食品工厂课程设计-日产10吨冰红茶饮料生产项目大学论文.doc

湖南农业大学食品科技学院
食品工程原理课程设计说明书

项目名称：日产10吨冰红茶饮料生产项目

设计参加人：欧阳晶
班级：07级食品科学与工程2班
设计时间：第十五周
目 录
1、设计任务书........................................4
2、设计说明..........................................5
3. 工艺流程及说明.................................….6
4、物料衡算..........................................9
5、热量衡算及相关设备选型........................…..11
6. 主要设备选型......................................15
7、设计结果概要或设计一览表；...................……..17
8. 结束语................ ..... ..... ..... ..... .....18
9. 感 想.….…...............................……….. 19
10.参考文献...................................……….20
11.附 图.................................……………….21一、任务设计书

一、设计题目: 日产10吨冰红茶饮料生产项目

二、设计参考方案工艺流程：高温→浸提→快速冷却→粗滤→精滤→调配→热灌装→封口

三、设计原始数据：1、生产能力数据
该生产线总生产能力为10万吨/天
生产线的能源总功率为960KW/天
耗水量为20吨/天
2、其他数据
生产时间每日生产8小时
生产线使用年限为10年
生产线设备选定为半自动生产中等规模设备
生产动力来源为三相交流（220V/380V）电源。

四、设计任务：
1、冰红茶饮料加工工艺流程设计
2、冰红茶饮料加工物料横算与热量衡算
3、冰红茶饮料主副设备选型
4、冰红茶饮料工艺流程简图

五、设计时间：第十五周

二、设计说明

1.1冰红茶饮料的市场效应
随着现代社会的发展，健康环保已经成为当代食品理念。在众多灌装饮料的发展中，茶饮料以它独特的茶多酚保健功能在市场中占有一席之地。特别是红茶，具有帮助胃肠消化、促近食欲，利尿、消除水肿、强壮心肌、预防蛀牙与食物中毒，降低血糖值与高血压等功能。适合于儿童、老人及心脏病患者饮用。【1】本产产品继承了红茶的保健功能同时调配出适当的口感，适应于夏天饮用，有清凉解暑的功效。在市场中具有广大的发展前景。

1.2冰红茶饮料的工艺基本流程及设备选型
茶叶→热浸提→冷却→精滤→调配→均质→灌装→包装→杀菌→冷却→检验→成品

1.3主要热交换设备的初步选型
根据以上实验方案，为使冰红茶的生产效率加快、原汁率高、保证产品原液透明清晰，不含杂质同时考虑生产成本与机械成本，经过比较研究找出适宜的主要加工设备，热交换器则选用板式热交换器。而板式热交换器传热效率高，且热量传热介质循环使用。【2】但通过流速不宜过高。

1.4设计中的特殊问题及解决方法
<1>冰红茶长期贮存后会发生浑浊现象。可以加入澄清剂保持茶饮料的清亮。初步计划使用磷酸作为澄清剂，用量为400—500PPM【3】
<2>冰红茶茶多酚提取率不足。因为茶多酚大多与咖啡因结合，很难游离出来，故加入一定量的酸，可仿照以上方法。【4】
<3>冰红茶的苦涩味的去除。因为铁、锰等离子易与茶叶发生反应形成茶乳并产生苦涩味，所以使水软化或使用无离子水。【1】

三、工艺流程及说明

2.1工艺流程草图【5】
原料破碎
↓
清 洗
↓
水 源→除 杂→软 化→过 滤→紫外光线灭菌→加热萃取
↓
成 品←二次灭菌←灌 装←灭 菌←均 质←调 配←过 滤←初 滤←冷 却
↑
去 杂
↑
辅 料
2.2茶饮料工艺标准【6】

