年产4000吨苹果醋生产车间设计上课讲义.docx
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年产4000吨苹果醋生产车间设计上课讲义
年产4000吨苹果醋生产车间设计
本科毕业设计
题 目年产4000吨苹果醋生产车间设计
学生姓名 XXx
专业名称 化学工程与工艺
指导教师 XXXX
2015年4月22日
年产4000吨苹果醋生产车间设计
摘要:
本设计的主要内容是年产4000吨苹果醋的车间设计。
本着用最少的资源创造最大经济效益的原则,兼顾环境效益、投资成本等方面,从原料来源、生产技术、销售渠道等条件出发,对4000吨苹果醋进行车间平面、立体设计,其中具体包括厂址选择、生产工艺、设备选型、设备布置、物料衡算、生活设施等方面。
联系生活实际和目前市场状况,对方案进行合理安排。
关键词:
苹果醋;生产工艺;平面设计;立体设计;设备选型;物料衡算
ADesignofanannualoutputof4000tonsofapplecidervinegarfactory
Abstract:
Themaincontentintroducesadesignofanannualoutputof4000tonsofapplecidervinegarfactory.Followingtheprincipleofwiththeleastamountofresourcestocreatthebiggesteconomicbenefitsandconcerningtheenvironmentalbenefits,capitalizedcostandotheraspects,for4000tonsofapplecidervinegar,wecarryoutthedesignoftheplaneandthree-dimensionalworkshopstartingfromtheconditiontherawmaterialsource,productiontechnology,saleschannelandothers.Somespecificstepsincludeproductionsiteselection,productionprocess,equipmentselection,equipmentarrangement,materialbalance,livingfacilitiesandsoon.Weshouldhaveaknowledgeoftheactuallifeandmarketconditionssothatthisdesigncangetreasonablearrangement.
Keywords:
Applecidervinegar;Productionprocess;Planedesign;Three-dimensionaldesign;Equipmentselection;Materialselection.
1绪论
1.1苹果醋的简介
1.1.1苹果醋的价值
苹果一直来有“智慧果”、“记忆果”的简称,人们很早以前就发现,多吃苹果有加强记忆、提高智能的效果。
苹果含有丰富的糖、维生素、矿物质等大脑必须的营养素,其中最重要的是含有锌元素,我们都知道锌是人成长过程中促进生长发育的必须元素,缺少锌多的话可能会使儿童的记忆能力和学习能力直接受到严重阻碍。
在日常生活中,多吃苹果有很大的益处,苹果成分中含有丰富的无机盐,其中钾盐、镁盐对心血管具有保护作用[1]。
近几年,随着科技的进步,苹果种植管理技术大大提升,再加上我国苹果本身种植面积广、种类多,产量比起以往年年大丰收。
