产吨浓缩苹果汁的工厂设计.docx
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产吨浓缩苹果汁的工厂设计
2工艺流程及论证
2.1工艺流程
果渣
果渣
果胶酶
淀粉酶
浊汁浊汁
果胶酶
淀粉酶
浊汁浊汁
图2-1浓缩苹果汁工艺流程图
对工艺流程进行分析，分解各个步骤，流程如下：
原料果验收→清洗拣选→破碎→压榨→粗滤→第一次巴氏杀菌→冷却→酶解→澄清→超滤→脱色→浓缩→混合→第二次巴氏杀菌→包装材料验收→无菌灌装→冷藏→成品。
2.2工艺流程解说
（1）苹果主要从当地收集，应为新鲜的苹果，以免水分蒸发太多、影响原料利用率。
（2）运输不当往往会造成很大的损失，因此苹果的运输也是一个很重要的环节。
运输时必须注意保持原料完整性，防止震荡、细菌侵入等造成原料浪费。
尽量缩短中途停留时间，提高运输效率，以免苹果变质。
每年4月、6月、7月份由采供部负责分三次对原料产地进行普查，确定安全收购区域。
4月份采土样，6月份、7月份采苹果样由化验室进行检验农药残留及重金属，根据供货数量以及化验室检验结果评定合格供应商。
原料供应商应具备“农药残留普查合格证明”，在原料果进厂时，检查每车原料果的“农药残留普查合格证明”，对无此证明的苹果拒收，并做记录。
苹果质检部按照HS/ISOC-GL-106-2002《苹果收购程序》和HS/ISOC-GL-102-2002《苹果质检办法》对苹果进行检验、将检验合格的苹果收入果槽，不合格的苹果拒收。
无菌袋、液袋或罐箱及酶制剂等辅料进厂后，采供部及时委托技术质检部进行检验，检验合格后允许入库。
包装材料常温贮存，使用时依照先进先出的原则；酶制剂存放在0-5℃的冷藏库中，使用时依照先进先出的原则。
清洗材料、消毒剂等辅料进厂后，采供部及时委托质检部进行检验，检验合格后入库，分类存放并做明确的标识。
2.2.3苹果的预处理
步骤：
（初验合格的苹果）→称重计量→暂存→初洗
苹果在采收后表面常附有灰尘，碎叶等杂物，必须进行初步清洗，初步清洗有两个过程，水流输送清洗和提升机喷淋清洗。
在清洗时把粘附在原料上的泥土、杂质、粉尘、沙粒等洗掉，去除残留的农药和部分微生物，清洗环节必须符合食品卫生要求。
果槽及周边环境卫生由装卸工负责，每天必须冲冼，并保持全天干净卫生。
2.2.4拣选
在拣选台上对苹果进行拣选，主要拣出霉烂变质果，按照拣选要求规定削去腐烂点，把一些腐败的苹果或腐烂部分去除掉（腐烂率≤2%），一些杂质通过拣选台被拣出，以免下一步进行破碎时这些杂物进入苹果汁，在拣选后随机抽查一定量的苹果（≥1kg），然后称重并计算。
2.2.5清洗
在洗果机上通过毛刷及水流喷淋进行苹果的清洗，通过破碎前的提升机进行清洗。
2.2.6破碎
通过破碎机将清洗干净的苹果用破碎机破碎为4-6mm的果浆，以备后面进行压榨。
在破碎的过程中要控制力度，否则在泵送过程中会受到影响，影响泵送的效率。
依据苹果收购季节以及品种，破碎颗粒有所不同。
要求分前、中、后三期更换破碎机筛网，分别用小、中、大筛网。
在每年新收苹果时，由于苹果成熟度不够，一般控制在lcm-2cm之间，可以提高出汁率。
到后期由于苹果成熟度增加，压榨时如果颗粒过小，会在表面形成一层胶膜，阻止汁液的渗出，降低出汁率，这时一般控制在2cm-3cm之间。
2.2.7压榨
压榨所采用的是带式压榨机。
在压榨过程中果浆分布尽可能的均匀，果浆厚度控制在3cm-6cm之间，榨带张力的调节，根据果浆的性质加以调节，以出汁率作为衡量标准。
如果需要，可以在一次压榨后的果渣加等量水浸渍后再进行二次压榨，可提高果汁出汁率，但在后期由于成熟度较高，增加的出汁率已无经济性可言，就取消这一步操作。
一榨：
压榨时间：
50-60min；出汁率：