国家标准
标准类型
原辅料及残留
要 求
备 注
GB2763
原料标准
茶叶：水
≥1：100

感官标准
茶饮料

具有应有的色泽、香气、滋味，允许有茶成分导致的浑浊，无正常视力可见的杂质
GB/T21733
理化标准
茶多酚（红茶）
≥300mg/kg

咖啡因（红茶）
≥40mg/kg

GB2760

食品添加剂标准
茶黄色素
按生产添加

二甲基二碳酸盐
≤0.25g/kg

焦糖色
按生产添加

维生素c
≤0.5g/kg

六偏磷酸钠
≤0.5g/kg

三聚磷酸钠
≤1.0g/kg

其他
按生产添加

GB19296
茶饮料卫生标准
总砷
≤0.2mg/L

铅
≤0.3mg/L

铜
≤5mg/L

菌落总数
≤100cfu/mL

大肠菌群
≤6cfu/mL

霉菌
≤10cfu/mL

酵母
≤10cfu/mL

致病菌
不得检出

2.3茶饮料流程说明
2.3.1原料破碎与清洗
干制红茶中含有少量泥沙、尘土等杂质，先使茶叶破碎为约0.5厘米的长度，然后进行用85℃软化水冲泡10秒钟冲洗以除去杂质。PH为6.0左右。
2.3.2除有机质
水中包含多种有机质有机物质如蛋白质、有机农药、有机磷等进行过滤，采用物理吸附填装活性炭，适宜温度为常温，PH无要求。
2.3.3软 化
软化是降低水的硬度，使用的是离子交换法是液相中的离子和固相中离子间所进行的的一种可逆性化学反应，当液相中的某些离子较为离子交换固体所喜好时，便会被离子交换固体吸附离子交换法可以将水中离子态杂质（比如盐类）清除得以较彻底。【7】本工艺中主要用于进一步进化水，出去水中的离子态杂质主要是Mg、Ga、Cl等。
2.3.4一次精滤
精滤即精密过滤技术又称微过滤，俗称保安过滤，常常用过滤精度为5um的中空纤维，继续净化水质，延长和保护膜的使用寿命。目的是过滤掉水质中的胶体物质或是少部分的微生物。将小于10mm的物质去除。适宜温度为5-55摄氏度适宜压力为4×10^4 Pa～7×10^5 Pa。
2.3.5紫外线灭菌
把通过活性碳处理、离子交换和反渗透处理的水进一步用紫外线灭菌，杀灭其中存在的微生物，使其符合国家饮料用水标准。
2.3.6加热萃取：此步骤使热交换器与带搅拌浸提的装置，目的是使茶叶充分泡发，使茶汁充分的融合进水中，一般浸提温度控制在85-95摄氏度，时间为10-15min。浸提后粗滤去茶渣，迅速冷却。【8】
2.3.7二次精滤
目的是为了是去除浸提后的杂质，使得产品清凉透彻。达到茶饮料生产标准适宜温度为5-55摄氏度适宜压力为4×10^4 Pa～7×10^5 Pa。
2.3.8调 配
将茶汁、柠檬酸、柠檬酸钠、蔗糖、赛安蜜、三氯蔗糖、各种香精按最佳比例调配好，充分搅拌使原辅料完全溶解。加入澄清剂与稳定剂并调整PH。
产品配方为：茶汁10000kg，柠檬酸0.18%,柠檬酸钠0.10%,蔗糖4.0%,安赛蜜0.011%,三氯蔗糖0.003%,冰红茶香精0.02%,柠檬香精0.01%,蜂蜜香精0.01%,
均 质是是指物料的料液在挤压，强冲击与失压膨胀的三重作用下使物料细化，从而使物料能更均匀的相互混合，从而使整个产品体系更加稳定。【9】均质主要通过均质机来进行的。是食品、乳品、饮料的行业的重要加工设备。进过均质后饮料不至于产生上下分层的情况。
2.3.9杀菌
为了使茶中的活性酶不至于被破坏杀菌环节采用超高温瞬时杀菌的方案。高温瞬时杀菌，是指加热温度为135-150摄氏度杀菌2—8秒，处理后产品达到商业无菌的杀菌过程。其实用于各类新鲜多活性的各类饮品中。本方案采用超高温瞬时杀菌，趁热罐装。
2.3.10罐装
灭菌后的产品必须立即连续的进行灌装。灌装是延长食品保质期及方便食品携带使用的重要步骤，灌装容器有玻璃瓶、聚乙烯塑料瓶、复合塑料袋装、涂复塑料纸盒包装等。【10】包装材料应主要考虑经济、强度、重量、稳定、清洁、方便和美观等诸多因素。经过以上要求，本生产线决定以容积为500ml的塑料瓶做罐装容器。热罐装时料液温度不低于90℃，采用真空罐装，封盖。
2.3.11二次杀菌、冷却
二次灭菌考虑到塑料瓶的耐热性，采用曾其灭菌法，充分保证了残品的微生物指标要求，密封后，饮料采用100％蒸汽灭菌10—15min，冷却至常温。

