婴儿配方奶粉工艺设计.doc

设计说明书食品082陈晖040811232喷雾干燥法生产婴儿配方奶粉工艺 500kg/h设计生产能力1.概述1.1项目来源 本次设计是食品工艺学这门课课程设计的组成项目，是由班上通过抽签确定的项目，每人一题，没有自选过程。1.2国内外生产现状 国产婴儿配方乳粉的工艺有两种即：湿法和干法。湿法工艺是以生鲜乳为主要原料，添加脱盐乳清粉（或乳清蛋白粉、乳糖）、植物油、矿物质、微量成分，经浓缩、喷雾干燥所制成；干法工艺是以全脂乳粉（脱脂乳粉）、脱盐乳清粉（或乳清蛋白粉、乳糖）、植物油、矿物质、微量成分为基料，经搅拌混合制成。生产婴幼儿乳粉的主要原料，除生鲜乳必须由当地提供外，脱盐乳清粉、乳清蛋白粉、乳糖全部由国外进口。乳清粉是由生产干酪、干酪素的副产品“乳清”制成的，其主要成分是乳糖、乳清蛋白。乳清含矿物质（灰分）比较多，由于高矿物质会增加婴幼儿肾脏的负担，故生产婴幼儿乳粉所用乳清粉必须经过脱盐。按脱盐程度分，有脱盐40%、60%、70%、90%等规格，我们国家的标准要求，生产婴幼儿配方乳粉的乳清粉脱盐至少在70%以上。衡量婴幼儿配方乳粉质量高低，主要是从三个方面考虑：产品标准、原料质量、生产和质量保障体系。产品标准决定产品配方，产品配方造就了产品营养的科学性合理性。我国自生产婴幼儿配方乳粉开始就制定有产品质量标准。1983年，轻工业部首次发布行业标准QB86983婴幼食品营养及卫生标准，此标准包括了乳基婴幼儿配方食品和断奶期配方食品的营养和卫生指标；1989年，在部颁标准上修订升级为国家标准GB1076589婴儿配分乳粉、婴儿配方乳粉，这个标准是在部颁标准的基础上，又增加了亚油酸、乳清蛋白、维生素、矿物质等11项指标；1997年，对两项标准进行修订，并配套发布GB10767婴幼儿配方粉及婴幼儿补充谷粉通用技术条件标准，标准修订的依据是国际食品法典委员会的标准，增加了维生素、生物素、叶酸、泛酸、矿物质等7项指标，并要求乳糖占碳水化合物量的90%以上；2009年，第三次对婴幼儿配方食品标准进行修订，这修订参照了国际食品法典委员会标准和国际一些先进企业的标准，形成了今年4月1日将正式执行的食品安全国家标准，新颁标准设定64项指标，较旧标准又增添了许多新的内容，如：增添了新的脂肪酸种类、亚油酸与a-亚麻酸比值和反式脂肪酸、芥酸的限量指标，乳清蛋白占总蛋白质的比例、氨基酸组成模式，微量成分等。新修订的婴幼儿配方乳粉标准是符合国际水平的，也是世界上最严格的标准之一。凡在国内生产婴幼儿配方乳粉，不论是国内品牌，还是国外品牌，都要执行这个标准，进入中国市场的外国产品同样要符合这个标准。执行同一个标准的产品是处在同一个技术等级层面的。目前国外不仅研究生鲜牛乳加工成的婴儿配方奶粉，还正在研究营养价值更高的牛初乳粉加工技术。采纳国外经验或引进国外设备，经过近5年的努力，目前，国内相关企业已经掌握了一系列有关牛初乳加工的关键性技术。高新技术的应用增加牛初乳制品成本的同时，也赋予其较高的附加值。 1、干燥技术 包括低温喷雾干燥、冷冻干燥等能够维持初乳活性的干燥技术，在国内外均已经实现了工业化。长时间的真空浓缩工艺对牛初乳活性有严重影响，所以开发干燥之前的条件温和的浓缩技术是一个趋势。 2、杀菌技术 能够维持牛初乳活性成分的非热力杀菌或除菌技术乃一种发展趋势，目前，微滤除菌、辐射杀菌技术等在中车已经实现工业化，另外一些技术则正在积极研究之中。 