80-85%；
二榨：
加水量：
果渣∶水＝1∶1；设定出汁率：
＞50%；压榨时间：
30-40min。
2.2.8第一次巴氏杀菌
通过破碎压榨后，果汁一直暴露在空气中，由于多酚氧化酶产生的褐变将提高成品的色值，降低品质。
此外还会受到一定的细菌污染，因此要进行第一步巴氏杀菌。
杀菌的主要目的有三个：
（1）灭酶
（2）杀菌（3）淀粉糊化。
若杀菌不彻底，可造成致病菌残留、微生物腐败。
在97±2℃的巴氏灭菌装置中维持30秒杀灭细菌、使苹果中固有的酶失活，使苹果中含有的淀粉糊化，之后果汁经管道进入冷却板片迅速降温至49-52℃，,由管道送至酶解澄清罐，以方便下一步进行酶解。
2.2.9酶解
加入淀粉酶、果胶酶进行酶降解，在其作用下，果汁中的果胶和淀粉被分解成可溶性的小分子物质。
要求：
酶制剂存放温度在0-5℃；酶反应温度49-52℃；从酶解罐进料开始到出料结束，酶解时间90min。
经检测均为显阴性时，再根据终产品色值要求，在酶解罐中采取加或不加活性炭澄清剂。
经过酶降解和澄清后的果汁直接进入超滤循环罐，以备精过滤。
2.2.10超滤
超滤开机时要求浊度为O.1-0.6NTU时，方可向下一工序送料。
每半个小时要对渗透液做有无杂质感官检测。
在超滤渗透液流量不能满足生产需要时，应按规定程序清洗，清洗前须加水稀释循环罐果汁，过滤至糖度低于2.0oBX时，超滤方可排空。
超滤膜一般选用聚砜膜，截留分子量一般为30000dalton。
2.2.11树脂脱色
脱色的需要根据产品的色值来决定。
超滤后清汁由清汁罐泵入树脂柱，经过树脂的吸附作用进行脱色处理，除去果汁中的单宁、酚类物质。
一般选用大孔吸附树脂HPD200L用于浓缩苹果汁的生产。
大孔吸附树脂能使果汁保持原有新鲜的滋味和香气。
脱色树脂要求：
吸附终点清汁指标：
色值＞65%；
脱酸树脂吸附要求：
吸附终点清汁指标：
酸度：
＜0.04%；颜色：
水白色。
2.2.12浓缩
本设计5效管式蒸发器进行浓缩。
实践表明，采用5效管式蒸发器拥有较好的经济性。
清汁进入蒸发器进行蒸发浓缩，一般浓缩到原体积的l/6左右，可以控制最终糖度在70±1Brix。
2.2.13批次罐指标调整
经过浓缩的产品用泵输送至批次罐中暂存，当液位达到搅拌器（大概达到25t物料）时开始搅拌，果汁边进边搅拌，罐满后搅拌均匀，将搅拌均匀的果汁做为一个批次，开始搅拌直到进料结束后40-60min止；批次罐进料约30t时做糖度检测，以便及时调整进料糖度。
停止搅拌后测糖度、色值、浊度指标、酸度（有要求时测）。
批次罐满罐后化验员按照内控指标进行检测，微生物化验员每罐检测耐酸耐热菌指标。
中心化验室化验员每天抽测一次批次罐果汁的甲胺磷、棒曲霉毒素、富马酸、乳酸；符合内控指标要求后，下发灌装通知单。
接到灌装通知单后，将浓汁通过罗茨泵输入巴氏杀菌板片进行杀菌。
2.2.14第二次巴氏杀菌
在灌装前必需经过巴氏杀菌，这是HACCP计划第三个CCP点，过程中要注意控制温度和保持时间。
将进入第二次巴氏灭菌装置中的果汁，在97±2℃的温度下，维持30s左右，使在前段加工中可能繁殖的微生物杀死，以防止致病菌残留和微生物腐败。
灭菌后的果汁由管道送入冷却装置迅速冷却至15-20℃，进入灌装工段。
此CCP点控制要求是杀菌后的果汁微生物指标：
细菌总数T.P.C≤10个/mL，大肠菌群≤3个/100mL，酵母/霉菌≤10个/mL，致病菌不得检出。
2.2.15无菌灌装
后巴氏杀菌无菌灌装的三个条件：
（1）物料的无菌
（2）包装材料的无菌（3）灌装环境的无菌。
采用进口的罐装机进行灌装，灌装前先将灌装口喷射高温（≥95℃）蒸汽，杀死可能存在的微生物，再开始灌装，灌装重量通过质量流量计来控制。
灌装后的成品直接入库。
2.3工艺质量指标控制
