تولید پودر شیر خشک بدون چربی(اسکیم): مقدمه‌ای بر یک صنعت سودآور

پودر شیر بدون چربی (Skim Milk Powder یا SMP) یکی از محصولات کلیدی صنعت لبنیات است که با حذف چربی و آب از شیر مایع تولید می‌شود. این محصول به دلیل ماندگاری بالا، ارزش تغذیه‌ای حفظ‌شده، و کاربرد گسترده در صنایع غذایی، جایگاه ویژه‌ای در بازار جهانی دارد.

در این مقاله، فرآیند تولید SMP با استفاده از نرم‌افزار SuperPro Designer بررسی شده و از جنبه‌های فنی، اقتصادی و تاریخی تحلیل می‌شود. هدف، ارائه یک مدل دقیق برای تولید صنعتی پودر شیر بدون چربی و خامه با ظرفیت پردازش ۱۰۰ تن شیر در روز است.

مزایای تولید پودر شیر

• افزایش ماندگاری محصول
• کاهش هزینه‌های حمل‌ونقل
• حفظ ارزش تغذیه‌ای شیر
• کاربرد گسترده در صنایع غذایی مانند پنیر، بستنی، شکلات و نانوایی

تاریخچه‌ای کوتاه از پودر شیر

تلاش برای خشک‌کردن شیر به قرن سیزدهم بازمی‌گردد، زمانی که سربازان مغول از شیر خشک‌شده استفاده می‌کردند. اولین تولید تجاری توسط شیمیدان روسی M. Dirchoff در سال ۱۸۳۲ انجام شد. در قرن نوزدهم، مخترعان اروپایی مانند Nicolas Appert روش‌هایی برای تغلیظ و خشک‌کردن شیر ارائه دادند که پایه‌گذار صنعت مدرن پودر شیر شدند.

تعریف بین‌المللی پودر شیر

بر اساس استاندارد Codex، پودر شیر محصولی است که با حذف بخشی از آب شیر تولید می‌شود. ترکیب آن می‌تواند با افزودن یا حذف اجزای شیر تنظیم شود، به شرطی که نسبت پروتئین وی به کازئین حفظ شود. تنها مواد اولیه مجاز برای تولید پودر شیر، شیر و خامه هستند.

جدول ترکیب انواع پودر شیر

نوع پودر	چربی شیر	پروتئین در مواد جامد بدون چربی	حداکثر رطوبت
پودر شیر کامل	۲۶٪ تا ۴۲٪	حداقل ۳۴٪	۵٪
پودر شیر نیمه‌چرب	۱.۵٪ تا ۲۶٪	حداقل ۳۴٪	۵٪
پودر شیر بدون چربی	حداکثر ۱.۵٪	حداقل ۳۴٪	۵٪

در ادامه مقاله، به بررسی دقیق مراحل فرآیند تولید، تجهیزات مورد استفاده، تحلیل اقتصادی و سودآوری پروژه خواهیم پرداخت.

مراحل فنی تولید پودر شیر بدون چربی

۱. پاستوریزاسیون شیر

در این مرحله، هدف اصلی حذف میکروارگانیسم‌های بیماری‌زا و آماده‌سازی شیر برای فرآیندهای بعدی است. در هر بچ، ۱۰۰ تن شیر کامل دریافت می‌شود. مراحل پاستوریزاسیون شامل:

• هواگیری شیر در واحد DA-101
• فیلتراسیون اولیه در واحد DE-101 برای حذف ناخالصی‌ها
• خنک‌سازی شیر تا دمای ۴ درجه سانتی‌گراد در مبدل حرارتی HX-101
• گرم‌کردن تدریجی شیر تا ۷۲ درجه سانتی‌گراد در پاستورایزر PZ-101
• سردکردن نهایی تا ۱۰ درجه سانتی‌گراد با آب سرد

شیر پاستوریزه در مخزن ذخیره V-103 جمع‌آوری می‌شود تا وارد مرحله بعدی شود.

۲. استانداردسازی شیر

هدف این مرحله حذف چربی از شیر و تولید شیر بدون چربی است. شیر پاستوریزه به سانتریفیوژ دیسکی DS-101 منتقل می‌شود که چربی را جدا کرده و حدود ۱۰.۶۲ تن خامه در هر بچ تولید می‌کند. خامه در مخزن MT-102 ذخیره شده و به‌عنوان محصول جانبی فروخته می‌شود.

