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本科课程设计说明书
60
至诚学院
《年产0.83万吨果葡糖浆工厂设计》
课程设计说明书
学生姓名：
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指导教师：
年月日
前言
果葡糖浆简称FGS（FructoseandGlucoseSyrup），是一种新发展的淀粉糖品，因为糖分组成主要是果糖和葡萄糖，故称为果葡糖浆，工业上生产这种糖浆是用淀粉，经糖化生成葡萄糖，再经葡萄糖异构酶作用于葡萄糖溶液，使一部分葡萄糖发生异构化反应转变成果糖所以叫“异构”糖浆，也有的将42％和55％的糖浆叫做高果糖浆。
果葡糖浆的甜度与蔗糖相等，适于各种食品中应用的甜味剂，与甘蔗糖和甜菜糖比较，果葡糖浆具有很多优点，果萄糖浆具有溶解度高，发酵速度快，化学稳定性和热稳定性好、渗透压大、吸潮性和保湿性强等特点。
果葡糖浆生产可用任何种淀粉为原料，在任何地区几乎都有适当的原料生产淀粉，因此生产不受地区限制，淀粉来源充足，不受季节限制。
果葡糖浆的成本决定于建厂的具体条件，其成本低于蔗糖和甜菜糖，所以自从世界上工业化以来，不仅缺糖的国家大力发展这种糖浆，解决吃糖的问题，产糖的国家也大力发展。
工业上还生产90％的高果糖浆，其甜度比蔗糖大，主要用于低能量食品，可降低33—50％的能量，此外它还能保持焙烤食品中的水分，控制冷冻食品的硬度与冰品和果糖的质构等。
高果葡糖浆在过去10多年得到发展，成为美国、日本等国家的主要甜味剂之一，由于其价格低，质量好，稳定性高，并且其在许多应用上作用方式类似于蔗糖。
因此，用它来代替蔗糖。
目前，采用高级分馏、精制技术及新酶体系，能使果糖含量达到98％，甚至更高，微量的风味影响物质（如乙醛）将随着更高效的精制技术降低至更低，结晶果糖是高果糖浆的一个重要发展方向。
果糖是人类最早认识的自然界中最甜的一种糖，在蜂蜜中含量最为丰富，它的甜度约为蔗糖的1．2-1．8倍。
目前在全世界范围内，各国都大力发展果葡糖浆和结晶果糖的生产。
技术比较先进的国家有日本、美国、法国和德国。
我国目前已经工业化生产，但生产能力和产量均较小，有较广阔的发展市场。
生产技术：
工业上生产果葡糖浆采用淀粉糖化液为原料，经过双酶液化，糖化，变成葡萄溶液，经脱色、树脂处理制成糖化液。
采用固相异构酶进行异构化反应，得到果糖和葡萄糖的混合液，再经脱色，树脂处理，蒸发浓缩，得到42％的果葡糖浆。
再经进一步处理可以制成55％的高果葡糖
果葡糖浆应用广泛，不但在食品工业、保健食品上广为应用，医药工业、家庭调味品、日用化工等方面都有应用。
在所有应用中，食品工业是主要应用领域。
在应用品种比例结构上，美国是这样：
74.5%用于饮料；9.3%用于面包；4.2%用于罐头；8.2%用于奶制品；0.5%用于糖果；3.3%用于其他食品。
在国内目前的市场当中，正有越来越多的行业开始使用果糖产品。
从目前的发展趋势来看，国内主要的果葡糖浆消耗领域为饮料行业（包括果汁行业和茶饮料）、乳制品行业、罐头工业、糕点行业。
随着果葡糖浆需求不断增加，质量要求也不断提高，应用领域更加广泛。
作为食品饮料基料的新型食糖果葡糖浆越来越被人们认可和重视；
一、课程设计目的
课程设计是一门综合性、实践性很强的专业课。
其目的是培养学生具备工厂工艺设计的能力，扎实掌握基础理论、工程技能及专业理论和专业知识。
除了要求掌握具有计算、绘图、表达等基本功和专业理论、专业知识外，还应对工厂设计的工作程序、范围、设计方法、内容等等
通过课程设计进一步巩固专业知识,通过自己设计整个工艺流程及规划工厂,来运用所学的专业知识,不仅可以锻炼同学们的实践动手能力,也提高独立思考与学习的能力,也促进了同学们的合作能力;也使同学们获取市场信息的能力进步一提高了。
