年产35000吨复原苹果汁生产设计-学位论文.doc

食品机械与设备课程设计

年产35000吨复原苹果汁工厂灭菌机的设计
（套管式）

姓 名：张 洋
学 号：1050109400
系 别：生物与化学工程学院
专 业：食品科学与工程
班 级：2010010901
指导教师：李宏彬

说明书
1、 前言...................................................3
1.1 复原苹果汁...........................................3
1.2 综合价值................ ............................3
1.2 市场发展前景..........................................3
2、 产品方案...............................................3
2.1 产品包装............................................4
2.2 产品定位............................................4
2.3 消费对象............................................4
3、 工艺流程及论证.........................................5
3.1 复原苹果汁工艺流程....................................5
3.2 工艺说明.............................................5
3.3 工艺论证.............................................6
4、 物料与能量衡算.........................................9
4.1 物料衡算............................................9
4.2 能量衡算...........................................10
5、 设备选型..............................................10
6、 小结..................................................11

一、 前言
苹果汁是一种廉价的改善身体健康的饮品，也是可容和不可溶纤维素的来源。可溶性纤维是一种防止胆固醇堆积的物质, 存在于动脉血管壁. 这可以减少心脏病和动脉硬化的几率. 不溶性纤维可以嵌入肠道，随后和水一起清洁消化道,促进食物消化.苹果汁是一种强大的清洁剂,对身体健康很重要。
1.1 复原苹果汁
果汁通常能够提供该水果拥有的营养成分.复原苹果汁就是将浓缩果汁按照一定比例与水和其他配料勾兑而成的一类可以直接饮用的果汁。苹果汁由于价格便宜，口味较淡，也常常作为一些价格昂贵果汁饮料的基础配料和添加物 ,国外9 0％的饮料生产厂商将苹果汁用作饮料生产的勾兑和调味。 近年来，随着人们健康意识的增强，世界饮料市场中碳酸饮料的增长开始减缓，在欧美一些国家，碳酸饮料由于其过高的含糖量，已被定为不适合青少年和肥胖人群消费的饮料。纯果汁和果汁类饮料由其具有天然、健康的特性，产销量增长迅速，从而决定了未来对复原苹果汁的需求将继续呈稳中有升势。
1.2 综合价值
新鲜苹果汁能有效为人体补充维生素以及钙、磷、钾、镁等矿物质，可以调整人体功能协调，增强细胞活力以及肠胃功能，促进消化液分泌、消除疲劳，为人体提供所需的营养价值。
