16食品科学与工程2班 吴志宏 年产3000吨茶油工厂设计 定稿.docx
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16食品科学与工程2班吴志宏年产3000吨茶油工厂设计定稿
年产3000吨茶油工厂设计
摘要
本设计中的茶油是一种纯天然高品质可食用植物油。
本工厂设计通过对多种生产工艺流程进行对比,最终选择了冷榨法作为本设计的生产工艺。
其好处是可以避免油料经过高温蒸炒,流失营养成分,最大限度地保留了生物活性物质。
全过程使用物理方法,无化学添加,符合绿色食品的标准。
根据各个流程生产能力的需求进行设备选型,选择合理的生产设备,进而优化车间布局,设计最后通过设备、原料以及水电成本的估算对产品定价,从实际出发,使本工厂设计成本最优化,利益最大化。
关键词:
茶油;工艺流程;设备选型;工厂设计
Designofteaoilfactorywithannualoutputof3000tons
Abstract
Theteaoilinthisdesignisapurenaturalhigh-qualityediblevegetableoil.Thedesignofthisfactoryisbasedonthecomparisonofvariousproductionprocesses,andfinallychosethecoldpressingmethodastheproductionprocessofthisdesign.Theadvantageisthatitcanavoidtheoilmaterialbeingsteamedandfriedathightemperature,losingnutrients,andretainingthebioactivesubstancestothegreatestextent.Thewholeprocessusesphysicalmethods,nochemicaladdition,andmeetsthestandardsofgreenfood.Accordingtotheneedsoftheproductioncapacityofeachprocess,equipmentselectioniscarriedout,reasonableproductionequipmentisselected,andthenthelayoutoftheworkshopisoptimized,sothatthedesigncostofthefactoryisoptimizedandthebenefitsaremaximized.
Keywords:
teaoil;technologicalprocess;equipmentselection;plantdesign.
1.绪论
1.1茶油的定义
茶油是从山茶科油茶树的成熟种子中提取获得的纯天然高品质可食用植物油,又名茶籽油、山茶油,是我国特有的木本油脂。
此外,油茶与油橄榄、椰子和油棕并称为世界上四大木本油料作物,世界上超90%的茶油产量都源自中国。
中国种植油茶树历史悠久,距今约有2300多年,主要分布于我国长江流域以南,其中以湖南、江西两省为首,以及浙江、福建、两广等地区[1]。
因为油茶生长没有使用农药、化肥等化学物质,所以对人体有害的物质,例如芥酸、胆固醇、黄曲霉毒素等自然就不会在茶油中残留[2]。
1.2茶油产业发展现状以及存在的问题
1.2.1茶油产业发展现状
中国种植油茶树历史悠久,油茶产业是个古老而传统的产业;而随着我国食用油的供需矛盾日益突出以及我们人民的生活水平不断提高,我们渐渐认识到茶油是种营养价值和食用价值都远远高于花生油的油料,对油茶产业带来了源源不断的市场需求,因此它也是个新兴的产业。
