生物工程毕业论文
题目: 年产10000T乳制品工厂设计专业：生物工程
1 绪论
1．1酸奶简介
牛乳的组成最为接近人体的母乳，含有人体所需要的全部营养成分，营养最为均衡，在人们的膳食结构中具有其他食品无法替代的地位和作用。由鲜牛乳发酵成的酸乳由于其丰富的营养、特殊的风味、爽滑的质构和良好的生理功能，备受人们青睐[1]。联合国粮农组织和世界卫生组织（FAO/WHO）将酸奶定义为乳与乳制品(杀菌乳或浓缩乳)在保加利亚杆菌（L.bulgaricus）和嗜热链球菌(S.thermophilus)的作用下乳酸发酵而得到的凝固型乳制品其中可任意添加全脂乳粉、脱脂乳粉、乳清粉等。但在最终发酵产品中必须大量存在这些微生物。也可简单将其定义为以新鲜牛乳或乳粉为原料，经乳酸菌保温发酵而制成的产品[2]。
通常根据酸奶在零售过程中的产品存在状态来进行分类，具体可分为凝固型酸奶和搅拌型酸奶。乳酸菌在乳中生长繁殖，发酵分解产生乳酸等有机酸，导致乳的pH值下降，使乳酪蛋白在其等电点附近发生凝集，把这种乳凝状的酸奶称为凝固型酸奶。所谓搅拌型酸奶，是指先在发酵罐中通过乳酸菌的作用，将经过标准化处理的牛乳发酵至乳凝，然后再用搅拌器破乳，是凝乳粒子保持在0.01～0.04mm大小的一种酸奶。产品呈半流动状态的粥糊状，易使用吸管吸食[3]。一半搅拌型酸乳可分为原味型和水果型，而凝固型大都为原味型[4]。
酸乳又名酸牛乳或酸奶，作为众多的发酵乳产品中当今最为流行的乳制品，最初出现时其名是与发酵乳混用的，表示变酸的乳。尽管目前没有关于人类何时第一次制作酸奶的明确记载，但酸奶的食用可以追溯到许多世纪以前。发酵乳起源于巴尔干半岛和中东地区，在那里，牧民们早在几千年前就发现了可以通过发酵可以延长鲜乳保存期的方法。虽然起源没有明确的记载，但酸奶有益于人类身体健康并有丰富的营养价值这一观念在许多文明国度里已存在了很长时间。依据波斯人的传统，亚伯拉罕把自己的富饶和长寿归功于酸奶而法国皇帝法兰西一世据说也因饮用由山羊奶制成的酸奶而治愈其体虚气弱之疾[5]。然而，酸奶却极有可能起源于中东，在那时这种发酵产品的演变与世界各地牧民的烹饪技术发展是分不开的[6]。
1.1.1 国外酸乳市场情况
在欧美及其他发达国家，乳品是人们摄取动物蛋白的最主要食品之一，这些国家
的人均消费量约为300kg每年。根据FAO的统计数据:2000年世界的人均乳品消费量约为l00kg每年，亚洲人均乳品消费量(不包括中国)约为40kg每年，日本、韩国、中国台北区和印度的人均消费量均已超过60kg每年[7]。世界乳品的需求每年按2%的速度在增长，发达国家的增长率大约是1%，而酸乳的增长速度超过5%，从全世界范围来看，酸奶也是发展最快的乳制品，每年乳制品的新品种中有约7%是酸奶，每年约有近千种酸奶新产品问世[8]。
1.1.2 国内酸乳市场状况
尽管目前我国的乳业市场不断扩大，乳品消费观念在不断提高，但我国年人均乳制品不足20kg的消费量与世界人均1OOkg、发达国家人均140kg的消费量相比还有较大差距。中国的乳品消费在整体上并没有进入完全理性的轨道。由于营养知识的欠缺，许多人不了解乳品对改善营养、平衡膳食、补钙和增强体质的重要作用，包括对酸乳的认识也不够，因而市场占有率也不太高，不过随着人们对酸乳营养价值的认识，人们对酸奶的态度发生了改变，市场占有份额也逐年增加。表1为近几年城镇居民人均乳及乳制品增长情况。
表1 城镇居民人均乳及乳制品增长情况
2001年较2002年 2001年较2002年 2001年较2002年
增长量增长量增长量
鲜乳品 0.197 0.218 0.188
奶粉 0.02 0.1 0.018
酸奶 0.214 0.338 0.39
