年产5000吨酸奶冰淇淋车间设计.docx

该酸奶冰淇淋品种富含多种有益成分，包括维生素、微量矿物质和氨基酸，适合各个年龄段人群享用，此次规划的目标是建设一个年产能达5000吨的酸奶冰淇淋生产单元，通过测算，每日的产出量设定为17.857吨，整个设计方案涵盖了生产流程的规划、工艺流程的制定、设备的挑选、物料的平衡计算、能量消耗的平衡计算以及车间的空间布局安排。酸奶冰淇淋的制作过程，首先是将混合好的原辅料进行高温杀菌处理，然后迅速降温，接着加入菌种进行发酵，之后通过膜分离技术提纯，再进行搅拌，冷却过程中促进成熟，随后进行凝冻，然后灌入模具成型，完成包装，最后通过硬化工艺提高品质，制作时可以选用全脂奶粉，同时添加水、糖、香料、凝固剂、稳定剂、增稠剂和乳化剂等辅助成分，混合物在经过高温杀菌后，按照比例加入德氏乳杆菌保加利亚亚种和嗜热链球菌进行培养发酵。挑选组合罐、混合容器、叠片式热交换装置、动力单元、陈化槽等装置实施选型，同时规划厂房内部装置的摆放位置。最终完成含控制点的工艺流程图、空间布局图以及高度示意图的绘制。酸奶冰淇淋，在国内被称为冷冻酸奶，属于一种混合状态的饮品。这种食品适合各个年龄段人群食用。本项目的目标是为市场生产5000吨冰淇淋。该班级的学生人数为17.857人。项目计划包括原料选择、生产环节、质量检测等多个方面。超高温瞬时灭菌技术对冰淇淋品质有显著影响，具体表现在多个方面。冰淇淋的原料可以选用全脂牛奶，并添加水、甘蔗糖、稳定剂、乳化剂、香精等食品成分。经过超高温瞬时灭菌后，向混合物中添加酸度调节剂和甜味剂，配比达到1:1。需要确定储罐、搅拌罐、板式换热器、泵和老化设备等关键设备的规格。绘制工艺流程图时，需结合平面图和立体图。关键词：酸奶冰淇淋，工艺流程，设备选型，车间布置现代生活节奏加快，医疗开销持续上升，加上人们对未来生活品质的更高期待，使得人们对健康食品的认知日益增强，尤其热衷于功能性食品，酸奶因能承载益生菌且富含营养和特殊功效，成为全球最受欢迎的食物之一，益生菌酸奶正是当前自我保健和补充医学背景下的一种功能性食品。因此可以研发一款酸奶冷冻甜品，这款甜品能充分融合酸奶与冷冻甜食的特质。十三世纪时马可波罗把亚洲的水冰带到意大利，这类冷冻点心迅速传遍整个欧洲。数个世纪之后欧洲殖民者把冰淇淋带到美国，十九世纪的技术革新让制作冷冻甜品的流程变得更为简便。上世纪七十年代人们曾尝试将酸奶制成冰淇淋，1978年成功研制并销售了全球首款酸奶冰淇淋，其制作是经过高温杀菌的原、辅料混合后进行搅拌凝冻而成的，可以选用全脂奶粉（或牛奶）、低脂奶粉（或牛奶）、脱脂奶粉（或牛奶）等乳品，另加辅料水、糖香精、凝固剂、稳定剂、增稠剂、乳化剂等安全成分，水果和坚果可自行决定是否添加，这些配料在高温杀菌后，按照1:1比例加入适量德氏乳杆菌保加利亚亚种与嗜热链球菌进行发酵培养，辅料可以在高温杀菌和发酵培养之前加入。依据相关准则，需采用极端温度处理和后续降温流程，同时执行规范菌落计数，这些操作仅限于原辅料混合之后、培养发酵之前的阶段进行。最终制成的酸奶冰淇淋，其单位体积的重量应不低于0.5993千克，而产品包装上的说明标识，必须清晰列出所有构成成分及其所占的百分比。这种酸奶冰淇淋含有丰富营养，能够适应从年轻人到老年人的各种需求，与普通冰淇淋相比，它含有更多对人类有益的成分，包括蛋白质、维生素、氨基酸、脂肪以及钙、钾、磷等矿物质元素，通过乳酸菌发酵还能生成B族维生素和维生素C。