年产20万吨啤酒厂初步设计冷却充氧发酵...

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1、广西工业职业技术学院设计说明书课 题 名 称： 年产20吨啤酒厂初步设计 姓 名： 匡虹州 专 业： 食品与生物工程系 班 级： 食品0832 起 止 日 期： 2010年7月16日至2010年11月30日 指 导 教 师： 广西工业职业技术学院设计说明书（学生填写）题目： 年产20万吨啤酒厂初步设计冷却充氧发酵广西工业职业技术学院实验、实训、实习及设计等用纸 目 录摘要 4前言 5第一章 麦汁冲氧 6第二章 麦汁冷却 7第三章 冷凝固物的分离 8第四章 麦汁在后处理中的变化 8第五章 冷却冲氧发酵物料衡算 9第六章 设备的计算及技术参数 14摘 要麦汁煮沸结束后，应尽快将麦汁中的热凝固物和冷

2、凝固物进行有效的分离，以获得澄清的麦汁。然后将麦汁冷却至工艺要求的发酵温度（下面发酵应冷却至69，上面发酵为1218）。冷却的同时，要进行麦汁通风，为酵母繁殖提供足够的氧。在啤酒生产过程中，麦汁充氧的作用和机理，依据生产工艺的要求，进行理论充氧量的计算，进行麦汁充氧。前 言啤酒含有17种氨基酸，多种维生素及碳水化合物、矿物盐等物质、每升啤酒的热量可达430卡，相当于6-7枚鸡蛋，075升牛奶或50克奶油，被世界营养协会组织列为营养食品，素有“液体面包”之誉。现代科学研究表明，啤酒中所含各种成份、既有较高的营养价值又具良好的药疗效果，啤酒中酒精含量较低，10度黄啤酒含酒精3左右，非但对胃和肝脏无

3、损害，而且可平缓地促进人体血液循环；维生素B1、B6已能维持心脏正常活动，而烟酸则能扩张血管，故它们对心血管系统有益，可加速新陈代谢。啤酒中的矿物盐，对人体组织细胞的代谢起着调节作用。有利于人体必需水分的摄取吸收，啤酒所含酒花素、既能促进唾液、胃液和胆汁分泌、健胃益脾，又可治疗肺和淋巴结核，还能促进伤口愈合和烧伤者痊愈。贫血患者常饮啤酒，能促进红细胞的生长，增强造血功能。神经衰弱者采用“啤酒疗法”即饭后半小时和睡前各饮啤酒半瓶（约320毫升），30日为一疗程，效果显著。特别是冬季饮用温啤酒，会使人周身发热，祛寒解乏，中、老年人最为适宜。第一章 麦汁充氧发酵需要大量的酵母，而使用酵母繁殖需要氧气

4、，以利于酵母增殖并同时进入发酵阶段。为此，必须给酵母提供足够的氧气（以空气形式）。若延缓冲氧，则不利于酵母的增殖和发酵速度的正常进行。在本设计啤酒酿造过程中，麦汁通风是唯一一次给酵母提供氧气的机会。酵母可在几小时之内消耗掉提供的氧气，对麦汁质量无损害。为使空气溶解至冷麦汁中，必须通入很细小的空气泡，并以涡流形式与冷麦汁进行混合。否则，空气泡过大，空气会从麦汁中溢出，达不到麦汁充分冲氧的目的。通风量对啤酒质量有很大的影响。若通入过多的氧气(大于12mg/L)，酵母会大量繁殖，形成的乙醇就少，酒体会出现淡薄现象；若通入的氧气过少，氧的溶解量过低（小于6mg/L）,将影响酵母的繁殖和发酵性能。要使麦

5、汁中的溶解氧达到89mg/L，必须使用大量的空气。理论上每百升麦汁约需3L空气，实际生产需要10倍的量。因为，一部分气泡不溶于麦汁；另外，通入的空气分布也不完全均匀。压缩空气必须保证无菌。因此，冲氧前需安装一个无菌空气过滤器。未经灭菌的空气会导致酵母污染。1. 1 麦汁充氧（通风）工艺流程 通风装置一般都安装在板式换热器冷麦汁的出口。压缩空气减压后，经空气流量计和除菌空气过滤器后进入麦汁充氧气器，使麦汁与空气充分混合，然后进入发酵罐。酵母最好在麦汁管路中添加，与麦汁更好地均与混合。1. 2麦汁充氧的方法 麦汁充氧量的控制麦汁冲氧的方法很多，应用较广、效果较好的有以下几种。文丘里管、带双物喷头冲