水果除了国内出售和出口以外,剩余量、田间腐烂率还是很高,为了提高利用率、最大限度的变废为宝,许多产区将剩余苹果进行储存加工,发酵加工制成苹果醋,很大程度上提升了经济效益和社会效益。
食醋是我们日常生活中的基本酸性调味品,主要由大米、高粱、玉米等粮食作物制成,现在以水果代替粮食来酿醋,不仅充分利用了水果资源而且也大量节约了粮食资源。
水果醋在传统酸性醋的基础上又增添了独具一格的风味、营养、口感,而且果醋将苹果中的矿物质、氨基酸等营养成分在很好的保留了下来,对人体健康有利。
因此苹果醋是一种集营养、保健、食疗等功能为一体的新型饮品。
1.1.2苹果醋的国外市场需求
人类生产、食用果醋已有7000多年的悠久历史,比粮食醋早3800多年,10世纪时苹果醋在法国已相当盛行,17世纪以后欧洲各国结合各自的物产和饮食习惯生产出不同品种的果醋[2]。
后来随着人们对果醋的不断深入了解,各类果醋产品更是层出不穷。
现在发达国家的果醋市场已相当成熟,不仅规模大发展也快,果醋作为一种营养保健型产品,深得广大消费者的亲睐与喜爱。
在日本70年代末就将果醋纳入国家标准,并于80年代末掀起一股保健醋热潮[2]。
日本货架上陈列着各种各样的果醋,不是作为调味品,更多则是日本女孩子日常生活中的美容、保健产品。
1.1.3国内苹果醋市场的发展现状
在中国,苹果醋作为商品始于二十世纪九十年代末,随着经济的发展,人们对生活品质的要求越来越高,消费观念也在不断转变,苹果醋作为一种新型饮料呈现出一种蓬勃向上的发展势头。
苹果醋因其原料丰富、营养丰富、功能卓越,越来越被人们认可和接受,因此被誉为是继碳酸饮料、饮用水果汁和茶饮料之后的“第四代黄金”饮品[3]。
近些年我国癌症死亡率明显上升,这也唤起了人们对养生之道的重视,不论电视还是报纸、杂志都在大大宣传尽量食用无添加、无污染的农家绿色产品,这样也正好迎合了苹果醋市场的发展,吸引了大批消费者,从而不断扩大其规模产业。
1.2本课题研究的意义
苹果醋加工方法可以归纳为鲜果浸泡制醋、果汁制醋、鲜果制醋、果酒制醋。
本课题主要采用鲜果浸泡制醋,是将鲜果浸泡在一定浓度酒精溶液或食醋溶液后,再进行醋酸发酵,这样酿造不仅酸度高而且工艺简洁果,而且发酵中微生物将水果中原本具有的丰富的有机酸、氨基酸、维生素以及矿物质等营养物质导入到果醋中,使其很好的保留了下来,和鲜活水果的功效差不多。
苹果醋作为果汁的一种新开发产品,既消解了原醋的生醋味,还带有果汁的甜香,酸中有甜,甜中带酸,喝起来非常爽口。
苹果醋中含有果胶、维他命、矿物质及酵素,苹果醋含有酸性成分具有杀菌功效,有助排除关节、血管及器官毒素。
果胶能帮助排泄、磷遏止制腐细菌的生长、钾能滋润细胞及平衡钠含量[4]。
同时苹果醋中含有的抗氧化物质可以抑制人体中过氧化物的形成,缓解细胞衰老,有很好的抗衰老作用。
1.3本课题的研究内容
本次毕业课题的内容是年产4000吨苹果醋的车间设计,设计内容包括:
产址的选择、工艺设计、物料衡算、设备选型、车间尺寸规划、辅助设施等。
1.4设计原则
本设计根据项目的特点,综合考虑了资源的合理利用与绿色环保要求,以降低损耗、提高设备机械生产能力,求得最大经济效益为标准。
设计根据目前市场状况,对产品的包装力求创新,运输环节力求简单易操作,利用最佳的原料、最先进的工艺、最严格的措施生产出世界上最优质的产品。
2厂址选择
2.1厂址选择
本苹果醋产位于陕西省延安市洛川县西南角,洛川苹洛川是世界上公认的苹果最佳优生区,宝地出宝果,由于果型端正、口感香甜,色泽鲜艳,洛川苹果受到了国内外的亲睐,洛川苹果还曾经获得省部级以上的170项大奖,被第11届亚运会和第22届大运会作为指定水果,作为人民大会堂的专供苹果[5]。