油茶集生态、经济与社会效益于一身,发展油茶不仅维护国家粮油安全、改善人民膳食结构和身体健康、而且可提高森林覆盖率、加快国土绿化进程。
自2008年国家大力扶持油茶产业以来,各地加大油茶产业政策扶持和资金投入,全国油茶产业走上快速发展之路[3]。
因其综合利用价值极高,在2017年我国茶油需求量已经突破61吨,2018年茶油行业市场规模达到819亿元,作为一种健康绿色的高级木本植物油脂产品,茶油越来越受到消费者们的青睐,未来市场需求也会稳步增长。
广西、湖南、江西的部分茶油企业已经成功申请到国家的茶油绿色无公害产品认证,茶油市场前景一片光明。
根据《全国茶油产业发展规划(2009-2020年)》规划,到2020年,全国油茶种植面积将达到7000万亩,年产茶油总量将达到250万吨。
随着人口的增长,国际粮油价格不断上涨,为了实现长期的粮油供需平衡,我们还需付出更多的努力。
随着人们生活水平和保健意识的不断提高以及山茶油健康知识的普及,茶油的消费将会呈现一个明显上升的趋势,又有“一带一路”政策促进我国茶油产业的可持续发展。
由此可见,茶油行业在未来具有十分巨大的市场潜力。
1.2.2茶油行业存在问题
表1.1茶油行业存在问题分析
存在问题
解决方案
消费者对茶油的认知程度低
做好产品推广,普及茶油知识
原料产量低
依托良种良法因地制宜科学种植
劳动力成本高,产品价格高
推进机械化生产,优化生产工艺
茶油掺假,以次充好
完善生产规范,政府加强监管
1.2.3茶油生产工艺的研究现状
孙宾平[4]对超临界流体萃取茶油的工艺参数进行了探索,研究了提取时间、压力和温度对茶油出油率的影响,结果表明最佳工艺条件是当萃取时间为3~4h、压力35~40MPa、温度40~50℃,茶油的提取率到达90%在以上。
郭玉宝[5]等对水代法提取茶油的可行性和工艺条件进行了研究,确定了水代法提取茶油的最优工艺条件是当料液比为1:
4.5,提取温度为75℃,提取时间为2.5h,浆液为pH9.0。
纪鹏[6]对水代法提取茶油的可行性和工艺条件进行了研究,确定了水酶法提取茶油的最优工艺条件是在微波功率800W,提取温度70℃,提取时间3h,料液比1:
4,淀粉酶的添加量5%,pH值8.8,油茶籽油提取率可达到91.85%。
关继华[7]等对冷榨法提取茶油的可行性和工艺条件进行了研究,确定了冷榨法提取茶油的最优工艺条件是日晒6d或烘房烘干温度在50℃,时间在48h最佳。
将茶籽前处理后经过脱壳机脱壳,水分为8%,脱壳机转速140r/min,处理量为750kg/h,再经压榨机压榨,茶麸出料厚度为2mm,处理量为100kg/h。
采用转速1600r/min的离心机和400目的滤布相结合的方法对茶籽油进行分离,茶油提取率可达到84.5%。
1.3设计思路
1.3.1设计依据
《关于发展油茶产业的意见》(2006年)
《国务院办公厅关于促进油料生产发展的意见》(2007年)
《全国油茶产业发展规划》(2009年)
1.3.2设计的目的及意义
茶油的营养价值,茶油是自古以来的优质食用油,我国对于茶油的最早描述来源于李时珍的《本草纲目》。
长期以来,很多人都认为西方的橄榄油是最好的膳食粮油,而把茶油称之为“东方橄榄油”,经过中国疾病控制中心检验确认,茶油中单不饱和脂肪酸含量比橄榄油还要髙,高居食用油榜首[8]。
不饱和脂肪酸具有调节血脂、清理血栓、增强免疫力、维护视网膜提高视力、健脑补脑等功效,对人体健康起着一定的积极作用[9]。
茶油中还富含VE,具有很好抗氧化作用,减免自由基对我们身体的伤害。
且茶油中含有角鲨烯,角鲨烯具有消炎功效,对抵抗一定量的癌细胞有着积极作用。
另外茶油中含有其特有的生理活性物质茶多酚,近年来,经过大量的研究发现,茶多酚具有抑制肿瘤DNA合成的作用,还对肠道中的益生菌起着保护作用[10]。
