年产2t硫酸软骨素车间设计初探

    石璇等

    

    

    

    摘 要：选择鲟鱼鱼糜加工过程中废弃的鱼骨为原料，采用稀碱提取-酶解-醇沉工艺，获得具有多种药用价值的硫酸软骨素，并进行年产2 t硫酸软骨素车间设计。按年产2 t硫酸软骨素车间进行工艺流程、设备选型、物料衡算、关键点控制等方面进行设计，并绘制工艺流程图和车间平面图。设计为硫酸软骨素的生产提供参考依据。

    关键词：鲟鱼；硫酸软骨素；生产工艺；工厂设计

    鲟鱼（Sturgeon），又名淫鱼，是世界上现有的最古老的鱼类之一，有着长达两亿多年的历史，被称为“活化石”、“水中熊猫”[1-2]。我国拥有8种鲟鱼，是种类最为多样、分布最为广泛、资源最为丰富的国家之一。鲟鱼肉质嫩滑，味道鲜美，具有较高的营养价值和经济价值。鲟鱼全身都是宝，鱼肉用于烹饪加工，属于低脂肪、高蛋白肉类，其肉和卵的蛋白含量可高达18%和29%；鱼皮可作为高档皮革原料，还可以用来制胶；鲟鱼卵为原料加工而成的鲟鱼籽酱是名贵食品，价格昂贵，有“黑黄金”之称[3]，在国际市场深受欢迎；鱼骨可以加工制成保健品，以鲟鱼软骨为原料提取的硫酸软骨素具有治疗风湿病和关节炎、防治动脉硬化和血栓等多种功效[4-5]。

    本项目以鲟鱼鱼糜加工中废弃的鱼骨为原料，生产具有多种药用价值的硫酸软骨素，将鱼骨进行精深加工，既充分利用了加工废弃物，又降低了硫酸软骨素的生产成本，对推进鲟鱼加工产品多样化，加快鲟鱼产业向技术型转变，实现鲟鱼资源的可持续发展，都有着极其重要的意义。

    1 项目背景

    从20世纪初开始，人们意识到鲟鱼产业中蕴含的巨大的经济价值，鲟鱼产业开始崛起，许多国家开始探索人工养殖。俄罗斯[6]、美国[7]等国家均建有一定规模的鲟鱼养殖场。近年来，鲟鱼养殖业在我国发展也十分迅速，养殖厂、加工厂也随之兴起。如今，我国鲟鱼养殖年产量已经超过25万 t，达到世界鲟鱼养殖总产量的80%以上[8]，成为鲟鱼养殖第一大国。鲟鱼副产物加工利用成为一个重要问题。

    北京**食品有限公司拥有3.3万m2的加工基地，该基地按照HACCP体系和ISO9001体系设计和建设，全面实施QS食品质量安全市场准入制度，所有车间及冷库全部采用国际流行的彩钢板框架结构，总建筑面积8 000 m2，冷库容量1 000 t，超低温（-50 ℃）100 t冷库一座，设计年最大年生产能力4 000 t。为本项目的实施提供了用地、人员和设备保障。

    2 设计总论

    2.1 项目名称

    本设计项目为： 年产2 t硫酸软骨素车间设计。

    2.2 厂址选择与气候条件

    本项目选址符合国家政策，周边环境良好，基础设施完善。紧邻京沈高速公路，距四环路35公里，交通便利，有利于原料的采买和产品的外销。基地地势平坦，标高高于历史最高洪水水位，并保证地质条件可靠，地质灾害发生稀少。厂址附近空旷，无有害气体、放射性源、粉尘和其它扩散性的污染源。生产车间的地表防滑、无缝、不渗水，中央比四周略高，坡度约为1.5%，以利于排水，车间四周设有排水明沟。

