
16647.52Pa=
0.066atm<
2.0atm从上面的压力降计算可知两股物流的压力降都满足工艺条件的要求
2.
6.
1.3贮存原料乳送到加工厂时,由乳槽车泵入贮乳罐贮乳罐的容量一般达几十万升,因此,真空输送是不可能的一般用离心泵将牛乳泵入罐中,可以使脂肪球的破坏程度降到最低为了避免搅动和产生泡沫,贮乳罐是从底部进料为保证连续生产的需要,乳品厂必须有一定的原料贮存量1贮奶罐的设计与选型一般工厂总的贮乳量应根据各厂每天牛乳总收纳量、收乳时间、运输时间及能力等因素决定一般贮乳罐的总容量应为日收纳总量的2/3~1而且每只贮乳量的容量应与每班生产能力相适应每班的处理量一般相当于两个贮乳罐的乳容量,否则用多个贮乳罐会增加调罐、清洗的工作量和增加牛乳的损失贮乳罐使用前应彻底清洗、杀菌,待冷却后贮入牛乳每罐需放满,并加盖密封如果装半罐,会加快乳温上升,不利于原料乳的贮存贮乳罐要有良好的绝热保温措施,并配有适当的搅拌机构,定时搅拌乳液,防止脂肪上浮而造成分布不均匀一般乳经过24h贮存后,乳温上升不得超过2~3℃牛乳贮罐装乳能力一般为5吨、10吨或30吨,现代化大规模乳品厂的贮乳罐可达100吨10吨以下的贮藏罐多装于室内,为立式或卧式,大罐多装于室外,带保温层和防雨层,均为立式根据工艺,每班用量为
1124172.18㎏,即
124.2t,在旺季时一天生产3班设贮乳罐的总容量应为日收纳总量的1,则所需贮乳罐的容量为所以用5个100t的贮奶罐由于原料乳的密度为
1.030㎏/L,则罐的体积为罐的半径取
2.0m,则罐高为H==
7.8(m)2乳泵的设计与选型根据工艺,泵的输送介质为原料乳,其黏度为
0.0015~
0.002Pa·s,密度为
1.030㎏/L,温度为40℃以下;介质为均匀的胶体溶液,具有奶香味且有特殊香味;操作条件为室温、常压流量(㎏),班流量(㎏/h)(L/h)=
15.3m3/h安全系数取
1.1,则最大流量为Vmax=16m3/h;最小流量为Vmin=15m3/h由于贮奶罐的高度为
7.8m,则装置所需扬程为
10.5m一般要求泵的额定扬程为装置所需扬程的
1.05~
1.1倍查相关表,选取型号为IS80-50-200,流量25m3/h,扬程
12.5m,转速1450r/min气蚀余量
2.5m,泵效率65%,轴功率
1.31kW,配带功率
2.2kW考虑设备用泵1台,故泵的数量为2台,流量可用阀门调节
2.
6.
1.4牛乳的真空脱气牛乳刚刚被挤出后含
5.5%~7%的气体;经过贮存、运输和收购后,一般其气体含量在10%以上,而且绝大多数为非结合的分散气体这些气体对牛乳加工有破坏作用,所以,在牛乳处理的不同阶段进行脱气是非常必要的分散气体对牛乳加工的破坏作用主要有影响牛乳计量的准确度;使巴氏杀菌机中结垢增加;影响分离和分离效率;影响牛乳标准化的准确度;影响奶油的产量;促使脂肪球聚合;促使游离脂肪吸附于奶油包装的内层;促使发酵乳中的乳清析出首先,要在乳槽车上安装脱气设备,以避免泵送牛乳时影响流量计的准确度其次,是在乳品厂收乳间流量计之前安装脱气设备但上述两种方法对牛乳中细小的分散气泡是不起作用的因此,在进一步处理牛乳的过程中,还用使用真气脱气罐,以除去细小的分散气泡和溶解氧
2.
6.2标准化乳的杀菌工艺由于原料乳中含有各种丰富的营养物质,是微生物的良好培养基,再加之原料乳收购间隔时间延长,尽管有现代的制冷技术,但原料乳中的微生物还是有足够的时间繁殖并产生酶类,而且微生物代谢产生的副产物有时是有毒的;此外,微生物还会引起原料乳中某些成分分解,引起Ph值下降等不良反应因而,进行巴氏杀菌是很有必要的,是酸奶生产工艺中的重要工序该工序包括预热、均质、杀菌和冷却等基本步骤
2.
6.