6、氧器，新型冲氧设备。本次设计选用的是文丘里管，是一段截面不同的管子，由两端向中部缩小，其最小处称喉颈。麦汁流过时，由于管的截面缩小，流速增大而压力降低。喉颈处的流速最大，压力最小。此处通入无菌空气的支管，高速的麦汁就能将无菌空气吸入并冲散为细小的气泡，是气液相互密切接触，从而达到麦汁溶氧的目的。其弱点：管道收缩喉径造型使麦汁输送流量受到影响，导致冷却时间延长，压力损失大。1.3 麦汁充氧量的控制 生产工艺要求控制合适的麦汁充氧量。充氧量太低，不利于酵母的繁殖；充氧量太高，酵母繁殖过于旺盛，会形成多量的一乙酰乳酸，而且会消耗大量的快速还原性物质，从而导致发酵后期双乙酰还原较慢，发酵副产物中含有多

7、量的高级醇，使啤酒饮后有“上头”感觉。并且过高的充氧量，泡沫高度过高会造成染菌和发酵罐溢泡的危险。根据生产实践经验，在23小时内用l2批次糖化麦汁就可满罐，其充氧量达到半饱和状态即可，控制每批次糖化麦汁充氧量为56ppm 如果是大容量的室外发酵罐，满罐时间为24小时左右时，一般只对进罐半数糖化批次的麦汁进行充氧，充氧量一般在812ppm。麦汁一进大罐就应立即开始充氧，因为太迟充氧会延长酵母生长的迟滞期，影响酵母的增殖。太迟充氧也会增加泡和和双乙酰的形成，但对其他副产物几乎无影响。1.4氧气在麦汁中的溶解的影响因素1.4.1在不同温度下，压力为0.001MPa时，氧在水和麦汁中的饱和溶解度（见表

8、1表1 氧气饱和溶解度的对比 温度（）水中（ppm）12麦汁中（ppm）014.512.5512.710.51011.29.21510.08.1209.07.4902.3-1.4.2 氧在麦汁中溶解受麦汁浓度的影响 麦汁浓度越高，氧饱和溶解量越低（见表2）表2 10，0.001MPa时，不同麦汁浓度与氧饱和溶解量 麦汁浓度（P）氧饱和溶解量（ppm）410.189.7129.2188.11.4.3 氧在麦汁中溶解受氧分压的影响。 麦汁中氧的溶解量，符合亨利定律“在一定的温度和压强下，一种气体在液体里的溶解度与该气体的平衡压强成正比”。氧在麦汁中的溶解度和麦汁氧分压成正比，和麦汁温度成反比。第二

9、章 麦汁冷却 啤酒厂最常用的麦汁冷却器是板式换热器，它的换热效率很高，在实际生产中已经得到普遍应用。麦汁冷却设备对冷却设备的基本要求有：麦汁和冷却水流经部位要便于清洗;密封要好，严防冷却水和麦汁的渗漏；要有足够的冷却面积，冷却时间要短，冷凝固物析出的量多。2. 1 板式换热器的结构本设计采用的板式换热器是新型的密闭冷却设备。采用不锈钢板制作，由许多片两面带沟纹的沟纹板所组成，两块一组，作为基本单元，麦汁和冷却水交替流过这些沟纹板。沟纹板中间用胶皮圈作填料紧密贴牢，防止渗漏。沟纹板悬挂在支撑轴上，并相互压紧，麦汁通过连接板流入和排出。2. 2 板式换热器的工作原理通过板式换热器，麦汁温度可以从9

