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1、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
2、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
3、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
4、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23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
5、。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
6、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
7、、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，
8、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
9、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
10、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
11、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
12、件为6265，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（8085）/（1015s）或（7275）/（1640s）的杀菌方法，也可采用（8590）/（14s）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
13、、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125138，时间24s，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。
14、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
15、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135150，保温时间为28s，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
16、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140150的灭菌温度,保持14s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
17、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
18、生产班次为12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82d。2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
19、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0.75。2.1.3 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
20、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:
21、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2.2.2.42.2.2.7式中，、为工艺过程的损失率。2.2.3 生产L酸奶的物料衡算 （
22、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
23、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L124.6107.4154801.32杀菌乳L124.0106.9153973.5发酵乳L119.0102.6147847.68UHT处理乳L118.4102.07147019.86酸乳L116.0100144039.732.3 每班热量衡算2.3.1 预热耗热量2.3.1.1
24、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
25、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：；2.3.3 UHT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
26、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：=（/
27、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）2.4.6 UHT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=（）2.4.7 UHT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
28、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 025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 9042 水 2575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/(m3h)，设发酵度为60%。则1L发酵乳每小时放热量为：根据物料衡算，
29、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 4220 水 1530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）2.5.1.5 UHT处理后冷却耗冷量Q5 根据工艺，UHT处理乳 14020 水 080UHT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
30、.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1300030000kJ/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/
31、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
32、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（415），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60007000r/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：46
33、4；当量沉降面积：481072；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
34、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、
35、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），=1.800mPaS，=0.5W/(mK)，=1030/m3；=1.2028mPaS，=0.6W/
36、(mK)。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=5.32103/ns水 Re2=0.93104/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
37、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=1.15105/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N70.465.359.954.248.2npass=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
38、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=667.44W/（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=0.053atm0.4atm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=0.066atm2.0atm从上面的压力降计算可知两股
39、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2/31。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
40、。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23。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
41、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0.00150.002Pas，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1.051.1倍。查相关表，选取型号为：IS80-50-20
42、0，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：2.2 kW。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
43、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
44、，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6070预热后的原料乳被送到均质机均质（1520MPa）后再回到板式热交换器进行升温（9095）、保温杀菌35min之后被冷却到发酵温度（3843）。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（1520MPa）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），mPaS，W/(mK)，/m3；，W/(mK)。计算热负荷（不计热损失）（J/S）平均温度差标准化乳 460 水 2575