表2-1浓缩苹果汁检验指标要求一览表
指标类型
指标项目
单位
指标
感
观
指
标
色泽
香气及滋味
外观形态
杂质
呈棕黄色或棕红色，久置后稍许变深。
将浓缩汁稀释至可溶性固形物为10%-20%，果汁应具有新鲜苹果固有的滋味与香气，无异味。
呈现透明状，无沉淀物、悬浮物。
不允许有肉眼可见的杂质。
卫
生
指
标
铅
铜
砷
细菌总数
大肠菌群
致病菌
耐酸耐热菌
霉菌和酵母菌
棒曲霉素
mg/kg
mg/kg
mg/kg
个/mL
个/100mL
个/mL
个/mL
μg/kg
≤0.2
≤5.0
≤0.1
≤10
＜3
不得检出
＜1
＜10
≤40
理
化
指
标
可溶性固形物
总酸
PH值
透光率T625nm
色值T440nm
浊度
乙醇
果胶试验
淀粉试验
富马酸
热稳定性
Brix
%
%
g/kg
mg/kg
71±1
≥0.8
3.6-4.2
≥95
≥55
≤3.0
≤3.00
阴性
阴性
≤5
稳定
3物料衡算与主要设备选型
依据：
年产40000t浓缩果汁计，每年实际生产按照6个月计算，每月按照30天计算。
依据经验，本榨季一旦开始，便全天24h全部安排生产，考虑期间设备维护、班间工人就餐以及其它影响因素，每天按照18h（分3班制，每班实际工作时间为6h）生产计算。
3.1浓缩果汁班产量的确定
日产浓缩汁量为：
40000t÷180天＝222.22t/d
班产浓缩汁量为：
222.22t÷3班＝74.07t/班
3.2原料果的日收购量的确定
通过酶解、超滤和脱色得到的澄清果汁经蒸发浓缩，一般浓缩到原来质量的1/5-1/7，糖度在65%-75%左右。
在设计按照浓缩到1/6，浓缩果汁的浓度为70±1Brix来计算。
因此澄清果汁班产74.07t×6＝444.42t
生产的损耗计算如下：
表3-1生产的损耗一览表
项目
损失量（%）
拣选
清洗
破碎
压榨（去渣）
第一次巴氏杀毒、酶解
超滤、浓缩
第二次巴氏杀毒、冷却、灌装
0.5
0.2
0.2
13.2
0.4
0.3（0.1＋0.2）
0.2
出汁率为：
100%－0.5%－0.2%－0.2%－13.2%－0.4%－0.3%－0.2%＝85%
所以每天（3班）需将3×444.42t÷85%＝1568.54t新鲜苹果进行生产，
即，每生产1t浓缩苹果汁需要1568.54÷222.22＝7.06t新鲜苹果。
3.3设计条件
本设计每日工作为3班制，每班实际工作时间为6h，因此平均1h生产浓缩果汁
222.22t÷18＝12.35t
即榨取澄清果汁444.42t÷6＝74.07t
即每小时需要投入生产的苹果1568.54t÷18＝87.14t
3.4设备选型及论证
（1）小提升机
小提升机的作用是将水流输送槽送来的苹果提升到拣果台，此段是整个车间的咽喉要道，如果设备停止工作，后段将无果加工。
对比进口与国产设备的价格，相差比例不大，因此选用两台意大利TMCI生产的提升机。
投入生产的苹果的质量流量为87.14t/h，接近90t/h，故技术要求应为45t/h，电功率25kw。
（2）捡果台
从小提升机提升后苹果进入拣选台，进行人工拣果，采用意大利TMCI生产的捡果台，原因同上。
也是两台，技术要求同上，电功率30kw。
（3）大提升机
大提升机的作用是将拣选过的苹果提升到洗果机进行清洗，仍然采用意大利TMCI生产的提升机，原因同上，技术要求45t/h，电功率30kw。
（4）毛刷机、洗果机
对苹果进行毛刷清洗，主要去掉黏附的杂物，之后进行水流喷射清洗。
分别选用意大利TMCI生产毛刷机和上海神农生产的洗果机。
技术要求均为45t/h。
（5）破碎机
将清洗过的苹果进行破碎，根据需要可以调节破碎程度，为保证颗粒均匀度，选用德国BELLMER生产的破碎机，避免影响出汁率。
