年产900 t鸡蛋蛋白多肽设备工艺设计

李次力，程健博

1. 哈尔滨商业大学，黑龙江省普通高等学校食品科学与工程重点实验室（哈尔滨 150076）；2. 黑龙江飞鹤乳业有限公司（齐齐哈尔 161005）

目前，传统的鸡蛋加工工业已经不能满足鸡蛋深加工的需要，鸡蛋生产旺季常出现销售不旺、价格持续低迷的情况，这严重影响养鸡业的发展[1]。通过对鸡蛋蛋白质水解工艺的研究，开发鸡蛋蛋白质水解多肽系列营养食品，是鸡蛋进行深加工、增加鸡蛋附加值的有效途径之一[2]。我国人口众多，食品销量巨大，且随着人民生活水平的提高，消费者对功能营养食品的需求越来越高[3]。随着基因工程、细胞工程、酶工程等生物技术的飞速发展，功能食品研究水平得到极大的提高和加强[4]。而功能因子即生物活性物质己成为研究的重要热点，己确定的功能性食品基料中活性肽类己成为当今世界最具有活力的功能食品研究和加工的新领域[5]。因此满足这一需求的鸡蛋蛋白质水解多肽系列营养食品具有广大的潜在市场，可迅速实现产业化。

1 工艺流程论证

1.1 工艺流程设计

鸡蛋蛋白多肽生产工艺流程：鸡蛋→清洗→表层烘干→打蛋→高温变性→调pH→保温→酶解→灭酶→浓缩→喷雾干燥→X光机→磁选机→包装→鸡蛋肽粉。

1.2 工艺流程要点

1) 鸡蛋清选：按原料验收标准和检验规程，将收购的鲜鸡蛋原料进行检验，送入全自动洗蛋机，蛋体表面烘干。

2) 打蛋：将洁蛋依次送入打蛋机，料液比按1∶4（g/mL）注水，在高剪切力的作用下呈均匀浆状。

3) 高温变性：于80 ℃加热变性，经胶体磨均质备用。

4) 调节pH：用浓度为1 mol/L的食品级氢氧化钠溶液调节酸碱度至所需pH。

5) 保温酶解：根据选用的酶活力，准确量取物料底物及碱性内切蛋白酶加入到水解反应罐中，并按40 r/min缓慢搅拌，在水解过程中及时加入标准食品级氢氧化钠溶液以维持水解所需pH，在65 ℃水解60～80 min后，停止搅拌，胶体磨混合[6]。

6) 灭酶：停止搅拌后迅速加热至85 ℃，保持5～8 min，使酶钝化，得到鸡蛋蛋白肽水解液[7]。

7) 浓缩：调整酶解液pH至7，固形物含量浓缩至50%，加热至50～60 ℃备用。

8) 喷雾干燥：将物料泵入喷雾干燥塔，进风温度120 ℃，出风温度70 ℃[8-9]。

9) X光机除杂：选择塑料、木头、玻璃、硅胶作为检测块。

10) 磁选机除杂：磁选精度2 mm[10]。

11) 包装：喷雾干燥粉冷却后，送入粉体包装机包装。

12) 产成品：原料粉12.5 kg/袋，每2袋包入瓦楞纸箱内，即为终产成品。

2 工艺计算

工艺计算主要是应用能量守恒定律来探究生产过程的物料衡算和热量衡算问题。物料衡算和能量衡算是进行鸡蛋肽工艺设计、过程经济评价、节能分析以及过程优化的基础。此外，还要对产品方案、班产量、生产人员、设备选型、生产用水、用汽量等做出计算。

2.1 原辅料衡算

生产周期为一年，旺季一天班次为3班，中季班次为2班，淡季班次为1班。因全年只有300 d的实际生产日，其中旺季3个月、淡季3个月、中季4个月。

若生产1 t鸡蛋蛋白肽，则需要0.8%碱性内切蛋白酶、0.8%复合风味蛋白酶、0.6%枯草芽孢杆菌AS1398蛋白酶、0.6%木瓜蛋白酶，但在加工工程中会有一定的损失，其中原料检验筛选损失约3%，破壳打蛋工艺损失约15%，保温酶解过程损失约3.5%，钝化灭酶过程损失约1%，喷雾干燥过程损失约4.6%，X光机除杂损失约2%，磁选机除杂损失约2%，包装过程中损失1%。原辅料衡算结果详见表1。

表1 原辅料衡算表

2.2 包装物衡算

鸡蛋蛋白多肽年产量900 t成品，其中：12.5 kg规格真空包装400 t；25 kg规格真空包装500 t；瓦楞纸箱3.6万个。包装用量规格见表2。

表2 包装物衡算表

2.3 最大蒸汽耗量衡算

项目总热量可按式（1）进行计算[11]。

式中：∑Q入为输入的热量总和，kJ/h；∑Q出为输出的热量总和，kJ/h；∑Q损为损失的热量总和，kJ/h。

总耗热量计算公式见（2）。

式中：Q1为酶解及灭酶过程耗热量，kg/h；Q2为喷雾干燥过程耗热量，kg/h；Q3为浓缩过程过程耗热量，kg/h。

使用表压为0.3MPa的饱和蒸汽提供热量，查饱和水蒸气表得，I=2725.3 kJ/kg，蒸汽的热效率η=95%，i为相应的冷凝水焓（561.47 kJ/kg），则最高单位时间耗能Qmax=2.26×106/（3×0.95）=7.93×105kJ，每小时最大耗汽量见式（3）[11]。