2.1预热通常在酸奶的现代化大批量生产中,预热的典型温度和时间是经60~70℃预热后的原料乳被送到均质机均质(15~20MPa)后再回到板式热交换器进行升温(90~95℃)、保温杀菌3~5min之后被冷却到发酵温度(38~43℃)在本设计中,预热的典型温度和时间选择经60℃预热后的原料乳被送到均质机均质(15~20MPa)后再回到板式热交换器进行升温(90℃)、保温杀菌5min之后被冷却到发酵温度(42℃)换热器的设计与选型板式换热器是以波纹板为传热面积的新型高效换热器由于标准化乳的密度也很小,采用板式换热器使其从4℃升温至60℃,假设热水从75℃降温至25℃,而此时有:kJ/(㎏·K),mPa·S,W/m·K,㎏/m3;,W/m·K计算热负荷(不计热损失)(J/S)平均温度差标准化乳4℃→60℃水25℃←75℃逆流:ΔT1m==18(℃)NTUmin==
2.78由图查得流道分配冷/热=1/1,温度校正系数F=
0.94对每股物流计算雷诺数Re选用的波纹板参数为LP=
2.0m,LW=
0.90m,Dp=
0.22m;通道宽b=
0.0084m,波纹板的通道面积为(㎡)波纹板的传热面积为(㎡)假定两边的流道数相同都为ns,(m)物料的流量(㎏/h)=
6.15㎏/S,流速[㎏/(㎡·S)]水的流速=
848.15[㎏/(㎡·S)]物料Re1===
7.0×103/ns水Re2===
3.75×104/ns计算每股流的传热系数由上面的计算可知,两边的Re均大于400,因此采用式计算两边的传热膜系数计算总的传热膜系数水的污垢系数r2=
0.000007;物料的污垢系数r1=
0.0000016;忽略金属板的热阻,总的传热系数为估算总的传热面积为了留有裕量,给总的传热系数乘以
0.8的系数AT==
0.8×105/K估计传热板的数目从第五步到第七步计算出的板的数目与传热系数K即流道数ns有关波纹板换热器的实际板数NT和流道数ns以及程数的关系表示为表3不同流道数和程数计算所需的板数流道数ns98765根据传热计算所需要的板数N
60.
054.
750.
245.
440.4npass=3时所需总板数NT5549433731npass=4时所需总板数NT7365574941由表3看出,当npass=3时都不满足,而npass=5时均能满足考虑到压力降和经济性,选择npass=4,ns=6,NT=49计算的总传热系数为K=
1.5×103W/(㎡·K)需要的传热系数为K==
1.07×103[W/(㎡·K)]<
1.5×103,满足计算两股物料的压力降物料的压力降出入口的流速u==
0.163(m/s)出入口的压力降Pm1==
100.0(Pa)通过板的压力降PB1==
4760.95(Pa)PT1==
4860.95Pa=
0.048atm<
0.4atm热水方的压力降出入口的流速u==
0.44(m/s)出入口的压力降Pm2==
771.2(Pa)通过板的压力降PB2==
5518.9(Pa)PT2==
6230.1Pa=
0.061atm<
2.0atm从上面的压力降计算可知两股物流的压力降都满足工艺条件的要求
2.
6.
2.2均质均质是酸乳生产中很重要和必不可少的步骤,它对酸乳的黏稠度、幼滑度和质地的稳定性有积极的帮助一般说来,随着均质压力的提高,酸乳的黏稠度明显上升;而较高温度和较长时间的杀菌对黏稠度也有很大的提高均质的原理是均质机的均质头是一圆柱形的外环包着带四个叶片的特殊形状的芯子,这些部件相互配合,只留一个非常窄的间隙让牛乳通过牛乳在高压下被送入外环和芯子之间的空隙在此细缝中,高静压能被转化成动能,这样,牛奶在狭窄的、环形的间隙中获得非常高的速度(200~300m/s)均质的主要设备是均质机,它是带有一个背压装置的高压泵均质的目的主要是使原料充分混合均匀,阻止奶油上浮,提高酸奶的稳定性和稠度,并保证乳脂肪均匀分布,从而获得质地细腻、口感好的产品均质方法一般采用二段式,即第一段均质使用较高的压力(
16.7~
20.6MPa)目的是破碎脂肪球第二段均质使用低压(
3.4~
4.9MPa),目的是分散已破碎的小脂肪球,防止黏连
2.
6.