生产能力：
45t/h；
电机功率：
30×2kw；
物料流量G＝87.14t/h×（100%－0.5%-0.2%）＝86.53t/h；
苹果汁质量密度接近于水，故其密度ρ取103kg/m3，则质量流量为
V＝G/ρ＝86.53×103kg/h÷103kg/m3＝86.53m3/h；
为保证破碎充分，定破碎时间为15min，V有效：
设备有效容积；V：
流量；τ：
滞留时间；
V有效＝Vτ＝86.53÷60m3/min×15min＝21.63m3；
取破碎机两台，即n＝2，填充系数Φ取70%，则单台设备容积
V单＝
＝
＝15.45m3≈2860×2380×2270mm3；故
外型尺寸（长×宽×高）（mm）：
2860×2380×2270。
（6）带式压榨机
对破碎的苹果进行压榨取汁，这一步关系到产品得率，因此选用德国BELLMER生产的带式压榨机，出汁率有保证。
生产能力：
45t/h；
电功率：
40kw；
物料流量G＝87.14t/h×（100%－0.5%-0.2%－0.2%）＝86.36t/h；
苹果汁质量密度接近于水，故其密度ρ取103kg/m3，则质量流量为
V＝G/ρ＝86.36×103kg/h÷103kg/m3＝86.36m3/h；
为保证压榨充分，定压榨时间为15min，V有效：
设备有效容积；V：
流量；τ：
滞留时间；
V有效＝Vτ＝86.36÷60m3/min×15min＝21.59m3；
取带式压榨机两台，即n＝2，填充系数Φ取70%，则单台设备容积
V单＝
＝
＝15.42m3≈5315×1915×1515mm3；故
外型尺寸（长×宽×高）（mm）：
5315×1915×1515。
（7）国产压榨机
在苹果成熟度不够的时候，将压榨过的果渣用等量水混合后再压榨一次，可以提高出汁率。
此步作为前道的补充，仅在必要的时候使用，非关键设备，因此采用国产设备，为江苏靖江食品机械厂生产。
规格同上。
（8）罐群
整厂的各种储罐较多，国产罐完全可以达到要求。
小罐可以由厂家加工后运到厂里，大罐由供应厂家现场制作。
根据不同情况必要选择不同大小、种类的罐。
（9）超滤设备
选择两台国产设备，以达到生产要求，采用国产设备可以降低整厂投资。
两台设备在使用中可以调剂生产，方便检修和膜的再生。
超滤设备也就是超精过滤装置，是包括30组膜堆（各由20个膜管串联而成）、一台循环泵、一台清汁泵、CIP兼清汁罐以及连接管路、监控仪表和电控柜,安置于两个底盘上,构成一个相对独立的单元体。
生产能力：
40t/h；
电功率：
50kw；
物料流量G＝87.14t/h×（100%－0.5%-0.2%－0.2%－13.2%－0.4%）＝74.50t/h；
苹果汁质量密度接近于水，故其密度ρ取103kg/m3，则质量流量为
V＝G/ρ＝74.50×103kg/h÷103kg/m3＝74.50m3/h；
定超滤时间为30min，V有效：
设备有效容积；V：
流量；τ：
滞留时间；
V有效＝Vτ＝74.50÷60m3/min×30min＝37.25m3；
取超滤设备两台，即n＝2，则单台设备有效容积
V单有效＝
＝
＝18.62m3；
每根膜管的有效容积V管有效＝
＝
＝0.03m3＝3×107mm3；
设每根膜管横截面的直径为100mm，横截面积S＝πR2＝π×502mm2＝7854mm2；
则每根膜管长L＝
＝
＝3820mm；
故技术指标如下表所示。
表3-2单个膜管性能
型号
KJ-ESUF9050W
直径×长度
100×3820mm
过滤面积
7854mm2
滤膜材料
聚丙烯中空纤维和复合聚砜中空膜
不可溶固形物允许含量
≤30%
技术要求
40t/h
处理温度
50～55℃
表3-3膜堆性能（依膜管数增减）
使用膜管数量
20×30个
过滤面积