如今,茶油已成为联合国粮农组织重点推广的健康型高端食用油[11]。
食品工厂设计为茶油工厂意义在于:
茶油是一种特殊的优质食用油,想让更多消费者对其有更好的认知,把这样好物带到消费者日常生活中,使消费者以更低的生活成本享受更优质的生活。
目前茶油产业也在蓬勃发展,本设计志在合理利用原料,科学选择设备,优化生产工艺,尽可能做到成本最低,产品最优;增强茶油的市场竞争力,提升茶油在食用油市场中的知名度,更有力地争夺在高端食用油市场上的份额。
1.3.3技术要求
综合利用茶油的副产物,实现原料利用,环保节能,绿色低碳,减少污染。
生产完茶油后所得的茶籽饼。
可以继续利用,成为农业,化妆行业的好帮手,茶籽饼可以作为一种优质的有机肥料,毕竟富含多种营养物质;不仅如此,因为具有消炎作用,还可以作为鱼类的低毒消炎药。
茶籽饼中含有的生物活性物质对头发护理有一定的作用,因此可以作为洗发水的生产原料之一;另外,茶籽饼还可以作为锅炉的燃料,而且比木炭的保温时间还长。
由此可得,可以把副产物运送到附近的鱼塘和洗发水生产厂家,由此副产物就得以解决。
通过大量查阅文献,对茶油的生产工艺进行分析对比,结合自身所学的知识来选择合理的生产工艺,进而优化生产工艺。
设计出更为合理的生产工艺流程,其中包含了:
物料衡算,所需设备工作能力计算以及选型。
1.3.4需解决的关键问题
(1)合理选择生产工艺,并进行工艺优化,确定生产工艺。
(2)根据生产需求进行准确的物料衡算,为后面的设备选型做好参数基础。
(3)根据物料衡算的参数进行科学地设备选型,选用机械自动化的设备,并合理设计车间布局,尽可能地做到因地制宜,节能减排,降低污染。
2.产品方案
2.1产品规格
设计生产茶油产量为3000吨,分两种规格,小包装为250mL装,大包装为500mL装。
其中1500吨为250mL装,1500吨为500mL装。
2.2生产方案
本设计年产3000吨茶油,油茶籽的季节性强,每年秋末进行采收,由于可干燥后待加工,无淡旺季之分,市场需求相对稳定,因此计划全年生产,每月平均生产天数为25天,全年生产天数合计为300天,每天分早晚2班,每班为8h。
由于设备不均匀系数k需要被考虑到实际生产中,k取0.8,则可算出每班产量=3000÷0.8÷300÷2=6.25t=6250kg。
由此可得每班生产茶油量为6250kg。
3提取工艺的选择
3.1传统压榨法
3.1.1工艺原理
传统压榨法也被称之为热榨法。
是通过物理方法,使得油借助机械挤压的外力从油茶籽中提炼出来,进而通过多重精炼,尽可能地去除杂质和有害物质,从而得到成品油。
3.1.2工艺流程
3.1.3工艺优缺点
表3.1传统压榨法优缺点
优点
缺点
工艺简单,设备维修方便。
出油率低,饼渣残油量高。
生产安全,无有害化学物剂添加。
毛油无法直接使用,需要精炼。
劳动强度大,生产效率低。
高温使蛋白质变性,营养物质流失。
3.2冷榨法
3.2.1工艺原理
冷榨法其实就是传统压榨法经过多年来的不断改进,不断优化工艺演变而成的。
与传统压榨法的区别就是没有经过热榨工艺中的高温蒸炒过程,直接将未经蒸炒的油料在室温至65℃之间进行压榨。
其工艺原理是根据榨膛内螺旋轴旋转时的推进作用,进而使榨料在膛内不断向前推进。
而在不断推进的同时,膛内空间也在不断缩小,因此榨料受压缩后,油脂从榨笼缝隙中流出,同时,榨料被压成饼块从榨膛末端排出[12]。
3.2.2工艺流程
3.2.3工艺优缺点
表3.2冷榨法优缺点
优点
缺点
工艺简单,设备成本低。
能量耗大。
压榨温度低,不需要提前蒸炒。
出油率低,饼渣残油量高。
保持茶油的纯天然性特性。
尽可能保留茶油中的生理活性物质,如VE,角鲨烯等。
具有色浅,滋味特别、柔和,气味清香等较好的品质特性[13]。
