食品工程原理设计说明书

食品工程原理设计说明书一、引言食品工程原理是食品科学与工程专业的一门重要专业基础课程，它主要研究食品生产过程中各种单元操作的基本原理、设备结构、操作条件及计算方法等。本设计说明书旨在通过对食品工程中典型单元操作的分析与设计，阐述食品工程原理在实际生产中的应用，培养学生运用所学理论知识解决实际工程问题的能力。

二、设计任务与要求本次设计任务为设计一个食品加工生产线，该生产线能够实现某种食品的连续化生产。具体要求如下：1.确定食品的种类和生产工艺，明确各单元操作的任务和要求。2.选择合适的设备，并进行设备选型计算。3.设计工艺流程，绘制工艺流程图。4.进行物料衡算和能量衡算，确定各设备的物料流量和能量消耗。5.对关键设备进行详细设计，包括设备结构设计、强度计算等。6.编写设计说明书，阐述设计思路、计算过程和结果分析等。

三、食品种类与生产工艺选择（一）食品种类本次设计选择酸奶作为生产对象。酸奶是一种深受消费者喜爱的发酵乳制品，具有丰富的营养价值和独特的风味。

（二）生产工艺酸奶的生产工艺主要包括原料乳预处理、接种、发酵、冷却、后熟等步骤。1.原料乳预处理：对原料乳进行净化、标准化、均质等处理，以保证原料乳的质量和稳定性。2.接种：将经过活化的乳酸菌接入原料乳中，使其在适宜的条件下生长繁殖。3.发酵：在发酵罐中控制适宜的温度、时间等条件，使乳酸菌发酵原料乳中的乳糖产生乳酸，从而使原料乳凝固成酸奶。4.冷却：发酵结束后，将酸奶迅速冷却至适宜的温度，以终止乳酸菌的生长繁殖，防止酸奶过度发酵。5.后熟：冷却后的酸奶在一定温度下放置一段时间，使其风味和口感更加浓郁。

四、工艺流程设计（一）工艺流程图绘制根据酸奶的生产工艺，绘制如下工艺流程图（见图1）。

[此处插入工艺流程图]

图1酸奶生产工艺流程图

（二）工艺流程说明1.原料乳经管道输送至净乳机，去除其中的杂质和机械杂质，得到净化后的原料乳。2.净化后的原料乳进入标准化罐，通过添加脱脂乳或全脂乳粉等，调整原料乳的脂肪和蛋白质含量，使其达到规定的标准。3.标准化后的原料乳进入均质机，在高压下使脂肪球破碎并均匀分散在乳中，防止脂肪上浮，提高酸奶的稳定性和口感。4.均质后的原料乳进入预热罐，加热至适宜的温度（通常为6070℃），以杀灭原料乳中的部分微生物，同时提高原料乳的温度，有利于后续的接种和发酵。5.预热后的原料乳进入发酵罐，接入预先活化好的乳酸菌发酵剂，在搅拌条件下控制发酵温度（通常为4245℃）进行发酵。6.发酵结束后，打开发酵罐的冷却装置，将酸奶迅速冷却至1015℃，终止乳酸菌的生长繁殖。7.冷却后的酸奶通过管道输送至灌装机，进行灌装包装。8.包装好的酸奶进入冷藏库，在26℃下冷藏后熟一定时间，使酸奶的风味和口感更加浓郁。

五、物料衡算（一）确定计算基准以每天生产[X]吨酸奶为计算基准。

（二）原料乳质量流量计算已知酸奶中脂肪含量为[X1]%，蛋白质含量为[X2]%，乳糖含量为[X3]%，其他成分含量为[X4]%，水分含量为[X5]%。根据酸奶的质量流量和各成分含量，计算原料乳中各成分的质量流量。1.设原料乳的质量流量为m0（kg/h）。2.脂肪质量流量：m0×[X1]%=m1（kg/h）3.蛋白质质量流量：m0×[X2]%=m2（kg/h）4.乳糖质量流量：m0×[X3]%=m3（kg/h）5.其他成分质量流量：m0×[X4]%=m4（kg/h）6.水分质量流量：m0×[X5]%=m5（kg/h）

由于原料乳在预处理过程中损失率为[Y]%，则实际需要的原料乳质量流量m0'为：m0'=m0/(1[Y]%)

