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文档简介

I 7575 L L 搅拌型酸奶的生产工艺设计搅拌型酸奶的生产工艺设计 摘要摘要 本设计通过查阅大量资料并结合实验室现有设备 进行了 75 L 搅拌型酸奶的 生产工艺设计 包括工艺确定 物料衡算 热量衡算 设备选型 生产运行成本核算 绘制工艺流程图等 此外 对工艺进行验证 验证结果表明产品的各项指标均符合相 关规定 工艺具有合理性与科学性 综合考虑经济和技术等因素 对不同工段的生产 设备进行选型 满足生产工艺的要求 根据相关标准和实际情况 设计生产车间 车 间布局合理 方便生产 反映了工艺设计的先进性 关键词关键词 搅拌型酸奶 工艺设计 物料衡算 热量衡算 设备选型 II The Process Design of 75 L Stirred Yoghurt Abstract Based on the available equipments in the laboratory and information collection the process of producing stirred yogurt in 75 L fermentor was designed in the study This design included process design and cost calculation for yogurt production material and heat balance calculation equipment selection mapping flow chart of production process etc The validation experiments showed that the yogurt produced by the designed process was measured up with the relevant criterions Therefore our designed process is reasonable and scientific Considering the demands of production economy and technology different equipments were selected according to the designed process and designed workshop layout was facilitated to production Our design has the characteristics of practicability and creativity Key words Stirred yoghurt Process design Material balance calculation heat balance calculation Equipments selection III 目录目录 0 引言 1 1 实验材料与方法 3 1 1 实验材料 3 1 1 1 原材料 发酵剂 3 1 2 2 实验试剂 3 1 2 3 实验仪器及设备 4 1 2 实验方法 4 1 2 1 发酵剂的制备 4 1 2 2 发酵剂的质量检验 5 1 2 3 发酵剂的贮藏 5 1 3 工艺指标的测定方法 6 1 3 1 感官指标 6 1 3 2 理化指标 6 2 工艺流程确定及论证 9 2 1 工艺流程确定 9 2 1 1 酸奶生产工艺流程 9 2 2 工艺论证和说明 9 2 2 1 发酵剂的制备 9 2 2 2 加糖量 9 2 2 3 均质 10 2 2 4 热处理 10 2 2 5 发酵 11 2 2 6 冷却 后熟 11 3 成本核算 12 3 1 物料衡算 12 3 1 1 原料乳及成品乳的成份要求 12 3 1 2 75 L 搅拌型酸乳的总物料衡算 13 3 1 3 生产 75 L 搅拌型酸奶的物料流程图 14 IV 3 2 热量衡算 14 3 2 1 热量衡算的意义 14 3 2 2 热量衡算的依据 14 3 2 3 生产 75 L 搅拌型酸奶的热量计算流程图 15 3 2 4 75 L 搅拌型酸乳的总热量衡算 15 3 3 耗水量计算 17 3 3 1 培养基用水量 W1 18 3 3 2 热处理结束后冷却水的用量 W2 18 3 3 3 一段发酵阶段热水用量 W3 以 3 h 计 18 3 3 4 生产 75 L 搅拌型酸奶总耗水量 18 3 4 物料衡算 热量衡算及耗水量计算汇总 18 4 主要设备选型 20 4 1 选择设备的原则 20 4 2 设备选型 20 附图 总平面布置图 23 5 工艺验证及技术经济分析 24 5 1 根据所确定的工艺流程生产 75L 搅拌型酸奶 24 5 2 产品的感观检验 24 5 3 产品的理化指标 24 5 4 生产运行成本核算 25 5 5 技术经济分析 25 5 5 1 用于租赁生产车间的费用 k1 25 5 5 2 用于购购置各种设备 工具 器具的费用 k2 26 5 5 3 年生产运行成本 k3 26 5 5 4 折旧费 26 5 5 5 利润 26 结论 27 致谢语 28 参考文献 29 1 0 引言 酸奶是以优质原料奶为主要原料 