2.3杀菌和冷却经均质的乳回流到热交换器加热到90℃,保温5min进行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,以达到改善组织状态,提高黏稠度和防止成品乳清析出的目的标准化乳杀菌以后,从杀菌后保温的温度直接冷却到发酵温度所用的冷却器冷交换介质是待预热的乳和冰水先用乳冷却,再用冰水把杀菌乳准确降温到发酵温度,这样可以节约能源杀菌时换热器的设计与选型板式换热器是以波纹板为传热面积的新型高效换热器由于热处理乳的密度也很小,采用板式换热器使其从60℃升温至90℃,假设蒸汽从140℃降温至100℃,而此时有:kJ/(㎏·K),mPa·S,W/m·K,㎏/m3;mPa·S,W/m·K计算热负荷(不计热损失)平均温度差热处理乳60℃90℃汽100℃140℃逆流T1m==45(℃)NTUmin==
0.89由图查得流道分配冷/热=1/1,温度校正系数F=
0.97对每股物流计算雷诺数Re选用的波纹板参数为LP=
1.0m,LW=
0.45m,Dp=
0.11m;通道宽b=
0.0042m,波纹板的通道面积为(㎡)波纹板的传热面积为(㎡)假定两边的流道数相同都为ns,物料的流量,流速[㎏/(㎡·S)]汽的流量W==
28980.36(㎏/h)=
8.05㎏/S流速[㎏/(㎡·S)]物料Re1==
1.6×104/ns水Re2==
2.39×106/ns计算每股流的传热系数由上面的计算可知,两边的Re均大于400,因此采用式计算两边的传热膜系数计算总的传热膜系数水的污垢系数r2=
0.0000053;物料的污垢系数r1=
0.0000016;忽略金属板的热阻,总的传热系数为估算总的传热面积为了留有裕量,给总的传热系数乘以
0.8的系数AT==
3.31×105/K估计传热板的数目N==
5.6×104/K从第五步到第七步计算出的板的数目与传热系数K即流道数ns有关波纹板换热器的实际板数NT和流道数ns以及程数的关系表示为表4不同流道数和程数计算所需的板数流道数ns87654根据传热计算所需要的板数N
23.
521.
619.
617.
415.1npass=1时所需总板数NT171513119npass=2时所需总板数NT3329252117由表4看出,当npass=2时均能满足考虑到压力降和经济性,选择npass=2,ns=8,NT=33计算的总传热系数为K=
2383.0W/(㎡·K)需要的传热系数为K==
1343.6[W/(㎡·K)]<
2383.0,满足计算两股物料的压力降物料的压力降出入口的流速u==
0.55(m/s)出入口的压力降Pm1==
764.52(Pa)通过板的压力降PB1==
20700.95(Pa)PT1<
0.4atm蒸汽方的压力降出入口的流速u==
1.89(m/s)出入口的压力降×8×2=
8209.56(Pa)通过板的压力降PB2==72778(Pa)=
0.8atm<
2.0atm从上面的压力降计算可知两股物流的压力降都满足工艺条件的要求杀菌后冷却时换热器的设计与选型板式换热器是以波纹板为传热面积的新型高效换热器由于杀菌乳的密度也很小,采用板式换热器使其从90℃冷却至42℃,假设冷却水从25℃升温至30℃,而此时有:kJ/(㎏·K),,,;,采用的波纹板参数为LP=
2.0m,LW=
0.45m,Dp=
0.11m;通道宽b=
0.0024m;同理可计算出杀菌后冷却时采用的换热器,=3,=5,=
312.
6.3发酵罐的设计计算
[8]
2.
6.
3.1发酵罐的选型当前,我国发酵占统治地位的发酵罐仍然是机械涡轮搅拌通风发酵罐,即大家常说的通用罐选用这种发酵罐的原因主要是历史悠久,资料齐全,在比拟放大面积积累了较丰富的成功经验,成功率较高
2.
6.
3.2生产能力、数量和容积的确定1发酵罐容积的确定随着科学技术水平的发展,生产发酵罐的专业厂家越来越多,现有的发酵罐容量系列如5,10,20,50,60,75,100,120,150,200,250,500m3等一般说来单罐容量越大,经济性能越好,但风险也越大,要求技术管理水平也越高新建的单位和车间,应尽量减少设备数量,在技术管理水平允许的范围内,尽量取较大容量的发酵罐在本设计中,由于处理量大,选用100m32生产能力的计算根据工艺,酸奶的发酵培养时间为3h,加上发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间,假设酸奶发酵周期为5h,每天需杀菌乳V每班需
153973.5L≈
153.97m3,每天最多3班,则V=
153.97×3=
461.9()设发酵罐的填充系数;则每天需要发酵罐的总容积为3发酵罐数的确定:计算发酵罐容积时有几个名称需明确装液高度系数,指圆筒部分高度系数,封底则与冷却管、辅助设备体积相抵消公称容积,是指罐的圆柱部分和底封头容积之和,并圆整为整数上封头因无法装液,一般不计入容积罐的全容积,是指罐的圆柱部分和两封头容积之和选择单罐公称容量为100的六弯叶机械搅拌通风发酵罐,则需要发酵罐的个数为查表知公称容积为100的发酵罐,总容积为118,取公称容积100发酵罐2个;
2.
6.