由表1可以明显看出，酸奶在所有的乳制品中的增长速度最快。据不完全统计，随着我国居民生活水平和消费观念的转变，酸奶的消费在以后的较长时间内仍旧会保持迅速的增长势头，这种超常的增长速度在全球酸奶发展史上是非常罕见的，市场前景极为广阔[9]。
新疆伊犁的资源
1.1.3发酵乳的营养价值及保健作用
饮用酸乳制品对身体有很多益处，乳中许多成分具有很高的营养价值，而且微生物菌群产生的许多代谢产物对人体也极为有益。
(1)营养作用牛奶中乳糖经乳酸菌发酵，其中20%～30%被分解为葡萄糖和半乳糖。
前者进一步转化为乳酸或其他有机酸，这些有机酸有益于身体健康；后者被人吸收利用，可参与幼儿脑苷脂和神经物质的合成，并有利于提高乳脂肪的利用率。
牛奶中的蛋白质经发酵作用后，乳蛋白变成微细的凝乳粒，易于被人消化吸收。
酸奶中的磷、钙和铁易被吸收，有利于防止婴儿佝偻病和老人骨质疏松病。牛奶中的脂肪经乳酸菌作用后，发生解离或酯键被破坏，易于被机体吸收。发酵过程
中，乳酸菌还会产生人体所必需的维生素B
1、维生素B
2
、维生素B
6
、维生素B
12
、
烟酸和叶酸等营养物质[10]。
(2)缓解乳糖不耐症乳酸菌产生的乳糖酶能降解牛奶中的乳糖，因此乳糖不耐症患
者饮用酸奶就不会出现饮用牛奶时发生的乳糖不耐症，如腹胀、腹痛、肠道痉挛、下泻等。
(3)整肠作用人体肠道内存在有益菌群和有害菌群。在人体正常情况下，前者占优
势；当人患病时，有害菌群占优势。饮用酸奶可以维持有益菌群的优势[11]。(4)抑菌作用嗜热乳杆菌和双歧杆菌不受胃液和胆汁的影响，可以进入肠道，在肠
道内存留较长时间。这两种乳酸菌以及在这些乳酸菌影响下生长起来的肠道中的其他乳酸菌，可以产生嗜热乳菌素等抗菌物质，这些物质大都对大肠杆菌、沙门氏菌和金黄色葡萄球菌等有明显的抑菌作用[12]。
(5)改善便秘作用进入肠道中的活的乳酸菌能产生乳酸、醋酸等有机酸。这些有
机酸有刺激肠道，加强蠕动的作用，故可以改善便秘[13]。
(6)降低胆固醇牛乳中的乳清酸、乳糖和钙，以及酸奶中存在的羟基戊二酸都有降
低胆固醇的作用[14]。
(7)抗癌作用酸奶有抑制3种酶的活性作用，这些酶能引起癌变。另外，酸奶还能
激活巨噬细胞，抑制肿瘤细胞，从而起到抗癌作用[15] 。
2 设计总论
2．1 设计依据、原则、范围
2．1．1 设计依据
本设计依据新疆大学生命科学与技术学院下达的《设计任务书》而进行设计的。2．1．2 设计原则
本设计以我国目前的乳品行业发展状况为基点，贯彻国家发展食品工业的各项条例，从节省能源，生产向机械化、自动连续化、大型化方向发展。尽量做到因地置宜，力求技术上的可行性和经济上的合理性。尽可能地采用新工艺、新设备、新技术，并节约设备投资，在保证产品质量的前提下，尽可能减少原辅料的消耗，充分考虑工人工作和生活条件，美化环境，搞好生活设施建设，对各方面进行综合考虑，使设计准确合理。
11.1全厂平面设计的基本原则
本设计主要包括生产车间、原料库、成品库、办公楼、宿舍楼、食堂、浴室、配电室、机修车间、锅炉房、水泵房等。总平面布置的好坏关系到所设计工厂的使用效果、基建投资、建厂速度等。因此，进行全厂布置时应服从以下原则：
1 布置紧凑合理，做到节约用地。分期建设的工程，应一次布置，分期建设，还必须为远期发展留有余地。
2 设计必须符合工厂生产工艺的要求，建筑物、构筑物布置上基本符合生产，能保证生产过程的连续性。
3 工厂平面设计必须绵竹乳品工厂卫生要求，生活区、生产区分开，减少污染，并合理绿化，以改善厂内环境。石家庄地区的主导风向为东南风，故锅炉房应建在西南角，处于厂区的下风向，减少车间污染。厂区道路采用水泥路面，厂区内采用环形路，运煤和运煤渣均不穿越生活区、生产区。
4 建筑物和构筑物之间的距离，基本满足生产，并应在主车间、锅炉房及配电室等处设有消防栓防水。
5 生产区内排水为导流明渠形式，地面向排水明渠处倾斜。