肠道微生物群平衡的维持或改善，有助于代谢综合征及心血管疾病患者的康复，食用酸奶冰淇淋能够辅助实现这一目标，因为酸奶冰淇淋含有的乳酸菌属于有益微生物，它们进入人体肠道后可以控制有害微生物的繁殖；维生素具有调节人体新陈代谢、减少癌症风险、增强免疫力、降低骨质疏松症和骨质疏松症发生概率等多种作用；蛋白质有助于酸奶冰淇淋保持其物理稳定性。酸奶冰淇淋有助于增加人们糖分、各类脂肪、饱和脂肪、胆固醇、纤维、维生素A和E以及铁的吸收量。制作酸奶冰淇淋时，益生菌含量受多种因素影响，按重要性排序依次为奶粉比例、稳定剂比例、白砂糖比例和酸奶比例，因此生产时采用30%酸奶、12%奶粉、12%白砂糖和0.35%稳定剂进行混合。本次酸奶冰淇淋车间设计选用奶粉作为发酵原料，因此无需额外加入酸奶，需根据前述各种成分的用量进行合理调配。酸奶冰淇淋的膨胀现象，源于在调配罐、搅拌罐等设备中充分搅拌混合时，罐内空气进入混合物料内部，促使冰淇淋体积扩大。膨胀率是指酸奶冰淇淋经过搅拌后体积增大的部分占原体积的百分比。产品的体积增大能够提升其清爽的味道和顺滑的质感，同时还能防止冰晶的形成，让产品在较长时间内维持原有的形态和构造。按照规定，普通冰淇淋的体积膨胀系数介于10%到140%之间，而酸奶冰淇淋在膨胀过程中可能会有轻微的聚集现象，膨胀系数不宜过高也不宜过低，本设计的产品属于偏硬质冰淇淋，因此体积膨胀系数在70%到80%最为适宜。酸奶冰沙在酸奶发酵完成之后必须实施陈酿，这个过程至少要持续四个小时，在陈酿期间，细小的表面活性化学物质会取代蛋白质，在混合物的表层形成薄膜或者双电层结构，乳液稳定剂是表面活性化学物质的一种，它能够让混合物带有相同的电荷，以此避免混合物中的微小液滴彼此粘连，促使形成的混合物更为稳固可靠。乳脂若以极少量乳清蛋白乳化，乳清便可在冷冻时引发诸多现象，诸如部分聚结显著，乳清稳定性增强，酸奶冰淇淋中蛋白质表面分布稀疏。因此，可借助外源脂肪、水分及乳化剂来缓解蛋白质分布稀疏的难题，同时也要考虑溶解于剩余水分中的其他成分，包括甜味配料和稳定配料。原辅料掺和之后实施均质处理，再进行超高温消毒，组合好之后马上冷冻，这样就能避免乳液微滴从混合物中吸附更多蛋白质，导致变得过于浓稠。酸奶冰淇淋在国际上广受欢迎，红芒果公司是韩国制作和售卖酸奶冰淇淋的顶尖企业，该公司凭借极具特色的脱脂酸奶冰淇淋迅速攻入美国市场，其产品成为当地最受欢迎的选择，消费者可以随意在酸奶冰淇淋上添加水果和坚果，这款产品含有大量营养元素，包括蛋白质、矿物质以及钙质。20世纪80年代，冷冻酸奶市场在1986年销售额达到2500万美元，增长幅度十分惊人。各大冰品生产商迅速跟进，纷纷推出自有品牌的冷冻酸奶，并认识到低热量甜品的市场潜力将持续存在。酸奶冰淇淋在欧美国家销量占冷饮市场四分之一，其发展势头迅猛，远好于普通冰淇淋，调查表明风味酸奶冰淇淋的市场份额比原味酸奶冰淇淋高，能达到四成七。在美国，不少年轻人直接把酸奶冰淇淋当作主食吃，1980年代，冷冻酸奶市场在1986年销售额达到两千五百万美元，增长幅度高达三倍。1999至2014年美国健康与营养调查数据表明，购买酸奶冰沙的女性成年人要多于男性，前者占比64.6%，后者为60.8%。在酸奶冰沙购买者中，非裔美国人占4.4%。接近八成的酸奶冰沙购买者拥有大学学历。在所有购买此类冰沙的人群里，有26.4%的人属于肥胖体型，这个比例略低于普通冰沙购买者中肥胖人群的34.3%。