四、 物料衡算【11】
3.1原料配比指数
茶：水=1：100
3.2 车间物料平衡计算
本设计要求日产10t汁，考虑到各工序的物料损耗，故每日原料处理量需大于10t。
3.2.1 产品配比
其中纯净水使用量为Xt
红茶茶叶 1%
柠檬酸或磷酸 0.18%,
柠檬酸钠 0.10%,
蔗糖 4.0%,
安赛蜜 0.011%,
三氯蔗糖 0.003%,
冰红茶香精 0.02%,
柠檬香精 0.01%,
蜂蜜香精 0.01%,
纯净水 94.67%
设调配混合冰红茶饮料为Xt，设M1=Xt。
3.2.2 调配阶段
调配阶段的物料损耗损失，按0.2％计，则
M2=M1×(1－0.2％)=1000Xkg×99.8％=998Xkg
3.2.3 脱气、均质、灭菌阶段
脱气、均质、灭菌阶段损耗损失，按0.2％计，则
M3=M2×(1－0.2％)= 998Xkg×99.8％=996 Xkg
3.2.4 灌装阶段
灌装阶段的物料损耗损失，按0.1％计，则
M4=M3×(1－0.1％)= 996Xkg×99.9％=995Xkg
3.2.5 二次灭菌阶段
二次灭菌阶段的物料损耗损失，按0.05％计，则
M5=M4×(1－0.05％)= 995Xkg×99.95％=994.50Xkg
3.2.6 成品率
冰红茶饮料成品率：= 99.50％
3.2.7 包装
日产10t，折算成体积为 =9970.09%

每瓶500ml，则日产 ≈19940瓶

每箱按24瓶计，则装箱数为≈830箱
3.3 物料流线图【12】
红茶茶叶 1% 100kg
柠檬酸 0.18%, 18kg
柠檬酸钠 0.10%, 10kg
蔗糖 4.0%, 400kg
安赛蜜 0.011%, 1.1kg
三氯蔗糖 0.003%, 0.3kg
冰红茶香精 0.02%, 2kg
柠檬香精 0.01%, 1kg
蜂蜜香精 0.01%, 1kg
纯净水 94.67% 9467kg
总计 10000.4kg

