年產900 t雞蛋蛋白多肽設備工藝設計

李次力，程健博

1. 哈爾濱商業大學，黑龍江省普通高等學校食品科學與工程重點實驗室（哈爾濱 150076）；2. 黑龍江飛鶴乳業有限公司（齊齊哈爾 161005）

目前，傳統的雞蛋加工工業已經不能滿足雞蛋深加工的需要，雞蛋生產旺季常出現銷售不旺、價格持續低迷的情況，這嚴重影響養雞業的發展[1]。通過對雞蛋蛋白質水解工藝的研究，開發雞蛋蛋白質水解多肽系列營養食品，是雞蛋進行深加工、增加雞蛋附加值的有效途徑之一[2]。我國人口眾多，食品銷量巨大，且隨著人民生活水平的提高，消費者對功能營養食品的需求越來越高[3]。隨著基因工程、細胞工程、酶工程等生物技術的飛速發展，功能食品研究水平得到極大的提高和加強[4]。而功能因子即生物活性物質己成為研究的重要熱點，己確定的功能性食品基料中活性肽類己成為當今世界最具有活力的功能食品研究和加工的新領域[5]。因此滿足這一需求的雞蛋蛋白質水解多肽系列營養食品具有廣大的潛在市場，可迅速實現產業化。

1 工藝流程論證

1.1 工藝流程設計

雞蛋蛋白多肽生產工藝流程：雞蛋→清洗→表層烘干→打蛋→高溫變性→調pH→保溫→酶解→滅酶→濃縮→噴霧干燥→X光機→磁選機→包裝→雞蛋肽粉。

1.2 工藝流程要點

1) 雞蛋清選：按原料驗收標準和檢驗規程，將收購的鮮雞蛋原料進行檢驗，送入全自動洗蛋機，蛋體表面烘干。

2) 打蛋：將潔蛋依次送入打蛋機，料液比按1∶4（g/mL）注水，在高剪切力的作用下呈均勻漿狀。

3) 高溫變性：于80 ℃加熱變性，經膠體磨均質備用。

4) 調節pH：用濃度為1 mol/L的食品級氫氧化鈉溶液調節酸堿度至所需pH。

5) 保溫酶解：根據選用的酶活力，準確量取物料底物及堿性內切蛋白酶加入到水解反應罐中，并按40 r/min緩慢攪拌，在水解過程中及時加入標準食品級氫氧化鈉溶液以維持水解所需pH，在65 ℃水解60～80 min后，停止攪拌，膠體磨混合[6]。

6) 滅酶：停止攪拌后迅速加熱至85 ℃，保持5～8 min，使酶鈍化，得到雞蛋蛋白肽水解液[7]。

7) 濃縮：調整酶解液pH至7，固形物含量濃縮至50%，加熱至50～60 ℃備用。

8) 噴霧干燥：將物料泵入噴霧干燥塔，進風溫度120 ℃，出風溫度70 ℃[8-9]。

9) X光機除雜：選擇塑料、木頭、玻璃、硅膠作為檢測塊。

10) 磁選機除雜：磁選精度2 mm[10]。

11) 包裝：噴霧干燥粉冷卻后，送入粉體包裝機包裝。

12) 產成品：原料粉12.5 kg/袋，每2袋包入瓦楞紙箱內，即為終產成品。

2 工藝計算

工藝計算主要是應用能量守恒定律來探究生產過程的物料衡算和熱量衡算問題。物料衡算和能量衡算是進行雞蛋肽工藝設計、過程經濟評價、節能分析以及過程優化的基礎。此外，還要對產品方案、班產量、生產人員、設備選型、生產用水、用汽量等做出計算。

2.1 原輔料衡算

生產周期為一年，旺季一天班次為3班，中季班次為2班，淡季班次為1班。因全年只有300 d的實際生產日，其中旺季3個月、淡季3個月、中季4個月。

若生產1 t雞蛋蛋白肽，則需要0.8%堿性內切蛋白酶、0.8%復合風味蛋白酶、0.6%枯草芽孢桿菌AS1398蛋白酶、0.6%木瓜蛋白酶，但在加工工程中會有一定的損失，其中原料檢驗篩選損失約3%，破殼打蛋工藝損失約15%，保溫酶解過程損失約3.5%，鈍化滅酶過程損失約1%，噴霧干燥過程損失約4.6%，X光機除雜損失約2%，磁選機除雜損失約2%，包裝過程中損失1%。原輔料衡算結果詳見表1。

表1 原輔料衡算表

2.2 包裝物衡算

雞蛋蛋白多肽年產量900 t成品，其中：12.5 kg規格真空包裝400 t；25 kg規格真空包裝500 t；瓦楞紙箱3.6萬個。包裝用量規格見表2。

表2 包裝物衡算表

2.3 最大蒸汽耗量衡算

項目總熱量可按式（1）進行計算[11]。

式中：∑Q入為輸入的熱量總和，kJ/h；∑Q出為輸出的熱量總和，kJ/h；∑Q損為損失的熱量總和，kJ/h。

總耗熱量計算公式見（2）。

式中：Q1為酶解及滅酶過程耗熱量，kg/h；Q2為噴霧干燥過程耗熱量，kg/h；Q3為濃縮過程過程耗熱量，kg/h。

使用表壓為0.3MPa的飽和蒸汽提供熱量，查飽和水蒸氣表得，I=2725.3 kJ/kg，蒸汽的熱效率η=95%，i為相應的冷凝水焓（561.47 kJ/kg），則最高單位時間耗能Qmax=2.26×106/（3×0.95）=7.93×105kJ，每小時最大耗汽量見式（3）[11]。

