年產20萬噸啤酒廠初步設計冷卻充氧發(fā)酵...

1、廣西工業(yè)職業(yè)技術學院設計說明書課 題 名 稱： 年產20噸啤酒廠初步設計 姓 名： 匡虹州 專 業(yè)： 食品與生物工程系 班 級： 食品0832 起 止 日 期： 2010年7月16日至2010年11月30日 指 導 教 師：  廣西工業(yè)職業(yè)技術學院設計說明書（學生填寫）題目： 年產20萬噸啤酒廠初步設計冷卻充氧發(fā)酵廣西工業(yè)職業(yè)技術學院實驗、實訓、實習及設計等用紙 目 錄摘要 ·················

2、3;······················4前言 ···························

3、·············5第一章 麥汁沖氧 ································6第二章 麥汁冷卻 ·

4、3;······························7第三章 冷凝固物的分離 ·················

5、83;··········8第四章 麥汁在后處理中的變化 ······················8第五章 冷卻沖氧發(fā)酵物料衡算 ············&

6、#183;········9第六章 設備的計算及技術參數(shù) ···················14摘 要麥汁煮沸結束后，應盡快將麥汁中的熱凝固物和冷凝固物進行有效的分離，以獲得澄清的麥汁。然后將麥汁冷卻至工藝要求的發(fā)酵溫度（下面發(fā)酵應冷卻至69，上面發(fā)酵為1218）。冷卻的同時，要進行麥汁通風，為酵母繁殖提供足夠的氧。在啤酒生

7、產過程中，麥汁充氧的作用和機理，依據(jù)生產工藝的要求，進行理論充氧量的計算，進行麥汁充氧。前 言啤酒含有17種氨基酸，多種維生素及碳水化合物、礦物鹽等物質、每升啤酒的熱量可達430卡，相當于6-7枚雞蛋，075升牛奶或50克奶油，被世界營養(yǎng)協(xié)會組織列為營養(yǎng)食品，素有“液體面包”之譽。現(xiàn)代科學研究表明，啤酒中所含各種成份、既有較高的營養(yǎng)價值又具良好的藥療效果，啤酒中酒精含量較低，10度黃啤酒含酒精3左右，非但對胃和肝臟無損害，而且可平緩地促進人體血液循環(huán)；維生素b1、b6已能維持心臟正常活動，而煙酸則能擴張血管，故它們對心血管系統(tǒng)有益，可加速新陳代謝。啤酒中的礦物鹽，對人體組織細胞的代謝起著調節(jié)作

8、用。有利于人體必需水分的攝取吸收，啤酒所含酒花素、既能促進唾液、胃液和膽汁分泌、健胃益脾，又可治療肺和淋巴結核，還能促進傷口愈合和燒傷者痊愈。貧血患者常飲啤酒，能促進紅細胞的生長，增強造血功能。神經(jīng)衰弱者采用“啤酒療法”即飯后半小時和睡前各飲啤酒半瓶（約320毫升），30日為一療程，效果顯著。特別是冬季飲用溫啤酒，會使人周身發(fā)熱，祛寒解乏，中、老年人最為適宜。第一章 麥汁充氧發(fā)酵需要大量的酵母，而使用酵母繁殖需要氧氣，以利于酵母增殖并同時進入發(fā)酵階段。為此，必須給酵母提供足夠的氧氣（以空氣形式）。若延緩沖氧，則不利于酵母的增殖和發(fā)酵速度的正常進行。在本設計啤酒釀造過程中，麥汁通風是唯一一次給酵

9、母提供氧氣的機會。酵母可在幾小時之內消耗掉提供的氧氣，對麥汁質量無損害。為使空氣溶解至冷麥汁中，必須通入很細小的空氣泡，并以渦流形式與冷麥汁進行混合。否則，空氣泡過大，空氣會從麥汁中溢出，達不到麥汁充分沖氧的目的。通風量對啤酒質量有很大的影響。若通入過多的氧氣(大于12mg/l)，酵母會大量繁殖，形成的乙醇就少，酒體會出現(xiàn)淡薄現(xiàn)象；若通入的氧氣過少，氧的溶解量過低（小于6mg/l）,將影響酵母的繁殖和發(fā)酵性能。要使麥汁中的溶解氧達到89mg/l，必須使用大量的空氣。理論上每百升麥汁約需3l空氣，實際生產需要10倍的量。因為，一部分氣泡不溶于麥汁；另外，通入的空氣分布也不完全均勻。壓縮空氣必須保