经2种或2种以上乳酸菌发酵制成的发酵乳制品 乳酸菌的协同发酵作用不仅能使酸奶独具风味 适口性强 而且具有缓解乳糖不耐症 改善胃肠功能 改善便秘 促进钙 磷吸收 降低胆固醇等作用 在增强人类体质与 营养健康方面起到食疗兼收的作用 近年来消费者对发酵乳的口味 香气 质地 健 康和安全的不断追求 极大地拉动了发酵乳在菌种 工艺 设备 包装和质量控制方 面的发展 1 美国 日本 欧洲及我国食品市场信息显示 酸奶正朝着嗜好和健康两个 方向发展 酸奶作为嗜好性甜品 给人以良好的食感 并带给人快乐和满足 酸奶作 为功能性食品的代表产品 正日益显示出其明显的优势 根据市场信息和国外专家对 21世纪食品发展趋势的预测 高品质 健康 方便 嗜好是酸奶市场的发展趋势 2 1 国内酸奶的生产现状 我国酸奶生产虽然起步较晚 但发展相当迅速 20世纪80年代初 北京率先开始 商业化酸奶生产 1982年仅生产酸奶1180吨 但到了1989年已达到3 3万吨 8年中产量 增加了近30倍 有关统计显示 近年我国酸奶产量逐年增加 2003年全国总产量近23 万吨 虽然目前酸奶在我国乳制品总量中的比重仅为7 8 但近两年其产销量增长 速度均高达40 以上 大大超过纯奶30 左右的增长率 业内人士预测今后5年仍是酸 奶的大发展时期 目前 酸奶生产已成为我国液态奶中除巴氏杀菌乳以外增加最快的 乳制品之一 酸奶在我国大中城市已经相当普及 3 但相对来说 我国的酸奶研究和生 产与发达国家相比还比较落后 欧洲早在1942年便已开始酸奶商业化生产 这些国家 在产品方面的创意引领了酸奶发展的趋势 值得我们借鉴 2 2 酸奶的发展前景 酸奶是当今乳制品研究开发的一个主流 随着生活水平的提高 人们对食品需求 已由营养 安全上升为保健功效方面 而酸奶由于其特有的营养价值和保健功能 越 来越受到人们的普遍重视和欢迎 使得酸奶的需求量逐年增加 由于乳制品市场竞争 愈加激烈 发酵酸奶制品将成为乳品市场的又一热点 3 2 3 本课题的研究目的和任务 本实验室具有完备 先进的实验仪器和发酵设备 并很好地掌握了食品发酵的有 关工程技术 可以提供良好的发酵条件进行食品发酵技术的研究 利用这些条件 本 论文对酸奶的生产工艺进行合理的设计 包括工艺确定 物料衡算 热量衡算 生产 运行成本核算 绘制不同设计阶段的工艺流程图等 最后根据所确定的工艺流程发酵 一罐75L传统搅拌型酸奶并测定各项工艺指标以验证工艺的合理性 通过这些研究 达 到熟悉酸奶工业生产及工艺设计流程的目的 同时 为今后在食品发酵的生产技术应 用研究方面奠定基础 3 1 实验材料与方法 1 11 1 实验材料实验材料 1 1 1 原材料 发酵剂 所谓发酵剂 Starter 是指生产发酵乳制品时所用的特定微生物培养物 通 常用于乳酸菌发酵的发酵剂有三个阶段 即三种类型 乳酸菌纯培养物 母发酵 剂和生产发酵剂 本实验使用生产传统酸奶的嗜热链球菌 Streptococcus thermophilus 及保加 利亚乳杆菌 Lactobacillus bulgaricus 购买于中国工业微生物菌种保藏中心 1 1 1 1 乳酸菌纯培养物 乳酸菌纯培养物 Seed Starter 是含有纯乳酸菌的用于生产母发酵剂的牛乳菌株 发酵剂或粉末发酵剂 主要接种在脱脂乳 乳清 肉汤等培养基中使其繁殖 现 多用升华法制成冷冻干燥粉末或浓缩冷冻干燥来保存菌种 1 1 1 2 母发酵剂 母发酵剂 Mother Starter 是指在无菌条件下扩大培养的用于制做生产发酵剂的 乳酸菌纯培养物 生产单位或使用者购买乳酸菌纯培养物后 用脱脂乳或其他培 养基将其溶解活化 接代培养来扩大制备的发酵剂 并为生产发酵剂做基础 1 1 1 3 生产发酵剂 工作发酵剂 生产发酵剂 Bulk Starter 是直接用于生产的发酵剂 应在密闭容器内或易于清 洗的不锈钢缸内进行生产发酵剂的制备 1 2 2 实验试剂 菌种保藏所需试剂 吐温 80 柠檬酸三胺 卵磷脂 石蕊 碳酸钙 酵母浸 膏 葡萄糖 甘油 理化指标测定所需试剂 乙醚 石油醚 95 乙醇 浓硫酸 浓盐酸 硼酸 氢氧化钠 过氧化氢 硫酸铜 硫酸钾 酚酞 碱性品红 甲基红 溴钾酚绿 4 革兰氏染色所需试剂 番红复染液 卢戈氏碘液 草酸结晶紫染液 吕氏碱 性美蓝染液 1 2 3 实验仪器及设备 表 1 1 实验仪器及设备 编号设备名称型号产地 1台式酸度测定仪Ph211北京哈纳 2超净工作台SP DJ中国上海浦东物理光学仪器厂 3生化培养箱HWY 2112厦门德维科技有限公司 4数显恒温水浴锅HH 4国华电器有限公司 5电子天平JY2002上海精密科学仪器有限公司 6电子分析天平FA1004N上海精密科学仪器有限公司 7电热鼓风干燥箱101 3B上海市实验仪器总厂 8高压灭菌锅ALP日本进口 9立式压力蒸汽灭菌器YXQ LS上海博迅实业有限公司 10直读比重计正大仪器制造厂 11显微镜B22219Motic 12凯氏定氮仪 13冰箱BCD 215KAN DZ青岛海尔股份有限公司 1 21 2 实验方法实验方法 1 2 1 发酵剂的制备 嗜热链球菌 Streptococcus thermophilus 的活化培养基 12 脱脂复原乳于 0 06 MPa 压力下灭菌 20 min 快速冷却后置于 30 保温箱中培养 3 天 证实无 菌后使用 5 保加利亚乳杆菌 Lactobacillus bulgaricus 