10、598降至68。介质是冷却的自来水或其他冷溶剂。具体的工作方式是：麦汁和冷却剂两种介质通过泵送以湍流形式运动，循着沟纹板两面的沟纹逆向流动，进行热交换，各冷却板对既可以并联，也可以串联或组合使用。因此，通过板式换热器的流量和热交换方式是变化的。各板角上均有通道孔，构成麦汁和冷却剂的分配通道，麦汁和冷却剂可由此导入各板对，经过热交换后，再使之导出。流向相同的若干板片组成的单元成为板段。通过一个反向板，可以改变从一个板段流入下一个板段的方向。2. 3 麦汁冷却方式 麦汁有一段或两段冷却方式。以前两段冷却方式最为普遍。但从节能和控制方面考虑，一段冷却方式越来越多地被采用。本设计采用两段冷却方式。 两

11、段冷却两段式板式换热器由前、后两段成，两段之间安装有中间板。前段冷却用冷水，后段冷却则使用冷溶剂（如乙二醇或酒精溶液）。前段冷却水温要求在20以下，前段冷却后，麦汁温度要求降至4050；后段冷却冷溶剂温度为43，后段冷却后，麦汁的温度要求降至发酵温度。前段热交换后的水可作为投料用水。板式换热器具有0.250.35MPa的阻力，麦汁和冷却剂均需要泵送入，将旋涡沉淀槽流出的9095的麦汁，直接冷却至发酵温度。冷却时间最好控制在1h之内，以配合旋涡沉淀槽的生产能力，因此，板式换热器的生产能力要求大一些。板式热交换器用过之后，必须用热水和热碱充分循环，进行洗涤的灭菌，防止结垢，而影响热交换效果。 第三

12、章 冷凝固物的分离3. 1 冷凝固物冷凝固物是在麦汁冷却过程中所形成的混浊沉淀物，它是以蛋白质和多酚物质为主的复合物，其性质与啤酒产生的冷混浊物基本相同，加热可以溶解。尽管麦汁温度在7055时，冷凝固物已开始析出，但大部分是在麦汁冷却时产生的。冷凝固物的颗粒直径为0.51um，其组成与所使用的麦芽性质有关。由于这些颗粒十分细小，沉降十分困难，且极易附着在其他颗粒（如酵母细胞或气泡）表面。若冷凝固物附着在酵母细胞表面上，就会影响酵母与麦汁的充分接触，导致发酵速度减缓。因此，尽可能地将冷凝固物从麦汁中分离出来。随着麦汁冷却的进行，冷凝固物析出量逐步增加，从30开始剧增，在0时达到最大值1530g/

13、hL。3. 2 冷凝固物的分离方法 目前较为常用的冷凝固物分离方法有：自然沉降法，浮选法。本次设计采用得是自然沉降法：麦汁在漩涡沉淀槽、酵母繁殖罐、发酵罐中停留时，冷凝固物会自然沉降。凝固物的析出温度较低，通常要在5时才能全部析出，而啤酒的冰点仅约为1.8左右。所以，应尽可能控制在啤酒的冰点范围内，以去除冷凝固物。第四章 麦汁在后处理中的变化4.1 麦汁吸氧 在高温下，麦汁中的多酚极易与氧发生反应，导致麦汁色度上升，口味粗糙；而且，因为氧化反应，麦汁中的还原物质将减少，抗氧化能力会明显降低。因此，在麦汁制备的全过程中，都应该尽量避免物料与氧的接触。正因如此，在冷却之前，麦汁不宜通风。在低温（4

14、0以下），氧主要通过物理作用而溶解于麦汁中，其溶解量与麦汁的温度和浓度成反比。相同浓度麦汁的溶解氧量与麦汁温度、麦汁运动状态、空气压力等因素有关。在0.1MPa压力下，12P麦汁在不同温度下的饱和溶解氧量，见表3-1温度/05101520溶解氧/(mg/L)11.610.49.38.37.4从热麦汁进入漩涡沉淀槽道麦汁冷却结束，在高温9095的总时间不应超过110min。在这段时间内，麦汁在加热的色度在可以允许的1.01.5EBC。如果时间太长，麦汁吸氧增多，色泽会明显加深，不仅影响啤酒的口味，而且成品啤酒的稳定性将变差。麦汁在后处理期间色度的变化见表3-2。后处理工艺时间/min色度/EBC