10、證無菌。因此，沖氧前需安裝一個無菌空氣過濾器。未經(jīng)滅菌的空氣會導致酵母污染。1. 1 麥汁充氧（通風）工藝流程 通風裝置一般都安裝在板式換熱器冷麥汁的出口。壓縮空氣減壓后，經(jīng)空氣流量計和除菌空氣過濾器后進入麥汁充氧氣器，使麥汁與空氣充分混合，然后進入發(fā)酵罐。酵母最好在麥汁管路中添加，與麥汁更好地均與混合。1. 2麥汁充氧的方法 麥汁充氧量的控制麥汁沖氧的方法很多，應用較廣、效果較好的有以下幾種。文丘里管、帶雙物噴頭沖氧器，新型沖氧設備。本次設計選用的是文丘里管，是一段截面不同的管子，由兩端向中部縮小，其最小處稱喉頸。麥汁流過時，由于管的截面縮小，流速增大而壓力降低。喉頸處的流速最大，壓力最小。

11、此處通入無菌空氣的支管，高速的麥汁就能將無菌空氣吸入并沖散為細小的氣泡，是氣液相互密切接觸，從而達到麥汁溶氧的目的。其弱點：管道收縮喉徑造型使麥汁輸送流量受到影響，導致冷卻時間延長，壓力損失大。1.3 麥汁充氧量的控制 生產工藝要求控制合適的麥汁充氧量。充氧量太低，不利于酵母的繁殖；充氧量太高，酵母繁殖過于旺盛，會形成多量的一乙酰乳酸，而且會消耗大量的快速還原性物質，從而導致發(fā)酵后期雙乙酰還原較慢，發(fā)酵副產物中含有多量的高級醇，使啤酒飲后有“上頭”感覺。并且過高的充氧量，泡沫高度過高會造成染菌和發(fā)酵罐溢泡的危險。根據(jù)生產實踐經(jīng)驗，在23小時內用l2批次糖化麥汁就可滿罐，其充氧量達到半飽和狀態(tài)即

12、可，控制每批次糖化麥汁充氧量為56ppm 如果是大容量的室外發(fā)酵罐，滿罐時間為24小時左右時，一般只對進罐半數(shù)糖化批次的麥汁進行充氧，充氧量一般在812ppm。麥汁一進大罐就應立即開始充氧，因為太遲充氧會延長酵母生長的遲滯期，影響酵母的增殖。太遲充氧也會增加泡和和雙乙酰的形成，但對其他副產物幾乎無影響。1.4氧氣在麥汁中的溶解的影響因素1.4.1在不同溫度下，壓力為0.001mpa時，氧在水和麥汁中的飽和溶解度（見表1 表1     氧氣飽和溶解度的對比 溫度（）水中（ppm）12麥汁中（ppm）014.512.5512.710.51011.2

13、9.21510.08.1209.07.4902.3-1.4.2 氧在麥汁中溶解受麥汁濃度的影響      麥汁濃度越高，氧飽和溶解量越低（見表2）表2       10，0.001mpa時，不同麥汁濃度與氧飽和溶解量 麥汁濃度（p）氧飽和溶解量（ppm）410.189.7129.2188.11.4.3 氧在麥汁中溶解受氧分壓的影響。   麥汁中氧的溶解量，符合亨利定律“在一定的溫度和壓強下，一種氣體在液體里的溶解度與該氣體的平衡壓強成正比”。氧在麥汁中的溶解度和麥汁