调配阶段 －0.2％
↓
调配后的混合胡萝卜汁 9980.40kg
↓
脱气、均质、灭菌阶段 －0.2％

净化混合胡萝卜汁 9960.44kg

灌装阶段 －0.1％

瓶装混合胡萝卜汁 9950.48kg
19841瓶 500ml装

二次灭菌阶段 －0.05％

成品 10000kg 19841瓶

五、 热量衡算及相关设备选型

4.1 热交换阶段的确定【13】
根据传热效率、设备结构、占地面积、设备的适应性、操作安全性、卫生性和热量节约性等诸多方面考虑，本生产线在浸提时使用RB0型板式换热器，UHT超高温瞬时灭菌这一环节决定采用平板式换热设备，最后是蒸汽换热设备。
本生产线热阶段包括三个阶段：
（1） 热浸提时水温由常温变成90摄氏度，保持10—15min后迅速降至25摄氏度。
（2） 超高温瞬时灭菌从25摄氏度上升至65摄氏度再上升至90摄氏度最后到135摄氏度，在初见降温到25摄氏度的过程
（3） 最后高温蒸汽二次杀菌过程。
在第二过程中，降温热交换可供你升温热交换热能，传热介质可以循环吸放热，形成一个节能的热循环系统。
4.2参数基准及参考换热器类型
质量（M）：本生产线日产10t冰红茶饮料，每天工作8小时，得饮料流量为125kg/h。
传热系数（K）：一般的传热系数为5000—9000W/m2kh 本实验取8088 W/m2kh{}
比热容（C）：茶水的比热容小于水约为4.012 kJ/kg
本生产线所有换热器均为逆流换热。
型号规格
能力
蒸汽能耗
蒸汽压力
冰水能耗
冰水流量
电功率
外形尺寸
重量
管径(Φ)
(t/h)
(kg/h)
(bar)
(kcal/h)
(t/h)
(kw)
(l×w×h)
(kg)
物料
蒸汽
介质
BR1-UHT-1J(N)
1
20
2.5
10,000
2
1.9
1.6×1.4×1.8
710
25
DN25
25
BR1-UHT-1.5J(N)
1.5
30
2.5
15,000
3
1.9
1.6×1.4×1.8
730
25
DN25
25
BR1-UHT-2J(N)
2
40
2.5
20,000
4
1.9
1.6×1.4×1.8
750
25
DN25
25
BR2-UHT-3J(N)
3
60
2.5
30,000
6
3.3
1.8×1.6×2.0
780
38
DN25
38
BR2.5-UHT-4J(N)
4
80
2.5
40,000
8
3.3
1.8×1.6×2.0
910
38
DN25
38
BR2.5-UHT-5J(N)
5
100
2.5
50,000
10
3.3
1.8×1.6×2.0
960
38
DN25
51
BR2.5-UHT-6J(N)
6
120
2.5
60,000
12
3.3
1.8×1.6×2.0
1010
51
DN25
51
BR2.5-UHT-8J(N)
8
160
2.5
80,000
16
3.7
1.8×1.6×2.0
1070
51
DN32
51
BR4-UHT-10J(N)
10
200
2.5
100,000
20
5.2
2.5×2.5×2.2
1180
51
DN32
51
BR4-UHT-15J(N)
15
300
2.5
150,000
30
7.0
2.5×2.5×2.2
1300
63
DN40
63

4.3.1浸提阶段
过滤后的纯净水与茶叶浸提从25℃到90℃，传热水由100℃下降到90℃
ΔTm = = 24.04℃ A = = =1.676 m2
NTU茶 = = = 2.703， rA= = =6.5＞1，
NTU水 = rA×NTU茶=6.5×2.703=17.57， 经过校正，【13】Ft=0.97
∴A茶= = =1.728m2， 选BR2-UHT-3J(N)换热器 A=2m2
Q=M×C×ΔT=1250×4.012×65＝325975kJ/h
4.3.2高温瞬时灭菌阶段
4.3.2.1预热阶段
茶汁自65℃预热至90℃，传热介质过热水123℃降至90℃
ΔTm = = 28.82℃ A = = =0.54m2
NTU茶 = = = 0.87， rA= = =1.32＜1，
NTU水 = rA×NTU果=1.32 ×0.87=1.15，
经校正得∴A = = =0.46 m2， 选BR1-UHT-1型换热器合适。
Q1=M×C×ΔT=1250×4.012×25=125375kJ/h
4.3.2.2瞬时杀菌阶段
预热后加热至135℃；介质热水从140℃降至123℃；
ΔTm = = 14.84℃ A = = =1.88m2
NTU茶 = = = 3.03，rA= = = 0.38＜1，
经校正得 ∴A修= = =1.94 m2，选BR1-UHT-2型换热器合适。
Q2=M×C×ΔT=1000×4.012×45=225675kJ/h
4.3.2.3杀菌初降温阶段
经135℃超高温瞬时灭菌的果汁降温至90℃；来自热水罐的80℃热水呗加热至95℃；
ΔTm = = 21.64℃ A = = =1.29m2
NTU茶 = = = 2.08， rA= = =0.33＜1，
经校正得∴A修= = =1.37 m2， 选BR1-UHT-2型换热器合适。
Q3=M×C×ΔT=1250×4.012×45=225675kJl/h
4.3.2.4后降温阶段
茶汁冷却至常温25℃，待灌装；浸提过滤过后的茶汁20℃的果汁经初步预热至65℃
ΔTm = = 22.41℃ A = = =1.24m2
NTU茶 = = = 2.00， rA= = =0.92＜1，
经过校正得，∴A修= = =1.32 m2， 选BR1-UHT-2型换热器合适。
Q4=M×C×ΔT=1250×4.012×65=326015kJ/h
4.3.3外加热量计算
B、C两段的热水由95℃升温至140℃，所需热量靠外加的0.4Mpa，143℃饱和水蒸气提供QA= M×C×ΔT水=m汽H汽
已知H汽=655kacl/kg，
∴m汽= = = 575kg/h
4.3.4热量利用情况
η= = ×100% = 75%
4.3.5杀菌锅杀菌阶段【14】
此阶段采用115℃，用水蒸汽作为加热介质，有：
Q=M×C×ΔT=1250×4.012×(115－25)=451350 kJ/h=83700kcal/h
采用115℃饱和水蒸气作为加热介质，一直H115℃=645.2kcal/kg，则需蒸汽量为：
M = = = 129.7kg/h
假设杀菌锅冷却用5℃的水，冷却的水温升至50℃，则所需流量为：
S = = = 1860kg/h