（三）各单元操作物料衡算1.净乳机：原料乳进入净乳机后，去除的杂质质量流量为mz（kg/h），则净乳后原料乳的质量流量为m0'mz。2.标准化罐：根据标准化前后脂肪和蛋白质含量的变化，计算添加脱脂乳或全脂乳粉等的质量流量。设添加的物料质量流量为mq（kg/h），则有：(m0'mz)×[X1]%+mq×[Z1]%=m0'×[X1]%(m0'mz)×[X2]%+mq×[Z2]%=m0'×[X2]%解上述方程组可得mq。3.均质机：均质过程中物料质量流量不变，即均质后原料乳的质量流量仍为m0'mz+mq。4.预热罐：预热过程中水分蒸发量为me（kg/h），则预热后原料乳的质量流量为m0'mz+mqme。5.发酵罐：发酵过程中乳酸菌消耗的乳糖质量流量为ml（kg/h），产生的乳酸质量流量为ml'（kg/h），则发酵后酸奶的质量流量为m0'mz+mqmeml+ml'。6.冷却装置：冷却过程中无物料损失，冷却后酸奶的质量流量仍为m0'mz+mqmeml+ml'。7.灌装机：灌装过程中酸奶的质量流量不变，即灌装后酸奶的质量流量为m0'mz+mqmeml+ml'。8.冷藏库：冷藏过程中无物料损失，冷藏后酸奶的质量流量仍为m0'mz+mqmeml+ml'。

（四）物料衡算结果汇总将各单元操作的物料衡算结果汇总成表（见表1）。

表1酸奶生产物料衡算结果汇总表

|单元操作|输入物料质量流量（kg/h）|输出物料质量流量（kg/h）|物料变化情况（kg/h）|||||||净乳机|m0'|m0'mz|mz||标准化罐|m0'mz|m0'mz+mq|+mq||均质机|m0'mz+mq|m0'mz+mq|0||预热罐|m0'mz+mq|m0'mz+mqme|me||发酵罐|m0'mz+mqme|m0'mz+mqmeml+ml'|ml+ml'||冷却装置|m0'mz+mqmeml+ml'|m0'mz+mqmeml+ml'|0||灌装机|m0'mz+mqmeml+ml'|m0'mz+mqmeml+ml'|0||冷藏库|m0'mz+mqmeml+ml'|m0'mz+mqmeml+ml'|0|

六、能量衡算（一）确定能量衡算范围本次能量衡算范围包括原料乳预处理、发酵、冷却等过程。

（二）计算各过程的能量消耗1.原料乳预处理净乳机：主要消耗电能，根据净乳机的功率和运行时间，计算电能消耗W1（kJ/h）。标准化罐：加热原料乳消耗的热量Q1（kJ/h），根据原料乳的比热容、质量流量和温度变化，计算Q1=m0'×cp×(t2t1)，其中cp为原料乳的比热容，t1为原料乳初始温度，t2为标准化后原料乳温度。均质机：消耗电能W2（kJ/h），根据均质机的功率和运行时间计算。预热罐：加热原料乳消耗的热量Q2（kJ/h），计算方法同标准化罐加热热量计算。2.发酵发酵过程中乳酸菌生长繁殖消耗的能量主要来自原料乳中的乳糖，根据发酵过程中乳糖的消耗量ml，计算发酵消耗的能量Q3（kJ/h）。乳糖的燃烧热为[Ql]kJ/kg，则Q3=ml×[Ql]。3.冷却冷却装置消耗的能量Q4（kJ/h），根据冷却前后酸奶的温度变化、质量流量和比热容，计算Q4=m0'×cp×(t3t4)，其中t3为发酵后酸奶温度，t4为冷却后酸奶温度。