14、氧分壓成正比，和麥汁溫度成反比。第二章 麥汁冷卻 啤酒廠最常用的麥汁冷卻器是板式換熱器，它的換熱效率很高，在實際生產中已經(jīng)得到普遍應用。麥汁冷卻設備對冷卻設備的基本要求有：麥汁和冷卻水流經(jīng)部位要便于清洗;密封要好，嚴防冷卻水和麥汁的滲漏；要有足夠的冷卻面積，冷卻時間要短，冷凝固物析出的量多。2. 1 板式換熱器的結構本設計采用的板式換熱器是新型的密閉冷卻設備。采用不銹鋼板制作，由許多片兩面帶溝紋的溝紋板所組成，兩塊一組，作為基本單元，麥汁和冷卻水交替流過這些溝紋板。溝紋板中間用膠皮圈作填料緊密貼牢，防止?jié)B漏。溝紋板懸掛在支撐軸上，并相互壓緊，麥汁通過連接板流入和排出。2. 2 板式換熱器的工作

15、原理通過板式換熱器，麥汁溫度可以從9598降至68。介質是冷卻的自來水或其他冷溶劑。具體的工作方式是：麥汁和冷卻劑兩種介質通過泵送以湍流形式運動，循著溝紋板兩面的溝紋逆向流動，進行熱交換，各冷卻板對既可以并聯(lián)，也可以串聯(lián)或組合使用。因此，通過板式換熱器的流量和熱交換方式是變化的。各板角上均有通道孔，構成麥汁和冷卻劑的分配通道，麥汁和冷卻劑可由此導入各板對，經(jīng)過熱交換后，再使之導出。流向相同的若干板片組成的單元成為板段。通過一個反向板，可以改變從一個板段流入下一個板段的方向。2. 3 麥汁冷卻方式 麥汁有一段或兩段冷卻方式。以前兩段冷卻方式最為普遍。但從節(jié)能和控制方面考慮，一段冷卻方式越來越多地

16、被采用。本設計采用兩段冷卻方式。 兩段冷卻兩段式板式換熱器由前、后兩段成，兩段之間安裝有中間板。前段冷卻用冷水，后段冷卻則使用冷溶劑（如乙二醇或酒精溶液）。前段冷卻水溫要求在20以下，前段冷卻后，麥汁溫度要求降至4050；后段冷卻冷溶劑溫度為43，后段冷卻后，麥汁的溫度要求降至發(fā)酵溫度。前段熱交換后的水可作為投料用水。板式換熱器具有0.250.35mpa的阻力，麥汁和冷卻劑均需要泵送入，將旋渦沉淀槽流出的9095的麥汁，直接冷卻至發(fā)酵溫度。冷卻時間最好控制在1h之內，以配合旋渦沉淀槽的生產能力，因此，板式換熱器的生產能力要求大一些。板式熱交換器用過之后，必須用熱水和熱堿充分循環(huán)，進行洗滌的滅菌

17、，防止結垢，而影響熱交換效果。 第三章 冷凝固物的分離3. 1 冷凝固物冷凝固物是在麥汁冷卻過程中所形成的混濁沉淀物，它是以蛋白質和多酚物質為主的復合物，其性質與啤酒產生的冷混濁物基本相同，加熱可以溶解。盡管麥汁溫度在7055時，冷凝固物已開始析出，但大部分是在麥汁冷卻時產生的。冷凝固物的顆粒直徑為0.51um，其組成與所使用的麥芽性質有關。由于這些顆粒十分細小，沉降十分困難，且極易附著在其他顆粒（如酵母細胞或氣泡）表面。若冷凝固物附著在酵母細胞表面上，就會影響酵母與麥汁的充分接觸，導致發(fā)酵速度減緩。因此，盡可能地將冷凝固物從麥汁中分離出來。隨著麥汁冷卻的進行，冷凝固物析出量逐步增加，從30開

