利用米渣制备米蛋白及其工业设计研究 毕业设计

1、利用米渣制备米蛋白及其工业设计研究 学 生：指导教师： 学科专业： 二OO 年 月1 摘要大米蛋白是公认的优质植物蛋白，具有氨基酸组成比例合理和低过敏性等特性，非常适合作为婴幼儿和特殊人群的营养食品，国内外高度重视大米蛋白的研究和产品开发。本设计主要研究了利用换仓米制备淀粉糖后的副产品米渣为原料制备大米蛋白的工业设计研究，初步探讨了碱法制备米蛋白的工业设计问题。对主物料米蛋白作物料衡算，能量衡算；对主要设备进行了设备选型和校核；最后设计出简单的带控制点工艺流程图。关键词:米渣，大米蛋白，碱法，工业设计35 目录摘要1 绪论11.1 大米蛋白的性质和营养价值11.1.1 大米蛋白组成、结构和性质

2、11.1.2 大米蛋白的营养和保健作用21.1.3 加热和陈化作用对大米蛋白的影响31.2大米蛋白的开发利用31.2.1 食品添加剂31.2.2 蛋白质营养补充剂41.2.3 功能肽开发41.3大米蛋白的制备和生产现状41.3.1 大米蛋白的制备技术41.3.2 国内外大米蛋白产品的生产现状62 工艺设计82.1设计任务82.2设计选择方案82.3工艺过程102.3.1 提取102.3.2 过滤102.3.3 酸沉112.3.4 多效浓缩112.3.5 配料与干燥112.3.6 粉碎包装122.4主要设备初步选型与设计122.4.1 提取设备122.4.2 过滤设备132.4.3 浓缩设备14

3、2.4.4 干燥设备153 工艺衡算与设备校核163.1提取和过滤163.1.1 设计依据163.1.2 物料衡算163.1.3 能量衡算173.1.4 设备校核183.2浓缩223.2.1 设计依据223.2.2 物料衡算223.2.3 能量衡算233.2.4 设备传热面积校核253.3 干燥263.3.1 设计依据263.3.2 物料衡算263.3.3 能量衡算和设备校264 生产车间设备布置284.1 满足生产工艺要求294.2 符合经济原则294.3 符合安全生产和环保要求294.4 便于安装和检修294.5 保证良好的操作条件30设计小结31致 谢32参考文献33附 录351 绪论稻

4、谷是一种重要的粮食作物，据统计，全球约一半的人口都以稻谷为主1，世界人口食物热量的21%取自稻谷。在发展中国家，约有60%的蛋白来源于谷物，在未来几十年，谷物仍是世界三分之二人口的主要蛋白来源。稻谷也是我国最主要的粮食作物之一，目前，我国水稻的播种面积约占粮食作物总面积的四分之一，产量约占全国粮食总产量的二分之一，在商品粮中占一半以上。其中早稻产量约占稻谷总量的四分之一，但早稻因其籽粒结构较松、直链淀粉含量较高、米粒粘性小、口感差等不良的食用品质，他在人们的日常饮食中受到冷落，大量的早稻已经并将更多的用于发酵工业和淀粉糖的生产。另外，库存陈化大米和稻谷加工过程中的碎米也将直接用作工业生产的原料

5、。这些工业生产利用的是大米中的淀粉，而蛋白质则沉积于副产品米渣中。目前，我国约有上千家葡萄糖和味精生产厂家，其中一半采用大米淀粉制糖发酵，其废渣多以干粉的形式卖给饲料厂。米渣中蛋白质含量高40%70%。远大于大米甚至大豆中蛋白质含量2，大米蛋白的品质是公认的谷类蛋白中的上佳品，它不含影响食物利用的毒性物质和酶阻碍物，而且大米蛋白具有良好的氨基酸组成配比，消化率极高，是一种优良的植物蛋白3。1.1大米蛋白的性质和营养价值1.1.1大米蛋白组成、结构和性质大米主要由两大成分组成，主要成分为淀粉，约占大米总量的80%，其次为大米蛋白约占大米总量的8%。大米蛋白种类很多，一般以其溶解特性进行分类。首先

6、用水提取大米或米糠中的蛋白质所得到的蛋白组分称为清蛋白；残渣用稀盐溶液提取得到的蛋白组分为球蛋白；再用75乙醇提取的组分为醇溶蛋白，最后残渣中蛋白质只能用酸或碱溶解，分别称为酸溶性蛋白和碱溶性蛋白，二者统称为谷蛋白。 谷蛋白和醇溶蛋白也叫贮藏蛋白，是大米中的主要蛋白成分，谷蛋白占总蛋白的804以上，醇溶蛋白占10左右；而清、球蛋白含量极少，是大米中的生理活性蛋白，在稻谷发芽早期，它们起着重要的生理作用。 不同蛋白氨基酸组成各有特点。清蛋白中不带电荷的疏水性氨基酸含量较高，酸性氨基酸较低；球蛋白中碱性氨基酸含量较高，达15%以上，而醇溶性蛋白的碱性氨基酸含量只有球蛋白中的一半左右，但其疏水性氨基