7 厂址地平应高于当地最大洪水时水位，锅炉房标高不宜高于主车间，以便主车
间的冷却水回到锅炉房。
40-65%，所以此设计基本合理。
11.3 主车间的布置原则
1 本设计的建筑外形为长方形，车间跨度为6米，且车间内柱子少；
2 车间内人流和物流分开设计，各种物料运输通畅，避免造成污染；
3 原料库设在预处理车间附近的下风处，包装材料库则设在无菌灌装间附近，而成品库在产品分装车间的后部；
4 车间内无通风设备，采用自然通风；
5 生产区域应实现人员单一入口的规定，车间入口处设有可避免人员跨过或绕过的消毒池；
6 生产车间采用水磨石的地面，墙面用白瓷砖贴至车间顶部，天花板涂刷防水涂料；
7车间出入口设有塑料幕布防虫，窗户全部采用纱窗和玻璃的双层窗。
11.4环境卫生要求
乳品工厂要强调良好的个人卫生和健康，保证严格的生产、仓储卫生要求，才可避免对原料和产品的污染。必须做到以下要求：
1．厂内的每个员工（包括临时工）都必须具有健康证，方可上岗；
2. 生产人员不要戴戒指、手镯、项链、耳环等饰品，也不要浓状艳抹，喷洒香水，所有个人用品都不应带入车间；感染或接触过各种传染疾病和有呕吐、腹泻、发热、打喷嚏等症状的员工应在医院确诊未被传染或症状消失后再工作；
3. 进车间前，必须穿戴整齐干净的工作服、帽、靴，接触干性物料时必须戴手套；工作服每天更换，清洗消毒，头发不得露于工作服外；工作靴必须经过消毒池内消毒液的浸泡；
4. 生产过程中必须时刻保持双手的清洁，要注意勤剪指甲，在生产区域内不涂指甲油、不戴假指甲；
5. 车间和库房的地面、墙壁、天花板及设备表面要保持清洁；车间内的门窗应注意随时保持关闭，并安装有纱窗、防蝇帘、灭蝇灯等防虫设施；
6. 在生产区域内安装紫外杀菌灯，生产之前至少开30分钟以上，用于保证空气的清洁；所有的原料包装材料、产品都不应直接露地摆放，同时所用的拍板要保持干燥、清洁，货物堆放时要与四周墙壁保持50㎝以上的距离，而且上面不能接触设备、管道、天花板或有冷凝水滴落；
7. 对于贮奶缸等需要手工清洗的设备，也需要及时有效的清洗方法：首先用40-50℃的热水充分涮洗设备表面，然后用0.8-1.0%的碱液洗涤，用清水冲洗，及时干燥或进行蒸汽杀菌；
8. 使用CIP清洗站的设备，必须保证清洗介质的种类、浓度、湿度、流量和循环时间的准确。
同时，乳品厂对环境污染主要有生产污水，生活污水，锅炉烟尘，煤灰渣及机械噪声等。三废及噪声的治理必须按照“国家环境保护法”提出的全面规划，合理布局，综合利用，化害为利的要求，与主体工程同时设计，同时施工，同时投产。
本工厂的“三废”治理应达到〈污水综合排放标准〉GB8978-88中的规定。噪声防治应达到〈工业企业噪声卫生标准（实行草案）〉和〈城市区域环境噪声标准〉GB3096-93中的规定，同时，还应达到当地环保标准的要求。乳品厂应配备环保管理人员或设环保管理机构，负责环境保护工作。
2．1．3设计范围
本设计主要是年产10000t发酵乳制品车间的工艺设计。设计范围包括厂址选择，制定产品方案，各产品工艺流程的确定，工艺论证，根据物料衡算进行设备选型，对水、电、汽等生产车间必备的生产要素的配给和优化，企业组织及劳动力组成，，车间生产工艺流程图、车间平面布置图、工厂总平面布置图和工厂主要车间立剖图各一张，经济核算及效益分析。
2．2 厂址选择
2．2．1 厂址
本设计厂址选择在伊宁市。
2．2．1 厂址选择原因
⑴符合国家的方针政策。符合当地政府规划，节约用地。
⑵生产条件方面标准。厂区的标高应高于当地历史最高水位，自然排水坡度最好在0.004—0.008之间；所选厂址要有可靠的地质条件；厂区附近应有良好的卫生环境避免各种污染源；厂址面积要满足生产的要求，并有发展余地和留有适当空余场地。