18、始劇增，在0時達到最大值1530g/hl。3. 2 冷凝固物的分離方法 目前較為常用的冷凝固物分離方法有：自然沉降法，浮選法。本次設計采用得是自然沉降法：麥汁在漩渦沉淀槽、酵母繁殖罐、發(fā)酵罐中停留時，冷凝固物會自然沉降。凝固物的析出溫度較低，通常要在5時才能全部析出，而啤酒的冰點僅約為1.8左右。所以，應盡可能控制在啤酒的冰點范圍內，以去除冷凝固物。第四章 麥汁在后處理中的變化4.1 麥汁吸氧 在高溫下，麥汁中的多酚極易與氧發(fā)生反應，導致麥汁色度上升，口味粗糙；而且，因為氧化反應，麥汁中的還原物質將減少，抗氧化能力會明顯降低。因此，在麥汁制備的全過程中，都應該盡量避免物料與氧的接觸。正因如此，

19、在冷卻之前，麥汁不宜通風。在低溫（40以下），氧主要通過物理作用而溶解于麥汁中，其溶解量與麥汁的溫度和濃度成反比。相同濃度麥汁的溶解氧量與麥汁溫度、麥汁運動狀態(tài)、空氣壓力等因素有關。在0.1mpa壓力下，12°p麥汁在不同溫度下的飽和溶解氧量，見表3-1溫度/05101520溶解氧/(mg/l)11.610.49.38.37.4從熱麥汁進入漩渦沉淀槽道麥汁冷卻結束，在高溫9095的總時間不應超過110min。在這段時間內，麥汁在加熱的色度在可以允許的1.01.5ebc。如果時間太長，麥汁吸氧增多，色澤會明顯加深，不僅影響啤酒的口味，而且成品啤酒的穩(wěn)定性將變差。麥汁在后處理期間色度的變

20、化見表3-2。后處理工藝時間/min色度/ebc硫代巴比妥酸值/tba熱麥汁開始進入漩渦沉淀槽熱麥汁進入漩渦沉淀槽結束麥汁冷卻開始麥汁冷卻中麥汁冷卻結束平均值0206010014011.011.812.513.013.613.011.612.212.913.614.413.64.2 苦味增加 麥汁中的苦味質主要通過-酸的異構化來體現(xiàn)。由于煮沸結束之后，麥汁在漩渦沉淀槽內要靜置2040min，此時酒花槽中殘存的-酸仍然可以被熱麥汁浸出，異葎草酮含量可增加15%25%。4.3麥汁溶氧含量 冷卻麥汁的溶氧含量可用儀器直接在線測出，但對于進滿發(fā)酵麥汁時間長的露天大罐來說測滿罐溶解氧的意義不大。露天大罐

21、，滿罐時間較長，酵母接觸氧時已經(jīng)開始新陳代謝和繁殖，耗氧速度較快，整個滿罐周期，隨充氧批次麥汁的進罐而不斷的升高和遞減。控制露天大罐麥汁充氧量符合要求的判斷依據(jù)，應以主發(fā)酵期酵母數(shù)峰值合理為準。4.4 水分蒸發(fā)第五章 冷卻沖氧發(fā)酵物料衡算啤酒發(fā)酵工藝有上面發(fā)酵和下面發(fā)酵兩大類，而后者有傳統(tǒng)的發(fā)酵槽發(fā)酵和錐形罐發(fā)酵等之分。不同的發(fā)酵工藝，其耗冷量也隨之改變。下面以目前我國應用最普遍的錐形罐發(fā)酵工藝進行20萬噸啤酒廠發(fā)酵車間的耗冷量計算。5.1 發(fā)酵工藝流程示意圖 冷卻 94熱麥汁 冷麥汁（6） 錐形灌發(fā)酵 過冷卻至-1 貯酒 過濾 清酒灌圖2 發(fā)酵工藝流程 5.2 工藝技術指標及基礎數(shù)據(jù) 根據(jù)我

22、國啤酒生產現(xiàn)況，有關生產原料配比、工藝指標及生產過程的損失等數(shù)據(jù)如表4-1所示。表4-1 啤酒生產基礎數(shù)據(jù)項 目名 稱百分比（%）項 目名 稱百分比（%）定額指標無水麥芽浸出率75原料配比麥 芽75大 米25無水大米浸出率92啤酒損失率（對熱麥汁）冷卻損失7.5發(fā)酵損失1.6原料利用率98.5裝瓶隨時2.0麥芽水分6過濾損失1.5大米水分13總 損 失12.6根據(jù)表4-1的基礎數(shù)據(jù)，首先進行100kg原料生產10°淡色啤酒的物料計算，然后進行100l 10°淡色啤酒的物料衡算，最后進行200000t/年啤酒廠糖化車間的物料平衡計算。5. 3 物料衡算一100kg原料（75%