式中：M为总耗汽量，kg/h；∑m为其他耗汽量，kg/h。

每小时最大蒸汽耗量衡算结果详见表3。

表3 最大蒸汽耗量衡算表

2.4 用水量衡算

项目生产过程中，生产用水主要包括洁蛋清洗、CIP清洗、加工用工艺水。据测算，包括生活用水在内，小时平均用水量为9.49 m3，日最大用水量为227.72 m3。冷却循环水池为一次性注入100 m3水后循环使用，按每天4 m3计算补给水，每小时最大用水量详见表4。

表4 最大用水量衡算表

2.5 用电量衡算

生产用电主要包括各机械设备在生产时产生的电力消耗。酶解罐、喷雾干燥机、电加热搅拌罐等生产设备合计最大用电量为49.05 kW/h。

照明用电主要包括各车间及办公楼、仓库及厂区街道，合计最大用电量为14.7 kW/h。

3 设备选型

3.1 电加热搅拌罐

3.1.1 罐体体积的计算

每小时搅拌鸡蛋液1.67 t，按1∶4（g/mL）的料液比加水混合并置于搅拌罐中，为保证原料同时进入搅拌罐、提高生产效率，罐体全容积不小于10 m3，如式（4）所示[11]。

式中：φ为贮罐填充系数，取75%；V实为实际物料量，m3；V罐为蒸煮罐的体积，m3。

将数值代入式（4）中，V罐=13.3 m3。

3.1.2 搅拌轴功率的计算

通风搅拌罐，搅拌轴功率的计算由修正的迈凯尔公式求得率，并由此选择电机。鸡蛋混合液可视为牛顿流体。

1) 计算Rem，如式（5）所示[11]。

式中：D为搅拌轴直径，取1.6 m；N为搅拌轴转速，取95/60=1.58 r/s；ρ为料液密度，取980 kg/m3；μ为料液黏度，取1.9×10-3N·s/m2。

2) 搅拌轴功率P0按式（6）计算[11]。

式中：Np为在湍流搅拌状态时的常数，其常数值为4.7；N为搅拌转速，取95 r/min=1.58 r/s；D为搅拌器直径，取1.6 m；ρ为料液密度，取980 kg/m3。

将数值代入式（6），P0′=4.7×1.583×1.65×980=196.5×103W=196.5 kW，两档搅拌P0=2P0′=393 kW。

3) 求电机功率P电，按式（7）计算。

式中：三角带传动η1=0.92，滚动轴承η2=0.99，滑动轴承η3=0.98；端面密封增加的功率为1%，将数值代入式（7），得。

3.2 清洗设备

CIP就地清洗设备主要对项目中的酶解罐、液体储罐、三效降膜蒸发器及相关管路进行清洗，系统包括碱罐、酸罐、清水罐、泵、自控系统等。详细计算见式（8）。

式中：V碱为碱罐体积，m3；V酸为酸罐体积，m3；V清为清水罐体积，m3；Vn为实际需要清洗量，m3；Gn为管道净流量体积（Gn=0.16Vn），m3；η为体积系数，取0.02。

Vn为酶解罐、液体储罐、三效降膜蒸发器体积的总和，取142.5 m3，Gn=22.8 m3，将数值代入式（8），V碱=V酸=2V清=（142.5+22.8）×0.02=3.306 m3。

备选设备参数：碱罐、酸罐2×3 m3，清水罐1×1.5 m3，离心泵流量10 t/h，离心泵最大扬程39 m，电机功率2.2 kW/2 860 r/min。

3.3 设备清单

年产900 t鸡蛋蛋白多肽项目主要生产加工设备见表5[13]。

表5 主要设备一览表

4 工程设计

4.1 土建工程设计

为满足工艺流程，鸡蛋肽生产及辅助设施的设置结合总平面布置，尽量做到适用、安全、美观、经济节约。整个厂区的生产车间及辅助设施布置分区明确，生产工艺流程合理，厂区道路相连形成环路，符合《工业企业总平面布置设计规范》《建筑设计防火规范》的要求[12]。厂区总占地面积37 500 m2，其中包括道路及绿化22 406 m2，建筑面积15 094 m2，各类建筑10栋，建筑面积16 894 m2，土建工程建设内容详见表6。

表6 土建工程一览表

4.2 环保工程设计

该项目先将污水进行预处理（预处理设施由格栅、隔油池、水解酸化池、中和池、调节池、气浮池组成），主要目的是用物理方法除去水中的油脂[14]。

废气污染源主要包括浓缩和干燥产生二次蒸汽和湿空气废气，二次蒸汽进行热回收后送入循环系统和湿空气除尘，由生产厂房的汽楼排放至大气中[15]。

在鸡蛋多肽生产过程中，副产物大部分被利用，每年有300 t蛋壳残渣卖给厂家用做钙片生产，煤渣则采用外埋的方式处理。

5 结论

该研究的目的在于优化鸡蛋多肽加工工艺，为大规模产业化提供理论依据，结合鸡蛋蛋白多肽的工艺流程，对模拟商业化生产过程进行详细的设备设施及能源计算。结果显示：该项目年产鸡蛋蛋白多肽900 t，生产周期为一年，旺季一天班次为3班，中季班次为2班，淡季班次为1班。全年实际生产日300 d，其中旺季3个月、淡季3个月、中季4个月。班产鸡蛋蛋白多肽1.67 t。最大蒸汽耗量为2780 kg/h，最大耗水量为8.53 m3/h，最大耗电量为63.75 kW/h。项目共需要各类设备19台（套），厂区总占地面积37500 m2，其中包含道路及绿化22406 m2，厂区建筑面积15094 m2。各类建筑10栋，各类建筑面积16894 m2。