进而对工厂设计有了初步的了解，进一步提高同学们的学习兴趣。
这也是毕业设计的浓缩版，它要求我们应用大学所学，发挥创新能动性，设计比较有水准，和有创见的合理的工厂生产方法、布局等
二、课程设计题目和要求
题目：
为“年产0.83万吨果葡糖浆的工厂设计”
要求：
查阅文献，选择合适的工艺路线生产果葡萄糖浆。
要阐明选择工艺的理由，并进行工艺路线设计，求出相关的物料平衡、热量衡算、设备管道的选型及画出工厂设计，工艺流程、管道设备布置相关图纸。
三、课程设计报告内容总论
1、厂址选择
工厂的厂址位置必须符合国家工业布局，城市或地区的规划要求，尽可能选择成熟开发的工业区入驻，宜选在原料、公用工程供应和产品销售便利的地区，靠近水量充足的水质良好的水源地，有便利的交通运输条件，靠近热电供应地，节约用地，注意环保，避离低于洪水位等不能确保不受水淹的地段，有可靠的污水处理设施。
（1）场地条件：
场地的有效面积必须使工厂企业在满足生产工艺过程中货物运输和安全卫生要求的条件下，能够经济合理地布置场内外一切工程设施，根据现代化食品工厂从原料到精制、包装是一条流水作业线的特点，厂址选在城镇郊区比较好。
车间占地面积避开平面利用率低的三角、边角地带，以边长比1:
1.5的矩形场地比较经济合理。
（2）地形：
一般厂址宜选择地形较简单，平坦而又开阔的且便于地面水能够自然排出的地带，自然坡度最好为5/1000以下，不易受洪水或内涝威胁，地质条件应符合建筑工程要求，一般地面耐力不低于120～150kn/m2，地下水位最高在车间地面标高-2.5m以下。
还应避开易形成窝风的地带和大挖大填地带。
（3）水文：
要有充足的水源，并且其水质满足生产工艺要求。
一般要求厂址的相对标高在最高洪水水位的0.5m以上
（4）环境：
周围应清洁卫生，厂区应在居民的下风侧，河流的上流，远离有毒的工厂和有机废料、化学废料堆放处及疾病传染中心地点。
（5）运输：
工厂大规模使用果葡糖浆必须采用储罐储存、槽车运送、管道输送糖浆。
因为管道输送不但使生产环境更卫生，而且更符合人们的卫生要求，并能起到简化工序、提高生产效率、减少搅拌和降低成本的作用。
食品工厂的运输量一般较大，因此厂址附近要具有可靠的运输系统。
新建企业必须与城市规划相符。
（6）能源：
能源供应方便是选择厂址的重要原则之一，应对厂址的能源供应情况进行了解，以确定配电室、锅炉房等配套设施的具体方案。
（7）给排水：
食品工厂用水量较大，对水质也有较高要求，因此，厂址必须具有有效是供水水源或系统。
必须建立有效的废水、污水、雨水排放、处理系统。
2、车间平面布置
根据工厂建筑群的组成内容及使用功能要求,结合厂址条件及有关技术要求,协调研究建、构筑物及各项设施之间的相互空间和平面关系，正确处理建筑物、交通运输、管路管线、绿化区域等布置问题，充分利用地形，节约场地，使所建工厂形成布局合理、协调一致、生产井然有序，并与四周建筑群相互协调的有机群体。
该项目平面设计主要依据以下的原则：
（1）布置紧凑合理，因地制宜，节约用地，节省投资和留有发展的余地。
（2）符合生产流程的要求。
原料、半成品、成品的生产作业线段。
（3）应该将主要生产车间，大型生产车间布置在中心
（4）将人流、物流分开，管道运输分开，保证物流通畅，避免交叉污染
（5）遵从城市规划，国家有关的规划和规定。
满足食品工厂卫生及HACCP和GMP规范的要求。
本设计作为一家食品公司的一个车间，只对果葡糖浆项目所在的生产车间布局进行设计，其余的功能性建筑物的设计本设计不涉及。
3、生产建筑布局
根据生产果葡萄浆工业化的实际生产情况以及文献所查的要求，联系实际建设设备要求如下：