شیر بدون چربی در مخزن MT-103 جمع‌آوری شده و در مبدل حرارتی HX-103 تا دمای ۴۵ درجه سانتی‌گراد پیش‌گرم می‌شود تا برای تبخیر آماده شود.

۳. تبخیر شیر بدون چربی

در این مرحله، شیر بدون چربی پیش‌گرم‌شده وارد واحد فلش اول V-101 می‌شود و تا دمای ۷۴ درجه سانتی‌گراد گرم می‌شود که منجر به تبخیر جزئی آب می‌گردد. سپس جریان مایع از مبدل HX-104 عبور کرده و تا ۸۵ درجه سانتی‌گراد گرم می‌شود و وارد فلش دوم V-102 می‌شود که تحت خلأ (۰.۳ بار) و دمای حدود ۷۰ درجه سانتی‌گراد عمل می‌کند.

بخارهای حاصل از دو فلش در میکسر MX-102 ترکیب شده و در کندانسور HX-102 با آب سرد تقطیر می‌شوند. این کندانس به‌عنوان آب شست‌وشو و تولید بخار در مراحل بعدی استفاده می‌شود.

جدول مشخصات تبخیرکننده چندمرحله‌ای

نام تجهیز	ظرفیت حرارتی	حجم مخزن	قیمت (دلار)
EV-101	۴۴.۴۶ متر مربع	—	۷۲۴,۰۰۰
V-101	—	۴,۶۶۸ لیتر	۱۸,۰۰۰
V-102	—	۴,۵۴۳ لیتر	۱۸,۰۰۰

در پایان این مرحله، شیر بدون چربی تغلیظ‌شده در مخزن MT-104 ذخیره شده و برای مرحله خشک‌کردن آماده می‌شود.

مرحله نهایی تولید: خشک‌کردن و زمان‌بندی فرآیند

۴. خشک‌کردن شیر تغلیظ‌شده

در این مرحله، شیر بدون چربی تغلیظ‌شده که از مرحله تبخیر به دست آمده، وارد خشک‌کن اسپری (SDR-101) می‌شود. در این واحد، حدود ۹۶٪ از آب باقی‌مانده تبخیر شده و پودر شیر خام تولید می‌شود.

پودر تولیدشده به واحد الک ارتعاشی VSCR-101 منتقل می‌شود تا ذرات درشت جدا شوند. این ذرات در واحد آسیاب GR-101 خرد شده و مجدداً با پودر اصلی ترکیب می‌شوند. در نهایت، پودر شیر بدون چربی در سیلو SL-101 ذخیره می‌شود.

ویژگی‌های پودر نهایی

• رنگ: زرد کم‌رنگ یا سفید کرمی، بدون لکه یا ذرات سوخته
• بافت: سبک، پودری، مشابه آرد ذرت
• طعم: ملایم و مشابه شیر بدون چربی تازه
• چگالی حجمی پایین با قابلیت پراکندگی و خیس‌خوردن بالا

جدول مشخصات تجهیزات خشک‌سازی

نام تجهیز	ظرفیت	قیمت (دلار)
SDR-101 (خشک‌کن اسپری)	۱۴.۷۷ متر مکعب	۲۲۳,۰۰۰
VSCR-101 (الک ارتعاشی)	۱۵۰۶.۸۴ کیلوگرم/ساعت	۱۴,۰۰۰
GR-101 (آسیاب)	۰.۱۵ کیلوگرم/ساعت	۸۳,۰۰۰

۵. زمان‌بندی تولید و تحلیل اشغال تجهیزات

فرآیند تولید به‌صورت بچ (Batch) طراحی شده و هر بچ در مدت ۲۴ ساعت انجام می‌شود. با فرض فعالیت کارخانه در ۱۱ ماه از سال، مجموعاً ۳۳۰ بچ در سال پردازش می‌شود.

نمودار Equipment Occupancy Chart (EOC) نشان می‌دهد که بیشترین زمان اشغال مربوط به مخزن MT-103 در بخش استانداردسازی با ۱۳.۳۳ ساعت در هر بچ است. پس از آن، مخزن MT-101 در بخش پاستوریزاسیون با ۱۲.۹۴ ساعت در رتبه دوم قرار دارد.