15、硫代巴比妥酸值/TBA热麦汁开始进入漩涡沉淀槽热麦汁进入漩涡沉淀槽结束麦汁冷却开始麦汁冷却中麦汁冷却结束平均值0206010014011.011.812.513.013.613.011.612.212.913.614.413.64.2 苦味增加 麦汁中的苦味质主要通过-酸的异构化来体现。由于煮沸结束之后，麦汁在漩涡沉淀槽内要静置2040min，此时酒花槽中残存的-酸仍然可以被热麦汁浸出，异葎草酮含量可增加15%25%。4.3麦汁溶氧含量 冷却麦汁的溶氧含量可用仪器直接在线测出，但对于进满发酵麦汁时间长的露天大罐来说测满罐溶解氧的意义不大。露天大罐，满罐时间较长，酵母接触氧时已经开始新陈代谢和繁

16、殖，耗氧速度较快，整个满罐周期，随充氧批次麦汁的进罐而不断的升高和递减。控制露天大罐麦汁充氧量符合要求的判断依据，应以主发酵期酵母数峰值合理为准。4.4 水分蒸发第五章 冷却冲氧发酵物料衡算啤酒发酵工艺有上面发酵和下面发酵两大类，而后者有传统的发酵槽发酵和锥形罐发酵等之分。不同的发酵工艺，其耗冷量也随之改变。下面以目前我国应用最普遍的锥形罐发酵工艺进行20万吨啤酒厂发酵车间的耗冷量计算。5.1 发酵工艺流程示意图 冷却 94热麦汁 冷麦汁（6） 锥形灌发酵 过冷却至-1 贮酒 过滤 清酒灌图2 发酵工艺流程 5.2 工艺技术指标及基础数据 根据我国啤酒生产现况，有关生产原料配比、工艺指标及生产

17、过程的损失等数据如表4-1所示。表4-1 啤酒生产基础数据项 目名 称百分比（%）项 目名 称百分比（%）定额指标无水麦芽浸出率75原料配比麦 芽75大 米25无水大米浸出率92啤酒损失率（对热麦汁）冷却损失7.5发酵损失1.6原料利用率98.5装瓶随时2.0麦芽水分6过滤损失1.5大米水分13总 损 失12.6根据表4-1的基础数据，首先进行100kg原料生产10淡色啤酒的物料计算，然后进行100L 10淡色啤酒的物料衡算，最后进行200000t/年啤酒厂糖化车间的物料平衡计算。5. 3 物料衡算一100kg原料（75%麦芽，25%大米）生产10淡色啤酒的物料衡算(1)热麦汁计算 根据表1可

18、得到原料收得率分别为：麦芽收率为：0.75(100-6)100=70.75%大米收率为：0.92(100-13)100=80.04%混合原料收得率为：（0.7570.50%+0.2580.04%）98.5%=71.79%由上述可得100kg混合料原料可制得的10热麦汁量为：71.1910%=717.9(kg)查资料知10麦汁在20时的相对密度为1.084kg/l，而100热麦汁相对密度为1.024，故热麦汁（100）体积为： 717.9/1.042=689(L)（2）冷麦汁量为：689(1-0.075)=637.325 (L)5. 4 生产100L10淡色啤酒的物料衡算 根据上述衡算结果知，1

19、00kg混合原料可生产10淡色成品啤酒605.37L，故可得以下结果：（1）生产100L10淡色啤酒需耗混合原料量为：（100/605.37）100=16.52(kg)（2）麦芽耗用量为：16.5275%=12.39(kg)（3）大米耗用量为：16.29-12.39=4.13(kg)（4）酒花耗用量：目前国内苦味较淡的啤酒普遍受欢迎特别是深受年轻人的喜爱。所以对浅色啤酒热麦汁中加入的酒花量为0.13 % 即每100升热麦汁添加0.13kg，故为：（689/605.37）1000.13%=0.148(kg)（5）热麦汁量为：（689/605.37）100=113.81 (L)（6）冷麦汁量为：（