4.7124m2
果汁回收率
96%～98%（不可溶固形物初始含量≤3%,且两次过滤）
装机功率
50kW
结构材料
全部为不锈钢SUS304
（10）蒸发器
运用两台意大利TMCI生产的5效管式蒸发器。
采用管式蒸发器可以降低单位产品的蒸汽消耗量，比较经济。
而中央循环管式蒸发器有“标准式蒸发器”之称，其加热室由垂直管束组成，中间有一根直径很大的管子，能促进溶液的自然循环，提高管内的对流传热系数，强化蒸发过程。
选用这种蒸发器是由于其结构紧凑、制造方便、传热效果好及操作可靠等优点。
生产能力：
40t/h；
电功率：
55kw；
物料流量G＝87.14t/h×（100%－0.5%-0.2%－0.2%－13.2%－0.4%－0.1%）＝74.42t/h；
苹果汁质量密度接近于水，故其密度ρ取103kg/m3，则质量流量为
V＝G/ρ＝74.42×103kg/h÷103kg/m3＝74.42m3/h；
定蒸发时间为30min，V有效：
设备有效容积；V：
流量；τ：
滞留时间；
V有效＝Vτ＝74.42÷60m3/min×30min＝37.21m3；
取蒸发器两台，即n＝2，填充系数Φ取70%，则单台设备有效容积
V单＝
＝
＝26.58m3；
1现按总容积26.58m3计算
V全＝V桶＋2V封＝26.58m3，封头折边忽略不计，以方便计算：
则V全＝0.785D2×2D＋π/24×D3×2＝26.58m3
解方程得：
D＝2.439m；取D＝2.43m，则H＝2D＝4.86m；
根据《生物工程工厂设计概论》通用桶罐系数表，查得筒体壁厚13mm，封头壁厚15mm，封头高为H封＝ha＋hb＝636mm＋64mm＝700mm。
2验算全容积V全：
V’全＝0.785D2×2D＋π/24×D3×2＋0.785D2×0.07
＝0.785×2.432×2×2.43＋π/24×2.433×2＋0.785×2.432×0.064
＝26.58m3＝V全
为了使溶液有良好的循环，中央循环管的截面积一般为其他加热管总截面积的40%-100%；加热管高度一般为1-2m；加热管直径在25-75mm之间。
取加热管高度为1m，加热管直径为70mm，中央循环管的截面积为其他加热管总截面积的40%，设蒸发器里面共有650根加热管，
则加热管总截面积S热＝0.785×0.072×650＝2.50m2；
中央循环管的截面积S中＝40%S热＝0.4×2.50m2＝1.00m2；
S热＋S中＝3.50m2＜4.64m2＝0.785×2.432＝0.785D2（蒸发器横截面积），符合要求。
故中央循环管的直径D中＝
＝
＝1.13m。
（11）无菌灌装机
采用意大利FBR生产的无菌灌装机，国内尚无同类产品可以替代。
另外这个工段关系到产品的安全性和保质期，质量要求高。
生产能力：
13t/h；电功率：
30kw。
表3-4主要生产设备一览表
序号
生产设备
技术要求
生产厂家
台数
1
小提升机
45t/h
意大利TMCI
2
2
检果台
45t/h
意大利TMCI
2
3
大提升机
45t/h
意大利TMCI
2
4
毛刷机
45t/h
意大利TMCI
1
5
洗果机
45t/h
上海神农
1
6
破碎机
45t/h
德国BELLMER
2
7
带式压榨机
45t/h
德国BELLMER
2
8
国产压榨机
45t/h
江苏靖江
1
9
罐群
温州强力机械阀门厂
30
10
国产超滤设备
40t/h
2
11
5效管式蒸发机
40t/h
意大利TMCI
2
12
13
无菌灌装机
锅炉
13t/h
40t
意大利FBR
1
2
4热量衡算
4.1整个车间热交换流程图：
物料（20℃）塔水（20℃）料液（50℃）
冷却
料液
塔水（10℃）（50-60℃）
冷却到20℃