六、 主要设备选型
5.1 无离子应用水提取装置
5.1.1 杂质过滤系统
本系统用于饮用水的净水处理，能去除清水中异色、异味和金属物质、高分子有机化合物。【15】根据本生产线的工艺流程应选用活性炭过滤器，它能够吸附前级过滤中无法去除的余氯以防止后级反渗透膜受其氧化降解，同时还吸附从前级泄漏过来的小分子有机物等污染性物质，对水中异味、胶体及色素、重金属离子等有较明显的吸附去除作用，还具有降低COD的作用。可以进一步降低RO进水的SDI值，保证SDI<5，TOC<2.Oppm。可采用GHT-3型，生产能力为2-3m3/h，需要量1台，价格230000元
5.1.2 软化装置【16】
净水的第二环节所采用的钠离子交换器为LZY一3型，其以离子交换树脂本身的Na+取代水中的Ca2+，Mg2+使水的硬度<0.035毫克当量/升，使原水硬度降低变成软水。其生产能力为2-3m3/h，进水硬度：<4毫克当量/升，出水硬度：<0.035毫克/升，筒体直径：300mm一500mm，工作压力：O.2Mpa，实验压力：O.3Mpa，根据生产实际需要来看，只需要一台。价格12000元
5.1.3 过滤装置【17】
第一次过滤与第二次过滤都是为了除去100nm的杂质物质，所以应该学选择微孔过滤装置。它可以滤除液体、 气体的 0.1um 以上的微粒和细菌，它有过滤精度高、过渡速度快、吸附少、无介质脱落、耐酸碱腐蚀、操作方便等优点。可以采用TS-LG50I型，生产能力为1-3 m3/h，滤器使用压力 mpa ： 0.1-0.6 ，滤器使用温度 °C ： 5-55。价格为80000元

5.1.4 紫外线饮水灭菌机
紫外线灭菌是本生产线纯化饮料用水的步骤，首前面环节的约束，其生产能力应大于前面设备的生产能力，才能保证流水线的流畅运行，故采用生产能力为3-5t/h的紫外线饮水灭菌机能够满足要求。可选择ZM-3000型。其采用高强度、寿命长的ZM型高压紫外线杀菌灯管，整个装置合理，水质卫生指标完全符合国家生活饮用水标准。工作效率为3t/h。
5.2 茶汁生产阶段
5.2.1浸提设备
茶叶的浸提需要长时间并在浸提时间不断的搅拌混匀，可以使用板式换热器配合大型搅拌器使用。生产能力在2t/h
5.2.2 均质机[18]
选用CJ1.5-2.5型均质机，其生产能力为2.5t/h。
5.2.3 超高温板式灭菌器
选用BR1-UHT-30型超高温板式灭菌器，其生产能力为3t/h。
5.3 灌装阶段及成品阶段
5.3.1 洗瓶机【19】
洗瓶机采用XP-24型，其生产能力为2300b/h，由于日产量为31746瓶，以日生产14小时计，每小时2267瓶，故一台即可满足需要。
5.3.2 负压灌装机【19】
负压灌装机采用GFP-12型，其生产能力为2600b/h，大于2267瓶/小时。同上，一台即可满足需要。
5.3.3 封罐机【19】
封罐机采用GFP-12型，其生产能力为2300b/h，大于2267瓶/小时。同上，一台即可满足需要。
5.3.4 杀菌锅[20]
杀菌锅采用SQZ1200杀菌锅，其杀菌能力为2300b/h，大于2267瓶/小时。同上，一台即可满足需要。