一般由生产车间，辅助车间，动力车间，仓库和堆场部分，三废治理部分，厂前区行政福利部分等组成。
生产部分包括：
生产车间:
液化间、糖化间、过滤间、产品检测化验间，包装车间等。
辅助动力部分包括：
水处理车间、空压机房、锅炉房、配电室、机修车间等由该公司统一提供。
原辅料仓库:
存放果葡糖浆生产所用的辅料及包装材料。
成品仓库：
存放果葡糖浆成品。
行政部分：
全厂性行政，后勤，生产指挥服务中心。
生活部分包括：
车间办公室、会议室、更衣室、休息室、浴室及厕所等。
废水废物处理部分：
工业生产后的污水处理。
4、生产方案
（1）设计规模：
糖化车间年产0.83万吨过葡糖浆，日产量27.67t
（2）设计方案及安全、经济、技术概况：
本车间生产过果葡糖浆，糖化使用全酶法，相对于其他酸解法安全系数更高而且更经济，对环境污染微乎其微。
主要采用的技术有：
调浆技术（将玉米淀粉加水调成淀粉乳）、液化技术及糖化技术（淀粉水解成葡萄糖的过程）、脱色、过滤、离子交换、浓缩等精制技术。
由于所需年产量不高，所需设备以及人力资源而定耗费就相对较低，故综合产量考虑，整个厂房的生产是比较经济的。
在厂房的每个车间都设有灭火栓，尤其是存放玉米淀粉的原料库，更是不允许有易燃物出现，此外还安装了报警器，一旦事故发生，全厂可以及时拯救及撤离。
对于洁净度要求较高的如过滤、浓缩车间，进入车间必须经过消毒处理，保证食品安全。
根据“满足劳动力平衡;满足产品产量的要求;原料综合利用的要求;设备生产能力要平衡;水、电、汽负荷要平衡”的要求，本设计的产品方案和技术指标具体如下：
1、.生产方法：
二次喷射糖化法、双酶糖化法、固定化异构酶酶法，真空冷却法。
2.、生厂日程:
每年生产300天，日生产27.67t，每天早、中、晚三班，每班生产9.22t，工人每次轮班8个小时。
大约需要10技术人员，30个工人左右。
3、原料规格：
工业玉米淀粉,水分14%，淀粉（干基）85.4%，蛋白质（干基）0.4%，脂肪（干基）0.1%，灰分（干基）0.1%。
4、产品规格：
F-42型果葡糖浆，果糖42%，葡萄糖53%，低聚糖5%，固形物（干基）70—75%。
5、添加剂：
硫酸盐灰分（干基）17±01%，DE5.2±0.1，pH5.2±01，色泽0.03±0.0，略清晰，色泽稳定性0.046±0.0，清晰略黄。
6、酶的指标：
耐高温的α-淀粉酶的活力20000u/g原料，用量8u/g
糖化酶的活力50000u/g原料，用量200u/g,异构酶活力标准>360igiu/g
（3）原料及成品质量标准与要求
表1工业玉米淀粉质量指标
项 目
指 标
优 级 品
一 级 品
二 级 品
气 味
具有玉米淀粉固有的特殊气味，无异味
外 观
白色或微带浅黄色阴影的粉末，具有光泽
表2工业玉米淀粉理化指标
项 目
指 标
优 级 品
一 级 品
二 级 品
水分（%,m/m）
≤14.0
细度（%,m/m）
≥99.8
≥99.5
≥99.0
斑点（个,/平方厘米）
≤0.4
≤1.2
≤2.0
酸度（中和100g绝干淀粉消耗0.1mol/L氢氧化钠溶液的毫升数
≤12.0
≤18.0
≤25.0
灰分（干基）（%,m/m）
≤0.10
≤0.15
≤0.20
蛋白质（干基）（%,m/m）
≤0.4
≤0.50
≤0.80
脂肪（干基）（%,m/m）
≤0.10
≤0.15
≤0.25
二氧化硫（%,m/m）
≤0.004
--
--
铁盐（Fe）（%,m/m）
≤0.002
--
--
表3果葡糖浆的产品标准（GB/T20882-2007）
项目
F42标准
感官
糖浆为无色或者淡蓝色，透明的粘稠液体。
甜度柔和，具有果葡糖浆特有的香味，无异味。
无正常视力可见的杂质
固形物（%）
F42≥71.0、F55≥77.0
果糖含量