的活化培养基 12 脱脂复原乳 于 0 06 MPa 压力下灭菌 20 min 快速冷却后置于 30 保温箱中培养 3 天 证实 无菌后使用 5 5 1 2 1 1 菌种纯培养物的活化 购买的菌种纯培养物是粉剂 装在安瓿瓶中 由于保存 寄送等影响 活力 减弱 需进行多次接种活化 以恢复其活力 将安瓿管内的菌种 无菌水全部溶 解后吸出接种于预先已灭菌的培养基中 置于 40 培养箱中培养 待凝固后再取 出 3 的培养物接种于灭菌培养基中 反复活化数次 待乳酸菌充分活化后 即 可调制母发酵剂 6 1 2 1 2 母发酵剂的制备 母发酵剂制备时以脱脂乳 120 mL 装入四旋瓶中 0 06 MPa 灭菌 20 min 并迅速冷却至 40 左右进行接种 接种时取脱脂乳量 3 的充分活化的菌种 接 种于盛有灭菌脱脂乳的容器中 混匀后 放入 40 培养箱中进行培养 凝固后再 移入灭菌脱脂乳中 如此反复 2 3 次 使乳酸菌保持一定活力 制成母发酵剂 1 2 1 3 生产发酵剂 工作发酵剂 的制备 生产发酵剂制备时取实际生产量的 3 脱脂乳 装入经灭菌的容器中 以 90 15 min 杀菌 并冷却 用脱脂乳量 3 的母发酵剂接种 充分混匀后置于恒 温箱中培养 待达到所需酸度时即可取出置于冷藏库中 1 2 2 发酵剂的质量检验 发酵剂质量的好坏直接影响成品的质量 故在使用前应对发酵剂进行质量检 查和评定 1 2 2 1 感官检查 观察发酵剂的质地 组织状态 色泽 风味及乳清淅出等 良好的发酵剂应 凝固均匀细腻 组织致密而富有弹性 乳清析出少 具有一定酸味和芳香味 无 异味 无气泡 无变色现象 6 1 2 2 2 发酵剂活力测定 发酵剂的活力是指该菌种的产酸能力 即产酸力 活力的测定采用凝乳时间测定 法 在高压灭菌后的脱脂乳中加入 3 的发酵剂 置于 40 的恒温箱中培养至凝乳 测定凝乳时间 保加利亚乳杆菌 5 h 嗜热链球菌 6 h 说明活力达到生产要求 6 1 2 3 发酵剂的贮藏 6 液体发酵剂 脱脂乳 11 5 石蕊溶液 2 右旋糖 本实验使用葡萄糖 1 0 碳酸钙遮住试管底部 卵磷脂 pH 7 1 0 酵母浸提液 0 3 培养后存放在 4 的条 件下 每 3 个月活化 1 次即可 上述培养基在高压灭菌器中 121 灭菌 20 min 7 液体发酵剂 11 脱脂复原乳 121 灭菌 20 min 培养后存放在 4 的条件下 每半个月活化 1 次 冷冻发酵剂 甘油悬液保藏法 将拟保藏菌种对数期的培养液直接与经 121 蒸汽灭菌 20 min 的甘油混合 并使甘油的终浓度在 10 15 再分装于 1 5 mL 小离 心管中 置 20 冰箱中保藏 1 31 3 工艺指标的测定方法工艺指标的测定方法 1 3 1 感官指标 色泽和组织状态 取适量试样于 50 mL 烧杯中 在自然光下观察色泽和组织状态 滋味和气味 取适量试样于 50 mL 烧杯中 先闻气味 然后用温开水漱口 再品 尝样品的滋味 8 酸奶品质品尝评价 以 8 人为一个评价小组就产品的酸度 细腻度 醇香度 综 合口感等各项指标进行评分 满分为 10 分 设 3 个小组 将各组评分取平均值作为该 项最终得分 8 1 3 2 理化指标 1 3 2 1 酸度测定 吸取 10 mL 牛乳 置于 250 mL 三角瓶中 加入 20 mL 水 再加入 0 5 m1 0 5 的 酚酞乙醇溶液 小心摇匀 用 0 1 mol L 氢氧化钠标准溶液滴至微红色 见注 在 1 min 内不消失为止 消耗 0 1 mol L 氢氧化钠标准溶液的毫升数乘以 10 即得酸度 T 9 注 滴定酸度终点判定标准颜色的制备方法如下 取滴定酸度测定的同批和同样数量的样品如酸奶10 mL 置于250 mL三角烧瓶中 加入20 mL蒸馏水 再加入3滴0 005 碱性品红溶液 摇匀后作为该样品滴定酸度终点 7 判定的标准颜色 1 3 2 2 全乳固体含量测定采用减量法 在带盖铝皿中 加入海砂10 g 于105 烘箱内供至恒重 吸取5 mL牛奶于此铝皿 中 置分析天平上称量 准确至0 2 mg 放入105 的干燥箱中干燥2 h后 加盖取出 置于干燥器中冷却后称重 再放入烘箱中干燥2 h取出 冷却20 30 min 将盖盖紧 称 重 如此重复至前后两次重量差不超过2 mg为止 9 计算 全乳固体 W2 W3 100 W1 W3 1 1 式中 W1 含有海砂的皿加样品重 g W2 含有海砂的皿加样品干燥后重 g W3 含有海砂的皿重 g 非脂乳固体 T F 1 2 式中 T 全乳固体 F 脂肪 1 3 2 3 脂肪含量的测定采用酸水解法 称取样品 10 0 g 置于 50 mL 大试管内 加 10 mL 盐酸 将试管放入 80 水浴中 至样品消化完全 取出试管 加入 10 mL 乙醇 混合 冷却后将混合物移于 100 mL 分 液漏斗中 以 25 mL 乙醚分两次洗试管后加塞振摇 混合均匀 静置至上部液体清澈 后 将上清液装于已恒量的锥形瓶内 在下层液中再加 5 mL 乙醚 振摇 静置 仍将 上层清液放入原锥形瓶内 将锥形瓶置 90 水浴上蒸干后 105 烘箱中干燥 2 h 取 出放干燥器内冷却 0 5 h 后称量 9 计算 X m1 m0 100 m2 1 3 式中 X 试样中游离及结合脂肪含量 g 100g m0 锥形瓶的质量 g m1 锥形瓶和脂肪的质量 g m2 试样的质量 