中国果汁行业经历了十余年的高速增长，从生产看，2011年产量达到1920万吨（全球4900万吨），占整个软饮料产量的16.33%。从消费看，近年中国的人均果饮占有量迅速增长，但与世界发达国家相比仍有较大差距，约为西欧的1/4、美国的1/3和俄罗斯的1/2，而人均果蔬汁消费量则差距更大，仅为发达市场的1/10，彰显出巨大增长前景；随着中国国民可支配收入的增长以及中产阶级的崛起，中国人更有经济实力也更愿意选择健康、天然同时兼具口感的果汁饮品。从进出口看，西部大开发的战略让中国跃居全球最主要的苹果浓缩汁出口国，而国内市场上，以橙汁为代表的各种小品种果饮进口量呈上升趋势。从果饮行业运营和整合来看，上游原料供应商在稳定国内市场供给、积极拓宽海外市场的同时也在寻求下游市场的突破口，而下游的传统饮品巨头也纷纷加速布局，抢占上游资源以占领果饮市场的制高点；新品类的开拓和终端销售渠道建设将是各方角逐的重要舞台。
1.3 市场发展前景
随着中国城市化进程的加快伴随而来的居民收入的增长，越来越的居民开始和已经不满足于温饱，越来越多的人追求小康和富裕的生活。居民的饮食方面越来越地追求安全、营养和保健。果蔬汁饮品以其丰富的营养、良好的保健功效以及更加安全和环保而受到青睐。中国果汁行业虽然已经取得长足的发展，但与发达国家仍然有很大的差距，无疑具有巨大的发展潜力。
二、 产品方案
产品方案可以理解为产品战略，就是学习运用产品组合策略和产品开发策略规划产品线，谋求理想的利润空间,根据产品生命周期的不同阶段制定适应性战略。
2.1 产品包装
果蔬汁饮料得到迅速发展，包装容器也多种多样，复原苹果汁主要采用的包装容器有：玻璃容器、金属容器、塑料容器、纸基复合容器、塑料复合薄膜容器等。
玻璃是一种历史悠久的包装材料。玻璃容器具有造型灵活、美观、多彩晶莹的装饰效果；化学稳定性高，阻隔性好，不透气，易密封，安全无毒；原料丰富，价格低廉，可回收使用；生产自动化程度高等优点。但玻璃瓶笨重易碎，周转运输不便。
金属容器主要有两片罐和三片罐。三片罐使用的材料多为马口铁，两片罐的材料多为合金。用于果蔬汁饮料的主要是三片罐。金属容器有诸多优点：有优良的阻隔性能，不仅能阻隔气体，还可以阻隔光，这一特点使果蔬汁饮料有较长的货架期；有优良的机械性能，主要表现在耐高温，耐湿度变化，耐压，耐虫害；不易破损，携带方便；表面装饰性好，可以刺激消费；可以回炉再生循环使用。但金属罐化学稳定性差，内涂料质量或工艺不过关，都会使果蔬汁饮料变色变味；经济性也较差。
用于果蔬汁饮料包装的塑料种类主要有：聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酯、聚偏二氯乙烯等。聚酯（PET）材料由于具有材质轻，无色透明，强度高，表面光泽度好，有类似玻璃的外观，可塑性强和机械性能好，无毒无味无臭，气密性好，成型收缩率低，膨胀系数小，材料费用适中等优点，广泛用于果蔬汁饮料的包装。
纸基复合容器的材料为纸与塑料薄膜，或加上铝铂的多层复合软包装材料。这类材料具有高阻隔性，高强度，良好的热封性，低温保存保鲜性，重量轻，节省堆放空间，方便流通消费等优点。但其废弃物处理回收困难，易造成环境污染。
塑料复合薄膜容器的材料为两层以上的种类相同或不同的塑料膜黏合在一起制成的复合材料，克服了单一材料的缺点，具有高度防潮，隔氧，保香，蔽光等性能。但其包装废弃物对环境所造成的污染制约着其应用。
各种包装都各有特点。包装不同，果蔬汁饮料的生产销售过程中要注意的事项也不一样。如铁罐的内涂层一定要过关，否则果蔬汁中的酸性成分和罐体发生反应，影响产品的颜色和风味，储存过程中也要避免酸性物质与罐接触；PET瓶要避免在强光下照射，因为光会加速饮料中色素的变化。
2.2 产品定位
丰富的苹果资源和低廉的劳动力成本使中国苹果汁极具竞争优势。2004年，我国苹果总产量达2400万吨，占世界苹果产量的一半。作为浓缩苹果汁原料的苹果，从栽种、管理到采摘均需要大量的劳动力进行技术含量较低的工作，因此该行业属于典型的劳动密集型行业。同时苹果收购成本占浓缩苹果汁完全成本的70%左右，浓缩果汁加工过程中还需要付出大量的劳动力，人工和原料上特有的成本优势使我国的浓缩苹果汁在国际市场上具有较强的成本竞争力，从而导致出口量的快速增长。世界浓缩苹果汁生产中心向我国转移的趋势将更加明显。
2.3 消费对象
一般大多数人都可以食用，特别适宜婴幼儿和中老年人食用。适宜慢性胃炎、消化不良、气滞不通患者食用。适宜便秘、慢性腹泻、神经性肠炎患者食用。适宜高血压、高血脂和肥胖患者食用。适应肥胖人食用，有益于减肥。
三、 工艺流程及论证
1. 复原苹果汁工艺流程