社会进步促使大家开始认识到高卡路里、高脂肪食品的坏处，世界顶尖的冰品公司开发出酸奶风味冰品，并且发现这种产品热量和脂肪含量都较低。在拉丁美洲地区，酸奶口味冰品的使用并不普遍，特别是在墨西哥，这主要是因为当地缺少与酸奶食用相关的习俗背景。另外，也很少有人向墨西哥民众传递关于酸奶冰品食用益处的健康资讯。九十年代初期，香港地区流行享用冷冻酸奶，这种食品在当地颇为时髦；与此同时，在中国大陆地区，冷冻酸奶产品尚属罕见，主要局限于少数高档西餐厅及冷饮店供应，表明其拥有广阔的市场拓展潜力。中国能够积极推广价格实惠、营养充足、满足大众多样化需求的酸奶雪糕，国内雪糕年产量正以百分之三十的幅度持续攀升，唯有破解酸奶雪糕同质化难题，赋予产品鲜明的地域特色，将来此类雪糕在内地的销量有望达到每年百分之三十以上，甚至实现更快的增长。酸奶冰淇淋制作流程的规划旨在参考相关文献资料，明确每个环节所需的设备以及工艺条件，确保生产过程的科学性；在保证生产效率的前提下，注重经济效益，防止资源的不合理消耗；需要合理配置生产人员，科学安排工作时间，激发员工的工作热情，以此提升酸奶冰淇淋的整体产出水平；同时要科学规划生产车间的空间布局，充分利用场地资源，减少空间占用。品质标准依据冷冻食品冰淇淋的行业标准SB/T?10013-2016中冰淇淋的感官需求和理化数据，如表1.1、表1.2所列，同时参照1-2003冷冻食品卫生规范，如表1.3所示。表1.1 冰淇淋感官品质标准项目清型冰淇淋组合型冰淇淋色泽符合品种应有的颜色形态轮廓清晰、颗粒均匀、不变形、不软塌、不收缩组织细腻顺滑、无可见粗糙结晶、无气孔具备品种应有的组织特点滋味气味味道平衡、带有乳脂或植物脂香气、香气纯正具备品种应有的味道和气味、无异味杂质无肉眼可见的异物表1.2 冰淇淋理化参数项目全乳脂含量半乳脂含量植脂含量清型冰淇淋组合型冰淇淋清型冰淇淋组合型冰淇淋a非脂乳固体含量b/% ≥6.0总固形物含量/% ≥30.0脂肪含量/% ≥8.06.05.06.05.0蛋白质含量/% ≥2.52.22.52.22.52.2膨胀率/ ~140a组合型产品的各项指标均指冰淇淋主体部分b非脂乳固体含量按原始配料计算表1.3 冰淇淋卫生标准项目标准值总砷（以As计）/（mg/L）≤0.2铅（Pb）/（mg/L）≤0.3铜（Cu）/（mg/L）≤5.0菌落总数/（cfu/mL）≤25000大肠杆菌/（MPN/100 mL）≤450致病菌（指沙门氏菌、志贺氏菌和金黄色葡萄球菌）不得检出2 车间设计2.1设计相关数据2.1.1 生产规模依据酸奶冰淇淋年产量确定车间生产规模如表2.1所示表2.1 生产规模编号生产规模说明1年产量5000吨/年2产品类型酸奶冰淇淋3生产天数250天4每班日工作时长8小时2.1.2 生产计划按照年产量5000吨酸奶雪糕的生产需求进行车间设计，主要原料为全脂奶粉，生产分为淡季和旺季两个阶段，5月至9月共150天为生产旺季且每日安排两班工作，其余月份共100天为生产淡季且每日安排一班工作，其余115天用于设备维护保养及员工休假。酸奶冰淇淋生产安排如表2.2所示。