将产址选在洛川县,首先解决了原料问题,更重要的是产址西延铁路沿洛河川北上,210国道穿境而过,洛韩公路横贯东西,地理位置优越,交通四通八达,为成品运输提供了良好的便利条件。
该产地势较高,可防洪防灾,而且位于偏远郊区,周围树木居多,工厂较少,没有各种污染性的源头,水、电供应也很充足。
该产生产的苹果醋饮料销往延安市区及洛川县各中小城市,另外利用交通便利的优势销往全国各地大小城市。
2.2厂址的环境条件
表2.1环境条件参数
环境条件
参数
参数值
气温
年平均气温
9.2℃
极端最高温度
38℃
最热月平均气温
21.6℃
极端最低温度
-23℃
最冷月平均气温
-4.6℃
湿度
年平均相对湿度
60%
夏季相对湿度
64%
冬季相对湿度
53%
大气压
年平均气压
885.4mmHg
最热月平均气压
878.5mmHg
最冷月平均气压
892.3mmHg
风
瞬时风速
(地面以上10米)19m/s
年平均风速
3m/s
夏、秋季主导风向
东南向
冬、春季主导风向
西北向
降雨量
年平均降雨量
615.4mm
月平均最大降雨量
115.7mm
月平均最小降雨量
4.7mm
最长连续降雨
156.1mm
最长连续降雨天数
66天
3工艺设计
3.1生产工艺流程的选择
3.1.1生产工艺流程选择的原则
(1)秉承技术上的先进性和经济上的合理可行,尽量选择物料损耗小、循环量少、能量消耗小、回收利用好的生产方法。
(2)依靠技术的成熟性进行投产,同时考虑项目的可持续性原则。
(3)结合企业与当地情况,选用与建设规模、产品方案以及工产员工素质、管理水平相适应的设备,同时也要与当地环境要求相适应。
(4)严格按照食品市场监督制度的要求制定工艺流程。
3.1.2生产工艺的确定
因本设计选址在陕西延安洛川,洛川所在的区域属渭北黄土高原丘陵沟壑区,暖温带半湿润性大陆性季风气候,土层深厚,土质优良,四季分明,光照充足,环境优良,昼夜温差大,延安的气象条件完全符合世界优质苹果生产的全部七项指标,是世界公认的苹果最佳优生区[5],因此洛川有很多农副产品加工工厂。
苹果生产和季节有一定关系,7、8、9月是苹果的主要生长、成熟区,降水量丰富,出产量大,但其它月份为了让苹果保鲜投入较高,不适合工业生产,而将苹果加工再经过发酵成为苹果醋,花费低很多,因此该设计是采用浓缩苹果汁作为发酵原料的果醋发酵工艺。
3.1.3生产工艺流程图
图1苹果醋生产工艺流程图
3.2生产时间安排及班产量确定
3.2.1产品生产时间安排
从产品方案设计的合理性、简洁性、经济性原则出发,从工厂的实际情况出发,综合考虑产品产量、人员分配、资金投入、利用率等情况,确定生产分为4班次,每天运转3班次,每班工作8小时。
3.2.2班产量确定
年产量:
4000t;
每小时生产量:
0.55t;
生产天数:
300天;
日产量:
约13.3t;
班产量:
3个班平均每天生产约4.4吨.
3.3材料与仪器设备
3.3.1主要原料
菌种:
活性醋酸菌、活性干酵母,特点是繁殖力强,耐高温,抑制发酵过程中杂菌的生长。
原辅料:
优质苹果榨成的浓缩鲜苹果汁、维生素C、白砂糖、蜂蜜、苹果香精、葡萄糖、酒精、果胶酶、维生素B、纯净水。
3.3.2主要仪器
分析天平、显微镜、灭菌锅、台秤、保温箱、蒸馏装置、发酵罐、酒精比重计、均质机。
3.4工艺要点
3.4.1调整糖度
根据发酵时生成酸度要求调整糖度,将蔗糖溶液生成的糖浆煮沸杀菌后加入苹果浆中,苹果中的总糖含量一般在120g/L左右,能发酵7%v/v左右的酒,若要发酵酒精度更高的苹果酒就要添加更多的糖。
工业上常用98.0%~99.5%的结晶白砂糖来调整苹果汁的糖分[6]。
3.4.2杀菌、冷却