图4-1热交换流程图
4.2第一次巴氏杀菌耗能估算
在预巴氏杀菌工段，20℃的物料被加热到97℃，再利用这些热量去预热进入预巴氏杀菌之前的20℃的物料，97℃的物料降温到60℃。
因此相当于计算将20℃的物料加热到60℃所消耗的能量。
（注：
由于苹果汁的焓与水相似，因此后面均按照水的焓计算，均不考虑热损失。
）
20℃到60℃所消耗的热量（Hl、H2、R引用表4-2、4-1的数据）：
Q＝qm,h（Hl-H2）＝74070kg/h×（251.67kJ/kg－84.48kJ/kg）＝1.24×107kJ/h
qm,h：
物料的质量流量,kg/m；Hl：
60℃时果汁的焓，kJ/kg；H2：
20℃时水的焓，kJ/kg。
消耗的蒸汽量：
＝4480.09kg/h
4.3蒸发浓缩耗能估算（五效蒸发器）
（1）各效蒸发水量
已知原料液处理量为：
G＝
＝37035kg/h
总蒸发水量为：
W＝37035kg/h×
＝30862.50kg/h（浓缩到1/6，故蒸发水量占5/6）
各效蒸发水量之比为：
W1∶W2∶W3∶W4∶W5＝1∶1.1∶1.2∶1.3∶1.4
W1＝30862.50kg/h×
＝5143.75kg/h
W2＝30862.50kg/h×
＝5658.13kg/h
W3＝30862.50kg/h×
＝6172.50kg/h
W4＝30862.50kg/h×
＝6686.88kg/h
W5＝30862.50kg/h×
＝7201.25kg/h
（2）浓缩物料时所需热量及蒸汽消耗量计算
a、蒸发水分所需热量：
但R1、R2、R3、R4、R5引用表4-1的数据）
Ql＝W1×R1＝5143.75kg/h×2634.1kJ/kg＝1.35×107kJ/h
Q2＝W2×R2＝5658.13kg/h×2622.4kJ/kg＝1.48×107kJ/h
Q3＝W3×R3＝6172.50kg/h×2606.4kJ/kg＝1.61×107kJ/h
Q4＝W4×R4＝6686.88kg/h×2594.0kJ/kg＝1.73×107kJ/h
Q5＝W5×R5＝7201.25kg/h×2578.5kJ/kg＝1.86×107kJ/h
b、各效消耗蒸汽量：
D1＝
＝
＝5105.32kg/h
D2＝
＝
＝5618.62kg/h
D3＝
＝
＝6139.41kg/h
D4＝
＝
＝6637.51kg/h
D5＝
＝
＝7170.39kg/h
蒸汽总消耗量D＝Dl＋D2＋D3＋D4＋D5＝30671.25kg/h
表4-1不同温度水蒸气的热焓
R（生蒸汽）
R0
R1
R2
R3
R4
R5
水蒸气温度℃
164.7
81.2
75.0
66.5
60.1
53.5
45.3
热焓kJ/kg
2767.8
2644.3
2634.1
2622.4
2606.4
2594.0
2578.5
本设计选用的饱和蒸汽压强为700kPa，对应温度为164.7℃
表4-2不同温度液态水的热焓
液态水温度（℃）
液态水热焓（kJ/kg）
10
42.61
15
20
63.55
84.48
30
126.28
40
168.06
45
188.95
50
209.85
55
230.75
60
251.67
70
293.53
水的比热：
C水=4.187kJ/kg
4.4第二次巴氏杀菌耗能估算
在后巴氏杀菌工段，经过蒸发浓缩的55℃的物料被加热到97℃，再利用这些热量去预热进入后巴氏杀菌之前的55℃的物料，97℃的物料降温到70℃。
因此相当于计算将55℃的物料加热到70℃所消耗的能量。
（注：
由于苹果汁的焓与水相似，因此后面均按照水的焓计算，均不考虑热损失。
）
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