表2.2 酸奶冰淇淋制造计划表产品类型年产量吨班产量吨1月10天2月10天3月15天4月25天5月30天6月30天7月30天8月30天9月30天10月20天11月10天12月10天酸奶冰淇淋0.857吨注：标示为该月单班生产线标示为该月双班生产线预估的新建酸奶冰淇淋工段产能：（1）年制造量：总量（2）全年作业日数：日数总（3）设备使用率取值0.7，每班制造量：则每小时产出为2.232吨2.1.3 酸奶冰淇淋的配方构成原料：全脂奶粉添加物：水、香料、助悬剂、糖分、增稠凝固物、调味料、发酵菌种、棕榈脂、增稠助剂等。酸奶冰淇淋的配方详情列于表2.3中。表2.3具体列出了调制酸奶冰淇淋所需的各种原料，包括原料的名称，分别是奶粉、白砂糖、水、甲基香兰素、三聚甘油酯、棕榈油、麦芽糊精、CMC、明胶、软磷脂以及乳酸菌含量，其数值分别为1557.2、0.1、0.2、4、10、0.5、0.5、0.5、22.2。生产流程与相关说明如下，2.2.1部分详细介绍了酸奶冰淇淋的生产流程，其车间设计的工艺流程图展示在图2.1中。原料与辅料合并进行预先加热并完成均质化处理,接着实施杀菌操作,然后再次混合原料与辅料并继续进行预先加热,之后执行均质化操作,随后进行冷却,接着加入接种物进行发酵,随后进行膜分离,之后实施搅拌,完成冷却后进行后熟,然后进行凝冻处理,接下来执行灌装,随后进行成型,然后实施包装,接着进行硬化处理,完成冷藏后成为成品,最后贴上标签,接着进行装箱,入库前需进行检验,整个过程涉及乳酸菌,如图2.1所示为工艺流程图,图2.2.2为生产流程说明,具体步骤如下,首先,在调配罐内将全脂奶粉、水、香料、乳化剂、糖分、稳定剂与凝固剂、增味剂、棕榈油、增稠剂等按照预设比例混合均匀,其次,将混合完成的物料送入均质设备进行加工,这样能够使最终制成的冰淇淋具有细腻的口感、顺滑柔软的质地,同时有助于提升膨胀率、减少冰晶颗粒大小、增强产品稳定性和延长保质期。初始温度设定在63度至65度，采用双级均质设备对物料进行粉碎处理使其更加细腻，第一阶段压力维持在15兆帕到20兆帕之间，第二阶段压力则调整在3兆帕到6兆帕范围内。加热至120度，保持2到8秒，实现超高温瞬间杀菌，满足商业无菌标准，然后进行冷却，接着加入乳酸菌，其中德氏乳杆菌保加利亚亚种与嗜热链球菌以1比1的比例混合，该菌种接种时所需的温度为42到43度，板式换热器能够迅速将温度调整到接种所需的范围制作搅拌型酸奶时，先将其降温处理,这样做能够避免发酵期间出现失水以及酸度过高的现象,在发酵罐里进行酸奶发酵,要求罐体上下温度差距不能大于1.5摄氏度,当pH值达到4.5到4.6的范围时,就表明发酵已经完成。乳酸菌发酵会形成三种形态各异的乳酸，分别是L型、D型和DL型，人体内仅配备消化、分解并吸收L型乳酸的酶类，因此只有L-乳酸能够被完全吸收，其余两种形态的2-羟基丙酸，如果摄入量超出人体所能承受的ADI值，可能会造成食用者代谢紊乱，严重时甚至引发食物中毒，为了解决这个问题，可以采用膜分离技术，该技术的操作压力通常维持在0.01到0.05兆帕之间。发酵乳经过膜分离后，送入板式换热器进行冷却，温度降至20至25摄氏度，接着在搅拌罐内处理，使凝胶体颗粒的尺寸介于0.01至0.4微米之间，其中0.1微米的颗粒能够被肉眼识别，而0.01微米的颗粒则无法看见，这一过程导致发酵乳的构造、坚实程度以及粘稠度均发生改变，其pH值调整至4.7，最后借助泵和管道系统，以低于0.5米每秒的层流状态进行输送。冷却之后进行熟化，通过迅速降温避免酸奶结构再次形成，将其在零度到四度的熟化槽中保存四到六个小时，接着完成熟化过程，能够增强粘稠感，形成香味成分，提升酸奶的口感，还能使体积有所增大。