用板式热交换器把经过调配的的原料加热到60-70℃,目的是杀死原料中的杂菌,再进行冷却,最后温度保持为25℃。
3.4.3酒精发酵
将苹果汁接种后放入到一定温度条件下进行酒精发酵,3天后发酵基本完成,静置澄清后调整酒精度,进入醋酸发酵。
酒精发酵分为以下三个时期:
发酵前期:
前发酵期中将活化酵母接入发酵醪中,酵母菌主要进行有氧呼吸,前发酵期时间的长短主要取决于接种量的大小,当接种量越大,前发酵期就会越短,整个前发酵期的温度应该保持在低于30℃的范围内[7],发酵持续时间一般大约为10小时左右。
前发酵期,应特别注意污染杂菌的感染,因为此时期杂菌易抑制较少的酵母数量,故应加强卫生管理。
发酵中期:
此时已形成大量酵母数量,发酵醪中基本没有氧气剩余,酵母菌停止繁殖主要开始进行酒精发酵,这时酵母菌就从有氧呼吸转入厌氧呼吸,酒精发酵主发酵期开始。
这时发酵醪中的糖分含量下降明显,酒精含量随之上升[7]。
后发酵期:
后发酵阶段,醪液中的糖分大部分已被酵母菌消耗掉,酒精含量过高,抑制了酵母菌生长。
发酵作用减弱,发酵醪的温度下降,此时醪液温度应控制在30-32℃左右。
3.4.4醋酸发酵
乙醇在醋酸菌作用下氧化成乙酸,这个过程称为醋酸发酵,是食醋生产主要环节。
乙醇氧化过程可分为两个阶段,首先乙醇在乙酸脱氢酶的催化下氧化生成乙醛,然后乙醛再吸水形成乙醛水合物,然后在乙醛脱氢酶作用下氧化生成乙酸[8]。
发酵前期为菌种适应期,生长慢,对氧需求量少,故通风量要少。
发酵中期醋酸菌活性上升,有大量菌种繁殖,呼吸作用加强需要大量氧,故应加大通风量。
发酵后期随着醋酸菌大量繁殖,氧化酶含量大大提升,催化乙醇有氧反应生成乙酸。
3.4.5调配
过滤后得到的发酵液为苹果原醋,还具有一定酸度,为了保持苹果醋在风味上香甜可口、口感爽,通过实验确定,其最佳饮料配方为(以100ml饮料计):
7g,蔗糖7g,苹果醋6ml,香精2ml[9]。
其余加纯净水补充,充分混匀各种配料。
3.4.6罐装
将调配好的混合液预热杀菌,再进行超高温杀菌,冷却后,进行加盖,密封,罐装。
在这过程中要防止受到外来细菌的污染,做好瓶盖的消毒处理。
3.4.7冷却
灌装后的产品要淋水冷却至室温,等到完全干燥后,贴上标签。
3.4.8灯检
产品最后在放入包装箱前要进行灯检,确保饮料中不含多余杂质。
3.4.9陈酿
刚制出来的苹果醋喝起来并不是那么地口感舒适,一般还要经过陈酿这一工序,在陈酿过程中,氧化加强,乙醇大部分转化为乙醛,芳香物质增多,色、香、味上都有了不同程度的提升,这才是真正意义上的风味饮料,陈酿一般时间为1-2个月。
3.5产品质量标准
3.5.1感官指标
表3.1感官指标[10]
项目
指标
色泽
浅黄色
滋味
具有苹果醋饮料应有的滋味
组织及形态
汁液呈透明状,并有纤维均匀分布长时间放置允许有少量杂志沉淀
香气
具有苹果香味,香气协调浓郁
杂质
无肉眼可见的外来杂质
3.5.2理化指标
表3.2理化指标
项目
指标
醋酸含量(以醋酸计)
≥4.0g/100mL
乙醇含量(体积)
≤0.5﹪
铜
≤5.0mg/kg
铁
≤l0.0mg/kg
重金属
≤1.0mg/kg
3.5.3微生物指标
菌洛总数≤100cfu/ml,大肠菌群≤6MPN/100ml,致病菌不得检出[10]。
3.6讨论
3.6.1温度对发酵的影响
在一定温度范围内随着温度的升高,发酵速度加快,30℃的产酸率最高,8天后醋酸浓度达到最大(4.62%),但当温度达到35℃时,发酵速度反而降低,发酵10天的醋酸浓度仅为3.02%。
结果表面,最适宜的发酵温度为30℃[11],高于这个值或低于这个值都不利于发酵,温度偏高,酵母菌和醋酸菌老化速度加快,酶活性会降低;温度偏低,酵母菌和醋酸菌会保持静止状态,生长缓慢,不能体现出酶活性。