王志高等研究了陶瓷膜过滤牛初乳过程的污染阻力，考察了孔径对膜过滤牛初乳过程的影响，分析了孔经过0.2、0.5、0.8um膜过滤阻力的形成及其对水渗透通量和蛋白截留率的影响，认为对孔径为0.2um膜，其污染是由浓差极化阻力和凝胶层阻力共同作用所致，而对于0.5、0.8um两种孔径的陶瓷膜则是浓差极化阻力占主导地位的污染.对蛋白截留率进行模型预测，预测结果与实测结果较为一致，实验过程中3种孔径的膜对细菌的截留率都几乎达100%。 王浩等研究了辐照对牛初乳中主要微生物的影响。作为国际公认的一种食品“冷加工”方法，辐照技术是安全可靠的。对辐照前后牛初乳粉中细菌菌落总数和大肠杆菌群的数量进行检测，结果表明：当辐照剂量达到8KGy时，已基本能完全杀死牛初乳粉中的微生物，且辐照剂量与微生物存活量之间呈线性关系。 骆新峥等研究了脉冲磁场对牛初乳的杀菌效果，结果表明，脉冲磁场对牛初乳具有较好的灭菌效果，细菌致死率在99.9%以上。脉冲磁场杀菌是一种非热杀菌技术，能最大限度的保留食品的色、香、味及营养成分，且杀菌时间短，效率高能耗低，节约能源。王丽颖等研究了高压脉冲电场处理牛初乳的可能性也证明了该技术的可行性，初步确定较为适宜的工艺条件：温度35，压力7000v，流速44mL/min,此时处理后样品中IgG含量较高。 3、分离技术 超滤分级与浓缩在中国牛初乳加工企业中已经是一种现实的技术手段。此外，诸如离子交换层析、反胶束抽提、乳酸菌发酵方法等分离分级或浓缩IgG的技术显示出一定工业化应用潜力。但是，对于初乳中生长因子、Colostrinin(即PRP)等小蛋白成分的分离技术仍然进展不大。1.3本工艺技术特点 本次工艺大致可分为三个阶段原料乳验收与储存阶段、乳粉生产阶段和成品包装处理阶段。本工艺的可实现连续化、机械化生产，且原理成熟，国内诸多厂商可以提供相应的设备，形成一条完整，高效的生产工艺。在原料乳验收阶段关键的工艺要点在于预杀菌、净乳和原料乳的储存。原料乳的预杀菌的目的在于杀死其中的嗜冷菌，同时为后面的脱气作为铺垫；净乳的目的是把原料乳中难以除去的细小污物及芽孢分离；储存处理过的原料乳应该注意温度应该在4以下，以防止原料乳的变质而影响下一步的生产。乳粉生产阶段的关键是均质、杀菌、喷雾干燥。均质的目的在于使乳粉中各种成分混合均匀，尤其是将脂肪粒细化，分散；杀菌的目的是杀灭乳中各种致病菌，钝化各种酶的活力；喷雾干燥则是将鲜乳制成乳粉额关键步骤。成品包装处理中最关键的是要实现无菌灌装，而且由于婴儿乳粉的特殊性，还要进行充氮包装，以防止脂肪的氧化。收奶时根据图上的收奶工艺，可以实现连续化，机械化生产，且对原料乳进行预杀菌，可以有效保证后续工艺对原料乳品质要求。另外，收奶时还可以用真空收奶装置进行收奶，它的优点是结构简单，操作方便，不过真空收奶装置收奶时需要不断打开、关闭两个收奶罐之间的阀门，故对工件的耗损比较大。在乳粉的生产阶段，原料乳的杀菌，可以采用低温杀菌，高温短时杀菌或超高温瞬时杀菌。选择杀菌条件与设备和干燥方法有关。喷雾干燥制造乳粉，一般采用高温短时间杀菌法，其杀菌设备与浓缩设备相连。若使用列管式杀菌器，通常采用的杀菌条件为8085/510min。板式杀菌设备，选用8085/15s。若采用超高温瞬时杀菌装置为130135/24s。杀菌方法对全脂乳粉的品质特别是溶解度有很大影响。超高温瞬时杀菌不仅能将微生物全部杀死，而且，如蛋白质可以达到软凝块化，营养成分破坏度小等优点。需指出的是，高温长时间杀菌加热会严重影响乳粉的溶解度，而这又不是婴儿乳粉希望看到的。浓缩时采用的设备为蒸发器，国内加工厂目前使用双效和三效较多。