نمودار Gantt عملیات نیز برای نمایش دقیق زمان‌بندی هر مرحله از فرآیند استفاده می‌شود. در این نمودار، نوارهای آبی تیره نشان‌دهنده مدت زمان هر مرحله و نوارهای فیروزه‌ای نشان‌دهنده عملیات‌های داخلی هستند. این نمودار قابلیت ویرایش مستقیم دارد و با کلیک روی هر نوار، می‌توان تنظیمات مربوط به آن مرحله را تغییر داد.

این زمان‌بندی دقیق به بهینه‌سازی ظرفیت تولید، کاهش زمان توقف و افزایش بهره‌وری کمک می‌کند.

تحلیل مواد اولیه و هزینه‌های مصرفی در تولید پودر شیر بدون چربی

مصرف مواد اولیه در فرآیند تولید

برای تولید سالانه حدود ۳۰۰۰ تن پودر شیر بدون چربی (SMP)، مواد اولیه مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مواد شامل شیر مایع، اسید فسفریک، سود سوزآور، آب و هوا هستند. جدول زیر میزان مصرف سالانه، مصرف در هر بچ و مصرف به ازای هر تن محصول نهایی را نشان می‌دهد:

ماده اولیه	مصرف سالانه (تن)	مصرف در هر بچ (تن)	مصرف به ازای هر تن SMP
هوا	۶۱,۴۹۳	۱۸۶.۳۴۲	۲۰.۶۱۱
شیر مایع	۳۳,۰۰۰	۱۰۰.۰۰۰	۱۱.۰۶۱
اسید فسفریک ۲٪	۵,۱۲۵	۱۵.۵۳۱	۱.۷۱۸
سدیم هیدروکسید ۲٪	۵,۳۶۶	۱۶.۲۶۰	۱.۷۹۸
آب	۲۶,۰۰۹	۷۸.۸۱۶	۸.۷۱۸

هزینه مواد اولیه

هزینه مواد اولیه بخش قابل توجهی از هزینه‌های عملیاتی سالانه را تشکیل می‌دهد. در این پروژه، قیمت خرید شیر مایع ۰.۵۷ دلار به ازای هر کیلوگرم در نظر گرفته شده است. سایر مواد مانند آب، اسید فسفریک و سود سوزآور نیز در محاسبات لحاظ شده‌اند. جدول زیر هزینه‌های سالانه هر ماده را نشان می‌دهد:

ماده	قیمت واحد	مقدار سالانه	هزینه سالانه	درصد از کل
شیر مایع	۰.۵۷ دلار/کیلوگرم	۳۳,۰۰۰,۰۰۰ کیلوگرم	۱۸,۸۱۰,۰۰۰ دلار	۹۹.۳۱٪
اسید فسفریک ۲٪	۱۵ دلار/تن	۵,۱۲۵ تن	۷۶,۸۷۹ دلار	۰.۴۱٪
سدیم هیدروکسید ۲٪	۱۰ دلار/تن	۵,۳۶۶ تن	۵۳,۶۵۷ دلار	۰.۲۸٪
آب	۰ دلار	۲۶,۰۰۹,۱۶۹ کیلوگرم	۰ دلار	۰٪

همان‌طور که مشاهده می‌شود، بیش از ۹۹٪ هزینه مواد اولیه مربوط به خرید شیر مایع است. این موضوع اهمیت تأمین پایدار و اقتصادی شیر خام را در موفقیت پروژه نشان می‌دهد.

هزینه‌های عملیاتی سالانه در تولید پودر شیر بدون چربی

هزینه‌های انرژی و خدمات جانبی

در فرآیند تولید صنعتی SMP، انرژی و خدمات جانبی نقش مهمی در عملکرد پایدار و بهینه دارند. این هزینه‌ها شامل برق، بخار، آب سرد، آب گرم، آب خنک‌کننده و محلول‌های نمکی هستند. جدول زیر هزینه‌های سالانه هر نوع انرژی را نشان می‌دهد:

نوع انرژی	قیمت واحد	مقدار سالانه	هزینه سالانه	درصد از کل
برق	۰.۲۰ دلار/کیلووات‌ساعت	۶۲۱,۵۱۳ کیلووات‌ساعت	۱۲۴,۳۰۳ دلار	۲۰.۴۲٪
بخار فشار بالا	۳۵ دلار/تن	۵,۷۰۹ تن	۱۹۹,۸۲۴ دلار	۳۲.۸۲٪
آب خنک‌کننده	۰.۱۰ دلار/تن	۱,۱۶۶,۹۵۴ تن	۱۱۶,۶۹۵ دلار	۱۹.۱۷٪
آب سرد	۰.۴۰ دلار/تن	۳۵,۰۸۴ تن	۱۴,۰۳۴ دلار	۲.۳۰٪
محلول نمکی CaCl₂	۰.۴۰ دلار/تن	۸۰,۹۹۱ تن	۳۲,۳۹۷ دلار	۵.۳۲٪
بخار فشار پایین	۲۵ دلار/تن	۴,۲۸۹ تن	۱۰۷,۲۱۸ دلار	۱۷.۶۱٪
آب گرم	۰.۰۵ دلار/تن	۲۸۷,۵۱۱ تن	۱۴,۳۷۶ دلار	۲.۳۶٪

هزینه‌های نیروی انسانی

در این پروژه، تنها نوع نیروی انسانی مورد نیاز، اپراتورهای خط تولید هستند. نرخ دستمزد ساعتی برای اپراتورها ۴۲ دلار در نظر گرفته شده و مجموع ساعات کاری سالانه ۵۰,۵۶۴ ساعت است. هزینه سالانه نیروی انسانی برابر با ۲,۱۲۳,۶۷۵ دلار است که حدود ۷٪ از کل هزینه‌های عملیاتی را تشکیل می‌دهد.

جمع‌بندی هزینه‌های عملیاتی

با در نظر گرفتن هزینه‌های مواد اولیه، انرژی، نیروی انسانی و خدمات جانبی، مجموع هزینه عملیاتی سالانه پروژه حدود ۲۹.۲ میلیون دلار برآورد شده است. این رقم شامل هزینه‌های نگهداری، استهلاک و تصفیه پسماند نیز می‌شود.

تحلیل سرمایه‌گذاری و سودآوری پروژه تولید پودر شیر بدون چربی

سرمایه‌گذاری اولیه پروژه

برای راه‌اندازی کارخانه‌ای با ظرفیت پردازش ۱۰۰ تن شیر در روز و تولید سالانه ۳۰۰۰ تن پودر شیر بدون چربی و ۳۵۰۰ تن خامه، سرمایه‌گذاری قابل توجهی مورد نیاز است. جدول زیر اجزای اصلی سرمایه‌گذاری را نشان می‌دهد:

نوع هزینه	مقدار (دلار)
سرمایه‌گذاری ثابت مستقیم (CAPEX)	۵۰,۶۲۵,۰۰۰
سرمایه در گردش	۱,۱۱۲,۰۰۰
هزینه راه‌اندازی	۱,۹۰۸,۰۰۰
هزینه‌های تحقیق و توسعه اولیه	۰
هزینه حق امتیاز اولیه	۰
جمع کل سرمایه‌گذاری	۵۳,۶۴۵,۰۰۰

درآمد سالانه پروژه

با فرض قیمت فروش ۴۵۰۰ دلار برای هر تن SMP و ۷۶۰۰ دلار برای هر تن خامه، درآمد سالانه پروژه به شرح زیر است:

محصول	مقدار تولید (تن/سال)	قیمت فروش (دلار/تن)	درآمد سالانه (دلار)
پودر شیر بدون چربی (SMP)	۲,۹۸۳	۴,۵۰۰	۱۳,۴۲۴,۶۰۳
خامه	۳,۵۰۴	۷,۶۰۰	۲۶,۶۲۹,۵۹۵
جمع کل درآمد	۴۰,۰۵۴,۱۹۸ دلار/سال

شاخص‌های مالی پروژه

• هزینه عملیاتی سالانه: ۲۹,۱۶۳,۰۰۰ دلار
• سود ناخالص: ۱۰,۸۹۳,۰۰۰ دلار
• مالیات (۲۸٪): ۳,۰۵۰,۰۰۰ دلار
• سود خالص (با احتساب استهلاک): ۱۲,۶۵۲,۰۰۰ دلار
• حاشیه سود ناخالص: ۲۷.۲٪
• بازده سرمایه‌گذاری (ROI): ۲۳.۶٪
• زمان بازگشت سرمایه: ۴.۲ سال

این شاخص‌ها نشان می‌دهند که پروژه تولید SMP و خامه از نظر اقتصادی کاملاً سودآور و قابل سرمایه‌گذاری است.