避免与有机溶剂接触,污染程度小,无有害物质残留,绿色食品。
3.3浸出法
3.3.1工艺原理
浸出法的工艺原理其实就是萃取的原理,利用有机物可溶于有机溶剂的原理,使用有机溶剂将油脂从油料中提炼出来。
最后再通过蒸馏等工艺过程将溶剂油从毛油中分离出来[14]。
3.3.2工艺流程
3.3.3工艺优缺点
表3.3浸出法优缺点
优点
缺点
粕中残油小,出油率高。
毛油中含非油物质较多,杂质多。
加工成本低,生产条件良好。
毛油色泽深,质量较差。
粕的品质高,油料资源得到了充分利用。
有一定量残留溶剂,存在安全隐患。
浸提时释放的有机溶剂污染环境[15,16]
3.4水代法
3.4.1工艺原理
水代法是从油料中以水代油提取油脂的的方法。
既不用物理压榨提炼,也不用化学溶剂萃取,是一种比较绿色安全的提取方法。
在一定的条件下,水与蛋白质的结合能力强于油与蛋白质的结合能力,因此水分就可以与本来在油料中的油脂交换位置,水分进入油料代出油脂,又因为水与油脂的密度不同,从而把油脂分离出来。
3.4.2工艺流程
3.4.3工艺优缺点
表3.4水代法优缺点
优点
缺点
设备简单,成本低廉。
提油率偏低。
水作为介质,实现油水分离。
易形成乳化层,需要破乳技术解决。
提油过程相当于油经过了“水洗”的过程,去掉了杂质和异味。
避免使用有机溶剂,对环境污染小。
残渣中的油茶蛋白可以进一步回收利用,利于油茶的综合利用[17-18]。
3.5水酶法
3.5.1工艺原理
比水代法更高级的就是水酶法,顾名思义就是添加了酶来促进提油,使得提油率大大提升。
其原理跟水代法是一样的,因为其提油率大幅提升,所以很多专家都在重点研究。
目前最大的缺点是酶的价格太高了,需要研究出价格更低的酶。
3.5.2工艺流程
3.5.3工艺优缺点
表3.5水酶法优缺点
优点
缺点
设备简单。
酶的价格偏高,生产成本高。
条件温和。
易形成乳化层,需要破乳技术解[19]。
油品质高。
避免使用有机溶剂,对环境污染小。
残渣中的油茶蛋白可以进一步回收利用,利于油茶的综合利用。
3.6超临界CO2萃取法
3.6.1工艺原理
超临界流体萃取技术,是以超临界流体为萃取剂,在临界温度与压力条件下,从流体或固体物料中获取分离组分的方法[20]。
因为高压下的二氧化碳是液体可以去提取出油脂,当恢复常压状态下二氧化碳又变成了气体,而油脂还是液体,就可以使得两者分离开来。
因为使用二氧化碳作为溶媒,无需使用有机溶剂,不会对人体健康和生态环境造成损害;
3.6.2工艺优缺点
表3.6超临界CO2萃取法优缺点
优点
缺点
高效萃取油茶籽中的茶油。
设备成本昂贵,适合实验室使用。
有效的保留了茶油籽中的天然香气和风味。
产能不高。
油品收率高,杂质含量低,色泽浅。
避免使用有机溶剂,对环境污染小。
简化精炼工艺,可省去后续的减压蒸馏和脱臭等精制工序[21]。
3.7.工艺流程的确定
根据分析以上几个图表可以得出比较合适的提取工艺是冷榨法,至于为何不选取其他的提取工艺有以下几点原因:
1.热榨法制得的毛油质量不算十分好,杂质较多,部分营养物质流失,还需要精炼提纯。
故不选择此法。
2.浸出法虽然有更高的油脂得率,但是需要经过有机溶剂来提炼,工艺操作难以把控,有机溶剂有可能会残留在茶油中,对茶油品质安全有影响,还会使得环境受污染。
故不选择此法。
3.水代法生产出来的毛油容易乳化,而且提油率偏低,故不选择此法。
4.水酶法解决了提油率的问题,但是未能解决毛油容易乳化的难题,适合实验室小批量,不适合工业生产故不选择此法。
5.超临界CO2萃取法中的成品质量不错,但是由于其设备成本过于高昂,且此法是高压操作,安全性不容易控制,故不选择此法。