23、麥芽，25%大米）生產10°淡色啤酒的物料衡算(1)熱麥汁計算 根據(jù)表1可得到原料收得率分別為：麥芽收率為：0.75×(100-6)÷100=70.75%大米收率為：0.92×(100-13)÷100=80.04%混合原料收得率為：（0.75×70.50%+0.25×80.04%）×98.5%=71.79%由上述可得100kg混合料原料可制得的10°熱麥汁量為：71.19÷10%=717.9(kg)查資料知10°麥汁在20時的相對密度為1.084kg/l，而100熱麥汁相對密度為1.0

24、24，故熱麥汁（100）體積為： 717.9/1.042=689(l)（2）冷麥汁量為：689×(1-0.075)=637.325 (l)5. 4 生產100l10°淡色啤酒的物料衡算 根據(jù)上述衡算結果知，100kg混合原料可生產10°淡色成品啤酒605.37l，故可得以下結果：（1）生產100l10°淡色啤酒需耗混合原料量為：（100/605.37）×100=16.52(kg)（2）麥芽耗用量為：16.52×75%=12.39(kg)（3）大米耗用量為：16.29-12.39=4.13(kg)（4）酒花耗用量：目前國內苦味較淡的啤酒

25、普遍受歡迎特別是深受年輕人的喜愛。所以對淺色啤酒熱麥汁中加入的酒花量為0.13 % 即每100升熱麥汁添加0.13kg，故為：（689/605.37）×100×0.13%=0.148(kg)（5）熱麥汁量為：（689/605.37）×100=113.81 (l)（6）冷麥汁量為：（637.33/605.37）×100=105.28(l)5.5 麥汁充氧量控制及理論計算 要避免各種問題的出現(xiàn)，在一定程度上，麥汁充氧量及時間取決于酵母品種、添加溫度和添加量以及添加時間，氧氣供給要與酵母添加次數(shù)相結合。氧氣充入量與滿罐高度有關，因大罐內靜壓可在00.2mpa變

26、化。一般充氧量控制為麥汁體積：空氣體積=10 ： 1。   a、在標準狀態(tài)下，每224l空氣中含15(體積量)的氧氣，氧占體積為：224×0.2=448l   其重量為：4.48×32/22.4=6.4g氧氣。  b、 224l空氣量為1mol空氣含氧量為：6.4g/32g/mol0.2mol氧氣   c、 如每ll麥汁通人0.1l空氣，   則其氧氣量為：0.1×6.4/22.40.0286g/l=28.6mg氧氣l麥汁從表2中0時水中和麥汁中氧的飽和溶解度可知，上述計算值

27、比實際值要大得多。    要使麥汁充氧值達到8ppm時，即8mgl÷32gmol0.25mmoll氧氣， 因224l空氣含氧量為0.2mol設氧氣體積為v，則     224 ： 1=v ：0.25    v =0.25×22.4i   故：8mg氧氣=5.6ml氧氣   每l麥汁充氧時需空氣量為：56ml×5=28ml   假如糖化冷卻速度為900hlh，則充空氣時其流量應為：   9

28、00hlh×28×10-3 標準升空氣/l麥汁=2520lh=42lmin   但由于氧氣不能完全溶解實際控制時應稍大于此流量值，一般取2800lh。麥汁充氧理論值（流量計值）確定以后，它是與對應的空氣供氣壓力相關的，一般此壓力不應大于麥汁管道中輸送壓力0.050.10mpa，流量計讀數(shù)值為最大流量值的百分數(shù)或實際值。假定所充入的氧均溶解入麥汁時，按上述方法可以計算出充氧量。5. 6 工藝耗冷量qt麥汁冷卻耗冷量q1 本設計采用一段式串聯(lián)逆流式麥汁冷卻方法。使用的冷卻介質為2的冷凍水，出口的溫度為85。糖化車間送來的熱麥汁溫度為94，冷卻至發(fā)酵起始溫度6