F42≥42~44、F55≥55~57
葡萄糖+果糖（占干物质）/%
F42≥92、F55≥95
PH值
3.3-3.4
色度/RBU
≤50
透光度（%）
≥96.0
硫酸灰度（%）
≤0.05
砷（以As计）mg/kg
≤0.5
铅（以Pb计）mg/kg
≤0.5
细菌总数，个/100mg
≤1500
大肠菌群，个/100g
≤30
致病菌
不得检出
5、F-42型果葡糖浆工艺流程
（2）工艺条件
液化工艺各项指标测定
①斐林试剂法测定液化后的还原糖
②用阿贝折光仪测固形物的含量，斐林试剂法测还原糖算DE值
③721分光光度计640nm状态下测定透光率。
④.5%的碘液、70%酒精及75%的酒精测定糊精含量
⑤采用高压液相色谱仪分析糖组分
⑥黏度仪液化后糊精的粘度，粘度是糊精的重要指标
本次项目工艺设计所具有的特点：
1、采取特殊的二次喷射液化系统，高温下α-淀粉酶液化更加彻底、蛋白絮凝效果好，不产生不溶性淀粉酶颗粒，不发生老化现象，提高糖收率，糖化液的过滤性能好，安全性好。
2、采用低压蒸汽喷射液化，采用HYW型喷射器，对蒸汽压要求低0.4Mpa，该型号的喷射器无振动、无噪音，改善了操作环境，同时加热均与，节省了蒸汽。
3、通过设计流程的改善进步一步可共线生产葡萄糖浆、低聚果糖浆等多种产品。
充分利用了设备与原材料。
6、生产操作流程
（1）调浆
工业玉米淀粉加水（1:
2）调成浓度至30%~32%的淀粉浆，用5%的Na2CO3将玉米淀粉浆pH调至α-淀粉酶作用最适酸碱值pH4.0~4.5。
调节最适作用温度至60-62℃。
（2）液化
特点：
①高温喷射，低温维持，高温喷射可以使淀粉颗粒较好地膨化，糊化，但维持时间不宜过长，否则酶易失活。
低温维持可以选择酶的最大活力与酶活时间较长的温度，（95~97℃）这样可以节约用酶，提高糖液质量。
②带搅拌层流液化；带搅拌的层流罐内有挡板和搅拌叶，挡板能保证料液先进先出；搅拌能充分打散料液，避免结团、结块，促进酶与淀粉颗粒作用；可以有效地防止局部液化过头。
液化是将淀粉糊化，水解成较小的分子，其作是降低加热糊化后的淀粉糊的粘稠度。
耐高温的α-淀粉酶的用量是由所用酶制剂酶的活力单位确定的,每克绝对干淀粉用量为8单位,采用二次加酶喷射法：
入口的pH6.0温度50℃，一次用酶量0.03%~0.05%（固形物）粉浆溅人喷射器瞬时升温至110℃，管道液化反应10~15min，料液输送至液化维持管管，温度降为102℃。
然后料液在闪蒸分离器的作用下，温度降到95℃。
再经过真空冷却系统将料液冷却到60℃。
（3）糖化
将液化液温度降至60℃~62℃,用稀盐酸或稀硫酸调节pH至4.6左右,,加入糖化酶200u/g，间隙搅拌，至DE值达到95％,糖化完成。
升温至100℃~150℃进行灭酶。
（4）脱色
经糖化后的糖由于色素、蛋白质和无机杂质的存在,致使糖液带色和浑浊,而这些混杂物各有不同的等电点,可通过调节pH的方法使部分杂质沉淀,能被色素物质加入的糖用活性所吸收,再经过滤能使糖液变清澈,糖用活性碳的用量,按干物质计,为1%~1.5%,用5%的Na2CO3溶液调节pH至4.7~5.0,加热至80℃~90℃,保温脱色30分钟,而后用框板压滤机过滤,用稀HCl或稀H2SO4调节pH至4.0~4.2。
（5）离子交换
在生产过程中为了激活酶的活力和除去色素、蛋白质以及无机盐等,按不同操作过程随时须加碳酸盐、氯化物、硫酸或盐酸,以供给无机盐和调节pH,与此同时也增加了糖液中金属阳离子和氯根、硫酸根等阴离子的含量。
这不仅会降低异构酶的活力也会影响成品的色泽与品质。
离子交换按阳→阴→阳→阴进行,交换时,阳树脂（732）pH由2上升到4为交换终点;阴树脂（701）pH由7降到4为交换终点。
