年產(chǎn)500 t玉米低聚肽粉工廠設計

崔鵬飛 李暮玥 宋春美 劉金鑫

摘要：玉米低聚肽具有抗氧化、降血糖和保肝等生理功能，其在食品、醫(yī)藥和保健品等領域應用廣泛。文章旨在設計年產(chǎn)500 t玉米低聚肽粉工廠，廠址選擇在河南省駐馬店市國際農(nóng)產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)園。采用超聲輔助酶解、活性炭吸附、膜分離和噴霧干燥技術制備玉米低聚肽粉產(chǎn)品。確定了廠區(qū)總平面設計、工藝設計、物料衡算、設備選型、環(huán)境保護設計以及技術經(jīng)濟分析。最終得到該廠占地7 221 m2，全廠65名工作人員，年產(chǎn)500 t玉米低聚肽粉，日產(chǎn)2.2 t，產(chǎn)品規(guī)格為10 kg/袋，市場定價為1 400元/袋。該項目總投資為4 131.22萬元，年生產(chǎn)成本為3 296.6萬元，年銷售額為9 240萬元，每年凈利潤約為2 787.7萬元，投資回收期較短，3.98年即能回收，工廠能夠獲得良好的經(jīng)濟效益。

關鍵詞：玉米低聚肽粉；物料衡算；工廠設計；經(jīng)濟分析；工藝流程

中圖分類號：TS213.4????? 文獻標志碼：A???? 文章編號：1000-9973（2024）02-0121-08

Design of a Factory with an Annual Output of 500 Tons of Corn Oligopeptide Powder

Abstract： Corn oligopeptides have various physiological functions such as anti-oxidation， decreasing blood sugar and liver protection， and have been broadly applied in the fields of food， medicine and health care products. The aim of this paper is to design a factory with an annual output of 500 tons of corn oligopeptide powder. The factory site is located in International Agricultural Products Processing Industrial Park， Zhumadian City， Henan Province. Corn oligopeptide powder products are prepared by ultrasonic-assisted enzymolysis， activated carbon adsorption， membrane separation and spray drying technology. The general plane design， process design， material accountancy， equipment selection， environmental protection design and technical and economic analysis are identified. It is finally determined that the factory covers an area of 7 221 m2， with 65 staffs and an annual output of 500 tons of corn oligopeptide powder. The daily output is 2.2 tons， and the product specification is 10 kg/bag with a market price of 1 400 yuan per bag. The total investment of this project is 41.312 2 million yuan， the annual production cost is 32.966 million yuan， the annual sales amount is 92.40 million yuan， and the annual net profit is about 27.877 million yuan. The investment payback period is relatively short， which can be recovered in 3.98 years， and the factory can achieve good economic benefits.

Key words： corn oligopeptide powder; material accountancy; factory design; economic analysis; technological process

玉米低聚肽是由玉米蛋白分解而成的寡肽，分子質(zhì)量小于1 000，具有抗氧化、降血糖和保肝等生理功能[1-3]，其在食品、醫(yī)藥和保健品等領域應用廣泛。我國多肽產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成兩大穩(wěn)定市場，包括功能食品市場和食品配料市場[4]，在“十三五”期間國家發(fā)改委也明確提出要加快推動生物活性肽行業(yè)的發(fā)展[5]。目前，玉米肽產(chǎn)品開發(fā)還存在產(chǎn)品方向單一、苦味重、生產(chǎn)成本高等問題，限制了玉米肽產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展[6]。

根據(jù)自然資源、政治經(jīng)濟、交通等因素確定廠址，按照工藝流程要求、物料衡算結(jié)果進行設備選型，再進行總平面設計、勞動定員、經(jīng)濟分析，完成年產(chǎn)500 t玉米低聚肽粉的工廠設計，為該產(chǎn)品未來生產(chǎn)提供一定的參考。本設計通過超聲輔助酶解技術、膜分離技術優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)量，減少苦味，生產(chǎn)出品質(zhì)優(yōu)良、口感清爽的玉米低聚肽粉。設計年產(chǎn)500 t玉米低聚肽粉工廠，有助于提高玉米蛋白粉的綜合利用率，從而帶來更多的社會和經(jīng)濟效益。