使用多效可以充分利用能源，但是使用的效数过多实际上是不可能实现的。经过浓缩可以节约干燥室加热蒸汽和动力消耗，提高干燥设备能力，降低生产成本。另外经浓缩的乳粉喷雾干燥成乳粉后，其粒子较粗大，具有良好的分散性、冲调性、能够迅速复水溶解。真空浓缩还可以排除溶解在乳中的空气和氧气，大大减少乳粉颗粒中的气泡。颗粒内存在的氧气容易与全脂乳粉中的脂肪起化学反应，给制品带来不良影响，影响保藏性能。浓缩乳的浓度越高，制成的乳粉气体含量越低，越有利于保藏。喷雾干燥是乳粉制造的最主要环节，它直接影响产品质量的好坏。喷雾干燥速度快，物料受热时间短，乳粉具有很高的溶解度。干燥过程温度低，乳粉质量好。采用顺流干燥流程，热空气温度虽高，但物料水分蒸发温度却也不超过该状态下热空气的湿球温度，物料温度不超过5060，对全脂乳粉的色、香、味、营养成分及维生素影响极小。干燥中湿物料与干燥介质直接接触，进行瞬间蒸发，无需热交换设备。喷雾干燥还可改善生产生产环境，提高劳动效率。喷雾干燥的主要缺点是设备的热效率低（只有3550）、干燥室体积庞大、粉尘回收系统复杂，设备清扫工作量大，设备一次性投资量较大、设备一次性投资大及对建筑要求较高。那么，现代的喷雾干燥设备，究竟离心喷雾干燥和压力喷雾干燥哪一种较好呢？对这样一个问题，不可能做出肯定的回答，而两种形式各有特点。压力喷雾干燥具有雾化器构造比较简单，采用单喷嘴大孔径或多喷嘴生产能力大，粒径调节容易，维修方便，制品粒子中空气含量比较少等特点。但这类干燥塔的设计，往往直径小而高度大。离心喷雾干燥比高速离心机构造复杂，且装配精度要求高，特别是104r/min以上的离心机造价高，但其适用于高浓度粘度的物料喷雾，制品粒子呈球状，粒子表面较规则整齐，干燥塔直径大而圆柱体部分高度低。对制造奶粉而言，都可以获得良好的产品。新型的离心喷雾干燥设备是用螺杆泵定量进料的，泵与无级变速器连接，便于调节流量。微粉的回收普遍采用旋风分离器，而旋风分离器的应用和分离器数量尽可能减少正引起设计人员的兴趣。使用较高的热风温度，不但能够提高热效率，而且能减少干燥空气的数量，从而减少劳动力消耗，并缩小了干燥塔的体积和旋风分离器等附属设备的尺寸，达到节约投资和降低运转费用的目的。另外，利用排出的废气来预热空气进口，可提高热效率，这种方法已经通过热交换器实行了多年，在某种情况下大约能节能20左右的燃料。在国内南方乳品企业，大约提高热效率6左右。乳粉包装处理的充氮包装是婴儿乳粉为保证其质量而必须采用的一种技术，主要是为了防止乳粉中脂肪氧化，抑制其中可能的细菌生长，并且延长其货架期。2 物料横算及能量横算 2.1.1原料、中间产品、产品的物料总说明 本次原料采用生鲜牛乳，中间产品有稀奶油，产品为婴儿配方奶粉。大多婴儿奶粉的营养元素越来越加全面、丰富，同时也越来越接近母乳营养。比如除钙、磷、铁、碘、锌等常规元素外，还加入了维生素A、D、E、维C、B族维生素以及母乳中所特有的叶酸、泛酸等。由于消费者的特殊性，婴幼儿奶粉和普通奶粉有着不少不同处。由于婴幼儿的消化系统发育尚不完全，不能直接食用牛乳或普通奶粉，所以婴幼儿奶粉调整了蛋白质、脂肪及乳糖的比例，使其适合于婴幼儿的消化与吸收。同时，婴幼儿奶粉中还添加多种营养物质，使之能够满足不同生长时期婴幼儿的营养需要。 2.1.2单元操作物料横算 一1.