交换时糖液由上向下流经离子交换树脂柱,糖液流速每小时约为3~4离子交换树脂体积,温度控制在40℃~50℃之间。
离子交换树脂柱用后,阳树脂（732）可用5%HCl,阴树脂（701）可用4%NaOH处理,使树脂再生后,可继续使用。
（6）浓缩
经脱色和离子交换后的糖液为30%的较纯净的葡萄糖液,浓缩至78%即为葡萄糖浆。
如浓缩至45%,经异构酶的异构化作用,再经脱色和离子交换,将所得45%左右浓度的果葡糖浆进行第二次浓缩至71%~72%即为果葡糖浆。
加热浓缩时的蒸汽压力为2kg/m2,浓缩锅内的真空度控制为泵柱高600mm,真空浓缩锅内的浓缩温度为60℃~65℃。
（7）固定连续异构化
采用丹麦固定化异构酶（SweetzymeT）它能催化D-葡萄糖和D-果糖间的异构化反应，将其加入浓度为35%~45%的糖液中，在异构酶的作用下,使葡萄糖液中的部分葡萄糖转变为果糖。
异构前为了使糖液中影响异构酶活力的钙离子浓度下降至1ppm以下,须加硫酸镁,使糖液中的镁离子浓度达50ppm~100ppm,调节入口pH至7.5~7.8,升温至55℃~60℃,糖液引入异构柱进行连续异构化。
糖液引入异构柱的流量,按异构后糖液中果糖的含量若低于42%，则须减小流量,如异构酶低于原活力的10%，则需要重新换酶。
（8）二次脱色、二次离子交换、再浓缩
异构化反应后，所得糖液含有色物质，并在贮存期间能产生颜色及灰分等杂质，所以，需二次脱色。
将糖液送入脱色桶，加入定量新鲜活性炭，操作与第一次脱色相同。
二次树脂交换：
经二次脱色的糖液需再进行一次树脂交换，方法同前。
最后流出的糖液pH值较高，可用盐酸调节pH值至4.0~4.5。
精制的糖液经真空蒸发罐浓缩到需要的浓度，即得果葡糖浆。
由于葡萄糖易于结晶，为了防止糖浆在贮存期间出现结晶析出，不能让糖液蒸发到过高浓度，一般要求在 70%~75%（干物质浓度）之间。
其中果糖含量42%,葡萄糖53%。
7、工艺计算
表4果葡糖浆生产各阶段损失率
序号
项目名称
生产过程
百分比（％）
备注
1
糖化损失
糖化
1
2
蒸煮损失
液化
1
3
过滤损失
过滤
1
前后两次
4
脱色损失
脱色
0.5
前后两次
5
离子交换损失
去离子
0.5
前后两次
6
异构化损失
异构化
1
7
浓缩损失
浓缩
0
前后两次
8
总计损失
6
一、1000kg淀粉生产果葡糖浆的物料衡算
1000kg淀粉，实际淀粉含量86%，即实际淀粉1000×86%=860kg
（1）调浆不损失1：
2配比
（2）液化损失1%860×（1-1%）=851.4kg
（3）糖化损失1%（C6H12O6）n+nH2OnC6H12O6
16218180
增加851.4/（162/180）=946kg
损失1%946×1%=9.46kg
净增加946-9.46=936.54kg
（4）脱色损失0.5%936.54×（1-0.5%）=931.86kg
（5）过滤损失1%931.86×（1-1%）=922.54kg
（6）离子交换损失0.5%922.54×（1-0.5%）=917.93kg
（7）浓缩不损失
（8）异构化损失1%917.93×（1-1%）=908.75kg
（9）脱色损失0.5%908.5×（1-0.5%）=904.21kg
（10）过滤损失1%904.21×（1-1%）=895.17kg
（11）离子交换损失0.5%895.17×（1-0.5%）=890.69kg
（12）果葡糖浆含71%的果葡糖其中又含92%干物质
总果葡糖浆的量890.69/0.71/0.92=1363.58kg
二、蒸煮醪量的计算
水加入量860×2=1720kg
（1）调浆不损失
粉浆量为2580kg
干物质量w0=86%的原来淀粉的比热容为：
C0=4.18×（1-0.7w0）=1.6636kJ/（kg.k）