g 1 3 2 4 蛋白质含量的测定 10 消化 8 准确移取 1 0 mL 样品于消化管中 加 1 0 g 催化剂 加 10 mL 浓硫酸 混合 加 热 消化至液体呈淡绿色 冷却 加水定容至 25 mL 加碱蒸馏 反应瓶中加入 2 mL 消化液和 5 mL 10 mol L 氢氧化钠溶液后加热蒸馏瓶使反应瓶 内液体开始沸腾 用含有 25 mL 2 硼酸的三角瓶立即收集氨 蒸煮 5 min 而后退下 三角瓶 继续收集 3 min 最后用蒸馏水把末端剩余的氨全部洗到三角瓶中 即算蒸馏 完毕 滴定 用硫酸标准溶液滴定至溶液出现酒红色为止 记录所用硫酸标准溶液的体积 同 时进行空白试验 并在结果中加以校正 计算 样品中蛋白质含量 g 100g V V0 c H 14 008 6 25 100 25 m 1000 1 4 式中 V 滴定时消耗硫酸标准溶液的体积 mL V0 空白试验消耗硫酸标准溶液的体积 mL c H 硫酸标准溶液中 H 的浓度 0 01 mol L m 样品的质量 0 95 g 取样量 1 mL 样品比重为 1 052 14 008 氮原子的摩尔质量 g mol 6 25 氮换算为蛋白质的系数 1 3 2 5 乳酸菌菌落总数的测定 检样 以 10 倍梯度稀释的方法作成几个适当倍数的稀释液 选择 5 个适当稀释度 各以 1 mL 之量加入灭菌平皿内 每皿内加入适量改良 TJA 翻转平板 36 1 培养 72 3 h 观察菌落形态并进行菌落计数 11 13 乳酸菌在改良 TJA 培养基上菌落生产形态特征见表 2 2 表 2 2 乳酸菌在培养基上菌落特征 菌落特征 杆菌平皿底为黄色 菌落中等大小 微白色 湿润 边缘不整齐 直径 3 1 mm 如棉絮团状菌落 球菌平皿底为黄色 菌落光滑 湿润 微白色 边缘整齐 改良 TJA 培养基 改良番茄汁琼脂培养基 番茄汁 50 mL 酵母浸膏 5 g 牛肉 9 膏 10 g 乳糖 20 g 葡萄糖 2 g k2HPO4 2 g 吐温 80 1 g 乙酸钠 5 g 琼脂 15 g 水 加至 1000 mL pH 6 8 0 2 10 2 工艺流程确定及论证 2 12 1 工艺流程确定工艺流程确定 2 1 1 酸奶生产工艺流程 原料奶 还原奶 检测合格 配料 添加 7 白砂糖 预热 65 均质 15 20 MPa 杀菌 90 10 min 冷却 45 接种 接种量 3 嗜 热链球菌 保加利亚乳杆菌是 1 2 一段发酵 42 43 灌装 二段发酵 37 后熟 4 冷藏 搅拌型酸奶 2 22 2 工艺论证和说明工艺论证和说明 2 2 1 发酵剂的制备 本实验采用继代式发酵剂 即 商业发酵剂 母发酵剂 中间发酵剂 工作发酵剂 乳酸菌扩培方法如下 保加利亚乳杆菌扩培 在 150 mL 的四旋瓶中加入 100 mL 的 12 脱脂乳 经 0 06MPa 20 min 灭菌后用流水迅速冷却 按 3 的接种量接入保加利亚乳杆菌 40 静置培养至凝乳 嗜热链球菌扩培 在 150 mL 的四旋瓶中加入 100 mL 的 12 脱脂乳 经 0 06 MPa 20 min 灭菌后用流水迅速冷却 按 3 的接种量接入嗜热链球菌 40 静置培养 至凝乳 2 2 2 加糖量 生产酸乳时 加入适当的蔗糖可使产品产生良好的风味 凝块细腻光滑 提高黏 度 并有利于乳酸菌产酸量的提高 若加量过大 会产生高渗透压 抑制了乳酸菌的 生长繁殖 造成乳酸菌脱水死亡 相应活力下降 使牛乳不能很好凝固 试验证明 11 7 的加糖量对产品的口味最佳 也不影响乳酸菌的生长 4 2 2 3 均质 均质的概念 将脂肪球进行机械处理 把它们分散成较小的脂肪球 均匀一致地 分散在乳中 均质后的脂肪球大部分在 1 0 m 以下 经均质后的乳有以下优点 1 风味良好 口感佳 2 提高酸乳的稳定性和 稠度 使产品不产生脂肪上浮现象 3 有利于人体对脂肪的消化吸收 14 均质采用 二级均质 即物料连续通过两个均质头 将粘在一起的小脂肪球打开 较高的温度均 质效果较好 但温度过高会引起脂肪 乳蛋白的变性 通过大量的试验表明 均质温 度采取 55 80 均质压力 18 25 MPa 效果最好 本实验在 65 温度 15 20 MPa 的 压力下进行均质 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 均质前均质后 图 2 1 均质前后脂肪颗粒大小比较 2 2 4 热处理 均质后的物料以 90 进行 10 min 杀菌 其目的是杀死病原菌及其他微生物 使 乳中酶的活力钝化和抑菌物质失活 使乳清蛋白热变性 改善牛乳作为乳酸菌生长培 养基的性能 改善酸乳的稠度 杀菌后的物料应迅速冷却到 45 左右 热处理温度偏 低或时间不够 就不能使大量乳清蛋白变性 变性乳清蛋白可与酪蛋白形成复合物 能容纳更多的水分 并且具有最小的脱水收缩作用 据研究 要保证酸乳吸收大量水 分和不发生脱水收缩作用 至少要使 75 的乳清蛋白变性 这就要求 85 20 30 min 或 90 5 10 min 的热处理 UHT 加热 135 150 2 4 s 处理虽能达到灭菌效果 12 但不能达到 75 的乳清蛋白变性 所以酸乳生产不宜用 UHT 加热处理 6 2 2 5 发酵 根据国内外的研究 单一发酵剂的使用其口感往往较差 两种或两种以上的发酵 剂混合使用能产生良好的效果 