1 產(chǎn)品方案

1.1 生產(chǎn)方案設計

年產(chǎn)量：Q=500 t。

生產(chǎn)工作日：全年生產(chǎn)12個月，考慮到休息和節(jié)假日，一個月按25 d計算，一年工作300 d。

確定生產(chǎn)班次：由于整個生產(chǎn)過程需要至少30 h，故選用24 h連續(xù)工作的方式。根據(jù)生產(chǎn)工序，每個生產(chǎn)周期安排4班工人，全年需安排1 200個班次。

班產(chǎn)量：Q班=Q年÷（k×n×t）=500/（0.75×4×300）=0.55 t/班。

式中：k為設備不均勻系數(shù)，0.75；n為生產(chǎn)班次；t為生產(chǎn)天數(shù)。

1.2 產(chǎn)品質(zhì)量要求

參考QB/T 4707—2014《玉米低聚肽粉》的要求進行玉米低聚肽粉的生產(chǎn)。產(chǎn)品的感官特征和理化性質(zhì)應符合表1和表2的規(guī)定。

2 廠址選擇

綜合考慮地理位置、自然條件、能源、政治經(jīng)濟、交通條件等多種因素，將廠址選擇在河南省駐馬店市國際農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)加工園。此地處于南北氣候過渡帶，地處平原、土壤肥沃，具備發(fā)展農(nóng)業(yè)的自然資源優(yōu)勢。此地水資源豐富且水質(zhì)符合GB 5749—2006的要求，水庫蓄水容量近30億立方米。駐馬店市交通運輸網(wǎng)絡較完備，連霍高速、京港澳高速等多條高速公路穿境而過，方便物流運作[9]。該產(chǎn)業(yè)園內(nèi)已建成三縱三橫路網(wǎng)，基礎設施全備，可保障水、電、氣、熱及通訊的使用，且當?shù)卣踩ν七M該產(chǎn)業(yè)園發(fā)展。工廠選址見圖1。

3 總平面設計

根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模、工藝流程以及相關標準要求，經(jīng)濟合理地設計廠區(qū)內(nèi)建筑物、構(gòu)筑物、作業(yè)場地和綠化等設施。廠區(qū)占地7 221 m2，分為生活區(qū)、辦公區(qū)、生產(chǎn)加工區(qū)和配套區(qū)域。廠區(qū)內(nèi)設有3個出入口，東門為人員入口，西北門和西南門用于物料運輸，將人流、物流通道分開，以免相互干擾。生產(chǎn)車間面積1 260 m2，周邊設有各種倉庫，方便物料儲存和運輸，動力車間位于負荷中心周圍。根據(jù)駐馬店風向玫瑰圖，將動力車間和污水處理處設計在廠區(qū)的下風口，降低污染對生產(chǎn)車間和生活區(qū)的影響。工廠建筑物一覽表見表3，總平面設計圖見圖2。

4 生產(chǎn)車間設計

根據(jù)物料衡算、設備選型的結(jié)果進行生產(chǎn)車間的設計，車間內(nèi)具體布置見圖3。

在設計時明確人流、物流的流動方向，以減少污染，保證產(chǎn)品衛(wèi)生質(zhì)量，繪制車間人流、物流圖，見圖4。

5 工藝流程

5.1 生產(chǎn)工藝流程

本工藝以玉米蛋白粉為原料，以堿性蛋白酶和中性蛋白酶為輔料，經(jīng)過超聲處理、酶解、活性炭吸附、納濾脫鹽、噴霧干燥等流程，生產(chǎn)出白色或淡黃色的玉米低聚肽粉產(chǎn)品。工藝流程簡圖見圖5。

5.2 生產(chǎn)工藝流程及控制

5.2.1 原料預處理

玉米蛋白粉（蛋白質(zhì)含量65%）按料液比1∶10加純水調(diào)配，用NaOH調(diào)節(jié)溶液pH為11，設置超聲頻率40 kHz、溫度60 ℃，處理30 min后作為酶反應的底物溶液[10]。

5.2.2 一次酶解

調(diào)節(jié)底物溶液pH為9.0，溫度為58.0 ℃后，按加酶量（2 830 U/g）加入堿性蛋白酶，酶解3 h[10]、用NaOH溶液維持酶解過程中pH恒定。酶解完成后，95 ℃滅活15 min。

5.2.3 二次酶解

調(diào)節(jié)底物溶液pH為7.6，溫度為42.0 ℃后，按加酶量（1 090 U/g）加入中性蛋白酶，酶解3 h，用NaOH溶液維持酶解過程中pH恒定[10]。酶解完成后，用HCl溶液調(diào)節(jié)pH至4.0，95 ℃滅活15 min使酶失活，酶解液待用。