7、酸却远高于其它类蛋白。 蛋白的溶解性不仅与其氨基酸组成有关，与其存在状态也有关系。研究表明8，在胚乳中蛋白主要以两种聚集体形式存在，即PB-I和PB-型。电子显微镜观察表明，PB-I聚集体呈片层结构，致密颗粒直径为0.52m，醇溶蛋白即存在于PB-I中；而PB-呈椭球形、不分层、质地均匀，颗粒直径约4m，其外周膜不明显，谷蛋白和球蛋白存在于 PB-中。两种聚集体常相伴存在。 大米蛋白中的胱氨酸含量较高，含有较多的-S-S-键。这些链内或链间-S-S-键使蛋白质多肽链聚集成致密分子，也可能是形成蛋白聚合体的重要原因。聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）分析5结果显示，在PB-聚集体中的蛋白质含有分子量

8、64、140、240、320、380和500 kDa甚至超过2000 kDa的组分。分子生物学的研究表明，大米贮藏蛋白的基因表达时首先合成的是分子量为57 kDa的蛋白分子，它再裂解成22 kDa和37 kDa两个亚基。谷蛋白中大小不等的蛋白分子由这两个亚基通过-S-S-装配而成。SDS可以破坏-S-S-的连接，改变SDS的用量，可以发现分子量为2223 kDa和3739 kDa的组分存在，因此这两个组分实际上是大分子聚集体的基本组成单位。 清蛋白中也有分子量5高达100 kDa的蛋白组分存在，但由于清蛋白中胱氨酸含量很低，不易形成-S-S-键，因而清蛋白更容易溶于水，这说明二硫键的存在对稳定

9、蛋白聚合体是非常重要的。 将蛋白提取后对其氨基酸组成分析发现6，大米中的某些蛋白并非完全由氨基酸组成的简单蛋白质，而是含有糖或脂类成分的结合蛋白。这些非氨基酸成分不仅影响蛋白质的性质，同时也赋予蛋白质特殊的生理功能。 1.1.2大米蛋白的营养和保健作用研究表明5，大米蛋白是优质蛋白，它具有氨基酸组成合理和低过敏性特点，是蛋白质中佼佼者。大米蛋白质中蛋氨酸含量高达2.2 ，这是其它植物蛋白质甚至很多动物蛋白质也无法比拟的。大米蛋白质中精氨酸含量也较高，很适宜在婴幼儿食品中添加。大米蛋白质在学前儿童体内真消化率（TD）、生物价（By）、和净蛋白质利用率（NPU）7分别为88.8、90.0、79.9

10、 ；而成年人这三项指标分别为87.3、86.0、75.5，故大米蛋白用于儿童食品更好。大米蛋白氨基酸组成平衡合理，与WHO/ FAO推荐理想模式非常接近。大米蛋白低抗原性是其有别于其它植物蛋白食物另一个特点。很多植物性蛋白中含有抗营养因子，如大豆和花生是常用的植物蛋白质来源，但大豆和花生含有对人体有害的胰蛋白酶抑制素和凝血素，在大豆中还含有胀气因子棉子糖和水苏糖等：动物性食品中也有一些抗营养因子，如5牛奶中-乳球蛋白、鸡蛋清中卵类粘蛋白等，使食用者可能会产生过敏或中毒反应，特别是婴幼儿对这些因子最为敏感。而大米蛋白不含类似致敏因子，安全可靠。现世界上很多国家都以大米蛋白营养粉作为婴幼儿营养的蛋

11、白补充剂。研究5发现，大米蛋白不仅具有重要营养价值，还具有重要保健功能，如抗糖尿病、抗胆固醇、抗癌变等。1.1.3加热和陈化作用对大米蛋白的影响研究表明8，大米中的蛋白种类并不是固定不变的。在大米陈化过程中，虽然总蛋白含量不变，但其结构、类型会发生变化，进而也影响了米饭的流变特性，突出的变化是二硫键数量增多，蛋白质分子量增大，蛋白聚体更加致密，蒸煮后蛋白质与淀粉的网络结构致密，限制了淀粉粒的吸水膨胀和柔润，因而米饭的粘性下降而硬度增加。此时若加入适量的还原剂破坏二硫键，则米饭的粘性提高。大米蛋白不仅在陈化中有更大分子的形成，在加热时也有明显的蛋白分子的聚合。Mujoo指出9，爆炒大米花时，分子

12、量为24、34、68 kDa的分子可以聚集成4×104 kDa的特大聚合体，但分子量为1316 kDa的醇溶蛋白不参与这种蛋白体的形成。由此可见，开发利用大米蛋白质尤其要注意大米陈化、加热和二硫键的氧化、还原对蛋白质性质的影响。 米糠中四类蛋白的含量与大米中的明显不同。其依次用水、盐、醇、酸、碱溶液提取所得到的清、球、醇溶、酸溶和碱溶蛋白的含量分别为34、15、6、11和32，其中酸溶蛋白和碱溶蛋白均为谷蛋白，也就是说，米糠中水溶性蛋白含量很高。色谱分析表明，前四种蛋白的分子量范围10分别为10100kDa、l0150kDa、33150kDa和25100kDa。碱溶性蛋白在提取过程中

13、有二硫键的断裂，其主要组分的分子量仍然分布在45150kDa，所有这类谷蛋白分子量更大，更难溶于水。但如果打破二硫键，也可以使98以上的米糠蛋白溶解出来。需要指出，米糠经稳定化处理（一般是加热灭酶）前后，其各种蛋白成分含量变化很大，主要表现在清蛋白含量降低（变性所致）、谷蛋白含量明显增加。1.2大米蛋白的开发利用 开发大米蛋白主要产品形式有5：改善大米蛋白的物化功能性用作食品添加剂，制取高蛋白营养粉(蛋白含量80以上)和具有特殊功能的生物活性肽等。它们在技术上共同点是大米分离蛋白（RPI）水解和改性。1.2.1 食品添加剂食品添加剂是一类能改善食品价格性能或色、香、味的添加物。合适的分子大小及