此外混合发酵剂还可缩短发酵时间 因为乳杆菌在发 酵过程中产生的物质是链球菌生长的基本因素 开始时球菌生长得比杆菌快 当球菌 产一定酸时抑制其生长 此时 杆菌迅速生长 将活化后的生产发酵剂充分搅拌 根据活力 以适当比例加入 一般加入量为 3 加入发酵剂后连续搅拌 10 min 使发酵剂均匀分散在培养基中 制作酸乳常用的 发酵剂为嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌的混合菌种 其比例通常为 1 1 1 2 本实验确 定为 1 2 用嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌的混合发酵剂时 温度保持在 42 43 发 酵到 pH 5 8 之后 将杀菌冷却后的酸奶原料乳 pH 值稳定在 5 8 取出的发酵混合物冷 却到 37 后直接通过灌装机灌装到市售容器中继续发酵 使其形成凝乳 这种方法的优点是可减少接种次数 降低发酵剂的使用量 并能获得较好的凝乳 因为乳酸菌的生长要经历延滞期 对数期 稳定期 死亡期四个阶段 接种发酵剂之 后 存在一个细菌不立即生长的延滞期 当采用一次性的连续化生产方式时 乳酸菌 在发酵罐中往往是一直处于对数期 乳酸菌的生长一直保持最高速度 发酵速度过快 达到酪蛋白等电点 pH 4 6 的时间较短 易出现乳清析出组织状态不良的现象 而采 用两段发酵法 冷却到 37 之后再投入二次发酵 乳酸菌在二次发酵中生长速度减慢 因此可形成较好的凝乳 14 2 2 6 冷却 后熟 将 37 二次发酵凝乳后的酸乳立即放入 4 5 的冷库中 迅速抑制乳酸菌的生长 以免继续发酵而造成酸度过高 在冷藏期间 酸度仍会有所上升 同时风味成分双乙 酰含量会增加 试验表明冷却 24 h 双乙酰含量达到最高 超过又会减少 因此 发 酵凝固后须在 4 左右贮藏 24 h 通常把该贮藏过程称为后成熟 一般最大冷藏期为 1 个星期 6 13 3 成本核算 3 13 1 物料衡算物料衡算 发酵工厂设计中的物料衡算是对整个发酵生产过程 即由原料至成品 物料变化 的计算 它包括产品的原辅材料 半成品和成品等的平衡计算 通过物料衡算可以确 定各种主要物料的需要量 采购运输量和仓库储存量 并对生产过程所需的设备和劳 动定员及包装材料用量等提供依据 15 物料衡算是根据质量守恒定律来进行的 即凡引入某一系统或设备的物料质量 m 按正值计算 必等于所得到的产物质量 mp 按正值计算 和物料损失量 md 以 负值计入 15 这样可以计算出原料和辅料的消耗定额 绘制出原 辅料用表和物料 平衡图 并为下一步设备计算 热量计算 管路设计等提供依据和条件 还为劳动定 员 生产班次 成本核算提供计算依据 因此 物料衡算在工艺设计中是一项既细致 又重要的工作 3 1 1 原料乳及成品乳的成份要求 原料乳成份要求见下表 表 3 1 原料乳成份要求 15 项目指标 比重 20 4 1 028 脂肪 3 10 蛋白质 2 95 乳糖 4 2 非脂乳固体 8 1 酸度 T 18 杂质度 mg kg 0 01 注 本实验采用全脂乳粉配制复原乳做为原料乳 14 成品乳成份要求见下表 表 3 2 纯酸奶发酵主要技术指标 16 纯酸牛乳 项目 全脂部分脱脂脱脂 脂肪 3 11 0 2 0 0 5 蛋白质 2 9 非脂乳固体 8 1 酸度 T 70 0 3 1 2 75 L 搅拌型酸乳的总物料衡算 3 1 2 1 主要原料全脂乳粉用量 产品生产消耗的原料量 根据发酵罐体积为 75 L 装料系数为 0 80 复原乳浓度为 10 均质回收率为 0 98 计算全脂乳粉用量为 75 0 80 10 0 98 6 13 kg 发酵剂制备消耗的原料量 根据接种量为 3 种子培养基浓度为 10 计算生产发酵剂消耗的全脂乳粉量为 75 0 80 3 10 0 18 kg 则全脂乳粉总用量 6 13 0 18 6 31 kg 3 1 2 2 主要辅料白砂糖用量 根据发酵罐体积为 75 L 装料系数为 0 80 加糖量为 7 计算主要辅料白砂糖的耗量为 75 0 80 7 0 98 4 3 kg 3 1 2 3 产品产量 根据发酵罐体积为 75 L 装料系数为 0 80 计算产品产量为 75 0 80 60 L 15 3 1 3 生产 75 L 搅拌型酸奶的物料流程图 3 发酵剂 二段发酵 37 搅拌型 酸乳 后熟 4 冷藏 灌装 43 一段发酵 接种 60 L水 热处理 20 MPa 均质 65 预热复原乳 4 3 kg 白砂糖 6 13 kg 脱脂乳粉 图 3 1 生产 75 L 搅拌型酸奶的物料流程图 3 23 2 热量衡算热量衡算 热量热量衡算的目的在于定量研究生产过程 为过程设计和操作最佳化提供依据 3 2 1 热量衡算的意义 1 通过热量衡算 计算生产过程能耗定额指标 应用蒸汽等热量消耗指标 可对工 艺设计的多种方案进行比较 以选定先进的生产工艺 或对已投产的生产系统提出改造或 革新 分析生产过程的经济合理性 过程的先进性 并找出生产上存在的问题 2 热量衡算的数据是设备类型的选择及确定其尺寸 台数的依据 3 热量衡算是组织和管理 生产 经济核算和最优化的基础 热量衡算的结果有助 于工艺流程和设备的改进 达到节约能源 降低生产成本的目的 17 3 2 2 热量衡算的依据 Q入 Q出 Q损 17 3 1 式中 Q入 输入的热量总和 