6.冷榨法虽然不是提油率最高的方法,其最大的优势就是纯物理方法提炼,没有化学试剂的参与,是一种绿色环保的生产技术,压榨出来的毛油通过过滤即可满足食用油的要求,不需要通过精炼,因此茶油中的有效营养物质得以很好的保留,适合于生产高品质的油脂,综合来讲此法相对比较符合本厂设计。
冷榨法工艺流程
菜籽粕
↑
油料→低温贮存→清理分级→磁选→脱壳→低温干燥→破碎→轧胚→冷榨→毛茶籽油
↓
冷榨成品油←低温过滤←低温结晶养晶
从冷榨法提取工艺流程图可以看出整个流程都是使用物理方法,没有添加化学用剂,是一种绿色安全的提取工艺。
此工艺是通过增大压力而不是提升温度进行压榨,对油脂和最为宝贵的营养物质没有影响,使其极大限度地保留下来。
同时,该工艺还能提高茶油品质,避免了高温蒸炒使油脂产生一些等对人体有害的物质,与绿色安全食品比较相符合。
姜建国[22]等人研究发现,低温冷榨工艺应用在油茶籽制油工艺中,避免了高温而导致的山茶油色泽深、有糊味的现象,避免了常规精炼工艺中磷酸脱胶、烧碱脱酸、活性白土脱色这些化学物质与山茶油直接接触所造成的二次污染,有效保留了茶籽油中的生育酚、角鳖烯、甾醇等有效成分。
同时可以缩短工艺流程,尽可能地降低设备投入成本,从而提升本产品在市场的有效竞争力。
另外冷榨发工艺得到的油茶饼粕比热榨法所得的质量会有所提高,保留了有效物质,可以进一步对饼粕进行副产物综合开发利用。
因此最终选择了冷榨法作为本设计的提取工艺。
3.8生产工艺说明
3.8.1低温贮存
因为油茶籽都是秋季采收,但是由于工厂常年需要生产,而且常温贮存的话,油茶籽可能会坏掉,因此需要进行低温贮存,以保证其质量。
经过大量的研究发现,在0℃~7℃的低温环境贮存,不仅可以保证质量,还可以使得油茶籽成熟,提升出油率。
3.8.2清理分级
油茶籽进行清理后,由于大小程度不同,后面的脱壳工序相对没那么容易进行,因此需要分级处理,按照等级不一样进行分批脱壳,使得脱壳效果更好。
3.8.3磁选
经过分级后的油茶籽还需要依次进行磁选,磁选的目的就是去除残留的有害金属,为后面提炼的茶油作质量保证。
3.8.4脱壳
因为茶油主要是在油茶籽里面,壳中的含油量不高,但是也不能完全脱壳,脱壳后,含壳量在百分之十左右比较合适。
3.8.5破碎
油茶籽破碎是为了后面的轧胚更容易进行,破碎以后粒度大致相同,而且可以加大表面积,使得油更容易流出。
3.8.6轧胚
轧胚是为了破坏油茶籽的细胞壁,把油茶籽从颗粒状变成扁平状,油的流出的路程短了,自然就就容易流出,使得出油效大大提高。
3.8.7冷榨
入榨温度控制在70℃-80℃左右,在这样温度较低的情况下,可以避免油料中的蛋白质变性,尽可能地地保留营养物质。
3.8.8结晶养晶
首先采用冷媒将茶籽油冷却到8℃-10℃左右,并在结晶罐中充分结晶,以13r/min的速度缓慢搅拌,同时加入适量助滤剂,在低温条件下养晶8h左右,养晶后的茶籽油在10℃-15℃的低温环境中进行多道过滤,除去了蜡质和细小杂质[22]。
4.物料衡算
本茶油工厂设计年产量为3000吨,除去大小假期,平均每月生产25天,全年合计生产天数为300天,生产班次为:
每日分为早晚2班,每班8小时。
由于需要考虑设备不均匀系数k到实际生产中,k取0.8,则可算出每班产量=3000/0.8/300/2=6.25t=6250kg。
由生产方案可得每班生产茶油6250kg。
4.1工艺损失
表4.1重要工序损失表
序号
主要流程
损失率%
序号
主要流程
损失率
1
验收
1.0
2
储存
0.5
3
分级
0.5
4
磁选
0.5
5
脱壳
0.5
6
干燥
0.5
7
破碎
0.5
8
轧胚
1.0
9
冷榨
63
10
结晶
0.5
11
过滤
0.5
12
包装
1.0
4.2原料的物料计算
有生产方案可得茶油每班生产6250kg,以下是每个工艺流程所需物料质量的计算(结果保留至小数点后两位):