（三）能量衡算结果汇总将各过程的能量消耗汇总成表（见表2）。

表2酸奶生产能量衡算结果汇总表

|过程|能量消耗（kJ/h）|||||原料乳预处理|W1+Q1+W2+Q2||发酵|Q3||冷却|Q4||总能量消耗|W1+Q1+W2+Q2+Q3+Q4|

七、设备选型计算（一）净乳机根据原料乳的流量和净乳要求，选择[型号]净乳机，其处理能力为[X]m³/h，能够满足生产要求。

（二）标准化罐根据原料乳的流量和标准化要求，选择[型号]标准化罐，其容积为[X]m³，能够保证原料乳在罐内有足够的停留时间进行标准化操作。

（三）均质机根据原料乳的流量和均质要求，选择[型号]均质机，其额定压力为[X]MPa，流量为[X]m³/h，能够满足均质工艺要求。

（四）预热罐根据原料乳的流量和预热要求，选择[型号]预热罐，其容积为[X]m³，加热方式为[蒸汽加热/电加热等]，能够将原料乳加热至适宜的温度。

（五）发酵罐根据酸奶的产量和发酵要求，选择[型号]发酵罐，其容积为[X]m³，设有搅拌装置、温度控制装置等，能够满足乳酸菌发酵的条件。

（六）冷却装置根据酸奶的产量和冷却要求，选择[型号]冷却器，其冷却能力为[X]kW，能够将发酵后的酸奶迅速冷却至适宜的温度。

（七）灌装机根据酸奶的产量和包装要求，选择[型号]灌装机，其灌装速度为[X]瓶/h，能够满足生产线上酸奶的灌装需求。

八、关键设备设计（一）发酵罐设计1.结构设计发酵罐采用立式圆柱形罐体，顶部设有进料口、排气口、视镜等，底部设有出料口、排污口等。罐内设有搅拌装置，由搅拌轴和搅拌桨叶组成，搅拌桨叶采用[桨叶形式]，能够保证罐内物料均匀混合，促进乳酸菌的生长繁殖。发酵罐还设有温度控制装置，通过夹套或盘管通入热水或冷水来控制罐内温度。2.强度计算根据发酵罐的内径、高度、设计压力等参数，按照《钢制压力容器》（GB150）的规定进行强度计算。计算内容包括筒体壁厚、封头壁厚、接管壁厚等，确保发酵罐在正常操作条件下具有足够的强度和安全性。

（二）均质机设计1.结构设计均质机主要由泵体、均质阀、传动装置等组成。泵体采用[泵体形式]，能够提供高压输送物料。均质阀是均质机的关键部件，采用[均质阀结构形式]，通过高压使物料中的脂肪球破碎并均匀分散。传动装置采用[传动方式]，保证均质机的正常运行。2.强度计算根据均质机的工作压力、流量等参数，对泵体、均质阀等关键部件进行强度计算。计算内容包括部件的壁厚、材料选择等，确保均质机在高压下能够安全可靠地运行。

九、结果分析与讨论（一）物料衡算结果分析通过物料衡算可知，原料乳在经过一系列单元操作后，各成分的质量流量发生了相应的变化。在净乳、标准化、均质等预处理过程中，部分杂质被去除，成分得到调整，质量流量基本保持稳定。发酵过程中，乳酸菌消耗乳糖产生乳酸，导致酸奶的成分和质量流量发生变化。冷却、灌装等后续过程中，物料质量流量保持不变。物料衡算结果为设备选型和生产过程控制提供了重要依据。

（二）能量衡算结果分析能量衡算结果表明，原料乳预处理、发酵、冷却等过程消耗了一定的能量。其中，加热原料乳和冷却酸奶是能量消耗的主要部分。通过合理选择加热方式和冷却设备，优化生产工艺参数，可以降低能量消耗，提高生产效率。同时，发酵过程中乳酸菌生长繁殖消耗的能量与乳糖的消耗量有关，合理控制发酵条件，提高乳糖利用率，也有助于降低能量消耗。

（三）设备选型合理性讨论根据物料衡算和生产工艺要求，选择的净乳机、标准化罐、均质机、预热罐、发酵罐、冷却装置和灌装机等设备基本能够满足生产需求。但在设备选型过程中，还可以进一步考虑设备的性能、价格、维护等因素，进行优化选择。例如，在满足生产能力的前提下，选择高效节能的设备，以降低生产成本。

（四）对生产工艺的改进建议通过本次设计，对酸奶生产工艺有了更深入的了解。在实际生产中，可以进一步优化生产工艺参数，如发酵温度、时间、接种量等，以提高酸奶的品质和产量。同时，可以加强对生产过程的监控和控制，采用自动化控制系统，提高生产的稳定性和可靠性。另外，还可以考虑对生产过程中的废弃物进行综合利用，减少环境污染，实现可持续发展。

十、结论本设计说明书完成了酸奶生产工艺的设计，包括