喷雾干燥段物料衡算G1=G2（1W2）（1W1）G1每小时喷雾量 kg/hG2每小时产量 500kg/hW1产品含水量 2.5W2浓奶含水量52G1=500（10.025/10.52）=1015.625 kg/hW=G1G2=1015.625500=515.625kg/hW水分蒸发量 kg/h每小时干空气消耗量L=W(H2H1)=515.625（0.037680.00726）=16950.1972 kg/绝干气/h新鲜空气体积流量 Vo=LvHo=16950.19720.8387=14216.1304 m3/h 热空气体积流量 V1=LvH1=16950.19721.239=21001.2943 m3/h 排出气体体积流量 V2=LvH2=16950.19721.0594=17957.0389 m3/h 2喷雾干燥段辅助设备物料衡算 空气过滤器的选型计算 F=LVh,o m F过滤面积 m过滤强度 40008000 m3/h 取5000 L空气流量16950.1972kg/h Vh,o空气比容 0.8387 m3/h干空气 F=16950.19720.83875000=2.84取整 3 核算 m=L Vh,o F=16950.19720.83873=4738.7 m3/h 空气阻力Hf=0.5SV1.8 S滤层厚度，常取 10cm V过滤速度为m/3600 m/s 过滤时一部分孔被堵，导致Hf上升，至一定程度（715720）时取下清洗 选型：板式过滤器，中空泡沫塑料 过滤面积：3 阻力降7.814 3空气加热器 需要加热量 Q需=L1（I1I2）k=16950.1972（181.86138.554）95=2556928.326 kJ/h 传热效率 F=（t1t2）（TsTo）=（16020）（17020）100=93.3 饱和蒸汽温度Ts=170 空气平均温度T=（to+t1）2=（20+160）2=90 此时空气=0.972kg/m3 选型号为：SRZ156D 4旋风分离器 进风速度 ui1525 m/s 取20m/s 进风口截面积 F=AB=D2/8=0.2429 D=1.41m取1.5m 5风机的选型 送风机47211 6C 转速 2240r/min 效率 91 功率 14.1kw 排风机47211 8C 转速1800r/min 效率 91 功率 30.8kw 二1.弄缩段物料衡算 G3=G4（1W4）（1W3） G3每小时处理鲜奶量 kg/h G4每小时送入喷雾干燥系统的奶量1015.625kg/h W3鲜奶含水量87.4 W4浓奶含水量55 G3=1015.625（10.55）（10.874）=3627.23kg/h 三 总物料衡算 生产500kg奶粉需要约3630kg鲜奶 2.1.3单元操作热量衡算 一1喷雾段热量衡算 1.1新鲜空气状态参数 to=20 饱和蒸汽压Pso=2338.59Pa o=50 湿度 Ho=0.00726kg kg水/kg绝干气 热焓 Io=38.554kJ/kg绝干气 湿比容 VHo=0.8387m3（湿空气）/kg绝干气 1.2 加热后空气状态参数 t1=60 湿度H1=0.00726kg（水）/kg绝干气 热焓 I1=181.861KJ/kg绝干气 湿比容VH1=1.239m3（湿空气）/kg（干空气） 1.3输入喷雾干燥系统的热量 新鲜空气输入Q1=LIO=16950.197238.544=653328.40kJ/h 加热器输入热量Q2=L（I1I0）=16950.1972（181.86138.544）=2429251.412kJ/h 浓奶带入的热量Q3=176490.7kJ/h 总热量Q1=Q1+Q2+Q3=3259070.512kJ/h 