14、氨基酸组成都会赋予蛋白质一定的物化性能，如溶解性、发泡性、乳化性等。蛋白质添加于食品中不仅有利于改善食品的加工性能，还会大大增加食品营养价值。大米蛋白本身溶解性差，但经水解后，可释放出一定的氨基和羧基，增大蛋白分子极性，在增大其溶解性同时，其发泡、乳化等性质也表现出来。1.2.2 蛋白质营养补充剂近年来，大米蛋白因其较高营养价值和低过敏性特点，在国外受到广泛关注，Nutribiotic和HabibArkady等知名公司都投入很大力量从事大米蛋白开发研究，其产品已进入我国市场。大米蛋白营养补充剂主要是蛋白质深度水解，其首要目标是提高蛋白溶解度，其次是便于食用，即冲即饮的粉剂和口服液便是较好的产品

15、形式。过去对蛋白质水解强调制备氨基酸，但现代研究表明，小肽分子比游离的氨基酸更容易被人体肠道吸收和利用。食物中蛋白质消化吸收实际上也是被消化道蛋白酶水解成小肽后，利用肠粘膜纹状缘存在的肽载体主动转运机制来完成的。1.2.3功能肽开发目前对水解蛋白质产品活性肽的研究成为热门课题，现已发现多种具有潜在应用价值活性肽 。对大米来源的活性肽目前报道11较多的是Gly-Tyr-Pro-Met- Tyr-pro-Leu-Arg肽分子，命名为C8肽（Oryzatensin）。在豚鼠试验表明，C8肽（Oryzatensin）具有引起回肠收缩、抗吗啡和免疫调节作用，且主要是通过激活磷脂酶水解溶血磷脂酸释放花生四

16、烯酸来引起收缩的。其作用机理与人体补体C3a12引起的回肠收缩方式类似，且其氨基酸与C3a肽羧基末端第7077序列有相同的特征。大米蛋白水解还可产生某些风味肽，当酶解产物与糊精混合经喷雾干燥即得到市售食品风味改良剂。1.3大米蛋白的制备和生产现状1.3.1大米蛋白的制备技术大米蛋白提取目的是为了获取高纯度大米蛋白产品，一般分为大米浓缩蛋白7( I C，蛋白质含量89)和大米分离蛋白(RPI，蛋白质含量90以上) 。大米、米糟、米糠等原料都可用来制备大米蛋白，围绕大米蛋白开发和利用，研究者提出各种不同制备方法，主要有：溶剂提取、酶法提取、碱法提取、复合提取法。（1）溶剂提取法 表1 用以提取大米

17、蛋白的溶剂溶剂组成物质表面活性剂脂肪酸盐弱酸氢键破坏剂还原剂十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵脂肪酸盐醋酸、乳酸尿素、盐酸胍巯基乙醇、DTT王章存等研究对比由米渣为原料，分别采用非碱性溶剂和碱法提取大米蛋白效果。结果表明：非碱性溶剂提取13所得产品蛋白质含量和碱法提取相当，但其蛋白回收率明显提高，可达95.2，而碱法提取回收率最高时也只有40左右 。显然，采用非碱性溶剂提取大米蛋白具有一定优势，但提取溶剂不易去除，产品应用时存在安全性问题，特别是在食品应用中；况且生产成本会因使用提取溶剂而上升不少。（2）酶法提取法酶法提取是利用蛋白酶对大米蛋的白降解和修饰，使其变成可溶性肽而被提取出来。这种

18、方法反应条件温和，蛋白质多肽链可水解为短肽链，提高蛋白质溶解性 。按照蛋白酶作用方式不同，蛋白酶有内切蛋白酶和外切蛋白酶之分。外切蛋白酶从肽链任意一端切下一个单位氨基酸残基；工业用蛋白酶主要是内切蛋白酶，内切蛋白酶在多肽链内部破坏肽键，依赖不同水解程度产生一系列分子量不同多肽。内切蛋白酶和外切蛋白酶对底物作用方式差异会影响蛋白质提取。按照蛋白酶作用条件不同，又可分为酸性蛋白酶、中性蛋白酶和碱性蛋白酶等 。至于制备大米蛋白具体采用何种蛋白酶更加合适，不同研究，由于采用酶来自不同生产厂商，酶活力、组成等存在不同，采用原料不尽雷同，提取工艺也不尽相同等诸多因素，结论有所差异。（3）碱法提取法14碱法

19、主要是根据大米蛋白中有80 以上蛋白可溶于碱溶液原理，先通过碱溶离心去除大部分杂质，然后调整上清液pH值，使其达到大米蛋白等点电，让大部分蛋白沉淀下来，再次离心分离清液中杂质。该法工艺简单，是研究较多的办法。碱法提取缺陷主要是在高碱浓度提取情况下，会引起蛋白质剧烈变性，且Maillard14反应加剧，产生褐色物质，再加上高碱浓度下非蛋白物质溶解，这都会影响最终蛋白产品品质。同时，碱环境会导致某些氨基酸如赖氨酸与丙氨酸或胱氨酸之间产生缩合反应，生成有毒物质，赖氨酸营养价值大大降低；且成品颜色深，味道苦，食用性差 。郭荣华等对碱法、酶法提取大米蛋白工艺和产品功能特性进行比较：碱法提取8得到大米蛋白

