年產2t硫酸軟骨素車間設計初探

石璇等

摘 要：選擇鱘魚魚糜加工過程中廢棄的魚骨為原料，采用稀堿提取-酶解-醇沉工藝，獲得具有多種藥用價值的硫酸軟骨素，并進行年產2 t硫酸軟骨素車間設計。按年產2 t硫酸軟骨素車間進行工藝流程、設備選型、物料衡算、關鍵點控制等方面進行設計，并繪制工藝流程圖和車間平面圖。設計為硫酸軟骨素的生產提供參考依據。

關鍵詞：鱘魚；硫酸軟骨素；生產工藝；工廠設計

鱘魚（Sturgeon），又名淫魚，是世界上現有的最古老的魚類之一，有著長達兩億多年的歷史，被稱為“活化石”、“水中熊貓”[1-2]。我國擁有8種鱘魚，是種類最為多樣、分布最為廣泛、資源最為豐富的國家之一。鱘魚肉質嫩滑，味道鮮美，具有較高的營養價值和經濟價值。鱘魚全身都是寶，魚肉用于烹飪加工，屬于低脂肪、高蛋白肉類，其肉和卵的蛋白含量可高達18%和29%；魚皮可作為高檔皮革原料，還可以用來制膠；鱘魚卵為原料加工而成的鱘魚籽醬是名貴食品，價格昂貴，有“黑黃金”之稱[3]，在國際市場深受歡迎；魚骨可以加工制成保健品，以鱘魚軟骨為原料提取的硫酸軟骨素具有治療風濕病和關節炎、防治動脈硬化和血栓等多種功效[4-5]。

本項目以鱘魚魚糜加工中廢棄的魚骨為原料，生產具有多種藥用價值的硫酸軟骨素，將魚骨進行精深加工，既充分利用了加工廢棄物，又降低了硫酸軟骨素的生產成本，對推進鱘魚加工產品多樣化，加快鱘魚產業向技術型轉變，實現鱘魚資源的可持續發展，都有著極其重要的意義。

1 項目背景

從20世紀初開始，人們意識到鱘魚產業中蘊含的巨大的經濟價值，鱘魚產業開始崛起，許多國家開始探索人工養殖。俄羅斯[6]、美國[7]等國家均建有一定規模的鱘魚養殖場。近年來，鱘魚養殖業在我國發展也十分迅速，養殖廠、加工廠也隨之興起。如今，我國鱘魚養殖年產量已經超過25萬 t，達到世界鱘魚養殖總產量的80%以上[8]，成為鱘魚養殖第一大國。鱘魚副產物加工利用成為一個重要問題。

北京**食品有限公司擁有3.3萬m2的加工基地，該基地按照HACCP體系和ISO9001體系設計和建設，全面實施QS食品質量安全市場準入制度，所有車間及冷庫全部采用國際流行的彩鋼板框架結構，總建筑面積8 000 m2，冷庫容量1 000 t，超低溫（-50 ℃）100 t冷庫一座，設計年最大年生產能力4 000 t。為本項目的實施提供了用地、人員和設備保障。

2 設計總論

2.1 項目名稱

本設計項目為： 年產2 t硫酸軟骨素車間設計。

2.2 廠址選擇與氣候條件

本項目選址符合國家政策，周邊環境良好，基礎設施完善。緊鄰京沈高速公路，距四環路35公里，交通便利，有利于原料的采買和產品的外銷。基地地勢平坦，標高高于歷史最高洪水水位，并保證地質條件可靠，地質災害發生稀少。廠址附近空曠，無有害氣體、放射性源、粉塵和其它擴散性的污染源。生產車間的地表防滑、無縫、不滲水，中央比四周略高，坡度約為1.5%，以利于排水，車間四周設有排水明溝。

2.3 設計原則

在進行車間工藝布置的時候，應根據以下原則：

生產線應滿足生產的需求，按照生產要求合理布置車間、倉庫、辦公區域，人員進出和物料進出要分開，不允許重復往返，避免原料、成品和人流的交叉污染；

盡量按照工藝流程的順序來布置各種設備，放置需緊湊合理，在達到操作方便的同時，也要注意為設備的維修和清潔留出足夠的距離；

設計時要考慮生產衛生、勞動保護以及車間的采光、通風和防火。滿足HACCP、GPM規范的要求；

要對生產輔助用房和空間留有充足的面積，確保能對生產進行及時有效的控制。

本設計主要針對的是硫酸軟骨素生產車間和生產線的布局，不包括工廠其他部分的設計。

3 生產工藝

3.1 工藝流程圖

工藝流程見圖1。

3.2 工藝流程說明

3.2.1 前處理 將史氏鱘魚魚頭投入80～100 ℃的水中，熱燙5 min取出。從魚頭中挑出軟骨，并剔除軟骨上殘留的肌肉、脂肪和其他結締組織，將軟骨用清水多次沖洗，干凈后于60 ℃下烘干，將軟骨絞碎成骨粉。

3.2.2 堿提 稱取骨粉，加入一定濃度的NaOH 溶液，按照一定料液比（g/mL），恒溫浸提，間歇攪拌，一定時間后過濾，再同樣方法處理濾渣，過濾，合并兩次濾液待用。

3.2.3 酶解 將濾液調節pH為7.8～8.5，用一定量胰蛋白酶按照一定溫度、時間進行保溫酶解，酶解過程中不斷調節pH使之恒定。酶解終點時，將酶解液100 ℃下加熱20 min，使酶失活。冷卻后，加少量活性碳攪拌脫色，濾紙過濾后得酶解液。