3.3主要尺寸的计算=+2×=;封头折边忽略不计;以方便计算则有=
0.785D2×2D+D3×2/24=118m3;解方程得
1.57D3+
0.26D3=118;(m);取D=4m;表5通用式发酵罐系数设备参数规格大小公称容积100m3圆柱高H0(mm)8000封头高h(mm)1040罐体总高H(mm)10080封头容积
9.02m3圆柱部分容积100m3不计上封头容积109m3全容积118m3搅拌桨直径Dmm1350搅拌转数(r/min)110电动机功率(kw)55搅拌轴直径(mm)110罐内径(mm)4000H=2D=8m,根据表5知封头高为=ha+hb=1000+50=1050mm验证全容积=+2=
0.785D2×2D+2×D3/24+
0.785D2×
0.05=
0.785×42×8+43/12+
0.785×42×
0.05×2=
100.48+
16.7+
1.26=
118.4=
2.
6.
3.4冷却面积的计算为了保证发酵在最旺盛、微生物消耗基质最多以及环境气温最高时也能冷却下来,必须按发酵生成热量高峰、一年中最热的半个月的气温下,冷却水可能达到最高温度的恶劣条件下,设计冷却面积对牛乳的发酵,每1m3发酵乳,每1h传给冷却器的最大热量为18000kJ/m3·h;采用竖式列管式换热器,取经验值℃)平均温差42℃42℃20℃30℃代入,得℃对公称容量100的发酵罐,每天装2罐,每罐实际装液量为()换热面积()
2.
6.
3.5搅拌器设计机械搅拌通风发酵罐的搅拌涡轮有三种型式,可根据发酵特点、基质及菌体特性选用该搅拌器的各部尺寸与罐径D有一定比例关系,现将主要尺寸列后搅拌器叶径Di=D/3=4/3=
1.33m,取d=
1.3m叶宽B=
0.2d=
0.26m弧长l=
0.375d=
0.49m底距C=D/3=4/3=
1.3m盘径di=
0.75Di=
0.98m叶弦长L=
0.25d=
0.33m叶距Y=D=4m弯叶板厚δ=12mm取两档搅拌,搅拌转速N2可根据50m3罐,搅拌器直径
1.05m,转速N1=110r/min以等P0/V为基准放大求得(r/min)
2.
6.
3.6搅拌器功率的计算标准化乳液细菌奶,可视为牛顿流体,计算步骤如下1计算式中——搅拌器直径,=
1.3m——搅拌器转数r/s——发酵液密度=1035㎏/——发酵液黏度=将数代入上式>视为湍流则搅拌功率准数2计算不通气时的搅拌轴功率P0=NpN3D5式中N——搅拌转速95r/min=
1.58r/s——发酵液密度=1035㎏/D——搅拌器直径
1.3m代入上式=NpN3D5=
4.7×
1.583×
1.35×1035=
71.2×103W=
71.2kW两档搅拌3计算通风时的轴功率PgkW式中——不通风时搅拌轴功率kW N——轴转速95r/minD——搅拌器直径cmQ——通风量mL/min设通风比vvm=
0.11~
0.18取
0.11;则Q=
79.1×
0.11×=
8.7×mL/min代入上式=(kW)4电机功率采用三角带传动=
0.92;滚动传动=
0.99;滑动传动=
0.98;端面密封增加的功率为1%;代入公式
2.
6.
3.7设备结构的工艺设计设备结构的工艺设计,是将设备的主要辅助装置的工艺要求交待清楚,供制造加工和采购时取得资料和依据1求最高热负荷下的耗水量w式中,=
4.18kJ/(kg·k),=30℃,=20℃,=18000×
231.0=
4.16×kJ/hkg/h=
27.6kg/s冷却水体积流量为
3.69×10-2取冷却水在竖直蛇管中流速为1m/s,则冷却管总截面积为进水总管直径m(m)2冷却管组数和管径设冷却管总表面积为,管径d0,组数为n,则取n=16求管径由上式得m查表选63×
3.5无缝管,=56mm,g=
5.12kg/m,d0,=60mm现取竖蛇管圈端部U管弯管曲径为250mm,则两直管距离为500mm,两端弯管总长度为l0l0=D=
3.14×500=1570(mm)3冷却管总长度L计算冷却管总面积F=
120.5m2,无缝钢管63×
3.5,每米冷却管面积为F0=
3.14×
0.06×1=
0.19m2冷却管占有体积V=
0.785×
0.0632×
634.2m3=
1.98m34每组管长L0和管组高度计算(m)另需连接管8m,=L+8=
642.2m可排竖直蛇管的高度,设为静液面高度,下部可伸入封头250mm设发酵罐内附件占有体积为
0.5m3,则总占有体积为筒体部分液深为m竖蛇管总高=
17.9+
0.25=
18.15(m)两端弯管总长=1570mm,两端弯管总高为500mm,则一圈管长为(mm)5每组管子圈数n0(圈)现取管间距为
2.5=
2.5×
0.063=
0.16(m)6校核布置后冷却管的实际传热面积===
121.0而前面有F=
120.5m2﹥F可满足要求
2.