kJ Q出 输出的热量总和 kJ Q损 损失的热量总和 kJ 16 3 2 3 生产 75 L 搅拌型酸奶的热量计算流程图 4 酸乳成品 冰 箱 生 化 培 养 箱 发 酵 罐 灌装机 均 质 机 加 热 器 18 白砂糖 脱脂乳粉 自来水 配 料 桶 55 65 90 热处理10min 冷却至43 发酵3 5h 37 图 3 2 生产 75 L 搅拌型酸奶的热量计算流程图 3 2 4 75 L 搅拌型酸乳的总热量衡算 3 2 4 1 预热阶段耗热量 Q1 根据公式 G V 3 2 式中 V 还原乳体积 还原乳密度 则还原乳质量为 G V 75 0 80 1 028 61 68 kg 预热阶段耗热量 Q1为 Q1 G cw t2 t1 1 1 18 7972 2 kJ 3 3 式中 cw 牛奶的比热容 2 5 103 J t1 自来水的平均温度 18 t2 预热温度 65 1 1 热损失系数 3 2 4 2 热处理阶段耗热量 Q2 1 培养基升温耗热量 17 Q2 G cw t3 t2 6476 4 kJ 3 4 式中 G 还原乳质量 61 68 kg cw 牛奶的比热容 2 5 103 J t3 热处理温度 90 t2 热处理初始温度 48 2 发酵罐升温耗热量 Q2 G cw t3 t1 3 5 156 0 5 103 90 18 5616 kJ 式中 G 发酵罐净重 156 kg cw 不锈钢的比热容 0 5 103 J 19 t1 平均室温 即发酵罐温度 18 t3 热处理温度 90 3 维持温度阶段耗热量 90 维持时间为 10 min 蒸发量为每小时 1 Q2 1 G 10 60 3 6 1 61 68 2283 2 1 6 234 7 kJ 式中 G 还原乳质量 61 68 kg 90 水的汽化热 2283 2 kJ kg 19 热处理阶段耗热量 Q2 Q2 Q2 Q2 1 1 3 7 6476 4 5616 234 7 1 1 12327 kJ 3 2 4 3 冷却阶段耗热量 Q3 18 把发酵混合物从 t3 90 冷却到 t4 43 冷却水使用 t0 11 的冷水 平均出口水温 为 t5 40 逆流操作 则耗热量为 Q3 Q c t5 t0 t 3 8 1125 4 2 103 40 11 0 3 h 39690 kJ 式中 Q 冷却水的流量 1 125 m3 h 即 1125 kg h t 冷却时间 0 3 h 3 2 4 4 发酵阶段耗热量 Q4 Q4 T Q c t4 t1 1 1 3 9 0 5 1125 4 2 103 45 18 1 1 70166 3 kJ 式中 T 发酵过程通热水的时间 0 5 h Q 热水的流量 1 125 m3 h 即 1125 kg h c 水的比热容 4 2 103 J t1 自来水的平均温度 18 t6 热水温度 45 3 2 4 5 均质阶段热损失 Q5 Q5 G cw t2 t2 2004 6 kJ 3 10 式中 G 还原乳质量 61 68 kg cw 牛奶的比热容 2 5 103 J t2 均质前温度 65 t2 均质后温度 52 3 2 4 6 生产 75 L 搅拌型酸奶总耗热量 Q入 Q出 Q损 3 11 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 7972 2 12327 39690 70166 3 2004 6 19 132160 kJ 3 2 4 7 生产 75 L 搅拌型酸奶的耗电量 将耗热量换算成耗电量 1 kW h 3 6 106 J 则总耗电量为 132160 3600 36 7 kW h 3 33 3 耗水量计算耗水量计算 乳制品生产中 水是必不可少的物料 根据乳制品生产工艺 设备或规模不同 生产 过程用水量也随之改变 即便是同一规模 工艺相同的情况下 单位成品耗水量往往也大 不相同 所以在工艺流程设计时 必须妥善安排 合理用水 所以生产过程中水用量计算 就显得尤为重要 20 结合本实验实际 计算发酵一罐 75L 搅拌型酸奶总耗水量 保证用水量的准确性 3 3 1 培养基用水量 W1 W1 75 0 80 水 3 12 75 0 80 0 998 60 2 kg 式中 0 80 装料系数 水 20 水的密度 0 998 kg L 3 3 2 热处理结束后冷却水的用量 W2 把发酵混合物从 t3 90 冷却到 t4 43 冷却水流量为 1 125 m3 h 冷却时间为 0 3 h 则耗水量为 W2 Q t 水 1125 0 3 0 998 338 2 kg 3 13 3 3 3 一段发酵阶段热水用量 W3 以 3 h 计 W3 T Q 水 0 5 1125 0 998 563 6 kg 3 14 式中 T 发酵过程通热水的时间 0 5 h 20 Q 热水的流量 1 125 m3 h 即 1125 L h 水 20 水的密度 0 998 kg L 3 3 4 生产 75 L 搅拌型酸奶总耗水量 W W1 W2 W3 3 15 60 2 338 2 563 6 962 kg 3 43 4 物料衡算 热量衡算及耗水量计算汇总物料衡算 热量衡算及耗水量计算汇总 对物料衡算 热量衡算及耗水量的计算进行汇总 为设备选型提供依据 确保设备选 型符合工艺要求 汇总表如下 表 3 3 物料衡算 热量衡算及耗水量计算汇总表 成本项目耗量合计 