    2.3 设计原则

    在进行车间工艺布置的时候，应根据以下原则：

    生产线应满足生产的需求，按照生产要求合理布置车间、仓库、办公区域，人员进出和物料进出要分开，不允许重复往返，避免原料、成品和人流的交叉污染；

    尽量按照工艺流程的顺序来布置各种设备，放置需紧凑合理，在达到操作方便的同时，也要注意为设备的维修和清洁留出足够的距离；

    设计时要考虑生产卫生、劳动保护以及车间的采光、通风和防火。满足HACCP、GPM规范的要求；

    要对生产辅助用房和空间留有充足的面积，确保能对生产进行及时有效的控制。

    本设计主要针对的是硫酸软骨素生产车间和生产线的布局，不包括工厂其他部分的设计。

    3 生产工艺

    3.1 工艺流程图

    工艺流程见图1。

    3.2 工艺流程说明

    3.2.1 前处理 将史氏鲟鱼鱼头投入80～100 ℃的水中，热烫5 min取出。从鱼头中挑出软骨，并剔除软骨上残留的肌肉、脂肪和其他结缔组织，将软骨用清水多次冲洗，干净后于60 ℃下烘干，将软骨绞碎成骨粉。

    3.2.2 碱提 称取骨粉，加入一定浓度的NaOH 溶液，按照一定料液比（g/mL），恒温浸提，间歇搅拌，一定时间后过滤，再同样方法处理滤渣，过滤，合并两次滤液待用。

    3.2.3 酶解 将滤液调节pH为7.8～8.5，用一定量胰蛋白酶按照一定温度、时间进行保温酶解，酶解过程中不断调节pH使之恒定。酶解终点时，将酶解液100 ℃下加热20 min，使酶失活。冷却后，加少量活性碳搅拌脱色，滤纸过滤后得酶解液。

    3.2.4 乙醇沉淀 调节酶解液pH至6.5，加入95%的乙醇至体系乙醇浓度为70%，进行沉淀5 h，离心后，弃去上清液，将沉淀用95%乙醇清洗2次，再离心，弃去上清液，将沉淀冷冻干燥，得到硫酸软骨素提取物。

    4 物料平衡计算

    4.1 产品产量的确定

    鱼糜加工车间每天鱼糜加工产生的鱼骨废弃物约为262.76 kg，每年实际生产天数按照250 d计算，每年产生的鱼骨废弃物约为65.69 t，前处理时，得到的软骨干重为鱼骨废弃物的8.70%、为软骨湿重的17.34%，则每年得到的软骨干重和湿重分别为

    65.69×8.70%=5.715 t5.715/17.34%=32.96 t

    通过提取实验知，每10.0 g干燥软骨平均可提取3.5 g硫酸软骨素样品，则全年提取的硫酸软骨素产量为：

    5.715 t×0.35=2 t

    4.2 生产原辅料

    本设计物料衡算以班产量计算。年产2 t，每年实际生产天数按照250 d计算，可确定日产8.0 kg，每日1班，即班产为8.0 kg。

    每年得到软骨湿重和干重分别为32.96 t和5.715 t，则每班需要的软骨湿重和干重分别为131.83 kg和22.86 kg。

    根据碱提正交结果可知，碱液浓度在5%，料液比为1∶4时提取效果最好，故每班消耗的NaOH质量为：

    22.86 kg×4×0.05=4.57 kg

    用HCl来调节pH，经多次试验，10.0 g干软骨需要消耗1.0 mol/L的盐酸10 mL，22.86 kg需要1.0 mol/L的盐酸22.86 L。故每班需要12.0 mol/L的浓HCl的体积为：