3.6.2不同接种量对发酵的影响
接种量对发酵有着重要的影响,相同浓度的发酵液在30℃条件下,当接种量有5%增至10%时,发酵8天后,醋酸浓度有3.02%增至4.36%[11],10%时接种量和15%时差不多,所以接种量选择为10%比较合适。
3.6.3糖度堆发酵的影响
糖是细菌增长和繁殖的必要条件,在温度为30℃,接种量为15%时,发酵原料中糖含量与得到的果醋醋酸含量成正比,但当糖浓度达到15%时就不再增长,此时醋酸含量抑制了发酵的继续,故糖浓度最适宜为15%。
3.7物料衡算
根据苹果醋生产工艺流程图,计算出理论上年产4000吨苹果醋要用的原材料、动力消耗、燃料等指标来指导生产。
3.7.1衡算原理
G=Gp+Gd
G:
引入系统的物料重量。
Gp:
得到产品的重量。
Gd:
损失物料的重量。
3.7.2计算准则
根据质量守恒,对单位时间处理的物料量建立平衡。
3.7.3苹果醋生产指标和数据
表3.3苹果醋生产指标和基础数据
项目
名称
百分比%
备注
定额指标
浓缩果汁总糖含量
70
发酵液总糖含量
10
酵母接种量
0.2
醋酸菌接种量
15
发酵罐有效容积
70
损失率
发酵损失
6
管路损失
1
过滤损失
2
灌装损失
2
检验及其他操作损失
4
空瓶损失
1
胶帽损失
0.5
瓶盖损失
1
标签损失
0.5
总损失率
发酵液总损失
15
3.7.4100kg浓缩苹果汁需要苹果醋的物料衡算
表3.4100kg浓缩苹果汁需要的苹果醋物料衡算
项目
物料量
计算值
发酵液计算
浓缩苹果汁
100kg
纯净水
100×70%÷10%-100=600kg
待发酵的果汁量
100+600=700kg
加入的酵母菌悬液
700×0.2%=1.4kg
酒精发酵液总量
700+1.4=701.4kg
加入的醋酸菌培养液
701.4×15%=105.2kg
醋酸发酵液总量
701.4+105.21=806.6kg
发酵过程损失
806.6×6%=48.4kg
过滤及管路损失
(806.6-48.4)×(1+2)%=22.7kg
调配罐中液体总量
806.6-48.4-22.7=735.5kg
调配液计算
调配液量
(0.1×7%+0.1×7%+0.002+0.006)÷0.1×735.5=161.81kg
成品醋计算
成品醋量
735.7+161.81-(735.7+161.81)×3%×2=843.66kg
3.7.5生产1吨苹果醋所需原料衡算
表3.51吨苹果汁所需苹果醋物料衡算
物料量及损失
计算值
浓缩苹果汁用量
100×1000÷843.66=118.5kg
纯净水用量
1000×600÷843.66=711.2kg
酵母培养液用量
(118.5+711.2)×0.2%=1.7kg
醋酸发酵液
118.5+711.2+1.7+124.5=955.9kg
发酵损失
955.9×6%=57.4kg
管路及过滤损失
(955.9-57.4)×3%=27.0kg
调配罐中液体总量
955.9-57.4-27.0=871.5kg
调配液量
(0.1×7%+0.1×7%+0.002+0.006)÷0.1×871.5=191.7kg
醋酸菌培养液用量
(118.5+711.2)×15%=124.5kg
3.7.6生产4000吨苹果醋所需原料的计算
浓缩苹果汁用量:
118.5×4000÷1000=474.0t
纯净水用量:
711.2×4000÷1000=2844.8t
酵母培养液用量:
1.7×4000÷1000=6.8t
醋酸菌培养液用量:
124.5×4000÷1000=498.0t