二1浓缩段热量衡算W1=G3G4=3627.231015.63=2611.6kg/h W1浓缩器内水分蒸发量Q5=W1 e（t2t1）=2611.64.2（7043）=296155.44kJ/h 三杀菌段热量衡算 Q6=G3 e(t3t4)=3627.234.2（13570）=990233.779kJ/h 四预热段热量衡算Q7=G3e（t5t6）=3627.234.2（654）=9292963.326kJ/h 五总热量衡算 Q=Q1+ Q5+ Q6+ Q7=5474723.057kJ/h工艺流程 1.原料乳的收购与检验 干酪乳清及脱脂乳 3分离稀奶油 2加热，真空脱气 26电渗析或离子交换处理稀奶油 4脱脂乳 乳糖分解物 滋养糖 6均质化乳 维生素A、D等热稳定维生素5精制植物脂肪 组成的标准化 胱氨酸及铁盐 7贮存 8净乳 9混合均匀 10均质 11杀菌 12浓缩 13混合 14均质 15喷雾干燥 16一级流化床 17喷涂卵磷脂 18二级震动流化床 19过筛 20干混可溶多糖及热不稳定维生素 21混合机搅拌 22过筛 23称量装罐 24充氮封罐 25检验 27 CIP清洗操作要点1 原料乳的收购与检验： 乳粉P336收奶过程：原乳检验称重贮存冷却(10)，酸度18，温度10，杂质度4mg/kg（此处为从奶槽车收乳）;实用食品加工技术P328 牛乳的脱气（不同处理阶段的牛乳均需脱气）奶槽车上安装脱气设备；乳品厂收奶间流量计前安装脱气设备；储乳：为保证连续生产，储乳缸为不锈钢制作，为防止乳在罐中升温，应有绝缘层或冷夹层，并配有搅拌器、视孔、人孔及温度计、液位计；为避免泡沫的产生，储乳是从罐底进料的，为了避免脂肪球的魔草作用，一般不用正位移泵。罐要装满，半罐易升温。绝缘性能以储乳19小时以上，升温2到2为标准。 实际过程为 奶槽车采样检验磅奶槽受奶槽（在此处加热至52度）双联过滤器（120目）离心净乳机（6000g以上）冷却储存（4以下）。其中净化 乳粉P252离心净乳机（自动排渣净乳机）。2 加热、真空脱气 进一步处理牛乳的过程中，应使用真空脱气罐脱气（工作时将牛乳预热到65后，泵入真空脱气罐，则牛乳温度降到60）（一般脱气的牛乳在60条件下进行分离稀奶油，标准化和均质）。3 分离稀奶油乳粉P255-256采用密闭式（无沫分离），通过调节稀奶油出口流量决定脱脂乳脂肪含量；通过三通管使稀奶油重回脱脂乳，而杂质沉积排除（同净乳机）；稀奶油出口压力必须大于脱脂乳口压力，以保证混合的正常进行；也可将稀奶油按比例混合到脱脂乳中完成标准化。4、5 储奶缸 食工，夏文水P250混合搅拌，加入精制植物脂肪，此处温度视生产速度而定，一般小于10，储存24小时6 均质 乳粉P248 高压二级均质，适合于高脂、高干物质，温度 55到80，压力10到25MPa7 贮存 在此处进行组成的标准化，加入乳糖分解物，滋养糖，VA、VD,胱氨酸及铁盐等，温度小于10，24小时8 净乳乳粉P252 离心净乳机 P257 间歇式离心净乳机（工厂化生产），（6000g以上）9 混合均匀 储奶缸10 均质 乳粉P194 6570，1520MPa，3.55MPa，高压二级均质，并储奶11 杀菌 实用食品加工技术P356 超高温板式瞬时杀菌 135 ，4S。 乳粉P272产品在加工过程中是不能沸腾的，因为产品沸腾后所产生的蒸汽将占据管道内的一定容积，从而减少物料的灭菌时间，使得灭菌效率降低。在间接加热系统中，沸腾往往产生于。