20、纯度达到90，提取率为55；酶法提取大米蛋白纯度为45，提取率为40。碱法提取大米蛋白持水性、吸油性和起泡性优于酶法提取大米蛋白，而酶法提取大米蛋白溶解性、乳化稳定性和泡沫稳定性优于碱法提取大米蛋白，两种方法提取得到的产品乳化能力相当。碱水解与酶水解有着本质不同，碱法提取米渣中蛋白质是提取其中占蛋白质总量80以上碱溶性蛋白，是蛋白质大分子，但强碱可能使氨基酸之间缩合产生有毒物质，且产生苦涩怪味。而酶法提取则可提取更多水溶性蛋白、醇溶性蛋白、难溶性蛋白及经降解和修饰的水溶性小分子活性肽和游离氨基酸，不仅不会破坏大米蛋白生物功能，降低提取物营养价值，产生怪味，且还可提高和促进人体对其消化与吸收。因

21、此，从营养、风味及生物功能等多方面考虑，酶法水解米渣提取蛋白水解物优于碱法提取大米蛋白（4）复合提取法 由于单纯使用碱法或酶法存在这样那样问题，人们开始考虑采用复合提取方法，以做到既保证产品质量和产率又尽可能降低生产成本，为此，进行许多研究实验。王亚林等采用碱酶两步法从米渣分步抽取大米蛋白，获得较好效果。该方法先用碱溶法提取部分蛋白质，然后采用碱性蛋白酶对残渣轻微水解，以提高蛋白质溶解性，进行蛋白质二次提取，使蛋白质抽提率达到78.8。刘冀2等用米渣为原料，同样采用碱、蛋白酶两步法提取大米蛋白，纯度和得率分别为70.2和57.1%由于溶剂提取法生产成本高、所得产品存在安全隐患等问题；酶法提取生

22、产成本高、得率偏低；碱法提取耗用大量碱性溶液存在环保问题；物理分离需要有特制处理设备；所以今后研究方向应是针对具体原料，把常规方法加以合理组合进行大米蛋白提取。1.3.2国内外大米蛋白产品的生产现状国外生产和销售大米蛋白的主要厂家有Stauber Performance Ingredients，Inc（美国），BayerCorporationAgriculture Division（美国）和NutribioticInc（美国）。其大米蛋白产品，很好的结合了风味、保健的功能，制品里面添加了许多功能因子，分为普通型（Plain）、香子兰型（Vanilla）、巧克力型（Chocolate）、浆果型（

23、Mixed Berry），这类蛋白用于对其他蛋白过敏的人群、婴儿制品、饮料等，其服务对象主要是那些不喜欢动物蛋白（vegetarian）和大豆蛋白的人群。此外，国外对于大米蛋白可食用膜的研究也有报道。目前我国大米加工质量和稻谷利用率都很低，粮食加工的增值效应低，特别是深加工方面几乎是空白，生产和销售大米蛋白（包括大米粉）的厂家在网上只找到湖南桃源县鲁洲糖业有限责任公司，而且其蛋白产品纯度也不高。利用植物为原料开发蛋白质经济可行，特别适合发展中国家。事实表明植物性蛋白在食用的安全性上优于动物蛋白。蛋白质不仅是一种营养物质，作为一种生物大分子它还具有改变食品质构的功能。因此，作为植物蛋白开发另一个

24、重要方面就是对蛋白质进行改性，以拓宽植物性蛋白应用领域。利用早籼稻或碎米为原料生产淀粉糖或发酵生产谷氨酸、柠檬酸、乳酸以及生化药品时，米粉液化或是糖化后的副产品 米渣的综合利用一直是困扰企业的一个难题。目前，我国约有上千家葡萄糖和味精生产厂家，其中一半采用大米淀粉制糖发酵，其废渣多以干粉的形式廉价卖给饲料厂。米渣中蛋白质含量高达4070（干基，视淀粉糖种类不同有所差异），远大于大米甚至大豆中的蛋白质含量，是提取大米蛋白极好的原料。此外，我国稻米资源中有相当一部分为可食性较差的早籼稻，在大米加工时籼稻更易产生碎米，综合利用这些低附加值的资源，转化为高附加值的大米蛋白产品是符合我国国情的。2工艺设

25、计2.1设计任务1.设计课题：利用米渣制备米蛋白及其工业设计研究2.设计项目：生产工艺设计和生产车间设计3.产品规格：A级品表2 产品指标产品指标A级品B级品粗蛋白含量脂肪含量灰分水分>80%<6%<3%<10%75%<6%<4%<10%原料及规格：干基淀粉糖副产物米渣蛋白含量60%。2.2设计选择方案国内许多淀粉糖厂和味精厂是以大米作为原料生产的。生产后产生的大量糖渣15，一般都作为饲料低价出售，这是对宝贵资源的浪费。因为糖渣中普遍含有5060的大米蛋白，而大米蛋白是一种极优异的蛋白质。大米中含蛋白质约8，从大米中直接提取显然是不经济的，据江阴市和泰