تجهیزات اصلی فرآیند تولید پودر شیر بدون چربی

در طراحی کارخانه تولید SMP، تجهیزات متعددی برای انجام مراحل مختلف فرآیند مورد استفاده قرار می‌گیرند. این تجهیزات شامل مخازن، فیلترها، خشک‌کن‌ها، سانتریفیوژها، مبدل‌های حرارتی و واحدهای تبخیر هستند. جدول زیر مشخصات فنی و هزینه خرید تجهیزات اصلی را نشان می‌دهد:

نام تجهیز	توضیحات	قیمت واحد (دلار)
EV-101	تبخیرکننده چندمرحله‌ای با سطح انتقال حرارت ۴۴.۴۶ متر مربع	۷۲۴,۰۰۰
MT-101	مخزن مخلوط‌کن با حجم ۱۱۱,۲۴۳ لیتر	۴۴۹,۰۰۰
SDR-101	خشک‌کن اسپری با حجم ۱۴.۷۷ متر مکعب	۲۲۳,۰۰۰
DS-101	سانتریفیوژ دیسکی با ظرفیت ۱۲,۵۴۰ لیتر/ساعت	۱۲۵,۰۰۰
GR-101	آسیاب با ظرفیت ۰.۱۵ کیلوگرم/ساعت	۸۳,۰۰۰
SL-101	سیلو ذخیره‌سازی با حجم ۱۱,۸۱۸ لیتر	۸۰,۰۰۰
PZ-101	پاستورایزر با ظرفیت ۱۲,۵۱۴ لیتر/ساعت	۱۸۶,۰۰۰
DE-101 تا DE-103	فیلترهای انتهایی با سطح فیلتر ۲۰ تا ۹۰ متر مربع	۸۱,۰۰۰ تا ۳۲۹,۰۰۰
HX-101 تا HX-106	مبدل‌های حرارتی با سطح تبادل ۲ تا ۳۸ متر مربع	۱۳,۰۰۰ تا ۷۸,۰۰۰

جمع‌بندی هزینه تجهیزات

هزینه کل خرید تجهیزات اصلی برای این کارخانه حدود ۶.۵ میلیون دلار برآورد شده است. این تجهیزات نقش حیاتی در اجرای دقیق و بهینه فرآیند تولید دارند و انتخاب صحیح آن‌ها تأثیر مستقیمی بر کیفیت محصول نهایی و بهره‌وری تولید خواهد داشت.

جمع‌بندی نهایی: پروژه‌ای سودآور در صنعت لبنیات

در این مقاله، فرآیند تولید پودر شیر بدون چربی (SMP) و خامه با استفاده از نرم‌افزار SuperPro Designer به‌صورت کامل بررسی شد. از مراحل فنی مانند پاستوریزاسیون، استانداردسازی، تبخیر و خشک‌کردن گرفته تا تحلیل دقیق مواد اولیه، تجهیزات، هزینه‌های عملیاتی و شاخص‌های مالی پروژه.

نتایج این تحلیل نشان می‌دهد که با سرمایه‌گذاری حدود ۵۳.۶ میلیون دلار و هزینه عملیاتی سالانه ۲۹.۲ میلیون دلار، می‌توان سالانه حدود ۴۰ میلیون دلار درآمد کسب کرد. بازده سرمایه‌گذاری ۲۳.۶٪ و زمان بازگشت سرمایه ۴.۲ سال است که نشان‌دهنده جذابیت اقتصادی و پایداری بلندمدت این پروژه در صنعت لبنیات است.

پودر شیر بدون چربی نه‌تنها محصولی با ارزش تغذیه‌ای بالا و ماندگاری طولانی است، بلکه در صنایع غذایی مختلف کاربرد دارد و بازار جهانی گسترده‌ای دارد. با طراحی دقیق فرآیند، انتخاب تجهیزات مناسب و مدیریت منابع، این پروژه می‌تواند به‌عنوان یک الگوی موفق در تولید صنعتی محصولات لبنی شناخته شود.

منبع اصلی مقاله

برای مشاهده نسخه کامل مقاله و مدل‌سازی فرآیند در نرم‌افزار SuperPro Designer، به لینک زیر مراجعه کنید:

ResearchGate – Skim Milk Powder Production by Amaury Perez Sánchez et al.