6.
3.8设备材料的选择发酵设备的材质选择,优先考虑的是满足工艺的要求其次是经济性在本设计中,设备选用不锈钢
2.
6.
3.9发酵罐壁厚的计算确定发酵罐壁厚的方法可用公式计算或查表法1计算法确定发酵罐的壁厚S式中P——设计压力,取最高工作压力的
1.05倍,现取P=
0.4MPaD——发酵罐直径,D=400cm——钢的许用应力,127MPa——焊缝系数,根据焊接情况和探伤的程度,查响应的表决定其范围在
0.5~1之间,现取=
0.7C——壁后附加量cm式中——钢板负偏差,范围
0.13~
1.3,现取
0.8mm——为腐蚀裕量,现取2mm——加工减薄量,对冷加工C3=0,现取C3=0cm选用12mm厚的A3钢板制作,查表知直径4m,厚12mm,筒高8m,每米高度重1186kg,=1186×8=9488kg2封头壁厚计算(椭圆封头)(cm)式中P=
0.4MPaD=400cm=127MpaC=
0.08+
0.2+
0.1=
0.38cmφ=
0.7cm查钢材手册圆整S=14,=2005kg
2.
6.
3.10接管设计表6接管长度h(mm)公称直径Dg不保温接管长保温设备接管长适用公称压力(MPa)15801304020~501001501670~3501502001670~500150200101接管的长度h设计各接管的长度h根据直径大小和有无保温层,一般取100~200mm具体值见表62接管直径的确定接管直径的确定,主要根据流体力学方程式计算按排料管进行计算该罐实装醪量
616.5m3,设2h之内排空,物料体积流量Q=
616.5/3600×2=
0.0856(m3/s);发酵醪流速取v=1m/s,排料管截面积=Q/v=
0.0856/1=
0.086;=
0.785d2;管径m,取无缝管350×9,332331mm,认为合适按通风管进行计算压缩空气在
0.4MPa下,支管气速为20~25m/s,现通风比
0.1~
0.18vvm,为常温下20℃,
0.1MPa下的情况,要折算到
0.4MPa、30℃状态风量Q1取大值,Q1=
616.5×
0.18=
110.97(m3/min)=
1.85m3/s利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf(m3/s),取风速v=25m/s,则风管截面积Ff为Ff=Qfv=
0.547/25=
0.0219m3Ff=
0.7852,则气管直径为=m因通风管也是排料管故取两者的大值取Φ350×9无缝管可满足工艺要求排料时间复核物料流量Q=
0.0856,流速v=1m/s,管道截面积F=
0.785×
0.3322=
0.0866m2,在相同流速下,流过物料因管径较原来计算结果大,则相应流速比为P=Q/Fv=
0.0856/
0.0866×1=
0.99倍,排料时间t=2×
0.99=
1.98(h)
2.
6.
3.11支座选择发酵工厂设备常用支座分为卧式支座和立式支座其中卧式支座又分为支腿、圈型支座和鞍型支座立式支座也分为三种悬挂支座、支撑支座和裙式支座对于75以上的发酵罐,由于设备总重量较大,应选用裙式支座因此,本设计选用裙式支座
2.
6.4UHT处理工艺根据工艺,UHT处理是对发酵乳进行足够强度的热处理,使产品中的微生物和耐热酶类失去活性灭菌的产品具有优异的保存质量并可以在室温下长时间贮存超高温灭菌(UHT处理)的出现,大大改善了灭菌乳乳的特性,不仅使产品的色泽和风味得到改善,而且提高了产品的营养价值UHT加热分两段进行,第一段将牛乳预热到80~85℃,有助于乳清蛋白的热稳定性刺激产芽孢菌,使其呈复苏状态,增强UHT灭菌效果然后进入第二阶段,将牛乳加热到沸点以上135150℃由于加热温度非常高,所以乳中的微生物完全被杀死,产品保存性良好间接加热系统根据热交换器传热面积的不同可分为板式热交换系统和管式热交换系统,某些特殊产品的加工使用刮板式加热系统在本设计中,采用板式加热系统超高温板式加热系统是对板式巴氏杀菌系统的发展,主要不同之处在于系统是否能承受高温(135~150℃),也就是说,UHT板式加热系统应能承受较高的内压UHT加工过程一般都包括均质,目的是中和热处理对牛奶造成的一些不利的影响在UHT乳生产中,均质机通常在间接加热系统中处于上游区段均质不仅可以防止脂肪球上浮,而且还具有其他一些优点经均质后的乳脂肪球直径减小,易消化吸收;使乳蛋白质凝块软化,促使消化吸收当然,均质后的乳也呈现一些不足对阳光、解脂肪酶等敏感,有时会产生金属味;蛋白质的热稳定性降低
2.