冷冻浓缩苹果汁 解冻稀释
复原果汁
过滤

调配（糖度、酸度）

均质

脱气

杀菌 冷却

装填 装填

冷却

入库冷藏

2. 工艺说明
（1）过滤 不同的浓缩制作过程及方式，果汁中含有的碎果皮、粗果肉颗粒、种子的含量也不同。所以在原浓缩汁稀释后采用精滤机对其统一滤制。
（2）调配 精滤后的果汁在调配罐中进行天培，调配果汁的糖度、酸度和其他理化指标，以保证不同批次的果汁品质和成分一致。
（3）均质 均质是果汁制造上的特殊操作。调和后果汁应选均质机进行细化处理。可采用高压均质机进行均质处理，其原理是在高压力下，果汁粒浆受压力而破碎，重要是通过一个均质阀的作用，使高压的果汁从极端狭小的间隙中通过，然后由于速度降低压力小而膨胀和冲击作用使粒子微细化并均匀的分散在果汁中，高压均质机要求150~170kg/cm2。均质机的均质压力一般压力为15MPa，均质处理中可使果汁中的细小颗粒进一步破碎，使粒子大小均匀，促进果胶的渗出，使果胶和果汁亲和，保持果汁的均匀浑浊度。
（4）脱气 脱气的目的和效能归纳如下：①防止维生素C的损失，②防止香味和色泽的变化，③防止好气性细菌的繁殖，④防止果肉浆和其他悬浮物悬浮在果汁上部，⑤防止杀菌或装填时发生气泡。脱气的缺点是损失一部分芳香成分。所以经细化处理后的混合料液，均应进行脱气处理以除去附着在果汁和其他材料里的以及调配过程中混入饮料中的空气，防止饮料中果汁氧化变质。脱气作业一般采用真空脱气罐。
（5）杀菌 经脱气处理后的复原苹果汁用管式换热器进行高温瞬时杀菌，以抑制细菌的繁殖，提高复原苹果汁的稳定性。
（6）装填 杀完菌后趁热灌装封口，密封罐中心温度控制在70℃以上。倒瓶保温2min再冷却至38℃左右。
3、 工艺论证
3.1原料的验收
浓缩果汁的验收，选择成熟、健全、优质的苹果原料制造出的优质苹果浓缩汁。
3.2调配
按比例将已经经过处理的糖浆溶液、浓缩苹果汁、稳定剂溶液混合调配，然后泵入储料罐备用杀菌
3.2.1白砂糖的选择和溶解
1) 白砂糖主要技术指标及卫生指标GB317及GB241
表一 白砂糖主要技术指标及卫生指标
指标
优级
一级
理化指标
蔗糖分% ≥
99.75
99.65
还原塘分% ≤
0.08
0.15
电导灰分% ≤
0.05
0.10
干燥失重% ≤
0.06
0.07
色值（国际塘色值） ≤
80
180
混浊度，度
5
7
不溶于水杂质mg/kg ≤
40
60
砷（以As为计）mg/kg ≤
0.5
铅（以Pb为计）mg/kg ≤
1.0
铜（以Cu为计）mg/kg ≤
2.0
碳酸法 ≤
20
亚硫酸法 ≤
50
卫生指标
大肠杆菌个/100g ≤
30
致病菌 ≤
不得检出
细菌总数 个/g ≤
350

2）糖的溶解
把糖溶解于水中，一般称为原糖浆或单糖浆。必须采用优质砂糖，溶解于一定量的水中，制成预计浓度的糖液，再经过滤、澄清后供用。其所用水亦必须用纯良的水，其水质可与装瓶用水相同。
溶解方法有冷溶法与热溶法。配制短期内饮用的饮料的糖浆可采用冷溶法；零散饮料，纯度要求较高，或要求延长贮藏期的饮料，最好采用热溶法。
3）糖浆过滤
砂糖加水溶解后，必须进行过滤，滤法有自然过滤和加压过滤两种。
自然过滤采用锤形厚绒布滤袋，内加纸浆滤层，操作极简单。但滤速流量太慢，不适用于一般工厂，大部分工厂采用加压滤法。本设计采用水平圆盘式糖浆过滤机加压过滤。
4)将65%的浓糖浆调配过滤好后放于暂储罐备用。
3.2.2稳定剂、柠檬酸、辅料溶解
按配方将稳定剂及其他辅料用温水溶解备用、水温为45℃。复合稳定剂组成为：海藻酸钠、CMC—NA、黄原胶，用量为1:1:1。
1)柠檬酸：执行GB1978-80标准
（1）感官要求
柠檬酸为无色半透明晶体或白色颗粒或白色结晶性粉末,无臭、味极酸,易溶于水和乙醇，水溶液显酸性。
表二 柠檬酸主要技术指标
指标名称
指标
柠檬酸% ≥
99.5
硫酸盐% ≤
0.03
草酸盐% ≤
0.05
钙盐
符合规定
钡盐
符合规定
硫酸灰分% ≤
0.1
重金属% ≤
0.0005
砷% ≤
0.0001
铁% ≤
0.001
氯化物% ≤
0.01

2)生产用水：
生产用水执行GB5749_2006标准
表1 水质常规指标及限值
指 标
限 值
1、微生物指标①
总大肠菌群（MPN/100mL或CFU/100mL）
不得检出
耐热大肠菌群（MPN/100mL或CFU/100mL）
不得检出
大肠埃希氏菌（MPN/100mL或CFU/100mL）
不得检出
菌落总数（CFU/mL）
100
2、毒理指标
砷（mg/L）
0.01
镉（mg/L）
0.005
铬（六价，mg/L）
0.05
铅（mg/L）
0.01
汞（mg/L）
0.001
硒（mg/L）
0.01
氰化物（mg/L）
0.05
氟化物（mg/L）
1.0
硝酸盐（以N计，mg/L）
10
地下水源限制时为20
三氯甲烷（mg/L）
0.06
四氯化碳（mg/L）
0.002
溴酸盐（使用臭氧时，mg/L）
0.01
甲醛（使用臭氧时，mg/L）
0.9
亚氯酸盐（使用二氧化氯消毒时，mg/L）
0.7
氯酸盐（使用复合二氧化氯消毒时，mg/L）
0.7
3、感官性状和一般化学指标
色度（铂钴色度单位）
15
浑浊度（NTU-散射浊度单位）
1
水源与净水技术条件限制时为3
臭和味
无异臭、异味
肉眼可见物
无