⑶投资和经济效果方面，要做到方便运输，保证供水供电等。
3 原辅材料及产品的标准
3．1 原辅料的特性及标准
3．1．1 原料乳特性及标准
牛乳为乳白色或微黄色，含有丰富的蛋白质、碳水化合物、矿物质等人体所需要的全部营养成分。其营养价值之高是其它食物所不能比的。
原料乳应符合国家标准GB/T 6914-1986中的规定。如表2表所示：
表2 原料乳的国家标准
项目指标
脂肪含量/% ≥ 3.10
相对密度（20℃/4℃）≥ 1.028
酸度（以乳酸计）/% ≤ 0.162
杂质度/（mg/kg）≤ 4
汞含量/（mg/kg）≤ 0.01
三聚氰胺含量/（mg/kg）≤ 2.5
3．1．2 发酵剂特性
发酵剂所用菌种是嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌的混合菌种。直投式发酵剂采用超浓缩处理，含活菌109～1011个/g以上，活力极强，可直接使用，且染菌几率小，节省能耗。发酵剂可使牛乳中的乳糖转化为乳酸，并赋予乳制品以良好的风味。3．1．3 香精特性及标准
香精可增加乳制品的风味、香味。
香精应符合国家标准GB 10355-89中的规定。如表3所示：
表3 香精的国家标准
项目指标状态
粒度/μm ≤2 分布均匀，原液稳定性不分层
砷（As）含量/% ≤0.0003
重金属（以pb计）≤0.001
细菌总数（个/mL）≤100.0
细菌总数（个/mL）≤100.0
大肠菌群（个/mL）≤30
3．1．4 稳定剂特性及标准
这里使用羧甲基纤维素钠（CMC）作为稳定剂，它呈白色或微黄色纤维状粉末，可增加乳制品的黏稠度和稳定性。
羧甲基纤维素钠（CMC）应符合国家标准GB 1940-2005中的规定。如表4所示：表4 羧甲基纤维素钠（CMC）国家标准
项目 FH6指标
2%水溶液粘度，mpa2s ≥ 800～1200
钠含量（Na），% ≥ 6.5～8.5
pH值 6.0～8.5
干燥减量，% ≤ 10.0
氯化物（以Cl-计），% ≤ 1.8
重金属（以pb计），% ≤ 0.002
铁（Fe）,% ≤ 0.03
砷（As）,% ≤ 0.0002
为高粘度。
注：FH
6
3．1．5 白砂糖特性及标准
白砂糖是食糖中质量最好的一种。其颗粒为结晶状，均匀，颜色洁白，甜味纯正。
白砂糖应符合国家标准GB 317-2006中的规定。如表5所示：
表5 白砂糖国家标准
项目指标
蔗糖分，不少于（%） 99.65
还原糖分，不多于（%） 0.15
灰分，不多于（%） 0.10
水分，不多于（%） 0.07
色值，不超过（St°） 2.00
其他不溶于水的杂质，每公斤产品不超过（mg） 60
3.2 产品标准
3.2.1 酸乳
酸乳应符合国家标准GB 2746中的规定.如下所示：
1) 感官指标：呈乳白色或稍带淡黄色，具有清香纯净的乳酸味，凝块稠密结实均匀，无气泡，允许少量乳清析出。
2) 理化指标：见表6
表6 理化指标
项目指标
脂肪（%）≥ 3.10
酸度（以乳酸计）（%） 0.63～0.99
汞（mg/kg，以Hg计）≤ 0.01
3)细菌指标：见表7
4)表7 细菌指标
项目指标
大肠菌群（个/mL）≤90
致病菌（系指肠道致病菌及致病性球菌）不得检出
4 工艺论证
4.1 基本原理
4.2 项目设计主要特点及可行性
4．2．1 设计主要特点
整个生产过程，基本上是连续进行的符合生产向机械化、自动化、连续化、大型化方向发展的要求。
4．2．2 设计可行性
本设计立项目标明确，技术成熟、先进，产品市场广阔，具有良好的经济、社会和生态效益，项目是可行的。
4.3 工艺流程及说明
4.3.1 酸奶的工艺流程及操作要点说明
4.3.1.1 搅拌型酸奶的工艺流程
鲜牛乳
验收
预处理
奶仓
牛乳