26、物贸有限公司科技部的研究人员对大米蛋白生产工艺16进行长达七年的探索，发现从糖渣中用碱提取大米蛋白的新工艺，工艺简单，可使糖渣中蛋白在反应中的损失在5以下按糖渣中原含蛋白50左右计，约1.6 t糖渣生产1 t 75大米浓缩蛋白，目前7580大米浓缩蛋白出口价大致为1.82.2万元/t，毛利润应在60左右。由于大米蛋白价位呈攀升之势，利润空间更大。因此充分利用米渣资源，将其转化为低附加值的饲料用米蛋白产品有很好的经济效益和社会效益。综合条件考虑本次设计选择米渣为原料提取米蛋白。理由如下16：第一，大米蛋白具有高的营养价值，含有完全的氨基酸，应用领域广阔、市场潜力大；第二，原料来源广泛，对淀粉糖或

27、味精工厂可以综合利用；第三，碱法工艺、安全可靠、工艺简单、成本低、效益好；第四，当前受国外青睐，是出口的欢迎产品，国内应用日趋扩大；第五，经济合算，利润空间大。提取过滤酸沉水洗多效浓缩配料干燥粉碎包装过滤二次提取中和调pH=7碱液滤渣上清液加碱液（饲料大米蛋白粉）图1 工艺流程方框图米渣2.3工艺过程2.3.1提取（1）原料米渣：米渣由四川开江梨梨生物有限公司提供，呈黄色粉末状，粒度在大约在80目，有轻微的酸败味（原料粗脂肪含量10.2、蛋白质含量62.8、总糖含量24.5）。NaOH溶液：0.095mol·L-1（2）基本原理：大米蛋白质的80 %以上是碱性米谷蛋白17，稀碱可以使

28、大米中紧密的淀粉质结构变得疏松，所以能使大米淀粉颗粒中的蛋白质溶出而被分离。实际上稀碱对蛋白质淀粉混合体系的作用是复杂的，诸如pH值、温度、碱浓度和时间等因素对蛋白质和淀粉性质的影响都会引起抽提体系及抽提液性质的改变，从而造成蛋白质抽提率的改变。提取反应的投料比，以米渣计算，4倍质量的水，0.0850.095mol·L -1的NaOH（0.3%0.5%），提取反应在0.25MPa的压力进行2h，即可排料到储料池，部分没有溶解的米渣和杂物沉淀在池底，不溶的米渣也已经成为充分溶胀的碎料。二次提取：从滤机卸料出来的滤饼，里面还有大量的蛋白质没有被提取出来，如果将它弃置不用，一是污染环境，二

29、是浪费原料。将滤饼投入反应釜，加入3倍量水和少量碱液（使反应体系的pH值不超过11），在0.25MPa压力下二次提取1.5h，再经过滤机分离，滤液与上次的滤液合并。这样的二次反应，又可提取出 滤渣中一半的蛋白质。提取温度为55，保温2h。反应压力：0.25 MPa（反应釜）介质pH值：9112.3.2过滤提取釜中排放的料液，存放在储料池中，刮出其浮于液面上的黑褐色的泡沫（油脂），以防止过滤时油渣堵塞滤布网眼。过滤的目的是将蛋白液与未溶解的米渣和杂物分离。滤液中除了溶解的蛋白质外，还有一些可溶的纳盐和其他盐类、极少量的硫酸纳或氢氧化纳，未反应完的氢氧化钠及反应中产生的纳盐等。这些成分的变化，由反

30、应的碱性、时间、温度等因素决定。滤渣的成分也十分复杂，除了剩余的米渣外，还有它吸附的蛋白液、沉淀及其他不溶性的杂物。由于反应液中含有较多的蛋白，而又以米蛋白为主，粘性很大，未反应完的米渣，已经溶胀，表面也极粘，所以选择转鼓真空过滤机、卧式螺旋卸料离心机比较合适。2.3.3酸沉在滤液中加入酸液，溶液中的碱被中和，蛋白质被沉淀下来，当溶液pH为4时为蛋白质等电点，沉淀达到极限，上清液中含有少量蛋白质。2.3.4多效浓缩过滤出来的蛋白液，浓度一般在8%11%之间，被称之为稀蛋白液。如果能反应出浓度更高的蛋白液，将有利于节省浓缩时的蒸汽消耗。如果把稀蛋白液直接去干燥，或把稀蛋白液配料后直接去干燥，耗能

31、特别高，造成很高的成本，在工业生产上是不可取的，所以必须进行蒸发浓缩。对于稀蛋白液的浓缩，需要考虑以下几个因素。结垢性：由于稀蛋白液中含有钙质，极易在加热面亡形成垢层，从而增加热阻，降低传热系数，使设备能力下降，甚至报废设备。粘滞性：蛋白液浓度增加，粘度也随之增加，流速降低传热系数随之减小，生产能力下降，因此不能选择物料自然循环型蒸发器。热敏性：蛋白液是热敏性物料，温度太高，会使浓蛋白短色泽加深。发泡性：蛋白液具有表面活性作用，在浓缩过程中会产生大量汽泡，形成的泡沫易被一次蒸汽带走，一方面会造成污染，另一方面造成物料的损耗。腐蚀性：稀蛋白液虽然已中和，但里面还含有一些盐分，还是有一些腐蚀性，因

32、此与物料接触的部位，应该适用不锈钢材料。综合以上因素考虑，米蛋白浓缩液的浓度达到50%60%，设备选用真空立式旋转刮板式薄膜蒸发器比较合适。2.3.5配料与干燥浓蛋白液可由离心喷雾干燥机干燥成大米蛋白粉18：色泽鲜亮，颜色灰白色，粗蛋白含量80%以上。这种蛋白粉极易吸湿、吸糊，很快变粘，最后成胶水，很难赋之实用。为了解决这个问题，我们选用一些在饲料中可用的粉料（如麦麸、草粉等）作为它的载体，减小了其吸湿性，具有实用价值。在配料时，要以成品饲料大米蛋白粉的粗蛋白含量为基准，根据浓蛋白液的水分、粉料的水分、粉料中含的蛋白、产品的含水率来计算出浓蛋白液中粉料的用量，配好料后在拌料机中拌匀，即可去干燥