包装:
包装前茶油的质量=茶油总质量÷包装总收率
=6250kg÷99.0%=6313.13kg
过滤:
过滤前茶油的质量=包装前茶油的质量÷过滤总收率
=6313.13kg÷99.5%=6344.85kg
结晶:
结晶前茶油的质量=过滤前茶油的质量÷结晶总收率
=6344.85kg÷99.5%=6376.73kg
冷榨:
冷榨前油茶籽的质量=结晶前茶油的质量÷冷榨总收率
=6376.73kg÷37.0%=17234.41kg
轧胚:
轧胚前油茶籽的质量=冷轧前油茶籽的质量÷轧胚总收率
=17234.41kg÷99.0%=17408.49kg
破碎:
破碎前油茶籽的质量=轧胚前油茶籽的质量÷破碎总收率
=17408.49kg÷99.5%=17495.97kg
干燥:
干燥前油茶籽的质量=破碎前油茶籽的质量÷干燥总收率
=17495.97kg÷99.5%=17583.89kg
脱壳:
脱壳前油茶籽的质量=干燥前油茶籽的质量÷脱壳总收率
=17583.89kg÷99.5%=17672.25kg
磁选:
磁选前油茶籽的质量=脱壳前油茶籽的质量÷磁选总收率
=17672.25kg÷99.5%=17761.06kg
分级:
分级前油茶籽的质量=磁选前油菜籽的质量÷分级总收率
=17761.06kg÷99.5%=17850.31kg
贮存:
贮存前油茶籽的质量=分级前油茶籽的质量÷贮存总收率
=17850.31kg÷99.5%=17940.01kg
验收:
验收前油茶籽的质量=分级前油茶籽的质量÷验收总收率
=17940.01kg÷99.0%=18121.22kg
4.3包装材料的生产用量
(1)茶油的内包装
小包装为容量250mL的玻璃瓶,大包装为容量500mL的玻璃瓶。
查阅文献可以知道茶油的相对密度约为0.912~0.922,取中间值0.917
包装前茶油的体积=包装前茶油的质量÷茶油的相对密度[23]
=6313.13kg÷0.917=6884.55L
小包装容量250mL=0.25L大包装容量500mL=0.50L
包装班需求量=包装前茶油的体积÷包装规格单位体积÷内包装收率
小包装=6884.55L×50%÷0.25mL÷99.0%=13631.41(瓶)
大包装=6884.55L×50%÷0.50mL÷99.0%=6954.09(瓶)
(2)茶油的外包装·
外包装采用的是的是高强度硬盒纸箱,每个纸箱能放50个小包装玻璃瓶或者25个大包装玻璃瓶。
小包装高强度硬盒纸箱班消耗量量=小包装班需求量÷外包装规格÷外包装收率
=13631.41÷50÷99.0%=275.38(个)
大包装高强度硬盒纸箱班消耗量量=大包装班需求量÷外包装规格÷外包装收率
=6954.09÷25÷99.0%=280.97(个)
高强度硬盒纸箱班消耗量=小包装高强度硬盒纸箱班消耗量量+大包装高强度硬盒纸箱班消耗量量
=275.38+280.97=556.35(个)
4.3物料生产用量汇总
表4.2物料计算汇总表
材料名称
每班消耗量
每年消耗量
油茶籽
18121.68kg
10873.01t
250mL玻璃瓶
13631.41个
8178846个
500mL玻璃瓶
6954.09个
4172454个
高强度硬盒纸箱
556.35个
333810个
5.设备选型
设备选型会选择较为技术较为先进,机械自动化程度高,并可以满足食品卫生要求的。
力求节约成本,增大收益。
5.1所需设备工作能力计算
筛选机工作能力=每班需分级油茶籽的质量÷每班工作时长
=17850.31kg÷8=2231.28kg/h=2.23t/h
磁选机工作能力=每班需磁选
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