    22.86 L/12=1.91 L

    根据酶解正交结果可知，加酶量为0.4%时酶解效果最好（按湿软骨计），每班所需要胰蛋白酶质量为：

    131.83 kg×0.4%=0.53 kg

    在醇沉时，体系乙醇浓度要达到70%，每克原料需要消耗掉95%乙醇11.2 mL，则每班需要的体积为

    22.86×11.2=256.03 L

    由于乙醇可以回收利用，按重复利用5次来计算，故平均每班消耗95%乙醇的量为：

    256.03/5=51.21 L。

    4.3 包装材料

    包装袋的损耗量为0.1%[9]，每袋装100 g，因此每班包装袋的数量为：

    N=（8 kg/100 g）×（1+0.1%）=80个 。

    5 设备选型

    在充分考虑生产工艺和生产需求后，先选定设备的类型，再考虑规格，详见表1。

    6 水、电估算

    在车间设计时，合理准确的估算水、电十分重要，既要满足生产的需求，也要符合卫生的要求，确保数据可靠，为经济技术分析提供依据。

    6.1 用水量的估算

    6.1.1 生产车间用水量 生产车间用水主要是原料清洗、碱液提取、设备清洗以及地面清洗等。

    （1）原料清洗：每班原料清洗用水约为W1=1.000 t。

    （2）碱液提取：每班的加水量为用91.44 L，即W2=0.09 t。

    （3）设备清洗：每天清洗1次，清洗一次用水量为1 t，因此设备清洗用水量为W3=1.00 t/d。

    （4）地坪清洗：一般情况下，1 t水约可冲洗地坪40 m2，不同类型的加工厂，每班冲洗地坪的次数不同，每班冲洗地坪耗水量[10]：W4=S/40×N。

    式中：S-生产车间地坪面积（m2）；

    N-每班冲洗地坪次数。

    车间总面积为60 m2，每班对地坪冲洗2次，则用水量为：W4=（60/40）×2=3.00 t。

    每班车间总用水量W班=∑Wi=1.00 t+009 t+1.00 t+3.00 t=5.09 t。

    6.1.2 生活用水量 生活用水包括饮用水、更衣间、洗手间卫生用水等。生活用水的多少、车间所在地气候、工人生活习惯和卫生设备有关，其用水量不能精确统计，按我国标准普通车间每人每班次用水量为25 L。估算其每班用水量为W生活=0.55 t。

    6.1.3 消防用水 食品车间的室外消防用水量为10～75 L/s，室内消防用水量保证每股水量不小于2.5 L/s，充实水柱长度不小于7 m。由于食品车间生产用水量较大，在计算总用水量时，可以不计消防用水量，当发生火警时，可以通过调整生产用水和生活用水来加以解决。所以每班生产总的用水量为：

    W=W班+W生活=5.64 t。

    6.2 用电量估算

    照明用电量：白天采用自然光，只有采光不足或夜晚才用电照明。车间用电按照规定为10 w/m2，共计0.60 kW；

    主要设备的功率如表2。

    其它耗电：车间其他耗电约1.50 kW；

    车间总耗电P=设备耗电+照明用电量+其它耗电=35.40 kW。

    厂区设计的装机容量已包含本车间，不需要增加新的供电设备。

    7 总结

    本文进行了年产2 t硫酸软骨素车间设计，通过物料衡算确定原辅料的需求量，并对车间主要设备进行选型及水电的估算。项目选址符合国家政策，周边环境良好，基础设施完善。交通便利，有利于原料的采买和产品的外销，基地建设严格依照HACCP体系和IS9001体系，全面实施QS食品质量安全市场准入制度，确保了产品的安全性。本项目建成后不仅可以为项目承担企业带来良好的经济效益，更为充分利用鲟鱼加工废弃物，实现水产资源的可持续发展提供了新思路。

    参考文献：

    [1]姜礼燔.世界鲟鱼资源及养殖前景[J].中国渔业经济研究，1998（2）：33-35

    [2] 陈曾龙，罗相忠.世界鲟形目主要种类生物学[J].浙江海洋学院学报，1999，18（3）：238-242

    [3] 庞景贵，刘丽杰，陈力景.世界鲟鱼类资源及其养殖前景[J].淡水渔业，2002，32（1）：53-55

    [4] Sauerland K.，Plaas A.H.，Raiss R.X.，Steinmeyer J.et al. The sulfation Pattern of chondroitin sulfate from articular cartilage explants in response to mechanical loading[J] . Biochimica Biophys Acta. 2003，1638：241-244

    [5] 韩晓量，赵培真，杨方.人白细胞DR抗原在冠状动脉粥样硬化早期病变中的表达及CS-PG的关系[J].中国动脉硬化杂志，1995，3（3）：232-235

    [6] 曹德福.俄罗斯鳃苗种培育技术团[J].科学养鱼，2000（1）：22-23

    [7] 陈刚，陈卫忠.对美国渔业管理模式的初步探讨[J].上海水产大学学报，2002，11（3）：237-241

    [8] 孙大江，曲秋芝，张颖.中国的鲟鱼养殖[J].水产学杂志，2011，24（4）：67-70

    [9] 吴思方.发酵工厂工艺设计概论[M].北京：中国轻工业出版社，1995

    [10] 鲍思泽.食品工厂设计与安装[M].北京：中国商业出版社，1994

    （收稿日期：2014-12-15）