主要原料全脂乳粉用量6 31 kg 主要辅料白砂糖用量4 3 kg物料衡算 成品乳59 4 L 预热阶段耗热量 Q17972 2 kJ 热处理阶段耗热量 Q212327kJ 冷却阶段耗热量 Q339690 kJ 发酵阶段耗热量 Q470166 3 kJ 热量衡算 均质阶段热损失 Q52004 6 kJ 132160 kJ 培养基用水量 W160 2 kg 发酵阶段热水用量 W2338 2 kg耗水计算 发酵结束后冷却水用量 W3563 6 kg 962 kg 21 4 主要设备选型 设备选型应符合工艺要求 它的依据是物料衡算 设备选型的好坏是保证产品质 量的关键 体现生产水平的标准 它为动力配电 水 汽用量计算提供依据 对于生 产中关键设备除按实际生产能力所需的台数配备外 还应考虑备用设备 若几种产品 都需要的共同设备 应按处理量最大的品种所需的台数确定 一般后道工序设备的生 产能力要略大于前道 以防物料积压 21 4 14 1 选择设备的原则选择设备的原则 设备设计选型是否正确恰当 对投资建厂和工厂投产后的运行和维修 工人的劳 动强度 产品质量都会有较大的影响 设备的选型 可以反映出所设计工厂的先进性 和生产的可靠性 因此设备的工艺设计和选型要考虑以下原则 1 保证工艺生产过程的正常和安全运行 2 操作费用低 耗水 电 汽等较少 3 技术上先进 经济上合理 操作上方便 4 清洗方便 耐用 易维修 5 设备结构紧凑 减轻工人的劳动强度 尽量实现机械化和自动化 6 考虑生产波动和设备平衡 要留有一定的余量和备用设备 7 尽量减少噪音 符合环保要求 17 4 24 2 设备选型设备选型 根据工艺要求和设计规模 对生产设备进行选型 相关设备说明如下 4 2 1 发酵罐 本设计结合实验室的现有设备 确定生产规模为 75 L 4 2 2 高压均质机 工艺要求 15 20 MPa 该设备最高压力 60 MPa 能够满足生产的需求 额定流量 500 L h 耗时较短 同时也减少了均质时复原乳的热量损耗 4 2 3 螺杆泵与离心泵 22 将搅拌型酸奶从发酵罐经管道和冷却器输送到灌装机 必须借助泵的力量 泵的 设计和大小有多种 应用最广泛的是离心式泵和容积式泵 离心式泵多用于牛奶 稀 奶油和乳清的输送 容积式泵是为输送黄油 酸奶等糊状产品而设计的一种特殊泵 这种泵不损伤凝乳结构 并能保证一定的凝乳流量 螺杆泵是容积式泵的一种 适合 酸奶的输送 4 2 4 管式冷却器 LQ 型管式冷却器是螺纹管冷却器 浮头式 热膨胀管束在壳体内可自由伸缩 阻 力损失小 可最大限度地降低对凝乳结构的破坏 此外还具有传热系数高 体积小 使用寿命长 维修方便等优点 4 2 5 板式换热器 具有总传热系数高 热损失小 使用安全可靠 结构紧凑 占地面积小等优点 4 2 6 膏体灌装机 灌装速度 20 60 瓶 分 灌装精度 1 该机针对中等黏度至高黏度的产品灌装需要而开发研制的 整机由储料斗 电控 两大部分组成 结构简洁 操作便利 灌装量和灌装速度均可任意调节 灌装精度高 主要设备选型如下表 表 4 1 主要设备选型一览表 序号设备名称设备型号规格材料数量产地 1发酵罐CS75 L不锈钢1 宜兴 2高压均质机SLS 60 70500 L h不锈钢1上海 3搅拌桶ARM 10300 L不锈钢2温州 4螺杆泵G135 13 65 m3 h不锈钢2上海 5离心泵ISG15 801 1 m3 h硬质合金6上海 6管式冷却器2LQF4W3 6 m2不锈钢1吉林 7板式换热器BRO60 61 m2不锈钢1无锡 8膏体灌装机DG25 250 mL不锈钢1武汉 9天平SR1600016 1 kg不锈钢1上海 合计16 台 23 24 附图 总平面布置图 更衣室 卫生间 冷库冷却隧道 化验室 主生产车间 配料 均质 杀菌 一段发酵 灌装 二段发酵 原 辅 材 料 库 25 5 工艺验证及技术经济分析 5 15 1 根据所确定的工艺流程生产根据所确定的工艺流程生产 75L75L 搅拌型酸奶搅拌型酸奶 6 kg 全脂乳粉 10 4 2 kg 白砂糖 7 加 60 L 水搅拌溶解 预热 65 均质 15 20 MPa 进入发酵罐 热处理 90 10 min 冷却 45 接种 接种量 3 嗜热链球菌 保加利亚乳杆菌 是 1 2 一段发酵 42 43 灌装 二段发酵 37 后熟 4 冷藏 搅拌型酸奶 5 25 2 产品的感观检验产品的感观检验 表 5 2 产品的感观检验结果 项目结果描述得分 总分 10 分 酸度 入口酸中带甜 甜中带酸 但喝后口 中会留下较强的醋酸味 较难接受 6 细腻度质地均匀 口感细腻 8 醇香度有浓郁的天然乳脂香味 10 综合口感良好 但在粘稠度方面还有待提高 8 5 35 3 产品的理化指标产品的理化指标 表 5 2 产品的各项指标测定结果 项目自制酸奶伊利酸奶工艺要求 酸度 T148 084 2 70 脂肪 2 192 03 3 1 蛋白质 2 252 28 2 3 非脂乳固体 12 4716 3 8 1 乳酸菌总数 cfu mL 3 47 10123 97 1010 1 106 26 结果分析 感观检测及理化指标检测的结果表明 根据确定的工艺流程生产出了基本符合 工艺指标的产品 通常市售酸奶的酸度在 80 120 T 之间 本实验的酸度测定结果略微偏高 因为 在发酵过程中发酵终点没有控制好 发酵时间偏长 而此时乳酸菌处于对数生 