调配液用量:
191.7×4000÷1000=766.8t
3.7.7生产能力计算
工作日:
300天
生产周期:
6天
一个周期的生产能力:
4000÷(300÷6)=80t
每天生产能力:
4000÷300=13.33t
浓缩苹果汁用料量:
13.33×118.5=1579.61kg
纯净水需要量:
13.33×711.2=9480.3kg
酵母培养液用料量:
13.33×1.7=22.661kg
醋酸菌培养液用料量:
13.33×124.5=1659.585kg
调配液用料量:
13.33×191.7=2555.4kg
3.7.8生产1吨苹果醋消耗的原料和包装材料的定额
表3.5苹果醋生产指标和基础数据
项目
名称
百分比%
备注
定额指标
浓缩果汁总糖含量
70
发酵液总糖含量
10
酵母接种量
0.2
醋酸菌接种量
15
发酵罐有效容积
70
损失率
发酵损失
6
管路损失
1
过滤损失
2
灌装损失
3
检验及其他操作损失
3
空瓶损失
1
胶帽损失
0.5
瓶盖损失
1
标签损失
0.5
总损失率
发酵液总损失
15
3.8设备生产能力的计算与选型
3.8.1工厂设备选择原则
设备的选择和计算是根据设计工程中提出的各作业处理物料量和相应的产品质量、并考虑到物料的机械物理性质、设备性能和制造质量、建厂设备水平及自动化程度来确定考虑的,一般要遵循以下原则[12]:
(1)与生产能力相匹配的原则。
(2)利于加工设备在生产线上相互配套的原则。
(3)设备的先进性、经济性原则。
(4)工作可靠性原则。
(5)利于产品改型及扩大生产规模的原则。
3.8.2发酵车间的设备选型与论证
在工艺计算的基础上确定车间内发酵设备的型号、台数以及基本尺寸,在这基础上进行车间布置设计。
(1)调配罐选型
浓缩苹果汁在发酵前需要进行调配,本设计日生产量为13.33吨,需要浓缩苹果汁1579.61kg,因此选用2个容积10m3的调配罐比较合适也方便以后扩大生产。
本设备带有搅拌功能,适用于果汁的加热、冷却、保温、杀菌、贮存、具有节能,消声耐震,节能等特点,带搅拌功能[13]。
表3.6调配罐的主要技术参数
容积m3
重量kg
加热面积m2
电机功率kw
外形尺寸mm
10
1650
11
2.2
1800×4200
(2)酒精发酵罐选
所选用的发酵罐广泛用于食品等行业,进行各类发酵操作,一般内胆采用耐腐蚀、耐酸、耐碱的材料,罐外选择不锈钢制造的,配备有利于清洗的清洗头,而且双速搅拌的工艺特点更符合发酵工艺要求。
①发酵罐容积和数量
每天的生产约为13.33吨,需要稀释的苹果汁大约为1579.61kg,纯净水量为9480.3kg,酵母菌培养液为22.661kg.
酒精发酵的液料量为:
1579.61+9480.3+22.661=11082.571kg
混合液密度为p=1000kg/m³,罐装系数为0.8。
则发酵罐每天总容量为:
11082.571÷1000÷0.8=13.85m³
本设计根据发酵罐的各个参数,选择容积10m³的发酵罐发酵,则每天需要发酵罐个数为:
13.85÷10=1.385≈2个
表3.7酒精发酵罐的主要技术参数
公称容积(m3)
内筒体直径(dg)
换热面积(m2)
搅拌轴转速(r.p.m)
搅拌轴功率(kw)
10
1800
14
160-120
17-22
酒精发酵的周期一般为3天,考虑放罐洗罐等时间,周期为4天
可知:
总罐数=2×96÷24+1=9个(其中一个备用)
则需要容积为10m³的酒精发酵罐9个。
②发酵罐主要尺寸的确定
V全=V筒+2V封=10m³
公称容积可近似为圆柱体的容积,设H0=2.5D,则
V全=(π/4)D2H03-1
10