6.5无菌包装工艺经高温灭菌及冷却后的灭菌乳,应立即进行无菌包装灭菌乳不含细菌,包装时应严加保护,使不再被细菌污染这种包装方法叫无菌包装无菌包装必须符合如下要求
(1)包装容器和封合的方法必须适于无菌包装,并且封合后的容器在贮存和分销期间必须阻挡微生物透过,同时包装容器应具有阻止产品发生化学变化的特性
(2)容器和产品接触的表面在罐装前必须经过灭菌,灭菌的效果是与灭菌前容器表层的污染程度有关的
(3)在罐装过程中,产品不能受来自任何设备或周围环境的污染
(4)若采用盖子封合时,封合前必须立即灭菌
(5)封合必须在无菌区域内进行,以防止微生物污染
2.
6.6其他泵的设计与选型
2.
6.
6.1混料泵的设计与选型1泵的输送介质为脱脂乳,砂糖及添加剂的混合物,温度为4℃2操作条件常温常压由于进料用泵的流量比较稳定,一般扬程较高,有些原料黏度较大或含有固体颗粒,泵入口一般为常温,一般选用离心泵班产量Q=
28571.4+
14458.7=
17316.1kg流量Q′=
17316.1/8=
2164.5kg/h
2164.5/
1.032=
2089.3L/h=
2.1m3/h设安全系数为
1.1,=
2.1×
1.1=
2.31m3/h根据以上条件,查表选取IS单吸离心泵型号为IS50-32-200,流量
6.3m3/h,扬程
12.5m,转数1450r/min,汽蚀余量
2.0m,泵效率42%,功率轴功率为
0.51kW,配带功率为
0.75kW考虑备用泵1台,因此泵的数量为2台流量可用阀门调节3菌种泵的设计与选型泵的输送介质为菌种和部分牛乳的混合物由于量较小故选取与混料泵相同型号的泵4胶体泵的设计与选型泵的输送介质为果料及其他的添加剂量较小选取与混料泵相同的型号5下物料泵的设计与选型泵的输送介质为标准化后的物料操作条件常温常压班产量设安全系数为
1.1根据以上条件,查相关表选取IS型单吸离心泵型号IS65-50-160;流量30m3/h;扬程30m;转数2900r/min;汽蚀余量
2.5m;泵效率66%;功率轴功率为
3.71kW,配带功率为
5.5kW考虑备用泵1台,因此泵的数量为2台;流量可用阀门调节
2.
6.7管径的设计计算
2.
6.
7.1原料乳进料管的管径计算与选择根据工艺,由物料衡算和热量衡算可得,原料乳的流量为
20719.55kg/h,乳密度为1030kg/m3体积流量为Q=(m3/h);取管内流速为
1.0m/s,由d=
18.8得d=
73.1mm,选用Φ108×4mm,Dg100,材料为YB231-70的无缝钢管;管内实际流速为,符合要求
2.
6.
7.2冷却原料乳的水管的管径计算与选择根据工艺,由物料衡算和热量衡算可得,冷却原料乳的水流量为kg/h,水溶液密度为1000kg/m3体积流量m3/h;取管内流速为
1.0m/s,由d=
18.8得d=80mm选用Φ114×4mm,Dg100,材料为YB234-63的钢管;管内实际流速为w=2≈1m/s符合要求
2.
6.
7.3热水进料管的管径计算与选择1标准化乳预热时的热水进料管的管径计算与选择根据工艺,由物料衡算和热量衡算可得,标准化乳预热时的热水流量为kg/h,水溶液密度为1000kg/m3体积流量Q=
22.9m3/h;取管内流速为
1.0m/s,由d=
18.8得d=90mm选用Φ114×4mm,Dg100,材料为YB234-63的钢管;管内实际流速为w=2≈1m/s符合要求2巴氏杀菌时热水进料管的管径计算与选择根据工艺,由物料衡算和热量衡算可得,巴氏杀菌时热水流量为
39895.7kg/h,水溶液密度为
943.1kg/m3体积流量Q=
42.3m3/h;取管内流速为
1.0m/s,由d=
18.8得d=
122.2mm选用Φ140×
4.5mm,Dg125,材料为YB234-63的钢管;管内实际流速为符合要求3其他内容
3.1主要设备一览表表7300t/d饮用型酸奶厂设备一览表序号设备名称台数规格与型号材料备注1发酵罐2公称容积100m3,Φ4000mmA3钢专业设备2菌种缸2公称容积2m3,Φ1000mmA3钢3离心过滤机1DPJ464/48-21-30,Φ464mmA3钢4均质机4GJJ-10/25A3钢5板式换热器8依条件而定A3钢6乳泵2IS80-50-200不锈钢通用设备7混料泵4IS50-32-200不锈钢8菌种泵2IS50-32-200不锈钢9胶体泵4IS50-32-200不锈钢10下物料泵2IS65-50-160不锈钢11贮乳罐5100tA3钢非标设备12混合缸1V=15m3A3钢13平衡缸2V=20m3A3钢14果料罐1V=10m3A3钢15冷水槽2V=20m3A3钢16热水槽2V=20m3A3钢17脱气计量2V=1m3A3钢(计量用)
3.2工厂总平面设计工厂总平面设计是酸奶生产厂设计的重要组成部分,它是将全厂不同使用功能的建筑物、构筑物按整个生产工艺流程,结合用地条件进行合理的布局,使建筑群组成一个有机整体这样便于组织生产和企业管理
3.