为了防止次现象的产生，产品在最高灭菌温度时必须保持一定的负压使其保持该温度下的饱和蒸汽压。由于产品中的水分含量较高，所以这一饱和蒸汽压必须等于灭菌温度下的水的饱和蒸汽压。因此在135时，需保持0.2MPa的负压。但是液体乳中有一定比例的空气，在间接加热系统中，当物料还未沸腾时，就已经有小气泡产生，同时较高的的流动性所导致的局部流速的增加造成压力下降，也会产生气泡，因此所提供的负压一定要高于该温度下的饱和蒸汽压，由经验知，应提高0.1MPa，由此应提高到0.4MPa的负压。由于产品在流动的过程中压力下降，则在灭菌段之前的产品压力应该高于0.4MPa。 P277特点 系统中需要运用垫圈来保持一定的密封性；流到窄，表面结构现象易影响物料流动，需要停机清洗，板式加热器传热面很薄，易形成腐蚀形成孔洞，造成对物料的污染。12 浓缩 实用食品加工技术P360三效降膜式蒸发器，真空度6.6669.333104Pa，温度3540，浓缩至原体积的1/4，其固形物约为45 乳粉P284 为了避免乳蛋白发生变性，第一效的沸点温度一般控制在6870，但最后一效中牛乳的沸点温度控制在43以上。牛乳在蒸发器中不循环，这样在气液分离中形成的泡沫量就比较少，从而可以减少由于雾沫夹带而造成的损失。13 混合 添加亚油酸、抗氧化剂（VC，VE），脂溶性维生素于储奶缸中混合14 均质 实用食品加工件技术P360高压二级均质 ，均质压力514MPa，使脂肪球破碎细化并均匀地分散于浓缩乳中。15 喷雾干燥 实用食品加工技术P360 立式四喷头喷雾干燥塔，喷嘴直径约34mm。喷雾压力约15MPa。进风温度140度左右。乳粉P289 浓缩乳4050，4050，乳粉收到热量4045，没有超过60，干燥1530秒，除去水分9095，热风温度降到7595。食品工艺上册P280 压力式喷雾干燥采用三柱塞往复泵，压力范围在10.610424.6104Pa，雾化角约为70，干燥室一般有0.0010.004MPa负压的干燥室内进行，避免粉尘飞扬。开机前应对设备及管路进行彻底的消毒，生产完毕后 应对设备及管路进行清扫，清洗和消毒杀菌。干燥室在工作前应先开风预热，保持90，20分钟左右。喷雾时保持浓乳温度50左右，不应使浓缩乳温度过低。高压泵压力保持均匀稳定，控制在13.7314.72MPa。应根据热风温度，喷嘴孔径，喷雾压力喷头数量来调节喷雾量，使之配合以保持适当的排风温度。排风温度过低会产生潮粉；过高会降低干燥设备的生产力和生产效率，影响产品的质量和增加成本。排风温度一般保持在8085，相对湿度1012。现代干燥技术空气过滤器 空气过滤时一部分气孔被堵住，导致空气阻力上升，至一定程度（715720）时取下清洗，选用板式过滤器，中空泡沫塑料。 空气加热器 将进风温度加热到140，风速3.3m左右。 旋风分离器 选标准型切线入口旋风分离器，干式法回收，进口风速20m/s，进口截面积0.25 风机 I送风机 风量应有1020的富裕。 II排风机 排风机风量应富裕1530。16 一级流化床 实用食品加工技术P359乳粉在一级流化床中附聚，乳粉P295 流化床干燥的第一段为干燥段，100120的热空气自干燥段底部通入，将乳粉干燥到所需要的水分含量。17 喷涂卵磷脂 实用食品加工技术P359 喷涂70卵磷脂，卵磷脂的用量为为乳粉量的0.20.3，允许加入量为0.4。用量如果超过0.5，就能尝出卵磷脂的味道。卵磷脂使用时，须配成60的无水乳脂溶液。18 二级震动流化床 实用食品加工技术P359。震动流