33、机干燥。米蛋白粘性大，在干燥机中不易分散，易粘作一团、与热风接触面小，热交换不足；胶原蛋白物料中既有游离水，又有吸附水。所以干燥设备主要可选择箱式网带干燥机、强化沸腾干燥机、喷雾干燥机等。2.3.6粉碎包装配合饲料所用的原料，大多是粉料，这些粉料都有粒度的要求。为了饲料米蛋白粉在生产配合饲料时能分散均匀，饲料米蛋白粉应该粉碎到40目以上。由箱式网带干燥机干燥出来的物料是成团、成块的，必须粉碎到40目以上。由强化沸腾干燥机干燥出来的物料虽然已是粉状，但还达不到40目的要求，所以也要粉碎。锤片式粉碎机普遍使用于饲料生产，同样也适用于饲料米蛋白粉的生产，它操作方便，生产能力大，能达到粒度的要求。其他

34、一些常用的粉碎机也可使用。为保证词料米蛋白粉的质量、运输和储存，必须有严格的包装。通常可用内层聚乙烯薄膜、外层聚丙烯编织袋包装，每袋40kg。至此，饲料米蛋白粉产品经检验合格后就可出厂。2.4主要设备初步选型与设计192.4.1提取设备生产3t米蛋白大约需要5t米渣，则日产2t米蛋白，则需要米渣（含水60%）的量：米渣的体积随含水率（20%80%）的变化及紧压程度而有很大变化。按含水率60%及袋装运输、堆放计算，每吨的体积大约是2.4m3。每吨米渣（含水率60%）加反应用水4t，加水后每吨米渣的体积大约是5.5m3。用于米蛋白提取的可选设备有20：蒸球、立式反应釜、明胶锅等。因反应釜型号相对于

35、蒸球、明胶锅型号的选择空间更大，本次设计选择立式反应釜。设备填料系数假设为70%（米渣易发泡）。表3提取米蛋白操作周期操作过程名称需要时间/min米渣（60%）加水加碱升温保温反应排料其他累计单次提取操作时间15102201201533220每天处理取5.56t米渣，则共需要时间：每天实际生产以22h计，则所需反应釜的容积（1） 若选择一个8m3型号的反应釜。则每次投入米渣量故每天实际投料次数：次 ，即取次 ；实际操作时间：min ，显然不合适。（2）若选择一个9m3型号的反应釜。则每次投入米渣的量：故每天实际投料次数：次 ，即取次；实际操作时间： ，合适。此时设备后备系数：。由设备技术参数知

36、，反应釜直径=1400mm=1.4m；搅拌桨直径=850mm=0.85m；搅拌转速=40rad.min-1=0.7rad·s-1；可得反应釜的高；搅拌桨放在距底0.47m的位置。2.4.2过滤设备（1）沉淀从提取反应釜中出来的水解料液体积大概为：实际过程中考虑其发泡效果及设备装填系数，即总体积大约为： 即选择一个44m3的储料池，去除沉淀和便于刮去表面油脂。（2）过滤过滤出来的蛋白液，浓度一般在8%11%之间，现假设其滤液蛋白含量为10%，60%米渣中（含米蛋白约36%）在提取阶段的可提取率为25%，滤渣含水率为75%，则每天滤液的量为：蛋白液的相对密度：据资料21知：我们选择转鼓真

37、空过滤机，一天以22h计算，则过滤设备的处理能力为：而从资料总结得知，转鼓真空过滤机的处理能力一般在1.01.5t· (m2·h)-1，考虑到蛋白液的黏度较大，本次设计取1.0 t·(m2·h)-1，那么需要的过滤面积： 根据查表,刮刀式转鼓真空过滤机规格表，选择转鼓真空过滤机的型号为G2/1-X。2.4.3浓缩设备如果要求将过滤后的稀蛋白浓缩到50%，则每天蒸发的水分为： 每天蒸发的水分，t； 每天滤液的质量，t；稀蛋白液的浓度，%； 浓蛋白液的浓度，%。浓蛋白液的量为：假设该系列离心刮板薄膜蒸发器，蒸发能力为50kg · (m2·

38、h)-1，那么需要薄膜蒸发器的蒸发总面积：故可选择有效蒸发面积为11 m3的薄膜蒸发器。2.4.4干燥设备22（1）配料：由表2：产品规格知产品含水量为10%，按计量配料如下：假设加入配料的质量为m，则解得， 。（2）干燥：需要干燥的原料液量为： 加入的配料较少，且含水量低，故可忽略不计。则配料后的含水量：需要干燥出的水分量为：喷雾干燥器主要有：离心喷雾干燥器、压力式喷雾干燥器、气流式喷雾干燥器三种。由于米蛋白浓缩液的黏度较大，故不宜选择压力式喷雾干燥器，以免阻塞喷嘴。本次设计选择离心喷雾干燥器。参照技术参数规格表，选择型LPG-500离心喷雾干燥器。3工艺衡算与设备校核工艺过程中沉淀、配料等

39、过程物料和能量衡算过程简单，故本次设计只列出提取过滤、浓缩、干燥等几个代表性的工艺单元进行物料和能量衡算及设备校核。3.1提取和过滤3.1.1设计依据米渣投料量：米渣5.56t，20（假设为当地年度平均气温）含水60%。工作时间：以300天计算，每天工作时间取22小时。计算基准：60%蛋白产品含量36%，提取液体沉淀刮油损失为5%，沉淀含水分80%，滤液米蛋白含量为9%，滤渣含水量为50%。表4 反应条件温度/保温时间/ h压力/ MPapH值5520.25113.1.2物料衡算反应设备9 m3立式反应釜，考虑实际投料次数5次，每次投料量：与最大投料量1.16t相差不大，故每次投1.112t.