20、637.33/605.37）100=105.28(L)5.5 麦汁充氧量控制及理论计算 要避免各种问题的出现，在一定程度上，麦汁充氧量及时间取决于酵母品种、添加温度和添加量以及添加时间，氧气供给要与酵母添加次数相结合。氧气充入量与满罐高度有关，因大罐内静压可在00.2MPa变化。一般充氧量控制为麦汁体积：空气体积=10 ： 1。 a、在标准状态下，每224L空气中含15(体积量)的氧气，氧占体积为：2240.2=448L 其重量为：4.4832/22.4=6.4g氧气。 b、 224L空气量为1mol空气含氧量为：6.4g/32g/mol0.2mol氧气 c、 如每lL麦汁通人0.1L空气，

21、则其氧气量为：0.16.4/22.40.0286g/L=28.6mg氧气L麦汁从表2中0时水中和麦汁中氧的饱和溶解度可知，上述计算值比实际值要大得多。 要使麦汁充氧值达到8ppm时，即8mgL32gmol0.25mmolL氧气， 因224L空气含氧量为0.2mol设氧气体积为V，则 224 ： 1=V ：0.25 V =0.2522.4I 故：8mg氧气=5.6ml氧气 每L麦汁充氧时需空气量为：56ml5=28ml 假如糖化冷却速度为900hlh，则充空气时其流量应为： 900hlh2810-3 标准升空气/L麦汁=2520Lh=42Lmin 但由于氧气不能完全溶解实际控制时应稍大于此流量值

22、，一般取2800Lh。麦汁充氧理论值（流量计值）确定以后，它是与对应的空气供气压力相关的，一般此压力不应大于麦汁管道中输送压力0.050.10MPa，流量计读数值为最大流量值的百分数或实际值。假定所充入的氧均溶解入麦汁时，按上述方法可以计算出充氧量。5. 6 工艺耗冷量Qt麦汁冷却耗冷量Q1 本设计采用一段式串联逆流式麦汁冷却方法。使用的冷却介质为2的冷冻水，出口的温度为85。糖化车间送来的热麦汁温度为94，冷却至发酵起始温度6。根据4-1啤酒生产物料衡算表，可知每糖化一次热麦汁83782.4L，而相应的麦汁密度为1048kg/m3,故麦汁量为：G=104883782.4=87803955.2

23、(kg)又知100 Bx麦汁比热容C1=4.0KJ/(Kgk),工艺要求在1h小时内完成冷却过程，则所耗冷量为：Q1 =G（t1-t2）/ =87803955.24.0(94-6)/1=30906992230.4 (KJ/h)式中t1和t2分别表示 麦汁冷却前后温度（） 冷却操作过程时间（h）根据设计结果，每个锥形发酵罐装4锅麦汁，则麦汁冷却每罐耗冷量为：Qf=4Q1=430906992230.4=123627968921.6(kJ) 相应地冷冻介质（2的冷冻水）耗量为：Mf=Q1/Cm（t4-t3）= 123627968921.6 /4.18(85-2)=42866761943875.58(

24、kg/h) 式中，t3和t4分别表示冷冻水的初温和终温（） Cm水的比热容KJ/（kgK）5.7 发酵耗冷量Q2（1）发酵期间发酵放热Q21，假定麦汁固形均为麦芽糖，而麦芽糖的厌氧发酵房热量为613.6kJ/kg。设发酵度为55%，则1L麦汁放热量为：q0=613.610%55%=33.75(kJ)根据物料衡算，每锅麦汁的冷麦汁量为77499.33L,则每锥形缺罐发酵放热量为：Q01=33.7577499.334=10462409.55(kJ)由于工艺规定主发酵时间为6天，每天糖化8锅麦汁（旺季），并考虑到发酵放热不平衡，取系数1.5,忽略主发酵的升温，则发酵高温时期耗冷量为：Q21 =（Q0

