年产500 t玉米低聚肽粉工厂设计

崔鹏飞 李暮玥 宋春美 刘金鑫

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、医药和保健品等领域应用广泛。文章旨在设计年产500 t玉米低聚肽粉工厂，厂址选择在河南省驻马店市国际农产品加工产业园。采用超声辅助酶解、活性炭吸附、膜分离和喷雾干燥技术制备玉米低聚肽粉产品。确定了厂区总平面设计、工艺设计、物料衡算、设备选型、环境保护设计以及技术经济分析。最终得到该厂占地7 221 m2，全厂65名工作人员，年产500 t玉米低聚肽粉，日产2.2 t，产品规格为10 kg/袋，市场定价为1 400元/袋。该项目总投资为4 131.22万元，年生产成本为3 296.6万元，年销售额为9 240万元，每年净利润约为2 787.7万元，投资回收期较短，3.98年即能回收，工厂能够获得良好的经济效益。

关键词：玉米低聚肽粉；物料衡算；工厂设计；经济分析；工艺流程

中图分类号：TS213.4      文献标志码：A     文章编号：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，分子质量小于1 000，具有抗氧化、降血糖和保肝等生理功能[1-3]，其在食品、医药和保健品等领域应用广泛。我国多肽产业已经形成两大稳定市场，包括功能食品市场和食品配料市场[4]，在“十三五”期间国家发改委也明确提出要加快推动生物活性肽行业的发展[5]。目前，玉米肽产品开发还存在产品方向单一、苦味重、生产成本高等问题，限制了玉米肽產业的进一步发展[6]。

根据自然资源、政治经济、交通等因素确定厂址，按照工艺流程要求、物料衡算结果进行设备选型，再进行总平面设计、劳动定员、经济分析，完成年产500 t玉米低聚肽粉的工厂设计，为该产品未来生产提供一定的参考。本设计通过超声辅助酶解技术、膜分离技术优化生产工艺，提高产量，减少苦味，生产出品质优良、口感清爽的玉米低聚肽粉。设计年产500 t玉米低聚肽粉工厂，有助于提高玉米蛋白粉的综合利用率，从而带来更多的社会和经济效益。

1 产品方案

1.1 生产方案设计

年产量：Q=500 t。

生产工作日：全年生产12个月，考虑到休息和节假日，一个月按25 d计算，一年工作300 d。

确定生产班次：由于整个生产过程需要至少30 h，故选用24 h连续工作的方式。根据生产工序，每个生产周期安排4班工人，全年需安排1 200个班次。

班产量：Q班=Q年÷（k×n×t）=500/（0.75×4×300）=0.55 t/班。

式中：k为设备不均匀系数，0.75；n为生产班次；t为生产天数。

1.2 产品质量要求

参考QB/T 4707—2014《玉米低聚肽粉》的要求进行玉米低聚肽粉的生产。产品的感官特征和理化性质应符合表1和表2的规定。

2 厂址选择

综合考虑地理位置、自然条件、能源、政治经济、交通条件等多种因素，将厂址选择在河南省驻马店市国际农产品产业加工园。此地处于南北气候过渡带，地处平原、土壤肥沃，具备发展农业的自然资源优势。此地水资源丰富且水质符合GB 5749—2006的要求，水库蓄水容量近30亿立方米。驻马店市交通运输网络较完备，连霍高速、京港澳高速等多条高速公路穿境而过，方便物流运作[9]。该产业园内已建成三纵三横路网，基础设施全备，可保障水、电、气、热及通讯的使用，且当地政府也全力推进该产业园发展。工厂选址见图1。

3 总平面设计

根据生产规模、工艺流程以及相关标准要求，经济合理地设计厂区内建筑物、构筑物、作业场地和绿化等设施。厂区占地7 221 m2，分为生活区、办公区、生产加工区和配套区域。厂区内设有3个出入口，东门为人员入口，西北门和西南门用于物料运输，将人流、物流通道分开，以免相互干扰。生产车间面积1 260 m2，周边设有各种仓库，方便物料储存和运输，动力车间位于负荷中心周围。根据驻马店风向玫瑰图，将动力车间和污水处理处设计在厂区的下风口，降低污染对生产车间和生活区的影响。工厂建筑物一览表见表3，总平面设计图见图2。