5.2.4 離心

將酶解液移入臥式螺旋離心機，離心15 min，出渣率為7%，取上清液即為玉米肽液，此時肽得率為56.28%[10]。

5.2.5 活性炭吸附

使玉米肽液溫度為60 ℃，pH為4.0，按原料玉米蛋白粉的10%加入活性炭粉末，攪拌吸附2 h[11]，經(jīng)板框過濾機過濾，上清液即為脫色脫臭后的玉米肽液。

5.2.6 微濾-納濾

上清液經(jīng)過微濾去除較細小的顆粒、微生物等物質(zhì)后，將澄清液進入納濾設備，采用150 Da的納濾膜，料液溫度20 ℃，先預濃縮至原體積的1/5（記為V0），然后加入純水至V0的2倍，納濾至體積為V0后停止，再加純水至V0的2倍，繼續(xù)納濾脫鹽[12]，該操作重復3次。

5.2.7 噴霧干燥

將納濾濃縮后的玉米肽液導入噴霧塔中，進風溫度180 ℃，噴霧干燥得到玉米低聚肽粉產(chǎn)品，設定產(chǎn)品最終含水量為5.0%。

5.2.8 包裝

在進行金屬檢測后，將噴霧干燥制成的玉米低聚肽粉（蛋白質(zhì)含量90%）進行包裝，以避免加工過程中可能混入的金屬殘留物對人體造成不良影響。每袋玉米低聚肽粉的包裝量為10 kg。

5.2.9 成品檢驗

每批次產(chǎn)品需要進行抽樣檢驗，各項指標檢驗合格的產(chǎn)品方可入庫、銷售。

6 物料衡算

6.1 基礎數(shù)據(jù)參數(shù)

6.2 原輔料所需量估算

按日產(chǎn)量2.2 t，根據(jù)工藝流程設計和表4中的損失率進行物料衡算，得到原輔材料需求，見表5。

6.3 包裝材料所需量估算

每日生產(chǎn)玉米低聚肽粉220包，包裝袋、標簽紙的損失率為1%，計算得包裝袋、標簽紙用量均為220/（1－1%）≈223個/日，則一年需要包裝袋、標簽紙各66 900個。

7 設備選型

根據(jù)物料衡算結(jié)果，針對企業(yè)的具體情況，選擇符合工藝要求、性能優(yōu)良、安全且價格合理的設備，以確保食品生產(chǎn)加工安全有保障，質(zhì)量有保證，以此穩(wěn)步提升食品加工企業(yè)的競爭力[13-14]。設備選型一覽表見表6。

根據(jù)工藝流程和設備選型結(jié)果繪制設備工藝流程圖，見圖6。

8 水、電、熱量衡算

8.1 水量衡算

根據(jù)物料衡算和設備選型結(jié)果進行耗水量計算，得到每日耗水量為1 031.899 t，廠區(qū)每日耗水量見表7。

8.2 電量衡算

根據(jù)物料衡算和設備選型結(jié)果進行耗電量計算，得到每日耗電量為2 377.14 kW，廠區(qū)每日耗電量見表8。

8.3 熱量衡算

計算工藝流程中各個涉及熱交換環(huán)節(jié)的能量消耗值，總熱量衡算見表9。

使用蒸汽的工藝階段包括酶解階段和噴霧干燥階段。使用1 MPa的飽和蒸汽壓，I=2 777 kJ/kg，蒸汽的熱效率為0.95，經(jīng)計算得蒸汽消耗量約為30.08 t。

9 環(huán)境保護

9.1 廢水處理

生產(chǎn)廢水主要包括微濾截留液、納濾透過液以及生產(chǎn)過程中的料液損失，該廢水中含有未水解的蛋白質(zhì)、少量淀粉和纖維，若直接排放，其中的營養(yǎng)物質(zhì)將會滋生大量的微生物，對環(huán)境造成污染，采用膜生物反應器處理[15]，經(jīng)檢測符合標準后排放。車間清潔用水無明顯危害物質(zhì)，按照GB 8978-1996《污水綜合排放標準》處理后，由生產(chǎn)園區(qū)統(tǒng)一排放。