25、11.58）/(2464) =(10462409.55(1.58)/(2464) =217966.87(kJ/h) (2)发酵后期发酵液降温耗Q22主发酵后期，发酵后期，发酵液温度从6缓降到-1。每天单罐降温耗冷量为：Q02=4GC16-（-1）=4217966.874.07=24412288.95(KJ) 工艺要求此过程在2天内完成，则耗冷量为（麦汁每天装2个锥形罐）：Q22=（2Q02）/(242)=(224412288.95)/(242)=4068714.83(KJ/h) (3)发酵总耗冷量Q2Q2=Q21+Q22=54488.48+4068714.83=4123203.305(kJ/h

26、) (4)每酵用冷媒耗量Q0Q0=Q01+Q02=2615447.05+2458509.76=7073956.81（kg/h） (5)发酵用冷媒耗（循环量）M2发酵全过程冷却用稀酒精液作冷却介质，进出口温度为-8和0，故耗冷媒量为：M2=Q2/（Cw8）=156926.39/(4.188)=4692.77（kg/h） 5.8 酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量Q3在锥形罐啤酒发酵过程，主发酵结束时要排放部分酵母，经洗涤活化后重复用于新麦汁的发酵，一般可重复使用57次。设湿酵母添加量为麦汁量的1.0%，且使用1的无菌水洗涤，洗涤无菌水量为酵母量的3倍。冷却前无菌水温30。用-8的酒精液作冷地介质。由

27、中述条件，可得无菌水用量为：Gw=19374.8381.0%3=2324.98(kg/d) 式中 19374.83糖化一次的冷麦汁量（kg）假设无菌水冷却操作在2h小时内完成，则无菌水冷却耗量为：Q3=GwCw(tw-tw)/r =2324.984.18(30-1)/2=140917.04(kg/h) 所耗冷冻介质量为：M3=Q3cw(t2-t1)/r=140917.04.188=2356132.91(kg/h) 式中，t1和t2冷冻酒精液热交换前后的温度，分别为-8和0。每罐用于酵母洗涤的耗冷量：Q3=GwGm(tw-tw)/2=140917.04式中 2每班装罐2罐第六章 设备的计算及技术

28、参数1. 麦汁冷却器冷却（换热）面积计算第一阶段冷却(冷却介质为冷水)麦汁温度5525 冷水温度1830 冷却时间1hQ1=CWM醪(t1-t2)/T=14832.520.98(55-25)/1=436076.09(kcal/h) CW=0.98 kcal/. M醪=14832.52 t1=55 t2=25 t=18 t2=30t= =14.14（ ） 现取用薄板冷却器冷却,其传热系数K值取2000 kcal/ m.h.则F1=15.42(m)第二阶段冷却(冷却介质冷水)麦汁温度 256 盐水温度 -80 冷却时间 1hQ2=14832.520.98(25-6)/1=276181.52 (kc

29、al/ h)t=(25-0)-6+(-8)/ln(25/14)=18.96 取K=2000（kcal/ m.h.）F2= =7.28(m)总的换热面积F=F1+F2=15.42+7.28=22.7（m2）麦汁输送、充氧设备技术参数设备名称设备参数麦汁冷却泵流量：160m3/h，扬程60m；麦汁管道直径104mmPALL空气滤芯孔径：一级1.2m，二级0.2m；耐压力00.6MPa发酵罐高度22m参考文献1 逯家富.赵金海.啤酒生产技术.北京:科学出版社,20042 袁惠民,杜绿君.啤酒技术与管理.中国轻工业出版社,19943 马海乐.食品机械与设备.北京:中国农业出版社.20044 吴思方.发酵工厂工艺设计概论.中国轻工业出版社,20065 唐是雯.现代食品发酵技术.北京:轻工业出版社,20026 马海乐.食品机械与设备.北京:中国农业出版社.20047 姚玉英.化工原理(上下册).天津:天津大学出版社.20038 管敦议.啤酒工业手册(上下册).北京:轻工业出版社,19989 周广田.现代啤酒工艺技术2007指导教师对 专业班级 学生的说明书评 语成 绩 评 定： （百分制）指导教师签名： 年 月 日同行教师对 专业班级 学生的说明书评 语注：不参与答辩的学生的答辩成绩，由同行教师评定设计说明书的质量和分数，替代答辩成绩。成 绩 评 定： （百分制）同行教师签名： 年 月 日