七、设计结果一览

4.1主要设备装置一览

序号
设备名称
型号
生产能力
1
活性炭过滤器
GHT-3
2-3m3/h
2
软化装置
LZY-3
2-3m3/h
3
过滤装置
FSJ-3
6.0m3/h
4
紫外线饮水灭菌器
ZM—3000
3-5t/h
5
浸提装置
TQ-2.5
2t/h
6
均质机
CJ1.5-2.5
2.5t/h
7
超高温瞬时灭菌器
BR1-UHT-30
2-3t/h
8
洗瓶机
XP-24
2300b/h
9
负压灌装机
GFP-12
2600b/h
10
封罐机
YG-6B
2300b/h
11
杀菌锅
SQZ1200
2300b/h

4.2日生产参数一览

日生产成品 10000kg约为19841瓶。
日耗能90274kJ
日耗水量约为20吨
八、结 束 语

本生产线包含了很多先进的技术，告别了以前多次浸提、过滤的繁琐步骤，加入高效的过滤方法，利用微孔将100nm以上的物质统统过滤；采用高温瞬时杀菌法，保证了茶汁中有益因子的存在量的情况下达到了卫生的标准。而且此生产下未达到饱和生产速度，若改进设备条件则日常量可再次提高。
本生产线中茶饮料配方特别考虑到了低糖类人群，其中加入了赛安蜜，三氯蔗糖等糖代物，适宜于肥胖人群或是少糖人群的食用
但是本生产线还是存在一定的问题，耗费的成本比较高，且接近于全自动化设备，难以维修与拆洗。并且此方案耗能比较大，投产短时间内难看到盈利效果。
综上所述，本生产线是一套现代、高科技的食品生产线，有着全自动的设备和全新的生产配方，但尚且需要改进与发展。

九、食品工程原理课程设计有感

课程设计师食品工程原理实习的项目之一，其目的是为了培养学生查找资料，搜集文献的能力，从而对本门课程做深刻的理解与认识并培养独立设计的意识。
从这边课程设计的内容而论，是让我们结合自己所学的知识，查找资料，认识与了解工厂设计生产线设计的基本步骤与原理，以达到理论联系实际的目的。
本次课程设计并不仅仅至关乎一门课程。它从实际出发，涉及到《食品工程原理》、《食品机械与设备》、《食品工厂设计》、《食品加工工艺学》等诸多课程。绝大部分是联系实际，对于重视理论的我们来说难度很大，在不懂得查资料与翻阅文献找关键的情况下，更难以做好一篇好的课程设计，这对于我们来说是一次磨练，也是一次挑战。
总的来说，我们还是暗示完成了这次实习任务，虽然内容与格式和真正的课程设计相差甚远，但我们学会了怎样快速的找出文献的关键并合理的利用为自己的东西。并将书本的东西结合实践。良好的运用知识。
本次课程设计是在杨大伟老师的悉心指导和热情关怀下完成的，在这里向杨老师表示衷心的感激与诚挚的谢意。另外，在论文的完成过程中，周围许多同学也给我了很大的帮助，在这里也向他们表示感谢。
十、参考文献

[1] 宿迷菊. 中国茶饮料的发展与研究进程[J]茶叶科学技术, 2005,(01) .
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浸提装置

活性炭过滤器
蒸汽杀菌机
输送
喷码
封罐机
灌装机
洗罐机
高位储存罐
超高温瞬时灭菌器
缓冲罐
泵
均质机
双联过滤器
泵

紫外线灭菌器线
反渗透装置
软化器
泵
水源
图1 生产工艺设备流程图