2.1总平面设计的内容工厂总平面设计的内容包括平面布置和竖向布置两大部分平面布置就是合理地对用地范围内的建筑物、构筑物及其他工程设施在水平方向进行布置
3.
2.
1.1平面布置中工程设施的内容
(1)运输设计合理进行用地范围内的交通运输线路的布置,使人流和货流分开,避免往返交叉
(2)管线综合设计工程管线网(包括厂内外的给排水管道、电线、电话线及蒸汽管道等)
(3)绿化布置和环保设计绿化布置可以美化厂区、净化空气、调节气温、阻挡风沙、降低噪声、保护环境,从而改善工人的劳动卫生条件但绿化面积增大会增加建厂投资,所以绿化面积应该适当
3.
2.
1.2竖向布置竖向布置就是与平面设计相垂直方向的设计,也就是厂区各部分地形标高的设计其任务是把地形设计成一定形态,既平坦又便于排水在地形比较平坦的情况下,一般不做竖向设计假如要做竖向设计,要结合地形综合考虑,在不影响各车间之间联系的原则下,应尽量保持自然地形,使土方工程量达到最少限度,从而节省投资
3.
2.2总平面设计的基本原则
(1)布置务必紧凑合理,节约用地
(2)应符合工厂生产工艺的要求主车间、仓库等应按生产流程布置,并尽量缩短距离全厂的货流、人流、原料、管道等的运输应有各自路线,力求避免交叉避免物料往返运输
(3)必须满足食品工厂卫生要求和食品安全要求
(4)厂区道路还应按运输量及运输工具的情况决定其宽度,厂区道路应采用水泥或沥青路面,以保持清洁一般道路应设计成环形,以免造成堵塞
(5)厂区道路还应从实际出发考虑是否需有铁路专用线和码头等设施
(6)厂区建筑间距(指两幢建筑物外墙面相距的距离)应按有关规范设计从防火、卫生、防震、防尘、噪声、日照、通风等方面来考虑,在符合有关规范的前提下,使建筑物间的距离最小
(7)厂区各建筑物布置也应符合规划要求,同时合理利用地质、地形和水文等的自然条件
(8)相互间有影响的车间,尽量不要放在同一建筑物里,但相似车间应尽量放在一起,提高场地利用率
3.
2.3不同使用功能的建筑物、构筑物在总平面中的关系食品工厂的主要建筑物、构筑物根据它的使用功能可分为以下几种
(1)生产车间
(2)辅助车间机修车间、中心试验室、化验室等
(3)仓库原料库、冷库、包装材料库、保温库、成品库、危险品库、五金库、各种堆场、废品库、车库等
(4)动力设施发电间、变电站、锅炉房、冷冻机房、空压机房和真空泵房等
(5)供水设施水泵房、水处理间、水井、水塔、水池等
(6)排水系统废水处理设施
(7)全厂性设施办公室、食堂、医务室、哺乳室、托儿所、浴室、厕所、传达室、汽车库、自行车棚、围墙、厂大门、厂办校、工人俱乐部、图书馆、工人宿舍等工厂总平面设计应围绕生产车间进行排布,也就是生产车间(即主车间)应在工厂的中心,其他车间、部门及公共设施均需围绕主车间进行排布
3.3工程概算、成本分析及运行管理
3.
3.1工程概算的编制依据
(1)本工程概算根据酸奶生产工艺、设计图纸
(2)材料与设备价格采用市场信息价格或其他相类似工程的价格资料进行计算,设备运杂费按设备原价的8%计取
(3)本工程不计固定资产投资方向调节税和涨价预备金
3.
3.2生产任务年产量90000t;日产量300t
3.
3.3人员编制一天最多三班,为了减轻员工劳动强度,人员编制为四班每班工作人数如表8表8人员编制表工种管理人员工艺操作工中央控制室化学分析员质检员人数(人)110222从表8可看出,车间中工作人员总数为
3.
3.4工资福利费E(万元)E=AM式中A——职工每人每年的平均工资福利费,元;M——劳动定员取A=20000元/(年人),M=68人则E2=AM=20000×68=136(万元)
3.