4 生产车间设计

根据物料衡算、设备选型的结果进行生产车间的设计，车间内具体布置见图3。

在设计时明确人流、物流的流动方向，以减少污染，保证产品卫生质量，绘制车间人流、物流图，见图4。

5 工艺流程

5.1 生产工艺流程

本工艺以玉米蛋白粉为原料，以碱性蛋白酶和中性蛋白酶为辅料，经过超声处理、酶解、活性炭吸附、纳滤脱盐、喷雾干燥等流程，生产出白色或淡黄色的玉米低聚肽粉产品。工艺流程简图见图5。

5.2 生产工艺流程及控制

5.2.1 原料预处理

玉米蛋白粉（蛋白质含量65%）按料液比1∶10加纯水调配，用NaOH调节溶液pH为11，设置超声频率40 kHz、温度60 ℃，处理30 min后作为酶反应的底物溶液[10]。

5.2.2 一次酶解

调节底物溶液pH为9.0，温度为58.0 ℃后，按加酶量（2 830 U/g）加入碱性蛋白酶，酶解3 h[10]、用NaOH溶液维持酶解过程中pH恒定。酶解完成后，95 ℃灭活15 min。

5.2.3 二次酶解

调节底物溶液pH为7.6，温度为42.0 ℃后，按加酶量（1 090 U/g）加入中性蛋白酶，酶解3 h，用NaOH溶液维持酶解过程中pH恒定[10]。酶解完成后，用HCl溶液调节pH至4.0，95 ℃灭活15 min使酶失活，酶解液待用。

5.2.4 离心

将酶解液移入卧式螺旋离心机，离心15 min，出渣率为7%，取上清液即为玉米肽液，此时肽得率为56.28%[10]。

5.2.5 活性炭吸附

使玉米肽液温度为60 ℃，pH为4.0，按原料玉米蛋白粉的10%加入活性炭粉末，搅拌吸附2 h[11]，经板框过滤机过滤，上清液即为脱色脱臭后的玉米肽液。

5.2.6 微滤-纳滤

上清液经过微滤去除较细小的颗粒、微生物等物质后，将澄清液进入纳滤设备，采用150 Da的纳滤膜，料液温度20 ℃，先预浓缩至原体积的1/5（记为V0），然后加入纯水至V0的2倍，纳滤至体积为V0后停止，再加纯水至V0的2倍，继续纳滤脱盐[12]，该操作重复3次。

5.2.7 喷雾干燥

将纳滤浓缩后的玉米肽液导入喷雾塔中，进风温度180 ℃，喷雾干燥得到玉米低聚肽粉产品，设定产品最终含水量为5.0%。

5.2.8 包装

在进行金属检测后，将喷雾干燥制成的玉米低聚肽粉（蛋白质含量90%）进行包装，以避免加工过程中可能混入的金属残留物对人体造成不良影响。每袋玉米低聚肽粉的包装量为10 kg。

5.2.9 成品检验

每批次产品需要进行抽样检验，各项指标检验合格的产品方可入库、销售。

6 物料衡算

6.1 基础数据参数

6.2 原辅料所需量估算

按日产量2.2 t，根据工艺流程设计和表4中的损失率进行物料衡算，得到原辅材料需求，见表5。

6.3 包裝材料所需量估算

每日生产玉米低聚肽粉220包，包装袋、标签纸的损失率为1%，计算得包装袋、标签纸用量均为220/（1－1%）≈223个/日，则一年需要包装袋、标签纸各66 900个。

7 设备选型

根据物料衡算结果，针对企业的具体情况，选择符合工艺要求、性能优良、安全且价格合理的设备，以确保食品生产加工安全有保障，质量有保证，以此稳步提升食品加工企业的竞争力[13-14]。设备选型一览表见表6。

根据工艺流程和设备选型结果绘制设备工艺流程图，见图6。

8 水、电、热量衡算

8.1 水量衡算

根据物料衡算和设备选型结果进行耗水量计算，得到每日耗水量为1 031.899 t，厂区每日耗水量见表7。

8.2 电量衡算

根据物料衡算和设备选型结果进行耗电量计算，得到每日耗電量为2 377.14 kW，厂区每日耗电量见表8。

8.3 热量衡算

计算工艺流程中各个涉及热交换环节的能量消耗值，总热量衡算见表9。

使用蒸汽的工艺阶段包括酶解阶段和喷雾干燥阶段。使用1 MPa的饱和蒸汽压，I=2 777 kJ/kg，蒸汽的热效率为0.95，经计算得蒸汽消耗量约为30.08 t。