40、一次过滤：那么，一次提取液总量：提取液损失5%，沉淀后的提取液总量：提取液水分量：由过滤前后提取液总量和提取液体水分量守衡得到： （3-1）单次过滤滤液的量，t；单次过滤滤渣的量，t；单次过滤滤液中米蛋白的含量，%； 单次过滤滤渣中水分含量，%。即， 解之，=21.016t；=0.381t。则提取得到的米蛋白总量： 产品中米蛋白的含量： 设备总利用率： ，以上设计依据假设基本成立。3.1.3能量衡算（1） 热负荷米渣升温需要的热量23： （3-2）因为米渣20时基本都还没溶解，把原料的比热容近似看成水的比热容。水的物性参数由化学工艺设计手册（上册）19查得： =20， =0.999kcal&#

41、183;( kg·)-1；=55， =1.001 kcal·( kg·)-1；则，：kcal· ( kg·)-1而代入式（3-2）则，kcalNaOH溶于释放热量：查资料知24加入NaOH的物质量：得到：（2） 通入蒸汽的量由原料液最终加热到55，根据经验，夹套加热蒸汽温度一般高出1520左右即可，现取蒸汽进口温度为70，70饱和温度下出口，则查文献19知：70饱和水蒸气：密度=0.5970kg·m-3；汽化焓 =556.8kcal·kg-1；故通入的蒸汽量：3.1.4设备校核1.管口直径和流速核算（1）蒸汽入口：由上知，蒸

42、汽的体积流速：该反应釜的蒸汽入口有2个，蒸汽入口d=50mm，则蒸汽的流速，而从文献25知：低压饱和蒸汽流速一般在1535m·s-1。（2）冷凝液出口：冷凝液出口d=50mm，查70饱和水的密度=977.8kg·m-3，则冷凝水流速，（3）投料口：米渣加料速度： NaOH加料速度： 查文献11知：20水的密度=998.2kg .m-3反应水进口速度： 参考上述液体流速和固体加料速度，可制定更为准确合适反应釜提取操作周期（以单次投料1.16t为基准），如下：表5反应釜提米蛋白操作周期操作过程名称需要时间/min米渣（60%）加水加NaOH升温保温反应排料其他累计单次提取操作时

43、间25155301201520230（注：投料操作共计45min,投料中加水和米渣同时进行的,升温30min中有20min在投料过程中已经进行。）校正操作周期，那么：（1）蒸汽入口：蒸汽的体积流速：蒸汽入口速度：显然， 满足1535m·s-1。（2）冷凝液出口：冷凝水流速：（3）投料口：反应水进口流度：米渣加料速度：NaOH加料速度：所以，上述核定操作周期满足工艺设计要求。2.换热面积核算（1） 对数平均温差 热流体： 70 70冷流体： 20 55=70-20=50；=70-55=15。那么，平均壁温:（2） 总传热系数K231)、釜侧传热系数：计算通式： （3-3）反应釜直径，m

44、； 流体的导热系数，W·(m·)-1；，流体及其侧壁上的黏度，Pa·s； （3-4） （3-5）查文献19知：37.5：密度 =993.5kg·m-3； 比热容=4174J·(kg·)-1；导热系数=0.6176W·(m·)-1；黏度 =0.7046mPa.；反应釜直径=1400mm=1.4m；搅拌桨直径=850mm=0.85m；搅拌转速=40rad.min-1=0.7rad·s-1；带入式（3-4），（3-5）则， 取= ，代入式（3-3）那么，2）、夹套内传热系数 ：反应釜夹套通蒸汽时，传热系数一般在

45、60009000W·(m2·K)-1，本次设计所用蒸汽温度较低，取 =6000W·(m2·K)-1。3）、有上述计算可选反应釜底壁材料：16MnR 厚度：=8mm查资料26知，37.5 导热系数=16.42 W·(m·K)-14）、垢层阻力取 =0（纯水蒸汽）。那么，总热阻: 即，传热总系数：（3）传热面积A:反应釜实际夹套传热面积F=21.2m2设备换热面积满足设计条件。综上，所选9 m3反应釜满足生产工艺设计要求。3.2浓缩3.2.1设计依据 经中和槽中和处理，米蛋白液的pH值约为7，温度大约在25。浓缩液体沸腾温度为90。 原料

46、液的量：，浓度：9%；浓缩液浓度： ； 加热蒸汽的压力一般为300500kPa，；冷凝器中的绝对压强不低于1020kPa。参照设备技术参数表本次设计分别取300kPa、70kPa。 蛋白质的比热容相差都不大，且与温度变化关系不大。故米蛋白的比热容近似看成牛奶蛋白的比热容，2.97kJ·(kg·)-1， 3.2.2物料衡算Lg旋转刮板薄膜蒸发器是单效蒸发器，作出单效蒸发示意图如下：图2单效蒸发示意图由单效蒸发示意图得： （3-6）原料液的流量，kg·h-1；单位时间内蒸发的水分量，即蒸发量，kg·h-1；原料液的质量分数，%；完成液的质量分数，%。代入数据