粉浆干物质含量w1=86/（3×600）=28.67%
蒸煮醪比热容为C1=w1C0+（1-w1）
=28.67%×1.6636+（1-28.67%）×4.18
=3.46kJ/（kg.k）
①a-淀粉酶用量应用酶活力20000u/g的a-高温淀粉酶使淀粉液化，a-高温淀粉酶用量8mg原料计算用酶量为：
（860×8×1000）/20000=344g=0.344kg
②糖化酶用量用酶活50000u/g使用量200u/g原料，则糖化酶用量为：
（851.4×200×1000）/50000=3405.6g=3.41kg
③CaCl2用量Ca2+用于促进a-淀粉酶；a-淀粉酶的分子量为50000
（0.344×111）/50000=7.64×10（-4）kg
④异构酶用量，每kg国定化酶异构20t果葡糖浆
917.93/（20×1000）=0.46g
蒸煮醪总质量为m0=m粉浆+ma-淀粉酶+mCaCl2
=（1000+2000）×0.86+7.64×10（-4）+0.344
=2580.34kg
①经喷射液化器加热后蒸煮醪量为：
2580.34+[2580.34×3.46×（105-103）]/（2478.9-105×4.18）=2792.91kg
式中2580.34—生产过程中各原辅料总重量（kg）
2478.9—喷射液化器加热蒸汽（0.5MPa）的焓（kJ/kg）
②经液化维持罐出来的蒸汽醪量为：
2792.91-[2792.91×3.46×（105-102）]/2253=2780.04kg
式中2253—102℃（经液化维持管后的温度）下饱和蒸汽的汽化潜热（kJ/K）
③经汽液分离器后的蒸煮醪量为：
2780.04-[2780.04×3.46×（102-95）]/2271=2750.39kg
式中2271—95℃（汽液分离后的温度）下饱和蒸汽的汽化潜热（kJ/K）
④经真空冷却器后最终蒸煮醪液量为：
2750.39-[2750.39×3.46×（95-63）]/2351=2620.86kg
式中2355.1—60℃（真空冷却后的温度）下的饱和蒸汽的汽化潜热（kg/K）
（1）液化后质量损失1%2620.86×0.99=2594.6514kg
（2）糖化质量损失1%（2594.6514+3.41）×0.99=2572.081kg
（3）脱色质量损失0.5%2572.081×0.995=2559.220kg
（4）过滤质量损失1%2559.220×0.99=2529.933kg
（5）离子交换质量损失0.5%2529.933×0.995=2517.283kg
（6）浓缩质量（至50%）917.93×2=1835.860kg
（7）异构化质量损失1%（1835.860+0.046）×0.99=1817.501kg
（8）脱色质量损失0.5%1817.501×0.995=1808.460kg
（9）过滤质量损失1%1808.460×0.99=1790.330kg
（10）离子交换质量损失0.5%1790.330×0.995=1781.318kg
（11）浓缩质量（至71%）890.69/0.71=1254.49kg
（12）果葡糖浆量1254.49/0.92=1363.58kg
三、F-42型玉米果葡糖浆生产的热量衡算
根据生产实践,淀粉原料连续蒸煮的粉料加水比为1:
2，粉浆量为:
52.347t，液化耗热量Q
Q=Q1+Q2+Q3
（1）液化罐内淀粉醪由初温t0加热至105℃耗热Q1
Q1=G0C1（105-t0）
淀粉醪的初温设为原料的初温为18℃，而热水为50℃，则
t0=（G0C1×18+G水Cw×50）/G1C1
=（17.449×
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