9 环境保护

9.1 废水处理

生产废水主要包括微滤截留液、纳滤透过液以及生产过程中的料液损失，该废水中含有未水解的蛋白质、少量淀粉和纤维，若直接排放，其中的营养物质将会滋生大量的微生物，对环境造成污染，采用膜生物反应器处理[15]，经检测符合标准后排放。车间清洁用水无明显危害物质，按照GB 8978-1996《污水综合排放标准》处理后，由生产园区统一排放。

9.2 废渣处理

酶解液离心后产生的滤渣含有淀粉、纤维以及未被水解的蛋白质等有机物，将其进行饲料化处理可以解决其有机物的问题[16]，故可将废渣就近送去饲料处理厂处理。使用过的粉末活性炭经再生处理后可继续使用6～12个月，超过使用期限后作为危废处理[17]。

9.3 废气处理

喷雾干燥塔排出的含尘气体需经过旋风除尘器处理，被净化达标后再进行排放。

9.4 废物处理

委托废物处理企业对厂区产生的各类固体废物进行处理。

9.5 噪音处理

厂区噪音主要来自设备噪音，包括搅拌设备、超声设备、喷雾干燥塔等。针对大型声源设备，可以设置隔音间，采用隔声罩进行消音。为减少风管内气流的影响，厂房排风系统须安装消声器。在不影响居民区以及远离有害场所的地点建厂，生产区建筑物与外围建筑之间应设有防护地带，用于隔绝噪音[18]。

10 劳动组织

根据工艺设计和设备生产需求，确定各个生产工艺的人员安排，车间生产人员安排见表10。

全厂分为销售部、采购部、生产车间部、动力车间部、品控研发部等11个部门，共65名员工，其中管理人员8人，技术人员9人，工人33人，服务人员15人，全厂人员具体安排见表11。

11 投资概算与财务评价

11.1 投资估算

原始投资为固定资产投资和流动资产投资的总和[19]，固定资产投资包括建筑工程费、土地购买费、设备购置费、不可预见费。具体投资费用估算见表12。

11.2 总生产成本估算

根据物料衡算、水电和热量衡算结果，计算得到所需物料成本，见表13。

年度总生产成本包括物料成本、折旧费与维修费、工资、废物处理费和管理费用，经计算，总生产成本见表14。

11.3 全年利润计算

全年净利润为年销售额减去增值税、年生产成本、销售费用、税收、商检费用，设计每袋（10 kg）玉米低聚肽粉出厂定价为1 400元，日产220袋，全年净利润估算结果见表15。

11.4 投资回收期

本设计的原始投资为4 131.22万元，建设期设定2年，实施计划为项目总投资的40%于第1年完成，剩下的60%于第2年完成，正式生产于第3年开始，并达到设计生产能力的50%，第4年开始正常生产。前4年现金流量一览表见表16。

由表16可知，回收期在3～4年之间，具体按下式计算：

T=（n－1）+|M|÷N≈3.98年。

式中：T为回收期；n为累计净现金流量最初出现正值的年份数；M为上年累计净现金流量，元；N为当年净现金流量，元。静态投资回收期约为3.98年。

12 结论

设计年产500 t玉米低聚肽粉工厂，以玉米蛋白粉为原料，采用超声辅助双酶酶解，活性炭吸附脱色脱臭，并采用先进的膜分离技术对玉米肽液浓缩脱盐，经过喷雾干燥，生产出具有多种生理活性、能够用作食品添加剂的玉米低聚肽粉。该厂选址位于河南省驻马店市国际农产品产业园，进行了工艺优化、物料衡算、设备选型、劳动定员、环保设计、总平面设计以及初步的经济概算，设定产品规格为10 kg/袋，出厂价为1 400元/袋。全面投产后，预计年净收入可达2 787.7万元，投资回收期约为3.98年，经济效益显著。本设计可以降低生产成本，提高玉米蛋白粉的综合利用率并生产出具有高附加值的产品，从而进一步提高企业的经济效益。因此，本设计能够为玉米低聚肽粉工厂建设提供一定的理论参考。

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