冻结过程借助冷冻设备的剧烈搅动进行，促使极细小的气孔形态的气体均匀散布在混合物料内部，20%到40%的水分形成细小的冰晶结构，从而赋予冰淇淋优质的形态和结构特征。后续步骤包括通过冰砖灌装设备、冰砖分割机械以及纸杯注料装置等完成塑形，并进入硬化环节使用螺旋形带传送带的速冻设备，冷空气与传送运行轨迹逆向，气流温度介于零下三十四度至零下三十八度，吹拂速度约每秒五米，冰品在传送带上经过三十分钟到五十分钟，即可降至零下十八度至零下二十度。包装方面，需要选用不会和酸奶冰淇淋发生反应、也不会带来有害物质的材料，确保材质安全无味，同时还要具备出色的避光功能，良好的隔热和保冷效果，优异的防气与防氧渗透能力，以及耐腐蚀的特性。选用具备耐热、高韧、抗候、高阻、安全卫生及合理成本特性，且废料能再生的复合材料，如CPP、EVA、PE和离子型聚合物，能够将酸奶的保存期限提升半年至一年。包装可选用无菌纸杯，其构造从外至内依次为PE、纸、PA、铝箔、PE、PE，总计六重材料层。冷藏时，温度需控制在零下二十摄氏度，且库内温度必须稳定不变，同时相对湿度维持在百分之八十五至九十之间，这种环境适用于对产品进行储存。物料平衡的计算，是基于工艺流程和生产计划，依照设计标准，年产量设定为五千吨酸奶冰淇淋，综合考量生产环节中物料的消耗与损耗，最终确定每日的产量为十七点八五七吨。酸奶冰淇淋各流程损失率如表2.4所示。表2.4 各环节的损耗率原辅料合并预温均质灭活发酵膜分离混合熟化冻结塑形降温输送损耗损耗值%0.50.210.20..20.20.1酸奶冰淇淋塑形前：17.857÷在塑形前酸奶冰淇淋须要经过输送管，输送管损耗0.1%，故输送前（即冻结后）：17.893÷酸奶冰淇淋冻结前：17.911÷在冻结前酸奶冰淇淋须要经过输送管，输送管损耗0.1%，故输送前（即熟化后）：18.092÷1-0.1%酸奶冰淇淋熟化前：18.110÷（1-2%）=18.479 在熟化前酸奶冰淇淋须要经过输送管，输送管损耗0.1%，故输送前（即降温后）：18.479酸奶冰淇淋降温前：18.498÷在降温前酸奶冰淇淋须要经过输送管，输送管损耗0.1%，故输送前（即混合后）： 18.535酸奶冰淇淋混合前：18.553÷在混合前酸奶冰淇淋须要经过输送管，输送管损耗0.1%，故输送前（即降温后）：18.酸奶冰淇淋降温前：18.951÷1-0.2%=18.989 t/班（2.在降温前酸奶冰淇淋须要经过输送管，输送管损耗0.1%，故输送前（即膜分离后）：18.989÷1-0.1%酸奶冰淇淋膜分离前：19.008÷1-15%在膜分离前酸奶冰淇淋须要经过输送管，输送管损耗0.1%，故输送前（即发酵后）：22.363÷1-0.1%酸奶冰淇淋发酵前：22.385÷1-0.5%酸奶冰淇淋接种前：22.497×1-2%在接种前酸奶冰淇淋须要经过输送管，输送管损耗0.1%，故输送前（即降温后）：22.047÷1-0.1%酸奶冰淇淋降温前：22.070÷1-0.2%在降温前酸奶冰淇淋须要经过输送管，输送管损耗0.1%，故输送前（即灭活后）：22.114酸奶冰淇淋灭活前：22.136在灭活前酸奶冰淇淋须要经过输送管，输送管损耗0.1%，故输送前（即均质后）：22.180酸奶冰淇淋均质前：22.202在均质前酸奶冰淇淋须要经过输送管，输送管损耗0.1%，故输送前（即预温后）：22.427酸奶冰淇淋预温前：22.449在预温前酸奶冰淇淋须要经过输送管，输送管损耗0.1%，故输送前（即原辅料合并后）：22.494原辅料合并量：22.5172.3.2 原辅料耗用量依据表2.3调配时酸奶冰淇淋配方表能够获得酸奶冰淇淋各配方的应用量，如表2.5所示。