3.2.4 乙醇沉淀 調節酶解液pH至6.5，加入95%的乙醇至體系乙醇濃度為70%，進行沉淀5 h，離心后，棄去上清液，將沉淀用95%乙醇清洗2次，再離心，棄去上清液，將沉淀冷凍干燥，得到硫酸軟骨素提取物。

4 物料平衡計算

4.1 產品產量的確定

魚糜加工車間每天魚糜加工產生的魚骨廢棄物約為262.76 kg，每年實際生產天數按照250 d計算，每年產生的魚骨廢棄物約為65.69 t，前處理時，得到的軟骨干重為魚骨廢棄物的8.70%、為軟骨濕重的17.34%，則每年得到的軟骨干重和濕重分別為

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

通過提取實驗知，每10.0 g干燥軟骨平均可提取3.5 g硫酸軟骨素樣品，則全年提取的硫酸軟骨素產量為：

5.715 t×0.35=2 t

4.2 生產原輔料

本設計物料衡算以班產量計算。年產2 t，每年實際生產天數按照250 d計算，可確定日產8.0 kg，每日1班，即班產為8.0 kg。

每年得到軟骨濕重和干重分別為32.96 t和5.715 t，則每班需要的軟骨濕重和干重分別為131.83 kg和22.86 kg。

根據堿提正交結果可知，堿液濃度在5%，料液比為1∶4時提取效果最好，故每班消耗的NaOH質量為：

22.86 kg×4×0.05=4.57 kg

用HCl來調節pH，經多次試驗，10.0 g干軟骨需要消耗1.0 mol/L的鹽酸10 mL，22.86 kg需要1.0 mol/L的鹽酸22.86 L。故每班需要12.0 mol/L的濃HCl的體積為：

22.86 L/12=1.91 L

根據酶解正交結果可知，加酶量為0.4%時酶解效果最好（按濕軟骨計），每班所需要胰蛋白酶質量為：

131.83 kg×0.4%=0.53 kg

在醇沉時，體系乙醇濃度要達到70%，每克原料需要消耗掉95%乙醇11.2 mL，則每班需要的體積為

22.86×11.2=256.03 L

由于乙醇可以回收利用，按重復利用5次來計算，故平均每班消耗95%乙醇的量為：

256.03/5=51.21 L。

4.3 包裝材料

包裝袋的損耗量為0.1%[9]，每袋裝100 g，因此每班包裝袋的數量為：

N=（8 kg/100 g）×（1+0.1%）=80個 。

5 設備選型

在充分考慮生產工藝和生產需求后，先選定設備的類型，再考慮規格，詳見表1。

6 水、電估算

在車間設計時，合理準確的估算水、電十分重要，既要滿足生產的需求，也要符合衛生的要求，確保數據可靠，為經濟技術分析提供依據。

6.1 用水量的估算

6.1.1 生產車間用水量 生產車間用水主要是原料清洗、堿液提取、設備清洗以及地面清洗等。

（1）原料清洗：每班原料清洗用水約為W1=1.000 t。

（2）堿液提取：每班的加水量為用91.44 L，即W2=0.09 t。

（3）設備清洗：每天清洗1次，清洗一次用水量為1 t，因此設備清洗用水量為W3=1.00 t/d。

（4）地坪清洗：一般情況下，1 t水約可沖洗地坪40 m2，不同類型的加工廠，每班沖洗地坪的次數不同，每班沖洗地坪耗水量[10]：W4=S/40×N。

式中：S-生產車間地坪面積（m2）；

N-每班沖洗地坪次數。

車間總面積為60 m2，每班對地坪沖洗2次，則用水量為：W4=（60/40）×2=3.00 t。

每班車間總用水量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 生活用水包括飲用水、更衣間、洗手間衛生用水等。生活用水的多少、車間所在地氣候、工人生活習慣和衛生設備有關，其用水量不能精確統計，按我國標準普通車間每人每班次用水量為25 L。估算其每班用水量為W生活=0.55 t。

6.1.3 消防用水 食品車間的室外消防用水量為10～75 L/s，室內消防用水量保證每股水量不小于2.5 L/s，充實水柱長度不小于7 m。由于食品車間生產用水量較大，在計算總用水量時，可以不計消防用水量，當發生火警時，可以通過調整生產用水和生活用水來加以解決。所以每班生產總的用水量為：

W=W班+W生活=5.64 t。

6.2 用電量估算

照明用電量：白天采用自然光，只有采光不足或夜晚才用電照明。車間用電按照規定為10 w/m2，共計0.60 kW；

主要設備的功率如表2。

其它耗電：車間其他耗電約1.50 kW；

車間總耗電P=設備耗電+照明用電量+其它耗電=35.40 kW。

廠區設計的裝機容量已包含本車間，不需要增加新的供電設備。

7 總結

本文進行了年產2 t硫酸軟骨素車間設計，通過物料衡算確定原輔料的需求量，并對車間主要設備進行選型及水電的估算。項目選址符合國家政策，周邊環境良好，基礎設施完善。交通便利，有利于原料的采買和產品的外銷，基地建設嚴格依照HACCP體系和IS9001體系，全面實施QS食品質量安全市場準入制度，確保了產品的安全性。本項目建成后不僅可以為項目承擔企業帶來良好的經濟效益，更為充分利用鱘魚加工廢棄物，實現水產資源的可持續發展提供了新思路。

參考文獻：

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[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

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[10] 鮑思澤.食品工廠設計與安裝[M].北京：中國商業出版社，1994

（收稿日期：2014-12-15）