四、 物料与能量衡算
企业计划年产复原苹果汁35000吨，企业计划定制工作日为350天/年，则每天生产量为100吨/天。
4.1 物料衡算
按照国标GB10789—2007《饮料通则》规定复原果汁饮料中含浓缩果汁的量不低于10%。故本企业规定复原果汁中含浓缩果汁17%。
根据国标GB2760—2011《食品添加剂使用标准》规定果蔬汁饮料中主要添加剂为着色剂、防腐剂、稳定剂、甜味剂、食用香料，其用量遵循GB2760—2011《食品添加剂使用标准》规定，其他添加剂按生产需要适量使用。故本企业将所有添加剂的使用规定为2.5kg/吨。
4.1.1配料用量：
1）总产量=35000t
工作日=350d
日产量=100t/d
2）复合果汁： 含缩果汁17%。
浓缩果汁年需要量/年：35000 × 17%=5950吨
每日需求量：5950÷350=17吨;
3）添加剂年需求量 2.5×35000=87500kg;
每日需求量：87500÷350=250kg
4）白砂糖年需求量：35000× 7.5%=2625吨
每日需求量：2625÷350=7.5吨
5）总加水量：35000-5950-87.5-2625=26337.5吨
每日水的需求量：26337.5÷350=75.25吨
在均质、杀菌、冷却、包装过程中物料微量的损失忽略不计。
4.2能量衡算
4.2.1生产过程中主要机械工作用电量
TW10D8000杀菌机耗电量72KW/h
4.2.2 用汽量计算
本设计中用到蒸汽仅为UHT杀菌用到蒸汽。根据设备参数UHT杀菌蒸汽消耗量为720kg/H,，设定生蒸汽为140℃，蒸汽压力为0.3MP,冷水为20℃,根据计算需要41.13kg,根据工艺每小时需要处理4.8吨苹果汁且漂烫过程用热损失。因此估算耗用5倍蒸汽量既为205.65kg/h。
所以总消耗量为843.39kg/h.但是为保持有25%的富裕量在设计时可放宽限度到1200kg/h。
4.2.2冷量计算
根据工艺需要需建一个500立方容量的冷库，用于储藏一天的原料量，用于生产的缓冲。因此需要500立方的冷量。设定保存温度为4℃。
五、 设备选型
1．设备选型的原则
（1）满足工艺要求，保证产品的质量和产量；
（2）一般大型食品工厂应选用较先进的、机械化程度高的设备，中型厂则看具体情况，一
些主要产品可选用机械化、连续化程度较高的设备，小厂则选用较简单的设备。
（3） 所选设备能充分利用原料，损耗少、效率低、体积小、维修方便、劳动强度低、并能
一机多用。
（4） 所选设备应符合食品卫生要求，易清洗、装拆，与食品接触的材料要不易腐蚀，不致
对食品造成污染。
（5）设备结构合理，材料性能可适应各种工作条件（如温度、湿度、压力、酸碱度等）。
（6）在温度、压力、真空、浓度、时间、速度、流量、液位、计数和程序等方面有合理的
控制系统，并尽量采用自动控制方式。

2. 选型
说明：每天工作两班，每班定为8小时生产，但实际出发，考虑到生产的不连续性及生产后的清洗工作，也为今后发展留有余地，生产还当选大，以每班处理7.5小时计。根据本公司生产要求日产量100t计算每小时需产6.67t，考虑到各种影响因素故选型每小时大于8t设备，圣亚机械系列产品具体参数如下：

型号
产能(L/H)
功率(KW)
系统设计压力(MPa)
蒸汽耗量(kg/h)
压缩空气耗量(m3/h)
TW10D8000
8000
72
16
2000
12
冷却水耗量(t/h)
物料杀菌温度(℃)
杀菌时间(s)
进料温度(℃)
出料温度(℃)
出料温度(℃)
70
90-125
120-180
60-68
≤40
1300X2500

六、 小结
理论与实践的结合才能有力的证明对知识是否全面掌握，通过本次设计让我对自己的专业有了更加感性和理性的认识，我们了解了工程设计的基本内容，掌握了课程设计的主要程序和方法，增强了分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。

参考文献：
1、 张裕中，《食品加工技术装备》中国轻工业出版社，2011
2、 魏崇光，郑晓梅，化工工程制图[M]. 北京：化学工业出版社
3、 董大勤，化工设备机械设计基础[M]. 北京：化学工业出版社,1999
4、 娄爱娟,吴志泉. 化工设计[M].上海：华东理工大学出版社，2002