9.2 廢渣處理

酶解液離心后產(chǎn)生的濾渣含有淀粉、纖維以及未被水解的蛋白質(zhì)等有機物，將其進行飼料化處理可以解決其有機物的問題[16]，故可將廢渣就近送去飼料處理廠處理。使用過的粉末活性炭經(jīng)再生處理后可繼續(xù)使用6～12個月，超過使用期限后作為危廢處理[17]。

9.3 廢氣處理

噴霧干燥塔排出的含塵氣體需經(jīng)過旋風除塵器處理，被凈化達標后再進行排放。

9.4 廢物處理

委托廢物處理企業(yè)對廠區(qū)產(chǎn)生的各類固體廢物進行處理。

9.5 噪音處理

廠區(qū)噪音主要來自設備噪音，包括攪拌設備、超聲設備、噴霧干燥塔等。針對大型聲源設備，可以設置隔音間，采用隔聲罩進行消音。為減少風管內(nèi)氣流的影響，廠房排風系統(tǒng)須安裝消聲器。在不影響居民區(qū)以及遠離有害場所的地點建廠，生產(chǎn)區(qū)建筑物與外圍建筑之間應設有防護地帶，用于隔絕噪音[18]。

10 勞動組織

根據(jù)工藝設計和設備生產(chǎn)需求，確定各個生產(chǎn)工藝的人員安排，車間生產(chǎn)人員安排見表10。

全廠分為銷售部、采購部、生產(chǎn)車間部、動力車間部、品控研發(fā)部等11個部門，共65名員工，其中管理人員8人，技術人員9人，工人33人，服務人員15人，全廠人員具體安排見表11。

11 投資概算與財務評價

11.1 投資估算

原始投資為固定資產(chǎn)投資和流動資產(chǎn)投資的總和[19]，固定資產(chǎn)投資包括建筑工程費、土地購買費、設備購置費、不可預見費。具體投資費用估算見表12。

11.2 總生產(chǎn)成本估算

根據(jù)物料衡算、水電和熱量衡算結(jié)果，計算得到所需物料成本，見表13。

年度總生產(chǎn)成本包括物料成本、折舊費與維修費、工資、廢物處理費和管理費用，經(jīng)計算，總生產(chǎn)成本見表14。

11.3 全年利潤計算

全年凈利潤為年銷售額減去增值稅、年生產(chǎn)成本、銷售費用、稅收、商檢費用，設計每袋（10 kg）玉米低聚肽粉出廠定價為1 400元，日產(chǎn)220袋，全年凈利潤估算結(jié)果見表15。

11.4 投資回收期

本設計的原始投資為4 131.22萬元，建設期設定2年，實施計劃為項目總投資的40%于第1年完成，剩下的60%于第2年完成，正式生產(chǎn)于第3年開始，并達到設計生產(chǎn)能力的50%，第4年開始正常生產(chǎn)。前4年現(xiàn)金流量一覽表見表16。

由表16可知，回收期在3～4年之間，具體按下式計算：

T=（n－1）+|M|÷N≈3.98年。

式中：T為回收期；n為累計凈現(xiàn)金流量最初出現(xiàn)正值的年份數(shù)；M為上年累計凈現(xiàn)金流量，元；N為當年凈現(xiàn)金流量，元。靜態(tài)投資回收期約為3.98年。

12 結(jié)論

設計年產(chǎn)500 t玉米低聚肽粉工廠，以玉米蛋白粉為原料，采用超聲輔助雙酶酶解，活性炭吸附脫色脫臭，并采用先進的膜分離技術對玉米肽液濃縮脫鹽，經(jīng)過噴霧干燥，生產(chǎn)出具有多種生理活性、能夠用作食品添加劑的玉米低聚肽粉。該廠選址位于河南省駐馬店市國際農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)園，進行了工藝優(yōu)化、物料衡算、設備選型、勞動定員、環(huán)保設計、總平面設計以及初步的經(jīng)濟概算，設定產(chǎn)品規(guī)格為10 kg/袋，出廠價為1 400元/袋。全面投產(chǎn)后，預計年凈收入可達2 787.7萬元，投資回收期約為3.98年，經(jīng)濟效益顯著。本設計可以降低生產(chǎn)成本，提高玉米蛋白粉的綜合利用率并生產(chǎn)出具有高附加值的產(chǎn)品，從而進一步提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。因此，本設計能夠為玉米低聚肽粉工廠建設提供一定的理論參考。

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