29、。根據(jù)4-1啤酒生產物料衡算表，可知每糖化一次熱麥汁83782.4l，而相應的麥汁密度為1048kg/m3,故麥汁量為：g=1048×83782.4=87803955.2(kg)又知100 bx麥汁比熱容c1=4.0kj/(kg·k),工藝要求在1h小時內完成冷卻過程，則所耗冷量為：q1 =g（t1-t2）/ =87803955.2×4.0×(94-6)/1=30906992230.4 (kj/h)式中t1和t2分別表示 麥汁冷卻前后溫度（） 冷卻操作過程時間（h）根據(jù)設計結果，每個錐形發(fā)酵罐裝4鍋麥汁，則麥汁冷卻每罐耗冷量為：qf=4q1=4×

30、;30906992230.4=123627968921.6(kj) 相應地冷凍介質（2的冷凍水）耗量為：mf=q1/cm（t4-t3）= 123627968921.6 /4.18(85-2)=42866761943875.58(kg/h) 式中，t3和t4分別表示冷凍水的初溫和終溫（） cm水的比熱容kj/（kg·k）5.7 發(fā)酵耗冷量q2（1）發(fā)酵期間發(fā)酵放熱q21，假定麥汁固形均為麥芽糖，而麥芽糖的厭氧發(fā)酵房熱量為613.6kj/kg。設發(fā)酵度為55%，則1l麥汁放熱量為：q0=613.6×10%×55%=33.75(kj)根據(jù)物料衡算，每鍋麥汁的冷麥汁量為7

31、7499.33l,則每錐形缺罐發(fā)酵放熱量為：q01=33.75×77499.33×4=10462409.55(kj)由于工藝規(guī)定主發(fā)酵時間為6天，每天糖化8鍋麥汁（旺季），并考慮到發(fā)酵放熱不平衡，取系數(shù)1.5,忽略主發(fā)酵的升溫，則發(fā)酵高溫時期耗冷量為：q21 =（q01×1.5×8）/(24×6×4) =(10462409.55(×1.5×8)/(24×6×4) =217966.87(kj/h) (2)發(fā)酵后期發(fā)酵液降溫耗q22主發(fā)酵后期，發(fā)酵后期，發(fā)酵液溫度從6緩降到-1。每天單罐降溫耗冷量為

32、：q02=4gc16-（-1）=4×217966.87×4.0×7=24412288.95(kj) 工藝要求此過程在2天內完成，則耗冷量為（麥汁每天裝2個錐形罐）：q22=（2q02）/(24×2)=(2×24412288.95)/(24×2)=4068714.83(kj/h) (3)發(fā)酵總耗冷量q2q2=q21+q22=54488.48+4068714.83=4123203.305(kj/h) (4)每酵用冷媒耗量q0q0=q01+q02=2615447.05+2458509.76=7073956.81（kg/h） (5)發(fā)酵用冷媒

33、耗（循環(huán)量）m2發(fā)酵全過程冷卻用稀酒精液作冷卻介質，進出口溫度為-8和0，故耗冷媒量為：m2=q2/（cw×8）=156926.39/(4.18×8)=4692.77（kg/h） 5.8 酵母洗滌用冷無菌水冷卻的耗冷量q3在錐形罐啤酒發(fā)酵過程，主發(fā)酵結束時要排放部分酵母，經(jīng)洗滌活化后重復用于新麥汁的發(fā)酵，一般可重復使用57次。設濕酵母添加量為麥汁量的1.0%，且使用1的無菌水洗滌，洗滌無菌水量為酵母量的3倍。冷卻前無菌水溫30。用-8的酒精液作冷地介質。由中述條件，可得無菌水用量為：gw=19374.83×8×1.0%×3=2324.98(kg/d) 式中 19374.83糖化一次的冷麥汁量（kg）假設無菌水冷卻操作在2h小時內完成，則無菌水冷卻耗量為：q3=gwcw(tw-tw)/r =2324.98×4.18×(30-1)/2=140917.04(kg/h)