表2.5 酸奶冰淇淋所需原料种类及每班用量原料包含奶粉、白砂糖、水、甲基香兰素、三聚甘油酯、棕榈油、麦芽糊精、CMC、明胶、软磷脂和乳酸菌，每班分别消耗2.71吨、3.395吨、12.94吨、0.023吨、0.045吨、0.905吨、2.263吨、0.113吨、0.113吨、0.113吨和0.452吨。2.3.3 原辅料混合后的成分明细假设全脂奶粉含脂肪40%、非脂乳固体55%、蛋白质50%，酸奶冰淇淋混合料成分量如表2.6所示表2.6 酸奶冰淇淋混合料成分明细原料投入量（吨/班）蛋白质（吨/班）糖分（吨/班）油脂（吨/班）非脂乳固体（吨/班）总固体（吨/班）奶粉2.7161.0861.4942.580白砂糖3.395水12.甲基香兰素0.023三聚甘油酯0.045棕榈油0.905麦芽糊精2.263明胶0.113软磷脂0.113总量22.6301.3583.3951.9281.4949.552.3.4 物料平衡图产品物料平衡图详见下图2.2。原辅料经过2.3%预热均质混合后接种，接着发酵，通过膜分离搅拌，完成冷却后熟，再凝冻成型，最后进行包装成为成品，整个过程添加了0.1%到1.0%的某种成分，流量分别为2366.5 kg/h、2319.125 kg/h、2261.5 kg/h、2238.875 kg/h，之后添加了0.1%的另一种成分，流量变为2236.625 kg/h、2232.125 kg/h、2232.125 kg/h，随后又添加了0.1%到1.3%的第三种成分，并额外加入了2%的乳酸菌，接着添加了0.5%到15%的第四种成分，同时增加了-2.0%到15%的白砂糖，以及4.0%的棕榈油、10%的麦芽糊精、0.5%的CMC、0.5%的明胶、0.5%的软磷脂、0.1%的甲基香兰素，并混合了57.2%的水和0.2%的三聚甘油酯，之后再次添加了-0.5%到-0.1%的第五种成分，流量为2828.75 kg/h、2814.625 kg/h，然后添加了-0.2%到-0.4%的第六种成分，流量依次为2803.375 kg/h、2775.25 kg/h、2755.875 kg/h、2798.125 kg/h，接着添加了-0.1%到-0.4%的第七种成分，流量分别为2795.375 kg/h、2376 kg/h、2316.875 kg/h、2263.75 kg/h，随后进行了杀菌处理，流量为2772.5 kg/h、2767 kg/h，最后添加了-0.2%到-0.4%的第八种成分，如图2.2所示，图3展示了物料平衡情况，生产车间产品品质的好坏，关键在于原辅材料是否达标，生产人员对机器操作是否得当，以及机器自动化水平的高低。本酸奶冰淇淋车间生产流程实现连续化运作，且全面自动化控制，因此所需人力相对较少，具体人员配置情况参见表3.1、表3.2。表3.1 展示了各部门人员配置情况,生产部包含车间主任,配料员,调配员,预热均质人员,杀菌人员,成型人员,冷却人员,线检人员,套标喷码人员,包装人员,锅炉人员,接种人员,运输人员,发酵人员,膜分离人员,搅拌人员,凝冻人员,冷却后熟人员,装箱人员,技术部包含工程师,技术员