3.5公用工程消耗计算耗电量:6500度/班,单价:
0.7元/度;耗水量:2400吨/班,单价:1元/吨;包装盒250ml:769082个/班,
0.005元/个每班酸奶生产的主要原料及公用工程消耗见表9表9每班酸奶生产的主要原料及公用工程消耗指标名称消耗(kg)市场价(元/t)配料(稳定剂及香精)
382.85000-6000原料乳
124172.182000-2200脱脂乳
21357.612400-2500糖
10761.582200-2300发酵剂
147847.6816000-
200003.
3.6建厂成本核算购置设备8700万元;安装工程3900万元;建筑费用3200万元;其他费用2500万元;总费用18300万元;
3.
3.7原料成本核算配料5500×
0.3828=
2105.4(元;原料乳
124172.18×2100=
260761.58(元;脱脂乳
213575.61×2450=
52326.15(元;糖
10761.58×22500=
242135.55(元;包装盒769082×
0.005=
3845.41(元;电费6500×
0.7=4550(元;水费2400×1=2400(元;总计
568124.1元/班
3.
3.8销售利润核算每班生产饮用型酸奶盒数n=(盒,单价
1.5元/盒;总价576159×
1.5=
864238.4(元;每班成本:
568124.1元;每班盈利:(元)1年班数:
0.75×3×82+2×140+1×78=453(班);1年盈利
296114.3×453=134139778(元)≈
1341.4万元扣除每年的员工工资福利140W及行政管理费用300W;则总盈利:(万元)4污水处理乳品厂在生产过程中不可避免的产生“三废”污染,其中最主要的是废水乳品厂的废水可以被分为三类⑴冷却水冷却水通常不受污染,它直接被排放到雨水管道系统,即从雨水或雪水的排放系统排出;⑵环境卫生废水环境卫生废水先可与生产废水混合再排放到污水处理厂或直接排放到污水处理厂;⑶生产废水生产废水来自于牛乳和其制品的泄露,以及与牛乳直接接触的设备的清洗废水,废水的浓度和成分取决于生产程序、操作方法和生产工厂的设计所以在生产中必须要对废水进行有效的控制和处理:1对污水进行综合利用,最大限度的减少废水量,经处理后再循环使用;2全面规划,合理布局,充分利用水体的自净能力,减少污染,建立污水处理厂;3净化处理,过滤中和,最大限度地降低废水浓度,保证排放到环境中的污水符合《工业废水排放标准》的规定结束语踉踉跄跄地忙碌了两个多月,我的毕业设计也终将告一段落从开始接到设计题目到设计的实现,再到论文文章的完成,图纸的绘制,每走一步对我来说都是新的尝试与挑战在这段时间里,我学到了很多知识,也有很多感受,从对工厂设计不太了解的状态,我开始了独立的学习,查看相关的资料和书籍,让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰,使自己非常稚嫩作品一步步完善起来,每一次改进都是我学习的收获,每一次修正的成功都会让我兴奋好一段时间本次设计不仅让我进一步熟悉和巩固了很多化工工艺方面的知识,还初步掌握了有关设计方面的知识同时也让我明白理论联系实际的重要性,更让我懂得对待科学要有严谨的态度、谦虚的品质、敏锐的思维、奉献的精神及合作的意识,这些对我将来的工作和生活都有积极的影响在以后的学习工作中,我会继续努力,将课本知识应用于实践中但由于能力和时间的关系,总是觉得有很多不尽人意的地方本设计存在的主要问题由于所选择的参考资料比较单一,有些信息与实际情况有些差距;由于生产实践经验的缺乏及理论知识的不足,本设计有些设备的选型未加分析,已选型的设备也有可能和实际生产中的要求存在差距因此,本设计用于生产实际时还需进一步改进当然还有其它不足,希望老师可以谅解并指出主要参考文献
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109.致谢本设计在刘志强老师的悉心指导和严格要求下,经过同组同学的共同努力业已完成毕业设计是普通高等学校本科教育的最后一个环节,也是必不可少的一个环节,是理论知识和实际应用相结合的重要措施通过毕业设计,我们分析问题,解决问题的能力得到提高,为以后的学习和工作打下基础本设计从课题选择、方案论证到具体设计和调试,无不凝聚着刘老师的心血和汗水;在四年的本科学习和生活期间,也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀,我受益匪浅在此向刘志强老师表示深深的感谢和崇高的敬意不积跬步何以至千里,本设计能够顺利的完成,也归功于各位任课老师的认真负责,使我能够很好的掌握和运用专业知识,并在设计中得以体现正是有了他们的悉心帮助和支持,才使我的毕业论文工作顺利完成,在此向湖南科技大学,生物工程专业的全体老师表示由衷的谢意,感谢他们四年来的培。