式中：M為總耗汽量，kg/h；∑m為其他耗汽量，kg/h。

每小時最大蒸汽耗量衡算結果詳見表3。

表3 最大蒸汽耗量衡算表

2.4 用水量衡算

項目生產過程中，生產用水主要包括潔蛋清洗、CIP清洗、加工用工藝水。據測算，包括生活用水在內，小時平均用水量為9.49 m3，日最大用水量為227.72 m3。冷卻循環水池為一次性注入100 m3水后循環使用，按每天4 m3計算補給水，每小時最大用水量詳見表4。

表4 最大用水量衡算表

2.5 用電量衡算

生產用電主要包括各機械設備在生產時產生的電力消耗。酶解罐、噴霧干燥機、電加熱攪拌罐等生產設備合計最大用電量為49.05 kW/h。

照明用電主要包括各車間及辦公樓、倉庫及廠區街道，合計最大用電量為14.7 kW/h。

3 設備選型

3.1 電加熱攪拌罐

3.1.1 罐體體積的計算

每小時攪拌雞蛋液1.67 t，按1∶4（g/mL）的料液比加水混合并置于攪拌罐中，為保證原料同時進入攪拌罐、提高生產效率，罐體全容積不小于10 m3，如式（4）所示[11]。

式中：φ為貯罐填充系數，取75%；V實為實際物料量，m3；V罐為蒸煮罐的體積，m3。

將數值代入式（4）中，V罐=13.3 m3。

3.1.2 攪拌軸功率的計算

通風攪拌罐，攪拌軸功率的計算由修正的邁凱爾公式求得率，并由此選擇電機。雞蛋混合液可視為牛頓流體。

1) 計算Rem，如式（5）所示[11]。

式中：D為攪拌軸直徑，取1.6 m；N為攪拌軸轉速，取95/60=1.58 r/s；ρ為料液密度，取980 kg/m3；μ為料液黏度，取1.9×10-3N·s/m2。

2) 攪拌軸功率P0按式（6）計算[11]。

式中：Np為在湍流攪拌狀態時的常數，其常數值為4.7；N為攪拌轉速，取95 r/min=1.58 r/s；D為攪拌器直徑，取1.6 m；ρ為料液密度，取980 kg/m3。

將數值代入式（6），P0′=4.7×1.583×1.65×980=196.5×103W=196.5 kW，兩檔攪拌P0=2P0′=393 kW。

3) 求電機功率P電，按式（7）計算。

式中：三角帶傳動η1=0.92，滾動軸承η2=0.99，滑動軸承η3=0.98；端面密封增加的功率為1%，將數值代入式（7），得。

3.2 清洗設備

CIP就地清洗設備主要對項目中的酶解罐、液體儲罐、三效降膜蒸發器及相關管路進行清洗，系統包括堿罐、酸罐、清水罐、泵、自控系統等。詳細計算見式（8）。

式中：V堿為堿罐體積，m3；V酸為酸罐體積，m3；V清為清水罐體積，m3；Vn為實際需要清洗量，m3；Gn為管道凈流量體積（Gn=0.16Vn），m3；η為體積系數，取0.02。

Vn為酶解罐、液體儲罐、三效降膜蒸發器體積的總和，取142.5 m3，Gn=22.8 m3，將數值代入式（8），V堿=V酸=2V清=（142.5+22.8）×0.02=3.306 m3。

備選設備參數：堿罐、酸罐2×3 m3，清水罐1×1.5 m3，離心泵流量10 t/h，離心泵最大揚程39 m，電機功率2.2 kW/2 860 r/min。

3.3 設備清單

年產900 t雞蛋蛋白多肽項目主要生產加工設備見表5[13]。

表5 主要設備一覽表

4 工程設計

4.1 土建工程設計

為滿足工藝流程，雞蛋肽生產及輔助設施的設置結合總平面布置，盡量做到適用、安全、美觀、經濟節約。整個廠區的生產車間及輔助設施布置分區明確，生產工藝流程合理，廠區道路相連形成環路，符合《工業企業總平面布置設計規范》《建筑設計防火規范》的要求[12]。廠區總占地面積37 500 m2，其中包括道路及綠化22 406 m2，建筑面積15 094 m2，各類建筑10棟，建筑面積16 894 m2，土建工程建設內容詳見表6。

表6 土建工程一覽表

4.2 環保工程設計

該項目先將污水進行預處理（預處理設施由格柵、隔油池、水解酸化池、中和池、調節池、氣浮池組成），主要目的是用物理方法除去水中的油脂[14]。

廢氣污染源主要包括濃縮和干燥產生二次蒸汽和濕空氣廢氣，二次蒸汽進行熱回收后送入循環系統和濕空氣除塵，由生產廠房的汽樓排放至大氣中[15]。

在雞蛋多肽生產過程中，副產物大部分被利用，每年有300 t蛋殼殘渣賣給廠家用做鈣片生產，煤渣則采用外埋的方式處理。

5 結論

該研究的目的在于優化雞蛋多肽加工工藝，為大規模產業化提供理論依據，結合雞蛋蛋白多肽的工藝流程，對模擬商業化生產過程進行詳細的設備設施及能源計算。結果顯示：該項目年產雞蛋蛋白多肽900 t，生產周期為一年，旺季一天班次為3班，中季班次為2班，淡季班次為1班。全年實際生產日300 d，其中旺季3個月、淡季3個月、中季4個月。班產雞蛋蛋白多肽1.67 t。最大蒸汽耗量為2780 kg/h，最大耗水量為8.53 m3/h，最大耗電量為63.75 kW/h。項目共需要各類設備19臺（套），廠區總占地面積37500 m2，其中包含道路及綠化22406 m2，廠區建筑面積15094 m2。各類建筑10棟，各類建筑面積16894 m2。