47、，解得： =15.583t那么，浓缩液的量：F W =27.828-15.583 =12.245t3.2.3能量衡算由单效蒸发示意图得：或 （3-7）加料蒸气的消耗量，kg·h-1；加热蒸气的焓，kJ·kg-1；原料液的焓，kJ·kg-1；二次蒸气的焓，kJ·kg-1；完成液的焓，kJ·kg-1；冷凝水的焓，kJ·kg-1；热损失，kg·h-1。本次加热蒸气的冷凝液在蒸气的饱和温度下排除，即： ；所以， 忽略溶液稀释时放出的热量，则溶液的焓可由比热容算出，即； ；其中，溶液的比热容可以按下面的经验公式计算： ； 溶液的比热容

48、， kJ·(kg·)-1；纯水的比热容，kJ·(kg·)-1；溶质的比热容，kJ·(kg·)-1。查化学工程手册，得知：300kPa加热蒸气：=2728.5 kJ·(kg)-1； = 2168.1 kJ·(kg)-1；二次冷凝水： =560.38 kJ·(kg)-1； =133.3；70kPa二次蒸汽：=2659.8 kJ·(kg)-1；29时： =4.172 kJ·(kg·)-1；=9%。所以，90时： =4.208 kJ·(kg·)-1；=50%；所以

49、， 将上述数据代入（3-7）式，此时，单位蒸汽消耗量：3.2.4设备传热面积校核所以， （3-8）参照蒸发器传热总系数的经验值25，如表5所示：表6旋转刮板式蒸发器传热总系数经验值液体黏度，mPa.s传热总系数k，w·(m2·k)-11100100020001500600参米蛋白的黏度，可取传热总系数： =900W·(m2·)-1而， ；代入公式（3-8），则所选设备实际传热面积： ；那么， ，没有足够的富裕度不能满足设计要求。查表得知,选择传热面积为14m2的薄膜蒸发器26，其蒸汽压力和真空度均相同。所以，能够满足设计工艺要求。3.3干燥3.3.1设计

50、依据产品规格：米蛋白含量80%，水分10%。3.3.2物料衡算1.配料：设配料（这里取麦麸）中的水分含量为5%，加入配料的质量为m，则：解得， 。2.干燥：需干燥的原料液量为：加入的配料较少，且含水量低，故可忽略不计。则配料后的含水量：需要干燥出的水分量为：所选设备基本满足条件。3.3.3能量衡算和设备校核由于喷雾干燥中液滴的干燥过程比较复杂，理论计算往往与实际相差较大，不通过小样实验和生产实验达不到满意的效果。设备设计和校核都缺乏一些生产经验值作为设备设计参考资料，加上待干燥蛋白液体的部分物性参数无法查实，超出本人有限的资料范围。故不进行无法进行准确的能量计算和设备校核，所以省略。4. 生产

51、车间设备布置车间设备布置设计是设计中的一个重要环节。设备布置是否合理，直接关到今后生产能否满足设计需要，生产是否能在良好条件下正常、安全进行，也关系到安装检修是否方便等问题。因此，设备布置设计应认真考虑。车间布置设27计可分为车间厂房布置和车间设备布置车间厂房布置是对整个车间各工段、各设施在车间场地范围内、按照在生产中和生活中所起的作用进行合理的平向布置和平面布置。车间设备布置是根据生产流程情况及各种有关因素，把各种工艺设备在一定区域内进行排列。车间布置的设计规范和规定：主要的设计规范和名称28：（1）建筑设计防火规范GBJ 1687；（2）工业企业设计卫生标准TJ 3679；（3）工业企业噪

52、声卫生标准TJ3679；（4）化工企业爆炸和火灾危险场所电力设计技术规定CD90A483；（5）中华人民共和国爆炸危险场所电器安全规程（试行）（1987）间布置设计的原则24:（1）最大限度地满足工艺生产包括设备维修的要求。 （2）有效地利用车间建筑面积（包括空间）和土地。 （3）要为车间的技术经济指标、先进合理以及节能等要求创造条件。 （4）考虑其他专业对本车间布置的要求。 （5）要考虑车间的发展和厂房的扩建。 （6）车间中所采取的劳动保护、防腐、防火、防毒、防爆及安全卫生等措施是否符合要求。 （7）本车间与其他车间在总平面图上的位置合理，力求使它们之间输送管线最短，联系最方便。 （8）考虑建厂工区的气象、地质、水文等条件。 （9）人流特流不能交错。车间布置初步设计的程序：根据带控制点工艺流程图（PID）及设备一览表、物料储存运输、生产辅助及生活行政等要求，结合布置设计规范及总图设计资料等，进行初步设计。车间布置初步设计的内容：（1）生产工段、生产辅助设施、生活行政福利设施的平面、立体布置。（2）车间场地和建筑物、构筑物的位置和尺寸。（3）设备的平面、立体布置。（4）通道系统、物料运输设计。（5）安装、操作、维修的平面和空间设计。根据以上规则和要求，实际设计对设备布置的要求主要有以下几方面：4.1满足生产工艺要求设备的平面位置和高低位置，应符合生产的工艺流程和工艺