长期 产酸很快 导致酸度略微偏高 而喝后口中留下的醋酸味则是因为购买 的菌种为异型发酵 产乳酸的同时也产生醋酸 给产品的口感产生了较大的破 坏 产品的粘稠度不尽如人意 与菌种特异性有关 而发酵结束后搅拌工艺受设备 的限制 搅拌桨不适合 转速过大 达 250rpm min 也对凝乳产生了不可恢复 的破坏 导致了产品粘稠度的下降 此外 本实验生产过程未添加任何增稠剂 稳定剂等也是一个方面的原因 产品的乳酸菌总数明显高于市售酸奶 说明发酵过程中乳酸菌生长旺盛 远高 于国标规定的 1 106 其保健效果更佳 5 45 4 生产运行成本核算生产运行成本核算 表 5 3 生产运行成本一览表 项目耗量折合人民币 主要原料全脂乳粉6 31 kg229 7 主要辅料白砂糖4 3 kg30 3 耗电量36 7 kw h16 9 耗水量962 kg2 4 劳动力6 人每天300 包装成本 125 mL 480 个72 合计 651 3 5 55 5 技术经济分析技术经济分析 5 5 1 用于租赁生产车间的费用 k1 租赁生产车间年租为 k1 k1 5 万元 27 5 5 2 用于购购置各种设备 工具 器具的费用 k2 5 5 3 年生产运行成本 k3 生产一批 75 L 酸奶所需时间为 4 h 一天可生产 6 批 一年 365 天 休息两个月 一年生产 1830 批 则年运行成本 k3 651 3 1830 119 1879 万元 故生产总投资 k总 k1 k2 k3 5 119 1879 5 5 4 折旧费 设固定资产折旧后预计残值为原投资的 5 设固定资产清理费为原投资的 1 取设备使用年限为 15 年 则年折旧额 固定资产 预计残值 预计清理费 预计使用年限 5 5 5 利润 生产一批 75 L 酸奶所需时间为 4 h 一天可生产 6 批 一年 365 天 休息两个月 计算可得年产量为 109 8 吨 灌装后可得 125 mL 产品 878400 杯 根据市场定价 每 杯售价为 2 0 则年销售收入为 175 68 万元人民币 年利润 年销售收入 生产总成本 175 68 119 1879 28 结论 本设计本着理论联系实际的原则 进行了 75 L 搅拌型酸奶的生产工艺设计并进行 工艺验证 验证结果表明 1 本设计通过查阅大量资料并结合实验室现在设备 进行了 75 L 搅拌型酸奶 的生产工艺设计及工艺验证 验证结果表明 产品的各项指标均符合相关规定 工艺 具有合理性与科学性 2 综合考虑了经济和技术等因素 对不同工段的生产设备进行选型 满足生产 工艺的要求 反映了工艺设计的先进性 根据相关标准和实际情况 设计生产车间 布局合理 方便生产 3 根据实际需要 对生产 75 L 酸奶的原辅材料 水 电 劳动力 包装材料 等的耗量进行计算 从而得到生产运行成本 并按照市场价格计算出每生产一罐 75 L 搅拌型酸奶的利润为 316 7 元 通过这些研究 达到熟悉酸奶工业生产及工艺设计流程的目的 同时为今后在食品 发酵的生产技术应用研究方面奠定基础 但是 受时间及资料的限制 未对设备的固 定资产进行计算 设计不够全面 完善 因缺乏经验 且对工业生产没有深刻的认识 主要是通过查阅资料进行工艺设计及设备选型 可能会使本设计与工业实际生产之间 还存在一定的距离 今后应多积累经验 努力将工艺设计与发酵工厂的实际生产相联 系 做到理论与实际的有机结合 29 致谢语 本设计是在李利君老师和肖安风老师的精心指导下完成的 在此表示深深的谢意 特别是肖安风老师严谨治学 实事求是的态度深深地影响了我 让我受益匪浅 在设计过程中 倪辉老师 杨秋明老师 卢珍华老师等也给了我很大的帮助 在 此设计完成之际 谨对帮助过我的老师和同学表示最由衷的感谢 希望他们的明天会 更好 30 参考文献 1 高松柏 发酵乳的最新进展 中国乳品工业 2004 32 8 46 49 2 朱峻岭 王磊 王建鑫 2004年国际酸奶市场发展现状及展望 宏观综述 2004 10 12 14 3 刘敦艳 李双霞 酸奶的生产现状及影响酸奶质量的主要因素 乳品加工 2005 8 50 53 4 马钢 酸奶制品制作技术及最新配方 北京 中国轻工业出版 1994 5 Sodini I Lucas A Oliveira MN Remeuf F Corrieu G Effect of milk base and starter culture on acidification texture and probiotic cell counts in fermented milk processing J Dairy Sci 2002 85 247 2488 6 蒋爱民 畜产食品工艺学 北京 中国农业出版社 2000 7 Karagul Yuceer Y Wilson JC White CH Formulations and processing of Yogurt affect the microbial quality of Carbonated Yogurt J Dairy Sci 2001 84 543 550 8 中华人民共和国国家标准 GB 2746 1999 酸牛乳 9 中华人民共和国国家标准 GB T5409 1985 牛乳检验方法 10 郭彩华 吴永沛

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