白砂糖溶解调配
预热（60℃～65℃）
均质（15MPa）
杀菌(95℃，5min)
冷却(42℃～45℃)
直投式发酵剂接种
发酵（终点pH4.6）
破乳、冷却（15℃～20℃）
溶解杀菌冷却混合
稳定剂、水、白砂糖均质（15MPa）
冷却（15℃～20℃）
灌装、冷藏
保持冷链贮存或销售
4.3.1.2 操作要点说明
（1）预处理
净化可以除去原料乳中的杂质，使牛乳达到最高的纯净度。为使原料乳中脂肪和无脂干物质之间的比例关系符合制品的要求，可通过闪蒸操作调整其比例关系。
（2）预热
预热一方面可以杀菌，而且由于适当加热，可以使一部分乳清蛋白凝固，提高酪蛋白的热稳定性，以防止灭菌时凝固，并赋予成品以适当的黏度。同时可以钝化酶并降低均质后乳脂肪球的直径，防止均质后的产品中脂肪上浮，增加产品的稳定性。预热温度控制在60℃～65℃。
（3）均质
均质主要是使原料充分混合均匀，阻止奶油上浮，提高酸乳的稳定性和稠度，并保证乳脂肪均匀分布，从而获得质地细腻、口感良好的产品。均质压力控制在
15MPa。
（4）杀菌
杀菌目的在于杀灭原料乳中的杂菌确保乳酸菌的正常生长和繁殖，钝化原料乳中的天然抑制物；使乳清蛋白变性，以达到改善组织，提高黏稠度和防止成品乳清西出的目的。杀菌温度控制在95℃，保温5min进行杀菌。
（5）冷却
冷却主要是为接种的需要。经过热处理的牛乳需要冷却到一个适宜的接种温度，此温度控制在42℃～45℃内。
（6）接种
接种是造成酸乳受微生物污染的主要环节之一，因此严格注意操作卫生，防止细菌、酵母、霉菌、噬菌体及其他有害微生物的污染。接种时充分搅拌，使发酵剂与原料乳混合均匀。
（7）发酵
发酵温度控制在42℃～45℃，从而为微生物代谢提供最适的温度环境，发酵时间2.5h～3h，且期间不搅拌。
发酵终点判定：观察发酵乳表面的状态，只要表面呈均匀的凝固样，并且又少量如清析出，即可初步判断接近发酵终点，再测定pH4.6时即可停止发酵。
（8）破乳、冷却
破碎凝胶体，使凝胶体的粒子直径达到0.01mm～0.4mm，并使酸乳的硬度和黏度及组织状态发生变化。搅拌速度不可过快，时间不宜过长。
冷却目的是抑制乳酸菌的生长、降低酶的活性、防止产酸过度、使酸奶逐渐凝固、
降低和稳定脂肪上浮和乳清析出的速度。将发酵乳迅速降温至15℃～20℃。
（9）混合
将经溶解和杀菌的稳定剂、水和白砂糖辅料与发酵乳进行混合。
（10）均质
使混合料液滴微细化，提高料液黏度，抑制粒子的沉淀，并增强稳定剂的稳定效果。均质压力控制在15MPa,均质温度为60℃左右。
均质是为了充分将添加入混合罐中的稳定剂、水和白砂糖辅料混合均匀，从而获得质地细腻、口感良好的产品。
（11）灌装和冷藏
采用相应灌装机进行灌装后的成品置于0℃～5℃冷藏12h～24h，进行后熟，以产生良好的风味。
4.3.2 果味酸奶的工艺流程及操作要点说明
4.3.2.1 果味酸奶的工艺流程
鲜牛乳
验收
预处理
奶仓
牛乳
白砂糖溶解调配
预热（60℃～65℃）
均质（15MPa）
杀菌(95℃，5min)
冷却(42℃～45℃)
直投式发酵剂接种
发酵（终点pH4.6）
果浆破乳、冷却（15℃～20℃）溶解杀菌冷却混合
稳定剂、水、白砂糖、香精均质（15MPa）
冷却（15℃～20℃）
灌装、冷藏
保持冷链贮存或销售
4.3.2.2 操作要点说明
（1）预处理：见4中4.3.1.2中的（1）
（2）预热：见4中4.3.1.2中的（2）
（3）均质：见4中4.3.1.2中的（3）
（4）杀菌：见4中4.3.1.2中的（4）
（5）冷却：见4中4.3.1.2中的（5）
（6）接种：见4中4.3.1.2中的（6）
（7）发酵：见4中4.3.1.2中的（7）
（8）破乳、冷却：见4中4.3.1.2中的（8）
（9）混合